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L형 아이리스와 투과 공진 개구를 이용한 소형화된 도파관 여파기 설계 및 실험
Design and Experiment of a Miniaturized Waveguide Band-Pass Filter Using L-Type Inverter and Small Resonant Aperture 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.4, 2012년, pp.457 - 467  

최진영 (경북대학교 전자공학부) ,  김병문 (경북도립대학교 IT특약 계열) ,  조영기 (경북대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 도파관의 단면(waveguide transverse plane)에 아이리스(iris)를 갖는 구조들을 도파관의 진행 방향으로 일정한 간격으로 배치하여 소형의 대역 통과 여파기를 구현하는 방법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 리지가 장하된 원형 개구 아이리스를 여파기 설계의 기본 공진기 구조로 활용하며, 임피던스 인버터(impedance inverter)로 동작하게 되는 L형 아이리스를 새롭게 제안하여 여파기의 길이 방향 크기를 줄이는데 사용하였다. 최종 제작된 여파기는 중심 주파수 10 GHz에서 400 MHz의 대역폭을 갖는데, 기존의 여파기 설계 방식에 비하여 70 %의 소형화를 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a miniaturized band-pass filter structure, which comprises the irises of small resonant aperture and L-type irises inverter, is proposed. Ridged circular aperture iris is chosen as an elementary resonator. L-type iris which is placed between two adjacent elementary resonators is newly...

주제어

#Waveguide Band-Pass Filter   #Transmission Resonant Aperture   #L-Type Iris   #Compact Filter  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 도파관의 단면에 아이리스 구조물을 일정한 간격으로 배치하여 소형의 대역 통과 여파기를 구현하는 연구를 수행하였다. 여파기의 구성소자로는 리지가 장하된 소형 원형 개구 아이리스와 L형 아이리스가 사용되었다.
  • 본 논문에서는 소형 안테나 구조 및 근접장 현미경의 탐침(near-field microscope probe) 구조[6],[7] 설계에 활용하기 위한 목적으로 연구되어 온 투과 공진 개구[8]～[10]의 한 형태인 리지가 장하된 소형 원형 개구[11]～[13]를 여파기의 기본 공진기 구조로 새롭게 제안하였다. 또한, 인버터 구조로서 기존의 λ/4 변환기(λ/4 transformer) 대신에 L형 아이리스를 도입하여 여파기를 도파관의 길이 방향으로 소형화하는 방법을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 기존의 λ/4 변환기 대신에 L형 아이리스를 갖는 개구 형태의 새로운 인버터 구조를 도입하여 여파기의 길이 방향 크기를 소형화하는 방법을 소개하고자 한다.
  • L형 아이리스는 도파관의 내부에 위치하여 L성분을 갖는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 투과 공진 개구 사이에 L형 아이리스를 위치시키는 구성을 통하여 여파기를 소형화하는 방법을 제시하였다.
  • 따라서 jY10bi=jωL이므로 d가 감소할수록 L형 아이리스의 유도 성분이 증가함을 알 수 있다. 이러한 전기적인 특성을 갖는 L형 아이리스가 그림 6(a)에 도시된 것처럼 이웃하는 2개의 투과 공진 개구 사이에 위치한 경우에 전체 구조가 어떤 주파수 응답 특성을 갖는지 살펴보고자 한다.

가설 설정

  • 첫째, 두 개구를 근접시킨 경우에 f0=10 GHz 이던 공진 주파수가 fL과 fH로 분리된다. 둘째, 개구간 간격(S)이 작을수록 fL과 fH의 간격이 더 커진다. 즉, S=9.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제안된 여파기는 어떻게 구성하는가? 그림 1은 제안된 여파기의 구조와 구성 소자를 도시한 것이다. 여파기는 WR-90 표준형 도파관 내부에 총 3개의 평면형(planar type) 구조물을 1.43 mm의 동일한 간격으로 배치하여 구성한다. 각 구조물은 그림 1(b)에 도시된 것처럼 비유전율 €r = 2.
일반적인 여파기 설계에서는 어떻게 원하는 필터링 특성을 얻는가? 한편, 일반적인 여파기 설계에서는 그림 4(a)에 도 시된 것처럼 집중 소자(lumped element)인 L, C로 구성된 직렬 공진기와 병렬 공진기를 번갈아 배치하여 원하는 필터링(filtering) 특성을 얻는다. 그러나 초고주파 대역에서는 집중소자의 사용이 제한적이고, 각각의 공진기를 근접시킨 경우에 강한 결합 현상이 발생하기 때문에, 이러한 구성 대신에 L, C 공진 회로와 동일한 주파수 선택성을 갖는 구조 즉, 본 연구에서 제안한 리지가 장하된 원형 개구 아이리스와 같은 구조를 그림 4(b)에 도시된 것처럼 인버터(inverter) 구조로 연결함으로써 그림 4(a)와 동일한 특성을 갖도록 한다.
초고주파 대역의 여파기 설계에서 리지가 장하된 원형 개구 아이리스와 같은 구조를 인버터 구조로 연결하는 이유는 무엇인가? 한편, 일반적인 여파기 설계에서는 그림 4(a)에 도 시된 것처럼 집중 소자(lumped element)인 L, C로 구성된 직렬 공진기와 병렬 공진기를 번갈아 배치하여 원하는 필터링(filtering) 특성을 얻는다. 그러나 초고주파 대역에서는 집중소자의 사용이 제한적이고, 각각의 공진기를 근접시킨 경우에 강한 결합 현상이 발생하기 때문에, 이러한 구성 대신에 L, C 공진 회로와 동일한 주파수 선택성을 갖는 구조 즉, 본 연구에서 제안한 리지가 장하된 원형 개구 아이리스와 같은 구조를 그림 4(b)에 도시된 것처럼 인버터(inverter) 구조로 연결함으로써 그림 4(a)와 동일한 특성을 갖도록 한다. 이때 구현하고자 하는 여파기의 주파수 선택 특성(중심주파수, 대역폭, 스커트 특성, 군지연)을 조절하기 위해서는 기본 공진기가 갖는 L, C값 즉, 그림 4(b)의 각 단에 위치한 Ln', Cn'값을 원하는 설계 사양에 맞도록 변경할 수 있어야 한다.
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참고문헌 (16)

