KR100564105B1 - Tunable filter using ferroelectric resonator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 필터에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 유전율이 인가전압에 따라 가변하는 특성을 이용하여 대역통과 필터에서 튜너블 특성을 얻을 수 있다. 인가전압을 증가시키는 경우 강유전체의 상대유전율이 감소하게 되고, 감소된 상대 유전율은 마이크로 스트립의 커패시턴스를 감소시켜 중심 주파수를 증가시키게 된다. 또한 강유전체의 바로 밑에 상대 유전율이 낮은 유전체를 두껍게 적층함으로써 인가전압이 갑작스럽게 변화하여 강유전체가 파괴되지 않도록 한다. 또한 본 발명의 가변필터에서는 마이크로 스트립 라인을 이용한 에지-커플드 구조로 입/출력단과 공진기를 120°만큼 구부림으로써, 커플링 부분과 다음 커플링 부분에 마이크로 스트립 라인의 여유분을 주어 인접파에 의한 간섭을 줄이며, 또한 에지-커플드 구조의 의사 인터디지털 타입으로 형성시켜 하나의 구부러진 공진기 안에 다른 2개의 공진기가 커플링되는 구조를 이용하여 전체 크기를 줄일 수 있다.The present invention relates to a variable phase filter using a ferroelectric resonator. That is, the present invention can obtain the tunable characteristic in the bandpass filter by using the characteristic in which the dielectric constant varies according to the applied voltage. Increasing the applied voltage decreases the relative dielectric constant of the ferroelectric, and the reduced relative dielectric constant decreases the capacitance of the microstrip to increase the center frequency. In addition, by thickly stacking a dielectric material having a low relative dielectric constant underneath the ferroelectric, an applied voltage changes abruptly so that the ferroelectric is not destroyed. In the variable filter of the present invention, the input / output stage and the resonator are bent by 120 ° in an edge-coupled structure using a micro strip line, thereby providing a margin of the micro strip line to the coupling portion and the next coupling portion, which is caused by adjacent waves. The interference can be reduced, and also formed as a pseudo-interdigital type of edge-coupled structure, thereby reducing the overall size by using a structure in which two other resonators are coupled in one bent resonator.
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인가 전계에 따른 강유전체의 상대 유전율 변화 그래프 예시도,1 is a graph illustrating a change in relative permittivity of ferroelectrics according to an applied electric field according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체를 이용한 필터의 측면 구조도,2 is a side structure diagram of a filter using a ferroelectric according to an embodiment of the present invention;
도 3, 도 4, 도 11은 종래 가변필터의 구조도,3, 4 and 11 is a structural diagram of a conventional variable filter,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체를 이용한 가변필터의 평면 구조도,5 is a planar structural diagram of a variable filter using a ferroelectric according to an embodiment of the present invention;
도 6은 상기 도 5의 강유전체를 이용한 가변필터에서 인가전압의 변화에 따른 반사 손실 변화 그래프 예시도,6 is a graph illustrating a change in reflection loss according to a change in applied voltage in the variable filter using the ferroelectric of FIG. 5.
도 7은 상기 도 5의 강유전체를 이용한 가변필터에서 인가전압의 변화에 따른 삽입 손실 변화 그래프 예시도,7 is a graph illustrating insertion loss variation according to a change in applied voltage in the variable filter using the ferroelectric of FIG. 5.
도 8은 상기 도 5의 가변필터에서 커플링 수를 2이상 연결한 가변필터 구조도,8 is a view illustrating a structure of a variable filter connecting two or more coupling numbers in the variable filter of FIG. 5;
도 9는 상기 도 8의 가변필터 구조에서 90°꺽여서 연장된 마이크로 스트립 라인을 제거한 가변필터 구조도,9 is a view illustrating a variable filter structure in which the microstrip line extended by 90 ° is removed from the variable filter structure of FIG. 8;
도 10은 상기 도 8의 가변필터 구조에서 오픈 스터브를 연결한 가변필터 구 조도,FIG. 10 is a view illustrating a structure of a variable filter connecting an open stub in the variable filter structure of FIG. 8; FIG.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 강유전체를 이용한 가변필터의 평면 구조도,12 is a planar structural diagram of a variable filter using a ferroelectric according to another embodiment of the present invention;
도 13은 상기 도 12의 강유전체를 이용한 가변필터에서 인가전압의 변화에 따른 반사 손실 변화 그래프 예시도,FIG. 13 is a graph illustrating a change in reflection loss according to a change in applied voltage in the variable filter using the ferroelectric of FIG. 12. FIG.
