[논문]래디얼 스터브를 통해 구현된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터

윤태순

래디얼 스터브를 통해 구현된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터
Bandpass Filter Using Dual-mode Resonator with Radial Stub 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.10 no.3, 2011년, pp.74 - 78

윤태순 (호남대학교 이동통신공학과)

초록
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본 논문에서는 래디얼 스터브를 이용하여 이중 모드 공진기를 구현하여 이를 통하여 5.8 GHz ITS 시스템에 응용 가능한 대역 통과 필터를 제안하였다. 이중 모드 공진기를 구성하는 개방형 스터브를 래디얼 스터브로 대체함으로써 이중 모드 공진기의 크기는 약 39.6% 감소하였고 두 개의 $60^{\circ}$ 래디얼 스터브를 통해 약 $6.9{\Omega}$의 낮은 임피던스를 갖는 스터브가 구현되어 이중 모드 공진기를 이용한 필터의 저지 대역 특성이 19.4 dB에서 29.1 dB로 개선되었다. 제안된 이중 모드 공진기를 이용하여 제작된 필터는 중심 주파수 5.72 GHz에서 4.1%의 대역폭을 가졌으며, 1.79 dB와 19.4 dB의 삽입 손실과 반사 손실 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the bandpass filter for ITS system of 5.8 GHz is proposed by using the dual-mode resonator with the radial stub. As alternating the open stub with the radial stub, the size of the dual mode resonator can be reduced about 39.6% and the out-of-band characteristics of the bandpass filter using dual mode resonator can be enhanced from 19.4 dB to 29.1 dB by using the stub of $6.9{\Omega}$ i.e. realized by parallel two radial stubs with $60^{\circ}$ angle. The fabricated bnadpass filter using the dual mode resonator has the center frequency of 5.72 GHz with the fractional bandwidth of 4.1%. Also, the filter has the insertion loss and return loss of 1.79 dB and 19.4 dB, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가 동일하다면 필터의 특성은 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 최적의 필터 특성을 위해 공진기의 임피던스를 가능한 크게 하고 개방형 스터브의 임피던스를 가능한 작게 하여 임피던스 비, K_Z를 작게 설계하고자 하였다.
또한, 이중 모드 공진기를 이용하여 대역 통과 필터를 구현하였을 때, 공진기의 임피던스와 개방형 스터브의 임피던스 차이가 클수록 필터의 삽입 손실 및 기울기 특성이 개선될 수 있으므로 [4], 본 논문에서는 최적화된 인버터 값을 위해 여러 가지 임피던스 비로써 인버터 값을 조사하여 에 나타내었다.
본 논문에서는 개방형 스터브 대신 래디얼 스터브를 이용하여 이중 모드 공진기를 구현하고, 이러한 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터를 제안함으로써 ITS 시스템에 응용 가능한 필터의 소형화를 구현하고자 한다.

제안 방법

0.27 λg의 전기적 길이를 갖는 개방형 스터브는 길이, r과 각도, θr이 각각 7.4 mm와 60°인 래디얼 스터브로 대체하여 구현하였는데, 스터브의 더 낮은 임피던스를 구현하기 위해 두 개의 래디얼 스터브를 와 같이 병렬로 배치하여 6.9Ω의 등가 임피던스를 얻었다.
공진기의 임피던스와 개방형 스터브의 임피던스비 (KZ = Zstub/Zreso.)에 따른 필터의 특성을 보다 정확히 살펴보기 위해 α의 길이를 +5° 즉, 개방형 스터브의 전기적 길이를 95°로 하고 0.5 dB의 리플 특성을 갖도록 인버터 값을 최적화하여 이중 모드 공진기를 갖는 필터의 특성을 모의 실험한 결과를 에 나타내었다.
두 개의 래디얼 스터브를 사용함으로써 인버터를 λg/4 결합 선로로 구현하게 되면 입, 출력부와 래디얼 스터브 간의 기생 결합으로 인하여 원하는 필터 특성을 얻기 어려우므로 인버터는 75°의 전기적 길이를 갖는 결합 선로로 구현하였다.
본 논문에서 사용된 이중 모드 공진기는 5.8 GHz의 중심 주파수에서 5%의 대역폭의 필터 특성을 만족하도록 설계되었다. 설계 사양에 맞는 대역폭을 위해 개방형 스터브의 전기적 길이는 0.
본 논문에서는 이중 모드 공진기의 개방형 스터브를 와 같이 래디얼 스터브로 대체하였는데, 래디얼 스터브의 각도, θr이 클수록 원하는 주파수를 만족하는 래디얼 스터브의 길이, r은 짧아지게 된다.
이를 해결하기 방안으로 와 같이 개방형 스터브를 래디얼 스터브로 대체하여 낮은 임피던스를 갖는 개방형 스터브를 구현하였다.

