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Compact Microstrip Triplexer Using Square Open-Loop Resonators with High Isolation for 5G Sub-6 GHz Applications

본 논문은 5G sub-6 GHz 애플리케이션을 위해 2.2, 2.6, 3.0 GHz 대역 전반에 걸쳐 45 dB를 초과하는 높은 채널 간 격리도를 달축하기 위해 사각형 개방 루프 공진기를 활용한 소형 마이크로스트립 트라이플렉서를 제시한다.

원저자: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

게시일 2026-08-17

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CC BY 4.0

원저자: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

우리 주변의 공기가 무선 전파로 가득 찬 북적이는 보이지 않는 고속도로라고 상상해 보세요. 이 파동들은 우리의 문자, 영상, 통화를 전달하지만, 모두 서로 다른 속도와 '주파수'라고 불리는 서로 다른 '차선'을 따라 이동합니다. 과거에는 여러분의 휴대폰이 사용해야 하는 모든 차선마다 각각 별도의 아주 작은 라디오를 가지고 있었을지도 모릅니다. 하지만 기술이 발전하며 같은 공간 안에 점점 더 많은 차선을 채워 넣게 됨에 따라, 엔지니어들은 까다로운 문제에 직면하게 되었습니다. 어떻게 하면 세 개의 서로 다른 차선을 동시에 들으면서도 그것들이 서로 충돌하지 않게 만드는 하나의 아주 작은 장치를 만들 수 있을까요? 이것이 바로 무선 주파수 공학의 세계이며, 여기서의 목표는 신호를 완벽하게 분류하는 '교통 관제사'를 만드는 것입니다. 만약 이 관제사들이 너무 엉망이라면, 여러분의 영상 통화는 멈추거나 음악은 끊기게 될 것입니다. 이를 해결하는 핵심은 하나의 신호를 세 개의 뚜렷한 경로로 분리하되, 신호들이 서로 실수로 대화하지 않도록 매우 멀리 떨어뜨려 놓는 장치를 만드는 것입니다.

이 논문은 우리의 미래 기기들을 구동할 차세대 5G 네트워크를 위한 이러한 교통 관제사의 새로운 설계를 소개합니다. 그리니치 대학교의 연구진은 신호를 세 개로 나누는 장치인 '트리플렉서(triplexer)'—신호를 세 갈래로 나누는 장치를 뜻하는 멋진 단어입니다—를 제작했습니다. 이것은 마치 마법 같은 삼거리 도로와 같아서, 한 대의 자동차(신호)가 도착하면 즉시 세 개의 서로 다른 차선(2.2 GHz, 2.6 GHz, 3.0 GHz)으로 분류되며, 그 과정에서 절대 막히거나 다른 차의 차량과 섞이지 않습니다. 이를 위해 그들은 '정사각형 개방 루프 공진기(square open-loop resonators)'를 이용한 영리한 기술을 사용했습니다. 길고 곧은 철사를 촘촘한 정사각형 루프로 접는다고 상상해 보세요. 이렇게 하면 철사가 특정 음계에 맞춰 진동하는 스프링처럼 작동하면서도 훨씬 더 좁은 공간을 차지하게 됩니다. 연구팀은 이 루프들을 세 개의 별도 그룹으로 배치함으로써, 세 가지 다른 5G 주파수를 동시에 처리할 수 있는 장치를 만들어냈습니다.

이 연구에서 가장 흥고한 부분은 이 차선들이 얼마나 잘 분리되어 있는가 하는 점입니다. 기존의 많은 설계에서는 신호가 한 차선에서 다른 차선으로 '새어 나와' 간섭을 일으키곤 했는데, 이는 마치 옆집 라디오 소리가 벽을 타고 들리는 것과 같습니다. 연구진은 컴퓨터로 자신들의 설계를 시뮬레이션했고, 그들의 새로운 장치가 차선들을 믿기 힘들 정도로 조용하게 유지한다는 것을 발견했습니다. 한 차선의 신호가 다른 차선으로 새어 나가는 것을 45데시벨(dB) 이상의 격리도로 차단합니다. 이를 체감할 수 있게 설명하자면, 만약 한 차선의 신호가 '외침'이라면, 다음 차선으로 새어 들어오는 신호는 '속삭임'보다도 작을 것입니다. 이는 보통 20~25데시벨 정도의 소음 차단 능력만을 보여주는 대부분의 다른 설계들과 비교했을 때 상당한 개선입니다.

