KR20070109989A - 필터를 튜닝하는 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

필터 디자인, 분석 및 조정에 대한 방법, 시스템 및 장치가 제공된다. 다양한 실시예들은, 예를 들어 전기 단일 필터 튜닝을 위한 방법, 시스템 및 장치를 포함할 수 있다. 또한, 실시예들은 평면 전기 신호(예를 들어, RF 신호) 필터 튜닝에 대한 디자인 기술을 포함할 수 있다. 본 발명의 1 이상의 실시예에서, 단일의 영구적인 필터 튜닝만을 요구할 수 있는 파라미터 추출, 최적화 및 튜닝 레시피 기술들을 포함할 수 있는 필터 튜닝에 대한 기술이 제공된다. 1 이상의 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 필터 디자인, 분석 및 조정의 시스템 및 방법은 기계적 긋기 툴 또는 레이저 트리밍 디바이스를 이용하여 설정될 수 있는 튜닝의 사용을 포함한다. 1 이상의 다른 실시예에서, 필터 튜닝 기술이 제공되고 필터 튜닝을 위해 연결되지 않거나 트리밍될 수 있는 트리밍 탭들을 공진기 에지 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

필터를 튜닝하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR TUNING FILTERS}

본 출원은 2004 년 11 월 30 일에 제출된 미국 가출원 제 60/632,084호를 주장하며, 그 전문은 본 명세서에서 전부 설명하는 바와 같이 인용참조된다.

본 명세서에서 제공된 본 발명은, 전체적으로 또는 부분적으로 Contract No. MDA972-00-C-0010 하에 DARPA/CMD에 의해 발표된 Totally Agile RF Sensor Systems에 의해 지원된다. Defense Advanced Research Projects Agency, Defense Sciences Office, Order No.J607(DARPA/CMD)에 의해 재정된 Contract No. MDA972-00-C-0010의 조건에 의해서 제공된 합당한 조건으로 특허 소유자가 그것을 다른 사람들에게 인가하도록, 미국 정부는 본 발명의 납입 라이센스(paid-up license) 및 제한된 상황들에서의 권리를 갖는다.

본 발명은 필터(filter) 분석 및 디자인의 분야에 관한 것이며, 더 명확하게는 필터를 튜닝(tuning)하는 것에 관한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

지난 수십 년 동안 전자 및 무선 통신은 상당히 진보해 왔다. 저비용으로 더 고도로 밀집(dense)한 집적 회로들의 계속적인 개발 및 진보는, 과다한 모바일 디바이스(mobile device)들, 특히 무선 모바일 디바이스들이 어디에나 존재하는(ubiquitous) 정도로 세계에 널리 퍼지게 될 수 있도록 하였다. 무선 능력을 갖 고 오늘날 세계 도처에서 발견되는 모바일 디바이스들로는, 예를 들어 모바일 전화, 개인 휴대 정보 단말기(personal digital assistant: PDA), 랩톱 컴퓨터(laptop computer), GPS(global position sensor) 디바이스를 포함한다. 이 디바이스들은, 전형적으로 무선 주파수(RF) 및 마이크로파 무선 신호 주파수 범위들에서 작동한다.

RF 및 마이크로파 주파수로 통신하는 전자기기(electronics)는 원하는 신호와 원하지 않는 신호를 생성하고 및/또는 분간(discriminate)하도록 돕는 전기 신호 필터들을 갖는 송신기(transmitter) 및 수신기(receiver)를 필요로 한다. 하지만, 원하는 신호와 원하지 않는 신호를 분간하는 능력을 가질 뿐 아니라 요구되는 무선 통신용 전기 신호 필터를 형성하는 것은 어렵다. 그러므로, 원하는 신호 주파수와 원하지 않는 신호 주파수를 생성하고 및/또는 분간하기에 더 좋도록 만들어지거나 제조된 이후에 전기 신호 필터들이 튜닝된다.

무선 통신용 전기 필터들로는, 예를 들어 캐비티형 필터(cavity type filter) 및 평면형 필터(planar type filter)를 포함한다. 평면 필터와 같은 전자 필터들은 함께 커플링(couple)된 일련의 공진기(resonator)들을 포함할 수 있다. 특히, 무선 디바이스들의 밀도가 높고 RF 또는 마이크로파 신호들이 잘 전파되지 않을 수 있는 영역들에서 무선 통신의 품질을 개선하기 위해 매우 정확한 필터링을 제공하도록 고성능 평면 필터들, 예를 들어 고온 초전도체 필터(high temperature superconductor(HTS) filter)들이 개발되었다. 예를 들어, 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조되는 미국 특허 출원 일련 번호 10/944,339 "Stripline Filter Utilizing One or More Inter-resonator Coupling Members"를 참조한다.

평면 필터들은, 통상적으로 고유전상수 기판(high dielectric constant substrate)들 상에 패터닝되며, 매우 조밀(compact)한 크기로 디자인된다. 반도체 프로세싱(processing)을 위해 개발된 정밀한 리소그래피 기술들을 이용하여, 허용가능한 범위 내에서 훌륭하게 반복가능한 커플링들이 생성될 수 있다. 캐비티 필터와 달리, 평면 필터들은 필터 응답(filter response)이 공진 주파수 변동보다 커플링 변동에 덜 민감하기 때문에, 일반적으로 커플링들의 튜닝을 필요로 하지 않는다. 하지만, 에칭 조건들과 같은 기판 두께 변동 및/또는 공정 변동은 허용할 수 없는 평면 필터들의 공진 주파수 변동 및 이에 따라 필요한 평면 필터들의 튜닝을 야기하기 쉽다.

평면 필터에 대한 몇몇 튜닝 기술들이 사용되었고, 예를 들어 고성능 초전도체 필터들이 개발되었다. 필터 디자인 단계나 제조 단계에서 고-성능을 유지하는 것은 안정적인 튜닝 공정을 필요로 한다. 평면 필터 튜닝에 대한 2 가지 주요 접근법이 있다. 제 1 접근법, 기계적 튜닝이 해당 산업에서 폭넓게 사용된다. 절연 로드(dielectric rod) 또는 전도 팁(conductive tip)과 같은 요소들을 이동시킴으로써 필터들이 기계적으로 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 공진기들에 걸쳐 절연 로드 또는 전도 팁을 위아래로 이동시키기 위해 튜닝 나사(tuning screw)들이 사용될 수 있다. 초전도체 필터들에 대해서는, 튜닝 나사 상에서 사파이어 로드(sapphire rod) 또는 초전도체-코팅된 팁이 사용될 수 있다. 사파이어 로드들은 공진기들에 걸쳐 높은 전자기장 영역에 배치될 수 있으며, 션트 캐패시턴스(shunt capacitance)를 그라운드(ground)로 변화시킴으로써 공진 주파수를 튜닝할 수 있다. 초전도체 팁들은 자기장 및/또는 전기장 튜닝에 대해 사용될 수 있지만, 통상적으로 그것들은 더 효과적으로 튜닝할 수 있기 때문에 전자기장에 적용된다. 상기 팁은 공진기(들) 주위의 전자기장을 변화시키며, 공진기(들)의 인덕턴스(inductance)를 바꾼다. 기계적 튜닝을 제공하는 일 예시적인 방법은 Sochor에 의한 미국 특허 제 5,968,876호에서 설명되며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다.

기계적 튜닝 접근법들의 한가지 장점은 가역성(reversibility)이다. 필터들은 튜닝 요소들 또는 나사들을 위아래로 이동시킴으로써, 시행착오(trial and error) 공정을 통해 튜닝된다. 필요하다면, 튜닝들은 추후에도 여전히 조정될 수 있다. 기계적 튜닝의 한가지 단점은 튜닝 요소들 또는 나사들이 적용되는 경우, 특히 회로에 가까이 배치되는 경우, 다른 공진기들 또는 내부-공진기 커플링들의 공진 주파수들의 영향을 잠재적으로 받을 수 있다는 것이다. 실제로 그것은 흔히 발생한다. 커플링 내의 변동은 결국 필터의 튜닝 범위를 제한한다. 이 효과는 필터 디자인시 그것을 고려함으로써 최소화될 수 있다. 디자이너는 그 영향을 회피하도록 위치들을 튜닝하는 공진기들을 서로 멀리, 그리고 커플링들로부터 멀리 배치할 수 있다. 이 관계 및 접근법은 평면 필터들의 디자인의 자유를 제한한다. 기계적 부분을 가짐으로써 야기될 수 있는 다른 이슈들이 존재한다. 예를 들어, 튜닝 동안과 튜닝 이후에 기계적 요소들 또는 나사들로부터 금속 또는 절연 플레이크(flake)들이 떨어질 수 있다. 이 플레이크들은 필터 Q-인자(factor)에 영향을 줄 수 있으 며, 그것이 회로 상에서 여기저기 자유로이 이동할 수 있기 때문에 튜닝을 변화시킬 수도 있다. 또한, 필터의 성능을 일정하게 유지하도록 튜닝이 완료된 이후에 튜닝 요소들은 그 위치에 고정되거나 묶일(lock) 필요가 있다.

제 2 접근법은 프로세싱에 의해 수행되며, 기계적 부분들을 필요로 하지 않는다. 필터 트레이스(filter trace)의 일부분을 트리밍(trim)하거나 필터 트레이스에 걸쳐 얇은 절연층을 증착(deposit)시키는 레이저와 같은 두 가지(couple) 방법들이 기록되었다. 일 예시적인 레이저 트리밍 기술은 Parker, Ellis 및 Humphreys에 의한 논문인 Tuning Superconducting Microwave Filters By Laser Trimming by Goodyear, IEEE MTT-S Digest(2002 년)에 나타내어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다. 일 예시적인 절연 증착 기술은 Tsuzuki, Suzuki 및 Sakakibara에 의한 논문인 Superconducting Filter for IMT-2000 Band, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 제 48 권, 제 12 호(2000 년 12 월)에서 설명되며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다. 이 접근법들은 영구적인 튜닝 변화들을 유도할 것이며, 일단 그것들이 설정되면 변화하지 않아야 한다. 따라서, 상기 필터들을 재튜닝(retune)하거나 재조정할 가능성이 전혀 없다. 그러므로, 튜닝이 매우 신중하게 수행되어서 필터가 영구적으로 쓸모없게 되지(ruin) 않아야 한다.

