KR20090027800A - Improved lumped components band pass filter into the substrate - Google Patents

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A band-pass filter using a lumped passive element for selectively filtering a use frequency band is provided to improve a pass property and a band-stop property by inserting a parasitic inductance component to a parallel resonator. A band-pass filter includes a first parallel resonator and a second parallel resonator(13). The first parallel resonator comprises an inductor(L3) and a capacitor(C3), is serially connected between an input port(10) and an output port(11), and has a band-stop property. The second parallel resonator comprises an inductor(L1) and a capacitor(C1), and improves the band-stop property in an image frequency band.

Description

개선된 집적 수동 소자 기판내장형 대역통과 필터{Improved lumped components band pass filter into the substrate}[0001] The present invention relates to an improved integrated passive component substrate pass filter,

본 발명은 사용 주파수 대역의 신호를 선택적으로 통과시키고, 필요 없는 대역의 신호를 차단하는 대역통과 필터에 관한 것이다. 특히 상대 대역에 대한 대역저지 특성의 향상에 관한 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bandpass filter that selectively passes a signal in a used frequency band and blocks an unnecessary band signal. And more particularly to improvement of the band blocking characteristic with respect to the relative band.

일반적인 무선통신 시스템(RF system)에서 여러 주파수들로부터 필요한 대역의 신호를 선택적으로 검출하고, 필요 없는 주파수 대역의 신호들을 차단하기 위하여 여러 개의 대역통과 필터들이 사용되고 있다.In a typical wireless communication system (RF system), several band-pass filters are used to selectively detect signals of a required band from a plurality of frequencies and to block signals of unnecessary frequency bands.

집중 수동 소자로 이루어지는 대역통과 필터로서는 T형 대역통과 필터와 π형 대역통과 필터가 알려져 있다. A T-band pass filter and a pi-band pass filter are known as band pass filters composed of concentrated passive elements.

상기 T형 대역통과 필터는 도 1에 도시된 바와 같이 입력포트(10) 및 출력포트(11)의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬 공진기(series resonator)(12)가 직렬(series)로 접속되고, 각각의 직렬 공진기(12)의 뒷단과 접 지의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 병렬 공진기(parallel resonator)(13)가 병렬(parallel)로 접속되고 이것들이 계속적으로 종속 접속된 것이다.1, a series resonator 12 including an inductor L and a capacitor C is connected in series between the input port 10 and the output port 11, a series resonator 13 composed of an inductor L and a capacitor C is connected in parallel between the rear end of each series resonator 12 and the ground, Are continuously cascaded.

그리고 상기 π형 대역통과 필터는 도 2에 도시된 바와 같이 입력포트(10) 및 출력포트(11)의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 병렬 공진기(13)가 병렬로 접속되고, 각각의 병렬 공진기(13)의 뒷단에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬 공진기(120)가 직렬로 접속되고 이것들이 계속적으로 종속 접속된 것이다.2, a parallel resonator 13 composed of an inductor L and a capacitor C is connected in parallel between the input port 10 and the output port 11 And a series resonator 120 composed of an inductor L and a capacitor C are connected in series to the rear ends of the respective parallel resonators 13 and these are continuously and cascade-connected.

이러한 T형 및 π형 대역통과 필터는 프로토 타입(proto type)의 저역통과 필터의 직렬 접속 인덕터와 병렬 접속 캐패시터를 직렬 공 진기 및 병렬 공진기 로 변환한 것으로서 주어진 프로토 타입으로부터 변환공식을 이용하여 인덕터 및 캐패시터를 공진기 의 형태로 변환하여 계산하였을 경우에 각 공진기 를 구성하는 집중소자들의 값이 결정된다. These T-type and π-type band-pass filters are the conversion of a series-connected inductor and a parallel-connected capacitor of a prototype type low-pass filter to a series resonator and a parallel resonator. From the given prototype, When the capacitor is converted into the form of a resonator, the values of the lumped elements constituting each resonator are determined.

그러나 상기 T형 및 π형 대역통과 필터들은 상대 대역에 대한 대역저지 특성을 향상시키기 위하여 3단 이상의 다수의 공진기 로 구성된 필터를 형성하거나 입출력 포트(port) 쪽에 피드백 커플링 캐패시터(feedback coupling capacitor)를 삽입하거나 접지 쪽으로 형성된 병렬 공진기 에 캐패시터를 삽입하게 된다.However, in order to improve the band blocking characteristic for the relative band, the T-type and? -Type bandpass filters form a filter composed of a plurality of resonators of three or more stages, or a feedback coupling capacitor is connected to the input / A capacitor is inserted into a parallel resonator formed to be inserted or grounded.

