KR101308301B1

KR101308301B1 - 메타-재료 필터

Info

Publication number: KR101308301B1
Application number: KR1020087021222A
Authority: KR
Inventors: 그르제고르즈 아다미우크; 게오르그 피셔; 호르스트 슈엔켈
Original assignee: 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2013-09-17
Also published as: JP5203976B2; WO2007100324A1; US8013693B2; JP2009528768A; EP1989753A1; KR20080099291A; US20090305074A1

Abstract

본 발명에서는 듀플렉스 필터를 구성하는 데에 사용될 수 있는 메타-재료 필터가 제공된다. 메타-재료 필터(501)는 기판(522)과, 기판 상에 주기적으로 위치하는 복수의 금속 스트립들(500)과, 복수의 금속 스트립들로부터 이격된 기준 평면(503)으로 이루어진다. 복수의 금속 스트립은 단주기적으로 또는 이중 주기적으로 배열될 수 있다.

Description

메타-재료 필터{META-MATERIAL FILTER FOR USE IN A BASE STATION OF A WIRELESS COMMUNICATIONS SYSTEM}

본 발명은 전반적으로는 원격통신에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무선 원격통신에 관한 것이다.

원격통신 시스템에서, 지리적으로 널리 분포된 네트워크 적용 영역(network coverage area)은 전형적으로 복수의 모바일 통신 지역 내에, 예로서 각각이 기지국과 같은 통신 노드를 포함하는 셀들 내에 위치되어, 하나 이상의 이동국 또는 해당 셀 내의 무선 디바이스와의 무선 통신을 구현한다. 네트워크 적용 영역은 흔히, 기지국을 포함하는 셀 사이트에서의 타겟 신호 대 노이즈(SNR)를 획득하도록 이동국이 충분한 전력을 갖는 영역 내의 QoS(Quality of Service)와 일치하는 최소 레벨에서 동작하도록 설계된 무선 링크에 기초한다.

모바일 통신의 사용자 수의 계속되는 성장은 다수의 무선 네트워크 운영자 또는 서비스 제공자들이 반드시 그들의 네트워크의 수용량을 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 찾아야함을 의미한다. 안테나 시스템은 모바일 통신 네트워크 내의 수 용량을 증가시키도록 개발될 수 있는 영역을 대표한다. 특히, 다수의 모바일 통신 기지국 안테나의 통상적인 설비는, 동일한 방향을 가리키며 서로로부터 분리된 적어도 두 개의 안테나를 필요로 하는 공간 다이버시티(space diversity) 기술(예를 들어, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템)을 사용한다. 전형적인 기지국은 이제 6개의 전송 안테나 및 6개의 수신 안테나를 사용할 수 있으며, 각각이 자신의 듀플렉스 필터(duplex filter)를 요구한다.

듀플렉스 필터의 주 과제는 안테나 포트에서의 송신 및 수신 주파수를 분리시키는 것이다. 따라서 전형적인 듀플렉스 필터는 안테나용 포트, 전송기용 포트 및 수신기용 포트의 세 개의 포트를 구비한다. 전형적인 듀플렉스 필터는, 개선된 제조 기술 및 높은 필터 선택도(filter selectivity)를 제공하는 데에 필요한 높은 Q-팩터(예로서, ~5000)를 획득하기 위한 재료를 요구하는 동축 공진기(coaxial resonator)들로 이루어진다. 매우 민감한 수신기가 강한 전송기와 동시에 동작되기 때문에, 필터 선택도는 기지국에서 중요하다. 일부 애플리케이션에서, MIMO 시스템은 듀플렉스 필터만의 비용으로 인하여 매우 비용이 높은 것으로 알려졌다.

본 발명은 전술된 하나 이상의 문제점의 영향을 해결하기 위한 것이다. 하기에는 본 발명의 일부 측면에 대한 기본적인 이해를 제공하도록 본 발명의 간략화된 요약이 기술되었다. 이 요약이 본 발명의 완전한 개요는 아니다. 이것은 본 발명의 핵심 또는 결정적인 요소를 나타내거나 또는 본 발명의 범주를 서술하기 위한 것은 아니다. 이것의 목적은 단지 후에 언급될 보다 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태의 일부 컨셉을 개시하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 메타-재료 듀플렉스 필터가 제공된다. 필터는 기판, 기판 상에 주기적으로 위치하는 복수의 금속 스트립들 및 기준 평면을 포함한다. 기준 평면은 복수의 금속 스트립들로부터 이격된다.

도 1은 원격통신 시스템의 블록도,

도 2a는 멀티-섹터 안테나(a multi-sector antenna)를 갖는 무선 통신을 제어하는 도 1의 원격통신 시스템의 기지국을 도시한 도면,

도 2b는 듀플렉스 필터, 송신기, 수신기 및 도 2a의 기지국의 안테나 사이의 관계를 나타낸 블록도,

도 3은 도 2의 듀플렉스 필터를 구성하는 데에 사용될 수 있는 등가 네트워크 유닛 셀(an equivalent network unit cell)을 도시한 도면,

도 4a 및 4b는 10개의 유닛 셀을 갖는 전형적인 비-최적화된 CLRH 구조의 전송 및 베타(위상 정수(phase constant)) 그래프를 도시한 도면,

도 5a, 5b 및 5c는 각각 세 개의 셀 메타-재료 필터의 예시적인 구조의 측단면도,

도 6은 개념적으로 안테나와 연결된 듀플렉스 필터의 일 실시예를 도시한 도면,

도 7은 이중 주기적인 5개의 셀 메타-재료 필터의 예시적인 구조의 단면도,

도 8은 단주기적인 5개의 셀 메타-재료 필터의 예시적인 구조의 단면도.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하는 하기의 설명을 통해 이해될 수 있을 것이며, 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타낸다.

본 발명은 다양한 변경 및 대안적인 형태를 허용할 수 있으나, 본 발명의 특정 실시예가 도면에 예시로서 도시되었으며 명세서에 자세히 기술되었다. 그러나, 특정 실시예에 대한 본 명세서의 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하고자 하는 것은 아니며, 그와 반대로 본 발명이 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 사상 및 범주에 포함되는 모든 변경, 동등물 및 변화를 커버함을 이해해야 한다.

본 발명의 예시적인 실시예가 아래에 기술되었다. 명확성을 위해, 실질적인 구현에서의 모든 특성들이 본 명세서에 기술되지 않았을 수 있다. 이러한 임의의 실질적인 실시예의 전개에서, 시스템-관련 제한 및 사업-관련 제한의 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 획득하도록 다수의 구현-특성 결정이 이루어질 수 있으며, 이것은 구현마다 다를 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 이러한 개발 노력이 복잡하고 시간 소모적일 수 있으나, 그럼에도 본 발명으로부터 이득을 얻는 당업자에게 있어서 일상적인 업무일 수 있음이 이해될 것이다.

이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 기술될 것이다. 다양한 구조, 시 스템 및 디바이스들이 오직 설명을 위해 도면에 개략적으로 도시되었으며 본 발명을 불필요하게 흐리지 않도록 당업자에게 잘 알려진 세부사항은 도시되지 않았다. 그럼에도, 첨부된 도면은 본 발명의 실례가 되는 예시들을 기술하고 설명하기 위해 포함되었다. 본 명세서에서 사용된 용어 및 관용구들은 해당 용어 및 관용구들이 당업계에서 당업자에 의해 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되고 해석되어야 한다. 본 명세서의 용어 또는 관용구의 일관된 사용에 의해 용어 또는 관용구의 특정한 제한, 즉 당업자에 의해 이해되는 전형적이고 통상적인 의미와는 다른 제한이 포함되도록 의도되지 않았다. 용어 또는 관용구가 특정한 의미, 즉 당업자에 의해 이해되는 것과 다른 의미를 갖도록 확장하고자 할 때에는, 이러한 특정한 제한이 용어 또는 관용구에 대한 특정한 제한을 직접적이고 명백하게 제공하는 명확한 방식으로 본 명세서에 확실하게 설정될 것이다.

이제 도면을 참조하면, 특히 도 1을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템(100)이 도시되었다. 설명을 위해, 도 1의 통신 시스템(100)은 유니버설 모바일 전화 시스템(UMTS: Universal Mobile Telephone System)으로 도시되었지만, 본 발명이 데이터 및/또는 음성 Gfi 또는 멀티미디어와 같은 다른 형태의 통신을 지원하는 다른 시스템에도 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 통신 시스템(100)은 하나 이상의 액세스 단말(ATs)(120)이 하나 이상의 기지국(130)을 통해 인터넷과 같은 데이터 네트워크(125) 및/또는 PSTN(160)와 통신하는 것을 가능케 한다. AT(120)는 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터, 디지털 호출기(digital pager), 무선 카드 및 기지국(130)을 통해 데이터 네트워크(125)에 액세스할 수 있 는 임의의 다른 디바이스를 포함하는, 임의의 다양한 디바이스의 형태를 취할 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 기지국(130)은 하나 이상의 접속부(139)에 의해 무선 네트워크 컨트롤러(RNC)(138(1-2))에 연결될 수 있다. 두 개의 RNC(138(1-2))가 도시되었지만, 당업자는 보다 많은 RNC(138)가 다수의 기지국(130)과의 인터페이스에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일반적으로, RNC(138)는 자신이 접속된 기지국(130)을 제어하고 조정하도록 동작한다.

RNC(138)는 또한 접속부(145)를 통해 코어 네트워크(CN)에도 연결된다. 일반적으로 CN(165)은 데이터 네트워크(125) 및/또는 PSTN(160)에 대한 인터페이스로서 동작한다. CN(165)은 사용자 인증과 같은 다양한 기능 및 동작을 수행하지만, CN(165)의 구조 및 동작에 대한 상세한 설명은 본 발명의 이해 및 인식에 필요하지 않다. 따라서, 본 발명을 불필요하게 흐리는 것을 방지하도록, CN(165)에 대한 추가적인 세부 사항은 본 명세서에 기술되지 않았다.

따라서, 당업자는 통신 시스템(100)이 AT(120)와 데이터 네트워크(125) 간의 통신을 용이하게 한다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 도 1의 통신 시스템(100)의 구성은 완전히 예시적인 것이며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 한 통신 시스템(100)의 다른 실시예에서 보다 적은 또는 추가적인 구성요소들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

이제 도 2a를 참조하면, 기지국(130)은 제 1 내지 제 6 안테나(230(1-6))를 구비하는 복수의 안테나들을 포함하는 안테나 장치를 갖는 멀티-섹터(multi- sector) 안테나(230)를 포함할 수 있다. 안테나(230(1-6))는 복수의 서비스 적용 영역(service coverage area)(235(1-3)) 중 적어도 하나로 그리고 하나로부터 정보를 통신하도록 구성될 수 있다. 멀티-섹터 안테나(230)는 복수의 안테나(230(1-6))들이 원형 패턴으로 배열될 수 있고 AT(120)가 임의의 특정 서비스 적용 영역으로 제한되지 않을 수 있는 안테나 구조를 포함할 수 있다.

안테나(230(1-6))에서 수신되는 AT(120)로부터의 무선 통신 신호는 듀플렉스 필터(duplex filter)(240)를 통과할 수 있다. 유사하게, 기지국(130)에 의해 전송되는 신호는 안테나(230(1-6))로 전달되기 전에 듀플렉스 필터(240)를 통과할 수 있다. 도 2b는 안테나(230(1)), 듀플렉스 필터(240), 전송기 회로(250) 및 수신기 회로(255) 사이의 관계의 예시적인 실시예를 도시한다.

도 3은 듀플렉스 필터(240)를 구성하는 데에 사용될 수 있는 등가 네트워크 유닛 셀(an equivalent network unit cell)(300)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 전기용량 및 유도력을 갖는 1차원의 메타-재료(meta-material)에 대한 등가 네트워크 유닛 셀(300)이 도시되었다. 필터 효과를 생성하기 위해, 셀(300)은 주기적으로 반복된다. 단일 유닛 셋(300)의 성능과 요구되는 총 성능으로부터, 유닛 셀(300)의 개수가 획득될 수 있다.

메타-재료에 기초하는 듀플렉스 필터(240)의 하나의 목표는 (표준 CDMA 다이플렉서와 유사하게) 1dB보다 작은 감쇠를 갖는 것이다. 이러한 작은 손실을 획득하기 위해, 구조의 매우 우수한 매칭이 요구된다. 따라서, 본 발명의 일부 애플리케이션에서, 특성 임피던스를 최적화하는 것 또한 유용할 수 있다. 임피던스는 식(1) 에서 명시하고 있는 바와 같이 주파수 또는 오메가의 함수임을 이해해야 한다.

듀플렉스 필터(240)의 다른 설계 구상은 그룹 지연 변화 및 위상 응답을 포함한다. 위상 속도 및 결과적인 값 플롯을 계산하기 위해, 위상 "정수"(phase "constant") 베타가 사용된다. 베타는 식(2)을 사용하여 계산된다.

또한, 직렬 부분(식(3)) 및 병렬 부분(식(4))의 공진 주파수는 밴드갭의 에지를 정의하기 때문에 구조의 중요한 파라미터이다.

도 4a 및 4b는 10개의 유닛 셀을 갖는 전형적인 비-최적화된 CLRH 구조의 전송 및 베타 그래프를 도시한다. 제 1 그래프에서의 피크는 구조 내의 베타=±n*pi/N(N=셀의 개수, n=공진율)에서의 공진(정상파)의 결과이다.

베타는 밴드갭의 에지에서 0과 같다. 에지에서의 베타=0 부근에서 감쇠 또한 거의 0이며, 따라서 필터 애플리케이션에 있어서 매우 바람직하다. 그러나, 밴드갭 자신은 여기에서 파장의 전달이 가능하지 않기 때문에 이용될 수 없다. 밴드갭 외부 및 부근에서 만약 베타가 0에 가깝다면 공진 전류 오버슛(overshoot)이 거의 직렬 저항을 통해 흐르지 않으며 손실이 거의 발생하지 않는다. 병렬 저항에서 이 값은 매우 높게 구현될 수 있기 때문에 전압은 무시될 수 있다. 따라서 밴드갭 에지에서의 필터 임팩트는 낮은 주파수 거리에서의 가파른 상승 에지를 통해 매우 높다. 또한 높은 원-사이드(one-sided) Q가 적합하며 이것은 직렬 손실을 허용하지 않는다.

도 5a, 5b 및 5c는 각각 듀플렉스 필터(240)의 절반을 구성하는 데에 사용될 수 있는 세 개의 셀 메타-재료 필터(501)의 예시적인 구성의 3차원도, 측단면도 및 상단면도(cross sectional top view)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 메타-재료 듀플렉스 필터(501)는 기판(522) 상에 증착되고 기준 평면(503)으로부터 이격된 마이크로스트립 라인(500)으로 이루어진다. 마이크로스트립 라인(500)과 기준 평 면(503) 사이의 공간은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 한 실질적으로 변경될 수 있지만, 본 발명의 특정한 일 실시예에서, 공간은 약 2mm이다. 마이크로스트립 라인(500)은 작은 커플링 슬롯들(514, 516, 518, 520)에 의해 제 1 입력 라인(504), 제 1 내지 제 3 날개(wing)(506, 508, 510) 및 제 1 출력 라인(512)으로 분리된다. 작은 커플링 슬롯들(514, 516, 518, 520)은 RF 라인 내부의 퍼텐셜 불연속점을 감소시키고 작은 슬롯들은 필터(501) 내에 보다 적은, 감소된 손실을 미친다. 작은 커플링 슬롯(514, 516, 518, 520)은 이외에 사용될 수 있는 SMD 또는 인터디지털(interdigital) 커패시터와 같은 개별적인 커패시터에 대한 필요성을 제거한다. SMD 커패시터를 제거함으로써 구조에 대한 손실이 감소되고, 따라서 통과 대역 손실 및 선택도(예를 들어, 필터 경사도(filter steepness))가 개선된다. 유사하게, 인터디지털 커패시터를 제거함으로써, 저지 대역(stopband) 작용을 열화시킬 수 있는 가로 공진(transverse resonance)이 감소된다.

필터(501)의 성능은 슬롯 폭과 날개(wing) 길이를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 즉, 필터(501)는 슬롯 폭과 날개 길이를 변화시킴으로써 특정 주파수 범위 및 대역폭으로 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 슬롯들의 폭은 약 0.2mm로 선택될 수 있고 날개들의 길이는 약 50mm로 선택될 수 있다. 본 발명의 일 예시적인 실시예에서, 제 1 입력 라인(504) 및 출력 라인(512)은 약 9.7mm의 폭을 갖도록 선택된다.

마이크로스트립 라인들(500)의 사용은 종래의 인쇄 회로 보드 또는 반도체 제조 기술을 사용하는 필터(501)의 제조를 가능케 한다. 또한, 작은 커플링 슬롯 들(514, 516, 518, 520)도 종래의 인쇄 회로 보드 또는 반도체 제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

도 5a-5c에 도시된 메타-재료 구조는 동일한 폼 팩터(form factor) 내에서 종래의 필터보다 훨씬 높은 선택도을 제공한다. 사실, 동일한 폼 팩터 내에서 본 발명의 원리를 이용하여 Q 팩터가 Q=5로부터 Q=400으로 증가된다는 사실이 입증되어왔다.

도 5a-5c에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예에서, 마이크로스트립 라인들(500)을 지지하는 기판(522)은 기준 평면(503)과 마이크로스트립 라인들(500) 사이에 위치되지 않으며, 오히려 기판(522)은 마이크로스트립 라인들(500)로부터 이격되어, 전자기장이 기판(522) 내에서가 아닌 기준 평면(503)과 마이크로스트립 라인들(500) 사이의 공간(526) 내에 집중되도록 한다. 따라서, 기판(522)의 손실 탄젠트(loss tangent)는 필터(501) 내의 손실 메커니즘에 기여하지 않는다.

기판(522)의 상단측(524)이 튜닝 소자에 대한 제어 라인을 전달하는 데에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 배리캡(varicap) 다이오드 또는 MEMS 버랙터와 같은 전자 튜닝 소자들의 사용은, 그들의 손실이 주로 통과 대역 손실을 열화시키지만, 특히 0차 공진의 경우에 있어서 필터 선택도에 대한 보다 적은 영향을 나타낼 수 있기 때문에 메타-재료 필터에 있어서 바람직하다.

이제 도 6을 참조하면, 한 쌍의 필터(501(1), 501(2))가 듀플렉스 필터(240)를 형성하도록 배치된다. 제 1 필터(501(1))의 입력 라인(504(1))은 수신기에 연결된다. 제 2 필터(501(2))의 출력 라인(512(2))은 전송기에 연결된다. 제 1 필 터(501(1))의 출력 라인(512(1))과 제 2 필터(501(2))의 입력 라인(504(2))은 결합되어 안테나(230(1))에 연결된다. 제 1 필터(501(1)) 및 제 2 필터(501(2)) 내의 갭과 날개의 치수는 서로 다른 사전선택된 주파수들과 대역폭의 신호가 그들을 통과하는 것을 가능케 하도록 선택될 수 있다. 메타-재료를 사용하는 것은 듀플렉스 필터(240)가 그들의 통과 대역 밖의 높은 포트 임피던스를 갖는 것을 가능케 하며, 이는 서로 다른 대역의 필터들이 예로서 안테나 포트와 같은 공통 지점에 접속되는 것을 가능케 하기 때문에 특히 바람직하다.

