[논문]LH 전송선을 이용한 광대역 고역통과 필터 설계 및 제작

양두영; 서수덕; 조학래

doi:10.6109/jkiice.2014.18.2.260

[국내논문] LH 전송선을 이용한 광대역 고역통과 필터 설계 및 제작
Design and Fabrication of Wideband High Pass Filter Using Left-Handed Transmission Line 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.18 no.2, 2014년, pp.260 - 267

양두영 (Department of Telecommunication Engineering, Jeju National University) , 서수덕 (Innertron Inc.) , 조학래 (Innertron Inc.)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 칩커패시터와 마이크로스트립 선로를 이용하여 LH 구조의 단위셀을 고안하고, 제안된 단위셀로부터 등가회로를 추출하여 단위셀의 제반 특성을 분석하였으며, 광대역 고역통과필터를 설계하는데 적용하였다. 이 필터는 고역통과 특성을 갖는 여러 개의 단위셀을 종속 연결하여 마이크로스트립 전송선에 구현하였으며, 그 성능은 0~2.18 GHz의 저지대역에서 62.9dB의 대역제거 특성과 3.0~12.75 GHz의 통과대역에서 1.17dB 이하의 삽입손실을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the unit cell of LH structure using microstrip transmission line and chip capacitor is devised, and the reactive components of equivalent circuit are extracted from the proposed unit cell. And then, we have analyzed for the unit cell parameters and applied the characteristics to the wideband high pass filter design. This filter cascading several unit cells with high pass property has been implemented on microstrip transmission line, and the performance has been the band rejection characteristics of 62.9 dB in the stop band to 0~2.18 GHz and less than the insertion loss of 1.17 dB in the pass band from 3.0G Hz to 12.75 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 초고주파대역에서 필터를 설계하기 위하여 LH 메타 단위셀에 대한 연구를 수행하고, 마이크로스트립 선로로 구성된 메타셀 구조를 칩소자와 집적화하여 특성이 우수하면서도 소형화된 필터를 개발한다. 메타셀 구조를 갖는 소형화된 필터를 구성함에 있어서 C-CRLH 회로구조의 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 LH 성질이 우수한 고역통과 특성의 단위셀을 고안한다.

제안 방법

따라서 에너지는 소스에서 멀리 이동하지만 음의 굴절율로 인하여 전자파는 에너지 전달 방향과 반대 방향으로 이동한다[1]. Veselago는 LHM의 존재를 예측했지만, 실험적인 인증은 30여년 후에야 D. R. Smith와 J. B. Pendry에 의해 주기적인 금속 도체구조와 분할링 공진기(Split Ring Resonator)를 2차원 공간에 배열하여 LHM의 특성을 실험적으로 입증하였다[2]. 그 이후 선형 다이폴 구조와 SRR을 조합한 방식, 또는 그 변형 구조가 LHM의 실제적인 구현에 많이 이용되었다.
그리고 메타 단위셀의 특성을 분석한 후, 그에 대한 등가회로를 추출하고 고역통과필터 회로를 구성하기 위한 방법을 모색한다. 그 결과를 토대로 광대역 특성을 갖는 고역통과필터를 설계하고 제작하여 설계기준 규정에 따른 제반 사항들을 고찰한다.
메타셀 구조를 갖는 소형화된 필터를 구성함에 있어서 C-CRLH 회로구조의 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 LH 성질이 우수한 고역통과 특성의 단위셀을 고안한다. 그리고 메타 단위셀의 특성을 분석한 후, 그에 대한 등가회로를 추출하고 고역통과필터 회로를 구성하기 위한 방법을 모색한다. 그 결과를 토대로 광대역 특성을 갖는 고역통과필터를 설계하고 제작하여 설계기준 규정에 따른 제반 사항들을 고찰한다.
LHM (Left-Handed Metameterials)은 대표적인 메타물질이며, 이에 대한 최초의 연구는 1967년 러시아 과학자에 의해 발표되었다. 논문에서 Viktor Veselago는 LHM의 존재 가능성과 LHM이 스넬(Snell)의 법칙, 도플러(Doppler) 효과, 그리고 체렌코브(Cerenkov) 방사 등 기존의 물리법칙과 반대로 되는 현상을 예측하였다. 그리고 LHM 내에서는 전계, 자계와 전파 벡터의 방향이 기존 물질과는 역으로 형성됨을 보여주었다.
본 논문에서는 초고주파대역에서 필터를 설계하기 위하여 LH 메타 단위셀에 대한 연구를 수행하고, 마이크로스트립 선로로 구성된 메타셀 구조를 칩소자와 집적화하여 특성이 우수하면서도 소형화된 필터를 개발한다. 메타셀 구조를 갖는 소형화된 필터를 구성함에 있어서 C-CRLH 회로구조의 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 LH 성질이 우수한 고역통과 특성의 단위셀을 고안한다. 그리고 메타 단위셀의 특성을 분석한 후, 그에 대한 등가회로를 추출하고 고역통과필터 회로를 구성하기 위한 방법을 모색한다.
본 논문에서는 LH 단위셀 구조를 통하여 얻어진 설계제원을 가지고 마이크로스트립 고역통과 필터의 시작품을 제작하고 측정하였으며, 그에 따른 제반 성능을 분석하였다.
5 GHz의 광대역 주파수 범위까지 20W 전력의 스윕 신호를 인가하여 입력신호의 전달 특성과 반사특성인 정배파비(Standing Wave Ratio)을 측정한 것이다. 제작된 필터의 온도 변화에 따른 안정성 보장을 확보하기 위하여 측정온도를 +25℃, -30℃, +65℃인 3단계로 변화를 주면서 측정하였다. 우선, +25℃에서 피측정 대상인 제작된 필터를 측정 장비에 연결한 후 30분 동안 가동시키고, 그 다음 30분 동안은 온도를 +25℃에서 -30℃로 낮추고 나서 1시간 동안 지속적으로 가동한 다음 -30℃에서의 측정값을 얻는다.

