KR20010009213A - 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 도체를 이용하여 주파수 증가 및 감소의 양방향 튜닝을 가능하도록 하기 위한 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 기판과, 개방부와 접지부를 갖고 상기 기판 위에 형성된 다수개의 공진기와, 상기 다수개의 공진기 양끝의 기판 위에 형성되어 상기 공진기에서 생성된 신호와 커플링 되는 피드라인과, 상기 각 공진기 위에 일정간격의 거리를 두고 형성된 다수개의 금속봉을 가지는 금속봉부를 포함하여 구성되어, 올바르지 못한 주파수 특성이 나온 필터를 튜닝을 통해 올바른 주파수 특성을 가지는 필터로 제작이 가능하다.

Description

헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법{apparatus and method for tuning of hairpin and hairpin-comb filters}

본 발명은 무선통신시스템에서 원하는 대역의 신호만 선별하여 통과시키는 마이크로파 필터에 관한 것으로, 특히 협대역 마이크로스트립 필터의 하나인 헤어핀 및 헤어핀 콤 라인 필터의 튜닝 장치 및 방법에 관한 것이다.

고온초전도 박막을 이용하여 만든 소형 마이크로스트립 필터는 가파른 스커트(skirt) 특성 및 강한 대역외(out-of-band) 제거(rejection) 특성을 지니고 있어서 다른 주파수 영역과의 간섭을 배제할 수 있다.

또한 고온초전도 필터의 저 손실 전송 특성, 저온 동작에 의한 증폭기의 잡음 감소 등을 통해 시스템의 잡음 지수(noise figure)를 현저하게 향상시킬 수 있다.

최근 미국에서는 셀룰러(cellular), PCS(personal Communications Service), GSM(Global System for Mobile communications) 등의 무선 통신서비스 기지국용 고온초전도 RF(Radio Frequency) 수신기 전단 시스템(RF receiver front-end subsystem)을 개발하여 현장에서 시험하고 있다.

상기 RF 수신기 전단 시스템은 고온초전도 마이크로스트립 필터와 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : LNA)를 냉동기 안에 일체로 내장한 것으로, 뛰어난 간섭(interference) 제거 특성과 초저잡음 특성을 보여주고 있다.

그리고 PCS등 무선통신 시장에서 요구하는 필터는 대역폭 1% 이하인 경우가 많다.

따라서 통과대역폭이 좁은 협대역 필터를 만들기 위해서는 인접한 공진기간에 커플링이 작아야 하는데, 일반적으로 커플링은 거리에 따라 천천히 감소하는 함수이기 때문에 커플링을 작게 하기 위해서는 협대역 필터의 공진기간의 배치간격을 넓게 만들어주어야 한다.

그러나 공진기간의 배치간격을 넓게 만들어주기 위해서는 필터의 크기가 커져야하는데, 통상적인 방법에 의해 제작 가능한 고온초전도 박막의 크기는 2~3 인치 정도이며, 이렇게 한정된 크기의 웨이퍼 안에 많은 폴(pole)을 가진 필터를 만들기 위해서 여러 가지 형태의 공진기를 이용하여 고온초전도 마이크로스트립 필터를 제작하고 있다.

그 중 하나로 헤어핀 구조나 헤어핀 콤 구조의 공진기를 이용하는 방법이다.

상기 방법은 공진기를 머리핀 혹은 말굽 모양으로 제작하는 것으로, 이렇게 만들어진 상기 헤어핀 구조나 헤어핀 콤 구조의 공진기는 필터의 너비를 λ/4 로 줄일 수 있어 많은 공진기가 포함된 소형의 필터를 제작할 수 있다.

이하, 종래 기술에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래 기술에 따른 헤어핀 콤 필터의 개략도를 나타낸 것으로, 도 1을 보면 기판(40)과, 상기 기판(40) 위에 일면이 개방부를 갖는 헤어핀 콤 구조가 소정의 간격으로 형성된 다수개의 공진기(10)와, 상기 공진기(10) 양측의 기판(40) 위에 공진기(10)와 평행하게 일정 간격으로 형성되어, 커플링되거나 또는 공진기(10)의 일측면에 연결되는 피드라인(20)과, 상기 기판(40) 하부에 형성되는 접지면(50)으로 구성되는데 있다.

그리고 도 1 (a)와 같은 형태를 헤어핀 콤 필터라고 하고, 도 1 (b)와 같은 형태를 헤어핀 필터라고 부른다.

최근 지. 엘. 마흐타에이(G. L. Mahttaei)는 논문(G. L. Mahttaei, N. O. Forse, and S. M. Rohlfing, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 45, pp. 1226~1231(1997))을 통해 헤어핀 콤 공진기를 이용하여 협대역 초전도 필터를 제작 할 수 있음을 발표했었다.

