KR100287229B1 - 폐루프 전송선로를 이용한 저역통과 여파기 및 그의 제조방법 - Google Patents

폐루프 전송선로를 이용한 저역통과 여파기 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저역통과 여파기(Low Pass Filter)의 기본소자인 L·C회로의 T형 회로망을 마이크로웨이브 이상의 대역에서 폐루프 전송선로(공진기)로 구현함에 의해 저지대역에서 우수한 감쇄특성을 갖는 저역통과 여파기를 실현함과 동시에 고단 여파기회로인 경우 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 대치함에 의해 회로의 크기를 줄일 수 있는 폐루프 전송선로를 이용한 유전체 저역통과 여파기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 T형 회로망을 갖는 저역통과 여파기에 있어서, 마이크로웨이브 유전체 기판과, 서로 거리를 갖고 위치한 입/출력 단자영역과, 상기 입/출력 단자영역에 각각 일측단이 연결된 제1 및 제2 연결부와, 폐루프를 형성하는 제1 및 제2 전송선로를 구비하며, 상기 제1 및 제2 연결부의 타단에 각각 제1 및 제2 전송선로의 2접속점이 연결된 적어도 하나의 폐루프 전송선로와, 상기 제1연결부에 일단이 수직으로 연결된 입력 오픈 스터브와, 상기 제2연결부에 일단이 수직으로 연결된 출력 오픈 스터브로 구성되며, 상기 입/출력 단자영역, 제1 및 제2 연결부, 적어도 하나의 폐루프 전송선로, 입력 오픈 스터브 및 출력 오픈 스터브는 상기 기판위에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

폐루프 전송선로를 이용한 저역통과 여파기 및 그의 제조방법
본 발명은 폐루프 전송선로를 이용한 저역통과 여파기 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저역통과 여파기(Low Pass Filter)의 기본소자인 L·C회로의 T형 회로망을 마이크로웨이브 이상의 대역에서 폐루프 전송선로(공진기)로 구현함에 의해 저지대역에서 우수한 감쇄특성을 갖는 저역통과 여파기를 실현함과 동시에 고단 여파기회로인 경우 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 대치함에 의해 회로의 크기를 줄일 수 있는 폐루프 전송선로를 이용한 유전체 저역통과 여파기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
저역통과 여파기(LPF)는 원하는 한계까지의 주파수는 통과시키고 그 한계 이상의 주파수는 감쇄시키는 주파수 특성을 갖는 수동소자로서, 저지대역에서 우수한 감쇄특성을 갖는 것이 요구되며, 이를 위하여 많은 소자를 이용하게 되는 경우 회로의 크기가 커지는 문제가 존재한다.
도 1a 및 도 1b는 n차 저역통과 여파기의 기본적인 등가회로를 나타낸 것으로, 이에 대한 주파수 특성은 회로소자의 값(gn)에 따라 버터워즈(Butterworth), 체비셰프(Chebyshev), 타원(Elliptic) 여파기 등의 저역통과 여파기로 나뉘어지며, 이에 대한 주파수 특성은 도 2에 도시된 바와같다. 도 2와 같이 일반적으로 버터워즈 여파기의 주파수 특성곡선(Z1)는 통과대역에서 어떤 리플도 발생하지 않으며, 대역밖의 원하지 않는 주파수는 감쇄시킨다. 또한 체비셰프 여파기의 주파수 특성곡선(Z2)은 버터워즈 여파기보다 적은 부품을 가지고 원하지 않는 주파수를 감쇄시키나 통과대역에서 리플이 나타난다. 더욱이 타원 여파기의 특성곡선(Z3)은 체비셰프 여파기와 유사하게 통과대역에서 큰 리플이 나타난다.
상기 여파기에서 gn은 주파수와 임피던스 변환에 따라 인덕터(L) 또는 캐패시터(C)값으로 변환되며, 저역통과여파기인 경우 병렬접속되는 캐패시터(C)와 직렬접속되는 인덕터(L)로 구성된다. 이때 인덕터(L)와 캐패시터(C)를 실제로 구현하기 위해서 가장 일반적인 경우는 보통의 소자를 이용하는 집중소자형을 이용하게 된다.
그러나, 고주파 특히 마이크로웨이브 대역 이상에서는 분포정수형 소자인 전송선로를 이용하게 된다. 이경우 전송선로의 길이, 전송선로의 임피던스에 따라 임의의 모양으로 L·C를 쉽게 구현할 수 있게 된다. 이와같이 전송선로로서 L·C를 구현하여 기본 저역통과여파기를 구현할때 보통 인덕터(L)는 임피던스가 큰 전송선로, C는 임피던스가 작은 큰 면적을 가지는 전송선로를 이용하여 구현을 하게 되며 1개의 전송선로를 사용하여 인덕터(L) 또는 캐패시터(C)를 표현한다.
