Design of Waveguide Low Pass Filter using Rectangular Rings and Ridges

http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.1.7

JIIBC 2014-1-2

직사각형 링과 리지 구조를 이용한 도파관 저역통과 여파기 설계

Design of Waveguide Low Pass Filter using Rectangular Rings and Ridges

오택균

, 최학근

, 이형기

Taek-Kyun Oh

, Hak-Keun Choi

, Hyoung-Ki Lee

요 약

본 논문에서는 위성통신 시스템에 사용 가능한 새로운 구조의 도파관 저역통과 여파기를 제안하였다 . 제안 된 저역통과 여파기는 고차모드의 간섭이 없는 광대역 특성과 저지대역에서의 충분한 감쇠 그리고 도파관의 소형화 와 경량화를 위하여 evanescent-mode 리지 구조를 사용하여 설계 하였고 , 도파관 내에 리지를 둘러싸는 직사각형 링 을 삽입하여 반사손실과 격리도를 향상시켰다 . 또한 매칭을 위해 여파기의 입출력 포트 단은 임피던스 스텝 구조를 사용하여 설계하였다 . 제작된 저역통과 여파기는 통과 대역 주파수인 7.25 ~ 8.4 GHz 에서 반사손실이 19.5 dB 이상 , 삽입손실은 1.41 dB 이하로 측정 되었으며 억제 대역 주파수인 12.25 ~ 14.5 GHz 에서의 격리도는 67.2 dB 이상을 만 족하였다 .

Abstract In this paper, a novel waveguide low pass filter for satellite communication is proposed. The proposed low pass filter is designed to obtain wideband characteristics without the interference of higher order modes, sufficient attenuation in the stop-band and small sized lightweight characteristics by evanescent-mode ridge structure. To improve return loss and rejection loss, rectangular ring is inserting around the ridges in the waveguide. Input and output ports of the low pass filter is designed by using the impedance step structure for the impedance matching of the filter. The proposed waveguide low pass filter is fabricated and then measured as return loss over 19.5 dB, insertion loss less than 1.41 dB at the pass-band of 7.25 ~ 8.4 GHz and rejection loss over 67.2 dB at the stop-band of 12.25 ~ 14.5 GHz.

Key Words : Low pass filter, Waveguide filter, Ridge, Evanescent-mode

*

준회원, 단국대학교 전자전기공학과

**

정회원, 단국대학교 전자공학과(교신저자)

***

정회원, (주) 하이게인 안테나

접수일자 2013년 12월 30일, 수정완료 2014년 1월 26일 게재확정일자 2014년 2월 7일

Received: 30 December, 2013 / Revised: 26 January, 2014 Accepted: 7 February, 2014

**

Corresponding Author: [email protected]

Dept. of Electronic Engineering Dankook University, Korea

Ⅰ. 서 론

마이크로파 여파기는 통과대역 내의 주파수를 전송하 고 억제대역 내에서는 감쇠시키는 2-포트 회로망이다

. 위성 통신이나 마이크로파 통신 시스템에서는 송신기와

수신기 사이에서 나타나는 spurious harmonic 성분을 억

제하고 저주파 ripple의 제거 및 각종 검파 등을 위하여

저역통과 여파기를 사용한다

. 이러한 저역통과 여파

기로는 코루게이트 구조나 리지 구조 그리고

evanescent-mode 형태가 주로 사용된다. 코루게이트 여

파기는 

모드를 억제할 수 없다는 단점이 있어서 이를 위하여 코루게이트 구조에 종 방향 슬롯을 더한 Waffle-iron 형태나 임피던스 스텝이 추가된 코루게이트 구조 등 변형된 구조를 사용한 저역통과 여파기가 사용 되기도 한다

. 필터는 등가회로나 영상파라미터(image parameter)에 의해 설계가 가능한데 영상파라미터 (image parameter)에 의한 코루게이트 저역통과 여파기 는 통과대역 내에서 손실특성을 예측할 수 없고, 저지대 역 내에서의 고조파 성분에 대한 충분한 감쇠를 기대 할 수 없다는 단점을 가지고 있다

.

리지드 도파관은 코루게이트 도파관 여파기보다 저지 대역에서 더 좋은 감쇠 특성을 나타낼 수 있으며 낮은 차 단주파수와 임피던스를 가져서 고차모드의 간섭이 없는 광대역 특성을 통한 

와 같은 단일 모드 전달에 용 이하다

.

Evanescent-mode 형태를 가지는 여파기

의 경 우 여파기의 소형화와 경량화가 쉽고 넓은 저지대역을 가지는 이점을 가지고 있다.