일반적으로, 제 1 접근법이 주로 사용되지만 제 1 접근법보다 제 2 접근법이 더 바람직하다. 하지만, 제 2 접근법을 실현하기 위해 해결되어야 하는 2 가지 주요 이슈들이 존재한다. 첫째로, 재생가능(reproducible)한 튜닝 공정이 개발되어야 한다. 둘째로, 튜닝 레시피(tuning recipe)를 제공하는 견실(robust)한 방법이 요구된다. 튜닝은 일반적으로 가역성이 아니기 때문에, 둘 모두 매우 정확해야 한다. 그것은 흔히 필터들을 정확하게 튜닝하기 위해 트리밍 정확성(trimming accuracy)에 민감하지 않은 필터 디자인이 제공될 수 있는 경우에 유리할 것이다. 본 발명은 이 요건들을 충족하는 필터 튜닝 및 디자인에 대한 다수의 접근법을 제공한다.

본 발명은 필터 디자인, 분석 및/또는 조정을 위한 방법, 시스템 및 장치를 제공하도록 지향된다. 더 명확하게, 실시예들은 전자 필터 디자인 및 튜닝에 관한 시스템, 방법 및 장치를 포함할 수 있다.

이러한 실시예들은, 예를 들어 개선된 필터 튜닝을 유도할 복수의 단계를 포함할 수 있다. 필터는 다양한 초기 또는 사전-튜닝(pre-tuning) 성능 특성을 결정하기 위해 예상 작동 온도(expected operating temperature)로 작동될 수 있다. 그 후, 예를 들어 네트워크 애널라이저(network analyzer) 및 컴퓨터에 의해 파라미터 추출(parameter extraction)이 수행될 수 있다. 예를 들어, 필터와 연계된 다양한 파라미터를 결정하기 위해 측정된 S-파라미터 응답(예를 들어, 반사 손실(return loss))이 사용될 수 있다. 그 다음, 예를 들어 컴퓨터에 의해 필터 응답이 최적화될 수 있다. 다양한 실시예에서, (예를 들어, 필터의 공진기들 간의) 커플링들은 일정하게 유지될 수 있으며, 필터의 S-파라미터 응답이 최적화되도록 주파수가 조정될 수 있다. 그 후, 추출된 필터 특성과 최적화된 필터 특성 간의 차이가 결정되고 튜닝 레시피를 제공하는데 사용될 수 있다. 그 후, 필터는 튜닝법에 따라 튜닝될 수 있다. 다양한 실시예에서, 이 튜닝은 필터의 일부분, 필터의 일부분에 커플링된 튜닝 포크(tuning fork) 및/또는 필터의 일부분에 커플링된 트리밍 탭(trimming tab)을 절단(cut)하거나 트리밍함으로써 수행될 수 있다. 일단 필터가 튜닝되었으면, 그것은 체크(check)될 수 있다. 예를 들어, 필터는 다시 그 작동 온도로 작동되고 필터의 새로운 성능 특성을 결정하도록 측정될 수 있다. 튜닝된 새로운 성능 특성이 허용가능한 경우, 필터는 작동을 위해 패키징(package)될 수 있다. 새로운 성능 특성이 허용가능하지 않은 경우, 필터는 다시 튜닝되거나 폐기(scrap)될 수 있다. 하지만, 본 발명은 대부분의 필터들이 제 1 튜닝으로 적절히 튜닝될 수 있게 한다는 것을 유의하여야 한다.

1 이상의 실시예에서, 파라미터 추출 방법은 필터의 "턴온(turn on)" 상태를 진단(diagnose)하는데 사용될 수 있다. 다수(multi)-공진기 필터의 다양한 공진기들의 크로스 커플링(cross coupling)(들)은 추출 동안 상수(constant)들로서 취급될 수 있다. 다양한 실시예에서, 더 정확한 결과를 얻기 위해 주 커플링들과 함께 두드러진 기생 커플링(parasitic coupling)들만이 이용될 수 있다. 또한, 기생 커플링(들) 및/또는 "더티 윈도우(dirty window)"의 존재에 의해 야기되는 국부적인 최소 솔루션(solution)들(예를 들어, 필터 성능을 측정하는데 사용된 장치(instrumentation)에 필터를 연결하도록 요구되는 커넥터, 본딩(bonding), 전송 라인, 케이블 등)을 회피하기 위해서 다수 데이터 세트들이 이용될 수 있다. 그 후, 파라미터 추출로부터의 진단 정보에 기초하여 필터 응답의 최적화가 수행될 수 있다. 예를 들어, 반사 손실은 추출된 커플링들을 이용함으로써 약간 더 좁은 대역폭(bandwidth)을 허용하지만, 공진기들만을 변화시켜 최적화될 수 있다. 또한, 반사 손실이 약간 떨어지게 허용함으로써 거절 응답(rejection response)이 최적화될 수도 있다.

1 이상의 실시예에서, 본 발명은 고-성능 평면 필터에 대한 디자인 기술 및 필터 디자인을 포함할 수 있다. 상기 기술은, 예를 들어 손 긋기(hand scribing) 및 그어져야 하는 것을 결정하는 파라미터 추출 기반 기술에 의한 필터 튜닝을 가능하게 하는 1 이상의 튜닝 요소들을 제공한다. 다수-공진기 평면 필터에서는, 각각의 공진기가 션트 캐패시턴스를 그라운드까지 제공하는 튜닝 요소, 예를 들어 튜닝 포크를 가질 수 있다. 튜닝 포크는 직렬 캐패시터(series capacitor)에 의해 공진기에 커플링되거나, 공진기에 직접 연결될 수 있다. 하지만, 튜닝 포크(들)가 공진기에 직접 연결되는 경우에 긋기의 오차에 대한 감도(sensitivity)가 감소된다. 직렬 캐패시터는 튜닝 포크가 공진기에 직접 연결되었던 경우에 알았던 것의 약 10 %에 대한 튜닝 감도를 감소시키도록 디자인될 수 있다. 이 감소된 감도는, 예를 들어 다이아몬드 긋기 펜(diamond scribe pen)과 같은 기계 디바이스로 손수 튜닝할 수 있게 한다. 현미경으로 다이아몬드 긋기 펜을 이용하여 손 긋기가 수행될 수 있다. 또한, 레이저 긋기 툴과 같은 튜닝 포크를 긋는 대체 수단이 채택될 수도 있다. 여하한 경우, 공진기는 튜닝 포크 또는 션트 캐패시터의 물리적으로 연결되지 않은 (예를 들어, 긋기) 부분에 의해 튜닝될 수 있다. 정확성 및 튜닝의 용이함을 위해, 튜닝 포크는 스케일(scale) 및/또는 넘버링(numbering)을 포함할 수도 있다. 또한, 개략(course) 및 미세(fine) 튜닝을 위해 상이한 캐패시턴스 튜닝 포크들이 제공될 수 있다. 파라미터 추출 기반 기술은 필터 커플링 및 공진 주파수들을 진단하고, 튜닝 포크들을 긋는 레시피를 제공하는데 사용될 수 있다. 이처럼, 어떠한 고가의 툴도 필요로 하지 않고 매우 정확한 튜닝을 실현하는 필터 디자인이 제공된다. 하지만, 일 변형예에서 튜닝 포크 또는 션트 캐패시터의 물리적으로 연결되지 않은 부분에 대해 레이저 트리밍 기계가 사용될 수 있다.

1 이상의 다른 실시예에서, 본 발명은 평면 튜닝 요소를 포함한 평면 필터를 튜닝하는 절차를 포함할 수 있다. 평면 튜닝 요소를 포함한 평면 필터가 제공될 수 있다. 튜닝이 요구되는 경우를 결정하기 위해 다양한 필터 특성, 예를 들어 주파수 및 반사 손실이 분석될 수 있다. 튜닝이 요구되는 경우, 평면 필터를 올바르게 튜닝하는 방식을 결정하기 위해 계산들이 수행된다. 예를 들어, 필터 응답 최적화가 수행될 수 있으며, 튜닝 레시피가 개발될 수 있다. 그 후, 필터의 전체 또는 일부분이 올바르게 튜닝되도록 1 이상의 튜닝 요소들이 조정될 수 있다.

1 이상의 다른 실시예에서, 본 발명은 예를 들어 필터 튜닝을 위해 트리밍될 수 있는(즉, 회로로부터 연결되지 않을 수 있는) 공진기 에지 상에 1 이상의 트리밍 탭을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 트리밍 탭들은 상이한 알려진 양(amount)들에 의해 필터의 공진 주파수를 시프트하는 불연속 값들을 가질 수 있으며, 상기 양들은 이진 수열(binary progression)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 필터는 800 kHz, 400 kHz, 200 kHz 및 100 kHz와 같은 이진 수열로 공진 주파수를 시프트할 수 있는 4 개의 트리밍 탭을 각각의 공진기 상에 가질 수 있다. 개략 및/또는 미세 튜닝을 위해 1500 kHz 탭 및/또는 추가 100 kHz 탭과 같은 추가 탭들이 제공될 수 있다. 필터는 그 특성을 결정하기 위해 (예를 들어, 작동 온도로) 테스트될 수 있으며, 파라미터 추출이 수행될 수 있다. 그 후, 예를 들어 필터 내의 각각의 공진기에 대한 주파수 시프트를 결정하기 위해 파라미터 최적화가 수행될 수 있다. 이 정보로부터, 트리밍 탭들 중 어느 것이 적절히 튜닝된 필터를 생성하도록 공진기(들) 에지(들)로부터 연결되지 않거나 트리밍되어야 하는지를 나타내는 튜닝 레시피가 발생될 수 있다. 트리밍 탭들은 레이저 또는 기계적 긋기 장치를 이용하여 공진기(들)로부터 분리(sever)될 수 있다.

본 명세서에서 제공된 방법, 시스템 및 장치는, 특히 RF 및 마이크로파 적용들에서 사용될 수 있는 평면 필터들을 튜닝하기에 적절할 수 있다. 다양한 실시예에서, 평면 필터들은 고온 초전도체 재료(HTS)로 이루어진다.

