KR100586324B1 - 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 무선통신시스템에 사용되는 고온초전도체 필터를 설계함에 있어서 분포소자로 구현하면서도 그 사이즈가 매우 작은 필터와 그 설계에 있어서 가파른 스커트특성을 조절하기 용이한 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은 기판상에 초전도 박막으로 형성된 하나 이상의 기본 공진기를 포함하여 이루어진 고온초전도체 필터에 있어서, 상기 기본 공진기는 양단에 병렬 캐패시터를 형성하는 패드가 설치되고, 상기 패드사이에는 일측 패드로부터 연장되는 초전도 박막이 사각형상의 나선형으로서 직경이 점차 작아지는 방향으로 수회 회전되다가 그와 반대방향으로 직경이 점차 커지는 방향으로 수회 회전되는 형상으로 이루어져, 중심 주파수에서 삼차원 전류 분포도가 중심에 집중되어 있어 원거리장 방사(far-field radiation)를 줄일 수 있도록 된 스파이럴-미엔더 타입의 직렬 인덕터가 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 발명임.

초전도체 필터, HTS, 필터 설계

Description

스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터{Miniature high temperature superconducting filter with flexible skirt property control}

도 1은 본 발명에 따른 스파이럴-미엔더(spiral-meander) 타입의 공진기와 기존의 헤어핀 타입의 공진기를 비교하기 위한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 공진기와 헤어핀 콤보 타입에서 공진기 사이의 커플링 세기를 비교하기 위한 도면으로서, 도 2a는 본 발명에 따른 공진기의 구조, 도 2b는 종래 헤어핀 콤보 타입의 구조, 도 2c는 커플링계수를 나타내는 그래프, 도 2d는 본 발명과 종래 타입의 공진기에 대한 커플링 계수의 비교그래프, 도 2e는 본 발명에 따른 공진기의 캐패시터의 폭과 중심주파수와의 관계를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 공진기의 3D 전류 분포도,

도 4a는 본 발명에 따른 기본 공진기와 변형된 공진기로 설계된 12폴 필터 구성도, 도 4b는 도 4a에 도시된 필터의 주파수 특성도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 변형된 공진기로서 크로스 커플링 조절 및 그 크기를 나타내는 도면을 나타내는 도면,

도 6은 크로스 커플링의 세기에 따른 필터의 전송 특성을 나타낸 상태도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 -- 병렬 캐패시터 패드,

2 -- 스파이럴-미엔더 타입 인덕터,

R_{1 ~} R₁₂ -- 공진기

본 발명은 주로 무선통신시스템에 사용되는 고온초전도체(high temperature superconductor; HTS) 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분포소자(distributed element)를 이용하면서도 그 사이즈가 작고 그 설계시 용이하게 스커트 특성을 설계할 수 있도록 하는 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터에 관한것이다.

일반적으로 초전도 필터는 가파른 스커트 특성과 적은 삽입 손실 특성을 가지고 있어, 주파수의 효과적인 이용 및 에너지 절약을 실현할 수 있는 필터이다.

최근 미국에서는 무선통신 서비스 기지국용 고온초전도 RF(Radio Frequency) 수신기 전단 시스템을 개발하여 현장에서 시험하고 있고, 이 시스템은 기존 시스템에 비해 뛰어난 간섭 제거 특성과 초저잡음 특성을 보여주고 있다.

상기 고온초전도 RF 수신기 전단 시스템은 여러 개의 고온초전도 필터와 저잡음 증폭기를 냉동기 안에 일체로 내장한 것으로, 고온초전도 필터의 크기가 작을 수록 냉동효율이 좋아지게 된다.

또한 통상적인 방법에 의해 제작 가능한 고온 초전도 박막의 크기는 2~3인치 정도이고, 이와 같은 한정된 크기의 웨이퍼 안에 많은 폴(pole)을 가져 특성이 우수한 필터를 여러 개 만들기 위해서는 그 사이즈가 작은 공진기를 선택해야한다.

