KR20070034316A

KR20070034316A - 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터

Info

Publication number: KR20070034316A
Application number: KR1020050088862A
Authority: KR
Inventors: 윤진호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-03-28

Abstract

본 발명은 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터에 관한 것으로서, 유전체 기판에 패터닝되는 일정 폭을 갖는 전송 선로상에 적어도 하나의 일정 넓이를 갖는 도전성 패턴이 소정의 간격으로 형성되어 전기적으로 연결되도록 함을 특징으로 하여, L, C 소자를 사용하지 않을 뿐 아니라 인쇄 회로 기판상에 L, C 값을 구현하기 위한 복잡한 전송 선로 계산식이 없이도 전 주파수 대역에서 사용할 수 있는 범용성을 가지는 필터를 구현할 수 있는 이점이 있다.

필터, 이중 격자 구조, PCB, 전송 선로, 대역 저지 필터

Description

이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터{BAND STOP FILTER USING DUAL LATTICE STRUCTURE}

도 1은 종래 기술에 따른 대역 저지 필터(Band Stop Filter)를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터(Band Stop Filter)를 도시한 도면, 및,

도 3은 상기 본 발명의 실시 예에 따른 대역 저지 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

본 발명은 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터에 관한 것이다.

이동통신 대역에서 사용되는 RF 여파기(Filter)는 저역 통과 여파기(Low Pass Filter : LPF), 대역 통과 여파기(Band Pass Filter : BPF), 고역 통과 여파기(High Pass Filter : HPF), 대역 저지 여파기(Band Stop Filter : BSF)로 나뉜다. 그 중 대역 통과 여파기와 대역 저지 여파기는 많은 사업자의 등장과 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위해 최근 그 사용이 증가하고 있다. 이는 여러 주파수를 잘게 나누어 쓰는 현대 RF에서 원하는 주파수대역만 정확하게 골라내야 하는 대역 통과 여파기와 모든 주파수대역은 잘 통과시키면서 특정 대역의 주파수만 통과시키지 않는 대역 저지 여파기의 역할이 통화 음질과 직결되기 때문이다.

상기 필터(Filter)의 원리는 인덕턴스(inductance : 이하 L이라 칭함)과 커패시턴스(Capacitance : 이하 C라 칭함)의 조합에 의한 공진이다. 여기서, 상기 공진(Resonance)이란, 상기 L과 C가 평행을 이루면서 특정 주파수에 대한 선택적 특성을 갖게 되는 것을 말한다. 즉, 주파수가 올라갈수록 통과가 잘 안되는 주파수 특성을 가지는 상기 L과 주파수가 올라갈수록 통과가 잘되는 주파수 특성을 가지는 상기 C를 잘 조합하면, 원하는 주파수는 잘 통과시키고 원하지 않는 주파수는 차단시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 대역 저지 필터를 도시한 도면이다. 도 1a에서와 같이, 상기 대역 저지 필터(Band Stop Filter)는 상기 L과 C를 적절히 조합하여 구현된다. 여기서, L, C 라고 말하면 눈에 보이는 조그만 소자들만 떠올리게 되는 경우가 많은데 그것은 L, C 성분을 특별히 강조해서 만들어진 전용 소자일 뿐, 흔히 인덕턴스(inductance)/커패시턴스(capacitance) 라 부르는 개념은 어떤 소자를 지칭한다기 보다 상기한 바와 같은 주파수 통과/감쇠 특성을 가지는 어떤 구조나 형상 그 자체를 말하는 것으로 해석할 수 있다. 결국, 도 1b와 같이, 구조적인 공진 필터도 L, C 등가 회로로 구현이 가능하다. 다시 말해, 단지 모양이 달라 보일 뿐 분석을 해보면 등가의 인덕턴스(inductance) 성분과 커패시턴스(capacitance) 성분 의 조합으로 구현된다는 사실을 알 수 있다.

하지만, 상기한 바와 같은 L과 C 소자를 이용한 필터는 이동통신 주파수가 GHz 이상의 경우, L과 C가 직접적으로 안테나(Antenna) 및 저항소자로 작용하기 때문에 사용하기도 힘들어지고 정교한 제어(control)가 어려운 문제가 있다. 또한, 상대적으로 낮은 저주파회로에서 선로는 길이나 형상이 별 상관없는 '선로'일 뿐이지만, 고주파가 되면서 파장이 짧아지기 때문에 상기 선로는 길이와 폭의 치수(dimension)에 따라 특성이 변화하는 '전송선로'로 동작하기 시작한다. 따라서, 주파수가 높은 경우, L,C 소자를 쓰면서 동시에 상기 소자들을 연결하는 전송선로 특성까지 고려해야 하는 문제점이 있다. 하지만 이는 다시 말하면, 주파수가 올라가면서 선로가 전송선로적 특성을 뚜렷이 나타내고, 결국, 선로만으로도 상기 L과 C와 같은 역할을 만들어줄 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 L과 C 소자를 이용한 필터를 개선하기 위해 도입된 것이 상기 전송선로를 이용한 필터이다.

