KR19990055394A - 저지대역에 감쇠극이 삽입된 수정된 체비셰프형 대역통과 필터의 설계방법 - Google Patents
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Abstract
본발명은 저지대역에 감쇠극이 삽입된 체비셰프형 대역통과 필터의 설계방법에 관한 것으로, 본발명의 방법은, 병렬형 동축선로 공진기에 집중형 인덕터나 캐패시터를 연결하여 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조를 제조하고 이 공진기 구조로 어드미턴스 인버터를 이용한 일반화된 대역통과 필터회로의 모든 공진기를 대체함으로써 수행되어진다. 저지대역에 삽입된 감쇠극은 주어진 감쇠극수에 대하여 삽입손실이 동일리플특성을 갖고 저지대역에 최대 감쇠가 되도록 선택되어질 수 있다. 이 방법으로 설계된 수정된 체비셰프 대역통과 필터는 듀플렉서 설계에 효과적으로 사용될 수 있다.
Description
대역통과 필터설계에 있어서, 필터의 중량과 크기를 줄이기 위하여 감쇠극이 삽입된 고유전체 세라믹 동축형 공진기가 사용되어져 왔다.
그러나, 저지대역에 감쇠극을 삽입하여 제조된 종래의 필터들은, 단락된 동축 전송선이나 공진기에 캐피시터를 직렬로 연결하여 설계하였으므로, 낮은 저지대역에 감쇠극을 삽입하는 것만이 가능하다는 문제점이 있었다.
대역통과 필터를 제조하기 위해 저지대역에 감쇠극을 삽입하는 또다른 방법은, 저지대역에 대하여 자유롭게 분포된 유한 주파수-감쇠극을 가지거나 통과대역의 가장자리 바로 밖의 단일 주파수에서 감쇠극을 가지는 타원형이나 가타원형(pseudoelliptic)필터로, 필터를 설계하는 것이다.
그러나, 상기와 같은 종래의 두가지 필터 설계 방법은 모두 제조하고 동조하기가 매우 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은, 낮은 저지대역(lower stopband), 높은 저지대역(upper stopband) 또는 양저지대역에 감쇠극을 삽입하여 병렬형 전송선로 공진기의 개수를 줄이고 원하는 저지대역에서 최대의 감쇠특성을 주는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계방법을 제공함으로써, 종래 필터의 문제점을 해결하려는 것이다.
도 1a는 낮은 저지대역에 감쇠극이 삽입된 공진기 구조(RLP)의 등가회로도.
도 1b는 도 1a 등가회로의 서셉턴스 특성도.
도 2a 내지 도 2g는 인접한 어드미턴스 인버터와 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조의 등가회로도.
도 3은 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조중 RLP-2 구조의 등가회로도.
도 4a는 높은 저지대역에 감쇠극이 삽입된 공진기 구조(RUP)의 등가회로도.
도 4b는 도 4a 등가회로의 서셉턴스 특성도.
도 5a 내지 도 5g는 인접한 어드미턴스 인버터와 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조의 등가회로도.
도 6은 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조중 RUP-5 구조의 등가회로도.
도 7은 양저지대역에 감쇠극이 삽입된 공진기 구조(RBP)의 등가회로도.
도 8a 내지 도 8d는 양저지대역에 각각 하나의 감쇠극이 삽입된 네가지 가능한 대역통과 필터의 등가회로도(RBP-I).
도 9a 내지 도 9l은 양저지대역에 각각 두개의 감쇠극이 삽입된 열두가지 가능한 대역통과 필터의 등가회로도(RBP-II).
도 10은 낮은 저지대역에 세 개의 감쇠극을 가진 수정된 3차 체비셰프 대역통과 필터의 시뮬레이션된 투과 및 반사 특성도.
도 11은 높은 저지대역에 두개의 감쇠극을 가진 수정된 2차 체비셰프 대역통과 필터의 시뮬레이션된 투과 및 반사 특성도.
도 12는 양저지대역에 각각 하나의 감쇠극을 가진 수정된 2차 체비셰프 대역통과 필터의 시뮬레이션된 투과 및 반사 특성도.
도 13은 듀플렉서의 등가회로도.
본발명은 낮은 저지대역, 높은 저지대역, 또는 양 저지대역에서 동일 리플 전달 특성을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과필터의 설계방법에 관한 것이다.
즉, 본발명은, 종래의 대역통과 필터에서 감쇠극이 삽입된 고유전체 세라믹 동축형 공진기에 캐패시터를 직렬연결하여 사용했던 것과는 달리, 공진기에 직렬로 집중형(lumped) 인덕터나 캐패시터를 연결함으로써, 낮은 저지대역, 높은 저지대역, 또는 양 저지대역에서 동일 리플 전달 특성을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과필터 및 그 설계방법을 제공하여, 필터의 부피를 줄이고, 최대 저지대역 감쇠를 제공하기 위해 요구되는 사항을 충분히 만족시키면서, 만들고 동조하기가 매우 용이한 수정된 체비셰프형 대역통과 필터의 설계방법을 제공하는 것이다.
