KR100700670B1 - 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 - Google Patents

마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 Download PDF

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KR100700670B1
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이종철
장석형
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광운대학교 산학협력단
이종철
장석형
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Abstract

본 발명은 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기의 신규한 구조에 의한 신호라인의 갭과 슬릿에 의하여 커플링 세기를 증가시켜 공진기의 품질, 선택도, 크기를 향상시킨 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기에 관한 것이다.
본 발명은 스플릿 링 공진기에서 마이크로 스트립 신호라인의 길이를 연장하는 개방형 슬릿과 마이크로 스트립 신호라인 사이의 내부 갭을 형성한 콤팩트한 공진기 구조와, 개방형 슬릿에 따른 캐패시턴스와 내부 갭에 따른 분포 캐패시턴스에 의한 등가 정정용량을 극대화한 것이다.
H로 굽은 제 1 또는 제 2 마이크로 스트립 신호라인에 의한 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿과 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿에 의한 캐패시턴스 및 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 제 2 마이크로 스트립 신호라인 사이의 내부 갭에 의한 분포 캐패시턴스를 포함하고 상기 캐패시턴스와 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량을 극대화하여 공진기의 크기를 최소화한다.
따라서, 본 발명은 스플릿 공진기의 신규한 구조에 의하여 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스의 등가 정정용량을 크게 함으로써, 커플링 효율을 향상시켜 공진기의 품질과 선택도를 향상시킨 초소형 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 제공하는 효과가 있으며, 아울러, 마이크로파 및 밀리미터파 회로에서 필터, 듀플렉스, 오실레이터, 믹서 등에 응용되는 효과가 있다.
공진기, 타원함수 필터, 커플링 계수, 감쇄 극점, 전달 영점, 스플릿 링 공진기, 대역통과 필터, 마이크로 스트립

Description

마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 {Microstrip Split Ring Resonator}
도 1은 종래의 개방 루프 공진기 구조도
도 2는 종래의 스플릿 링 공진기의 구조도
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 구조도
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 등가회로도
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 그래프
도 9는 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도
도 10은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프
도 11은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도
도 12는 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역 통과 필터 그래프
* 도면의 주요 부분의 부호의 설명 *
10 : 마이크로 스트립 신호라인
11, 13 : 제 1 마이크로 스트립 신호라인
12, 14 : 제 2 마이크로 스트립 신호라인
20 : 마이크로 스트립 커플링 슬릿
21 : 제 1 마이크로 스트립 커플링 슬릿
22 : 제 2 마이크로 스트립 커플링 슬릿
30, 31 : 내부 갭 32 : 내부공간
40 : 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿
41 : 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿
50 : 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿
60, 70, 80, 90 : 제 1 간격 61, 71, 81, 91 : 제 2 간격
62, 82 : 제 3 간격 100, 500, 800, 1200 : 제 1 공진기
110, 510, 810, 1210 : 입력선로
200, 600, 900, 1300 : 제 2 공진기
300, 700, 1000,1400 : 제 3 공진기
400, 1100 : 제 4 공진기 410, 710, 1110, 1410 : 출력선로
본 발명은 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기(Split Ring Resonator)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기의 신규한 구조에 의한 신호라인의 갭과 슬릿에 의하여 커플링 세기를 증가시켜 공진기의 품질, 선택도, 크기를 향상시킨 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기에 관한 것이다.
도 1은 종래의 개방형 루프 공진기 구조도로서, 상기 개방형 루프 공진기는 마이크로 스트립 신호라인(10)의 어느 한 변이 마이크로 스트립 커플링 슬릿(20)으로 형성되어 사각형으로 굽은 구조이고, 도 2는 종래의 스플릿 링 공진기 구조도로서, 상기 스플릿 링 공진기는 제 1 마이크로 스트립 커플링 슬릿(21)이 형성되어 사각형으로 굽은 구조인 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11) 내부에 동일한 구조의 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)를 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 커플링 슬릿(21, 22)의 방향이 서로 반대가 되게 삽입하고 삽임함에 있어서, 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인(11, 12) 사이에 내부 갭(30)이 형성된 구조이다.
이와 같이 상기 공진기들은 내부 갭(30)에 의하여 커플링 효율을 결정하며, 내부 갭(30)의 사이즈가 작으면 커플링 효과가 크게 되고, 갭의 사이즈를 크게 하면 커플링 효과도 줄어든다. 따라서, 상기 커플링 구조는 내부 갭(30)의 사이즈를 줄이는데 있어서 공정상의 제한이 있음으로 공진기의 품질과 선택도를 향상시키기 어려운 문제점이 있었다.
