KR20180134524A - 멀티플렉서 - Google Patents

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KR20180134524A
KR20180134524A KR1020170072351A KR20170072351A KR20180134524A KR 20180134524 A KR20180134524 A KR 20180134524A KR 1020170072351 A KR1020170072351 A KR 1020170072351A KR 20170072351 A KR20170072351 A KR 20170072351A KR 20180134524 A KR20180134524 A KR 20180134524A
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하정도
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(주)와이솔
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Abstract

본 발명에 따른 멀티플렉서는, 안테나와 연결되어 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 복수 개의 필터들; 및 상기 복수 개의 필터들 중 어느 하나인 제1 필터의 중심 주파수와 일정 주파수 간격 이상의 중심 주파수를 갖는 다른 필터들과 상기 안테나 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제1 매칭소자를 포함한다.

Description

멀티플렉서{Multiplexer}
본 발명은 멀티플렉서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나와 연결되어 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 복수개의 필터를 포함하는 멀티플렉서에 관한 것이다.
현재, 이동통신기기는 다중밴드(Multiband) 및 다중모드(Multimode)의 통신 기능을 갖추는 추세이며, 따라서 RF 프론트 엔드 모듈에는 멀티플렉서가 필수적으로 구비된다.
멀티플렉서는 통상적으로 안테나와 연결되어 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 복수개의 필터를 포함하며, 이들 복수개의 필터는 저역통과필터(lowpass filter), 대역통과필터(bandpass filter), 또는 고역통과필터(highpass filter)로 구성된다.
그런데 기존의 멀티플렉서는 저역통과필터, 대역통과필터 및 고역통과필터가 함께 구비되어 있으며, 이러한 저역통과필터 및 대역통과필터와 고역통과필터의 중심 주파수가 1GHz 이상 차이가 발생함으로 인해, 저역통과필터 및 대역통과필터와 고역통과필터 각각에서 삽입 손실(insertion loss)이 발생한다. 특히, 저역통과필터 및 대역통과필터와 고역통과필터의 중심 주파수의 주파수 간격이 커질수록 고역통과필터에서 삽입 손실이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수개의 필터들을 포함하며, 필터들 간의 중심 주파수의 주파수 간격이 큰 경우에도, 필터들의 삽입 손실을 최소화시킬 수 있도록 하는 멀티플렉서를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티플렉서는, 안테나와 연결되어 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 복수 개의 필터들; 및 상기 복수 개의 필터들 중 어느 하나인 제1 필터의 중심 주파수와 일정 주파수 간격 이상의 중심 주파수를 갖는 다른 필터들과 상기 안테나 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제1 매칭소자를 포함한다.
상기 일정 주파수 간격은 적어도 1GHz 이상일 수 있다.
상기 복수 개의 필터들은, 무선 통신을 위한 주파수 대역 중 제1 주파수 대역을 갖는 상기 제1 필터; 상기 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역을 가지며, 상기 제2 주파수 대역의 중심 주파수가 상기 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 상기 일정 주파수 간격 이상 낮은 제2 필터; 및 상기 제1 주파수 대역보다 낮은 제3 주파수 대역을 가지며, 상기 제3 주파수 대역의 중심 주파수가 상기 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 상기 일정 주파수 간격 이상 낮은 제3 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 주파수 대역 및 상기 제2 주파수 대역은 비면허 주파수 대역에 대응하고, 상기 제3 주파수 대역은 GPS 주파수 대역에 대응하는 것일 수 있다.
상기 제1 필터는 LC 필터이고, 상기 제2 필터 및 상기 제3 필터 중 적어도 하나는 SAW 필터일 수 있다.
상기 제1 매칭소자는, 인덕터 및 커패시터를 병렬 연결한 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 매칭소자는, 상기 인덕터 및 상기 커패시터의 일단이 상기 안테나와 상기 제1 필터의 공통 단자와 연결되고, 상기 인덕터 및 상기 커패시터의 타단이 상기 제2 필터 및 제3 필터의 공통 단자와 연결된 것일 수 있다.
