JP2001119257A - マイクロエレクトロメカニカルシステムを用いた超高周波可変フィルター - Google Patents

マイクロエレクトロメカニカルシステムを用いた超高周波可変フィルター

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JP2001119257A
JP2001119257A JP35162299A JP35162299A JP2001119257A JP 2001119257 A JP2001119257 A JP 2001119257A JP 35162299 A JP35162299 A JP 35162299A JP 35162299 A JP35162299 A JP 35162299A JP 2001119257 A JP2001119257 A JP 2001119257A
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JP35162299A
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Uu Kuwon Yan
ヤン・ウー・クウォン
Kueon Kimu Yan
ヤン・クェオン・キム
Teu Kimu Hon
ホン・テウ・キム
Hyon Paku Ja
ジャ・ヒョン・パク
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LG Electronics Inc
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LG Electronics Inc
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203Strip line filters
    • H01P1/20327Electromagnetic interstage coupling

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Filters And Equalizers (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 能動素子及び半導体の集積化が可能であり、
外部の制御信号によって周波数の変化量が大きく、線形
に近い特性を有する超高周波可変フィルターを提供す
る。 【解決手段】 多数の共振セルを用いた周波数可変フィ
ルターであり、共振セル部100,200は、高周波チ
ョーク部46,47と連結されたインダクタ39,40
と、インダクタ39,40の両端と接地部との間にそれ
ぞれ形成されたマイクロエレクトロニクスメカニカルシ
ステムによる可変キャパシタ41,42,43,44と
で構成される。共振周波数は、電圧ソース48,49に
より高周波チョーク46,47を介して可変キャパシタ
41,42,43,44を制御して変更することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超高周波可変フィル
ターに関するもので、特にマイクロエレクトロメカニカ
ルシステム(MEMS:Micro Electro Mechanical Sys
tems)を用いたミリメートル帯域の超高周波可変フィル
ターに関する。なお、本明細書における第1、第2・・
・などは同じ要素を同じ文脈で複数用いた場合の単なる
区別のためだけであって、それぞれの要素の絶対的な名
称を意味しない。
【0002】以下、従来技術による超高周波可変フィル
ターについて添付の図面を参照して説明する。図1は従
来技術による多重チャネルフィルターとスイッチを用い
た超高周波可変フィルターの構成図である。この例で
は、多重チャネルの数だけのフィルター1、2、3を並
列に連結しておき、スイッチ4、5を用いて所望のチャ
ネルの信号のみを通過させ、信号を処理する方法を示し
ている。すなわち、周波数を変える必要があるときには
スイッチで切り換える。この様な場合、チャネル数だけ
のフィルターが必要となるため、マルチフレキシングシ
ステムの大きさが増加し、高費用がかかるだけでなく、
フィルターのスイッチング時に各スイッチによる損失が
発生する。
【0003】これを解決するために、図2では従来の共
振セルを複数用いた周波数可変フィルターの例を示し
た。図2を見ると、一つの共振セル12はインダクタ
6、キャパシタ7、伝送線8、そして、バラクタ9によ
り構成される。バラクタ9は可変容量ダイオドの一種
で、pn接合に逆方向の電圧を加えたとき生じる静電容
量を逆方向電圧の大きさに反比例するように制御する部
品として超高周波回路に使用される。このように構成さ
れた共振セル12、13、14は適切なカップリングを
形成することでフィルターが実現される。ここで、伝送
線8はマイクロストリップライン(microstripline)や
コプラナーウェーブガイド(coplanar waveguide)など
で実現される。
【0004】共振セル12、13、14の中心周波数は
バラクタ9、10、11の容量で変わるが、そのバラク
