KR100304269B1 - 태핑방법을이용한적층칩대역필터설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진기 층에 직접 입출력 단을 설계하는 태핑 방법으로 고주파용 유전체 세라믹을 이용한 적층칩 대역필터를 설계하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 태핑방법을 이용하여 적층칩 대역 필터를 설계할 경우에는 기존 설계방법에 비해 적층의 수를 감소시킬 수 있어 구조가 간단하여 제작이 용이하고 제작비용을 감소시킬 수 있으며 스퓨리어스 공진 특성이 우수한 장점이 있다.

Description

태핑방법을 이용한 적층칩 대역 필터 설계방법{DESIGN FOR THE MULTILAYER BANDPASS FILTER USING TAPPING METHOD}

본 발명은 태핑방법을 이용한 적층칩 대역필터에 관한 것으로, 더 구체적으로는 입출력 커플링을 이용한 기존방법에 비해 적층의 수를 감소시킬 수 있어 구조가 간단하고 스퓨리어스(Spurious)공진 특성이 더 좋은 입출력 태핑방법을 이용하여 적층칩 대역필터를 설계하는 방법에 관한 것이다.

전자산업의 발전과 정보화 시대로의 빠른 진입으로 인하여 이동통신기기의 사용이 급증하고 있는데 이러한 이동통신 수요의 주종은 휴대용 전화기로서 주로 UHF대역의 이동통신 단말기이며 현재 통화 수요 급증으로 인하여 1.8GHz 대역의 PCS대역의 단말기도 각광을 받고 있다. 이런 단말기의 소형, 경량화를 위해 전자부품, 특히 부피가 크고 무게가 많이 나가는 RF필터와 같은 전자부품은 소형화와 SMD (Surface Mounted Devices)화가 필수적이다. 이에 따라 적층형 커패시터나 다층회로기판의 제작분야에서 보편화되어 있는 테이프 캐스팅(Tape casting)에 의한 소자의 다층화 기술이 주목을 받고 있다.

또한 적층칩 필터는 크기가 매우 작고 각층에 프린팅된 전극의 미세한 변화에도 필터 특성이 확연히 달라질 뿐만 아니라 제작과정중 소결과정에서 17% 내지 19% 정도 수축 현상이 발생하기 때문에 원하는 특성을 갖는 필터를 제작하기가 매우 어려우므로 제작이 용이하도록 단순한 구조를 갖는 필터가 요구된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제작이 용이하도록 단순한 구조를 가지면서도 원하는 특성을 가진 필터를 제공하는 것이다.

도 1a는 종래의 대역 통과 필터의 구조도

도 1b는 도 1a에 나타난 대역통과 필터의 등가회로

도 2a는 본 발명에 의해 태핑된 공진기를 이용한 대역 통과 필터의 구조도

도 2b는 도 2a에 나타난 대역 통과 필터의 등가회로

도 3a는 도 1a의 필터와 도 2a의 필터의 통과 대역 특성 결과를 나타낸 비교도.

도 3b는 도 1a의 필터와 도 2a의 필터의 스퓨리어스 공진의 특성 결과를 나타낸 비교도.

본 발명은 공진기에 직접 입출력 단을 연결하는 태핑방법에 의해 대역통과 필터를 설계함으로서 5개의 인쇄층으로 구성된 기존의 필터 구조를 4개의 인쇄층으로 구성된 구조로 설계하는 방법 및 이 방법에 따라 제조된 필터에 관한 것이다.

본 발명의 필터의 설계방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 종래의 대역 필터에 관한 구조도이고 도 1b는 기존의 대역 필터의 등가회로도이다. 도 1a는 종래의 대역통과 필터가 다섯 개의 층으로 구성되어 있음을 나타내는데 검은색으로 표시된 부분은 세라믹 층 위에 인쇄되고 소결된 도체 전극을 나타낸다. 도 1b는 도 1a의 구조를 등가회로로 표현한 것이다.

도 2a는 본발명에 따라 태핑된 공진기를 이용한 개선된 필터의 구조도로서 공진기의 폭과 깊이는 기존 필터의 공진기와 같다. 도 2b는 도 2a의 구조를 등가회로로 표현한 것이다.

도 1a에 나타나 있는 종래의 필터와 도 2a에 나타나 있는 태핑방법으로 설계된 본발명의 필터의 구조를 비교해 보면 종래의 필터는 도체 전극이 5개의 층으로 구성되어 있는데, 필터의 중심에 위치하는 공진기층(Planar line layer 10)과 이 공진기 층을 중심으로 상하 대칭된 두 개의 커플링 커패시터 (coupling capacitor 20) 층에 입출력단을 가지는 구조로 되어 있으며, 최상부 및 하부에 실드층(shield layer 30)이 있다.