상기 제1 매칭소자는, 임피던스 매칭을 위해 상기 인덕터 및 상기 커패시터의 소자 특성이 다음의 수학식을 만족하는 것일 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
Figure pat00002
이때, 상기 L은 상기 인덕터의 인덕턴스 크기를 의미하고, 상기 C는 상기 커패시터의 커패시턴스 크기를 의미하고, 상기 F1은 상기 제1 필터의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F2는 상기 제2 필터의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F3은 상기 제3 필터의 중심 주파수를 의미한다.
상기 제1 매칭소자는, 상기 제1 필터의 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수와 상기 제2 필터 및 상기 제3 필터의 주파수 대역들 중 가장 높은 주파수 사이에 공진 주파수가 위치하도록 임피던스를 매칭시킬 수 있다.
상기 제1 필터 및 상기 제1 매칭소자 중 적어도 하나는 상기 제2 필터 및 상기 제3 필터의 패키지 내에 함께 임베디드된 것일 수 있다.
상기 멀티플렉서는 상기 안테나와 접지 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제2 매칭소자를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 복수의 필터들을 구비하는 멀티플렉서에서, 고역통과필터의 중심 주파수와 일정 주파수 간격 이상의 차이가 있는 중심 주파수를 갖는 다른 필터들과 안테나 사이에 임피던스를 매칭하는 매칭소자를 포함함으로써, 각 필터들에서 발생할 수 있는 삽입 손실을 최소화할 수 있으며, 이로 인해, 데이터 왜곡 또는 데이터 전송속도의 감소를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티플렉서를 설명하기 위한 구성 블록도
도 2는 2.4GHz 주파수 대역을 통과시키는 제2 필터와 안테나 간의 스미스 차트를 예시한다.
도 3은 1.5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제3 필터와 안테나 간의 스미스 차트를 예시한다.
도 4는 5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제1 필터와 안테나 간의 스미스 차트를 예시한다.
도 5는 제1 매칭소자의 임피던스 매칭에 따른 통과 특성에 대한 S 파라미터 그래프를 예시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.　
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　또한, 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티플렉서(100)를 설명하기 위한 구성 블록도로서, 안테나(110), 제1 필터(120), 제2 필터(130), 제3 필터(140), 제1 매칭소자(150) 및 제2 매칭소자(160)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 일 실시예의 멀티플렉서(100)는 병렬 연결된 3개의 제1 필터(120), 제2 필터(130), 제3 필터(140)로 구성되는 것을 예로 들었으나(트리플렉서(triplexer)로 칭해짐), 병렬 연결된 2개의 필터로 구성될 수도 있고(다이플렉서(diplexer로 칭해짐), 병렬 연결된 4개의 필터로 구성될 수도 있으며(쿼드플렉서(quadplexer)로 칭해짐), 나아가 병렬 연결된 5개의 필터(퀸트플렉서(quintplexer)로 칭해짐) 또는 그 이상의 필터로 구성될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 멀티플렉서(100)는 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키기 위해 병렬로 연결된 제1 내지 제3 필터(120, 130, 140) 중 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)와 안테나(100) 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제1 매칭소자(150)를 포함한다. 또한, 멀티플렉서(100)는 안테나(100)와 접지 사이에 연결되어 있는 제2 매칭소자(160)를 포함한다.
제1 내지 제3 필터(120, 130, 140)는 특정 주파수 대역의 신호만 통과시키고 그 외의 대역의 신호는 차단시키는 기능을 한다. 제1 내지 제3 필터(120, 130, 140)는 다양한 주파수들이 혼재하는 무선 통신 환경에서 원하는 대역의 주파수 신호만을 선택적으로 송수신할 수 있도록 한다. 즉, 제1 내지 제3 필터(120, 130, 140)는 여러 대역의 주파수 신호가 섞인 변조파가 수신되면 필터가 원하는 대역의 주파수 신호만 선택하고 나머지 주파수는 제거하는 필터링 과정을 수행한다. 제1 내지 제3 필터(120, 130, 140)는 서로 다른 통과대역을 갖는다는 점에서, 저역통과필터(lowpass filter, LPF), 대역통과필터(bandpass filter, BPF), 고역통과필터(highpass filter, HPF)일 수 있다. 예컨대, 통과 대역의 주파수가 제1 필터(120), 제2 필터(130), 제3 필터(140) 순으로 크다면, 제1 필터(210)는 고역통과필터일 수 있으며, 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)는 대역통과필터 또는 저역통과필터일 수 있다.