상기 논문에서는 4개의 헤어핀 콤 공진기를 이용하여 초전도 필터를 설계 제작하였다.

그리고 미국 특허 5,888,942(US patent 5,888,942)에 의하면 도 2 와 같이 헤어핀 공진기(10) 끝에 인터디지트 모양의 캐패시터(60)를 형성하고, 상기 캐패시터(60) 위에 유전체(70)를 올려놓아 회전시킴으로써 주파수가 낮은 쪽으로의 튜닝이 가능하도록 하였다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 상기 마흐타에이 필터는 헤어핀 콤 공진기 구조와 다른 인터디지트 커패시터(interdigit capacitor) 구조이기 때문에 설계에 어려움이 많고, 또한 필터의 스커트 특성이 좋지 않은 문제가 있다.

둘째, 상기 미국 특허 5,888,942 에 따른 튜닝은 주파수의 한쪽 방향, 즉 주파수가 낮아지는 쪽으로의 튜닝만 가능하므로 보다 효과적인 튜닝에 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 금속 도체를 이용하여 튜닝하고, 이때 주파수 증가 및 감소의 양방향 튜닝이 가능하도록 하여 향상된 특성을 지니는 필터로 만드는데 그 목적이 있다.

도 1 (a)는 종래 기술에 따른 헤어핀 콤 필터의 평면도

(b)는 종래 기술에 따른 헤어핀 필터의 평면도

(c)는 종래 기술에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터의 단면도

도 2 는 종래 기술에 따른 헤어핀 콤 필터의 구성도

도 3 (a)는 본 발명에 따른 금속봉이 설치된 필터의 평면도

(b)는 본 발명에 따른 금속봉이 설치된 필터의 사시도

도 4 (a)는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 낮추기 위한 단면도

(b)는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 낮추기 위한 평면도

(c)는 본 발명에 의해 헤어핀 공진기의 주파수가 낮추어진 상태도

도 5 (a)는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 높이기 위한 단면도

(b)는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 높이기 위한 평면도

(c)는 본 발명에 의해 헤어핀 공진기의 주파수가 높아진 상태도

도 6 은 본 발명에 따른 금속봉을 수직상하로 이동시키는 금속봉부를 나타낸 구성도

도 7 은 본 발명에 따라 튜닝한 11-폴(pole) 필터의 특성을 나타낸 상태도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 공진기 20 : 피드라인

30 : 연결 패드 40 : 기판

50 : 접지면 60 : 유전체

70 : 캐패시터 80 : 금박막

90 : 금속봉 91 : 개방부

92 : 접지부 100 : 패키지

110 : 스큐류 드라이버

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치의 특징은 기판과, 개방부와 접지부를 갖고 상기 기판 위에 형성된 다수개의 공진기와, 상기 다수개의 공진기 양끝의 기판 위에 형성되어 상기 공진기에서 생성된 신호와 커플링 되는 피드라인과, 상기 각 공진기 위에 일정간격의 거리를 두고 형성된 다수개의 금속봉을 가지는 금속봉부를 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명에 따른 다른 특징은 상기 금속봉을 상기 공진기의 개방부와 접지부 상에 각각 일정간격의 거리를 두고 형성하고, 상기 금속봉과 개방부 및 접지부의 거리를 조절함으로써 공진주파수의 크기를 주파수가 높아지는 쪽 및 낮아지는 쪽의 양방향으로의 조절이 가능한데 있다.

본 발명에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 방법의 특징은 개방부와 접지부를 갖는 다수개의 공진기와 상기 각 공진기 위에 일정간격의 거리를 두고 형성된 금속봉을 구비한 필터의 튜닝 방법에 있어서, 상기 각 공진기의 주파수를 감소시키기 위하여 상기 개방부 위에 위치한 금속봉을 상기 공진기에 가까이 접근시키는 단계와, 해당 공진기의 주파수를 증가시키기 위하여 상기 접지부 위에 위치한 금속봉을 상기 공진기에 가까이 접근시키는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 공진기 상단인 개방부와 접지부에 일정간격의 거리를 두어 금속봉을 올려놓고 상기 금속봉과 공진기의 거리를 조절하도록 구성하여, 상기 금속봉과 공진기 사이의 캐패시터와 인덕턴스를 변화시켜 공진주파수를 주파수가 높아지는 쪽 및 낮아지는 쪽인 양방향으로 변화시킴으로서 향상된 주파수 특성을 가지는 마이크로파 필터를 제작할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 는 본 발명에 따른 금속봉이 설치된 필터의 평면도 및 사시도로서, 도 3을 보면 고온 초전도 필터로 기판(40)과, 상기 기판(40) 하부에 형성되는 접지면(50)과, 상기 기판(40) 위에 일면이 개방부를 갖는 다수개의 공진기(10)와, 상기 다수개의 공진기(10) 양끝의 기판(40) 위에 형성된 피드라인(20)과, 외부와의 입출력을 위해 상기 피드라인(20)과 연결된 연결패드(30)와, 그리고 상기 다수개의 공진기(10) 상에 일정간격의 거리를 두고 형성된 다수개의 금속봉(90)으로 구성된다.

상기 기판(40)은 LaAlO₃, MgO 등을 사용하여 양면에 고온 초전도 박막을 제작하고, 상기 접지면(50)은 Yba₂Cu₃O_7-δ등의 초전도체를 증착하여 필터와 필터 패키지와의 접지를 강화시킨다.

이어 상기 접지면(50) 위에 금박막(80)을 형성한다.

상기 피드라인(20)과 다수개의 공진기(10)는 초전도체로 만들어져 있으며, SMA(Superplastic Metal Alloy) 커넥터 등의 마이크로파 연결소자와 연결하기 위하여 Yba₂Cu₃O_7-δ등의 초전도체 피드라인(20) 위에 금박막(80)을 형성하여 연결패드(30)를 만든다.

여기서 상기 다수개의 공진기(10)의 모양은 마치 머리핀 혹은 말굽 모양으로 생겼으며 통과시키려는 파장의이 되도록 공진기(10)의 길이를 결정한다.

그리고 원하는 사양에 따라 공진기(10)의 숫자를 조절이 가능하며, 공진기(10) 간의 간격 또한 어떤 형태의 필터를 제작할 것인가에 의해 결정된다.

여기서 상기 공진기(10)의 숫자를 많게 할수록 필터 신호는 더욱 가파른 스커트(skirt) 특성을 가지게 된다.

또한 공진기(10) 간의 간격을 좁힐수록 필터의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 3 에서는 편의상 공진기(10)의 수를 다섯 개로, 본 발명을 5 폴(pole) 헤어핀 콤 필터에 적용해본 것이다.

이와 같이 5 폴(pole)의 필터를 튜닝하기 위해서는 총 10개의 금속봉(90)이 필요하다.

여기서 상기 개방부 위쪽에 위치한 금속봉(90)은 주파수를 낮추는 역할을 하고, 상기 접지부 위쪽에 위치한 금속봉(90)은 주파수를 높이는 역할을 한다.

그러면 어떻게 주파수를 높이고 낮추는지를 좀더 자세히 보기 위해 다수개의 공진기 중 어느 하나를 때어내서 설명하기로 한다.

도 4 는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 낮추기 위한 평면도 및 단면도로서, 상기 도 3에서 다수개의 공진기(10) 중 임의의 하나를 따로 떼어낸 평면도 및 단면도이다.

도 4를 보면 구리나 기타의 금속 도체로 제작한 금속봉(90)을 헤어핀 공진기(10)의 개방부(91) 위에 일정거리 d 만큼 떨어뜨려 위치시켜 놓는다.

원래 상기 공진기(10)의 공진 주파수가 도 4 (c)에 보인 것처럼 f₀에 있다고 하면, 상기 공진기(10)와 금속봉(90) 사이의 거리 d 가 가까워질수록 상기 공진기(10)의 공진 주파수는 낮은 주파수 f₀' 쪽으로 이동한다.

그 이유는 상기 공진기(10)의 개방부(91)는 전기장이 큰 부분으로 상기 금속봉(90)이 가까워질수록 금속봉(90)과 공진기(10) 사이에 캐패시터가 형성되어 공진기(10)의 캐패시턴스가 증가하게 된다.

이와 같이 캐패시턴스가 증가함에 따라 공진주파수가 변화하는 것을 수식으로 나타내면 다음 수학식 1 과 같다.

따라서 상기 공진기(10)의 캐패시턴스가 증가하게 되므로 공진주파수는 감소하게 된다.

그리고 상기 도 5 는 본 발명에 따른 헤어핀 공진기의 주파수를 높이기 위한 평면도 및 단면도로서, 상기 도 3에서 다수개의 공진기(10) 중 임의의 하나를 따로 떼어낸 평면도 및 단면도이다.

도 5를 보면 구리나 기타의 금속 도체로 제작한 금속봉(90)을 헤어핀 공진기(10)의 접지부(92) 위에 일정거리 d 만큼 떨어뜨려 위치시켜 놓는다.

이때 상기 공진기(10)의 고유 공진 주파수가 도 5 (c)에 보인 것처럼 f₀에 있다고 하면, 상기 공진기(10)와 금속봉(90) 사이의 거리 d 가 가까워질수록 상기 공진기(10)의 공진 주파수는 높은 주파수 f₀' 쪽으로 이동하게 된다.

