KR102233942B1 - 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 pcb 구조의 광대역 필터 - Google Patents

신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 pcb 구조의 광대역 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 이동통신에서 4G와 5G의 주파수대를 모두 커버할 수 있고 신호의 위상 밸런스를 최소화하기 위한 PCB 구조의 광대역 필터를 개시한다.
개시된 광대역 필터는 PCB 기판과, 상기 PCB 기판을 실장하기 위한 하우징을 포함한다. 상기 PCB 기판은 4G 입출력포트와, 5G 입출력포트, 안테나 입출력포트, 상기 4G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 저역통과필터(LPF) 기능을 하는 4G 필터부, 상기 5G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 고역통과필터(HPF) 기능을 하는 5G 필터부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, LC 공진기의 형성과 필터(Filter)의 대역을 형성하는 커플링 선로의 형상을 PCB 기판에 고정 형성하여 위상 지연 특성에 영향을 주는 튜닝 공정을 제거함으로써 생산성을 향상시킬 수 있음과 아울러 원가를 절감할 수 있다.

Description

신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터{Wide band filter of PCB structure for minimizing the phase balance of the signal}
본 발명은 이동통신용 광대역 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 4G와 5G의 주파수대를 모두 커버할 수 있고 신호의 위상 밸런스를 최소화하기 위한 PCB 구조의 광대역 필터에 관한 것이다.
일반적으로, 필터는 L(inductance)과 C(capacitance)의 조합에 따라 나타나는 주파수 선택 소자로서, 대역통과 특성에 따라 LPF(Low Pass Filter), HPF(High Pass Filter), BPF(Band Pass Filter), BSF(Band Stop Filter)로 구분된다.
필터의 특성은 삽입손실(Insertion loss)과 스커트(Skirt), 군지연(Group delay) 특성 등으로 평가될 수 있다. 삽입손실이란 신호가 필터를 통과하면서 발생되는 손실 전력을 의미하고, 스커트는 통과대역과 저지대역을 구분하는 기울기의 각도(sharpness)로서 필터의 구조에서 차수(Order)와 관계된다. 통상 차수가 증가하면 스커트 특성은 좋아지나 삽입손실과 군지연(Group delay)은 증가하게 된다. 여기서, 군지연(Group Delay;GD)이란 'GD = δθ/δω', 즉, 각주파수(ω)에 따른 위상 θ의 변화량을 의미하며, 주파수별로 신호가 지연되는 상대적인 시간을 나타낸다.
또한 필터는 통과특성과 스커트특성(이를 필터 응답이라 함)에 따라 통과대역이 편평한 버터워쓰(Butterworth)와 리플(ripple)이 일정한 체비세프(Chebyshev), 군지연(Group delay) 특성이 양호한 bessel/Gauhssian, 스커트 특성이 양호한 Elliptic type 등으로 구분할 수 있다.
그리고 필터는 구현 형태에 따라 Lumped Element, Microstrip/Stripline, Ceramic/dielectric, Waveguide, Saw(Surface Acoustic Wave) 방식으로 구분할 수 있다.
한편, 5G 이동통신에서는 채널용량을 극대화시키고 신호의 신뢰성을 확보하기 위해 다수의 안테나를 사용하는 Massive MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템을 채택하고 있다. 하나의 안테나에 다수의 필터가 내장되는 Massive MIMO 시스템에서 필터의 위상 지연은 매우 중요한 지표이다. Massive MIMO 시스템에서 내장된 필터의 위상지연이 각기 다를 경우 신호의 왜곡(distortion)을 유발하기 때문에 위상지연을 최소화할 필요가 있다. 즉, 안테나와 직접 연결되어 사용되는 필터의 경우, 필터의 위상특성은 중요한 지표가 된다. 이는 필터의 위상특성으로 인해 안테나에서 생성되는 빔의 형상과 방향이 달라질 수 있기 때문인데, 여러개의 필터가 동시에 안테나와 연결되어 사용되는 경우 필터 간 위상오차를 최소화하는 것이 중요하다.
