KR101515857B1 - 광대역 필터 - Google Patents

Abstract

광대역 필터가 제공된다. 이 필터는 다층 구조로서, 상층에 형성되는 다단 구조의 전송 선로와, 하층 전면에 걸쳐 형성되는 접지 플레인 및 상기 상층과 상기 하층의 중간 층에 형성된 유전체 기판을 포함하고, 상기 전송 선로는 서로 교대로 형성되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함한다.

Description

광대역 필터{WIDEBAND FILTER}

본 발명은 광대역 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 기기 분야에서 사용되는 초광대역 특성이 있는 필터에 대한 것이다.

광대역 특성이 있으며 cut off 특성이 좋은 필터 제품을 구현하기 위해 종래는 일반적으로 도파관(Waveguide) 기술을 사용하여 구현하였다. 기존의 기술은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 도파관이 가지는 고역통과필터(High-Pass Filter: HPF) 특성과 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 내부에 주기적 구조의 저역통과필터(Low-Pass Filter: LPF)를 결합하여 도 1의 (c)와 같은 대역통과필터(Band-pass Filter: BPF)의 특성을 만들어 내는 것이 일반적이며, 이러한 필터를 통상 캐비티 필터(Cavity filter)라 부른다. 이러한 필터 구조는 무게, 부피 등이 크다는 단점이 있다. 따라서, 소형 경량화가 요구되는 필터 제품에는 적용이 어렵다.

소형 경량화를 위한 필터로는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 유전체 캐비티(cavity)를 주기적으로 연결한 유전체 필터(Dielectric Filter)가 이용되고 있는데, 이 필터의 경우, 광대역 특성이 있도록 구현하는 것이 어려울 뿐만 아니라 제작 또한 어렵다. 소형 경량화 측면에서는 도 2의 (b)와 같이 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)에 구현하는 형태가 가장 가볍고 제작이 용이하다. 그런데 PCB에 구현하는 형태의 필터는 양호한 광대역 특성과 cut-off 특성(또는 스퓨리어스 제거(spurious Rejection) 특성)을 모두 갖도록 설계하는 것이 어렵다. 실제로, PCB 형태의 필터가 60 dB 이상의 스퓨리어스 제거(spurious Rejection) 특성을 갖도록 설계되기 위해서는 구조적으로 여러 단의 결합이 필요한데, 이는 삽입손실(insertion loss)을 증가시킨다. 즉, 광대역 특성을 고려한 설계와 cut-off특성을 고려한 설계는 상호 트레이드 오프 관계에 있다.

결국, 소형 경량화를 위한 필터 설계에서는 광대역 특성과 cut-off 특성을 동시 개선을 통해 삽입 손실을 줄이는 데 핵심이 있다. 그러나 이 2가지 특성을 모두 만족할만한 수준으로 개선한 필터의 개발이 아직까지 미비한 상태이다.

따라서, 본 발명의 목적은 광대역 특성과 cut-off 특성을 향상시키고, 동시에 삽입 손실을 줄일 수 있는 광대역 필터를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 광대역 필터는, 다층 구조로서, 상층에 형성되는 다단 구조의 전송 선로와, 하층 전면에 걸쳐 형성되는 접지 플레인 및 상기 상층과 상기 하층의 중간층에 형성된 유전체 기판(130)을 포함하고, 상기 전송 선로는, 서로 교대로 형성되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 주기적인 다단 구조의 스터브(stub)를 이용하고, 필터 차수를 줄이기 위해 오픈 스터브(open stub)와 쇼트 스터브(short stub)를 같이 사용함으로써, 광대역 특성과 cut-off 특성(spurious Rejection 특성)을 모두 향상시키고, 동시에 삽입 손실을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

도 1 및 도 2는 일반적인 필터 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 전송 선로 패턴을 이용한 BPF 구조를 보여주는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 BPF의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 3에 도시된 BPF의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 동일한 주파수 대역에서 λ/4의 쇼트 스터브를 사용한 경우와 λ/2의 오픈 스터브를 사용한 경우의 임피던스 변화를 스미스 차트에서 보여주는 도면이다.
도 6은 λ/2의 오픈 스터브만 사용한 경우의 BPF 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 BPF의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 기술적 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역 통과 특성을 갖는 BPF의 패턴 구조를 입체적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 패턴 구조의 등가 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 스터브 패턴의 구조를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 실제 설계된 광대역 필터의 설계값을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 광대역 필터의 동작특성을 보여주는 그래프이다.