본 발명의 파라미터 추출 및 최적화 기술은 트리밍 탭 공진기 및 튜닝 포크 공진기 필터 디자인들과 같은 본 개발에서 사용된 필터 디자인들로 제한되지 않는다. 또한, 이 기술들은 절연 튜닝 필터 및 HTS 팁 튜닝 필터와 같은 기계적 튜닝에 적용가능하다. 하지만, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 그것들은 트리밍 탭 공진기 및 튜닝 포크 공진기 필터 디자인들에 대해 특히 효과적이다.

본 명세서에서 제공된 프로세싱 접근법들의 몇몇 장점들은, (1) 필터들이 튜닝에 필요한 기계적 부분들이 없기 때문에 더 간단한 구조체 및 더 낮은 비용을 갖고, (2) 튜닝이 영구적이기 때문에 필터들을 더 신뢰할 수 있으며, (3) 평면 필터의 디자인 레이아웃시 고려될 필요가 있는 기계적 튜닝 요소 또는 나사의 결핍으로 인해 필터들의 디자인 레이아웃이 더 자유롭다는 것이다.

당업자라면, 다음의 기재내용 및 그에 첨부된 도면들의 연구에 기초하여 다양한 실시예들에 대해 포함된 또 다른 실시형태들을 명백히 알 수 있다.

동일한 번호의 요소들이 일치하는 첨부된 도면들과 함께 본 발명의 실시예들의 다음 상세한 설명을 고려하여, 본 발명의 유용성, 목적, 특징 및 장점을 쉽게 이해하고 알 것이다:

도 1은 1 이상의 실시예에 따른 필터를 튜닝하는 방법의 흐름도;

도 2는 일 실시예에 따른 필터 튜닝에 대한 시스템을 예시한 블록도;

도 3은 일 실시예에 따른 필터 및 튜닝 요소의 회로도;

도 4는 1 이상의 실시예에 따른 튜닝 요소들을 갖는 평면 필터 디바이스의 측면도;

도 5는 1 이상의 실시예에 따른 튜닝 요소들을 갖는 평면 필터의 평면도 레이아웃;

도 6은 1 이상의 실시예에 따른 도 5에 나타낸 튜닝 포크들 중 하나에 대한 튜닝 범위 및 감도의 그래프;

도 7은 1 이상의 실시예에 따른 도 5에 나타낸 두 튜닝 포크들에 대한 튜닝 범위의 그래프;

도 8은 1 이상의 실시예에 따른 필터를 튜닝하는 방법의 흐름도;

도 9는 1 이상의 실시예에 따른 튜닝 포크 튜닝 요소를 갖는 다수-공진기 평면 필터 디바이스의 평면도 레이아웃;

도 10은 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 튜닝 이전의 초기 측정 데이터의 그래프;

도 11은 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 추출 커플링 매트릭스(extracted coupling matrix);

도 12는 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터 내의 각각의 공진기에 대한 추출 및 최적화 주파수의 그래프;

도 13은 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 초기 측정 및 최적화 반사 손실의 그래프;

도 14는 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 공진기들(1 내지 10)을 튜닝하는 레시피의 테이블;

도 15는 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 공진기들(7, 8 및 9)의 튜닝 포크들 상의 실제 그어진 라인들 및 레시피 테이블의 관련부를 나타낸 다이어그램;

도 16은 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터에 대한 튜닝 및 최적화 반사 손실의 그래프;

도 17은 1 이상의 실시예에 따른 도 9에 나타낸 필터의 튜닝 이후의 측정 데이터의 그래프;

도 18은 1 이상의 실시예에 따른 트리밍 탭 튜닝 요소들을 갖는 다수-공진기 평면 필터 디바이스의 평면도 레이아웃;

도 19는 1 이상의 실시예에 따른 트리밍 탭 튜닝 요소들을 더 잘 나타내도록 확대된 도 18에 나타낸 다수-공진기 평면 필터 디바이스의 평면도 레이아웃의 일부분을 나타내는 도면;

도 20은 1 이상의 실시예에 따른 전형적인 비-이상(non-ideal) 필터 테스트 환경에 대한 물리적 레이아웃의 다이어그램;

도 21은 1 이상의 실시예에 따른 도 20의 레이아웃에 대한 등가 회로의 블록도; 및

도 22는 1 이상의 실시예에 따른 비-이상 필터 환경에 대한 단순화한 또 다른 등가 회로에 대한 블록도이다.

본 발명은 일반적으로 필터 디자인, 분석 및 조정으로 지향된다. 다양한 실시예들이, 예를 들어 전기 필터 튜닝을 위한 방법, 시스템 및 장치를 포함할 수 있다. 또한, 실시예들은 평면 전기 필터 튜닝을 위한 디자인 기술들을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법, 시스템 및 장치는, 특히 RF 및 마이크로파 적용들에 사용될 수 있는 평면 필터들을 튜닝하는데 적절할 수 있다. 다양한 실시예에서, 평면 필터들은 예를 들어 YBa₂Cu₃O_{7 -δ}(YBCO)와 같은 고온 초전도체(HTS) 재료들로 이루어진다. 또한, 본 발명의 실시예들은 파라미터 추출, 최적화 및 튜닝 레시피 기술들을 포함할 수 있다. 이 기술들은 트리밍 탭 공진기 및 튜닝 포크 공진기 필터 디자인들과 같은 본 명세서에서 사용된 필터 디자인들을 갖는 적용예들로 제한되지 않는다. 또한, 이 기술들은 절연 튜닝 필터 및 HTS 팁 튜닝 필터와 같은 기계적 튜닝에 적용 가능할 수도 있다. 하지만, 본 명세서에서 설명된 기술들은 특히 트리밍 탭 공진기 및 튜닝 포크 공진기 필터 디자인들에 대해 효과적이다.

본 발명의 1 이상의 실시예에서, 단일의 영구적인 필터 튜닝만을 요구할 수 있는 파라미터 추출, 최적화 및 튜닝 레시피 기술들을 포함할 수 있는 필터 튜닝을 위한 기술이 제공된다. 1 이상의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 필터 디자인, 분석 및 조정의 시스템 및 방법은 기계적 긋기 툴 또는 레이저 트리밍 디바이스를 이용하여 설정될 수 있는 튜닝의 사용을 포함한다. 1 이상의 다른 실시예에서, 필터 튜닝 기술이 제공되고 필터 튜닝을 위해 연결되지 않거나 트리밍될 수 있는 트리밍 탭들을 공진기 에지 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 필터를 튜닝하는 방법이 제공된다. 이 실시예는 개선된 필터 튜닝을 유도할 복수의 단계(110 내지 140)를 포함할 수 있다. 110에서, 필터는 다양한 초기 또는 사전-튜닝 성능 특성을 결정하기 위해 예상 작동 온도로 작동될 수 있다. 예를 들어, HTS 필터는 77 도(K)로 작동될 수 있으며, 측정들이 수행될 수 있다. 그 후 115에서, 예를 들어 (도 2에서 아이템(235)으로 나타낸) 네트워크 애널라이저에 의해 파라미터 추출이 수행될 수 있다. 예를 들어, 필터와 연계된 다양한 파라미터들을 결정하기 위해 측정된 S-파라미터 응답(예를 들어, 반사 손실)이 사용될 수 있다. 그 다음 120에서, 예를 들어 (도 2에서 아이템(205)으로 나타낸) 컴퓨터에 의해 필터 응답이 최적화될 수 있다. 다양한 실시예에서, (예를 들어, 필터의 공진기들 간의) 커플링들이 일정하게 유지될 수 있으며, 필터의 S-파라미터 응답을 최적화하도록 주파수가 조정될 수 있다. 그 후 125에서, 추출된 필터 특성과 최적화된 필터 특성 간의 차이가 결정되고 튜닝 레시피를 제공하는데 사용될 수 있다. 그 후 130에서, 튜닝 레시피에 따라 필터가 튜닝될 수 있다. 다양한 실시예에서, 이 튜닝은 예를 들어 필터의 일부분, 필터의 일부분에 커플링된 튜닝 포크 및/또는 필터의 일부분에 커플링된 트리밍 탭을 절단하거나 트리밍함으로써 수행될 수 있다. 일단 필터가 튜닝되었으면, 그것은 체크될 수 있다. 예를 들어, 135에서 필터는 다시 그 작동 온도로 작동되고 필터의 새로운 성능 특성을 결정하도록 측정될 수 있다. 주파수 응답 및/또는 S-파라미터 응답과 같은 튜닝된 새로운 성능 특성이 허용가능한 경우, 필터는 작동을 위해 패키징될 수 있다. 본 명세서에 제공된 방법은, 흔히 상기 언급된 튜닝 절차의 단일 반복 이후에 허용가능한 필터 성능을 유도할 것이며, 145에서 튜닝의 방법을 종료할 것이다. 하지만, 140에서 새로운 성능 특성이 허용가능하지 않은 경우, 필터는 다시 튜닝되거나 폐기될 수 있다. 본 명세서에 제공된 파라미터 추출, 필터 성능 최적화 및 튜닝 레시피 절차의 사용은 대부분의 필터들이 제 1 튜닝으로 적절히 튜닝될 수 있게 한다는 것을 유의하여야 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 튜닝을 위한 시스템을 예시한 블록도가 제공된다. 이 예시에서, 컴퓨터(205)는 네트워크 애널라이저(235)에 커플링되고, 네트워크 애널라이저(235)는 테스트되고 튜닝될 필터에 커플링될 수 있다. 필터(240)는 RF 케이블을 이용하여 네트워크 애널라이저(235)에 커플링될 수 있다. 컴퓨터(205)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 필터 튜닝에 필요한 분석 및 산정 수치(computation)를 수행할 수 있는 여하한의 다른 형태의 컴퓨터일 수 있다. 컴 퓨터(205)는 제어기 및 프로세서(210) 및 메모리(215)를 포함할 수 있다. 메모리는 파라미터 추출(220), 필터 응답 최적화(225) 및 튜닝 레시피(230) 정보를 포함할 수 있다. 작동시, 네트워크 애널라이저(235)는 파라미터 추출을 수행할 수 있으며, 파라미터 추출 정보(220)가 메모리(215)에 저장될 수 있다. 그 후, 컴퓨터(205) 제어기 및 프로세서(210)가 메모리(215)에 저장되는 필터 응답 최적화 정보(225)를 생성하는 프로그램을 사용할 수 있다. 그 다음, 제어기 및 프로세서(210)는 오퍼레이터(operator) 또는 자동화 튜닝 시스템이 원하는 성능 특성으로 필터(240)를 튜닝하도록 도울 수 있는 튜닝 레시피 정보(230)를 생성하는 프로그램을 사용할 수 있다. 다양한 실시예에서, 필터(240)는 디바이스 작동 온도로 설정될 수 있다. 예를 들어, HTS 필터의 온도를 예를 들어 77 K의 작동 온도로 감소시키기 위해 필터가 배치되는 곳에 크라이오스태트(cryostat)(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 예시적인 필터 및 튜닝 요소의 등가 회로에 대한 회로 다이어그램이 제공된다. 이 예시에서, 필터 공진기는 캐패시터 C₀(305) 및 인덕터 L(310)로서 간단히 모델링될 수 있다. 튜닝 요소는 가변 션트 캐패시터 C_s(320)로서 모델링되고 갭 캐패시터 C_g에 의해 공진기(305 및 310)에 커플링된다. 하지만, 일 변형예에서 가변 션트 캐패시터 C_s(320)인 튜닝 요소는 공진기(305 및 310)에 직접 연결될 수 있다. 공진기는 그라운드에 대한 션트 캐패시터 C_s(320)를 변화시킴으로써 튜닝될 수 있다.

