KR20010052211A - 협대역 대역-제거 필터 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 노치 필터는 제 1 및 제 2 측단을 갖는 제 1 인덕터; 각각 상기 인덕터의 제 1 및 제 2 측단에 전기적으로 접속되는 제 1 캐패시터들로서, 여기서 제 1 및 제 2 캐패시터가 그라운드에 연결된 제 1 캐패시터(101); 병렬로 연결된 제 2 캐패시터(108) 및 제 2 인덕터(109)를 포함하는 공진기 구조로, 여기서 각각의 공진기 구조는 공진기 구조로부터 그라운드쪽으로 제 3 캐패시터(110)가 직렬로 연결되고 제 4 캐패시터(107)는 병렬로 공진기 구조의 직렬 조합 및 제 3 캐패시터에 연결되고 그라운드에도 연결되며; 및 제 1 및 제 2 공진기 구조와 제 1 인덕터의 제 1 및 제 2 측단들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 제 5 캐패시터(105)를 포함한다.

Description

협대역 대역-제거 필터 장치 및 방법{NARROW-BAND BAND-REJECT FILTER APPARATUS AND METHOD}

지난 십년간, 무선 통신 시스템은 일반화되어 왔다. 하나의 예는 셀룰러 폰 및 이동전화의 급증에서 찾아 볼 수 있는데, 서비스 제공자의 증가는 무선주파수 기술을 할당된 주파수 범위내에 극한까지 발전시켰다. 더욱 상세하게, 무선 통신 분야에서, 각각의 서비스 제공자에게는 특정 대역(범위)의 전자 스펙트럼이 할당된다. 이러한 대역내에서 서비스 제공자와 소비자 사이의 통신은 다른 신호들에 비해 우선순위를 갖는다. 따라서, 서비스 제공자 설비는 그러한 할당된 스펙트럼내에서 신호를 송수신할 수 있고, 할당된 스펙트럼 범위밖의 신호는 필터링하여 제거할 수 있어야만 한다.

미국(및 기타의 국가에서)내에서, 각 지역은 경쟁을 장려하기 위해서 셀룰러 스펙트럼내에 두 개의 셀룰러 시스템을 두고 있다. 이러한 두 개의 시스템들은 "A" 캐리어 및 "B" 캐리어로 칭할 수 있다. 미국의 경우를 예로 들어 설명하면, "A" 캐리어는 그의 기지국에서 869-880 및 890-891.5 MHz주파수 범위로 송신하고 824-835 및 845-846.5 MHz 범위내에서 수신한다. 한편, "B" 캐리어는 그의 기지국에서 880-890 및 891.5-894 MHz 주파수 범위로 송신하고 835-845 및 846.5-849 MHz 범위내에서 수신한다. 이상적으로 "A" 캐리어 수신 필터는 824-846.5 MHz 범위의 저손실 대역 통과 필터(low-loss band pass filter)와 835-845 MHz 범위의 대역 소거 필터(band stop filter)를 포함한다. "B" 캐리어 수신 필터는 835-849 MHz 범위의 통과 대역을 갖고 845-846.5 MHz 범위의 대역 제거 필터를 갖는다. 캐리어에게 할당된 주파수의 이용을 극대화하기 위해서는 대역통과 필터 및 대역 소거 필터 모두가 매우 샤프한 경계(skirt)를 가져야만 한다. 즉, 거의 100%의 신호 전송으로부터 신호를 전혀 전송하지 않는 전이 경계(transition)가 매우 선명해야 한다. 또한, 크로스토크(crosstalk)를 방지하기 위해서, 대역-제거 필터(band-reject filter)는 주파수 스펙트럼에서 깊이 함몰된 "노치(notch)"를 만들어야만 한다. 특히 "B" 범위에서, 대역 소거 필터(band-stop filter)는 매우 대역이 좁아야 한다.

박막 초전도 필터(thin-film superconductive filter)는 통신 기지국에서 이상적인 필터로 사용될 가망성이 있다. 이 분야에서 그간 주어진 기술적 한계내에서 초전도 필터의 이점을 최대화할 수 있는 필터의 개발이 매우 활발하게 이루어져 왔다. 초전도 박막 필터들은 일반적으로 고온의 반도체 층을 수정질 기판위에 결정축에 따라서 증착하고나서(epitaxially depositing) 필름을 패턴화하기 위해 리소그래피 방법을 이용하여 유도 및 용량 부재(inductive and capacitive elements)를 형성함으로써 제조되었다. 다수의 특허 및 문헌들이 초전도 필터의 설계를 다루고 있다. 예를 들어, 본원에 참고자료로 첨부된 장 등의 미국특허출원 제 08/706,974호("협대역 필터 설계에 있어서의 주파수 변환 장치 및 방법")는 용량-부하 인덕터(capacitatively-loaded inductor)를 갖는 초협대역의 집중 상수 마이크로스트립 필터(lumped-element microstrip filter)을 개시하고 있다. 또한, 장 등은 본원에 첨부된 "고온 반도체 박막 필름을 이용한 무선통신용 마이크로스트립 필터"(Applied Superconductivity, Vol.3, No.7-10, 483-496, 1995)에서 소형 기판위에 대역통과 필터를 설계하는 다양한 접근방법들을 소개하고 있다.