본원발명에 따라 태핑방법으로 설계된 필터는 도체전극이 4 개의 층으로 구성되어 있고 한 개의 커플링 커패시터 층만을 갖고 필터의 중심에 위치하는 공진기 층에 직접 입출력단을 연결한 구조로 되어 있으며 최상부 및 하부에 실드층(shield layer 30)이 있다. 따라서 본원발명에 따라 태핑방법으로 설계된 필터는 한 층을 줄일 수 있으므로 기존방법에 비해 보다 간단한 구조를 갖고 있음을 알 수 있다.

또한 기존방법으로 필터를 설계할 경우에는 공진기 층을 중심으로 상하 대칭된 두 개의 커플링 커패시터 층(20)에 입출력단을 가지는 구조로 되어 있어 제작과정에서 공진기 층(10)을 중심으로 두 개의 커플링층(20)이 비대칭될 경우에 공진주파수 특성이 민감하게 변화하므로 제작상 어려움이 있었다.

본 발명의 태핑 기법을 기존의 필터에 적용하면 통과대역이 높은 주파수 방향으로 이동하기 때문에 기존의 필터와 통과대역을 같도록 설계하기 위해서는 공진기 개방면쪽에 위치한 커플링 커패시터 층의 도체 전극을 크게 하고 또한 공진기 층의 두 공진기 사이의 간격이 증가하도록 설계하여야 한다.

도 2b는 공진기의 탭점을 계산하기 위해 나타낸 공진기의 등가회로이다.

공진기의 탭점은 필터의 익스터널 Q_e와 관계가 있다. 공진기의 익스터널 Q_e값을 구하기 위해 공진 주파수 부근에서 도 2b에 나타낸 등가회로의 탭점에서의 입력 어드미턴스(Y_in)를 구하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

{Y}_{i n} = {Y}_{a}+ {Y}_{b}=jB (1)

여기서 Ya는 도 2b에 도시된 공진기의 탭점에서 공진기 좌측의 접지점까지의 어드미턴스이며, Yb는 공진기의 탭점에서 공진기 우측의 접지점까지의 어드미턴스이고, 각각은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

여기서 d는 공진기의 단락면에서부터 탭점까지의 거리이고 L은 공진기의 실제적인 길이, v_g는 필터 내에서의 웨이브 전파 속도, ω는 각주파수, Z_o는 공진기의 임피던스이다. 위 식에서는 일반적으로 탭점의 위치를 찾을 때 커패시터의 영향을 무시하는 것과 달리 커패시터 성분을 포함시켰으며, 공진기의 길이는 일반적으로 π/2로 하지만 커패시터의 영향을 고려한 실제 길이로 두고 계산한다. 따라서 커패시턴스가 클수록 공진기 길이(L)은 π/2 보다 짧아지게 된다.

한편, 공진기의 익스터널 Q_e는 다음과 같다.

{Q}_{e}=Rb (2)

여기서는 식 (1)로 부터 계산되는 서셉턴스 슬롭 파라미터이고, R은 소스의 임피던스이다. 필터의 익스터널 Q_e를 구하는 방법중 J-인버터를 이용한 대역통과 필터의 익스터널 Q_e는 다음과 같이 정의된다.

(3)

여기서 g₀와 g₁은 프로토타입 저역통과 필터의 소자값이고 ω₁은 1, W는 필터의 프랙셔널 대역폭이다.

Ya 및 Yb에 관한 식을 식 (1)에 대입하면 B에 관한 식이 얻어진다. 이렇게 얻어진 B에 관한 식을 식 (2)에 대입한 후 식 (3)과 같도록 하면 탭점의 위치인 d를 구할 수 있게 된다.

도 3a는 도 1a와 도 2a의 구조로 30MHz의 통과대역을 갖고 중심주파수(f_o) 1.865GHz에서 동작하는 2개의 공진기를 갖고 주파수 차단특성이 예리한 쳬비셰프타입 대역통과 필터로 설계된 2가지 필터의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

시뮬레이션 결과로부터 태핑방법을 이용한 필터의 주파수 특성을 보면 종래의 방법으로 설계된 필터에 비해 약간 큰 리플을 가지면서 저지대역에서 경사가 큰 것을 볼 수 있다. 따라서, 기존방법과 태핑방법으로 설계된 대역통과 필터의 경우 통과대역을 나타내는 f_o±15MHz의 주파수범위 이내에서는 삽입손실을 나타내는 S₁₁값이 거의 0에 가까우므로 두 필터 모두 삽입손실이 거의 없음을 알 수 있다. f_o±15MHz 이외에 주파수범위에서는 태핑방법으로 설계된 필터가 기존방법으로 설계된 필터보다 S₁₁곡선이 매우 급격히 (sharp)하게 증가하므로 삽입손실을 나타내는 S₁₁값이 기존필터보다 더 크게 증가함을 알 수 있다.

