[논문]Metamaterial 전송선을 이용한 이중 대역 저지 필터

오희석; 남상욱

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.2.124

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Metamaterial 전송선을 이용한 이중 대역 저지 필터를 제안하고 제작, 측정하였다. 이는 Wilkinson Power Divider의 형태를 바탕으로, 입력 단자에 신호를 인가하면 동일한 크기와 위상을 갖는 신호로 나눠진다. 이를 각각의 전송선에서 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 구조와 D-CRLH(Dual Composite Right/Left-Handed) 구조를 이용하여 위상 변화를 유도한다. 본 논문에서는 TDMB 주파수 대역인 195 MHz와 DVB-T/H 주파수 대역인 670 MHz 대역에 대해 저지 대역 특성을 유도하였다. 이를 통해 제작한 필터의 크기는 $30{\times}15\;mm$ 이며, -10 dB를 기준으로 대역폭을 측정한 결과 각각의 주파수 대역에서 73 %, 50 %의 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This raper proposes a dual-bandstop filter, which is based on a metamaterial transmission line using the composite right/left-handed (CRLH) and dual composite right/left-handed (D-CRLH) structures. The metamaterial structure is used for miniaturization and dual-bandstop operation at the TDMB frequen...

This raper proposes a dual-bandstop filter, which is based on a metamaterial transmission line using the composite right/left-handed (CRLH) and dual composite right/left-handed (D-CRLH) structures. The metamaterial structure is used for miniaturization and dual-bandstop operation at the TDMB frequency range (195 MHz) and DVB-T/H frequency range (670 MHz). The size of the proposed filter is $30{\times}15\;mm$, and the -10 dB bandstop fractional bandwidth is approximately 73 % and 50 % at each frequency, respectively.

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문제 정의

최근 필터는 RF/Microwave 시스템의 향상과 더불어 보다 좋은 성능과 보다 작은 크기, 그리고 가격 및 무게 등에서 향상되도록 요구되어지고 있다. 이에 개선된 물질과 제작 기술을 바탕으. 루- HTS(High-Temperature Superconductors), LTCC (Low Temperature Cofired Ceremics), 그리고 MEMS (Micro Electro Mechanic System) 등 여러 제작 방법이연구되어지고 있다 그리고, 최근 Metamaterial 을이 용한 필터는 기존의 방법으로 제작된 필터보다 뛰어난 성능을 보여주고 있으며, Metamaterial을 통한 다중 대역의 특성을 필터 제작 방법에 응용할 경우 주파수에 따른 크기의 제한점과 임의의 주파수 대역에서 동작하는 필터를 제작할 수 있다叫可 또한, 위상변이를 in-phase 및 out-of-phase를 유도함으로써 앞서 열거한 전형적인 필터의 특성을 만족할 수 있다.
본 논문에서는 CRLH 전송선 구조와 D-CRLH 전송선 구조를 이용한 이중 대역 저지 특성필터를 제안하고 제작/측정해보았다. 설계된 이중 대역 저지 특성 필터는 一10 dB를 기준으로 九에서 약 73 %의대역폭을, 그리고 厶에서는 약 50 %의 대역폭을 확인할 수 있었다.

제안 방법

본 논문에 제안된 저지 특성 필터의 구조는 그림1의 Wilkinson power divider 구조를 바탕으로 한다. 1:1 Wilkinson power divider는 입력 포트(port 1)에 신호을 인가하면 신호는 크기와 위상이 동일하게 두 부분으로 나눠지게 된다.
설계된 이중 대역 저지 특성 필터는 一10 dB를 기준으로 九에서 약 73 %의대역폭을, 그리고 厶에서는 약 50 %의 대역폭을 확인할 수 있었다. 또한, Metamaterial 전송선 구조를 채택함으로써 30이 5 mm 크기의 소형화를 이루었다. 제작된 이중 대역 소자는 휴대방송 서비스에서 사용되는 주파수들을 사용하여 설계하였으나, 임의의 주파수에서 위상변이를 유도함으로써 여러 주파수대역에서 각종 필터의 특성을 만족하는 필터의 설계 및 제작이 가능할 것으로 보인다.