따라서, 감쇄특성이 중요한 저역통과여파기의 경우 일반적으로 L·C의 갯수를 늘여야만 좋은 감쇄특성을 얻을 수 있으며, 1개의 전송선로가 1개의 L·C를 표현할 수 있기 때문에 그결과 다단의 여파기를 설계하는 경우 전송선로의 길이가 늘어나게 되며 따라서 전체적인 저역통과여파기의 크기를 증가시키는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 저역통과 여파기의 기본소자인 L·C회로의 T형 회로망을 마이크로웨이브 이상의 대역에서 폐루프 전송선로로 구현함에 의해 저지대역에서 우수한 감쇄특성을 갖는 저역통과 여파기를 실현함과 동시에 고단 여파기회로인 경우 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 대치함에 의해 회로의 크기를 줄일 수 있는 폐루프 전송선로를 이용한 유전체 저역통과 여파기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 전송선로를 이용한 L·C의 구현을 전송선로를 등가회로의 일부분과 등가회로를 이용하여 전기적 길이와 임피던스 경계치를 구하고 전송선로를 폐루프를 이용하여 구성하는 폐루프 전송선로를 이용한 유전체 저역통과 여파기의 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1a 및 도 1b는 n차 저역통과 여파기의 기본적인 등가회로도,
도 2는 도 1에 도시된 저역통과 여파기의 각각의 타입에 따른 주파수 특성을 보여주는 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 저역통과 여파기 구성방법을 설명하기 위해 예시된 5단 저역통과 여파기의 회로도,
도 4는 도 3에서 T형 회로망을 구성하기 위하여 인덕터를 m:n으로 분할하여 재구성한 저역통과 여파기의 회로도,
도 5a 내지 도 5c는 도 4에서 발췌 분리된 T형 회로망을 전송선로로 변환하는 과정을 보여주는 설명도로서 T형 회로망, 대응하는 전기적 길이로 변환한 원형 전송선로 및 직선형 전송선로,
도 6a 내지 도 6c는 도 4에서 발췌 분리된 인덕터, 이에 대한 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로,
도 7a 내지 도 7c는 도 4에서 발췌 분리된 캐패시터, 이에 대한 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로,
도 8a 내지 도 8c는 5단 저역통과 여파기, 이에 대한 분해 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로,
도 9a는 집중소자를 이용한 5단 저역통과 여파기의 주파수 특성을 보여주는 그래프,
도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 주파수 특성을 보여주는 그래프,
도 10은 도 4에서 인덕터의 m:n의 분배 비율의 변화에 따른 저역통과 여파기의 주파수 특성의 변화를 보여주는 그래프들,
도 11a는 폐루프의 하모닉 성분과 캐패시터를 구성하는 오픈 스터브의 효과를 보여주는 그래프,
도 11b는 도 11a에서 오픈 스터브의 길이변화에 의해 감쇄극을 제거하는 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 11c는 도 11a에서 양측의 오픈 스터브 길이를 조정하여 감쇄극을 제어하는 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 12는 도 8b에 도시된 5단 저역통과 여파기에 대한 분해 전송선로를 사각 루프형태로 재구성한 폐루프 전송선로,
도 13은 제1실시예에 따라 사각 폐루프 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 기본예,
도 14a 및 도 14b는 각각 제1실시예에 따른 세라믹 유전체 저역통과 여파기의 상부 사시도 및 하부 사시도,
도 15a 내지 도 15f는 각각 제1실시예에 따라 사각 폐루프 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 변형예,
도 16a 내지 도 16e는 각각 제2실시예에 따라 링형 폐루프 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 기본예 및 변형예,
도 17a 내지 도 17c는 7단 표준 저역통과 여파기의 회로도, 2개의 T형 회로망을 갖도록 재구성한 저역통과 여파기 및 이에 대한 분해 전송선로,
도 18a 및 도 18b는 각각 도 17에 도시된 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 일실시예 및 변형예,
도 19는 4개의 사각 폐루프 전송선로를 갖는 11단 저역통과 여파기의 회로패턴의 일실시예이다.
( 도면의 주요부분에 대한 부호설명 )
10,10a,10b ; T형 회로망 12,12a,12b,120 ; 링형 전송선로
12c,12d ; 오픈 스터브 12e ; 섭동라인
14,14a-14c,14a'-14c',14a"-14c",16 ; 전송선로
20 ; 연결전송선로 22 ; 오픈 스터브
30,32 ; 입/출력 30a,32a ; 입/출력 단자영역
34a-34d ; 연결도전패턴 35 ; 요홈
36,36a,136a,136b,236a-236d ; 폐루프 도전패턴
38,38a-38c,40,40b ; 오픈 스터브 도전패턴
45 ; 접지면 50 ; 세라믹 기판
100,200,300,400 ; 도전 회로패턴
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 T형 회로망을 갖는 저역통과 여파기에 있어서, 마이크로웨이브 유전체 기판과, 서로 거리를 갖고 위치한 입/출력 단자영역과, 상기 입/출력 단자영역에 각각 일측단이 연결된 제1 및 제2 연결부와, 폐루프를 형성하는 제1 및 제2 전송선로를 구비하며, 상기 제1 및 제2 연결부의 타단에 각각 제1 및 제2 전송선로의 2접속점이 연결된 적어도 하나의 폐루프 전송선로와, 상기 제1연결부에 일단이 수직으로 연결된 입력 오픈 스터브와, 상기 제2연결부에 일단이 수직으로 연결된 출력 오픈 스터브로 구성되며, 상기 입/출력 단자영역, 제1 및 제2 연결부, 적어도 하나의 폐루프 전송선로, 입력 오픈 스터브 및 출력 오픈 스터브는 상기 기판위에 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기를 제공한다.