병렬 공진 회로(parallel-resonant circuits)와 분류 공진기(shunt-resonator)의 직렬 분기들(serial branches)을 포함하는 사다리형 회로의 대역-제거 필터의 제작 방법이 공지되어 있다. 초전도 박막 대역-제거 또는 노치 필터 개발을 위한 노력은 최근 더 활발해졌다. 일례로, 헤이-쉽톤 등의 "고온 초전도 집중상수 대역제거 필터(High Temperature Superconductor Lumped Element Band-reject Filters)"라는 명칭의 미국특허 제 5,616,539호를 예로 들 수 있다. 이러한 예에서, 지그재그 인덕터(serpentine inductors)를 포함하는 공진기가 분류기로 이용된다. 분류기 구조는 입출력 라인(헤이-쉽톤의 도 9 참조)에 연결되는 다양한 직렬 인덕터와 커플링된다. 헤이-쉽톤에 의해 이용된 회로의 하나의 단점은 분류기가 너무 크다는 것이다. 노치의 대역폭이 작아짐에 따라, 분류기(shunt)들은 허용할 수 없을 정도로 커진다.

따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에는 소형 기판위에 맞을 만큼 충분히 컴팩트한 분류기 구조를 갖는 협대역의 대역-제거 필터의 개발이 요구되고 있다. 본 발명은 종래기술의 이러한 문제점들을 극복하는 것을 목적으로 한다.

[발명의 요약]

본 발명은 초협대역의, 박막, 초전도 대역제거필터 및 그러한 필터의 이용 및 설계 방법을 제공하는 것이다. 본 발명이 무선통신 시스템, 더욱 상세하게 셀룰러 및 이동전화 통신 시스템과 관련하여 설명될 것인데, 이러한 환경은 본 발명이 바람직하게 응용될 수 있는 하나의 환경의 예일 뿐이다. 다른 대표적인 환경들은 위성통신, 및 군용통신을 포함한다. 따라서, 무선통신환경은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.

본 발명의 원리에 따라 구성된 바람직한 구현예에 있어서, 무선 기술에서 특히 유용한 7-극 노치 필터(seven pole notch filter)가 제공된다. 이러한 필터는 MgO 기판 또는 LAO 기판위에 제작될 수 있다. LAO 기판의 경우에, 종래의 집중 상수 인덕터가 제공되거나 용량형 부하 인덕터(capacitively loaded inductor)가 이용될 수 있다. MgO 기판의 경우에 용량형 부하 인덕터가 바람직하지만, 다른 타입의 장치들도 이용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 유도형, 용량형, 및 저항형 전기 구성요소들은 고온 초전도 재료를 이용하여 만들어진다. 필터는 직렬로 접속된 복수의 임피던스 반전기로부터 만들어지고, 반전기들은 pi-네트워크내에 각각 동일한 인덕터 및 분류 캐패시터를 갖는다. 임피던스 반전기 시리즈들은 일측단에서 입력 패드에 연결되고 타측단은 터미널 패드에 연결된다. 복수의 동일한 공진기들이 직렬 임피던스 반전기들(series impedence inverters)에 용량형으로 연결된다. 각각의 공진기는 공진시 특정한 주파수를 제거하고 이렇듯 특정 주파수를 제거하는 모든 형태의 공진기들이 결합되면 전체의 원치않는 대역을 대역-제거할 수 있는 특성의 기초가 될 수 있다.

본 발명의 하나의 특징은 결과적으로 수득하는 필터가 극히 샤프한 스커트 제거를 제공한다는 것이다. 상술한 바와 같이, 특정 캐리어에게 할당된 주파수 범위를 최대한 활용하기 위해서, 대역통과 필터와 대역 소거 필터가 매우 샤프한 스커트 특성을 가져야만 한다. 즉, 거의 100% 신호를 통과시키는 범위로부터 신호를 전달하지 않는 범위로의 전이 경계가 매우 선명해야만 한다. 또한, 크로스토크를 피하기 위해, 대역-제거 필터는 주파수 스펙트럼내에 깊이 함몰되는 "노치"를 형성해야만 한다. 본 발명의 원리에 따라 제작되는 필터들은 이러한 바람직한 특성을 시현한다.

본 발명의 다른 특징은 본 발명의 원리에 의해 제작된 장치가 코로스오버(crossover)를 필요로 하지 않는다는 것이다. 또한, 인덕터의 단일성(unifromity) 때문에, 주어진 크기의 기판(예컨대, 2 인치 기판)에서, 더 큰 극 필터(pole filter)가 제작될 수 있기 때문에, 보다 샤프한 경계(sharp skirt)를 제공한다. 더우기, 본 발명의 원리는 회로 변환 방법(frequency transformation methodology)을 제공한다.

따라서, 본 발명의 하나의 양상에 따라, 제 1 및 제 2 측단을 갖는 제 1 인덕터; 각각 상기 인덕터의 제 1 및 제 2 측단에 전기적으로 접속된 제 1 캐패시터들, 여기서 제 1 및 제 2 캐패시터들이 그라운드에 연결되고; 병렬로 연결된 제 2 캐패시터 및 제 2 인덕터를 포함하는 공진기 구조들, 여기서 각각의 공진기 구조는공진기 구조로부터 그라운드쪽으로 제 3 캐패시터가 직렬로 연결되고 제 4 캐패시터는 병렬로 공진기 구조의 직렬 조합 및 제 3 캐패시터에 연결되며 그라운드에 연결되며; 및 제 1 및 제 2 공진기 구조 사이에 제 1 인덕터의 제 1 및 제 2 측단들에 전기적으로 직렬로 접속되는 제 5 캐패시터를 포함하는 노치 필터가 제공된다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 전송로(transmission line); 인덕터, 인덕터의 각 측단에 전기적으로 접속된 캐패시터; 인덕터에 전기적으로 접속된 공진기 장치를 포함하는 복수의 네트워킹된 부재들(networked elements)을 포함하는 상기 전송로를 따라서 배치된 노치 필터로서, 대역 제거 기능(band-reject function)을 수행하는 노치 필터가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 각각 분류 캐패시터와 인덕터를 포함하고, 각기 제 1 및 제 2 측단을 갖고 서로 직렬로 연결된 복수의 임피던스 반전기 장치들; 상기 임피던스 반전기들의 각각의 제 1 및 제 2 측단들에 접속된 복수의 커플링 캐패시터들(coupling capacitors); 및 커플링 캐패시터들 각각에 접속된 복수의 공진기 부재들을 포함하고, 공진기 부재들이 용량형 부하 인덕터(capacitive loaded inductor)를 포함하고 각 공진기 부재들이 공진시 하나의 특정 주파수를 제거하여 복수의 공진기들의 제거 작용이 합해질 경우 대역 제거 지역(band-reject area)을 만들어내는 노치 필터가 제공된다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 각각 분류 캐패시터(shunt capacitor)와 동일 인덕터(identical inductor)를 포함하고, 각기 제 1 및 제 2 측단을 갖고 서로 직렬로 연결된 복수의 임피던스 반전기 장치들; 상기 임피던스 반전기들의 각 제 1 측단들에 접속된 복수의 커플링 캐패시터들; 및 커플링 캐패시터들 각각에 접속된 복수의 공진기 부재들을 포함하고, 각 공진기 부재들이 공진시 하나의 특정 주파수를 제거하여 복수의 공진기들의 제거 작용이 합해질 경우 대역 제거 지역을 만들어내는 노치 필터가 제공된다.

이하에서 본 발명을 몇몇 바람직한 실시예의 필터 및 구성요소들과 관련하여 설명하겠지만, 이것은 단지 설명의 목적만을 위한 것이고 본 발명이 적용될 수 있는 장치가 그러한 장치로 국한되는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 발명의 원리는 마이크로파 대역 소거 필터, 및 초협대역의 박막, 초전도 대역 소거 필터에 적용될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예 및 기타의 변형들은 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 특징을 이루는 기타의 이점 및 특징들은 본원의 일부를 이루는 특허청구범위에 구체적으로 특정되어 있다. 그러나, 본 발명에 대한 이해를 향상시키기 위해서, 본 발명의 바람직한 구현예를 설명한 첨부 도면 및 상세한 설명을 참조할 수 있다.

본 발명은 일반적으로 대역-제거 필터분야에 관계한다. 더욱 상세하게, 본 발명은 마이크로파 대역-제거 필터 분야에 관계한다. 더더욱 상세하게, 본 발명은 초협대역, 박막, 초전도 대역-제거 필터(very-narrow band, thin-film, superconductive band-reject filter) 분야에 관계한다.

도 1은 병렬 공진 회로(parallel-resonant circuit)의 직렬 분기(series branch)와 직렬-공진 회로(series-resonant circuits)의 분류 분기(shunt branch)를 포함하는 대역 제거 사다리형 회로(band-reject ladder circuit)의 도면이다.

도 2는 등가 회로(equivalence circuit)도이다.

도 3은 도 2의 등가회로를 도 1의 대역-제거 사다리형 회로에 적용한 결과 회로도이다.

도 4는 jR을 인덕터 L로 그리고 -jR을 캐패시터 C로 근사한후의 도 3의 결과 회로도로서, 2πf_oL = R이고 2πf_oCR = 1(여기서, f_o는 대역 제거 필터의 중심 주파수이다).

