KR101451365B1 - 가변 대역저지필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RH 및 LH 전송선로를 결합한 가변 대역저지필터에 관한 것으로서, 입출력측 전송 선로에 각각 설치되어, 고역 통과 특성을 갖는 LH 전송선로와, 상기 LH 전송선로와 병렬 접속되며, 저역 통과 특성을 갖는 입,출력측 RH 전송선로와, 상기 전송선로에 구비되는 바렉터 다이오드와, 상기 병렬 접속된 전송선로 각각에 안정적인 구동 전압을 공급하기 위한 복수의 전원부를 포함하여, Right-handed(RH) 전송선로의 저역통과 특성과 Left-handed(LH) 전송선로의 고역통과 특성을 결합하여 대역저지 특성을 만들기 위해서 바렉터 다이오드를 이용하는 가변 대역저지 필터에서 차단 주파수를 독립적으로 변화시킬 수 있어 임의의 중심 주파수와 대역폭을 용이하게 구현할 수 있는 특징을 갖고 있다.

대역저지 필터, Left-handed 전송선로, Right-handed 전송선로, 가변 필터,바렉터

Description

가변 대역저지필터{Variable band stop filter}

본 발명에서는 Right-handed(RH) 전송선로의 저역통과 특성과 Left-handed(LH) 전송선로의 고역통과 특성을 결합하여 대역저지 특성을 만들기 위해서 바렉터 다이오드를 이용하여 구현한 가변 대역저지 필터에 관련한 것으로서, 특히 차단 주파수를 독립적으로 변화시킬 수 있어 임의의 중심 주파수와 대역폭을 구현할 수 있도록 한 가변 대역저지필터에 관련한 것이다.

일반적으로, 다중모드, 다중대역 통신에 폭 넓게 사용되고 있는 가변 대역 필터는 기계적, 자기적, 전기적 방법을 적용하고 있다. 기계적, 자기적 방법에 의한 가변 대역 필터는 일반적으로 대전력 시스템에 사용하고 상대적으로 크기가 크다. 전기적 가변 대역 필터는 동작속도가 빠르고, 넓은 가변 대역을 갖고 소형이다.

전기적 가변 대역 필터는 능동 인덕터, 바렉터 다이오드, MEMS 커패시터 등으로 구현할 수 있다. 바렉터 다이오드는 상대적으로 손실이 크고 비선형 특성을 갖고 있으나 동작속도가 빠르고 낮은 전압으로 구동시킬 수 있다. RF MEMS 커패시터는 다른 스위치나 가변 커패시터 소자에 비해 손실, 기생 성분, 선형성 등에서 우수한 장점이 있고, 동작 속도, 조종 전압, 패키징 등에서는 특성이 떨어진다.

마이크로파 대역에서 대역통과 필터나 대역 저지 필터는 일반적으로 LC 공진기, 혹은 전송선로 공진기를 이용하고 있다. 따라서 바렉터 다이오드나 MEMS 커패시터를 이용한 가변 대역통과 필터나 대역 저지 필터는 공진 주파수를 변화시키면 이에 따라 대역폭이 변화하는 특성을 나타낸다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 Right-handed 전송선로의 저역통과 특성과 Left-handed 전송선로의 고역통과 특성을 결합하여 대역저지 특성을 만들기 위해서 바렉터 다이오드를 이용하여 가변 대역저지 필터를 구현하고, 이 구현된 가변 대역저지 필터는 차단 주파수를 독립적으로 변화시킬 수 있어 임의의 중심 주파수와 대역폭을 독립적으로 구현할 수 있도록 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변 대역저지필터는,

입출력측 전송 선로에 각각 설치되어, 고역 통과 특성을 갖는 LH 전송선로와,

상기 RH 전송선로와 병렬 접속되며, 저역 통과 특성을 갖는 입,출력측 RH 전송선로와,

상기 전송선로에 구비되는 바렉터 다이오드와,

상기 병렬 접속된 전송선로 각각에 안정적인 구동 전압을 공급하기 위한 복수의 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 바렉터 다이오드와 칩 인덕터를 이용하여 RHTL, LHTL 단위 셀을 구성하고 각각 단위 셀이 연결된 RHTL, LHTL을 병렬로 연결하여 다이오드에 인가되는 전압 변화에 따라 차단 주파수를 조절하여 가변 대역저지 특성을 추출 및 조정하는데 그 목적이 있으며, 소형, 경량으로 제작되어 기지국, 중계기뿐 만 아니라 단말기에도 내장될 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 가변 대역저지필터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 가변 대역저지필터는 가변 캐패시터 성분의 바렉터 다이오드를 포함한 저역 통과 여파기 특성을 갖는 Right-Handed(RH) 전송선로 와; 등가적으로 캐패시터 역할을 하는 바렉터 다이오드를 포함하는 고역 통과 여파기 특성을 갖는 Left-Handed(LH) 전송선로로 구성된다.

