KR100764397B1 - 적층형 대역 통과 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통과대역 이외에서의 저지특성을 개선하고 전체 크기를 줄일 수 있는 적층형 대역 통과 필터에 관한 것으로, 적어도 제1 내지 제5 유전체층이 순차적으로 적층된 세라믹 적층체와; 상기 제1 유전체층 상면에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 인덕터 패턴과, 상기 제1 및 제2 인덕터 패턴과 적어도 일부 중첩하여 상기 제2 유전체층에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 커패시터 패턴을 갖는 제1 및 제2 공진기와; 상기 제3 유전체층 상면에 형성된 상기 제1 및 제2 공진기에 각각 전기적으로 용량결합되는 제1 및 제2 부하 커패시터 패턴과; 상기 제4 및 제5 유전체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 접지면을 포함하며, 상기 제1 및 제2 인턱터 패턴은 각각 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부 및 상기 제2 접지면과 접지되고 상기 저임피던스부로부터 민더(meander) 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

적층형, 밴드패스, 대역통과, 필터, 민더, 저지특성

Description

적층형 대역 통과 필터{Multi-layerd band pass filter}

도 1은 종래의 적층형 대역 통과 필터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 도 1에 도시한 필터의 등가회로도이다.

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 대역 통과 필터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 도 3에 도시한 필터의 등가회로도이다.

도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 필터를 구성하는 부하 커패시터, 및 입출력단과 연결된 공진기를 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5에 따른 공진기의 임피던스비(R) 및 고임피던스부와 저임피던스부의 상대적 길이(u)에 따른 저지 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일실시형태에 따라 탭 형태의 입출력 단자가 공진기에 연결되어 그 위치에 따른 영향을 분석하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 입출력 연결 단자의 변화에 따른 상단대역의 저지 주파수에 대한 저지 특성을 보여주는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 부하 커패시터의 용량값을 증가시킴에 따른 상단 대역의 저지 특성 및 저지 주파수를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 적층형 대역 통과 필터에 관한 것으로 더욱 상세하게는 통과대역 이외에서의 저지특성을 개선하고 전체 크기를 줄일 수 있는 적층형 대역 통과 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 대역 통과 필터(band pass filter)는 주파수 신호의 입출력을 담당하는 입출력단, 다수의 전극 패턴 및 주파수 선택적 특성을 갖는 다수의 공진기(resonator)의 조합으로 구현된 RF(Radio Frequency) 소자로서, 이동통신 시스템에 사용되는 주파수 신호 중에서 통과 대역내의 주파수 신호만을 통과시키는 필터이다.

휴대전화기 등의 무선통신 기기에서는, 소형화, 박형화의 요구가 강하므로, 고밀도로 기판 내에 부품을 내장하는 기술이 요구되며, 이를 위해서 스트립 라인과 같은 전송선을 이용하여 공진기와 커플링을 조정하는 패턴 등을 다층기판 상에서 구현하는 것도 제안되고 있다.

도 1은 종래의 적층형 대역 통과 필터의 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 적층형 대역 통과 필터의 본체는 세라믹 유전 재료로 형성된 다수의 유전체층(1~5)을 적층함으로써 제조되는데, 제1 유전체층(1)과 제5 유전체층(5)의 상면에는 각각 제1 접지면(6)과 제2 접지면(13)이 구현되고, 제2 유전체층(2)의 상면에는 공진기 와 병렬로 연결되어 결합 캐패시터(coupling capacitor) C_c를 구현하기 위한 전극 패턴(11) 및 공진기와 접지 사이에 형성되는 부하 캐패시터(load capacitor) C_L를 구현하기 위한 전극 패턴(12a,12b)이 후막 인쇄되고, 제3 유전체층(3)의 상면에는 제1 및 제2 스트립라인 공진기(10a,10b)가 후막 인쇄되고, 제4 유전체층(4)의 상면에는 공진기와 입출력단 사이에 형성되는 입출력 결합 캐패시터 C₀₁을 구현하기 위한 전극 패턴(8a,8b)과 공진기와 접지 사이에 형성되는 부하 캐패시터 C_L를 구현하기 위한 전극 패턴(9a,9b)이 인쇄된다.

그러나, 종래의 적층형 대역 통과 필터에서 사용된 공진기는 동일한 폭을 가지는 일자 형태의 공진기로 λ/4 길이를 전부 사용해야 하기 때문에 주파수가 낮을 수록 구현되는 필터의 전체 부피가 증가되는 문제가 있다.

또한, 입출력 단자의 형태가 커패시터 형태로 공진기와 연결된 구조로 되어 있어 다층 구조에서 공정상의 변화, 즉 상/하층 간의 기준이 달라지거나 위치변화에 의해 필터의 삽입손실이 증가하게 되어, 결국 전체 무선통신 시스템의 성능을 저하시키는 결과를 초래할 수 있다

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단차 임피던스 공진기를 사용하여 고임피던스 부분과 저임피던스 부분의 비를 일정하게 유지함으로써 통과 대역 이외의 부분에서 저지 특성을 개선시킬 수 있고 접지에 연결되는 고임피던스 부분을 민더(Meander) 형태로 구현함으로서 전체 크기를 감소시킬 수 있는 적층형 대역 통과 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 입출력부가 직접 공진기에 탭 형태로 연결되도록 함으로서 공진기에서 탭의 위치를 조절하여 감쇄 특성을 개선시킬 수 있는 적층형 대역 통과 필터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 대역 통과 필터는, 적어도 제1 내지 제5 유전체층이 순차적으로 적층된 세라믹 적층체와; 상기 제1 유전체층 상면에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 인덕터 패턴과, 상기 제1 및 제2 인덕터 패턴과 적어도 일부 중첩하여 상기 제2 유전체층에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 커패시터 패턴을 갖는 제1 및 제2 공진기와; 상기 제3 유전체층 상면에 형성된 상기 제1 및 제2 공진기에 각각 전기적으로 용량결합되는 제1 및 제2 부하 커패시터 패턴과; 상기 제4 및 제5 유전체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 접지면을 포함하며, 상기 제1 및 제2 인턱터 패턴은 각각 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부 및 상기 제2 접지면과 접지되고 상기 저임피던스부로부터 민더(meander) 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이 하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 대역 통과 필터의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시한 필터의 등가회로도이다.

본 발명의 적층형 대역 통과 필터는 세라믹 유전체 재료로 이루어진 복수의 유전체층(101a∼101f)을 적층하고 일체로 소성하는 세라믹 적층체 내에, 상호 평행하도록 제1 및 제2단의 공진기(Q1∼Q2)를 배치한 것이다.

제1단의 공진기(Q1)는 유전체층(101d) 상면에 형성된 인덕터 패턴(102a)과, 상기 인덕터 패턴(102a)과 적어도 일부 중첩하여 유전체층(101e)에 형성된 커패시터 패턴(103a)을 갖는다.

제2단의 공진기(Q2)는 유전체층(101d) 상면에 형성된 인덕터 패턴(102b)과, 상기 인덕터 패턴(102b)과 적어도 일부 중첩하여 유전체층(101e)에 형성된 커패시터 패턴(103b)을 갖는다.

상기 인덕터 패턴(102a)과 인덕터 패턴(102b) 및 상기 커패시터 패턴(103a)과 커패시터 패턴(103b)은 상호 대칭형으로 평행하게 배치되어 있다.

여기서, 상기 커패시터 패턴(103a)과 커패시터 패턴(103b)은 서로 연결되어 용량성 커패시터를 제공하고 있다.

종래에는 공진기간의 간격을 조절하여 통과대역 폭을 결정하였으나, 본 실시예에서는 커패시터 패턴(103a)과 커패시터 패턴(103b)의 커플링(coupling) 정도를 조절하여 통과대역 폭을 결정할 수 있게 된다.

특히, 상기 인턱터 패턴들(102a, 102b)은 각각 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부 및 상기 저임피던스부로부터 민더(meander) 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부로 구성되어 있다.

즉, 제1단의 공진기(Q1)의 인덕턴스(L1)는 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부(L1a) 및 상기 저임피던스부(L1a)로부터 민더 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부(L1b)로 구성되어 있다.

또한, 제2단의 공진기(Q2)의 인덕턴스(L2)는 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부(L2a) 및 상기 저임피던스부(L2a)로부터 민더 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부(L2b)로 구성된다.

이와 같이, 광폭 및 협폭으로 이루어진 단차(step) 임피던스 공진기가 사용되고 있기 때문에 고임피던스부와 저임피던스부의 비를 일정하게 유지함으로써 통과 대역 이외의 부분에서 저지 특성을 개선시킬 수 있다. 그리고, 고임피던스부가 민더 타입으로 구현되기 때문에 필터의 전체 크기를 줄일 수 있다.

다시 말해서, 본 발명에 따른 공진기는 신호를 통과시키고자 하는 주파수에 해당하는 λ/4 길이를 동일한 넓이를 갖는 구조가 아닌, 넓은 면적과 좁은 면적을 일정한 길이의 비로 연결하여 제조된다. 일반적으로 동일 넓이를 갖는 공진기로 구성된 필터와 비교하여, 중심주파수를 중심으로 상단대역의 저지 특성이 뛰어나서 추가적인 구조가 불필요한 동시에 좁은 면적의 부분을 민더 형태로 구현할 수 있기 때문에 물리적 크기를 크게 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

이상의 제1 및 제2단의 공진기(Q1, Q2)는 부하 커패시터(C_L1,C_L2)에 의해 전기적으로 결합하고 있다. 즉, 공진기(Q1, Q2)의 저임피던스부(L1a,L2a) 선로 끝에는 부하 커패시터(C_L1, C_L2)를 연결하여 접지(107a)와 연결한다. 부하 커패시터(C_L1, C_L2)는 유전체층(101c)에 형성되는 부하 커패시터 패턴(105a, 105b)에 의해 구현된다.

이와 같이, 부하 커패시터(C_L1, C_L2)를 공진기(Q1, Q2)의 저임피던스 부분에 연결하면, 상단 대역의 저지 특성을 개선시킬 수 있는 동시에 λ/4 길이의 공진기 길이를 줄일 수 있게 된다. 즉, 커패시터를 증가시키면 물리적 길이는 감소시키는 대신에 전기적인 길이를 증가시켜 길이를 감소시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

상기 적층체(100)의 최상의 유전체층(101a)과 최하의 유전체층(101f) 상면에는 각각 제1 및 제2 접지면(107a, 107b)이 인쇄된다. 여기서, 제1 접지면(107a)은 부하 커패시터(C_L1, C_L2)의 일단과 연결되고 제2 접지면(107b)은 고임피던스부(L1b, L2b)의 일단과 연결된다.

상기 제1 및 제2 공진기(Q1, Q2)의 일단에는 각각 유전체층(101a) 상면에 형성되는 입출력단 전극(108a, 108b)과 연결되는 탭 형태의 입출력 단자(106a, 106b)가 마련되어 있다. 여기서, 입출력단 전극(108a, 108b)은 제1 접지면(107a)의 일부를 "ㅁ"형태로 제거하여 제1 접지면(107a)과 절연시켜 형성된다.

이와 같이, 입출력부가 종래와 같이 커패시터로 연결되지 않고 직접 공진기에 탭 형태로 연결되기 때문에 공진기에서 탭의 위치를 조절하여 감쇄 특성을 개선시킬 수 있게 된다. 다시 말해서, 공진기에 직접 연결된 입출력 부분을 탭 형태로 구현하여 그 위치에 따라 상단 대역의 부수특성을 저지할 수 있는 주파수를 결정할 수 있으며 상단 대역의 저지 특성을 개선시킬 수 있다.

상기 다수의 유전체층은 저온동시소성(LTCC) 기판으로 제조되는 것이 바람직하다.

또한, 유전체층(101a)과 유전체층(101c) 사이에는 두께 유지를 위해 패턴이 인쇄되지 않은 적어도 하나의 유전체층(101b)이 추가적으로 삽입될 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 유전체층(101e)과 유전체층(101f) 사이에도 두께 유지를 위해 패턴이 인쇄되지 않은 적어도 하나의 유전체층이 추가적으로 삽입될 수 있다.

이러한 본 발명의 실시형태에 따른 필터에서, 상기 공진기(Q1, Q2)는 하나의 λ/4 공진기로 동작한다.

도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 필터를 구성하는 부하 커패시터(C_L1), 및 입출력단과 연결된 공진기(Q1)를 나타내고, 도 6은 도 5에 따른 공진기의 임피던스비(R) 및 고임피던스부와 저임피던스부의 상대적 길이(u)에 따른 저지 주파수 특성을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 임피던스비(R)와 상대적 길이(u)를 조정하면 저지 주파수 특성이 개선됨을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시형태에 따라 탭 형태의 입출력 단자가 공진기에 연결되어 그 위치에 따른 영향을 분석하기 위한 도면이다.

도 7에서, Za와 Zb는 탭 위치에서 각 부하 커패시터를 바라보는 입력 임피던스를 나타내고, 탭의 위치는 전체 길이 L에서 저임피던스부의 끝단으로부터 떨어진 거리 d로 결정된다. d를 변화시킴에 따라 탭의 위치가 바뀌어 그로 인해 상단 대역의 저지 특성이 결정된다.

(1)

(2)

식 1과 식 2는 각각 입력 임피던스 Za와 Zb를 구한 것으로, 여기서 v는 전파 속도(wave velocity)이고 w는 각 주파수이다. 입력 임피던스(Za 또는 Zb)가 0이 되면 상단 대역에 저지 특성이 나타나고, 그 저지 주파수(fp)는 다음 식 3 및 식 4에 의해 정해진다. 여기서, N은 0,1,2..와 같은 정수를 의미한다.

