사각 분리형 링 공진기의 마이크로파 전송선로 특성 연구
김 기 래*
A Study on Characteristics of Microwave Transmission Line of Rectangular Split Ring Resonator
Girae Kim*
요 약
본 논문에서는 사각 분리형 링 공진기를 기본으로 하는 새로운 노치형 공진기를 제안한다. 이 공진기와 마이크로 스트립 선로가 결합된 R-SRR구조에 대해 전기적인 특성을 시뮬레이션과 측정 결과를 비교하여 나타내었다. 제안된 구조의 공진 특성으로 부터 등가회로를 나타내었고, 공진기의 구조에서 셀의 간격, 셀 사이즈, 셀의 개수 등의 변화에 대한 공진기의 공진 특성의 변화를 나타내었다. 구조적 변수 중에서 셀의 크기 요소가 공진 주파수의 가장 큰 변화 요인이다. 본 연구의 결과는 주파수 가변 대역통과 필터 설계 및 전압 제어 발진기 등의 설계에 활용할 수 있다.
ABSTRACT
In this paper, a novel notch resonator is proposed based on Rectanglar Split Ring Resonator (R-RSS) element. We represented the electrical characteristics for R-SRR elements coupled with microstrip line, and measured result is compared with electromagnetic simulation (HFSS) result.
We also solved equivalent circuit for R-SRR element, and also discussed influences of change structural parameters of R-SRR. the size of R-SRR is the most important parameters for frequency tuning. Also we can make tunable resonator fom the basic structure. This novel resonator can apply to design of tunable bandpass filter and voltage control oscillator.
keywords : Metamaterials, Notch resonator, Rectangular Spilt Ring Resonaator(R-SRR), Tunable Filter, HFSS
* 교신저자 신라대학교 전자공학과 ([email protected])
접수일자：2010년 4월 30일, 수정일자 : 2010년 5월 14일, 심사완료일자：2010년 5월 14일
I. 서 론
현대의 무선 통신 시스템에서 대역저지 필터는 하모닉 성분 제어를 통한 전자회로의 안정성 확보 를 위해 필수적이다. 대역 저지 필터 설계를 위해 서는 공진기의 특성이 매우 중요하다. 공진기는 필 터, 발진기, 커플러 및 안테나를 포함하여 많은 회
로 구성 요소에서 기본 소자를 형성한다. 최근에 Metamaterial에 대해 관심이 급증하고 있다. 본 논 문에서, 분리형 링 공진기(R-SRR)소자에 근거를 두고 개발한 노치 마이크로스트립 공진기를 제시 한다. 그림 1과 2는 메타물질 구조로 제안된 분리 형 링 공진기[1]의 기본구조와 그것의 등가회로를 나타낸다. 그림3은 그림1의 분리형 링 공진기의 보
완된 구조로 결함 접지면 구조(DGS)로 된 것이다 [2]. 이와 같은 공진기는 다른 마이크로 스트립 공 진기에 비해 Q 특성이 양호하고, 사이즈가 적기 때문에 회로의 소형화 설계가 가능한 장점이 있다 [4].
그림 1. 분리형 링 공진기 셀 (SRR 셀) Fig.1 Split Ring Resonator Cell (SRR cell)
그림 2. SRR 셀의 등가 회로 Fig. 2 Equivalent Model of SRR
그림 3. 보완된 분리형 링 공진기 셀 (CSRR 셀) Fig. 3 Complementary SRR Cell (CSRR Cell)
그림 4. CSRR 셀의 등가 회로 Fig. 4 Equivalent Model of CSRR
R-SRR(Rectangular Split Ring Resonator) 공 진기의 특성을 나타내기 위해 그림 5와 같이 마이 크로스트립 선로와 SRR을 근접하게 하여 전기적 인 결합을 시켰다. 이것의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교 하였다. 시뮬레이션 결과는 HFSS와 ADS를 사용하였고, 측정 결과는 Anritsu MS4644A network analyzer를 사용하였다. 시뮬레 이션 결과 및 측정 결과가 일치함을 확인하였다.
