KR20010075891A - 표면탄성파 듀플렉서 - Google Patents

Abstract

개시된 표면탄성파 듀플렉서는 송신용 여파기 및 수신용 여파기의 통과대역에 대한 그 두 여파기의 상호간 간섭을 최소화할 수 있는 위상 정합소자로 집중소자를 채택하여 경박 단소화한다.

송신용 여파기 및 수신용 여파기로 임피던스의 정합 및 내전력성 설계가 용이한 사다리형 표면탄성파 여파기를 채택하고, 경박 단소화를 이루기 위하여 저주파 측에 위치하는 송신용 여파기는 수신 대역에서의 상호 간섭을 극소화하기 위하여 직렬 공진기가 안테나 단자와의 사이에 위치하도록 배치함으로써 위상 정합회로가 필요하지 않도록 하였으며, 고주파 측에 위치하는 수신용 여파기는 병렬 공진기를 안테나 단자와의 사이에 배치함으로써 설계를 간단하게 하며, 위상 정합회로를 설계함에 있어서 전송선로 이론에 입각하여 수신용 여파기의 송신 주파수 대역에서의 임피던스를 크게 증가시킴으로써 상호간섭을 극소화할 수 있도록 분포소자 형태인 소정의 마이크로스트립 선로를 먼저 설계하고, 이러한 마이크로스트립 선로로부터 자체 제작된 변환기에 의해 등가의 인덕터와 커패시터로 구성된 T형 회로 또는 π형 회로의 집중소자 회로망으로 위상 정합회로를 구성한다.

Description

표면탄성파 듀플렉서{Surface acoustic wave duplexer}

본 발명은 표면탄성파 듀플렉서에 관한 것이다.

일반적으로 듀플렉서는 저주파 대역에 존재하는 송신용 여파기 및 고주파 대역에 존재하는 수신용 여파기를 구비하고, 이들 송신용 여파기 및 수신용 여파기의 단자를 결합 즉, 송신용 여파기의 출력단자와 수신용 여파기의 입력단자를 상호간에 결합하여 이를 안테나 단자로 하는 3단자 망으로 구성된 통신용 분파기이다.

이러한 듀플렉서로서는 유전체 공진기 형태 및 다층 세라믹 기판을 사용하는 표면탄성파 여파기 형태가 있다.

상기 유전체 공진기 형태의 듀플렉서는 복수의 유전체 공진기로 이루어지는 것으로서 사용 주파수의 범위가 낮을 경우에 파장이 길어지게 되므로 중심 주파수를 맞추기 위해서는 크기 및 중량이 커지게 된다.

그리고 상기 다층 세라믹 기판을 사용하는 표면탄성파 여파기 형태의 듀플렉서는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 표면탄성파 여파기 즉, 중심 주파수가 서로 상이한 송신용 표면탄성파 여파기(10) 및 수신용 표면탄성파 여파기(11)를 구비하고, 이들 송신용 표면탄성파 여파기(10)의 출력단자 및 수신용 표면탄성파 여파기(11)의 입력단자를 하나의 단자로 병렬 결합하여 3단자 회로망으로 구성하며, 그 병렬 결합한 송신용 표면탄성파 여파기(10)의 출력단자 및 수신용 표면탄성파 여파기(11)의 입력단자를 안테나 단자로 사용하고 있다.

이러한 표면탄성파 듀플렉서를 설계함에 있어서는 송신용 표면탄성파 여파기(10) 및 수신용 표면탄성파 여파기(11)의 각각의 중심 주파수에 대한 상호간의 간섭을 최소화할 수 있도록 위상 매칭소자(12)를 배치하여 임피던스 특성 및 감쇠 특성을 개선하는 것이 필수적이다.

즉, 상기 송신용 표면탄성파 여파기(10) 및 수신용 표면탄성파 여파기(11)는 고유 특성상 단일 소자의 설계 형태로서 통과대역이 저주파 측에 존재하는 송신용 표면탄성파 여파기(10)는 수신용 표면탄성파 여파기(11)의 수신대역의 주파수에 대하여 매우 높은 임피던스 특성을 가지므로 별도의 위상 정합회로(12)가 사용하지 않아도 된다.

그러나 통과대역이 고주파 측에 존재하는 수신용 표면탄성파 여파기(11)는 송신용 표면탄성파 여파기(10)의 송신대역의 주파수에 대하여 매우 낮은 임피던스를 가지고, 이로 인하여 상기 송신용 표면탄성파 여파기(10)가 송신하는 소정의 신호가 수신용 표면탄성파 여파기(11)를 통과하여 수신되는 역류가 발생하게 되므로 수신용 표면탄성파 여파기(11)에는 상기한 위상 매칭소자(12)를 구비하여 임피던스 특성 및 감쇠 특성을 개선하는 것이 반드시 요구된다.

