[논문]원통형 삼중모드 유전체 공진기를 이용한 대역 통과 여파기의 설계

장건호; 박남신; 김병철; 이돈용; 원정희; 왕욱광

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.1.30

원통형 삼중모드 유전체 공진기를 이용한 대역 통과 여파기의 설계
Compact Triple-Mode Bandpass Filter Using a Cylindrical Dielectric Resonator 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.1, 2015년, pp.30 - 38

장건호 ((주)케이엠더블유 통신연구소) , 박남신 ((주)케이엠더블유 통신연구소) , 김병철 ((주)케이엠더블유 통신연구소) , 이돈용 ((주)케이엠더블유 통신연구소) , 원정희 ((주)케이엠더블유 통신연구소) , 왕욱광 ((주)케이엠더블유 통신연구소)

초록
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본 논문에서는 삼중 $TE_{01{\delta}}$ 모드를 가지는 세라믹 유전체 공진기와 새로운 결합 네트워크를 이용한 대역 통과 여파기를 제안한다. 원통형 유전체 공진기의 삼중 공진 모드를 이해하고, 모드 간 결합분석을 통해 900 MHz 대역의 대역 통과여파기의 설계를 보인다. 유전체 공진기의 높은 품질계수와 제어 가능한 3개의 전송 영점을 통해 우수한 삽입 손실과 감쇄 특성을 얻을 수 있으며 기존 단일 모드 유전체 공진기를 이용한 여파기와 비교하여 60 %의 소형화를 달성하였다. 제안된 대역 통과 여파기 및 설계방법은 회로 해석 및 3차원 모의실험과 측정을 통하여 설계목표와 비교 분석되어 그 타당성을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the design of a compact triple-mode bandpass filter using a high-Q cylindrical dielectric resonator is proposed. In detail, the triple $TE_{01{\delta}}$ modes along three orthogonal axes are used and novel coupling structure in the metallic enclosure is adopted to introduce the coupling between the resonant modes. Due to the cross coupling, the proposed bandpass filter has an asymmetric frequency response with flexible three transmission zeros, one of which can be located very close to the passband edge to provide an extremely sharp skirt characteristic with low insertion loss. The proposed filter is about 60 % miniaturized compared with conventional single-mode dielectric resonator filter. The proposed bandpass filter design is validated by the circuit and 3D EM simulations and measurements compared to the target specifications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다음은 기존 다중 모드 DR 여파기의 확장성이 제한된 결합 구조의 단점을 보완하기 위해 새로운 모드 간 결합 구조를 제안한다. 그림 6과 같이 금속 블록을 이용하여 모드 간의 순차결합뿐만 아니라, 교차 결합을 유도할 수 있다.
본 논문에서는 높은 Qu와 삼중 TE01δ 모드를 가지는 세라믹 원통형 DR을 이용한 대역 통과 여파기의 설계법을 제안한다.
본 논문에서는 삼중 TE01δ 모드를 가지는 원통형 유전체 공진기와 새로운 결합 구조를 이용한 대역 통과 여파기를 제안하였다.

제안 방법

입 · 출력 외부 결합 구조는 그림 5(a)와 같이 접지된 포스트(shorted metallic post)를 이용하여 자계결합을 유도한다. 개방스터브의 전계결합 설계도 가능하지만, BTS의 FEU로 사용될 경우, 높은 전력을 인가했을 때 열 배출특성을 향상시킬 수 있으며, 설치 후 다양한 외부 충격에도 특성 변화를 방지하기 위해 접지구조를 사용하였다. 입 · 출력 외부 결합은 포스트의 높이(Hp), 직경(Rp), DR과의 거리(d)에 의해 결정된다.
이러한 단점을 극복하기 위해 삼중 모드를 가지는 구형(spherical) DR과 캐비티(cavity) 내부의 새로운 결합 네트워크(coupling network)를 이용한 여파기가 제안된 바 있다^[8]. 구형 DR은 회전에 영향을 받지 않기 때문에 조립성이 우수하며, 별도의 금속 결합네트워크를 통해 튜닝을 최소화 하였다. 하지만 구형 DR 및 캐비티는 가공 및 구현에 대한 개발 비용이 증가한다.
설계 목표치와 전송 영점의 위치정보를 통해 N개의 전송 영점을 가지는 결합행렬^[14],^[15]을 구할 수 있고, 이를 바탕으로 앞서 소개한 설계법들을 통해 물리적 치수의 초기치를 설정한다. 결정된 치수는 표 3에 정리되었다.
. 하지만 3개 이상의 다중 모드 공진이 발생하는 경우에는 적용할 수 없기 때문에, 본 논문에서는 구현된 전기적 회로 시뮬레이션과 계산된 결합 행렬을 바탕으로 매개변수 연구(parametric study)를 통해 결합 구조 치수를 최적화 및 결정하였다.

