KR102203271B1 - 하모닉 제거용 필터 - Google Patents

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Abstract

하모닉 제거용 필터가 제공된다. 이 필터는 특정 대역의 주파수를 통과시키는 대역 통과 필터 및 상기 대역 통과 필터의 전단 및 후단에 각각 구비된 하모닉 제거용 공진기를 포함하고, 상기 하모닉 제거용 공진기는 스터브(stub)로 구현됨을 특징으로 한다.

Description

하모닉 제거용 필터{FILTER FOR HARMONIC REJECTION}
본 발명은 무선 기기 분야에서 사용되는 필터에 관한 것으로서, 특히 하모닉 제거 특성을 갖는 필터에 대한 것이다.
필터는 특정 대역의 주파수들을 통과 또는 제거하기 위한 소자로 통신, 신호 생성, 신호 처리, 신호 출력 등에 있어 필수적인 소자이다. 필터에 의한 필터링 과정에서 필연적으로 기본 주파수(Fundamental Frequency)의 하모닉(harmonic)이 발생하는데, 하모닉은 고조파라 불리며, 기본 주파수의 배수 주파수 성분으로 정의된다.
이러한 하모닉은 기본 주파수의 피크(peak) 값에 영향을 주기 때문에, 신호 처리에 많은 문제를 발생하게 된다. 따라서, 하모닉 성분들은 제거되어야 한다.
앰프의 출력단에 특정 주파수 대역만을 통과시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)가 설계되는 경우, BPF의 특성상, 상기 앰프의 주파수에서 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)의 제거가 힘들기 때문에, 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 제거하기 위해, 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)가 사용될 수 있다.
즉, 앰프의 출력단에 BPF와 LPF가 모두 설계되어야 하는데, 이럴 경우, 2개의 필터가 설계되므로, 필터의 소형화가 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 하나의 BPF를 이용하여 제거하고, 상기 하나의 BPF를 기판 내에 3차원 구조로 형성함으로써 소형으로 구현되는 하모닉 제거용 공진기를 갖는 필터를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 하모닉 제거용 필터는 특정 대역의 주파수를 통과시키는 대역 통과 필터 및 상기 대역 통과 필터의 전단 및 후단에 각각 구비된 하모닉 제거용 공진기를 포함한다. 여기서, 상기 하모닉 제거용 공진기는 스터브(stub)로 구현됨을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 하모닉 제거용 필터는, 입력 및 출력 포트와, 상기 입력 포트를 통해 입력되는 입력 신호의 주파수 대역 내에서 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 통과된 특정 주파수 대역의 신호를 통해 출력하는 대역 통과 필터와, 상기 입력 포트와 상기 대역 통과 필터를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제1 하모닉 제거용 공진기 및 상기 대역 통과 필터와 상기 출력 포트를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제2 하모닉 제거용 공진기를 포함한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기 각각은 상기 전송 선로에 연결된 스터브 및 상기 스터브와 직렬 연결되어, 상기 스터브를 접지시키는 커패시터를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, BPF에 스터브(stub) 패턴의 공진기를 추가하여, 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 제거하고, 동시에 스터브(stub) 패턴의 공진기를 갖는 BPF를 기판 내에 3차원 구조로 형성함으로써, 소형으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 하모닉 제거용 필터를 3차원 구조로 구현한 입체도이다.
도 5a 내지 도 5e는 도 4에 도시된 3차원 구조로 구현된 하모닉 제거용 필터를 구현하기 위한 각층의 배치도이다.
도 6은 종래와 본 발명 간의 하모닉 제거 특성을 비교 설명하기 위해 나타낸 특성 그래프이다.
본 발명에 따른 하모닉 제거용 필터는 LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)을 이용한 적층형 필터에 적용되어 소형의 적층형 필터로 구현된다.
