KR20120070331A - 대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서 - Google Patents

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강승택
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Abstract

대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서가 개시된다. 듀플렉서는 제1 대역 통과 필터, 제2 대역 통과 필터, 및 제1 대역 통과 필터 및 제2 대역 통과 필터와 연결되는 복수의 위상 조정부를 포함한다. 제1 대역 통과 필터 및 제2 대역 통과 필터 각각은 제1 직렬 공진기, 제2 직렬 공진기, 및 제3 병렬 공진기를 포함한다. 제1 직렬 공진기 및 제2 직렬 공진기 각각은 제1 인터디지털 선로, 제2 인터디지털 선로 및 연결 선로를 포함한다. 병렬 공진기는 직각 패치, 및 접지핀을 포함한다.

Description

대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서{BAND PASS FILTER AND DUPLEXER}
본 발명은 대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 구조 공진기 기반의 대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서에 관한 것이다.
무선 통신 및 이동 통신 기술이 발전함에 따라 통신용 장비 부품들도 소형화, 고성능화 및 저가격화 되어야 할 필요성이 있다. 특히 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)는 낮은 삽입/반사 손실과 높은 주파수 선택성을 가져야 한다. 낮은 삽입/반사 손실과 높은 주파수 선택성을 가지면서 장비를 소형화하기 위해서는 CRLH 구조의 필터 및 복수의 대역 통과 특성을 가진 듀플렉서(Duplexer) 형태의 필터 제작 기술이 요구된다.
다음은 도 1 내지 도 4를 참고하여 종래의 대역 통과 필터를 설명한다.
도 1은 종래의 듀플렉서의 등가 회로를 나타내고, 도 2는 2채널용 국부 소자로 이루어진 듀플렉서 장치를 보여준다. 도 1 및 도 2에서와 같이 차수가 낮은 대역 통과 필터와 국부 소자를 사용하면 공정 가격은 저렴하지만 나쁜 스커트(Skirt) 특성과 낮은 대역 간 격리도를 얻게 된다.
도 3은 종래의 대역 통과 필터를 사용한 듀플렉서의 주파수 응답 특성을 보여준다. 특히 도 3은 도 1 또는 도 2보다 높은 차수의 대역 통과 필터를 사용하여 각 대역의 스커트 특성 및 대역 간 격리도를 향상시킨 듀플렉서의 주파수 응답 특성이다. 그러나 도 3과 같이 수 GHz 용으로 4차 이상의 대역 통과 필터를 설계하게 되면 평면 적층형의 반파장 공진기를 쓰게 되어 물리적 크기가 증가하게 되는 단점이 있다.
도 4는 높은 차수의 대역 통과 필터 설계 회로를 세라믹 구조로 구현한 형태를 보여준다. 이와 같이 높은 차수의 대역 통과 필터에 세라믹 공진기를 사용할 때에는 공정 단계에서 비용 문제가 발생하고, 제품의 부피가 커지게 된다.
따라서 상업용 통신 주파수로 사용 가능한 초광대역의 하반대역(lower-half ultra wideband, lower-half UWB)에 대한 두 개 채널의 통과 필터 및 이들을 결합시킨 듀플렉서의 구현에 있어, 공정 비용을 절감하고 제품의 소형화를 가능하게 하며, 무엇보다도 우수한 스커트 특성과 격리도를 얻을 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 CRLH 구조를 이용하여 장비의 초소형화를 달성할 수 있는 CRLH 구조 공진기 기반의 대역 통과 필터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제1 대역과 제2 대역 통과 필터로서의 특성을 최대한 유지하면서도 우수한 스커트 특성과 높은 격리도를 얻기 위한 대역 통과 필터의 듀플렉서를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 듀플렉서는 제1 대역 통과 필터; 제2 대역 통과 필터; 및 상기 제1 대역 통과 필터 및 상기 제2 대역 통과 필터와 연결되는 복수의 위상 조정부를 한다.
상기 제1 대역 통과 필터 및 제2 대역 통과 필터 각각은 제1 직렬 공진기, 제2 직렬 공진기, 및 제3 병렬 공진기를 포함한다.
상기 제1 직렬 공진기 및 제2 직렬 공진기 각각은 제1 인터디지털 선로, 제2 인터디지털 선로 및 연결 선로를 포함한다.