도 4를 참조하면, 1 이상의 실시예에 따라 튜닝 요소를 갖는 평면 필터의 측 면도가 제공된다. 이 예시에서, 절연 기판 또는 재료(410) 및 그라운드면(ground plane: 415)을 포함할 수 있는 기판 상에 1 이상의 공진기 및 튜닝 디바이스(420)를 형성함으로써 필터 구조체(405)가 형성될 수 있다. 전형적으로, 공진기 및 튜닝 디바이스(420) 및 그라운드면(415)은 금 또는 구리와 같은 전도 재료로부터 구성된다. 마이크로파 필터 구조체의 경우, 공진기 및 튜닝 디바이스(420) 및 그라운드면(415)은 YBa₂Cu₃O_{7 -δ}(YBCO)와 같은 고온 초전도체(HTS) 재료로부터 구성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 1 이상의 실시예에 따라 튜닝 요소들을 갖는 평면 필터 디바이스의 평면도 레이아웃이 제공된다. 도 5는 도 3의 회로 다이어그램을 이용하여 나타낼 수 있는 SISO(spiral-in and spiral-out) 형상 반-파장 구조체로 형성된 예시적인 공진기(505)를 나타낸다. 완전한 필터는 다수의 공진기(505), 예를 들어 8 개 또는 10 개의 공진기(505)들을 직렬로 포함할 수 있다. SISO 트레이스(505)는 도 4에 나타낸 공진기 및 튜닝 디바이스(420)에 대해 설명된 바와 같이 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 디바이스들의 몇몇 세부내용들은 Gregory L. Hey-Shipton에 의한 논문, "Efficient Computer Design Of Compact Planar Band-pass Filters Using Electrically Short Multiple Coupled Lines"(1999 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1999 년 6 월)에서 알 수 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다. 본 발명은 SISO 및 SISO와 같은 공진기들만으로 제한되는 것으로서 구성되지 않아도 되며, High Temperature Superconducting Structures and Methods for High Q, Reduced Intermodulation Structures라는 명칭의 US 특허 제 6,895,262호, Resonator and Filter Comprising the Same이라는 명칭의 US 특허 출원 일련 번호 10/480,743, Narrow-Band Filters with Zig-Zag Hairpin Resonator라는 명칭의 US 특허 출원 일련 번호 10/391,667 및 논문 Highly-Selective Electronically-Tunable Cryogenic Filters Using Monolithic, Discretely-Switchable MEMS Capacitor Arrays(E.M.Prophet, J.Musolf, B.F.Zuck, S.Jimenez, K.E.Kihlstrom 및 B.A.Willemsen, IEEE Transactions on Applied, Superconductivity, 15, 956-959(2005 년))에서 설명된 바와 같은 광범위한 공진기 타입들에 폭넓게 적용가능하며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 모두 인용참조된다. 이 예시에서 디바이스(500)는 "튜닝 포크 공진기(Tuning Fork Resonator)" 디자인으로 명명될 수 있으며, 예를 들어 손 긋기 또는 레이저 긋기를 이용하여 튜닝될 수 있다. 금속 재료로 구성된 1 이상의 "튜닝 포크" 튜닝 요소(들)(520 및 525)는 공진기의 일 단부에서 구조체(515)를 통해 직렬의 교차 연결된(inter-digitated) 캐패시터 C_g(315)를 통해 공진기(505)에 연결될 수 있다. 본 명세서에는 2 개의 튜닝 포크 요소(520 및 525)가 나타나지만, 요구되는 튜닝 범위 및 튜닝 분해능(tuning resolution)에 따라 1 이상의 튜닝 포크가 사용될 수도 있다. 튜닝 포크 요소(들)(520 및 525)는 공진기(505)로부터 전기적으로 유동적(floating)일 수 있다. 또한, 튜닝 포크 요소(들)(520 및 525)는 긋기의 용이함을 제공하도록 스케일(530 및 535)을 각각 포함할 수 있다. 스케일은 (아래에서 더 상세히 설명되는) 튜닝 레시피에 관련될 수 있다. 공진기(505)의 다른 단부에서, 교차연결된 커플링을 가능하게 하는 구조체(510)가 포함될 수도 있다는 것을 유의한다. 아래에서 더 상세히 설명될 수 있는 바와 같이, 구조체(510)는 평면 필터 내에 포함된 2 이상의 공진기(505)를 함께 커플링하는데 사용될 수 있다.

공진기(505)의 주파수 튜닝은 1 이상의 유동적인 튜닝 포크(들), 예를 들어 튜닝 포크(530)의 부분들을 그음(scribing away)으로써 구현될 수 있다. 이는 도 3의 등가 회로에서 나타낸 (315와 320 사이의) 유동적인 부분의 션트 캐패시턴스 C_s(320)를 감소시키는 효과를 갖는다. 이 경우, 공진기의 전체 캐패시턴스는 다음과 같이 설명될 수 있다:

원 주파수(original frequency: f ₀ )는 튜닝 포크 구조체를 포함함으로써 f로 변화될 수 있다.

주파수 시프트의 감도는 C_s에 의한 Δf의 미분에 의해 구해질 수 있다:

다음의 감도 인자는 상기 포크가 공진기에 직접 연결되고 공진기의 일부분이 여하한의 디커플링(decoupling) 구조체 없이 그어지는 경우에 대한 감도 비율을 나 타낸다.

도 6은 도 5에 나타낸 예시, 튜닝 포크 요소(520)에 대해 계산된 그어진 길이(scribed length: L)에 대한 주파수 시프트 및 감도 인자를 나타낸다. 컴퓨터 프로그램, 예를 들어 Agilent Technology에 의해 제공된 Momentum을 이용하여 계산이 수행될 수 있다. 곡선(610)에 의해 나타낸 바와 같이, 이 예시적인 특정한 튜닝 포크 요소(520)는 상기 포크가 약 2 mm에서 그어지는 경우 최대 델타(delta)로서 약 1 MHz까지 튜닝될 수 있도록 디자인될 수 있으며, 이는 거의 튜닝 포크의 전체 길이이다. 곡선(605)에 의해 나타낸 바와 같이, 감도 인자는 도 6에 나타낸 범위에 걸쳐 약 0.05에서 0.3까지 변한다. 따라서, 곡선(610)에 의해 나타낸 바와 같이, 이 예시에서 감도는 대략 L=0에서 12 kHz/50 ㎛이고 L=2.0 mm에서 46 kHz/50 ㎛이다. 또 다른 실시예인 경우 튜닝 포크(520)는 공진기(505)에 직접 연결되며, 튜닝 포크(520)가 2.0 mm에서 그어지는 경우 주파수 시프트(610) 양은 약 9.2 MHz일 수 있다. 이는 튜닝 포크(525)에 대한 미세 튜닝 튜닝 포크(520)로서 정의될 수 있다. 또한, 튜닝 포크(520)가 공진기(505)에 직접 연결되는 경우 곡선(610)으로부터 얻어진 감도는 약 230 kHz/50 ㎛이고, 그것은 도면에 나타낸 바와 같이 튜닝 포크가 디커플링되는 예시와 달리 범위(직선)에 걸쳐 일정할 것이다. 튜닝 포크(들)(520 및 525)에 대한 용량성 커플링의 사용은 감소된 감도를 위해 제공되며, 공진기(들)(505)를 튜닝하는 덜 정확한 기계적 긋기 기술들의 사용을 용이하게 할 수 있 다. 예를 들어, 이 경우 기계적 긋기 디바이스를 이용한 손 긋기를 이용하여 디자인이 튜닝될 수 있다. 도 6에 나타낸 튜닝 범위에서 최대 감도 인자(H)는, 튜닝 요소(520)가 공진기(505)에 직접 연결되는 실시예의 30 % 이하일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 현미경으로 다이아몬드 긋기 펜을 이용하여 50(+/-25) ㎛ 정밀성이 성취될 수 있다. 이 경우, 디바이스를 튜닝하는데 미숙한 사람이라도, 단일 튜닝 포크(520)가 튜닝되고 1 MHz 범위에 걸쳐 약 50 kHz 정밀성 내의 공진기(505)의 튜닝을 유도하는 것이 실현가능할 수 있다. 감도 및 튜닝 범위는 공진기(505)와 튜닝 요소(들)(520 및 525) 사이의 직렬 캐패시턴스 C_g(315)를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 직렬 캐패시턴스 C_g(315)를 감소시킴으로써 튜닝이 덜 민감하게 되지만, 튜닝 범위의 동일한 양을 유지하도록 그라운드에 대한 더 많은 션트 캐패시턴스 C_s(320)를 필요로 할 수도 있으며, 이는 더 긴 튜닝 포크를 유도할 수 있다. 여하한의 경우, 튜닝 포크의 요구되는 튜닝 범위, 허용가능한 감도 및 실현가능한 물리적 크기에 대해 다양한 디자인 파라미터들이 결정되어야 한다.

