[논문]DWFD 프로그램을 이용한 3차원 적층 유전체 세라믹 도파관 필터의 설계 및 제작

김종철; 장영수; 김승완; 이기진

doi:10.5515/kjkiees.2013.24.5.515

초록
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유전체 세라믹 도파관 필터를 설계할 수 있는 DWFD 프로그램이 ${\lambda}/2$ 스텝 임피던스 타입의 직접 결합 도파관 필터 이론을 사용하여 개발되었다. 1 GHz 대역의 필터 크기를 줄이기 위하여 3차원 적층 형태로 설계하였다. 이에 필요한 S-매개변수값은 개발한 프로그램을 이용하였다. 적층형에 필요한 인덕티브 아이리스들의 치수는 HFSS 시뮬레이션 도구를 사용하였다. 필터는 중심 주파수 881.5 MHz에서 25 MHz 대역폭을 가지는 8단으로 설계하였다. 설계된 도파관 필터는 유전율 35.4의 세라믹을 사용하여 크기를 폭 50 mm에 높이 48 mm로 제작하였다. 측정한 주파수 반응은 시뮬레이션 결과와 일치하였다. 개발한 시뮬레이션 프로그램을 통하여 원하는 형태의 유전체 세라믹 도파관 필터를 쉽고 효율적으로 설계, 제작이 가능하도록 하였다.

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The program for dielectric ceramic waveguide filter was developed based on the direct coupled filter of ${\lambda}/2$ step impedance prototype. This developed program was called DWFD(Direct coupled Waveguide Filter Design). The filter was designed by 3-dimensional laminated type to reduce...

The program for dielectric ceramic waveguide filter was developed based on the direct coupled filter of ${\lambda}/2$ step impedance prototype. This developed program was called DWFD(Direct coupled Waveguide Filter Design). The filter was designed by 3-dimensional laminated type to reduce the size at the 1 GHz. S scattering matrix for this filter was calculated using the DWFD program. The width of inductive irises for laminated filter was computed by HFSS simulation tool. This waveguide filter was designed by 8 poles with bandwidth 25 MHz at the center frequency 881.5 MHz. By using a dielectric constant 35.4 and laminated type, the size of filter was reduced with width 50 mm and height 48 mm rapidly. We can see that the measured results agree well with the HFSS simulation result. Finally, this paper is shown that the design and implementation of waveguide filters can be presented by using DWFD program simply.

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문제 정의

개발된 DWFD 프로그램은 유전체 세라믹 도파관 필터의 설계 시간을 크게 단축시켰으며, 다양한 형태의 도파관 필터를 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용하여 정확하게 제작할 수 있도록 하였다. 1 GHz 대역에서 기존의 금속 공동 도파관으로는 크기와 무게가 너무 커 사용하기 어려운 대역 통과 필터를 고유전율 재료를 사용한 세라믹 도파관 필터로 대체하고자 하였다. 개발한 프로그램으로 설계를 하였으며, 이후 길이 방향의 크기를 더욱 줄이기 위하여 HFSS 시뮬레이션 도구를 사용하여 적층형으로 진행하였다.
본 논문에서 우리는 개발된 DWFD 프로그램을 사용하여 4세대 이동통신인 LTE 주파수에 적용 가능한 직사각형 유전체 세라믹 도파관 필터를 설계하였다. 필터는 중심 주파수(f₀)=881.
본 논문에서는 λ/2 스텝 임피던스를 가지는 프로토타입의 직접 결합 도파관 필터 이론을 사용하여 간편하고 효율적인 설계 프로그램을 개발하였다.
본 논문에서는 최적화 과정의 속도를 높이고, 여러 가지 형태의 도파관 필터를 손쉽게 제작할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 설계에 필요한 구성 매개 변수를 제공할 수 있는 프로그램 개발과 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용한 과정을 제시하였다.
필터 회로를 미세조정할 수 있으나, 고가의 컴퓨터가 요구되는 단점을 가진다. 본 연구에서는 중간 대역폭까지 사용이 가능한 분산 스텝 임피던스에 기반한 설계 과정을 사용하고자 한다. 이는 직접 결합 금속 공동 필터의 설계를 위하여 Lavy에 의하여 설명된 내용을 변형한 것이다^[6].
전기적인 매개변수들을 도파관 구조의 물리적인크기로 변환하는 과정을 보도록 하자. 그림 4를 보도록 하자.

