KR101569474B1 - 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 이용한 이중 대역 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일측면에 따르면,
일측변이 개방된 구형 루프 패턴의 임피던스 공진기의 중앙부에 수직으로 형성된 우수모드 부하바에 의해 폐쇄된 직사각형라인 패턴과 일측변이 개방된 구형 루프 패턴으로 구분되도록 형성된 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기; 및 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기와 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 일정 간격 이격되며, 상기 일정 간격 이격된 공간 중심부를 중심으로 점대칭 구조로 형성되는 제2 계단형 임피던스 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터가 제공된다.
일측변이 개방된 구형 루프 패턴의 임피던스 공진기의 중앙부에 수직으로 형성된 우수모드 부하바에 의해 폐쇄된 직사각형라인 패턴과 일측변이 개방된 구형 루프 패턴으로 구분되도록 형성된 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기; 및 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기와 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 일정 간격 이격되며, 상기 일정 간격 이격된 공간 중심부를 중심으로 점대칭 구조로 형성되는 제2 계단형 임피던스 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터가 제공된다.
Description
본 발명은 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 이용한 이중 대역 필터 기술에 관한 것이다.
무선 통신의 급격한 발달과 함께, 이중-대역 필터는 이중-대역 마이크로파 장치의 주요한 구성요소로서, 이중-대역통과 필터(Dual-BPF) 는 현대 통신 시스템에 있어서 중요한 구성요소가 되었다.
종래 대부분의 이중-대역 BPF는 다음과 같은 기술 부류로 구분될 수 있다.
첫 번째 방법은 차단 대역(stopband) 구조를 갖는 광대역 필터를 캐스케이드하여 대면적의 회로를 이루도록 하는 방법이다.
두 번째 방법은 공통의 입력 및 출력(I/O) 포트를 갖는 두 개의 공진기를 결합하는 것이다. 이러한 두 개의 이중-대역 BPF들은 용이하게 제어되고 구현될 수 있으나 그 구조가 상대적으로 복잡하다.
세 번째 방법은 두 개의 통과 대역을 구현하기 위하여 공진기의 두 번째 고조파와 기본 주파수를 사용하는 것이다. 계단형 임피던스 공진기 (Stepped-impedance resonator, SIR)는 이러한 방법으로 이중-대역 필터를 설계하기 위하여 광범위하게 사용된다.
본 발명에 대한 배경기술은 다음 선행기술문헌(Q.X. Chu and F.C. Chen, A compact dual-band bandpass filter using meandering stepped impedance resonators, IEEE Microwave Wireless Compon Lett 18 (2008), 320-322.)에 개시된다.
Q.X. Chu and F.C. Chen, 「A compact dual-band bandpass filter using meandering stepped impedance resonators」, IEEE Microwave Wireless Compon Lett 18 (2008), 320-322.
본 발명은 두 개의 공진 주파수가 모두 낮은 삽입손실과 우수한 반사손실을 가지는 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 이용한 이중 대역 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제1 공진 주파수는 우수 모드에서 형성되며 제2 공진주파수는 기수 모두에서 생성되는 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 이용한 이중 대역 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면,일측변이 개방된 구형 루프 패턴의 임피던스 공진기의 중앙부에 수직으로 형성된 제1 우수모드 부하바에 의해 폐쇄된 직사각형라인 패턴과 일측변이 개방된 구형 루프 패턴으로 구분되도록 형성된 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기; 및 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기와 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 일정 간격 이격되며, 상기 일정 간격 이격된 공간 중심부를 중심으로 동일한 크기의 점대칭 구조로 형성되는 제2 계단형 임피던스 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터가 제공된다.