도 7은 1 이상의 실시예에 따라 도 5에 나타낸 두 튜닝 포크(520 및 525)에 대한 튜닝 범위 및 주파수 시프트의 그래프이다. 이 그래프에서는, 추가 표면적 및 션트 용량성 커플링으로 인해 더 개략적(course)인 튜닝 포크(525)에 대한 곡선(710)을 수용하기 위해, 스케일이 더 크다. 제 2 튜닝 포크(525)는 약 2.5 MHz의 튜닝을 제공할 수 있다. 전체 튜닝 범위를 3.5 MHz로 확장하기 위해, 2.5 MHz의 튜닝 포크(525)의 튜닝 수용력(capability)이 1 MHz의 제 1 튜닝 포크(520) 수용력에 추가될 수 있다. 하지만, 제 2 튜닝 포크(525)의 감도는 그것의 더 넓은 튜닝 범위 때문에 제 1 튜닝 포크(520)의 감도처럼 좋지 않다. 일 변형예에서, 2.0 MHz의 튜닝이 대부분의 공진기(505)를 튜닝하기에 충분하였던 경우, 2 개의 동일한 크기와 형태의 튜닝 포크를 사용하고 튜닝 감도를 보존할 수 있었다. 상기 명시되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 손 긋기를 더 용이하게 하도록 스케일(530 및 535) 및 (아래에 나타낸) 숫자들이 포크들을 따라 표시될 수 있다.

도 8은 1 이상의 실시예에 따른 필터를 튜닝하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 810에서, 튜닝을 위한 평면 필터가 제공될 수 있다. 이 평면 필터는 당업자에게 잘 알려져 있는 프로세싱 및 디자인 기술들 및 본 명세서에서 설명된 기술들에 따라 제조될 수 있다. 평면 필터는 1 이상의 공진기(예를 들어, 공진기(505))를 포함할 수 있다. 815에서, 평면 튜닝 요소(예를 들어, 튜닝 포크(520 및/또는 525))가 제공되고, 필터의 튜닝을 가능하게 하도록 필터에 커플링되거나 연결될 수 있다. 820에서, 필터 조립체(filter assembly)가 분석될 수 있으며, 필터가 원하는 필터 성능으로 튜닝될 필요가 있는지를 결정하기 위해 다양한 필터 특성이 측정될 수 있다. 이 측정들은 네트워크 애널라이저 또는 다른 측정 디바이스에 의해 제공될 수 있다. 필터 성능 파라미터들이 추출될 수 있다. 원하는 필터 성능 특성은, 예를 들어 컴퓨터로 프로그램되거나 이를 이용하여 도출될 수 있다. 이는 필터 응답 최적화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 825에서, 필터 튜닝이 요구되는지를 결정하기 위해 사전결정된 원하는 필터 성능 특성이 측정된 필터 특성과 비교될 수 있다. 필터 튜닝이 요구되는 경우에는, 830에서 평면 필터를 올바르게 튜닝하는 방 식이 계산된다. 이 경우, 필터 튜닝 레시피가 생성될 수 있다. 835에서, 예를 들어 그음(scribing)으로써 많은 평면 튜닝 요소들 중 하나가 조정되어, 필터의 1 이상의 부분 또는 공진기가 올바르게 튜닝될 수 있다. 일단 튜닝되면, 단계들(820 및 825)에서 여하한의 다른 튜닝이 요구되는지를 결정하도록 필터 성능이 다시 분석될 수 있다. 대안적으로, 필터는 성능을 확인하지 않고 사용을 위해 패키징될 수 있다.

도 9를 참조하면, 1 이상의 실시예에 따라 공진기마다 2 개의 튜닝 포크 튜닝 요소를 갖는 다수-공진기 평면 필터 디바이스를 포함한 일 예시적인 필터 디자인의 평면도 레이아웃이 제공된다. 일 예시적인 필터 디자인 예시로서, 800 MHz 셀룰러(cellular) B-대역 필터(900)가 평면도로 도시된다. 필터 레이아웃은, 예를 들어 10-폴(pole) AMPS-B 필터(900)이다. 이러한 것으로서, 10 개의 공진기(901 내지 910)가 직렬로 제공될 수 있으며 함께 크로스-커플링된다. 필터 칩 치수는 2 개의 필터가 예를 들어 2-인치 MgO 웨이퍼 상에 제작될 수 있도록, 예를 들어 34 mm X 18 mm일 수 있다. 디자인 통과 대역(pass band)은 22 dB의 반사 손실과 함께 834.8 MHz로부터 849.7 MHz까지 되도록 디자인될 수 있다. 물론, 필터(900)는 원하는 다른 통과 대역 및 반사 손실에 대해 디자인될 수 있으며, 또는 밴드 갭 필터(band gap filter)나 본 발명의 분야에서 전형적인 여하한의 다른 형태의 필터로 디자인될 수 있다. 이 예시에서, 필터(900)는 각각의 배제 측면(rejection side)에서 3 개의 전송 제로들을 생성할 수 있는 3 개의 쿼드러플릿 크로스 커플링(quadruplet cross coupling)(915, 916 및 917)들을 포함할 수 있다. 그 값들은 3 개의 바운스 백 피크 레벨(bounce back peak level)이 70 dB에서 발생할 수 있도록 디자인될 수 있다. 크로스 커플링(915, 916 및 917)들은 추가 전송 라인들에 의해 공진기 어레이의 일 측면(예를 들어, 최상부 측면)에 구현될 수 있으며, 커플링 요소들(510)을 통해 공진기들(901 내지 910)에 용량성으로 커플링될 수 있다. 튜닝 포크들(921A 내지 930B)은 공진기 어레이(901 내지 910)의 다른 측면에 매달려 있을 수 있다. 일 예시에서 2 개의 튜닝 포크가 각각의 공진기에 커플링되지만, 당업자라면 하나의 튜닝 포크 또는 2 이상의 튜닝 포크가 각각의 공진기에 부착될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 예시에서, 상이한 튜닝 범위를 가질 수 있는 2 개의 튜닝 포크(예를 들어, 921A 및 921B)는 각각의 공진기의 저부에 매달려서 각각의 공진기에 커플링된다. 공진기(505)에 대해 상기 설명된 바와 같이, 숫자 및 스케일이 제공될 수 있으며, 튜닝 포크들은 손 긋기를 더 쉽게 허용한다. 숫자 1 내지 9 및 X(즉, 10)는 긋기 튜닝시 특정한 공진기의 위치를 더 쉽게 식별하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 튜닝 포크들(921A 내지 930B)의 측면을 따른 스케일은 적절한 위치에서 튜닝 포크를 더 쉽게 절단하게 할 수 있다.

크로스 커플링 부분들(915 내지 917) 및 튜닝 포크들(921A 내지 930B)은 입력부(911)에서 출력부(912)로의 방향을 따라 중심부를 통해 수행되는 주 커플링 스트림으로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 또한, 인접한 공진기들(예를 들어, 901 대 902, 또는 902 대 903 등) 간의 주 커플링들은, 용량성인 튜닝 포크(921A 내지 930B)에 대한 커플링 및 크로스 커플링(915 내지 917)을 통한 커플링에 비하여 주로 유도성이다. 필터는 이 3 개의 상이한 종류의 커플링들(주 커플링, 크로스 커플 링 및 튜닝 포크 커플링) 간의 간섭을 최소화하도록 디자인된다. 공진기(505)를 참조하여 상기 설명된 바와 같이, "A" 지정 튜닝 포크(921A 내지 930A)는 공진기들(901 내지 910)을 미세 튜닝을 위해 사용될 수 있으며, "B" 지정 튜닝 포크(921B 내지 930B)는 공진기들(901 내지 910)을 개략 튜닝하기 위해 사용될 수 있다. 필터(900)에 대한 튜닝 절차는 아래에서 상세히 설명될 것이다.

일 변형예에서, 필터(900)에 대한 튜닝 공정은 다음과 같을 수 있다. 필터(900)는 네트워크 애널라이저(예를 들어, 235)로 측정될 수 있으며, 데이터는 컴퓨터(예를 들어, 205)의 메모리(예를 들어, 215)에 취해지고 세이브(save)될 수 있다. 그 후, 데이터는 제어기/프로세서(예를 들어, 210)를 통해 컴퓨터 프로그램을 이용하여 분석될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 다음과 같이 진행할 수 있다. 우선, 공진기들(901 내지 910)의 번호 및 크로스 커플링 구조체(915 내지 917)와 같은 필터의 전기 구조체는 알려질 수 있지만, 공진기들(901 내지 910)의 공진 주파수 및 공진기들(901 내지 910)의 주요 부분 사이의 커플링들과 같은 다수의 인자는 알려지지 않을 수 있다. 일단 공진기들(901 내지 910)의 주파수들 및 공진기들(901 내지 910)의 주요 부분 사이의 커플링들에 대한 번호들을 안다면, 필터(900)에 대해 무엇이 좋고 무엇이 잘못되었는지를 결정할 수 있고 그것을 고정할 수 있다. 그 후, 컴퓨터 프로그램은 측정 데이터로부터 원하는 번호들을 추출할 수 있다. 예를 들어, B-대역 필터(900)는 10 개의 공진기(901 내지 910)들 및 3 개의 크로스 커플링 구조체(915 내지 917)를 갖는다. 이 예시에서는, 수학적으로 10 X 10 매트릭스 및 추가 파라미터 2 개가 필터(900) 및 그 환경을 나타내도록 사용될 수 있다. 그 파라미터들은 공진 주파수(대각선의 요소들(1105)) 및 커플링들(주 커플링(1110), 원하는 크로스 커플링(1120) 및 원하지 않는 기생 커플링(1115))과 같은 필터의 특성을 나타낼 수 있다. 추가 파라미터들(R1 및 R10)은 필터 터미네이션(filter termination)들 및 이에 따른 그 환경을 설명한다. 그 파라미터들을 변화시킴으로써, 컴퓨터 프로그램이 연산(computed)된 특성 곡선을 측정 특성 곡선에 맞추도록 시도할 수 있다. 피팅(fitting)이 성공한 경우에 컴퓨터 프로그램에 의해 결정된 파라미터들은 측정된 필터(900)의 파라미터들이다. 일단 이 반복 프로세스를 통해 필터의 특성이 추출되면, 다음 단계는 튜닝이다. 일 예시에서, 커플링 값들은 일정하다고 가정될 수 있으며, 튜닝 포크(921A 내지 930B)와 같은 튜닝 요소들을 이용함으로써 주파수가 튜닝될 수 있다. 파라미터 추출 프로세스 이후에, 필터에 대한 모든 정보를 포함하는 도 11에 나타낸 매트릭스가 생성될 수 있다. 그 후, 필터 응답을 최적화하기 위해 모든 파라미터들을 변화시키기(튜닝하기)보다는, 단지 공진 주파수들 즉 매트릭스의 대각선의 요소들만을 변화시키면 된다. 이는 모든 대각선 밖의 요소들이 정확한 포토리소그래피 기술로 인해 제작시 진행하는 내내 상당히 안정적이기 때문에 가능하다. 대각선 밖의 요소(커플링 값)들은 최종 필터 디자인이 완료되기 이전에 두 번의 재-디자인 반복을 통해 이미 확립되었으므로, 하나의 필터로부터 다른 필터까지 그리고 상이한 프로세싱 및 제작 로트(lot)에 걸쳐 커플링들은 전형적으로 훌륭하게 디자인되고 상당히 안정적이다. 하지만, 공진 주파수들은 통상적으로 제작시 더 많은 변동을 보이며, 보정(튜닝)될 필요가 있을 수 있다. 주파수들을 변화시키고 커플링들을 추출된 커플링 값들로부터 동일하게 유지함 으로써, 반사 손실 및/또는 삽입 손실(insertion loss)이 컴퓨터 프로그램에 의해 최적화될 수 있다. 그 후, 예를 들어 1 이상의 튜닝 요소(들)를 긋거나 트리밍함으로써 필터(900)를 튜닝하기 위한 레시피를 생성하기 위해 추출된 값과 최적화된 값 간의 차이가 사용될 수 있다. 예를 들어, 레시피에 기초한 레이저 트리밍 또는 손 긋기에 의해 필터 튜닝이 구현될 수 있다.

이제 도 20 내지 도 22로 잠시 앞으로 넘어가면, 튜닝 절차에서 "더티 윈도우(들)"를 포함한 전형적인 예시적 비-이상 필터 테스트 환경을 고려하는 기술이 설명될 것이다. 도 20은 전형적인 예시적 비-이상 필터 테스트 환경의 물리적 레이아웃을 나타낸다. 이 예시에서는, 테스트 하우징(housing) 또는 패키지(2010) 내에 필터 칩(2005)이 배치된다. HTS 디바이스의 경우, 하우징(2010)은 필터 성능의 측정들을 수행하기 이전에 필터 칩(2005)의 온도가 작동 온도, 예를 들어 77 K로 냉각되도록 허용할 것이다. 또한, 필터 칩(2005) 하우징(2010)은 실제 필터 디바이스로서 사용될 수 있다. 필터 칩(2005)은 테스트될 필터(2015)를 포함한다. 필터 칩(2005)은 통상적으로 양쪽 단부에 필터(2015)의 입력부 및 출력부를 필터 칩(2005)의 에지들로 연장하는 50 옴(ohm) 전송 라인(2030)을 갖는다. 전송 라인(2030)의 전기 길이는 필터(2015) 디자인 및 그 레이아웃에 따라 변할 수 있다. 또한, 필터 하우징 또는 패키지(2010)는 추가 전송 라인 칩(2030)을 포함할 수 있다. RF 커넥터(2040)들은 필터 하우징 또는 패키지(2010)의 측면들에 부착된다. 그 RF 커넥터(2040)들은 리본(ribbon) 또는 전선(wire)(2025 및 2035)을 본딩함으로써 필터 칩(2005) 및/또는 전송 라인 칩(2030)과 연결될 수 있다. 그 본딩들(2025 및 2035)은, 전형적으로 원하는 이상적인 50 옴 특성 임피던스로부터 전이(transition)(또는 단절)일 것이다. 종종 실제 상황에서, 필터(2015)들은 매칭되지 않은 회로들의 이러한 형태와 함께 측정되고 분석되며 개발된다. 이러한 상황에서, 도 11의 매트릭스는 이러한 "더티 윈도우", 즉 비-이상 필터 패키징 및 연결 환경의 존재 때문에 실제 상황을 근접하게 매우 잘 나타내지 않을 수 있다. 필터 튜닝 분석시 이 비-이상 패키징 및 연결 환경을 고려하기 위해, 분석시 더 많은 파라미터가 도입될 수 있다.

더티 윈도우를 나타내는 일 예시적인 방식으로서, 특성은 단순화한 등가 회로로서 도 21에 예시된 바와 같을 수 있다. 이 경우, 필터 칩(2105)에는 칩(2105) 상에서 필터(2115)의 왼쪽에서 그에 연결된 전송 라인 기능(2120A)이 제공되고, 필터(2115)의 오른쪽에서 그에 연결된 전송 라인 기능(2120B)이 제공된다. 또한, 동일한 좌우 방위 규정(left-right orientation convention)을 이용하여 전송 라인 기능(2120A) 왼쪽에 본딩 기능(2125A)이 커플링되고, 전송 라인 기능(2120B) 오른쪽에 본딩 기능(2125B)이 커플링된다. 그 다음, 본딩 기능(2125A) 왼쪽에 전송 라인 기능(2130A)이 커플링되고, 본딩 기능(2125B) 오른쪽에 전송 라인 기능(2130B)이 커플링된다. 그 후, 전송 라인 기능(2130A) 왼쪽에 본딩 기능(2135A)이 커플링될 수 있으며, 전송 라인 기능(2130B) 오른쪽에는 본딩 기능(2135B)이 커플링될 수 있다. 최종적으로, 커넥터 기능(2140A)이 본딩 기능(2135A) 왼쪽에 커플링될 수 있으며, 커넥터 기능(2140B)은 본딩 기능(2135B) 오른쪽에 커플링될 수 있다. 이 기능들 각각은, 예를 들어 상수, 변수 또는 선형(linear) 또는 복합(complex) 기능으 로서 튜닝 절차 내에 도입될 수 있다. 이 추가 인자 고려사항은 필터 튜닝의 정확성을 개선하도록 도울 수 있다.

도 22는 도 21의 또 다른 예시적인 단순화한 회로 표현이다. 커플링 매트릭스 요소들 및 입력 및 출력 커플링들(1100)과 함께 추가 파라미터로서 Z_eff1, θ₁(DW 2205) 및 Z_eff2, θ₂(DW 2215)를 도입함으로써, 분석 프로세스는 더 정확하게 실제 필터 디바이스들을 더 훌륭하게 반사시키고, 그 비-이상 패키징 및 연결 환경을 포함한 필터 디바이스(2210)에 대해 더 휼륭한 튜닝을 제공할 것이다. 이제 실험을 통해 제공된 바와 같이, 도 9에 나타낸 예시로 되돌아가서 특히 튜닝 필터(900)를 참조하여 필터 튜닝 프로세스가 설명될 것이다.

우선, 필터(900)는 예를 들어 2-인치 MgO 웨이퍼 상에 증착되고 패터닝되는 YBCO 박막을 이용하여 제작된 HTS 마이크로파 필터로서 제작되었다. 그 후, 필터(900)는 전형적인 작동 온도 예를 들어 77 K에 놓였다. HTS 마이크로파 필터에 대한 전형적인 작동 범위는, 예를 들어 약 60 내지 100 K의 범위 내에 있을 수 있다.

이제 도 10을 참조하면, 77 K에서 작동하는 필터(900)의 초기 측정은 신호(1005)를 생성하였다. 초기 측정에서의 반사 손실(S11)은 약 17 dB였으며, 측정된 초기 필터 중심 주파수는 그 타겟 중심 주파수 842.37 MHz보다 약 450 kHz 낮았다. 따라서, 일반적으로 테스트된 디바이스의 공진기들(901 내지 910)은 원하는 통과 대역을 달성하고 반사 손실을 개선하기 위해 주파수를 상향하여 튜닝될 필요가 있다는 것을 알 수 있다.

상기 명시된 바와 같이, 튜닝 프로세스는 3 개의 주요 단계로 구성될 수 있다. 제 1 단계는 필터의 진단이며, 이는 파라미터 추출을 포함할 수 있다. 이 예시에서, 파라미터 추출 기술에 의해 측정 데이터가 분석되었다. 몇몇 예시적인 파라미터 추출 기술들이 논문 S.Amari, "Synthesis of cross-coupled resonator filters using an analytical gradient-based optimization technique"(IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., 제 48 권, 제 9 호, p.1559-1564, 2000 년 9 월), 및 P.Harscher, R.Vahldieck 및 S.Amari, Automated filter tuning using generalized low-pass prototype networks and gradient-based parameter extraction(IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., 제 49 권, 제 12 호, p.2532-2538, 2001 년 2 월)에 나타내어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다. 광범위한 곡선 피팅 및 최적화 기술은 본 발명의 분야에 잘 알려져 있으며, 일반적으로 본 발명에 적용가능하다. 예를 들어, MathWorks Inc.는 그들의 Optimization Toolbow for MATLAB에서 이러한 루틴들의 폭넓은 어레이를 제공한다. 요구되는 특정 최적화 루틴들은, 일반적으로 특정 필터 디자인에 의존할 것이다. 이 정보로부터 컴퓨터 프로그램은 커플링 매트릭스를 생성할 수 있다.