(3)

(4)

도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 입출력 연결 단자의 변화에 따른 상단대역의 저지 주파수(fp)에 대한 저지 특성을 보여주고 있는데, 특히 d의 값을 점차 증가시켰을 때마다 나타나는 저지대역의 감쇄 특성을 보여준다. 도 7에서, (a) 그래프는 d의 값이 가장 클 때이며, (c) 그래프의 경우가 가장 작을 때이다.

도 8을 참조하면, 저지 대역의 특성은 변하여도 통과대역의 삽입손실에는 영향이 없음을 알 수 있다.

본 발명에서 구현된 부하 커패시터는 다단 공진기의 저임피던스 부분과 연결되어 공진기의 물리적 길이를 감소 시키는 역할을 하는 동시에 상단 대역의 저지 특성을 개선시킨다.

하기의 식 5는 상단대역의 특정 주파수에 대해서 저지를 하기 위한 C_L 값을 계산할 수 있는 식이다.

(5)

상기 식5에서, θr에 해당하는 공진기의 물리적 길이 값과 C_L과의 상관 관계를 알 수 있다.

그러나, C_L을 크게 하면 할수록 부하 커패시터의 임피던스가 작아져 많은 신호가 빠져 나간다. 그로 인해, 입력되는 신호의 삽입손실이 증가하게 되어 전체 무선 통신 시스템의 성능이 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상단 대역의 저지 특성 및 물리적 길이를 결정하는 C_L의 값과 삽입손실 사이에 최적의 값을 실험을 통해 결정하였고, 부족한 저지 특성은 위에서 기술된 입출력 단자의 위치를 조정하여 특정 주파수의 저지 특성을 개선시키고 있다.

도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 부하 커패시터의 용량값을 증가시킴에 따른 상단 대역의 저지 특성 및 저지 주파수를 보여 주고 있다.

도 9에서, (d)의 경우가 가장 용량이 큰 값으로 저지 주파수가 중심 주파수와 가까운 값을 나타내고 있으나, 삽입손실과 반사손실의 값이 나빠지고 있음을 나타낸다. 따라서, 본 발명에서 제안하고 있는 바와 같이, 부하 커패시터의 용량값의 효과는 탭 형태의 입출력 단자의 위치에 의해 함께 보상해 주어야 한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 단차 임피던스 공진기를 사용하여 고임피던스 부분과 저임피던스 부분의 비를 일정하게 유지함으로써, 즉 고임피던스부와 저임피던스부의 임피던스 비, 각 부분의 상대적 길이에 따른 고조파 감쇄 특성을 개선시켜서 통과 대역 이외의 부분에서 저지 특성을 개선시킬 수 있고, 접지에 연결되는 고임피던스 부분을 민더 형태로 구현함으로서 전체 크기를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 입출력부가 직접 공진기에 탭 형태로 연결되도록 함으로서 공진기에서 탭의 위치를 조절하여 감쇄 특성을 개선시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 적층형 대역 통과 필터는 구현하고자 하는 시스템 모듈 내에 내장하여 그 위에 능동소자나 수동소자 등을 실장하여 제작할 수 있으며, 이를 통해 전체 시스템의 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 적어도 제1 내지 제5 유전체층이 순차적으로 적층된 세라믹 적층체와;

   상기 제1 유전체층 상면에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 인덕터 패턴과, 상기 제1 및 제2 인덕터 패턴과 적어도 일부 중첩하여 상기 제2 유전체층에 형성된 상호 대칭형의 제1 및 제2 커패시터 패턴을 갖는 제1 및 제2 공진기와;

   상기 제3 유전체층 상면에 형성된 상기 제1 및 제2 공진기에 각각 전기적으로 용량결합되는 제1 및 제2 부하 커패시터 패턴과;

   상기 제4 및 제5 유전체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 접지면을 포함하며,

   상기 제1 및 제2 인턱터 패턴은 각각 광폭 라인으로 형성된 저임피던스부 및 상기 제2 접지면과 접지되고 상기 저임피던스부로부터 민더(meander) 타입의 협폭 라인으로 형성된 고임피던스부로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 대역 통과 필터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 공진기의 일단에는 각각 상기 제1 유전체층 상면에 형성되는 입출력단 전극과 직접 연결되는 탭 형태의 입출력 단자가 마련되는 것을 특징으로 하는 적층형 대역 통과 필터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 적층체는 저온동시소성 기판인 것을 특징으로 하는 적층형 대역 통과 필터.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 유전체층과 제4 유전체층 사이 및 상기 제3 유전체층과 제5 유전체층 사이의 적어도 하나에는 적어도 하나의 두께 조절용 유전체층이 추가적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 적층형 대역 통과 필터.

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