이러한 소자들의 첨가는 불가피하게 소자들의 크기를 증가시키게 된다. 또한 다수의 공진기 의 사용은 각각 공진기들이 가지는 품질계수에 의하여 손실이 증가하게 되고 이는 대역통과 필터의 통과 특성이 떨어지는 문제점이 된다. The addition of these elements inevitably increases the size of the devices. Also, the use of a plurality of resonators increases the loss due to the quality factor of the resonators, which is a problem in that the passing characteristics of the band-pass filter are deteriorated.

본 발명은 최소한의 공진기를 구성하여 사용 주파수 대역만을 선택적으로 여과하며 통과 대역을 제외한 상대 대역에 대한 저지 특성을 향상시킨 대역통과 필터의 회로를 제공하고 본 발명에 의한 회로를 고유전 물질을 내장한 동박적층기판 혹은 유기기판등 패키징 기판에 내장하여 초소형화 하는 방법을 제공하고자 함이다.The present invention provides a circuit of a band-pass filter having a minimum resonator and selectively filtering only a used frequency band and improving a blocking characteristic for a relative band excluding a pass band, The present invention provides a method for miniaturization by being embedded in a packaging substrate such as a copper-clad laminated substrate or an organic substrate.

통과 대역을 제외한 상대 대역에 대한 저지 특성을 향상시키기 위하여 입력부하 및 출력부하의 사이에 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 이루어지는 직렬공진기를 병렬 공진기 의 형태로 구성하여 사용 주파수 대역(2400~2480MHz)의 앞쪽의 인접한 상용 주파수 대역(824~894MHz, 1850~1990MHz)의 대역저지 특성을 향상시킨다.In order to improve the blocking characteristics with respect to the relative bands excluding the pass band, a series resonator composed of an inductor L and a capacitor C is formed between the input and output loads in the form of a parallel resonator, (824 to 894 MHz, 1850 to 1990 MHz) in the front adjacent frequency band of the base station (base station).

그리고 접지 쪽으로 형성된 병렬 공진기에 기생 인덕턴스 성분을 추가하여 사용 주파수 대역의 이미지 주파수(image frequency)(4800~4960MHz)의 대역저지 특성을 향상시킨다.A parasitic inductance component is added to the parallel resonator formed on the ground side to improve the band stop characteristic of the image frequency (4800 ~ 4960MHz) of the used frequency band.

상기 구조를 이용하면 종래의 2단 대역통과 필터가 고유하게 가지는 스커트(Skirt) 특성의 문제점을 고용량 값들의 소자의 추가나 단수의 증가 없이 인접 대역에 대한 대역저지 특성 및 이미지 주파수에 대한 대역저지 특성의 향상을 가져올 수 있다.Using the above structure, the problem of the skirt characteristic inherent to the conventional two-stage band pass filter is solved by using the band stop characteristic for the adjacent band and the band stop characteristic for the image frequency without increasing the number of stages or the number of stages Improvement can be brought about.

이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 대역통과 필터를 상세히 설명한다.The bandpass filter of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 종래의T형 2단 대역통과 필터의 회로도 이다. 도 3을 참조하면 입력포트(10) 및 출력포트(11) 사이에 인덕터(L1) 및 캐패시터(C1)로 이루어지는 병렬 공진기(13)가 병렬로 접지 쪽으로 연결되고, 병렬 공진기 뒷단에 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)로 이루어지는 직렬 공진기(12)가 직렬로 연결되어 대역통과의 특성을 나타내게 된다. 종래의 2단 대역통과 필터가 고유하게 가지는 스커트(skirt) 특성에 의하여 통과 대역을 제외한 상용 주파수 대역에 대한 저지 특성은 떨어지게 된다.3 is a circuit diagram of a conventional T-type two-stage bandpass filter. 3, a parallel resonator 13 including an inductor L1 and a capacitor C1 is connected in parallel to the ground side between an input port 10 and an output port 11. An inductor L2 is connected to the rear end of the parallel resonator, And a capacitor C2 are connected in series to exhibit band pass characteristics. The blocking characteristic for the commercial frequency band excluding the pass band is deteriorated due to the skirt characteristic inherent to the conventional two-stage bandpass filter.