추출된 커플링 매트릭스(1100)가 도 11에 도시되어 있다. 진한 라인 박스(1105)는 공진기들의 주파수 오프셋(off-set)을 나타내고, 점선 박스(1115)는 이웃한 공진기들 간의 주 커플링들을 나타내며, 점선 및 점선 박스(1120)는 원하는 크로스 커플링들을 나타낸다. 그것들은 의도적으로 디자인된 파라미터들이다. 작은 점선 박스(1110)는 존재하기를 원하지 않는(그러나 그럼에도 불구하고 존재하는) 다음 이웃한 공진기들 간의 기생 커플링들을 나타낸다. 다음-이웃한 공진기 기생 커플링(1110)들은 나타낸 추출에서 고려되었다. 이 실시예에서, 또 다른 기생 커플링들은 선택된 특정 필터 디자인 때문에 무시될 수 있다. 하지만, 그 커플링들로부터의 기여(contribution)는 일반적으로 각각의 특정한 필터 디자인에 의존할 것이며, 때때로 고려되어야 할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 예를 들어, 공진기 토폴로지(topology), 공진기들의 배치 및 크로스 커플링 구현은 모두 기생 커플링 값들에 영향을 줄 수 있다. 또한, 기생 커플링들은 디자인에 의존하는 몇몇 경우에 대해 제로가 아닌 요소들로서 커플링 매트릭스 내로 포함되어야 할 수 있다. 그 원하지 않는 기생 커플링 매트릭스 요소들은, 일반적으로 의도된 크로스 커플링 구조체에 영향을 줄 것이다. 이 커플링들은 그 값들이 주 커플링 값 또는 크로스 커플링 값보다 훨씬 작지만, 원하는 토폴로지에 맞지 않는 쇼트-컷 경로(short-cut path)들을 생성하기 때문에 필터 응답에 영향을 줄 수 있다. 특히, 필터 디자인의 커플링 구조체가 복잡하게 되는 경우(예를 들어, 다수 크로스 커플링 디자인)와 초전도체 재료로 구성된 필터들에 대해서와 같이 공진기 Q-인자가 높은 경우, 기생 커플링들의 존재는 파라미터 추출 프로세스를 더 어렵게 할 수 있다는 것을 지적할 가치가 있을 수 있다. 상기 이유는 기생 커플링의 존재가 최적화 파라미터들의 개수를 증가시킬 수 있고 최적화에 대한 다수의 국부적인 최소 솔루션들을 생성할 수도 있다는 것이다. 또한, 많은 필터들이 비-이상 마이크로파 패키징 및 패키징을 통해 알려진 필터 성능에 영향을 주는 다른 단절 내에서 패키징된다는 것을 유의하 여야 한다. 예를 들어, 마이크로파 필터 패키징은 필터 성능에 영향을 줄 수 있는 다음 요소들: 마이크로파 단절(microwave discontinuity), 전송 라인, 마이크로파 케이블, 본드 와이어, 마이크로스트립에 대한 스트립라인 전이(stripline to microstrip transition), 극저온 케이블(cryocable), 멀티플렉서(multiplexer), 스위치, 리미터(limiter), 저잡음 증폭기, 매칭 네트워크, 방향성 커플러(directional coupler), 스플리터, 마이크로파 커넥터들 중 1 이상을 포함할 수 있다.

튜닝 프로세스의 제 2 단계는 반사 손실(S11)의 조정을 포함할 수 있는 필터 응답 최적화이다. 이 경우, 반사 손실(S11)은 컴퓨터로 공진 주파수들을 조정하는 한편, 진단 단계시 필터(900)에 대해 얻어진 값들과 커플링을 동일하게 유지함으로써 최적화되었다. 필터(900)의 실제 커플링 값들은 이상적인 디자인 커플링 값들로부터 약간 변할 수 있고 기생 커플링들이 존재하기 때문에, 이 원하는 커플링 변동들을 보상하고 동등한 반사 손실(S)을 달성하기 위해 공진 주파수들이 그 디자인으로부터 의도적으로 잘못 튜닝될 필요가 있을 수 있다. 실제로, 필터 튜너 기술자들은 양적으로 얼마만큼인지 모를 수 있다 할지라도, 이를 알고 필터들을 어느 정도 의도적으로 잘못 튜닝할 수 있다.

이제 도 12를 참조하면, 도 9에 나타낸 필터의 공진기들(901 내지 910) 각각에 대한 결과적인 추출 주파수 및 최적화 주파수의 그래프가 예시된다. 몇몇 예시적인 주파수 차이들은 다음과 같다. 공진기(901)의 추출 주파수(1201A)는 840 MHz보다 작게 결정되는 한편, 공진기(901)의 최적화 주파수(1201B)는 약 842.25 MHz로 결정된다. 공진기(905)의 추출 주파수(1205A)는 약 841.2 MHz로 결정되는 한편, 공진기(905)의 최적화 주파수(1205B)는 약 842.2 MHz로 결정된다. 공진기(910)의 추출 주파수(1210A)는 약 841.2 MHz로 결정되는 한편, 공진기(910)의 최적화 주파수(1210B)는 약 842.2 MHz로 결정된다. 제 1 단계시의 추출 주파수와 제 2 단계시의 최적화 주파수 간의 차이는 제 3 단계에서 물리적 튜닝에 대한 레시피로 설명(translate)될 수 있다.

도 13은 도 9에 나타낸 필터(900)에 대한 초기 측정된 반사 손실(1305) 및 최적화된 반사 손실(1310)의 그래프이다. 이 경우, 컴퓨터는 각각의 공진기들(901 내지 910)에 대해 개발된 최적화 주파수들을 포함한 이전에 수행된 분석으로부터 최적화된 반사 손실 신호(1310)를 생성할 수 있다. 최적화된 반사 손실 신호(1310)는 필터(900) 통과 대역의 타겟 중심 주파수에서 예상되는 원하는 반사 손실을 생성하는데 대략 정확하다.

도 14는 타겟 필터 응답을 생성하도록 도 9에 나타낸 필터(900)에 대한 공진기들 1 내지 10(901 내지 910)을 튜닝하는데 사용될 레시피(1400)를 예시한 테이블이다. 공진기 번호들의 로우(row)(1405) 및 대응하는 주파수 델타들의 로우(1410)가 제공된다. 예를 들어, 공진기 9(909)에 대한 약 673 kHz의 적은 델타 및 공진기 1(901)에 대한 약 2232 kHz의 높은 델타로부터 공진 주파수들을 시프트함으로써, 필터(900)는 타겟 중심 주파수에서 20 dB 반사 손실을 달성하도록 기대될 것이다. 도 12 및 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 추출 주파수와 최적화 주파수 간의 차이는 각각의 공진기(901 내지 910)에 대해 요구되는 주파수 시프팅의 양에 상관 된다. 이 정보는 컴퓨터에 의해 생성되고, 필터(900)를 튜닝하기 위한 레시피로서 튜닝 기술자에게 제공될 수 있다. 튜닝 레시피(1400)는, 예를 들어 스크린 상에 내보이거나 종이 상에 프린트될 수 있다.

그 후, 필터(900)는 현미경으로 다이아몬드 펜을 이용한 손 긋기에 의해 레시피(1400)에 기초하여 튜닝되었다. 그렇지만, 상기 명시된 바와 같이 레이저 긋기와 같은 다른 방법들이 사용될 수 있으며 레이저 긋기가 자동화될 수 있다. 도 15는 튜닝 레시피(1400)에 따라 다이아몬드 펜을 이용하여 그었을 때의 튜닝 포크의 일부분을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 공진기 7(907)에 대한 튜닝 포크들은 8 번째와 9 번째 스케일 해시 마크(hash mark) 사이의 지점(1505)에서 튜닝 포크(927A)를 긋고 5 번째 스케일 해시 마크에서 튜닝 포크(927B)를 그음으로써 튜닝되었다. 레시피에 따르면, 7 번째 공진기(R7)는 튜닝에 대해 742 kHz 시프트를 필요로 한다. 튜닝 포크(927A)는 일 스케일 증분에 의해 100 kHz 시프트하도록 디자인되며, 927B는 일 스케일 증분에 의해 500 kHz 시프트하도록 디자인된다. 요구되는 시프트, 742 kHz를 달성하기 위해 튜닝 포크(927B)의 일 스케일 부분이 500 kHz에 대해 그어지고(1510), 제 2 스케일과 제 3 스케일 사이의 위치가 또 다른 250 kHz에 대해 그어진다(1505). 이 필터는 사양서를 맞추기 위해 각각의 공진기 상의 튜닝에 대해 100 kHz 분해능을 요구하기 때문에, 튜닝 포크(927A)의 디자인이 스케일들 사이에서 그을 수 있게 하며 튜닝 +/-50 kHz에 대해 충분히 훌륭한 정확성을 준다. 또한, 공진기 8(908)에 대한 튜닝 포크는 7 번째 해시 마크의 지점(1515)에서 튜닝 포크(928A)를 긋고 5 번째 스케일 해시 마크에서 튜닝 포크(928B)를 그음으로써 튜 닝되었다. 7 번째 공진기를 이용하는 바와 같이, 8 번째 공진기와 연계된 튜닝 포크(928B)의 일 스케일 부분은 500 kHz에 대해 그어지고(1520), 튜닝 포크(928A)의 3 개의 스케일 부분은 또 다른 300 kHz에 대해 그어진다(1515).

도 16은 튜닝 레시피(1400)에 따라 필터(900)가 그어진 이후에 튜닝된 응답(1610) 및 최적화(1605)된 예측을 나타낸다. 필터는 다시 작동 온도, 예를 들어 77 K에 배치되고 필터 성능이 측정된다. 이 경우, 튜닝(1610) 이후의 대역 통과 필터(band pass filter: 900) 실제 반사 손실 S 성능이 최적화된 반사 손실 S(1605) 및 이에 따른 원하는 필터 성능과 매우 훌륭하게 동의하는 것이 도 16에 도시된다. 또한, 이는 도 17에서 알 수 있으며, 이는 튜닝 이후의 필터 성능 신호(1705)를 나타낸다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 18 및 도 19에 도시된다. 이 실시예에서, 튜닝 요소는 1 이상의 탭을 트리밍하는 단계를 포함할 수 있다. 도 18은 트리밍 탭 튜닝 요소들을 갖는 다수-공진기 평면 필터 디바이스(1800)의 최상부 레이아웃이다. 이 예시에서는, 이전 실시예들과 유사한 10 개의 공진기들(1801 내지 1810)이 기판 상에 직렬로 제공된다. 하지만, 이 실시예에서 튜닝 요소들은 1 이상의 트리밍 탭(예를 들어, 1820 내지 1826 및 1840 내지 1846)일 수 있다. 이 트리밍 탭은 이전 실시예들에 대한 것과 유사한 방식으로 생성되는 튜닝 레시피에 따라 공진기로부터 탭을 분리함으로써 트리밍될 수 있다. 이해하는데 용이함을 위해, 도 19는 도 18의 점선 영역(1900)에 나타내어 있는 트리밍 탭들(1840 내지 1846)의 확장도(1900)를 제공한다.

