KR20090029363A - Ku 대역 서스펜디드 헤어핀 대역통과 여파기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파수 대역, 예를 들어 Ku 대역에서 사용되도록 구성된 밴드패스 필터에 관한 것이다. 밴드패스 필터를 마이크로스트립 선로 구조가 아닌 서스펜디드 헤어핀 구조로 구성함으로써 이를 이용하는 통신장비 등을 더욱 소형 및 경량화할 수 있으며 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.

밴드패스 필터, 서스펜디드 구조, Ku 대역, 하우징, 유전체 기판, 금속결합 선로

Description

밴드패스 필터 {BAND PASS FILTER}

본 발명은 고주파수 대역, 예를 들어 Ku 대역에서 사용되도록 소형 및 경량으로 구성된 밴드패스 필터에 관한 것이다.

고주파수 대역이 주로 이용되는 마이크로파 공학은 주파수 범위가 약 1GHz 에서 300GHz의 반송주파수를 사용하여 (이를 파장으로 환산하면 약 30cm 에서 1mm 의 범위에 해당한다) 신호를 전달하는 시스템 공학이다. 이와 같은 마이크로파 공학이 주로 사용되는 무선통신 분야의 경우 사용되는 파장이 매우 짧기 때문에 일반 회로이론을 적용하기가 어렵다. 따라서, 고주파수 대역이 주로 이용되는 초고주파 공학에서는 주로 전자장 이론이 적용되며, 고주파수 대역은 위성통신 및 위성방송의 발달에 따라 장거리 무선통신에 폭 넓게 사용되고 있다.

이와 관련하여 초고주파수인 마이크로파 에너지를 전송하기 위한 전송 선로는 주로 동축선로, 도파관, 마이크로스트립선로 등이 사용되어 왔다.

이와 같은 전송선로 중에서 동축선로(coaxial line)는 단면이 동심원형 동축형인 전송 선로를 말하며, 내부 도체와 외부 도체로 구성되어 있으며 텔레비전 신호나 초다중 전화신호 등과 같은 고주파 전압, 전류를 적은 손실로 전송하게 된다.

한편, 도파관(wave guide)은 마이크로파 이상의 높은 주파수(예를 들어 1 GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종인데, 구리 등의 전기도체로 된 관(管)의 내부를 전자기파가 지나가도록 구성한 것이다. 도파관은 일종의 고역 필터 성질을 가지며, 차단 파장보다도 긴 파장의 전파는 전달할 수 없게 된다.

저주파수의 경우 보통 2개의 구리선에 의한 전송로가 사용되지만, 고주파수의 경우에는 구리선의 저항이 증가하고 주위 절연물 등의 유전체 손실도 증가하기 때문에, 전송 손실이 많아져서 구리선을 사용할 수 없게 된다. 그러나, 도파관은 전파를 가둔 상태로 전송하기 때문에 주위의 도체에 전기가 직접 흐르지 않게 되고 이에 따라 저항손실도 적게 된다. 또한, 도파관의 내부는 보통 속이 비어 있고 공기로 채워져 있기 때문에 유전체 손실도 적게 된다. 이와 같은 도파관의 단면 형상은 직사각형 또는 원형으로 이루어져 있으며 내면은 금이나 은으로 도금되어 있다. 크기에 따라 전송 가능한 최저 주파수가 정해져 있으며 대체로 주파수가 높아지면 단면이 작아지게 된다. 무선 송신기의 내부와 안테나 사이의 고주파회로 배선에 주로 사용되며, 입체적인 구성을 가지므로 도파관을 사용한 회로를 입체회로라고도 한다.

마이크로스트립 선로(microstrip line)는 프린트 배선 기술로 만들어지데, 마이크로파가 사용되는 회로를 소형 및 경량으로 제작할 수 있게 된다. 마이크로스트립 선로는 가늘고 긴 평평한 도체와 폭이 넓은 도체를 유전체로 고정시킨 전송 선로인데, 동축 케이블보다 간단하고 소형으로 구성되므로 초고주파 기기의 결합선로에 주로 사용된다.

위에서 설명한 바와 같이, 고주파수 대역, 예를 들어 Ku 대역에서 사용되는 기기로 경량으로 제조하기 위해서는 도파관 구조가 아닌 평면형 다층 구조, 예를 들어 마이크로 스트립 선로 구조를 이용하여야 한다.