도 4는 본 발명의 대역통과 필터의 일 실시 예의 회로도 이다. 사용 주파수 대역의 앞쪽에 인접한 상용 주파수 대역의 대역저지 특성을 향상시키기 위해 도 3에서 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)로 이루어지는 직렬 공진기(12)를 인덕터(L3) 및 캐패시터(C3)로 이루어지는 병렬 공진기(13)으로 대체하여 구성하였다. 입력포트(10) 및 출력포트(11)사이에 직렬로 연결된 병렬 공진기(13)는 대역저지 통과특성을 나타내게 되고 이때의 공진 주파수(resonance frequency)가 전체적인 대역통과 필터의 앞쪽 상용 주파수 대역의 저지 특성을 좌우하게 된다. 따라서 인접한 상용 주파수의 대역저지 특성 향상을 위한 통과제로 점(transmission zero pole)의 위치는 다음의 간단한 공진 주파수를 구하는 수식을 이용하여 구할 수 있다.4 is a circuit diagram of one embodiment of the band-pass filter of the present invention. In order to improve the band suppression characteristic of the commercial frequency band adjacent to the front side of the used frequency band, the series resonator 12 composed of the inductor L2 and the capacitor C2 in Fig. 3 is arranged in parallel with the inductor L3 and the capacitor C3 And replaced by a resonator 13. The parallel resonator 13 connected in series between the input port 10 and the output port 11 exhibits a band stoppage characteristic and the resonance frequency at this time is lower than the resonance frequency at the front end frequency band of the overall bandpass filter . Therefore, the position of the transmission zero pole for improving the band stop characteristic of the adjacent commercial frequency can be obtained by using the following simple resonant frequency equation.

Figure 112007066302110-PAT00001
Figure 112007066302110-PAT00001

또한, 사용 주파수에 대한 이미지 주파수(image frequency)에 대한 저지 특성을 향 상시키기 위해 도 3에서 입력포트(10) 및 출력포트(11)사이에 인덕터(L1) 및 캐패시터(C1)로 이루어지는 병렬 공진기(13)의 캐패시터(C1)와 접지 사이에 기생 인덕턴스(L4) 성분을 삽입하였다. 접지와 입력포트(10)사이에 형성된 캐패시터(C1)과 기생 인덕턴스(L4)의 공진현상에 의하여 이미지 주파수 대역에서의 대역저지 특성이 나타나게 되고 이때의 공진 주파수가 전체적인 대역통과 필터의 이미지 주파수 대역의 저지 특성을 좌우하게 된다. 마찬가지로 이미지 주파수 대역의 저지 특성 향상을 위한 통과제로 점의 위치는 위의 수식을 이용하여 구할 수 있다.In order to enhance the blocking characteristic with respect to the image frequency with respect to the used frequency, a parallel resonator consisting of the inductor L1 and the capacitor C1 is provided between the input port 10 and the output port 11 in Fig. A parasitic inductance (L4) component is inserted between the capacitor (C1) of the capacitor (13) and the ground. The band stopping characteristic in the image frequency band appears due to the resonance between the capacitor C1 and the parasitic inductance L4 formed between the ground and the input port 10 and the resonance frequency at this time Thereby controlling the blocking characteristics. Similarly, the position of the pass zero point for improving the blocking characteristic of the image frequency band can be obtained using the above equation.

전술한 수식을 바탕으로 공진 주파수를 계산하여 수 나노헨리(nH) 및 수 피코패라드(pF) 범위를 가지는 인덕터와 캐패시터들로 회로를 구성하여 고유전물질을 사용한 유기기판 혹은 동박적층기판에 내장할 수 있다. 캐패시터는 금속-유전체-금속의 구조로 두 개의 동박층 사이에 유전물질을 넣음으로써 구성되고, 인덕터는 전송 선로(transmission line)을 꼬아 길게 구성함으로 구현이 가능하기 때문에 쉽게 유기기판이나 동박적층기판에 내장(embedded) 할 수 있다. 하지만 범용으로 사용되고 있는 유기물(epoxy) 재료들은 낮은 유전률(dielectric constant)을 가지고 있기 때문에 금속-유전체-금속의 구조로 구현할 경우 넓은 면적을 차지하게 된다. Based on the above equation, the resonant frequency is calculated to form a circuit using inductors and capacitors having a range of nanoHen (nH) and suffixoparad (pF), embedded in an organic substrate using a high dielectric material or a laminate of a copper foil can do. The capacitor is formed by inserting a dielectric material between the two copper foil layers with a metal-dielectric-metal structure. The inductor is formed by twisting a transmission line so that it can be easily realized. It can be embedded. However, epoxy materials used for general purpose have a low dielectric constant and therefore occupy a large area when implemented with a metal-dielectric-metal structure.