성능/효과

논문에서 Viktor Veselago는 LHM의 존재 가능성과 LHM이 스넬(Snell)의 법칙, 도플러(Doppler) 효과, 그리고 체렌코브(Cerenkov) 방사 등 기존의 물리법칙과 반대로 되는 현상을 예측하였다. 그리고 LHM 내에서는 전계, 자계와 전파 벡터의 방향이 기존 물질과는 역으로 형성됨을 보여주었다. 결국 LHM 내에서는 전자파의 군속도와 위상속도의 진행방향이 서로 반대 방향을 이루는 후진파를 형성하게 된다.
05 dB 이하인 양호한 삽입손실과 -62 dB 이하의 우수한 스커트 특성을 보였다. 그리고 입력과 출력 정재파비 특성은 통과대역인 3.0 GHz, 3.54 GHz에서 1.52, 1.94로 측정되어 2 이하의 제품 규격을 만족하였다.
그림 7은 설계된 회로에 따라 레이아웃패턴을 만들고 부품들을 조립한 후, 지그에 고정시켜 고역통과필터를 완성한 시작품 사진이고, 표 1은 측정한 결과를 정리하여 도표로 나타낸 규격이다. 따라서 이 필터의 성능은 통과대역 3.0 GHz ~ 12.75GHz, 저지대역 DC ~ 2.18 GHz, 최대 삽입손실 1.17 dB, 정재파비 1.94, 저지대역 감쇄 62.9 dB로써 -30℃ ~ +65℃의 온도의 변화에도 스펙에서 정한 규격을 매우 잘 충족한다.
온도가 -30℃에서 +65℃로 올라감에 따라 삽입손실은 거의 달라지지 않고 스커트 특성만 0.46 dB 정도 증가하였다. 따라서 그림 6에 나타난 이 필터의 제반 특성은 3.
측정 결과, 광대역특성을 갖는 마이크로스트립 고역 통과필터는 삽입손실, 정재파비, 저지대역 감쇄, 고전력 테스트에서 모두 우수한 성능으로 측정되었다. 이 고역통과필터는 삽입손실 1.08 dB, 정재파비 1.96, 저지대역 감쇄 61.4 dB, 전력테스트 20W에서 유효한 평가를 얻어 모든 면에서 스펙에서 정한 규정 값 이상을 만족하였다.
측정 결과, 광대역특성을 갖는 마이크로스트립 고역 통과필터는 삽입손실, 정재파비, 저지대역 감쇄, 고전력 테스트에서 모두 우수한 성능으로 측정되었다. 이 고역통과필터는 삽입손실 1.
[dB]를 표현한 특성 그래프이다. 측정한 필터의 삽입손실 특성인 S₂₁[dB]은 3.0 GHz ~ 12.75 GHz의 통과대역인 3.1 GHz, 3.43 GHz 주파수에서 -0.64 dB, -1.025 dB이고, 저지대역인 2.18 GHz에서는 -62.67 dB로 측정되어, -1.05 dB 이하인 양호한 삽입손실과 -62 dB 이하의 우수한 스커트 특성을 보였다. 그리고 입력과 출력 정재파비 특성은 통과대역인 3.
85로 측정되어 2 이하의 제품 규격을 만족하였다. 특히, 온도가 +25℃에서-30℃로 내려감에 따라 통과대역내의 삽입손실은 0.043 dB 커지고 저지대역내의 스커트 특성은 2.0 dB 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메타물질이란 무엇인가?	메타물질은 특수한 전자기적 성질을 갖는 이상적으로 균질한 구조로서 자연계에는 존재하지 않은 인공적인 물질이다. LHM (Left-Handed Metameterials)은 대표적인 메타물질이며, 이에 대한 최초의 연구는 1967년 러시아 과학자에 의해 발표되었다.
	마이크로스트립 LH 메타물질 전송선로의 장점은 무엇인가?	마이크로스트립 LH 메타물질 전송선로는 주파수 선택성이 높으며 손실이 낮을 뿐 아니라 대역폭이 넓으면서도 집적회로를 구성하기 쉽다는 장점이 있다. 그래서 마이크로파시스템을 설계함 있어서 소형화, 저비용, 그리고 저전력 손실 등이 요구되는 경우에 LH 전송선로가 많이 사용되고 있다.
	LHM의 실제적인 구현에 이용된 구조들은 어떤 문제점 때문에 마이크로파 대역에 널리 활용되지 못했는가?	그 이후 선형 다이폴 구조와 SRR을 조합한 방식, 또는 그 변형 구조가 LHM의 실제적인 구현에 많이 이용되었다. 이들은 기본적으로 공진현상에 기반을 둔 구조이기 때문에 좁은 대역폭과 큰 손실 등의 문제점으로 마이크로파 대역에 널리 활용되지 못했다. 이러한 단점을 구복하기 위하여 메타물질의 전송선 접근법에 대한 여러 가지 연구들이 이루어졌다.