도 15는 종래 광대역 필터의 캐비티 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
종래에 이동통신 기지국에서 사용되는 캐비티(Cavity) 구조의 필터(filter; 50)는 도 15에 도시된 바와 같이, 하우징(Housing;51), 공진기(Resonator;52), 튜닝볼트(Tuning screw;53) 및 입출력단(50a)의 와이어 루프(Wire Loop;54), 입출력단(50b)의 디스크 루프(Disc Loop; 55) 등의 부품으로 구성된다.
도 15를 참조하면, 캐비티 필터(50)의 경우, 각 캐비티의 공진 주파수를 조정하는 튜닝볼트(53)와 캐비티 간 결합량을 조절하는 튜닝볼트(53')들이 필터의 특성을 튜닝하는 과정에서 모든 필터에 똑같이 적용되기 어렵기 때문에 필터간 위상오차가 발생된다.
또한 필터의 입력단이나 출력단(50a 또는 50b)에서 사용되는 단락형 Wire Loop(54) 또는 개방형 Disc Loop(55)의 경우도 수작업으로 인해 조립 결과가 일률적이지 않기 때문에 위상오차의 요인이 될 수 있다.
따라서 캐비티 필터의 경우, 제조 공차로 인한 전기적 특성을 조정하고, 필요한 주파수의 공진 및 통과대역의 형성을 위해 튜닝볼트(53,53')로 튜닝을 진행할 필요가 있다.
그런데 튜닝볼트를 조정하는 튜닝작업은 숙련된 작업자에 의해서 이루어지더라도 동일한 위상 지연 특성을 갖도록 하기 위해서는 많은 시간과 노력이 요구되고, 이러한 튜닝 공정으로 인해 각 필터(Filter)의 위상 지연 특성의 편차가 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 종래 캐비티(Cavity) 구조의 필터(Filter)가 가지고 있는 위상지연의 편차를 해소하여 일률적인 위상 지연의 특성을 확보할 수 있는 PCB 구조의 광대역 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 PCB 구조의 광대역 필터를 개시한다.
개시된 광대역 필터는 PCB 기판과, 상기 PCB 기판을 실장하기 위한 하우징을 포함한다. 상기 PCB 기판은 4G 입출력포트와, 5G 입출력포트, 안테나 입출력포트, 상기 4G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 저역통과필터(LPF) 기능을 하는 4G 필터부, 상기 5G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 고역통과필터(HPF) 기능을 하는 5G 필터부를 포함한다.
상기 하우징은 상기 4G 필터부와 상기 5G 필터부 사이에 배치되어 선로 간 결합되는 전기적인 신호를 차단하기 위한 격리부와, 상기 하우징에 의해 신호가 공진되어 발생하는 불필요한 신호들을 제거하는 이상 공진 억제봉을 포함할 수 있다.
상기 4G 필터부는 제1 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제1 스터브와, 제2 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제2 스터브와, 제3 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제3 스터브와, 상기 4G 입출력포트와 상기 제1 스터브 사이를 연결하는 제1 스트립라인과, 상기 제1 스터브와 상기 제2 스터브를 연결하는 제2 스트립라인과, 상기 제2 스터브와 상기 제3 스터부사이를 연결하는 제3 스트립라인과, 상기 제3 스터브와 상기 안테나 입출포트를 연결하는 제4 스트립라인을 포함한다.
상기 5G 필터부는 제4 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제4 스터브와, 제5 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제5 스터브와, 상기 5G 입출력포트와 상기 제4 스터브를 연결하는 제1 오픈 커플링부와, 상기 제4 스터브와 상기 제5 스터브 사이를 연결하는 제2 오픈 커플링부와, 상기 제5 스터브와 상기 안테나 입출력포트 사이를 연결하는 제3 오픈 커플링부를 포함한다.
상기 광대역 필터는 기지국 안테나에 실장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, LC 공진기의 형성과 필터(Filter)의 대역을 형성하는 커플링 선로의 형상을 PCB 기판에 고정 형성하여 위상 지연 특성에 영향을 주는 튜닝 공정을 제거함으로써 생산성을 향상시킬 수 있음과 아울러 원가를 절감할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 PCB 구조의 필터는 무 튜닝 방식으로 일률적인 위상 지연 특성을 구현할 수 있고, 따라서 차세대(G5) 이동통신의 Massive MIMO 시스템에 적용할 경우에 위상 지연 특성을 크게 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 PCB 기판의 탑(Top)면 패턴도,
도 3은 도 1에 도시된 PCB 기판의 보텀(Bottom)면 패턴도,
도 4는 도 1에 도시된 스터브의 구현 예,
도 5는 도 1에 도시된 오픈 커플링부의 구현 예,
도 6은 도 1에 도시된 광대역 필터의 S 파라메터 특성 그래프,
도 7은 도 1에 도시된 4G 필터부의 S파라메터 특성 그래프,
도 8은 도 1에 도시된 4G 필터부의 위상 특성 그래프,
도 9는 도 1에 도시된 5G 필터부의 S파라메터 특성 그래프,
도 10은 도 1에 도시된 5G 필터부의 위상 특성 그래프,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 4G 필터부의 등가 회로도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 4G 필터부의 특성 그래프,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 5G 필터부의 등가 회로도,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 5G 필터부의 특성 그래프,
도 15는 종래 광대역 필터의 캐비티 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터(이하, 간단히 '광대역 필터'라 함)를 도시한 도면이다.
먼저, PCB 구조의 광대역 필터(100)는 수 GHz의 고주파 대역에서 전송선로(Transmission line)를 이용하여 필터를 구현한 것이다. 대표적으로 PCB 기판(10)의 양면에 Microstrip이나 Stripline을 이용하여 선로간의 커플링, 선로상의 공진, 다중 임피던스 연결의 원리를 이용하여 필터를 구현한다.
이러한 광대역 필터는 이동통신기술에서 멀티밴드를 구현하기 위해 사용될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 다음 표 1과 같이 4G 이동통신망 대역과 5G 이동통신망 대역으로 멀티밴드를 구현한 것을 예로들어 설명한다.
4G 이동통신 주파수 대역 5G 이동통신 주파수 대역
728~793 MHz 3440~3520 MHz(4G)
830~890 MHz 3600~4200 MHz
1448~1511 MHz 4400~4900 MHz
1765 ~ 1880 MHz
1940~2150 MHz
본 발명의 실시예에 따른 PCB 구조의 광대역 필터(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, PCB 기판(10)과, PCB 기판(10)을 실장하기 위한 하우징(20)으로 구성된다.
도 1을 참조하면, PCB 기판(10)은 4G 입출력포트(110), 5G 입출력포트(120), 안테나 입출력포트(130), 4G 입출력포트(110)와 안테나 입출력포트(130) 사이에서 저역통과필터(LPF) 기능을 하는 4G 필터부(140)와, 5G 입출력포트(120)와 안테나 입출력포트(130) 사이에서 고역통과필터(HPF) 기능을 하는 5G 필터부(150)로 구성된다.
또한 4G 필터부(140)는 제 1 내지 제 3 공진기 역할을 하는 3개의 스터브(ST1~ST3)와, 각 스터브(ST1~ST3) 사이와 입출력포트(110,130)를 연결하기 위한 4개의 인덕터성분 스트립라인(141~144)으로 구성된다.
각 스터브(ST1~ST3)는 원하는 주파수 대역에 저지대역을 형성시키기 위하여 전송영점(Transmission zero;TZ1~TZ3)을 갖는 3개의 사각패치 형태의 오픈 스터브 구조로 구현되어 있다. 전송영점은 전송량이 0이 되는 복소 주파수 평면상의 점으로서, 이때 감쇠량이 무한대가 되므로 감쇠극이라고도 한다.
신호의 반사를 줄이기 위한 임피던스 매칭과 신호의 커플링량의 조절은 스터브와 스터브를 연결하는 선로(스트립라인)의 길이와 폭을 조정하여 얻을 수 있다.
제1 스트립라인(141)은 4G 입출력포트(110)와 제1 스터브(ST1) 사이를 연결하고, 제2 스트립라인(142)은 제1 스터브(ST1)와 제2 스터브(ST2) 사이를 연결한다. 제3 스트립라인(143)은 굴곡진 패턴 형태로 제2 스터브(ST2)와 제3 스터부(ST3) 사이를 연결하고, 제4 스트립라인(144)은 제3 스터브(ST3)와 안테나 입출포트(130)를 연결한다.