도 5는 도 4의 회로를 변형하기 위해 이용된 정확한 등가 회로(exact equivalence circuit)를 도시한 것이다.

도 6은 제 1 분류 분기내의 캐패시터를 분할하여 도 5에 도시된 등가회로로 대체한 도 4의 신규한 분류 분기(shunt branch)를 도시한 것이다.

도 7은 제거 대역으로부터 상대적으로 떨어져 있는 주파수로 인한 스퓨리어스 주파스 필터를 도시한 것이다.

도 8은 도 6의 회로를 변형시키기 위해 이용된 추가의 등가 회로도이다.

도 9는 7-극 타원 기능 대역소거필터(7-pole elliptic function bandstop filter)를 위한 집중 상수 LC 사다리형 네트워크(lumped element LC ladder network)를 도시한 것이다.

도 10은 도 9의 회로를 변형한 결과 회로도로, K_ij는 임피던스 반전기(impedence inverter)로 알려진 마이크로파 아이디얼 장치(microwave ideal device)를 의미한다.

도 11은 두 개의 종속접속 동일 반전기(cascading identical inverters)를 제거한 도 10의 회로를 도시한 것이다.

도 12는 도 11의 회로에서 직렬 공진기를 병렬 공진기로 변환한 회로도이다.

도 13a-13e는 도 12의 회로에서 임피던스 반전기 및 어드미턴스 반전기의 실현을 설명한 도면들이다.

도 14는 도 12의 회로를 도 13a-13e의 등가 구조에 의해 변형시킨 결과 회로도이다.

도 15는 본 발명의 원리에 따라 구성된 노치 필터 회로를 도시한 것이다.

도 16은 주파수 변환 인덕터(frequency transformed inductor)를 이용하고 본 발명의 원리에 따라 제작된 MgO 기판상의 도 15 회로의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.

도 17은 집중 상수 인덕터(lumped elements inductor)를 이용하고 본 발명의 원리에 따라 제작된 LAO 기판상의 도 15 회로의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.

도 18은 주파수 변환 인덕터를 이용하고 본 발명의 원리에 따라 제작된 LAO 기판상의 도 15 회로의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.

도 19는 MgO 기판상의 HTS 노치 필터의 반응을 측정한 일례를 도시한 그래프이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 원리는 무선 기술(wireless technology)에서 특히 유용한 7-극 노치 필터(7-pole notch filter)의 설계 및 구현에 적용된다. 본 발명의 필터는 MgO 기판 또는 LAO 기판 중 하나에 구성될 수 있다. 바람직한 레이아웃의 설명은 동작이론 및 설계 방법을 설명한 후에 설명할 것이다.

A. 동작 이론

초협대역의 대역 제거 필터는, 그의 설계 방법(Butterworth, Chebyshev, 타원 또는 기타의 방법)에 관계 없이, 병렬-공진기 회로의 직렬 분기와 직렬-공진기 회로의 분류 분기를 포함하는 사다리형 회로를 포함한다. 도 1의 회로는 이러한 유형의 회로를 도시한 것으로, 도 1에서

L_S1 L_S2 BW (1)

(예컨대, 인덕터 L_SN은 소거 대역폭[reject bandwidth]에 비례), 한편

L_P1 L_P2 1/BW (2)

(예컨대, 인덕터 L_PN은 대역폭의 역수에 비례). 따라서, 다음의 관계가 관찰된다:

L_s/L_P (BW)²(3)

식 (3)에서, 만약 대역폭 BW가 1% 이하인 경우, 분류 인덕터(shunt inductors)에 대한 직렬 인덕터(series inductors)의 비율은 허용할 수 없는 수준인 10⁴를 초과할 것이다.

만약 제거 대역 이외의 목적 주파수 대역이 제한된다면, 늘 그렇듯이, 이러한 문제를 극복하기 위해서는 근사법(approximate method)이 이용될 수 있다. 상기 방법은 도 2에 도시된 (정확한) 등가회로에 기초한다. 도 2에서, R은 임의의 저항값이다. 따라서, jR과 -jR은 일정한(주파수에 의존하지 않는) 리액턴스(각각 양(positive) 및 음(negative))를 나타낸다. 이러한 등가 회로를 대역-제거 필터의 직렬 분기들(series branches)에 적용하면 도 3에 도시된 구체적인 케이스가 된다, 도 3에서

L_a= R²C_S; 및 (4)

C_a= L_S/R²(5)

당업자들은 R값이 일반적으로 편리를 위해 종단 임피던스(terminating impedence)와 동일하게 선택된다는 것을 이해할 것이다. 그러나, R에 대해 그러한 값을 선정하는 것은 불필요하다(R값이 그러한 방법으로 선택되는 경우, 필터 디그리(filter degree)가 4로 나눌 수 있다면, 선정은 소수의 구성요소들을 절약할 수 있을 것이다). 또한, 직렬 공진 회로 요소들의 계산은 캘리포니아주, 멘로 파크에 소재한 DGS 어소시에이트에 의해 제작된 S/FILSYN 프로그램의 "DUAL" 명령만을 이용함으로써 행할 수 있다.