상기한 종래의 표면탄성파 듀플렉서는 적층 세라믹 패키지 제작공정에 의한 고도의 정밀 기술이 요구된다.

그러므로 공정 장비가 구비되어 있지 않을 경우에 제조가 곤란하고, 패키지의 내부에 위상 정합회로의 패턴과 각종 회로의 패턴을 구현할 경우에 설계 값과 실제 값 사이의 오차 범위가 커질 우려가 있어 정확한 듀플렉서의 성능 구현이 곤란하다.

그리고 또한 패키지 내부에 배치된 마이크로스트립 전송선로가 차지하는 면적만큼 듀플렉서의 크기가 커짐으로써 경박 단소화의 한계에 봉착하게 된다.

또한 패키지의 제작에 소요되는 경비가 상승하여 제품의 생산 원가가 상승하게 되는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 송신용 여파기 및 수신용 여파기의 통과대역에 대한 그 두 여파기의 상호간 간섭을 최소화할 수 있는 위상 정합소자로 집중소자를 채택하여 경박 단소화할 수 있는 표면탄성파 듀플렉서를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면탄성파 듀플렉서에 따르면, 송신용 여파기 및 수신용 여파기로 임피던스의 정합 및 내전력성 설계가 용이한 사다리형 표면탄성파 여파기(ladder type SAW filter)를 채택하는 것으로서 사다리형 표면탄성파 여파기는 임피던스의 정합 조건에 의하여 적절하게 설계된 직렬 공진기 및 병렬 공진기가 다단으로 구비되어 있다.

그리고 경박 단소화를 이루기 위하여 저주파 측에 위치하는 송신용 여파기는 수신 대역에서의 상호 간섭을 극소화하기 위하여 직렬 공진기가 안테나 단자와의 사이에 위치하도록 배치함으로써 위상 정합회로가 필요하지 않도록 하였으며, 고주파 측에 위치하는 수신용 여파기는 병렬 공진기를 안테나 단자와의 사이에 배치함으로써 설계를 간단하게 하였다.

본 발명에서 위상 정합회로를 설계함에 있어서 전송선로 이론에 입각하여 수신용 여파기의 송신 주파수 대역에서의 임피던스를 크게 증가시킴으로써 상호간섭을 극소화할 수 있도록 분포소자 형태인 소정의 마이크로스트립 선로를 먼저 설계하고, 이러한 마이크로스트립 선로로부터 자체 제작된 변환기에 의해 등가의 인덕터와 커패시터로 구성된 T형 회로 또는 π형 회로의 집중소자 회로망으로 위상 정합회로를 구성하였다.

그리고 이렇게 도출된 위상 정합회로를 송신용 여파기 및 수신용 여파기를 두 개의 칩으로 해서 개별적으로 패키지에 실장할 경우에 패키지의 내부에 배치한다. 송신용 여파기 및 수신용 여파기를 하나의 칩 위에 설계할 경우에는 평면형 집중소자의 형태로 안테나의 수신단자에 배치함으로써 원칩화에 의하여 경박 단소화할 수 있다.

본 발명에서는 상기한 원칩화 형태로 위상 정합회로를 배치함으로써 송신용 여파기 및 수신용 여파기가 독자적인 특성을 가지면서 상호 간섭을 극소화할 수 있을 뿐만 아니라 듀플렉서가 실장되는 휴대용 이동통신 단말기 등의 시스템의 소형화 및 고성능화라는 사용자의 요구에 부응하는 부품의 소형화 설계가 가능하다.

도 1은 일반적인 표면탄성파 듀플렉서의 3단자 회로망을 보인 블록도이고,

도 2는 본 발명의 표면탄성파 듀플렉서를 설명하기 위한 마이크로스트립 전송선로를 보인 도면이며,

도 3은 마이크로스트립 전송선로의 T형 집중소자 등가회로를 보인 도면이며,

도 4는 마이크로스트립 전송선로의 π형 집중소자 등가회로를 보인 도면이며,

도 5는 본 발명에 따른 T형 집중소자 등가회로에 의한 마이크로스트립형 위상 정합회로를 보인 도면이며,

도 6은 본 발명에 따른 T형 집중소자 등가회로에 의한 마이크로스트립형 위상 정합회로가 내장된 표면탄성파 듀플렉서를 보인 도면이며,

도 7a 및 도 7b는 마이크로스트립형 위상 정합회로가 내장되지 않았을 경우의 표면탄성파 듀플렉서의 주파수 특성을 보인 도면이며,

도 8a 및 도 8b는 마이크로스트립형 위상 정합회로가 내장되었을 경우의 표면탄성파 듀플렉서의 주파수 특성을 보인 도면이다.