각 스트립라인(141~144)의 선로의 길이는 직렬 L을 결정하는 요소로서 길이는 λ/8보다 작아야 하고, 선로의 폭은 임피던스를 결정하는 요소이다. 따라서 선로간 매칭이 이루어지도록 선로의 폭과 길이를 조정할 수 있다.
5G 필터부(150)는 공진기 역할을 하는 2개의 스터브(ST4, ST5)와, 입출력포트(120,130)과 공진기 사이를 연결하는 용량성 성분의 3개의 오픈 커플링부(151~153)로 구성된다.
각 스터브(ST4, ST5)는 원하는 주파수 대역에 저지대역을 형성시키기 위하여 전송영점(Transmission zero;TZ4,TZ5)을 갖는 2개의 사각패치 형태의 오픈 스터브 구조로 구현되어 있다.
오픈 커플링부(151~153)는 MIM(Metal-Insulate-Matal) 구조로서 일종의 커패시터를 형성하여 저주파 신호는 억제하고, 고주파신호는 통과시키는 역할을 한다. 이를 위해 선로의 간격과 폭을 조정하여 고주파 영역에서 임피던스 매칭이 이루어지도록 한다.
제1 오픈 커플링부(151)는 5G 입출력포트(120)와 제4 스터브(ST4) 사이를 연결하고, 제2 오픈 커플링부(152)는 제4 스터브(ST4)와 제5 스터브(ST5) 사이를 연결하며, 제3 오픈 커플링부(153)는 제5 스터브(ST5)와 안테나 입출력포트(130) 사이를 연결한다.
하우징(20)은 서로 이웃한 4G 필터부(140)와 5G 필터부(150) 사이에 배치되어 선로 간 결합되는 전기적인 신호를 차단하기 위한 격리부(210)와, 하우징 내부 크기에 의해 신호가 공진되어 발생하는 불필요한 신호들을 제거하는 이상 공진 억제봉(220-1~220-3)으로 구성된다.
격리부(210)는 4G 필터부(140)와 5G 필터부(150)에서 선로간 결합되는 전기적인 신호를 차단하는 역할을 하여 입출력포트간 격리 특성을 개선하고, 이상 공진 억제봉(220-1~220-3)은 하우징의 내부 공간을 분리하여 하우징(20)에 의해 신호가 공진되는 것을 억제하는 역할을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 PCB 기판의 탑(Top)면 패턴도이고, 도 3은 도 1에 도시된 PCB 기판의 보텀(Bottom)면 패턴도이며, 도 4는 도 1에 도시된 스터브의 회로 특성도이고, 도 5는 도 1에 도시된 선로간 고주파 전송을 위한 오픈 커플링부의 구현 예이다.
본 발명의 실시예에 따른 PCB 기판(10)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 톱면(10a)과 보텀면(10b)의 도전패턴(스트립라인)이 소정 형상으로 서로 대칭되게 배치되어 있고, 양면의 도전패턴들은 다수의 비아홀(12)을 통해 서로 연결될 수 있도록 되어 있다.
각 입출력 포트들(110,120,130)은 서로 50Ω의 임피던스 선로로 구성되어 있고, 임피던스 매칭을 위해서 선로의 폭이나 길이를 조정할 수 있다.
또한 4G 필터부(140)와 5G 필터부(150)의 톱면(10a)과 보텀면(10b)에는 각각 5개의 스터브(ST1~ST5)가 배치되어 있다. 본 발명의 실시예에서 각 스터브(ST1~ST5)는 도 4에 도시된 바와 같이, 인덕터(L) 역할을 하는 단락회로 스터브(ST-L)와, 커패시터(C) 기능을 하는 개방 스터브(ST-C)로 이루어져 직렬 LC회로를 구현한다. 여기서, 직렬 LC회로의 L값과 C값은 4각 패치형 스터브의 길이와 넓이를 변경하여 조정할 수 있으며, 이에 따라 전송영점이 결정된다.