이와 같은 마이크로스트립 선로는 마이크로파 트랜지스터나 다른 소자를 직접 장착해서 초소형 기기를 제작하는 데 사용되며, 복수인 선로를 결합해서 공진기나 필터로 이용할 수 있다. 소형 및 경량 부품을 제조하기 위해 사용되는 마이크로스트립 선이 도1에 도시되어 있다.

도1은 종래 기술에 따른 밴드패스 필터의 마이크로스트립 선로 구조를 도시한다. 도1에 도시된 것처럼, 종래의 밴드패스 필터의 경우 금속 기판(100) 상에 제1 유전체층(200)이 결합되고, 제1 유전체층(200)에 제1 마이크로스트립 선로(300)가 결합된다. 또한, 제1 유전체층(200) 위에는 제2 유전체층(210)이 배치되고, 제1 마이크로스트립 선로(300)와 커플링되는 제2 마이크로스트립 선로(310)가 제2 유전체층(210)에 배치되는 구조로 구성된다. 이와 같이, 밴드패스 필터의 마이크로스트립 구조가 다층형으로 구성됨으로써 두 마이크로스트립 선로 사이에서 커플링 효과가 발생 가능하게 된다.

그러나, 도1에 도시된 종래의 밴드패스 필터의 경우에는 접지(ground) 역할을 하는 금속 기판(100) 상에 제1 유전체층(200)이 결합되고, 제1 유전체층(200)에 제1 마이크로스트립 선로(300)가 직접 결합됨으로써, 삽입손실이 증가하는 문제점 이 있었다. 여기서 삽입손실은 대부분 공기중으로 방사되는 전자기파에 의한 손실,유전체에 의한 손실, 금속선로에 의해 발생하는 손실 등으로 분류할 수 있으며, 특히 유전체에 의한 손실이 가장 큰 비중을 차지한다. 종래의 밴드패스 필터의 경우 유전체 금속인 제1 유전체층(200)과 제1 마이크로스트립 선로(300)과 직접 결합함으로써 삽입손실이 크게 증대하게 되었다.

또한, 삽입손실이 증가함으로써 입력신호의 전달이 나빠지게 되는 문제점이 있었다. 즉, 통과대역(band)의 입력단에 들어간 신호가 출력단으로 나오면서 발생한 소자 또는 회로 내부의 손실이 증가하는 문제점이 있었다.

아울러, 밴드패스 필터의 통과 대역이 아닌 인접대역으로부터의 간섭 신호 차단 능력이 저하되는 문제점이 있었다. 즉, 필터의 단수와 Q-factor와 관련이 있는 필터의 기울기가 낮아지게 되며 특히 7 GHz 이상의 높은 주파수 대역에서는 분산특성이 심해지고 손실이 커지는 문제점이 나타나게 된다.

그리고 본 발명의 헤어핀과 달리 직선형 결합선로를 사용함으로써 장비 전체의 길이가 길어지고 장비가 대형화되는 문제점도 있었다.

본 발명은 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로스트립 선로를 접지부와 분리시킴으로써, 삽입손실을 저감하고 인접대역 차단특성을 증대시키는 밴드패스 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, Ku 대역과 같은 고주파수 대역에서 분산특성을 줄일 수 있는 밴드패스 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 마이크로스트립 선로를 직선형으로 결합한 선로가 아닌 헤어핀 구조나 삼각형 구조와 같이 구부러진 형상으로 구성함으로써 통신장비 등의 길이를 줄일 수 있는 밴드패스 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 고주파수의 대역을 통과시키는 밴드패스 필터에 관한 것으로서, 내부가 비어 있는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 수평으로 배치되는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 배치되는 하나 이상의 금속결합 선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 밴드패스 필터에 있어서 상기 금속결합 선로는, 동일한 형상의 단위 금속결합 선로가 일정한 간격을 두고 서로 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 밴드패스 필터에 있어서 상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 헤어핀(hairpin) 형상으로 이루어질 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 밴드패스 필터에 있어서 상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 삼각형 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금속결합 선로 중 대칭되는 최외각의 단위 금속결합 선로는 공진을 방지하기 위한 공진방지 선로를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 알루미늄 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 밴드패스 필터에 의하면, 이동통신이나 위성용으로 사용중인 고주파수 대역, 예를 들어 Ku대역에서 평면형 소형 구조의 장비를 구형할 수가 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 서스펜디드 구조에 의하면, 종래의 마이크로스트립 선로로 문제점인 삽입손실 증대와 인접대역 차단특성 감소효과를 개선할 수 있게 된다.

