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문제 정의
- 메타인공물질을 이용하여 공진기의 크기를 조절하기 위해서는 주로 공진기법인 MNG 종류를 사용해야 하며 MNG 효과를 얻기 위해서는 주로 한쪽 끝이 개방된 사각 혹은 링형과 나선형 공진기를 사용하여 음의 정수를 가진 투자율을 얻도록 해야 하는데 장점은 경제적인 단가와 낮은 방사손실 그리고 주파수의 높은 선택도를 가지고 있기 때문에 무선통신 시스템의 적용이 용이하고 이를 실현하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다 [8]-[12]. 따라서 본 논문은 MNG 메타 인공물질을 갖는 T-SRR에 대하여 제안을 한다. 일반적인 SRR은 루프가 1단의 경우, 無 커플링으로 존재하고 만일 루프가 2단일 경우, 루프 사이에 한 개의 커플링이 존재하게 된다.
제안 방법
- 커플링 개수가 많을수록 Q값이 높아지지만 단점은 SRR의 물리적인 크기가 증가하게 될 것이다 [11]. 그러므로 SRR에서 작은 크기에도 불구하고 높은 Q값을 얻기 위해 극복한 방법은 MNG 메타인공물질을 이용한 T-SRR에 대해 제안하도록 하였다. 제안된 T-SRR 은 크기를 자유적으로 조절할 수 있고 Q값을 높일 수있으며 저 손실 대역통과 필터로도 응용 설계가 가능하다.
- T-SRR의 제작을 위해 유전율 2.54, 기판 높이 0.54 mm, 도체의 두께 0.18 um의 값을 가진 테프론 기판을 이용하였고 그림 5와 같이 네거티브 방식의 음화필름을 적용하여 wet-etching을 통해 제작을 시도 하였다.
- 따라서 루프의 수를 계속 늘린다 하더라도 QL값은 증가되지 않고 오히려 공진기의 크기만 증가하게 된다는 단점이 초래된다. 그러므로 공진기의 크기 등을 함께 고려하여 루프의 N을 어느 정도 절충을 하여 적절하게 선택한 후 구성하는 것이 바람직함으로써 본 논문에서는 3단으로 결정하게 되었다. QL값을 계산하기 위해식 (1)을 적용하였고 식에서 ω0는 공진주파수, Δω는 3dB에 대한 비대역폭(FBW:Fractional Bandwidth)의 주파수를 의미 한다 [13].
- 대역통과 필터의 구조에서 T-SRR과 전송선로 사이의 연결을 하기 위해 인덕티브(inductive) 커플링으로 구성되는 길이 lt를 추가하여 설계를 하였다. 또한 Zo는 필터의 급전 선로에 대한 특성 임피던스(impedance)이며 Z1은 공진기의 사이를 연결을 위한 전송선로에 관한 특성 임피던스를 의미 한다.
- 보통 MNG 메타인공물질을 이용한 SRR의 경우 메타 인공 물질 특성을 나타내기 위해 공진기를 Array구조로 구현을 하게 된다 [6]. 그러나 제안된 T-SRR은 단일 구조인데도 불구하고 크기를 자유적으로 줄일수 있는 MNG 메타 인공물질로써 동작을 할 수 있도록 제안을 하였다. 크기를 조절하기 위해 공진기의 내부에 미소길이(lm)와 미소면적(b) 등의 조절할 수 있는 핵심 기능을 가지고 있어서 Array가 아닌 단일 구조로도 충분히 메타 인공물질의 성질로써 동작이 가능하다고 볼 수 있다.
- 제안된 T-SRR과 대역통과 필터는 연구실에서 제작 할 수 있는 환경 범위 내에서 제한된 최소의 크기로 설계 및 제작을 할 수 있었다. 일반적인 공진기는 크기가 공진 주파수에 따라 결정되는 데에 반해, 본 제안하는 T-SRR 은 크기를 공진 주파수에 고정시킨 상태에서 미세 조정이 쉽게 가능하도록 제안을 하였다. 제안된 T-SRR 은 표 1과 같이 SRR[4] 혹은 SIW[5] 보다 QL이 더 우수하다.