또한 5G 필터부(150)의 오픈 커플링부(151~153)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전송선로의 절단영역에서 기판의 톱면 패턴(10a)과 보텀면 패턴(10b)이 유전체인 기판 본체(10c)를 사이에 두고 서로 겹치게 구성되어 커패시터를 구현하고 있다. 오픈 커플링부(151~153)의 결합량은 선로가 겹치는 영역이 클 수록 커지고 작을 수록 작아지며, 간격이 작을 수록 커지고, 클 수록 작아진다.
도 6은 도 1에 도시된 광대역 필터의 S 파라메터 특성 그래프이다. 본 발명의 실시예에서 S 파라메터 그래프의 포트번호 1은 안테나 입출력포트(130)를 나타내고, 포트번호 2는 4G 입출력포트(110)를 나타내며, 포트번호 3은 5G 입출력포트(120)를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 필터(100)는 도 6에 도시된 그래프와 같이, 안테나 입출력포트(130)인 포트 1(Port 1)에 신호를 인가하였을 때 포트 1으로 되돌아 오는 전력의 비로 반사계수인 S(1,1), 포트 1에서 포트 2로 전달되는 전력의 비로 투과계수인 S(2,1), 포트 1에서 포트 3으로 전달되는 투과계수인 S(3,1)의 특성을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 도시된 그래프의 횡축은 주파수(freq, 단위 GHz)를 나타내고, 종축은 신호의 크기 dB 값을 나타낸다.
도 6의 S(2,1) 그래프는 비교적 저주파인 728~2150MHz 대역을 통과시키는 저역통과필터(LPF)의 특성을 보여주고, S(3,1) 그래프는 비교적 고주파인 3440~3520MHz(4G), 3600~4200MHz(5G), 4400~4900MHz(5G) 대역의 높은 주파수는 통과시키고 낮은 주파수는 차단시키는 고역통과필터(HPF)의 특성을 보여준다. S(1,1) 그래프는 저역 주파수대와 고역 주파수대를 서로 격리시키는 특성을 보여준다.
도 7은 도 1에 도시된 4G 필터부의 S(2,1), S(2,2) 파라메터 특성 그래프이고, 도 8은 도 1에 도시된 4G 필터부의 S(2,1) 위상 특성 그래프이다.
도 7을 참조하면, S(2,1) 그래프에 따르면 4G 입출력포트로부터 안테나 입출력포트로의 신호전송은 대략 2.4GHz 이하 저주파를 통과시키는 저역통과필터의 특성을 보여주고, S(2,2) 그래프에 따르면 4G 입출력포트에서의 반사파는 고역 주파수를 차단하는 특성을 보여주는 것을 알 수 있다.
또한 도 8을 참조하면, S(2,1)의 위상 그래프는 포트1에 인가된 신호가 포트2에 도달했을 때 보여지는 신호의 위상각을 주파수에 따라 나타낸 것으로, PCB 타입의 경우 선로가 일정하기 때문에 즉, 신호가 진행한 거리가 일정하여 동일한 위상 결과를 갖게 된다.
통상적으로 위상 특성 그래프는 주파수가 높아질수록 파장이 짧아지기 때문에 일자 구조의 선로를 같은 거리만큼 진행했을 때, 위상 그래프는 주파수가 올라감에 따라 작아지는 선형적인 그래프를 보이며, 180°~ -180° 범위에서 그래프 전부를 표현하기 위해 -180°~ 180°로 반전시켜 표시하므로 선로에서 신호의 왜곡이 생기지 않으면 톱니파 형태의 그래프 특성을 보여준다.
도시된 그래프에 따르면, S(2,1) 위상특성은 m1(728MHz)에서 169,550이고, m2(2.15GHz)에서 124, 769인 것을 알 수 있고, m1과 m2 사이 대역의 위상 그래프가 선형적으로 나타난 것은 해당 대역의 신호들이 신호의 왜곡 없이 일정하게 진행한 것임을 보여준다.
도 9는 도 1에 도시된 5G 필터부의 S(3,1), S(3,3) 파라메터 특성 그래프이고, 도 10은 도 1에 도시된 5G 필터부의 S(3,1) 위상 특성 그래프이다.