タ9、10、11の容量は外部から加えられるバイアス
電圧により変化する。従って、バラクタ9、10、11
の容量が変化すると、共振セル12、13、14の中心
周波数が変わり、それに従いフィルター全体の中心周波
数も変わる。ここで、バラクタ9、10、11の代わり
に、トランジスタやYIG(Yttrium Iron Garnet)を用
いることもできるが、これらのトランジスタやYIGを
用いる場合にもフィルターの基本構成図は図2と同様で
ある。
【0005】しかし、以上のような従来技術による超高
周波可変フィルターは次のような問題点があった。第一
に、バラクタを用いる場合、フィルターはバラクタのQ
値が低いため、周波数が高くなるほど、バラクタによる
フィルターの損失が大きくなる。第二に、バラクタを動
作させるためにDC電力の損失が発生し、また、DC電
流による劣化によって、高周波の特性が低下する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題点を解決するために成されたもので、能動素子及び
半導体の集積化が可能であって、信号伝達損失が少なく
且つ分散特性が優れており、外部の制御信号によって周
波数の変化量が大きく、線形の特性を有した超高周波可
変フィルターを提供することにその目的がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達するため
の本発明のマイクロエレクトロメカニカルシステム(M
EMS)を用いた超高周波可変フィルターは、多数の共
振セルを用いた周波数可変フィルターであって、共振セ
ルがインダクタ、キャパシタ、伝送線、そして、MEM
Sによる可変キャパシタの多様な直列、並列の組合で構
成され、共振セルにおける可変キャパシタの容量の変化
によって、共振セルの共振周波数を変換させ、それによ
りフィルターの中心周波数を変化させることが特徴であ
る。
【0008】本発明の他の特徴は可変キャパシタの容量
を変化させるバイアス電圧は電圧ソースから高周波電流
を抑える高周波チョーク部を介して印加されることにあ
る。
【0009】本発明のさらに他の特徴は、周波数の変化
のための可変キャパシタを含む個々の共振セルが、超高
周波帯域通過の特性のために、他の共振セルと適切にカ
ップリングされ、そのカップリングされた全体の共振セ
ルの入出力端がそれぞれバイアス電圧ソースに連結さ
れ、低周波バイアス電圧が共振セルの可変キャパシタに
印加されるようにして、フィルター入力端から入力した
超高周波信号が電圧ソース部にリークするの抑えるため
に超高周波チョーク部をソースと可変キャパシタとの間
に接続したことである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明のマイクロエレクト
ロメカニカルシステム(MEMS)を用いた超高周波可
変フィルターの好適な実施形態について添付の図面を参
照して説明する。図3a、3b、3cは本発明によるM
EMSによる可変キャパシタの構成図である。
【0011】図3aは、基板に第1金属板17と第2金
属板18の2枚の金属板が取り付けられており、その内
の一方(ここでは第2金属板18とする)の上に高さh
の間隔をおいて第3金属板15を配置した。第3金属板
15は若干傾斜した第4金属板16で第1金属板17に
連結している。すなわち、カンチレバーの状態に形成さ
せている。この第1、第4、第3金属板は1枚の金属板
で、第1金属板17から第4金属板16が立ち上がり、
その先端で第3金属板15を基板と平行になるように折
り曲げた形状とすればよい。第2金属板18はこれらか
らは絶縁され、面が向き合っている第3金属板15との
間を間隔hとしている。この間隔hの間は空間を保って
いる。したがって、外部から第3金属板15と第2金属
板18との間に電圧を印加すると、第3金属板15と第
2金属板18との間の間隔hが変化し、それに従い第
3、第2金属板15、18との間の容量が変化する。
【0012】これらの板の配置は上記例に限定されるも
のではなく、要するに2枚の板が一定の空間hを保って
向き合っていればよい。例えば、図3bに示すように、
2枚の傾いた第1、第2金属板20、22が、基板に固
定した第4、第5金属板23、19から立ち上がり、そ
れぞれの先端で第3金属板21を基板に平行に支える形
状とし、その第3金属板21を基板に固定した第6金属
板24に向き合わせても良い。その際、第3金属板21
と第6金属板24の間隔をhに保つ。このような形状で
も第3金属板21に電圧を加えることによって第6金属
板24との間の間隔hを変化させ、その間に形成されて
いる容量を変えることができる。
【0013】上記二つの例は金属板を一定の距離を置い
て平行に配置し、一方の金属板に電圧を加えてその間隔
を変えるようにしたが、互いに向かい合う2枚の金属板
の向き合う面積を変えるようにしても良いのは理解でき
るであろう。例えば、図3cに示すように、基板上に固
定した第2金属板27の上に一定の間隔をおいて形成さ
れ、外部から印加される電圧により左右に移動する第1
金属板25と、第1金属板25の一端に連結され、第1