이경우, 상기 제1 및 제2 연결부와 제1 및 제2 전송선로는 상기 T형 회로망에 포함된 인덕터의 분배비율에 따라 전기적 길이와 특성 임피던스가 결정되며, 상기 제1 및 제2 전송선로의 전기적 길이가 제1 및 제2 연결부의 길이보다 더 커질수록 여파기의 감쇄극 위치가 더 높은 주파수에 설정된다.
또한, 상기 오픈 스터브에 의한 감쇄극을 폐루프 전송선로에 의한 2차 하모닉 성분의 주파수에 위치시킴에 의해 상기 2차 하모닉 성분을 제거하며, 이는 상기 오픈 스터브의 전기적 길이를 폐루프 전송선로의 전기적 길이의 λ/4로 설정하거나, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브의 길이를 서로 다르게 설정함에 의해 감쇄극의 위치를 2차 하모닉 성분의 주파수에 위치시키는 것에 의해 제저할 수 있다.
더욱이, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브는 각각 입력 및 출력 캐패시터와 기생 캐패시턴스값에 따라 전기적 길이와 특성 임피던스가 결정된다.
상기 폐루프 전송선로는 링형과 사각형중 어느 하나의 형상을 이루어질 수 있으며, 이경우 상기 폐루프 전송선로를 형성하는 제1전송선로는 제2전송선로보다 상대적으로 더 넓은 폭으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 폐루프 전송선로는 감쇄극의 위치를 조정하기 위한 튜닝수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브중 어느 하나가 "L"자 형상을 이루거나 길이가 축소되고 폭이 넓어진 형상을 이룰 수 있으며, 또한 입력 오픈 스터브의 자유단은 출력 오픈 스터브의 반대방향으로 향하도록 설정될 수 있다. 뿐만아니라, 상기 폐루프 전송선로도 인접한 폐루프 전송선로와 반대방향으로 향하도록 배치될 수 있다.
이러한 전송선로의 변형예는 저역통과 여파기의 주파수 특성에 따라 선택되며, 길이가 동일한 경우 패턴의 형상은 특성에 크게 영향을 미치지 않으므로 보다 콤팩트한 구조로 구현 가능한 회로패턴을 이루는 것이 중요하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 마이크로웨이브 유전체 기판과, 서로 거리를 갖고 위치한 입/출력 단자영역과, 상기 입/출력 단자영역에 각각 일측단이 연결된 제1 및 제2 연결부와, 상기 제1 및 제2 연결부의 타단에 양단부가 연결되며 각각 폐루프를 이루는 다수의 폐루프 공진기와, 상기 제1연결부에 일단이 수직으로 연결된 입력 오픈 스터브와, 상기 제2연결부에 일단이 수직으로 연결된 출력 오픈 스터브로 구성되며, 상기 입/출력 단자영역, 제1 및 제2 연결부, 적어도 하나의 폐루프 전송선로, 입력 오픈 스터브 및 출력 오픈 스터브는 상기 기판에 다단 적층형으로 분산되어 배치되며, 도전체 마이크로 스트립으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기를 제공한다.
상기한 적어도 하나의 T형 회로망을 갖는 저역통과 여파기는 상기 T형 회로망에 포함된 인덕터를 설정된 분배비율로 분할하여 여파기 회로를 재구성하는 단계와, 상기 재구성된 여파기 회로에서 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 구현하고, 분할된 인덕터를 직선 전송선로로 구현하며, 입/출력단의 캐패시터를 입/출력 오픈 스터브로 구현한 분해 전송선로를 구하는 단계와, 상기 구해진 분해 전송선로에 대한 등가회로의 분석에 의해 분해 전송선로 각 부분에 대한 전기적 길이와 특성 임피던스를 구하는 단계와, 상기 구해진 전기적 길이와 특성 임피던스로 설정된 분해 전송선로의 결합에 의해 얻어진 도전 회로패턴을 마이크로웨이브 유전체 기판위에 형성하는 단계에 의해 제조될 수 있다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 저역통과 여파기의 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 구현함에 의해 저지대역에서 우수한 감쇄특성을 갖는 유전체 저역통과 여파기를 실현하며 그결과 고단 여파기회로인 경우 회로의 크기를 줄일 수 있게 된다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 3은 본 발명에 따른 저역통과 여파기 구성방법을 설명하기 위해 예시된 5단 저역통과 여파기의 회로도, 도 4는 도 3에서 T형 회로망을 구성하기 위하여 인덕터를 m:n으로 분할하여 재구성한 저역통과 여파기의 회로도, 도 5a 내지 도 5c는 도 4에서 발췌 분리된 T형 회로망을 전송선로로 변환하는 과정을 보여주는 설명도로서 T형 회로망, 대응하는 전기적 길이로 변환한 원형 전송선로 및 직선형 전송선로, 도 6a 내지 도 6c는 도 4에서 발췌 분리된 인덕터, 이에 대한 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로, 도 7a 내지 도 7c는 도 4에서 발췌 분리된 캐패시터, 이에 대한 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로, 도 8a 내지 도 8c는 5단 저역통과 여파기, 이에 대한 분해 전송선로 및 전송선로에 대하여 재구성한 등가회로, 도 9a는 집중소자를 이용한 5단 저역통과 여파기의 주파수 특성을 보여주는 그래프, 도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 주파수 특성을 보여주는 그래프, 도 10은 도 4에서 인덕터의 m:n의 분배 비율의 변화에 따른 저역통과 여파기의 주파수 특성의 변화를 보여주는 그래프들, 도 11a는 폐루프의 하모닉 성분과 캐패시터를 구성하는 오픈 스터브의 효과를 보여주는 그래프, 도 11b는 도 11a에서 오픈 스터브의 길이변화에 의해 감쇄극을 제거하는 과정을 설명하기 위한 그래프, 도 11c는 도 11a에서 양측의 오픈 스터브 길이를 조정하여 감쇄극을 제어하는 과정을 설명하기 위한 그래프, 도 12는 도 8b에 도시된 5단 저역통과 여파기에 대한 분해 전송선로를 사각 루프형태로 재구성한 폐루프 전송선로, 도 13은 제1실시예에 따라 사각 폐루프 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 기본예, 도 14a 및 도 14b는 각각 제1실시예에 따른 세라믹 유전체 저역통과 여파기의 상부 사시도 및 하부 사시도이다.
