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KR20090092466A - 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 ｓｒｒ을 이용한가변형 공진기 - Google Patents

버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 ｓｒｒ을 이용한가변형 공진기

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Publication number
KR20090092466A
KR20090092466A KR1020080017719A KR20080017719A KR20090092466A KR 20090092466 A KR20090092466 A KR 20090092466A KR 1020080017719 A KR1020080017719 A KR 1020080017719A KR 20080017719 A KR20080017719 A KR 20080017719A KR 20090092466 A KR20090092466 A KR 20090092466A
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KR
South Korea
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varactor diode
split ring
srr
ring slot
variable resonator
Prior art date
Application number
KR1020080017719A
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English (en)
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KR100958832B1 (ko
Inventor
명로훈
임호
정원석
임상호
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P1/20354—Non-comb or non-interdigital filters
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 스플릿 링 공진기를 이용한 가변형 공진기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 전파 전송을 위한 마이크로스트립 또는 CPW 전송선 또는 안테나 안에 스플릿 링 공진기(SRR) 모양의 슬롯을 낸 상보적 구조의 스플릿 링 공진기(CSRR, Complementary SRR) 구조에 버랙터 다이오드를 장착함을 특징으로 하며, 발명자들에 의해 VLCSRR (Varactor-Loaded CSRR) 이라고 명명하기로 한다. 이러한 본 발명은 마이크로웨이브의 여러 디바이스에 적용하여 사용함으로써 디바이스의 사이즈를 작게 할 수 있게 하며, 또한 목표 주파수를 선택적으로 정할 수 있게 한다.

Description

버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 ＳＲＲ을 이용한 가변형 공진기{A Novel Compact Tunable Resonator Based on Varactor-Loaded Complementary Split-Ring Resonator}
본 발명은 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 스플릿 링 공진기를 이용한 가변형 공진기에 관한 것으로, 공진기의 크기를 작게 하고, 목표 주파수를 선택적으로 결정할 수 있는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기에 관한 것이다.
과거에 펜더리(Pendry) 가 스플릿 링 공진기(Split-Ring Resonator, 이하 SRR) 구조에 대해 실험적으로 선도적인 연구를 한 이후에, SRR은 음의 투자율을 갖는 인공적인 매질을 필요로 하는 마이크로웨이브 소자에 매우 다양하게 적용되어 왔다.
SRR의 중심축에 평행한 방향으로 시간에 따라 변하는 자기장이 가해지면, SRR이 놓여진 선로를 따라 공진주파수 위/아래에서 투자율이 매우 높은 음의/양의 값이 된다. 공진주파수 근처에서 SRR은 전기적으로 매우 작은 크기를 가지게 되고, 이는 마이크로웨이브 소자의 소형화에 매우 적합하다.
이러한 구조를 이용한 방법은 전통적인 방법보다 소형화 관점에서 매우 전도유망한 방법이라 할 수 있다. 최근에, SRR 구조를 이용해 평면형 대역저지 필터 소형화의 가능성이 실증되었다.
쌍대성 원래 (바비넷 원리) 에 기초를 둔 상보적 구조를 가진 스플릿 링 공진기 (Complementary Split-Ring Resonator, 이하 CSRR)를 이용해 대역저지 필터의 소형화도 실증되었다.
이러한 구조를 이용한 방법들은 기존에 사용된 EBG (Electromagnetic BandGap)을 이용한 방법보다 전기적인 크기가 작은 소형의 필터를 구현할 수 있었다. 그 이후에, 질(Gil)과 동료들에 의해 버랙터가 장착된 스플릿 링 공진기(Varactor-Loaded Split-Ring Resonator-loaded, 이하 VLSRR)가 제안되었다.