설계방법이 다른 두 필터의 첫 번째 스퓨리어스 공진 특성을 도 3b에 나타내었다. 공진기의 길이가 λ/4이기 때문에 중심주파수의 약 세배되는 주파수에서 스퓨리어스 공진이 발생하며 스퓨리어스 공진이 얼마나는 주파수에서의 삽입손실을 나타내는 S₁₁값이 작을수록 설계된 주파수대역에서만 공진이 발생하므로 통과대역 필터의 특성이 우수함을 알 수 있다. 도 3b에 나타난 결과에서와 같이 스퓨리어스 공진 주파수에서 삽입손실이 발생함을 알 수 있는데 종래의 방법으로 제작한 필터의 스퓨리어스 공진에서 삽입손실이 -10dB인 것에 비해 태핑방법을 이용한 대역통과의 필터의 경우 삽입손실이 0에 가까운 값을 갖는다. 따라서 태핑방법을 이용하여 대역통과 필터를 제작할 경우 스퓨리어스 공진 주파수에 민감하지 않고 설계된 통과대역 주파수에서만 필터특성을 나타내므로 필터특성이 향상됨을 알 수 있다.

본 발명의 설계방법에 따라 제조된 적층 대역통과 필터는 PCS 대역은 물론 더넓은 주파수 대역 (200MHz∼3GHz)에 대해 적용 가능하므로 2.3GHz 대역 무선 가입자망(WLL) 및 종합정보 통신망(ISDN) 등에도 본 발명의 설계 방법이 이용될 수 있다.

본 발명에 따라 입출력 태핑기법을 이용하여 설계한 적층칩 대역 필터는 입출력 커플링을 이용한 종래의 필터에 비해 통과 대역의 주파수 특성 저하없이 전극이 인쇄되는 층을 감소시킬 수 있어 구조가 간단하므로 제작 비용을 감소 시킬 수 있다.

또한 종래의 필터는 좌우,상하 대칭이지만 본 발명에 의한 필터는 공진기 층을 중심으로 커플링 커패시터 층이 상하대칭이 아니므로 대칭으로 인한 중심 주파수의특성의 민감성이 감소하므로 제작이 용이하다.

부가하여 본 발명에 의한 필터는 종래의 필터에 비해 주파수 통과대역의 특성이 우수하고, 중심주파수의 약 세배되는 주파수에서 발생하는 스퓨리어스 공진 주파수에 민감하지 않고 설계된 통과대역 주파수에서만 필터특성을 나타내므로 필터특성이 향상됨을 알 수 있다.

Claims (4)

1. 실드층, 커플링 커패시터 층 및 공진기 층으로 이루어진 대역통과 필터의 제조방법에 있어서, 공진기층에 직접 입출력 단자를 태핑하며,

   다음의 식 (1), (2), (3)에서

   {Y}_{i n} = {Y}_{a}+ {Y}_{b}=jB (1)

   여기서,

   {Q}_{e}=Rb (2)

   여기서,

   (3)

   여기서 d는 공진기의 단락면에서부터 탭점까지의 거리, L은 공진기의 실제적인 길이, v_g는 필터 내에서의 웨이브 전파 속도, ω는 각주파수, Z_o는 공진기의 임피던스, g₀와 g₁은 프로토타입 저역통과 필터의 소자값, ω₁은 1, W는 필터의 프랙셔널 대역폭을 각각 나타내며,

   입출력 단자의 태핑위치(d)는 상기 식 (1), (2), (3)으로부터 구하는 것을 특징으로 하는 적층 대역통과 필터의 설계방법.
2. 제 1항에 있어서, 공진기 개방면쪽에 위치한 커플링 커패시터 층의 도체 전극을 크게 하고 공진기 층의 두공진기 사이의 간격이 증가하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 설계방법.
3. 한 개의 커플링 커패시터 층, 필터의 중심에 위치하는 공진기 층 및 최상부 및 하부에 실드층으로 구성되며 상기 공진기층에 직접 입출력단자를 연결한 구조로 이루어지고,

   다음의 식 (1), (2), (3)에서

   {Y}_{i n} = {Y}_{a}+ {Y}_{b}=jB (1)

   여기서,

   {Q}_{e}=Rb (2)

   여기서,

   (3)

   여기서 d는 공진기의 단락면에서부터 탭점까지의 거리, L은 공진기의 실제적인 길이, v_g는 필터 내에서의 웨이브 전파 속도, ω는 각주파수, Z_o는 공진기의 임피던스, g₀와 g₁은 프로토타입 저역통과 필터의 소자값, ω₁은 1, W는 필터의 프랙셔널 대역폭을 각각 나타내며,

   입출력 단자의 태핑위치(d)는 상기 식 (1), (2), (3)으로부터 구하는 것을 특징으로 하는 적층 대역통과 필터
4. 제 3항의 필터를 2.3GHz 대역 무선 가입자망(WLL) 및 종합정보 통신망(ISDN) 중에서 선택된 하나에 사용하는 방법.