이를 통해, 부품뿐 아니라 통신장비 전체의 소형화 및 경비절감을 유도할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 서스펜디드 구조를 도시한 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 일 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시 한 평면도, 도 4는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 다른 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시한 평면도, 도 5는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 또 다른 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시한 평면도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밴드패스 필터는 내부가 비어 있는 하우징(10), 유전체 기판(20), 금속결합 선로(30)를 포함한다. 하우징(10)은 그 단면이 사각형 형상으로 이루어져 있으며 그 내부가 비어있어 유전체 기판(20)과 금속결합 선로(30)가 배치 가능하도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 하우징(10)은 바이패스 필터에서 접지(ground)의 역할을 수행한다.

유전체 기판(20)은 하우징(10)의 내부에 배치되는 있는데, 하우징(10)의 중간 부분에 수평으로 배치되며 하우징의 측벽과 연결되어 있다. 유전체 기판(20)과 하우징(10) 사이의 거리, 예를 들어 도2에 B로 도시한 거리에 따라 밴드패스 필터의 공진 대역이 변하게 된다.

금속결합 선로(30)는 도2 내지 도4에 도시된 것처럼 유전체 기판(20) 위에 배치되어 있으며, 일정한 형상을 가진 단위 금속결합 선로들이 다수 배치되어 있다. 단위 금속결합 선로들 사이의 거리 B의 길이에 따라 단위 금속결합 선로들 사이에서의 커플링 작용이 달라지게 되며, 이와 같은 단위 금속결합 선로들 사이의 거리 B도 밴드패스 필터의 통과 대역을 결정하는 인자가 된다.

이와 같이, 본 발명에 다른 밴드패스 필터는 유전체 기판(20) 상면에 금속결합 선로(30)들이 위치하고 유전체 기판(20) 전체가 하우징(10)의 중간 부분에 떠 있는 구조로 구성되어 있다. 이때, 유전체 기판(20)과 하우징(20)이 맞닿는 면이 급전연결선이 된다.

유전체 기판(20) 상에 배치되는 금속결합 선로(30)는, 도3에 도시된 바와 같이, 동일한 형상의 단위 금속결합 선로가 일정한 간격(B)을 두고 서로 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 배치됨으로써 하우징(10)으로부터 전압이 하나의 단위 금속결합 선로로 전달되고 일정한 거리를 두고 인접한 단위 금속결합 선로로 이동하게 된다.

이때, 금속결합 선로(30) 중 단위 금속결합 선로는 헤어핀(hairpin) 형상으로 이루어질 수 있다. 금속결합 선로(30) 중 단위 금속결합 선로가 도3에 도시된 바와 같이 일면이 개방된 헤어핀 형상으로 배치됨으로써 인접 단위 금속결합 선로와의 커플링 효과를 증대시킬 수 있게 된다.

이와 달리, 금속결합 선로(30) 중 단위 금속결합 선로는, 도4에 도시된 바와 같이, 삼각형 형상으로 이루어질 수 있다. 금속결합 선로(30) 중 단위 금속결합 선로가 도4에 도시된 바와 같이 일면이 개방된 삼각형 형상으로 배치됨으로써 인접 단위 금속결합 선로와의 커플링 효과를 증대시킬 수 있게 된다.

이때, 상기 금속결합 선로(30) 중 대칭되는 최외각의 단위 금속결합 선로는, 도5에 도시된 것처럼, 공진을 방지하기 위한 공진방지 선로(30a, 30b)를 더 구비할 수 있다. 금속결합 선로(30) 중 대칭되는 최외각의 단위 금속결합 선로에 공진방지 선로(30a, 30b)가 배치됨으로써 공진기의 통과 대역 이외의 대역에서 발생 가능한 원하지 않는 통과 대역을 제거할 수 있게 된다. 예를 들어 공진 주파수의 2배수 또는 3배수에서 발생하는 원하지 않는 통과 대역을 제거할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 밴드패스 필터에 있어서 대역저지 특성이 향상된 시뮬레이션 결과를 아래와 같이 참고도 1 내지 3으로 도시한다.

<참고도 1> 공진방지 선로가 없는 경우의 주파수 응답특성

<참고도 2> 하나의 공진방지 선로가 있는 경우의 주파수 응답특성

<참고도 3> 2개의 공진방지 선로가 있는 경우의 주파수 응답특성

참고도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 공진방지 선로를 구비함으로써 통과대역 특성이 향상된다는 점을 알 수 있다. 즉, 참고도 3과 같이 2개의 공진방지 선로를 구비함으로써 더욱 넓은 대역폭에서 원하는 신호를 전달할 수가 있게 된다.