이 VLSRR은 초소형과 가변형의 특징을 가지는 소자이므로 매우 전도 유망한 소자라고 할 수 있다. 하지만, 이러한 VLSRR 공진기를 마이크로스트립에 적용하기 위해서는 마이크로스트립 중앙 선로 옆쪽에 위치시켜야 하고, 일반적으로 쌍으로 위치시키게 된다. 따라서 현재 RF 회로기술의 핵심 키 포인트 중 하나인 소형화 측면에서 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,마이크로스트립 또는 CPW 전송선 또는 안테나 안에 상보적 형태의 SRR 모양으로 슬롯을 내어 CSRR 공진기를 구현하고 버랙터를 장착함으로써 소형, 가변형의 특성을 가지는 작은 사이즈의 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 금속 박막이 형성된 기판, 상기 기판상에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯, 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드를 포함한다.
여기서, 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯은 일정한 크기의 제 1 폭으로 형성된다.
또한, 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 제 1 폭으로 형성된 부분 및 상기 제 1 폭보다 큰 제 2 폭으로 형성된 부분으로 이루어진다.
상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 제 2 폭으로 형성된 부분의 내부에 형성되는 하나 이상의 금속 전극을 더 포함한다.
여기서, 상기 버랙터 다이오드는 상기 제 2 폭으로 형성된 부분 내부에 장착된다.
상기 버랙터 다이오드는 상기 금속 전극에 장착된다.
상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 사이의 금속과 일단자가 전기적으로 연결되고, 상기 버랙터 다이오드와 타단자가 전기적으로 연결되는 제 1 커패시터를 더 포함한다.
상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 외부의 기판 금속과 일단자가 전기적으로 연결되고, 상기 버랙터 다이오드와 타단자가 전기적으로 연결되는 제 2 커패시터를 더 포함한다.
상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 버랙터 다이오드의 양 단자에 각각 연결되는 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터를 더 포함한다.
상기 기판은 일정한 상대 유전율을 가지는 물질로 이루어진 유전체층 및 상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 금속 박막을 포함한다.
상기 안쪽 스플릿 링 슬롯 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 상기 기판의 일면에 형성된 금속 박막을 제거하여 형성된다.
상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 버랙터 다이오드 양단에 인가하는 역 바이어스 전압의 크기가 증가할수록 공진 주파수가 높아진다.
상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯의 폭과 크기 및 모양에 따라 공진 주파수가 달라진다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 특징에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 금속 박막으로 형성된 마이크로 스트립, 상기 마이크로 스트립 내에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯, 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯, 상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드, 상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터 및 상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 인덕터를 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 금속 박막으로 형성된 CPW(Coplanar Waveguide) 전송선로, 상기 CPW 전송선로 내에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯, 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯, 상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드, 상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터 및 상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 VLCSRR 공진기를 이용하여 가변형 공진기를 구현함으로써 초소형의 가변형 마이크로웨이브 디바이스를 구현할 수 있으며, 그 예로 대역저지 구간에서 충분히 높은 대역저지 능력을 갖고, 대역통과 구간에서는 손실이 작은 필터 등으로 구현할 수 있다.
또한, 초고주파 집적회로(Monolithi microwave circuit)나 평면형 공정을 필요로 하는 회로에 다양하게 이용될 수 있고, 차세대(next generation)의 키 화두인 재구성 가능한 시스템(reconfigurable system)에 매우 전도 유망하게 쓰일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 VLCSRR의 기본적인 기판 구조가 도시된 도.