이하, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일실시예에 따른 가변 대역저지필터는, 입출력측 전송 선로에 각각 설치되어, 고역 통과 특성을 갖는 LH 전송선로와, 상기 RH 전송선로와 병렬 접속되며, 저역 통과 특성을 갖는 입,출력측 RH 전송선로와, 상기 전송선로에 구비되는 바렉터 다이오드와, 상기 병렬 접속된 전송선로 각각에 안정적인 구동 전압을 공급하기 위한 복수의 전원부를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 RH 전송선로의 제1다이오드와 상기 LH 전송선로의 제2 다이오드 접속되어 바이어스전압을 인가하며, 상기 전송선로 사이의 신호간섭을 방지하도록 적어도 하나의 가변 노치를 형성하는 고역 및 저역 통과필터로서의 바이어스회로를 이루도록 구성되어 있다.

또, 상기 RH 및 LH 전송선로는 상기 바렉터 다이오드와 칩 인덕터를 이용하여 하나의 단위 셀로서 구성되고, 각각 단위 셀이 연결된 RH 및 LH 전송선로를 병렬로 연결하여 다이오드에 인가되는 전압 변화에 따라 가변 대역저지 특성을 추출 및 조정하도록 구성되어 있다.

또, 상기 가변 대역저지 필터의 변환수단은 차단 주파수가 상기 바렉터 다이오드에 인가되는 선택적인 전압에 의해 다이오드의 캐패시턴스값의 변화로서 차단 주파수가 변화하여 중심주파수와 대역폭을 조정하도록 구성되어 있다.

또한, 상기 가변 대역저지 셀을 N단으로 구성하여, 주파수 스커트 특성이 호전되도록 구성되어 있다.

또, 상기 전송선로들의 양단에는 입출력 커패시터(dc block) 각각에 대하여 순방향 접속되고, 다른 캐피시턴스 상태를 가지도록 커패시터가 각각 직렬 접속되어 있다.

또한, 상기 RH 전송선로는 대칭 배열형 다이오드와 이 대칭배열형 다이오드의 입력단에 공통으로 접속하는 인턱터가 1단위 셀을 이루고, 이 1단위 셀이 상호 대칭 배열되고, 상의 전원부는 상기 다이오드의 입력단 3지점에 각각 분압저항을 매개로 공통 접속되어 있다.

이로써, 캐패시턴스와 같은 전기적 특성이 바렉터 다이오드의 캐패시턴스의 상태에 따라 정해지는 회로 소자를 형성한다.

먼저, 도 1은 본 발명하려고 하는 대역저지 필터의 블록 다이어그램으로 저역 필터 특성을 갖는 RHTL과 고역 필터 특성을 갖는 LHTL을 병렬 연결한 것이다.

도 2는 가변 커패시터를 이용한 Left-handed 전송선로 단위 셀의 등가 모델로 그 분산 특성은 <수학식 1>의 ABCD 행렬을 통해 구할 수 있고, 이에 따른 단위 셀의 전달 상수와 주파수는 <수학식 2>, <수학식 3>에 나타 낼 수 있다.

여기서, β _L 은 전송선로 단위 셀의 전달 상수이다. 이 분산 방정식은 고역통과 특성을 갖는다. 단위 셀을 주기적으로 연결하면 β _L =π 일 때의 Bragg 주파수 <수학식 4>에 나타내었다.

이 전송선로의 특성임피던스는 <수학식 5>에 나타내었다.

도 3은 가변 커패시터를 이용한 Right-handed 전송선로 단위 셀의 등가 모델로 그 분산 특성은 ABCD 행렬을 구할 수 있고, 이에 따른 단위 셀의 전달 상수와 주파수는 <수학식 6>, <수학식 7>에 나타 낼 수 있다.