대상 데이터

설계 사양에 맞는 대역폭을 위해 개방형 스터브의 전기적 길이는 0.27 λg로 유전율 2.5, 두께 0.54 mm, 유전체 손실 0.0023를 가지는 테프론 기판 위에 설계되었다.
설계된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터는 과 같이 테프론 기판 위에 15.85 *17.60 mm2의 크기로 제작되었고, VNA (vector network analyzer)로 측정된 필터는 과 같이 중심 주파수 5.72 GHz에서 4.1%의 대역폭을 가졌으며, 1.79 dB와 19.4 dB의 삽입 손실과 반사 손실 값을 나타내었다.

성능/효과

또한, 래디얼 스터브의 각도에 따른 래디얼 스터브의 등가 임피던스를 구하면 등가 임피던스는 지수 함수적으로 감소하게 되는데, 래디얼 스터브의 각도가 60°일 때 등가 임피던스는 약 13.9Ω을 가지고, 각도가 160°가 되면 임피던스는 약 7.5Ω으로 감소되는 것을 알 수 있다.
래디얼 스터브를 이용한 이중 모드 공진기에 결합 선로를 연결하여 Ansoft사의 HFSS를 통해 설계된 필터는 중심 주파수 5.74 GHz에서 4.7%의 대역폭을 가졌으며, 1.79 dB와 20.2 dB의 삽입 손실과 반사 손실 값을 나타내었다.
래디얼 스터브의 각도에 따라 길이 감소율은 지수 함수적으로 증가하는데, 래디얼 스터브의 각도가 60°일 때 길이는 개방형 스터브에 비해 약 39.6% 정도 감소하고, 각도가 160°가 되면 감소율은 46.7% 정도 됨을 알 수 있다.
본 논문에서 제안한 래디얼 스터브로 구현된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터는 일반적인 전송 선로를 이용한 대역 통과 필터에 비해 공진기 개수를 줄일 수 있어 소형의 필터 구현에 적합할 뿐 아니라 래디얼 스터브를 사용함으로써 개방형 스터브를 이용하였을 때보다 소형으로 필터를 구현할 수 있게 된다. 또한, 이중 모드 공진기를 구현하기 위한 개방형 스터브로 인하여 전송 선로 영점을 가짐으로 필터의 기울기 특성이 전송 선로를 이용한 대역 통과 필터보다 우수하게 된다.
<그림 3>으로부터 임피던스 비, K_Z가 작아질수록, 즉 공진기와 스터브의 임피던스의 차이가 커질수록 필터의 기울기 특성 및 저지 대역 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있지만, 공진기의 임피던스가 커지더라도 임피던스 비, K_Z가 동일하다면 필터의 특성은 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 최적의 필터 특성을 위해 공진기의 임피던스를 가능한 크게 하고 개방형 스터브의 임피던스를 가능한 작게 하여 임피던스 비, K_Z를 작게 설계하고자 하였다.