金属板25を支持する半導体スプリング26とで構成さ
せることもできる。図3a、bの例とは異なって、この
例の場合、第1金属板25と第2金属板27との間の間
隔hは一定であり、半導体スプリング26の弾性によっ
て第1金属板25と第2金属板27との重なる部分(L
−△L)の面積を変え、第1金属板25と第2金属板2
7との間の容量を変化させる。半導体スプリング26の
弾性は外部から半導体スプリング26に印加した電流に
より変化する。
【0014】図4は本発明によるMEMSを用いた超高
周波可変フィルターの構成図であって、図に示すよう
に、超高周波可変フィルターは多数の共振セル34、3
5、36より構成される。そして、第1共振セル34は
インダクタ28、キャパシタ29、伝送線30、そし
て、MEMSによる可変キャパシタ31の多様な直列、
並列の組合せで構成されている。共振セルにおける可変
キャパシタの容量変化で共振セルの共振周波数を変え、
それに従いフィルターの中心周波数を変化させる。
【0015】このように構成された全ての共振セル3
4、35、36が適切なカップリングを介して連結され
ると、全体のフィルターが形成される。第1共振セル3
4はインダクタ28、キャパシタ29、伝送線30、そ
して、可変キャパシタ31の多様な直列、並列の組合で
構成され、その他の共振セル35、36も第1共振セル
34と類似に形成される。伝送線30は従来同様マイク
ロストリップラインやコプラナーウェーブガイドなどで
実現される。
【0016】この際、可変キャパシタ31、32、33
の容量は、図3a、3b、3cで説明したように、外部
から加えられるバイアス電圧、電流により変化し、それ
に従い共振セル34、35、36の共振周波数が変わ
り、フィルター全体の中心周波数もまた変化する。ここ
で、外部からのバイアス電圧、電流は高周波チョークを
通して加えられる。高周波チョークは高周波の電流を抑
え、直流または比較的低周波数の電流のみを通過させる
ことを目的とする素子である。
【0017】図5は図3,4の可変キャパシタを用いた
超高周波可変フィルターの基本概念に基づいて設計され
た2極構造の帯域通過フィルターの構成図である。図に
示すように、本帯域通過フィルターはバイアス電圧を印
加してキャパシタンスを変化させる電圧ソース部48、
49、(62、63)と、超高周波帯域通過の特性のた
めに、隣り合う共振セルと入力及び出力とに適切にカッ
プリングされた共振セル部100、200、(300、
400)と、両先端がそれぞれバイアス電圧ソース部4
8、49、(62、63)と共振セル部100、20
0、(300、400)とに連結され、高周波電流を抑
える高周波チョーク部46、47、(60、61)とで
構成される。電圧ソース部からバイアス電圧が可変キャ
パシタ41、42、43、44、(58、59、56、
57)へ加えられる。
【0018】このように、電圧ソース部を共振セル部1
00,200に接続すると、フィルターに入力された超
高周波信号が共振セル100、200、(300、40
0)から電圧ソース部48、49、(62、63)にリ
ークすることがあるが、超高周波チョーク部46、4
7、(60、61)がこれを抑える。
【0019】図5aの共振セル部100、200は、高
周波チョーク部46、47と連結されたインダクタ3
9、40と、インダクタ39、40の両端と接地部との
間にそれぞれ形成された第1、2MEMSによる可変キ
ャパシタ41、42、43、44とで構成される。そし
て、図5bの共振セル部300、400は高周波チョー
ク部60、61と連結され、他の共振セルとカップリン
グする第1伝送線54、55と、第1伝送線54、55
の一端と接地との間に形成されたMEMSによる第1可
変キャパシタ58、59と、第1伝送線54、55の他
方の一端に連結され、入力及び出力とカップリングされ
る第2伝送線51、52と、第2伝送線51、52の他
方の一端と接地との間の形成されたMEMSによる第2
可変キャパシタ56、57とで構成される。
【0020】図5aに示すように、MEMSによる可変
キャパシタ41、インダクタ39、MEMSによる可変
キャパシタ42より構成された共振セル100と、また
半導体MEMS構造を有する可変キャパシタ43、イン
ダクタ40、MEMSによる可変キャパシタ44より構
成された他の共振セル200との2極集中素子フィルタ
ーである。ここで、各共振セル100、200の共振周
波数は共振セル100、200を構成するインダクタ3
9、40とMEMSによる可変キャパシタ41、42、
43、44により決定される。
【0021】二つの共振セル100、200はキャパシ
タ45と相互インダクタンスMによりカップリングさ
れ、フィルターの入力及び出力と二つの共振セルはキャ
パシタ37、38によりカップリングされる。この際、
MEMSによる可変キャパシタ41、42、43、44
の構造は図3a、3b、3cなどで構成される。MEM
Sによる可変キャパシタの容量を変化させるバイアス電
圧は電圧ソース48、49及び高周波電流を抑える高周
波チョーク部46、47を介してMEMSを有する可変
キャパシタ41、42、43、44と接地との間に印加