대상 데이터

캐비티 내부에 세라믹 DR(εr_DR =45)과 이를 고정하기 위해 알루미나 서포트(alumina support, εr_AS = 9.2) 가 사용되었다.
그림 9는 제작된 여파기와 그 특성이다. 캐비티 및 금속 결합 구조는 알루미늄으로 제작되었고, DR 및 알루미나 서포트는 KMW사에서 자체 제작되었으며, 측정은 Agilent사의 VNA E5071B를 사용하였다. DR의 고유 특성을 확인하기 위해 지그(JIG) 테스트를 한 결과, 분리된 3개의 모드가 형성되며, loaded Q값은 24000 가량임을 확인하였다.
튜닝은 금속 스크류, 캐비티 내의 공중에 띄워진 금속 디스크(metallic disk) 및 DR 디스크(DR_εr)를 사용하며, 그에 따라 튜닝 성향이 다르게 나타난다.

데이터처리

기존의 단일 모드 DR을 이용한 여파기에 비해 낮은 삽입 손실과 우수한 감쇄 특성을 가지며, 동등한 성능 기준 60 %의 소형화 및 경량화를 달성하였다. 위 설계법은 Ansys의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션하였고, 실제 제작과 측정을 통해 그 타당성을 증명하였다.

성능/효과

높은 Qu 값과 조절 가능한 전송 영점을 통해 우수한 삽입 손실과 감쇄 특성을 얻을 수 있다. CNC 공정에 유리한 간단한 결합 구조의 제안을 통해 제작과 튜닝의 어려움으로 상용화가 불가능한 종래의 다중 모드 여파기의 단점을 극복해 양산성을 극대화시켰으며, 세계 최초로 상용화에 성공하였다. 또한, 단일 모드 DR 여파기와 비교하여 동일특성 기준으로 약 60% 소형화를 달성하였다.
캐비티 및 금속 결합 구조는 알루미늄으로 제작되었고, DR 및 알루미나 서포트는 KMW사에서 자체 제작되었으며, 측정은 Agilent사의 VNA E5071B를 사용하였다. DR의 고유 특성을 확인하기 위해 지그(JIG) 테스트를 한 결과, 분리된 3개의 모드가 형성되며, loaded Q값은 24000 가량임을 확인하였다. 주파수 응답특성 측정 결과는 통과대역과 매우 인접한 600 kHz 가량 높은 차단 주파수에 형성된 전송 영점에도 불구하고, 0.
06 mm로 DR 높이를 결정할 수 있다. EM 시뮬레이션(Eigen-mode) 결과, 886.6957 MHz, 887.233 MHz, 887.264 MHz로 계산치와 유사한 공진주파수 값을 얻을 수 있으며, 실제 구현을 위해 알루미나 서포트와 함께 시뮬레이션한 결과는 884.92 MHz, 884.97 MHz, 885.99 MHz로 약 2 MHz 하향 조정된다.
각 모드 간의 결합을 위해 CNC(Computerized Numerical Control) 공정이 용이한 새로운 결합네트워크를 이용하며 추가적으로 발생되는 교차 결합(cross-coupling)에 의해 3개의 전송 영점이 형성된다. 기존의 단일 모드 DR을 이용한 여파기에 비해 낮은 삽입 손실과 우수한 감쇄 특성을 가지며, 동등한 성능 기준 60 %의 소형화 및 경량화를 달성하였다. 위 설계법은 Ansys의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션하였고, 실제 제작과 측정을 통해 그 타당성을 증명하였다.
CNC 공정에 유리한 간단한 결합 구조의 제안을 통해 제작과 튜닝의 어려움으로 상용화가 불가능한 종래의 다중 모드 여파기의 단점을 극복해 양산성을 극대화시켰으며, 세계 최초로 상용화에 성공하였다. 또한, 단일 모드 DR 여파기와 비교하여 동일특성 기준으로 약 60% 소형화를 달성하였다.