종래의 고온초전도체 필터에서는 그 사이즈를 줄이기 위해서 집중소자(Lumped elements) 형태로 구현하여 공진기의 사이즈를 줄였으나 그 공진기를 구성하는 인덕터(inductor)의 얇은 선폭으로 전송 전력이 매우 작게 제한되는 문제가 있었다. 이와 같은 전송 전력 문제가 있으므로 분포소자로 필터를 구현하는 것이 더 바람직하다.

또한 무선통신 시장에서 요구하는 필터는 대역폭이 1% 이하인 경우가 많아서, 이러한 협대역 필터를 만들기 위해서는 공진기 사이의 커플링을 작게 해주어야한다.

그러나 일반적으로 공진기 사이의 커플링은 거리에 따라서 천천히 감소하므로 커플링이 작아지려면 공진기 사이의 간격을 넓게 만들어 주어야하는데, 이렇게 공진기 사이의 간격을 넓게 하면 필터의 크기가 커지게 된다.

따라서 공진기 자체의 크기가 작고, 같은 간격에 대해서 커플링이 작게 형성되는 공진기를 선택하는 것이 관건이 되고 있다.

이러한 초전도 필터를 구현하는 기술로써, 집중소자 형태로 구현한 공진기와 분포소자인 λ/2 공진기를 변형시킨 헤어핀(hairpin), 헤어핀 콤보(hairpin-comb), 루프형 인덕터(loop-like inductor), 개방루프 공진기(open-loop resonator) 등이 제안되어 왔다.

그러나, 상기 초전도 필터를 구성하는 분포소자 공진기는 그 크기와 그 공진기 사이의 커플링이 아직도 집중소자 형태보다 훨씬 크고, 그 크기를 줄이기 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.

또한, 적은 공진기 수로 더욱 가파른 스커트 특성을 보이는 필터를 설계하기 위해서 공진기 사이의 크로스 커플링을 주어 통과대역 양쪽 끝부분에 전송제로(transmission zero)를 형성시키는 방법이 제안되어 왔다.

크로스 커플링을 주는 방법에는 공진기들을 적절히 배치하여 한 공진기가 두 개의 커플링을 느끼게 하는 것과, 전송선로를 이용하여 선택한 공진기 사이의 크로스 커플링을 주는 방법이 있다.

필터 전체의 사이즈를 줄이는 방법 중 하나는 크로스 커플링을 줄 때, 공진기의 배치를 고려하는 것이다.