또한 본 발명에 따른 하모닉 제거용 필터는 전단으로부터 입력되는 기본 주파수의 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 제거하기 위해, 스터브 패턴의 공진기가 추가로 설계된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터(100)는 입력 포트(Pin)를 통해 입력되는 입력 신호의 주파수 대역 내에서 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 통과된 특정 주파수 대역의 신호를 출력 포트(Pout)를 통해 출력하는 BPF(Band Pass Filter)(110)와, 상기 입력 포트(Pin)와 상기 BPF(110)을 연결하는 전송 선로(TL)와 접지 사이에 연결되는 제1 하모닉 제거용 공진기(120) 및 상기 출력 포트(Pout)와 상기 BPF(110)를 연결하는 전송 선로(TL)와 접지 사이에 연결되는 제2 하모닉 제거용 공진기(130)를 포함한다.
상기 BPF(110)는 콤 라인(comb line) 구조로 구현되어, LC 병렬 공진기(112)와, 상기 LC 병렬 공진기(112)에 의해 연결되는 2개의 공진기들(114, 116)을 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 공진기(114)는 상기 입력 포트(Pin)와 전기적으로 연결되는 입력 노드(Nin)와, 상기 입력 노드(Nin)에 공통으로 연결되는 오픈 스터브(114a)와 쇼트 스터브(114b)를 포함하도록 구성된다. 여기서, 오픈 스터브(114a)가 'x'의 길이로 오픈될 때, 쇼트 스터브(114b)는 'λ/4 - x'의 길이로 접지되도록 구성된다. 제2 공진기(116)는 상기 출력 포트(Pin)와 전기적으로 연결되는 출력 노드(Nout)와, 상기 입력 노드(Nin)에 공통으로 연결되는 오픈 스터브(116a)와 쇼트 스터브(116b)를 포함하도록 구성된다. 여기서, 오픈 스터브(116a)와 쇼트 스터브(116b)은 제1 공진기(114)에 포함된 오픈 스터브(114a)와 쇼트 스터브(114b)와 각각 동일한 구조로 설계된다.
상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(120, 130)는 각각 입력 포트(Pin)를 통해 입력되는 입력 신호의 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 제거하는 역할을 한다.
이를 위해, 제1 하모닉 제거용 공진기(120)는 상기 입력 포트(Pin)와 상기 BPF(110)을 연결하는 전송 선로(TL)와 접지 사이에 연결되어, 'λ/4'의 길이로 접지되는 쇼트 스터브(122)로 구현된다. 또한, 제2 하모닉 제거용 공진기(130)는 상기 출력 포트(Pout)와 상기 BPF(110)를 연결하는 전송 선로(TL)와 접지 사이에 연결되어, 'λ/4'의 길이로 접지되는 쇼트 스터브(132)로 구현된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(120, 130)의 각 쇼트 스터브에 적용되는 길이 'λ'는 상기 BPF(110)에서 사용하는 주파수에 해당하는 길이가 아니라 2nd 하모닉 또는 3rd 하모닉에 해당하는 길이이다. 즉, 3rd 하모닉을 제거하는 경우, 상기 BPF(110)의 필터 통과 대역이 5GHz인 경우, 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(120, 130)에 적용되는 'λ'는 15GHz(5GHz *3)에 해당한다.
만약, 4th 하모닉, 5th 하모닉을 제거하는 경우에는, 필터 통과 대역의 4배 및 5배에 해당하는 'λ'가 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(120, 130)를 구성하는 각 쇼트 스터브(122, 132)에 적용된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터(200)는 도 1에서 설명한 하모닉 제거용 필터(100)와 동일한 구성 및 기능을 가지며, 다만, BPF(110)의 양단에 연결되는 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(220, 230)에서 차이가 있다. 따라서, 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터(200)에 구비된 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(220, 230)는 도 1의 하모닉 제거용 공진기(120, 130)와 는 달리 오픈 스터브(222, 232)로 각각 구현된다. 여기서, 각 오픈 스터브(222, 232)는 도 2에 도시된 바와 같이, 'λ/2'의 길이로 오픈되어, 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)을 제거하도록 구성된다.
도 1의 일 실시 예와 마찬가지로, 상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(220, 230)의 각 오픈 스터브에 적용되는 길이 'λ'는 상기 BPF(110)에서 사용하는 주파수에 해당하는 길이가 아니라 2nd 하모닉 또는 3rd 하모닉에 해당하는 길이이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터의 등가 회로도이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서 설명한 하모닉 제거용 공진기를 구성하는 쇼트 스터브의 길이가 'λ/4'보다 더 작게 구성하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터(300)에서는, 쇼트 스터브와 커패시터가 결합된 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(320, 330)가 BPF(110)의 양단에 연결된 구조로 구현된다.