이하에서는 먼저 도 3 내지 도 14를 참고하여 본 발명에 따른 저역통과 여파기를 고유전율 마이크로웨이브 유전체 세라믹 기판에 폐루프 공진기(Closed Loop Resonator)를 이용하여 구현하는 방법에 대하여 설명한다.
본 실시예의 설명에서는 도 3에 도시된 5단 체비셰프 저역통과 여파기를 예를들어 설명한다. 그러나, 본 발명은 T형 회로망을 갖는 5단 이상의 모든 저역통과 여파기에 적용가능하다.
도 3에 도시된 바와같이 5단 저역통과 여파기는 직렬접속된 2개의 인덕터(L1,L1)와 병렬접속된 3개의 캐패시터(C1,C1,C2)로 구성된다.
도 3에 도시된 5단 저역통과 여파기 회로는 2개의 인턱터(L1,L1)를 각각 m:n의 비율로 분할하여 mL1와 nL1로 나누면 도 4에 도시된 바와같이 재구성될 수 있다. 이러한 2 인덕터(L1,L1)의 분배비율은 후에 설명하는 바와같이 여파기의 감쇄극 위치를 조절하는데 유용하게 이용된다. 따라서, 도 4에 재구성된 저역통과 여파기 회로는 직렬접속된 2개의 인덕터(mL1,nL1)와, 2인턱터(nL1,mL1)사이에 병렬로 접속된 캐패시터(C2)로 이루어진 T형 회로망(10)을 포함한다.
도 4에서 L1=Lr, L1=L2, C2=Cr로 설정하면, 도 8a와 같이 표현된다.
이하에 도 8a의 각 부분을 구체적으로 나누어서 전송선로로 구현하는 과정을 설명한다.
먼저, 도 5a 내지 도 5c를 참고하여 T형 회로망(10)을 유전체 전송선로로 구현하는 과정을 설명한다.
도 5a는 도 8a에서 발췌된 T형 회로망(10), 도 5b는 T형 회로망(10)에 대응하는 전기적 길이로 변환한 링형 전송선로를 가리키며, 도 5c는 링형 전송선로를 재구성하여 얻어진 직선형 전송선로를 각각 가리킨다.
도시된 바와같이 T형 회로망(10)은 마이크로웨이브 이상의 주파수 대역에서 인덕터(Lr,Lr)는 전기적 길이(θr과 φr)를 갖는 링형 전송선로(12), 즉 링형 공진기로 등가적으로 표현될 수 있다. 이를 다시 재구성하면, 도 5c에 도시된 바와같이 전기적 길이(θr), 특성 임피던스(Zr)로 이루어진 직선형 전송선로(14)와 전기적 길이(φr), 특성 임피던스(Zr)를 갖는 직선형 전송선로(16)로 이루어지고, 양단이 서로 접속된 전송선로로서 재구성될 수 있다.
한편, 도 6a에 도시된 인덕터(L2)는 도 6b에 도시된 바와같이 마이크로웨이브 이상의 주파수 대역에서 전기적 길이(θL2), 특성 임피던스(ZL2)를 갖는 연결전송선로(20)로 등가적으로 표현될 수 있다. 즉, 상기 연결전송선로(20)는 고유전율 유전체 세라믹 기판에 마이크로 스트립 라인으로 구현될 수 있으며, 이경우 연결전송선로(20)의 기생 임피던스(Cp)를 고려하면, 역으로 도 6c에 도시된 등가회로로 재구성될 수 있다.
또한 도 7a에 도시된 캐패시터(C1)는 도 7b에 도시된 바와같이 마이크로웨이브 이상의 주파수 대역에서 전기적 길이(θC1), 특성 임피던스(ZC1)를 갖는 오픈 스터브(Open-stub)(22)로 등가적으로 표현될 수 있다. 이경우 오픈 스터브(22)의 기생 임피던스(Cp)를 고려하면, 역으로 도 7c에 도시된 등가회로로 재구성될 수 있다.
상기한 등가회로에 따라 인덕터(Lr,Lr)에 대한 전기적 길이(θr과 φr)는 하기 식 1 및 2로 표현된다.