그러나, 종래의 기술에서는 크로스 커플링을 위해 공진기를 적절히 배치할때, 다양한 커플링을 고려해야 하는 어려움이 있었다. 그 일 예로, IEEE trans. MTT-48 p1098에 제시된 개방루프 공진기로 설계를 하는 경우 마그네틱 커플링(magnetic coupling), 전기 커플링(electric coupling), 혼합 커플링(mixed coupling), 하이브리드 커플링(hybrid coupling)과 같이 총 4개의 커플링을 고려해야한다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 첫째, 전송 전력을 고려하여 선폭이 100㎛ 이상인 분포소자로 된 공진기를 사용하면서도 그 크기가 기존에 제안되었던 것보다 3배 이상 작고 그 커플링의 세기도 3배 이상 작은 공진기로 필터를 설계하여 필터의 전체 크기를 최소화하도록 하고, 둘째, 가파른 스커트 특성을 얻기 위해서 공진기를 적절히 배치하여 크로스 커플링을 줄 때 스커트 특성에 따른 변수를 하나만 주어 다양한 스커트 특성에 대해서 설계를 쉽게 변형 시킬 수 있도록 한 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명은 기판상에 초전도 박막으로 형성된 하나 이상의 기본 공진기를 포함하여 이루어진 고온초전도체 필터에 있어서, 상기 기본 공진기는 양단에 병렬 캐패시터를 형성하는 패드가 설치되고, 상기 패드사이에는 일측 패드로부터 연장되는 초전도 박막이 사각형상의 나선형으로서 직경이 점차 작아지는 방향으로 수회 회전되다가 그와 반대방향으로 직경이 점차 커지는 방향으로 수회 회전되는 형상으로 이루어져, 중심 주파수에서 삼차원 전류 분포도가 중심에 집중되어 있어 원거리장 방사(far-field radiation)를 줄일 수 있도록 된 스파이럴-미엔더 타입의 직렬 인덕터가 연결되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 스파이럴-미엔더 타입의 직렬 인덕터 양단에 연결되어 병렬 캐패시터를 형성하는 패드간의 거리는 2.3 ㎜로 설정되고 상기 패드와 직각 방향으로 배치되는 직렬 인덕터의 양측 박막 라인간의 거리는 3.3 ㎜로 설정되는 한편, 직렬 인덕터를 형성하는 박막의 폭은 100 ㎛로 설정되어 유전율이 24인 기판에 대하여 중심주파수가 1970 ㎒인 공진기를 형성할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은 다수의 기본 공진기 필터를 일렬로 배치하여 이루어진 고온초전도체 필터에 있어서, 상기 일렬로 배치된 기본 공진기 필터들간의 중간에는 2개의 공진기를 동시에 이웃하게 배치하기 위해서 상기 기본 공진기 필터의 인덕터 구조를 변형시켜 인덕터 양단에 연결되는 병렬 캐패시터가 상호 직각 방향으로 배치되도록 형성하고, 상기 변형된 공진기필터 네 개가 'U'자형 라인을 형성하도록 배치된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1의 (a)는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 스파이럴-미엔더 타입의 공진기를 나타낸다. 이 공진기는 병렬 캐패시터를 형성하는 패드(1)와 직렬 인덕터를 형성하는 스파이럴-미엔더 타입 라인(2)으로 구성된다. 인덕터의 폭은 전송 전력을 고려하여 예컨대 100㎛로 구성하였다. 도 1의 (a)에서 도시된 실시예는 유전율이 24인 기판에 대해서 중심주파수 1970 MHz를 갖는 공진기를 설계할 수 있도록, 패드(1)간의 거리는 2.3 ㎜로 설정하고 상기 패드(1)와 직각 방향으로 배치되는 직렬 인덕터의 양측 박막 라인(2)간의 거리는 3.3 ㎜로 설정한 것이다. 대 형성 튜닝 팁과 필터부재가 패키지에 설치된 상태를 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

도 1의 (b)는 본 발명의 특징을 대비설명하기 위하여 종래의 기술에서 얻어진 헤어핀 타입의 공진기를 나타낸 것이다. 상기 도 1(a)의 본 발명에 따른 공진기와 같은 조건에 대해서 헤어핀 공진기를 설계한 결과, 세로폭이 9.3 ㎜에 이르러 본 발명에 따른 공진기가 헤어핀 공진기보다 3배 정도 작음을 확인할 수 있었다.

도 2는 본 발명에 따른 공진기와 종래 헤어핀 콤보 타입의 공진기간의 커플링 계수를 비교하기 위한 도면으로서, 도 2a는 본 발명에 따른 공진기의 커플링상태를 나타내는 도면이고 도 2b는 종래 헤어핀 콤보 타입의 공진기의 커플링상태를 나타내는 도면이다. 도 2a 및 도 2b처럼 두 공진기를 일정 거리 떨어뜨려 놓고 그 주파수 특성을 보면, 도 2c처럼 f1, f2로 피크가 두 개 생긴다. 이때, 커플링 계수 M은 다음과 같다.

