[논문]스펙트럴 영역에서 DGS 슬롯 임피던스 특성 해석 및 LPF 응용

이승엽; 김온; 장재수; 고진현; 하재권

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.4.418

스펙트럴 영역에서 DGS 슬롯 임피던스 특성 해석 및 LPF 응용
Impedance Analysis of DGS Slot in Spectral Domain and Its Application of LPF(Low Pass Filter) 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.4 = no.131, 2008년, pp.418 - 426

이승엽 (전남대학교 전자통신공학과) , 김온 (전남대학교 전자통신공학과) , 장재수 (블루웨이브텔(주)) , 고진현 (블루웨이브텔(주)) , 하재권 (블루웨이브텔(주))

초록
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본 논문은 스펙트럴 영역에서 마이크로스트립 선로의 접지면에 있는 DGS 슬롯의 임피던스 특성을 구하고, 이를 스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 통과 필터 특성 개선에 응용하였다. 슬롯 해석에 사용한 방법은 슬롯에 의한 불연속으로 인한 전압과 스펙트럴 영역에서 self-reaction을 이용한 방법이다. 이 방법을 이용한 수치 해석 결과는 full-wave 방법의 결과와 비교해도 정확하다는 것을 보였다. 그리고 기존 스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 통과 필터의 주파수 특성을 개선하기 위해서, 균일한 또는 비균일한 DGS 슬롯을 갖는 필터를 설계 제작하였다. 실험 결과를 통해, 제안된 스텝 임피던스 저역 통과 필터는 기존 필터보다 차단 대역이 넓어지고 차단주파수 이후 급격한 차단 특성과 같은 개선된 필터 특성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, investigations on the impedance characteristics of a DGS(Defected Ground Structure) slot in the groud plane of microstripline are presented in spectral domain and applied to the characteristic improvement of stepped impedance microstrip low pass filter(LPF). In this method, expressions for the impedance of a DGS slot are derived from self-reaction of the angular spectrum of plane waves and the discontinuity in the modal voltage. The numerical results are compared with those of the rigorous full-wave method and are shown to produce reasonably accurate data. And the stepped impedance microstrip low pass filter is designed and fabricated with the uniform and nonuniform DGS slots for improving the frequency responses. The experiments show that the proposed filter with slots in the ground plane has a wider stopband and sharper cutoff response.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기에 쓰인 해석법은 계산 시간을 매우 짧게 하면서도 슬롯의 복사 방사 전력 리액션 적분을 계산하여 정확한 결과를 얻도록 해준다는 것을 알 수 있었다. 그리고 DGS 슬롯의 리액턴스 값이 공진 주파수에서 급격하게 변화하는 점을 활용해 차단 대역에서의 반사 특성을 개선하는 데 응용하였다. 즉, 슬롯 길이에 따라 임피던스가 다르기 때문에, 서로 다른 슬롯을 적절하게 배열하면 원히는 주파수에서 차단 특성을 향상시킬수 있으며, 차단 대역에서 S긔을 억압하는 데도 응용할 수 있다는 것입니다.
본 논문에서는 기존 스텝 임피던스 마이크로 스트립 저역 필터보다 소형화될 수 있고, 특성이 개선된 필터를 구현하기 위해, 접지 면에 서로 다른 슬롯들을 배열하는 방법을 연구한 것이다. 이에 대한 이론적 근거로는 2와 3장에서 언급했다.
본 논문에서는 슬롯의 임피던스를 수치적으로 계산하여 이를 스텝 임피던스 저역 필터의 주파수 특성을 개선하기 위해 적용하였으며, 여러 DGS 슬롯을 갖는 필터들을 설계 제작하여 그 특성들을 비교분석하였다. 스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 필터에서 DGS 슬롯을 인덕터 부분을 대체하는데 사용하여 스텝 임피던스 마이크로스트립 필터를 구현하였다.

가설 설정

선로의 한가운데와 슬롯의 한가운데 사이의 어긋난 길이가 슬롯의 옵셋 d이다. 도체의 두께는 무시할 수 있을 정도로 얇은 것으로 가정한다.