후속연구

한편, 래디얼 스터브로 구현된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터는 개방형 스터브를 래디얼 스터브로 등가 구현함으로써 래디얼 스터브의 특성에 의해서 래디얼 스터브의 각도를 조절함으로써 하모닉 주파수를 가변할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 래디얼 스터브로 구현된 이중 모드 공진기를 이용한 대역 통과 필터는 ITS 시스템 뿐 아니라 많은 초고주파 통신 시스템에 응용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중 모드 공진기는 어떠한 경우에 필터의 기울기 특성을 크게 개선할 수 있는 이유는?	이중 모드 (dual-mode) 공진기는 <그림 1>과 같이 마이크로스트립 (microstrip) 선로, 코플래너 웨이브가이드 (CPW: coplanar waveguide) 구조 등과 같은 기본적인 전송 선로의 반파장 공진기의 가운데 개방형 스터브 (open-stub)를 연결하여 두 개의 공진 주파수를 발생시키는 것으로 동일한 면적으로 두 개의 공진 주파수를 만들어 크기를 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근 활발히 연구되고 있다[1-4]. 특히, 이중 모드 공진기는 공진기 가운데 연결된 개방형 스터브로 인하여 발생된 2차적인 공진주파수 근처에 전송 선로 영점 (transmission zero)을 가지게 되어 이중 모드 공진기를 이용하여 필터를 설계, 제작하였을 때 필터의 기울기 특성 (skirt characteristics)을 크게 개선할 수 있게 된다 [4, 5].
	본 논문에서 이중 모드 공진기의 전달 함수를 통해 개방형 스터브의 전기적 길이에 따른 최적화된 인버터 값을 구하는데 이 때 인버터 값은 어떻게 설정되었는가?	<그림 2>는 이중 모드 공진기의 전달 함수를 통해 개방형 스터브의 전기적 길이에 따른 최적화된 인버터 값을 구한 것이다. 이 때, 인버터 값은 개방형 스터브의 임피던스를 특성 임피던스로 고정하고 공진기의 임피던스를 변화시켰을 때, 0.5 dB의 리플 특성을 갖도록 설정되었다. 그림에서 공진기와 스터브의 임피던스 차이가 클수록 작은 인버터 값을 필요로 하는 것을 확인할 수 있다.
	래디얼 스터브는 일반적으로 무엇에 많이 응용되는가?	한편, 래디얼 스터브 (radial stub)는 일반적으로 증폭기의 정합 회로 (matching circuit)에 많이 응용되며 최근에는 필터, 안테나에 응용되어 다양한 회로로 응용 분야를 확대하고 있다 [6, 7]. 래디얼 스터브는 λ/4 개방형 스터브로 등가되어 사용될 수 있는데, 일반적으로 래디얼 스터브의 각을 넓힐수록 λ/4개방형 스터브보다 더 작은 크기로 구현할 수 있다.

참고문헌 (7)

J. R. Lee, J. H. Cho and S. W. Yun, "New compact bandpass filter using microstrip λ/4 resonators with open stub inverter," IEEE Microw. Guided. Wave Lett., vol. 10, no. 12, pp.526-527, Dec. 2000.

상세보기
L. Zhu and W. Menzel, "Compact microstrip bandpass filter with two transmission zeros using a stub-tapped half-wavelength line resonator," IEEE Microw. Wireless Comp. Lett., vol. 13, no. 1, pp.16-18, Jan. 2003.

상세보기
W. H. Tu, "Compact Double-mode Cross-coupled Microstrip Bandpass Filter with Tunable Transmission zero," IET Microw. Antennas Propag., vol. 2, no. 4, pp.373-377, Jun. 2008.
T. S. Yun, H. Nam, B. Lee, J. J. Choi, J. Y. Kim and J. C. Lee, "Harmonic rejected compact bandpass filter using dual-mode microstip resonator with additional open stub," Microw. Optical Tech. Lett., vol. 52, no. 10, pp.2288-2291, Oct. 2010.
T. S. Yun, S. K. Noh, H. J. Kim, E. K. Oh, H. M. Son and J. C. Lee, "Compact dualband bandpass filter with two transmission zeros using dual-mode microstrip resonator and tapped-line geometry," Microw. Optical Tech. Lett., vol. 53, no. 1, pp.108-111 Jan. 2011.
I. Sakagami, Y. Hao, M. Mohemaiti and A. Tokunou, "On a transmission-line butterworth lowpass filter using radial stubs," Int. Symp. of Circuits and Systems, ISCAS 2002, vol. 3, pp.867-870, May 2002.
H. R. Bae, S. O. So, C. S. Cho, J. W. Lee and J. Kim, "A crooked u-slot dual-band antenna with radial stub feeding," IEEE Ant. Wireless Propagation Lett., vol. 8, pp.1345-1348, Dec. 2009.

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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