당연히, Z는 두 개의, 직렬로 연결된, 병렬 공진 회로들을 포함할 것이다. 이 경우에, R²/Z은 병렬로 연결되어 있는 두 개의 직렬 공진 회로들을 포함할 것이다. 주파수-독립 리액턴스(frequency-independent reactance)는 존재하지 않기 때문에, 우리는 다음과 같이 jR을 인덕터 R로 근사하고 -jR을 캐패시터 C로 근사하였다:

2πf_oL = R; 및 (6)

2πf_oCR = 1 (7)

상기 식에서, f_o는 대역 제거 필터의 중심 주파수이다. 그 결과로 수득되는 구조는 도 4에 도시된 일반적인 형태를 취할 것이다. 병렬로 된 여러 쌍의 캐패시터 C들은 하나의 캐패시터로 결합될 수도 있다. 도 4는 모든 직렬 L들이 동등하고 크기가 다음과 같은 신규한 대역-제거 구조(band-reject structure)를 근사한 것이다.

L1

한편, 모든 공진기 회로 인덕턴스는 아래와 같다:

L_P1 L_P2 L_P3 1/(BW) (8)

결과적으로, 인덕턴스 비율(inductance ratio)은 약 1/(BW)로 감소된다. 이러한 사실은 후술하는 캐패시턴스 비율(capacitance ratio)에서도 동일하게 관찰된다.

이러한 구조를 더욱 개량하면 이러한 비율을 훨씬 더 크게 향상시킬 수 있을 것이다. 구체적으로, 이러한 목적을 위한 다음의 정확한 등가(exact equivalence)를 도 5에 나타내었다: 여기서,

L_a= L(C/(C+C₀))²(9)

C_a= C₀(C+C₀)/C (10)

C_b= C+C₀(11)

일례를 들면, 도 4의 제 1 분류 분기(shunt branch)에 있는 캐패시터 C는 둘로 분할될 수 있는데, 이들중 하나를 도 5의 등가회로와 함께 이용하여 도 6의 새로운 분류 분기를 수득할 수 있다. 여기서, 이러한 회로에서 인덕터 값(inductor value)은 매우 넓은 한계 사이에서 선택될 수 있다(즉, 상술한 바와 같이 캐패시턴스가 1/(BW)에 비례하므로). 예를 들어, 이러한 동작은 회로내의 모든 인덕터들을 하나의 공통된 값으로 동일하게 만드는데 이용될 수 있다. 사실상, S/FILSYN 프로그램은 이러한 연산을 직접 수행하는 명령을 포함하고 있다.

주파수-독립 리액턴스가 인덕터들 및 캐패시턴스들로 대체되었기 때문에, 이러한 체의 효과는 변형된 전체 필터의 성능을 이해하기 위해 측정되어야만 한다. 분명하게, 제거 대역이 매우 좁다면, 제거 대역면에서 필터 성능은 원래의 성능에 매우 근접할 것이다. 제거 대역에서 단지 약간 떨어져서만 이러한 근사의 효과가 관찰될 수 있다. 한편, 제거 대역을 차치하면, 그 결과로 수득되는 회로는 도 7에 도시된 바와 같다. 이러한 회로가 0 주파수(zero frequency)에서 특징적인 임피던스를 갖는 단순한 "이미지-파라미터(image-parameter)" LPF라는 것을 이해할 수 있다:

(12)

그리고 제거 대역의 약 40% 이상인 컷-오프 주파수(cut-off frequency)는 아래와 같다:

(14)

더욱이, 대역-제거 주파수 f₀에서의 특징적인 임피던스는 R과 완전히 동일할 것이고, 따라서 필터는 제거 대역 근방에서 원래의 대역 제거 필터와 정합(match)하여 그러한 필터의 손실 특성에는 전혀 기여하지 않을 것이다. 그 밖에, 대역-제거의 플랫한 통과대역 성능으로부터 약간의 편차(deviation)가 있겠지만, 상세한 수치 분석은 편차가 0 주파수로부터 f₀에서 35%되는 정도까지 약 0.5 dB임을 보여준다.