또한, 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 폐쇄된 직사각형라인 패턴은, 입력포트가 연결되는 제1 상측 수평선로; 상기 제1 상측 수평선로의 좌측단에서 수직 하방으로 형성된 제1수직 선로; 상기 제1 수직 선로와 대향되도록 상기 제1 상측 수평선로 우측단에서 수직 하방으로 형성된 상기 제1 우수모드 부하바; 상기 제1 우수모드 부하바의 하부 일측단과 상기 제1 수직선로의 하부 일측단이 연결된 제1 하측 수평선로; 로 이루어지며, 상기 일측변이 개방된 구형 루프 패턴은, 상기 제1 우수모드 부하바의 상단부에서 제1 상측 수평선로로부터 우측으로 연장된 제2 상측 수평선로; 상기 제1 우수모드 부하바의 하단부에서 상기 제1 하측 수평선로로부터 우측으로 연장된 상기 제2 하측 수평선로; 상기 제2 상측 수평선로의 우측단에서 수직 하방으로 형성되는 제1 상측 개방 선로; 상기 제2 하측 수평선로 우측단에서 수직 상방으로 형성되는 제1 하측 개방선로; 및 상기 제1 상측 개방선로와 상기 제1 하측 개방선로 사이에 형성된 제1 개방 공간; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이중 대역 필터의 출력포트는 상기 제2 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 폐루프 타입의 폐쇄된 직사각형 라인 패턴의 하측 수평선로에 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이중 대역 필터의 우수 모드의 공진 주파수에 의한 전류는 상기 우수모드 부하바로 집중되며, 기수모드의 공진 주파수는 상기 우수모드 부하바로 흐르지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이중 대역 필터는 두 개의 공진 주파수 대역을 가지며, 3개의 전송 영점을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이중대역 필터의 우수모드에 의한 제1 공진 주파수는 3.88 GHz이며, 기수 모드에 의한 제2 공진 주파수는 5.35 GHz이며, 전송 영점은 3.00, 4.65, 및 5.93 GHz에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 공진주파수는 -0.38 dB의 삽입 손실, -24.28 dB의 반사 손실을 가지며, 제2 공진 주파수는 -1.03dB의 삽입 손실, -19.33dB의 반사 손실을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 우수모드 부하바의 두께를 변경하는 것에 의하여 기수 모드의 공진 주파수 대역의 변경 없이 상기 우수 모드의 공진 주파수 대역이 변경되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이중 대역 필터는 26 x 10.6mm 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이격된 일정 간격은 0.2mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 우수모드 부하바의 길이는 8.2mm이며, 상기 제1 우수모드 부하바의 폭은 0.7mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 입력포트 접속점에서 상기 제2 상측 수평선로의 우측단까지의 길이(L1)는 8.75mm, 상기 제1 상측 수평선로의 길이(L2)는 4.9mm, 상기 제1 상측 개방 선로의 길이(L3)는 3.3mm, 상기 제1 수직 선로의 폭(W 2)은 1.2mm, 상기 제1 상측 개방 선로의 폭(W 3)은 0.9mm 및 상기 입력포트의 접속점에서 상기 제1 상측 수평선로의 좌측단까지의 길이(d)는 2.65mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 우수모드 부하바를 채택하지 않은 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기 필터에 비하여 낮은 삽입 손실을 가지면, 제1 주파수 대역의 반사손실이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 우수모드 부하바의 두께를 변경하는 것에 의하여 기수 모드의 공진 주파수 대역의 변경 없이 상기 우수 모드의 공진 주파수 대역이 변경할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 우수한 설계 유연성, 소형 구조 및 높은 선택성에 의하여 무선 통신 시스템을 위한 향상된 대역 필터를 제공할 수 있다.
도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 개략적인 레이아웃이다.
도 3은 도 1의 개방구간 변의 폭(W3)에 따른 삽입 손실을 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 따른 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 이중 대역 필터 시료 1의 주파수 특성을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 대한 등가 회로 모델을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 서로 다른 공진 주파수에서의 전류 밀도 변화를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외적 양호도 및 결합계수를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외관 이미지를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 주파수 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 개방구간 변의 폭(W3)에 따른 삽입 손실을 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 따른 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 이중 대역 필터 시료 1의 주파수 특성을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 대한 등가 회로 모델을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 서로 다른 공진 주파수에서의 전류 밀도 변화를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외적 양호도 및 결합계수를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외관 이미지를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 주파수 특성을 그래프로 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
그리고 특정 실시 예들은 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호가 사용된다.
