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KR20040006952A - Microstrip Ring with a Compact Tunable Microwave Bandgap Structure - Google Patents

Microstrip Ring with a Compact Tunable Microwave Bandgap Structure Download PDF

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KR20040006952A
KR20040006952A KR1020020041567A KR20020041567A KR20040006952A KR 20040006952 A KR20040006952 A KR 20040006952A KR 1020020041567 A KR1020020041567 A KR 1020020041567A KR 20020041567 A KR20020041567 A KR 20020041567A KR 20040006952 A KR20040006952 A KR 20040006952A
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KR
South Korea
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ring
microstrip
mbg
frequency
gap
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Application number
KR1020020041567A
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박익모
임한조
박해용
기철식
Original Assignee
박익모
임한조
박해용
기철식
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: A micro-strip ring having a small tunable microwave band gap structure is provided to shift a frequency of an attenuation pole to a low frequency band by adhering a capacitor on a structure of microwave band gap ring. CONSTITUTION: A micro-strip ring having a small tunable microwave band gap structure includes a feeding line, a circular ring, and a band gap. The small frequency change microwave band gap structure is formed on an upper surface of a substrate. A straight-line type feeding line is formed at both sides of the circular ring. The circular ring is formed between the straight-line type feeding lines. The circular ring has a predetermined radius. The band gap is formed by cutting an upper end of the circular ring. A cutoff band is formed around an attenuation pole.

Description

소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링{Microstrip Ring with a Compact Tunable Microwave Bandgap Structure}Microstrip Ring with a Compact Tunable Microwave Bandgap Structure

본 발명은 협소한 갭을 갖는 마이크로스트립 링 구조에 관한 것으로, 특히저지대역은 링에 있는 협소한 갭에서 전자기파의 반사로 인해 형성되고 갭 사이에 부착한 리액턴스 값을 변화시킴으로써 저지대역이 형성되는 영역을 결정할 수 있으며, 갭 사이에 부착한 캐패시터는 저지대역의 중심주파수를 낮은 주파수 영역으로 이동시키고 인덕터는 저지대역의 중심 주파수를 높은 주파수 영역으로 이동시키고, 링에 배랙터를 부착하여 마이크로파 스위치로 사용할 수 있는 소형화된 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a microstrip ring structure with a narrow gap, in particular the stop band is formed due to reflection of electromagnetic waves in the narrow gap in the ring and the stop band is formed by changing the reactance value attached between the gaps. The capacitors attached between the gaps shift the center frequency of the stopband to the lower frequency range, the inductor shifts the center frequency of the stopband to the high frequency region, and attach a varactor to the ring for use as a microwave switch. The present invention relates to a microstrip ring structure having a miniaturized frequency-variable microwave bandgap structure.

광학분야에서 처음으로 연구가 시작된 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap; 이하 PBG) 구조는 특정 주파수 범위의 전자기파를 효과적으로 제어할 수 있으므로 최근 마이크로파 분야에서도 이를 응용한 연구가 활발히 진행되고 있다.Photonic Bandgap (PBG) structure, which has been studied for the first time in the field of optics, can effectively control electromagnetic waves in a specific frequency range.

마이크로파 영역에서의 PBG 구조는 마이크로파 밴드갭(Microwave Bandgap; 이하 MBG) 구조 또는 전자기파 밴드갭(Electromagnetic Bandgap; 이하 EBG) 구조라고도 불리우며 일반적으로 마이크로스트립 상에 구현되어 안테나의 성능 개선, 증폭기의 전력효율 향상, 공진기의 높은 Q 구현 및 고조파 성분의 억제, 새로운 듀플렉서의 설계 등 다양한 목적으로 사용되고 있다.The PBG structure in the microwave region is also called a microwave bandgap (MBG) structure or an electromagnetic bandgap (EBG) structure and is generally implemented on a microstrip to improve antenna performance and amplifier power efficiency. It is used for various purposes such as high Q of resonator, suppression of harmonic components, and design of new duplexer.

상기 MBG 구조의 응용된 마이크로스트립 회로로서 유전체 기판을 천공하는 방법, 접지면을 주기적인 모양으로 식각하는 방법, 마이크로스트립 라인 자체를 변형시키는 방법 등이 알려져 있다. 이러한 마이크로파 회로로서 연구된 MBG 구조의 응용예들은 그 실용성을 잘 보여주지만 종래의 MBG 구조가 일반적으로 매우 넓은 면적을 요구하므로 소형화가 불가피한 마이크로파 회로에서 MBG 구조의 실질적인응용에는 어려움이 있었다. 이것은 MBG 구조의 한 주기가 MBG 중심주파수에 해당하는 파장의 1/2 길이와 같으며 특정한 주파수 범위의 전자기파를 통과하지 못하게 하기 위해서는 적어도 5~6 주기가 요구되기 때문이다.As the applied microstrip circuit of the MBG structure, a method of drilling a dielectric substrate, a method of etching the ground plane in a periodic shape, a method of modifying the microstrip line itself, and the like are known. The application examples of the MBG structure studied as such a microwave circuit show the practicality well, but there is a difficulty in the practical application of the MBG structure in the microwave circuit which is inevitably miniaturized because the conventional MBG structure generally requires a very large area. This is because one period of the MBG structure is equal to one-half the length of the wavelength corresponding to the MBG center frequency, and at least five to six periods are required to prevent electromagnetic waves from passing through a specific frequency range.

