KR100313893B1 - 협대역 초전도 대역 통과 필터 - Google Patents

Abstract

무선 통신 시스템에서 원하는 대역의 신호만 선별하여 통과시키는 대역 통과 필터에서 고온 초전도체를 이용한 협대역 초전도 대역 통과 필터에 관한 것으로, 기판상에 소정 간격으로 다수개 형성되고 일면에 개방부를 갖는 헤어핀-콤 구조의 공진기와, 공진기 양측의 기판상에 형성되고 공진기에 평행하게 일정간격 떨어져 커플링되거나 또는 공진기의 일측면에 연결되는 피드라인과, 기판 하부에 형성되는 접지면으로 구성됨으로써, 커플링이 작으며, 좁은 면적에 많은 공진기를 넣을 수 있어 우수한 특성을 가지며 설계의 자유도가 증가하므로 제작이 쉽다.

Description

협대역 초전도 대역 통과 필터{narrow band superconducting band pass filter}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 원하는 대역의 신호만 선별하여 통과시키는 대역 통과 필터에 관한 것으로, 특히 고온 초전도체를 이용한 협대역 초전도 대역 통과 필터에 관한 것이다.

최근에 지. 엘. 마흐타에이(G. L. Mahttaei)는 논문(G. L. Mahttaei, N. O. Forse, and S. M. Rohlfing, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 45, pp. 1226-1231(1997))을 통해 헤어핀-콤 공진기를 이용하여 협대역 초전도 필터를 제작할 수 있음을 발표했었다.

이 논문에서는 4개의 헤어핀-콤 공진기를 이용하여 초전도 필터를 설계 제작하였다.

여기서, 피드라인과 공진기간의 커플링 구조는 그림으로 표시되지는 않았지만 설명상으로 인터디지트 커패시터(interdigit capacitor)형이었다('The capacitors Cc were realized in interdigital from with seven fingers.').

실제 PCS 무선 통신 기지국에서 초전도 필터를 사용하기 위해서는 강한 간섭 신호 제거를 위해 보통 여러 개의 공진기를 사용해야 하는데, 이때 피드라인 구조와 피드라인과 맨 가장자리 공진기와 커플링 구조가 필터 설계에 매우 많은 영향을 주게 된다.

그러나, 마흐타에이 필터의 인터디지트 커패시터의 구조는 헤어핀-콤 공진기 구조와 달라 설계가 다소 어렵고, 필터의 스커트 특성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위한 것으로 고온 초전도체를 이용하여 컴팩트(compact)한 협대역 초전도 대역 통과 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 협대역 초전도 대역 통과 필터를 보여주는 평면도 및 단면도

도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 피드라인과 공진기 간의 커플링 구조를 보여주는 도면

도 3은 본 발명의 특성을 보여주는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 기판 2 : 접지면

3,11,21,31 : 피드라인 4,13,22,32 : 공진기

5 : 연결패드 6 : 금 박막

12 : 50Ω 라인

본 발명에 따른 협대역 초전도 대역 통과 필터는 기판과, 기판상에 소정 간격으로 다수개 형성되고 일면에 개방부를 갖는 헤어핀-콤 구조의 공진기와, 공진기 양측의 기판상에 형성되고 공진기에 평행하게 일정간격 떨어져 커플링되거나 또는 공진기의 일측면에 연결되는 피드라인과, 기판 하부에 형성되는 접지면으로 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 상기 공진기에 평행하게 일정간격 떨어져 커플링되는 피드라인의 끝단에 50Ω 라인이 피드라인에 대해 평행하게 연결되거나 또는 수직하게 연결되는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 피드라인의 개방부가 공진기의 개방부와 엇갈리게 형성되는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 피드라인은 공진기와 같은 폭을 가지며 λ/4의 길이를 갖는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 협대역 초전도 대역 통과 필터를 첨부된 도면을 참조하여 실시예별로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 커플링이 작은 헤어핀-콤(hairpin-comb) 공진기와 피드라인과 공진기 사이에 다양한 커플링 구조를 이용하여 컴팩트한 협대역 초전도 마이크로스트립 필터를 제공하는 것이다.

본 발명에서는 피드라인과 공진기간의 커플링 구조를 크게 4가지로 분류하여 제시하였다.