도 14는 상기 도 12의 강유전체를 이용한 가변필터에서 인가전압의 변화에 따른 삽입 손실 변화 그래프 예시도,14 is a graph illustrating an insertion loss change graph according to a change in an applied voltage in the variable filter using the ferroelectric of FIG. 12.
도 15는 상기 도 12의 가변필터 구조에서 커플링 수를 2이상 연결한 가변필터 구조도,15 is a view illustrating a structure of a variable filter connecting two or more coupling numbers in the variable filter structure of FIG. 12;
도 16은 상기 도 12의 가변필터 구조에서 오픈 스터브를 연결한 가변필터 구조도.FIG. 16 is a view illustrating a structure of a variable filter connecting open stubs in the variable filter structure of FIG.
본 발명은 이동통신 시스템 수신단내 대역통과필터에 관한 것으로, 특히 강유전체 공진기를 이용한 가변 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a band pass filter in a receiver of a mobile communication system, and more particularly, to a variable filter using a ferroelectric resonator.
최근 무선 통신 기술이 빠른 속도로 발전함에 따라 고주파 대역용 부품개발에 있어 크기는 작게 하면서도 저 손실, 저 소비 전력, 소형 경량화하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 한정된 주파수 자원 내에서 더 많은 주파수 할당을 하고자 하는 경우 원하는 주파수만 걸러내는 협대역 대역통과 필터의 구현이 필수적이며, 종래 상기 필터를 제작하기 위한 방법으로는, 집중소자를 이용하는 방법, 트랜스미션 라인(Transmission line)을 이용하는 방법, MMIC를 이용하는 방법 등이 사용되어 왔다.Recently, with the rapid development of wireless communication technology, a lot of research has been conducted to reduce the size, low loss, low power consumption, and small size in developing high frequency band components. In order to allocate more frequencies within a limited frequency resource, it is essential to implement a narrowband bandpass filter that filters only a desired frequency.A conventional method for manufacturing the filter includes a method using a lumped element and a transmission line. line), MMIC, etc. have been used.
이때 상기 집중소자를 이용하는 방법은 주로 1GHz 이내의 저주파에서 사용하는 방법으로 저 손실의 장점이 있으나, 고주파 대역에서는 사용할 수 없는 단점이 있으며, 상기 MMIC를 이용하는 방법은 저 손실, 소형화, 저 소비전력의 장점이 있지만, 제조시 고가의 장비가 필요한 단점이 있다. At this time, the method using the lumped element is mainly used at low frequencies within 1GHz, but has the advantage of low loss, but can not be used in the high frequency band, the method using the MMIC is low loss, small size, low power consumption Although there are advantages, there is a disadvantage that expensive equipment is required for manufacturing.
이에 반해 트랜스미션 라인을 이용하는 방법은 집중 소자법으로는 구현할 수 없는 고주파용 필터 제작이 가능하고 필터의 모양을 여러 가지로 변형할 수 있는 등의 장점이 많아 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 상기 트랜스미션 라인 방법은 다시 마이크로스트립 라인(Microstrip Line), CPW(Coplanar Waveguide), CBCPW(Conductor Based Coplanar Waveguide) 방법으로 세분할 수 있다.On the other hand, the method of using the transmission line has many advantages such as manufacturing a high frequency filter that cannot be realized by the lumped element method and modifying the shape of the filter in various ways. At this time, the transmission line method may be further subdivided into a microstrip line, a coplanar waveguide (CPW), and a conductor based coplanar waveguide (CBCPW) method.