따라서, 본 발명에서는 소형화된 구조중의 하나로서 어떠한 주기성도 필요로 하지 않는 협소한 갭(gap)을 갖는 마이크로스트립 링(ring) 구조를 응용하여 저지대역의 영역을 조절할 수 있는 주파수가변(tunable) MBG 구조를 구현하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, in the present invention, one of the miniaturized structures is a frequency tunable that can adjust the region of the stop band by applying a microstrip ring structure having a narrow gap that does not require any periodicity. It is aimed at implementing the MBG structure.

또한, 상기 주파수 가변 MBG의 갭 사이에 칩 캐패시터를 부착하여 저지대역 특성을 조절할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, it is another object to attach a chip capacitor between the gap of the frequency variable MBG to adjust the stopband characteristics.

또한, 상기 주파수 가변 MBG의 갭 사이에 배랙터(varactor)를 부착하여 마이크로파 스위치로 사용할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, it is another object to attach a varactor between the gap of the frequency variable MBG to be used as a microwave switch.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판 상부에 형성되는 마이크로스트립 링 구조에 있어서, 양측에 직선형태로 형성되는 급전선과, 상기 양측의 급전선 사이에 연접하여 형성되며 중심반지름을 갖는 원형 링과, 상기 링 상단을 단락시켜 형성된크기의 협소한 밴드갭을 포함하여서; 원형링의 중심반지름과 밴드갭의 크기에 따라 감쇠주파수(여기서, n은 양의 홀수, c는 진공에서의 빛의 속도,는 실효유전 상수 임)가 변경되고, 그 감쇠 주파수 주위에 저지대역이 형성되는 소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a microstrip ring structure formed on the substrate, the feed line is formed in a straight line on both sides, and is formed in connection with the feed line of the both sides and the center radius Circular ring having a and formed by shorting the upper end of the ring Including a narrow bandgap of size; Center radius of circular ring And the size of the band gap According to the attenuation frequency (Where n is a positive odd number, c is the speed of light in a vacuum, Is an effective dielectric constant) and features a microstrip ring having a small frequency variable microwave bandgap structure in which a stopband is formed around its attenuation frequency.

도1은 본 발명에 따른 협소한 갭을 갖는 마이크로스트립 링 구조의 한 실시예로서 원형의 링을 갖는 마이크로스트립 링을 나타낸 도면.1 shows a microstrip ring with a circular ring as one embodiment of a narrow gap microstrip ring structure according to the present invention.

도2a는 도1의 링의 중심반지름과 갭의 크기를 고정했을 때, 링의 선폭에 따른 반사손실(S11) 결과를 나타낸 그래프.Figure 2a shows the center radius of the ring of Figure 1 And the size of the gap Line width of the ring Graph showing return loss (S 11 )

도2b는 도1의 링의 중심반지름과 갭의 크기를 고정했을 때, 링의 선폭에 따른 삽입손실(S21) 결과를 나타낸 그래프.Figure 2b is the center radius of the ring of Figure 1 And the size of the gap Line width of the ring Graph showing the results of insertion loss (S 21 ).

도3a는 도1의 링의 중심반지름과 링의 선폭를 고정했을 때, 갭의 크기에 따른 반사손실(S11) 결과를 나타낸 그래프.Figure 3a is the center radius of the ring of Figure 1 Line width When fixing the gap size Graph showing return loss (S 11 )

도3b는 도1의 링의 중심반지름과 링의 선폭를 고정했을 때, 갭의 크기에 따른 삽입손실(S21) 결과를 나타낸 그래프.Figure 3b is the central radius of the ring of Figure 1 Line width When fixing the gap size Graph showing the results of insertion loss (S 21 ).

도4는 본 발명에 따른 마이크로스트립 링 공진기와 MBG 링의 측정된 공진 주파수를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the measured resonant frequency of the microstrip ring resonator and MBG ring in accordance with the present invention.

도5a 내지 도5c는 2.82GHz, 5.6GHz, 8.46GHz에서의 각 필드분포를 나타낸 사진.5A to 5C are photographs showing respective field distributions at 2.82 GHz, 5.6 GHz, and 8.46 GHz.

도6은 칩 캐패시터가 장착된 마이크로스트립 MBG링의 실제 사진을 나타낸 도면.Fig. 6 shows an actual photograph of a microstrip MBG ring equipped with a chip capacitor.

