KR100969766B1 - 개선된 집적 수동 소자 기판내장형 대역통과 필터 - Google Patents

개선된 집적 수동 소자 기판내장형 대역통과 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용 주파수 대역을 선택적으로 여과(filtering)하는 집중 수동 소자(lumped component)를 사용한 적층형 대역통과 필터(band pass filter)에 관한 것이다.
기존의 사용 주파수 대역을 선택적으로 여과하는 수단으로는 전송선로 (transmission line) 및 분포정수, 구조체를 사용한 공진기(resonator)가 사용되었다. 이는 그 크기가 매우 크다는 단점을 가지고 있다. 또한 최근에 연구되고 있는 적층형 대역통과 필터들 또한 통과 특성 및 대역저지 특성의 개선을 위한 소자 수의 증가로 불필요한 손실을 가져오고 있다. 본 발명에서는 잘 알려져 있는 집중 수동 소자를 사용한 병렬 공진기(parallel resonator) 2개로 구성된 2단 (two step) 대역통과 필터에 기생 인덕턴스(parasitic inductance)를 삽입하여 통과 특성(insertion loss) 및 대역저지 특성(stop band characteristic)을 개선하였다.
기존의 동박적층기판(printed circuit board)은 기판을 구성하는 유기물의 유전률(dielectric constant)이 낮기 때문에 집중 수동 소자를 내장한 대역통과 필터를 바로 구현하면 캐패시터(capacitor)의 크기가 매우 큰 단점이 있다. 본 발명에서는 이런 크기문제를 해결하고자 고유전률을 가지는 물질을 사용하여 크기를 줄일 수 있다.
전술한 본 발명의 대역통과 필터는 단위 소자의 생산뿐만 아니라. 고유전률 물질을 사용한 유기기판(organic substrate) 혹은 동박적층기판에 소자를 내장(embedding) 하여 사용한 시스템온패키지(system on a package) 기술과 마이크로웨이브 모노리식 집적회로(microwave monolithic integrated circuit)에 응용할 수 있다.
대역통과 필터, 공진기, 캐패시터, 유전체기판, 시스템온패키지(SOP), MMIC

