KR19990075994A

KR19990075994A - 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR19990075994A
Application number: KR1019980010579A
Authority: KR
Inventors: 석중현; 이정순
Original assignee: 이형도; 삼성전기 주식회사
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 1999-10-15

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 주파수대의 고온 초전도 필터에 강유전체 캐패시터(Capacitor)의 플립-칩(flip-chip)을 장착하여 통과 주파수대가 가변되도록 한 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터는 서로 대칭 구조의 초전도 박막 패턴 상에 강유전체 캐패시터를 부착하고, 부착된 강유전체 캐패시터의 용량을 외부에서 인가하는 DC 바이어스 전압으로 가변시키는 방식으로 무겁고 복잡한 회로 구성 없이 간편하게 원하는 마이크로웨이브 대역의 신호를 송수신할 수 있다.

Description

통과 주파수 가변 밴드 패스 필터 및 그 구동 방법

본 발명은 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에 관한 것으로, 상세하게는 마이크로웨이브 주파수대의 고온 초전도 필터에 강유전체 캐패시터(Capacitor)의 플립-칩(flip-chip)을 장착하여 통과 주파수대가 가변되도록 한 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로웨이브 통신용 송수신기에 많이 쓰이는 동조용 밴드 패스 필터로는 각 주파수대 별로 여러 채널의 필터들이 사용된다. 이와 같이, 밴드 패스 필터가 많이 채용되는 경우에는 부품수가 많아지며 통과 밴드 선택을 위한 절환 장치에도 많은 부품이 소요되어 회로가 복잡해지며, 이를 채용한 송수신기의 무게와 부피 또한 커지는 문제점이 있다. 특히, 휴대용 송수신기에 있어서 무게와 부피가 커지는 것은 치명적인 약점이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 동조용 초전도 박막 패턴에 가변 캐패시터를 장착하여 그 용량을 변경함으로써 통과 주파수 대역을 가변할 수 있는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터 및 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터의 개략적 평면도,

도 2는 도 1의 통과 주파수 가변 필터를 A-A'라인을 따라 절개한 부분의 수직 단면도,

도 3은 도 1의 통과 주파수 가변 필터의 주파수 특성을 나타내는 그래프,

그리고 도 4a 내지 도 4c는 도 1의 통과 주파수 가변 필터에 장착되는 강유전체 캐패시터의 재료에 따른 구조를 보여주는 도면들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. YBCO 초전도막 20. 강유전체 캐패시터

21. Cu 도선 22. STO 강유전체층

23. LAO 캐패시터 기판 24. CeO₂버퍼층

30. 마이크로파 입력 포트 40. 마이크로파 출력 포트

50. 저주파 통과 필터(LPF) 60. DC 바이어스 포트

100. 단결정 기판

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터는, 단결정 기판 상에 형성된 대칭형의 두 초전도 박막 패턴; 및 상기 두 초전도 박막 패턴이 서로 마주보는 가장자리 상에 부착되어 인가되는 DC 바이어스 전압에 따라 용량이 가변되는 강유전체 캐패시터;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판 상의 상기 두 초전도 박막 패턴의 외측 가장자리에는 각각 마이크로웨이브 입력 및 출력 포트가 구비되고, 상기 기판 상의 일측 가장자리에 상기 강유전체 캐패시터에 상기 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 DC 바이어스 포트가 구비되며, 상기 강유전체 캐패시터 및 상기 DC 바이어스 포트 사이에 상기 두 초전도체 박막 패턴을 통과하는 마이크로웨이브가 상기 DC 바이어스 포트로 누설되는 것을 차단하기 위한 저역 통과 필터가 더 구비된 것이 바람직하며, 상기 단결정 기판은 LaAlO₃혹은 α-Al₂O₃로 형성되고, 상기 두 초전도 박막 패턴은 YBCO 로 형성되며, 상기 두 초전도 박막 패턴 및 강유전체 캐패시터는 적어도 한 개의 거울-대칭축을 가지며, 상기 강유전체 캐패시터는 플립-칩 형태로 따로 제작되어 상기 두 초전도 박막 패턴의 마이크로웨이브 전송 결합점에 부착되며, 상기 강유전체 캐패시터는, LaAlO₃단결정 기판; 상기 LaAlO₃단결정 기판 상에 적층된 SrTiO₃강유전층; 및 상기 SrTiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을 구비하하거나, 상기 강유전체 캐패시터는,α-Al₂O₃기판; 상기 α-Al₂O₃기판 상에 적층된 CeO₂버퍼층; 상기 CeO₂버퍼층 상에 적층된 SrTiO₃강유전층; 및 상기 SrTiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을 구비하거나, 상기 강유전체 캐패시터는, LaAlO₃단결정 기판; 상기 LaAlO₃단결정 기판 상에 적층된 (Ba_xSr_1-x)TiO₃강유전층; 및 상기 (Ba_xSr_1-x)TiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을 구비한 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터의 구동 방법은, 단결정 기판 상에 형성된 대칭형의 두 초전도 박막 패턴 및 상기 두 초전도 박막 패턴이 서로 마주보는 가장자리 상에 부착되어 인가되는 DC 바이어스 전압에 따라 용량이 가변되는 강유전체 캐패시터를 구비한 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에 있어서, 상기 강유전체 캐패시터에 인가되는 전압을 가변시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터 및 그 구동 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터의 개략적 평면도이며, 도 2는 도 1의 통과 주파수 가변 필터를 A-A'라인을 따라 절개한 부분의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터는 기본적으로 LaAlO₃(혹은 α-Al₂O₃) 단결정 기판(100) 상에 형성된 두 개의 YBCO 초전도 박막 패턴(10) 및 이 두 초전도 박막 패턴(10)이 서로 마주보는 가장자리에 걸치도록 탑재된 강유전체 캐패시터(20)를 구비한다. 이들 두 초전도 박막 패턴(10)과 강유전체 캐패시터(20)에 의하여 마이크로웨이브(MW; microwave)를 선택적으로 통과시키는 LC 공진회로가 구성된다. 이 LC 공진회로를 통과하는 대역의 중심 주파수를 f_c라 할 때, f_c는 도 3에 도시된 바와 같이, f_c1, f_c2, f_c3등으로 가변된다. 즉, 다음 수학식 1과 같은 관계가 성립된다.