제1 필터(120)는 안테나(110)와 직접 연결되어 있으며, 무선 통신을 위한 주파수 대역 중 제1 주파수 대역의 신호를 통과시킨다. 여기서, 제1 주파수 대역은 비면허 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, 비면허 주파수 대역은 5GHz의 주파수 대역(즉, 5GHz WiFi 주파수 대역)을 예시할 수 있다.
제1 필터(120)는 필터의 요구되는 통과대역폭과 통과대역 간의 간격을 고려하여 LC 필터를 사용할 수 있다. LC 필터는 넓은 통과 대역을 구현하기에는 적합하다. 통과 대역폭이 상대적으로 큰 주파수 대역 또는 이웃한 두 통과대역 간의 주파수 간격이 큰 경우에 LC 필터를 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1 필터(120)가 5GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터이고, 제2 필터(130)가 2.4GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터이고, 또한, 제3 필터(140)가 1.5GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터라면, 5GHz 주파수 대역은 2.4GHz 주파수 대역 또는 1.5GHz 주파수 대역과 주파수 간격이 상당히 떨어져 있고 통과대역폭이 크다. 따라서, 제1 필터(120)는 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)와의 주파수 간격 및 통과대역폭에 따라 LC 필터를 사용할 수 있다.
제1 필터(120)는 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)의 패키지 내에 함께 임베디드될 수 있다. 예를 들어, 제1 필터(120)가 LC 필터의 경우에, LC 필터를 구성하는 인덕터와 커패시터는 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)를 구성하는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 또는 PCB와 같은 패키지 내에 임베디드되거나, 인덕터와 커패시터의 전부 또는 일부로 상용 인덕터나 상용 커패시터를 사용하여 패키지에 SMT(Surface Mounter Technology)를 이용하여 실장될 수 있다.
제2 필터(130)는 제1 매칭소자(150)와 직렬로 연결되어 있으며, 무선 통신을 위한 주파수 대역 중 제2 주파수 대역의 신호를 통과시킨다. 여기서, 제2 주파수 대역은 비면허 주파수 대역일 수 있다. 제2 필터(130)는 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역을 통과시키며, 제2 주파수 대역의 중심 주파수가 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 일정 주파수 간격 이상 낮은 것일 수 있다. 예를 들어, 제2 주파수 대역은 2.4GHz의 비면허 주파수 대역(즉, 2.4GHz WiFi 주파수 대역)을 예시할 수 있다. 제1 필터(120)의 제1 주파수 대역이 5GHz이고 제2 필터(130)는 제2 주파수 대역이 2.4GHz에 해당하는 경우에, 제2 주파수 대역의 중심 주파수인 2.445GHz는 제1 주파수 대역의 중심 주파수인 5.5GHz보다 일정 주파수 간격(예를 들어, 1GHz) 이상의 차이가 있음을 확인할 수 있다.
