KR101151788B1 - 전파 감쇄 특성을 이용한 주파수 선별 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전파 감쇄 특성을 이용한 주파수 선별장치에 관한 것으로, 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Transducer); 상기 IDT와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 탄성체 기판; 상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 압전재질(piezo)의 코팅라인; 및 상기 코팅라인과 도선으로 연결되는 다수의 입력을 포함한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 간단한 구성으로 소형기기의 센서에 응용가능하고, 특히 주파수 분석 및 특정 주파수 선택 시스템에서 필터로 적용가능 할 뿐만 아니라, 채널을 다수 사용하게 되면 메카니컬한 FFT 센서로 원신호의 감쇄를 최소화시키고 각 주파수를 분리하는 시스템을 구현할 수 있게 된다.

Description

전파 감쇄 특성을 이용한 주파수 선별 장치{frequency selection device using of wave attenuation}

본 발명은 주파수 선별 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성으로 높은 분해능의 주파수 선별이 가능한 전파 감쇄 특성을 이용한 주파수 선별장치에 관한 것이다.

최근 이동통신 시스템의 발전에 따라 휴대전화, 휴대형 정보 단말기 등의 이동 통신 기기가 급속히 보급되어, 이들 기기의 소형화 및 고성능화의 요구로부터 이들에 사용되는 부품의 소형화 및 고성능화가 요구되고 있다. 또한, 휴대전화에 있어서는 아날로그 방식과 디지털 방식의 무선 통신 시스템에 이용되고 있고, 무선 통신에 사용되는 주파수도 800MHz-1GHz, 1.5GHz-2.0GHz대로 다방면에 걸쳐 있다.

특히 통신 장치 및 다른 전자 장치에서 대역 통과 필터로서 SAW필터가 널리 사용되고 있다. 쏘 필터로는 압전 기판상에 소정 거리로 배열된 두개의 인터디지털 트랜스듀서(IDT)를 가지는 횡형 쏘 필터와 압전 기판상에 공진자를 구성하는 쏘 공진자 필터가 있다.

시스템의 소형화, 복합 다기능화와 더불어 적용되는 부품 또한 경박 단소화 및 일체화에 의한 복합화가 급격하게 추진중에 있다. 그중에서도 이동통신 단말기에 있어서 송수신을 동시에 가능하게 하는 듀플렉서의 경우 모노블럭형 유전체 듀플렉서에서 쏘 듀플렉서로 전격 채용된 상태이다. 쏘 듀플렉서 또한 현재는 소형화가 급격히 추진중에 있으며 그로 인해 설계 및 제조상 몇몇 문제점들이 제기되고 있다. 내전력성과 같은 신뢰성 측면, 송수신간 격리도와 같은 전기적인 성능 측면

등이 바로 그것이다.

일반적으로, 표면탄성파는 기판의 표면을 따라 전달되는 파동의 상태를 나타내는 것으로 깊이 방향으로 급격히 감쇄되는 특징을 지닌다. SAW 필터는 이러한 특징을 주파수 선택기능 소자로 응용한 것이다. 즉, 상기 SAW 소자는 절연성이 큰 기판에 금속 전극을 형성해 압전을 걸면 일시적으로 기판 표면이 뒤틀리는데, 이 작용을 이용해 물리적인 파를 일으키게 된다. 상기 SAW 소자 표면을 전달하는 물결 속도가 전자파보다 느리기 때문에 일시적으로 전기 신호를 지연시키거나 특정 주파수 신호만을 통과시키는 필터로 이용된다.

상기 SAW 필터는 반도체 디바이스 또는 기능을 보호하는 세라믹스 용기로, 유해한 환경으로부터 내부 회로를 보호하고, 내부에서 발생된 열을 방열하여 외부에 접속하는 수단을 제공하는 패키지(package) 형태로 형성되어 있다. 표면탄성파 소자는 인가되는 전기신호를 파동을 가지는 기계신호로 변환하기 위하여 이용되는 소자이다. 이러한 표면탄성파 소자는 핸드폰과 같은 무선 통신기기의 사용이 나날이 증가하고 있는 요즘 상기 통신기기의 신호 송수신관의 끝단에 부착되어 외부 송수신 신호 중 필요한 신호를 추출하여 사용자에게로 전달하는 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터로 많이 쓰이고 있다.

상기 SAW 필터는 전기계에서 음향계로 또는 음향계에서 전기계로 변환시키는 빗살 모양의 변환기(Inter Digital Transducer, 이하 IDT라 칭함)와 함께 IDT의 양측에 반사기를 배치한 1포트 공진기를 직렬과 병렬로 구성함으로써 일정 주파수 대역을 필터링할 수 있게 고안되 사다리(ladder)형태의 회로를 주로 사용한다.

이하 도면을 참조하여 상기와 같은 듀플렉서에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 듀플렉서의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 표면탄성파를 이용하는 쏘 듀플렉서의 구조는 압전 기판(100) 상에 금속 막을 증착하고 식각하여 원하는 주파수 특성에 부합하는 형상의 IDT를 형성시켜 신호를 필터링(filtering)할 수 있도록 고안된 송신필터(110)와 수신필터(120)로 구성되어 있다.

이때, 상기 압전 기판(100) 상에 증착된 금속 막을 식각하면서 상기 송신필터(110)를 구성하는 IDT(Inter Digital Transducer)의 금속 패턴을 형성한다. 마찬가지로, 상기 압전 기판(100) 상에 수신필터(120)를 구성하는 IDT의 금속 패턴을 형성한다. 상기와 같은 구조를 갖는 쏘 듀플렉서는 상기 송수신필터(110, 120)에서 발생한 표면 탄성파(130)가 상기 압전 기판 (100)의 표면을 따라 전달되어 신호를 필터링(filtering)하게 된다.

상기 절연 기판(100) 상에서 발생하는 표면 탄성파(130)의 속도는 전자파 보다 느리기 때문에 일시적으로 인가되는 전기신호를 지연시키는 작용을 한다. 상기 송신필터(110)와 수신필터(120)를 1칩으로 설계할 경우, 상호간 이격거리가 짧아짐으로 인해 IDT에서 발생한 유용한 표면파(1300)이외에 체적파의 기판 바닥면 반사(140)가 일어난다. 이러한 반사된 체적파(140)가 상대측 필터의 표면에 도달하여 표면파 특성에 영향을 주어 잡음을 발생시킨다.

쏘필터는 압전기판을 이용해서 주파수 특성에 적합한 IDT를 구현하게 되는데 신호를 인가하게 되면 필요로하는 표면파와 불필요로한 체적파가 동시에 발생하게 되는데, 체적파의 경우는 기판의 두께 방항으로 전파하므로 IDT에서 여기된 체적파는 기판의 바닥면을 통해서 반사를 일으켜서 표면으로 되튀겨옴으로서 표면파와 결합해서 저지대역의 잡음을 만들게 되는 문제가 있다.

또한, 송신필터와 수신필터를 하나의 칩상에 구현하기 위해서 서로를 근접 배치하게 되면 상대측에서 발생한 체적파가 상기의 방식으로 반사되어 저지대역에 잡음을 형성하게 되므로 인해 아이솔레이션 특성의 열화를 가져오게 되는 문제가 있다.

도 2는 종래의 SAW 필터에서 IDT를 이용한 표면 탄성파의 전달특성의 개념을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래에는 2개의 IDT를 이용해서, 하나(210)는 원신호를 수신하여 표면 탄성파로 전달하고, 하나(220)는 전달되는 표면탄성파를 필터링하는 IDT로 역할을 수행하도록 구성되어 있다.

일반적인 파의 주파수 분석 및 주파수 선별을 위해서는 전압으로 변경된 신호를 주파수 분석하거나 전자소자를 이용하여 필터를 적용하여 시스템을 구성함으로써 원신호 자체의 특성이 샘플링 비율(sampling rate)과 전자소자의 특성에 귀속되어 소진되는 정보가 존재한다. 또한 신호의 특성이 전압으로 변경시키는 센서 소자의 특성에 크게 영향을 받고, 주파수 분석과 같은 시스템을 구성하려고 하면 복잡한 전자회로를 구성해야 하는 단점이 있으며, 이러한 회로를 구동시키기 위해 전원을 공급하게 되므로 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 간단한 구성으로 주파수 선택 및 선별 장치를 제공하고, 소형기기의 센서에 응용가능하고, 특히 주파수 분석 및 특정 주파수 선택 시스템에서 필터로 적용가능 할 뿐만 아니라, 채널을 다수 사용하게 되면 메카니컬한 FFT 센서로 원신호의 감쇄를 최소화시키고 각 주파수를 분리하는 시스템을 구현할 수 있는 장치를 제공하고자 함이다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Transducer); 상기 IDT와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 탄성체 기판; 상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 압전재질(piezo)의 코팅라인; 및 상기 코팅라인과 도선으로 연결되는 다수의 입력을 포함한다.

여기서, 상기 입력과 연결되는 주파수 선택 스위치를 더 포함하고, 상기 주파수 선택 스위치는 멀티플렉스(MUX)인 것이 바람직하고, 상기 탄성체 기판이 압전재질(piezo)의 기판인 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징은 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Transducer); 상기 IDT와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 압전재질(piezo)의 기판; 상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 금속 코팅라인; 및 상기 코팅라인과 도선으로 연결되는 주파수 선택 스위치를 포함한다.

여기서, 바람직하게는 상기 주파수 선택 스위치는 멀티플렉스(MUX)인 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명을 제공하면, 간단한 구성으로 전기적인 신호를 주파수 특성에 따라서 선택적으로 선택할 수 있도록 구성할 수 있으며, 이러한 신호들을 조합하면 신호를 주파수 분석하는 FFT 시킨 형태의 구조도 형성 가능하다.

또한, 소형기기의 센서에 응용가능하고, 특히 주파수 분석 및 특정 주파수 선택 시스템에서 필터로 적용가능 할 뿐만 아니라, 채널을 다수 사용하게 되면 메카니컬한 FFT 센서로 원신호의 감쇄를 최소화시키고 각 주파수를 분리하는 시스템을 구현할 수 있게 된다.

또한, 진동특성, 전기적 특성, 화학적 특성에 따라 IDT를 구성할 경우 주파수에 따른 신호를 분석하는 센서를 구성할 수도 있다.

도 1은 일반적인 듀플렉서의 단면을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 SAW 필터에서 IDT를 이용한 표면 탄성파의 전달특성의 개념을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전파감쇄를 이용한 주파수 선별장치의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 전파감쇄를 이용한 주파수 선별장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선별장치는 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Tansducer)(310); 상기 IDT(310)와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 탄성체 기판(320); 상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 압전재질(piezo)의 코팅라인(330); 및 상기 코팅라인과 도선(340)으로 연결되는 다수의 입력을 포함하여 구성한다.

여기서, 입력과 함께 연결되어 주파수를 선별적으로 선택할 수 있는 주파수 선택 스위치를 더 포함하여 구성할 수도 있다. 그리고, IDT(310) 즉, 인터 디지털 트랜스듀서는 외부에서 인가된 신호를 받고 표면탄성파 신호로 다시 전달하게 되는데, IDT(310)의 기판은 압전 기판으로 상기 표면 탄성파 신호를 전달하는 매질로서의 역할을 수행한다. 또한, 상기 IDT(310)의 기판과 연장되어 연결된 탄성체 기판(320)은 상기 표면 탄성파를 전송하게 되는데, 탄성체 기판(320)에는 상기 탄성파의 진행방향으로 복수개가 일정간격을 두고 압전 재질의 코팅라인(330)이 배열되어 구성된다.

이처럼 본 발명에서는 탄성파의 진행방향으로 일렬로 일정 간격을 두고 배열되어 있는 압전재질(piezo)의 코팅라인(330)이 형성됨으로써, 상기 표면 탄성파가 상기 탄성체 기판(320)을 매질로 하여 진행하는데 있어서, 주파수별 침투깊이가 다르다는 특성을 이용하여 일렬로 배열된 압전재질의 코팅라인(330)에서 합성된 주파수가 각각 모두 다르게 검출되는 특성을 이용하여 선택적으로 주파수를 선별할 수 있는 장치를 제공하게 된다.

그리고, 상기 탄성체 기판(320)의 모양은 파의 진행방향으로 길게 늘려진 직사각형의 형상일 수도 있고, 다양한 모양으로 형성할 수 있음은 물론이다. 탄성체 기판의 형상은 표면 탄성파의 전달 특성에 따라 가장 적합한 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 코팅라인(330) 역시 모두 똑같은 형상으로 배열할 수도 있고, 서로 다르게 배열할 수도 있다. 이는 탄성파의 전달 특성과 수신율에 알맞게 가장 적합한 방법으로 배열하는 것이 바람직하다.

일반적으로 각 탄성체 기판(320)의 물질 특성에 따라 각 주파수별 침투깊이(penetration depth)가 다르기 때문에 보다 긴 탄성체 기판을 필요로 하는 경우, 달팽이처럼 말려져 있는 형상으로 구현하는 것도 가능하다.

여기서 표면 탄성파(surface acoustic waves)는 탄성체 기판(substrate)의 표면을 따라 전파되는 음향파를 말한다. 압전 효과의 결과로서 전기 신호로부터 음향파가 생성되는데, 음향파의 전계는 기판 표면 부근에 집중되어, 그 표면 바로 위에 놓인 다른 반도체의 전도 전자와 상호 작용할 수 있다.

음향파가 전파하는 기판과 반도체를 물리적으로 분리시킴으로써 시스템 내의 에너지 손실을 최소화하기 위한 매질의 선택이 가능하다. 음향파가 전파하는 최적의 매질은 전자 기계적(電磁機械的) 결합 계수가 높고 음향파 에너지 손실이 낮은 압전 물질이다.

이러한 특성을 가진 표면 탄성파와 반도체 전도 전자의 상호 작용을 이용하여 전자 회로를 전자 기계적 소자로 대치한 것이 표면 탄성파 소자(SAW device)이며, 대규모 집적 회로(LSI) 기술을 응용하여 다양한 기능을 수행하는 소자를 1개의 LSI 칩에 형성하여 만든 표면 탄성파 필터(SAW filter), 표면 탄성파 발진기(SAW oscillator) 등이 디지털 무선 통신 단말 기기의 소자로 급부상하고 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 원신호를 IDT(310)가 수신하게 되면, IDT(310)에서 표면 탄성파로 전환하고, 연장되어 연결되어 있는 탄성체 기판(320)에 전달하게 된다. 상술한 바와 같이, SAW 파는 음파 중 하나이고, 음파는 특정한 매질로 침투해 들어 갈때 그 침투깊이(penetration depth)는 주파수에 반비례한다. 이는 매질내에서 높은 주파수를 갖을수록 손실이 많아지고, 에너지 손실이 높아 감쇄가 많아지기 때문이다.

이와 같이, 본 발명은 음파가 주파수에 따라 감쇄하는 비율이 다른 특성 즉, 주파수에 따른 침투깊이가 다른 특성을 이용하여 표면 탄성파가 전달되는 매질인 탄성체 기판(320)에 진행 방향으로 일정간격으로 압전재질(piezo)을 코팅라인(330)을 배열하게 되면, 해당되는 깊이 만큼에서 전기적 신호로 변환하는 코팅라인(330)이 수신하는 신호의 주파수의 합은 모두 각각 다르게 된다. 이와 같이, 각 라인에서 다르게 합성 수신된 주파수를 통해 주파수 선택스위치의 조정으로 원하는 주파수를 선택 또는 선별할 수 있게 된다.

예를 들어, (1)번 파형은 입력된 원신호로서 모든 주파수를 갖는 V₀이고 (2)번 파형은 V0 중 가장 큰 공진주파수를 제외한 모든 성분 V₁이며, (3)번 파형은 V 중 V1을 제외한 V2이다. 이와 같은 원리를 적용하면, 각각의 신호를 선택하여 주파수 성분에 따라서 신호를 분리할 수 있게 된다.

이처럼, 본 발명은 전기적인 신호를 주파수 특성에 따라서 선택적으로 선택할 수 있도록 구성할 수 있으며 이는 곳 또 다른 형태의 필터가 구성되게 된다. 또한 이러한 신호들을 조합하면 신호를 주파수 분석하는 FFT 시킨 형태의 구조가 형성 가능하다.

여기서, IDT의 타입을 소리진동 또는 메카니컬한 진동에서 IDT의 특성을 조절하게 되면 특성 주파수내의 모든 신호를 받아드릴 수 있도록 구성할 수 있다. 또한 IDT를 빛에 감응하는 발진기를 구성하거나 RF나 다른 파형에 감응하는 IDT를 발진하도록 구성하게 되면 각 신호의 FFT한 신호의 크기에 따른 주파수 분석에 의한 신호 감흥 시스템을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 시스템을 잘 활용하게 되면 인공 달팽이관을 구성할 수도 있다.