상기 전송선로를 이용한 필터는 소자를 붙일 필요가 없이 선로 길이와 폭을 조절해 원하는 값을 적용할 수 있다. 즉, 소자값을 고려할 필요없이 계산된 치수(dimension)를 그대로 찍어 버리면 되기 때문에 거의 오차없이 똑같은 회로를 찍어낼 수 있는 우수한 재현성과 신뢰성이 확보된다. 따라서, 상기 L, C 소자의 값을 갖도록 전송선로를 구현하여 필터를 제작하는 연구가 지속적으로 진행 중이며, 가장 대표적으로 사용되는 것이 마이크로스트립/스트립라인(Microstrip/Stripline)이다.

상기 전송선로의 구현을 위해서는 선로 간의 커플링, 선로 상의 공진, 다중 임피던스 연결의 원리를 이용한다. 하지만, 주파수가 낮아질수록 파장이 길어지기 때문에 저주파에서는 그 선로의 길이가 굉장히 길어져 기판의 크기가 커지는 단점이 있다. 또한, 상기 선로 간의 커플링, 선로 상의 공진, 다중 임피던스 연결의 원리를 모두 고려한 복잡한 수식을 계산해야하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터는, 유전체 기판에 패터닝되는 일정 폭을 갖는 전송 선로상에 적어도 하나의 일정 넓이를 갖는 도전성 패턴이 소정의 간격으로 형성되어 전기적으로 연결되도록 함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터(Band Stop Filter)를 도시한 도면이다. 여기서, 상기 대역 저지 필터는 8GHz, 4GHz 대역의 주파수를 차단하기 위한 회로를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 유전체 기판(200)의 상면에는 RF 신호가 통과하는 전송 선로(201)가 패터닝된다. 일반적으로, 상기 전송 선로(201)는 (A)와 (B)사이로 표현되는 일정 폭을 가지며, 이는 상기 전송 선로의 시작부터 끝까지 동일하게 유지된다. 이때, 상기 전송 선로(201)의 폭은 상기 전송 선로(201) 상에 형성되는 도전성 패턴의 길이보다 작게 유지된다. 상기 전송 선로(201)의 인출부 1(205)은 상기 유전체 기판(200)의 좌측 가장 자리부에 노출되고, 상기 전송 선로(201)의 인출부 2(206)는 상기 유전체 기판(200)의 우측 가장자리부에 노출된다.

상기 전송 선로(201)의 인출부 1(205)에는 전기적으로 접속된 상태로 입력 단자 전극이 설치된다. 마찬가지로, 상기 전송 선로(201)의 인출부 2(206)에는 전기적으로 접속된 상태로 출력 단자 전극이 설치된다. 여기서, 상기 입력 단자 전극을 통해 입력되는 주파수는 상기 전송 선로(201)에 전기적으로 연결된 도전성 패턴(202, 203)에 의해 특정 주파수가 차단되어 출력 단자 전극으로 출력된다. 또한, 상기 유전체 기판(200)의 앞쪽 단면부와 뒤쪽 단면부, 다시 말해, 도전성 패턴(202, 203) 및 상기 전송 선로(201)를 제외한 부분에는 접지(Ground) 단자 전극(204)을 설치하여 접지부를 형성시킨다.

상기 전송 선로(201) 상에는 일정 넓이를 갖는 도전성 패턴(202, 203)이 소정의 간격으로 형성되어 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 전송 선로(201) 상의 상기 도전성 패턴(202, 203)은 해당 대역 저지 필터에서 차단하고자 하는 특정 주파수에 대한 패턴으로, 상기 도전성 패턴(202, 203)의 길이 L은 하기 <수학식 1>에 의해 산출되며 정사각형의 모양을 가질 수 있다.

여기서, 상기 g는 유전 상수이고, 상기 ε_r은 기판 유전율이며, 상기 λ는 공기 중의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 상기 차단하려는 주파수가 4GHz의 경우, 상기 도전성 패턴의 길이는 12.64mm가 되며, 상기 차단하려는 주파수가 8GHz인 경우, 상기 도전성 패턴의 길이는 6.32mm가 된다. 여기서, 상기 기판 유전율 ε_r은 2.2로 임의로 설정해서 계산한 값이다.