본 논문에서는 저지대역 내에서의 충분한 감쇠와 통 과내역 내에서의 광대역 특성을 통한 특성 향상, 그리고 여파기의 소형화를 위하여 evanescent-mode 형태의 리 지드 여파기를 설계하고 추가적인 공진을 통한 통과, 억 제 대역에서의 특성 향상을 위하여 evanescent-mode 리 지드 여파기 구조에 직사각형 링(rectangular ring)을 결 합한 새로운 구조의 X / Ku 대역용 도파관 저역통과 여 파기(LPF)를 제안하였다. 제안된 저역 통과 여파기는 도 파관 내에서 횡축으로 대칭 배열된 9개의 리지에 5개의 직사각형 링을 배열함으로서, 특정 주파수에서 통과/억 제 특성을 나타내는 새로운 구조의 저역 통과 여파기이다.

Ⅱ. 저역통과 여파기의 설계

1. Evanescent-mode 리지드 저역통과 여파 기 설계

그림 1은 설계된 evanescent-mode 리지드 저역통과 여파기의 입체도이다. Evanescent-mode 리지 구조는 리 지의 높이가 서로 다른 구조를 가진다

. 저역통과 여파 기는 그림 1(a)에서 보이는 것과 같이 filter, transformer, port단으로 구분되며, filter 부분에는 표준 직사각형 도파 관 모델과의 연결 및 임피던스 매칭을 위하여 계단 모양

의 임피던스 트랜스포머(impedance transformer)

를 부 착하였다. 입출력 port는 표준 구형 도파관 규격인 WR-112(28.5 * 12.62 mm)로 설계하였다.

Filter, transformer, port단의 길이는 주파수의  값을 기준으로 계산하였다. 그 길이는 순서대로 62 mm, 14 mm, 5 mm 이다. 저역통과 여파기를 구현하기 위해서는 차단 주파수에 맞는 도파관의 높이와 폭을 설정해야 한 다. 

의 차단 주파수는 여파기의 통과 대역보다 낮 게 두어야 한다. 또한 고차 모드가 발생되는 것을 억제하 기 위해 고차 모드의 차단 주파수는 여파기의 억제 대역 보다 높게 두도록 도파관의 높이와 폭을 설정해야 한다.

위와 같은 사항을 고려하여 그림 1(a)에 나타낸 filter 부 분의 규격은 표준 구형 도파관 규격인 WR-90(22.86 * 10.16 mm)으로 설계 하였다.

(a) 입체도 (a) Inside view

(b) Evanescent-mode 리지 구조 (b) Evanescent-mode ridges

그림 1. Evanescent-mode 리지드 저역통과 여파기의 구조

Fig. 1. Structure of the evanescent-mode ridged waveguide low pass filter

표준 구형 도파관과의 연결 및 임피던스 매칭을 위하

여 저역통과 여파기의 입출력 포트에 계단 모양의 임피 던스 트랜스포머(impedance transformer)를 부착하였고 transformer의 규격은 25.68 * 11.39 mm로 설계하였다.

마지막 입출력 port는 표준 구형 도파관 규격인 WR-112(28.5 * 12.62 mm)로 설계하였다.

본 논문에서는 그림 1(a)와 같이 evanescent-mode 리 지 구조로 구성된 도파관을 설계하였고 리지는 입력포트 에서 출력 포트 방향으로 높낮이가 달라지는 finned waveguide 구조를 사용하였다

. 내부 evanescent-mode 리지 구조는 그림 1(b)와 같으며 가장 가운데 위치한 리 지를 기준으로 z-축 방향 대칭 구조이다.

그림 2는 evanescent-mode 리지드 도파관의 최적화 된 특성이다. 여파기의 성능을 보면 통과 대역인 7.25 ∼ 8.4 GHz에서의 반사 손실은 20 dB 이상이고, 저지 대역 인 12.25 ∼ 14.5 GHz에서의 격리도는 60 dB 이상으로 나타내었다.

그림 2. 리지 저역통과 여파기의 특성

Fig. 2. The characteristics of the evanescent- mode ridged waveguide low pass filter

2. 제안된 저역통과 여파기의 설계

여기서는 설계된 evanescent-mode 리지드 도파관 여 파기 내에 위치한 리지를 둘러싸는 새로운 구조의 직사 각형 링을 삽입하여 여파기의 특성을 개선하였다. 그림 3(a)는 그림 1(a) 의 구조에 직사각형 링이 삽입된 도파 관 여파기의 입체도를 나타낸다. 그림 3(a)는 그림 1(a)에 서 나타낸 것과 같이 filter, transformer, port 단으로 구 분된다. 그림 3(b)는 독립된 직사각형 링 구조를 나타내 었으며 가장 가운데 위치한 직사각형 링을 기준으로 z- 축 방향 대칭 구조이다.