제3 필터(140)는 제1 매칭소자(150)와 직렬로 연결되어 있으며, 아울러, 제1 매칭소자(150)와 연결된 제2 필터(130)의 일단과 병렬로 연결되어 있다. 제3 필터(140)는 무선 통신을 위한 주파수 대역으로서 제3 주파수 대역의 신호를 통과시킨다. 이때, 제3 필터(140)는 제1 주파수 대역보다 낮은 제3 주파수 대역을 통과시키며, 제3 주파수 대역의 중심 주파수가 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 일정 주파수 간격 이상 낮은 것일 수 있다. 여기서, 제3 주파수 대역은 GPS 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, GPS 주파수 대역은 1.5GHz 또는 1.2GHz의 주파수 대역을 예시할 수 있다. 제1 필터(120)의 제1 주파수 대역이 5GHz이고 제3 필터(140)의 주파수 대역이 1.5GHz에 해당하는 경우에, 제3 주파수 대역의 중심 주파수인 1.575GHz는 제1 주파수 대역의 중심 주파수인 5.5GHz보다 일정 주파수 간격(예를 들어, 1GHz) 이상의 차이가 있음을 확인할 수 있다.
제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)는 필터의 요구되는 통과대역폭과 통과대역 간의 간격을 고려하여 SAW(표면탄성파; surface acoustic wave) 필터를 사용할 수 있다. SAW 필터는 LC 필터에 비하여 넓은 통과대역을 구현하기는 어렵지만, 스커트(skirt) 특성이 양호한 장점이 있다. 스커트 특성이란 통과대역(pass band)과 저지대역(stop band)이 얼마나 잘 구분되느냐를 말하는 것으로, 스커트 특성이 좋다는 것은 통과대역과 저지대역 사이의 천이대역(transition band)의 기울기가 가파름을 의미한다.
표면탄성파는 탄성체 기판(Substrate)의 표면을 따라 전파되는 음향파이며, 압전 효과의 결과로서 전기 신호로부터 음향파가 생성된다. 음향파의 전계는 기판 표면 부근에 집중되어, 표면 바로 위에 놓인 다른 반도체의 전도 전자와 상호 작용할 수 있으며, 음향파가 전파하는 기판과 반도체를 물리적으로 분리시킴으로써 시스템 내의 에너지 손실을 최소화하기 위한 매질의 선택이 가능하다. 이러한 특성을 가진 표면 탄성파와 반도체 전도 전자의 상호 작용을 이용하여 전자 회로를 전자 기계적 소자로 대치한 것이 SAW 필터이다. SAW 필터는 주파수 선택도를 제공하기 위한 RF 또는 IF 필터 칩으로 응용되며, 희망 주파수는 통과시키고 불필요한 주파수는 제거하는 기능을 수행할 수 있다.
따라서, 각 필터의 요구되는 통과 대역폭과 통과대역 간의 간격을 고려하여 LC 필터와 SAW 필터를 함께 사용하면, LC 필터와 SAW 필터의 장점을 모두 활용할 수 있다. 통과대역폭이 상대적으로 큰 주파수 대역을 갖는 제1 필터(120)는 전술한 바와 같이 LC 필터를 사용하고, 통과 대역폭이 상대적으로 작은 주파수 대역을 갖는 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)는 SAW 필터를 사용할 수 있다. 즉, 이웃한 두 통과대역 간의 주파수 간격이 좁은 경우 둘 중 하나 혹은 양쪽 모두 SAW 필터를 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1 필터(120)가 5GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터이고, 제2 필터(130)가 2.4GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터이고, 또한, 제3 필터(140)가 1.5GHz 주파수 대역을 통과시키는 필터라면, 2.4GHz 주파수 대역과 1.5GHz 주파수 대역은 통과대역폭이 비교적 작고 주파수 대역간의 간격이 좁으므로, 제2 필터(130)와 제3 필터(140)는 SAW 필터를 사용할 수 있으며, 또한, BAW(bulk acoustic wave), FBAR(film bulk acoustic resonator) 등을 조합하여 사용할 수도 있다.