전술한 바와 같이, 광대역 특성과 스퓨리어스 제거(spurious rejection) 특성을 좋게 하기 위해서는 도파관을 이용한 cavity 필터가 가장 우수한 성능을 가지고 있다. 하지만, 이는 소형 경량화에 적합하지 못한 단점을 가지고 있다. 소형 경량화에 편리한 기판에 패턴을 이용한 필터가 가장 좋으나 이는 광대역 특성과 스퓨리어스 제거(spurious rejection)를 모두 향상시키는 것이 어렵다. 이에 본 발명에서는 소형 경량화를 위한 패턴 형태의 필터가 개시되고, 특성은 캐비티(cavity) 필터에 근접할 수 있는 광대역 필터가 개시된다. 아래의 설명에서는 대역 통과 특성을 갖는 광대역 필터를 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 저역 통과 특성 또는 고역 통과 특성의 광대역 필터에도 적용될 수 있음은 아래의 설명을 통해 당업자라면 충분히 이해될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 필터에 대해 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명을 이해하는 데 도움이 되거나 본 발명에 적용될 수 있는 기술적 개념에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 전송 선로 패턴을 이용한 BPF 구조를 보여주는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 BPF의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전송 선로 패턴을 이용하여 BPF를 구현하는 경우, 직렬로 연결된 λ/4의 전송 선로들(30)과 각 전송 선로의 양 단과 접지를 연결하는 λ/4 쇼트 스터브들(50)을 이용하여 BPF를 구현할 수 있다. 즉, λ/4 쇼트 스터브를 각 전송 선로들 사이에 연결함으로써, 도 4에 도시된 바와 같은 BPF의 특성을 구현할 수 있다. 이와 같이, λ/4 쇼트 스터브들(50)만을 사용하여 BPF를 구현하면, 각 쇼트 스터브의 임피던스를 매우 낮게 설계해야 한다. 일례로, 전송선로는 57Ω, 각 스터브는 11.67, 12.06, 5.912, 9.919, 5.788와 같이 매우 낮은 임피던스를 설계될 수 있는데, 이 각 스터브의 값들을 스트립라인 또는 마이크로 스트립라인으로 구현하게 되면, 각 스터브의 선폭을 매우 크게 설계해야 한다. 이 경우, 선폭이 λ/4 길이에 근접하게 되므로, 실제 구현은 불가능하다. 이를 개선하기 위해 실제 구현 가능한 임피던스로 조절하여 구현해야 하는데, 이 경우, 전체 필터의 차수는 늘어나게 된다. 이를 보완하기 위해, λ/4의 쇼트 스터브와 λ/2의 오픈 스터브를 함께 설계하는 방법을 고려해 볼 수 있다.