제안 방법

본 논문에서는 λ/2 스텝 임피던스를 가지는 프로토타입의 직접 결합 도파관 필터 이론을 사용하여 간편하고 효율적인 설계 프로그램을 개발하였다. 개발된 DWFD 프로그램은 유전체 세라믹 도파관 필터의 설계 시간을 크게 단축시켰으며, 다양한 형태의 도파관 필터를 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용하여 정확하게 제작할 수 있도록 하였다. 1 GHz 대역에서 기존의 금속 공동 도파관으로는 크기와 무게가 너무 커 사용하기 어려운 대역 통과 필터를 고유전율 재료를 사용한 세라믹 도파관 필터로 대체하고자 하였다.
1 GHz 대역에서 기존의 금속 공동 도파관으로는 크기와 무게가 너무 커 사용하기 어려운 대역 통과 필터를 고유전율 재료를 사용한 세라믹 도파관 필터로 대체하고자 하였다. 개발한 프로그램으로 설계를 하였으며, 이후 길이 방향의 크기를 더욱 줄이기 위하여 HFSS 시뮬레이션 도구를 사용하여 적층형으로 진행하였다. 제작된 3차원 적층 유전체 세라믹 도파관 대역 통과 필터는 1 GHz 대역에서도 사용이 가능할 정도로 크기와 무게가 크게 작아졌으며, 측정된 주파수 반응도 설계한 시뮬레이션 결과와 일치하는 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
우리는 표 1에 보이는 것과 같이 원하는 대역 통과 도파관 필터의 모든 매개변수를 DWFD 프로그램으로부터 얻었고, 이를 바탕으로 HFSS Optimization 기능을 사용하여 적층형을 설계할 수 있었다. 즉, 중심 주파수 881.
본 논문에서는 최적화 과정의 속도를 높이고, 여러 가지 형태의 도파관 필터를 손쉽게 제작할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 설계에 필요한 구성 매개 변수를 제공할 수 있는 프로그램 개발과 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용한 과정을 제시하였다. 제안한 도파관 필터는 크기와 무게를 크게 줄이기 위하여 고유전율의 세라믹을 이용한 3차원 적층 형태로 설계하였다.
이를 위하여 설계에 필요한 구성 매개 변수를 제공할 수 있는 프로그램 개발과 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용한 과정을 제시하였다. 제안한 도파관 필터는 크기와 무게를 크게 줄이기 위하여 고유전율의 세라믹을 이용한 3차원 적층 형태로 설계하였다.

대상 데이터

5 MHz에서 25 MHz 대역폭을 가지는 적층형 유전체 세라믹 도파관 대역 통과 필터를 매우 효율적으로 손쉽게 제작할 수 있었다. 필터 제작에 사용된 유전체 세라믹 재료는 일본 교리츠사의 유전상수 35.4인 HF-37N(SD)이다. 그림 13은 8단으로 형성된 3차원 적층 형태의 유전체 세라믹 도파관 필터의 제작된 모습이다.

데이터처리

모드의 전자기장에 의해 들뜨는 짧은 수직의 모노폴에 의하여 연결되어진다[11],[12]. 그림 10에서와 같이 일반적인 동축 컨넥터를 사용하여 DWFD 프로그램에서 얻은 매개변수 S₂₁[dB]을 가지고 그림 11의 (b)와 같이 HFSS Optimization을 사용하여 높이[h]를 구하였다.