이와 같이 f_c가 가변되는 이유는 강유전체 캐패시터(20)의 용량이 DC 바이어스 포트(60)를 통하여 DC 바이어스 회로(미도시)로부터 인가되는 전압에 의해 강유전체 캐패시터의 용량(C)이 가변되기 때문이다. 즉, 강유전체 캐패시터(20)에서 강유전층(22)을 형성하는 물질의 유전율 ε는 온도(T) 및 강유전체 캐패시터 양단에 인가되는 전압(V)의 함수 즉 ε(T,V)로 표시되기 때문이다. 따라서, C=ε (단, S는 강유전체 캐패시터의 두 전극의 단면적이고, d는 두 전극 간의 거리이다.)이므로, C 역시 온도(T) 및 강유전체 캐패시터 양단에 인가되는 전압(V)의 함수 즉 C(T,V)로 표시될 수 있다. 따라서, 온도(T)가 일정하다고 볼 때, 강유전체 캐패시터의 용량 C 는 캐패시터 양단에 인가되는 전압(V)의 함수가 된다. 즉, C∝V인 관계가 성립한다.

또한, 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에는 마이크로웨이브 입력 포트(30)와 출력 포트(40)가 각각 상기 초전도 박막 패턴의 외측 가장자리에 구비되고, 특히 강유전체 캐패시터(20)과 DC 바이어스 입력 포트(60)를 연결하는 도선의 중간에는 통과하는 마이크로웨이브가 DC 바이어스 입력 포트(60) 쪽으로 흐르는 것을 차단하기 위하여 저역 통과 필터(LPF)(50)가 구비된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에서는 강유전체(SrTiO₃)를 이용한 튜닝 메카니즘(tuning mechanism)은 마이크로웨이브 소자의 중요한 역할을 한다. 따라서, 튜닝 가능한 필터(tunable filter)를 제작하기 위해 작은(약 1x2 mm2 또는 이 보다 클 수 있음) 강유전체 캐패시터(20)를 플립-칩(flip-chip) 형태로 만들어 초전도 박막 패턴(10)으로 제작된 마이크로웨이브 필터 소자 위에 부착(attach)한다. 이 때, 강유전체 캐패시터(20)의 위치를 선정하는 것이 매우 중요한데, 이를 위해 고정밀 대칭 필터 설계(highly symmetrical filter design)가 요구된다. 즉 최소한 단축 거울-대칭축(one-pole mirror-symmetric axis)이 존재하는 필터 설계가 필요하다. 그리고 거울-대칭축(mirror-symmetric axis) 상에 캐패시터가 부착되게 된다. 즉, 마이크로웨이브(microwave)가 이 대칭축에 수직(수평)으로 전송될 때 결합(coupling)되는 곳을 찾아 그 곳에 플립-칩 형태의 캐패시터를 부착한다.

이상과 같이, 통과 대역을 가변되게 하는데 중요한 역할을 하는 강유전체 캐패시는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 사용 온도 혹은 제작 재료에 따라 다양하다.