도 5는 동일한 주파수 대역에서 λ/4의 쇼트 스터브를 사용한 경우와 λ/2의 오픈 스터브를 사용한 경우의 임피던스 변화를 스미스 차트에서 보여주는 도면으로서, 도 5의 (a)는 쇼트 스터브를 사용한 경우 스미스 차트에서 나타나는 임피던스 변화이고, (b)는 오픈 스터브를 사용한 경우 스미스 차트에서 나타나는 임피던스 변화를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 오픈 스터브를 λ/2의 길이로 설계하는 경우, λ/4의 길이보다 길기 때문에 실제 주파수 변화에 따른 임피던스의 변화가 빠르다. 즉, λ/2의 오픈 스터브를 이용한 BPF는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 임피던스의 변화가 빠르기 때문에 임피던스의 변화를 나타내는 회전 거리(d2)가 스미스 차트 상에서 원형으로 길게 나타나지만, 동일한 주파수 대역에서 λ/4의 쇼트 스터브를 이용한 BPF는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 임피던스의 변화가 느리기 때문에 임피던스의 변화를 나타내는 회전 거리(d1)가 스미스 차트 상에서 짧은 곡선으로만 나타난다. 이는 오픈 스터브가 쇼트 스터브에 비해 더 양호한 협대역 특성을 제공함을 의미한다. 결론적으로 λ/2의 오픈 스터브를 이용하여 BPF를 구현하게 되면, Q 값(대역폭)이 높은 스터브를 전송선로에 연결한 것과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 λ/2의 오픈 스터브만 사용한 경우의 BPF 구조를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 BPF의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 특정 주파수 대역에서는 각 전송 선로 사이에 연결된 스터브를 λ/2의 오픈 스터브로만 구성할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 오픈 스터브가 양호한 협대역 특성을 제공하지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 낮은 임피던스 대역에서 스퓨리어스 제거(spurious Rejection) 특성이 좋지 못한 단점이 있어 BPF의 특성보다는 HPF 특성이 더 강하다.

이에 본 발명에서는 도 6과 같은 오픈 스터브만 구현된 필터는 스퓨리어스 제거 특성이 나쁘므로, 이를 개선하기 위해 도 8의 (a)의 그래프와 같은 동작 특성을 제공하는 BPF를 도 8의 (b)의 그래프와 같은 동작 특성을 제공하는 도 6의 필터에 결합함으로써, 양호하지 못한 스퓨리어스 제거 특성을 보완하는 방안을 제공한다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역 통과 특성을 갖는 BPF의 패턴 구조를 입체적으로 보여주는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 패턴 구조의 등가 회로도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 BPF는 도 8의 (a)와 같은 동작 특성을 나타내는 필터와 도 8의 (b)와 같은 동작 특성을 나타내는 필터를 결합하기 위해, 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 번갈아 가며 사용하는 구조를 제공한다.

구체적으로, 발명의 일 실시 예에 따른 BPF는 상층에 형성되는 전송 선로(110), 하층 전면에 걸쳐 형성되는 접지 플레인(150) 및 상기 상층과 상기 하층의 중간층에 형성된 유전체 기판(130)을 포함한다.

상기 전송 선로(110)는 일방향으로 연장되는 전송 선로 패턴(112)과, 도 8의 (a)의 동작 특성과 도 8의 (b)의 동작 특성을 결합하기 위해, 상기 전송 선로 패턴(112)의 연장 방향에 수직방향으로 연장되는 스터브(114, 116)을 포함한다.

상기 전송 선로 패턴(112)은 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 포트(P1)와 제2 포트(P2)를 연결하는 다수의 라인 패턴(L1~L12)을 포함하며, 본 실시 예에서는 설계자에 의해 설정된 소정의 길이(Length)로 구분되는 12개의 라인 패턴(L1~L12)을 포함하며, 각 라인 패턴의 선폭(Width)은 동일하게 설계된다.

상기 스터브(114, 116)는 상기 전송 선로 패턴의 연장방향에 수직한 방향으로 연장되며, 교대로 형성된 쇼트 스터브(114: SSP1, SSP2, SSP3, ..., SSP8)와 오픈 스터브(116: OSP1, OSP2, OSP3)를 포함한다. 구체적으로, 본 실시 예에 따른 쇼트 스터브(114)는 제1 쇼트 스터브 패턴(SSP1), 제2 내지 제7 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP2~SSP7) 및 제8 쇼트 스터브 패턴(SSP8)을 포함하며, 오픈 스터브(116)는 제1 내지 제3 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP1, OSP2, OSP3)을 포함한다.

쇼트 스터브(114)를 구성하는 제1 쇼트 스터브 패턴(SSP1)은 상기 전송 선로 패턴(112)의 제1 라인 패턴(L1)과 제2 라인 패턴(L2)을 연결하는 노드(N1)와 접지 플레인(150) 사이에 연결된다.