이론/모형

그림 10은 크기와 무게를 더욱 줄이기 위하여 적층 형태의 유전체 세라믹 도파관 필터를 설계한 모습이다[10]. 적층 형태를 가지기 위하여 높이(b)를 각각 동일하게 6 mm로 줄였으며, 개발된 DWFD 프로그램에 의한 산란 매개변수 S21[dB]을 가지고 각 단의 커플링을 위한 아이리스들의 폭은 그림 11의 (a)와 같이 HFSS Optimization을 사용하여 구하였다. 각 단의 아이리스 창(coupling window)은 그림 10과 같이 외각변에서 1 mm의 여유를 두고 고정변(4 mm)을 가지고, 가변 변인 a₁2～a₁8 폭을 움직여 구하였다.
3가지 회로 모두 아래 방정식과 같은 동일한 전송 특성을 가질 것이다. 우리는 각 소자값들에 Rhodes에 의하여 유도된 식들을 적용하고자 한다^[7].
제작한 프로그램은 앞서 설명한 도파관 아이리스필터 이론을 사용하여 설계되었다. DWFD(Direct coupled Waveguide Filter Design)로 불리는 이 프로그램의 진행 과정은 그림 6에 순서도로 나타내었다.
직사각형 도파관에 놓인 9개의 인덕티브 아이리스는 개발된 DWFD 시뮬레이션 도구를 사용하여 설계되었다. λ/2 스텝 임피던스 프로토타입의 요소값들로부터 우리는 그림 9와 같은 S11[dB]과 S21[dB]의 주파수 반응을 보았다.

성능/효과

0 GHz 주파수 영역을 적층 형태로 설계한 후 HFSS로 시뮬레이션 한 S₁₁[dB]과 S₂₁[dB]의 주파수 반응을 보여준다. 결과는 DWFD로 설계된 대역 통과 필터와 일치함을 알 수 있다.
본 논문에서 소개된 적층형 유전체 세라믹 도파관 필터는 제작이 용이하고, 주파수 특성이 양호하여 통신 시스템 내의 적용이 가능하다.
그림 15는 HFSS를 사용하여 얻은 S-매개변수 시뮬레이션 결과와 측정된 S11[dB]과 S21[dB]의 주파수 반응을 함께 보여준다. 우리는 자체 제작한 DWFD 프로그램과 HFSS Optimization 기능을 사용하여 적층 형태의 도파관 필터에 필요한 직접 결합 인덕티브 아이리스값들을 간단히 얻을 수 있었다. 제작된 필터의 측정 결과는 HFSS의 시뮬레이션 결과와 일치함을 알 수 있었다.
개발한 프로그램으로 설계를 하였으며, 이후 길이 방향의 크기를 더욱 줄이기 위하여 HFSS 시뮬레이션 도구를 사용하여 적층형으로 진행하였다. 제작된 3차원 적층 유전체 세라믹 도파관 대역 통과 필터는 1 GHz 대역에서도 사용이 가능할 정도로 크기와 무게가 크게 작아졌으며, 측정된 주파수 반응도 설계한 시뮬레이션 결과와 일치하는 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
우리는 자체 제작한 DWFD 프로그램과 HFSS Optimization 기능을 사용하여 적층 형태의 도파관 필터에 필요한 직접 결합 인덕티브 아이리스값들을 간단히 얻을 수 있었다. 제작된 필터의 측정 결과는 HFSS의 시뮬레이션 결과와 일치함을 알 수 있었다.
우리는 표 1에 보이는 것과 같이 원하는 대역 통과 도파관 필터의 모든 매개변수를 DWFD 프로그램으로부터 얻었고, 이를 바탕으로 HFSS Optimization 기능을 사용하여 적층형을 설계할 수 있었다. 즉, 중심 주파수 881.5 MHz에서 25 MHz 대역폭을 가지는 적층형 유전체 세라믹 도파관 대역 통과 필터를 매우 효율적으로 손쉽게 제작할 수 있었다. 필터 제작에 사용된 유전체 세라믹 재료는 일본 교리츠사의 유전상수 35.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 필터는 어떤 측면에서 필수 제품인가?	오늘날 무선 이동 통신 서비스의 성장과 함께 이러한 시스템의 요구는 더욱 증가하고 있다. 마이크로파 필터는 통신 시스템에서 원하는 주파수 신호를 분리하는데 사용되는 필수 제품이다. 앞서 많은 연구자들이 공동 공진기 도파관 형태의 필터를 연구해왔고, HFSS, ADS와 같은 3D 시뮬레이션 도구와 시뮬레이션 프로그램에 흥미를 가져왔다[1]～[3].
	마이크로파를 사용하는 무선통신 시스템은 무엇을 필요로 하는가?	마이크로파를 사용하는 무선통신 시스템은 뛰어난 주파수 선택성과 소형, 경량을 가지는 RF 수동소자 중 핵심 부품인 필터를 꾸준히 필요로 하고 있다. 오늘날 무선 이동 통신 서비스의 성장과 함께 이러한 시스템의 요구는 더욱 증가하고 있다.
	λ/2 스텝 임피던스를 가지는 프로토타입의 직접 결합 도파관 필터 이론을 사용하여 간편하고 효율적인 설계 프로그램의 개발에 따른 효과는?	본 논문에서는 λ/2 스텝 임피던스를 가지는 프로토타입의 직접 결합 도파관 필터 이론을 사용하여 간편하고 효율적인 설계 프로그램을 개발하였다. 개발된 DWFD 프로그램은 유전체 세라믹 도파관 필터의 설계 시간을 크게 단축시켰으며, 다양한 형태의 도파관 필터를 HFSS 시뮬레이션 도구를 활용하여 정확하게 제작할 수 있도록 하였다. 1 GHz 대역에서 기존의 금속 공동 도파관으로는 크기와 무게가 너무 커 사용하기 어려운 대역 통과 필터를 고유전율 재료를 사용한 세라믹 도파관 필터로 대체하고자 하였다.