(a) 입체도 (a) Inside view

(b) 직사각형 링 구조 (b) Rectangular rings

(c) 정면도 (c) Front view

Fig. 3. The proposed waveguide low pass filter

그림 3(c)는 리지와 직사각형 링이 합쳐진 구조의 정 면도이며 직사각형 링의 두께는 각각 

, 

, 

로 나타 내었다.

그림 4(a)는 그림 3(c) 구조에서 창의 두께 

=0.45mm, 

=0.45 mm일 때, 

의 두께를 0.55 mm에서

0.75 mm까지 변화시키면서 계산한 통과대역에서의

return loss 특성이다. 

=0.65 mm일 때 7.25 ∼ 8.4 GHz

대역에서 35.5 dB 이상으로 특성이 가장 좋다.

그림 4(b)는 그림 3(c) 구조에서 창의 두께 

=0.55 mm, 

=0.45 mm일 때, 

의 두께를 0.55 mm에서 0.75 mm까지 변화시키면서 계산한 통과대역에서의 return loss 특성이다. 

=0.55 mm일 때 7.25 ∼ 8.4 GHz 대역에 서 28 dB 이상으로 특성이 가장 좋다.

그림 4(c)는 그림 3(c) 구조에서 창의 두께 

=0.55 mm, 

=0.65 mm일 때, 

의 두께를 0.55 mm에서 0.75 mm까지 변화시키면서 계산한 통과대역에서의 return loss 특성이다. 

=0.65 mm일 때 7.25 ∼ 8.4 GHz 대역에 서 26.7 dB 이상으로 특성이 가장 좋다.

그림 4(d)는 그림 3(c) 구조에서 창의 두께 

=0.65 mm, 

=0.65 mm일 때, 

의 두께를 0.55 mm에서 0.75 mm까지 변화시키면서 계산한 통과대역에서의 return loss 특성이다. 

=0.55 mm일 때 7.25 ∼ 8.4 GHz 대역에 서 21.2 dB 이상으로 특성이 가장 좋다.

(a) 

  

 

(b) 

  

 

(c) ^

  

 

(d) ^

  

 

그림 4.



 

 



 

 

그림 5. 제안된 저역통과 여파기의 특성

Fig. 5. The characteristics of the proposed waveguide low pass filter

그림 4에서 

의 두께가 얇아질수록 대역폭이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 

의 두께가 두꺼워 질수록 공진 이 약해지는 것을 확인할 수 있다.

그림 5는 제안된 새로운 구조의 저역 통과 여파기의 특성을 나타낸다. 여파기의 통과 대역인 7.25 ∼ 8.4 GHz 에서 반사 손실은 35 dB 이상이고, 저지 대역인 12.25 ∼ 14.5 GHz에서의 격리도는 75 dB 이상으로 나타내었으며 추가적인 공진을 통해 여파기의 특성이 개선되었다는 것 을 볼 수 있다.

Ⅲ. 저역통과 여파기의 설계

본 논문의 저역통과 여파기는 알루미늄 재질로 제작 하였다. 그림 6(a)는 제작된 저역통과 여파기의 내부 모 습이다. 여파기의 총 길이는 100 mm로 소형 제작 되었다.

(a) 저역통과 여파기 내부

(b) 조립된 저역통과 여파기

그림 6. 제작된 저역통과 여파기 사진

Fig. 6. The fabricated waveguide low pass filter

그림 6(b)는 조립된 저역통과 여파기의 사진이다. 제작 및 재조립을 쉽게 하기 위하여 4등분으로 나눠 제작하였 다. 소형으로 제작된 여파기 안에 여러 구조물이 삽입되 어야 했기 때문에 정밀하게 가공하는데 어려움이 있었으 며 직사각형 링과 리지를 따로 가공하여 여파기 내부에 서 bolting 결합하였다. 직사각형 링의 경우 두께가 0.5 mm 에 근접했기 때문에 얇은 두께로의 가공이 어려워 가공 시 가공 오차를 수반할 수밖에 없었다.

제작된 저역통과 여파기는 통과대역과 저지대역에 맞 는 waveguide calibration kit의 사용 주파수가 각기 다르 기 때문에 통과 대역(7.25 GHz ～ 8.4 GHz)의 측정은 WR-112, 저지 대역(12.25 GHz ～ 14.5 GHz)의 측정은 WR-75 waveguide calibration kit을 사용하여 각기 따로 측정 하였다. 시뮬레이션 결과와 측정치의 특성 비교는 그림 7에 나타내었으며 표 1에 측정 결과를 나타내었다.