본 논문에서는 공진 특성에 영향을 주는 셀 파라 미터에 대해 논의 하였다. 마이크로 스트립 선로와 SRR 셀 사이, SRR 셀 과의 간격, 셀의 크기, 셀의 수(셀을 포함한 폭)에 대한 공진 특성의 결과를 나 타내었다. 구조적 변수 중에서 셀의 크기 요소가 공진 주파수의 가장 큰 변화 요인이다. 선로와 셀 사이의 간격 (s)을 변화 시킬 때 공진 특성은 간격 이 좁으면 결합이 강해져서 공진 특성의 영향이 커지므로 삽입 손실이 크게 나타나고 주파수는 낮 아짐을 날 수 있었다. 본 논문에서 제시한 이 공진 기는 발진기와 대역통과 필터에서 사용될 수 있다.
Ⅱ. R-SRR 셀의 구조 및 특성
그림 5. 제안된 R-SRR의 구조 Fig. 5 Proposed R-SRR Structure
그림 6. R-SRR 샘플 PCB 사진 Fig. 6 Photo of R-SRR Sample PCB
(B=50, s=0.2, D=16, g=c=d=1.5, w=2.36 mm Substrate : Rogers 1217 ℰr=2.3, h=31mil)
그림 5는 SRR의 기본 특성을 나타내기 위해 마 이크로 스트립 선로와 결합된 구조를 나타낸다. 그 림 6은 제작한 PCB 샘플 사진이다. 특성을 알아보 기 위한 샘플 구조는 Substrate
=2.3, h=31mil인 Rogers 1217을 사용하였으며 구조의 크기는 B=50, s=0.2, D=16, w=2.36 mm 그리고 g=c=d=1.5mm 이다. 시뮬레이션 결과는 시뮬레이 터 HFSS를 사용하였고, 측정 결과는 Anritsu MS4644A network analyzer를 사용하였다. 그림 7 은 시뮬레이션과 측정 결과를 비교하여 나타내었 다. 그림 7에서 측정 결과는 공진주파수는 2.02GHz 이고, 삽일 손실은 -15dB 이다. 시뮬레 이션 결과와 측정결과는 거의 일치 하는 것을 볼 수 있다.그림 7. R-SRR 공진 특성 Fig. 7 Resonance Characteristic of R-SRR
Ⅲ. R-SRR 공진기의 등가회로
그림 8은 R-SRR의 등가 회로이며, 그림 9 는 R-SRR의 단순화 등가 회로이다. 식(1) 에서 식(5) 는 일반 적인 공진기의 삽입 손실의 공식이다[5].
그림 8. R-SRR의 등가 회로 Fig. 8 Equivalent Circuit of R-SRR
그림 9. R-SRR의 단순화한 등가 회로 Fig. 9 Simplified Equivalent of R-SRR
log
(1)3-dB 대역폭
∆
(2)
∆
(3)
(4)
log
(5)
그림 10. ADS 시뮬레이션을 위한 회로 Fig.10 Circuit for ADS Simulation
그림 10은 R-SRR 등가회로에 대해 ADS 시뮬 레이션을 위한 회로도이다. 그림 11은 HFSS와 ADS를 이용한 시뮬레이션 결과와 샘플을 측정한 공진 특성 결과를 비교하여 나타 내었다. 시뮬레이 션 측정결과와 공진특성 결과에서 같은 특성을 보 여주고 있다.
