KR102643178B1

KR102643178B1 - 전달영점을 가지는 저손실 5g 기판 집적형 필터

Info

Publication number: KR102643178B1
Application number: KR1020210146652A
Authority: KR
Inventors: 남승구; 최세환
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2024-03-05
Also published as: KR20230061911A

Abstract

전달영점을 가지는 저손실 5G 기판 집적형 필터가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터는, 정해진 주파수에서 공진하는 공진기, 입력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯 및 출력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯을 포함한다. 이에 의해, 기판 집적형 필터에서 포트와 공진기를 연결하는 결합 슬롯을 비대칭으로 설계하여 전달영점을 형성함으로써, 필터의 차수 증가나 부피 증가 없이도 저지대역 특성을 향상시킬 수 있게 된다

Description

전달영점을 가지는 저손실 5G 기판 집적형 필터{Low loss 5G substrate integrated filter with transmission zeros}

본 발명은 기판 집적형 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저지대역 특성을 향상시키고 통과대역 손실을 줄일 수 있는 기판 집적형 필터에 관한 것이다.

도 1은 3GPP에서 규정한 5G 밀리미터파 주파수 대역을 나타낸 도면으로, Ka 밴드는 통과대역이고 V 밴드는 저지대역이다. 서로 다른 대역 간의 간섭을 최소화 하기 위해, 통과대역 성능 뿐만 아니라 저지대역 특성도 중요하다.

기판 집적형 필터는 기판에 비아벽을 형성하여 도파관의 특성을 나타낼 수 있는 구조로, 마이크로스트립 필터 보다 우수한 특성을 가지고 있으며, 일반 인쇄 회로 기판에 제작 가능하므로 저비용으로 대량 생산이 가능하다.

하지만, Ka 밴드에서 동작하는 필터를 기판 집적형 필터로 설계하면, 하모닉 공진이 발생하기 때문에 저지대역 특성이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 필터의 차수를 증가시키는 방법을 상정할 수 있지만, 부피가 커진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 필터의 저지대역 특성을 향상시키기 위한 방안으로, 포트와 공진기를 연결하는 결합 슬롯을 비대칭으로 설계하여 전달영점을 형성하는 기판 집적형 필터를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 집적형 필터는, 정해진 주파수에서 공진하는 공진기; 입력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯; 및 출력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯;을 포함한다.

공진기는, 제1 결합 슬롯을 통해 입력 포트에 연결되는 제1 공진기; 제1 공진기에 연결되고, 제2 결합 슬롯을 통해 출력 포트에 연결되는 제2 공진기;를 포함할 수 있다.

제1 결합 슬롯과 제2 결합 슬롯의 비대칭 구조는, 전달영점을 형성하여 저지대역 특성을 향상시킬 수 있다.

제1 결합 슬롯은, 제1 공진기의 입력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다르고, 제2 결합 슬롯은, 제2 공진기의 출력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다를 수 있다.

제1 공진기는, 원 형상이고, 제1 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은, 제1 공진기의 곡률이 같은 곡선 형상이며, 제2 공진기는, 원 형상이고, 제2 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은, 제2 공진기의 곡률이 같은 곡선 형상일 수 있다.

제1 공진기는, 사각 형상이고, 제1 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은, 제1 공진기와 일정한 각도를 유지하는 직선 형상이며, 제2 공진기는, 사각 형상이고, 제2 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은, 제2 공진기와 일정한 각도를 유지하는 직선 형상일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터는, 제1 공진기와 제2 공진기의 외곽을 둘러 싸는 이중으로 형성된 비아벽;을 더 포함할 수 있다. 비아벽은, 통과대역 손실을 감소시킬 수 있다.