도 7은 듀플렉스 필터(240)를 구성하는 데에 사용될 수 있는 이중 주기적인(bi-periodic) 5개의 셀 메타-재료 필터(701)의 예시적인 구조의 단면도를 도시한다. 자신의 이중 주기적인 특성 때문에, 필터(701)는 제 1 및 제 2 크기의 날개(702, 704)로 구성된다. 이러한 제 1 및 제 2 크기 날개(702, 704)는 이중-주기적인 장치 내에서 구성된다. 반면 도 8은, 듀플렉스 필터(240)를 구성하는 데에 사용될 수 있는 단주기적인 5개의 셀 메타-재료 필터(801)의 예시적인 구조의 단면도를 도시한다. 자신의 단주기적인 특성 때문에, 필터(801)는 5개의 실질적으로 공통적인 크기의 날개(802)의 셋으로 구성된다. 필터(701, 801)는 모두 날개의 길이와 슬롯의 폭을 선택함으로써 입력 신호의 사전선택된 주파수 및 대역폭을 통과시키도록 구성될 수 있다.

전술된 특정 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 본 명세서의 내용으로부터 이득을 얻을 수 있는 당업자에게 명백한, 동등한 방식으로 변경되고 달리 실시될 수 있다. 또한, 하기의 특허청구범위에 기술된 것 외에는 본 명세서에 개시 된 구성 또는 설계의 세부사항에 대한 제한을 의도하는 것이 아니다. 따라서 앞서 개시된 특정 실시예들은 변화되거나 변경될 수 있으며 이러한 모든 변경은 본 발명의 범주 및 사상에 포함되는 것으로 간주됨이 명백하다. 따라서, 본 명세서에서 요구되는 보호는 아래의 특허청구범위에서 설정되는 바와 같다.

Claims

메타-재료 필터(a meta-material filter)로서,

기판과,

상기 기판 상에 주기적으로 위치하는 복수의 금속 스트립들과,

상기 복수의 금속 스트립들로부터 이격된 기준 평면(a ground plane)을 포함하되,

상기 복수의 금속 스트립들은 단주기적인(mono-periodic) 패턴 또는 이중 주기적인(bi-periodic) 패턴으로 배열된 적어도 제 1 크기 스트립 및 제 2 크기 스트립을 포함하며,

상기 복수의 금속 스트립들 각각은 슬롯에 의해 분리되는

메타-재료 필터.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 금속 스트립들은 자신을 통과하여 연장되는 적어도 하나의 슬롯을 갖는 금속의 스트립으로 형성되는

메타-재료 필터.
제 2 항에 있어서,

상기 슬롯은 0.2mm의 폭을 갖는

메타-재료 필터.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 스트립들은 50mm의 길이를 갖는

메타-재료 필터.
제 1 항에 있어서,

상기 기준 평면은 상기 금속 스트립들로부터 2mm의 거리만큼 이격된

메타-재료 필터.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 기판 상에 형성되어 상기 복수의 금속 스트립들 중 적어도 하나에 연결된 입력 라인과, 상기 기판 상에 형성되어 상기 복수의 금속 스트립들 중 적어도 하나에 연결된 출력 라인을 더 포함하는

메타-재료 필터.
제 1 항에 있어서,

제 1 메타-재료 필터에 연결되어 듀플렉스 필터(duplex filter)를 형성하는 제 2 메타-재료 필터를 더 포함하는

메타-재료 필터.
제 10 항에 있어서,

상기 제 2 메타-재료 필터는,

기판과,

상기 기판 상에 주기적으로 위치하는 복수의 금속 스트립들과,

상기 복수의 금속 스트립들로부터 이격된 기준 평면을 포함하는

메타-재료 필터.