또 다른 종래의 공진기로서, 마이크로 스트립을 이용한 헤어핀 공진기(Hairpin Resonator)가 있는 바, 상기 헤어핀 공진기는 유전체 공진기(DR)에 비해서 손실이 적고 집중소자 캐패시터를 갖는 구조에 비해 보다 높은 주파수 영역에서 사용될 수 있으며 병렬결합선로의 길이를 조절(trimming)하여 주파수를 튜닝할 수 있고, 평면구조이기 때문에 MIC(Microwave Integrated Circuit) 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 구현이 용이한 공진기가 있었다.
종래의 상기 헤어핀 공진기는 커플링의 세기(Coupling Strength)를 증가시키기에 이미 한계에 도래하였고, 차선책으로 기판(Substrate)의 물성을 조절하는 식의 기술이 있었으나 근본적인 커필링의 세기의 증가 없이는 위성과 같은 높은 주파수로의 이용이 용이하지 못함으로 인하여 고가의 제품으로 양산되는 불가피한 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 근본적인 공진기의 커플링 세기를 증가시키고 품질, 선택도, 크기를 향상시킨 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기는 일 측단부에 제 1 개방형 슬릿부와, 다른 측단부에는 폐쇄형 슬릿부을 형성한 H자형의 제 1 마이크로 스트립 신호라인과, 상기 H자형의 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 일정한 내부 갭을 갖으며 H자형의 굽은 형상을 따라 형성된 H자형의 제 2 마이크로 스트립 신호라인 및 상기 H자형의 제 2 마이크로 스트립 신호라인에는 제 1 개방형 슬릿부와 반대되는 방향으로 제 2 개방형 슬릿부가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 제 2 마이크로 스트립 신호라인은 제 1 및 제 2 개방형 슬릿부 또는 내부 갭에 의하여 커플링 세기가 증가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 제 1 및 제 2 개방형 슬릿부에 의한 캐패시턴스 및 내부 갭에 의한 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량이 극대화되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기 구조도로서, 상기 스플릿 링 공진기는 신호라인을 굽은 구조(Meander Line Structure)로 형성한 것이다. 즉, 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)을 형성하고 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)의 다른 측면에 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿(41)이 형성되도록 H자 형태로 굽은 제 1 마이크로 스트립 신호라인(13)과, 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인(13) 내부에 제 1 마이크로 스트립 신호라인(13)을 기준으로 일정비율 축소하여 내부 갭(31)과 내부 공간(32)이 형성되고, 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)과 반대되는 방향에 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(50)이 형성되도록 H자로 굽 은 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)으로 이루어진다.
본 발명 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 설명하기 위하여 우선, 도 2 또는 도 4a 내지 도 4c와 함께 종래의 스플릿 링 공진기를 설명하면 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)은 도 4b 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 R, L, C 등가회로로 표시되는 바, 입력선로상의 신호의 인가는 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)의 신호전원으로 나타나고 상기 등가 신호전압원은 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)으로 여기 되며, 이때 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)도 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)에 대해 등가 신호 전압원으로 나타난다. 이에 도 4b에 도시된 바와 같이 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12) 상의 두 개의 등가신호 전압원을 모두 고려한 상기 공진기의 총 등가신호 전압원은 다음과 같은 페러데이 법칙(faraday's law)으로 나타난다.
V = -jωμ0AHi
V : 유도전압원(Induced Voltage)
ω : 각주파수(radial frequency)
Hi : 투과 자기력(incident magnetic field)
A : 루프의 면적(loop area)
μ0 : 자유공간의 투자율(free-space permeability)
따라서, 도 4a 또는 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 마이크로 스트립 신호라 인(12)의 A는 등가신호 전압원 V o 으로 모델화되고 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)의 B는 등가신호 전압원 V i 로 모델화된다. 또한 심볼 R' 과 L' 는 각각 분포저항(distributed resistance )과 분포 인덕턴스(distributed inductance)이고, C slit 는 슬릿에 대한 정전용량(capacitance of the slits)이며, C'는 두 개의 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인(11, 12) 사이의 내부 갭(30)의 분포커패시턴스(the distributed capacitance of the gap)이다.
