A four-pole quasi-elliptic function bandpass filter using miniaturized spiral SIRs(Stepped Impedance Resonators) is designed and fabricated. This filter has 5.8 GHz center frequency with 115 MHz bandwidth for ISM band. To make sharp skirt characteristics, a cross-coupled structure which has one pair of transmission zeros near passband is used. A novel design approach of a microstrip resonator for the cross-coupled structure is proposed to improve compactness, insertion loss, and harmonic suppression characteristics by considering peak points of electromagnetic fields of each mode.
The filter using SIRs can shift harmonic frequencies and reduce electrical lengths. If the SIRs of a 4-pole cross-coupled filter is transformed into a spiral type, the peak points of the fundamental mode`s EM fields are close and the peak points of the 1st spurious mode`s EM fields are apart. It causes that couplings of the fundamental mode is enhanced while couplings of the 1st spurious is suppressed. Therefore, insertion loss can be reduced and harmonic rejection level can be increased. In addition, the filter size is reduced because of applying a spiral type to SIRs. For those reasons, the bandpass filter is suitable for designing oscillators.
For the filter and oscillator design and verification, various simulation tools such as CST MWS and ADS were used. The substrate used for the fabricated filter and oscillator is Rogers 5880 with dielectric constant of 2.2 and thickness of 0.787mm. Since coupling of harmonics is suppressed by setting peak points of spurious mode`s EM field apart, the stopband of the proposed filter can be extended to 20 GHz with a rejection level of under -18 dB. Furthermore, the suggested filter has enhanced insertion loss of -2.97 dB compared to the open-loop resonator filter with -3.32 dB and the open-loop SIR filter with -3.38 dB. When it comes to the size reduction, the proposed spiral SIR filter is shrunk 45.9% compare with the open-loop resonator filter and is reduced to 32.1% compare to the open-loop SIR filter.
The oscillator using a s-spiral resonator is designed and the proposed spiral SIR filter is applied to the oscillator for improving performances because there is a limit to reduce phase noise of oscillators with a single resonator. The oscillator with the proposed spiral SIR filter has a phase-noise of -114.7 dBc/Hz at 100 kHz offset frequency and 1st spurious component of -28.40 dBm. So the phase-noise reduction of -19.2 dBc/Hz and the 1st spurious component reduction of -12.17 dBm is achieved when compared to the oscillator with only the s-spiral resonator.
본 논문에서는 소형화된 스파이럴 스텝-임피던스 공진기를 이용한 4극 준-타원 함수 대역통과 필터를 설계 및 제작하였다. 본 필터는 5.8 GHz 중심 주파수에서 115 MHz의 대역폭을 가지며, 높은 주파수 선택도를 위하여 통과대역에 근접한 전송 영점을 갖는 교차 결합 구조를 이용하였다. 해당 교차 결합 구조에서 각 모드별로 발생하는 전자기장의 피크 점 위치의 적합한 배치를 위하여, 스파이럴 구조를 스텝-임피던스 공진기에 적용하였고 이를 통해 하모닉 억압 특성, 삽입 손실, 소형화를 개선시켰다.
스텝 임피던스 공진기는 임피던스 비와 전기적 길이 비를 통하여, 공진기의 전기적 길이 및 스퓨리어스 공진 주파수를 조절할 수 있으므로, 스텝 임피던스 공진기를 4극 교차 결합 구조에 적합한 형태로 변형시킴으로써 필터의 특성을 향상시키고자 하였다. 교차 결합 구조에서 각 공진기에서 발생하는 기본 모드 전자기장의 피크 점은 가깝도록, 스퓨리어스 모드 전자기장의 피크 점은 멀리 위치하도록 스파이럴 구조를 스텝 임피던스 공진기에 적용함으로써, 기본 모드 전자기장의 결합은 강화되고 스퓨리어스 모드 전자기장의 결합은 약화되어 삽입 손실 및 하모닉 억압 특성이 개선되었다. 또한, 스파이럴 구조를 적용함으로 공진기 및 필터의 크기 또한 줄었다. 성능 개선을 검증하기 위하여 개방 루프 공진기와 개방 루프 스텝 임피던스 공진기를 이용한 필터와 비교하였다.
측정 결과는 다음과 같다. 삽입 손실은 개방 루프 공진기를 이용한 필터의 경우 -3.32 dB, 개방 루프 스텝 임피던스 공진기를 이용한 필터의 경우 -3.38 dB 이나 제안한 스파이럴 스텝 임피던스 공진기를 이용한 필터의 경우 -2.97 dB로 완화되었다. 또한 제안한 필터는 세 번째 스퓨리어스 공진 주파수까지 -18.5 dB 이하의 저지 특성을 나타내어, 두 필터에 비해 넓은 저지 대역을 갖는다. 필터의 크기에서도 개방 루프 공진기를 이용한 필터와 비교하여 45.9%로, 개방 루프 스텝 임피던스 공진기를 이용한 필터와 비교하여 32.1%로 줄어들었다.
본 논문에서 제안한 스파이럴 스텝 임피던스 공진기를 이용한 준-타원 함수 협대역 대역통과 필터를 발진기에 적용하여 성능이 개선됨을 검증하도록, 발진기를 설계 및 제작하였다. 5.8GHz의 발진 주파수에서 -114.7dBc/Hz @100kHz로 제안한 필터를 포함하지 않은 발진기보다 -19.2 dBc/Hz만큼 개선됨을 보였다.