される。
【0022】図5bに示すように、可変キャパシタ5
6、第1伝送線51、第2伝送線54、可変キャパシタ
58より構成された共振セル300と、他の共振セル4
00、すなわち可変キャパシタ57、第3伝送線52、
第4伝送線55、可変キャパシタ59より構成される共
振セルとの2極共振フィルターである。ここで、各共振
セル300、400は共振周波数波長の半波長に当たる
伝送線の長さをもつ効果を有する。
【0023】二つの共振セル300、400は第2伝送
線54と第4伝送線55とによりカップリングされ、フ
ィルターの入力及び出力と二つの共振セル300、40
0は第1伝送線51と第5伝送線50によりカップリン
グされ、第3伝送線52と第6伝送線53によりカップ
リングされる。このとき、MEMSによる可変キャパシ
タ56、57、58、59の構造は図3、図4などで実
現される。 MEMSを有する可変キャパシタの容量を
変化させるバイアス電圧は、電圧ソース62、63及び
高周波電流を抑える高周波チョーク部60、61を介し
て可変キャパシタ56、57、58、59と接地との間
に印加される。
【0024】図6aは図5aのシミュレーション状態図
であり、図6bは図5bのシミュレーション状態図であ
る。図6に示すDgap は図3aに示す第1金属板18と
第2金属板15との間の高さhである。この高さDgap
の変化によって二つの金属板18、15の間の容量が変
化し、これに従い共振セルの共振周波数が変化する。こ
のように、共振セルの可変キャパシタの容量を変化させ
るので、フィルターの中心周波数を調節することができ
る。
【0025】図7a、7bは図5a、5bの実際の測定
値を示した状態図である。フィルターの反応はHP85
10Cネットワーク分析器を用いて測定された。150
μmピッチピコプローブ(pitch Picoprobes)及びGG
Bインダストリース(industries)の校訂基板と共に短
絡−開放−負荷−貫通(short−open−load−through)
校訂が用いられた。直流プローブを使用して、上下に移
動可能な可変キャパシタのカンチレバービーム及び一般
のGCPWトップグランドプレートの間に直流バイアス
電圧を印加した。
【0026】図7aに示す2極集中素子フィルターの中
心周波数は0Vバイアスでの26.6GHzから65V
バイアス(4.2%変化)での25.5GHzに変化す
る。図7bに示す2極共振器フィルターの中心周波数は
0Vバイアスでの32GHzから50Vバイアス(2.
5%変化)での31.2GHzに変化する。そして、集
中素子及び共振器フィルターにより測定された4.9d
B及び3.8dBの最小の通過帯域の挿入損失はそれぞ
れ図6a、6bに示すシミュレーション結果より2dB
高かった。この損失は信号が通過する金属での導電損失
と使用基板の誘電体損失と放射損失のためである。した
がって、物質的補完によってこのような損失を減らすこ
とができる。
【0027】そして、図6a、6bと図7a、7bとを
比較すると、最大に測定された変化の範囲4.2%がシ
ミュレーションでの変化範囲6.4より小さいことが分
かる。 これは電圧印加時、可変キャパシタのカンチレ
バーの部分的な屈折のためである。しかし、挿入の損失
が高いことを除けば、測定の結果はシミュレーションの
結果と一致することが分かる。このように、二つのフィ
ルターはそれぞれ26.6GHz及び32GHzで4.
2%及び2.5%の変化を表す。
【0028】
【発明の効果】したがって、本発明は送受信システムの
能動素子回路の設計、工程誤差、劣化などによる周波数
の変化が必要なとき、フィルターを交替しないで外部の
バイアス電圧によりフィルターの中心周波数を変化させ
ることができるので、送受信システムの周波数の誤差を
補償できるだけでなく、周波数固定フィルターと違って
フィルターを交替する必要がないため、システム補償機
能やコストの節減に有利である。
【0029】また、本発明によるMEMSを用いた超高
周波可変フィルタは、特に、素子の小さいミリメートル
波多重帯域通信システム用であって、安価の高集積送受
信のための新たなマイクロマシーン可変フィルターとし
て実行することができる。
【0030】以上、本発明は、特定の実施形態に関連し
て説明されてきたが、このほか多数の変形例及び修正例
が可能であるということは当業者にとっては自明なこと
であろう。それゆえ、本発明は、このような実施形態に
よって限定されるものではなく、添付のクレームによっ
て限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術による多重チャネルフィルターとスイ
ッチを用いた超高周波可変フィルターの構成図。
【図2】従来技術による共振セルを用いた超高周波可変
フィルターの構成図。
【図3】本発明によるMEMSによる可変キャパシタの
構成図。
【図4】本発明によるMEMSを用いた超高周波可変フ
ィルターの構成図。
【図5】本発明によるMEMSを用いた集中素子形態の
超高周波可変フィルターの構成図。
【図6】図5のシミュレーション状態図。
【図7】図5の実際の測定値を示す状態図。
