KR20000011713A - 필터,필터링방법및지연회로 - Google Patents

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Abstract

금속 인클로우저와, 금속 인클로우저 속의 유전체 재료와, 인클로우저 내의 적어도 두 개의 마이크로스트립 안테나와, 금속 패턴을 갖는 적어도 하나의 주파수 선택면을 포함하는 필터. 상기 주파수 선택면은 인클로우저 내에 전파된 전자기 신호를 필터링하는데 사용된다. 안테나와 주파수 선택면의 크기 및 주파수 선택면의 공진 주파수는, 상기 필터가 대역 통과, 대역 소거, 노치 또는 조합 필터인지 아닌지 결정한다. 주파수 선택면이 생략될 경우, 상기 조합은 전자기 신호를 지연시키기 위한 지연 회로로서 작용하고, 여기서, 시간 지연은 유전체 재료의 유전체 상수의 함수이다.

Description

필터, 필터링 방법 및 지연 회로{Filter including a microstrip antenna and a frequency selective surface}
종래의 회로 기판은 여러 구성 요소들이 밀집하게 위치하게 된다. 상기 구성 요소들이 밀접하게 배치되기 때문에, 상기 구성 요소들은 회로 기판 상의 다른 구성 요소들의 동작에 간섭하는 전자기 신호를 종종 발산하게 된다. 특히, 전형적으로 마이크로파 대역에서의 신호를 필터링하는 종래의 주파수 필터는 의사(spurious) 전자기 방사의 대규모 소스이다.
본 발명은 소형이고 저렴한 고주파수(1-25Ghs의 전자파 신호 및 25GHz 이상의 밀리파)에 대한 필터를 제공함으로써 상기 문제점을 해결한다. 본 발명의 필터는, 회로 기판 상의 다른 구성 요소들을 간섭할 수 있는 필터의 최소 누설(minimum leakage out)에 완전히 차폐됨으로써, 전체 회로의 비용 및 크기를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 고주파수(예를 들어, 유전체 상수(εr= 30)와 약 11mm의 파장을 갖는 5GHz)에 대해 소형 및 저렴한 지연 회로를 제공한다. 본 발명의 지연 회로는 또한, 회로 기판 상의 다른 구성 요소들을 간섭할 수 있는 지연 회로의 최소 누설을 완전히 차폐한다.
보다 자세히, 본 발명은, 소스 및 싱크 안테나로 마이크로스트립 (microstrip)("패치(patch)"로도 공지됨) 안테나를 사용하고, 소스 안테나로부터 싱크 안테나로의 인클로우저(enclosure) 내의 유전체 재료를 통한 전자기 신호를 전파하는 필터이다. 그 위에 금속 패턴(metallic patterns)이 인쇄된 적어도 하나의 주파수 선택면(frequency selective surface)이, 유전체 재료 내에 매립되고(embedded), 이는 일정 주파수 또는 주파수들을 거부한다. 크기에 따라, 금속 인클로우저, 유전체 재료, 소스 및 싱크 안테나의 조합 및 적어도 하나의 주파수 선택면은, 대역 통과 필터, 노치 필터(notched filter), 또는 대역 통과 필터와 노치 필터의 조합을 생성하도록 이용될 수 있고, 이는 완전히 차폐되어 최소 전자기 간섭을 발산하게 된다.