그림 7(a)에 나타낸 그래프는 반사 손실과 삽입 손실 특 성을 나타내며 Simulated는 설계된 저역통과 여파기의 특성을 나타내며 Measured는 실제 제작된 저역통과 여 파기의 특성을 나타낸다. 그림 7(b)에 나타낸 그래프는 격리도 특성을 나타내며 Simulated는 설계된 저역통과 여파기의 특성을 나타내며 Measured는 실제 제작된 저 역통과 여파기의 특성을 나타낸다.

통과 대역(7.25 ～ 8.4 GHz) 내에서 반사손실은 19.5 dB 이상이며, 저지 대역(12.25 ～ 14.5 GHz)내에서 격리 도는 67.21 dB 이상을 나타내었다. 반사 손실의 경우 16 dB 정도 차이가 있는데 직사각형 링의 두께가 미세하게 변하여도 여파기 특성에 미치는 영향이 큰 점으로 미루 어볼 때 가공 오차에 의한 것으로 생각된다.

(a) 반사 손실

(a) Return loss

(b) 격리도 (b) Isolation

그림 7. 제안된 저역통과 여파기 측정 결과 Fig. 7. Measured results of the proposed waveguide low pass filter

표 1. 제안된 저역통과 여파기 측정 결과

Table 1. Summary of the measured results

Parameters Simulated Measured Frequency (GHz) X-band 7.25∼8.4 7.25∼8.4 Ku-band 12.25∼14.5 12.25∼14.5 Return loss (dB) X-band > 35.5 > 19.5

Ku-band - -

Insertion loss (dB) X-band < 0.66 < 1.361

Ku-band - -

Isolation (dB) X-band - - Ku-band > 81.64 > 67.21

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 Evanescent-mode 리지 구조에 직사각 형 링(rectangular ring)을 결합한 새로운 구조의 X / Ku 대역용 도파관 저역통과 여파기(LPF)를 제안하였고 설 계하였다. 소형으로 제작하였으며 측정을 통하여 시뮬레 이션 특성 결과와 비교 하였다.

시험 제작한 저역통과 여파기의 실제 측정특성과 시 뮬레이션 특성을 비교해본 결과 통과대역인 X-band에서 의 반사손실에서 16 dB 정도의 오차가 발생하였다. 이것 은 소형 제작된 여파기 내부에 여러 구조물이 각기 결합 되어 들어가고 직사각형 링의 얇은 두께의 가공상의 제 약에 따른 제작 오차로 판단된다.

실제 측정특성과 시뮬레이션 특성치의 오차가 있었지 만 X / Ku 대역용 도파관 저역통과 여파기로 사용 가능 할 것으로 판단된다.

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오 택 균(준회원)

∙2012년 2월 : 단국대학교 전자공학과 (공학사)

∙2012년 3월 ～ 현재 : 단국대학교 전 자전기공학과 석사과정

<주 관심분야 : 안테나 및 전파전파>

최 학 근(정회원)

∙1979년 : 고려대학교 전자공학과 (공 학사)

∙1981년 : 고려대학교 전자공학과 (공 학석사)

∙1988년 : 고려대학교 전자공학과 (공 학박사)

∙1991년 ～ 현재 : 단국대학교 전자공 학과 교수

∙2006년 ～ 2012년 6월 : 단국대학교 공학교육혁신센터장

∙2010년 ～ 2012년 9월 : 단국대학교 공학대학장

∙1989년 ～ 현재 : (주) 하이게인 안테나 기술고문

∙2012년 ～ 현재 : 단국대학교 천안캠퍼스 부총장 <주관심분야 : 안테나 및 전파전파, 마이크로파회로>

이 형 기(정회원)

∙2002년 2월 : 단국대학교 전자공학과 (공학사)

∙2004년 2월 : 단국대학교 전자컴퓨터 공학과 (공학석사)

∙2007년 3월 ～ 현재 : 단국대학교 전 자컴퓨터공학과 박사과정

∙2004년 2월 ～ 2006년 9월 :(주)하이 게인 안테나 선임연구원

∙2006년 9월 ～ 2011년 :(주)텔콤코리아 선임연구원

∙2011년 ～ 현재 :(주)하이게인 안테나 책임연구원

<주 관심분야 : 안테나 및 전파전파, 마이크로파회로>