도 2는 본 발명에 따른 VLCSRR의 기판에 전기적 소자가 장착된 모습이 도시된 도,
도 3은 본 발명에 따른 VLCSRR의 등가 회로 모델이 도시된 도,
도 4는 일반적인 SRR의 구조가 도시된 도,
도 5는 도 4의 등가 회로 모델이 도시된 도,
도 6은 일반적인 CSRR의 구조가 도시된 도,
도 7은 도 6의 등가 회로 모델이 도시된 도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 VLCSRR을 이용한 대역저지 필터의 치수를 설명하기 위한 도,
도 9는 도 8의 수직 단면이 도시된 도,
도 10은 본 발명에 따른 VLCSRR을 이용한 대역저지 필터의 실제 제작된 모습이 도시된 사진,
도 11은 본 발명에 따른 VLCSRR에서 버랙터 다이오드를 제거한 대역저지 필터의 산란계수 시뮬레이션과 측정 결과가 도시된 도,
도 12는 본 발명에 따른 VLCSRR을 이용한 대역저지 필터의 산란계수 시뮬레이션 과 측정결과가 도시된 도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100, 200, 300: 기판
110, 210, 310: 안쪽 스플릿 링 슬롯
120, 220, 320: 바깥쪽 스플릿 링 슬롯
130: 금속 전극
140: 기판 하부 금속 박막
La, Lb: 제 1 및 제 2 인덕터
Ca, Cb: 제 1 및 제 2 커패시터
Dv: 버랙터 다이오드
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 VLCSRR의 기본적인 기판 구조가 도시된 도이며, 도 2는 본 발명에 따른 VLCSRR의 기판에 전기적 소자가 장착된 모습이 도시된 도이며, 도 3은 본 발명에 따른 VLCSRR의 등가 회로 모델이 도시된 도이다.
도 1 내지 도3을 참조하면, 빗살무늬 패턴이 들어간 부분은 초고주파 기판에서 VLCSRR 공진셀을 형성하기 위한 금속이 남아 있는 부분이고, 흰색 부분은 에칭되어 금속이 없이 유전체만 있는 부분이다.
본 발명에 따른 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 금속 박막이 형성된 기판(100), 상기 기판상에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯(110), 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯(120) 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드(Dv)를 포함한다.
안쪽 스플릿 링 슬롯은 일정한 폭으로 형성되며, 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 얇은 폭으로 된 부분과 넓은 폭으로 된 부분을 가진다.
넓은 폭으로 된 부분에는 버랙터 다이오드를 포함한 전기 소자들이 장착되는 부분이다.
이하 안쪽 스플릿 링 슬롯은 안쪽 슬롯, 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 바깥쪽 슬롯으로 간략하게 약칭한다. 본 발명에서 슬롯은 금속 박막을 제거한 부분을 말한다.
본 발명에서는 금속 박막이 형성된 기판(100)을 사용하는데, 그 일실시예로 초구주파 기판을 사용할 수 있다. 초고주파 기판이란 일정한 상대 유전률을 갖는 물질을 얇은 두께로 가공한 후, 그 양쪽면에 얇은 금속을 붙여 이 금속을 에칭함으로써 얻어지는 기판이다. 본 발명에서는 실험을 위해 타코닉(taconic)사의 RF-35(상대유전율:3.5 두께:0.76mm)를 사용하였다.
또한, 본 발명에 따른 VLCSRR 공진셀(안쪽 스플릿 링 슬롯 및 바깥쪽 스플릿 링 슬롯이 있는 부분)은 기판의 한쪽면에 있는 금속판에 감광물질(photo-resist, 이하 PR)을 도포하고 사전에 제작된 나선형(Spiral) 공진셀의 레이아웃이 그려진 마스크로 빛을 차단하여 PR의 일부분만 에칭액에 의해 에칭되도록 하며, 그 후 에칭액에 상기 기판을 담그면 PR이 남아 있지 않은 부분만 금속이 에칭되어 원하는 나선형(Spiral) 공진셀의 모양을 얻을 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 VLCSRR에 사용되는 버랙터 다이오드(Dv)는 KEC사의 KDV316E로써 역 바이어스 전압이 1V에서 25V로 변할 때 캐패시턴스가 7.22 pF에서 0.48 pF으로 변하는 소자이다.