Figure 112007066302110-PAT00002
Figure 112007066302110-PAT00002

상기 수학식에서 C는 캐패시터의 용량, ε는 유전률, A는 유효 전극 면적, d는 금속과 금속 사이의 간격을 나타낸다.In the above equation, C is the capacity of the capacitor,? Is the dielectric constant, A is the effective electrode area, and d is the distance between the metal and the metal.

수학식 2는 캐패시터의 용량을 구하는 공식으로서 관계식에 의하여 유효 전극의 면적을 고정하였을 경우 유전률을 높이게 되면 캐패시턴스가 증가하게 된다. 즉, 고유전물질을 사용할 경우 유효 전극의 면적을 줄일 수 있게 된다. 따라서 본 발명에서는 고유전률을 가지는 유기재료를 사용함으로써 내장된 캐패시터의 유효 전극의 면적을 줄일 수 있다. 고유전률을 가지는 유기재료는 기존의 동박적층기판의 제작공정으로 쉽게 삽입할 수 있다.Equation (2) is a formula for determining the capacitance of the capacitor. When the area of the effective electrode is fixed by the relational expression, the capacitance increases when the dielectric constant is increased. That is, when the high-dielectric material is used, the area of the effective electrode can be reduced. Therefore, in the present invention, the area of the effective electrode of the built-in capacitor can be reduced by using an organic material having a high dielectric constant. An organic material having a high dielectric constant can be easily inserted into a manufacturing process of a conventional copper-clad laminated board.

도 5와 같은 구조, 즉 출원번호 10-2002-0065114(2002.10.24)의 특허와 같은 고유전률의 물질을 내장한 동박적층기판 혹은 유기기판등 패키징 기판에 인덕터와 캐패시터를 내장하여 본 발명에서 제안한 구조의 대역통과 필터를 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 대역통과 필터는 기존의 동박적층기판위에 전송선로 및 분포정수를 이용하여 구현한 대역통과 필터에 비해 현저히 적은 면적을 차지한다. 도 6은 도 4의 회로를 도 5의 개념으로 적용한 예이며, 도 3의 회로와 도 4의 회로를 도 5의 개념으로 적용하여 시뮬레이션(simulation)한 대역통과 필터의 특성은 도 7과 같다.The inductor and the capacitor are built in a packaging substrate such as a copper-clad laminate substrate or an organic substrate having a structure having a structure as shown in FIG. 5, that is, a patent of Patent Application No. 10-2002-0065114 (2002.10.24) Band pass filter of the structure can be manufactured. The bandpass filter fabricated in this way occupies a considerably smaller area than the bandpass filter implemented by using the transmission line and the distribution constant on the conventional copper-clad laminated substrate. FIG. 6 shows an example in which the circuit of FIG. 4 is applied to the concept of FIG. 5, and the characteristics of the band-pass filter simulated by applying the circuit of FIG. 3 and the circuit of FIG.

도 1은 종래의T형 대역통과 필터의 회로도1 is a circuit diagram of a conventional T-band pass filter

도 2는 종래의π형 대역통과 필터의 회로도2 is a circuit diagram of a conventional? -Type band-pass filter

도 3은 종래의π형 2단 대역통과 필터의 회로도3 is a circuit diagram of a conventional? -Type two-stage bandpass filter

도 4는 제안된대역통과 필터의 회로도Fig. 4 is a circuit diagram of the proposed band-

도 5는 고유전률을 갖는 필름을 이용하여 캐패시터와 인덕터를 내장한 다기능성 기판의 단면도. 내장된 캐패시터와 인덕터는 기판 내부에서 서로 연결되어 공진기, 대역통과 필터와 같은 회로 동작을 하게 된다.5 is a cross-sectional view of a multi-functional substrate having a capacitor and an inductor embedded therein using a film having a high dielectric constant. The built-in capacitor and the inductor are connected to each other inside the substrate to perform a circuit operation such as a resonator and a band-pass filter.