도 3, 도 4 및 도 11은 상기 트랜스미션 라인 방법 중 마이크로스트립 라인을 사용하여 구성한 가변 필터를 도시한 것으로, 상기 도 3은 금속(21)/강유전체(22)/유전체(23)/금속(24) 구조와 에지-커플드(Edge-coupled) 구조를 이용하였고, 입/출력단과 각 공진기에 전압을 인가하여 2폴(pole) 가변 필터를 구현하였다. 3, 4, and 11 illustrate a variable filter configured using a microstrip line in the transmission line method, and FIG. 3 shows a
그러나 상기 도 3의 종래 가변 필터에서는 입력단을 3번 구부렸는데, 필터의 소형화와 인접파 간섭의 최소화, 제조의 정확성을 위하여 구부리는 횟수와 입력단 의 길이를 줄일 필요가 있으며, 또한 삽입 손실을 줄이기 위해 부채꼴 모양의 스터브(stub)를 추가하였는데, 상기 부채꼴 모양의 스터브를 추가하는 경우 필터의 크기가 커지는 문제점이 있었다.However, in the conventional variable filter of FIG. 3, the input stage is bent three times. For the purpose of miniaturization of the filter, minimization of adjacent wave interference, and manufacturing accuracy, it is necessary to reduce the number of bending and the length of the input stage, and also to reduce the insertion loss. Although a fan-shaped stub was added, there was a problem in that the size of the filter was increased when the fan-shaped stub was added.
다음으로 상기 도 4는 에지-커플드 구조 형태를 약간 기울어지게 배치하여 필터의 크기를 줄였다. 그러나 상기 도 4의 종래 가변 필터는 커플링 부분과 다음 커플링 부분에 여분의 마이크로 스트립 라인이 없어, 커플링 부분과 다음 커플링 부분이 만나는 구간에서 인접파의 간섭으로 인한 반사손실, 삽입손실 특성이 나빠지는 문제점이 있었다. 즉, 커플링 부분과 다음 커플링 부분에 여분의 마이크로 스트립 라인이 없는 구조는 수 GHz 이상의 높은 주파수에서 인접파의 간섭에 의한 영향이 커져서 사용 주파수가 높아질수록 특성이 나빠지는 문제점이 있었다.Next, FIG. 4 reduces the size of the filter by arranging the edge-coupled structure slightly inclined. However, the conventional variable filter of FIG. 4 does not have an extra micro strip line in the coupling portion and the next coupling portion, so that the reflection loss and insertion loss characteristics due to interference of adjacent waves in the section where the coupling portion and the next coupling portion meet There was this deteriorating issue. That is, the structure without the extra microstrip line in the coupling portion and the next coupling portion has a problem that the characteristics are worsened as the use frequency increases because the influence of the adjacent wave is increased at a high frequency of several GHz or more.
또한 상기 도 11은 금속/강유전체/유전체/금속 구조와 에지-커플드 구조를 이용한 의사-인터디지털 타입(Pseudo-interdigital type)의 가변필터를 구현하였다.11 illustrates a pseudo-interdigital type variable filter using a metal / ferroelectric / dielectric / metal structure and an edge-coupled structure.
그러나 상기 도 11의 가변필터는 기존의 코움 필터(Comb filter)에서 필터의 크기를 줄이기 위하여 하나의 구부러진 공진기 안에 다른 1개의 공진기가 커플링되는 구조를 이용하여 크기를 줄였으나 이 보다 크기를 더 줄이기 위한 방법으로서 하나의 구부러진 공진기 안에 다른 2개의 공진기가 커플링되는 구조를 이용할 수밖에 없는 문제점이 있었다. However, the variable filter of FIG. 11 is reduced in size by using a structure in which one resonator is coupled to one bent resonator in order to reduce the size of the conventional comb filter. As a method for this, there is a problem in that a structure in which two other resonators are coupled into one bent resonator is used.