대상 데이터

유전율 3.66, 높이 0.762 mm인 Duroid-4380 기판과 Murata 1608 크기의 칩 캐패시터와 인덕터를 사용하였으며, 제작된 필터의 크기는 30x15 mm이다. 제작된 이중 대역 저지 특성 필터의 측정 결과는 그림 5와 같으며 표 3에 정리하였다.

성능/효과

모의실험은 Agilent-ADS Simulator의 Murata Library를 이용하였으며 一10 dB를 기준으로 설정하였을 경우에서는 143〜269 MHz인 약 61 %의 대역폭을 얻을 수 있으며, 为에서는 467〜781 MHz인 약 50 % 의 대역폭을 얻을 수 있었다. 또한, 중간 대역 통과(band-pass)는 -1 dB를 기준으로 355 〜391 MHz의 대역폭을 얻을 수 있었다.
대역폭을 얻을 수 있었다. 또한, 중간 대역 통과(band-pass)는 -1 dB를 기준으로 355 〜391 MHz의 대역폭을 얻을 수 있었다. 하지만 실제 측정 결과에서의 片에서는 132〜283 MHz인 73 %의 대역폭과龙에서는 460-770 MHz인 50 %의 대역폭을 얻을 수 있었다.
하지만 실제 측정 결과에서의 片에서는 132〜283 MHz인 73 %의 대역폭과龙에서는 460-770 MHz인 50 %의 대역폭을 얻을 수 있었다. 또한, 중간 대역 통과 영역은 전반적인 소자의 손실로 인해 一3 dB가 됨을 확인할 수 있다. 결과의 차이가 발생하는 이유는 칩 캐패시터와 인덕터의 re actance 및 susceptance의 손실로 인해 두 전송선의 위상 변이 및 신호의 크기에 영향을 주었을 것으로 보인다.
제작/측정해보았다. 설계된 이중 대역 저지 특성 필터는 一10 dB를 기준으로 九에서 약 73 %의대역폭을, 그리고 厶에서는 약 50 %의 대역폭을 확인할 수 있었다. 또한, Metamaterial 전송선 구조를 채택함으로써 30이 5 mm 크기의 소형화를 이루었다.

후속연구

또한, Metamaterial 전송선 구조를 채택함으로써 30이 5 mm 크기의 소형화를 이루었다. 제작된 이중 대역 소자는 휴대방송 서비스에서 사용되는 주파수들을 사용하여 설계하였으나, 임의의 주파수에서 위상변이를 유도함으로써 여러 주파수대역에서 각종 필터의 특성을 만족하는 필터의 설계 및 제작이 가능할 것으로 보인다. 향후 Metamaterial 전송선 구조를 이용한 이중대역 부품들이 설계되고 상용화가 가능해지면 다중대역에서 동작하는 마이크로파 대역 소자의 효율 향상 및 소형화, 가격 경쟁력, 경량화 등에 많은 영향을 미칠 수 있을 것이다.
제작된 이중 대역 소자는 휴대방송 서비스에서 사용되는 주파수들을 사용하여 설계하였으나, 임의의 주파수에서 위상변이를 유도함으로써 여러 주파수대역에서 각종 필터의 특성을 만족하는 필터의 설계 및 제작이 가능할 것으로 보인다. 향후 Metamaterial 전송선 구조를 이용한 이중대역 부품들이 설계되고 상용화가 가능해지면 다중대역에서 동작하는 마이크로파 대역 소자의 효율 향상 및 소형화, 가격 경쟁력, 경량화 등에 많은 영향을 미칠 수 있을 것이다.

참고문헌 (6)

Jia-Shen G. Hong, M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons Inc., 2001
J. Helszajn, Microwave Planar Passive Circuits and Filters, John Wiley & Sons Inc., 1994
Cheng-Jung Lee, Kevin M. K. H. Leong, and Tatsuo Itoh, 'Metamaterial transmission line based bandstop and bandpass filter designs using boadband pase cncellation', IEEEMTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp. 935-938, 2006
Ih Lin, M. Devincentis, C. Caloz, and T. Itoh, 'Arbitary dual-band components using composite right/ left-handed transmission lines', IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 52, no. 4, pp. 1142-1149, 2004

상세보기
C. Caloz, 'Dual composite right/left-handed(D-CRLH) transmission line metamaterial', IEEE Microwave Wireless Compon Lett., vol. 16, pp. 585-587, 2006

상세보기
C. Caloz, T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Application, John Wiley & Sons Inc., 2006

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