Ⅰ. 서 론

지능형 교통시스템 (ITS: Intelligent Transport System) 은 교통 혼잡성을 효율적으로 해결하기 위해 토목 건 설, 도시환경 및 전자통신기술 등을 융합시킨 스마트 (smart) 도로망이라 할 수 있다[1]. 최근 ITS 시장은 효과 적인 교통시스템을 실현시킴으로써 기존의 교통체계 를 개선시키기 위해 민간 및 정부기관이 협력을 하여 첨단기술을 활용한 시스템 구축을 시도하고 있다[2]. 최첨단 도로 체계를 구축하기 위해서는 유·무선 통합 네트워크(network) 확대가 필수적이며 도로와 차량에 서 수집된 동영상의 데이터들은 라우터 (Router)를 통 하여 중앙처리 장치로 해당 광대역 채널(channel)을 통 해 전송된다. 그러므로 동영상 및 각종 데이터들을 해 당 채널 대역을 통해 전송하기 위해서 초광대역(UWB : Ultra wide Band) 대역통과 여파기 등이 사용되고 있으 며 이를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서 참 고문헌 [3]은 다중모드 (multi mode) 공진기를 이용한 마이크로스트립(microstrip) 형태의 여파기가 소개되고 있는데, 이는 매우 작은 슬롯(slot)의 수치로 인해 제작 하는데 어려움이 따르고 있다. 낮은 특성 임피던스를 갖는 λ_g/4 길이의 개방형 마이크로스트립 전송선로 를 링(Ring) 공진기에 병렬로 연결하는 구조를 갖는 초광대역 대역통과 여파기는 광대역 특성을 얻기 위해 병렬 스터브(stub)의 10Ω 이하에 해당되는 매 우 낮은 임피던스가 요구되지만 매우 낮은 임피던 스로 인해 스터브의 크기가 매우 커지므로 실제의 적용하는데 어려움이 따르게 된다[4]. 이러한 단점 들을 극복하고자 본 논문은 2단 SIR(Stepped Impedance Resonator)을 이용한 초광대역 λ_g/2 개방 형 스터브 대역통과 여파기에 대하여 제안을 한다. 제안된 초광대역 스터브 대역통과 여파기는 광대역 특성을 얻기 위해 스터브의 위치에 2단의 SIR을 적 용하여 우수한 특성을 얻을 수 있도록 하였고, SIR 의 특징은 삽입손실 면에서 매우 우수한 것으로 제 시되고 있다[5]. 또한 SIR의 형태를 기본으로 하는 스터브는 상단부와 하단부로 분리되어 임피던스 차 이를 줌으로써 임피던스 값에 관계없이 실제의 크 기에 제한받지 않으므로 시스템에 적용하는데 대체 적으로 용이하다.

본 논문의 구성은 본문 Ⅱ에서 기존의 문헌과 논 문에서 제시한 스터브 대역통과 여파기의 동향 분 석에 대해 소개를 하며, 본문 Ⅲ과 Ⅳ에서는 제안된 초광대역 대역통과 여파기에 대해 논의를 한다.

Ⅱ. λ_g/2 개방형 스터브 대역통과 여파기의 분석

<그림 1>에서 소개되는 스터브 대역통과 여파기 는 참고문헌 [6]에서 명시된 것과 기본적으로 통과 대역 50%의 대역폭을 갖고 동작 하도록 제시되고 있 다[6]. 그 이유는 스터브 값과 스터브의 실제의 넓이 값이 통과 대역폭에 연관되는데, 만일 통과 대역폭이 50%를 벋어나게 된다면 스터브의 임피던스 값은 <표 1> 및 <표 2>와 같이 계산되어 스터브의 실제 넓이가 PCB상에 제작하는데 어려움이 발생 된다[6].

<표 1> 및 <표 2>와 같이 협대역(10%)의 경우, 매우 낮은 임피던스 값으로 인해 스터브의 넓이가 매우 커지므로 시스템에 적용하는데 어려움이 따르 게 된다. 뿐만 아니라 참고문헌 [6]에서 제시되는 일 반적인 스터브 대역통과 여파기의 경우, 대역폭이 20%~60%가 해당 되는 데, 이는 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시켜 주어야 하는 시스템의 특성 상 이 여파기를 시스템에 적용하기는 어렵다[7]. 또한 상기 여파기가 초광대역(100% 이상)으로 넘어가게 된다면 스터브의 넓이가 PCB상에서 실제의 제작하 는데 어려움이 따르게 되어 공정하는데 비용이 초 과될 것으로 판단된다.