상기 병렬 공진기는 직각 패치, 및 접지핀을 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, CRLH 구조를 이용하여 대역 통과 필터의 초소형화를 달성할 수 있다.
또한 본 발명의 특징에 따르면, 제1 대역 및 제2 대역 통과 필터로서의 특성을 최대한 유지하면서도 필터 간 위상 조정 등을 통해 우수한 스커트 특성과 높은 격리도를 가지는 대역 통과 필터의 듀플렉서를 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 듀플렉서의 등가 회로를 나타낸다.
도 2는 2채널용 국부 소자로 이루어진 듀플렉서 장치를 보여준다.
도 3은 종래의 대역 통과 필터를 사용한 듀플렉서의 주파수 응답 특성을 보여준다.
도 4는 높은 차수의 대역 통과 필터 설계 회로를 세라믹 구조로 구현한 형태를 보여준다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 등가 회로이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 CRLH 구조 공진기의 등가 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 구성 요소의 구조를 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 CRLH 구조 공진기의 주파수 응답 특성을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 채널 대역통과 여파기의 구조를 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 채널 대역통과 여파기의 3차원 전자장 응답 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서(Duplexer)의 구성도를 보여준다.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서의 구조를 보여준다.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서의 주파수 응답 특성을 보여준다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저 도 5를 참고하여 필터의 초소형화를 위한 CRLH 구조 공진기에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 등가 회로이다.
특히 도 5는 오른쪽 전파 법칙(RH)와 왼손 전파 법칙(LH) 요소들이 결합된 CRLH 구조 공진기의 등가 회로이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기는 직렬 인덕터(102), 직렬 커패시터(104), 2개의 병렬 커패시터(106, 110), 2개의 병렬 인덕터(108, 112)를 포함한다. 직렬 인덕터(102)와 병렬 커패시터(106, 110)는 위상 지연을 만드는 RH의 요소이며, 직렬 커패시터(104)와 병렬 인덕터(108, 112)는 위상 선도(Lead) 현상을 만드는 LH의 요소이다.
마이크로스트립 선로 상에서 RH의 요소는 오른손 전파 현상을 따른다. 이는 자연계에서 흔히 관찰되는 현상이며, 전파의 에너지와 위상의 이동 방향이 동위상인 경우로서 대역 통과 필터의 저역 통과 특성이 이에 해당된다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기는 자연계에는 없는 왼손 전파 현상을 이용한 것으로서, 구현 가능한 직렬 커패시터(104)와 병렬 인덕터(108, 112)의 쌍을 이용한다. 이들이 전파의 에너지와 위상의 이동 방향을 역위상으로 만들고, 이를 마이크로스트립 선로 상에 부착하면 오른손 전파 법칙의 전송 선로에서 생기는 위상 지연이 왼손 전파 법칙에 의한 위상 선도에 의해 서로 상쇄될 수 있다.
즉, RH 요소들의 공진 주파수 및 LH 요소들의 공진 주파수를 동일하게 UWB 하반대역의 두 채널 중심에 맞추는 균형 조건(Balanced condition)이 만족되는 경우, 주파수는 존재하나 위상과 전파 상수가 0이 되어 파장과 무관한 공진이 발생하는 무한 파장 현상이 일어난다(Zeroth Order Resonnance, ZOR).
이 경우, 공진 조건은 공진기의 길이로부터 독립하는 상황이 만들어지기 때문에 대역 통과 필터의 크기가 0.25
Figure pat00001
이하가 될 수 있다. 이와 동시에 인접 공진단들이 결합할 수 있도록 긴 평행 선로를 두어 대역폭을 유지할 수 있다. 따라서 종래의 대역 통과 필터가 0.5
Figure pat00002
의 정수배를 기본 공진 길이로 가지게 되고 다단의 경우 길이가 2
Figure pat00003
를 초과하게 됨에 비해, 본 발명에 의한 대역 통과 필터는 위와 같이 CRLH 구조를 이용함으로써 그 길이를 1/8 수준으로 축소할 수 있게 된다.