그 이유는 상기 공진기(10)의 접지부(92)는 전기장이 거의 없고 자기장이 큰 부분이다.

따라서 상기 금속봉(90)이 상기 공진기(10)에 가까워질수록 이미지 인덕턴스에 의해 공진기(10)의 인덕턴스가 감소하게 된다.

그리고 인덕턴스가 감소하면 상기 수학식 1에 의해 공진 주파수는 증가하게 된다.

이와 같이 상기 개방부(91)와 접지부(92) 위에 위치한 금속봉(90)을 수직상하로 이동시킴으로서, 공정상의 결함이나 잡음에 의해 올바르지 못한 주파수 특성을 나타낸 필터를 튜닝을 통해 올바른 주파수 특성으로 조정이 가능하다.

도 6 은 본 발명에 따른 금속봉을 수직상하로 이동시키는 금속봉부의 실시예를 나타낸 구성도로서, 도 6을 보면 상기 금속봉부는 암나사 탭을 가지고 상기 금속봉(90)의 지지대 역할을 하는 패키지(100)와, 상기 패키지(100)의 암나사 탭에 대응하여 수직나사 탭을 가지고, 상단 끝 부분에 홈을 가지는 금속봉(90)으로 구성된다.

이와 같이 필터의 패키지(100)에 암나사 탭을 만들고, 상기 금속봉(90)에 수직나사 탭을 만들어서, 스큐류 드라이버(110)를 사용하여 금속봉(90)의 상단에 생성된 홈과 결합하여 좌우로 회전시킴으로써, 상기 금속봉(90)의 높이 d 를 상하로 조절할 수 있다.

도 7 은 본 발명에 따라 튜닝한 11-폴(pole) 필터의 특성을 나타낸 그래프로서, x 축은 주파수이고, y 축은 필터의 전송특성을 나타내었다.

이때 도 7 (a)와 같이 제조상의 결함이나 잡음 등의 영향으로 올바르지 못한 특성이 나온 필터를 본 발명에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법에 의해 튜닝한 결과가 도 7 (b)와 같이 나타났다.

이와 같이 상기 금속봉(90)을 상하로 조절하여 공진주파수를 조절함으로써, 향상된 주파수 특성을 지니는 필터를 만들 수 있음을 증명하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 제조상의 결함 등의 영향으로 올바른 필터의 주파수 특성이 나오지 않더라도 튜닝을 통해 올바른 주파수 특성을 지닌 마이크로파 필터를 제작할 수 있다.

둘째, 필터의 튜닝이 가능하므로 수율이 향상된다.

셋째, 셀룰러(cellular), PCS, IMT2000(International Mobile Telecommunications-2000), LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 등의 무선 통신 기지국에 장착하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기제된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (9)

1. 기판과,

   개방부와 접지부를 갖고 상기 기판 위에 형성된 다수개의 공진기와,

   상기 다수개의 공진기 양 끝의 기판 위에 형성되어 상기 공진기에서 생성된 신호와 커플링 되는 피드라인과,

   상기 각 공진기 위에 일정간격의 거리를 두고 형성된 다수개의 금속봉을 가지는 금속봉부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   외부와의 입출력을 위해 상기 피드라인과 연결된 연결패드와,

   상기 기판 하부에 형성되는 접지면과,

   상기 접지면 위에 형성되는 금박막을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개의 공진기는 머리핀 혹은 말굽 모양을 가지는 헤어핀 또는 헤어핀 콤 필터 구조인 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속봉부의 다수개인 금속봉은 상기 각 공진기의 개방부 및 접지부 위에 위치하여 상기 기판면에 상하 방향으로 위치 조정이 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 금속봉부는 암나사 탭을 가지고 상기 금속봉의 지지대 역할을 하는 패키지와,

   상기 패키지의 암나사 탭에 대응하여 수직나사 탭을 가지고, 상단 끝 부분에 홈을 가지는 금속봉으로 구성되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 공진기, 피드라인, 접지면은 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속봉은 금속 도체인 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 접지면 위에는 금박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 장치.
9. 개방부와 접지부를 갖는 다수개의 공진기와 상기 각 공진기 위에 일정간격의 거리를 두고 형성된 금속봉을 구비한 필터의 튜닝 방법에 있어서,

   상기 각 공진기의 주파수를 감소시킬 경우에는 상기 개방부 위에 위치한 금속봉을 상기 공진기에 가까이 접근시키는 단계를 포함하고,

   해당 공진기의 주파수를 증가시킬 경우에는 상기 접지부 위에 위치한 금속봉을 상기 공진기에 가까이 접근시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤어핀 및 헤어핀 콤 필터 튜닝 방법.