또한, 본 발명은, 소스 안테나 및 싱크 안테나로 마이크로스트립 안테나를 사용하고, 소스 안테나로부터 인클로우저 내의 유전체 재료를 통해 싱크 안테나로 전자기 신호를 전파하는 지연 회로이다. 지연 회로는 적어도 하나의 주파수 선택면을 포함하지 않는다. 금속 인클로우저와, 유전체 재료와, 소스 및 싱크 안테나의 조합은 지연 회로를 구성하고, 여기서 지연의 시간 길이는, 상기 포함된 유전체 재료의 유전체 상수의 함수이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예의 필터의 블록도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 필터.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예의 필터.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 필터에 의해 생성된 주파수 응답을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예의 지연 회로.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
12 : 금속 인클로우저 18, 20 : 주파수 선택면
14, 16 : 마이크로스트립 안테나 22 : 유전체 재료
42 : 흡수 재료 44 : 디바이더
40 : 대역 통과 필터
본 발명은, 회로 기판 상에서 필터 근처의 다른 구성 요소들을 간섭하는 최소 전자기 감소를 발산하는 초고주파(1GHz 이상)에 대한 소형이고 저렴한 필터를 개시한다. 기본 원칙은, 두 안테나, 즉, 소스 안테나와 싱크 안테나 및 일정 주파수들을 거부하기 위한 스크린으로 작용하는 유전체 재료에 포함된 하나 이상의 주파수 선택면을 갖는 고 유전체 재료를 제공하는 것이다. 마이크로스트립 또는 패치 안테나는, 차폐하기 위해 필터에서 필요로 하는 접지면을 필요로 하기 때문에, 상기 목적을 위해 이상적이다.
고유전체 재료의 용도는, 파장이 작동 주파수와 유전체 재료의 유전체 상수의 함수이기 때문에, 매체에서 유도된 파장을 피하기 위해서이다. 동일한 유전체 재료에 대한 유도된 파장은 다음식으로 주어지고, 아래의 식에서, c는 광속(3×108m/s)이고, f는 주파수(Hz)이며, εr는 관련 재료의 상대 유전체 상수이다.
일 실시예에서, 본 발명의 필터(10)가 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 필터(10)는 포트가 입력 또는 출력일 수 있는 가역 회로(reciprocal circuit)이다. 로렌츠의 상반의 정리(Lorentz reciprocity theorem)는, 안테나가 다음 식으로 정의된 수신 모드 및 전송 모드에 대해 동일한 방사 패턴을 갖는다고 정의한다.
상기 식에서, va및 vb는 소스 및 싱크 안테나의 크기이고, Ea및 Eb는 안테나(a 및 b)에 의해 만들어진 전계이고, Ja및 Jb는 a 및 b의 전원 크기 전류인 반면, 자계 소스 크기 전류 Ma및 Mb는 수학식 2의 Hx·My항을 소거하기 위해 통상 0이다. 수학식 2에서 정의된, 로렌츠 상반의 정리는, 안테나 a에 의해 생성된 안테나 b에서의 전계와 안테나 b 상의 전계 크기 전류와의 벡터 곱이, 안테나 b에 의해 생성된 안테나 a에서의 전계와 안테나 a의 전계 크기 전류와의 벡터 곱과 동일함을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예의 필터(10)의 주요 구성을 도시한다. 특히, 도 1a 및 도 1b는, 금속 인클로우저(12)와, 마이크로스트립 안테나(14)와, 마이크로스트립 안테나(16)와, 두 주파수 선택면(18 및 20)과, 고체 유전체 재료(22)를 도시한다. 각각의 주파수 선택면(18, 20)은, 그 위에 인쇄된 금속 패턴(24)을 포함한다. 주파수 선택면(18, 20)은 유전체 재료(22)에 포함된다. 금속 인클로우저(12)는 유전체 재료(22)와 주파수 선택면(18, 20)을 완전히 둘러싼다.
각각의 마이크로스트립 안테나(14, 16)는, 접지판(26)과, 도전체(28)를 포함한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에서, 금속 인클로우저(12)는 또한, 마이크로스트립 안테나(14, 16)에 대한 접지판(26)으로서의 작용도 한다. 마이크로스트립 안테나(14, 16) 상의 도전체(28)는, 알루미늄, 구리, 은 또는 금 중 하나로 만들어지고, 원형, 직사각형 또는 타원형의 형태일 수 있다. 마이크로스트립 안테나(14, 16)는 인쇄 회로 기술 또는 기판 에칭에 의해 만들 수 있다. 또한 마이크로스트립 안테나(14, 16)는 마이크로스트립-페드 슬롯 안테나(microstrip-fed slot antenna)일 수도 있다. 주파수 선택면(18, 20)은 박막 기술에 의해 생성되며, 전형적으로 1 내지 5 mm 두께이다. 금속 패턴(24)은, 구리, 은, 알루미늄 또는 금 중의 하나로 만들어진다. 유전체 재료(22)는 유전체 상수가 1.1 내지 10,000인 세라믹 등의 고체 유전체이고, 여기서, 전파되는 전자기 신호의 속도(Vp)는 다음과 같다.