따라서, 본 발명의 목적은 한정된 주파수 자원내에서 보다 많은 주파수 할당 을 위한 협대역 필터의 구현을 위해 도체/강유전체/유전체/도체 구조를 이용하여 마이크로 스트립 라인 가변 대역통과필터를 설계하는데 있어서, 인가하는 전압의 가변을 통해 중심 주파수의 가변성과 필터의 크기 축소가 용이하며, 높은 튜너빌리티와 작은 삽입 손실, 큰 반사 손실 및 인접파에 의한 신호 간섭 최소화가 가능하도록 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변필터를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to apply a microstrip line variable bandpass filter using a conductor / ferroelectric / dielectric / conductor structure to implement a narrowband filter for more frequency allocation within a limited frequency resource. By changing the voltage, it is easy to change the center frequency and reduce the size of the filter, and to provide a variable filter using a ferroelectric resonator that enables high tunability, small insertion loss, large reflection loss, and minimizing signal interference by adjacent waves. have.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 강유전체 공진기를 이용한 가변 필터에 있어서, 직선으로 형성된 중앙 커플링 배선과 상기 중앙 커플링 배선의 양 끝단에 120°및 90°로 각각 구부러지게 형성되는 커플링 배선을 구비하며, 입력신호에 대한 공진을 수행하는 제1공진기와; 상기 제1공진기와 좌/우 대칭되게 커플링 배선으로 형성되어 상기 제1공진기와 함께 입력신호에 대한 필터링을 수행하는 제2공진기와; 상기 제1공진기로 입력신호를 커플링 인가시키는 커플링 입력단과; 상기 제1,2공진기로부터 필터링 수행된 신호를 출력시키는 커플링 출력단;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a variable filter using a ferroelectric resonator, the coupling line is formed to be bent at 120 ° and 90 ° respectively at both ends of the center coupling line formed in a straight line and the center coupling line A first resonator configured to perform resonance with respect to an input signal; A second resonator formed in a coupling line symmetrically with the first resonator and performing filtering on an input signal together with the first resonator; A coupling input terminal for coupling and applying an input signal to the first resonator; And a coupling output stage configured to output the filtered signal from the first and second resonators.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the preferred embodiment according to the present invention.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가변필터의 구조를 도시한 것이다.5 illustrates a structure of a variable filter according to an embodiment of the present invention.
상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 가변필터는 도 1에 도시된 바와 같은 강유전체의 상대 유전율이 인가 전압에 따라 가변하는 특성을 이용하며, 도 2에서 도시된 바와 같이 상부전극, 강유전체, 유전체, 하부전극 등의 CFD(Conductor/Ferroelectric/Dielectric) 구조로 구현한다. 이때 상기 도 2에서 강유전체가 두꺼울수록 튜너빌리티가 커지지만, 강유전체를 증착하는 시간도 두께에 비례하여 그만큼 늘어나게 되며, 상기 도 2에서와 같은 측면도를 이용하여 상기 도 5에서와 같은 가변필터의 평면도를 디자인하게 되는데, 입/출력단에서 강유전체와 유전체를 합한 두께를 고려하여 50 매칭이 되도록 입/출력단에서의 마이크로 스트립 라인의 폭을 조절하게 된다.Referring to FIG. 5, the variable filter of the present invention utilizes a characteristic in which the relative permittivity of the ferroelectric as shown in FIG. 1 varies according to an applied voltage. As shown in FIG. 2, the upper electrode, the ferroelectric, the dielectric, CFD (Conductor / Ferroelectric / Dielectric) structure of lower electrode At this time, as the ferroelectric becomes thicker in FIG. 2, the tunability becomes larger, but the time for depositing the ferroelectric also increases in proportion to the thickness, and the plan view of the variable filter as shown in FIG. 5 using the side view as shown in FIG. Designing, considering the thickness of ferroelectric and dielectric The width of the microstrip line at the input / output stage is adjusted to match.
본 발명의 실시 예인 상기 도 5에서는 기존의 에지-커플드 구조를 사용하되, 커플링 방향을 120°만큼 기울어지게 하여 인접파 간섭을 최소화하였다. 이는 필터의 입력단 (51)을 통과한 신호는 1번째 커플링(52)을 지나고, 인접파 간섭은 커플링 부분에서 많이 일어나기 때문에 1번째 커플링(52)과 2번째 커플링(53)을 120°만큼 기울어지게하면 인접파 간섭을 줄일 수 있기 때문이다.In FIG. 5, an embodiment of the present invention uses an existing edge-coupled structure, but minimizes adjacent wave interference by tilting the coupling direction by 120 °. This is because the signal passing through the
또한 입/출력단(51/54)을 중심으로 좌/우 대칭이 되도록 배치하였고, 1번째 공진기(52)와 2번째 공진기(53)의 끝을 90°만큼 구부러지게 하고, 길이는 /16∼/8 정도로 하여 각 공진기에서의 신호 손실을 최소화하였다. 이때 신호 손실을 줄이면 소비 전력도 크게 줄일 수 있다.In addition, the left and right symmetry is arranged around the input /