이하에서는 도 6 내지 도 13을 참조하여 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기 기반의 대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서에 대해 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 CRLH 구조 공진기의 등가 회로도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 CRLH 구조 공진기는 입력 포트(210), 출력 포트(220), 제1 직렬 공진기(230), 제2 직렬 공진기(240), 및 병렬 공진기(250)를 포함한다. 출력 포트(220), 제1 직렬 공진기(230), 제2 직렬 공진기(240), 및 병렬 공진기(250)는 마이크로스트립 선로로 구성된다. 도 7을 참조하여 제1 직렬 공진기(230), 제2 직렬 공진기(240), 및 병렬 공진기(250)의 구조를 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 구성 요소의 구조를 보여준다. 특히, 도 7의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 제1 직렬 공진기(230)의 구조를 보여주고, 도 7의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 병렬 공진기(250)의 구조를 보여주며, 도 7의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 제2 직렬 공진기(240)의 구조를 보여준다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 제1 직렬 공진기(230)는 제1 인터디지털 선로(231), 제2 인터디지털 선로(232), 및 연결 선로(233)를 포함한다. 연결 선로(233)는 제1 인터디지털 선로(231)와 제2 인터디지털 선로(232)를 연결한다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 병렬 공진기(250)는 직각 패치(251) 및 접지핀(252)을 포함한다.
도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 구조 공진기의 제2 직렬 공진기(240)는 제1 인터디지털 선로(241), 제2 인터디지털 선로(242), 및 연결 선로(243)를 포함한다. 연결 선로(234)는 제1 인터디지털 선로(241)와 제2 인터디지털 선로(242)를 연결한다.
도 7을 참조하면, 제1 인터디지털 선로(231, 241)와 제2 인터디지털 선로(232, 242)는 CRLH 구조 공진기의 구성 요소 중 직렬 커패시턴스 기능을 담당하고 제1 인터디지털 선로(231, 241)와 제2 인터디지털 선로(232, 242)를 연결하는 연결 선로(233, 243)는 직렬 인덕턴스 기능을 담당한다.
한편, 직각 패치(251)와 접지 사이의 간격에 의해 병렬 커패시턴스가 형성되고 접지핀을 통하여 병렬 인덕턴스가 형성된다.
직렬로 연결된 연결 선로(233, 243)와 병렬로 형성되는 직각 패치(251)와 접지의 간격이 위상 지연 현상을 일으키는 RH(Right-Handed)의 요소라면, 제1 인터디지털 선로(231, 241)와 제2 인터디지털 선로(232, 242) 및 병렬로 연결된 접지핀(252)이 위상 선도(Lead) 현상을 일으키는 LH(Left-Handed)의 요소이다. 이러한 RH와 LH 요소가 합쳐지면서 위상 지연과 위상 선도 현상이 총 위상 0을 만들게 되면, 파장과 무관한 공진이 발생하며 상기한 바와 같이 공진기의 크기를 소형화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 CRLH 구조 공진기의 주파수 응답 특성을 보여준다. 특히 도 8은 두 개의 직렬공진기와 한 개의 병렬공진기에 의하여 3개의 극점을 갖는 3차 대역통과 여파기 특성을 나타낸다. 통과 특성인 S21의 위상 응답 결과를 살펴보면, 중심주파수에서 위상 값이 0을 갖게 되어 앞서 설명한 바와 같이 파장과 무관한 공진이 발생됨을 알 수 있다.
CRLH 구조의 메타재질(Metamaterial) 특성을 공진기에 부여하고, 이러한 공진기들을 결합시키면 각 공진기의 CRLH 공진 특성이 바뀌게 된다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 이러한 결합을 이용하면서도 공진기 각각의 메타재질 특성을 유지하고 통과 대역 및 차단 대역을 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 채널 대역통과 여파기의 구조를 보여준다. 특히 도 9는 도 6의 등가 회로를 바탕으로 설계된 CRLH 채널 대역통과 여파기의 물리 구조를 보여준다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 인터디지털 선로(232)의 일측이 직각 패치(251)의 일측과 연결되고, 제2 인터디지털 선로(242)의 일측이 직각 패치(251)의 타측과 연결되어, pi형 CRLH 채널 대역통과 여파기가 된다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 채널 대역통과 여파기의 3차원 전자장 응답 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서(Duplexer)의 구성도를 보여주고, 도 12는 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서의 구조를 보여준다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서는 CRLH 구조 공진기 기반의 제1 대역 통과 필터(310), CRLH 구조 공진기 기반의 제2 대역 통과 필터(320) 및 중앙 처리부(330)를 포함한다. 중앙 처리부(330)는 제1 대역 통과 필터(310) 및 제2 대역 통과 필터(320)와 연결되고, 3개의 위상 조정부(331, 332, 333)를 포함한다.
제1 대역 통과 필터(310) 및 제2 대역 통과 필터(320)는 도 5 내지 도 10을 통해 설명한 것과 같은 CRLH 구조 공진기 기반의 대역 통과 필터이다. 이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, CRLH 구조의 매타재질 특성을 이용한 필터가 듀플렉서 형태로 결합되어, 통과 대역 간 격리도(Isolation)가 상용 통신에서 수용될 수 있다.
3개의 위상 조정부(331, 332, 333)는 제1 대역 통과 필터(310) 및 제2 대역 통과 필터(320)를 통해 들어온 신호의 위상을 조정하는 역할을 한다. 각각의 필터가 높은 스커트 특성을 가지도록 잘 구현되었더라도, 이를 듀플렉서 형태로 결합시키게 되면 각 필터의 주파수 특성이 많이 깨지는 경우가 발생할 수 있다. 개의 위상 조정부(331, 332, 333)는 이러한 현상을 방지하기 위해 각 필터를 통해 들어온 신호 간 위상 차를 반영하여 그 위상을 조정함으로써, 각 필터의 통과 대역 특성을 최대한 유지할 수 있도록 한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 대역 통과 필터의 듀플렉서의 주파수 응답 특성을 보여준다. 특히 도 13은 본 발명의 실시예에 의한 UWB 하반대역용 두 채널의 대역 통과 필터를 결합한 듀플렉서의 주파수 응답 특성이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 3.4GHz 부근의 제1 채널 대역과 4.5GHz 부근의 제2 채널 대역에 통과 대역이 형성된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
직렬 인덕터(102), 직렬 커패시터(104), 병렬 커패시터(106),
병렬 커패시터(110), 병렬 인덕터(108), 병렬 인덕터(112)
입력 포트(210), 출력 포트(220), 제1 직렬 공진기(230),
제2 직렬 공진기(240), 병렬 공진기(250),
제1 인터디지털 선로(231), 제2 인터디지털 선로(232), 연결 선로(233),
직각 패치(251), 접지핀(252),
제1 인터디지털 선로(241), 제2 인터디지털 선로(242), 연결 선로(243)
제1 대역 통과 필터(310), 제2 대역 통과 필터(320), 중앙 처리부(330),
위상 조정부(331, 332, 333)

Claims (1)

  1. 제1 대역 통과 필터;
    제2 대역 통과 필터; 및
    상기 제1 대역 통과 필터 및 상기 제2 대역 통과 필터와 연결되는 복수의 위상 조정부를 포함하고,
    상기 제1 대역 통과 필터 및 제2 대역 통과 필터 각각은 제1 직렬 공진기, 제2 직렬 공진기, 및 제3 병렬 공진기를 포함하고,
    상기 제1 직렬 공진기 및 제2 직렬 공진기 각각은 제1 인터디지털 선로, 제2 인터디지털 선로 및 연결 선로를 포함하고,
    상기 병렬 공진기는 직각 패치, 및 접지핀을 포함하는 듀플렉서.
KR1020100131848A 2010-12-21 2010-12-21 대역 통과 필터 및 이를 이용한 듀플렉서 KR20120070331A (ko)

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