품질계수가 향상된 변형된 동축 공동 공진기를 이용한 다단 Quadruplet 대역통과 여파기 Compact Cascaded Quadruplet Bandpass Filter Using Modified Coaxial Cavity Resonator with Q-Factor Improvement원문보기
본 논문에서는 새로운 변형된 동축 공동 공진기를 제안하고, 대역통과 여파기를 설계한다. 제안된 공진기는 하나의 캐비티 내부에 ${\Gamma}$-형 또는 곡선형의 4개의 접지된 도체 포스트로 구성되어 있다. 일반 동축 공동 공진기 여파기와 달리 도체 벽이 없기 때문에 공간 효율이 개선되어 품질계수가 약 15 % 이상 향상되며, 동일한 품질계수 대비 35 % 이상의 크기 소형화가 가능하다. 또한, 인접하지 않은 공진기와 입출력 교차결합을 통해 4개의 조절 가능한 전송영점이 생성되어 차단대역의 감쇄특성을 향상시킬 수 있다. 제안된 여파기와 설계법은 모의실험과 제작 및 측정을 통해 검증되었다.
본 논문에서는 새로운 변형된 동축 공동 공진기를 제안하고, 대역통과 여파기를 설계한다. 제안된 공진기는 하나의 캐비티 내부에 ${\Gamma}$-형 또는 곡선형의 4개의 접지된 도체 포스트로 구성되어 있다. 일반 동축 공동 공진기 여파기와 달리 도체 벽이 없기 때문에 공간 효율이 개선되어 품질계수가 약 15 % 이상 향상되며, 동일한 품질계수 대비 35 % 이상의 크기 소형화가 가능하다. 또한, 인접하지 않은 공진기와 입출력 교차결합을 통해 4개의 조절 가능한 전송영점이 생성되어 차단대역의 감쇄특성을 향상시킬 수 있다. 제안된 여파기와 설계법은 모의실험과 제작 및 측정을 통해 검증되었다.
This paper presents a novel modified coaxial cavity resonator and its application to bandpass filters with compact size and improved quality factor(Q-factor). The proposed resonator is made up of ${\Gamma}-shape$ or curved four inner conductive posts within a single cavity, which provides...
This paper presents a novel modified coaxial cavity resonator and its application to bandpass filters with compact size and improved quality factor(Q-factor). The proposed resonator is made up of ${\Gamma}-shape$ or curved four inner conductive posts within a single cavity, which provides quadruplet to realize bandpass filter. No metallic walls inside the cavity are required, and thus the utilization efficiency of the cavity space is improved. As a result, the unloaded Q can be approximately 15 % higher in comparison to the conventional coaxial resonator, or more than 35 % volume saving can be achieved while maintaining the similar Q-factor value with the conventional designs. In addition, due to the multiple cross-coupling occurring within the cavity, including the source-to-load coupling, four flexible transmission zeros can be created to realize different filtering functions. Simulations as well as experimental results of four- and eight-pole filters are presented to validate this attractive design concept. Good agreement between measured and computed results is obtained.
This paper presents a novel modified coaxial cavity resonator and its application to bandpass filters with compact size and improved quality factor(Q-factor). The proposed resonator is made up of ${\Gamma}-shape$ or curved four inner conductive posts within a single cavity, which provides quadruplet to realize bandpass filter. No metallic walls inside the cavity are required, and thus the utilization efficiency of the cavity space is improved. As a result, the unloaded Q can be approximately 15 % higher in comparison to the conventional coaxial resonator, or more than 35 % volume saving can be achieved while maintaining the similar Q-factor value with the conventional designs. In addition, due to the multiple cross-coupling occurring within the cavity, including the source-to-load coupling, four flexible transmission zeros can be created to realize different filtering functions. Simulations as well as experimental results of four- and eight-pole filters are presented to validate this attractive design concept. Good agreement between measured and computed results is obtained.