Description

개선된 집적 수동 소자 기판내장형 대역통과 필터{Improved lumped components band pass filter into the substrate}
본 발명은 사용 주파수 대역의 신호를 선택적으로 통과시키고, 필요 없는 대역의 신호를 차단하는 대역통과 필터에 관한 것이다. 특히 상대 대역에 대한 대역저지 특성의 향상에 관한 것을 특징으로 한다.
일반적인 무선통신 시스템(RF system)에서 여러 주파수들로부터 필요한 대역의 신호를 선택적으로 검출하고, 필요 없는 주파수 대역의 신호들을 차단하기 위하여 여러 개의 대역통과 필터들이 사용되고 있다.
집중 수동 소자로 이루어지는 대역통과 필터로서는 T형 대역통과 필터와 π형 대역통과 필터가 알려져 있다.
상기 T형 대역통과 필터는 도 1에 도시된 바와 같이 입력포트(10) 및 출력포트(11)의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬 공진기(series resonator)(12)가 직렬(series)로 접속되고, 각각의 직렬 공진기(12)의 뒷단과 접 지의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 병렬 공진기(parallel resonator)(13)가 병렬(parallel)로 접속되고 이것들이 계속적으로 종속 접속된 것이다.
그리고 상기 π형 대역통과 필터는 도 2에 도시된 바와 같이 입력포트(10) 및 출력포트(11)의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 병렬 공진기(13)가 병렬로 접속되고, 각각의 병렬 공진기(13)의 뒷단에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬 공진기(120)가 직렬로 접속되고 이것들이 계속적으로 종속 접속된 것이다.
이러한 T형 및 π형 대역통과 필터는 프로토 타입(proto type)의 저역통과 필터의 직렬 접속 인덕터와 병렬 접속 캐패시터를 직렬 공 진기 및 병렬 공진기 로 변환한 것으로서 주어진 프로토 타입으로부터 변환공식을 이용하여 인덕터 및 캐패시터를 공진기 의 형태로 변환하여 계산하였을 경우에 각 공진기 를 구성하는 집중소자들의 값이 결정된다.
그러나 상기 T형 및 π형 대역통과 필터들은 상대 대역에 대한 대역저지 특성을 향상시키기 위하여 3단 이상의 다수의 공진기 로 구성된 필터를 형성하거나 입출력 포트(port) 쪽에 피드백 커플링 캐패시터(feedback coupling capacitor)를 삽입하거나 접지 쪽으로 형성된 병렬 공진기에 캐패시터를 삽입하게 된다.
이러한 소자들의 첨가는 불가피하게 소자들의 크기를 증가시키게 된다. 또한 다수의 공진기 의 사용은 각각 공진기들이 가지는 품질계수에 의하여 손실이 증가하게 되고 이는 대역통과 필터의 통과 특성이 떨어지는 문제점이 된다.
본 발명은 최소한의 공진기를 구성하여 사용 주파수 대역만을 선택적으로 여과하며 통과 대역을 제외한 상대 대역에 대한 저지 특성을 향상시킨 대역통과 필터의 회로를 제공하고 본 발명에 의한 회로를 고유전 물질을 내장한 동박적층기판 혹은 유기기판등 패키징 기판에 내장하여 초소형화 하는 방법을 제공하고자 함이다.
통과 대역을 제외한 상대 대역에 대한 저지 특성을 향상시키기 위하여 입력부하 및 출력부하의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬공진기를 병렬 공진기 의 형태로 구성하여 사용 주파수 대역(2400~2480MHz)의 앞쪽의 인접한 상용 주파수 대역(824~894MHz, 1850~1990MHz)의 대역저지 특성을 향상시킨다.
그리고 접지 쪽으로 형성된 병렬 공진기에 기생 인덕턴스 성분을 추가하여 사용 주파수 대역의 이미지 주파수(image frequency)(4800~4960MHz)의 대역저지 특성을 향상시킨다.
상기 구조를 이용하면 종래의 2단 대역통과 필터가 고유하게 가지는 스커트(Skirt) 특성의 문제점을 고용량 값들의 소자의 추가나 단수의 증가 없이 인접 대역에 대한 대역저지 특성 및 이미지 주파수에 대한 대역저지 특성의 향상을 가져올 수 있다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 대역통과 필터를 상세히 설명한다.
도 3은 종래의T형 2단 대역통과 필터의 회로도이다. 도 3을 참조하면 입력포트(10) 및 출력포트(11) 사이에 인덕터(L1) 및 캐패시터(C1)로 이루어지는 병렬 공진기(13)가 병렬로 접지 쪽으로 연결되고, 병렬 공진기 뒷단에 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)로 이루어지는 직렬 공진기(12)가 직렬로 연결되어 대역통과의 특성을 나타내게 된다. 종래의 2단 대역통과 필터가 고유하게 가지는 스커트(skirt) 특성에 의하여 통과 대역을 제외한 상용 주파수 대역에 대한 저지 특성은 떨어지게 된다.
도 4는 본 발명의 대역통과 필터의 일 실시 예의 회로도이다. 사용 주파수 대역의 앞쪽에 인접한 상용 주파수 대역의 대역저지 특성을 향상시키기 위해 도 3에서 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)로 이루어지는 직렬 공진기(12)를 인덕터(L3) 및 캐패시터(C3)로 이루어지는 병렬 공진기(13)으로 대체하여 구성하였다. 입력포트(10) 및 출력포트(11)사이에 직렬로 연결된 병렬 공진기(13)는 대역저지 통과특성을 나타내게 되고 이때의 공진 주파수(resonance frequency)가 전체적인 대역통과 필터의 앞쪽 상용 주파수 대역의 저지 특성을 좌우하게 된다. 따라서 인접한 상용 주파수의 대역저지 특성 향상을 위한 통과제로 점(transmission zero pole)의 위치는 다음의 간단한 공진 주파수를 구하는 수식을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112007066302110-pat00001
또한, 사용 주파수에 대한 이미지 주파수(image frequency)에 대한 저지 특성을 향 상시키기 위해 도 3에서 입력포트(10) 및 출력포트(11)사이에 인덕터(L1) 및 캐패시터(C1)로 이루어지는 병렬 공진기(13)의 캐패시터(C1)와 접지 사이에 기생 인덕턴스(L4) 성분을 삽입하였다. 접지와 입력포트(10)사이에 형성된 캐패시터(C1)과 기생 인덕턴스(L4)의 공진현상에 의하여 이미지 주파수 대역에서의 대역저지 특성이 나타나게 되고 이때의 공진 주파수가 전체적인 대역통과 필터의 이미지 주파수 대역의 저지 특성을 좌우하게 된다. 마찬가지로 이미지 주파수 대역의 저지 특성 향상을 위한 통과제로 점의 위치는 위의 수식을 이용하여 구할 수 있다.
전술한 수식을 바탕으로 공진 주파수를 계산하여 수 나노헨리(nH) 및 수 피코패라드(pF) 범위를 가지는 인덕터와 캐패시터들로 회로를 구성하여 고유전물질을 사용한 유기기판 혹은 동박적층기판에 내장할 수 있다. 캐패시터는 금속-유전체-금속의 구조로 두 개의 동박층 사이에 유전물질을 넣음으로써 구성되고, 인덕터는 전송 선로(transmission line)을 꼬아 길게 구성함으로 구현이 가능하기 때문에 쉽게 유기기판이나 동박적층기판에 내장(embedded) 할 수 있다. 하지만 범용으로 사용되고 있는 유기물(epoxy) 재료들은 낮은 유전률(dielectric constant)을 가지고 있기 때문에 금속-유전체-금속의 구조로 구현할 경우 넓은 면적을 차지하게 된다.
Figure 112007066302110-pat00002
상기 수학식에서 C는 캐패시터의 용량, ε는 유전률, A는 유효 전극 면적, d는 금속과 금속 사이의 간격을 나타낸다.
수학식 2는 캐패시터의 용량을 구하는 공식으로서 관계식에 의하여 유효 전극의 면적을 고정하였을 경우 유전률을 높이게 되면 캐패시턴스가 증가하게 된다. 즉, 고유전물질을 사용할 경우 유효 전극의 면적을 줄일 수 있게 된다. 따라서 본 발명에서는 고유전률을 가지는 유기재료를 사용함으로써 내장된 캐패시터의 유효 전극의 면적을 줄일 수 있다. 고유전률을 가지는 유기재료는 기존의 동박적층기판의 제작공정으로 쉽게 삽입할 수 있다.
도 5와 같은 구조, 즉 출원번호 10-2002-0065114(2002.10.24)의 특허와 같은 고유전률의 물질을 내장한 동박적층기판 혹은 유기기판등 패키징 기판에 인덕터와 캐패시터를 내장하여 본 발명에서 제안한 구조의 대역통과 필터를 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 대역통과 필터는 기존의 동박적층기판위에 전송선로 및 분포정수를 이용하여 구현한 대역통과 필터에 비해 현저히 적은 면적을 차지한다. 도 6은 도 4의 회로를 도 5의 개념으로 적용한 예이며, 도 3의 회로와 도 4의 회로를 도 5의 개념으로 적용하여 시뮬레이션(simulation)한 대역통과 필터의 특성은 도 7과 같다.
도 1은 종래의T형 대역통과 필터의 회로도
도 2는 종래의π형 대역통과 필터의 회로도
도 3은 종래의π형 2단 대역통과 필터의 회로도
도 4는 제안된대역통과 필터의 회로도
도 5는 고유전률을 갖는 필름을 이용하여 캐패시터와 인덕터를 내장한 다기능성 기판의 단면도. 내장된 캐패시터와 인덕터는 기판 내부에서 서로 연결되어 공진기, 대역통과 필터와 같은 회로 동작을 하게 된다.
도 6은 도 1의 대역통과 필터의 구조를 동박적층기판에 내장하여 제작한 예이다. 인덕터는 1층과 3층의 구리층으로 구현하였고. 캐패시터는 2층과 3층 사이의 고유전률을 가지는 필름을 이용하여 금속-유전체-금속(MIM : metal-insulator-metal) 구조로 구현하였다.
도 7은 도 4의 구조를 기생 인덕터를 구성하였을 때와 구성하지 않았을 때에 대하여 시뮬레이션하여 특성의 차이를 비교해 본 것이다.