상기한 식 1 및 식 2에서 a 및 b는 하기 식 3 및 식 4와 같이 설정된다.
상기 식 3 및 식 4에서 ωc는 차단 주파수이고, Cp는 상기 전송선로(14,16)에 대한 기생 캐패시턴스로서 하기 식 5와 같이 표현될 수 있다.
또한 상기 특성 임피던스(Zr)의 최소값(Zrmin)은 상기 식 3 및 식 4로부터 하기 식 6과 같은 관계식으로 주어지며, 이경우 Zr≥Zrmin 조건을 만족한다.
또한 도 6b에서 연결전송선로(20)의 전기적 길이(θL2)는 하기 식 7로 표현되고, 도 7b에서 오픈 스터브(22)의 전기적 길이(θC1)는 하기 식 8로 표현된다.
θC1= tan-1(ZC1ωc(C1-Cp))
한편, 도 6b 및 도 7b에서 특성 임피던스(ZL2,Zc1)는 임의값으로 주어지며, 인덕터(L2,Lr) 사이에는 L2+Lr= L1+ L1=L1, 캐패시터(Cr,C2) 사이에는 Cr=C2 의 관계를 가지며, C1, C2, 및 L1의 값은 5단 기본 저역통과 여파기로부터 주어진다.
상기한 도 5 내지 도 7를 참고하여 설명한 바와같이 도 8a에 도시된 5단 저역통과 여파기는 상기한 식 1 내지 식 8과 같은 관계를 갖고, 마이크로웨이브 이상의 주파수 대역에서 고유전율 마이크로웨이브 유전체 세라믹 기판에 구현될 수 있는 도 8b에 도시된 바와같은 분해 전송선로가 얻어지며 이를 재구성한 등가회로가 도 8c와 같이 얻어진다.
도 9a에는 집중소자를 이용하여 구현된 5단 체비셰프 기본(Prototype) 저역통과 여파기에 대한 주파수 특성을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도시된 저역통과 여파기는 차단주파수(fc)가 2.0GHz이고 0.01dB 리플을 갖는다.
도 12에는 도 8b에 도시된 분해 전송선로를 사용하여 재구성한 분해 전송선로를 도시한 것으로 도 8b와 달라진 부분은 T형 회로망(10)에 대응한 직선형 전송선로(14,16)중 긴 전기적 길이를 갖는 전송선로(14)를 사각형상의 3개의 전송선로(14a-14c)로서 분할한 구조를 갖는다.
도 12에 도시된 분해 전송선로를 상호 연결시키면, 도 13에 도시된 바와같이 5단 저역통과 여파기는 4개의 분해 전송선로(14a-14c,16)가 사각형상의 폐루프를 형성하는 폐루프 도전패턴(36)을 형성하며, 입력과 출력(30,32)을 연결하는 2개의 분해 연결전송선로(20,20)가 각각 직선 연결도전패턴(34a,34b)으로 형성되고, 입력과 출력의 양단부에 각각 오픈 스터브(22,22)에 대응하는 직선 오픈 스터브 도전패턴(38,40)이 연결도전패턴(34)에 수직으로 배치된 하나의 도전회로패턴(100)으로 이루어진다.
이하에 상기한 도전 회로패턴(100)을 이용하여 본 발명에 따른 유전체 세라믹 저역통과 여파기를 시뮬레이션을 통하여 구현하고 그 결과 얻어진 여파기의 주파수 특성을 살펴본다.
먼저 인덕터(L1)의 분배비율(m:n)을 3:7, 5:5, 및 7:3의 비율로 변화시킨 3개의 저역통과 여파기를 상기한 본 발명에 따른 설계방법으로 수식을 유도하였다. 이경우 여파기는 차단 주파수(fc)가 2.0GHz이고 0.01dB 리플을 갖는 타입으로서 시뮬레이션을 하였다.
이때 상기한 도전 회로패턴(100) 형태로 구현할때 기판의 유전율은 21.5, 두께 1.8mm인 경우로 설정하였고, 전송선로(Zr)의 값은 80Ω으로 선택하였으며 인덕터의 분배비율(m:n)로부터 폐루프 전송선로(공진기)의 최소 임피던스값을 구하고, 이 최소값 보다 크게 공진기의 임피던스를 80Ω으로 선택한후 양단의 오픈 스터브를 50Ω으로 하여 전송선로의 전기적 길이를 구하여 그값을 하기 표 1에 정리하였다.
m:n Zmin θr(80Ω) φr(80Ω) C(50Ω) L(80Ω)
3:7 55.77 150.27° 63.68° 34.16° 14.16°
5:5 63.44 124.97° 49.99° 31.93° 24.07°
7:3 63.03 101.93° 31.13° 29.26° 34.81°
상기한 결정값을 사용하여 시뮬레이션을 실행한 결과 도 10에 도시된 바와같은 그래프를 얻었다. 도 10에서 실선(X1)은 분배비율 3:7인 경우의 여파기에 대한 주파수 특성이고, 점선(X2)은 분배비율 5:5인 경우의 주파수 특성이며, 일점쇄선(X3)은 분배비율 7:3인 경우의 주파수 특성을 나타낸 것이다.