도 9를 참조하면, S(3,1) 그래프에 따르면 5G 입출력포트로부터 안테나 입출력포트로의 신호전송은 대략 3.2GHz 이상 고주파를 통과시키는 고역통과필터의 특성을 보여주고, S(3,3) 그래프에 따르면 5G 입출력포트에서의 반사파는 저역 주파수를 차단하는 특성을 보여주는 것을 알 수 있다.
또한 도 10을 참조하면, S(3,1) 위상특성은 포트1에 인가된 신호가 포트 3에 도달했을 때 보여지는 신호의 위상각을 주파수에 따라 나타낸 것으로, PCB 타입의 경우 선로가 일정하기 때문에 즉, 신호가 진행한 거리가 일정하여 동일한 위상 결과를 갖게 된다.
도시된 그래프에 따르면, m1(3.44GHz)에서 119,545이고, m2(4.9GHz)에서 165, 057인 것을 알 수 있고, 728~2150MHz에서 선형적인 위상 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 4G 필터부의 등가 회로도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 4G 필터부의 S파라매터 특성 그래프이다.
일반적으로 필터는 삽입손실법에 의해서 설계된다. 삽입손실법에서는 통과대역 및 저지대역의 진폭과 위상 특성 전반에 걸쳐 고도의 조정단계가 허용되는데, 원하는 스펙에 맞게 Butterworth, Chebyshev, Equal ripple, Elliptic 등의 필터 응답을 선택하여 설계한다. 필터의 구조는 저역통과 구조를 기본형으로 두고, 설계를 시작하며 필터의 종류(LPF, HPF, BPF, BRF)에 따라 구조를 변환하여 필터를 구현한다. 내부에 구성되는 각각의 소자 값은 필터 응답에 따라 결정되며, 본 발명의 실시예에 따른 PCB 구조의 광대역 필터는 Elliptic 필터 응답을 사용한다.
Elliptic 필터 응답은 다음 수학식 1과 같이 구해지고, 리플팩터(Ripple factor)는 통과대역의 리플을 결정하며, 리플팩터와 선택도(Selective factor)의 조합은 저지대역의 리플을 결정한다.
Figure 112019088714103-pat00001
수학식 1에서 Rn은 N차 Elliptic rational function을 나타내고, ω0는 Cutoff Frequency, ε은 Ripple factor, ξ은 Selective factor를 나타낸다.
LP 영역은 비교적 적은 차수를 사용하여 원하는 대역에서 감쇄값을 얻기 위해 대역저지필터로 구현한다. 대역저지응답은 기본형에서 다음 수학식 2에서와 같이 주파수를 치환하여 얻을 수 있다.
Figure 112019088714103-pat00002
저역통과 기본형 회로에서 병렬 커패시터들은 대역저지를 위해 다음 수학식 3의 소자값을 갖는 직렬 LC회로로 변환된다.
Figure 112019088714103-pat00003
본 발명의 실시예에서는 리차드(Richard) 변환을 이용하여 인덕터(L'k)를 단락회로 스터브로, 커패시터(C'k)를 개방회로 스터브로 변환하여 도 11에 도시된 바와 같은 등가회로를 구현한다.
도 11을 참조하면, 4G 필터부(140)는 제1 내지 제4 스트립라인(141~144)이 직렬로 연결되는 4개의 인덕터 Lk'로 표시되고, 제1 내지 제3 스터브(ST1~ST3)는 3개의 직렬 LC 공진기로 표시된다. 직렬 LC 공진기의 L은 1/ω0△Ck 값을 갖고, C는 △Ck/ω0값을 갖는다. 그리고 3개의 LC 공진기는 도 12에서 3개의 전송영점(TZ1~TZ3)으로 나타난다. 도 12를 참조하면, 제1 전송영점(TZ1)은 2.3GHz ~ 2.4GHz 대역에 형성되고, 제2 전송영점(TZ2)은 3.5GHz ~ 3.6GHz 대역에 형성되며, 제3 전송영점(TZ3)은 4.3GHz ~ 4.5GHz 대역에 형성된 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 5G 필터부의 등가 회로도이고, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 5G 필터부의 특성 그래프이다.