Claims (8)

  1. 입력단자로부터 인덕터와 커패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결된 병렬 공진기의 커패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 (Via) 구조를 이용하여 0.3nH 이하의 작은 용량 값의 기생 인덕터를 형성하여 이미지 주파수 대역에서의 대역저지 특성을 향상시킨 구조를 가지는 대역통과 필터
  2. 제 1항에 있어서. 입력단자로부터 인덕터와 커패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결된 병렬 공진기의 커패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 (Via) 구조를 포함한 회로구조를 디스크리트 (discrete) 수동 소자를 이용하여 구성한 대역통과 필터
  3. 제 1항에 있어서, 입력단자로부터 인덕터와 커패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결된 병렬 공진기의 커패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 (Via) 구조를 포함한 회로구조를 마이크로웨이브 모노리식 집적회로에 인덕터와 커패시터를 집적하여 구현한 대역통과 필터
  4. 제 1항에 있어서, 입력단자로부터 인덕터와 커패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결된 병렬 공진기의 커패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 (Via) 구조를 포함한 회로구조를 저온 동시 소성 세라믹 (low temperature co-fired ceramic) 기술을 이용하여 인덕터와 커패시터를 내장한 대역통과 필터
  5. 제 1항에 있어서. 입력단자로부터 인덕터와 커패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결된 병렬 공진기의 커패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 (Via) 구조를 포함한 회로구조를 내장 인덕터와 내장 커패시터를 사용하여 유기기판 혹은 동박적층기판 등 다기능성 기판에 내장한 대역통과 필터
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