도7은 본 발명의 다른 실시예인 MBG 링 구조위에 다양한 값의 캐패시터와 인턱터를 연결하여 측정한 전송특성 결과를 나타낸 그래프.7 is a graph illustrating transmission characteristics measured by connecting capacitors and inductors of various values on an MBG ring structure according to another embodiment of the present invention.

도8은 다양한(윗부분)와(아랫부분)의 값에 따른 감쇠극 주파수의 변화를 나타낸 그래프.8 is various (Top) and Graph showing the change of attenuation pole frequency according to the value of (bottom part).

도9는 본 발명에 따른 협소한 갭을 갖는 원형의 마이크로스트립 링 구조의 다른 실시예로서 사각형의 링을 갖는 마이크로스트립 링을 나타낸 도면.Figure 9 illustrates a microstrip ring with a rectangular ring as another embodiment of a circular microstrip ring structure with a narrow gap in accordance with the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

: 링의 반지름: 급전선 선폭 : Radius of the ring : Feeder line width

: 밴드 갭의 크기: 링의 선폭 : Size of band gap : Line width of the ring

L: 사각형 링의 가로길이W: 사각형 링의 세로길이 L : length of square ring W : length of square ring

일반적으로 마이크로스트립 링 공진기는 저항성분을 제외하면 인덕턴스와 커패시턴스의 병렬 연결로 모델링할 수 있다. 따라서 주어진 마이크로스트립 MBG 링의 반사손실 및 삽입손실의 특성은 링에 갭이 있는 경우 원래의에서 약간 변환된 값을 가진 병렬 LC 등가회로로 볼 수 있다. 상기 병렬 LC 회로의 특성 임피던스는 공진주파수부근에서 매우 큰 값을 가지므로 이 주파수 영역에서 MBG 링은 입력단으로부터 들어오는 마이크로파를 강하게 반사시킨다. 상기 링의 갭 부분에 캐패시터나 인덕터 등을 달아주면 마이크로스트립 MBG 링의 전체적인 L과 C값에 변화를 주어 저지대역의 위치 및 특성곡선의 모양을 변형시키는 방법으로 사용될 수 있다.In general, the microstrip ring resonator has inductance except for the resistance component. And capacitance Can be modeled as a parallel connection. Therefore, the characteristics of return loss and insertion loss of a given microstrip MBG ring are inherent in the case of gaps in the ring. Wow It can be seen as a parallel LC equivalent circuit with slightly transformed values in. The characteristic impedance of the parallel LC circuit is the resonance frequency In this frequency range, the MBG ring strongly reflects the incoming microwaves from the input because it is very large in the vicinity. Attaching a capacitor or an inductor to the gap portion of the ring changes the overall L and C values of the microstrip MBG ring and can be used as a method of modifying the location of the stopband and the shape of the characteristic curve.

상기 방법으로 저지대역을 조절하는 것은 마이크로스트립 MBG 링을 소형화된 마이크로파 스위치 등에 응용하는데 매우 유용하다.Adjusting the stopband in this manner is very useful for applying the microstrip MBG ring to miniaturized microwave switches and the like.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도1은 본 발명에 따른 협소한 갭을 갖는 마이크로스트립 링의 한 실시예인 원형의 링을 갖는 구조를 나타낸 것으로,은 링의 중심반지름(mean radius)이고,는 링의 선폭이며,는 갭의 크기를 나타내고, 그리고는 급전선의 선폭을 나타낸다.First, Figure 1 shows a structure having a circular ring which is an embodiment of a microstrip ring with a narrow gap according to the present invention, Is the mean radius of the ring, Is the line width of the ring, Represents the size of the gap, and Represents the line width of the feeder.

또한, 도9는 본 발명에 따른 협소한 갭을 갖는 마이크로스트립 링의 다른 실시예로서 사각형의 링을 갖는 구조를 나타낸 것으로,L은 가로길이W는 세로 길이이고,는 링의 선폭이며,는 갭의 크기를 나타내고, 그리고는 급전선의 선폭을 나타낸다.In addition, Figure 9 shows a structure having a rectangular ring as another embodiment of a narrow gap microstrip ring according to the present invention, L is the horizontal length W is the vertical length, Is the line width of the ring, Represents the size of the gap, and Represents the line width of the feeder.

일반적으로 마이크로스트립 링은 급전선과 링 사이의 커플링(coupling) 갭을 통하여 급전선으로부터 여기된다. 이에 반해, 마이크로스트립 MBG 링은 급전선과 링 사이에 커플링 갭이 없으며 링 자체에 갭이 존재한다는 점에서 근본적으로 일반적인 마이크로스트립 링과 다른 구조를 갖는다.In general, the microstrip ring is excited from the feeder through a coupling gap between the feeder and the ring. In contrast, microstrip MBG rings have a fundamentally different structure from conventional microstrip rings in that there is no coupling gap between the feeder and the ring and there is a gap in the ring itself.