참고문헌 (12)

P. -O. Persson, O. Runborg, "Simulation of waveguidefilter using wavelet-based numerical homogenization", Journal of Computational Physics, vol. 166, pp. 361-382, 2001.

상세보기
A. Sallier, J. Bornemann, and W. J. R. Hoefer, "Field- based waveguide filter synthesis in the time domain", AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 57, pp. 119-127, 2003.

상세보기
M. Ohira, H. Deguchi, M. Tsuji, and H. Shigesawa, "Novel waveguide filters with multiple attenuation poles using frequency selective surfaces", in Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International, p. 4, 2005.
J. W. Bandler, A. S. Mohamed, and M. H. Bakr, "TLM-based modeling and design exploiting space mapping", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 53, pp. 2801-2811, 2005.

상세보기
Y. Konoshi, K. Uenakada, "The design of a bandpass filter with inductive strip-planar circuit mounted in waveguide", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-22, pp. 869-873, Oct. 1974.
R. Levy, "Theory of direct-coupled-cavity filters", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT- 15, pp. 340-348, Jun. 1967.
J. D. Rhodes, "Design formulas for stepped impedance distributed and digital wave maximally flat and Chebyshev low-pass prototype filters", IEEE Trans. Circuits Syst., vol. CAS-22, pp. 866-874, Nov. 1975.
J. Uher, J. Bornemann, and Uwe Rosenberg, Waveguide Components for Antenna Feed Systems : Theory and CAD, Artech House, Inc., 1993.
Y. C. Shin, "The mode matching method", in T. Itoh Ed., Numerical Techniques for Microwave and Millimeter Wave Passive Structures, New York: John Wiley & Sons, Ch. 9, 1989.
장영수, 김종철, 김승완, 이기진, "세라믹을 이용한 적층형 유전체 도파관 필터", 한국전자파학회논문지, 24(2), pp. 122-127, 2013년 2월.

원문보기 상세보기
Ji-Fuh Liang, Hsin-Chin Chang, and Kawther A. Zaki, "Coaxial probe modeling in waveguides and cavities", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 40. no. 12, pp. 2172-2180, Dec. 1992.

상세보기
Giampiero Gerini, Marco Guglielmi, "Full-wave CAD of a rectangular waveguide filter with integrated coaxial excitation", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, no. 5, pp. 986-990, May 2001.

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