본 논문을 통하여 Metamaterial 특성을 가지는 CRLH 전송선 구조를 이용하는 초광대역 대역저지 여파기의 설계를 제안한다. 기존에 사용되던 주기구조, 또는 다단의 CRLH 전송선이 아닌, 단일 쎌 구조를 이용하여 기존 반파장 공진기 기반의 여파기나 임피던스 교번형 저역통과 여파기 등에서 나타나는 길이가 길어지며 Chebyshev형의 낮은 스커트 특성을 가지는 단점을 보완하고, 기존에 없던 초소형 구조를 제시한다. 또한, 초광대역 저지특성을 위하여 계단형 임피던스 구조를 포함한 강결합 Metamaterial 구조를 제안하고 0차 공진을 이용한 초소형화 기법을 제시한다. 본 논문에서 제안하는 설계의 타당함은 3D EM 모의실험과 제작 및 측정을 통하여 검증하며 여파기의 크기를 ${\lambda}_g/10$ 이하로 감소, 12 GHz를 초과하는 차단대역, 통과대역의 0.7 dB 삽입손실 등의 주파수 영역 특성 결과를 보인다.
본 논문을 통하여 Metamaterial 특성을 가지는 CRLH 전송선 구조를 이용하는 초광대역 대역저지 여파기의 설계를 제안한다. 기존에 사용되던 주기구조, 또는 다단의 CRLH 전송선이 아닌, 단일 쎌 구조를 이용하여 기존 반파장 공진기 기반의 여파기나 임피던스 교번형 저역통과 여파기 등에서 나타나는 길이가 길어지며 Chebyshev형의 낮은 스커트 특성을 가지는 단점을 보완하고, 기존에 없던 초소형 구조를 제시한다. 또한, 초광대역 저지특성을 위하여 계단형 임피던스 구조를 포함한 강결합 Metamaterial 구조를 제안하고 0차 공진을 이용한 초소형화 기법을 제시한다. 본 논문에서 제안하는 설계의 타당함은 3D EM 모의실험과 제작 및 측정을 통하여 검증하며 여파기의 크기를 ${\lambda}_g/10$ 이하로 감소, 12 GHz를 초과하는 차단대역, 통과대역의 0.7 dB 삽입손실 등의 주파수 영역 특성 결과를 보인다.
In this paper, the design of a new bandstop filter with an ultra-wide stopband is proposed using the metamaterial CRLH-TL. Instead of conventional periodic structures and multi-staged CRLH-TLs, extremely small one-cell type is adopted to circumvent the setbacks of conventional filters such as the le...
In this paper, the design of a new bandstop filter with an ultra-wide stopband is proposed using the metamaterial CRLH-TL. Instead of conventional periodic structures and multi-staged CRLH-TLs, extremely small one-cell type is adopted to circumvent the setbacks of conventional filters such as the lengthened ${\lambda}_g/2$-resonator ones or alternating impedance lowpass filter, and relatively slow skirt. Besides, for a very broad stopband, a strong coupling structure including stepped impedances is suggested and the zero-order resonance is made for effective size-reduction. The validity of the proposed design is proven through the fabrication and measurement, showing the overall size less than ${\lambda}_g/10$, the stopband wider than 12 GHz, 0.7 dB of the insertion loss.
In this paper, the design of a new bandstop filter with an ultra-wide stopband is proposed using the metamaterial CRLH-TL. Instead of conventional periodic structures and multi-staged CRLH-TLs, extremely small one-cell type is adopted to circumvent the setbacks of conventional filters such as the lengthened ${\lambda}_g/2$-resonator ones or alternating impedance lowpass filter, and relatively slow skirt. Besides, for a very broad stopband, a strong coupling structure including stepped impedances is suggested and the zero-order resonance is made for effective size-reduction. The validity of the proposed design is proven through the fabrication and measurement, showing the overall size less than ${\lambda}_g/10$, the stopband wider than 12 GHz, 0.7 dB of the insertion loss.
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문제 정의
3D EM 모의실험을 통하여 제안된 여파기의 군 지연 특성을 확인해 보았다. 대역 여파기 설계 시 흔히 중심주파수로부터 대역 가장자리로 갈수록 군지연이 증가하게 되는데, 군 지연의 증가율이 클수록 위상차에 의한 신호 왜곡이 커지므로 통과 대역 내에서의 군지연 평탄도 또한 설계 시 중요하게 생각해야 할 점이다.
제안 방법
그런데 기존의 임피던스 교번형 저역통과 여파기나 주기 구조의 Bandgap 기술을 이용하여 여파기를 설계할 경우, 여파기의 전체 길이가 길어지고, Chebyshev형의낮은 스커트 특성을 가지는 단점이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 Metamaterial 구조를 이용한 여파기를 사용할 수 있다'2~히 따라서, 본 논문에서는 Metamaterial 특성인 0차 공진 기반 X~Ka대역 초 소형초광대역 대역저지 여파기를 제안하고 3차원 EM 시뮬레이션 및 제작을 통해 타당성을 검증하였다.
하나의 요소 구조에서 L과 C는 자 계와 전계 결합량을 의미한다. 일반적인 전송선 구조에서는자계 결합과 전계 결합 중 한가지 특성만 가지도록 설계되었으나 본 논문에서는 두 가지 결합 특성을 모두 취할 수 있도록 설계할 것이다. 그림 1의 전송선 모델에서 볼 수 있는 네 가지 성분들을 모두 이용하여 초광대역의 차단대역을 형성할 것이다.
커진다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 주기 구조 혹은 다단구조를 사용하지 않고 단일 단 Dual CRLH 전송선만을 이용하여 여파기를 설계하였다. 그림 1에서 점선으로 된 사각형으로 표시한 한 단을 선택하고, 포트 2 정합 특성을 미리 고려하기 위하여 그림 2 에서 보는 것과 같이 it형 등가회로를 구성한다.