도 10으로부터 분배비율이 변함에 따라 감쇄극의 주파수 위치가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 11a에는 상기한 분배비율 3:7인 경우의 여파기에 대한 주파수 특성 그래프(X1)를 나타낸 것으로, 도시된 그래프(X1)에서 감쇄극(a)은 캐패시터(C1)를 구성하는 오픈 스터브(22)의 길이에 따라 변화하며, 2차 하모닉 성분(c)은 폐루프를 이루는 전송선로에 따라 변화한다.
이러한 현상을 이용하여 폐루프 전송선로에 의해 유발되는 2차 하모닉 성분(c)은 양단의 오픈 스터브(22)를 이용하여 제거할 수 있다. 즉, 감쇄극(a)의 위치가 2차 하모닉 주파수에 일치하도록 오픈 스터브(22)의 길이를 설정하면 도 11b에 도시된 점선과 같이 감쇄극(a')을 위치한 주파수 특성을 갖는 저역통과 여파기를 얻을 수 있다. 이경우 오픈 스터브는 폐루프 전송선로의 전기적 길이의 λ/4에 해당하는 길이를 갖도록 설정된다.
즉, 양단의 오픈 스터브(22,22)의 길이를 서로 다르게 설정하는 경우 도 11c과 같이 감쇄극(a,a')의 위치를 2차 하모닉 주파수 근방에 위치시킬 수 있으며, 도 11c에서 감쇄극(b,b')는 폐루프 전송선로에 의하여 발생되는 감쇄극이다. 따라서, 이와 같이 오픈 스터브를 조정하는 경우 4개의 감쇄극을 2차 공진 주파수에 위치시킬 수 있어 여파기의 감쇄특성을 크게 개선할 수 있게 된다.
이하에 상기한 도전 회로패턴(100)을 이용하여 본 발명에 따른 유전체 세라믹 저역통과 여파기를 마이크로웨이브 유전체 세라믹 기판에 구현하고 그 결과 얻어진 여파기의 주파수 특성을 살펴본다.
이를 위하여 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와같이 (주)유유의 AR20U 시리즈의 마이크로웨이브 유전체 세라믹 기판(50)을 사용하였고, 이 기판(50)은 유전율이 21.5, 두께 1.8mm, 유전체의 품질계수(Qu)가 13,000(10GHz에서)인 규격을 갖고 있는 것이며, 이경우 상기 도전 회로패턴(100)은 스크린 인쇄로 Ag 10μm의 두께로 기판의 일면에 인쇄하였고, 기판(50)의 반대면에는 도전 회로패턴(100)의 입출력 양단과 연결되는 입력 및 출력 단자영역(30a,32a)을 접지면(45)과 분리되어 양측에 아일랜드 형태로 형성한 구조를 갖는다.
상기한 구조를 갖는 여파기의 주파수 특성을 측정한 결과 도 9b에 도시된 바와같이 상기한 도 11c에 도시된 시뮬레이션된 결과와 일치한 특성을 나타내는 그래프가 얻어졌다.
즉, 2GHz에서 삽입손실이 0.34dB이고, 반사손실이 20.93dB이며 2차 공진 주파수(2f0)에서 25dB 이상의 감쇄를 보이며, 5.2GHz에서 5.5GHz 사이에서는 30dB 이상의 감쇄특성을 보여준다.
상기한 바와같이 본 발명에 따른 폐루프 전송선로(공진기)를 이용한 저역통과 여파기는 통과대역 이후의 저지대역에서 감쇄특성이 우수하며 저지대역의 감쇠극점을 인덕터의 분배비율(m:n)과 양단 오픈 스터브의 길이조정에 의해 쉽게 조정가능하며, 삽입손실이 적은 특성을 갖는다.
더욱이 상기한 여파기는 5단구조를 예를들었으나 이 구조를 다단으로 연결하는 경우 더욱 우수한 특성을 갖는 여파기를 구현할 수 있게 된다. 또한 상기한 여파기는 양면구조의 단일 유전체 세라믹 기판에 마이크로스트립라인으로 구현된 것이나 전송선로가 2개의 기판 사이에 매입된 형태의 스트립라인구조 또는 다단의 적층형 세라믹 칩 형태 등으로 제작하는 경우 크게 부품의 소형화를 기할 수 있다.
상기 여파기가 다단구조를 갖게 되어 다수의 폐루프 도전패턴을 갖는 경우 각각의 폐루프 도전패턴(공진기)은 각층마다 한개씩 배치하는 것에 의해 전체적인 크기를 작게 하는 것이 가능하다.
한편 상기한 제1실시예에 따른 저역통과 여파기의 도전 회로패턴(100)은 이와 동일 또는 유사한 주파수 특성을 나타내는 것으로 하기와 같이 다양하게 변형 가능하다.
먼저 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴(38,40)은 도 15a와 같이 서로 반대방향으로 향하거나 또는 폐루프 도전패턴(36)에 모두 반대방향으로 배치된 형상(38a)을 이룰 수 있다.
또한 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴(38,40)중 어느 하나가 도 15b에 도시된 바와같이 1단 절곡되어 선단부가 연결도전패턴(34a 또는 34b)에 평행하게 설정된 "L"형 오픈 스터브 도전패턴(38b)을 가질 수 있다.