입력 피드라인(feed line)선로로 입력된 주파수 신호는 제 1 마이크로 스트립 신호라인(12)에서 내부 갭(30)을 통해 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)으로 흐르게 된다. 이때 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)은 그 위치에 따라서 등가전압원의 값이 상대적으로 차이를 갖는다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 신호라인의 슬릿방향으로 갈수록 최소값을 가지며 반대로 중앙점인 A와 B에서 최대값을 가진다.
등가회로도인 도 4b를 보다 간략화한 도 4c는 상기 도 4b 등가회로도의 슬릿을 통한 등가정전용량이 내부 갭(30)의 등가정전용량보다 상대적으로 작은 값을 갖기 때문에 이를 생략하여 도시한 것이다. 따라서 도 4c에 도시된 RLC 직렬 탱크 회로(serial tank circuit)로써 간략화 시킬 수가 있다.
한편, 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인(11, 12)이 배치가 서로 대칭적이기 때문에 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 마이크로 스트립 신호라인(11)의 윗부분이 음의 전하의 값을 갖으면 제 2 마이크로 스트립 신호라인(12)의 윗부분은 상대적으로 양의 유도전하를 갖는다. 이와 같은 현상은 상기 제 1 또는 제 2 마이크로 스트립 신호라인(11, 12)의 아랫부분에 대해서도 일치한다.
그러므로 이와 같은 등가회로도를 근간으로 상기의 공진기의 공진주파수는 다음과 같은 공식으로 간략화 된다.
ω 0 =sqrt(2/pLCpul)
ω 0 : 공진주파수(resonance frequency)
C pu l : 내부 갭에 대한 단위길이당 정전용량
L : 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인 전체에 대한 총 인덕턴스 (total inductance)
r0 : 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인 사이의 평균반지름
결과적으로 본 발명 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기는 상기 도 4a 내지 도 4c의 신호흐름과 거의 동일하지만 도 2의 공진기 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 구조를 도 3에 도시된 바와 같이 H형태로 굽어 제작함으로써, 제 1 또는 제 2 마이크로 신호라인(13, 14)에 의한 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)과, 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(50)에 의한 캐패시턴스 및 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인(13)과 제 2 마이크로 스트립 신호라인(14) 사이의 내부 갭(31)에 의한 분포 캐패시턴스를 포함하고 상기 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량을 극대화하여 전체 크기 면에서 훨씬 작은 형태로 구현한 것이다.
따라서, 본 발명 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기는 제 1 마이크로 스트립 신호라인(13)과, 제 2 마이크로 스트립 신호라인(14) 사이의 내부 갭(31) 또는 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 슬릿(40, 41)의 커필링 세기의 증가로 인하여 본 발명 공진기의 공진주파수는 저주파로의 이동이 매우 크고 동일한 중심주파수로의 설계 시에 공진기의 크기를 획기적으로 줄이는 작용을 한다.
또한, 본 발명 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기는 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인(13, 14) 각각의 두께를 0.48㎜로 하고, 제 1 및 제 2 마이크로 스트립 신호라인(13, 14) 사이의 내부 갭(31)을 0.2㎜m로 하고, 제 2 마이크로 스트립 신호라인(14) 내부의 세로 방향 내부 공간(32)의 가로 길이를 0.5㎜로 하고, 제 2 마이크로 스트립 신호라인(14) 내부의 가로 방향 내부 공간(32)의 세로 길이를 0.56㎜로 제작하는 것이 가장 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도로서, 상기 4단 대역통과 필터 구조도는 상기 도 3의 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기가 4개 모여 통과대역 필터를 구현한 것으로 상기 4개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(100), 제 2 공진기(200), 제 3 공진기(300), 제 4 공진기(400)라 칭한다. 상기 4개의 공진기(100, 200, 300, 400)를 배열하여 제작된 본 발명 필터는 상기 제 1 공진기(100) 또는 제 2 공진기(200)에 형성된 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)을 서로 마주하고 상기 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200)를 제 1 간격(60) 정도 이격시켜 배열한다.
이후, 상기 배열된 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200) 하단에 제 2 간격 (61) 정도 이격시켜 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400)를 배열한다. 또한 상기 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400)를 배열함에 있어서, 제 3 공진기(300)와, 제 4 공진기(400)는 제 1 마이크로 스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿(41)을 서로 마주하고, 상기 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400) 사이에 제 3 간격(62) 정도 이격시켜 배열함으로서 필터를 구성한다. 한편 상기 제 1 공진기(110)는 입력선로(110)가 되고 제 2 공진기(200)는 출력선로(210)가 된다.