수 있다. 강 결합형 인터디지틀 선로가 중심에 위치하고 인터디지틀 하단에 비정형적 선로를 추가하여 저주파 대역의 통과 특성을 향상시켰다. 또한 인터디지틀상단의 선로를 이용하여 부족한 인덕턴스를 보상하고 계단 임피던스 구조를 이용하여 설계의 자유도를 향상시켰다.
강 결합형 인터디지틀 선로가 중심에 위치하고 인터디지틀 하단에 비정형적 선로를 추가하여 저주파 대역의 통과 특성을 향상시켰다. 또한 인터디지틀상단의 선로를 이용하여 부족한 인덕턴스를 보상하고 계단 임피던스 구조를 이용하여 설계의 자유도를 향상시켰다. 각 부분에 대한 수치는 표 2에서 볼 수 있다.
본 논문은 Metamaterial 구조인 CRLH 전송선과 Metamaterial 특징인 0차 공진을 이용하여 1단 구조의 초광대역 대역 저지 여파기를 제안하였고, 인터디지틀평행 결합 선로와 하단과 상단에 우회 전송선을 연결하여 초광대역의 통과 대역과 차단 대역을 형성하였다. 설계 결과 여파기의 전체 크기가 약 5mm로 Xg/10 이하의 초소형 구조이며, UWB 대역의 통과 대역과, Ku, Ka 대역에 이르는 차단 대역을 가지는 결과를 보였다.
본 연구팀에서 기존에 제작한 WB 여파 기피의 차단영역이 다소 좁다는 단점을 본 논문에서 제안한 여파기와의 결합을 통해 개선하였다. 그림 12에서 보는 바와 같이 차단영역이 향상된 결과를 얻었다.
대상 데이터
앞에서 제안한 구조에 대하여 &=4.4, tam=0.02를 갖는 FR-4 기판을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 그림 6은 본 논문에서 제안한 구조의 각 수치의 변화에 따른 EM 모의실험 결과를 나타낸다.
대역 여파기 설계 시 흔히 중심주파수로부터 대역 가장자리로 갈수록 군지연이 증가하게 되는데, 군 지연의 증가율이 클수록 위상차에 의한 신호 왜곡이 커지므로 통과 대역 내에서의 군지연 평탄도 또한 설계 시 중요하게 생각해야 할 점이다. 본 논문의 구조에서는 저주파 통과 대역에 해당하는 DC~ 10.8GHz 대역에서 군지역의 변화폭이 약 (H5nsec로 아주 작다. 다시 말하면, 평탄도가 우수하다고 할 수 있다.
성능/효과
몇 차례의 반복적인 계산을 통하여 본 논문에서 제안하는 성능을 보이는 등가회로 모델에 필요한 CL, CRi Ll, Lr 값들을 얻어낼 수 있었고, 그 값들은 표 1에서 볼 수 있다. 표 1의 값들을 이용하여 구성한 등가회로 모델의 해석 결과는 그림 3을 통하여 볼 수 있다.
통과영역에서의 안정적인 반사손실과, 차단 대역에서의 우수한 삽입손실을 나타내고 있으며, 제작 후 측정한 결과에서도 모의 실험결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
나타내고 있다. 기존 여파기와 비교하여 통과 대역에서의 반사손실이 눈에 띄게 향상되었으며 기존 구조에서는 차단대역이 좁고 불안정한 결과를 보이는 반면에 제안한 구조에서는 향상된 스커트 특성과 안정적인 차단 대역을 보인다.
설계 결과 여파기의 전체 크기가 약 5mm로 Xg/10 이하의 초소형 구조이며, UWB 대역의 통과 대역과, Ku, Ka 대역에 이르는 차단 대역을 가지는 결과를 보였다. 이 여파기는 기존 UW羽 대역 통과 여파기와 결합하여 더욱 우수한 효용성을 기대할 수 있으며, 특히 통신 장비의 소형화에 도움이 돝!.
참고문헌 (8)
Hong J.-S., Lancaster M.J., "Microstrip filters for rf/microwave applications", John Wiley&Sons, 2001
Christophe Caloz, Tatsuo Itoh, "Electromagnetic metamaterials: trnsmission line theory and microwave application", John Wiley&S, 2006
강승택, 주정호, '일단 CRLH 전송선 구조를 이용한 소형 초광대역 대역 통과 여파기의 설계', 한국전자파학회논문지, 제18권, 제12호, 1402-1407, 2007.12
Jeongho-Ju, Sungtek Kahng, "The Compact UHF CT-Type Bandpass Filter with a mixed Coupling" JOURNAL OF THE KOREA ELECTROMAGNETIC ENGINEERING SOCIETY, VOL. 7, NO. 3 , SEP. 2007
강승택, 주정호 '초소형 메타 재질 구조와 스터브를 이용한 통과특성과 차단 대역이 향상된 초광대역 대역통과 여파기' 등록 번호:10-0895617
주정호, 강승택, 'E- 결합 인버터를 가지는 메타재질 구조와 스터브를 이용한 초소형 UHF 대역용 대역 통과 여파기' 등록 번호:10-0895616
신은철, 강승택, 'Zero-Order Resonator 결합의 Metamaterial 구조를 응용한 T-DMB 대역 통과 여파기의 소형화와 차단 대역 특성의 개선,' 한국전자파학회 논문지 제 19권 제12호, pp. 1462- 1469, 2008.12
강승택, 주정호, 'Design of the UWB BandPass Filter of Microstrip CRLH-TL Metamaterial Cell Type with Improved Rejection Performance', 전자공학회 논문지, 제45권 TC편, 제8호, 624-629, 2008.08
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