한편, 상기 금속결합 선로(30) 중 단위 금속결합 선로는 알루미늄 금속을 포함할 수 있다. 금속결합 선로(30)로는 커플링 효과를 증대하기 위한 여러 금속이 사용될 수 있으며, 알루미늄이 포함된 금속이 사용될 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 밴드패스 필터를 구비함으로써, 종래의 일반적 설계기법에서의 문제점인 삽입손실 증가와 인접대역 차단특성 감소를 극복할 수 있게 된다. 또한, 강결합 서스펜디드 형태의 평면형 구조로 이루어짐으로써 소형 및 경량 제작이 가능하게 된다.

이를 통해, 삽입손실은 1dB이내, 반사손실 -17dB 이하, 대역폭의 0.05 offset 지점에서 30dB 이상의 차단특성을 얻었는데 이는 아래의 참고도 4에 주파수 응답특성 결과로써 도시되어 있다.

<참고도 4> 밴드패스 필터의 주파수 응답특성

한편, 주파수 응답특성과 관련하여 대역통과 필터의 특성을 결정하는 중요한 요소를 구조적으로 봤을 때 크게 2 가지로 분류할 수 있다.

우선, 첫째는 중심 주파수에 해당하는 공진기의 길이가 이에 해당한다. 일반적으로 각각의 공진기는 중심 주파수에서 0.5람다의 길이로 설계를 한다.

둘째, 대역통과 필터의 대역폭과 스커트 특성을 조절할 수 있도록 하는 공진기의 개수와 공진 기사이의 거리가 이에 해당한다. 공진기의 개수와 공진기 사이의 거리는 일단 스커트 특성을 만족할 수 있는 공진기의 개수를 결정하고 그 다 음으로 공진기 사이의 거리를 통해 대역폭을 결정할 수 있게 된다.

예를 들어, 공진기의 길이를 중심 주파수의 0.5람다에 맞추고, 스커트 특성은 공진기의 개수에 비례하므로 스커트 특성에 맞게 공진기의 개수를 정할 수 있다. 공진기의 개수가 많아지면 공간을 많이 차지하므로 적절한 개수를 선택하는 것이 중요하다. 마지막으로 대역폭은 공진기 사이의 거리에 의한 커플링 값으로 결정이 되는데 공진기 사이의 거리가 짧을수록 커플링이 크게 생겨나 대역폭이 상대적으로 늘어나면서 스커트 특성은 약간 감소하게 된다. 이와 반대로, 공진기 사이의 거리가 늘어나면 위의 상황과 반대로 커플링이 감소하며 대역폭이 상대적으로 좁아지고 스커트 특성은 증가하게 된다.

즉, 본 발명에 다른 밴드패스 필터에 있어서, 도2 내지 도4에 도시한 단위 금속결합 선로 사이의 거리(B)와 단위 금속결합 선로의 개수를 조절함으로써 대역폭, 커플링 값, 스커트 특성 등의 조절이 가능하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 밴드패스 필터의 마이크로스트립 선로 구조를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 서스펜디드 구조를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 일 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 다른 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 밴드패스 필터의 또 다른 실시예에 따른 서스펜디드 구조를 도시한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 하우징

20: 유전체 기판

30: 금속결합 선로

30a, 30b: 공진방지 선로

A: 하우징과 기판 사이의 거리

B: 단위 금속결합 선로 사이의 거리

Claims (6)

1. 고주파수의 대역을 통과시키는 밴드패스 필터에 있어서,

   내부가 비어 있는 하우징과,

   상기 하우징의 내부에 수평으로 배치되는 유전체 기판과,

   상기 유전체 기판 상에 배치되는 하나 이상의 금속결합 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속결합 선로는, 동일한 형상의 단위 금속결합 선로가 일정한 간격을 두고 서로 대칭되도록 배치된 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 헤어핀(hairpin) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.
4. 제2항에 있어서,

   상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 삼각형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 금속결합 선로 중 대칭되는 최외각의 단위 금속결합 선로는 공진을 방지하기 위한 공진방지 선로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.
6. 제5항에 있어서,

   상기 금속결합 선로 중 단위 금속결합 선로는 알루미늄 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 밴드패스 필터.

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