도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 개략적인 레이아웃이다.
도 1을 참조하면, 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(100, SIOLR 1)는 두 개의 반파장 개방-루프 공진기(201, 202)를 포함한다. RF 신호는 특성 임피던스(예를 들면 50Ω)를 갖는 전송선로의 입력 포트(211)로 입력되어 출력포트(212)로 출력된다.
SIOLR 1의 첫 번째 공진 주파수(f)는 식 1과 같이 표현될 수 있다(식 1은 「J.S. Hong and M.J. Lancaster, Microstrip filters for RF/microwave applications, Wiley, New York, 2001.」의 내용을 참조한 것임)
여기서, c는 자유공간에서의 빛의 속도이고 εeff는 기판의 유효 유전상수이다. 공진 주파수 f는 전체 전송선로의 길이(일 실시 예에서는 전송 선로의 길이는 f의 반 중심 파장 길이로 결정된다.)에 따라 달라지고. 폐쇄 변 길이(L3) 및 개방 변 간격(g)을 갖는 개방-루프 마이크로스트립 선로는 전계 결합을 구현하기 위하여 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 일측 구조에 대한 개략도를 도시한 것이다.
도 2에 따른 SIOLR는 대칭적 구조에서 고 임피던스 부분 (Z1=1/Y1) 및 저 임피던스 부분 (Z2=1/Y2)으로 구성되고, 상기 고 임피던스 Z1 부분은 q1의 전기적 길이와 저 임피던스 Z2 부분은 q2의 전기적 길이를 갖는다.
Z1의 물리적 길이는 λg/4(λg는 RF 신호의 중심 주파수의 파장)에 따라 설정되며 대역 필터의 설계에 따라 조절될 수 있다. 물리적 길이 λg/4은 90°의 전기적 길이를 의미한다. 물리적 길이는 전기적 길이에 전파 상수(2p/ λg)를 곱함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, SIOLR의 입력 어드미턴스(Yin)는, 식 2로 산출될 수 있다(식 2는 「S.K. Liu and F.Z. Zheng, A new compact tri-band bandpass filter using step impedance resonators with open stubs, J Electromagn Waves Appl 26 (2012), 130-139.」의 내용을 참조한 것임).
여기서, K = Z2/Z1 이다.
공진조건을 만족시키기 위해서는 어드미턴스가 0이 되어야 한다. 즉, 공진 상태는 Yin=0일 때 얻을 수 있다. 그 결과, 기본적 공진 상태는 다음의 수식 3으로 표현될 수 있다.
개방된 구간을 가지는 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR)의 공진 주파수는 임피던스 비(K)와 선로의 길이(l)에 의해 정해질 수 있다.
도 3은 도 1의 개방구간 변의 폭(W3)에 따른 삽입 손실을 그래프로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 이와 같은 개방된 구간을 가지는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR)의 공진 주파수는 개방구간 변의 폭(W3)에 따라서도 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 이와 같은 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 특성에 대한 측정을 위하여 다음과 같이 SIOLR 시료 1을 제작하고 그 특성을 측정하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 2.54의 비유전율, 0.54mm의 두께, 및 0.002의 유전 손실(loss tangent)을 갖는 테플론 기판을 이용하여 도 1과 같은 유형의 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 이중 대역 필터 시료 1을 제조하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 이중 대역 필터의 시료 1의 치수는 다음과 같다.
L1=8.75 mm, L2=3.3 mm, L3=8.2 mm, W1=1.5 mm, W2=1.2 mm, W3=0.9 mm, d=2.65 mm 및 g=0.2 mm.
도 4는 도 1에 따른 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)의 이중 대역 필터 시료 1의 주파수 특성을 측정한 그래프이다. 도 4는 Agilent 8510C VNA (vector network analyzer)를 이용하여 측정된 것이다.