M=[(f2)^2-(f1)^2]/[(f2)^2+(f1)^2]

이 커플링 계수를 인접 공진기간의 거리 d에 따라 나타낸 것이 도 2d에 도시되어 있다. IEEE trans. Applied Superconduct. vol.9 (1999) p3909에서는 인터디지트, 헤어핀, 헤어핀 콤보 타입에 대해서 커플링 계수를 비교하였다. 헤어핀 콤보 타입은 위의 제시된 다른 타입보다 커플링 계수가 훨씬 작다.

1% 대역폭 필터를 설계할 때, 필요한 커플링 계수는 0.005 ~ 0.01 사이의 값이다. 이 때, 본 발명에 따른 공진기는 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 헤어핀 콤보 타입 보다 3배 정도 작은 커플링 계수를 가지고 있는 것이 특징이다. 본 발명에 따른 공진기는 공진기 사이의 커플링을 도 2a에 도시된 바와 같이 병렬 캐패시터를 형성하는 패드(1)의 길이(h)로 조절이 가능하다.

이때 원하는 병렬 캐패시터를 내기 위해서는 패드의 폭(t)을 같이 고려해야한다. 도 2e에는 병렬 캐패시터를 형성하는 패드의 폭(t)과 중심주파수와의 관계를 나타내는 것으로, 예컨대 패드의 폭(t)이 약 100㎛에서 900㎛로 변화될 때 중심주파수는 약 2700㎒에서 1680㎒로 완만하게 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 설계하고자 하는 필터의 중심주파수에 따라 병렬 캐패시터를 형성하는 패드의 폭(t)의 변경을 통해 용이하게 희망 주심주파수를 갖는 필터를 설계할 수 있게 된다.

도 3은 공진기의 중심주파수에 대해서 3D 평균 전류 분포를 나타낸다. 공진기의 중심 부분에 전류 분포가 집중되어 있음을 나타낸다. 이는 방사장(radiation field)이 공진기의 중심 부분에 집중되어 있어, 원거리장 방사(far-field radiation)가 작음을 나타낸다. 원거리장이 있는 경우, 이는 우리가 예상 할 수 없는 커플링을 유도하여 설계 특성이 제대로 나오지 않는 어려움이 있다. 본 발명에 따른 공진기는 이런 원거리장을 줄이기 위한 한 방법이 되는 것이 특징이다.

도 4a는 유전율이 24인 LAO 기판 위에 본 발명에 따른 상기 공진기 12개(R_{1 ~} R₁₂)를 적절히 배치, 즉 12개의 공진기(R_{1 ~} R₁₂)중 5,6,7,8번째 공진기(R_{5 ~} R₈)는 기본 공진기와 달리 커플링이 90° 변환되는 변환 공진기를 사용한 것으로, 중심주파수 1970 MHz, 대역폭 20 MHz의 특성을 내는 공진기 필터의 실시예를 나타낸 것인 데, 그 크기는 도면에 표시되어 있는 바와 같이 가로 길이가 35 ㎜, 세로 길이가 15 ㎜ 정도내에 배치됨으로써, 같은 극수의 필터 중에서 기존에 제안되었던 분포소자 필터 중 가장 작은 사이즈로 형성됨이 특징이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 공진기 필터의 주파수 특성을 나타낸다.

유사 타원 함수 형태에 따른 공진기 사이의 커플링 값은 체비세브 함수 형태에 따른 커플링 값에 크로스 커플링이 추가되고, 중간 커플링 값이 변경되는 것 밖에 없다. 따라서, 체비세브 함수 형태로 필터를 설계한 후 약간의 변형으로 유사타원 함수 형태의 필터를 설계할 수가 있다.

체비세브 함수 형태로 설계할 시, 공진기 12개 사이의 거리는 주어진 스펙에 맞는 커플링 값에 따라 도 2d에 제시된 대로 결정한다.