상기와 같이 배열한 필터는 각 공진기간의 커플링이 4 가지로 나뉜다. 첫 번째를 전기적인 커플링(Electric Coupling)이 있다. 이 경우의 커플링은 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200) 사이의 발생되는 커플링이며, 이는 상기 설명한 바 있는 도 4a 내지 도 4c의 신호라인 중앙 A와 B의 등가 신호전압원은 상대적으로 전기력(Electric Field)이 크며, 반대로 슬릿(40)의 절단된 가장자리 부분은 자기력(Magnetic Field)이 크다. 따라서 전기력이 센 부분간의 커플링을 전기적인 커플링이라고 한다.
다음으로, 자기적인 커플링(Magnetic Coupling)있는 바, 이는 전기적인 커플링과는 반대로 자기력이 센 부분간의 커플링이 일어난다. 따라서 이를 자기적인 커플링 구조라하며 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400) 사이에 일어나는 커플링이다. 상기 전기적인 커플링, 자기적인 커플링 이외에 두 커플링은 제 1 혼합형 커플링(Mixed coupling I)과 제 2 혼합형 커플링(Mixed coupling II)라 하고 상기 제 1 혼합형 커플링은 제 1 공진기(100)와 제 3 공진기(300) 그리고 제 2 공진기(200)와 제 4 공진기(400) 사이의 커플링 구조이고, 상기 제 2 혼합형 커플링은 도 7에 도 시된 3단 구조에서 사용된다.
또한, 대각선 방향으로 제 1 공진기(100)와 제 4 공진기(400) 및 제 2 공진기(200)와 제 3 공진기(300) 사이의 교차되는 커플링의 량은 서로 상쇄되어 억제된다. 또한 이러한 각기 커플링의 량은 공진기간의 거리의 증가에 따라 감소되며, 이러한 거리의 값은 기존에 연구되어 왔던 타원함수 필터 이론(Elliptic Function Filter Theory)에 근거해 전자기 시뮬레이션(EM Simulation, IE3D ver. 10.03)을 통해 계산된다. 이러한 서로 다른 커플링간의 조화로 이 필터의 최종 출력값은 통과대역의 인근 주파수 대역에 폴(Transmission Pole or Attenuation Zero)을 형성하게 해주어 필터의 성능지표인 Q 값 (Quality Factor)를 향상시켜 준다.
상기 제 1 간격(60), 제 2 간격(61) 및 제 3 간격(62)은 필터 설계조건에 입각하여 계산한 것으로서, 제 1 간격(60)은 1.92㎜로 하고, 상기 제 2 간격(61)은 1.61㎜로 하고, 상기 제 3 간격(62)은 1.67㎜로 제작하는 것이 가장 바람직하다.
따라서, 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터는 통과대역의 양쪽 인접 주파수대역에 감쇄 극점이 생성되어 필터의 선택도가 향상된다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 도시된 S11은 반사손실이고 S21은 삽입손실이며 이에 따른 상기 4단 대역통과 필터의 그래프는 1.95㎓의 중심주파수, 약 60㎒의 대역폭(Factional Bandwidth), 2.63dB 삽입손실, 반사손실은 26.10dB를 만족하도록 설계하고 그에 따른 측정값은 시뮬레이션 값보다 중심주파수가 다소 이동한 2.0㎓에서 삽입손실과 반사손실이 4.28dB, 13.0dB로 매우 흡사한 특성을 가진다. 또한, 통과대역의 양쪽의 인근 주파수대역(fo ± 81.5 ㎒)에서의 감쇄극점의 영향으로 스커트 특성(Skirt Characteristic)이 향상된다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도로서, 상기 3단 대역통과 필터 구조도는 상기 도 3의 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기가 3개 모여 통과대역 필터를 구현한 상기 3개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(500), 제 2 공진기(600), 제 3 공진기(700)라 칭한다. 상기 3개의 공진기(500, 600, 700)를 이용한 필터는 제 3 공진기(700)를 90도 회전시킨 후 제 2 간격(71) 정도 이격시켜 제 1 공진기(500)와 제 2 공진기(600)를 배열하고 상기 제 1 공진기(500)와 제 2 공진기(600)는 공진기에 형성된 마이크로 스트립 커플링 슬립 갭(40)의 개방된 측면을 제 1 간격(70)을 두고 서로 마주하도록 배열하여 필터를 구성하고, 상기 제 1 공진기(500)는 입력선로(510)가 되고 제 2 공진기(600)는 출력선로(610)가 되며, 4단 대역통과 필터와 달리 우측 고주파대역 방향의 인접 주파수 대역에 감쇄 극점이 생성되어 단지 한쪽의 차단 특성만이 향상되는 구조이다.
