KR100401124B1 - 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기 - Google Patents
광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 무선통신 시스템에서 고조파나 불요파를 제거하는 고온초전도 저역통과 여파기에 관한 것이다.
고온초전도 에피텍셜 박막 위에 적층된 두 개의 마이크로스트립 오픈 스터브형 평행 도선으로 이루어진 결합 선로부와 한 개의 도선으로 이루어지는 전송 선로부를 포함하며, 결합 선로부와 전송 선로부가 병렬 연결된 구조에 의해 저지 대역에서 감쇄극을 가짐으로써, 차단주파수의 7∼8배 이상의 광대역까지도 저지대역 특성을 가지며, 무선통신 시스템에서 필연적으로 발생하는 서브-고조파를 쉽게 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 무선통신 시스템에 사용되는 저역통과 여파기에 관한 것이며, 좀 더 자세하게는, 광대역의 저지대역(stopband) 특성을 가지는 저역 통과 여파기에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 여파기를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.
근래 들어, 다양한 무선 통신 시스템 및 서비스의 발달로 인해, 셀룰러 및 PCS 등에 이용되는 통신 소자의 작은 삽입손실, 높은 선택도, 작은 크기 등에 관한 여러 가지 성능 개선에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여 통신소자에 대한 설계 방법에 대한 다양한 연구 및 고온초전도(High Temperature Superconductor)등을 이용한 재료적인 측면에서의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 통신 소자 중의 하나인 저역통과 여파기(Low Pass Filter : LPF)는 통상적으로, 주파수 믹서기 또는 VCO(Voltage Controlled Oscillator : 전압 제어 발진기) 등의 통신 소자에서 고조파(harmonics)나 불요파(spurious wave)를 제거하기 위해 사용되는데, 오픈-스터브(Open-stub) 및 스텝-임피디언스(step-impedance) 등의 형태를 갖는 저역통과 여파기의 경우에는 저지대역이 좁다.
종래 기술에 따른 저역통과 여파기에 대해 자세히 알아보면 다음과 같다. 도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 저역통과 여파기의 마이크로스트립 회로 패턴 및 그에 따른 회로도를 도시한 도면이다. 종래 기술에 따른 마이크로스트립 저역통과 여파기는 도 1a 에 도시된 바와 같이, 단결정기판(190)과 그러한 단결정기판(190)의 상부의 양측 모서리에 형성된 신호 전송용 입력단(150) 및 출력단(160), 단결정기판(190) 상부의 입력단(150)과 출력단(160) 사이에 신호의 진행방향과 수직방향으로 형성되어 있는 두 개의 마이크로스트립 오픈 스터브 형의 평행 도선(170), 마이크로스트립 오픈 스터브 형의 평행 도선(170)과 수직 방향을 이루도록 형성되어 있는 한 개의 마이크로스트립 도선(140) 및 단 결정기판(190)의 하부에 형성된 접지판(190)을 포함한다. 이와 같은 구조를 특징으로 하는 기존의 마이크로스트립 저역통과 여파기를 고온초전도 집적소자용 시험치구(Text Fixture)에 넣어 실험한 결과, 도 1b와 같은 등가 회로로 구성된다. 즉, 입력단과 출력단 사이에 배치된 인덕터(L2, 110)와, 입력단과 인덕터(L2, 110) 사이에서 접지부로 연결되는 제 1 커패시터(C1, 120) 및 출력단과 인덕터(L2, 110) 사이에서 접지부로 연결되는 제 2 커패시터(C1, 130)로 이루어진다.
하지만, 이와 같은 특징으로 포함하는 기존의 저역 통과 여파기는 무선통신 서비스 업체간의 간섭과 부품 및 시스템 내에서의 잡음 증가 등을 유발시킬 뿐만 아니라, 좁은 저지대역 특성을 갖는다.
본 발명은 앞서 설명한 종래 기술에 따른 저역통과 여파기에서 겪게 되는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 광역에 걸쳐 고 효율적인 저지대역 특성을 갖는 저역통과 여파기를 제안하려는 것이다. 위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따르면, 한 쌍의 마이크로스트립(microstrip) 오픈 스터브 형의 평행 도선을 포함하는 결합 선로부와 한 쌍의 도선을 연결하는 가늘고 길게 형성된 한 개의 도선을 포함하는 전송 선로부로 이루어진 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기가 제공된다. 이 여파기는 감쇄극(attenuation pole) 조절이 용이할 뿐만 아니라, 저지대역의 주파수 범위를 차단 주파수(cutoff frequency)의 10 배 이상까지 확대시킬 수 있다.