그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 주파수 선택 스위치로 멀티플렉서(MUX)(350)를 사용하는 것이 바람직한데, 멀티플렉서(MUX)는 여러 개의 입력선 중에서 하나를 선택하여 단일 출력선으로 연결하는 조합회로이다. 간단히 ‘먹스’라고 하기도 하고, 다중 입력 데이터를 단일 출력하므로 데이터 셀렉터(data selector)라고도 한다. 즉, 각 회선에서 전달되는 다중 신호를 단일 출력으로 변환시키는 장치를 연결함으로써, 필요한 주파수 선택 및 선별을 용이하게 할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 상술한 구성과는 달리, 탄성체 기판을 압전재질의 piezo 기판으로 구성하고, 코팅라인을 금속 코팅라인으로 배열하는 것도 가능하다. 즉, 원신호를 IDT에서 받아 표면 탄성파로 전환하고, IDT의 기판에서 연장되는 압전재질의 기판으로 전송한다. 여기서, 압전재질의 piezo 기판에는 상기 탄성 표면파의 진행방향으로 복수개의 금속 코팅라인이 배열되어 있고, 상기 각 코팅과 도선으로 외부의 주파수 선택 스위치와 연결되어 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 실시예는 탄성체 기판으로 압전재질의 piezo 기판을 사용한다는 점과, 코팅라인을 금속코팅으로 한다는 점이 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 음향파가 전파하는 최적의 매질은 전자 기계적(電磁機械的) 결합 계수가 높고 음향파 에너지 손실이 낮은 압전 물질이므로, 기판을 piezo 기판으로 사용하게 되면, 표면 탄성파를 에너지 손실없이 전달할 수 있게 되고, 상기 입사되는 지점에서 각 금속으로 코팅라인되어 있는 지점에서 인식되는 탄성파의 전기적 신호가 다르므로 주파수 선택 또는 선별하는 장치를 제공할 수 있게 된다.

보다 구체적으로 설명하면, IDT가 사용되는 SAW 소자는 절연성이 큰 기판에 금속 전극을 형성해 압전을 걸면 일시적으로 기판 표면이 뒤틀리는데, 이 작용을 이용해 물리적인 파를 일으키게 되는데, 이것이 표면 탄성파이다. 이러한 표면 탄성파는 상술한 바와 같이 압전재질에어 보다 잘 전달되고, 입사되어 침투하는 깊이에 따라 파가 가지고 있는 주파수가 모두 다르므로 깊이에 따른 각 지점에서의 표면 탄성파에 의한 변환되는 전기적 신호는 모두 다르게 나타나게 된다.

이와 같은 원리를 이용하여 각 지점에 금속으로 라인 코팅하여 압전 기판에 의해 전기적 신호로 변환되는 것을 수신하고 주파수 선택 스위치를 통해 주파수를 선택 또는 선별하게 된다. 이는 도 3에서 예시된 실시예와는 달리 압전 재질의 코팅라인의 각 지점에서 탄성체 기판을 통해 전달되어 도달된 표면 탄성파의 진동을 그대로 받아서 그 지점의 압전재질의 코팅라인에서 전기신호로 변환하여 주파수를 선별하는 방식과 다소 차이가 있다.

이처럼 본 발명에 따른 실시예는 소형기기의 센서에 응용가능하고, 특히 주파수 분석 및 특정 주파수 선택 시스템에서 필터로 적용가능 할 뿐만 아니라, 채널을 다수 사용하게 되면 메카니컬한 FFT 센서로 원신호의 감쇄를 최소화 시키고 각 주파수를 분리하는 시스템을 구현할 수 있게 된다.

또한, 진동특성, 전기적 특성, 화학적 특성에 따라 IDT를 구성할 경우 주파수에 따른 신호를 분석하는 센서를 구성할 수도 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Transducer);
   상기 IDT와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 탄성체 기판;
   상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 압전재질(piezo)의 코팅라인; 및
   상기 코팅라인과 도선으로 연결되는 다수의 입력을 포함하는 것을 특징으로 하는 전파감쇄를 이용한 주파수 선별 장치.
   
2. 제1항에서,
   상기 입력과 연결되는 주파수 선택 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전파감쇄를 이용한 주파수 선별 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 주파수 선택 스위치는 멀티플렉스(MUX)인 것을 특징으로 하는 전파감쇄를 이용한 주파수 선별 장치.
   
4. 삭제
5. 신호를 받아 표면 탄성파로 전달하는 IDT(Inter-digital Transducer);
   상기 IDT와 연장되는 상기 탄성파를 전달하는 압전재질(piezo)의 기판;
   상기 기판 측면에 상기 탄성파의 전달방향으로 일정 간격을 두고 복수개 배열되어 있는 금속 코팅라인; 및
   상기 코팅라인과 도선으로 연결되는 주파수 선택 스위치를 포함하는 전파감쇄를 이용한 주파수 선별 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 주파수 선택 스위치는 멀티플렉스(MUX)인 것을 특징으로 하는 전파감쇄를 이용한 주파수 선별 장치.

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