원형 패치 공진기를 이용한 단·이중대역 균형 대역통과 필터 설계

초록

본 논문은 원형 패치 공진기의 TM₃₁ 모드를 차동 모드(디퍼런셜 모드)에서 선택적으로 억제하거나 전송함으로써 단일대역 및 이중대역 균형 대역통과 필터(BPF)를 구현하는 새로운 설계 방법을 제시한다. 공통 모드(CM) 억제를 위해 교차 비아와 슬롯을 도입하고, 시뮬레이션·시제품 측정을 통해 설계의 실현 가능성을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 차동 전송 라인 구조와 원형 패치 공진기의 고유 모드 특성을 결합한 혁신적인 필터 설계 방식을 제시한다. 원형 패치 공진기는 TMₘₙ 모드가 다중 존재하는데, 특히 TM₃₁ 모드는 전기장과 전류 분포가 복잡하여 차동 모드와 공통 모드에 대해 서로 다른 응답을 보인다. 논문에서는 차동 모드(디퍼런셜 모드, DM)에서 TM₃₁ 모드가 전송되도록 출력 포트를 배치하고, 공통 모드(CM)에서는 해당 모드가 억제되도록 설계하였다. 이는 차동-공통 모드 분리(DM‑CM isolation)를 자연스럽게 달성하는 방법으로, 기존에 별도의 공통 모드 억제 회로를 추가해야 했던 설계 복잡성을 크게 낮춘다.

단일대역 BPF는 출력 포트의 위치와 인덕턴스 매칭을 최적화하여 TM₃₁ 모드만을 차동 전송 경로에 연결한다. 반면 이중대역 BPF는 추가적인 슬롯을 원형 패치에 절단함으로써 두 번째 차동 전송 경로를 형성한다. 슬롯은 전류 흐름을 재배치하여 새로운 공진 주파수를 만든다. 이때 두 번째 대역은 원래 TM₃₁ 모드와는 다른 고차 모드(예: TM₄₁)와 결합될 수 있어, 설계자는 슬롯의 길이와 위치를 미세 조정하여 목표 주파수와 대역폭을 정확히 맞출 수 있다.

공통 모드 억제 성능을 더욱 향상시키기 위해 논문은 ‘perturbation via’를 도입한다. 비아는 원형 패치 내부에 수직 전도체를 삽입해 전기장 분포를 비대칭적으로 왜곡시킨다. 이 비아는 CM 전파 경로에 큰 임피던스를 부여하여 CM 신호가 필터를 통과하기 어렵게 만든다. 시뮬레이션 결과, 비아를 삽입한 경우 CM 삽입 손실이 30 dB 이상 향상되었으며, 차동 전송 손실은 거의 변하지 않아 필터의 삽입 손실(IL)과 선택도(Q‑factor)에 부정적 영향을 주지 않는다.

제작 단계에서는 Rogers RT/Duroid 5880 기판(ε_r = 2.2, 두께 = 0.787 mm)을 사용했으며, 마이크로스트립 라인과 차동 라인을 동일한 기판 위에 구현하였다. 측정된 S-파라미터는 시뮬레이션과 0.5 dB 이내의 차이만을 보였고, 단일대역 BPF는 5.8 GHz에서 3 dB 대역폭 200 MHz, 이중대역 BPF는 5.8 GHz와 7.2 GHz 두 개의 통과 대역을 각각 150 MHz와 180 MHz 폭으로 제공하였다. 공통 모드 억제는 두 대역 모두에서 35 dB 이상을 달성하였다.

핵심적인 기술적 인사이트는 다음과 같다. 첫째, 원형 패치 공진기의 다중 TM 모드를 차동/공통 모드 선택적으로 활용함으로써 필터 차동 특성을 자연스럽게 구현한다. 둘째, 비아와 슬롯이라는 간단한 구조적 변형을 통해 CM 억제와 다중 대역 생성이라는 두 가지 목표를 동시에 달성한다. 셋째, 설계 파라미터(패치 반경, 포트 간격, 비아 위치, 슬롯 길이 등)가 비교적 직관적이며, 파라미터 스윕을 통해 빠르게 최적화할 수 있다. 마지막으로, 실험 결과가 시뮬레이션과 높은 일치를 보여, 제안된 설계 방법이 실제 RF 모듈(예: 무선 통신, 레이더, 위성 시스템)에서 적용 가능함을 입증한다.

이러한 접근법은 고집적 차동 회로 설계에서 공통 모드 잡음 문제를 해결하고, 다중 대역 요구사항을 만족시키는 데 유용하다. 특히, 5G/6G와 같은 고주파 대역에서 차동 LNA, 믹서, 변조기와 결합된 프런트엔드 모듈에 직접 통합될 경우, 부품 수 감소와 PCB 면적 절감 효과를 기대할 수 있다.