저지대역에 감쇠극이 위치하기 위해서는 인덕터나 캐패시터가 병렬형 공진기에 직렬로 연결되어야 하는데, 감쇠극의 삽입을 위해 공진기에 더해지는 소자는 공진기의 서셉턴스 슬로프 파라미터를 변화시키므로, 수정된 쳬비세프 대역통과 필터의 설계시에는 이러한 효과가 고려되어야만 한다.
수정된 쳬비세프 대역통과 필터를 설계하기 위하여는 대역통과 필터의 모든 공진기에 감쇠극이 삽입되어야 하며 이와같이 저지대역에 분포한 감쇠극은, 대역통과 필터의 설계시에 필요한 공진기의 수를 줄일뿐만 아니라 저지대역에서 동일 리플 전달 특성을 제공한다.
병렬형 공진기와 어드미턴스 인버터만을 사용하여 체비셰프 대역통과 필터를 제작하기 위하여는 공진 주파수, 대역폭, 공진기의 서셉턴스 슬로프 파라미터, 그리고 저역통과 프로토타입 필터의 소자값 같은 기본적인 인수의 계산이 필요한데, 이러한 인수의 계산 방법에 대해서는, G. L. Mattaeoi과 동료들의 "마이크로웨이브 필터, 임피던스-매칭 네트워크 및 커플링 구조" (뉴욕 소재의 McGraw Hill사가 1964년에 발행)에 상세히 기재되어 있다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 낮은 저지대역, 높은 저지대역 또는 양저지대역에 감쇠극이 삽입된 수정된 체비셰프형 대역통과 필터의 설계방법을 순차적으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
본발명의 한 양상은, 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계 방법을 제공하는 것이다.
낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터는, 어드미턴스 인버터를 이용하는 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조(Resonator structure withLower stopband attenuationPole, 이하 'RLP'라 칭함)로 대치함으로써 제조된다.
먼저, RLP 구조를 제작하기 위해, 도 1a에 나타난 바와 같이, 캐패시터를 병렬형 동축 공진기에 직렬로 연결한다. 도 1b에 RLP 구조의 서셉턴스 특성이 도시되어 있다. 이 공진기 구조는 극주파수인 직렬 공진 주파수 ωp가 병렬 공진 주파수 ω0보다 낮기 때문에 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 대역통과 필터에 사용될 수 있다.
인접한 어드미턴스 인버터와 RLP의 등가회로는 인버터의 종류와 RLP의 위치에 따라 일곱 종류로 구분되어 질 수 있으며 도 2a 내지 2g에 도시되어 있다. 대역통과 필터의 단간(interstage) 공진기 구조로써, 도 2a에 나타나있는 RLP 구조 (이하 'RLP-1'이라 칭함) 또는 도 2b에 나타나있는 RLP 구조(이하 'RLP-2'라 칭함)가 선택되어질 수 있고, 도 2d내지 도 2f에 나타난 RLP 구조(이하 'RLP-4,' 'RLP-5,' 및 'RLP-6'라 칭함)가 첫 번째 또는 마지막 공진기 구조로 사용되어 질 수 있다.
직렬 캐패시터를 갖는 상기 공진기들의 서셉턴스 슬로프 파라미터는 감쇠극 주파수와 인접한 어드미턴스 인버터에 의해 결정된다.
본발명의 한 구체예로서 상기 RLP구조 중 'RLP-2'를 선택하면 그 등가회로는 도3에 도시된 바와 같고, 이 공진기 구조의 서셉턴스 Br, 직렬 캐패시터 값 Cpr, 공진기의 전기적 길이 θr, 서셉턴스 슬로프 파라미터 br은 다음과 같다.
`
식중,
본발명의 다른 양상은, 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터 및 그 설계 방법을 제공하는 것이다.
높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터는, 어드미턴스 인버터를 이용하는 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조(Resonator structure with Upper stopband attenuationPole, 이하 'RUP'라 칭함)로 대치함으로써 제조된다.
먼저, RUP 구조를 제작하기 위해, 도 4a에 나타난 바와 같이, 인덕터를 병렬형 동축 공진기에 직렬로 연결한다. 도 4b에 RLP 구조의 서셉턴스 특성이 도시되어 있다. 이 공진기 구조는 극주파수인 직렬 공진 주파수 ωp가 병렬 공진 주파수 ω0보다 높기 때문에 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 대역통과 필터에 사용될 수 있다.