상기 제 1 간격(70), 제 2 간격(71)은 필터의 설계조건에 입각하여 계산한 것으로서, 제 1 간격(70)은 0.91㎜, 제 2 간격(71)은 0.55㎜가 바람직하다.
상기 3단 필터는 3개의 공진기로 구성되며, 상기 설명한 바 있는 4단 필터와 같이 여러 가지 커플링 형태가 존재한다. 우선, 전기적인 커플링 형태가 제 1 공진 기(500)와 제 2 공진기(600) 사이에 존재한다. 그 다음으로는 제 1 공진기(500)와 제 3 공진기(700) 및 제 2 공진기(600)와, 제 3 공진기(700) 사이에는 4단에서 언급한 제 2 혼합형 커플링(Mixed Coupling II)이 존재한다. 상기 제 2 혼합형 커플링은 전기적인 커플링과 자기적인 커플링을 동시에 가지며, 입력 신호의 대부분은 제 3 공진기(700)를 통해 제 2 공진기(600)를 거쳐 출력으로 전달된다. 이때 제 1 공진기(500)와, 제 2 공진기(600)의 커플링 세기는 상대적으로 매우 미약하지만, 메인 신호성분 중 그 일부를 이 혼합형 커플링의 형태로 전달하게 함으로써, 필터의 통과대역의 우측 인근주파수대역에는 폴이 생성된다. 따라서 필터의 성능지표인 Q 값이 훨씬 더 향상된다. 또한 이러한 3단의 필터 구조는 듀플렉서(Duplexer) 혹은 트리플렉서(Triplexer)처럼 한쪽 주파수 대역에 대해 상대적으로 월등한 차단특성을 주려할 때 사용하는 것으로 상기의 필터 구조는 매우 작은 크기와 월등한 성능으로 매우 효과적이다.
도 8은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 도시된 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 상기 3단 대역통과 그래프는 1.95㎓의 중심주파수와, 약 60㎒의 대역폭(Factional Bandwidth)에서 이론적 삽입손실과 반사손실은 각각 1.36dB, 23.53dB를 갖고 있는 바, 이에 따른 측정값은 시뮬레이션 값보다는 중심주파수가 다소 이동한 2.0㎓에서 삽입손실과 반사손실 2.77dB, 12.3dB로 매우 흡사한 특성을 가진다. 또한, 통과대역의 우측 고주파수 대역에서 설계치보다 약 13㎒ 더 이동한(fo ± 78 ㎒) 주파수에서 감쇄극점이 생성되어 스커트 특성이 향상된다.
도 9는 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도로서, 4개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(800), 제 2 공진기(900), 제 3 공진기(1000), 제 4 공진기(1100)라 칭하며, 상기 4개의 공진기(800, 900, 1000, 1100) 배열은 도 4에 도시된 배열구조와 동일하고 단지 간격의 차이가 있으며 제 1 공진기(800)와, 제 2 공진기(900) 사이의 제 1 간격(80)은 2.5㎜, 제 1 공진기(800) 및 제 2 공진기(900)와, 제 3 공진기(1000) 및 제 4 공진기(1100) 사이의 제 2 간격(81)은 0.95㎜, 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100) 사이의 제 3 간격(82)은 2.4㎜가 가장 바람직하다.
상기의 공진기 배열 방식은 도 5에 표시된 배열 구조와 동일한 것으로, 이 배열간의 차이인 각기 공진기간의 거리의 차이는 서로 다른 커플링의 형태에 기인한다. 제 1 공진기(800)와 제 2 공진기(900) 사이의 전기적인 커플링은 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100) 사이의 자기적인 커플링의 세기보다 상대적으로 약 1/2 수준이며, 주된 입력 신호성분은 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100)를 거쳐 출력으로 전달된다. 다만, 이중 일부의 매우 미약한 신호의 세기만을 제 1 공진기(800)에서 제 2 공진기(900)로 전달함으로써, 필터의 통과대역의 인근 주파수대역 양쪽으로 폴을 생성하여 필터의 Q 값 내지는 선택도(Selectivity)를 향상시킬 수 있는 것이다. 그리고 여기에 사용된 공진기간의 상호 떨어진 거리는 서로 다른 각각의 커플링의 구조에 상응하는 커플링의 세기로 정해지며 이 커플링의 세기는 기존에 연구되어 왔던 타원함수 필터 이론(Elliptic Function Filter Theory)에 근거해 전자기 시뮬레이션(EM Simulation, IE3D ver. 10.03)을 통해 계산된다.