또한, 상기 마이크로스트립 MBG 링 구조에서는 MBG 형성에 필요한 고정된 위상의 상관관계(fixed phase correlation)를 갖는 다중반사(multiple reflection) 현상이 마이크로스트립 링에 있는 갭에 의한 임피던스의 강한 불연속으로 인해 발생하게 된다.In addition, in the microstrip MBG ring structure, multiple reflection phenomenon with fixed phase correlation required for MBG formation is caused by the strong discontinuity of the impedance due to the gap in the microstrip ring. do.

입력과 출력단이 갭을 중심으로 링 둘레 길이의 1/4만큼 떨어진 위치에 있을 경우, 저지대역은 감쇠 주파수주위에 형성되며,에 관련된 식은 원형 링일 경우 수학식1과 같고, 사각형 링일 경우 수학식2와 같다.If the input and output stages are located one quarter of the ring circumference about the gap, the stopband is the attenuation frequency. Formed around, Equation related to is shown in Equation 1 in the case of a circular ring, and Equation 2 in the case of a rectangular ring.

여기서은 양의 홀수,는 진공에서의 빛의 속도,는 실효유전 상수,는 갭의 크기,은 링의 중심 반지름을 나타내고,LW는 각각 사각형링의 가로와 세로길이를 나타낸다. 갭의 크기는 보통또는 2(L+W)보다 아주 작기 때문에 감쇠 주파수(attenuation pole)는 링 공진기에서의 홀수번째 모드의 공진주파수와 거의 일치한다.here Is a positive odd number, Is the speed of light in a vacuum, Is the effective dielectric constant, Is the size of the gap, Is the center radius of the ring, and L and W are the horizontal and vertical lengths of the rectangular ring, respectively. Gap size Is usually Or the attenuation pole is nearly equal to the resonant frequency of the odd mode in the ring resonator since it is much smaller than 2 ( L + W ).

상기 마이크로스트립 MBG 링에서는 원하는 MBG 중심주파수와 대역폭을 간단한 설계 변수를 이용하여 구현할 수 있다. 상기 마이크로스트립 MBG 링의 물리적인 크기에 대한 MBG의 기본적인 특성을 얻게되면 마이크로파 회로에 MBG 구조를 구현하는데 매우 유용하다. 상기 수학식 1과 2에서는 마이크로스트립 MBG 링의 중심둘레가 MBG 주파수를 결정하는 주된 요인임을 알 수 있다. 또한, MBG의 특성은 마이크로스트립 MBG 링의 선폭와 갭 간격에 의해서도 영향을 받게 되는데 이러한 결과는 다음의 실시예로부터 알 수 있다.In the microstrip MBG ring, a desired MBG center frequency and bandwidth can be implemented using simple design parameters. Obtaining the basic characteristics of MBG for the physical size of the microstrip MBG ring is very useful for implementing MBG structures in microwave circuits. In Equations 1 and 2, it can be seen that the center circumference of the microstrip MBG ring is the main factor for determining the MBG frequency. In addition, the characteristics of MBG are the line width of the microstrip MBG ring. Gap gap It is also affected by the results can be seen from the following examples.

그 실시예로서 마이크로스트립 MBG링을 형성하기 위해 유전율, 두께를 갖는 RT/Duroid 기판을 사용하고, 링의 중심반지름을, 갭의 크기를로 고정시키고 링의 선폭의 값을 변화시켰다.As an example the permittivity for forming a microstrip MBG ring , thickness Use RT / Duroid substrate with the center radius of the ring , The size of the gap The width of the ring The value of was changed.

도2a와 도2b는 상기 조건에서 얻은 마이크로스트립 MBG 링의 반사손실(S11)과삽입손실(S21)의 특성을 나타낸 것으로, MBG의 중심주파수와 3dB 차단주파수(cutoff frequency)가 링의 선폭 증가에 따라 감소함을 알 수 있다. 이 특성은 링의 물리적인 크기에 영향을 받는 캐패시턴스와 인덕턴스 값이 링의 선폭이 넓어질수록 증가하므로 MBG의 중심주파수가 감소하기 때문이다. 또한 링의 선폭이 증가할수록 MBG 이외의 주파수 영역에서 삽입손실의 변동이 심한 것은 마이크로스트립 링과 급전선 간의 특성임피던스 차가 커지기 때문이다.Figures 2a and 2b show the characteristics of the return loss (S 11 ) and insertion loss (S 21 ) of the microstrip MBG ring obtained under the above conditions, where the center frequency and the 3 dB cutoff frequency of the MBG are the line width of the ring. It can be seen that the decrease with increasing. This characteristic is due to the decrease in the center frequency of MBG because the capacitance and inductance values affected by the physical size of the ring increase as the ring width increases. In addition, as the line width of the ring increases, the insertion loss fluctuates in the frequency region other than MBG because the characteristic impedance difference between the microstrip ring and the feed line increases.