참고문헌 (13)

V. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ${\varepsilon}$ and ${\mu}$ ," Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, Feb. 1968.

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D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S. C. N. Nasser and S. Schultz, "Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity," Physical Review Letter, vol. 84, no. 18, pp. 4184-4187, May 2000.

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C. Caloz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications, John Wiley & Sons, pp. 15, 2006.
C. Caloz and T. Itoh, "Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta-materials," Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S International, vol. 1, pp. 195-198, June 2003.
A. Lai, T. Itoh and C. Caloz, "Composite right/left-handed transmission line metamaterials," IEEE Microwave Magazine, pp. 34-50, Sept. 2004.
Q. Zhu and S. J. Xu, "Composite right/left handed transmission line metamaterials and applications," Meta. 2008 International Workshop, pp. 72-75, Nov. 2008.
C. Caloz, "Dual composite right/left handed (D-CRLH) transmission line metamaterial," IEEE Microwave Wireless Component Letter, vol. 16, no. 11, pp. 585-587, Nov. 2006.

상세보기
G. L. Matthaei, L. Yeong and E. M. T. Jones, Microwave Filters, Impedance-matching Networks and Coupling Structures, Artech House Books, pp. 83-162, 1980.
J. X. Chen and Q. Xue, "Compact microstrip low-pass filter using spiral resonant structure," IEE Proc., Microwave, Antennas Propagation, vol. 153, no. 5, Oct. 2006.
T. Yasuzumi, T. Uwano and O. Hashimoto, "Microstrip high-pass filter with attenuation poles using cross-coupling," IEEE 2010 Asia-Pacific Microwave Conference Proc., APMC 2010, pp. 107-110, 2010.
J. Selga, F. Aznar, A. Velez, M. Gil, J. Bonache and F. Martin, "Low-pass and high-pass microwave filters with transmission filter with transmission zero based on metameterial concepts," IEEE International Workshop on Antenna Technology, IWAT 2009, pp. 1-4, 2009.
L. Yang, S. D. Seo, H. R. Cho and D. Y. Yang, "Analysis of unit cells for filter design using CRLH transmission line," ICCE2012 Proceeding, pp. 397-401, Aug. 2012.
F. F. He, K. Wu and W. Hong, "A wideband bandpass filter by integrating a section of high pass HMSIW with a microstrip lowpass filter," IEEE Global Symposium on Millimeter Waves, GSMM 2008, pp. 282-284, 2008.

저자의 다른 논문 :

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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