최종적으로, 구체적인 구현의 경우에, 모든 인덕터의 양측단들이 직접적으로 접지되지 않고 캐패시터를 통해서 접지되는 구조가 요구된다. 도 8은 이러한 경우에 이용가능한 추가의 등가회로를 도시한 것이다. 이러한 등가회로의 우측은 변환할 수 있는 회로이기 때문에, 값들중 하나 즉, C_a는 임의로 선택될 수 있다. 이러한 선정 후에, 나머지 요소들도 다음과 같이 계산될 수 있다:

C_b=[(C_a/2)²+ CC_a] - C_a/2 (14)

C_c= C₀(C_a+C_b)/(C_a+ C_b- C₀) ; 및 (15)

L_a= LC(C_a+ C_b)/(C_aC_b)) (16)

마지막 식에서 C_b를 치환하면, 식 16은 다음과 같게 된다:

L_a= L[(C/C_a+ 0.25)+0.5]²(17)

상기 식에서, L_a는 항상 L 보다 클 것이다. 따라서, L은 바람직한 최종 인덕터 값 보다 낮은 값으로 선택되어야 한다.

B. 설계 방법

도 9에 도시한 회로는 7-폴 타원 기능 대역 제거 필터(7-pole elliptic band-reject filter)의 집중 상수 LC 사다리형 네트워크(lumped elements LC ladder network)이다. 그것은 직렬 및 병렬 공진기 양자를 포함한다. 마이크로파 대역통과 필터와 유사하게, 한 가지 타입의 공진기만을 포함하는 등가 네트워크는 대개 마이크로파 구조(microwave structure)에 의한 실제 구현에 필요하다.

공진기는 두 개의 파라미터에 의해 고유하게 특정된다. 마이크로파 공진기의 경우, 공진 주파수와 슬로프 파라미터(slope parameter)가 일반적으로 선택된다. 공진 슬로프 파라미터는 직렬 공진기에서 사용되는데, 그것은 직렬 공진기가 임피던스가 없어지는 주파수에서 공진하기 때문이다. 이것은 병렬 공진기의 서셉턴스 슬로프 파라미터(susceptance slope parameter)에 대해서도 마찬가지로 적용된다.

도 9의 회로는 하기 표 1에 나타낸 등식에 따라 도 10의 회로로 변환될 수 있다.

K_ij는 임피던스 반전기라고 하는 마이크로파 아이디얼 디바이스(microwave ideal device)이다. 전술한 변환의 수행에 있어서, 과잉의 요소(redundant elements)들이 만들어진다. 예를 들어, 필터의 선택성(selectivity)에 기여하지 않는 임피던스 반전기들은 단지 한가지 타입의 공진기에 의해서만 필터를 구현할 수 있게 만든다.

이상의 견지에서, 도 10의 회로는 두 개의 종속접속된 동일 반전기들(cascade identical inverter)을 제거함으로써 도 11의 회로로 변환된다. 더욱이, 신호 경로에 직접 접속된 분류 직렬 공진기(shunt series resonator)는 마이크로스트립 집중 상수들(microstrip lumped elemtnes)에 의해서 정확하게 구현될 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 도 11에 도시된 회로에서와 같이 어드미턴스 반전기들을 도입하여 직렬 공진기를 병렬 공진기로 변환할 수 있다. 다시 말해서, 이러한 어드미턴스 반전기들은 과잉 요소들이지만, 등가 네트워크를 변환시켜 마이크로파 구조에서 실현가능한 형태로 변환하는데 요구된다.

도 13a 내지 도 13e에 도시된 네트워크들은 도 12의 회로의 임피던스 반전기들, 어드미턴스 반전기들 및 병렬 공진기들을 실현하는데 이용된다.

다음으로, 반전기들과 병렬 공진기들은 상술한 회로에 의해 대체되어 도 14에 도시한 회로로 만들어진다. 끝으로, 공통 노드(common node)에 접속된 분류 캐패시터를 결합시킴으로써, 도 14의 회로는 도 15의 회로로 단순화될 수 있다.

도 15를 참조하면, 회로는 100으로 표시하였다. 임피던스 반전기들은 101로 표시되고, 분류 캐패시터 102, 103, 및 인덕터 104로 구성된다. 커플링 캐패시터는 105로 표시하였고 공진기 장치는 106으로 나타내었다. 공진기 장치 106은 캐패시터 107, 108 및 109로 구성된다. 공진기 부재 106에는 인덕터 109도 포함된다. 용량형 부하 인덕터는 인덕터 109와 캐패시터 108로 구성된다.

가상선으로 도시한 바와 같이, 임피던스 반전기 101은 분류 캐패시터 104를 임피던스 반전기 101'와 공유한다. 다음으로, 전송로(transmission line)를 따라 존재하는 각각의 임피던스 반전기들은 그 들 사이에 존재하는 분류 캐패시터를 공유한다.

C. 레이아웃 및 제조

도 16, 17, 및 18은 초전도체 기판상의 도 15의 회로의 레이아웃이다. 더욱 상세하게, 도 16은 주파수 변환 인덕터를 이용한, MgO 기판상의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이고; 도 17은 집중 상수 인덕터를 이용한 LAO 기판상의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이며, 도 18은 주파수 변환 인덕터를 이용한 LAO 기판상의 노치 필터의 레이아웃을 도시한 것이다.