본 발명에 따른 VLCSRR 공진셀에 버랙터를 장착하지 않았을 경우에 실험에서 목표주파수인 2.2GHz에서 공진을 하도록 하기 위해, 다음과 같은 치수를 갖도록 설계하였다. 즉, VLCSRR 공진셀의 전체 크기는 가로, 세로(L,W) 각각 15.5mm, 2.75mm이다. 바깥쪽 슬롯 중 얇은 부분의 두께와 안쪽 슬롯의 두께(c, d)는 각각 0.25mm, 0.25mm이고, 바깥쪽 슬롯 중 두꺼운 부분의 간격(g)는 3.5mm이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 VLCSRR을 이용한 대역저지 필터의 치수를 설명하기 위한 도이다.
본 발명은 그 일 실시예로 마이크로 스트립 상에 VLCSRR을 구현할 수 있다.
도 8을 참조하면, 안쪽 라인의 길이는 1.6mm이다. 상기 마이크로스트립 전송선 중 양쪽 가장자리 부분(W2)의 두께는 목표주파수인 2.2GHz에서 50옴을 맞추기 위한 치수인 1.68mm이고, VLCSRR 가변형 공진기가 위치한 중앙부분의 두께(W3)는 VLCSRR 공진기를 위치시키기 위해 50옴보다 낮은 임피던스를 갖는 치수인 3.68mm이다. 이러한 서로 다른 임피던스의 매칭을 위하여 폭이 변하는 부분(Tapered line(L2))이 형성된다. 또한 기판의 뒷면은 아무런 공정이 가해 지지 않은 마이스트립의 그라운드 부분이다.
기판의 전체 크기 (L1×W1)는 30 × 25mm2이고, 임피던스 정합을 위한 테이퍼드 라인(Tapered line)을 제외한 필터의 총 길이 (L3)는 17mm이다. 여기서 중요한 점은 VLCSRR 공진기들이 차지한 길이가 총 17mm밖에 되지 않는다는 데에 있다.
이것은 전송 선로상 한 파장의 길이가 83mm인 것에 비교하면 전기적으로 작다고 할 수 있다. 그러므로 이러한 구조를 이용하면 매우 작은 크기의 마이크로웨이브 디바이스를 구현할 수 있다.
이러한 구조를 해석하기 위해서 먼저 금속으로 구현된 SRR 공진기를 해석해보기로 한다.
도 4는 일반적인 SRR의 구조가 도시된 도이며, 도 5는 도 4의 등가 회로 모델이 도시된 도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, SRR 공진기 구조의 필터링 특성은 LC 등가회로 모델로 분석할 수 있는데, SRR 공진기의 중심축에 평행한 방향으로 시간에 따라 변하는 자기장(Time-variying magnetic field)이 가해지면 패러데이 유도법칙에 의해 SRR 공진기에 전류가 유기된다.
이 경우 흐르는 전류에 따라 인덕턴스가 발생하며 전압분포에 따라 안쪽 링과 바깥쪽 링 사이에 캐패시턴스가 발생한다.
결과적으로 SRR 공진기의 등가회로모델은 도 5와 같이 나타낼 수 있다. 도 5에서 Cs는 SRR의 두 슬릿을 잇는 직선으로 선을 그었을 때의 좌측 부분에서와 우측 부분에서 생기는 캐패시턴스의 직렬 연결 캐패시턴스 성분, Ls는 전류가 링에 흐를 때의 총 인덕턴스를 나타낸다. 등가회로에 대한 공진 주파수는 다음과 같이 표현된다.
이제 상보적 형태, 즉 금속 부분과 비 금속 부분이 서로 바뀐 형태인 SRR 모양의 슬롯을 낸 CSRR 구조를 살펴본다.
도 6은 일반적인 CSRR의 구조가 도시된 도이며, 도 7은 도 6의 등가 회로 모델이 도시된 도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, CSRR 공진기는 SRR 공진기의 대응물(Counterpart)이다. 따라서 금속이었던 부분과 금속이 아니었던 부분이 서로 대체되면서 쌍대성 원리(Duality Theorem)에 의해 가해졌던 전기장과 자기장의 역할이 서로 바뀌게 됨을 기대할 수 있다.