도 4를 참조하면, 두 개의 대역통과 주파수 근처에 3개의 전송 영점이 있고, 이는 측면에 보다 높은 선택성을 나타낸다.
이러한 3개의 전송 영점(261, 262, 263)은 두 개의 I/O 급전선로의 특별한 위치 때문인 것으로 보인다.
첫 번째 통과대역(251)은 약 2. 7GHz에서 형성된다. 동시에 개방-루프 공진기의 두 번째 통과대역(252)은 약 5.4 GHz에 있고 첫 번째 통과대역 주파수의 2배이다.
상기 값은 반파장 길이 공진기가 집중 커패시터 부하 없이 사용되었기 때문인 것으로 예상된다.
그러나 첫 번째 통과대역으로 인한 문제도 있다. 첫 번째 통과대역의 반사 손실은 -2dB 미만으로 필터 기능으로 작동하기에는 충분하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 도 5와 같은 우수모드 부하바를 채택하여 반사 손실의 성능을 개선한 이중-대역 BPF를 개발하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 대한 등가 회로 모델을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 대한 등가 회로 모델을 도시한 것으로서, (a)는 전체 부분을 나타낸 것이고, (b) 우수-모드(even-mode) 부분 및 (c) 기수-모드(odd-mode) 부분을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는,
일측변이 개방된 구형 오픈 루프 패턴의 임피던스 공진기를 제1 우수모드 부하바(115)에 의해 폐쇄된 직사각형라인 패턴1(131)과 개방된 루프 패턴1(132)으로 구분되도록 형성된 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR1)와 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR1)와 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 일정 간격(g) 이격되어 상기 일정 간격 이격된 공간 중심부를 중심으로 동일한 크기의 점대칭 구조로 형성되는 제2 계단형 임피던스 공진기(SIOLR2)를 포함한다.
제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR1)는 폐루프 타입의 폐쇄된 직사각형라인 패턴1(131) 및 상기 폐쇄된 직사각형 라인 패턴1(131)에서 연장된 개방된 구형 루프 패턴1(132)의 조합으로 형성된다.
폐쇄된 직사각형라인 패턴 1(131)은 입력포트(110)가 연결되는 제1 상측 수평선로(111), 상기 제1 상측 수평선로(111)의 좌측단에서 수직 하방으로 형성된 제1수직 선로(116), 상기 제1 수직 선로(116)와 대향되도록 상기 제1 상측 수평선로(111) 우측단에서 수직 하방으로 형성된 제1 우수모드 부하바(115) 및 상기 제1 우수모드 부하바(115)의 하부 일측단과 상기 제1 수직선로(116)의 하부 일측단이 연결된 제1 하측 수평선로(113)로 형성된다.
개방된 구형 루프 패턴1(132)은 상기 제1 우수모드 부하바(115)의 상단부에서 제1 상측 수평선로(111)로부터 우측으로 연장된 제2 상측 수평선로(112) 및 상기 제1 우수모드 부하바(115)의 하단부에서 상기 제1 하측 수평선로(113)로부터 우측으로 연장된 상기 제2 하측 수평선로(114), 상기 제2 상측 수평선로(112)의 우측단에서 수직 하방으로 형성되는 제1 상측 개방 선로(117), 상기 제2 하측 수평선로(114) 우측단에서 수직 상방으로 형성되는 제1 하측 개방선로(118) 및 상기 제1 상측 개방선로(117)와 상기 제1 하측 개방선로(118) 사이에 형성된 제1 개방 공간(119)으로 이루어진다.
도 5를 참조하면, 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR1)와 제2 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR2)는 일정 이격 간격(g)을 가지고 양측 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 점대칭 되도록 형성된다.
출력포트(212)는 상기 제2 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR 2)의 폐루프 타입의 폐쇄된 직사각형 라인 패턴1(131) 하측 수평선로에 접속된다.
