바랙터 다이오드를 이용한 주파수 가변 결함 마이크로스트립 구조 공진기

Ⅰ. 서 론

공진기는 특정 주파수를 갖는 신호를 통과시키거나 제거하는 특성이 있다. 이러한 특성을 이용하여 초고주파 회로에서는 불필요한 신호를 제거하거나 특정 신호만의 선택도를 높이기 위해 사용된다. 공진기의 종류 중 마이크로스트립 공진기는 집중 정수 소자를 이용하지 않고 전송선로의 분산 소자를 이용한 공진기로 다양한 형상으로 설계될 수 있으며 평면 구조이기 때문에 인쇄 회로 기판 기술을 이용하여 양산이 가능한 장점이 있지만 분산 소자를 이용하기 때문에 다른 공진기들에 비해 크기가 커지는 점과 Q 값이 낮아 위상 잡음 특성이 나쁘다는 단점이 있다. 이에 따라 마이크로스트립 공진기는 회로의 크기를 줄이기 위한 소형화 연구와 Q 값을 높여 주파수 선택도를 높이는 연구가 진행되어왔다[1]-[4]. 앞서 연구된 마이크로스트립 공진기의 종류는 분리형 링 공진기(SRR, Split Ring Resonator)와 결함 마이크로스트립 구조(DMS, Defected Microstrip Structure)가 있다[5]-[7]. SRR은 기존의 마이크로스트립 공진기보다 높은 결합 계수로 큰 Q값을 얻을 수 있다. 하지만 마이크로스트립 선로의 옆에 링 공진기를 추가시킨 구조를 가지고 있어 회로의 크기가 커지는 단점이 있다. 이와 다르게 DMS는 마이크로스트립 선로를 결함 구조로 에칭한 형태이다. DMS는 결함 구조로 인해 발생하는 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분을 이용하여 공진을 발생시키는 것으로 공진 주파수를 변경하고 싶으면 결함 구조를 다시 설계해야하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 공진기에 부가적인 요소를 추가하여 공진 주파수를 변경하는 연구가 진행되고 있다[8]-[11].

본 논문에서는 DMS의 결함 구조에 역방향 바이어스에 따라 커패시턴스 값이 변화되는 바랙터 다이오드를 추가하였을 때 바이어스 전압에 따라 DMSR의 공진 주파수가 변화하는 동작 특성을 등가 회로를 통해 분석하고, 바랙터 다이오드를 DMSR에 실장하여 공진 주파수를 가변하는 회로에 대한 실험 결과를 기술하였다. Ⅱ장에서는 기본적인 T형 DMSR의 동작 특성을 기술하였다. 특히 T형 DMSR의 갭 커패시턴스의 변화에 따른 공진 주파수 시뮬레이션 결과를 기술하였다. 이를 바탕으로 Ⅲ장에서는 DMSR에 바랙터 다이오드를 실장하여 공진 주파수를 제어하는 방안을 제안하고, 시뮬레이션 결과 및 실제 제작된 DMSR의 실험 결과를 동작 특성을 확인하였으며, Ⅳ장에 결론을 기술하였다.

Ⅱ. T형 DMSR 설계

T형 DMSR의 기본 구조는 그림 1(a)에 나타낸 것과 같이 마이크로스트립 선로에 T형 슬롯을 에칭한 형태를 가지며, 이에 따른 T형 DMSR의 등가 회로를 그림 1(b)에 도식화하였다. 일반적인 마이크로스트립 선로에서 나타나는 인덕턴스, 커패시턴스와 달리 T형 DMSR에서는 에칭된 슬롯에 의해서 2개의 얇은 선폭으로 나타나므로 이를 갭 부분 길이에 나타나는 인덕턴스 L₁과 나머지 선로 길이에 대한 인덕턴스 L₂로 나타내었다.

Fig. 1.