도 10은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 4단 대역통과 필터는 2.46㎓의 중심주파수와, 약 100㎒의 대역폭에서 삽입손실은 1.8dB이고 반사손실은 26.27dB를 만족하도록 설계한 후에 삽입손실은 2.63dB, 16.9dB로 매우 흡사한 특성을 갖는다. 그리고 통과대역의 양쪽의 인근 주파수대역(f0 ± 112㎒)에서의 감쇄극점의 영향으로 루프필터를 사용해 구현하였을 때보다 성는과 사이즈가 매우 향상되는 작용을 한다.
도 11은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도로서, 3개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(1200), 제 2 공진기(1300), 제 3 공진기(1400)라 칭하며 상기 3개의 공진기(1200, 1300, 1400) 배열은 도 7에 도시된 배열구조와 동일하고 단지 간격에 차이가 있으며 상기 제 1 공진기(1200)와, 제 2 공진기(1300) 및 제 3 공진기(1400) 사이의 제 2 간격(91)은 0.95㎜, 제 1 공진기(1200)와, 제 2 공진기(1300) 사이의 제 1 간격(90)은 1.21㎜가 바람직하다.
상기 도 7에 도시된 배열 구조와 동일한 것으로, 이 역시 4단에서 쓰이지 않았던 제 2 혼합형 커플링를 제 1 공진기(1200)와 제 3 공진기(1400) 그리고 제 2 공진기(1300)와 제 3 공진기(1400) 사이의 커플링 구조에 적용함으로써 통과대역의 우측 인근 주파수대역에 폴을 형성시켜 선택도와 차단특성을 향상시킨 구조이다.
도 11은 본 발명에 따른 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역 통과 필터 그래프로서, 우선 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 3단 대역통과 필터는 2.46㎓의 중심주파수와, 약 100㎒의 대역폭에서 이론적인 삽입손실과 반사손실은 각각 0.885dB, 30.95dB를 갖고, 측정값을 살펴보면 시뮬레이션 값보다는 중심주파수가 다소 이동한 2.512㎓에서 삽입손실과 반사손실이 1.35dB, 16.8dB로 매우 흡사한 특성을 자기는 것으로 입증되었다. 그리고 통과대역의 우측 고주파 대역에서는 설계치보다 약 90 ㎒ 더 이동한 (fo ± 209㎒) 주파수에서 감쇄극점이 생성되어 스커트 특성이 향상된다. 측정치에서의 약간의 주파수 이동은 제작과정에서의 공정상 한계로 발생한 불가피한 오차이다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 사용된 특정한 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것일 뿐 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 스플릿 링 공진기의 신규한 구조에 의하여 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스의 등가 정정용량을 크게 함으로써, 커플링 효율을 향상시켜 공진기의 품질과 선택도를 향상시킨 초소형 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 제공하는 효과가 있으며, 마이크로파 및 밀리미터파 회로에서 필터, 듀플렉스, 오실레이터, 믹서 등에 응용되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 일 측단부에 제 1 개방형 슬릿부와, 다른 측단부에는 폐쇄형 슬릿부을 형성한 H자형의 제 1 마이크로 스트립 신호라인과;
    상기 H자형의 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 일정한 내부 갭을 갖으며, H자형의 굽은 형상을 따라 형성된 H자형의 제 2 마이크로 스트립 신호라인; 및
    상기 H자형의 제 2 마이크로스트립 신호라인에는 제 1 개방형 슬릿부와 반대되는 방향으로 제 2 개방형 슬릿부가 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 제 2 마이크로 스트립 신호라인은 제 1 및 제 2 개방형 슬릿부 또는 내부 갭에 의하여 커플링 세기가 증가되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 마이크로 스트립 신호라인과 제 2 마이크로 스트립 신호라인의 제 1 및 제 2 개방형 슬릿부에 의한 캐패시턴스 및 내부 갭에 의한 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량이 극대화되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 스플릿 링 공진기.
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