KR20010007226A - 주파수 대역 가변 필터, 듀플렉서 및 통신 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 공진기; 및 복수의 스위치 소자를 통하여 상기 복수의 공진기에 각각 접속되는 복수의 리액턴스 소자를 포함하며, 여기서 상기 스위치 소자의 온 상태(on-state)에서의 주파수 대역의 폭은 오프 상태(off-state)에서의 주파수 대역의 폭과 다른 것이 특징인 주파수 대역 가변 필터에 대한 것이다.

Description

주파수 대역 가변 필터, 듀플렉서 및 통신 기기{Frequency band variable filter, duplexer, and communication apparatus}

본 발명은 주파수 대역이 가변인 필터 및 공진기와 이를 이용하는 통신기기에 관한 것이다.

종래 다이오드를 통하여 공진기에 커패시터와 같은 리액턴스(reactance) 소자를 접속하여 다이오드에 인가되는 전압을 조절함으로써, 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 주파수 특성 가변 필터가 알려져 있다(일본 특개소 63-90901호 및 일본 특개평 7-321509호 참조).

상기 다이오드로서 PIN 다이오드를 사용하는 경우, PIN 다이오드의 온/오프(on/off) 상태에 따라 공진 주파수가 스위치(switch)되기 때문에, 그 온/오프 상태에 따라 필터의 공진 특성은 두 개의 대역을 가지게 된다.

반면, 송신 주파수 대역 및 수신 주파수 대역을 스위치하는 것을 이용하는 어떤 통신 시스템에 있어서, 송신 필터 및 수신 필터의 주파수 특성이 다이오드를 스위치하는 것에 의하여 변하는 경우, 상기 송신 필터 및 수신 필터는 두 개의 대역에서 사용될 수 있다.

예를 들어, 휴대전화 시스템의 하나로서 PCS 시스템에 있어서, 송신측은 전체 대역폭의 범위가 1850 ∼ 1910 ㎒ 이고, 수신측은 전체 대역폭의 범위가 1930 ∼ 1990 ㎒이다. 이러한 경우, 송신측을 1850 ∼ 1880㎒ 및 1880 ∼ 1910㎒ 범위를 갖는 두 개의 대역폭으로 나누고, 수신측도 1930 ∼ 1960㎒ 및 1960 ∼ 1990㎒ 범위를 갖는 두 개의 대역폭으로 나누는 방식으로, 하여 다이오드의 온 상태 및 오프 상태 사이에서의 필터의 주파수 특성을 변화시키도록 배치할 수 있다.

그러나, 다이오드의 상태에 따라 주파수의 특성이 변화되는 필터에 있어서, 다이오드가 온 상태일 때는 다이오드는 특정한 저항값을 갖는 저항기로 작용하고, 다이오드가 오프 상태일 때는 비교적 높은 Q₀계수를 갖는 커패시터로 작용한다. 그 결과, 다이오드의 온/오프 상태에 따라, 공진회로의 Q₀계수는 변하게된다. 본 발명자들에 의한 측정에서, Q₀계수가 350인 1800㎒ 대의 유전체 공진기가 30㎒ 만큼 변화하도록 커패시터의 용량을 정하고, 다이오드를 통하여 커패시터가 상기 유전체 공진기에 접속되도록 하는 공진회로의 경우에 있어서, 다이오드가 오프 상태일 때 공진회로의 Q₀계수는 대략 290이며, 다이오드가 온 상태일 때 공진회로의 Q₀계수는 220 으로서, 이것에 의하여 Q₀계수가 약 75％로 감소한다는 것을 보여준다. 또한, 고주파에서 사용되는 다이오드와 같은 다양한 종류의 스위치 소자를 사용함으로써, Q₀계수의 감소가 비슷하게 측정될 때, 스위치 소자가 온 상태일 때 얻어진 공진회로의 Q₀계수는 스위치 소자가 오프 상태일 때와 비교하면 약 75 내지 95％ 정도였다.

그러므로, 상기 PCS 시스템에 사용되는 듀플렉서의 경우, 다이오드가 온 상태에 있을 때 발생하는 삽입 손실은 다이오드가 오프 상태에 있을 때 발생하는 삽입손실보다 크게되고, 그리하여 통과 대역의 변화에 의하여 발생하는 삽입손실 사이의 균형을 악화시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 통과 대역에 상응하는 개별적인 필터를 사용할 수 있다. 그러나, 그 결과 부품의 수가 증가하고 프린트 회로 기판상을 점유하는 부품의 면적이 증가하게 되어 듀플렉서의 크기가 증가하게 된다. 또한 두 개의 필터를 선택적으로 사용하기 위하여 스위치 시스템도 필요하게 된다.