Configuration and equivalent circuit of the conventional T-shape DMSR

C_d 와 C_g는 결함 구조에 의해 분리된 마이크로스트립 선로 간에 생성된 커패시턴스이며, C_s는 마이크로스트립 라인과 접지면 사이에 발생하는 커패시턴스를 나타낸다. 등가 회로의 정확도를 높이기 위해 갭 양쪽의 슬롯 길이를 절반으로 나누고, 그 길이에 대한 인덕턴스, 커패시턴스로 L₂, C_d, C_s를 나타내었다. 제안된 등가 회로 분석을 위하여 공진 주파수가 2.45GHz인 T-자형 DMSR를 설계하였으며, ANSYS사의 ANSYS Electronics Desktop을 이용하여 EM 시뮬레이션 결과를 확인하였다. 이때 사용한 기판은 Taconic 사의 상대유전율 3.5이며 기판 두께가 0.762mm인 RF-35 기판을 사용하였다. 마이크로스트립 선로의 선폭은 50Ω인 1.684mm를 사용하였으며, 결함 구조의 주 결함 길이 l_s는 39.75mm, 주 결함의 폭 w_s는 0.5613mm, 결함 구조의 갭 g는 1mm로 설정하였다. 등가 회로 파라미터는 Circuit 시뮬레이션을 통해 최적화하여 진행하였으며 시뮬레이션 결과는 그림 2에 나타내었다. 시뮬레이션 결과 공진 주파수는 EM 시뮬레이션에서 2.45GHz, Circuit 시뮬레이션에서 2.44GHz로 거의 일치하여 등가 회로가 적절하게 제시된 것을 확인할 수 있다. 기본적인 T-자형 DMSR의 공진 주파수는 결함 구조의 커패시턴스 C_g에 의해 결정된다. C_g의 값이 커질수록 공진 주파수가 작아지게 되며, 이에 의한 영향을 확인하기 위하여 C_g 값을 변화시키며, 공진주파수 변화에 대한 시뮬레이션을 진행하여 그림 3에 나타내었다. C_g 값을 0.5pF~2.5pF까지 변화시켰을 때 공진 주파수는 1.26GHz ~ 0.62GHz로 변하며 커패시터의 크기가 커질수록 공진 주파수가 낮아지는 특성을 확인하였다.

Fig. 2.

Simulated results of the basic T-shape DMSR

Fig. 3.

Simulation results of the resonant frequency according to the gap capacitance Cg

Ⅲ. 바랙터 다이오드를 적용한 주파수 가변형 T-shape DMSR 설계 및 구현결과

T-자형 DMSR의 갭의 커패시턴스에 따라 공진 주파수가 변하는 특성을 이용하여 주파수 재구성 특성을 갖는 DSMR 구조를 그림 4와 같이 제안하였다. 제안한 구조는 기본적인 T-자형 DMSR의 갭 사이에 가변 커패시턴스를 형성시킬 수 있는 바랙터 다이오드를 실장하는 형태를 갖는다. 바랙터 다이오드는 역방향 바이어스의 크기에 따라 커패시턴스 값이 변화하므로 제안된 DMSR의 공진주파수를 제어할 수 있게 된다. 바랙터 다이오드에 역방향 바이어스를 인가하기 위하여 DC coupling이 필요하므로 T-자형 DMSR에 폭이 g인 갭을 추가로 삽입하고, 그 위에 커패시터 C_a를 실장하였다.

Fig. 4.