다음에 도3a와 도3b는 링의 갭 크기의 변화에 따른 MBG링의 반사손실(S11)과 삽입손실(S21)을 나타낸 것으로서, 상기 도2a 및 도2b와 같은 조건에서 링의 중심반지름, 선폭로 고정하고 갭의 크기를 변화하였다. 도시된 바와 같이 MBG 링의 중심 반지름이나 선폭이 MBG 특성에 미치는 영향과는 다르게 갭의 변화에 대한 MBG의 차단주파수의 변화는 거의 없는 것을 알 수 있다. 이는 저지대역의 차단주파수가 구조의 인덕턴스 값에 의해 주로 결정되기 때문이다. 따라서 도3a 내지 도3b의 결과는 갭의 크기가 링의 둘레에 비해서 매우 작기 때문에 갭의 크기에 따른 마이크로스트립의 실효 직렬 인덕턴스의 변화는 매우 미세함을 나타내고 있다. 상기와 같은 갭의 변화는 단지 MBG의 중심주파수 즉 감쇠극의 주파수에 영향을 조금 미치는 것을 볼 수 있는데, 이것은 갭의 크기가 커질수록 링의 전체 둘레 길이가 약간 줄어들기 때문이다. 또한, 도3a와 도3b에 있어서는 20dB에서의 MBG 부분대역폭은 모든 경우 약 86%이었으며 이때의 3dB 차단주파수는 1.67GHz 부근에서 형성되었다. 그러나 갭의 크기가 2mm를 넘게되면 MBG가 사라지기 시작하며 매우 복잡한 현상이 나타나게 된다. 결과적으로 도2a 내지 도3b의 특성곡선을 통하여 MBG의 차단 주파수와 중심주파수는 마이크로스트립 링의 선폭과 갭의 크기 보다는 링의 둘레의 길이와 관련된 링의 반지름에 의해 주로 결정됨을 알 수 있다.3A and 3B show reflection loss (S 11 ) and insertion loss (S 21 ) of the MBG ring according to the change in the gap size of the ring, and the center radius of the ring under the same conditions as in FIGS. 2A and 2B. , Line width And the size of the gap was changed. As shown, unlike the effect of the center radius or line width of the MBG ring on the MBG characteristics, it can be seen that there is almost no change in the MBG cutoff frequency with respect to the gap change. This is because the cutoff frequency of the stopband is mainly determined by the inductance value of the structure. Therefore, the results of FIGS. 3A to 3B show that since the gap size is very small compared to the circumference of the ring, the change in the effective series inductance of the microstrip with the gap size is very small. It can be seen that such a change in the gap only slightly affects the center frequency of the MBG, that is, the frequency of the attenuation pole, because as the gap size increases, the total circumferential length of the ring decreases slightly. 3A and 3B, the MBG partial bandwidth at 20dB was about 86% in all cases, and the 3dB cutoff frequency was formed around 1.67GHz. However, when the gap size exceeds 2mm, MBG begins to disappear and a very complicated phenomenon occurs. As a result, it can be seen from the characteristic curves of FIGS. 2A to 3B that the cutoff frequency and the center frequency of the MBG are mainly determined by the radius of the ring with respect to the length of the circumference of the ring rather than the line width and the size of the gap of the microstrip ring.

또한, 링 공진기에서 공진은 정재파(standing wave)가 링 둘레에 형성될 때 발생하는데 이것은 관내파장의 정수 배수에 해당하는 값이 링의 둘레의 길이와 같을 때 발생한다. 마이크로스트립 MBG 링에서 두 번째 고조파(second harmonics)에 해당하는 감쇠극의 결함은 링 공진기의 고조파에 해당하는 주파수와 마이크로스트립 MBG 링에서의 필드분포를 고려해보면 쉽게 이해할 수 있다. 상기 MBG 링 갭에서의 반사조건은 갭 부분의 전압 혹은 전기장 세기(electric field intensity)가 최대일 때 발생한다. 반대로 MBG 링 입력과 출력단에서의 반사조건은 전압이 0일 때 발생한다. 상기와 같은 두가지 조건은 수학식1의 짝수 모드(n=2,4,…)에서는 동시에 만족될 수 없다는 것을 알 수 있다. 따라서 MBG 링은 링 공진기의 홀수 모드에 해당하는 주파수 부근에서 감쇠극을 가지게 된다.Also, in a ring resonator, resonance occurs when standing waves form around the ring, which occurs when the value corresponding to an integer multiple of the in-tube wavelength is equal to the length of the circumference of the ring. The defects of the attenuation poles corresponding to the second harmonics in the microstrip MBG ring can be easily understood by considering the frequency corresponding to the harmonics of the ring resonator and the field distribution in the microstrip MBG ring. The reflection condition in the MBG ring gap occurs when the voltage or electric field intensity of the gap portion is maximum. Conversely, reflection conditions at the MBG ring input and output stages occur when the voltage is zero. It can be seen that the above two conditions cannot be satisfied simultaneously in the even mode (n = 2, 4, ...) of Equation 1. Therefore, the MBG ring has an attenuation pole near a frequency corresponding to the odd mode of the ring resonator.