첫 번째 구조는 헤어핀-콤 공진기 간의 커플링 구조와 구조적으로는 같지만 피드라인과 공진기의 개방부 사이에 엇갈린 커플링 구조를 이용하는 입력방법이고, 두 번째 구조는 탭드 라인(Tapped line)을 이용하는 방법이며, 세 번째 구조는 50Ω 라인을 공진기와 직접 커플링하는 방법이고, 네 번째 구조는 상기 첫 번째 구조와 두 번째 구조를 결합하여 입력하는 방법이다.

일반적으로 마이크로파 필터는 무선통신시스템에서 원하는 대역의 신호만 선별하여 통과시키는 소자이다.

그러므로 통과대역 폭이 좁은 협대역 필터를 만들기 위해서는 인접한 공진기 간에 커플링이 작아야 한다.

그러나, 일반적으로 커플링은 거리에 따라 천천히 감소하는 함수이기 때문에 협대역 필터의 공진기 간의 배치 간격이 커지게 된다.

또한, 고온 초전도 필터를 만들 수 있는 기판의 크기가 제한되어 있어서 공진기 수를 많이 만들기가 어렵지만, 도 1에 도시된 바와 같이 헤어핀 공진기를 똑같은 방향으로 배열을 하면 각각 공진기의 개방부에서 λ/4 떨어진 공진기의 중심점에 단락이 일어나 마치 콤라인 필터와 같은 기능을 하게 된다.

이러한 형태의 필터를 헤어핀-콤 필터라 부르는데, 콤라인 필터의 특징은 이웃 공진기 간에 커플링이 매우 작다는 것이다.

그러므로 같은 기능을 하는 헤어핀-콤 필터도 커플링이 작으며, 좁은 면적에 많은 공진기를 넣을 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 많은 공진기를 넣을수록좋은 특성의 필터를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 제 1 실시예에 따른 협대역 초전도 대역 통과 필터를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 기판(1), 접지면(2), 피드라인(3), 공진기(4), 연결패드(5)로 구성된다.

여기서, 기판(1)은 LaAlO₃, MgO 등과 같은 물질로 이루어지며, 필터와 필터 패키지와의 접지를 강화하기 위한 접지면(2)은 YBa₂Cu₃O_7-δ등의 초전도체로 이루어지고 그 위에 금 박막(6)이 형성된다.

피드라인(3)과 공진기(4)는 초전도체로 만들어져 있으며, SMA 커넥터 등의 마이크로파 연결 소자와 연결하기 위하여 YBa₂Cu₃O_7-δ등의 초전도체 피드라인 위에 금 박막을 형성하여 연결패드(5)를 만든다.

그리고, 공진기(4)의 모양은 마치 머리핀 혹은 말굽 모양으로 생겼으며 통과시키려는 파장의 1/2이 되도록 공진기의 길이를 결정한다.

또한, 원하는 사양에 따라 공진기 숫자의 조절이 가능하며, 공진기 간의 간격 또한 어떤 형태의 필터를 제작할 것인가에 의해 결정된다.

하지만, 도면에서는 편의상 다섯 개의 공진기를 나타내었다.

도 2a 내지 2d는 다양한 형태의 피드라인과 공진기 간의 커플링 구조를 보여주는 도면으로서, 피드라인은 외부의 시스템과 같은 필터를 연결해주는 역할을 하는 구조로서 외부시스템과 임피던스가 매칭되어 있어야 한다.

도 2a는 피드라인(11)으로 공진기와 같은 폭을 가지며 공진기의 팔의 길이의 반, 즉 入/4의 길이를 가진 마이크로스트립라인을 이용하여 공진기에 커플링을 하는 방법이다.

또한, 임의의 길이의 50Ω 라인(12)을 피드라인 끝단에 연결함으로써 외부로의 입력/출력단을 형성하고, 피드라인과 공진기(13)의 팔이 서로 평행이 되도록 하여 필터 전체의 커플링의 모드룰 균일화 시켜 피드라인과 공진기간의 커플링 설계를 쉽게 하였다.

또한, 피드라인(11)의 개방부와 공진기(13)의 개방부는 서로 엇갈리게 하여 공진기의 커플링과는 별도로 공진기 중심 전송부를 거쳐 입출력 두 개 피드라인 끼리 바로 연결되어지는 커플링을 줄였으며, 피드라인(11)과 공진기(13) 간의 거리(도 2a의 g부분)를 조절함으로써 임피이던스 매칭을 할 수 있다.

도 2b는 피드라인(21)을 헤어핀 형태의 공진기(22)에 직접 인가하여 커플링을 시키는 방법으로서, 그 외의 다른 것은 도 2a와 같다.

