Compact Triple-Mode Bandpass Filter Using a Cylindrical Dielectric Resonator

ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

원통형 삼중모드 유전체 공진기를 이용한 대역 통과 여파기의 설계

Compact Triple-Mode Bandpass Filter Using a Cylindrical Dielectric Resonator

장건호․박남신․김병철․이돈용․원정희․왕욱광

Geon-Ho Jang․Nam-Shin Park․Byung-Chul Kim․Don-Yong Lee․Jung-Hee Won․Xu-Guang Wang 요 약

본 논문에서는 삼중 TE 01δ 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 통과 여파기의 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

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 01δ 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.

Key words: Triple-Mode, Dielectric Resonator, Filter, Miniaturization



「본 연구는 산업통상자원부 우수기술연구센터(ATC) 사업의 연구비 지원으로 수행되었음(10035960).」

(주)케이엠더블유 통신연구소(R&D Center, KMW Inc.)

․Manuscript received September 24, 2014 ; Revised November 4, 2014 ; Accepted December 22, 2014. (ID No. 20140924-03S)

․Corresponding Author: Geon-Ho Jang (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

일반적으로 낮은 삽입 손실, 높은 감쇄 특성, 높은 인 가 전력의 고성능이 요구되는 무선 이동통신 시스템에 적용되는 여파기의 경우, 높은 무부하 품질계수(Qu: Un- loaded Q-factor)를 가지는 단일 TE 모드 또는 TM 모드 유 전체 공진기(DR: Dielectric Resonator)를 주로 사용하고

있다

^[1],[2]

그 크기가 커지고, 무거워지며, 비싸지는 단점이 있기 때 문에 동축 공동 공진기(Coaxial cavity resonator)와 함께 선 택적으로 사용되거나, 혼용하여 여파기를 설계해야 한다.

특히, 최근의 무선 이동통신 시스템용 BTS(Base Trans- ceiver Station)는 RRH(Remote Radio Head)와 BBU(Base Band Unit) 형태로 변화하여 옥외에 설치되기 때문에 고 성능을 가지는 기지국 장비에서 가장 크기가 크고, 무거 운 부품에 해당하는 여파기에 대한 소형화 및 경량화가

절실히 요구되고 있다

^[3]

^[4]～[7]

기존의 다중 모드 공진기를 이용한 여파기의 경우, 도 파관 구조와 DR을 이용한 구조가 있다. 도파관의 이중 또는 삼중 모드 여파기는 그 형태와 크기에 따라 공진 모 드 및 주파수를 결정하고, 아이리스(iris)와 튜닝스크류(tu- ning screw)를 이용하여 모드 간의 결합을 유도한다

^[4],[5]

^[6],[7]

^[8]

본 논문에서는 높은 Qu와 삼중 TE

^01δ

Ⅱ. 원통형 삼중 TE

^01δ

그림 1. 제안된 원통형 유전체 공진기

Fig. 1. Proposed triple mode cylindrical dielectric resonator.

표 1. 원통형 유전체 공진기의 치수

Table 1. Dimensions of the proposed cylindrical DR.

변수 DR_r DR_h Px=Ph Su_h Su_r1 Su_r2 치수(mm) ^{23.3 47.06 4×DR_r 23.3 15.53 10.53}

30～50 가량의 비교적 높은 상대유전율(ε

^r

^[9],[10]

^01δ

^[10],[11]

그림 1은 제안된 삼중 TE

^01δ

캐비티 내부에 세라믹 DR(

^      

^  _    

^[12]

실제 DR의 구조는 간단하더라도 정확한 Maxwell 방정 식의 해를 구해 모드분석 및 공진주파수를 예측하기는 매우 어렵다. 따라서 아래의 간단한 근사공식을 사용하여 차폐된 DR의 공진주파수를 계산하는 것이 효율적이다

^[10]

(a) TE 01δ x

(b) TE 01δ z

(c) TE 01δ y 그림 2. 삼중 TE 01δ 모드의 전계 분포

Fig. 2. E-field distribution of triple TE 01δ mode.