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문제 정의
본 논문에서는 변형된 동축 공동 공진기를 이용한 새로운 다단 quadruplet(CQ: Cascaded quadruplet) 대역통과여파기의 설계를 제안한다. 제안된 공진기는 1개의 캐비티(cavity) 내부에 4개의 Γ-형 또는 곡선형 포스트가 서로 결합되어 있으며, 그 구조와 치수에 따라 전계결합 또는 자계결합이 조절 가능하다.
제안 방법
등가모델을 기반으로 AA’면을 기준으로 대칭 설계되었으며, 공진기의 치수 이외에 제작오차를 수정할 수 있도록 튜닝스크류와 결합아이리스(coupling iris)의 결합조절 요소를 추가하였다.
본 논문에서는 새로운 변형된 Γ 또는 곡선형 quadruplet 공진기를 이용하여 4-/8-pole 대역통과 여파기를 설계하였다.
예제 1은 4개의 전송영점이 모두 통과대역보다 높은 차단 주파수에 위치하는 주파수 응답으로 결합성분이 모두 자계성분(+)이다. 예제 2는 1개의 전송영점이 통과대역보다 낮은 주파수에 위치하며, 순차결합과 M14의 교차결합 성분이 전계(—)로 바뀌어야 한다.
제안된 공진기는 4개의 포스트 사이에 전계와 자계결합이 혼재되어 존재하며, 순차결합뿐만 아니라, 인접하지 않은 공진기 간 교차결합, 입·출력 교차결합을 통해 조절 가능한 4개의 전송영점을 형성된다. 위 설계법은 CST MWS를 이용해 전자기 모의실험하였으며, 실제 제작과 측정을 통해 그 타당성을 증명한다.
결합도는 자계결합과 전계결합의 합으로 표현할 수 있으며, 거리 d가 멀어질수록 자계결합은 약해지고, 공진기의 단락면 사이의 간격이 가까울수록 전계결합이 강해진다. 이를 확인하기 위해 전자기 모의실험과 수식을 통해 결합계수를 추출하였다.
제안된 공진기는 1개의 캐비티(cavity) 내부에 4개의 Γ-형 또는 곡선형 포스트가 서로 결합되어 있으며, 그 구조와 치수에 따라 전계결합 또는 자계결합이 조절 가능하다.
제안된 공진기는 4개의 포스트 사이에 전계와 자계결합이 혼재되어 존재하며, 순차결합뿐만 아니라, 인접하지 않은 공진기 간 교차결합, 입·출력 교차결합을 통해 조절 가능한 4개의 전송영점을 형성된다.
Triplet의 경우, 교차결합의 성분이 전계결합이면 통과대역의 낮은 주파수에 전송영점이 생성되고, 자계 결합이면 통과대역의 높은 주파수에 전송영점이 생성된다[13]. 제안된 여파기는 총 6개의 교차결합(MS4=M1L, M13=M24, M14, MSL)을 이용하여 4개의 전송영점을 생성한다. 결합모델의 순차결합과 교차결합의 성분(부호)에 따라 전송영점의 위치를 조절 가능하다.
대상 데이터
알루미늄으로 제작되었고, 3 μm의 은도금이 적용되었다.
알루미늄으로 제작되었고, 3 μm의 은도금이 적용되었다. 측정은 Agilent사의 VNA E5071B를 사용하였다.
데이터처리
제안된 공진기의 품질계수 향상에 따른 소형화를 검증하기 위해 일반 동축 공동 공진기와 비교분석하였으며, 그 결과는 표 1과 같다. 이 때 Eigen mode 모의실험의 도전율은 σ=5.
성능/효과
그림 11(b)의 측정결과를 보면 모의실험과 매우 일치하는 특성을 얻을 수 있었고, 삽입손실은 0.5 dB 이하로 측정되었으며, 반사손실은 20 dB 이상이다. 특성 검증하기위하여 일반 동축 공동 공진기를 이용한 여파기를 설계한 경우, 그림 11(a)의 왼쪽과 같다.