인접한 어드미턴스 인버터와 RUP의 등가회로는 인버터의 종류와 RUP의 위치에 따라 일곱 종류로 구분되어 질 수 있으며 도 5a 내지 5g에 도시되어 있다. 대역통과 필터의 단간(interstage) 공진기 구조로써, 도 5a에 나타나있는 RUP 구조 (이하 'RUP-1'이라 칭함) 또는 도 5b에 나타나있는 RUP 구조(이하 'RUP-2'라 칭함)가 선택되어질 수 있고, 도 5d내지 도 5f에 나타난 RUP 구조(이하 'RUP-4,' 'RUP-5,' 및 'RUP-6'라 칭함)가 첫 번째 또는 마지막 공진기 구조로 사용되어 질 수 있다.
직렬 캐패시터를 갖는 상기 공진기들의 서셉턴스 슬로프 파라미터는 감쇠극 주파수와 인접한 어드미턴스 인버터에 의해 결정된다.
본발명의 다른 구체예로서 상기 RUP구조 중 'RUP-2'를 선택하면 그 등가회로는 도6에 도시된 바와 같고, 이 공진기 구조의 서셉턴스 B1, 직렬 인덕터 값 Lp1, 결합 인덕터 값 L1, 공진기의 전기적 길이 θr, 서셉턴스 슬로프 파라미터 b1은 다음과 같다.
본발명의 또 다른 양상은, 양저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터 및 그 설계 방법을 제공하는 것이다.
양저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터는, 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 양저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조(Resonator structure with Both stopband attenuationPole, 이하 'RBP'라 칭함)로 대치함으로써 제조된다.
먼저, RBP 구조를 제작하기 위해, 도 7에 나타난 바와 같이, 어드미턴스 인버터와 함께 RLP구조와 RUP구조를 병렬로 연결한다.
한 개의 감쇠극이 각 저지대역에 삽입되는 경우에는 네가지의 구조가 가능하며 이는 도 8에 도시되어 있다(이하, 'RBP-I-1' 내지 'RBP-I-4'구조라 칭함). 한 개의 감쇠극이 각 저지대역에 삽입되는 경우에는 열두가지의 구조가 가능하며 이는 도 9에 도시되어 있다(이하, 'RBP-II-1' 내지 'RBP-II-12'구조라 칭함).
본발명의 또 다른 구체예로서 상기 RBP구조 중 'RBP-I-4'구조를 선택하면 이 공진기 구조의 직렬 인덕터 값 Lp1, 공진기의 전기적 길이 θ1, 서셉턴스 슬로프 파라미터 b1은 다음과 같다.
식중
식중,
상술한 바와 같은 방법에 따라, 0.1 dB의 체비셰프 통과대역 리플을 갖는 대역통과 필터를 설계하였다. 필터설계에 이용된 유전 상수가 38인 (Zn, Sn)TiO4동축 전송선로 공진기의 특성 임피던스는 7.46 Ω이고, 소스와 부하의 컨덕턴스는 각각 0.02 mho이다. HP MDS 소프트웨어에 의해 설계된 필터를 시뮬레이션하였다.
필터설계의 공진기는 병렬형 직육면체나 원통형 동축 세라믹 전송선로로 만들어 질 수 있다. 캐피시터와 인덕터 모두 유전체나 세라믹 기판위에 인터디지털 캐패시터와 스파이럴선이나 단일 루프 인덕터로 구현되어 질 수 있다.
도 10은 낮은 저지대역(1850~1890 MHz)에 감쇠극을 갖는 3차 대역통과 필터의 설계의 시뮬레이션 결과이다. 이 수정된 대역통과 필터는 중심 주파수가 1950 GHz 이고 상대 대역폭이 0.0205로 설계되었다. 통과대역 리플이 0.1 dB이고 저지대역에서 약 70 dB의 동일 리플 감쇠특성을 갖는 가타원형 전달특성은 시뮬레이션에서 성취되었다.
도 11은 높은 저지대역(1930 MHz와 1970 MHz)에 각각 두 감쇠극을 갖는 2차 대역통과 필터의 시뮬레션된 결과이다. 이 수정된 대역통과 필터는 1870 MHz의 중심 주파수와 0.0214의 상대 대역폭을 갖는다. 높은 저지대역에서 40 dB 이상의 감쇠준위가 시뮬레이션에서 성취되었고 통과대역 리플이 0.1 db이고 높은 저지대역의 두 주파수에서 감쇠극이 있다.
도 12는 양저지대역에 각각 하나의 감쇠극을 갖는 설계된 2차 대역통과 필터의 시뮬레이션된 결과이다. 이 수정된 대역통과 필터는 900 MHz의 중심주파수와 0.0556의 상대 대역폭을 갖는다.