 _ G Hz    D R _ r  ^{ } r

  ^{ D R}  h D R _ r

  

단,

 ≤ 

 



_ 

     _  

그림 3(a)와 같이, HFSS의 Eigen-mode 시뮬레이션 결과

20 22 24 26

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

R es o n a n t fr eq u en cy (G H z)

DR_r(mm)

TE01dz TE01dx TE01dy Cal.(Coeff.=3.45) Cal.(Coeff.=3.58)

22.995 23.000 23.005 0.8984

0.8988 0.8992

(a) 공진주파수 (a) Resonant frequency

0.490 0.495 0.500 0.505 0.510 0.97

0.98 0.99 1.00

M o d e S ep a ra ti o n

DR_r/DR_h

F1/F2 F2/F2 F3/F2

1.01

(b) 모드 분리 특성

(b) Mode separation characteristic 그림 3. 공진 모드

Fig. 3. Resonant mode.

와 식 (1)에 따른 공진주파수를 비교해 보면 매우 유사한 결과를 얻을 수 있다. DR의 반경-높이 비율은 0.5로 설정 하였고, 알루미나 서포트는 캐비티의 1/3의 직경을 가지 며, DR이 캐비티의 중앙에 위치하도록 조정하였다.

수식의 3.45인 상수 값을 3.58로 변경하면 더 정확한 예 측이 가능하며 TE

^01δ

^01δ

^01δ

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, F3 는 Eigen-mode 시뮬레이션 결과에서 가장 높은 주파수, 중간주파수, 가장 낮은 주파수를 나타낸다. 그리고 모드 분리 특성은 이후 설명될 전송 영점의 생성에도 관여한다.

2-2 매질 특성

DR의 가장 큰 장점 중 하나는 매우 큰 Qu값을 가지는 것이다. 이는 DR을 제작하는 파우더의 성분 및 고유 성 질에 따라 달라질 뿐만 아니라, 금속 튜닝 스크류, 결합 구조, 노치(notch) 등, 구조나 가공에 의해서 급격하게 변 화되기 때문에 Qu의 손실이 적도록 설계되어야 한다. 또, 다른 DR의 중요 특성은 온도계수이다. 이동통신 기지국 또는 군․위성통신용 시스템의 경우, 높은 전력을 사용하 기 때문에 장비의 온도가 높아지며, 설치 지역에 따라서 온도변화를 겪게 될 경우, DR은 그 변화에 의해 공진 주 파수 및 Qu에 영향을 받으므로, 캐비티와 DR의 열팽창에 의한 온도계수의 최적화가 반드시 모색되어야 한다

^[9]

Ⅲ. 대역 통과 여파기의 설계

그림 4는 제안하는 대역 통과 여파기의 등가회로이며, 삼중 TE

^01δ

출력 외부결합(external quality factor) 및 모드 간 순차결

그림 4. 제안된 여파기의 등가회로 Fig. 4. Equivalent circuit of proposed filter.

표 2. 900 MHz 대역 설계 목표치 Table 2. Specification.

구분 성능 목표치

대역 885.5～889.7 MHz

삽입 손실 0.55 dB Max.

반사 손실 15 dB Min.

전송 영점 890.3 MHz(guardband: 600 kHz), Attenuation: 10 dB

합(in-line coupling)은 자계 결합으로 구현되며, 결합 구조 에 의한 TE

^01δ

^01δ

제안된 대역 통과 여파기의 설계 목표치는 표 2와 같 다. 중심주파수가 887.6 MHz이므로 식 (1)과 그림 3에 의 해 23.3 mm의 DR 반경을 계산할 수 있다. 또한, 4.2 MHz 의 대역폭을 가지기 위해서는 1.0047의 모드분리 값을 가 지므로 DR의 반경-높이 비율은 약 0.495이며, 47.06 mm 로 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 결과 는 884.92 MHz, 884.97 MHz, 885.99 MHz로 약 2 MHz 하 향 조정된다.

3-1 결합 구조

입․출력 외부 결합 구조는 그림 5(a)와 같이 접지된 포스트(shorted metallic post)를 이용하여 자계결합을 유도 한다. 개방스터브의 전계결합 설계도 가능하지만, BTS의 FEU로 사용될 경우, 높은 전력을 인가했을 때 열 배출특 성을 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. 그림 5(b)와 같이 포스트의 직 경이 넓을수록, 높이가 높을수록 결합은 강해진다.