도 19는 도 16에 따라 제작된 7-극 노치 필터(7-pole notch filter)로부터 실험적으로 측정된 실험 결과를 도시한 것이다.

용량형 부재(capacitive elements)들은 도 16-18에 나타낸 인터디지타이즈드 디바이스인 반면에, 유도형 부재들(inductive elements)은 해프-루프(half-loop)와 세르페틴 디바이스(sespentine device)에 의해 제작된다.

본 발명의 필터 장치들은 바람직하게 높은 회로 Q 필터(high circuit Q filter), 바람직하게 회로 Q가 적어도 10,000, 더욱 바람직하게 회로 Q가 40,000이 되게 만들 수 있는 재료로 제작된다. 초전도체 재료들이 높은 Q 회로에 적합하다. 초전도체들은 니오비움(niobium)은 물론 YBa₂Cu₃O₇-_δ(YBCO)와 같은 퍼로브스키트 옥사이드(perovskite oxide)와 같은 특정 금속 또는 합금들을 포함한다. 기판위에 초전도체를 적층하는 방법 및 제조 장비들은 당업자들에게 잘 알려져 있고, 반도체 산업에서 이용되는 것과 유사하다.

퍼로브스키트-타입의 고온 산화물 초전도체의 경우에, 적층은 스퍼터링, 레이저 어블레이션(laser ablation), 화학증착 또는 공증발(co-evaporation)과 같은 알려진 방법 가운데 어느 것이나 이용할 수 있다. 기판은 바람직하게, 초전도체에 격자-매치(lattice-match)되는 단일의 결정 재료이다. 산화물 초전도체와 기판 사이의 중간 버퍼층(intermediate buffer layer)은 필름의 질을 향상시키기 위해 이용될 수 있다. 이러한 버퍼 층은 당업계에 알려져 있고, 예를 들어 본원에 첨부된 뉴만등의 미국특허 제 5,132,282호에 설명되어 있다. 산화물 초전도체에 적당한 유전체 기판은 사파이어(단결정 Al₂O₃) 및 란타눔 알루미네이트(LaAlO₃)를 포함한다.

일례의 회로로, 모든 인덕터들은 필터내에서 모두 100 미크론 선 두께(line width)를 갖는 것으로 동일하다. 모든 인터디지탈 캐패시터 핑거(interdigital capacitor fingers)들은 50 미크론 폭이다. 이러한 용량형-부하 회로(capacitatively-loaded circuit)의 등가 인덕턴스(equivalent inductance)는 1.6 GHz에서 약 12 나노헨리이다. 전체 필터 구조는 유전상수 약 10의 MgO 기판위에 제조할 수 있다. 기판의 두께는 약 0.5 밀리미터이다. 이러한 타입의 필터에 이용되는 다른 기판으로는 란타눔 알루미네이트 및 사파이어가 있다.

YBCO는 전형적으로 반응성 공-증발(co-evaporation)을 이용하여 기판위에 적층하지만 스퍼터링 및 레이저 어블레이션도 이용할 수 있다. 버퍼층은 기판과 YBCO층 사이에 이용할 수 있는데, 특히 사파이어가 기판인 경우에 이용할 수 있다. 포토리소그래피는 필터 구조를 패턴화하는데 이용된다.

본 발명의 구체적인 구현예를 무선통신에의 응용과 관련하여 설명하였지만, 본 발명이 그러한 응용예 또는 그러한 장치에 이용된 특정 회로로 국한되지 않는다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 본 발명에서 설명한 것과 상이한, 본 발명의 원리를 구현하는 다른 구조 및 기타의 응용들이 본 발명의 정신 및 의도내에서 이루어질 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들에게 자명한 다른 변형 및 변화들도 첨부한 본 발명의 청구범위에 포함된다.

도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 전체 도면에서 유사한 부호는 유사한 부품을 가리킨다.

Claims (16)

1. a) 제 1 및 제 2 측단을 갖는 제 1 인덕터;

   b) 각각 상기 인덕터의 제 1 및 제 2 측단에 전기적으로 접속되고 제 1 캐패시터로서, 여기서 제 1 및 제 2 캐패시터가 그라운드에 연결된 제 1 캐패시터;

   c) 병렬로 연결된 제 2 캐패시터 및 제 2 인덕터를 포함하는 공진기 구조로, 여기서 각각의 공진기 구조에 대해 공진기 구조로부터 그라운드에 제 3 캐패시터가 직렬로 연결되고 제 4 캐패시터는 병렬로 공진기 구조의 직렬 연결체에 연결되며 제 3 캐패시터로부터 그라운드에 연결되며; 및