이하 첨부된 도 2 내지 도 7의 도면을 참조하여 본 발명의 표면탄성파 듀플렉서를 상세히 설명한다.

본 발명은 위상 정합회로를 설계함에 있어서 전송선로 이론에 입각하여 수신용 여파기의 송신 주파수 대역에서의 임피던스를 크게 증가시킴으로써 상호 간섭을 극소화할 수 있도록 도 2에 도시된 분포소자의 형태인 소정의 마이크로 스트립 선로 즉, 유전체 기판(20)의 상면에 형성되는 마이크로스트립 전송선로(21)를 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 설계하였다.

여기서, Z₀은 마이크로 스트립 선로(21)의 특성 임피던스이고,

는 유전체 기판(20)의 실효 유전율이며,

ln은 자연 로그이며,

h는 유전체 기판(20)의 두께이며,

W는 마이크로스트립 전송선로(21)의 전극 두께가 고려되지 않을 경우의 그 마이크로스트립 전송선로(21)의 선폭이다.

여기서, W_eff는 마이크로스트립 전송선로(21)의 전극 두께가 고려될 경우의 그 마이크로스트립 전송선로(21)의 선폭이고,

t는 마이크로스트립 전송선로(21)의 전극 두께이다.

일반적으로 듀플렉서에서는 송신용 여파기 및 수신용 여파기의 상호 간섭은 낮은 주파수 대역인 송신 주파수 대역에서 발생한다. 즉, 높은 주파수 대역인 수신 주파수 대역에서는 송신용 여파기가 충분히 상호 간섭을 피할 수 있을 정도로 임피던스가 높으므로 낮은 중심 주파수를 가지는 송신용 여파기에서는 별도의 위상 접합회로가 필요 없으나, 낮은 주파수 대역인 송신 주파수 대역에서 상호 간섭을 발생하는 수신용 여파기의 임피던스 Z_in(x)은 다음의 수학식 3과 같이 상당히 크게 조정하는 위상 정합회로의 설계가 수반되어야 한다.

여기서, Z_L은 수신용 여파기의 간섭 대역 즉, 송신 주파수 대역에서의 여파기의 부하 임피던스이고,

x는 마이크로스트립 전송선로(21)의 길이이며,

β는 위상 상수이다.

상기 수학식 3의 전개에 의하면, 부하의 임피던스가 양의 허수 값을 가질 경우에 마이크로스트립 전송선로(21)의 길이는 λ/4(여기서, λ는 파장임)보다 약간 작아지고, 음의 허수 값을 가질 경우에는 λ/4보다 약간 큰 값을 가진다.

이러한 마이크로스트립 전송선로(21)의 임피던스 행렬 Z와 어드미턴스 행렬Y는 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

다음으로는 이러한 마이크로스트립 전송선로(21)로부터 이론적 고찰에 의해 자체 제작된 등가회로 변환기에 의해 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 등가의 인덕터와 커패시터로 이루어진 T형 회로 및 π형 회로의 집중소자 회로망으로 위상 정합회로를 구성하였다.

그리고 이렇게 도출된 위상 정합회로를 송신용 여파기와 수신용 여파기를 두 개의 칩으로 해서 개별적으로 패키지(플라스틱 또는 세라믹)에 실장할 경우에는 패키지의 내부에 배치하게 된다.

인덕터와 커패시터의 형태는 칩형 부품을 하이브리드 형태로 배치할 수도 있고, 또는 평면형 마이크로 스트립 형태로 스크린 프린팅 기법으로 구현할 수 있다.

칩형 부품을 사용할 경우에는 인쇄회로패턴을 구현하여 부착하게 되며, 마이크로스트립 형태일 경우에는 인덕터는 소형화가 가능한 미앤더 라인(meander line) 또는 나선형(spiral)으로 설계하며, 커패시터는 빗살무늬(interdigital) 또는 평판형으로 설계한다.

한편, 송신용 여파기 및 수신용 여파기를 하나의 칩 위에 설계할 경우에는 평면형 마이크로스트립 집중소자의 형태로 상기 인덕터 및 커패시터를 안테나 단자와 수신용 여파기의 입력단자의 사이에 배치함으로써 원 칩(one chip)화에 의해 경박 단소화할 수 있다.

