본 논문에서는 PCS용 일체형 유전체 듀플렉서와 이를 구성하는 단위 소자인 일체형 유전체 대역 통과 필터의 설계에 관하여 연구하였다. 일체형 유전체 필터는 λ/4 TEM 모드 공진을 갖는 동축형 유전체 공진기 여러 개를 횡배열하여 일체화시킨 구조로서, ...
본 논문에서는 PCS용 일체형 유전체 듀플렉서와 이를 구성하는 단위 소자인 일체형 유전체 대역 통과 필터의 설계에 관하여 연구하였다. 일체형 유전체 필터는 λ/4 TEM 모드 공진을 갖는 동축형 유전체 공진기 여러 개를 횡배열하여 일체화시킨 구조로서, 입출력 포트를 필터의 한 쪽 측면에 구현하여 표면 실장이 가능하도록 하였으며, 각 공진기 결합용 소자를 필터의 개방단 위에 구현하여 기존의 결합형 유전체 필터에 비해 소형화하였다. 필터의 등가 회로와 구조 설계 과정에서 이에 대한 시뮬레이션을 통해 최적의 주파수 특성을 갖는 일체형 유전체 듀플렉서 및 대역 통과 필터를 설계하였다.
일체형 유전체 필터의 등가 회로는 전송선과 집중 캐패시턴스로 설계하였다. 유전체 필터 블록을 구성하는 각 공진기의 우모드 및 기모드 특성 임피던스를 계산하여 이를 전송선으로 등가화하였고, 각 공진기를 캐패시턴스 결합하여 통과 대역은 체비셰프 특성을 갖으며, 한 쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하는 주파수 특성을 갖는 3단 일체형 유전체 대역 통과 필터의 등가 회로를 설계하였다. 공진기 사이의 자체 결합과 이와 병렬로 연결된 캐패시턴스에 의해 감쇠극의 위치가 결정되며, 감쇠극이 존재하는 쪽 저지 대역의 감쇠 특성이 향상됨을 보였다. 수신단 대역 통과 필터의 경우, 통과 대역 아래쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하도록 하였고, 송신단 필터의 경우, 통과 대역 위쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하도록 결합 캐패시턴스를 결정하였다. 또한 공진기와 접지 사이에 캐패시턴스를 구현하여 공진기 사이의 결합에 의해 야기되는 음의 캐패시턴스를 흡수하도록 하는 한편, 공진기의 공진 주파수를 조절하는 역할을 하도록 하였다. 또한 이에 의해 모두 동일한 길이의 공진기를 갖는 일체형 필터의 설계가 가능하였다.
결합용 캐패시터가 구현된 구형 동축 공진기 모델의 해석을 통해 등가 회로 상의 캐패시턴스를 갖는 각 결합용 캐패시터의 구조를 결정한 후, 삼차원 고주파 구조 시뮬레이터를 이용하여 송신단 및 수신단 대역 통과 필터의 구조를 해석함으로써 최적의 주파수 특성을 갖는 필터의 구조를 설계하였다. 송신단 필터의 경우 중심 주파수는 1765 MHz이며, 1830 MHz에 감쇠극이 존재하였고, 수신단 필터의 경우 1855 MHz의 중심 주파수와 1780 MHz에 감쇠극이 존재하는 주파수 특성을 보였으며, 각각 30 MHz의 통과 대역을 가졌다. 설계된 일체형 유전체 대역 통과 필터의 크기는 7×3×6.25 mm^3이었다.
송신단 및 수신단 일체형 유전체 대역 통과 필터의 설계를 바탕으로 하여, 일체형 유전체 듀플렉서의 등가 회로 및 구조를 설계하였다. 필터 상호간의 원하지 않는 간섭을 최소화하기 위해 높은 임피던스를 갖는 전송선을 안테나 포트에 구성하였고, 구조 시뮬레이션을 통해 최적의 주파수 특성을 갖는 듀플렉서를 설계하였다. 유전율이 38인 (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4계 마이크로파 유전체 세라믹스를 이용하여 실제 구현한 듀플렉서의 크기는 14×3×6.25 mm^3이었으며, 통과 대역의 삽입손실은 수신단과 송신단 모두 2.7 dB 이하였으며, 송수신 대역 중간 주파수인 1810 MHz에서 20 dB 이상의 높은 저지 특성을 얻었다. 실제 제작된 듀플렉서의 주파수 특성 측정 결과는 구조 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 일치하는 결과를 보였으며, PCS용 듀플렉서로 응용하기에 알맞은 주파수 특성을 나타내었다.