상기 차단하고자 하는 주파수가 하나인 경우, 상기 주파수에 해당하는 도전성 패턴(202)이 상기 <수학식 1>에 의해 산출된 길이를 한 변의 길이로 하는 정사각형 모양으로 형성될 수 있다. 상기 도전성 패턴(202)은 상기 전송 선로(201)의 입력 단자 전극에서 소정 길이 떨어진 위치에서부터 상기 전송 선로(201) 위에 형성되고, 이때, 상기 도전성 패턴(202)의 한 변은 상기 전송 선로(201)의 한 변과 평행을 이루며, 상기 전송 선로(201)가 상기 전송 선로(201)의 폭보다 넓은 한 변의 길이를 가지는 상기 도전성 패턴(202)의 가운데를 관통하는 형태로 형성된다. 다시 말해, x축 상에서 0에서 x1까지의 길이가 상기 전송 선로(201)의 길이이고, y 축 상에서 +y1에서 -y1까지의 길이가 상기 전송 선로(201)의 폭인 직사각형 모양의 상기 전송 선로(201)를 예로 들어 설명하면, 상기 전송 선로(201) 상에 형성되는 상기 도전성 패턴(202)은 상기 y축 상에서 +y2에서 -y2 위치에 한 변의 길이가 2y2인 정사각형 모양의 상기 도전성 패턴(202)이 형성되도록, 즉 상기 전송 선로(201)가 상기 도전성 패턴(202)의 가운데를 관통하는 형태로 형성되도록 한다. 이때, 상기 전송 선로(201) 위에 형성되는 상기 도전성 패턴(202)은 상기 전송 선로(201) 길이에 한하여 상기 도전성 패턴(202)의 한 변의 길이만큼 이격시켜 소정 개수 더 형성될 수 있다.

두 개 이상의 주파수를 차단하고자 하는 경우, 상기 차단하고자 하는 주파수 중 가장 작은 주파수에 대한 도전성 패턴(202)을 상기 전송 선로(201) 상에 형성한다. 주파수가 작을수록 상기 <수학식 1>에 의해 산출되는 도전성 패턴의 길이가 커지며, 따라서, 전체 회로의 최적화를 위해 가장 큰 길이를 가지는 도전성 패턴을 상기 전송 선로(201) 위에 형성하도록 한다. 여기서, 상기 도전성 패턴(202)은 각 변의 길이가 같은 정사각형으로 형성될 수 있으며, 하나의 주파수에 해당하는 여러 개의 상기 도전성 패턴(202)들은 상기 도전성 패턴(202)의 한 변의 길이와 같은 거리를 유지하면서 상기 전송 선로(201) 상에 형성된다. 즉, 차단하고자 하는 주파수가 하나인 경우와 동일한 방법으로 형성된다.

여기서, 상기 가장 작은 주파수를 제외한 주파수 중 가장 작은 주파수에 대한 도전성 패턴(203)도 상기 <수학식 1>에 의해 길이가 산출되며, 상기 주파수에 해당하는 상기 도전성 패턴(203)도 각 변의 길이가 같은 정사각형으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 주파수에 대한 도전성 패턴(203)은 상기 전송 선로(201) 상에 형성된 상기 도전성 패턴(202)의 각 모서리에 전기적으로 접속되는 이중 격자 구조를 가진다. 결과적으로, 상기 하나의 도전성 패턴(202)의 각 모서리에 형성되는 4개의 상기 도전성 패턴(203)들은 상기 전송 선로(201)를 기준으로 왼쪽과 오른쪽에 두 개씩 형성되며, 상기 왼쪽 또는 오른쪽에 형성되는 두 개의 도전성 패턴(203)들은 상기 도전성 패턴(203)의 한 변의 길이와 같은 거리를 유지한다. 또한, 상기 전송 선로(201) 상에 형성되는 상기 도전성 패턴(202)이 상기 도전성 패턴(202)의 한 변의 길이와 같은 거리를 유지하면서 형성되는 것과 같이, 상기 전송 선로(201) 상에 형성되는 두 개 이상의 상기 도전성 패턴(202)들의 모서리에 형성되는 상기 도전성 패턴(203)들도 상기 도전성 패턴(203)의 한 변의 길이와 같은 거리를 유지한다. 다시 말해, 상기 전송 선로(201)를 기준으로 왼쪽 또는 오른쪽에 형성되는 상기 도전성 패턴(203)들은 상기 도전성 패턴(203)의 한 변의 길이와 같은 거리를 유지한다.

예를 들어, 차단하고자 하는 주파수가 4GHz, 8GHz인 경우, 상기 4GHz에 대한 도전성 패턴(202)은 상기 전송 선로(201) 상에 배치되고, 또 다른 도전성 패턴(203), 즉 상기 8GHz에 대한 도전성 패턴(203)은 상기 전송 선로(201) 상에 형성된 상기 도전성 패턴(202)의 각 모서리에 전기적으로 접속되는 이중 격자 구조를 가진다.