먼저, 도 4a 및 도 4b는 액체 질소 온도(약 77°K)에서 튜닝해주기 위한 강유전체 캐패시터로, 강유전층(22)을 구성하는 강유전물질로 SrTiO₃를 사용한다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, LaAlO₃단결정 기판(23)을 사용할 경우에는 직접 기판(23) 위에 SrTiO₃강유전층(22)을 형성하고, 도 4b에 도시된 바와 같이, α-Al₂O₃기판(23)을 사용할 경우에는 기판(23) 상에 CeO₂로 버퍼층(24)을 형성한 다음 그위에 SrTiO₃강유전층(22)을 형성한다. 상기 두 종류의 강유전체 캐패시터는 공히 Cu 전극(21)을 사용한다.

다음에, 도 4c는 상온에서 튜닝해주기 위한 강유전체 캐패시터로, 강유전층(22)을 구성하는 강유전물질로 (Ba_xSr_1-x)TiO₃를 사용한다. 이 경우에도 LaAlO₃,단결정 기판(23) 상에 바로 (Ba_xSr_1-x)TiO₃강유전층(22)을 형성하는 방법으로 강유전체 캐패시터를 제작한다. 또한, 전극으로는 상기와 마찬가지로 Cu 전극(21)이 사용된다.

이상과 같은 구성의 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터는 외부 혹은 단결정 기판(100) 일측에 형성된 DC 바이어스 회로로부터 DC 바이어스 포트(60)을 통하여 강유전체 캐패시터(20) 인가하는 DC 바이어스 전압을 가변함으로써 소망하는 주파수 대역의 신호를 송수신할 수 있게된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터는 서로 대칭 구조의 초전도 박막 패턴 상에 강유전체 캐패시터를 부착하고, 부착된 강유전체 캐패시터의 용량을 외부에서 인가하는 DC 바이어스 전압으로 가변시키는 방식으로 무겁고 복잡한 회로 구성 없이 간편하게 원하는 마이크로웨이브 대역의 신호를 송수신할 수 있는 장점이 있다.

Claims

단결정 기판 상에 형성된 대칭형의 두 초전도 박막 패턴; 및

상기 두 초전도 박막 패턴이 서로 마주보는 가장자리 상에 부착되어 인가되는 DC 바이어스 전압에 따라 용량이 가변되는 강유전체 캐패시터;를

구비한 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항에 있어서,

상기 기판 상의 상기 두 초전도 박막 패턴의 외측 가장자리에는 각각 마이크로웨이브 입력 및 출력 포트가 구비되고, 상기 기판 상의 일측 가장자리에 상기 강유전체 캐패시터에 상기 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 DC 바이어스 포트가 구비되며, 상기 강유전체 캐패시터 및 상기 DC 바이어스 포트 사이에 상기 두 초전도체 박막 패턴을 통과하는 마이크로웨이브가 상기 DC 바이어스 포트로 누설되는 것을 차단하기 위한 저역 통과 필터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항에 있어서,

상기 단결정 기판은 LaAlO₃혹은 α-Al₂O₃로 형성된 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항에 있어서,

상기 두 초전도 박막 패턴은 YBCO 로 형성된 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항에 있어서,

상기 두 초전도 박막 패턴 및 강유전체 캐패시터는 적어도 한 개의 거울-대칭축을 갖는 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항에 있어서,

상기 강유전체 캐패시터는 플립-칩 형태로 따로 제작되어 상기 두 초전도 박막 패턴의 마이크로웨이브 전송 결합점에 부착된 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항 또는 제6항에 있어서,

상기 강유전체 캐패시터는,

LaAlO₃단결정 기판;

상기 LaAlO₃단결정 기판 상에 적층된 SrTiO₃강유전층; 및

상기 SrTiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을

구비한 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항 또는 제6항에 있어서,

상기 강유전체 캐패시터는,

α-Al₂O₃기판;

상기 α-Al₂O₃기판 상에 적층된 CeO₂버퍼층;

상기 CeO₂버퍼층 상에 적층된 SrTiO₃강유전층; 및

상기 SrTiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을

구비한 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
제1항 또는 제6항에 있어서,

상기 강유전체 캐패시터는,

LaAlO₃단결정 기판;

상기 LaAlO₃단결정 기판 상에 적층된 (Ba_xSr_1-x)TiO₃강유전층; 및

상기 (Ba_xSr_1-x)TiO₃강유전층 상에 형성된 두 개의 Cu 전극;을

구비한 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터.
단결정 기판 상에 형성된 대칭형의 두 초전도 박막 패턴 및 상기 두 초전도 박막 패턴이 서로 마주보는 가장자리 상에 부착되어 인가되는 DC 바이어스 전압에 따라 용량이 가변되는 강유전체 캐패시터를 구비한 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터에 있어서,

상기 강유전체 캐패시터에 인가되는 전압을 가변시키는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 통과 주파수 가변 밴드 패스 필터의 구동 방법.