KR100335098B1 - 마이크로스트립 초전도 필터 - Google Patents

마이크로스트립 초전도 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수개의 공진기를 적절히 배치하여 서로 이웃하지 않았던 공진기간에 커플링이 일어나도록 하여 적은 수의 공진기를 가지고 더욱 가파른 스커트(skirt) 특성과 강한 대역외(out-of-band) 제거(rejection) 특성을 가져 다른 주파수 영역과의 간섭을 배제하는 마이크로스트립 초전도 필터에 관한 것으로서, 기판과, 지그재그(zigzag)의 형태로 상기 기판 위에 파이형 커패시터와 루프형 마이크로스트립라인으로 구성되는 다수개의 공진기와, 상기 다수개의 공진기 양끝의 기판 위에 형성되어 외부 신호를 입력하고 상기 공진기의 필터링 신호를 출력하는 피드라인을 포함하여 구성되는 소형 마이크로스트립 필터는 가파른 스커트(skirt) 특성 및 강한 대역외(out-of-band) 제거(rejection) 특성을 지닌다.

Description

마이크로스트립 초전도 필터{microstrip superconducting filter}
본 발명은 무선통신 시스템에서 원하는 대역의 신호만 선별하여 통과시키는 마이크로파 필터에 관한 것으로, 특히 초전도 마이크로스트립라인을 이용한 소형의 협대역 마이크로스트립 필터에 관한 것이다.
초전도 박막을 이용하여 만든 소형 마이크로스트립 필터는 가파른 스커트(skirt) 특성 및 강한 대역외(out-of-band) 제거(rejection) 특성을 지니고 있어서 다른 주파수 영역과의 간섭을 배제할 수 있다.
또한 초전도 필터의 저 손실 전송 특성, 저온 동작에 의한 증폭기의 잡음 감소 등을 통해 시스템의 잡음 지수(noise figure)를 현저하게 향상시킬 수 있다.
최근 미국에서는 셀룰러(cellular), PCS(personal Communications Service) 그리고, GSM(Global System for Mobile communications) 등의 무선통신서비스 기지국용 고온초전도 RF(Radio Frequency) 수신기 전단 시스템(RF receiver front-end subsystem)을 개발하여 현장에서 시험하고 있다.
상기 고온초전도 RF(Radio Frequency) 수신기 전단 시스템은 고온초전도 마이크로스트립 필터와 저잡음 증폭기(LNA)를 냉동기 안에 일체로 내장한 것으로, 기존 시스템에 비해 뛰어난 간섭(interference) 제거 특성과 초저잡음 특성을 보여주고 있다.
PCS 등 무선통신 시장에서 요구하는 필터는 대역폭이 1% 이하인 경우가 많아서, 이러한 협대역 마이크로스트립 필터를 만들기 위해서는 공진기 사이의 커플링(coupling)을 작게 해주어야 한다.
그러나 일반적으로 공진기 사이의 커플링은 거리에 따라서 천천히 감소하므로 커플링이 작아지려면 공진기 사이의 간격을 넓게 만들어주어야 하는데, 이렇게 공진기 사이의 간격을 넓게 하면 필터의 크기가 커지게 된다.
그러나 통상적인 방법에 의해 제작 가능한 고온 초전도 박막의 크기는 2~3인치 정도이다.
이와 같은 한정된 크기의 웨이퍼 안에 많은 폴(pole)을 가진 필터를 만들기 위해서는 공진기의 형태를 적절히 선택해야 한다.
이를 위하여 여러 가지 형태의 공진기를 이용하여 고온초전도 마이크로스트립 필터를 제작하고 있다.
또한 초전도 필터를 제작할 때는 LaAlO3같은 큰 유전율(ε~24)을 가진 기판을 사용하는데 이러한 기판에 인덕터를 제작하면 상기 인덕터와 기판 밑면 그라운드 사이에 큰 병렬 커패시터가 형성된다.
