KR20030031040A

KR20030031040A - 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터

Info

Publication number: KR20030031040A
Application number: KR1020030014555A
Authority: KR
Inventors: 채동규; 윤기완
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 2003-03-08
Filing date: 2003-03-08
Publication date: 2003-04-18

Abstract

본 발명은 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터에 관한 것으로, 상부 전극, 강유전체, 유전체, 접지전극의 구조로 이루어진 가변 필터로서, 헤어핀 타입의 공진기를 서로 엇갈리게 배치하고, 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부리고, 그 간격을 앞단의 간격과 같게 배치함으로써 가변 필터의 크기를 약 50 % 정도 줄일 수 있으며, 또한 중심 주파수의 2배 되는 주파수에서 2nd 하모닉이 있고 그 사이에는 다른 기생 하모닉 주파수가 없기 때문에 안정적인 필터를 구현할 수 있다. 따라서, 인가 전압에 의한 가변성이 있어 1'st 하모닉과 2'nd 하모닉간에 다른 인접파의 영향을 받지 않는 향상된 특성을 갖을 수 있다는 효과가 있다.

Description

공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터{MINIATURIZED HARIPIN-TYPE TUNABLE BANDPASS FILTER WITH BENDED RESONATORS}

본 발명은 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터에 관한 것으로, 특히 가변 대역 통과필터를 축소함에 있어서, 헤어핀 타입(hairpin type)의 공진기를 한번 더 엇갈리게 배치하고, 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부려 설계하여 필터의 크기를 최소화할 수 있도록 하는 가변 대역통과필터에 관한 것이다.

통상적으로, 가변 대역통과필터는 집중 소자를 이용할 경우, 중심 주파수에서의 삽입 손실과 Q특성이 좋지 않은 반면에 소형화시킬 수 있는 특징이 있다. 반면에, 마이크로 스트립 라인은 크기가 커지지만 중심 주파수에서의 삽입 손실과 높은 Q특성을 얻을 수 있는 특징이 있다.

즉, 1㎓ 이하의 주파수에서는 집중 소자를 이용해서 대역통과필터를 구현해도 되지만 1㎓ 이상에서는 마이크로 스트립 라인과 같은 분포 소자를 이용하는 것이 바람직하다.

이동통신시장의 발달로 사용 주파수가 수 ㎓ 대역으로 올라감에 따라 마이크로 스트립 라인으로 구현하는 밴드패스필터(BPF) 설계는 중요한 의미를 갖는다.

한편, 사용 주파수에 따른 기판 설정이 매우 중요한데, 그 이유는 기판 선정이 잘못되면, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 크게 달라진다. 다시 말해서, 기판 선정이 잘못되면, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 크게 달라진다.

그리고, 2㎓ 이하는 FR4, 2㎓ 내지 10㎓는 테플론, 10㎓ 내지 20㎓는 알루미나, 20㎓ 내지 30㎓는 세라믹을 사용한다. 한편, 가변 필터를 위한 BSTO/MgO 구조는 1㎓ 내지 30㎓에 걸친 넓은 범위에서 사용이 가능하다.

마이크로 스트립 라인 구조의 대역통과필터는 커플링 길이에 따라 λ/4 BPF, λ/2 BPF로 나눌 수 있다.

여기서, λ/2 BPF의 대표적인 예는 엔드-커플드 타입(end-coupled type), λ/4 BPF의 대표적인 예는 헤어핀 타입이 있는데, 필터의 소형화를 위해서는 헤어핀 타입(hairpin type)이 유리하다.

다시 말해서, 헤어핀 타입에서 크기를 줄이기 위하여 공진기의 끝 부분을 구부려서 배치한 필터의 대표적인 예로, 도 2a에 도시된 바와 같으며, 아래의 논문에 잘 제시되어 있다.

-논문-

Morikazu Sagawa, Kennichi Takahashi, and Mitusuo Makimoto, "Miniaturized Hairpin Resonators Filters and Their Application to Receiver Front-End MIC's", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.37, no.12, pp. 1991-1997, December 1991.

즉, 금속/유전체/금속 구조와 공진기를 구부린 형태의 헤이핀 타입 구조를 이용하였고, 입.출력 단과 각 공진기에 전압을 인가하여 1pole 필터를 구현하였다.