상기와 같은 현상을 알아보기 위한 실시예로서 마이크로스트립 MBG 링을 중심반지름, 선폭, 갭의 크기로 제조하고, 링 공진기의 공진주파수와 비교하기 위해 MBG 링과 같은 크기의 마이크로스트립 링 공진기를 제조하였으며, 기판은 두께, 유전율인 RT/Duroid6010을 사용하였다.The center radius of the microstrip MBG ring as an embodiment for examining the above phenomenon , Line width , The size of the gap In order to compare the resonant frequency of the ring resonator, a microstrip ring resonator of the same size as the MBG ring was fabricated. Permittivity RT / Duroid6010 was used.

도4는 상기와 같은 조건으로 제조된 마이크로스트립 링에서 측정한 MBG 주파수와 링의 공진주파수를 나타낸 것으로, 링 공진기의 홀수 모드에 해당하는 공진주파수와 MBG의 중심주파수가 잘 일치하며 링 공진기에서의 짝수 모드에 해당하는 주파수에서 MBG가 없는 것을 알 수 있다. 또한 수학식1에서 링의 반지름, 실효유전상수의 값을 대입하면 홀수 모드의 공진 주파수를 각각 3.82GHz, 8.64GHz 등의 값으로 얻을 수 있으며, 도5a와 도5c는 이러한 홀수 모드의 각 공진주파수에 해당하는 2.82GHz, 8.64GHz에서의 필드분포(electric field distribution)의 최대치를 보여준다. 또한 도5b는 짝수 모드 주파수에 해당하는 값인 5.6GHz에서의 최대 필드분포를 나타낸다. 도5a 내지 도5c의 필드 분포에서 도시된 바와 같이 홀수 모드의 공진 주파수인 경우 전기장 세기는 갭의 경계에서 최대가 되고 링과 급전선이 접하는 곳에서 최소가 되어 입력단(링의 왼쪽)에서 오는 전자기파가 출력단(링의 오른쪽)으로 통과하지 않게 된다. 그러나 짝수 모드의 공진 주파수인 5.6GHz의 경우 입력단에서 오는 전자기파가 MBG 링에서 갭이 없는 곳의 링을 따라 통과함으로 입력단에서 오는 전자기파가 MBG 링에서 갭이 없는 곳의 링을 따라 통과하게 되어 MBG가 형성되지 않음을 알 수 있다.Figure 4 shows the resonance frequency of the ring and the MBG frequency measured in the microstrip ring manufactured under the above conditions, the resonance frequency corresponding to the odd mode of the ring resonator and the center frequency of the MBG well match in the ring resonator It can be seen that there is no MBG at the frequency corresponding to the even mode. In addition, the radius of the ring in Equation 1 Effective dielectric constant By substituting the value of, the resonant frequencies in odd mode can be obtained with values of 3.82 GHz and 8.64 GHz, respectively. FIGS. 5A and 5C show field distributions at 2.82 GHz and 8.64 GHz corresponding to the respective resonant frequencies in odd mode. shows the maximum of the electric field distribution. 5b shows a maximum field distribution at 5.6 GHz, which is a value corresponding to an even mode frequency. As shown in the field distributions of Figs. 5A to 5C, in the case of the resonant frequency in the odd mode, the electric field strength is maximized at the boundary of the gap and is minimized at the contact between the ring and the feed line so that electromagnetic waves from the input terminal (left side of the ring) It will not pass through the output (right side of the ring). However, in the even-mode resonant frequency of 5.6 GHz, the electromagnetic waves from the input pass through the ring where there is no gap in the MBG ring, so that the electromagnetic waves from the input pass through the ring without the gap in the MBG ring. It can be seen that it is not formed.

또한 본 발명에 따른 마이크로스트립 링의 MBG 중심 주파수 또는 MBG의 모양 등을 조절할 수 있는 MBG 구조는 마이크로파 스위치나 저지대역 필터 등과 같은 마이크로파 소자에서 매우 유용하다.In addition, the MBG structure capable of adjusting the MBG center frequency or the shape of the MBG of the microstrip ring according to the present invention is very useful in microwave devices such as microwave switches or stopband filters.

앞에서 언급한 바와 같이 마이크로스트립 MBG 링은 병렬의 LC 등가회로로 나타낼 수 있으며, MBG의 위치와 주파수 특성 곡선의 모양은 마이크로스트립 링의 갭 사이에 캐패시터 또는 인덕터 등을 달아 줌으로써 조정할 수 있게 된다.As mentioned above, the microstrip MBG ring can be represented by a parallel LC equivalent circuit, and the position of the MBG and the shape of the frequency characteristic curve can be adjusted by attaching a capacitor or an inductor between the gaps of the microstrip ring.