또한 100 % 이상을 갖는 초광대역의 경우, 스터브 의 임피던스 값이 매우 커지게 되고, 따라서 스터브 의 넓이가 극히 좁아지므로, 실제 제작하는데 어려움 이 따르게 된다. 한편, <표 3>에서는 기존에 제안되 었던 스터브 대역통과 여파기를 협대역과 광대역으 로 구현할 수 있는 방법에 대해 소개를 하고 있는데, 협대역 스터브 대역통과 여파기를 구현하기 위해서 는 <그림 2>와 같이 스터브의 임피던스 값 변화 없 이 스터브의 위치를 이동시킴으로써 Q_e (External Quality Facotr) 값의 변화에 따라 협대역으로 변화시 키는 방법에 대하여 제안된 사례가 있다[7].

광대역 스터브 대역통과 여파기를 구현하기 위해 <그림 3>과 같이 상단 스터브(l_1a, l_2a, l_3a)의 임피던스 값(Z_1a, Z_2a, Z_3a)은 고정시킨 후 하단 스터브(l_1b, l_2b, l_3b)의 임피던스 값(Z_1b, Z_2b, Z_3b)을 낮게 변화시킴으로 써 광대역으로 구현할 수 있는 Z-변환 방법에 대해 제안된 사례가 있었다[8].

이는 주로 3G 통신 시스템에 적용하기에 매우 우 수하며 특히, 삽입손실과 반사손실 그리고 광대역 특성 면에서 매우 우수할 뿐만 아니라 차단특성도 매우 우수하다. 그러나 최근 4G LTE 시대 흐름에 맞도록 사용되는 초고속 교통통신 시스템에서는 멀 티미디어, 메시지, 음성, 사진, 동영상, 인터넷 등, 이 에 대한 데이터들을 처리하기 위해 100% 이상의 대 역폭을 갖는 초광대역 대역통과 여파기가 요구되고 있는 추세이다.

Ⅲ. UWB 개방형 스터브 대역통과 여파기의 구현 및 제작

현대 초고속 교통통신 단말기에서 고화질 동영상 및 대용량 멀티미디어 데이터를 초광대역으로 전송 하기 위해서는 초광대역 대역통과 여파기를 필요로 하고, 낮은 삽입손실과 100%이상의 대역폭이 요구 된다. 참고문헌 [8]에서 소개되는 Z-변환을 이용한 스터브 대역통과 여파기는 대역폭을 증가시키기 위 해 하단 스터브의 넓이를 증가시키는 방법이 소개 되고 있다.

그러나 본 논문에서는 참고문헌 [9]에서 소개되는 SIR을 이용하여 초광대역에 맞는 임피던스 값을 설 정한 후 스터브에 적용하는 방법을 제안하여 대역 폭을 증가시키도록 하였다. 제안한 스터브 대역통과 여파기의 장점은 삽입손실이 매우 우수한 특성을 나타낸다.

본 논문에서 제안한 초광대역 개방형 스터브 대 역통과 여파기는 <그림 3>과 같이 λg/4 전송선로와 SIR로 구현된 스터브들로써 구성된다. 그림에서 Z1 과 Z2는 전송선로에 대한 임피던스(impedance)이며 θ1과 θ2는 전송선로에 관한 전기적 길이를 의미한 다. UWB의 동작을 위해 스터브는 <그림 4>와 같이 2단의 개방형 SIR로 구성되며 스터브를 바라보는 SIR의 입력 임피던스는 식 (1)과 같이 해석 된다[4].

위에서 언급되는 식의 Z_ij에서 i=1∼3, 그리고 j=a, b이고, 여기서 Z_ia와 Z_ib는 Z_ij에 해당되며 이는 SIR 스터브의 임피던스에 속하게 된다. 스터브의 전기적 길이의 θ_ia, θ_ib에서 i=1∼3에 해당되며, 물리적 길이 의 l_ia, l_ib에서 i=1∼3에 해당된다. 이때, 스터브의 공 진조건에서 입력 어드미턴스(admittance) Y_in=0 이므 로, K=tanθ_ia·tan θ_ib로 취 할 수 있다[5]. SIR 스터 브의 입력 임피던스 Z_in와 각각의 스터브 임피던스 (Z_ia 및 Z_ib)의 정합 조건은 식 (2)와 같으며 결국 Z_ia//Z_ib=Z_in이 된다.