이는 금속 라인 SRR을 동작시키기 위해서 SRR 공진기의 축에 평행하게 시간에 따라 변하는 자기장을 가했다면, SRR 모양의 슬롯(금속을 제거한 것)을 낸 구조를 동작시키기 위해서는 축에 평행하게 시간에 따라 변하는 전기장을 가해야 한다는 의미이다.
일반적으로 바비네의 원리(Babinet's principle)에 의해 금속의 평면형 구조의 상보적인(Complementary)구조는 원래의 금속부분과 금속이 아닌 부분을 서로 바꾸어 구현할 수 있다. 이러한 기법으로 SRR 모양의 슬롯을 이용한 CSRR 공진기는 축에 평행하게 시간에 따라 변하는 전기장으로 공진특성을 얻을 수 있다.
이제 본 발명에 따른 VLCSRR 공진기를 이용한 가변형 공진기를 도 1, 도 2 및 도 8, 도 9를 참조하여 해석해 보기로 한다. VLCSRR 공진기의 바깥쪽 슬롯에 도 2와 같이 버랙터 다이오드를 위치시키기 위한 공간(넓은 폭으로 형성된 슬롯 부분)을 확보한 후 버랙터 다이오드(Dv)를 위치시켰다.
이 경우 바깥쪽 슬롯의 공간 부분에는 전기 소자들이 장착되는 금속 전극(130)이 다수 형성된다.
바깥 슬롯의 외곽에 있는 바깥 도체와 바깥 슬롯과 안쪽 슬롯 사이의 안쪽 도체가 전기적으로 서로 연결이 되어 있으므로 버랙터 다이오드(Dv) 양단간에 역 바이어스 전압을 걸어주기 위해서 DC 차단 역할을 하는 칩 캐패시터(Ca, Cb)를 버랙터 다이오드 양단간에 위치시킨다.
도 9는 도 8의 단면이 도시된 도이다.
도 9를 참조하여 수직 구조를 살며보면, 기판 상에 본 발명에 따른 VLCSRR(500)이 w의 폭으로 형성되고, 그 밑에 높이 h를 가지는 유전체층(510)이 있으며, 최하부에는 금속 박막(520)이 있다.
VLCSRR에 전류를 흘려주면, 자기장(H)이 발생하고, 자기장과 수직인 방향으로 전기장(E)이 형성된다.
마이크로 스트립에 전원을 인가하게 되면 시간에 방향과 크기가 변하는 전류가 마이크로스트립 중앙 선로에 흐르게 된다. 이에 따라서 각 시점에서 패러데이 법칙에 의해 전류가 흐르는 방향을 오른손의 엄지손가락 방향으로 마이크로스트립 중앙 선로를 감싸쥐었을 때 나머지 네 손가락이 향하는 방향으로 자기장이 생기게 된다.
전류가 시간에 따라 변하므로 자기장 또한 시간에 따라 변하게 된다. 또한 마이크로 스트립 중앙 선로에 전류가 흐르게 되면 마이크로스트립의 중앙선로부분은 양의 전위 상태가 되고, 마이크로스트립의 유전체 아랫부분에 위치한 그라운드는 음의 전위 상태가 되기 때문에, 양의 전위에서 음의 전위 방향으로 전기장이 생기게 된다. 이 또한 시간에 따라 변하는 전류에 의해 시간에 따라 변하는 전기장이 발생하게 된다.
버랙터 다이오드(Dv)에 바이어스 전압을 가하지 않을 경우, 버랙터 다이오드는 칩 캐패시터(Ca, Cb)와 버랙터 다이오드(Dv)에 의해 큰 캐패시턴스 값을 갖게 되고, 바깥 도체와 안쪽 도체사이의 전기적인 간격이 작아진다.
따라서 쌍대성 원리에 의해 대응물의 바깥쪽 링에 큰 인덕턴스가 발생되고, 공진주파수는 낮은 값을 가진다.