도6은 실제로 제작된 마이크로스트립 MBG 링의 갭사이에 칩 캐패시터를 부착한 사진이다. 이 실시예에서는 MBG의 중심 주파수가 약 2.7GHz가 되도록 마이크로스트립 링의 중심 반지름을 6.25mm, 링의 선폭을 0.5mm, 갭의 크기를 0.2mm로 제조하였다. 또한 MBG 중심주파수는 도6의 사진과 같이 갭 사이에 있는 인덕티브 성분또는 캐패시턴스 성분의 값을 달리하여 조절하였다.6 is a photograph of a chip capacitor attached between the gaps of the actually produced microstrip MBG ring. In this embodiment, the center radius of the microstrip ring is 6.25 mm, the line width of the ring is 0.5 mm, and the gap size is 0.2 mm so that the center frequency of the MBG is about 2.7 GHz. In addition, the MBG center frequency is the inductive component between the gaps as shown in the photo of FIG. Or capacitance component The value of was adjusted by changing.

도7은 상기 도6에 부착된 캐패시턴스 성분 및 인덕턴스 성분 값의 변화에 대한 전달특성(S21)을 측정한 결과를 나타낸 것으로서, 중앙의 전달 특성 곡선은 갭 사이에 캐패시터나 인덕터가 없는 것으로 감쇠극은 2.71GHz에 위치한다. 도7에서 나타난 바와 같이 기본적인 마이크로스트립 MBG 링 구조에의 값을 갖는 소자를 연결하게 되면 감쇠극의 중심주파수의 위치와 대역폭이 변하는 것을 알 수 있다. 예를 들면 도7에서가 0.2pF일 때 감쇠극의 주파수는 2.71GHz에서 1.93GHz로 낮아지며, 20dB 대역폭은 630MHz에서 370MHz로 감소하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 7 illustrates a result of measuring a transmission characteristic S 21 for a change in capacitance component and inductance component values attached to FIG. 6, and a transmission characteristic curve in the center shows that there is no capacitor or inductor between gaps. Is located at 2.71 GHz. As shown in Figure 7, the basic microstrip MBG ring structure Wow When the device having the value of is connected, it can be seen that the position and bandwidth of the center frequency of the attenuation pole change. For example, in FIG. Is 0.2pF, the frequency of the attenuation pole is lowered from 2.71GHz to 1.93GHz, and the 20dB bandwidth decreases from 630MHz to 370MHz.

도8은의 값에 대한 감쇠극의 변화를 나타낸 것으로, 캐패시터를 달아주면 감쇠극의 주파수가 감소하고 인덕터를 달아주면 감쇠극의 주파수가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한가 아주 커지거나가 작아지면 더해진 성분의 어드미턴스 값이 매우 커지기 때문에 MBG가 없어지는 것을 볼 수 있다. 도8의 중심선을 기준으로 위와 아래 부분의 각각의 점선은 데이터 값들에 대한 최소자승법(least square fit)으로부터 얻은 것이며, 이렇게 계산된 감쇠극의 주파수는 수학식3과 수학식4에 의해 각각 계산되었다.8 is Wow The attenuation pole changes with respect to the value of, and it can be seen that the frequency of the attenuation pole decreases when the capacitor is attached, and the frequency of the attenuation pole increases when the inductor is attached. Also Is very large When is decreased, the admittance value of the added component becomes very large, so that the MBG disappears. The dotted lines of the upper and lower portions of the upper and lower portions of the center line of FIG. 8 are obtained from a least square fit of data values, and the frequencies of the attenuation poles thus calculated are calculated by Equations 3 and 4, respectively. .

데이터 점들과 이들로부터 얻은 최소자승법의 계산이 캐패시터의 경우 매우 잘 일치하는 것은 더해진 커패시턴스 또는 인덕턴스 성분이 링의 원래의 값인 인덕턴스와 캐패시턴스에 병렬로 연결되어 있음을 보여준다. 상기 데이터 값들로부터 얻은값은 각각 0.21pF와 16.5nH이다. 도8에서 마이크로스트립 링을 집중정수 소자로 구현한 후를 병렬연결하여 시물레이션한 결과와를 실제 연결하여 측정한 결과가 매우 잘 일치하는 것은 데이터 값들로부터 계산된의 값이 거의 정확하다는 것을 뜻한다. 그러나 인덕터의 경우 측정한 감쇠극의 주파수는 계산된 값보다 매우 작은데 이는 고주파 회로에서 자주 발생하는 기생 인덕턴스 때문이다.The very good agreement between the data points and the least-squares calculations obtained from them shows that the added capacitance or inductance component is the original value of the ring. And capacitance Shows that they are connected in parallel. Obtained from the data values Wow Values are 0.21 pF and 16.5 nH, respectively. After implementing the microstrip ring as a lumped constant element in Figure 8 To simulate the result of parallel connection The actual match between the two measurements is very good. Wow This means that the value of is almost correct. However, in the case of the inductor, the measured attenuation pole frequency is much smaller than the calculated value because of the parasitic inductance that occurs frequently in high frequency circuits.