일반적으로 도 2b의 방법에서는 50Ω의 임피이던스를 갖도록 피드라인(21)의 폭을 결정하고, 피드라인(21)이 태핑(tapping)되는 위치(도 2b의 d)를 이동시킴으로써 외부 시스템과의 임피이던스 매칭을 조정할 수 있다.

도 2a의 방법으로 필터를 설계하다보면 경우에 따라 가끔 피드라인과 공진기의 거리가 너무 가까워 제작할 때 문제가 발생할 때가 있지만, 이럴경우에 도 2b와 같은 방법을 적용하면 피드라인과 공진기 사이의 간격을 충분히 유지하면서도 임피이던스 매칭이 되는 필터를 제작할 수 있다.

도 2c는 50Ω 라인(31)을 평행으로 공진기 옆에 배치하여 피드라인(31)과공진기(32)를 직접 커플링시키는 방법이다.

이 방법에서는 피드라인(31)과 헤어핀 공진기(32)와의 거리(도 2c의 g)와 커플링 되는 부분의 길이(도 2c의 d)를 조절함으로써 임피이던스 매칭을 시킬 수 있다.

이 방법은 T자 형태로 연결되는 부분을 제거하여 T자 연결부위에 전류밀도가 증가하는 것을 방지함으로써, 위의 두 필터에 비해 전력 수송능력을 향상시킬 수 있다.

도 2d는 도 2a와 도 2b의 방법을 결합한 형태로서, 도 2a의 방법으로 필터를 설계하다 보면 가끔 피드라인과 공진기 간의 거리가 너무 가까워 제작할 때 문제가 발생하고, 도 2b의 방법을 사용하면 간격이 너무 넓어져 많은 수의 폴을 만들 수 없는 문제가 발생할 때가 있다.

이런 경우 도 2d와 같이 도 2a와 도 2b의 방법을 병행하면 많은 수의 폴을 만들 수 있고, 제작하기에 충분한 정도로 피드라인과 공진기의 간격을 넓힐 수 있으면서도 임피이던스 매칭을 시킬 수 있다.

도 3는 본 발명에 따라 제작된 11-폴(pole) 필터의 특성을 측정한 결과이다.

이 필터는 통과대역 내에서 0.5dB 정도의 작은 입력 손실, 통과대역 대 중심주파수의 비로 정의되는 프랙션얼 밴드폭(fractional bandwidth)이 0,6% 정도의 아주 좁은 통과대역과 20dB/MHz 정도의 아주 가파른 스커트 특성을 지니고 있으므로, 기존 필터에 비해 우수한 특성을 지니고 있다.

이와 같이 초전도 헤어핀-콤(hairpin-comb) 필터처럼 아주 좁은 통과대역을 지닌 필터에서의 피드라인과 공진기 간의 커플링 구조는 필터의 임피던스 매칭을 조절해주므로 매우 중요하다.

또한, 본 발명은 다양한 방법으로 입출력 피드라인과 공진기 간의 커플링을 형성할 수 있으므로 필터설계의 자유도가 증가한다.

본 발명을 이용하면 우수한 특성을 지닌 마이크로파 필터를 제작할 수 있으며, 또한 이 필터를 셀룰러(cellular), PCS, IMT2000, LMDS등의 무선통신 기지국에 장착하면 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 협대역 초전도 대역 통과 필터에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 커플링이 작으며, 좁은 면적에 많은 공진기를 넣을 수 있어 우수한 특성을 가지며 설계의 자유도가 증가하므로 제작이 쉽다.

Claims (7)

1. 기판;

   상기 기판상에 소정 간격으로 다수개 형성되고, 일면에 개방부를 갖는 헤어핀-콤 구조의 공진기;

   상기 공진기 양측의 기판상에 형성되고, 상기 공진기에 평행하게 일정간격 떨어져 커플링되거나 또는 상기 공진기의 일측면에 연결되는 피드라인; 그리고,

   상기 기판 하부에 형성되는 접지면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진기에 평행하게 일정간격 떨어져 커플링되는 피드라인은 끝단에 50Ω 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 피드라인의 개방부는 상기 공진기의 개방부와 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 피드라인은 상기 공진기와 같은 폭을 가지며 λ/4의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 50Ω 라인은 상기 피드라인에 평행하게 연결되거나 또는 수직하게 연결되는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 공진기, 피드라인, 접지면은 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 접지면 위에는 금 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 협대역 초전도 대역 통과 필터.