그러나, 스트립 라인 구조의 대역 통과 필터에 있어서, 기존에 널리 사용되어 왔던 헤어핀 타입 공진기의 끝을 교차로 배열하면서 안으로 말아 넣어 크기를 다소 줄일 수는 있지만, 이 방식으로는 크기를 줄이는데 한계가 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 헤어핀 타입(hairpin type)의 공진기를 한번 더 엇갈리게 배치하고, 공진기의나머지 끝 부분을 한번 더 구부려 설계하고, 그 구부러진 단의 간격을 앞단의 간격과 같게 설계하여 필터의 크기를 최소화시킬 수 있도록 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터는 상부 전극, 강유전체, 유전체, 접지전극의 구조로 이루어진 가변 필터로서, 헤어핀 타입의 공진기를 서로 엇갈리게 배치하고, 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부리고, 그 간격을 앞단의 간격과 같게 배치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 강유전체를 이용한 가변필터의 사이드 뷰(side view) 도면이고,

도 2a는 기존의 헤어핀 타입 공진기이며, 도 2b는 본 발명에 따라 제안된 공진기이며,

도 3은 도 2b의 레이아웃(layout)이며,

도 4는 도 3의 등가회로이며,

도 5는 도 1에 도시된 강유전체를 이용한 가변 필터 모델의 탑-뷰(top-view) 도면이며,

도 6은 본 발명에 따른 인가 전계에 따른 강유전체의 상대 유전율 변화를 도시한 도면이며,

도 7은 도 5에 도시된 open stub를 통해 인가되는 DC 전압의 변화에 따라 삽입 손실과 반사 손실 변화를 2.0㎓에서 2.6㎓ 까지의 범위에서 바라본 그래프이며,

도 8은 도 5에 도시된 open stub를 통해 인가되는 DC 전압의 변화에 따라 삽입 손실과 반사 손실 변화를 보다 넓은 0㎐ 에서10㎓ 까지의 범위에서 바라본 그래프이며,

도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 도 5에서 강유전체를 제외시켜 특정 주파수에만 동작하도록 하는 필터의 사이드 뷰 도면이며,

도 10은 도 9의 탑 뷰 도면이며,

도 11은 도 10에 도시된 삽입 손실과 반사 손실을 2.0㎓ 에서 2.6㎓ 까지의 범위에서 바라본 그래프이며,

도 12는 도 5와 동일한 구조를 사용하며, 커플링 수가 2 이상인 가변 필터를 도시한 도면이며,

도 13은 도 12와 동일한 구조를 사용하며, 커플링 수가 2 이상이고 특정 주파수에서만 사용 가능한 필터이며,

도 14는 도 13을 가변 필터로 사용 가능하도록 한 것으로서, 바렉터(varactor)를 연결한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 상부전극 20 : 강유전체

30 : 유전체 40 : 접지전극

21-1∼21-4 : open stub 22-1, 22-1 : 구부러진 공진기

23-1∼23-3 : 갭

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 강유전체를 이용한 가변필터의 사이드 뷰(side view) 도면으로서, 금(Au), 구리(Cu), YBCO, HTS로 이루어진 상부전극(마이크로 스트립)(10)과, STO, BSTO, PZT, PLZT로 이루어진 강유전체(20)와, LAO, MgO, Ferrite로 이루어진 유전체(30)와, Au, Cu, YBCO, HTS로 이루어진 접지전극(전극)(40)으로 구성되며, 이와 같이 구성된 층에서 강유전체(20)가 두꺼울수록 턴어빌리티(tunability)가 커지지만, 강유전체(20)를 증착하는 시간도 두께에 비례하게 늘어난다.

도 2b는 본 발명에 따라 제안한 공진기로서, 커플링 길이는 λ/16 로서, 커플링 길이가 도 2a에 비해 1/4배로 줄었다. 그리고, 도 3은 도 2b의레이아웃(layout)으로서, 구부러진 공진기(end-extended resonator)의 커플링 길이 (L')은 인접한 부분의 커플링 길이 (L)와 같으며, 이러한 커플링 길이 (L', L)들을 조절함으로써 필터의 중심 주파수를 선택한다.

도 4는 도 3의 등가회로로서 L_i,i+1은 상호 인덕턴스, L_i,i은 자기 인덕턴스, C'_p은 구부러진 공진기의 끝과 접지면 사이에 작용하는 기생 커패시턴스를 의미한다.

도 5는 도 1에 도시된 강유전체를 이용한 가변 필터 모델의 탑-뷰(top-view) 도면이다.

즉, open stub(21-1∼21-4)는 DC 전압을 공진기 및 구부러진 공진기(22)에 인가한다. 그리고, 구부러진 공진기(22-1, 22-2)는 공진기 크기를 최소화하기 위해 구부려져 있다.

다음으로, 제1, 제3 갭(gap)(23-1, 23-3)은 같은 간격의 갭으로, 갭이 좁을수록 삽입손실이 작으며, 제2 갭(23-2)은 대역폭과 관계되는 것으로, 그 갭이 넓을수록 대역폭이 좁아진다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 인가 전계에 따른 강유전체의 상대 유전율 변화를 도시한 도면으로서, 강유전체(20)의 상대 유전율이 인가되는 전압에 따라 가변되는 특성을 도시하고 있다.

그리고, 도 7은 도 5에 도시된 open stub(21-1∼21-4)를 통해 인가되는 DC 전압의 변화에 따라 삽입 손실과 반사 손실 변화를 2.0㎓ 내지 2.6㎓의 좁은 범위에서 바라본 그래프로서, 100V 전압을 인가하였을 때, 턴어빌리티(tunability)가 155㎒에 달함을 볼 수 있다.