다음으로, 크로스 커플링의 추가는 공진기의 변형으로 가능하다. 즉, 5,6,7,8번째 공진기(R_{5 ~} R₈)는 5번째 공진기(R₅)와 8번째 공진기(R₈ )의 크로스 커플링을 위하여 변형시킨다. 도 5는 변형된 공진기만을 확대하여 나타낸 것이다. 5번째 공진기(R₅)와 8번째 공진기(R₈) 사이의 거리 S에 따라 크로스 커플링의 세기는 달라진다. 크로스 커플링의 절대값이 커질수록 필터는 가파른 스커트 값을 갖게 된다. 도 5에서 변형된 공진기의 인덕터 부분 ℓ의 길이 조정은 공진기(R₆)(R₇) 사이의 커플링과는 무관하게 S값을 조절할 수 있다. ℓ의 길이 조정으로 달라진 공진기의 인덕터값은 ℓ'으로 보정해 줄 수가 있다. S와 ℓ의 길이의 관계식은 다음과 같이 간단하다.

S ∝ 2ℓ

본 발명에 따른 공진기의 크로스 커플링은 스파이럴-미엔더 인덕터의 크로스 커플링 상쇄 효과로 종래의 다른 크로스 커플링 보다 작은 값을 갖는 것이 특징이다. 도 5b는 5번째 공진기(R₅)와 8번째 공진기(R₈) 사이의 거리 S값에 따른 크로스 커플링의 세기를 나타낸 것이다.

도 6은 S값에 따른 스커트 특성을 나타낸 그래프로서, S2 < S1인 관계가 있는 것이며, S값이 작아질수록 스커트특성이 가파라짐을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 스파이럴-미엔터 타입의 공진기의 사용으로 초전도 필터를 제조함에 있어서 종래의 초전도 필터보다 높은 스커트 특성을 지닌 필터를 작은 사이즈로 구현할 수 있으므로 RF 수신기 전단 시스템으로 구현할 경우 냉동효율이 좋아지고, 웨이퍼의 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 전송제로 특성을 갖는 유사 타원 함수형 필터를 설계함에 있어서 다양한 커플링을 고려하지 않으면서 스커트 특성도 용이하게 조절할 수 있어서, 설계에 소모되는 시간을 단축시킬 수 있다는 데에 더욱 중요한 장점이 있다.

Claims (4)

1. 기판상에 초전도 박막으로 형성된 하나 이상의 기본 공진기를 포함하여 이루어진 고온초전도체 필터에 있어서, 상기 기본 공진기는 양단에 병렬 캐패시터를 형성하는 패드가 설치되고, 상기 패드사이에는 일측 패드로부터 연장되는 초전도 박막이 사각형상의 나선형으로서 직경이 점차 작아지는 방향으로 수회 회전되다가 그와 반대방향으로 직경이 점차 커지는 방향으로 수회 회전되는 형상으로 이루어져, 중심 주파수에서 삼차원 전류 분포도가 중심에 집중되어 있어 원거리장 방사(far-field radiation)를 줄일 수 있도록 된 스파이럴-미엔더 타입의 직렬 인덕터가 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 스파이럴-미엔더 타입의 직렬 인덕터 양단에 연결되어 병렬 캐패시터를 형성하는 패드간의 거리는 2.3 ㎜로 설정되고 상기 패드와 직각 방향으로 배치되는 직렬 인덕터의 양측 박막 라인간의 거리는 3.3 ㎜로 설정되는 한편, 직렬 인덕터를 형성하는 박막의 폭은 100 ㎛로 설정되어 유전율이 24인 기판에 대하여 중심주파수가 1970 ㎒인 공진기를 형성할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 기본 공진기 필터를 일렬로 배치하되, 상기 기본 공진기 필터들간의 중간에는 2개의 공진기를 동시에 이웃하게 배치하기 위해서 상기 기본 공진기 필터의 인덕터 구조를 변형시켜 인덕터 양단에 연결되는 병렬 캐패시터가 상호 직각 방향으로 배치되도록 형성하고, 상기 변형된 공진기필터 네 개가 'U'자형 라인을 형성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 스커트 특성 조절이 용이한 극소형 고온초전도체 필터.

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