여기서 β _R 은 전송선로 단위 셀의 전달 상수이다. 이 분산 방정식은 저역통과 특성을 갖는다. 단위 셀을 주기적으로 연결하면 β _R =π 일 때의 Bragg 주파수는 <수학식 9>로 나타내며, 이것은 저역통과 특성의 차단 주파수가 된다. 또, 전송선로의 특성임피던스는 <수학식 10>에 나타내었다.

도 4는 Right/Left-handed 전송선로의 분산 특성이다. 도 2의 Left-handed 전송선로는 ω < ω_BL 일 때 β 가 허수가 되어 저지대역이 된다. 도 3의 Right-handed 전송선로는 ω > ω_BR 일 때 β가 허수가 되어 저지대역이 된다. 도 4(a)는 ω_BL < ω_BR 인 경우로 대역통과 특성을 얻을 수 있다. 도 4(b)는 ω_BR < ω_BL 인 경우로 대역저지 특성을 얻을 수 있다.

도 5는 각각 2 개의 단위 셀로 구성된 Right/Left-handed 전송선로를 이용한 가변 대역저지 필터 회로다. 통과 대역의 특성을 독립적으로 조정하기 위해 Right-handed 전송선로와 Left-handed 전송선로를 구성하는 바렉터 다이오드의 바이어스 전원을 분리하여 인가했다. 다이오드의 커패시턴스는 <수학식 11>과 같다.

여기서, C_j0는 zero-bias 다이오드 커패시턴스, V_j는 접합 전압, M은 grading 상수, C_p는 패키징 커패시턴스이다.

도 6 (a)는 V_dc1=15V, V_dc2=2~8V 일 때의 특성으로 저역 차단 주파수는 280~380㎒의 변화를 보이고 있고, 도 6(b)는 V_dc1=25V, V_dc2=2~8V 일 때의 특성으로 저역 차단 주파수는 280~400㎒의 변화를 보이고 있다.

도 7(a)는 V_dc2=2V, V_dc1=15~25V 일 때의 특성으로 고역 차단 주파수는 750~920㎒의 변화를 보이고 있고, 도 7(b)는 V_dc2=8V, V_dc1=15~ 25V일 때의 특성으로 고역 차단 주파수는 750~920㎒의 변화를 보이고 있다.

도 8 은 본 발명에 따른 단위 셀 숫자에 따른 가변 대역 저지 특성을 ADS 시뮬레이션으로 S11, S21을 나타낸 도면이다.

도 9(a)는 제작된 가변 대역저지 필터의 측정 결과로 V_dc1=15V, V_dc2=2V일 때, V_dc1=19V, V_dc2=5V일 때, V_dc1=25V, V_dc2=8V일 때의 삽입손실 특성이고, 도 9(b)는 각 경우의 반사손실 특성이다.

도 10은 V_dc1=25V, V_dc2=2V일 때의 설계 결과와 제작된 가변 대역저지 필터의 특성을 비교하고 있다. 저역통과 영역에서는 설계 결과와 측정 결과가 잘 일치하고 있음을 보여준다.

상기와 같은 본 발명은 Right-handed 전송선로의 저역통과 특성과 Left-handed 전송선로의 고역통과 특성을 결합하여 대역저지 특성을 만들기 위해서 바렉터 다이오드를 이용하여 가변 대역저지 필터를 구현하였으며, 제안된 가변 대역저지 필터는 바렉터 다이오드 전압 값에 따라서 차단 주파수를 독립적으로 변화시킬 수 있어 임의의 중심 주파수와 대역폭을 구현할 수 있는 효과가 있다.

이는, Right-handed 전송선로(RHTL)의 저역통과 특성과 Left-handed 전송선로(LHTL)의 고역통과 특성을 결합한 구조의 가변 대역저지 필터를 기초로 하여, RHTL, LHTL의 분산 특성을 ABCD 행렬을 통해 구하고 차단주파수를 계산하며, 바렉터 다이오드와 칩 인덕터를 이용하여 RHTL, LHTL 단위 셀을 구성하고 각각 단위 셀이 연결된 RHTL, LHTL을 병렬로 연결하여 다이오드에 인가되는 전압 변화에 따라 가변 대역저지 특성을 추출 및 조정할 수 있게 되는 것이다.