일반 동축 공동 공진기 사이의 결합은 결합윈도우를 통해 조절하지만, 제안된 공진기의 경우 결합윈도우가 존재하지 않기 때문에 포스트간 거리 d와 공진기 머리의 단락면 간격에 따라 결합도가 결정된다. 결합도는 자계결합과 전계결합의 합으로 표현할 수 있으며, 거리 d가 멀어질수록 자계결합은 약해지고, 공진기의 단락면 사이의 간격이 가까울수록 전계결합이 강해진다. 이를 확인하기 위해 전자기 모의실험과 수식을 통해 결합계수를 추출하였다.
하지만 거리 d가 증가함에 따라 4개의 공진 모드의 주파수가 점진적으로 비슷한 주파수로 수렴되고, 품질계수 또한 증가하면서 하나의 다중모드 공진기가 아닌 4개의 변형된 동축 공동 공진기가 결합된 quadruplet의 특성을 가진다. 따라서 본 논문에서 제안된 공진기의 동작원리는 그림 5와 같이 완전 정규형 결합모델(Fully canonical coupling model)로 해석이 가능하다[20]. 각 포스트는 공진 노드를 나타내며, 인접한공진기 간의 거리와 머리 부분의 간격이 전계 또는 자계의 결합도를 결정한다.
제안된 공진기는 일반동축 공동 공진기보다 15 % 이상의 향상된 품질계수를 가질 수 있으며, 이를 이용하여 동일한 성능을 가진 일반 여파기 대비 35 % 이상의 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 조절 가능한 다수의 전송영점을 통해 차단대역의 감쇄특성이 향상되었으며, 그 위치에 따라 다양한 주파수 응답을 가질 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안한 공진기와 여파기의 설계법은 소형화가 요구되는 무선 이동통신 기지국 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
만약 3,381의 품질계수를 가지는 일반 동축 공동 공진기를 이용한 4-pole 여파기를 설계한다면 30,976(7,744×4) mm3의 부피가 필요하므로, 제안된 공진기를 이용하여 여파기를 설계하면 약 34 %의 소형화가 가능하다.
5 mm)의 부피가 필요하다. 반면, 동일한부피의 제안된 공진기의 4개 모드 품질계수 평균치는 3,381로 일반 동축 공동 공진기보다 약 17.9 % 높게 나타났다. 만약 3,381의 품질계수를 가지는 일반 동축 공동 공진기를 이용한 4-pole 여파기를 설계한다면 30,976(7,744×4) mm3의 부피가 필요하므로, 제안된 공진기를 이용하여 여파기를 설계하면 약 34 %의 소형화가 가능하다.
4개의 공진모드 중 주(fundamental) 모드와 2개의 축퇴(degenerate) 모드가 두 개의 통과대역을 형성하며, 가변을 위해 액츄에이터(actuator)를 이용한다. 본 논문에서 제안하는 구조와 유사하지만, 4개 모드를 모두 사용하지 않고 모드들 간에 주파수 차이 크기 때문에 다중대역 여파기에 유리하며, 하나의 대역 내에 높은 차수(filter order)가 요구되는 무선 기지국용으로는 적합하지 않다. 유사한 구조로 4개의 포스트로 구현한 SCRP(Strongly-Coupled Resonator Pairs)를 이용한 Evanescent 모드 여파기가 있다[18].
공진기의 불연속부를 제거하고, 전류분포에 유리한 구조로 품질계수를 더욱 향상시킬 수 있다[19]. 약 3,500의 품질계수를 기준으로 일반동축 공동 공진기 적용의 경우 33,856 mm3의 부피이고, 제안된 곡선형 공진기의 경우 23,104 mm3이므로 약 46 %의 소형화를 도모할 수 있다. Γ-형 동축 공동 공진기와전기적 특성은 동일하며, 거리 d와 곡선형 포스트의 반경 r과 곡선의 높이 Rh, 4개 포스트의 높이 h1～h4에 의해 공진주파수와 품질계수 등을 최적화 할 수 있다.