바이어스 전압이 커지면, 버랙터 다이오드(Dv)는 작은 캐패시턴스 값을 가지므로 대응물의 바깥 링의 인덕턴스가 작아지기 때문에 공진 주파수가 점점 높아지게 된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 VLCSRR 공진기를 이용한 가변형 공진의 성능을 검증하기 위해서 본 발명의 공진기를 이용하여 대역저지 필터를 도 8과 같이 구현하였다.
성능을 검증하기 위하여 Agilent사의 상용 시뮬레이션 툴인 Advanced Design System (ADS)로 시뮬레이션 했으며, 측정은 HP 8722ES 벡터 네트워크 아날라이져로 행해졌다.
제작된 필터는 도 10과 같다.
도 10은 본 발명에 따른 VLCSRR을 이용한 대역저지 필터의 실제 제작된 모습이 도시된 사진이다.
먼저 버랙터 다이오드와 칩 캐패시터가 없을 때의 주파수 응답 특성을 도 11과 같이 얻었다. 목표 주파수인 2.2 GHz를 얻기 위해서 도 1의 CSRR 디멘젼 (c=0.25 mm, d=0.25mm, g=3.5mm)을 ADS Momentum 상용 소프트웨어를 이용해 결정하였다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 매우 잘 일치한다.
공진주파수는 2.2 GHz이고 대역폭은 산란계수인 S21의 값이 -10dB를 기준으로 약 0.2GHz (2.1 ∼ 2.3GHz)이다. 공진 주파수 근처에서 S21 = -27dB로 충분한 대역저지를 보여주며, 통과대역에서는 S21 < -1dB로 삽입손실이 충분히 작음을 알 수 있다.
VLCSRR 셀을 몇 단 더 사용하면 좀 더 높은 대역 저지 레벨과 좀 더 샤프한 스커트 특성을 얻을 수 있다. 또한 여러 단의 VLCSRR의 크기 혹은 역 바이어스 전압을 서로 다르도록 조절함으로써 더 넓은 대역폭을 얻을 수 있다.
다음으로 버랙터 다이오드 양단간의 바이어스 전압을 바꾸면서 측정하였고, 결과를 도 12에 나타내었다. 역 바이어스 전압이 증가할수록, 공진주파수가 높은 주파수로 이동하였다.
이것은 역 바이어스 전압이 증가할수록 버랙터 다이오드의 캐패시턴스 값이 작아지게 되고, 이에 따라 대응물의 바깥쪽 링의 인덕턴스 값이 작아지게 되기 때문에 공진 주파수가 높아지는 것이다.
바이어스 전압이 작으면, 버랙터 다이오드의 캐패시턴스 값이 커지고, 이에 따라 캐패시턴스의 기여가 증가하게 되기 때문에 버랙터 다이오드의 저항 성분과 버랙터 다이오드와 패드 사이의 접합 저항 (junction resistance) 성분 효과가 커지게 되어, 바이어스 전압이 감소할수록, 대역저지 레벨이 작아지는 경향을 보이게 되고, 이는 저항 성분이 작은 버랙터를 이용하여 일정 부분 개선할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 VLCSRR 가변형 공진기는, 그 일 실시예로 마이크로 스트립 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 전송선 또는 안테나 안에 상보적 형태의 SRR 모양으로 슬롯을 판 CSRR에 버랙터 다이오드를 장착하여 공진 특성을 얻을 수 있고, 공진기의 치수와 버랙터 다이오드 양단간의 역 바이어스 전압을 변화시킴으로써 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 VLCSRR 공진기의 공진 특성은 VLCSRR 공진기의 개수를 증가시킴으로써 대역저지 레벨의 크기를 크게 하여 대역저지 특성을 더 좋게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 VLCSRR 공진기의 공진 특성은 여러개의 VLCSRR 공진기의 크기 또는 역바이어스 전압을 각각 다르게 하여, 더 넓은 대역폭을 얻을 수 있으며, 여러 개의 VLCSRR 공진기 사이의 거리에 따라, 산란계수인 S21의 좌우 대칭 정도를 다르게 할 수 있다.