여기서, c=3.0×108m/s이고, εr은 유전체 상수이다.
도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 주파수 선택면(18, 20)은 박막 기술로 인쇄된 주기적으로 반복한 금속 패턴(24)을 포함한다. 금속 패턴(24)은, 대역 소거 필터로 작용하기 때문에, 하나 이상의 특정 주파수에 대해 공진하는 형상을 갖는다. 전자기 신호(30) 전파(propagating)가 주파수 선택면(18, 20) 중 하나와 만나면, 금속 패턴(24)의 공진 주파수(또는 주파수들)에 대응하는 상기 주파수(또는 주파수들)에 속하는 에너지는, 금속 패턴(24)에 의해 흡수되고, 다음식과 같은 스넬의 반사 법칙에 따라 반사된다.
여기서, θt는 반사파의 각도이고, θi는 입사파의 각도이며, εr1은 상기 파장이 출사하는 매체의 상대 유전체 상수이고, εr2는 상기 파장이 입사하는 매체의 상대 유전체 상수이다.
주파수 선택면(18, 20)은 공진 주파수(주파수들) 외의 다른 모든 주파수에 대해 투과성을 갖는다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 노치 필터(10)를 생성하기 위해, 전자기 신호(30) 전파의 주파수 선택면(18, 20)으로의 입사각은, 제한이 없다면, 수직 입사로 가정한다. 상이한 공진 주파수를 갖는 몇몇 주파수 선택면은, 임의의 소망의 주파수 응답을 얻기 위해, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 서로 하나씩 배치할 수 있다. 박막 기술 상에 금속 패턴(24)이 인쇄될 수 있으며, 도 1a에 도시된 바와 같이, 금속 스트립 형태를 직사각형에 한정하는 것은 아니다. 금속 패턴(24)으로, 원형, 십자가형, 동심원, 이중 사각형 또는 격자 사각형 등이 사용될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 또다른 실시예, 특히, 대역 통과 필터(40)를 도시한다. 대역 통과 필터(40)는, 금속 인클로우저(12)와, 전송 안테나 기능을 하는 마이크로스트립 안테나(14)와, 수신 안테나 기능을 하는 마이크로스트립 안테나(16)와, 두 개의 주파수 선택면(18, 20)과, 흡수 재료(42)와, 인클로우저(12)와 동일 재료로 만들어진 디바이더(44)를 포함한다. 전파 전자기 신호(30)는, 전송 안테나(14)에 의해 전송되고, 주파수 선택면(18)에 부딪히고, 이는 공진 주파수(또는 주파수 대역) f2를 갖는다. 다른 모든 주파수들, 즉, f1,f3는 주파수 선택면(18)을 통과하여, 흡수 재료(42)에 흡수된다. 주파수 선택면(18)에 의해 반사된 주파수 f2는, 주파수 선택면(20)에 부딪힌다. 또한, 주파수 f2는 주파수 선택면(20)에 의해 반사되고, 주파수 선택면(18)과 동일한 공진 주파수를 갖는다. 주파수 f2는 주파수 선택면(20)에서 수신 안테나(16)로 반사된다. 수신 안테나(16)에 의해 반사되어 수신된 신호는 단지 주파수 f2만을 포함하고, 따라서, 대역 통과 필터(40)로 작동한다. 금속 디바이더(44)는 전파 전자기 신호(30)(f1, f2, f3포함)와 수신 안테나(16)에서 수신된 신호(f2) 사이의 간섭과, 전송 안테나(14)와 수신 안테나(16) 사이의 내부 연결을 방지한다.