도 13은 낮은 저지대역에 세 개의 감쇠극을 갖는 수정된 3차 체비셰프 대역통과 필터와 높은 저지대역에 두 개의 감쇠극을 갖는 수정된 2차 체비셰프 대역 통과 필터에 의해 만들어진 디플렉서의 등가회로이다. 송신 필터는 두 λ/4 공진기(R1, R2), 두 결합 캐패시터(C2, C3), 두 결합 인덕터(L1, L4), 하나의 직렬 인덕터(lsl)로 구성되었다. 캐패시터(C7-C12), 하나의 직렬 캐패시터(Csl)로 구성되었다. 캐패시터 C5와 인덕터 L6은 두 필터를 안테나 포트에 연결하는 브랜치 회로를 만드는데 사용되었다. 각 필터의 입력 임피던스는 안테나 포트에서 다른 필터에 의해 보아질 때 다른 필터로부터의 간섭을 제거하기 위하여 중심주파수에서 무한대가 되어야한다. 캐패시터 C5와 인덕터 L6은 이 기능을 제공한다. 디플렉서의 등가회로 소자 값이 표1에 기재되어 있다.
| 성 분 | 소자값 | 성 분 | 소자값 |
| R1(전기적 길이) | 91.04deg | C2 | 0.18pF |
| R2(전기적 길이) | 91.3deg | C3 | 0.39pF |
| R3(전기적 길이) | 85.3deg | C5 | 0.92pF |
| R4(전기적 길이) | 86.0deg | C7 | 0.52pF |
| R5(전기적 길이) | 86.3deg | C8 | 0.37pF |
| L1 | 11.8nH | C9 | 0.21pF |
| L4 | 9.18nH | C10 | 0.25pF |
| L6 | 6.0nH | C11 | 0.64pF |
| Ls1 | 5.82nH | C12 | 0.5pF |
| Cs1 | 1.42pF |
도 13에 도시되어 있는 디플렉서 등가회로의 모든 공진기는 직렬공진에 의한 감쇠극을 가지며, R1 과 R2에 관계된 감쇠극은 높은 저지대역에 위치하고, 이 감쇠극들은 각각 C3, Lsl에 의한 결과이다. R3, R4, 그리고 R5와 관계된 감쇠극은 낮은 저지대역에 위치하고, 이 감쇠극들은 각각 C9, Csl 그리고 C12에 의한 결과이다. 캐패시터 C3, C9, 그리고 C12는 Y - △ 변환 후에 구해질수 있다.
도 14는 도 13에 도시되어 있는 디플렉서의 시뮬레이션된 결과이다. 디플렉서의 수신 대역통과 필터는 요구되는 송신대역에서 양호한 아이솔레이션(isolation)을 나타낸다. 이 형태의 디플레서는 수신단의 중심 주파수가 송신단의 중심주파수보다 높을 때 통신시스템에 이용될 수 있다.
본발명의 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계 방법에 따르면, 필터의 부피 및 공진기의 수를 줄이면서도 또한 저지대역에서 최대의 감쇠를 갖는 것이 가능하며, 좋은 통과대역, 저지대역 특성을 갖게 할 뿐만 아니라, 적용하기에 매우 단순하다. 이 수정된 체비셰프 필터는 낮은 또는 높은 저지대역중 하나가 다른 것보다 더 많은 감소를 갖는 듀플렉서 설계에도 사용될 수 있다.
Claims (3)
- 캐패시터를 병렬형 동축 공진기에 직렬로 연결하여 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조를 제조하고, 어드미턴스 인버터를 이용하는 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조로 대치함으로써 이루어지는, 낮은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계 방법.
- 인덕터를 병렬형 동축 공진기에 직렬로 연결하여 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조를 제조하고, 어드미턴스 인버터를 이용하는 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 상기 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조로 대치함으로써 이루어지는 높은 저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계 방법.
- 어드미턴스 인버터와 함께 RLP구조와 RUP구조를 병렬로 연결하여 양저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조를 제조하고, 일반적인 대역통과 필터에서 모든 공진기를 양저지대역에 감쇠극을 갖는 공진기 구조로 대치함으로써 이루어지는 양저지대역에 감쇠극을 갖는 수정된 체비셰프 대역통과 필터의 설계 방법.
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Cited By (2)
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| KR100811782B1 (ko) * | 2001-10-26 | 2008-03-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 이동 통신용 신호 송수신 장치 |
| KR20230080121A (ko) * | 2021-11-29 | 2023-06-07 | 순천향대학교 산학협력단 | 탄성파 필터 설계 방법 |
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| KR20230080121A (ko) * | 2021-11-29 | 2023-06-07 | 순천향대학교 산학협력단 | 탄성파 필터 설계 방법 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 19971227 |
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| PA0201 | Request for examination |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20000330 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20000802 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20000330 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |