[논문]"+"자 공진기와 용량성 결합을 이용한 초광대역 대역 통과 여파기

동 타이 호아; 이재영; 김인석

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.5.486

초록
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본 논문에서는 급격한 감쇄율 특성을 갖는 독창적인 초광대역(UWB: Ultra Wideband) 스트립라인 대역 통과 여파기(BPF)를 소개한다. 초광대역의 특성은 기본적으로 "+"자 공진기와 주 전송 선로간의 용량성 결합으로부터 얻어진다. "+" 자 공진기는 ${\lambda}/2$의 전송 선로의 중심에 두 개의 스터브를 병렬 연결된 구조를 가진다. 하나는 ${\lambda}/8$ 단락 회로 스터브로 ${\lambda}/2$ 전송 선로의 상측에 연결되고, 다른 하나는 ${\lambda}/8$ 개방 회로 스터브로 ${\lambda}/2$ 전송 선로의 하측에 연결된다. 이 두 개의 스터브들은 통과 대역의 하단과 상단의 차단주파수에서 두 개의 감쇄극을 제공한다. "+" 자 공진기 상측에 위치하여 용량성 결합을 이루는 주 전송 선로는 입력과 출력 선로에 또 한 번의 ${\lambda}/4$ 길이의 용량성 결합을 하여 통과 대역 하부과 상부의 저지 대역에서 원하지 않는 신호를 억압하기 위해 구성하였다. 본 여파기는 미국에서 허가한 초광대역(3.1~10.6 GHz)의 대역에서 선택도가 우수한 대역 통과 특성을 얻기 위해 2.4 GHz와 11.1 GHz에서 81 dB/GHz와 86 dB/GHz의 기울기를 제공하는 두 개의 전송 영점(감쇄극)을 갖도록 설계되었다. 본 여파기는 유전상수 7.8을 갖는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 그린테이프로 제작되었다. 측정 결과는 HFSS 해석 결과와 거의 일치하였다. 통과 대역에서 0.7 dB 이하의 삽입 손실과 14 dB 이상의 반사 손실이 측정되었다. 중심 주파수 군 위상 지연은 0.27 ns이고, 통과 대역에서 군 위상 지연의 변화량은 0.5 ns 이하이다. 본 여파기의 크기는 $6{\times}18{\times}0.6\;mm^3$이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This article introduces a novel ultra wideband(UWB) bandpass filter(BPF) with sharp roll-off characteristics in stripline structure. The UWB characteristic is basically obtained from capacitive coupled cross resonator. The resonator has ${\lambda}/2$ length. And at the center of the reson...

This article introduces a novel ultra wideband(UWB) bandpass filter(BPF) with sharp roll-off characteristics in stripline structure. The UWB characteristic is basically obtained from capacitive coupled cross resonator. The resonator has ${\lambda}/2$ length. And at the center of the resonator, two stubs are loaded, one is a ${\lambda}/8$ short-circuited stub and the other is a ${\lambda}/8$ open-circuited stub. The two stubs provide two attenuation poles at lower and upper cutoff frequencies. For input and output lines, two identical capacitively coupled lines have been installed to suppress the unwanted signals in the lower and upper stopbands. The filter has been designed for the U.S. UWB band(3.1~10.6 GHz) with two transmission zeros at 2.4 and 11.1 GHz. The filter has been realized with Low Temperature Core-fired Ceramic(LTCC) green tape which has the dielectric constant of 7.8. Measurement results agree well with HFSS simulation results. Insertion loss less than 0.7 dB and return loss better than 14 dB in the pass band have been measured. The group delay in the center frequency is 0.27 ns and the group delay variation within pass band is less than 0.5 ns. The size of the filter is $6{\times}18{\times}0.6\;mm^3$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 미국의 초광대역 주파수 대역을커버하는 급격한 감쇄율 특성을 보이는 새로운 LTCC 공정기술의 UWB 대역 통과 여파기를 소개하였고, 자 공진기와의 용량성 결합 구조가 초광대역 특성을 보이는 것을 보였다. 또한 여파기의 하측과 상측의 전송 대역의 두 개 전송 영점의 위치는주 전송 선로와 “+"자 공진기 사이의 용량성 결합계수와 단락/개방 스터브의 길이에 의해 조절될 수있는 것도 보였다.
본 논문에서는 통과 대역 하단의 전이 대역에서 81 dB/GHz와 상단의 전이 대역에서 86 dB/GHz의 급격한 기울기를 갖는 새로운 UWB 대역 통과 여파기를 제안한다.

제안 방법

여파기 회로 구조는 6과 7 계층에 위치했다. 간섭의 효과를 축소하기 위해 비아 벽들이 도체 벽 대신에 구조에 추가하였다. 이용된 LTCC 제조 공정의 한계로 인하여, 두 개의 인접 비아 사이의최소 거리는 0.
이론을 소개한다. 본 설계 이론은 용량성 결합을 하는 “+”자 공진기 구조로부터 두 개의 감쇄극을 얻는 방법, 입력과 출력 선로를 추가하는 방법, ABCD 행렬 방법과 ADS 시뮬레이션으로 3.1-10.6 GHz 주파수의 UWB 대역 통과 여파기를 얻는 방법을 설명한다. 제in장에서는 HFSS 시뮬레이션과 제작된 대역 통과 여파기의 측정 결과를 비교한다.
본 연구에서 개발한 대역 통과 여파기의 구조는그림 1에서 보여주는 것과 같이 두 개의 층을 가지는 구조로 설계되었다. 대역 통과 여파기는 人/2 길이의 전송 선로의 중심한 쪽에 A/8 개방 회로 스터브와 다른 쪽에 人密 단락 회로 스터브를 갖는 “+” 자 공진기와 용량성으로 결합되는 A/2 길이의 주전송 선로와 두 개의 人/4의 동일한 선로가 용량성결합을 하는 입력과 출력 단자로 구성된다.
이는통과 대역에서 네 번째 전송극이 사라지게 되는 여파기의 성능 열화를 나타냈다. 우리는 Anritsu ME- 7808A 회로망 분석기와 Cascade Microtech Summit 12971B 푸루브 스테이션으로 여파기 특성을 측정했다.
상기 논문들 중에서, 특히참고문헌 罔과 참고문헌 μ이~μ5]에서 발표된 여파기는 급격한 선택도와 소형의 특성을 보여 준다. 이 여파기들에 대한 회로 구조, 제조 기술 삽입 손실, 반사 손실, 군 지연, 낮은 변환 대역에서의 감쇄기울기와 크기 특성을 표 1에 비교하였다. 표 1에는본 연구 결과도 포함한다.

대상 데이터

그림 6에 제시된 것처럼 “+”자 공진기의 여파기구조는 HFSS(v.ll, Ansoft) 프로그램에 의해 해석과튜닝되었다 전체 회로는 14층으로 구성되었고, 각층은 43 “m의 두께와 유전상수는 7.8의 기판으로이루어졌다. 여파기 회로 구조는 6과 7 계층에 위치했다.
그리고 50 Q의 입출력 전송 선로는 그림 I에제 시된 것처럼 결합 선로에 연결되어져 있다. 본 연구에서, 기판 두께는 0.6 mm, 유전상수 7.8, 도체 두께 10 Rm와 용량 결합의 갭 43 #m의 스트립 선로의구조가 사용되었다. 그리고 Z„=55.
입출력 스트립 선로는 비아(비아의 직경 120 “m) 구조를 이용하여, 내부와 외부 직경을 200 “이와 750 “m 각각 가지고 있는 입출력 원형 단자와 연결되었다. 즉정 푸루브는 여파기를 즉정하기 위해 400 “m 피치 크기의 푸루브를 사용하였다. 그림 7은 필터의 S파라메타와 군 지연에 관해서 시뮬레이션과측정 결과의 비교를 나타낸다.

데이터처리

측정 결과들은 시뮬레이션 결과들과 비교되었다. 입출력 스트립 선로는 비아(비아의 직경 120 “m) 구조를 이용하여, 내부와 외부 직경을 200 “이와 750 “m 각각 가지고 있는 입출력 원형 단자와 연결되었다.

성능/효과

특성을 보이는 것을 보였다. 또한 여파기의 하측과 상측의 전송 대역의 두 개 전송 영점의 위치는주 전송 선로와 “+"자 공진기 사이의 용량성 결합계수와 단락/개방 스터브의 길이에 의해 조절될 수있는 것도 보였다. HFSS 시뮬레이션 결과는 시제품측정 결과와 거의 일치하였다.
6 GHz의 대역폭을 보여준다. 본 여파기의 ADS(2008, Agilent) 시뮬레이션 결과를 보면 U.S. UWB 적용을위해 평탄한 넓은 통과 대역 특성과 하측과 상측의차단 대역에서 불필요한 통과 대역을 효과적으로 억압하였음을 볼 수 있다.
그림 7의 실선 라인은 시뮬레이션 결과를 표시한다. 앞에서 언급한 것과 같이 본 연구의 LTCC 제조공정의 한계 때문에, 측정 결과에서 두 번째와 세 번째 극이 제대로 확인되지 않았고, 오직 통과 대역 내에 5극 대신에 4극을 관찰할수 있었다. 삽입 손실은 0.

후속연구

HFSS 시뮬레이션 결과는 시제품측정 결과와 거의 일치하였다. 본 여파기의 급격한감쇄율 특성과 간단한 구조가특별히 모바일 홈 네트웍 응용 분야의 UWB 시스템에 매우 적합하게 활용되는 것이 가능하리라 기대한다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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S. W. Wong, L. Zhu, "EBG-embedded multiplemode resonator for UWB bandpass filter with improved upper-stopband performance", IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 6, pp. 421-423, Jun. 2007.

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D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd Ed., New York: Wiley, Chap. 4, 1998.

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