더욱이, 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴(38,40)중 어느 하나가 도 15c에 도시된 바와같이 길이가 줄어드는 대신에 폭이 넓어진 형상(38c)을 이룰 수 있다.
또한, 연결도전패턴(34a,34b)과 폐루프 도전패턴(36) 사이의 연결은 도 15d에 도시된 바와같이 폐루프 도전패턴(36)의 일측변 양단이 아니라 양측변에 수직으로 연결된 형상을 이룰 수 있다.
도 15d에 도시된 폐루프 도전패턴(36)은 도 15e와 같이 상측변과 하측변이 각각 요홈(35)을 갖는 폐루프 도전패턴(36a) 형상을 가질 수 있고, 상기 연결도전패턴(34a,34b)은 도 15f와 같이 2단 절곡된 형상(34c,34d)을 가질 수 있다.
한편, 도 16a 내지 도 16e에는 각각 제2실시예에 따라 링형 폐루프 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 기본예 및 변형예들이 도시되어 있다.
도 16a에 도시된 제2실시예의 기본예는 폐루프 전송선로가 링형 구조를 이루는 것이 제1실시예와 다른 점이다. 즉, 도 5a의 T형 회로망(10)이 도 5b와 같이 폐루프를 이루는 링형 도전패턴(120)으로 구현되었다. 나머지 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴(38,40)과 연결도전패턴(34a,34b)은 제1실시예의 회로패턴(100)과 동일한 형상을 갖는다. 따라서, 상기 제2실시예의 도전 회로패턴(200)은 제1실시예와 동일한 주파수 특성을 갖는다.
상기 제2실시예의 기본예는 링형 도전패턴(120)이 동일한 폭으로 이루어진 구조이나, 다음과 같이 다양한 변형된 구조를 가질 수 있다. 먼저, 도 16b와 같이 링형 전송선로의 연결도전패턴(34a,34b)과의 접속점을 기준으로 하측의 큰 원호부분이 상측의 원호부분과 다르게 균등하게 원호의 내측으로 폭이 증가된 형상(12a), 또한 도 16c와 같이 하측의 원호부분 중 일부만이 원호의 내외측으로 동시에 폭이 증가된 형상(12b), 도 16d와 같이 하측의 원호부분에 방사상으로 한쌍의 짧은 오픈 스터브(12c,12d)가 부가된 구조, 또는 도 16e와 같이 링형 전송선로와 동심상으로 하측의 원호부분과 소정의 거리를 두고 배치되는 일정길이의 섭동라인(12e)을 구비한 구조를 가질 수 있다.
상기한 도 16d 및 도 16e에서 오픈 스터브(12c,12d)와 섭동라인(12e)은 여파기의 특성을 조정하는 데 사용하는 튜닝부를 형성한다.
이러한 링형 전송선로의 변형예는 저역통과 여파기가 사용자가 원하는 주파수 특성에 따라 선택되며, 길이가 동일한 경우 패턴의 형상은 특성에 영향을 미치지 않으므로 보다 콤팩트한 구조로 구현 가능한 회로패턴을 이루는 것이 중요하다.
이하에 T형 회로망을 1개 이상 구비한 저역통과 여파기에 대하여 본 발명이 적용되는 것을 설명한다.
도 17a 내지 도 17c는 7단 표준 저역통과 여파기의 회로도, 2개의 T형 회로망을 갖도록 재구성한 저역통과 여파기 및 이에 대한 분해 전송선로, 도 18a 및 도 18b는 각각 도 17에 도시된 전송선로를 세라믹 유전체 기판에 구현하기 위한 저역통과 여파기 회로 패턴의 일실시예 및 변형예를 나타낸다.
도시된 바와같이 도 17a의 7단 표준 저역통과 여파기는 직렬접속된 3개의 인덕터(L1,L1,L1)와 병렬접속된 4개의 캐패시터(C1,C1,C2,C2)로 구성되며, 따라서 점선으로 표시한 2개의 T형 회로망(10a,10b)을 갖도록 인덕터(L1,L1,L1)를 분할하면 도 17b와 같이 재구성되므로, 따라서 도 17c에 도시된 바와같이 2개의 폐루프(16a,16b,14a'-14c',14a"-14c")를 포함하는 분해 전송선로가 얻어진다.
상기한 도 17c에 따라 7단 저역통과 여파기는 도 18a에 도시된 바와같이 2개의 폐루프 도전패턴(136a,136b)과, 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴(38,40)과 연결도전패턴(34a,34b)을 갖는 도전 회로패턴(300)으로 구현된다. 또한 상기 도전 회로패턴(300)은 폐루프 도전패턴(136b)의 위치와 입력 및 출력측 오픈 스터브 도전패턴의 형상을 "L"자로 변형시킨 구조(38b,40b)를 채용하는 것도 가능하다.
도 19는 4개의 사각 폐루프 전송선로를 갖는 11단 저역통과 여파기의 회로패턴의 일실시예이다. 도시된 바와같이 11단 저역통과 여파기의 회로패턴(400)은 4개의 폐루프 도전패턴(236a-236d)이 상하로 교대로 배치된 구조로서 구현될 수 있다.