입력 포트와 출력 포트는, CPWG(Coplanar Waveguide with Ground)에 직접 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 필터링 방법은, 기판 집적형 필터의 공진기가, 입력 포트를 통해 밀리미터파를 입력받는 단계; 공진기가, 입력된 밀리미터파에 통과대역을 필터링하는 단계; 공진기가, 필터링된 밀리미터파를 출력 포트를 통해 출력하는 단계;를 포함하고, 공진기는, 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯에 의해 입력 포트와 연결되고, 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯에 의해 출력 포트와 연결된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 기판 집적형 필터는, 정해진 주파수에서 공진하는 공진기; 및 입력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯;을 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 기판 집적형 필터는, 정해진 주파수에서 공진하는 공진기; 및 출력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯;을 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판 집적형 필터에서 포트와 공진기를 연결하는 결합 슬롯을 비대칭으로 설계하여 전달영점을 형성함으로써, 필터의 차수 증가나 부피 증가 없이도 저지대역 특성을 향상시킬 수 있게 된다

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 공진기의 비아벽을 이중 구조로 형성함으로써, 통과대역 손실을 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 3GPP에서 규정한 5G 밀리미터파 주파수 대역을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 구조를 도시한 도면,
도 3은, 도 2에 도시된 기판 집적형 필터를 상부에서 바라보면서 도시한 평면도,
도 4 내지 도 7은 결합 슬롯에 적용가능한 다양한 비대칭 구조들을 예시한 도면,
도 8은 종래의 기판 집적형 필터와 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 결합 부호의 차이 및 이에 따른 이론적인 응답특성을 나타낸 도면,
도 9는 기판 집적형 필터의 결합행렬들을 예시한 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 전달영점을 가지는 저손실 5G 기판 집적형 필터를 제시한다.

구체적으로, 필터의 차수 증가나 음의 결합 구조를 위한 구조의 추가 없이도 저지대역 특성 향상을 위해 전달영점이 형성되도록, 본 발명의 실시예에서는 기판 집적형 필터를 구성하는 공진기와 포트를 결합하는 슬롯의 구조를 비대칭으로 설계한다.

또한, 통과대역에서 손실을 최소화하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 공진기의 비아벽을 이중 구조로 구성하며, 공진기와 CPWG(Coplanar Waveguide with Ground)를 직접 연결한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터는, 도시된 바와 같이, 공진기-1(110)와 공진기-2(120)를 포함하여 구성된다.

공진기-1(110)과 공진기-2(120)는 기판에 형성되며, 정해진 주파수에서 공진하여, 특정 대역의 주파수 신호만을 통과시킨다. 공진기-1(110)는 입력 포트(포트1)에 연결되고, 공진기-2(120)는 출력 포트(포트2)에 연결되어 있다.

또한, 공진기-1(110)과 공진기-2(120)는 서로 연결되어 있다. 공진기-1(110)과 공진기-2(120)는 입력 포트를 통해 입력되는 밀리미터파를 필터링하여 출력 포트를 통해 출력한다.

입력 포트(포트1)와 출력 포트(포트2)는 CPWG에 직접 연결된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 공진기들(110,120)은 CPWG와 직접 연결된다.

공진기-1(110)은 결합 슬롯-1(115)을 통해 입력 포트(포트1)에 연결되고, 공진기-2(120)는 결합 슬롯-2(125)를 통해 출력 포트(포트2)에 연결된다. 결합 슬롯-1(115)과 결합 슬롯-2(125)의 구조에 대해서는 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

공진기-1(110)과 공진기-2(120)의 외곽은 이중 비아벽(130)으로 둘러 싸여 있다. 이중 비아벽(130)은 비아벽이 이중으로 형성된 구조로, 기판 집적형 필터에서 통과대역 손실을 줄이기 위한 구성이다.

도 3은, 도 2에 도시된 기판 집적형 필터를 상부에서 바라보면서 도시한 평면도이다.

결합 슬롯-1(115)은 입력 포트(포트1)와 공진기-1(110)을 연결하기 위해 기판에 형성된 구조이고, 결합 슬롯-2(125)는 출력 포트(포트2)와 공진기-2(120)을 연결하기 위해 기판에 형성된 구조이다.

도시된 바와 같이, 결합 슬롯-1(115)과 결합 슬롯-2(125)는 모두 비대칭 구조이다.