이러한 상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는 다이오드와 같은 스위치 소자의 상태에 따라 주파수 대역이 변하는 주파수 대역 가변 필터에서 스위치 소자의 온/오프 상태에 상관없이 안정된 삽입 손실을 얻을 수 있는 주파수 대역 가변 필터 및 듀플렉서를 제공하며, 이를 이용한 통신기기 또한 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉서의 회로도이다.

도 2a, 2b, 및 2c는 도 1에 나타난 듀플렉서의 작용을 설명하는 도면이다.

도 3은 도 1에 나타난 듀플렉서의 수신 필터 및 송신 필터의 통과 특성을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀플렉서의 수신 필터 및 송신 필터의 통과 특성을 나타내는 도면이다.

도 5는 통신 기기의 구조도이다.

도 6은 종래 듀플렉서의 수신 필터 및 송신 필터의 통과 특성을 보여주는 도면이다.

＜부호의 설명＞

R1 ∼ R5 : 공진기

D11, D12, D2 ∼ D5 : 다이오드 (스위치 소자)

CONT 1, CONT 2 : 제어신호 입력단자

본 발명에 의한 바람직한 실시예는,

복수의 공진기; 및 복수의 스위치 소자에 의하여 복수의 공진기에 각각 접속되는 복수의 리액턴스 소자;를 포함하며, 여기서 스위치 소자의 온 상태에서 주파수 대역의 폭은 그 스위치 소자의 오프 상태에서의 주파수 대역의 폭과 다른 주파수 대역 가변 필터를 제공한다.

상기와 같은 배치에 따르면, 복수의 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 스위치 소자의 온/오프 상태에 따라 적당한 주파수 대역폭이 결정될 수 있기 때문에, 설계상의 자유도가 증가한다.

상기 주파수 대역 가변 필터에 있어서, 소정의 주파수 대역은 각각 다른 대역폭을 갖는 첫 번째 대역 및 두 번째 대역으로 나누어질 수 있고; 첫 번째 대역의 주파수 대역폭은 두 번째 대역의 주파수 대역폭보다 더 넓을 수 있고; 첫 번째 대역은 스위치 소자의 오프 상태에서의 주파수 대역으로 사용될 수 있으며; 두 번째 대역은 스위치 소자의 온 상태에서의 주파수 대역으로 사용될 수 있다.

상기 배치에 따라, 스위치 소자가 켜졌을 때 사용되는 주파수의 대역폭이 좁아짐에 따라, 상기 주파수 대역에서의 삽입 손실은 상대적으로 줄어든다. 그 결과, 스위치 소자의 온/오프 상태가 변함에 따라 주파수 대역에서 발생하는 삽입 손실 사이의 불균형은 억제될 수 있다. 그러므로, 송신/수신 회로의 설계가 용이하게 된다.

상기 주파수 대역 가변 필터에서, 스위치 소자의 온 상태에서의 주파수 대역폭은 스위치 소자의 오프 상태에서의 주파수 대역폭의 75％ 내지 95％ 범위의 값으로 조정될 수 있다.

상기 배치에 따라, 스위치 소자가 온 상태일 때 얻어진 공진회로의 Q₀계수가 스위치 소자가 오프 상태일 경우와 비교하여 약 75 내지 95％의 범위에 있기 때문에, 이에 상응하는 주파수의 대역폭을 결정함으로써, 스위치 소자의 온/오프 상태를 변화시킴에 따라 야기되는 주파수 대역에서의 삽입 손실은 실질적으로 서로 동일하게 된다.

상기 주파수 대역 가변 필터에서 공진기는 유전체 동축 공진기(dielectric coaxial resonator)일 수 있다.

상기 배치에 따라, 전체적인 소형화를 달성할 수 있으며, 무부하(unloaded) Q(Q₀) 계수를 높게 유지할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는 송신 필터 및 수신 필터로서 사용되는 상기 필터를 포함하는 주파수 대역 가변 듀플렉서를 제공한다.