Configuration of the proposed frequency variable DMSR

C_a를 포함하는 주파수 가변형 DMSR의 등가 회로를 그림 5에 나타내었다. DMSR의 갭 위에 실장되는 바랙터 다이오드의 등가 회로는 역방향 커패시턴스 C_T와 인덕턴스 L_s로 모델링하였다. 바랙터 다이오드를 포함하여 제안된 DMSR의 주파수 가변 특성을 확인하기 위하여 2.45GHz 대역에서 공진하는 DMSR을 설계하였다. Taconic사의 상대유전율이 3.5이며 두께가 0.762mm인 RF-35 기판을 사용하였으며, 마이크로스트립 선로의 50옴 선폭 W₀는 1.684mm를 나타낸다. 공진 주파수 제어를 위해 실장되는 바랙터 다이오드로는 역방향 바이어스가 0V~4V 범위에서 변화될 때, 커패시턴스 값이 0.794~2.35pF으로 나타나는 Skyworks사의 SMV1231을 사용하였다. 바랙터 다이오드의 역방향 바이어스를 인가하기 위해 추가한 갭 g는 1mm, 갭 위의 DC coupling 커패시터 C_a의 크기는 0.5pF으로 설정하였다. C_a의 실장에 따른 공진 주파수 변화를 반영하여 DMSR에 에칭된 결함의 길이 l_s는 11.90mm, 주 결함의 폭 w_s는 0.5613mm로 설정하였다.

Fig. 5.

Equivalent circuit of the proposed frequency variable DMSR

제안된 DMSR의 등가 회로의 파라미터는 슬롯이 인가된 마이크로스트립 선로의 선폭과 길이에 의해 얻어지는 인덕턴스, 커패시턴스값으로부터 시뮬레이션을 통해 최적화하였으며, 그 결과값은 표 1에 나타내었다.

Table 1.

Equivalent circuit parameters of the proposed frequency variable DMSR

제안된 DMSR의 구조에 대한 EM 시뮬레이션과 등가 회로에 대한 Circuit 시뮬레이션 결과를 그림 6에 나타내었으며, 그림 6(a), 6(b)에 나타낸 것과 같이 EM 시뮬레이션 및 Circuit 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 알 수 있다. 바랙터 다이오드에 의한 커패시턴스 C_T 변화에 따른 공진주파수 변화는 그림 7에 나타낸 것과 같으며, C_T를 0.794~2.35 pF로 변화시켰을 때, 제안된 DMSR의 공진 주파수는 2.42GHz ~ 2.82GHz까지 변화하는 것을 알 수 있다.

Fig. 6.

Simulation result of the proposed frequency variable DMSR

Fig. 7.

Simulatedr resonant frequency of the proposed DSMR with respect to the CT

설계 결과를 바탕으로 그림 8과 같이 DMSR을 제작하였다. 제작된 DMSR에는 공진 주파수 제어를 위한 전압을 인가하기 위하여 에칭된 결함 구조의 양 쪽에 바이어스 회로가 추가되었다.

Fig. 8.

Photo of the proposed DMSR

제작된 회로의 측정 결과는 그림 9에 나타내었으며, 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스의 크기 V_r을 0V~4V까지 0.5V 단위로 변화시켰을 때, DMSR의 공진 주파수가 2.40GHz~2.82GHz에서 변화하는 것으로 나타났으며, 이는 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 다만, 시뮬레이션 결과와 달리 다이오드에 존재하는 기생저항 성분에 의해 주파수가 올라갈수록 공진기의 특성이 저하되는 것으로 보인다.

Fig. 9.

Measurement results of the proposed DMSR

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 공진 주파수가 가변되는 특성을 갖는 T형 DMSR의 구조를 제안하였다. 제안된 DMSR은 기본적인 T형 DMSR의 결함 구조 위에 바랙터 다이오드를 실장한 형태를 갖는다. 바랙터 다이오드는 인가된 역방향 바이어스 전압에 의해 커패시턴스가 변화하는 특성을 가진다. T형 DMSR은 결함 구조의 갭 커패시턴스에 의해 공진 주파수가 결정되므로 제안한 DMSR은 결함 구조의 갭 위에 실장된 바랙터 다이오드에 인가된 전압을 제어함으로써 공진 주파수가 변화하는 특성을 갖게 된다. 제안한 주파수 가변형 DMSR을 제작하여 역방향 바이어스의 크기를 0V부터 4V까지 변화시키며 측정한 결과 공진 주파수가 2.42GHz에서 2.82GHz까지 변화하는 것을 확인하였으며, 이러한 특성을 이용하여 광대역 RF/Microwave 시스템의 필터나 발진기 설계에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 2023년도 호서대학교의 재원으로 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임(2023-0482)

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