본 논문에서는 PCS용 일체형 유전체 듀플렉서와 이를 구성하는 단위 소자인 일체형 유전체 대역 통과 필터의 설계에 관하여 연구하였다. 일체형 유전체 필터는 λ/4 TEM 모드 공진을 갖는 동축형 유전체 공진기 여러 개를 횡배열하여 일체화시킨 구조로서, 입출력 포트를 필터의 한 쪽 측면에 구현하여 표면 실장이 가능하도록 하였으며, 각 공진기 결합용 소자를 필터의 개방단 위에 구현하여 기존의 결합형 유전체 필터에 비해 소형화하였다. 필터의 등가 회로와 구조 설계 과정에서 이에 대한 시뮬레이션을 통해 최적의 주파수 특성을 갖는 일체형 유전체 듀플렉서 및 대역 통과 필터를 설계하였다.
일체형 유전체 필터의 등가 회로는 전송선과 집중 캐패시턴스로 설계하였다. 유전체 필터 블록을 구성하는 각 공진기의 우모드 및 기모드 특성 임피던스를 계산하여 이를 전송선으로 등가화하였고, 각 공진기를 캐패시턴스 결합하여 통과 대역은 체비셰프 특성을 갖으며, 한 쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하는 주파수 특성을 갖는 3단 일체형 유전체 대역 통과 필터의 등가 회로를 설계하였다. 공진기 사이의 자체 결합과 이와 병렬로 연결된 캐패시턴스에 의해 감쇠극의 위치가 결정되며, 감쇠극이 존재하는 쪽 저지 대역의 감쇠 특성이 향상됨을 보였다. 수신단 대역 통과 필터의 경우, 통과 대역 아래쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하도록 하였고, 송신단 필터의 경우, 통과 대역 위쪽 저지 대역에 감쇠극이 존재하도록 결합 캐패시턴스를 결정하였다. 또한 공진기와 접지 사이에 캐패시턴스를 구현하여 공진기 사이의 결합에 의해 야기되는 음의 캐패시턴스를 흡수하도록 하는 한편, 공진기의 공진 주파수를 조절하는 역할을 하도록 하였다. 또한 이에 의해 모두 동일한 길이의 공진기를 갖는 일체형 필터의 설계가 가능하였다.
결합용 캐패시터가 구현된 구형 동축 공진기 모델의 해석을 통해 등가 회로 상의 캐패시턴스를 갖는 각 결합용 캐패시터의 구조를 결정한 후, 삼차원 고주파 구조 시뮬레이터를 이용하여 송신단 및 수신단 대역 통과 필터의 구조를 해석함으로써 최적의 주파수 특성을 갖는 필터의 구조를 설계하였다. 송신단 필터의 경우 중심 주파수는 1765 MHz이며, 1830 MHz에 감쇠극이 존재하였고, 수신단 필터의 경우 1855 MHz의 중심 주파수와 1780 MHz에 감쇠극이 존재하는 주파수 특성을 보였으며, 각각 30 MHz의 통과 대역을 가졌다. 설계된 일체형 유전체 대역 통과 필터의 크기는 7×3×6.25 mm^3이었다.
송신단 및 수신단 일체형 유전체 대역 통과 필터의 설계를 바탕으로 하여, 일체형 유전체 듀플렉서의 등가 회로 및 구조를 설계하였다. 필터 상호간의 원하지 않는 간섭을 최소화하기 위해 높은 임피던스를 갖는 전송선을 안테나 포트에 구성하였고, 구조 시뮬레이션을 통해 최적의 주파수 특성을 갖는 듀플렉서를 설계하였다. 유전율이 38인 (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4계 마이크로파 유전체 세라믹스를 이용하여 실제 구현한 듀플렉서의 크기는 14×3×6.25 mm^3이었으며, 통과 대역의 삽입손실은 수신단과 송신단 모두 2.7 dB 이하였으며, 송수신 대역 중간 주파수인 1810 MHz에서 20 dB 이상의 높은 저지 특성을 얻었다. 실제 제작된 듀플렉서의 주파수 특성 측정 결과는 구조 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 일치하는 결과를 보였으며, PCS용 듀플렉서로 응용하기에 알맞은 주파수 특성을 나타내었다.
Receiving (R_x) and transmitting (T_x) monoblock dielectric band-pass filter (BPF) with a number of merits such as size, structure, and cost were developed. The monoblock dielectric duplexer for Personal Communication System (PCS) terminal was also developed using the dual filters as mentioned above...