  1. M. Ohira, H. Deguchi, M. Tsuji, and H. Shigesawa, "Novel waveguide filters with multiple attenuation poles using frequency selective surfaces", 2005 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., Long Beach, CA, Jun. 2005. 

  2. S. M. Amjadi, M. Soleimani, "Narrow band-pass waveguide filter using frequency selective surfaces loaded with surface mount capacitors", Electromagnetics in Advanced Applications, ICEAA, pp. 173-176, Sep. 2007. 

  3. H. Bahrami, M. Hakkak, and A. Pirhadi, "Analysis and design of highly compact band-pass wave- guide filter utilizing complementary split ring resonators(CSRR)", Progress in Electromagnetics Research, vol. 80, pp. 107-122, 2008. 

  4. N. Ortiz, J. D. Baena, M. B Beruete, F. Carcia-Garcia, and M. Sorolla, "Complementary split ring resonator for compact waveguide filter design", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 46, no. 1, Jul. 2005. 

    상세보기

  5. 최진영, 고지환, 조영기, "CSRR 구조의 투과단면적 계산", 한국전자파학회 전자파기술 하계학술대회논문집, 12(1), p. 72, 2011년 7월. 

  6. D. W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz, "Optical stethoscopy: Image recording with resolution ${\lambda}$ /20", Appl. Phys. Lett., vol. 44, no. 7, pp. 651-653, Apr. 1984. 

    상세보기 crossref

  7. 1214M. Golosovsky, D. Davidov, "'Novel milli-meterwave near-field resistivity microscope", Appl. Phys. Lett., vol. 68, no. 11, pp. 1579-1581, Mar. 1996. 

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  8. R. F. Harrington, "Resonant behavior of a small aperture backed by a conducting body", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 30, no. 2, pp. 205-212, Mar. 1982. 

    상세보기 crossref

  9. X. Shi, L. Hesselink, and R. Thornton, "Ultrahigh light transmission through a C-shaped nano-aperture", Opt. Lett., vol. 28, no. 15, pp. 1320-1322, Aug. 2003. 

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  10. M. J. Lockyear, A. P. Bins, J. R. Sambles, and C. R. Lawrence, "Enhanced microwave transmission through a single sub-wavelength aperture surrounded by concentric grooves", Journal of Optics A, vol. 7, pp. S152-S158, 2005. 

    상세보기 crossref

  11. K. -W. Kim, J. W. Ko, J. E. Park, K. W. Kim, and Y. K. Cho, "Resonant transmission enhancement with a sub-wavelength aperture", Proceeding of IEEE Antennas and Propagation International Symposium 2007, pp. 1521-1524, Honolulu USA, Jun. 2007. 

  12. J. Yeo, J. -W. Ko, J. -E. Park, and Y. -K. Cho, "FDTD analysis of resonant transmission in an electrically small circular aperture with a ridge", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 1-4, Jul. 2008. 

  13. 고지환, 조영기, 여준호, 이종익, "리지가 있는 소형 원형 개구의 공진 투과에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 22(6), 2011년 6월. 

  14. D. K. Cheng, Field and Wave Electromagnetics, 2nd Ed., pp. 559-562, Addison Wesley, 1989. 

  15. H. Bahrami, M. Hakkak, and A. Pirhadi, "Using complementary split ring resonators(CSRR) to design bandpass waveguide filters", Proceeding of APMC2007, pp. 1-4, Dec. 2007. 

  16. M. Ohira, H. Deguchi, M. Tsuji, and H. Shigesawa, "A new dual-behavior FSS resonator for waveguide filter with multiple attenuation poles", Proceeding of 35th European Microwave Conference, pp. 189-192, Paris, Oct. 2005. 

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