상기 다이오드가 포함된 Right/Left-handed 전송선로 구조로 구현할 경우, 기존의 가변 대역저지 여파기 구조보다 본 발명의 셀 구성은 소형 및 경량으로 구현할 수 있어서 중계기와 기지국 및 단말기에도 이용될 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 대역 저지 특성도 기존의 평행 결합 선로를 이용한 대역저지 필터기 크기의 65% 정도로 소형화할 수 있으며, 체 배수의 주바수에서 통과 대역이 발생하는 데 비해 병렬접속된 LH 및 RH 전송선로를 이용한 저지 대역은 최소 -40dB 이하의 대역 저지특성을 나타냄과 동시에 대역이 가변적으로 확장되는 작용효과를 도모할 수 있게 되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1 은 Right/Left-handed 구조를 결합한 대역저지 필터 도면이다.

도 2 는 Left-handed 전송선로 등가 모델을 보인 도면이다.

도 3 은 Right-handed 전송선로 등가 모델을 보인 도면이다.

도 4 는 Right/Left-handed 전송선로 등가 모델의 분산 특성을 보인 도면이다.

도 5 는 본 발명에 따른 바렉터 다이오드가 포함된 Right/Left-handed 전송선로를 이용한 가변 대역저지 필터 회로를 보인 도면이다.

도 6 은 본 발명에 따른 4 단위 셀 구성의 Right-handed 전송선로의 특성 변화에 따른 가변 대역저지 특성 보인 도면이다.

도 7 은 본 발명에 따른 4 단위 셀 구성의 Left-handed 전송선로의 특성 변화에 따른 가변 대역저지 특성 보인 도면이다.

도 8 은 본 발명에 따른 단위 셀 숫자에 따른 가변 대역 저지 특성을 ADS 시뮬레이션으로 보인 도면이다.

도 9 는 본 발명에 따른 4 단위 셀 구성의 가변 대역저지 필터를 제작하여 애질런트 사의 8753D 회로망 분석기를 통하여 필터의 S11과 S21 특성을 보인 도면이다.

도 10 는 본 발명에 따른 4 단위 셀 구성의 가변 대역저지 필터의 ADS 시뮬레이션과 실제 제작하여 애질런트 사의 8753D 회로망 분석기를 통하여 측정한 가변 대역저지 필터의 S11과 S21 특성을 보인 도면이다.

Claims (5)

1. 입출력측 전송 선로에 각각 설치되어, 고역 통과 특성을 갖는 LH 전송선로와,

   상기 LH 전송선로와 병렬 접속되며, 저역 통과 특성을 갖는 입,출력측 RH 전송선로와,

   상기 전송선로에 구비되는 바렉터 다이오드와,

   상기 병렬 접속된 전송선로 각각에 안정적인 구동 전압을 공급하기 위한 복수의 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RH 및 LH 전송선로를 결합한 가변 대역저지필터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 RH 전송선로의 제1다이오드와 상기 LH 전송선로의 제2 다이오드 접속되어 바이어스전압을 인가하며, 상기 전송선로 사이의 신호간섭을 방지하도록 적어도 하나의 가변 노치를 형성하는 고역 및 저역 통과필터로서의 바이어스회로를 이루도록 된 것을 특징으로 하는 가변 대역저지필터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 RH 및 LH 전송선로는 상기 바렉터 다이오드와 칩 인덕터를 이용하여 하나의 단위 셀로서 구성되고, 각각 단위 셀이 연결된 RH 및 LH 전송선로를 병렬로 연결하여 다이오드에 인가되는 전압 변화에 따라 가변 대역저지 특성을 추출 및 조정하도록 된 것을 특징으로 하는 가변 대역저지필터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 대역저지 필터의 변환수단은 차단 주파수가 상기 바렉터 다이오드에 인가되는 선택적인 전압에 의해 다이오드의 캐패시턴스값의 변화로서 차단 주파수가 변화하여 중심주파수와 대역폭을 조정하도록 된 것을 특징으로 하는 가변 대역저지 필터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 대역저지 셀을 N단으로 구성하여, 주파수 스커트 특성이 호전되도록 된 것을 특징으로 하는 가변 대역저지 필터.

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