구체적으로, 제1 하모닉 제거용 공진기(320)는 일단이 전송 선로(TL)에 연결되는 스터브(322)와 상기 스터브(322)의 타단과 접지를 연결하는 커패시터(324)로 구현된다. 이때, BPF(110) 내의 공진기(114, 116)에 포함된 오픈 스터브(114a, 116a)가 'x'의 길이로 구현되는 경우, 상기 스터브(322)는 'λ/4 - x'의 길이를 가지며, 상기 커패시터(324)를 통해 접지되도록 구성된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 하모닉 제거용 필터(300)에 설계되는 제1 하모닉 제거용 공진기(320)는 도 1의 하모닉 제거용 공진기(120, 130)를 구성하는 쇼트 스터브(122)의 길이(λ/4)보다 더 짧은 길이(λ/4 - x)를 갖는 쇼트 스터브로 기능한다.
제2 하모닉 제거용 공진기(330)는 제1 하모닉 제거용 공진기(320)와 동일한 구성 및 기능을 가지며, 따라서, 제2 하모닉 제거용 공진기(330) 또한 도 1의 하모닉 제거용 공진기(120, 130)를 구성하는 쇼트 스터브의 길이(λ/4)보다 더 짧은 길이(λ/4 - x)를 가지며, 커패시터에 의해 접지되는 쇼트 스터브로 기능한다.
도 4는 도 3에 도시된 하모닉 제거용 필터를 3차원 구조로 구현한 입체도이고, 도 5a 내지 도 5e는 도 4에 도시된 3차원 구조로 구현된 하모닉 제거용 필터를 구현하기 위한 각층의 배치도이다. 이해를 돕기 위해, 도 3이 함께 참조된다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 하모닉 제거용 필터(300)는 LTCC 공정에 따라 기판(30) 내에서 3차원 구조를 갖는 적층형 필터로 구현됨으로써, 소형화될 수 있다. 여기서, 상기 기판(30)은 다층 구조를 가지며, 도 3에 도시된 하모닉 제거용 필터(300)는 5개의 층에 각각 패터닝된 다수의 패턴들로 구현될 수 있다.
제1 층(31)
도 5a를 참조하면, 제1 층(31)은, 탑(Top) 층으로서, 탑(Top) 층에는 전체 걸쳐 형성된 접지판이 구비된다.
제2 층(33)
도 5b를 참조하면, 제2 층(33)은 상기 탑 층(31)의 아래에 배치된 층으로서, 상기 제2층(31)에는 입력 포트(Pin)와 출력 포트(Pin)를 연결하는 전송 라인(TL)과, 상기 전송 라인(TL) 상에 형성되는 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기(320, 330)를 구성하는 쇼트 스터브(322, 332), LC 병렬 공진기(112)에 의해 연결되는 2개의 공진기들(114, 116)과, 상기 LC 병렬 공진기(112)의 인덕터(112a)가 패터닝된다.
구체적으로, 상기 전송 라인(TL)은 일단이 상기 입력 포트(Pin)와 연결되고 일 방향을 연장되는 제1 전송 라인(TL1)과 상기 제1 전송 라인(TL1)과 동일 선상에서 연장되어 일단이 상기 출력 포트(Pout)와 연결되는 제2 전송 라인(TL2)을 포함한다.
제1 하모닉 제거용 공진기(320)를 구성하는 쇼트 스터브(322)는 제1 전송 라인 패턴(TL1)의 수직방향으로 (λ/4 - x) 길이를 갖도록 제1 패턴(P1)으로 구현되고, 상기 제2 하모닉 제거용 공진기(330)를 구성하는 쇼트 스터브(332)는 제2 전송 라인 패턴(TL2)의 수직방향으로 (λ/4 - x) 길이를 갖도록 제2 패턴(P2)으로 구현된다.