본 발명에서는 원칩화 형태로 위상 정합회로를 배치함으로써 송신용 여파기와 수신용 여파기가 독자적인 특성을 가지면서 상호 간섭을 극소화할 수 있을 뿐만 아니라 소형화 및 고성능화를 추구하는 이용자의 요구에 부응하는 부품의 소형화 설계를 시도하였다.

인덕터는 집적화에 의하여 소형화가 가능한 나선형 마이크로스트립 인덕터를 사용하였으며, 커패시터는 빗살모양의 마이크로스트립 커패시터를 사용하였다.

여파기와의 전기적인 접속은 본딩 와이어를 사용하거나 또는 반도체 공정 중에서 다층 배선공정을 응용하여 에어 브리지 형태로 접속하면 된다.

도 5는 본 발명에 따른 T형 집중소자 등가회로에 의한 마이크로스트립형 위상 정합회로를 보인 도면이고, 도 6은 상기 T형 집중소자 등가회로에 의한 마이크로스트립형 위상정합회로가 내장된 표면탄성파 듀플렉서를 보인 도면이다.

여기서, 부호 60은 압전체 기판으로서 압전체 기판(60)에 안테나 단자(61)를 사이에 두고, 송신용 여파기 및 수신용 여파기가 각기 배치된다.

상기 송신용 여파기 및 수신용 여파기는 송신 입력단자(62) 및 수신 출력단자(63)와 안테나 단자(61)의 사이에 각기 복수의 직렬 공진회로(64) 및 복수의 병렬 공진회로(65)가 구비되고, 수신용 여파기와 안테나 단자(61)의 사이에는 본 발명에 따른 T형 집중소자 등가회로에 의한 마이크로스트립형 위상 정합회로(66)가 배치된다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 위상정합회로가 내장되지 않았을 경우에 표면탄성파 듀플렉서의 주파수 특성 즉, 통과특성과 반사특성(Voltage Standing Wave Ratio : VSWR)을 나타내고 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 송신 주파수 대역에서 상호간섭에 의한 위상 부정합으로 특성의 열화가 심각하게 발생한다.

도 8은 위상정합회로로서 인덕터와 커패시터로 구성된 본 발명의 집중소자 회로망이 안테나 단자와 수신 여파기의 입력단자 사이에 내장되었을 경우의 표면탄성파 듀플렉서의 통과특성과 반사특성을 나타내고 있다. 도 7에 도시된 송신 주파수 대역에서 상호간섭이 거의 배제되어 송신대역과 수신대역 모두에서 임피던스 정합 및 위상정합이 잘 이루어졌음을 알 수 있다.

한편, 상기에서는 본 발명의 집중소자 회로망을 T형 회로로 구성한 것을 예로 들어 설명하였다.

본 발명을 실시함에 있어서는 이에 한정되지 않고, 회로망을 π형 회로로 구성할 수도 있는 등 여러 가지로 변형 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 표면탄성파 듀플렉서의 설계에 있어서 위상 정합회로의 구현시 전송선로 이론에 입각한 마이크로스트립 선로로부터 자체 제작된 등가의 집중소자 회로망으로 변환한다면, 설계가 용이할 뿐만 아니라 마이크로스트립 형태의 평면 패턴의 구현에 의해 패키지의 소형화 및 원칩화에 의한 소형화가 가능하고, 우수한 전기적인 성능을 구현할 수 있어 제작자의 입장에서는 경비절감을 사용자의 입장에서는 기기의 소형화 및 고성능화를 이룰 수 있다.

Claims (5)

1. 하나의 압전체 기판;

   상기 압전체 기판에 패턴이 형성되는 안테나 단자;

   상기 안테나 단자를 사이에 두고 좌우 양측에 복수의 직렬 공진회로 및 병렬 공진회로가 패턴 형성되는 송신용 여파기 및 수신용 여파기; 및

   상기 안테나 단자와 상기 수신용 여파기의 사이에 구비되어 임피던스 정합 및 위상 정합소자로 동작하는 집중소자 회로망으로 이루어짐을 특징으로 하는 표면탄성파 듀플렉서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 집중소자 회로망은;

   인덕터 및 커패시터로 이루어진 T형 회로로 구성됨을 특징으로 하는 표면탄성파 듀플렉서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 집중소자 회로망은;

   인덕터 및 커패시터로 이루어진 π형 회로로 구성됨을 특징으로 하는 표면탄성파 듀플렉서.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 인덕터 및 커패시터는;

   마이크로스트립 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 표면탄성파 듀플렉서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 인덕터는, 미앤더 라인 또는 나선형 패턴으로 이루어지고,

   상기 커패시터는, 빗살무늬 또는 평판형 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 듀플렉서.