58로 변경하면 더 정확한 예측이 가능하며 TE_01δx 모드와 TE_01δy는 동일한 공진 주파수를 나타내지만 TE_01δz 모드는 DR의 반경-높이 비율에 따라 더 높은 주파수 또는 더 낮은 주파수에 형성된다. 이러한 모드 분리 특성은 반경-높이의 비율에 따라 그림 3(b)와 같이 조절이 가능하기 때문에 여파기의 대역폭을 조절하는데 영향을 주며, 본 논문에서 제안하는 여파기의 경우 결합세기 증가시켜 대역폭을 확장할 경우 최대 약 2%의 비대역폭을 가질 수 있다. 그림 3(b)의 F1, F2, F3는 Eigen-mode 시뮬레이션 결과에서 가장 높은 주파수, 중간주파수, 가장 낮은 주파수를 나타낸다.
DR의 고유 특성을 확인하기 위해 지그(JIG) 테스트를 한 결과, 분리된 3개의 모드가 형성되며, loaded Q값은 24000 가량임을 확인하였다. 주파수 응답특성 측정 결과는 통과대역과 매우 인접한 600 kHz 가량 높은 차단 주파수에 형성된 전송 영점에도 불구하고, 0.44 dB의 우수한 삽입 손실을 얻었으며, 반사계수는 15 dB, 차단대역의 감쇄 특성은 10 dB 이상을 나타내었다.
3 MHz로 그림 8(c)와 같이 설계 목표치를 만족하는 주파수 응답을 얻을 수 있다. 최적화된 결합포스트의 치수는 CP_d=31 mm, CP_phi=7 mm, CP_h=43.8 mm이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도파관의 조립공차와 제작의 어려움에 대한 단점을 보완하기 위해 시도된 방법들은 무엇이 있는가?	그리고 조립공차가 크며, 제작의 어려움으로 원가가 상승하여 양산에 부적합하다. 이러한 단점을 극복하기 위해 삼중 모드를 가지는 구형(spherical) DR과 캐비티(cavity) 내부의 새로운 결합 네트워크(coupling network)를 이용한 여파기가 제안된 바 있다[8]. 구형 DR은 회전에 영향을 받지 않기 때문에 조립성이 우수하며, 별도의 금속 결합네트워크를 통해 튜닝을 최소화 하였다.
	단일 모드 DR의 문제점은 무엇이며 보완책은 무엇인가?	일반적으로 낮은 삽입 손실, 높은 감쇄 특성, 높은 인가 전력의 고성능이 요구되는 무선 이동통신 시스템에 적용되는 여파기의 경우, 높은 무부하 품질계수(Qu: Unloaded Q-factor)를 가지는 단일 TE 모드 또는 TM 모드 유전체 공진기(DR: Dielectric Resonator)를 주로 사용하고 있다[1],[2]. 하지만 단일 모드 DR은 주파수가 낮아질수록 그 크기가 커지고, 무거워지며, 비싸지는 단점이 있기 때문에 동축 공동 공진기(Coaxial cavity resonator)와 함께 선택적으로 사용되거나, 혼용하여 여파기를 설계해야 한다.
	무선 이동통신 시스템에 적용되는 여파기로 어떤 것이 주로 사용되는가?	일반적으로 낮은 삽입 손실, 높은 감쇄 특성, 높은 인가 전력의 고성능이 요구되는 무선 이동통신 시스템에 적용되는 여파기의 경우, 높은 무부하 품질계수(Qu: Unloaded Q-factor)를 가지는 단일 TE 모드 또는 TM 모드 유전체 공진기(DR: Dielectric Resonator)를 주로 사용하고 있다[1],[2]. 하지만 단일 모드 DR은 주파수가 낮아질수록 그 크기가 커지고, 무거워지며, 비싸지는 단점이 있기 때문에 동축 공동 공진기(Coaxial cavity resonator)와 함께 선택적으로 사용되거나, 혼용하여 여파기를 설계해야 한다.

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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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