LC 병렬 공진기(112)에 연결되는 공진기(114)의 오픈 스터브(114a)는 일단이 제1 전송 라인(TL1)의 타단부에 연결되어 제1 전송 라인(TL1)의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장되는 제3 패턴(P3)으로 구현되고, 상기 공진기(114)의 쇼트 스터브(114b)는 상기 오픈 스터브(114a)의 연장 방향과 동일한 방향으로 상기 오픈 스터브(114a)의 타단부로부터 연장되도록 제4 패턴(P4)으로 구현된다.
LC 병렬 공진기(112)에 연결되는 공진기(116)의 오픈 스터브(116a)는 일단이 제2 전송 라인(TL2)의 타단부에 연결되어 제1 전송 라인(TL1)의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장되는 제5 패턴(P5)으로 구현되고, 상기 공진기(116)의 쇼트 스터브(116b)는 상기 오픈 스터브(116a)의 연장 방향과 동일한 방향으로 상기 오픈 스터브(114a)의 타단부로부터 연장되도록 제6 패턴(P6)으로 구현된다.
상기 LC 병렬 공진기(112)의 인덕터(112a)는 상기 제3 패턴(P3)과 상기 제4 패턴(P4)을 연결하는 제7 패턴(P7)으로 구현되며, 이때, 상기 인덕터(112a)의 길이는 제7 패턴(P7)의 길이(L2), 상기 제1 전송 라인(TL1)의 타단부로부터 상기 제7 패턴(P7)의 한쪽 단부까지의 거리에 해당하는 제3 패턴의 일부 길이(L1) 및 상기 제2 전송 라인(TL2)의 타단부로부터 상기 제7 패턴(P7)의 한쪽 단부까지의 거리에 해당하는 제5 패턴(P5)의 일부 길이(L1)의 합(2 × L1 + L2)으로 정의된다.
제3 층(35)
도 5c를 참조하면, 제3 층(35)에는 상기 LC 병렬 공진기(112)의 커패시터(112b)를 구현하기 위한 제8 패턴(P8)으로 패터닝되며, 상기 제8 패턴(P8)은 제3 패턴(P3)과 제5 패턴(P5) 사이에 수평방향으로 연장된다. 이러한 제8 패턴(P8)은 상기 커패시터(112b)의 한쪽 전극으로 역할 한다.
제4 층(37)
도 5d를 참조하면, 제4 층(37)에는 상기 커패시터(112b)의 한쪽 전극으로 기능하는 상기 제8 패턴(P8)의 양쪽 단부와 각각 오버랩되어, 상기 커패시터(112b)의 다른 쪽 전극을 형성하는 사각 형상의 제9 및 제10 패턴(P9, P10)이 패터닝된다. 여기서, 제9 패턴(P9)은 제3 비아(V3)에 의해 제1 전송 라인(TL1)의 타단부와 연결되고, 제10패턴(P10)은 제4 비아(V4)에 의해 제2 전송 라인(TL2)의 타단부와 연결되어, 제1 공진기(114)와 제2 공진기(116)가 LC 병렬 공진기(112)에 의해 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 제4 층(37)에는 제1 하모닉 제거용 공진기(320)에 포함된 쇼트 스터브(322)와 제5 비아(V5)에 의해 연결되는 상기 커패시터(324)의 한쪽 전극으로 형성되는 사각 형상의 제11 패턴(P11)과 제2 하모닉 제거용 공진기(330)에 포함된 쇼트 스터브(322)와 제6 비아(V6)에 의해 연결되는 상기 커패시터(334)의 한쪽 전극으로 형성되는 사각 형상의 제12 패턴(P12)이 형성된다.
제5 층(39)
도 5e를 참조하면, 제5 층(39)은 바텀(Botgtom) 층으로서, 전면에 걸쳐 접지판이 구비되며, 바텀층(39)에 형성되는 접지판은 상기 커패시터(324)와 상기 커패시터(334)의 다른 쪽 전극을 형성한다.
또한, 바텀 층(39)에 형성되는 접지판은 제1 및 제2 비아(V1, V2)에 의해 제4 패턴 및 제6 패턴(P4, P6)의 끝단부와 전기적으로 연결되어, BPF(110)내에 구성되는 공진기들(114, 116)의 쇼트 스터브(114b, 116b)를 접지시킨다.