그림 11. R-SRR의 공진 특성 결과 비교 Fig. 11 Comparison of results for R-SRR
Ⅳ. 구조적 변화에 따른 공진 특성
본 논문에서는 공진 특성에 영향을 주는 셀 파 라미터를 알아보기 위해서 gap의 크기에 따른 공 진 특성에 대해 논의 해보았다. 시뮬레이션은 시뮬 레이터 HFSS와 ADS를 사용하였다. 그림 12는 셀 의 크기에 따른 공진 특성을 보여준다. 셀의 크기 가 커질수록 공진특성에 변화가 크게 나타나는 것 을 확인 할 수 있다. 셀의 크기가 커질수록 주파수 대역은 낮아지는 특성을 확인 할 수 있다. 그림 13 은 셀의 크기 D에 다른 주파수의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 그림 14는 선로와 셀 사이의 간격 (s)을 0.2, 0.5, 0.8mm 로 각각 변화 시킬 때 공진 특성을 나타 낸 것이다. 간격을 좁히면 결합이 강 해져서 공진 특성의 영향이 커지므로 삽입 손실이 크게 나타나고 주파수는 낮아진다.
그림 12. 셀크기(D)에 따른 공진 특성 Fig. 12 Resonance Characteristics for D variation
그림 13. D에 따른 공진 주파수 Fig. 13 Resonance Frequency for D variation
그림 14. gap(s)에 따른 공진 특성 Fig.14 Resonance Characteristics for (s) variation
Ⅳ. 다단 R-SRR 필터
본 논문에서는 셀 수에 따른 공진 특성을 비교 해 보기 위해 시뮬레이터 HFSS를 사용하여 시뮬 레이션 하였다. 그림 15는 기존의 1개의 셀을 사용 하였으며, 그림 16은 2셀 구조이며, 그림 17은 2셀 구조의 샘플 사진이다. 그림 18은 4셀 구조의 R-SRR 이다. 시뮬레이션 결과는 그림 19에서 보 여 지며, 셀 수에 따른 공진주파수는 거의 동일하 다. 셀 수에 따른 공진 주파수의 차이는 최대 10MHz이다. 1개의 셀 공진 주파수는 2.03GHz 이 며, 2개의 셀 공진 주파수는 2.012GHz이다.
그림 15. 1 셀 R-SRR의 구조 Fig.15 Structure of one cell R-SRR
그림 16. 2셀 R-SRR의 구조 Fig.16 Structure of two cell R-SRR
그림 17. 2셀 구조 샘플 PCB 사진 Fig.17 Photo of Sample PCB (2 cell)
그림 18. 4셀 구조 R-SRR Fig.18 Structure of four cell R-SRR
그림 19. 셀수에 따른 공진기 특성 비교 Fig. 19 Characteristics for cell Number
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 분리 간극을 갖는 사각형 링 구 조의 공진기에 대한 대역저지 특성을 나타내고, 공 진기와 마이크로 스트립 선로와의 용량성 결합을 갖는 공진기의 전송특성을 해석 , 측정 하였다. 공 진기의 셀 수와 크기에 따른 필터 특성 변화를 비 교 했다. 본 논문에서 제시한 공진기는 발진기와 대역 여과기 필터에 이용 가능하다.
참 고 문 헌
[1] P. Troughton, “High Q-factor resonator in microstirp,” Electro. Lett., vol. 4, pp.
520-522, 1968.
[2] J. B. Penry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no.11, pp. 2075-2084, 1999.
[3] R. Marqués, F. Mesa, J. Martel, and F.
Medina, “Comparative analysis of edge and broadside couple split ring resonators for metamaterial design. Theory and experi- ment”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol.
51, no. 10, pp.
2572-251, 2003.
[4] C. Cenk, A. Sondas, Y. E. Erdemli, “Tunable split ring resonator microstrip filter Design”, Proc. Medi -terranean Microwave
Symposium, Genova, Italy, 2006.
[5] 김기래, “도넛형 결함접지면 구조를 이용한 주 파수 가변 공진기의 특성 연구”,한국전자정보 통신학회논문집, 제2권 4호. 12, pp.59-64, 2009.
저자약력
김기래 (Kim Girae) 정회원
신라대학교 전자공학과 교수
(한국전자정보통신학회 논문지 제2권4호, 2009. 12 참조)