즉, 제2 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR 2)는 패루프 타입의 폐쇄된 직사각형 라인 패턴1(131)과 대칭되도록 형성된 폐루프 타입의 폐쇄된 직사각형 라인 패턴2(133) 및 상기 루프 패턴1(132)과 대칭되도록 상기 폐쇄된 직사각형 라인 패턴2에서 연장된 개방된 루프 패턴2(134)의 조합으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 폐쇄된 직사각형라인 패턴2(133)는 폐쇄된 직사각형라인 패턴2(133)의 상측변에 형성되는 제3 상측 수평선로(122), 상기 제3 상측 수평선로(122) 우측단에서 수직 하방으로 형성된 제3 수직 선로(126), 상기 제3 수직 선로(126)와 대향되도록 상기 제3 상측 수평선로(122)의 좌측단에서 수직 하방으로 형성된 제2 우수모드 부하바(125) 및 상기 제2 우수모드 부하바(125)의 하부 일측단과 상기 제3 수직선로(126)의 하부 일측단이 연결된 제3 하측 수평선로(123)로 형성된다.
한편 출력 포트(120)는 제3 하측 수평선로(123)에 접속되는 구조로 형성된다.
개방된 루프 패턴2(134)은 상기 제2 우수모드 부하바(125)의 상단부에서 제3 상측 수평선로(122)로부터 좌측으로 연장된 제4 상측 수평선로(121) 및 상기 제2 우수모드 부하바의 하단부에서 상기 제3 하측 수평선로(123)로부터 좌측으로 연장된 상기 제4 하측 수평선로(124), 상기 제4 상측 수평선로(121)의 좌측단에서 수직 하방으로 형성되는 제2 상측 개방 선로(127), 상기 제2 하측 수평선로(124) 종단에서 수직 상방으로 형성되는 제2 하측 개방선로(128) 및 상기 제2 상측 개방선로(127)와 상기 제2 하측 개방선로(128) 사이에 형성된 제2 개방 공간(129)으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 각 구성요소의 크기는 다음과 같이 형성된다.
제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR1)의 입력포트(110) 접속점에서 제2 상측 수평선로(112)의 우측단까지의 길이 L1=8.75mm, 제1 상측 수평선로(111)의 내측부 길이 L2=4.9mm, 제1 상측 개방 선로(117)의 내측부 길이 L3=3.3mm, 제1 우수모드 부하바(115)의 내측면 길이L4=8.2mm, 입력 포트(110)의 폭 길이W 1=1.5mm, 제1 수직 선로(116)의 폭 길이W 2=1.2mm, 제1 상측 개방 선로(117)의 폭 길이 W 3=0.9mm, 제1 우수모드 부하바(115, 125)의 폭 길이 W 4=0.7mm, 입력포트(110) 접속점에서 제1 상측 수평선로(111)의 좌측단까지의 길이 d=2.65mm 및 두 개의 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR 1, 2) 사이 공간 폭 길이g=0.2mm로 형성된다.
표 1은 본 발명의 일 실시 예들에 의한 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터(도 5 타입)와 우수모드 부하바를 포함하지 않는 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기 필터(도 1 타입)와 결합계수 패턴을 측정한 것이다.
First Resonance Response | Second Resonance Response | |
Without center-loaded bar(도 1 타입) | 0.068 | 0.0587 |
With center-loaded bar(도 5 타입) | 0.162 | 0.0598 |
표 1을 참조하면, 우수모드 부하바를 포함하는 BPF의 결합계수는 우수모드 부하바를 포함하지 않는 SIOLR의 BPF 보다 더욱 강한 결합계수를 가지는 것을 알 수 있다.
따라서, 우수모드 부하바는 두 대의 SIOLR 간의 결합을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 대칭적 구조를 이용하여 우수모드 임피던스를 용이하게 변화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 설계 유연성에 있어서 장점을 가진다.
도 6(a)을 참조하면, 이상적인 BPF는 중심면에 대하여 대칭이다. 그러므로 I/O 포트가 우수-모드 또는 기수-모드 신호에 의해 구동 또는 여기되는 경우 이러한 대칭 면은 완벽하게 전기장 벽 또는 전자장 벽으로 간주될 수 있다.