상기 배치에 따라, 수신 주파수 대역 및 송신 주파수 대역을 각각 두 개의 대역으로 나누어 단일의 듀플렉서에 사용되도록 한 경우, 스위치 소자의 온/오프 상태를 바꿈에 따라 발생하는 주파수 대역에서의 삽입손실 사이의 불균형을 억제할 수 있다. 그 결과, 송신회로 및 수신회로의 설계는 용이하게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 예는 상기 주파수 대역 가변 필터 또는 듀플렉서를 포함하는 통신기기를 제공한다.

상기의 배치에 따라, 주파수 대역을 변화시킴에 따라 발생하는 특성상의 변화가 거의 없는 조밀한(compact) 통신기기를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면을 참고로 하는 하기의 설명에서 명백해 질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀플렉서의 구조는 도 1 내지 3을 참고로하여 설명할 것이다.

도 1은 듀플렉서의 회로도이다. 이 도면에서 참고문자 TX는 송신신호 입력 포트(transmission signal input port)를 나타내고, 참고문자 RX는 수신신호 출력포트(reception signal output port)를 나타내며, 참고문자 ANT는 안테나 포트를 나타낸다. 또한 참고번호 CONT 1은 송신 필터의 제어신호 입력단자(control signal input terminal)를 나타내고, 참고번호 CONT 2는 수신 필터의 제어신호 입력단자를 나타낸다. 이러한 제어 단자에 인가되는 스위치 전압을 스취치하는 것은 송신 필터 및 수신 필터의 주파수 특성을 변화시킨다.

도 1에서, 참고번호 R1 및 R2는 송신 필터의 유전체 동축 공진기를 나타낸다. 각각의 공진기 R1 및 R2의 한쪽 끝은 접지되어 있으며, 커패시터 C11, C12, C21, 및 C22는 상기 공진기의 다른 한쪽 끝 및 접지점 사이에 접속되어 있다. 또한, 이러한 부분들의 교차점 사이에 인덕터 L2가 접속되어 있다. 이러한 배치로서, 공진기 R1 및 R2의 공진 주파수가 감쇠극(attenuation pole)이 되는 대역소거 필터(band-elimination filter; BEF)가 형성된다.

반면, R3, R4 및 R5는 수신 필터의 유전체 동축 공진기를 나타낸다. 상기 공진기 각각의 한쪽 끝은 접지되어 있고, 다른쪽 끝은 커패시터 C34, C35 및 인덕터 L3, L5를 통하여 서로 접속되어 있다. 이러한 구조는 3단의 공진기로 구성된 대역통과 필터(BPF)가 형성되는 것을 가능하게 한다. 수신필터의 출력부에 인덕터 L51이 배치되어 있다.

인덕터 L1 및 L31, 및 커패시터 C3은 위상 합성 회로(phase composition circuit)를 구성하여, 송신신호가 수신 필터로 들어가는 것을 막고, 수신 신호가 송신 필터로 들어가는 것을 막아서, 송신신호와 수신신호의 분지(branching)를 행한다.

송신필터의 공진기 R1 및 접지점 사이에, 다아오드 D11, D12 및 커페시터 C10으로된 직렬회로가 접속되어 있다. 또한, 공진기 R2 및 접지점 사이에 다이오드 D2 및 커패시터 C20으로 된 직렬회로가 접속되어 있으며, 제어신호 입력단자 CONT 1과 다이오드 D11, D12, D2의 사이에 인덕터 L, 저항 R 및 커패시터 C로 구성된 고주파 차단회로가 배치되어 있다. 마찬가지로, 수신필터에서 공진기 R3, R4, R5와 접지점 사이에 다이오드 D3 및 커패시터 C30으로 된 직렬회로, 다이오드 D4 및 커패시터 C40으로 된 직렬회로, 및 다이오드 D5 및 커패시터 C50으로 된 직렬회로가 각각 접속되어 있다. 제어신호 입력단자 CONT 2 및 다이오드 D3, D4, D5 사이에 인덕터 L, 저항 R 및 커패시터 C로 구성된 고주파 차단회로가 배치되어 있다. 상기 각각의 다이오드로서, 예를 들어, 훌륭한 고주파 특성을 갖는 PIN 다이오드가 사용된다. 이러한 다이오드는 본 발명에서 설명한 스위치 소자와 동일하다.

