KR101140799B1

KR101140799B1 - 타원형 필터

Info

Publication number: KR101140799B1
Application number: KR1020100078930A
Authority: KR
Inventors: 서광석; 전남철
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-05-03
Also published as: KR20120016505A

Abstract

본 발명은 공진기와 그 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진기가 금속 패턴으로 이루어진 두 개의 선로가 수직으로 중첩된 구조를 이루도록 하여 공진기 크기를 소형화하고, 이 공진기와 공진기 간 커플링 구현방법을 필터 설계에 적용하여 다양한 주파수 영역에서 동작할 수 있도록 하는 공진기와 그 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 공진기는 소정의 폭 및 길이를 가지는 내부 금속 패턴으로 이루어진 제1선로와, 소정의 폭 및 길이를 가지는 상부 금속 패턴으로 이루어진 제2선로가 수직으로 중첩되어 커플링되고, 상기 제1선로의 일측 단부와 제2선로의 타측 단부가 접지에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

타원형 필터 {Elliptic Filter}

본 발명은 공진기와 그 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진기가 금속 패턴으로 이루어진 두 개의 선로가 수직으로 중첩된 구조를 취하도록 하여 공진기 크기를 소형화하고, 이 공진기와 공진기 간 커플링 구현방법을 필터 설계에 적용하여 다양한 주파수 영역에서 동작할 수 있도록 하는 공진기와 그 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터에 관한 것이다.

일반적으로 특정 주파수의 전기적 진동에 따라 공진을 일으키는 공진기는 도 1에 도시된 바와 같이 한 개의 공진 주파수(fo)를 갖게 되고 피크(peak)에 해당하는 지점에서 3dB 저하된 지점에서의 주파수 간격 즉, 대역폭(BW, Bandwidth)을 통해 공진기의 품질계수(Q)를 Q=fo/BW=1/FBW의 식으로 계산한다.

도 2a에서와 같이 두 개의 공진기(1)가 서로 근접할 경우 인접된 공진기(1) 사이에 커플링이 일어나고, 이때 도 2b에 도시된 바와 같이 우모드(even mode)와 기모드(odd mode)가 발생하여 두 개의 공진 피크(f_p1,f_p2)를 형성하게 된다.

이 두 개의 공진 피크(f_p1,f_p2)는 개별 공진기(1)의 공진 주파수(fo)를 중심으로 좌우 양측에 존재하며, 이들 주파수간의 관계는 공진기의 길이가 공진 주파수(fo)에서 λ_g/4일 때 수학식 1로 표현되고, 두 공진기(1) 간의 커플링양을 나타내는 결합계수 K는 수학식 2에 의해 정의된다.

상기 수학식 2에서 알 수 있듯이 커플링양이 증가하면 두 주파수(f_p1,f_p2) 간의 간격이 벌어지게 된다.

도 3은 두 개 또는 그 이상의 공진기를 상호 커플링시켜서 특정 주파수 대역폭에서만 통과시키는 통과 대역 필터를 형성하는 메커니즘이다.

전술한 바와 같이 여러 개의 공진 피크를 형성시키고 공진기 간의 커플링양을 조절하여 특정 통과 대역을 형성하는 필터를 구현하게 된다.

이러한 필터 구현에 있어서 도 4a와 같이 인덕터(2)가 공진기로 사용되기도 하고, 도 4b에서와 같이 한쪽이 단락된 선로가 공진기(3)나, 상기 공진기(3)의 크기를 소형화하기 위해 개방 선로부분에 커패시터(5)를 연결하여 공진기로 사용하기도 한다.

또한 필터 구현에 있어서 여러 개의 공진기를 효과적으로 커플링시켜야 하기 때문에 도 4c에 도시된 바와 같이 선로를 굽혀서 만든 루프형태의 공진기(6)를 사용하기도 한다.

상기한 공진기 이외에도 다양한 공진기들이 존재하지만 종래의 공진기들은 한 개의 선로 또는 인덕터를 이용하여 공진기를 구현하는 방식들이다.

상술한 공진기들을 커플링시켜서 필터를 구현하게 되는 데 도 5에 도시된 바와 같이 인접된 공진기((7a,7b),(7b,7c),(7c,7d)) 간의 결합계수(K12,K23,K34)가 +인 포지티브 커플링(positive coupling)과, 인접된 공진기((7a,7d)) 간의 결합계수(K14)가 -인 네거티브 커플링(negative coupling)을 이용하면 높은 선택비를 갖는(high selective) 필터를 구현할 수 있고 이를 타원형(elliptic) 필터라고 한다.

상기 타원형 필터를 효과적으로 구현하기 위해서는 포지티브 커플링과 네거티브 커플링을 적절하게 이용하여야 하는 바, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 루프형 공진기(8a,8b,8c,8d)의 커플링 방향을 변경하여 포지티브 커플링과 네거티브 커플링을 형성하게 된다.

즉, 루프형 공진기(8a,8d)를 개방된 방향으로 커플링시키면 네거티브 커플링이 형성되고, 루프형 공진기((8a,8b),(8b,8c),(8c,8d))를 폐쇄된 방향으로 커플링시키면 포지티브 커플링이 형성된다.

그런데 종래 공진기는 크기를 소형화할 수 없어 결국 공진기를 커플링시켜 이루어지는 필터 전체의 크기를 소형화할 수 없으며, 또한 타원형 필터 등의 다양한 필터를 구현하기 위해서 포지티브 커플링과 네거티브 커플링을 자유롭게 구현할 수 있어야 하는데, 종래에는 포지티브 커플링과 네거티브 커플링을 자유롭게 구현할 수 없어 높은 선택비를 갖는 고성능의 펄터를 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공진기가 두 개의 선로가 중첩된 구조(coupled line)를 취하도록 하여 크기를 소형화할 수 있고, 이를 필터 설계에 적용하여 다양한 주파수 영역에서 동작할 수 있는 공진기와 그 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공진기는, 소정의 폭 및 길이를 가지는 내부 금속 패턴으로 이루어진 제1선로와, 소정의 폭 및 길이를 가지는 상부 금속 패턴으로 이루어진 제2선로가 수직으로 중첩되어 커플링되고, 상기 제1선로의 일측 단부와 제2선로의 타측 단부가 접지에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 공진기간 커플링 구현방법은, 상기한 특징을 갖는 두 공진기를 대칭으로 커플링시켜 네거티브 커플링을 구현하거나, 두 공진기 간의 용량성 탭을 형성하여 네거티브 커플링을 구현하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 타원형 필터는 상기한 특징을 갖는 공진기 4개로 구성되고 제1공진기와 제4공진기에는 입력과 출력을 위한 포트가 형성되되,

상기 제1공진기와 제2공진기, 제2공진기와 제3공진기, 제3공진기와 제4공진기는 비대칭으로 커플링되어 포지티브 커플링이 구현되고, 상기 제1공진기와 제4공진기 간에는 각 공진기에 용량성 탭이 형성되어 네거티브 커플링이 구현되는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면 공진기와, 공진기간 커플링 구현방법 및 타원형 필터를 다양한 주파수 대역에 적용할 수 있어 필터 성능을 개선할 수 있고, 공진기와 타원형 필터의 크기를 소형화할 수 있다.

도 1은 일반적인 공진기의 주파수 특성을 나타내는 그래프,
도 2a와 도 2b는 두 공진기 간의 커플링 방식과 주파수 특성을 나타내는 그래프,
도 3은 공진기를 이용해 필터를 형성하는 메커니즘을 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4c는 종래 공진기의 예시도,
도 5는 공진기를 이용해 필터를 구현하는 예시도,
도 6은 루프형 공진기를 이용해 커플링하는 방법을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 커플드 라인 공진기의 구조도,
도 8은 도 7에 나타낸 커플드 라인 공진기의 동작원리를 설명하기 위한 도면,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 공진기간의 커플링 구현 방법을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 타원형 필터의 구조도,
도 11은 도 10의 필터가 구현된 기판의 구조도,
도 12는 실제 제작된 도 10의 필터 사진,
도 13은 도 10에 나타낸 필터의 특성을 나타내는 그래프,
도 14는 도 10에 나타낸 필터의 성능을 비교하기 위한 삽입손실과 주파수 그래프

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 커플드 라인 공진기의 구조도이다.

여기서, 부호 10, 20 및 30은 순차적으로 적층되는 기판, 제1 및 제2유전체 층이다.

예를 들면, 상기 기판(10)은 500㎛의 두께를 가지는 실리콘이고, 상기 제1유전체층(20)은 25㎛의 두께를 가지는 BCB(Benzocyclo Butylene) 유전체이며, 상기 제2유전체층(30)은 5㎛의 두께를 가지는 BCB 유전체이다.

상기 기판(10)의 상면 전체에는 접지층 패턴(12)이 형성된다.

상기 제1유전체층(20)의 상면에는 길이가 260㎛인 제1선로(22)가 수평 방향으로 넓게 형성되고, 상기 제2유전체층(30)의 상면에는 340㎛ 제2선로(32)가 수평 방향으로 넓게 형성되어, 제1유전체층(20)과 제2유전체층(30)을 사이에 두고 두 선로(22,32)가 수직으로 중첩되는 것에 의해 상하로 커플링 된다.

이때 제2유전체층(30)의 두께가 5㎛로 얇기 때문에 두 개의 선로(22,32) 사이에는 강한 커플링이 일어난다.

상기 제2선로(32)의 길이방향으로 일측단부는 제2유전체층(30)과 제1유전체층(20)에 형성된 비아 홀(34,24)을 통해 상기 접지층 패턴(12)과 전기적으로 연결되며, 상기 제1선로(22)의 길이방향으로 타측단부는 제1유전체층(20)에 형성된 비아홀(26)을 통해 상기 접지층 패턴(12)과 전기적으로 연결된다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 공진기(50)는 두 선로(22,32)가 유전체(20,30)를 사이에 두고 수직으로 중첩되는 구조를 갖는다.

도 8은 도 7에 나타낸 커플드 라인 공진기의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이 두 개의 선로(22,32)가 수직으로 중첩되어 커플링된 구조는 두 개의 공진 피크(f_p1,f_p2)를 형성하고, 이중 낮은 대역의 공진 주파수(f_p1)는 원래 공진기의 공진 주파수(fo)보다 낮은 주파수에 위치한다.

이 공진기(50)를 다시 한번 커플링시키면 두 개의 공진 피크(f_p1,f_p2)가 서로 커플링되어 총 4개의 공진 피크((f_p1 _,L,f_p1 _,H),(f_p2 _,L,f_p2 _,H))를 형성한다.

도 3에 나타낸 필터 구성 원리를 적용하면 낮은 대역의 두 공진 피크(f_p1,L,f_p1,H)에서 한 개의 통과 대역이 형성되고, 높은 대역의 두 공진 피크(f_p2,L,f_p2,H)에서 또 하나의 통과 대역이 형성된다.

상기한 커플드 라인 공진기(50')의 커플링에서 두 선로(22',32')가 넓은 면으로 커플링되므로 커플링의 강도가 매우 높고 따라서 낮은 대역과 높은 대역의 두 공진 피크(f_p1,f_p2) 간의 주파수가 멀리 떨어져 있게 된다.

이 때문에 각각 낮은 대역의 두 공진 피크(f_p1 _,L,f_p1 _,H)와 높은 대역의 두 공진 피크(f_p2 _,L,f_p2 _,H)에 의해 형성된 각각의 통과 대역은 충분히 멀리 떨어져 있어서 상호 간에 영향을 주지 않는다.

여기서 주목할 것은 λg/4(at fo)<λg/4(at f_p1)에 의해 알 수 있듯이 낮은 대역의 공진 피크(f_p1 _,L,f_p1 _,H)에 의해 형성된 통과 대역을 얻기 위해서는 공진 주파수(fo)보다 훨씬 긴 길이의 공진기를 사용하여야 한다.

그런데 본 발명에 의하면 공진 주파수(fo)에서의 λg/4 길이를 가지고 더 낮은 주파수(f_p1)의 필터를 구현할 수 있기 때문에 매우 짧은 길이로 공진기 및 필터를 구현할 수 있는 것이다.

이러한 효과는 커플링양을 증가할수록 더 크게 나타나게 되는데 아래의 수학식 3의 결합계수(K)에 제시된 대로 커플링양이 증가하면 낮은 대역의 공진 피크(f_p1)는 더 낮은 주파수 영역으로 이동하게 되고 공진기의 길이를 더 감소할 수 있게 된다.

아래의 표 1에는 결합계수 즉, 커플링양과 공진기의 길이를 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이 0.9 정도의 커플링을 구현할 경우 λg/10 정도의 길이만 가지고 공진기를 구현할 수 있다.

도 7에 나타나 있는 본 발명의 실시예에 따른 공진기에 의해 0.9 정도의 결합계수(K)를 나타내며 λg/10의 길이를 이용하여 60㎓에서 공진기(50)를 구현하였다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 공진기간의 커플링 구현 방법을 나타내는 도면이다.

도 7에 나타낸 공진기를 고성능 필터에 적용하기 위해서는 포지티브 커플링과 네거티브 커플링을 효과적으로 구현된다.

도 9a에 도시된 바와 같이 인접된 두 공진기(40a,40a)를 대칭이 되도록 커플링시킨 경우에 네거티브 커플링이 구현되고, 도 9b에 도시된 바와 같이 인접된 두 공진기(40a,40b)를 비대칭이 되도록 커플링시킨 경우에 포지티브 커플링이 구현된다.

또한 도 9c에 도시된 바와 같이 두 공진기(40a,40b) 간에 용량성 탭(capacitive tap)(21,31)을 각각 형성하여 네거티브 커플링을 구현함으로써, 설계 자유도를 높일 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 타원형 필터의 구조도이다.

도 7에 나타낸 커플드 라인 공진기(50)와, 도 9에 나타낸 공진기간 커플링 구현 방법을 이용하여 60㎓ 대역 4차 타원형 필터(100)의 구조가 도 10에 도시된다.

도 10에 도시된 바와 같이 타원형 필터(100)의 소형화를 위해 4개의 공진기(100a,100b,100c,100d)를 90도로 접은 폴디드(folded) 형태를 적용하되, 제1공진기(100a)와 제4공진기(100d)에는 입력과 출력을 위한 제1포트(142)와 제2포트(144)가 형성되며, 이중 제1공진기(100a)와 제2공진기(100b), 제2공진기(100b)와 제3공진기(100c), 제3공진기(100c)와 제4공진기(100d)는 비대칭으로 인접시켜 포지티브 커플링을 구현하고, 비인접 공진기간 즉, 제1공진기(100a)와 제4공진기(100d) 간에는 각 공진기에 용량성 탭(152b,152a)을 형성하여 네거티브 커플링을 구현함으로써 타원형 필터(100)가 이루어진다.

도 11은 도 10의 필터가 구현된 기판의 구조도이다.

도 11은 하나의 로시(lossy) 실리콘(Si) 기판(110)과, 유전율이 2.6정도 되는 2개의 BCB 유전체층(120,130), Au로 이루어지는 상부 금속 패턴(132)과 내부 금속 패턴(132) 및 접지 금속 패턴(112), 쇼트 접지 연결을 위한 실리콘 융기(Si-Bumps)(114)로 이루어지는 필터(100)에 사용되는 박막의 구조를 보여준다.

여기서 상부 금속 패턴(132)은 제2선로가 되고, 내부 금속 패턴(122)은 제1선로가 되며, 접지 금속 패턴(112)은 접지층 패턴이 된다.

상기 상부 금속 패턴(132)과 내부 금속 패턴(122)의 두께는 5㎛와 1㎛이고, 상대적으로 2개의 BCB 유전체층(130,120)의 두께는 5㎛와 25㎛이다.

도 12는 실제 제작된 도 10의 필터 평면 사진이다.

사진에 나타나 있는 바와 같이 제1공진기와 제4공진기의 제2선로에 입력과 출력을 위한 패턴이 형성되고, 네거티브 커플링을 위해 제4공진기의 제2선로에 용량성 탭이 형성됨을 알 수 있다.