(a) 구조 (a) Geometry

30 35 40 45 50 55 60 65

50 100 150 200 250 300

E x te rn a l q u a li ty f a ct o r( Q e)

In/output coupling post height[mm]

Rp=5mm Rp=5.5mm Rp=6mm

(b) 외부결합 특성

(b) External coupling coefficient 그림 5. 입․출력 결합

Fig. 5. Input and output coupling structure.

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. 제안된 결합 구조는 구조가 매우 간단하고, 캐비티 와 함께 CNC 공정 및 금형 제작이 가능하기 때문에 양산 성이 극대화될 수 있다. 결합도는 블록의 위치(P), 넓이 (W)와 높이(H)에 의해 결정할 수 있으며, 블록이 가까울 수록, 넓고 높을수록 강한 결합이 형성된다.

3-2 구현

단일 모드 공진기간의 결합계수 추출은 결합 구조의 물리적 치수 변화에 따른 공진주파수 차이를 이용하여

그림 6. 새로운 순차 및 교차 결합을 위한 구조

Fig. 6. Novel coupling structure for in-line and cross cou- pling.

표 3. 제안된 대역 통과 여파기의 치수

Table 3. The dimension of the proposed bandapss filter.

변수 Hp Rp d P W H FB_w FB_h

치수(mm) ^{52 5.5 7.2 20 9 14 11 7}

쉽게 계산이 가능하다

^[13]

그림 7(a)는 제안된 대역 통과 여파기의 기본 구조이다.

입․출력 교차 결합 및 TE

^01δ

^01δ

설계 목표치와 전송 영점의 위치정보를 통해 N개의 전 송 영점을 가지는 결합행렬

^[14],[15]



_ 

 

_

_

_



  ^

 

     

      

    

      

     

그림 7(b)와 같은 최적화를 위한 반복과정을 통해 결합 행렬에 의한 주파수 응답과 매우 일치하는 모의시험 결

(a) 구조 (a) Geometry

870 875 880 885 890 895 900 -100

-80 -60 -40 -20 0

T ra n sm is si o n c o ef fi ci en t( d B )

Frequency(MHz)

H=12.9mm H=13mm H=13.5mm H=13.8mm

-50 -40 -30 -20 -10 0

R ef le ct io n c o ef fi ci en t( d B )

(b) 모의실험 결과

(b) Frequency response when H varies

870 880 890 900

-100 -80 -60 -40 -20 0

S -p a ra m et er (d B )

Frequency(GHz)

CM S11 CM S21 EM S11 EM S21

(c) 결합 구조에 의한 주파수 특성

(c) Comparison of coupling matrix and EM simulated results 그림 7. 제안된 여파기

Fig. 7. Proposed BPF.

과를 얻을 수 있다.

다음은 기본 여파기 구조에 또 다른 결합 구조를 추가 하여 설계 목표치의 감쇄 특성을을 만족하도록 전송 영 점의 위치를 제어한다.

통과대역보다 높은 차단대역에 전송 영점을 위치하기 위해서는 TE

^01δ

^01δ



_ 

 

_

_

_



  ^

 

     

    

     

    

     

3-3 튜닝

기존 다중 모드 DR 여파기의 튜닝방법과는 달리 캐비 티 내부에 특정 결합 구조를 이용하기 때문에 제작 후 튜 닝공정을 최소화할 수 있으며, 여파기의 윗면 커버의 스 크류만으로도 튜닝이 가능하다. 튜닝은 금속 스크류, 캐 비티 내의 공중에 띄워진 금속 디스크(metallic disk) 및 DR 디스크(DR_ε

^r

커버의 중앙에 위치한 튜닝부품 종류에 따른 공진 모 드의 추세는 금속 디스크를 이용하는 경우, 그 위치가 DR과

(a) 구조 (a) Geometry

840 850 860 870 880 890 900 -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

T ra n sm is si o n c o ef fi ci en t( d B )

Frequency(MHz)

CP_h=4mm CP_h=14mm CP_h=24mm CP_h=34mm CP_h=44mm

(b) CP_h 에 따른 전송 영점 이동

(b) The change of transmission zeros when the CP_h varies

840 850 860 870 880 890 900 -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

S -p a ra m et er (d B )

Frequency(MHz)

CM S11 CM S21 EM S11 EM S21

(c) 모의실험 결과

(c) Comparison of coupling matrix and EM simulation 그림 8. 전송 영점의 이동

Fig. 8. Proposed novel inter/cross coupling structure.

(a) 제작된 여파기 (a) Fabricated BPF

(b) 측정된 주파수 응답 (b) Measured frequency response 그림 9. 제작 및 측정 결과

Fig. 9. Fabrication and measured results.

가까워짐에 따라 TE

^01δ

^01δ

01δ

y 모드를 컨트롤 할 수 있지만, 그 범위가 매우 좁다. 주 파수는 하향 이동 특성을 보이며, Qu 저하가 거의 없다.

튜닝시 DR은 비교적 비싸기 때문에 금속 스크류 및 디스 크와 적절하게 혼용되어야 한다.

Ⅳ. 제작 및 측정

그림 9는 제작된 여파기와 그 특성이다. 캐비티 및 금 속 결합 구조는 알루미늄으로 제작되었고, DR 및 알루미 나 서포트는 KMW사에서 자체 제작되었으며, 측정은 Agilent사의 VNA E5071B를 사용하였다. DR의 고유 특성 을 확인하기 위해 지그(JIG) 테스트를 한 결과, 분리된 3 개의 모드가 형성되며, loaded Q값은 24000 가량임을 확 인하였다. 주파수 응답특성 측정 결과는 통과대역과 매우 인접한 600 kHz 가량 높은 차단 주파수에 형성된 전송 영 점에도 불구하고, 0.44 dB의 우수한 삽입 손실을 얻었으 며, 반사계수는 15 dB, 차단대역의 감쇄 특성은 10 dB 이 상을 나타내었다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 삼중 TE

^01δ

CNC 공정에 유리한 간단한 결합 구조의 제안을 통해 제 작과 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.

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장 건 호

2009 년 2월: 인천대학교 정보통신공학과 ( 공학사)

2011 년 2월: 인천대학교 정보통신공학과 ( 공학석사)

2011년 11월～현재: (주)케이엠더블유 통 신연구소 선임연구원

[주 관심분야] RF/초고주파 회로설계, 안 테나, Metamaterials

박 남 신

1994년 2월: 순천향대학교 전자공학과 (공 학사)

2013년 2월: 서강대학교 기술경영전문대 학원 (기술경영학석사)

1993년 8월～현재: (주)케이엠더블유 통신 연구소 그룹장 (상무이사)

[주 관심분야] RF/ 초고주파 시스템 및 수 동소자, 세라믹소재

김 병 철

1992년 2월: 서울시립대학교 전자공학과 (공학사)

2014년 2월: 서강대학교 기술경영전문대 학원 (기술경영학석사)

1997 년 2월～현재: (주)케이엠더블유 통신 연구소 수석연구원

[주 관심분야] RF/ 초고주파 수동소자

이 돈 용

1998 년 2월: 서울산업대학교(現 서울과학 기술대학교) 전자공학과 (공학사) 2013년 2월～현재 : 서강대학교 기술경영

전문대학원 석사과정

1997년 2월～현재: (주)케이엠더블유 통신 연구소 수석연구원

[주 관심분야] RF/초고주파 수동소자

원 정 희

2000년 2월: 금오공과대학교 전자공학과 (공학사)

2014년 2월～현재 : 서강대학교 기술경영 전문대학원 석사과정

2000년 2월～현재: (주)케이엠더블유 통신 연구소 수석연구원

[주 관심분야] RF/ 초고주파 수동소자

왕 욱 광

2006년 8월: 중국 Qingdao University 전자 공학과 (공학사)

2008년 8월: 한국해양대학교 전자공학과 (공학석사)

2013 년 8월 : 서강대학교 전자공학과 (공 학박사)

2013 년 10월～현재: (주)케이엠더블유 통 신연구소 선임연구원

[주 관심분야] RF/초고주파 필터 및 수동/능동회로 설계