쇼트 스터브(114)를 구성하는 제2 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP2)은 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)과 상기 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)과 대칭된 구조를 갖는 제2-2 쇼트 스터브 패턴(SSP2-2)을 포함한다. 상기 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)은 상기 전송 선로 패턴(112)의 제2 라인 패턴(L2)과 제3 라인 패턴(L3)을 연결하는 노드(N2)와 접지 플레인(150) 사이에 연결되며, 제2-2 쇼트 스터브 패턴(SSP2-2) 또한 상기 전송 선로 패턴(112)의 제2 라인 패턴(L2)과 제3 라인 패턴(L3)을 연결하는 노드(N2)와 접지 플레인(150) 사이에 연결되며, 상기 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)과 동일한 길이 및 선폭을 가지며, 상기 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)의 연장 방향의 반대 방향으로 연장된다. 따라서, 상기 제2-1 쇼트 스터브 패턴(SSP2-1)과 상기 제2-2 쇼트 스터브 패턴(SSP2-2)은 전송 선로를 기준으로 서로 대칭된 구조로 형성된다.

쇼트 스터브(114)를 구성하는 제3 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP3) 또한 상기 제2 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP2)과 유사한 구조로 형성되며, 제3-1 쇼트 스터브 패턴(SSP3-1)과 제3-2 쇼트 스터브 패턴(SSP3-2)을 포함한다. 상기 제3-1 쇼트 스터브 패턴(SSP3-1)는 제3 라인 패턴(L3)과 제4 라인 패턴(L4)을 연결하는 노드(N3)와 접지 플레인(150) 사이에 연결되며, 상기 제3-2 쇼트 스터브 패턴(SSP3-1)은 상기 제3-1 쇼트 스터브 패턴(SSP3-1)과 대칭된 구조를 갖는다.

유사하게, 제4 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP4)이 전송 라인(112)에 연결된다.

오픈 스터브(114)를 구성하는 제1 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP1)은 제1-1 오픈 스터브 패턴(OSP1-1)과 제1-2 오픈 스터브 패턴(OSP1-2)을 포함하여, 제3 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP3)과 제4 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP4) 사이에 형성된다. 상기 제1-1 오픈 스터브 패턴(OSP1-1)은 전송 선로(112)를 구성하는 제4 라인 패턴(L4)과 제5 라인 패턴(L5)를 연결하는 노드(N4)에 연결되어, 상기 전송 선로(112)의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장된다. 제1-2 오픈 스터브 패턴(OSP1-2)은 또한 상기 노드(N4)에 연결되어 상기 제1-1 오픈 스터브 패턴(OSP1-1)의 연장 방향의 반대 방향으로 연장된다. 따라서, 전송 선로(112)를 기준으로 제1-1 오픈 스터브 패턴(OSP1-1)과 제1-2 오픈 스터브 패턴(OSP1-2)는 대칭된 구조로 형성된다.