V는 캐비티의 부피이고, A는 캐비티의 표면적이며, S는 표면깊이(skin depth)를 나타낸다. 제안된 공진기는 도체벽을 제거하였기 때문에, 캐비티의 중앙에 4개의 공진포스트가 공유할 수 있는 등가공진 공간(V)이 증가하고 캐비티의 표면적(A)이 감소하게 되어 일반 동축 공동 공진기를 이용한 여파기보다 높은 무부하 품질계수를 가진다. 등가 공진 공간은 캐비티와 공진기의 치수에 따라 결정될 수 있으며, 모드 1의 경우, 각 포스트의 자계의 방향이 모두 동일하기 때문에, 인접한 포스트가 공유하는 등가 공진 공간이 가장 넓기 때문에 가장 높은 품질계수를 나타낸다.
본 논문에서는 새로운 변형된 Γ 또는 곡선형 quadruplet 공진기를 이용하여 4-/8-pole 대역통과 여파기를 설계하였다. 제안된 공진기는 일반동축 공동 공진기보다 15 % 이상의 향상된 품질계수를 가질 수 있으며, 이를 이용하여 동일한 성능을 가진 일반 여파기 대비 35 % 이상의 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 조절 가능한 다수의 전송영점을 통해 차단대역의 감쇄특성이 향상되었으며, 그 위치에 따라 다양한 주파수 응답을 가질 수 있음을 보였다.
제안된 공진기의 4개의 공진모드는 가상 내벽에 의한 경계조건에 따라 각각 상이한 등가 공간(equivalent reso- nant space)을 가지는 특징이 있다. 따라서 각 모드의 축적된 에너지가 서로 다르며, 무부하 품질계수도 서로 다른 값을 가진다.
일반적인 동축 공동 공진기와 다르게 결합 윈도우(coupling window)가 존재하지 않기 때문에, 특정한 캐비티 내에서 공간효율이 증가하여 일반동축 공동 공진기의 품질계수보다 약 15 % 이상 향상된다. 즉, 동일한 품질계수를 기준으로 일반 동축 공동 공진기를 이용한 대역통과 여파기보다 약 35 % 이상의 소형화가 가능하다. 제안된 공진기는 4개의 포스트 사이에 전계와 자계결합이 혼재되어 존재하며, 순차결합뿐만 아니라, 인접하지 않은 공진기 간 교차결합, 입·출력 교차결합을 통해 조절 가능한 4개의 전송영점을 형성된다.
후속연구
또한, 조절 가능한 다수의 전송영점을 통해 차단대역의 감쇄특성이 향상되었으며, 그 위치에 따라 다양한 주파수 응답을 가질 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안한 공진기와 여파기의 설계법은 소형화가 요구되는 무선 이동통신 기지국 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 이동통신 시스템에서 가장 큰 부피를 차지하는 것은 무엇인가?
무선 이동통신 시스템에서 가장 큰 부피를 차지하는 여파기의 경우, 소형화에 대한 요구가 끊임없이 제기된다. 최근 연구결과에 따르면 기지국용 여파기의 소형화를 달성하기 위해 높은 상대 유전율을 가지는 유전체를 이용하거나[1],[2], 이중모드 또는 다중모드를 가지는 공진기를 이용하여 여파기를 설계할 수 있다[3],[4].
무선 이동통신 기지국 장비 여파기에 가장 많이 적용되어온 기술은 무엇인가?
무선 이동통신 기지국 장비 여파기에 가장 많이 적용되어온 기술은 동축 공동 공진기(coaxial cavity resonator)를 이용한 콤라인(combline) 구조의 여파기이다. 비교적 소형화된 크기, 용이한 설계법, 낮은 제작비용의 장점을 가지면서도 상대적으로 높은 품질계수를 가지기 때문에, 1980년대 이후부터 많은 연구들이 진행되어 왔다[5]～[11].
각 모드의 축적된 에너지가 서로 다르며, 무부하 품질계수도 서로 다른 값을 가지는 이유는?
제안된 공진기의 4개의 공진모드는 가상 내벽에 의한 경계조건에 따라 각각 상이한 등가 공간(equivalent reso- nant space)을 가지는 특징이 있다. 따라서 각 모드의 축적된 에너지가 서로 다르며, 무부하 품질계수도 서로 다른 값을 가진다.
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