Home

일반적으로, 많은 초고주파 회로 또는 시스템에서 사용중인 주파수 대역에서 불필요한 신호를 제거하거나 원하는 신호의 선택도를 높이기 위하여 여러 가지 형태의 공진기를 사용하고 있다. 이러한 공진기들 중 유전체 공진기의 경우 다양한 형상으로 설계가 가능하고 Q값이 높은 장점이 있지만, 공진기 동작 특성상 3차원으로 설계 해야하기 때문에 단일 칩 초고주파 집적회로(MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) 등에 적용하기 어려운 단점이 있다[1]-[3]. 이에 반해 마이크로스트립 공진기는 Q값이 낮아 위상 잡음이 낮은 단점이 있지만, 다양한 형상으로 제작이 가능하며 평면 구조로 설계가 가능해 집적화 회로에 많이 사용되어 왔다[4]-[6].

한편, 마이크로스트립 구조 공진기는 분산 소자로 구현되므로 유전체 공진기 등에 비해 크기가 커지는 단점이 있어 소형화를 하기 위해 많은 연구들이 진행되어 왔으며[7][8], 이러한 방법의 하나로 마이크로스트립 전송선에 결함 구조를 적용한 결함 접지 구조(DGS, Defected Ground Structure)와 결함 마이크로스트립 구조(DMS, Defected Microstrip Structure) 등이 연구되었다[9]-[11]. DGS의 경우 전송선로의 접지면을 에칭한 구조로 접지면의 에칭된 구조에 의해 일반적인 마이크로스트립 전송선에 비해 전파 상수와 특성 임피던스를 증가시키게 되어 동일한 물리적인 길이에서 전기적인 길이가 증가되어 소형화가 가능한 특성을 갖는다. 하지만, 금속 하우징과의 결합시 접지면이 금속 하우징에 바로 접촉될 경우 결함 구조가 동작할 수 없는 문제점이 발생한다.

이와 비교하였을 때, DMS는 접지면이 아닌 마이크로스트립 전송선로 자체에 특정 형태의 결함 구조를 에칭한 구조로서 DGS와 마찬가지로 일반적인 마이크로스트립 전송선에 비해 부가적인 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분을 발생시켜 전송선로의 물리적인 길이를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만, 에칭된 결함 구조의 사이즈에 의해 공진 주파수가 결정되어 소형화에 한계가 있다. 본 논문에서는 DMS의 결함 구조에 lumped element를 추가하였을 때 DMSR의 공진 주파수가 낮아지는 현상을 등가 회로를 통해 분석하고, 이를 이용하여 결함 구조에 커패시터를 적용하여 DMSR을 소형화하는 방안 및 그 실험 결과를 기술하였다. Ⅱ장에서는 일반적인 T-shape DMSR의 동작 원리 및 등가 회로의 시뮬레이션 결과를 나타냈고, Ⅲ장에는 DMSR에 lumped element를 적용하여 소형화하는 방안에 대하여 기술하였다. Ⅳ장에서는 Ⅲ장에서 설계한 것을 토대로 DMSR을 제작 및 측정한 결과를 나타내고, Ⅴ장에 결론을 제시하였다.

일반적인 형태의 T-자형 DMSR에서 결함 구조의 슬롯 폭 g에 의해 발생하는 커패시턴스 C_g값이 커지면 공진 주파수가 낮아지는 그림 3b의 결과를 이용하여 그림 4와 같이 결함 구조의 슬롯 위에 커패시터를 추가한 구조와 그 등가 회로를 제안하였으며, 그림 5에 제안된 T-shape DMSR의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 결함 구조의 길이 l_s를 39.75mm, 슬롯 폭 w_s 및 g는 각각 0.5mm, 1mm로 고정한 상태에서 슬롯 위에 커패시터를 실장할 경우, 추가된 커패시턴스를 0.5 ~ 3.0pF으로 변화시켰을 때 공진 주파수가 0.6 ~ 1.3GHz로 낮아지는 것을 알 수 있다.

Fig. 4. 
Simulated resonant frequency of DMSR with respect to the loaded capacitance

Fig. 5. 
Simulated resonant frequency of DMSR with respect to the loaded capacitance

또한, 0.5pF의 커패시터를 실장하였을 때 결함 구조의 길이를 10 ~ 39.75mm까지 변화시켰을 때, 공진 주파수가 1.25 ~ 2.5GHz로 변하며, 2.1에서 제시한 일반적인 T-shape DMSR과 동일하게 2.45GHz의 공진 주파수를 갖기 위한 결함 구조의 길이가 10.9mm로 줄어드는 것을 알 수 있다.

일반적인 T-shape DMSR과 결함 구조에 커패시터를 적용하여 소형화한 DMSR은 상대유전율 3.5, 두께 0.8mm인 Taconic사의 RF-35 기판을 사용하여 제작하였으며, 제작된 DMSR의 사진을 그림 6에 나타내었다. 마이크로스트립 전송선의 50옴 선폭(W₀)은 1.8mm이며, 일반적인 T-shape DMSR의 결함 구조는 길이 39.75mm, 슬롯 폭 w_s 및 g는 각각 0.5mm와 1mm로 구현하였다.

Fig. 6. 
Photo of the conventional T-shape DMSR and the proposed size reducted T-shape DMSR and the proposed size reducted T-shape DMSR with C_a

소형화된 DMSR의 결함 구조는 일반적인 T-shape DMSR의 결함 구조와 동일한 슬롯 폭을 갖도록 하였고, 길이의 경우 10.9mm로 구현하고, 전송선의 길이 방향에 수직인 슬롯 위에 커패시터를 장착하였다. 일반적인 T-shape DMSR과 소형화된 DMSR의 측정 결과를 그림 7에 나타내었다. 일반적인 T-shape DMSR의 공진 주파수는 2.45GHz로 측정되었으며, 커패시터를 사용하여 소형화된 DSMR은 커패시턴스에 따라 2.2 ~ 2.6GHz에서 공진하는 것으로 나타났다.

Fig. 7. 
Measured results of the proposed size reducted T-shape DMSR with capacitor(C_a)

본 논문에서는 T-shape DMSR의 소형화 방안을 제안하였다. 제안된 DMSR은 일반적인 T-자형 결함 구조의 slot 위에 커패시터를 실장하였을 때 DMSR의 공진 주파수가 낮아지는 특성을 이용하여 T-shape DMSR의 크기를 소형화하였다. 제안한 방법을 적용하여 2.45GHz 대역에서 동작하는 일반적인 T-shape DMSR과 결함 구조에 커패시터를 적용하여 소형화한 DMSR을 제작하여 측정한 결과 일반적인 T-자형 DMSR은 2.45GHz에서 공진하기 위해 결함 구조의 길이로 39.75mm가 필요하였으나, 커패시터를 실장하였을 때는 커패시턴스에 따라 결함 구조의 길이가 줄어들며, 0.5pF를 실장하였을 때 10.9mm 까지 줄일 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.