특히, 럼프드(lumped) 성분 필터를 제작할 경우에 마이크로스트립 라인이 가급적 인덕터의 성분만이 디자인되어야 하므로 상기의 큰 병렬 커패시턴스를 줄이기 위하여 인덕터의 선폭을 50㎛ 정도로 얇게 만들어서 상기의 병렬 커패시턴스를 줄인다.
또한, 미국 특허 5,618,777(US patent 5,618,777)에 의하면 도 1 와 같이 다수개의 인터디지트 커패시터(interdigit capacitor)(1)와, 직사각형 모양의 다수개의 멀티턴 인덕터(2)로 구성된 럼프드-소자(lumped-element)로 구현된 초전도 필터로서, 서로 인접한 커패시터 사이에서 커플링이 일어나도록 함으로써, 필터의 스커트 특성을 가파르게 한다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 마이크로스트립 초전도 필터는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 병렬 커패시턴스를 줄이기 위하여 인덕터의 선폭을 얇게 만들 경우 공정 중에 흔히 일어날 수 있는 오버 에칭(over-etching)등으로 쉽게 인덕터의 특성이 변형되므로 완품 수율이 떨어지며, 또한 인덕터의 얇은 선폭으로 말미암아 필터 전송 전력도 매우 작게 제한되는 문제가 있다.
둘째, 단일 층 구조로는 큰 인덕터를 구현하기가 어려우므로 멀티-턴 인덕터로 럼프드(lumped) 소자로 구현한 미국 특허 5,618,777인 경우는 와이어-본딩(wire-bonding) 등의 크로스-오버(cross-over)를 필요로 하는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 출력되는 주파수의 가파른 스커트 특성과 강한 대역외 제거(out-of-band rejection) 특성을 가짐으로써, 다른 주파수 영역과의 간섭을 배제할 수 있는 초전도 마이크로파 필터를 구현하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수개의 공진기를 적절히 배치하여 서로 이웃하지 않았던 공진기간에 커플링이 일어나도록 하여 적은 수의 공진기를 가지고 더 가파른 스커트 특성을 얻는데 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 초전도 필터의 구성도
도 2 (a)는 본 발명에 따른 유사 타원함수 슈도-럼프드 초전도 필터의 평면도
(b)는 본 발명에 따른 유사 타원함수 슈도-럼프드 초전도 필터의 측면도
도 3 (a)는 본 발명에 따른 루프형의 마이크로스트립 라인의 구성도
(b)는 본 발명에 따른 미엔더 형의 마이크로스트립 라인의 구성도
도 4 는 본 발명에 따른 파이 구조의 커패시터 구성도
도 5 (a)는 본 발명에 따른 서로 인접하지 않은 공진기 사이에서 커플링 되는 실시예
(b)는 본 발명에 따른 필터의 전송특성인 트랜스미션 제로를 나타낸 상태도
도 6 (a)는 본 발명에 따른 탭드 라인을 이용한 피드라인 구성도
(b)는 도 6 (a)의 피드라인 구성도의 회로도
(c)는 본 발명에 따른 인터디지털 커패시터를 이용한 피드라인 구성도
(d)는 도 6 (c)의 피드라인 구성도의 회로도
도 7 은 본 발명에 따른 9-폴 필터의 전송 특성을 나타낸 상태도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 루프형 마이크로스트립 라인 20 : 커패시터
30 : 피드라인 40 : 기판
50 : 접지면 60 : 금박막
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로스트립 초전도 필터의 특징은 기판과, 상기 기판 위에 형성된 파이형 커패시터와 루프형 마이크로스트립라인으로 구성되는 다수개의 공진기와, 상기 다수개의 공진기 양끝의 기판 위에 형성되어 외부 신호를 입력하고 상기 공진기의 필터링 신호를 출력하는 피드라인을 포함하여 구성되는데 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 다수개의 공진기 각각의 사이에서 커플링이 일어나도록 다수개의 공진기를 지그재그(zigzag)의 형태로 배치하여 2 개 이상의 공진기를 이웃하게 배치하는데 있다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 다수개의 공진기를 적절히 배치함으로써, 서로 이웃하지 않았던 공진기간의 네거티브 커플링을 인가하여 통과대역(passband) 부근에 전송 제로(transmission zero)인 유사 타원(quasi-elliptic) 필터를 구현함으로써 체비세브(Chebyshev) 방식보다 적은 수의 공진기를 가지고 더 가파른 스커트 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 마이크로스트립 초전도 필터의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 (a)는 본 발명에 따른 유사 타원함수 슈도-럼프드 초전도 필터의 평면도이고, 도 2 (b)는 본 발명에 따른 유사 타원함수 슈도-럼프드 초전도 필터의 측면도이다.
도 2 (a),(b)를 보면 기판(40)과, 상기 기판(40) 위에 다수개의 공진기를 이루는 다수개의 파이형 커패시터(20)와, 다수개의 루프형 마이크로스트립라인(10)과, 상기 다수개의 공진기 양끝의 기판(40) 위에 형성되어 외부 신호를 입력하고 상기 공진기의 필터링 신호를 출력하는 피드라인(30)과, 상기 기판(40) 하부에 형성하는 접지면(50)과, 상기 접지면(50) 위에 형성하는 금박막(60)으로 구성된다.
상기 기판(40)으로는 LaAlO3, MgO, Al2O3등 초전도 박막을 성장시킬 수 있는 유전체가 사용된다.
그리고 상기 접지면(50)은 초전도 물질인 YBa2Cu3O7-δ, Tl2Ca1Ba2Cu2O8, Nb 등으로 제작된다.
이때 금과 같은 일반적인 도체로도 상기 접지면(50)을 제작할 수 있으나, 초전도 물질에 비해 저항이 커서 전파 손실이 커지게 되는 단점이 있다.
그리고 필터와 패키지와의 접지를 강화하기 위해 초전도 접지면 위에 금박막(60)을 형성한다.
상기 피드라인(30)은 외부 신호의 입력과, 필터링된 신호의 출력 등, 입·출력단을 연결하기 위한 것으로서, 탭드 라인(tapped line)을 이용한 피드라인 구조 또는 인터디지털 커패시터를 이용하는 구조를 사용할 수 있다.
그리고 상기 인터디지털 커패시터의 폴(pole)의 개수는 사용목적과 기판의 크기에 따라 수십 개의 폴을 제작할 수 있으며, 폴의 수를 늘릴수록 필터된 신호의 스커트 특성은 더욱 가파르게 되지만 그 만큼 필터의 크기가 커지는 결과를 초래한다.
그러면 각각의 구조별로 나누어서 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 3 (a)는 본 발명에 따른 루프형의 마이크로스트립 라인의 구성도이고, 도 3 (b)는 본 발명에 따른 미엔더 형의 마이크로스트립 라인의 구성도 이다.
도 3 (a)에서 나타낸 마이크로스트립 라인은 종래의 럼프드 소자(lumped element) 인덕터를 구현한 것이 아니라 마이크로스트립 전송선과 거의 같은 특성을 가진 슈도-럼프드 소자(pseudo-lumped element)를 구현한 것이다.
이와 같이 상기 슈도-럼프드 소자(pseudo-lumped element)로 구현된 루프형 마이크로스트립 라인(10)의 전송특성을 보면 도 3 (d)와 같다.
도 3 (d)는 루프 마이크로스트립 라인(10)의 전송특성을 0 ~ 6 GHz 까지 조사한 결과를 나타낸 상태도로서, S11(16)은 입력된 신호가 얼마나 반사되었는가를 나타내는 양이며, S21(15)은 입력된 신호가 얼마나 통과되었는가를 나타내는 값이다.
따라서 도 3 (d)를 보면 루프 마이크로스트립라인은 신호를 거의 반사하지 않으면서(S11 < -20 dB) 모든 주파수의 신호를 통과시키는 (S21 = 0 dB) 특성을 나타내고 있다.
이러한 주파수 특성(16)은 일정 이하의 주파수에서는 직선의 마이크로스트립 전송선 특성(17)과 유사하다.
그러나, 주파수가 올라갈수록 마이크로스트립라인(14)에 인덕터(13)가 직렬로 연결된 특성이 강화되어 일반적인 직선 전송선과 차이가 발생한다.
따라서 도 3 (c)에서와 같이 루프 마이크로스트립라인은 전송선(14)과 인덕터(13)가 직렬로 연결된 구조로 등가화 할 수 있다.
상기 루프형 마이크로스트립 라인(10)의 특징은 라인이 차지하는 면적을 줄이면서도 가능한 직선의 트랜스미션 라인과 유사한 특성을 지니도록 설계할 수 있다는 점이다.
또한 경우에 따라서 상기 루프형 마이크로스트립 라인(10)은 도 3 (b)에서 나타낸 미엔더 라인(11)(12)들로 대치할 수도 있다.
다음으로 도 4 는 본 발명에 따른 파이(π)형의 커패시터 구조를 나타낸 구성도로서, 도 4와 같이 파이(π) 구조 커패시터(20)는 병렬 커패시터(21)(22)와 직렬 커패시터(20) 등으로 등가화 된다.
상기 파이 구조의 직렬 커패시턴스(20)는 기판(40) 위에 형성된 다수개의 공진기를 연결하여 상기 공진기 끝부분에 연결된 각각의 전극성 기판을 간격 d만큼의거리를 두고 상기 공진기 간에 연결하여 생성된 커패시터(20)로서, 양 패치 간의 간격 d 와, 마주보는 면의 길이 l 에 의해 커패시턴스(20)의 값이 결정된다.
또한 병렬 커패시턴스(21)(22)는 상기 접지면(50)과 루프형 마이크로스트립라인(10)구조 간에 생성된 캐패시터로서, 패치의 면적에 의해 커패시턴스의 값이 결정된다.
(C : 커패시턴스 값, ε: 극판간 물질의 비유전율, d : 거리, A : 극판의 면적)
그리고 공진기 간의 커플링 크기는 직렬 커패시턴스(20)에 의해 결정이 되므로 공진기간의 커플링이 커야 할 경우는 도 6 (c)에 나타낸 인터디지트 형의 커패시터 구조(33)를 이용한다.
여기서 커플링이란 한 도체에서 생성된 전류가 일반적인 전자기적 상호작용에 의하여 일정한 거리가 떨어진 또 다른 도체에 기전력을 일으켜 전류가 흐르도록 유도하는 것을 일컫는 말이다.
이와 같이 루프 마이크로스트립 라인(10)과 파이 구조 커패시터(20)를 연결하여 공진기를 구성한다.
도 5 (a)는 본 발명에 따른 서로 인접하지 않은 공진기 사이에서 커플링 되는 실시예이고, 도 5 (b)는 본 발명에 따른 필터의 전송특성인 트랜스미션 제로를나타낸 상태도이다.
도 5 (a)는 편의상 4 개의 공진기를 나타내었다.
공진기의 길이가 통과시키려는 주파수를 결정하며, 공진기 사이의 커플링이 통과대역 폭과 통과대역 내에의 리플구조를 결정한다.
일반적으로 직렬 커패시터(20)의 크기가 크면 커플링도 크고, 그 반대로 직렬 커패시터(20)의 크기가 작으면 커플링도 작아진다.
각 공진기 간의 거리 s와 커패시터의 넓이를 잘 조절함으로써 원하는 커플링을 얻을 수 있다.
도 5 (a)를 통해 인접한 두 개의 루프 라인 사이에 어떠한 현상이 일어나는지 살펴보도록 하자.
각 공진기 간의 커플링은 주로 커패시터에 의해 이루어지지만, 루프형 마이크로스트립 라인(10)간에도 인덕티브한 커플링이 일어난다.
첫 번째 공진기(70)와 네 번째 공진기(100)를 살펴보면 한 루프에서 발생한 자기장(71)이 서로 상대편의 루프에 대하여 상대편 루프에 흐르는 전류의 방향(102)과 반대 방향의 전류(103)가 흐르도록 유도함을 알 수 있다.
따라서 음의 커플링을 상대편의 라인에 유도하는 결과를 얻게 된다.