제안 방법

0 mm 로 하였다. 낮은 임피던스 전송 선로와 슬롯의 크기의 초기값은 산란계수로부터 등가 회로소자값을 추출하는 방법을 이용하여 선정하였다%㈣.
그림 4(c)는 인덕터 부분을 마이크로스트립 선로(빗금 친 선로)와 수직으로 접지면에 세워진 직사각형 슬롯을 만들어 구현한 필터이다. 두 개의 동일 인덕터를 슬롯으로 대체하기 위해서는 초기 설계값은 2 장과 3장의 이론을 이용해 구했다. 이 값을 기본으로 IE3D 프로그램으로 필터 특성을 최적화 작업을 행하였다.
본 논문에서 쓴 복소 방사 전력과 불연속 모드 전압 법을 결합한 수치 해석 방법의 정확성을 검증하기 위하여, 상용 전자기 해석 소프트웨어인 IE3D(Ze- land Software)와 비교하였다1, 그림 2는 2.2~3.8 GHz 의 주파수 범위에서 본 연구에서 제시된 수치 해석 방법, IE3D 프로그램 그리고 참고문헌 [4]의 실험 결과 값을 비교한 것이다.
스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 필터에서 DGS 슬롯을 인덕터 부분을 대체하는데 사용하여 스텝 임피던스 마이크로스트립 필터를 구현하였다. 이 구조를 적용한 저역 필터는 3 GHz를 차단 주파수를 갖도록 설계하였으며, 기본 저역 필터설계 값은 0.
두 개의 동일 인덕터를 슬롯으로 대체하기 위해서는 초기 설계값은 2 장과 3장의 이론을 이용해 구했다. 이 값을 기본으로 IE3D 프로그램으로 필터 특성을 최적화 작업을 행하였다. 그림 4(c)에서 커패시턴스 성분인 낮은 임피던스의 전송 선로의 치수는 폭(甲c)이 6.
스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 필터에서 DGS 슬롯을 인덕터 부분을 대체하는데 사용하여 스텝 임피던스 마이크로스트립 필터를 구현하였다. 이 구조를 적용한 저역 필터는 3 GHz를 차단 주파수를 갖도록 설계하였으며, 기본 저역 필터설계 값은 0.01 dB 리플 갖는 5차 Chebyshev 필터를 기본으로 하였다. 그리고 제안된 저역 통과 필터는 상용 프로그램으로 필터의 주파수 특성을 해석하였고, 제작된 필터의 실험값과 비교하여 응답 특성을 분석하였다.
즉, 유전체 기판의한 쪽 면인 접지 판에 방사 소자인 슬롯을 뚫고 다른 쪽 면에 이 슬롯과 직각을 이루는 마이크로스트립 선로를 인쇄한 것과 같다. 이를 해석하기 위해서 본 논문에서는 전파 해석법(fbllwave analysis)”'에 견주어 계산 시간을 훨씬 줄이면서도 정확한 해석 결과를 얻을 수 있도록 복소방사 전력과 불연속 모드 전압법防을 퓨리에 변환을 이용한 방법을 결합한 수치 해석 방법을 사용하였다. 또한, 이 방법으로 전력을 계산할 때 근 사 식을 사용하지 않고 적분을 수치적으로 계산하였기 때문어L 슬롯의 폭 길이가 넓은 경우라도 정확한 결과를 얻을 수 있도록 하였다.
그림 4(b)는 이 집중 소자로 구현한 필터의 구성 요소를 스텝 임피던스 마이크로스트립 필터로 구현한 것이다啊. 직렬 인덕터는 마이크로 스트립 선로로 제작이 가능한 높은 임피던스인 120 Q로 하였고, 병렬 커패시턴스는 30 Q으로 설계하였다. 그림 4(c)는 인덕터 부분을 마이크로스트립 선로(빗금 친 선로)와 수직으로 접지면에 세워진 직사각형 슬롯을 만들어 구현한 필터이다.

대상 데이터

결과 비교를 위해 계산에 사용된 슬롯 구조는 참고문헌 [4]의 치수로, 그림 1에서 弓=2.2, 力=0.16 cm, 仍=4.02 cm, £s=0.07 m, W=0.5 cm 그리고 기판의 폭 a=10.0 cm, 슬롯의 옵셋 d=0 cm로 슬롯의 한가운데를 마이크로 스트립 선로가지 나는 구조로 하였다. 임피던스의 리액턴스 부분이 영이 되는 공진 주파수는 약 3.
그림에 대한 치수는 그림 밑에 있으며 단위는 [mm]이다. 필터 설계 및 제작에 사용된 기판은 유전율이 4.4이고, 두께 1.5 mm의 FR4 기판을 사용하였다. 그림 4(a)는 차단 주파수는 3 GHz, 차단 주파수 대역에서는 0.

데이터처리

01 dB 리플 갖는 5차 Chebyshev 필터를 기본으로 하였다. 그리고 제안된 저역 통과 필터는 상용 프로그램으로 필터의 주파수 특성을 해석하였고, 제작된 필터의 실험값과 비교하여 응답 특성을 분석하였다.

성능/효과

기존의 스텝 임피던스 마이크로스트립 저역 필터 특성과 비교해보면 저지 대역의 밴드 폭, 통과 대역의 삽입 손실과 반사 손실 등에서도 좋은 특성을 보이고 있음을 실험적으로도 확인할 수 있었다.
이를 해석하기 위해서 본 논문에서는 전파 해석법(fbllwave analysis)”'에 견주어 계산 시간을 훨씬 줄이면서도 정확한 해석 결과를 얻을 수 있도록 복소방사 전력과 불연속 모드 전압법防을 퓨리에 변환을 이용한 방법을 결합한 수치 해석 방법을 사용하였다. 또한, 이 방법으로 전력을 계산할 때 근 사 식을 사용하지 않고 적분을 수치적으로 계산하였기 때문어L 슬롯의 폭 길이가 넓은 경우라도 정확한 결과를 얻을 수 있도록 하였다.
이에 대한 이론적 근거로는 2와 3장에서 언급했다. 여기에 쓰인 해석법은 계산 시간을 매우 짧게 하면서도 슬롯의 복사 방사 전력 리액션 적분을 계산하여 정확한 결과를 얻도록 해준다는 것을 알 수 있었다. 그리고 DGS 슬롯의 리액턴스 값이 공진 주파수에서 급격하게 변화하는 점을 활용해 차단 대역에서의 반사 특성을 개선하는 데 응용하였다.
이 구조는 직각 사각형 구조를 좀 변형시키고, 커패시턴스 역할을 하는 마이크로스트립 선로 부 중앙에 슬롯을 하나 더 추가한 구조이다. 측정 결과, 필터의 크기는 크게 변함이 없지만 높은 차단 대역에서 향상된 차단 특성을 보이고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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Ke Wu, Lin Li, "Numerical calibration and de- embedding techniques for CAD and equivalent circuit models of electromagnetic structures", Microwave Review, pp. 7-18, Jun. 2005

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