도 2에 도시된 양호한 실시예에서, 두 개의 주파수 선택면(18, 20)은, 마이크로스트립 안테나(14, 16)에 대해 45°로 위치하고, 상호간에 90°로 위치한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예, 특히, 조합 노치 및 대역 통과 필터(combined notched and bandpass filter:50)를 도시한다. 조합 노치 및 대역 통과 필터(50)는, 금속 인클로우저(12)와, 마이크로스트립 안테나(14, 16, 52)와, 주파수 선택면(18)을 포함한다. 마이크로스트립 안테나(14)는, 전송 안테나로 작용하고, 주파수(또는 주파수 대역) f1, f2를 전송한다. 주파수 선택면(18)은 f2와 동일한 공진 주파수를 갖고, 따라서, 주파수 f1은 통과되어 마이크로스트립 안테나(16)에서 수신되는 반면, 주파수 f2는 반사되어 마이크로스트립 안테나(52)에서 수신된다. 마이크로스트립 안테나(16)에서 수신된 신호는 도 4a에 도시된 바와 같이 노치 신호(notched signal)인 반면, 마이크로스트립 안테나(52)에서 수신된 신호는 도 4b에 도시된 바와 같이, 대역 통과 신호이다.
앞서 설명한 바와 같이, 소망의 응답 유형을 갖는 필터는, 상기 설명한 주요 구성 요소를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 설명에 따라 구성된 필터는, 종래의 표면 어쿠스틱파(surface acoustic wave:SAW) 또는 마이크로스트립 필터 상의 방사 누설(radiation leakage) 및 손실을 감소시킨다. 또한, 상기 설명과 같이 구성된 필터는 밀리미터파 범위에서의 작동을 가능하게 한다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예, 특히, 금속 인클로우저(12)와, 두 개의 마이크로스트립 안테나(14, 16)와, 유전체 재료(14)를 포함하는 지연 회로(60)를 도시한다. 지연 회로(60)에서, 유전체 재료(14)의 유전체 상수가 클 수록, 전자기 신호(30)의 전파가 느려진다. 유전체 상수를 제어함으로써, 전자기 신호(30)를 소망 시간만큼 지연시키는 지연 회로(60)를 디자인할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 임의의 지연 시간을 갖는 지연 회로가 상기 설명한 주요 구성 요소를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 설명에 따라 구성된 지연 회로는 방사 누설을 감소시키고, 성능을 개선하며, 종래의 지연 회로에 비해 크기를 줄일 수 있다.
소망의 응답 유형을 갖는 필터는, 상기 설명한 주요 구성 요소를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 설명에 따라 구성된 필터는, 종래의 표면 어쿠스틱파(surface acoustic wave:SAW) 또는 마이크로스트립 필터 상의 방사 누설(radiation leakage) 및 손실을 감소시킨다. 또한, 상기 설명과 같이 구성된 필터는 밀리미터파 범위에서의 작동을 가능하게 한다.
또한, 임의의 지연 시간을 갖는 지연 회로가 상기 설명한 주요 구성 요소를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 설명에 따라 구성된 지연 회로는 방사 누설을 감소시키고, 성능을 개선하며, 종래의 지연 회로에 비해 크기를 줄일 수 있다.