- 그러나 제안한 T-SRR은 X-밴드(I-밴드) 대역에서 연구를 하게 되어 유사한 주파수 대역을 가진 비교 대상의 논문들이 부족한 실정이다. 그러므로 T-SRR의 성능 비교를 하기 위해 SRR[4]과 밀접한 관계를 갖고 있는 공진기와 Q값이 우수한 SIW[5]의 공진기를 함께 제시를 하였다.
- 본 논문은 MNG(mu-Negative) 메타인공물질을 이용 하여 SRR 공진기를 새롭게 제안을 하였고, 제안한 공진기를 저손실 대역통과 필터로 응용을 하여 설계를 하였다. 본 공진기와 필터의 뚜렷한 장점은 낮은 유전율을 가진 기판 위에 메타 인공 물질을 사용하여 공진기의 크기를 임의적으로 조절 할 수 있고, QL값을 증가 시킬 수 있으며, J-인버터로 동작되는 λg/4 전송선로를 적용을 하여 저손실 대역통과 필터로 쉽게 응용 설계를할 수 있었다.
대상 데이터
- 제안된 대역통과 필터는 그림 5와 같은 기판의 환경을 이용하여 그림 8과 같이 제작을 하였으며 크기는 13.89×11.05 mm2이다.
- 스터브 대역통과 필터는 제안된 대역통과 필터와 같이 스터브와 J-인버터로 동작 되는 λg/4 전송선로 구성되어 있다.
데이터처리
- 그러므로 주파수 값은 마치 고정된 것처럼 보이게 되면서 크기만 작아지게 된다. 이러한 현상을 실험하기 위해 ADS를 통해 크기에 따른 주파수의 변화에 대한 수치들을 Micro Office Excel (ver. 2003)로 정리를 하여 그림 4와 같이 변화 추이에 대한 그래프 결과를 보여주도록 하였다.
- T-SRR에서 MNG 메타인공물질로 동작하기 위해 실험 과정은 ADS와 origin 프로그램을 이용하였지만 T-SRR 구조의 최종 설계를 위해서는 수동소자 수치해석 전용 시뮬레이션 프로그램인 IE3D tools(ver. 12.0) 을 이용 하여 시뮬레이션 결과를 얻었다.
- 표 2는 T-SRR과 기존의 논문에서 발표된 SRR[2, 4]그리고 SIW(Substrated Integrated Waveguide) [5]의 QL 값을 함께 비교를 하였다. T-SRR을 참고해야 점은 루프들이 다중형(3단)으로 구성되어 있어 QL값이 높다고 언급되어 있다.
성능/효과
- 제안된 T-SRR은 그림 1과 같이 3단의 사각형 루프와 루프 사이에 존재하는 커플링으로 구성되어 있어 높은 QL(Loaded Quality Factor)을 얻을 수 있다.
- 4 GHz)을 기준으로 하였을 때, 약 10%이며 실험결과는 표 3과 같이 제시된다. 표에서 삽입 및 반사 손실은 각각 1.5 dB 이내 및 15 dB 이하로써 표 4와 같이 저손실로 동작되는 필터임을 알 수 있다. 시뮬레이션과 측정결과에서 대역폭이 상이한 이유는 측정하기전, 교정 작업의 오차와 측정 시스템의 내부 부하 손실로 인해 발생되는 것으로 판단되며 그로인해 시뮬레이션 및 측정 결과의 반사손실에서 영과 극이 약간의 상이한 결과로 초래되는 것으로 보이고 있다.
- 5 dB 이내 및 15 dB 이하로써 표 4와 같이 저손실로 동작되는 필터임을 알 수 있다. 시뮬레이션과 측정결과에서 대역폭이 상이한 이유는 측정하기전, 교정 작업의 오차와 측정 시스템의 내부 부하 손실로 인해 발생되는 것으로 판단되며 그로인해 시뮬레이션 및 측정 결과의 반사손실에서 영과 극이 약간의 상이한 결과로 초래되는 것으로 보이고 있다.