한편 커플링 수를 늘리면 대역폭이 줄어 듬과 동시에 스톱 밴드(Stop band)에서 삽입손실이 가파르게 떨어지므로 필터 특성이 좋아지게 되는데, 이러한 특성을 이용하여 상기 도 5를 여러 개 연결한 경우의 가변필터 구조를 도 8에 도시하였으며, 상기 도 8에서 90°꺽여서 연장된 마이크로 스트립 라인을 제거한 경우의 가변필터 구조를 도 9에 도시하였고, 또한 상기 도 8에서 오픈 스터브 (101)를 연결 했을 때의 가변필터 구조를 도 10에 도시하였다.On the other hand, increasing the number of coupling reduces the bandwidth and at the same time the insertion loss drops steeply in the stop band, thereby improving the filter characteristics. The variable filter structure in the case of connecting several of the above-mentioned FIG. 8 shows a variable filter structure when the microstrip line extended by 90 ° is removed in FIG. 8, and the variable filter structure when the
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변필터의 평면도를 도시한 것으로, 상기 도 12의 가변필터 모델은 기존의 의사 인터디지털 타입을 응용한 것으로써, 필터크기를 줄이기 위하여 하나의 구부러진 공진기 안에 2개의 다른 공진기가 교차되도록 구성하여 크기를 크게 줄이면서도 좋은 특성을 얻을 수 있도록 한 구조이다. 즉, 상기 도 12의 가변필터 구조는 의사 인터디지털 타입(Pseudo interdigital type)으로서 하나의 구부러진 공진기 안에 다른 2개의 공진기가 커플링되는 구조를 이용하여 필터의 크기를 줄이게 된다. 상기 도 12의 가변필터 구조를 여러 개 연결했을 때의 가변필터 구조를 도 15에 도시하였으며, 상기 도 15에서 오픈 스터브(161)를 연결한 경우의 가변필터 구조를 도 16에 도시하였다.12 is a plan view of a variable filter according to another embodiment of the present invention. The variable filter model of FIG. 12 uses a conventional pseudo interdigital type, and is formed in one bent resonator to reduce the filter size. Two different resonators are configured to intersect, so that the size can be greatly reduced and good characteristics can be obtained. That is, the variable filter structure of FIG. 12 is a pseudo interdigital type, and the size of the filter is reduced by using a structure in which two other resonators are coupled in one bent resonator. The variable filter structure when the variable filter structures of FIG. 12 are connected to each other is shown in FIG. 15, and the variable filter structure when the
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the invention should be determined by the claims rather than by the described embodiments.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 유전율이 인가전압에 따라 가변하는 특성을 이용하여 대역통과 필터에서 튜너블 특성을 얻을 수 있다. 즉, 인가전압을 증가시키는 경우 강유전체의 상대 유전율이 감소하게 되고, 감소된 상대 유전율은 마이크로 스트립의 커패시턴스를 감소시켜 중심 주파수를 증가시키게 된다. 또한 강유전체의 바로 밑에 상대 유전율이 낮은 유전체를 두껍게 적층함으로써 인가전압 이 갑작스럽게 변화하여 강유전체가 파괴되지 않도록 하는 이점이 있다.As described above, the present invention can obtain a tunable characteristic in a bandpass filter by using a characteristic in which the dielectric constant varies according to an applied voltage. In other words, when the applied voltage is increased, the relative permittivity of the ferroelectric is decreased, and the reduced relative permittivity decreases the capacitance of the microstrip to increase the center frequency. In addition, there is an advantage that the applied voltage is suddenly changed by stacking a dielectric material having a low relative permittivity thickly under the ferroelectric so that the ferroelectric is not destroyed.
또한 본 발명의 가변필터에서는 마이크로 스트립 라인을 이용한 에지-커플드 구조로 입/출력단과 공진기를 120°만큼 구부림으로써, 커플링 부분과 다음 커플링 부분에 마이크로 스트립 라인의 여유분을 주어 인접파에 의한 간섭을 줄이며, 또한 에지-커플드 구조의 의사 인터디지털 타입으로 형성시켜 하나의 구부러진 공진기 안에 다른 2개의 공진기가 커플링되는 구조를 이용하여 전체 크기를 줄이는 이점이 있다.In the variable filter of the present invention, the input / output stage and the resonator are bent by 120 ° in an edge-coupled structure using a micro strip line, thereby providing a margin of the micro strip line to the coupling portion and the next coupling portion, which is caused by adjacent waves. The interference is reduced, and the edge-coupled structure may be formed as a pseudo interdigital type, thereby reducing the overall size by using a structure in which two other resonators are coupled in one bent resonator.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120228 Year of fee payment: 7 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |