KR20100075007A - 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대칭 배치되는 한쌍의 기본 공진기와, 상기 각 기본 공진기를 자계 결합시키는 병렬 인덕턴스를 포함하며, 상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터를 개시하여, 단일 공진기에서 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 병렬 인덕턴스를 형성하는 제2 패턴 폭보다 크게 설정하여, 부하 캐패시턴스가 형성되어, 크기를 소형화할 수 있으며, 기본 주파수보다 4배 주파수에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성되어, 넓은 저지 대역 및 광대역 통과 특성이 우수하며, 단일 공진기를 설계한 이후에 광대역 필터를 설계할 수 있도록 하여 빠른 시간내에 광대역 필터를 설계 및 구현할 수 있도록 하는 것이다.

Description

단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터{singular resonator and broadband filter using therefor}

본 발명은 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터에 대한 것으로, 더욱 상세하게는, 광대역 통과 특성을 가지는 단일 공진기 및 광대역 필터를 설계 구현하여, 빠른 시간내에 설계 및 구현이 가능하며, 높은 주파수 대역에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성되어, 넓은 저지 대역 및 광대역 통과 특성이 우수한 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터에 대한 것이다.

최근 많은 분야의 전자 기기에 무선 통신 기술이 적용되고 있며, 기존의 유선 통신 역시 무선 통신으로 대체되는 추세이다.

이에 따라 초광대역 통신(Ultra Wide Band, UWB), 초고속 무선랜(Wireless LAN), 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등과 같은 다양한 무선 통신 기술이 개발되었고, 무선 통신 기술에 사용되는 무선 소자들의 성능도 급속히 발전하고 있다.

무선 통신 기술 및 성능 발전의 가속화와 함께 무선 통신 소자 및 기기들의 소형화, 경량화 등에 대한 발전도 동시에 급격히 빨라지고 있다.

그러나, 무선 통신 시스템의 기술 발달, 성능 향상 등에 의해 점점 사용량이 증대되고 있는 것과 비례해서, 무선 기기 간의 통신 간섭, 전파 발생원의 증가 등 통신 상의 잡음 요인들도 점점 증가하고 있다.

이에 따라 무선 통신 시스템을 구성하는 소자들에 대해 기본적으로 잡음 또는 고조파에 대한 저항성이 요구되고 있다.

이러한 요구에 발맞춰서 최근 무선 통신 시스템에는 잡음과 고조파 제거에 용이한 평형 신호를 사용하는 증폭기나 믹서 등과 같은 평형 신호 소자 및 목적 주파수의 신호 이외의 저/고조파 신호를 필터링하는 필터(여파기)들의 중요성이 커지고 있으며, 점차 목적 주파수의 광대역 주파수를 사용하고 있으므로, 효율적인 광대역 필터의 설계가 필요하다.

종래에는 무선 통신 기기에 사용되는 광대역 필터를 저역 통과 여파기(LPF : low pass filter)와 고역 통과 여파기(HPF : high pass filter)가 결합된 형태의 필터로 구현하고 있다.

이와 같은 방식은 광대역 필터를 구현하기 위해서는 저역 통과 여파기 및 고역 통과 여파기 각각에 대한 설계가 필요하고, 저역 통과 여파기 및 고역 통과 여파기를 결합한 광대역 필터의 성능을 최적화하기 위한 별도의 과정이 필요하다.

결론적으로 하나의 광대역 필터를 구현하기 위해서 저역 통과 여파기, 고역 통과 여파기를 및 저역 통과 여파기와 고역 통과 여파기를 결합한 광대역 필터를 각각(3번)의 설계 과정이 필요하므로, 광대역 필터를 설계 구현하는 시간이 많이 소모되는 문제가 발생한다.

또한, 종래에는 광대역 필터를 저역 통과 여파기와 고역 통과 여파기의 결합된 형태로 Suspended Substrate에 적합한 광대역 필터를 구현하는 방식이었으나, 이러한 방식은 광대역 필터를 구현하게 되면, 크기면에서 커지게 되는 문제가 발생한다.

따라서, 광대역 필터를 빠른 시간내에 설계 구현할 수 있으며, 특성 및 크기 측면에서 성능이 우수한 광대역 필터의 개발이 필요하다.

본 발명은 상술한 필요성을 충족시키기 위해 제안되는 것으로, 별도의 저역 통과 여파기 및 고역 통과 여파기를 설계 및 결합 과정 없이 빠른 시간내에 설계 가능한 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 광대역 필터의 크기를 소형화하고, 넓은 저지 대역 및 광대역 통과 특성을 가지는 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 단일 공진기는, 대칭 배치되는 한쌍의 기본 공진기와, 상기 각 기본 공진기를 자계 결합시키는 병렬 인덕턴스를 포함하며,

상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 각 기본 공진기는, 크로스 커플링 방식으로 연결되고, 상기 병렬 인덕턴스는, 일측이 상기 각 기본 공진기를 크로스 커플링 연결하고, 타측이 접지(ground)된다.

상기 각 기본 공진기는, 상기 각 패턴 폭 및 전기적 길이로 인해 계단형 임피던스를 형성하며, 상기 제1 패턴 폭에 의해 기본 주파수의 4배 주파수 영역에서 스퓨리어스 통과 대역을 형성한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 광대역 필터는, 한 쌍의 기본 공진기와, 병렬 인덕턴스로 구성되는 다수의 단일 공진기가 T 형태로 배치되어 구현되며,

상기 각 단일 공진기는, 상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되어, 계단형 임피던스를 형성한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 광대역 필터는, 한쌍의 기본 공진기와, 병렬 인덕턴스로 구성되는 다수의 단일 공진기와, 상기 각 단일 공진기 사이에 다수의 K-인버터가 로 배치되어 구현되며,

상기 각 단일 공진기는, 상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되어, 계단형 임피던스를 형성한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 한쌍의 기본 공진기 및 각 기본 공진기를 크로스 커플링 연결하는 병렬 인덕턴스로 구현되어, 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 병렬 인덕턴스를 형성하는 제2 패턴 폭보다 크기 때문에 부하 캐패시턴스가 형성되어, 크기를 소형화할 수 있으며, 기본 주파수보다 4배 주파수에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성되어, 넓은 저지 대역 및 광대역 통과 특성이 우수한 광대역 필터를 구현할 수 있다.

그리고, 광대역 통과 특성을 가지는 단일 공진기를 설계한 이후에 광대역 필터를 설계하므로, 광대역 필터를 빠른 시간내에 설계 및 구현할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 공진기 및 이를 이용한 광대역 필터를 첨부 도면을 참조하여 상세 설명하며, 본 발명의 주된 기술 요지를 흐리거나, 주지된 기술 내용에 대한 상세 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 공진기의 패턴을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 단일 공진기의 특성 임피던스를 설명하기 위한 등가 회로 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)는 1/4 파장 특성을 가지는 제1 공진기(110) 및 제2 공진기(120)가 병렬 인덕턴스(130)에 의해 크로스 커플링 방식으로 연결되고, 병렬 인덕턴스(130)의 일측은 제1 및 제2 공진기(110, 120)에 연결되고, 타측은 접지(ground)된다.

병렬 인덕턴스(130)는 제1 및 제2 공진기(110, 120)를 자계 결합시킨다. 즉 병렬 인덕턴스(130)는 제1 및 제2 공진기(110, 120)와 동일한 패턴으로 구현되며, 제1 및 제2 공진기(110, 120)가 강하게 자계 결합되도록 하여, 넓은 저지 대역을 가짐과 동시에 광대역 통과 특성을 가지도록 한다.

도 2의 인덕터로 표현되는 병렬 인덕턴스(130)의 패턴은 크기가 커질수록 공진기의 공진 주파수간 격차가 넓어지므로, 기본 주파수 및 스퓨리어스 주파수에 따라 병렬 인덕턴스(130)의 패턴 크기를 설계하는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 공진기(110, 120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 계단형 임피던스(Z1, Z2)를 가지며, 폭(W) 및 전기적 길이(L)의 설계로 인해 결정되는 기본 주파수에서 각각 공진을 발생시킨다.

그리고, 제1 및 제2 공진기(110, 120)는 대칭적으로 배치되며, 스퓨리어스(spurious) 통과 대역을 기존의 공진기보다 높이기 위해서 신호가 입/출력(input/output)되는 제1 패턴 폭(W1)을 제2 패턴 폭(W2)보다 넓게 형성하여 부하 커패시턴스가 제1 임피던스(Z1)에 적용되도록 한다.

다음 표 1은 본 발명에 따른 단일 공진기(100)의 임피던스 및 전기적 길이를 설명하기 위한 것이다.

임피던스(Z) (ohm)	Z1	Z2
	25	123
전기적 길이(L) (mm : degree)	L1	L2
	10	9

상기 표 1 과 같이, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)의 제1 전기적 길이(L1)는 10밀리미터, 제2 전기적 길이(L2)는 9밀리미터로 설계하면, 제1 인피던스(Z1)는 25옴, 제2 임피던스(Z2)는 123 옴으로 형성되고, 병렬 인덕턴스(130)의 특성 임피던스(Z) 및 전기적 길이(L)는 123옴에 31도이다.

이때, 인덕터의 크기는 4기가헤르츠(GHz)에서 대략 2.9 나노헬리(nH) 값을 가지게 된다.

도 3a 및 도 3b는 1/4 파장 공진기에 대한 기본 패턴 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 폭(W)이 5.641밀리미터(mm)이고, 길이(L)가 17.588밀리미터로 설계되는 1/4 파장 공진기는 기본 주파수(m1)(4GHz)의 대략 3배되는 주파수(m2)(12GHz)에서 스퓨리어스 통과 대역이 나타나게 된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 단일 공진기의 각 기본 공진기에 대한 기본 패턴 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 폭(W1)이 5.641밀리미터, 제2 폭(W2)이 10.86밀리미터로 형성하고, 제1 전기적 길이(L1)가 5.5밀리미터, 제2 전기적 길이(L2)가 9.36밀리미터로 설정되는 제1 및 제2 공진기(120)는 기본 주파수(m1)인 4GHz의 4배인 16GHz에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)에 적용되는 부하 커패시턴스가 적용된 제1 및 제2 공진기(120), 즉 기본 공진기는 기본 주파수와 스퓨리어스 통과 대역을 가지는 스퓨리어스 주파수간 격차가 부하 커패시턴스에 의해 기본의 공진기보다 커지게 되어, 기존 공진기보다 넓은 저지 대역 특성을 가지게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 기본 공진기(11, 120)는 제1 패턴 폭(W1)이 제2 패턴 폭(W)보다 크기 때문에 부하 커패시턴스가 적용되므로,

/4 파장 특성이 아닌

/8 파장 특성을 가지게 된다.

즉, 종래의 공진기는 기본 주파수의 대략 3배 주파수에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성되나, 본 발명에 따른 기본 공진기(110, 120)는 기본 주파수의 대략 4배 주파수에서 스퓨리어스 통과 대역이 형성되므로, 보다 넓은 저지 대역이 형성됨은 물론, 광대역 통과 특성을 가진다.