【符号の説明】
100、200 共振セル、41,42,43,44
可変フィルタ部、46,47 チョーク部、48,49
電圧ソース部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホン・テウ・キム 大韓民国・ソウル・クワナ−ク・シリム− ドン・サン56−1 (72)発明者 ジャ・ヒョン・パク 大韓民国・ソウル・クワナ−ク・シリム− ドン・サン56−1 Fターム(参考) 5E082 AB01 AB10 BB05 BC11 BC40 DD07 EE02 FF01 GG08 5J006 HB01 HB03 HB12 JA01 LA02 NA01 5J024 AA02 CA09 DA00 DA01 DA25 DA35 EA03 KA02

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多数の共振セルを有する超高周波可変フ
    ィルターにおいて、 前記共振セルは容量を変化させ、フィルターの中心周波
    数を変化させるマイクロエレクトロメカニカルシステム
    の可変キャパシタと、 インダクタまたは伝送線のうち一つ以上を含む組合で構
    成されることを特徴とする超高周波可変フィルター。
  2. 【請求項2】 前記可変キャパシタは 基板に形成された第1電導板と、 前記第1電導板上に一定の高さに形成され、外部から印
    加される電圧によって上下または左右に移動する第2電
    導板と、 前記第2電導板の側面に電気的に連結し、前記第2電導
    板を支持する弾性体とを含むことを特徴とする超高周波
    可変フィルター。
  3. 【請求項3】 それぞれ電圧を加えられることで容量を
    変化させる可変キャパシタを含み、超高周波帯域の通過
    のために、隣り合う各共振セルと互いにカップリングさ
    れた多数の共振セルからなる共振セル部と、 前記可変キャパシタの容量を変化させるため、前記各共
    振セル部の一端にバイアス電圧を印加するバイアス電圧
    ソース部と、 両先端がそれぞれバイアス電圧ソース部と共振セルとに
    連結され、低周波バイアス電圧が共振セルのマイクロエ
    レクトロメカニカルシステムの可変キャパシタと接地と
    の間に印加されるようするとともに、フィルターの入力
    端から入力する超高周波信号が前記電圧ソース部にリー
    クするのを抑える超高周波チョーク部とを含むことを特
    徴とする超高周波可変フィルター。
  4. 【請求項4】 前記共振セル部とフィルターの入力及び
    出力との間にそれぞれ形成される多数のキャパシタまた
    は伝送線をさらに含むことを特徴とする請求項3記載の
    超高周波可変フィルター。
  5. 【請求項5】 前記共振セル部は前記高周波チョーク部
    と連結されたインダクタと、 前記インダクタの両端と接地部との間にそれぞれ形成さ
    れた第1,2可変キャパシタで構成される共振セルとが
    多数形成されることを特徴とする請求項4記載の超高周
    波可変フィルター。
  6. 【請求項6】 一先端が接地と連結された、第1、第2
    可変キャパシタと、前記可変キャパシタの他方の一端に
    それぞれ連結される第1インダクタとで構成された第1
    共振セルと、 一先端が接地と連結された、第3及び第4可変キャパシ
    タと、それぞれの可変キャパシタの他方の一端にそれぞ
    れ連結される第2インダクタとで構成された第2共振セ
    ルと、 前記第1及び第2共振セルにバイアス電圧を印加して、
    可変キャパシタの容量を可変させる第1及び第2バイア
    ス電圧ソース部と、 両端がそれぞれ第1及び第2バイアス電圧ソース部と前
    記第1及び第2共振セルとに連結され、フィルター入力
    端から入力した超高周波信号が前記第1及び第2バイア
    ス電圧ソース部にリークするのを抑える超高周波チョー
    ク部とを含むことを特徴とする超高周波可変フィルタ
    ー。
  7. 【請求項7】 一先端が接地と連結された、第1及び第
    2可変キャパシタと、前記可変キャパシタの他方の一端
    にそれぞれ連結される第1及び第2伝送線とで構成され
    た第1共振セルと、 一端が接地と連結された、第3及び第4可変キャパシタ
    と、前記可変キャパシタの他方の一端にそれぞれ連結さ
    れる第3及び第4伝送線とで構成された第2共振セル
    と、 前記可変キャパシタの容量を可変させるために、前記第
    1及び第2共振セルにバイアス電圧を印加する第1及び
    第2バイアス電圧ソース部と、 両先端がそれぞれ第1及び第2バイアス電圧ソース部と
    前記第1及び第2共振セルとに連結され、フィルター入
    力端から入力した超高周波信号が前記第1及び第2バイ
    アス電圧ソース部にリークするのを抑える超高周波チョ
    ーク部とを含むことを特徴とする超高周波可変フィルタ
    ー。
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