도 13을 참조하면, 5G 필터부(150)는 제1 내지 제3 오픈 커플링부(151~153)가 직렬로 연결되는 3개의 커패시터 Ck'로 표시되고, 제4 및 제5 스터브(ST4, ST5)는 2개의 직렬 LC 공진기로 표시된다. 직렬 LC 공진기의 L은 1/ω0△Ck 값을 갖고, C는 △Ck/ω0값을 갖는다. 그리고 2개의 LC 공진기는 도 14에서 2개의 전송영점(TZ4,TZ5)으로 나타난다. 도 14를 참조하면, 제4 전송영점(TZ4)은 2.0GHz ~ 2.1GHz 대역에 형성되고, 제5 전송영점(TZ5)은 2.4GHz ~ 2.5GHz 대역에 형성된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예와 같이 필터를 복합적으로 이용한 광대역 필터는 듀플렉서(Duplxer)와 다이플렉서(Diplxer) 등에 사용될 수 있다. 듀플랙서(Duplexer)는 하나의 안테나를 송수신단에서 공유하도록 하는 것으로, 송신단 주파수만 통과시키는 BPF와 수신단 주파수만 통과시키는 BPF로 구현한 후 그 중간을 안테나와 적절히 매칭시키는 것이다. 다이플랙서(Diplexer)는 듀플랙서(Duplexer)와 달리 BPF 대신에 LPF와 HPF를 사용한 것으로서, 이동통신에서 Massive MIMO의 구현 등에 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: PCB 기판 20: 하우징
100: 광대역 필터 110: 4G 입출력포트
120: 5G 입출력포트 130: 안테나 입출력포트
140: 4G 필터부 141~144: 스트립라인
150: 5G 필터부 151~153: 오픈 커플링부
ST1~ST5: 스터부 TZ1~TZ5: 전송영점

Claims (5)

  1. PCB 기판과, 상기 PCB 기판을 실장하기 위한 하우징을 포함하는 광대역 필터에 있어서,
    상기 PCB 기판은
    4G 입출력포트;
    5G 입출력포트;
    안테나 입출력포트;
    상기 4G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 저역통과필터(LPF) 기능을 하는 4G 필터부; 및
    상기 5G 입출력포트와 상기 안테나 입출력포트 사이에서 고역통과필터(HPF) 기능을 하는 5G 필터부를 포함하고,
    상기 4G 필터부는
    2.3GHz 내지 2.4GHz 대역에 형성되는 제1 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제1 스터브와,
    3.5GHz 내지 3.6GHz 대역에 형성되는 제2 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제2 스터브와,
    4.3GHz 내지 4.5GHz 대역에 형성되는 제3 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제3 스터브와,
    상기 4G 입출력포트와 상기 제1 스터브를 연결하는 제1 스트립라인과,
    상기 제1 스터브와 상기 제2 스터브를 연결하는 제2 스트립라인과,
    상기 제2 스터브와 상기 제3 스터브를 연결하는 제3 스트립라인과,
    상기 제3 스터브와 상기 안테나 입출력포트를 연결하는 제4 스트립라인을 포함하며,
    상기 5G 필터부는
    2.0GHz 내지 2.1GHz 대역에 형성되는 제4 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제4 스터브와,
    2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에 형성되는 제5 전송영점을 갖는 공진기를 구현하는 제5 스터브와,
    상기 5G 입출력포트와 상기 제4 스터브를 연결하는 제1 오픈 커플링부와,
    상기 제4 스터브와 상기 제5 스터브를 연결하는 제2 오픈 커플링부와,
    상기 제5 스터브와 상기 안테나 입출력포트를 연결하는 제3 오픈 커플링부를 포함하는 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하우징은
    상기 4G 필터부와 상기 5G 필터부 사이에 배치되어 선로 간 결합되는 전기적인 신호를 차단하기 위한 격리부와,
    상기 하우징에 의해 신호가 공진되어 발생하는 불필요한 신호들을 제거하는 이상 공진 억제봉을 포함하는 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 광대역 필터는 기지국 안테나에 실장되는 것을 특징으로 하는 신호의 위상 밸런스 최소화를 위한 PCB 구조의 광대역 필터.
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