연구팀은 단순히 추측만 한 것이 아니라, 자신들의 아이디어가 작동한다는 것을 증명하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 특수한 유형의 회로 기판 재료 위에 트리플렉서의 가상 모델을 구축하고 성능을 테스트했습니다. 결과는 이 장치가 제 역할을 매우 잘 수행한다는 것을 보여주었습니다. 신호 손실이 거의 없이(약 1데시벨의 신호 강도 손실만 발생) 적절한 신호를 통과시켰으며, 신호를 소스로 다시 반사하는 것도 거의 없었습니다. 비록 이것이 현재는 컴퓨터 시뮬레이션 단계이며 아직 실험실에서 직접 만든 물리적 장치를 테스트한 것은 아니지만, 수치상으로는 만약 이 장치를 실제로 제작한다면 차세대 무선 기술에 완벽하게 부합하는 매우 효율적이고 소형화된 부품이 될 것임을 시사합니다. 이 논문은 특정한 정사각형 루프 설계와 특수한 'T-접합(T-junction)' 연결 방-식을 사용함으로써, 현재 사용 가능한 대부분의 방법보다 신호 누설 문제를 더 잘 해결했으며, 미래의 혼잡한 전파를 관리할 수 있는 더 깨끗하고 콤팩트한 방법을 제시했다고 주장합니다.

기술 요약: 5G Sub-6 GHz 응용 분야를 위한 정사각형 개방 루프 공진기를 이용한 컴팩트 마이크로스트립 트리플렉서

문제 정의
5G NR(New Radio) sub-6 GHz 시스템의 급격한 보급과 함께 LTE 및 Wi-Fi 네트워크의 공존이 가속화됨에 따라, 컴팩트하고 격리도가 높은 수동 다중화 부품에 대한 요구가 커지고 있습니다. 현대의 트랜시버는 단일 공유 안테나 포트를 통해 여러 주파수 채널을 라우팅하는 동시에, 채널 간 간섭과 신호 저하를 최소 최소화할 수 있는 능력을 필요로 합니다. SIR(Stepped-Impedance Resonators), CSRR(Complementary Split-Ring Resonators), 결합 선로 셀(coupled-line cells) 기술을 활용한 기존의 마이크로스트립 트리플렉서 설계들은 소형화에는 성공했으나, 일반적으로 20 dB에서 25 dB 사이의 제한된 채널 간 격리도를 보이는 경우가 많습니다. 이러한 격리 수준은 엄격한 채널 크로스토크 제어가 요구되는 고성능 멀티 표준 프런트엔드에서는 불충고할 수 있습니다. 또한, 직렬로 연결된 다이플렉서(diplexer) 구조는 삽입 손실과 매칭 네트워크의 복잡성을 누적시키는 문제를 안고 있습니다.

방법론
저자들은 특정 5G NR sub-6 GHz 할당 대역인 2.2 GHz, 2.6 GHz, 3.0 GHz에서 동시에 동작하도록 설계된 컴팩트 마이크로스트립 트리플렉서를 제안합니다. 설계 방법론은 다음과 같은 체계적인 접근 방식을 따릅니다:

공진기 선정: 핵심 구성 요소는 정사각형 개방 루프 공진기(Square Open-Loop Resonator, SOLR)입니다. 반파장( $\lambda_g/2$ ) 직선 마이크로스트립 공진기를 결합 간극(coupling gap)이 있는 정사각형 루프로 접음으로써, 선형 차원을 $\lambda_g/8$ 로 축소했습니다. 이 기하학적 구조는 물리적 소형화를 달까기 위해 고유전율 Rogers RT/Duroid 6010LM 기판( $\epsilon_r = 10.7$ , 두께 = 1.27 mm) 상에 구현되었습니다.
필터 합성: 본 트리플렉서는 총 9개의 공진기 폴(pole)을 가진 세 개의 독립적인 3-폴 체비쇼프 대역 통과 필터(BPF) 채널로 구성됩니다. 각 채널은 요소 값 $g_0 = g_4 = 1.0$ , $g_1 = g_3 = 0.8516$ , $g_2 = 1.1032$ 를 갖는 표준 정규화 체비쇼프 저역 통과 프로토타입으로부터 합성되었습니다. 각 채널에는 3%의 분수 대역폭(FBW)과 50 $\Omega$ 의 시스템 임피던스가 할당되었습니다.
통합 및 격리 전략: 세 개의 필터 채널은 T-접합(T-junction)을 통해 공통 입력 포트에 통합됩니다. 핵심 설계 특징은 연결 전송 선로 스터브(TL $_1$ , TL $_2$ , TL $_3$ )의 치수를 각 해당 중심 주파수에서의 약 4분의 1 파장( $\lambda_g/4$ )으로 설정하는 것입니다. 이 구성은 의도하지 않은 채널에 대해 접합 노드에서 고임피던스 조건을 형성함으로써, 보조 저항 없이도 신호 경로를 물리적으로 분리하고 채널 간 격리도를 극대화합니다.
시뮬레이션: 설계는 구리 도체 두께 35 $\mu$ m를 가정하여, Keysight PathWave Advanced Design System(ADS) Momentum을 사용한 전계(full-wave) 전자기(EM) 시뮬레이션을 통해 모델링되었습니다.

주요 결과
전계 EM 시뮬레이션 결과, 제안된 트리플렉서의 성능 지표는 다음과 같습니다:

반사 손실(Return Loss): 본 장치는 2.2 GHz에서 21.1 dB, 2.6 GHz에서 23.1 dB, 3.0 GHz에서 22.8 dB의 반사 손실을 달성하였으며, 이는 잘 매칭된 마이크로파 장치의 기준치인 20 dB를 모두 상회합니다.
삽입 손실(Insertion Loss): 각 채널의 삽입 손실은 각각 1.08 dB, 1.01 dB, 0.98 dB로 기록되었으며, 이는 9-폴 장치로서 낮은 손실 성능을 나타냅니다.
채널 간 격리도(Inter-Channel Isolation): 가장 주목할 만한 결과는 모든 포트 쌍에 대해 45 dB를 초과하는 채널 간 격리도입니다: 45.7 dB (S $_{32}$ ), 45.2 dB (S $_{42}$ ), 45.7 dB (S $_{43}$ ).
물리적 크기: 전체 활성 회로는 기판 상에서 69.45 mm $\times$ 39.7 mm의 경계 상자(bounding box)를 점유합니다.

의의 및 주장
본 논문은 달성된 45 dB 이상의 채널 간 격리도가 최근 보고된 대부분의 마이크로스트립 트리플렉서 설계(일반적으로 sub-6 GHz 범위에서 20~25 dB를 넘기기 어려움)보다 유의미한 개선을 나타낸다고 주장합니다. 저자들은 이러한 높은 격리도의 원인을 보조적인 필터링이나 복잡한 부가 구조에 의존하는 대신, T-접합 통합 방식과 고유전율 기판 상의 SOLR 사용 덕분이라고 설명합니다.

최신 문헌(참고 문헌 [5]–[10])과 비교했을 때, 본 논문은 이 트리플렉서가 2–4 GHz 범위에서 작동하는 마이크로스트립 트리플렉서 중 (훨씬 더 높은 주파수를 대상으로 하는 특수 설계를 제외하고) 가장 높은 채널 간 격리도를 제공한다고 위치를 설정합니다. 이 설계는 직렬로 연결된 다이플렉서 배치와 비교하여 필터링과 라우팅 기능을 단일 모놀리식 장치로 통합함으로써 회로 복잡성과 누적 삽입 손실을 줄이는, 대칭적이고 제어 가능하며 재현 가능한 솔루션으로 제시됩니다. 결론적으로, 이론적 회로 모델과 EM 시뮬레이션 사이의 강력한 일치는 제안된 체비쇼프 합성 및 T-접합 통합 방법론의 타당성을 입증합니다.

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