본 발명에 따른 VLCSRR 공진기를 이용하게 되면 마이크로스트립에 적용할 때 마이크로스트립 중앙 선로 안쪽에 위치시켜야 하고, 기 발표된 VLSRR에 비해 VLCSRR은 일반적으로 같은 성능 (같은 대역저지 레벨, 같은 삽입 손실)을 얻는 데 필요한 공진기의 수가 절반이 되고, 또한 센터라인에 slot을 파서 구현하기 때문에 마이크로스트립과 공진기가 일정 영역을 공유하기 때문에 소형화의 측면에서 면적비로 1/2이상 줄어드는 효과가 있다고 하겠다. 즉. 기 발표된 VLSRR과 비교 할때, 가변형의 특징은 그대로 유지하면서, 전체 크기를 1/2이상 줄일 수 있기 때문에 매우 전도 유망한 소자라고 할 수 있겠다.
이상과 같이 본 발명에 의한 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 금속 박막이 형성된 기판;
    상기 기판상에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯;
    상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯; 및
    상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드를 포함하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안쪽 스플릿 링 슬롯은 일정한 크기의 제 1 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 제 1 폭으로 형성된 부분; 및
    상기 제 1 폭보다 큰 제 2 폭으로 형성된 부분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 제 2 폭으로 형성된 부분의 내부에 형성되는 하나 이상의 금속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드는 상기 제 2 폭으로 형성된 부분 내부에 장착된 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드는 상기 금속 전극에 장착되는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 사이의 금속과 일단자가 전기적으로 연결되고, 상기 버랙터 다이오드와 타단자가 전기적으로 연결되는 제 1 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 외부의 기판 금속과 일단자가 전기적으로 연결되고, 상기 버랙터 다이오드와 타단자가 전기적으로 연결되는 제 2 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 버랙터 다이오드의 양 단자에 각각 연결되는 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 일정한 상대 유전율을 가지는 물질로 이루어진 유전체층; 및
    상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 금속 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 초고주파 기판인 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 안쪽 스플릿 링 슬롯 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯은 상기 기판의 일면에 형성된 금속 박막을 제거하여 형성된 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 버랙터 다이오드 양단에 인가하는 역 바이어스 전압의 크기가 증가할수록 공진 주파수가 높아지는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기는 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯 및 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯의 폭과 크기 및 모양에 따라 공진 주파수가 달라지는 것을 특징으로 하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  15. 금속 박막으로 형성된 마이크로 스트립;
    상기 마이크로 스트립 내에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯;
    상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯;
    상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드;
    상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터; 및
    상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하나 이상의 커패시터는 상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 사이의 금속 및 상기 버랙터 다이오드의 일측에 양 단자가 연결되는 제 1 커패시터; 및
    상기 바깥쪽 스플릿 링 슬롯 외부의 기판 금속 및 상기 버랙터 다이오드의 타측에 양 단자가 연결되는 제 2 커패시터로 구성되는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 하나 이상의 인덕터는 상기 버랙터 다이오드의 양 단자에 각각 연결되는 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터로 구성되는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
  18. 금속 박막으로 형성된 CPW(Coplanar Waveguide) 전송선로;
    상기 CPW 전송선로 내에 형성된 비금속 재질의 안쪽 스플릿 링 슬롯;
    상기 안쪽 스플릿 링 슬롯과 소정 간격 이격되어 형성된 비금속 재질의 바깥쪽 스플릿 링 슬롯;
    상기 바깥쪽 스플릿 링 내부에 장착되는 버랙터 다이오드;
    상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터; 및
    상기 버랙터 다이오드에 연결되는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 버랙터 다이오드를 장착한 상보적 구조의 SRR을 이용한 가변형 공진기.
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