Claims (28)

  1. 인클로우저(enclosure)와,
    상기 금속 인클로우저 내의, 유전체 재료와,
    상기 금속 인클로우저 내의, 적어도 두 마이크로스트립(microstrip) 안테나와,
    상기 인클로우저 내에서 상기 유전체 재료로 캡슐화된(encapsulated), 금속 패턴(metallic pattern)을 갖는 적어도 하나의 주파수 선택면을 포함하는 필터로서,
    상기 적어도 하나의 주파수 선택면은 상기 유전체 재료 내에 매립되고(embedded),
    상기 금속 인클로우저는 상기 적어도 하나의 주파수 선택면을 캡슐화하고,
    상기 적어도 하나의 주파수 선택면은 상기 금속 인클로우저 내에서 전파되는 전자기 신호를 필터링하는 필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는 가역 회로(reciprocal circuit)인 필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각은, 도전체와 접지판을 포함하는 필터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 인클로우저의 두 벽 각각은, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각에 대해 상기 접지판으로 작용하는 필터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 패턴은, 주기적으로 반복되고, 적어도 하나의 공진 주파수를 갖는 필터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주파수 선택면 각각 상의 상기 금속 패턴은, 정사각형, 원형, 직사각형, 동심원, 2중 사각형(double squares), 격자형 사각형, 십자가형 중 하나인 필터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 인클로우저는 상기 필터를 차폐하는 필터.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주파수 선택면 각각 상의 상기 금속 패턴은 적어도 하나의 주파수를 반사하는 필터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기 신호는 마이크로파 또는 밀리미터파 신호인 필터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각과, 상기 적어도 하나의 주파수 선택면 각각은, 거의 평행한 평면들로 배치된 필터.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 필터는 노치 필터(notch filter)인 필터.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나는, 디바이더(divider)에 의해 분리된 두 마이크로스트립 안테나를 포함하고, 그 중 하나는 신호 경로를 따라 여러 주파수들의 전송기 역할을 하고, 나머지 하나는 특정 주파수 대역의 수신기 역할을 하며,
    상기 적어도 하나의 주파수 선택면은, 상기 신호 경로에 예각(acute angle)으로 배열된 두 주파수 선택면을 포함하고, 상기 주파수 선택면 중 하나는 상기 전송기로부터 상기 여러 주파수들을 수신하고, 제 2 주파수 선택면을 따라, 상기 수신기로 상기 특정 주파수 대역을 반사하는 필터.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 필터는 가역 회로인 필터.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 여러 주파수들의 나머지는 제 1 주파수 선택면을 통과하여 흡수 재료에 의해 흡수되는 필터.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 필터는 대역 통과 필터인 필터.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나는, 세 마이크로스트립 안테나를 포함하고, 그 중 하나는 신호 경로를 따라 여러 주파수들의 전송기 역할을 하고, 둘은 수신기 역할을 하며,
    상기 적어도 하나의 주파수 선택면은 상기 신호 경로에 예각으로 배치된 하나의 주파수 선택면을 갖고, 상기 주파수 선택면은, 상기 전송기로부터의 상기 여러 주파수들을 수신하고, 제 1 수신기로 특정 주파수 대역을 반사하고, 상기 특정 주파수 대역을 제외하고, 제 2 수신기로 상기 특정 주파수의 나머지를 통과시키는 필터.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 필터는 조합 노치 및 대역 통과 필터(combined notched and bandpass filter)인 필터.
  18. 유전체와, 적어도 두 마이크로스트립 안테나와, 금속 패턴을 갖는 적어도 하나의 주파수 선택면을 통해 전자기 신호를 통과시키는 단계와,
    상기 적어도 하나의 주파수 선택면의 상기 금속 패턴을 사용해 상기 전자기 신호를 필터링하는 단계를 포함하는, 전자기 신호의 필터링 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 통과 단계 및 필터링 단계 동안 상기 전자기 신호를 차폐하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 인클로우저와,
    상기 인클로우저 내의, 유전체 재료와,
    상기 금속 인클로우저 내의, 적어도 두 마이크로스트립 안테나를 포함하는 지연 회로로서,
    상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나는 상기 인클로우저 내에 전파된 전자기 신호를 지연시키는 지연 회로.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 지연은 상기 유전체 재료의 유전체 상수의 함수인 지연 회로.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각은 도전체와 접지판을 포함하는 지연 회로.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 금속 인클로우저의 두 벽 각각은, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각에 대한 접지판으로 작용하는 지연 회로.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 인클로우저는 상기 지연 회로를 차폐하는 지연 회로.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 전자기 신호는 마이크로파 또는 밀리미터파 신호인 지연 회로.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 두 마이크로스트립 안테나 각각은 거의 평행한 판으로 배열된 지연 회로.
  27. 유전체 재료와 적어도 두 마이크로스트립 안테나를 통해 전자기 신호를 통과시키는 단계와,
    상기 유전체 재료를 사용해 상기 전자기 신호를 지연시키는 단계를 포함하는, 전자기 신호 지연 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 통과 단계 및 지연 단계 동안 상기 전자기 신호를 차폐시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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