도 6(b) 및 6(c)은 각각 우수- 및 기수-모드 작동 하에서 제안된 BPF 두 개의 부분을 보여준다.
도 6(b)에서 보여주는 바와 같이, 우수-모드 작동 하에서 우수모드 부하바(115, 125) 및 개방-루프 암(117, 127)은 예상된 커패시터를 구성한다.
따라서, 3.88 GHz에서 중심으로 된 첫 번째 통과대역은 우수한 S-파라미터를 가지게 되어 상기와 같이 우수모드 부하바를 포함하지 않는 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기 필터에서 제기된 문제가 해결될 수 있다.
도 6(c)을 참조하면, 기수-모드 작동 하에서 전기장 벽의 존재로 인해 상기 우수모드 부하바(115, 125) 및 개방-루프 암(117, 127)은 전기장 적으로 짧게 형성됨에 따라 우수모드 부하바는 전체 SIOLR에 별다른 영향을 미치지 않게 된다.
그 결과, 두 번째 통과대역은 우수모드 부하바를 포함하지 않는 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기 필터와 비교하여 별다른 변화가 없게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 서로 다른 공진 주파수에서의 전류 밀도 변화를 도시한 것이다.
도 7은 (a) 우수-모드 (공진 주파수 3.88 GHz) 및 (b) 기수-모드 (공진 주파수 5.35 GHz)를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 우수 모드 및 기수 모드 두 개의 공진 주파수에서 동일하고 우수한 전류 분산을 나타낸다.
도 7(a)을 참조하면, 우수-모드에서는 거의 대부분의 전류가 우수모드 부하바에 집중되어 있음을 보여준다; 그러나, 도 7(b)에서는 중심-부하바에서는 전류가 흐르지 않고 상, 하측 루프 변으로 전류가 집중됨을 알 수 있다.
도 7(a) (b)를 참조하면, 우수 모드 부하바에서 집중되는 우수-모드 공진은 기수-모드 공진 주파수에서 반응에 영향을 주지 않고 별도로 편리하게 제어될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 원하는 필터 특성을 얻기 위하여 외적 양호도 및 결합계수 특성이 중요한 파라미터에 포함된다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외적 양호도 및 결합계수를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 두 개의 급전선로 (d)의 위치는 두 개의 통과대역에서 적절한 외적 양호도 (Qe)를 제공한다.
루프 공진기의 두 개의 개방 측면이 근접하여 위치할 경우 전계 결합이 발생된다. 또한, 상기 전계 결합은 공진기 조건에 의해 분리된 두 개의 공진 주파수 (f e , f m )에 의해 영향을 받는다.
따라서, 간격 (g)는 전계 결합에 영향을 미치는 주요 인자이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 3.88 GHz 주파수에서 12%의 3-dB 비대역 폭(fractional bandwidth FBW: 통과 대역폭과 중심 주파수의 비)을 가진다.
또한, 저역통과 프로토 타입 필터의 g 0=1, g 1=1.038, 및 g 2=0.5286이다. 이론적 외적 양호도 및 결합계수는 다음 식 4, 5에 의하여 얻을 수 있다(식4, 5는 「J.S. Hong and M.J. Lancaster, Microstrip filters for RF/microwave applications, Wiley, New York, 2001.」의 내용을 참조한 것임).
본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터에서의 외적 양호도 Qe'및 결합계수 Mij'는 다음 식 6, 7과 같이 산출될 수 있다.
여기서, ω0는 공진 주파수이고, △ω3dB는 3-dB 대역폭이고, f H 또는 f L 은 제1 공진 주파수(f m )및 제 2 공진 주파수(f e ) 에 해당된다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터에서의 각 통과대역의 외적 양호도 및 결합계수 결과는 도 8에서 보여준다.
급전선로 (d)의 위치 및 인접한 SIOLR들 간의 간격(g)과 관련된 값은 도 8의 설계 곡선을 이용하여 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 외관 이미지를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 26 x 10.6 mm2 의 크기로 제작될 수 있었다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 주파수 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 측정된 결과는 시뮬레이션 된 결과와 아주 일치함을 보여준다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터의 제1 통과대역(401)은 -0.38dB의 낮은 삽입 손실, -24.28dB의 반사 손실 및 12.4%의 FBW를 갖고 3.88 GHz에서 집중되었다.
그리고 제2 통과대역(402)은 -1.03 dB의 낮은 삽입 손실, -19.33 dB의 반사 손실 및 8.6%의 FBW와 함께 5.35 GHz의 중심 주파수를 갖는다.
3개의 전송 영점(501, 502, 503)은 각각 -54, -37, 및 -46 dB의 감쇠값과 함께 3.00, 4.65, 및 5.93 GHz에 위치한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 우수모드 및 기수모드 작동 기반의 이중 대역 필터는 우수모드 부하바를 포함한 두 개의 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)를 포함한다.
도 4 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 우수모드 부하바를 채택하지 않은 이중-대역 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기(SIOLR, stepped-impedance open-loop resonators)필터에 비하여 낮은 삽입 손실을 가지면, 제1 주파수 대역의 반사손실이 향상될 수 있다.
또한, 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역의 반사손실이 20dB 내외에서 균등하게 안정적으로 형성될 수 있어서 필터의 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 중심-부하바에서 집중되는 우수-모드 공진은 기수 모드와 교차 결합이 되지않으며, 기수-모드 공진 주파수에서 반응에 영향을 주지 않기 때문에 우수모드 부하바를 이루는 폐루프망의 면적 및 우수모드 부하바의 두께를 조정하여 주파수 대역을 변형하기 위해 사용될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 우수모드 부하바의 두께를 변경하는 것에 의하여 기수 모드의 공진 주파수 대역의 변경 없이 상기 우수 모드의 공진 주파수 대역이 변경될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 우수모드 부하바를 포함하는 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기를 사용한 이중 대역 필터는 우수한 설계 유연성, 소형 구조 및 높은 선택성에 의하여 무선 통신 시스템을 위한 향상된 대역 필터를 제공할 수 있다.
110, 211: 입력 포트
111: 제1 상측 수평선로
112: 제2 상측 수평선로
113: 제1 하측 수평선로
114: 제2 하측 수평선로
115, 125: 우수모드 부하바
116: 제1수직 선로
117, 127: 상측 개방선로
118, 128: 하측 개방선로
119, 129: 개방 공간
120, 212: 출력포트
121: 제4 상측 수평선로
122: 제3 상측 수평선로
123: 제3 하측 수평선로
124: 제4 하측 수평선로
131, 133: 직사각형라인 패턴
132, 134: 개방된 구형 루프 패턴
111: 제1 상측 수평선로
112: 제2 상측 수평선로
113: 제1 하측 수평선로
114: 제2 하측 수평선로
115, 125: 우수모드 부하바
116: 제1수직 선로
117, 127: 상측 개방선로
118, 128: 하측 개방선로
119, 129: 개방 공간
120, 212: 출력포트
121: 제4 상측 수평선로
122: 제3 상측 수평선로
123: 제3 하측 수평선로
124: 제4 하측 수평선로
131, 133: 직사각형라인 패턴
132, 134: 개방된 구형 루프 패턴
Claims (12)
- 일측변이 개방된 구형 루프 패턴의 임피던스 공진기의 중앙부에 수직으로 형성된 제1 우수모드 부하바에 의해 폐쇄된 직사각형라인 패턴과 일측변이 개방된 구형 루프 패턴으로 구분되도록 형성된 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기; 및
상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기와 개방 공간 부분이 마주보는 형태로 일정 간격 이격되며, 상기 일정 간격 이격된 공간 중심부를 중심으로 상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기와 동일한 크기의 점대칭 구조로 형성되는 제2 계단형 임피던스 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제1 항에 있어서,