도 2a, 2b 및 2c는 도 1에 나타난 공진기 4의 공진 주파수가 다이오드의 온/오프 상태에 따라 변하는 상황을 보여주는 도면이다. 도 2a에서 CONT2에 인가된 전압이 소정의 양의 전압으로 정해질 경우, 이것은 도 2b에 보이는 바와 같이 커패시터 C40 및 저항 R4로 구성된 직렬회로가 공진기 4에 병렬로 접속되어 있는 것과 등가 상태가 된다. 이러한 배치에 의하여 공진기 R4의 공진 주파수는 감소하게 된다. 또한, CONT 2에 인가된 전압이 0V로 조정될 경우, 이는 다이오드 4의 차단으로 인하여 커패시터 C40 및 C4로된 직렬회로가 공진기 4에 병렬로 접속된 것과 등가 상태가 된다(도 2c 참조). 이것은 공진기 R4의 공진 주파수가 증가되도록 한다.

마찬가지로 도 1에 나타난 공진기 R3 및 R5와 관련하여, CONT 2에 인가된 전압이 소정의 양의 전압으로 조정될 때, R3 및 R5의 공진 주파수는 감소하고, CONT 2에 인가된 전압이 0V로 조정될 때, R3 및 R5의 공진 주파수는 증가한다. 또한, 마찬가지로 도 1에 나타난 공진기 R1 및 R2와 관련하여, CONT 1에 인가된 전압이 소정의 양의 전압으로 조정될 때, R1 및 R2의 공진 주파수는 감소하고, CONT 1에 인가된 전압이 0V로 조정될 때, R1 및 R2의 공진 주파수는 증가한다.

도 3은 상기 듀플렉서의 송신필터 및 수신필터의 통과특성을 보여준다. 여기에서 참고문자 Rx는 전체 수신 주파수 대역을 나타내고, 참고문자 Tx는 전체 송신 주파수 대역을 나타낸다. 실선은 상기 듀플렉서의 각각의 다이오드가 온 상태일 때 얻은 통과특성을 나타내고, 파선은 듀플렉서의 각각의 다이오드가 오프 상태일 때 얻은 통과특성을 나타낸다. 도 1에 나타난 다이오드 D11, D12, D2, D3, D4, 및 D5가 켜졌을 때(on), 수신필터의 통과대역 및 송신필터의 차단 대역은 1930 내지 1957 ㎒의 범위에 있다. 다이오드 D11, D12, D2, D3, D4, 및 D5가 꺼졌을 때(off), 수신필터의 통과대역 및 송신필터의 차단 대역은 1957 내지 1990 ㎒의 범위에 있다.

이러한 방식으로, 수신필터의 다이오드가 켜졌을 때 사용된 통과 대역폭은 27㎒에서 조정되고, 수신필터의 다이오드가 꺼졌을 때 사용된 통과 대역폭은 33㎒에서 조정된다. 즉, 다이오드가 온 상태일 때 사용된 통과 대역폭은 다이오드가 오프 상태일 때 사용된 통과 대역폭의 약 82％ 정도가 된다. 이러한 배치로써, 수신대역의 위쪽 대역에서의 삽입손실은 그 아래쪽 대역에서의 삽입손실과 실질적으로 동등하게 된다.

상기 수신필터의 통과대역은 도 1에 보여지는 공진기들 사이의 결합용 커패시터 C34 및 C45의 값을 조정하여 결정한다. 또한, 송신필터의 차단 대역은 도 1에 나타난 L1, L2, C11, C12, C21, 및 C22의 값을 조정하는 것에 의하여 결정된다.

도 1에 나타난 예에 있어서, 수신필터는 대역통과 필터로서 형성되고, 송신 필터는 대역차단 필터로서 형성된다. 그러나, 수신필터 및 송신필터 모드는 대역 통과필터로서 형성될 수도 있다. 도 4는 이러한 경우 송신필터 및 수신필터의 통과 대역의 예를 보여준다. 실선은 상기 듀플렉서의 각각의 다이오드가 온 상태일 때 얻은 통과특성을 나타내고, 파선은 듀플렉서의 각각의 다이오드가 오프 상태일 때 얻은 통과특성을 나타낸다. 수신필터의 다이오드가 켜졌을 때, 수신필터의 통과대역은 1930 내지 1957 ㎒의 범위에 있다. 수신필터의 다이오드가 꺼졌을 때 수신필터의 통과대역은 1957 내지 1990 ㎒ 사이의 범위에 있다. 또한, 송신필터의 다이오드가 켜졌을 때 송신필터의 통과대역은 1850 내지 1877 ㎒의 범위에 있으며, 송신필터의 다이오드가 꺼졌을 때 송신필터의 통과대역은 1877 내지 1910 ㎒ 사이의 범위에 있게된다.

이러한 방식으로, 다이오드가 켜졌을 때, 수신필터 및 송신필터 각각의 통과 대역폭은 27㎒에서 조정되고, 다이오드가 꺼졌을 때 그들의 통과 대역폭은 33㎒에서 조정된다. 즉, 다이오드가 켜졌을 때(온 상태일 때)의 통과 대역폭은 다이오드가 꺼졌을 때(오프 상태일 때)의 통과 대역폭의 약 82％ 정도가 된다. 이러한 배치로써, 수신대역 및 송신대역의 위쪽에서의 삽입손실은 그 아래쪽 대역에서의 삽입손실과 실질적으로 동등하게 된다.

도 5는 듀플렉서 및 상기 듀플렉서를 사용하는 통신기기의 개요도이다. 이러한 듀플렉서는 도 1에 나타난 구조를 갖는 듀플렉서로서, 여기서 송신필터 및 수신필터의 주파수 대역은 변환신호에 의하여 변화된다. 이러한 도면에서 보는 바와 같이, 송신회로는 송신신호 입력포트 Tx에 접속되어 있고, 수신회로는 수신신호 출력포트 Rx에 접속되어 있다. 안테나는 안테나포트 ANT에 접속되어 있다. 이러한 구조로 통신 기기가 형성되도록 한다.

상기 듀플렉서의 송신필터 및 수신필터에서 주파수 대역을 변화시킴으로써 발생하는 삽입손실에는 변화가 거의 없다. 그 결과, 송신회로 및 수신회로의 이익을 두 개의 변화된 대역에 대하여 공통으로 할 수 있고, 그리하여 회로설계가 용이하게 된다.

상기의 실시예에서 PIN 다이오드는 스위치 소자로서 사용되었다. 하지만 트랜지스터와 같은 다른 스위치 소자도 사용될 수 있다.

본 발명은 특히 바람직한 실시예를 참고로하여 주로 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 형태상의 변형이나 세부적인 사항에 대한 개량을 할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 주파수 대역 가변 필터 및 듀플렉서는 듀플렉서의 송신필터 및 수신필터에서 주파수 대역을 변화시킴으로써 발생하는 삽입손실에는 변화가 거의 없다. 따라서 본 발명을 이용하여, 송신회로 및 수신회로의 회로설계를 용이하게 할 수 있으며, 통신 기기를 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (7)

1. 복수의 공진기;

   복수의 스위치 소자에 의하여 상기 복수의 공진기와 각각 접속되는 복수의 리액턴스 소자;

   를 포함하며, 상기 스위치 소자의 온 상태에서의 주파수 대역의 폭은 그 스위치 소자의 오프 상태에서의 주파수 대역의 폭과 다른 것을 특징으로 하는 주파수 대역 가변 필터.
2. 제 1항에 있어서,

   소정의 주파수 대역이 각각 다른 대역폭을 갖는 첫 번째 대역 및 두 번째 대역으로 나누어지고;

   상기 첫 번째 대역의 주파수 대역폭은 상기 두 번째 대역의 주파수 대역폭보다 더 넓고;

   상기 첫 번째 대역은 상기 스위치 소자의 오프 상태에서 주파수 대역으로 사용되고;

   상기 두 번째 대역은 상기 스위치 소자의 온 상태에서 주파수 대역으로 사용되는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 가변 필터.
3. 제 2항에 있어서, 상기 스위치 소자의 온 상태에서의 주파수 대역폭은 상기 스위치 소자의 오프 상태에서의 주파수 대역폭의 75％ 내지 95％ 범위의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 가변 필터.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 공진기는 유전체 동축 공진기(dielectric coaxial resonator)인 것을 특징으로 하는 주파수 대역 가변 필터.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 의한 필터를 송신용 필터 및 수신용 필터로 사용하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 가변 듀플렉서.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 의한 주파수 대역 가변 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 기기.
7. 제 5항에 의한 주파수 대역 가변 듀플렉서를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 기기.