도 1a 와 도 1b는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 저역통과 여파기 및 그에 따른 등가 회로도를 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 마이크로스트립 저역통과 여파기 및 기본 회로도와 그의 등가 회로도를 도시한 도면,
도 3a 와 도 3c는 본 발명을 통한 7-극 마이크로스트립 저역통과 여파기 및 기본 회로도와 그의 등가 회로도를 도시한 도면,
도 4a 와 도 4b는 본 발명을 통한 7-극 저역 통과 여파기의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프도,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명을 통한 7-극 저역통과 여파기를 제작하기 위한 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
241 : 전송 선로부 242 : 결합 선로부
243, 244, 245 : 도선
상기한 목적을 달성하기 위한 저역 통과 여파기는 적어도 한 단위(unit) 이상의 회로패턴을 포함하며, 상기 회로패턴은 한 쌍의 평행 도선으로 이루어진 결합 선로부와, 일측의 두 단부는 개방되고 타측의 두 단부는 서로 연결된 한 쌍의 평행 직선으로 이루어진 전송 선로부로 이루어지며, 상기 전송 선로부는 상기 한 쌍의 평행 직선의 개방된 일측의 각 단부가 상기 결합 선로부의 일측의 각 단부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 양호한 실시예에 따른 고온초전도저역통과 여파기에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기를 구성하는 한 단위(unit)의 마이크로스트립 회로 패턴을 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 고온초전도 에피텍셜 박막 위에 적층된 한 쌍의 평행도선(244, 245)과 제 1 평행도선(244)으로부터 입력단으로 이어지는 제 1 리드선(246), 제 2 평행도선(245)으로부터 출력단으로 이어지는 제 2 리드선(247) 및 제 1 평행도선(244)과 제 2 평행도선(245)을 연결하는 한 개의 도선(243)을 포함하며, 전송 선로부(241)의 한 개의 도선(243)은 제 1, 제 2 리드선(246, 247)에 비해 가늘고 길게 형성된 것을 특징으로 한다.
이 때, 한 쌍의 평행 도선(244, 245)으로 이루어진 결합 선로부(Transmission Line Section, 242)와 한 쌍의 평행 도선(244, 245)간을 연결하는 한 개의 도선(243)으로 이루어진 전송 선로부(Coupled Line Section, 241)의 전기적 길이의 비는 1 : 2 정도가 되며, 제 1 평행도선(244)과 제 2 평행도선(245)간의 폭은 10㎛ 이내 정도이다. 또한, 한 개의 도선(243)의 폭은 제 1 리드선(246) 및 제 2 리드선(247)의 폭보다 작다.
도 2b는 본 발명의 한 실시예에 따른 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기를 고온초전도 집적소자용 시험치구(Text Fixture)에 넣어 실험한 결과에 따른 등가 회로를 도시한 도면이며, 도 2c는 도 2b에 대한 등가 회로를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 전송 선로부(241)에 대한 π형 타입의 등가회로부(235)와 결합 선로부(242)에 대한 π형 타입의 등가 회로부(234)로 구성된다.
즉, 입력단과 출력단 사이에 배치된 인덕터와, 입력단과 인덕터 사이에서 접지부로 연결되는 제 1 커패시터 및 출력단과 인덕터 사이에서 접지부로 연결되는 제 2 커패시터로 이루어진 기존의 여파기(도 1b, 235)에 비해, 제 1 커패시터와 제 2 커패시터(Cp)의 사이에서 인덕터(Lr)와 병렬 관계로 배치된 제 3 커패시터(Cr)를 부가적으로 포함한다. 또한, 제 1 커패시터와 제 2 커패시터(Cp)는 물리적으로 분리된 두 개의 커패시터(Cc)로 각각 이루어진다.
이와 같은 구성으로 이루어진 등가 회로는 도 2c의 회로도와 등가로서, 도시된 바와 같이, 등가 회로는 입력단과 출력단 사이에 배치된 인덕터(L2)와 입력단과 인덕터(L2) 사이에서 접지부로 연결되는 제 1 커패시터(C1) 및 출력단과 인덕터(L2) 사이에서 접지부로 연결되는 제 2 커패시터(C1)로 이루어진다.
위와 같은 특징을 포함하는 저역통과 여파기는 전송 선로부와 결합 선로부의 전기적 길이(φ)에 의해 세 개의 감쇄극이 나타나는데, 그 위치는 직렬소자의 서셉턴스가 0(zero)이 되는 두 지점과 병렬소자의 서셉턴스가 무한대가 되는 한 지점이다.
도 3a는 위와 같은 특징을 이용하여 설계한 7-극 저역통과 여파기의 회로 패턴이며, 도 3b는 그에 따른 등가 회로를 도시한 도면, 도 3c는 도 3b에 대한 등가 회로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역통과 여파기의 마이크로스트립 회로 패턴(도 2a)에 비해, 한 쌍의 평행 도선으로 이루어진 결합 선로부(370)와 한 쌍의 평행 도선간을 연결하는 한 개의 도선으로 이루어진 전송 선로부(360)를 포함하는 회로 패턴이 입력단과 출력단 사이에 세 개 직렬 연결된 형태이다.
도 3b는 위와 같은 구성을 특징으로 하는 7-극 저역통과 여파기를 고온초전도 집적소자용 시험 치구(Text Fixture)에 넣어 실험한 결과에 따른 등가 회로도이다. 전송 선로부(360)에 대한 π형 타입의 등가 회로부(340)와 결합 선로부(370)에 대한 π형 타입의 등가 회로부(350)로 구성된다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예(도 2b)와 같은 구조로 이루어진 회로 패턴이 신호전송용 입력단과 출력단 사이에 세 개 직렬 연결(310, 320, 330)된 구조로서, 대칭적인 구조 형태를 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 특징으로 하는 7-극 저역통과 여파기의 등가 회로도는 도 3c의 회로도와 등가를 이룬다. 즉, 도 2c에 비해, 입럭단 및 출력단 사이에 배치된 인덕터(L1)와 입력단과 인덕터(L1) 사이에서 접지부로 연결되는 제 1 커패시터(C1) 및 출력단과 인덕터(L1) 사이에서 접지부로 연결되는 제 2 커패시터(C2)로 이루어진 회로 패턴이 직렬 연결된 형태를 특징으로 하며, 이는 도 3b와 같이, 대칭적인 구조 형태를 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 특징으로 하는 π형 등가 회로에 대한 각각의 파라미터는 본 발명에 따른 필터 설계에 따라, 아래의 [수학식 1] 와 [수학식 2]로 표현된다.
Y00:홀스모드의 어드미턴스, Yoe: 짝수모드의 어드미턴스,
Yo: 특성 어드미턴스, φ : 결합 선로의 전기적 길이.
위의 식들을 전송선로(transmission line) 이론과 결합선로(coupled line) 이론을 이용한 서셉턴스(susceptance : 전도성과 관련된 어드미턴스의 허수 부분) 관계식으로 유도하면 아래의 수학식으로 표현된다.
위와 같은 물리적인 파라미터로 표현되는 저역통과 여파기는 전송 선로부와 결합 선로부의 전기적 길이(φ)에 의해 세 개의 감쇄극이 나타나는데, 그 위치는 [수학식 3]의 직렬소자의 서셉턴스가 0(zero)이 되는 두 지점과 [수학식 4]의 병렬소자의 서셉턴스가 무한대가 되는 한 지점이다.
이와 같이, 감쇄극을 저역통과 여파기의 저지대역에 분산 위치시킴으로서, 저지대역의 주파수 범위를 차단 주파수의 10 배 이상까지도 확대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소자의 크기도 상당히 줄일 수 있다. 즉, 전송 선로부와 결합 선로부의 전기적 길이를 임의로 조정하여 감쇄극의 위치 및 개수를 조절함으로써, 광대역의 저지대역 특성을 가지는 저역 통과 여파기를 구현할 수 있다.