상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 폐쇄된 직사각형라인 패턴은,
입력포트가 연결되는 제1 상측 수평선로;
상기 제1 상측 수평선로의 좌측단에서 수직 하방으로 형성된 제1수직 선로;
상기 제1 수직 선로와 대향되도록 상기 제1 상측 수평선로 우측단에서 수직 하방으로 형성된 상기 제1 우수모드 부하바; 및
상기 제1 우수모드 부하바의 하부 일측단과 상기 제1 수직선로의 하부 일측단이 연결된 제1 하측 수평선로; 로 이루어지며,
상기 일측변이 개방된 구형 루프 패턴은,
상기 제1 우수모드 부하바의 상단부에서 제1 상측 수평선로로부터 우측으로 연장된 제2 상측 수평선로;
상기 제1 우수모드 부하바의 하단부에서 상기 제1 하측 수평선로로부터 우측으로 연장된 상기 제2 하측 수평선로;
상기 제2 상측 수평선로의 우측단에서 수직 하방으로 형성되는 제1 상측 개방 선로;
상기 제2 하측 수평선로 우측단에서 수직 상방으로 형성되는 제1 하측 개방선로; 및
상기 제1 상측 개방선로와 상기 제1 하측 개방선로 사이에 형성된 제1 개방 공간; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제2 항에 있어서,
상기 이중 대역 필터의 출력포트는 상기 제2 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 폐루프 타입의 폐쇄된 직사각형 라인 패턴의 하측 수평선로에 접속되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제1 항에 있어서,
상기 이중 대역 필터의 우수모드의 공진 주파수에 의한 전류는 상기 제1 우수모드 부하바로 집중되며, 기수 모드의 공진 주파수는 상기 제1 우수모드 부하바로 흐르지 않는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제1 항에 있어서,
상기 이중 대역 필터는 두 개의 공진 주파수 대역을 가지며, 3개의 전송 영점을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터.
- 제 1항에 있어서,
상기 이중 대역 필터의 우수모드에 의한 제1 공진 주파수는 3.88 GHz이며, 기수모드에 의한 제2 공진 주파수는 5.35 GHz이며, 전송 영점은 3.00, 4.65, 및 5.93 GHz에 위치하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제 6항에 있어서,
상기 제1 공진주파수는 -0.38 dB의 삽입 손실, -24.28 dB의 반사 손실을 가지며, 제2 공진 주파수는 -1.03 dB의 삽입 손실, -19.33 dB의 반사 손실을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제 4항에 있어서,
상기 제1 우수모드 부하바의 두께를 변경하는 것에 의하여 기수모드의 공진 주파수 대역의 변경 없이 상기 우수모드의 공진 주파수 대역이 변경되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제 7항에 있어서,
상기 이중 대역 필터는 26 x 10.6mm 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제 1항에 있어서,
상기 이격된 일정 간격은 0.2mm인 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제 2항에 있어서,
상기 제1 우수모드 부하바의 길이는 8.2mm이며, 상기 제1 우수모드 부하바의 폭은 0.7mm 인 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터 - 제2 항에 있어서
상기 제1 계단형 오픈 루프 임피던스 공진기의 입력포트 접속점에서 상기 제2 상측 수평선로의 우측단까지의 길이(L1)는 8.75mm, 상기 제1 상측 수평선로의 길이(L2)는 4.9mm, 상기 제1 상측 개방 선로의 길이(L3)는 3.3mm, 상기 제1 수직 선로의 폭(W 2)은 1.2mm, 상기 제1 상측 개방 선로의 폭(W 3)은 0.9mm 및 상기 입력포트의 접속점에서 상기 제1 상측 수평선로의 좌측단까지의 길이(d)는 2.65mm인 것을 특징으로 하는 이중 대역 필터
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Cited By (2)
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KR101758905B1 (ko) | 2015-11-23 | 2017-07-17 | 서강대학교산학협력단 | 개방루프 공진기를 이용한 이중대역 대역통과 여파기 |
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-
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CN114824703A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-07-29 | 安徽华东光电技术研究所有限公司 | 基于缺陷地结构的双通带宽阻带滤波器 |
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