- 또한 Array구조가 아니므로 형태가 매우 간단하고 크기가 작다고 해도 무관하다. 제안된 T-SRR과 대역통과 필터는 연구실에서 제작 할 수 있는 환경 범위 내에서 제한된 최소의 크기로 설계 및 제작을 할 수 있었다. 일반적인 공진기는 크기가 공진 주파수에 따라 결정되는 데에 반해, 본 제안하는 T-SRR 은 크기를 공진 주파수에 고정시킨 상태에서 미세 조정이 쉽게 가능하도록 제안을 하였다.
- 일반적인 공진기는 크기가 공진 주파수에 따라 결정되는 데에 반해, 본 제안하는 T-SRR 은 크기를 공진 주파수에 고정시킨 상태에서 미세 조정이 쉽게 가능하도록 제안을 하였다. 제안된 T-SRR 은 표 1과 같이 SRR[4] 혹은 SIW[5] 보다 QL이 더 우수하다. SRR 및 SIW의 경우, 메타 인공물질과는 밀접한 관계로 보기에는 다소 어렵겠지만 X-밴드 혹은 인근 대역에서 공진기의 성능을 개선하기 위한 방법이 소개 되고 있다.
- 스터브 대역통과 필터의 경우, 주로 광대역으로 동작하게 되는데 만일 협대역으로 동작하기 위해 설계를 하게 된다면 스터브의크기가 커짐으로 실제의 응용에 적합하지 않다 [15]. 그러므로 협대역으로 적용하기 위해서는 본 논문에서 제안한 대역통과 필터를 사용하는 것이 적합할 듯 판단된다. 제안된 대역통과 필터에서 T-SRR의 연결을 위한 전송선로의 물리적인 길이가 90°이므로 필터 내에서 불연속 구조로 인해 발생되는 반사파에 대해서는 상쇄되는 기능을 가지고 있기 때문에 삽입 및 반사 손실이 우수하게 된다[15].
- 본 논문은 MNG(mu-Negative) 메타인공물질을 이용 하여 SRR 공진기를 새롭게 제안을 하였고, 제안한 공진기를 저손실 대역통과 필터로 응용을 하여 설계를 하였다. 본 공진기와 필터의 뚜렷한 장점은 낮은 유전율을 가진 기판 위에 메타 인공 물질을 사용하여 공진기의 크기를 임의적으로 조절 할 수 있고, QL값을 증가 시킬 수 있으며, J-인버터로 동작되는 λg/4 전송선로를 적용을 하여 저손실 대역통과 필터로 쉽게 응용 설계를할 수 있었다.
- 본 논문에서 제안하는 대역통과 필터는 군사용 위성통신망(I-밴드) 주파수 대역(10 GHz)에 맞추어 설계를 하였고 제안한 공진기의 측정결과에서 QL값은 184 그리고 응용 설계된 대역통과 필터는 10 %의 대역폭과 10 GHz의 중심 주파수에서 삽입 및 반사손실은 각각 1.44 dB 및 17.3 dB의 값을 얻게 되었다. 제안된 공진기와 응용 설계된 대역통과 필터는 평면 구조로써 향후 IPD (Integrated Passive Device) 및 MEMS(Micro-Electro Mechanical System)로 재설계가 가능하여 대량생산의 집적화가 용이할 것으로 사료 된다.
후속연구
- 그러므로 SRR에서 작은 크기에도 불구하고 높은 Q값을 얻기 위해 극복한 방법은 MNG 메타인공물질을 이용한 T-SRR에 대해 제안하도록 하였다. 제안된 T-SRR 은 크기를 자유적으로 조절할 수 있고 Q값을 높일 수있으며 저 손실 대역통과 필터로도 응용 설계가 가능하다.
- 3 dB의 값을 얻게 되었다. 제안된 공진기와 응용 설계된 대역통과 필터는 평면 구조로써 향후 IPD (Integrated Passive Device) 및 MEMS(Micro-Electro Mechanical System)로 재설계가 가능하여 대량생산의 집적화가 용이할 것으로 사료 된다.
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