도 4a는 위와 같은 특징을 포함하는 7-극 저역 통과 여파기를 0.01dB 리플레벨, 차단 주파수가 900㎒ 인 7-극 저역통과 여파기로 설계하고, 설계된 7-극 저역통과 여파기가 5 개의 감쇄극을 가지도록 하여, 이를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이며, 도 4b는 시뮬레이션한 결과를 바탕으로 소자의 실제 제작을 위해 EM 시뮬레이터를 통해 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 7-극 저역통과 여파기는 4㎓ 를 중심으로 대칭형 엘립틱(elliptic)의 저역통과 특성을 보이며, 1.5㎓, 2.4㎓, 3.8㎓, 4.4㎓, 6.1㎓ 에서 감쇄극을 가진다. 또한, 1㎓ 의 차단 주파수에 약 7㎓ 까지의 저지대역 특성(서브-고조파를 억제하는 특성)을 가지는 우수한 저역 통과 여파기가 가능함을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 마이크로스트립 형태의 여파기를 제작하기 위한 일반적인 공정 과정을 순차적으로 도시한 도면으로서, 도 5a와 같이, MgO(100) 단결정 기판 위에 C-축 방향으로 YBa2Cu3O7-x고온초전도 에피텍셜 박막을 성장한 후, Au/Cr 막을 형성한다. 이후, 도 5b와 같이, 스핀 코딩(spin coating) 방식을 이용하여 포토 레지스트(Photoresist)를 형성 한 후, 도 5c와 같이, UV(Ultraviolet source)원을 노광시켜 포토레지스트를 제거한다. 이후, 도 5d와 같이, HTS(High Temperature Superconductor : 고온초전도)를 패턴닝한 후, 도 5e와 같이, 포토레지스트를 제거한 후, Au 패드를 형성한다. 이후, 도 5f와 같이, 리프트 오프(Lift off) 공정을 거쳐 커넥터 핀과 접촉시키는 금속패드를 형성함으로써, 접지판을 제작한다.
본 발명에 따른 저역 통과 여파기 역시, 표면 처리 등 가공상태가 우수한MgO 단결정 기판 위에 증착된 고온초전도 박막을 사용하여 필터를 제작하는데, 그 이유는 고온초전도 박막의 매우 낮은 표면저항 특성 때문에 마이크로스트립선(microstrip line)으로 제작하여도 고주파 손실을 줄일 수 있고, 기판에서의 유전율 불균일로 인하여 생기는 설계 외적요인에 의한 특성변화를 최소한으로 줄이기 위해서이다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 본 발명인 광대역 고조파 제거용 고온초전도 저역 통과 필터는 다양한 무선통신 시스템에 적용할 수 있으며, 특히 광대역 고조파 제거 특성을 가짐과 동시에 스커트 특성이 크게 개선되고 간섭 및 잡음을 상당히 줄이는 성능 향상이 기대되며, 이러한 특성을 가지는 구조를 평면형으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
Claims (9)
- 저역 통과 여파기에 있어서,적어도 한 단위(unit) 이상의 회로패턴을 포함하며,상기 회로패턴은 한 쌍의 평행 도선으로 이루어진 결합 선로부와, 일측의 두 단부는 개방되고 타측의 두 단부는 서로 연결된 한 쌍의 평행 직선으로 이루어진 전송 선로부로 이루어지며,상기 전송 선로부는 상기 한 쌍의 평행 직선의 개방된 일측의 각 단부가 상기 결합 선로부의 일측의 각 단부와 연결되는 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항에 있어서,2 단위 이상의 회로 패턴을 포함하고, 모든 회로 패턴이 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 2 항에 있어서,직렬로 연결된 3 단위의 회로 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항 또는 청구항 2 항에 있어서,상기 회로 패턴의 물리적인 파라미터는 대칭형 엘립틱(elliptic) 저역 통과 특성을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 4 항에 있어서,상기 물리적인 파라미터는 상기 전송 선로부와 상기 결합 선로부의 전기적 길이(φ)인 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항에 있어서,상기 저역 통과 여파기는 상기 한 쌍의 평행 도선에서 상기 저역 통과 여파기의 입력단 및 출력단으로 각각 이어지는 두 개의 리드선으로 이루어진 리드선부를 포함하고,상기 전송 선로부의 도선의 폭은 상기 두 개의 리드선의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항에 있어서,상기 결합 선로부의 한 쌍의 평행 도선 간의 폭은 10㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항에 있어서,상기 결합 선로부와 상기 전송 선로부의 전기적 길이의 비는 1 : 2 인 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
- 청구항 1 항에 있어서,상기 저역 통과 여파기의 결합 선로부와 전송 선로부는 고온초전도 에피텍셜 박막을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 저역 통과 여파기.
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