A Triple-Band Bandpass Filter Using Square Open-Loop Resonators

기술 요약: 정사각형 개방 루프 공진기를 이용한 3중 대역 대역 통과 필터

문제 제기
무선 통신 시스템(4G LTE, UMTS, 5G, Wi-Fi)의 급격한 진화는 여러 주파수 대역에서 동시에 작동할 수 있는 소형 고성능 부품을 필요로 합니다. 다중 대역 동작을 달성하기 위한 기존 방식은 일반적으로 단일 대역 필터를 직렬로 연결하는 것입니다. 그러나 이 방법은 RF 프런트엔드의 물리적 면적을 증가시키고, 삽입 손실을 높이며, 시스템 복잡성을 가중시킵니다. 따라서 넓은 스펙트럼 내에서 특정 주파수 대역을 격리하면서도 소형 폼 팩터와 높은 성능을 유지할 수 있는 통합형 다중 대역 대역 통과 필터(BPF)에 대한 명확한 요구가 존재합니다.

방법론
저자들은 마이크로스트립 정사각형 개방 루프 공진기를 사용하여 단일 대역 BPF를 3중 대역 BPF로 변환하는 설계 방법론을 제안합니다. 이 과정은 다음 단계로 구성됩니다:

1. 이론적 회로 설계: 설계는 표준 정규화 체비쇼프 저역 통과 프로토타입($g_0=1, g_1=g_3=0.8516, g_2=1.1032, g_4=1$)에서 시작됩니다. 이는 2.2 GHz 중심 주파수와 6%의 분수 대역폭(FBW), 50 Ω 특성 임피던스를 갖는 단일 대역 BPF로 변환됩니다. 회로는 먼저 성분 값(직렬 인덕턴스 $L_1$, 커패시턴스 $C_1$, 그리고 결합 커패시턴스)을 결정하기 위해 커패시터 전용 네트워크를 사용하여 모델링됩니다.
2. 다중 대역 변환: 3중 대역 동작을 달성하기 위해, 단일 대역 설계를 기반으로 2.1 GHz 및 2.3 GHz의 중심 주파수를 목표로 하는 두 개의 추가 필터 브랜치를 도출합니다. 이 세 개의 브랜치는 서로 결합되어 9차(nine-pole) 필터(각 패스밴드당 3개의 공진기)를 형성합니다.
3. 파라미터 추출: 이론적인 상호 결합 계수($M$)와 외부 품질 계수($Q_e$)는 체비쇼프 프로토타입과 6% FBW를 기준으로 계산됩니다. 이러한 이론적 값($K=0.0619$ 및 $Q_e=14.1933$)은 물리적 레이아웃의 목표치가 됩니다.
4. 물리적 구현: 필터는 Rogers RT/Duroid 6010LM 기판($\epsilon_r = 10.7, \tan \delta = 0.0023$, 두께 = 1.27 mm) 상에 구현됩니다. 설계에는 9개의 정사각형 개방 루프 공진기가 사용됩니다.
5. 시뮬레이션 및 최적화: 레이아웃은 Keysight Advanced Design System (ADS) 전자기(EM) 소프트웨어를 사용하여 구축 및 시뮬레이션됩니다. 실제 결합 거리($s$)와 태핑 길이($t$)는 이론적 결합 계수 및 외부 품질 계수와 일치하도록 EM 시뮬레이션에서 반복적으로 조정됩니다. 세 가지 특정 공진기 방향이 결합 간격을 추출하기 위해 분석되었습니다.

주요 기여

• 변환 기술: 본 논문은 상호 결합 네트워크 구조를 유지하면서 공진기 브랜치를 추가함으로써 단일 대역 BPF 설계를 3중 대역 BPF로 확장하는 재현 가능한 기술을 보여줍니다.
• 소형 통합: 정사각형 개방 루프 공진기의 사용은 현대 통신 기기에 통합하기 적합한 소형 풋프린트를 가능하게 합니다.
• 협대역 동작: 본 설계는 좁은 200 MHz 범위(2.1, 2.2, 2.3 GHz) 내에서 세 개의 동시 패스밴드를 성공적으로 달성하여, 4G 및 sub-3 GHz 5G 네트워크의 밀집된 채널 문제를 해결합니다.
• 9차 아키텍처: 구현에는 9개의 공진기(대역당 3개)가 사용되며, 이는 일반적인 듀얼 밴드 설계에 비해 더 날카로운 선택도와 개선된 대역 간 차단 성능을 제공합니다.

결과
EM 시뮬레이션 결과는 모든 세 가지 패스밴드에 대해 설계를 검증합니다:

• 중심 주파수: 필터는 2.1 GHz, 2.2 GHz, 2.3 GHz에서 동작합니다.
• 삽입 손실 (IL): 측정된 IL 값은 0.674 dB (2.1 GHz), 0.976 dB (2.2 GHz), 1.314 dB (2.3 GHz)입니다. 저자들은 기판 유전 손실, 결합 접합 불연속성, 고주파에서의 주파수 풀링 효과에 의한 점진적인 손실 증가를 언급했습니다.
• 반사 손실 (RL): 반사 손실은 16.785 dB (2.1 GHz), 33.609 dB (2.2 GHz), 17.162 dB (2.3 GHz)입니다. 2.2 GHz 대역은 전체 설계가 이 주파수를 중심으로 최적화되었기 때문에 표준 20 dB 벤치마크를 크게 상회하는 탁월한 임피던스 매칭을 보여줍니다.
• 선택도: 2.139 GHz와 2.275 GHz에서 두 개의 전송 제로(transmission zeros)가 관찰되며, 이는 패스밴드 사이에서 날카로운 감쇄를 제공합니다.
• 비교: 문헌에 등장하는 최신 듀얼 밴드 및 다중 대역 필터와 비교했을 때, 본 설계는 이처럼 좁은 주파수 범위 내에서 단일 대역 변환 기술을 통해 3중 대역 동작을 달성하고 가장 높은 반사 손실(33.609 dB)을 기록했다는 점에서 독보적입니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 필터가 4G LTE, UMTS 및 sub-3 GHz 5G 애플리케이션을 구체적으로 겨냥하여 현대의 다중 대역 무선 시스템에 대한 쉽고 효과적인 솔루션을 제공한다고 주장합니다. 그 의의는 직렬 연결된 필터의 크기 페널티 없이 세 개의 별개 패스밴드를 단일 마이크로스트립 구성 요소에 통합할 수 있다는 능력에 있습니다. 저자들은 2.2 GHz 중심 주파수가 높은 정밀도로 달성되었음을 강조하며, 설계 방법론이 완전히 재현 가능하고 다른 대역이나 고차 필터로 확장 가능하다는 점을 밝히고 있습니다.

향ere Work (향후 과제)
저자들은 기판 두께 변화, 금속 표면 거칠기, 커넥터 효과와 같은 실제 요인에 대해 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 프로토타입의 물리적 제작 및 측정을 즉각적인 다음 단계로 식별했습니다. 또한 다음과 같은 확장을 제안합니다:

• 쿼드 밴드 또는 고차 필터로의 설계 스케일링.
• 폴디드 암(folded-arms) 정사각형 개방 루프 공진기(FASOLR)를 이용한 추가 소형화.
• 필터링 전력 분배 기술과의 통합.
• 공진기 치수 조정을 통한 다른 대역(예: 3.5 GHz 5G NR, 2.4 GHz Wi-Fi)으로의 동작 주파수 재구성.