<표 4>는 <그림 3>에서 보여주고 있는 여파기의 임피던스와 크기 정보에 대해 제시되고 있다.

제안된 여파기의 설계를 위한 초기과정에서는 등 방성(symmetric) 구조의 0.1dB에 해당하는 등리플 (Chebyshev equal ripple) 형태를 기본으로 하는 저역 통과 기본형(low-pas prototype)에 따라 구현을 하도록 하였는데[6], 이를 위해 IE3D tools(ver. 12.0)을 이용 하여 설계를 하였고 제작을 위해 <그림 5>와 같이 유전율 2.54 그리고 기판 두께 0.54mm를 갖는 테프 론(teflon) 기판을 적용하여 wet-etching을 수행 하였으 며 여파기의 전체 크기는 21.6×17.8mm²이다.

Ⅳ. 실험결과 및 비교 고찰

제안된 초광대역 개방형 스터브 대역통과 여파기 의 실험결과는 <그림 6>에 제시되었고, 측정을 위해 HP-8510C 회로망 분석기(Vector Network Analyzer)를 사용하였으며 <표 5>에 실험결과 값들을 명시하였다.

제안된 초광대역 스터브 대역통과여파기는 비교 적 낮은 삽입손실을 갖고 있으며 장점은 SIR구조와 그에 해당되는 식을 이용하여 광대역 특성을 간편 하게 얻을 수 있다.

하지만 <그림 6>에서 보여주고 있는 측정결과의 S11에서 두 번째 극(pole)이 시뮬레이션 결과와 비교 했을 때 약간 상이한 것이 뚜렷하게 보여주고 있다. 이는 여파기의 제작 과정과 측정 장비 내부의 오차 로 인한 것으로 사료된다.

참고문헌 [6]에서 제시되는 스터브 대역통과 여파 기에서 협대역을 구현하는 방법과 광대역을 구현하 는 방법은 참고문헌[7,8] 등의 논문들을 참고 할 수 있고, 광대역 보다 더 넓은 초광대역(UWB)을 구현 하기 위한 방법은 본 논문에서 제안된 방법으로 설 계가 가능할 것으로 기대한다. <표 6>은 지금까지 발표되었던 초광대역 대역통과 여파기의 논문들 중 에서 낮은 삽입손실과 우수한 반사손실 그리고 본 논문에서 제시한 여파기에 대한 실험 결과의 비교 에 대해 소개를 하고 있다.

V. 결 론

본 논문에서는 SIR (Stepped Impedance Resonator) 을 이용한 초광대역 (UWB:Ultra Wide Band) 개방형 스터브 대역통과 여파기에 대해 고찰 하였다.

제안한 스터브 대역통과 여파기는 초광대역으로 구 현하기 위해 스터브 측에 2단의 SIR을 적용 하였고, 스터브의 상단부와 하단부를 각각 나누어 임피던스 비를 달리 하도록 설계를 하였다.

지금까지 사용되었던 스터브 대역통과 여파기를 광대역으로 구현하기 위해서는 임피던스 값의 문제 로 인해 실제 구현하는데 매우 어려움이 따르게 되 었는데 이를 극복하고자 본 연구에서는 스터브에 SIR을 적용하여 여파기의 주파수 응답을 초광대역 으로 구현할 수 있도록 실현 시켰다.

제안한 대역통과 여파기는 적용된 SIR 스터브에 집적 급전 방식으로 인해 낮은 삽입손실을 갖고 있 으며, 실험결과에서 삽입 및 반사손실은 각각 0.17 dB 및 13.1 dB이고 대역폭은 103% 그리고 중심 주 파수는 5.8 GHz로써 ITS(Intelligent Transport System) 분야에 적용이 가능하도록 설계를 하였다.

제안한 초광대역 개방형 스터브 대역통과 여파기는 평면 구조이므로 추후 IPD (Integrated Passive Device) 환경에 맞도록 재설계를 하여 공정을 하게 된다면 ITS 분야의 영상 및 방송 무선통신용 시스템 에 적용이 가능할 것으로 기대된다.