   d) 제 1 및 제 2 공진기 구조와 제 1 인덕터의 제 1 및 제 2 측단들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 제 5 캐패시터를 포함하는 노치 필터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 노치 필터가 서로 직렬로 연결된 복수의 제 1 인덕터들을 포함하고, 공진기 구조가 그 사이에 연결되는 노치 필터.
3. 제 2항에 있어서, 복수의 제 1 인덕터들이 동일한 노치 필터.
4. 제 1항에 있어서, 복수의 인덕터들이 접속점(junction)에서 서로 직렬로 각 접속점(junction)에서 그라운드에 연결된 제 1 캐패시터 및 각 접속점(junction) 및 공진기 구조에 연결된 제 5 캐패시터에 연결된 노치 필터.
5. 제 4항에 있어서, 상기 노치 필터가 7-극 필터인 노치 필터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 인덕터가 주파수 변환 인덕터인 노치 필터.
7. 제 6항에 있어서, 상기 제 2 캐패시터가 주파수 변환을 제공하는 노치 필터.
8. a) 각각 분류 캐패시터와 인덕터를 포함하고, 각기 제 1 및 제 2 측단을 갖고 서로 직렬로 연결된 복수의 임피던스 반전기 장치들;

   b) 상기 임피던스 캐패시터의 제 1 및 제 2 측단들에 접속된 복수의 커플링 캐패시터들;

   c) 커플링 캐패시터들 각각에 접속된 복수의 공진기 부재들을 포함하고,

   공진기 부재들이 용량 부하 인덕터를 포함하고 각 공진기 부재들이 공진시 하나의 특정 주파수를 소거하여 복수의 공진기들의 소거 작용이 합해질 경우 대역 소거 지역을 만들어내는 노치 필터.
9. a) 각각 분류 캐패시터와 동일 인덕터(identical inductor)를 포함하고, 각기 제 1 및 제 2 측단을 갖고 서로 직렬로 연결된 복수의 임피던스 반전기 장치들;

   b) 상기 임피던스 캐패시터의 제 1 및 제 2 측단들에 접속된 복수의 커플링 캐패시터들;

   c) 커플링 캐패시터들 각각에 접속된 복수의 공진기 부재들을 포함하고,

   각 공진기 부재들이 공진시 하나의 특정 주파수를 소거하여 복수의 공진기들의 소거 작용이 합해질 경우 대역 소거 지역을 만들어내는 노치 필터.
10. a) 전송로(transmission line);

    b) 상기 전송로를 따라 배열된 복수의 네트워크 부재들(network elements)로서;

    ⅰ) 인덕터;

    ⅱ) 인덕터의 각 측단에 전기적으로 접속된 캐패시터;

    ⅲ) 인덕터에 전기적으로 접속된 공진기 장치를 포함하는 네트워크 부재를 포함하고, 대역제거 동작을 제공하는 노치 필터.
11. 제 10항에 있어서, 상기 공진기 장치가 주파수 변환 인덕터를 포함하는 노치필터.
12. 제 11항에 있어서, 상기 주파수 변환 인덕터가 인덕터와 병렬로 되어 있는 캐패시터를 포함하는 노치 필터.
13. a) 기판;

    b) 상기 기판위에 제조된 전도성 부재(conductive elements); 및

    c) 상기 기판위에 제조되고 전도성 부재와 연결된 초전도체 장치로서,

    ⅰ) 용량형 장치(capacitive device)를 형성하는 복수의 인터디지타이즈드 전도성 부재(interdigitized conductive elements);

    ⅱ) 유도형 장치(induvtive device)를 형성하는 복수의 해프-루프 장치; 및

    ⅲ) 제 2 유도형 장치를 형성하는 복수의 세르펜틴 장치를 포함하는 초전도체 장치를 포함하고, 여기서 상기 제 1 유도형 장치들이 서로 직렬로 연결되고, 상기 용량형 장치들은 제 1 유도형 장치의 각 측단에 연결되며; 제 2 유도형 장치들은 제 1 유도형 장치의 양 측단에 연결되고 용량형 장치와 병렬 연결되어 주파수를 변환하는 공진기 장치를 형성하는 초전도체 장치를 포함하며, 초전도체 장치가 대역제거 필터로 동작하는 노치 필터.
14. 제 13항에 있어서, 상기 초전도체 장치가 고온 초전도체 재료로 구성되는 필터.
15. 제 14항에 있어서, 상기 기판이 LAO 또는 MgO인 필터.
16. a) 분류 캐패시터와 아이덴티컬 인덕터를 포함하는 복수의 임피던스 반전기 장치들을 서로 직렬로 연결하는 단계;

    b) 커플링 캐패시터를 각 임피던스 반전기의 일 측단에 연결하는 단계; 및

    c) 공진기 부재들을 각 커플링 캐패시터에 연결하는 단계를 포함하고, 여기서 각 공진기 부내들이 공진시 특정한 하나의 주파수를 제거하여 복수의 공진기 부재들의 제거 작용이 합해지면 대역 제거 지역이 형성되는 노치 필터의 제조방법.