이와 같이, 설계자가 차단하려고 하는 주파수의 λg/4 간격의 정사각형 격자 구조(202, 203)를 전송 선로(206)의 중간에서부터 양쪽으로 확산하면서 붙여 나가면 해당 주파수는 통과하지 못하는 대역 저지 필터가 완성된다. 본 발명의 실시 예 에서는 8GHz, 4GHz의 두 대역의 주파수를 차단하기 위한 대역 저지 필터를 예로 들어 설명하였으나, 상기와 같은 방법으로 더 많은 대역의 주파수를 차단하기 위한 대역 저지 필터의 구현도 가능하다.

도 3은 상기 본 발명의 실시 예에 따른 대역저지 필터를 시뮬레이션을 통해 검증한 결과 그래프를 도시한 도면이다. 상기 시뮬레이션은 대표적인 고주파 특성 그래프인 S(scattering) 파라미터를 이용한다. 상기 S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미하며, 대부분 dB 스케일로 나타낸다. 예를 들어, S21은 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율, 즉 1번으로 입력된 전력이 2번 포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다. 상기 S 파라미터에서 S21이 0dB란 의미는 출력/입력의 비가 1이라는 것이고, 아무 손실 없이 입력전력이 출력에 깨끗하게 나온다는 의미한다.

상기 도 3을 참조하면, 통과 대역(pass band)에서 S21은 0dB에 가까운 값으로 상승하며, 4GHz와 8GHz와 같은 저지 대역(stop band)에서는 억제되어 매우 낮은 값을 기록한다. S11은 정 반대의 양상으로 통과 대역에서 가장 낮은 값을 보임으로써, 해당 주파수의 입력 전압이 반사되지 않고 최대한 전송된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 이중 격자 구조를 이용한 새로운 구조의 필터를 이용하면 특정 주파수는 깨끗하게 통과시켜 주고, 그 이외의 주파수들은 통과시키지 않는 필터를 손쉽게 구현할 수 있으며, 기존 대역 필터와 동일한 성능을 가지면서도 전 주파수 대역에서 사용 가능하다는 이점이 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명의 목적은 이중 격자 구조를 이용하여 새로운 구조의 필터를 구현함으로써, 인쇄 회로 기판 평면에 회로설계와 동시에 원하는 주파수 대역을 손쉽게 차단할 수 있으며, 저 가격 및 소형의 대역 필터를 양산할 수 있는 이점이 있다. 또한, L, C 소자를 사용하지 않을 뿐 아니라 인쇄 회로 기판상에 L, C 값을 구현하기 위한 복잡한 전송 선로 계산식이 없이도 전 주파수 대역에서 사용할 수 있는 범용성을 가지는 필터를 구현할 수 있는 이점이 있다.

Claims

유전체 기판에 패터닝되는 일정 폭을 갖는 전송 선로상에 적어도 하나의 일정 넓이를 갖는 도전성 패턴이 소정의 간격으로 형성되어 전기적으로 연결되도록 함을 특징으로 하는 이중 격자 구조를 이용한 대역 저지 필터.
제 1항에 있어서,

상기 도전성 패턴 간의 거리는 상기 도전성 패턴의 한 변의 길이와 같도록 이격시켜 형성함을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 1항에 있어서,

상기 도전성 패턴은 상기 전송 선로의 폭보다 적어도 큰 변을 갖는 정사각형 구조임을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 3항에 있어서,

상기 전송 선로는 상기 도전성 패턴의 중앙을 관통하도록 배치함을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 4항에 있어서,

상기 유전체 기판상의 도전성 패턴의 적소에는 상기 도전성 패턴과 다른 주파수 대역의 적어도 하나의 다른 도전성 패턴이 더 형성됨을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 5항에 있어서,

상기 다른 도전성 패턴은 상기 전송 선로상에 형성된 도전성 패턴의 각 모서리에 전기적으로 접속되는 격자 구조임을 특징으로 하는 되도록 형성됨을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 6항에 있어서,

상기 도전성 패턴은 각 변의 길이가 같은 정사각형 형상임을 특징으로 하는 대역 저지 필터.
제 7항에 있어서,

상기 도전성 패턴과 다른 도전성 패턴의 길이는 하기 <수학식 2>에 의해 산출되는 길이로 형성함을 특징으로 하는 대역 저지 필터.

여기서, 상기 g는 유전 상수이고, 상기 ε_r은 기판 유전율이며, 상기 λ는 공기 중의 파장을 나타냄.
전 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유전체 기판상에는 도전성 패턴, 다른 도전성 패턴 및 전송 선로를 제외한 부분에 접지부를 형성시킴을 특징으로 하는 대역 저지 필터.