도 13은 도 10에 나타낸 필터의 특성을 나타내는 그래프로서, 60㎓ 대역에 동작되도록 시뮬레이션 한 결과와 실제 측정한 값을 비교해 보인 그래프이다.

도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 4차 타원형 필터(100)는 안정적인 통과대역이 확보되고, 노치(notch)가 형성되어 저지대역의 특성이 향상되며 광대역의 저지대역이 확보됨을 알 수 있다.

도 14는 도 10에 나타낸 필터의 성능을 비교하기 위한 삽입손실과 주파수 그래프이다.

본 발명의 실시예에 따른 필터의 성능을 비교하기 위해서 도 14에 나타난 대로 FOM(Factor of Merit) 지표를 도입하여 기존의 필터와 비교하되, 필터의 삽입손실, 반사손실, 통과특성 및 저지특성 등을 이용하여 필터의 성능을 수학식 4에 의해 수치화한다.

여기서 Ls는 대역외 저지(out-of-band rejection), IL은 삽입손실(Insertion Loss), RL은 반사손실(Return Loss), Q_L은 부하시 품질계수로서 f ₀/BW_3dB, Fs는 대역폭 형상 팩터(bandwidth shape factor)로서 BW _Ls /BW_3dB이다.

아래의 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 필터와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)공정에 의해 제조된 필터들과의 성능의 비교치를 나타낸다.

상기 표 2에 나타나 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다른 필터의 FOM 수치가 195.5dB로 타 필터보다 상대적으로 크게 나타내고, 크기 면에서도 타 필터보다 상대적으로 매우 작은 크기임을 알 수 있다.

이상과 같은 공진기(50) 및 필터(100)는 60㎓ 대역뿐 아니라 다양한 주파수 대역에 적용될 수 있다.

특히 낮은 주파수의 경우 공진기 길이가 매우 길어지게 되는데 본 발명에 의한 공진기(50) 구조를 적용할 경우 성능개선 및 크기 감소 효과를 더 극대화할 수 있다.

10: 기판 20,30: 유전체층
21,31: 탭 22,32: 선로
40a,40b,50: 공진기 100: 필터
100a,…,100d: 공진기

Claims

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소정의 폭 및 길이를 가지는 내부 금속 패턴으로 이루어진 제1선로와, 소정의 폭 및 길이를 가지는 상부 금속 패턴으로 이루어진 제2선로가 수직으로 중첩되어 커플링되고, 상기 제1선로의 일측 단부와 제2선로의 타측 단부가 접지에 연결되는 공진기 4개로 구성되며, 제1공진기와 제4공진기에는 입력과 출력을 위한 포트가 형성되되,
상기 제1공진기와 제2공진기, 제2공진기와 제3공진기, 제3공진기와 제4공진기는 비대칭으로 커플링되어 포지티브 커플링이 구현되고, 상기 제1공진기와 제4공진기 간에는 각 공진기에 용량성 탭이 형성되어 네거티브 커플링이 구현되는 것을 특징으로 하는 타원형 필터.
제 6 항에 있어서,
순차적으로 적층되는 기판, 제1유전체층 및 제2유전체층을 더 포함하고,
상기 기판의 상면 전체에 접지층 패턴이, 제1유전체층에 각 공진기의 제1선로가, 제2유전체층에 각 공진기의 제2선로가 각각 형성되어,
상기 제1선로는 제1유전체에 형성된 비아 홀을 통해, 제2선로는 제2유전체층과 제1유전체층에 형성된 비아 홀을 통해 접지층 패턴에 연결되는 것을 특징으로 타원형 필터.
제 7 항에 있어서,
상기 기판은 Si, 제1유전체층과 제2유전층은 BCB(Benzocyclo Butylene) 유전체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타원형 필터.
제 7 항에 있어서,
상기 제1선로와 제2선로의 두께는 1㎛와 5㎛이고, 재질은 Au인 것을 특징으로 하는 타원형 필터.
제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 공진기는 공진기를 90도로 절곡해서 반으로 접은 폴디드(folded) 형태를 적용하여 소형화한 것을 특징으로 하는 타원형 필터.