상기한 바와같이 본 발명에 따른 저역통과 여파기는 T형 회로망을 폐루프 전송선로(공진기)로 구현함에 의해 통과대역 이후의 저지대역에서 감쇄특성이 우수하며 저지대역의 감쇠극점을 인덕터의 분배비율(m:n)과 양단 오픈 스터브의 길이조정에 의해 쉽게 조정가능하며, 삽입손실이 적은 특성을 갖는 여파기를 얻게 된다.
더욱이 상기한 여파기는 5단구조를 예를들었으나 이 구조를 다단으로 연결하는 경우 회로의 구조를 줄일 수 있고 더욱 우수한 특성을 갖는 여파기를 구현할 수 있게 된다. 또한 상기한 여파기는 양면구조의 단일 유전체 세라믹 기판에 구현된 것이나 다단의 적층형 세라믹 칩 형태로 제작하는 경우 크게 부품의 소형화를 기할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 T형 회로망을 갖는 저역통과 여파기에 있어서,
    마이크로웨이브 유전체 기판과,
    서로 거리를 갖고 위치한 입/출력 단자영역과,
    상기 입/출력 단자영역에 각각 일측단이 연결된 제1 및 제2 연결부와,
    폐루프를 형성하는 제1 및 제2 전송선로를 구비하며, 상기 제1 및 제2 연결부의 타단에 각각 제1 및 제2 전송선로의 2접속점이 연결된 적어도 하나의 폐루프 전송선로와,
    상기 제1연결부에 일단이 수직으로 연결된 입력 오픈 스터브와,
    상기 제2연결부에 일단이 수직으로 연결된 출력 오픈 스터브로 구성되며,
    상기 입/출력 단자영역, 제1 및 제2 연결부, 적어도 하나의 폐루프 전송선로, 입력 오픈 스터브 및 출력 오픈 스터브는 상기 기판위에 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결부와 제1 및 제2 전송선로는 상기 T형 회로망에 포함된 인덕터의 분배비율에 따라 전기적 길이와 특성 임피던스가 결정되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오픈 스터브에 의한 감쇄극을 폐루프 전송선로에 의한 2차 하모닉 성분의 주파수에 위치시킴에 의해 상기 2차 하모닉 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 오픈 스터브의 전기적 길이를 폐루프 전송선로의 전기적 길이의 λ/4로 설정하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브의 길이를 서로 다르게 설정함에 의해 감쇄극의 위치를 2차 하모닉 성분의 주파수에 위치시키는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브는 각각 입력 및 출력 캐패시터와 기생 캐패시턴스값에 따라 전기적 길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 폐루프 전송선로는 링형과 사각형중 어느 하나의 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 폐루프 전송선로를 형성하는 제1전송선로와 제2전송선로는 특성임피던스가 서로 다르게 되도록 각각의 선로폭이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 폐루프 전송선로는 감쇄극의 위치를 조정하기 위한 튜닝수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브중 적어도 어느 하나가 "L"자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  11. 제7항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 상기 입력 오픈 스터브의 자유단은 출력 오픈 스터브의 반대방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  12. 제7항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 상기 폐루프 전송선로는 인접한 폐루프 전송선로와 반대방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  13. 마이크로웨이브 유전체 기판과,
    서로 거리를 갖고 위치한 입/출력 단자영역과,
    상기 입/출력 단자영역에 각각 일측단이 연결된 제1 및 제2 연결부와,
    상기 제1 및 제2 연결부의 타단에 양단부가 연결되며 각각 폐루프를 이루는 다수의 폐루프 공진기와,
    상기 제1연결부에 일단이 수직으로 연결된 입력 오픈 스터브와,
    상기 제2연결부에 일단이 수직으로 연결된 출력 오픈 스터브로 구성되며,
    상기 입/출력 단자영역, 제1 및 제2 연결부, 적어도 하나의 폐루프 전송선로, 입력 오픈 스터브 및 출력 오픈 스터브는 상기 기판에 다단 적층형으로 분산되어 배치되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다수의 폐루프 공진기 각각은 각층마다 한개씩 배치되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  15. 제13항에 있어서, 상기 입력 및 출력 오픈 스터브의 길이를 서로 다르게 설정함에 의해 감쇄극의 위치를 2차 하모닉 성분의 주파수에 위치시키는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기.
  16. 적어도 하나의 T형 회로망을 갖는 저역통과 여파기의 제조방법에 있어서,
    상기 T형 회로망에 포함된 인덕터를 설정된 분배비율로 분할하여 여파기 회로를 재구성하는 단계와,
    상기 재구성된 여파기 회로에서 T형 회로망을 폐루프 전송선로로 구현하고, 분할된 인덕터를 직선 전송선로로 구현하며, 입/출력단의 캐패시터를 입/출력 오픈 스터브로 구현한 분해 전송선로를 구하는 단계와,
    상기 구해진 분해 전송선로에 대한 등가회로의 분석에 의해 분해 전송선로 각 부분에 대한 전기적 길이와 특성 임피던스를 구하는 단계와,
    상기 구해진 전기적 길이와 특성 임피던스로 설정된 분해 전송선로의 결합에 의해 얻어진 도전 회로패턴을 마이크로웨이브 유전체 기판위에 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 입/출력 오픈 스터브의 길이를 조정함에 의해 여파기의 하모닉 성분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 저역통과 여파기의 제조방법.
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