이와 같이 일반적인 공진기에서는 바로 인접한 공진기와의 커플링만 존재하지만 본 발명에서와 같이 공진기를 지그재그 형태나 또 다른 형태로 공진기를 적절히 배치함으로써 서로 이웃하지 않았던 공진기 사이에서도 커플링이 일어나도록 만들 수 있다.
이러한 멀티 커플링은 필터의 전송특성에 도 5 (b)에 나타낸 것과 같이 트랜스미션 제로(transmission zero)(120)를 형성함으로써 필터의 스커트 특성을 더욱 가파르게 만드는 역할을 한다.
도 6 (a) 내지 (d)는 외부의 신호를 필터에 인가하는 피드라인 구조를 나타낸 것으로, 외부에서 입력되는 신호는 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 트랜스미션 라인(30)에 의해 전달되는데, 도 6 (a)와 같이 공진기 중심으로부터 피드라인(30)이 인가되는 위치(31)(32)를 조절한다.
이와 같이 피드라인(30)이 탭드 라인을 이용해서 루프형 마이크로스트립 라인(10)에 연결되고, 상기 연결된 연결점을 기준으로 상기 루프형 마이크로스트립 라인(10)의 길이의 차이를 이용하여 외부(external) Q(전하)를 결정하는 방식이다.
또한 도 6 (c)과 같이 아주 큰 커패시터(33)에 의해 신호를 인가함으로써 외부 Q를 결정하는 방식이 있다.
그리고 도 6 (b)는 도 6 (d)을 회로적으로 표현한 구성도이고, 도 6 (d)는 도 6 (c)을 회로적으로 표현한 구성도 이다.
상기 도 6 (b),(d)를 보면 상단에 위치한 회로선이 상기 루프형 마이크로 스트립 라인(10)과 상기 피드라인(30)이고, 하단에 위치한 회로선은 상기 접지면(50)에 형성되는 회로선 이다.
이와 같이 구성된 마이크로스트립 초전도 필터의 전송특성을 나타내면 다음과 같다.
도 7 은 본 발명에 의해 제작한 9-폴 초전도 통과대역 필터의 측정결과로서,파이 형의 커패시티브-갭 커플링(capacitive-gap coupling) 구조와 루프형의 마이크로스트립라인과 멀티 커플링 현상을 결합함으로써, 1.775 GHz의 중심주파수와 10 MHz의 통과대역폭을 가지고, 1 MHz 당 40dB의 스커트 특성을 지니는 고온초전도 박막을 이용한 PCS 기지국용 9-폴 마이크로스트립 필터로 제작되었다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 초전도 필터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 초전도 박막을 이용하여 만든 소형 마이크로스트립 필터는 가파른 스커트(skirt) 특성 및 강한 대역외(out-of-band) 제거(rejection) 특성을 지니고 있어서 다른 주파수 영역과의 간섭을 배제할 수 있다.
둘째, 초전도 필터의 저 손실 전송 특성을 통해 시스템의 잡음 지수(noise figure)를 현저하게 향상시킬 수 있다.
셋째, 셀룰러(cellular), PCS, IMT2000(International Mobile Telecommunications-2000), LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 등의 무선 통신 기지국에 장착하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기제된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 기판과,
    상기 기판위에 커패시터와 루프형 마이크로스트립라인으로 구성되고, 멀티 커플링이 일어나도록 2개 이상이 이웃하도록 배치되어 연결된 다수개의 공진기와,
    상기 다수개의 공진기 양끝의 기판 위에 형성되어 외부 신호를 입력하고 상기 공진기의 필터링 신호를 출력하는 피드라인을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 초전도 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 하부에 형성하는 접지면과,
    상기 접지면 위에 형성하는 금박막을 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 초전도 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 직렬 커패시터와 병렬 커패시터로 이루어진 파이형 커패시터 구조, 또는 인터디지트형 커패시터 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 초전도 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드 라인은 탭드 라인(tapped line)을 이용하여 공진기 중심으로부터 인가되는 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 초전도 필터.
  5. 삭제
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수개의 공진기를 지그재그(zigzag) 형태로 배치하여 연결하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 초전도 필터.
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