Receiving (R_x) and transmitting (T_x) monoblock dielectric band-pass filter (BPF) with a number of merits such as size, structure, and cost were developed. The monoblock dielectric duplexer for Personal Communication System (PCS) terminal was also developed using the dual filters as mentioned above. Computer-aided design (CAD) was used in the filter design, including BPF and duplexer. The simulations of the equivalent circuit and structure of filter had been performed to optimize the frequency characteristics.
The equivalent circuits of the monoblock filter were established by transmission lines and lumped capacitances based on even and odd mode characteristic impedances of each resonator. The three-stage BPFs were consequently designed to have attenuation poles locating at specific frequencies determined by shunt capacitance and mutual coupling between adjacent resonators, which leads improvements of attenuation characteristics in rejection band, i. e., the attenuation of the R_x and the T_x BPFs are improved at lower and higher side out of pass band, respectively. The capacitances between each resonator and ground play an important role in absorbing negative impedances caused by coupled resonators and adjusting resonance frequencies. The coupling capacitances of the equivalent circuit could be realized by resonance and notch frequencies calculated from arbitrary designed resonator models in order to achieve a real filter structure.
Based on the equivalent circuit, structures of the R_x and the T_x monoblock dielectric BPFs were designed using 3-D high frequency structure simulator and realized on (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4 dielectrics. The T_x and the R_x BPF have center frequency of 1765 MHz and 1855 MHz with band width of 30 MHz, and attenuation poles locating at 1830 MHz and 1780 MHz, respectively. Both dimensions are 7×3×6.25 mm^3.
The equivalent circuit and structure of the monoblock dielectric duplexer were designed, based on the R_x and the T_x BPFs. The duplexer consists of two capacitively coupled filters having attenuation poles. In the formation of the duplexer, one port of the each filter was connected to the high impedance transmission line in order to avoid unwanted interference. The duplexer structure was designed to have optimal frequency response performing the structure simulation. The (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4 dielectric materials were also used for duplexer fabrication. Dimension is 14×3×6.25 mm^3. The passband insertion losses of less than 2.7 dB for the R_x and T_x band and the isolation level of more than 20 dB in mid-frequency of the R_x and T_x passband were finally achieved in the fabricated duplexer. The frequency responses of the fabricated devices were in good agreement with those of the simulated and well meet to the requirements for the PCS terminals.
Receiving (R_x) and transmitting (T_x) monoblock dielectric band-pass filter (BPF) with a number of merits such as size, structure, and cost were developed. The monoblock dielectric duplexer for Personal Communication System (PCS) terminal was also developed using the dual filters as mentioned above. Computer-aided design (CAD) was used in the filter design, including BPF and duplexer. The simulations of the equivalent circuit and structure of filter had been performed to optimize the frequency characteristics.
The equivalent circuits of the monoblock filter were established by transmission lines and lumped capacitances based on even and odd mode characteristic impedances of each resonator. The three-stage BPFs were consequently designed to have attenuation poles locating at specific frequencies determined by shunt capacitance and mutual coupling between adjacent resonators, which leads improvements of attenuation characteristics in rejection band, i. e., the attenuation of the R_x and the T_x BPFs are improved at lower and higher side out of pass band, respectively. The capacitances between each resonator and ground play an important role in absorbing negative impedances caused by coupled resonators and adjusting resonance frequencies. The coupling capacitances of the equivalent circuit could be realized by resonance and notch frequencies calculated from arbitrary designed resonator models in order to achieve a real filter structure.
Based on the equivalent circuit, structures of the R_x and the T_x monoblock dielectric BPFs were designed using 3-D high frequency structure simulator and realized on (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4 dielectrics. The T_x and the R_x BPF have center frequency of 1765 MHz and 1855 MHz with band width of 30 MHz, and attenuation poles locating at 1830 MHz and 1780 MHz, respectively. Both dimensions are 7×3×6.25 mm^3.
The equivalent circuit and structure of the monoblock dielectric duplexer were designed, based on the R_x and the T_x BPFs. The duplexer consists of two capacitively coupled filters having attenuation poles. In the formation of the duplexer, one port of the each filter was connected to the high impedance transmission line in order to avoid unwanted interference. The duplexer structure was designed to have optimal frequency response performing the structure simulation. The (Zr_(0.8)Sn_(0.2))TiO_4 dielectric materials were also used for duplexer fabrication. Dimension is 14×3×6.25 mm^3. The passband insertion losses of less than 2.7 dB for the R_x and T_x band and the isolation level of more than 20 dB in mid-frequency of the R_x and T_x passband were finally achieved in the fabricated duplexer. The frequency responses of the fabricated devices were in good agreement with those of the simulated and well meet to the requirements for the PCS terminals.
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