또한, 단일 공진기(100)의 기본 공진기(110, 120)는 전기적 길이(L)는 5.5+9.36밀리미터이고, 기존 공진기는 전기적 길이가 17.588밀리미터이므로, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)는 기존의 공진기에 비해 전기적 길이(L)를 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)를 적용하는 광대역 필터를 Suspended Substrate 상에서 구현하는 경우라도 기존의 공진기보다 단일 공진기(100)의 크기가 작기 때문에 적합하게 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 단일 공진기의 특성 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)는 4GHz를 기본 주파수로 설계되어 지면, 스퓨리어스 통과 대역은 13.26GHz로 형성되어, 일반적인 공진기의 통과 대역(12GHz) 보다 대략 1GHz 이상 떨어진 지점에서 통과 대역이 나타나고 있음을 알 수가 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 단일 공진기로 구현되는 광대역 필터를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a는 T형 광대역 필터를 예시한 도면이고, 도 6b는 K-인버터(임피던스 인버터)를 사용한 광대역 필터를 예시한 도면이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 한쌍의 기본 공진기로 구현되는 단일 공진기(100)를 T 형태로 배치하거나, 인피던스 인버팅 기능을 가진 K-인버터(200)를 단일 공진기(100) 사이에 배치하여, 목적하는 광대역 주파수를 통과시키는 광대역 통과 특성을 가지는 광대역 필터를 구현할 수 있다.

즉, 스커드 특성과 감쇄 특성에 맞도록 단일 공진기(100)의 단수를 증가(설계)시킴으로서 다양한 주파수 대역에 적용할 수 있는 광대역 필터를 설계 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)는 넓은 저지 대역 및 광대역 통과 특성을 가지므로, 본 발명에 따른 단일 공진기(100)로 구현되는 광대역 필터는 넓은 저지 대역을 가질 뿐만 아니라, 단일 공진기(100)에 의한 부하 커패시턴스가 형성되므로, 전기적 길이(L)가 기존의 광대역 필터보다 짧아지므로, 전체적인 크기 면에서도 소형화될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 광대역 필터는 단일 공진기(100)에서 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭을 크게 하여, 광대역 통과 특성을 가지기 위한 넓은 측면(Broad side)에서 커플링의 효과를 향상시킬 수 있는 구조를 가진다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 공진기의 패턴을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 단일 공진기의 특성 임피던스를 설명하기 위한 등가 회로 도면.

도 3a 및 도 3b는 1/4 파장 공진기에 대한 기본 패턴 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 단일 공진기의 각 기본 공진기에 대한 기본 패턴 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 단일 공진기의 특성 그래프.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 단일 공진기로 구현되는 광대역 필터를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 광대역 필터 100 : 단일 공진기

110, 120 : 기본 공진기 130 : 병렬 인덕턴스

Z : 임피던스 L : 전기적 길이

W : 패턴 폭

Claims (6)

1. 대칭 배치되는 한쌍의 기본 공진기와,

   상기 각 기본 공진기를 자계 결합시키는 병렬 인덕턴스를 포함하며,

   상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 공진기.
2. 제1 항에 있어서, 상기 각 기본 공진기는,

   크로스 커플링 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 단일 공진기.
3. 제1 항에 있어서, 상기 병렬 인덕턴스는,

   일측이 상기 각 기본 공진기를 크로스 커플링 연결하고, 타측이 접지(ground)되는 것을 특징으로 하는 단일 공진기.
4. 제1 항에 있어서, 상기 각 기본 공진기는,

   상기 각 패턴 폭 및 전기적 길이로 인해 계단형 임피던스를 형성하며, 상기 제1 패턴 폭에 의해 기본 주파수의 4배 주파수 영역에서 스퓨리어스 통과 대역을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일 공진기.
5. 광대역 필터에 있어서,

   한쌍의 기본 공진기와, 병렬 인덕턴스로 구성되는 다수의 단일 공진기가 T 형태로 배치되어 구현되며,

   상기 각 단일 공진기는,

   상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되어, 계단형 임피던스를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 필터.
6. 광대역 필터에 있어서,

   한쌍의 기본 공진기와, 병렬 인덕턴스로 구성되는 다수의 단일 공진기와, 상기 각 단일 공진기 사이에 다수의 K-인버터가 로 배치되어 구현되며,

   상기 각 단일 공진기는,

   상기 각 기본 공진기의 신호가 입/출력되는 제1 패턴 폭이 상기 병렬 인덕턴스로 형성되는 제2 패턴 폭보다 크게 형성되어, 계단형 임피던스를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 필터.

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