이와 같이, 도 3에 도시된 하모닉 제거용 필터(300)는 5개의 층에 각각 패터닝된 제1 내지 제12 패턴(P1 ~ P12)에 의해 3차원 구조로 구현되어, 소형화를 달성할 수 있고, 또한 BPF의 양단에 설계된 스터브 패턴의 하모닉 제거용 공진기에 의해 두 번째 하모닉(2nd harmonic) 및/또는 세 번째 하모닉(3rd harmonic)의 제거 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5a 내지 도 5e의 실시 예로 구현된 하모닉 제거용 필터의 하모닉 제거 특성을 살펴보면, 종전의 필터에서는 도 6의 (a)의 특성 그래프에서 볼 수 있듯이, 15GHz에서 3rd 하모닉이 제거되지 못하였으나, 도 1 내지 도 3의 실시 예로 구현된 하모닉 제거용 필터 모두에서 도 6의 (b)의 특성 그래프에서 볼 수 있듯이, 15GHz에서 3rd 하모닉의 제거 특성이 개선되었음을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 특정 대역의 주파수를 통과시키는 필터로서, LC 병렬 공진기, 상기 LC 병렬 공진기에 의해 연결되는 제1 및 제2 공진기를 포함하는 대역 통과 필터; 및
    입력 포트와 상기 제1 공진기를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제1 하모닉 제거용 공진기 및 출력 포트와 상기 제2 공진기를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제2 하모닉 제거용 공진기를 포함하는 하모닉 제거용 공진기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기 각각은 스터브(stub)이고,
    상기 스터브에 적용되는 길이 'λ'는 상기 대역 통과 필터에서 사용하는 주파수에 해당하는 길이가 아니라 n번째 하모닉에 해당하는 길이이고,
    상기 λ는,
    상기 대역 통과 필터에서 사용하는 주파수가 k인 경우, 상기 k와 상기 n을 곱셈한 길이인 것을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스터브는,
    λ/4의 길이로 접지되는 쇼트 스터브임을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스터브는,
    λ/2의 길이로 개방되는 오픈 스터브임을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
  4. 입력 및 출력 포트;
    상기 입력 포트를 통해 입력되는 입력 신호의 주파수 대역 내에서 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 필터로서, LC 병렬 공진기, 상기 LC 병렬 공진기에 의해 연결되는 제1 및 제2 공진기를 포함하는 대역 통과 필터;
    상기 입력 포트와 상기 제1 공진기를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제1 하모닉 제거용 공진기 및
    상기 제2 공진기와 상기 출력 포트를 연결하는 전송 선로와 접지를 연결하는 제2 하모닉 제거용 공진기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기 각각은,
    상기 전송 선로에 연결된 스터브; 및
    상기 스터브와 직렬 연결되어, 상기 스터브를 접지시키는 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 공진기는 상기 입력 포트와 연결되는 입력 노드에 공통으로 연결되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함하고, 상기 제2 공진기는 상기 출력 포트와 연결되는 출력 노드에 공통으로 연결되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함하고,
    상기 스터브는 상기 제1 및 제2 공진기 각각에 포함된 오픈 스터브가 x의 길이로 개방되는 경우, 상기 커패시터에 의해 'λ/4 - x'의 길이로 접지되는 쇼트 스터브로 기능함을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 대역 통과 필터는,
    상기 입력 포트와 연결되는 입력 노드에 공통으로 연결되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함하는 제1 공진기;
    상기 출력 포트와 연결되는 출력 노드에 공통으로 연결되는 오픈 스터브와 쇼트 스터브를 포함하는 제2 공진기; 및
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기를 연결하는 LC 병렬 공진기를 포함함을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 하모닉 제거용 공진기 각각에 포함된 상기 스터브는,
    상기 제1 및 제2 공진기 각각에 포함된 오픈 스터브가 x의 길이로 개방되는 경우, 상기 커패시터에 의해 'λ/4 - x'의 길이로 접지되는 쇼트 스터브로 기능함을 특징으로 하는 하모닉 제거용 필터.
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