마이크로파 증폭기의 이득은 증폭기의 외부회로에 고조파의 발생을 억제하는 MBG 구조를 사용함으로써 증가시킬 수 있다. 그러나 저주파 영역에서 마이크로파MBG 구조를 사용하려면 상대적으로 넓은 면적이 필요하다.The gain of the microwave amplifier can be increased by using an MBG structure that suppresses the generation of harmonics in the amplifier's external circuit. However, the use of the microwave MBG structure in the low frequency region requires a relatively large area.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로스트립 MBG 링은 주기성을 갖는 일반적인 MBG 구조보다 훨씬 작은 면적에 구현이 가능하며, MBG 링의 구조위에 캐패시터를 부착함으로써 감쇠극의 주파수를 매우 낮은 곳으로 움직일 수 있다.As described above, the microstrip MBG ring according to the present invention can be implemented in a much smaller area than the general MBG structure having periodicity, and by attaching a capacitor on the MBG ring structure, the frequency of the attenuation pole can be moved to a very low place. .

또한, 마이크로스트립 MBG 링에 배랙터를 달아준다면의 값을 전기적으로 변화시킴으로써 이득을 최대로 얻을 수 있으며 감쇠극의 주파수를 적절히 조절할 수 있다.Also, if you put a varactor on the microstrip MBG ring, The maximum gain can be obtained by electrically changing the value of and the frequency of the attenuation pole can be adjusted appropriately.

또한, 이러한 MBG 링은 주기성을 필요로 하지 않기 때문에 주기성을 요구하는 기존의 MBG 구조에 비해 마이크로파 회로상에 매우 작은 공간을 차지한다.In addition, since the MBG ring does not require periodicity, it occupies a very small space on the microwave circuit compared to the conventional MBG structure requiring periodicity.

따라서 본 발명에 따른 주파수가변 MBG 링은 마이크로파 증폭기의 소형화 및 이득향상 면에서 일반적인 MBG 구조에 비해 매우 유용하다.Therefore, the frequency variable MBG ring according to the present invention is very useful in comparison with the general MBG structure in terms of miniaturization and gain improvement of the microwave amplifier.

Claims (4)

기판 상부에 형성되는 마이크로스트립 링 구조에 있어서,In the microstrip ring structure formed on the substrate, 양측에 직선형태로 형성되는 급전선과,Feed lines formed in a straight line on both sides, 상기 양측의 급전선 사이에 연접하여 형성되며 중심반지름을 갖는 원형 링과,It is formed by connecting between the feed line of both sides and the center radius A circular ring having: 상기 링 상단을 단락시켜 형성된크기의 협소한 밴드갭을 포함하여서;Formed by shorting the top of the ring Including a narrow bandgap of size; 원형링의 중심반지름과 밴드갭의 크기에 따라 감쇠주파수(여기서,은 양의 홀수,는 진공에서의 빛의 속도,는 실효유전 상수 임)가 변경되고, 그 감쇠 주파수 주위에 저지대역이 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링.Center radius of circular ring And the size of the band gap According to the attenuation frequency (here, Is a positive odd number, Is the speed of light in a vacuum, Is an effective dielectric constant), and a stop band is formed around the attenuation frequency of the microstrip ring having a small frequency variable microwave bandgap structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 링은 직선의 가로길이L과 세로길이W를 가지는 사각형 링으로 형성되며, 링의 가로 길이와 세로길이에 따라 감쇠주파수가 변경되고, 그 감쇠 주파수 주위에 저지대역이 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로 스트립 링.The ring is formed as a rectangular ring having a horizontal length L and a vertical length W of a straight line, the attenuation frequency according to the horizontal length and vertical length of the ring Is changed, and a stopband is formed around the attenuation frequency, wherein the microstrip ring has a small frequency-variable microwave bandgap structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 갭 사이에 칩 캐패시터를 더 부착하여 저지대역 특성을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링.The microstrip ring having a small frequency variable microwave bandgap structure, characterized in that the stop band characteristics can be adjusted by further attaching a chip capacitor between the gaps. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마이크로스트립 링에 배랙터를 더 부착하여 전기적으로 제어가 가능한 마이크로파 스위치로 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 주파수가변 마이크로파 밴드갭 구조를 갖는 마이크로스트립 링.The microstrip ring having a small frequency variable microwave bandgap structure, characterized in that it is further attached to the microstrip ring and used as an electrically controllable microwave switch.
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