도 8은 도 5에 도시된 open stub(21-1∼21-4)를 통해 인가되는 DC 전압의 변화에 따라 삽입 손실과 반사 손실 변화를 보다 넓은 0㎐ 내지 10㎓ 구간에서 바라본 그래프로서, 중심 주파수의 2배되는 주파수에서 2'nd 하모닉(harmonic)이 발생하고, 2'nd 하모닉이 발생하기 전에는 1'st 하모닉 이외에는 다른 필터 특성이 나타나지 않아 매우 향상된 특성이 나타남을 알 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 도 5에서 강유전체를 제외시킴으로써, 특성 주파수에만 동작하도록 하는 필터의 사이드 뷰 도면이며, 도 10은 도 9의 탑 뷰로서 가변 필터가 아니기 때문에 DC 전압을 인가하는 open stub가 없는 것이 특징이며, 도 11은 도 10에 도시된 삽입 손실과 반사 손실을 2.0㎓ 내지 2.6㎓의 좁은 범위에서 바라본 그래프이다.

그리고, 도 12는 도 5에 도시된 바와 동일하게 상부전극, 강유전체, 유전체, 접지전극을 사용하되 커플링 수가 2 이상인 가변 필터를 도시한 도면이며, 도 13은 도 10에 도시된 바와 같이, 강유전체를 제외시킨 상부전극, 유전체 접지전극을 사용하여 특정 주파수에서만 사용 가능한 필터로서, 커플링 수가 2 이상인 구조를 갖는다. 그리고, 도 14는 도 13에 도시된 가변 필터로 사용 가능하도록 한 것으로서, 베렉터(varactor)를 연결한 구조를 갖는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 헤어핀 타입(hairpin type)의 공진기를 한번 더 엇갈리게 배치하고, 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부려 설계하여 중심 주파수의 2배되는 2'nd 하모닉을 발생시킴으로써, 기존 헤어핀 타입 필터보다 대략 50％ 정도 크기를 축소할 수 있으며, 중심 주파수의 2배 되는 주파수에서 2'nd 하모닉이 있는 필터로서, 인가 전압에 의한 가변성이 있어 1'st 하모닉과 2'nd 하모닉간에 다른 인접파의 영향을 받지 않아 향상된 특성을 갖고 있다는 효과가 있다.

Claims

헤어핀 타입의 가변 대역통과필터에 있어서,

상부 전극, 강유전체, 유전체, 접지전극의 구조로 이루어진 가변 필터로서, 헤어핀 타입의 공진기를 서로 엇갈리게 배치하고, 상기 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부려 설계하여 중심 주파수의 2배되는 2'nd 하모닉을 발생시켜 상기 가변 필터의 크기를 최소화하도록 하는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 상부전극은 금(Au), 구리(Cu), YBCO, HTS로 이루어져 있으며, 상기 강유전체는 STO, BSTO, PZT, PLZT로 이루어져 있으며, 상기 유전체는 LAO, MgO, Ferrite로 이루어져 있으며, 상기 접지전극은 Au, Cu, YBCO, HTS로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 2 항에 있어서,

상기 강유전체의 두께를 두껍게 하면 턴어빌리티(tunability)가 커지며, 상기 강유전체의 두께에 비례하게 시간도 늘어나는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 강유전체를 이용한 가변 필터의 상단에는,

공진기 크기를 최소화하기 위한 구부러진 공진기 및

상기 구부러진 공진기에 DC 전압을 인가하는 open stub를 구비하며,

상기 공진기의 입력측 갭과 출력측 갭은 같은 간격으로 상기 갭이 좁을수록 삽입손실이 작으며, 상기 입력측과 출력측 중간에 위치한 갭은 대역폭과 관계되는 것으로, 상기 중간에 위치한 갭이 넓을수록 대역폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 강유전체를 제외시킨 상부 전극, 유전체, 접지전극의 구조로 이루어진 가변 필터로서, 상기 필터는 특정 주파수에서만 사용 가능한 필터인 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 5 항에 있어서,

상기 가변 필터는 헤어핀 타입의 공진기를 서로 엇갈리게 배치하고, 상기 공진기의 나머지 끝 부분을 한번 더 구부려 설계하여 중심 주파수의 2배되는 2'nd 하모닉을 발생시켜 상기 가변 필터의 크기를 최소화하도록 하는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 상부전극, 강유전체, 유전체, 접지전극을 동일하게 사용하되 커플링 수가 2 이상인 가변 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.
제 7 항에 있어서,

상기 강유전체를 제외시킨 상부 전극, 유전체, 접지전극의 구조로 이루어진 가변 필터로서, 커플링 수가 2 이상인 가변필터로 사용 가능하며, 베렉터(varactor)를 연결한 구조인 것을 특징으로 하는 공진기를 구부린 헤어핀 타입의 가변 대역통과필터.