오픈 스터브(114)를 구성하는 제2 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP2)은 제4 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP4)과 제5 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP5) 사이에 형성되며, 길이와 선폭을 달리할 뿐, 제1 오픈 스터브 패턴 쌍과 동일한 연결구조로 상기 전송 선로 패턴(112)에 연결된다. 한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 BPF의 스터브들의 구조는 상기 제2 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP2)을 기준으로 좌우가 대칭된 구조를 갖는다. 따라서, 제5 내지 제7 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP5~SSP7), 제8 쇼트 스터브 패턴(SSP8) 및 제3 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP3)에 대한 설명은 제2 내지 4 쇼트 스터브 패턴 쌍(SSP2~SSP4), 제1 쇼트 스터브 패턴(SSP1) 및 제1 오픈 스터브 패턴 쌍(OSP1)에 대한 설명으로 각각 대신한다. 또한, 설계에 따라 각 스터브 패턴의 형태는 다양하게 구현될 수 있으며, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 본 실시 예에서는 도 11에 도시된 바와 같이, 각 스터브 패턴은 제1 패턴(13)과 상기 제1 패턴(13)으로부터 연장되는 제2 패턴(15)을 포함하며, 상기 제1 패턴(13)의 선폭은 제1 선폭(W1)에서 상기 제1 선폭(W1)보다 큰 제2 선폭(W2)으로 확장되고, 상기 제2 패턴(15)의 선폭은 상기 제2 선폭(W2)을 유지하도록 구성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 전송 선로로부터 연장되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 교대로 배치함으로써, 도 8의 (a)와 같은 동작 특성과 도 8의 (b)의 동작 특성을 결합한 성능 향상을 꾀할 수 있게 된다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 실제 설계된 광대역 필터의 설계값을 보여주는 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이 표기된 설계값으로 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 교대로 배치한 결과 14~18 GHz의 BPF를 구현할 수 있었다. 이때, 사용된 유전체 기판의 유전율(ε_r)은 6.8이고, 기판 두께(t)는 0.15mm이다. 아래의 표 1은 14~18 GHz의 BPF에서 각 스터브의 임피던스를 나타낸 것이다.

	특성임피던스 (Characteristic Impedance)	Line Width (εr =6.8, t=0.15mm)
Zo(도 10의 SSP1 또는 SSP8)	46.9	0.25 mm
Z1(도 10의 SSP2 또는 SSP7)	17.2	1.00 mm
Z2(도 10의 SSP3 또는 SSP6)	32.2	0.45 mm
Z3(도 10의 OSP1 또는 SSP3)	29.9	0.50 mm
Z4(도 10의 SSP4 또는 SSP5)	29.9	0.50 mm
Z5(도 10의 OSP2)	27.9	0.55 mm

위와 같이 설계된 광대역 필터를 시뮬레이션 한 결과, 도 13에 도시된 바와 같이, 60 dB의 스퓨리어스 (spurious rejection) 특성과 우수한 필터 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 도 6과 같은 λ/2의 오픈 스터브를 갖는 필터에 도 8의 (a)와 같은 동작 특성을 제공하는 BPF를 결합하기 위해, λ/2의 오픈 스터브의 사이에 λ/4의 쇼트 스터브를 주기적으로 배치되도록 PCB, LTCC, 세라믹 기판 등에 패턴을 형성함으로써, Fractinal bandwith 23 % 이상, spurious rejection 특성이 60 dB 이상인 BPF를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 쇼트 스터브와 오픈 스터브를 동시 사용하여 차수를 줄이고, 소형 가능한 광대역 필터를 제공할 수 있게 된다.

이상 바람직한 실시 예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 다층 구조의 광대역 필터에 있어서,
   상층에 형성되는 다단 구조의 전송 선로;
   하층 전면에 걸쳐 형성되는 접지 플레인; 및
   상기 상층과 상기 하층의 중간층에 형성된 유전체 기판(130)을 포함하고,
   상기 전송 선로는,
   일방향으로 연장되는 전송 선로 패턴과, 상기 전송 선로 패턴의 연장방향으로 교대로 형성되는 쇼트 스터브와 오픈 스터브를 포함하는 스터브 패턴을 포함하고,
   상기 쇼트 스터브 및 상기 오픈 스터브는 상기 전송 선로 패턴을 기준으로 대칭된 구조의 쌍을 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 필터.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 쇼트 스터브와 상기 오픈 스터브 각각은,
   제1 패턴과 상기 제1 패턴으로부터 연장되는 제2 패턴을 포함하며,
   상기 제1 패턴의 선폭은 제1 선폭에서 상기 제1 선폭보다 큰 제2 선폭(W2)으로 확장되고, 상기 제2 패턴의 선폭은 상기 제2 선폭을 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 필터.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 스터브 패턴은 적어도 3개의 홀수 단으로 이루어져, 상기 오픈 스터브가 중심 단을 형성하고,
   상기 스터브 패턴은, 상기 중심단을 형성하는 오픈 스터브를 기준으로 대칭된 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 필터.

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