즉, 결합 슬롯-1(115)은 공진기-1(110)의 입력부에서, 공진기-2(120) 쪽으로 형성된 부분의 길이와 공진기-2(120)의 반대 쪽으로 형성된 부분의 길이가 서로 다르다. 구체적으로, 전자가 후자 보다 길이가 길다. 또한, 결합 슬롯-1(115)은 공진기-1(110)과 곡률이 같은 곡선 형상이다.

마찬가지로, 결합 슬롯-2(125)는 공진기-2(120)의 출력부에서, 공진기-1(110) 쪽으로 형성된 부분의 길이와 공진기-1(110)의 반대 쪽으로 형성된 부분의 길이가 서로 다르다. 구체적으로, 전자가 후자 보다 길이가 길다. 또한, 결합 슬롯-2(125)는 공진기-2(120)와 곡률이 같은 곡선 형상이다.

이와 같은 결합 슬롯-1(115)과 결합 슬롯-2(125)의 비대칭 구조는 위상 차이(결합량의 부호)를 변경하여 전달영점을 형성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 저지대역 특성을 향상시킨다.

도 4 내지 도 7에는 결합 슬롯-1(115)과 결합 슬롯-2(125)에 적용가능한 다양한 비대칭 구조들을 예시하였다. 결합 슬롯-1(115)과 결합 슬롯-2(125)의 구조는 동일하게 적용가능하므로, 도 4 내지 도 7에는 공진기와 결합 슬롯을 하나씩만 도시하였다.

도 4에 도시된 구조는 공진기가 원 형상인 경우에 적용되는 결합 슬롯의 구조이다. 도시된 결합 슬롯은 공진기와 곡률이 같은 곡선 형상이라는 점에서, 도 2에 제시된 결합 슬롯과 공통된다.

하지만, 길이가 서로 다른 결합 슬롯 부분들이 공진기(110,120)의 입/출력부에서 연결되어 있는 구조를 채택하였다는 점에서, 도 2에 제시된 결합 슬롯과 차이가 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 구조는 공진기가 사각 형상인 경우에 적용되는 결합 슬롯의 구조이다.

도 5에 도시된 결합 슬롯은 공진기의 입/출력부에서 방향이 바뀐다는 점에서 도 3에 도시된 결합 슬롯과 공통된다. 하지만, 도 5에 도시된 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은 공진기에 나란한 직선 형상이라는 점에서, 곡선 형상인 도 3에 도시된 결합 슬롯과 차이가 있다.

도 6에 도시된 결합 슬롯은 공진기의 입/출력부에서 방향이 바뀌지 않는다는 점에서 도 5에 도시된 결합 슬롯과 차이가 있다. 즉, 도 6에 도시된 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은 공진기의 입/출력부에서 공진기와 직각을 유지하는 직선 형상이다.

도 7에 도시된 결합 슬롯은 공진기의 입/출력부에서 방향이 바뀐다는 점에서 도 5에 도시된 결합 슬롯과 공통하다. 하지만, 도 7에 도시된 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은 공진기의 입/출력부에서 공진기와 일정한 각도를 유지한다는 점에서, 도 5에 도시된 결합 슬롯과 차이가 있다.

또한, 도 7에 도시된 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은 입/출력부에서 공진기 안쪽으로 갈수록 두께가 증가하는 특성을 갖는다.

도 8에는 종래의 기판 집적형 필터와 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터의 결합 부호의 차이 및 이에 따른 이론적인 응답특성을 나타내었다. 도 8에서 S는 Source를, L은 Load를, 1과 2는 각각 공진기-1과 공진기-2를 지칭한다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터에서는 결합 슬롯을 비대칭으로 형성하여 결합 부호가 반대(위상이 반대)가 되며, 즉, 공진기-1과 공진기-2가 음의 결합하여, 하모닉 주파수와 통과대역 주파수 사이에 전달영점이 형성된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터에서는 결합 슬롯의 패턴을 바꾸어서 저지대역 특성을 향상시킨 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터는 2차 필터에서도 높은 저지대역 특성을 갖는데, 종래 기술 처럼 저지대역 특성 개선을 위해 차수를 높이고 부피를 증가시킬 필요가 없다.

도 9에는 기판 집적형 필터의 결합행렬들을 예시하였다. 상부에 제시한 결합행렬은 양의 결합의 경우이고 하부에 제시한 결합행렬은 음의 결합의 경우이다. 수학적인 계산을 통해 결합 부호에 따라 전달영점의 유무가 결정되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도 10에 제시하였다. 제시된 바에 따르면, 하모닉 공진(고차 공진)으로 인해 Ka 밴드 주파수 필터 설계시 V 밴드 주파수에서 저지대역 특성이 열화되는 종래 기술과 달리, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적형 필터에서는 전달영점을 형성하여 저지대역 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.

지금까지, 전달영점을 가지는 저손실 5G 기판 집적형 필터에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서는, 5G 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 기판 집적형 필터에 있어, 저지대역 특성을 개선하고, 통과대역 손실을 줄일 수 있는 구조들을 제시하였다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 공진기-1
120 : 공진기-2
115 : 결합 슬롯-1
125 : 결합 슬롯-2
130 : 이중 비아벽

Claims

정해진 주파수에서 공진하는 공진기;
입력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯; 및
출력 포트와 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯;을 포함하고,
공진기는,
제1 결합 슬롯을 통해 입력 포트에 연결되는 제1 공진기;
제1 공진기에 연결되고, 제2 결합 슬롯을 통해 출력 포트에 연결되는 제2 공진기;를 포함하며,
제1 결합 슬롯은,
제1 공진기의 입력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다르고,
제2 결합 슬롯은,
제2 공진기의 출력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다른 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
삭제
청구항 1에 있어서,
제1 결합 슬롯과 제2 결합 슬롯의 비대칭 구조는,
전달영점을 형성하여 저지대역 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
삭제
청구항 1에 있어서,
제1 공진기는,
원 형상이고,
제1 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은,
제1 공진기의 곡률이 같은 곡선 형상이며,
제2 공진기는,
원 형상이고,
제2 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은,
제2 공진기의 곡률이 같은 곡선 형상인 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
청구항 1에 있어서,
제1 공진기는,
사각 형상이고,
제1 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은,
제1 공진기와 일정한 각도를 유지하는 직선 형상이며,
제2 공진기는,
사각 형상이고,
제2 결합 슬롯에서 길이가 서로 다른 부분들은,
제2 공진기와 일정한 각도를 유지하는 직선 형상인 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
청구항 1에 있어서,
제1 공진기와 제2 공진기의 외곽을 둘러 싸는 이중으로 형성된 비아벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
청구항 7에 있어서,
비아벽은,
통과대역 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
청구항 1에 있어서,
입력 포트와 출력 포트는,
CPWG(Coplanar Waveguide with Ground)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
기판 집적형 필터의 공진기가, 입력 포트를 통해 밀리미터파를 입력받는 단계;
공진기가, 입력된 밀리미터파에 통과대역을 필터링하는 단계;
공진기가, 필터링된 밀리미터파를 출력 포트를 통해 출력하는 단계;를 포함하고,
공진기는,
제1 결합 슬롯을 통해 입력 포트에 연결되는 제1 공진기;
제1 공진기에 연결되고, 제2 결합 슬롯을 통해 출력 포트에 연결되는 제2 공진기;를 포함하며,
제1 결합 슬롯은,
제1 공진기의 입력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다른 비대칭 구조이고,
제2 결합 슬롯은,
제2 공진기의 출력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다른 비대칭 구조인 것을 특징으로 하는 필터링 방법.
정해진 주파수에서 공진하는 제1 공진기; 및
입력 포트와 제1 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제1 결합 슬롯;을 포함하고,
제1 결합 슬롯은,
제1 공진기의 입력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다른 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.
정해진 주파수에서 공진하는 제2 공진기; 및
출력 포트와 제2 공진기를 연결하는 비대칭 구조의 제2 결합 슬롯;을 포함하고,
제2 결합 슬롯은,
제2 공진기의 출력부에서 일 측 쪽에 형성된 부분의 길이와 타 측 쪽에 형성된 부분의 길이가 다른 것을 특징으로 하는 기판 집적형 필터.