예를 들어, 최적화 프로세스 이후에 컴퓨터 분석의 출력으로서 각각의 공진기(1801 내지 1810)에 대해 요구되는 주파수 시프트가 계산될 수 있다. 필터의 사전-조사된 감도에 따라 그것이 튜닝될 것이다(예를 들어, 요구되는 주파수 시프트는 디지털화된다). 이 예시의 필터는 그 지정된(specified) 작동 특성을 위해, 예를 들어 100 kHz 정밀성을 필요로 할 수 있기 때문에, 주파수 오프셋이 100 kHz 스텝으로 디지털화될 수 있다. 예를 들어, 트리밍 탭(1840 내지 1846)은 최소 시프트로서 100 kHz 주파수의 이진 증분으로 디자인될 수 있다. 튜닝 포크 디자인과 유사하게, 이 디자인은 트리밍될 올바른 튜닝 디바이스들의 용이한 식별을 위해 제공될 수 있다. 이 예시에는, 예를 들어 1500 kHz, 800 kHz, 400 kHz, 200 kHz 및 100 kHz에 의해 공진 주파수를 시프트할 수 있는 7 개의 트리밍 탭을 각각의 공진기(1801 내지 1810) 상에 갖는 필터(1800)가 제공된다. 100 kHz 시프트할 수 있는 3 개의 탭이 존재한다. 따라서, 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 800 kHz 주파수 시프트를 유도하는 트리밍 탭(1840)은 R4-8로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 1500 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1841)은 R4-15로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 400 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1842)은 R4-4로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 200 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1843)은 R4-2로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 100 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1844)은 R4- 1로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 100 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1845)은 R4-1로 지시된다. 공진기 4(1804)와 연계되는 것으로 나타나고, 트리밍되는 경우 공진기 4에 100 kHz 주파수 시프트를 갖는 트리밍 탭(1846)은 R4-1로 지시된다. 따라서, 이 예시를 이용하여 R4(1804)와 같은 공진기가 튜닝 레시피에 따라 670 kHz 주파수 시프트를 필요로 하는 경우, 예를 들어 400 kHz 탭, 200 kHz 탭 및 100 kHz 탭이 트리밍되거나, 연결되지 않거나, 레이저 트리밍에 의해 제거될 수 있다. 이 실시예에 대한 튜닝 레시피를 결정하는 프로세스는 이전에 설명된 튜닝 포크 실시예들에 대해 이전에 설명된 프로세스들 중 1 이상과 동일하거나 유사할 수 있다.

최적화된 오프셋들을 불연속 탭 값들로 간단히 라운딩(round)하는 것은 원하지 않은, (그렇지만 작은) 중심 주파수 내의 시프트 및 필터 응답의 연계된 하락(degradation)을 유도할 수 있다. 이 문제점을 회피하는 한가지 방식은 불연속 탭 값들을 더 최적화하는 것이다. 이를 행하는 한가지 방식은 타겟 주파수가 최소 탭 스텝의 마이너스 절반으로부터 최소 탭 스텝의 플러스 절반까지, 즉 100 kHz의 최소 탭 스텝에 대해 -50 내지 +50 kHz 변하게 허용하는 것이다. 이러한 방식으로, 각각 트리밍될 탭들의 일 세트가 될 제한된 집합(family)의 불연속 튜닝 상태가 존재할 것이다. 그 후, 튜닝 상태의 다수의 특성을 검사함으로써 튜닝 상태들의 이 세트로부터 트리밍될 탭의 세트가 선택될 수 있다. 첫째로, 주파수 오프셋 불연속 튜닝 상태와 최적화 주파수 오프셋 사이의 평균 잔여 오프셋(average remaining offset)은 최후(ultimate)의 주파수 오프셋으로 기여할 것이기 때문에 최소화되려 고 할 수 있다. 둘째로, 최적화 주파수 오프셋을 가장 잘 나타내는 불연속 튜닝 상태를 결정하기 위해 이 잔여부의 제곱합을 최소화시키려고 할 수도 있다. 셋째로, 불연속 튜닝 상태의 집단에 대한 필터 성능(예를 들어, 반사 손실(S11))을 검사하고, 원하는 성능에 가장 가깝게 산출하는 튜닝 상태를 선택할 수 있다. 넷째로, 이는 더 견실한 솔루션을 주기 쉬울 것이므로, 최적화 주파수 오프셋들을 설명하는데 걸쳐 주파수 폭을 검사함으로써 주어진 튜닝 상태의 안정성을 검사할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 당업자라면 많은 대안예, 수정예 및 변형예를 명백히 이해할 것이다. 예를 들어, 튜닝 포크 또는 트리밍 탭 타입 튜닝 요소들에 대해 긋는 레이저 또는 다이아몬드 펜 이외에 재료의 제거의 다른 방법이 고려될 수 있으며, 표준 습식 또는 건식 포토리소그래피 기술들 또는 FIB(focused ion beam)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 또 다른 변형예에서, 튜닝 요소는 반도체 버랙터(semiconductor varactor), 스위칭된 캐패시터 뱅크(switched capacitor bank) 또는 MEMS 캐패시터와 같은 전자적 가변 캐패시터일 수 있다. US 특허 6,898,450 "High Temperature Superconducting Tunable Filter", US 특허 6,727,702 "Tunable Superconducting Resonator and Methods of Tuning Thereof", US 특허 출원 10/162,531 "Varactor Tuning for a Narrow Band Filter"에서 설명되는 공진기 튜닝에 대해 설명된 여하한의 방법은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 인용참조된다. 따라서, 상기 설명된 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 구성되어서는 안 된다. 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화들이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 예시된 실시예들에 의해서가 아니라, 본 명세서에 첨부된 청구항 및 그 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (20)

1 이상의 공진기(resonator)(들) 및 1 이상의 튜닝 요소(tuning element)(들)를 포함하는 필터를 제공하는 단계;

측정된 데이터의 세트를 생성하도록 상기 필터의 응답을 측정하는 단계;

1 이상의 필터 파라미터(들)를 추출하기 위해 상기 측정된 데이터의 세트를 분석하는 단계;

원하는 필터 응답을 달성하기 위해 필터 파라미터들의 서브세트(subset)를 최적화하는 단계; 및

상기 필터 파라미터들의 서브세트에 대응하도록 상기 튜닝 요소들을 튜닝하는 단계를 포함하여 이루어지는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 필터는 평면(planar)인 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 필터는 초전도 재료(superconducting material)로 구성되는 1 이상의 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제 3 항에 있어서,

상기 초전도 재료는 고온 초전도체(high temperature superconductor: HTS)인 것을 특징으로 하는 방법.

제 3 항에 있어서,

상기 필터 응답 측정은 표준 작동 온도 또는 상기 필터로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 측정된 데이터의 세트는 주어진 필터의 상기 필터 응답의 1 이상의 측정으로 구성되고, 상기 필터는 알려진 수정(modification)을 거쳐온 것을 특징으로 하는 방법.

제 6 항에 있어서,

상기 알려진 수정은 1 이상의 공진기의 공진 주파수(resonant frequency)를 조정하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 필터는 4 이상의 공진기들을 갖고, 인접하지 않은 공진기들 간의 크로스 커플링 요소(cross coupling element)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 튜닝 요소는 상기 필터 회로 내의 캐패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance)를 알려진 양만큼 수정하기 위해, 재료의 제거에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 방법.

제 9 항에 있어서,

상기 재료의 제거는 레이저, 다이아몬드 긋기(diamond scribe), 포커스된 이온빔(focused ion beam) 또는 포토리소그래피에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.

제 9 항에 있어서,

상기 튜닝 요소는 상기 회로 내의 션트 캐패시턴스(shunt capacitance)를 감소시키기 위해 제거될 수 있는 1 이상의 탭(tab)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제 9 항에 있어서,

상기 튜닝 요소는 튜닝 범위 및 최소 튜닝 분해능(minimum tuning resolution)을 정의하는 크기들을 변화시키는 션트 용량성 요소(shunt capacitive element)의 이진 어레이(binary array)를 제공하기 위해, 그 크기 및 위치가 설정된 탭들의 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.

제 9 항에 있어서,

상기 튜닝 요소는 상기 필터에 용량성으로 커플링되는 1 이상의 튜닝 포크(tuning fork)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 튜닝 요소는 반도체 버랙터(semiconductor varactor), 스위칭된 캐패시터 뱅크(switched capacitor bank) 또는 MEMS 캐패시터와 같은 전자적 가변 캐패시터인 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 최적화된 파라미터들은 상기 튜닝 요소들로 달성가능한 최소 실현가능한 파라미터 변화를 설명하기 위해 더 최적화되는 것을 특징으로 하는 방법.

필터 튜닝 장치에 있어서:

1 이상의 공진기 및 1 이상의 튜닝 요소를 포함하는 튜닝되지 않은 필터(detuned filter);

필터 응답 측정 디바이스;

상기 필터 내의 대응하는 캐패시턴스 또는 인덕턴스의 알려진 변화를 달성하도록 상기 튜닝 요소를 조정하는 수단; 및

원하는 필터 성능을 달성하도록 상기 튜닝 요소들을 조정하는 상기 수단을 지향하는 수단을 포함하여 이루어지는 필터 튜닝 장치.

제 16 항에 있어서,

상기 필터가 상기 필터 응답 측정 디바이스에 작용하도록(operatively) 커플링되는 경우에 상기 필터가 배치되는 크라이오스태트(cryostat)를 더 포함하여 이루어지는 필터 튜닝 장치.

제 16 항에 있어서,

비-이상 패키징(non-ideal packaging) 및 다른 단절(discontinuity)들을 통해 알려진 바와 같이 상기 필터 성능에 영향을 주는 비-이상 필터 패키징 및 다른 단절들을 더 포함하여 이루어지는 필터 튜닝 장치.

필터 조정 시스템에 있어서:

전자 필터; 및

상기 필터에 커플링되는 평면 튜닝 요소를 포함하여 이루어지고, 상기 평면 튜닝 요소는 상기 전자 필터의 원하는 특성을 조정하도록 크기 또는 형상이 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 필터 조정 시스템.

제 19 항에 있어서,

상기 평면 튜닝 요소는 기판 상의 용량성 재료의 트레이스(trace)이고, 원하는 범위 내에서 상기 필터를 올바르게 튜닝하는데 유용한 원하는 형상 및 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 필터 조정 시스템.

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