도 6은 도 1의 대역통과 필터의 구조를 동박적층기판에 내장하여 제작한 예이다. 인덕터는 1층과 3층의 구리층으로 구현하였고. 캐패시터는 2층과 3층 사이의 고유전률을 가지는 필름을 이용하여 금속-유전체-금속(MIM : metal-insulator-metal) 구조로 구현하였다.Fig. 6 shows an example in which the structure of the band-pass filter of Fig. 1 is built in a copper-clad laminated board. The inductor is implemented as a 1-layer and 3-layer copper layer. The capacitor is implemented in a metal-insulator-metal (MIM) structure using a film having a high dielectric constant between the second and third layers.

도 7은 도 4의 구조를 기생 인덕터를 구성하였을 때와 구성하지 않았을 때에 대하여 시뮬레이션하여 특성의 차이를 비교해 본 것이다.Fig. 7 is a graph comparing the characteristics of the parasitic inductor with the parasitic inductor when the structure of Fig. 4 is simulated.

Claims (8)

입력단자로부터 인덕터와 캐패시터가 접지 쪽으로 병렬로 연결되어 병렬 공진기를 구성하고 출력단자 쪽으로 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결되어 다른 병렬 공진기를 구성하여 인접 상용 주파수 대역의 대역저지 특성을 향상시킨 구조를 가지는 대역통과 필터The inductor and the capacitor are connected in parallel from the input terminal to the ground to form a parallel resonator and the inductor and the capacitor are connected in parallel to the output terminal to form another parallel resonator to improve the band- Pass filter 제 1항에 있어서, 같은 회로 구조에 접지쪽으로 연결된 병렬 공진기의 캐패시터와 접지 사이에 신호연결을 위한 비아 구조를 이용하여 작은 용략의 기생 인덕터를 형성하여 이미지 주파수 대역에서의 대역저지 특성을 향상시킨 구조를 가지는 대역통과 필터The parasitic inductor according to claim 1, wherein the parasitic inductor is formed by using a via structure for signal connection between the capacitor of the parallel resonator connected to the ground and the ground in the same circuit structure, Band pass filter 제 1항과 2항에 있어서, 본 발명에서 제안한 동일한 회로구조를 디스크리트(discrete) 수동 소자를 이용하여 구성한 대역통과 필터3. The method of claim 1 or 2, wherein the same circuit structure proposed in the present invention is applied to a band pass filter 제 1항과 2항에 있어서, 같은 회로 구조를 갖는 마이크로웨이브 모노리식 집적회로에 인덕터와 캐패시터를 집적하여 구현한 대역통과 필터A band pass filter according to any one of claims 1 and 2, which is implemented by integrating an inductor and a capacitor in a microwave monolithic integrated circuit having the same circuit structure 제 1항과 2항에 있어서, 같은 회로 구조를 갖는 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic) 기술을 이용하여 인덕터와 캐패시터를 내장한 대역통과 필터The method of claim 1 or 2, further comprising the steps of: forming a band-pass filter having an inductor and a capacitor by using a low temperature co-fired ceramic having the same circuit structure 같은 구조로써 내장 인덕터와 내장 캐패시터를 사용하여 유기기판 혹은 독박적층기판 등 다기능성 기판에 내장한 대역통과 필터By using a built-in inductor and a built-in capacitor with the same structure, a band-pass filter 본발명의 회로 구조를 사용하여 마이크로웨이브 모노리식 집적회로로 구현하여 다이플렉서(diplexer), 듀플렉서(duplexer), 저잡음 증폭기(low noise amplifier)나 파워 증폭기(power amplifier)에 응용 가능한 마이크로웨이브 프론트 엔드 모듈(front end module)The circuit structure of the present invention can be implemented as a microwave monolithic integrated circuit and used as a microwave front end applicable to a diplexer, a duplexer, a low noise amplifier, and a power amplifier. Module (front end module) 본 발명의 회로구조를 사용하여 마이크로웨이브 모노리식 집적회로로 구현한 다이플렉서(diplexer), 듀플렉서(duplexer), 트라이 플렉서(tripleA diplexer, a duplexer, and a triplexer implemented in a microwave monolithic integrated circuit using the circuit structure of the present invention,
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