제1 매칭소자(150)는 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)와 안테나(110) 사이에 직렬 연결되어 임피던스를 매칭한다. 제1 매칭소자(150)의 일단은 안테나(110)와 제1 필터(120)의 공통 단자(CN1)와 직렬 연결되고, 제1 매칭소자(150)의 타단은 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)의 공통 단자(CN2)와 직렬 연결된 것일 수 있다. 이때, 제1 매칭소자(150)의 일단과 연결되는 제1 필터(120)와 제1 매칭소자(150)의 타단과 연결되는 제2 필터(130) 및 제3 필터(140) 사이의 주파수 대역은 일정 주파수 간격 이상일 수 있다. 여기서, 일정 주파수 간격은 1GHz 이상을 예시할 수 있다. 예를 들어, 제1 필터(120)가 5GHz 주파수 대역의 필터이고, 제2 필터(130)가 2.4GHz 주파수 대역의 필터이고, 제3 필터(140)가 1.5GHz 주파수 대역의 필터라면, 제1 필터(120)의 중심 주파수는 5.5GHz이고, 제2 필터(130)의 중심 주파수는 2.445GHz이며, 제3 필터(140)의 중심 주파수는 1.575GHz일 수 있다. 이에 따라, 제1 필터(120)의 중심 주파수와 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)의 중심 주파수 간에는 1GHz 이상의 주파수 간격이 있음을 확인할 수 있다.
제1 매칭소자(150)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 병렬 연결하여 구성할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 매칭소자(150)의 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 일단은 안테나(110)와 제1 필터(120)의 공통 단자(CN1)와 연결되고, 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 타단은 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)의 공통 단자(CN2)와 연결될 수 있다.
제1 매칭소자(150)는 임피던스 매칭을 위해 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 소자 특성이 다음의 수학식 1 및 수학식 2를 만족하도록 구성할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이때, 상기 L은 인덕터(L)의 인덕턴스 크기를 의미하고, 상기 C는 커패시터(C)의 커패시턴스 크기를 의미하고, F1은 상기 제1 필터(120)의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F2는 상기 제2 필터(130)의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F3은 상기 제3 필터(140)의 중심 주파수를 의미한다.
예를 들어, 제1 필터(120)의 중심 주파수는 5.5GHz이고, 제2 필터(130)의 중심 주파수는 2.445GHz이며, 제3 필터(140)의 중심 주파수는 1.575GHz이라면, 수학식 2에 의해, freq = 5.5 - (2.445 - 1.575)/2 = 5.065이 산출될 수 있다. 수학식 2에 의해 산출된 freq=5.065의 값이 수학식 1을 만족하도록 제1 매칭소자(150)의 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 소자 특성이 결정될 수 있다.
또한, 제1 매칭소자(150)는 제1 필터(120)의 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수와 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)의 주파수 대역들 중 가장 높은 주파수 사이에 공진 주파수가 위치하도록 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 소자 특성을 결정함으로써, 제1 필터(120)와 제2 필터(130) 및 제3 필터(140) 사이의 임피던스를 매칭시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 필터(120)가 5GHz 주파수 대역의 필터인 경우에 사용 주파수 범위는 5.15GHz부터 5.725GHz까지이며, 제2 필터(130)가 2.4GHz 주파수 대역의 필터인 경우에 사용 주파수 범위는 2.412GHz부터 2.484GHz까지이며, 제3 필터(140)가 1.5GHz 주파수 대역의 필터인 경우에 사용 주파수 범위는 1.525GHz부터 1.710GHz까지일 수 있다. 이 경우에, 제1 필터(120)의 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수에 해당하는 5.15GHz와 제2 필터(130) 및 상기 제3 필터(140)의 주파수 대역들 중 가장 높은 주파수에 해당하는 2.484GHz 사이에 제1 매칭소자(150)의 공진 주파수가 위치하도록 제1 매칭소자(150)의 인덕터와 커패시터에 대한 소자 특성(예들 들어, 인덕턴스 및 커패시턴스)이 결정될 수 있다.
제1 매칭소자(150)를 구성하는 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 소자 특성이 수학식 1 및 2를 만족하도록 하거나, 제1 매칭소자(150)의 공진 주파수가 제1 필터의 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수와 제2 필터 및 제3 필터의 주파수 대역들 중 가장 높은 주파수 사이에 위치하도록 함으로써, 중심 주파수가 1GHz 이상 떨어진 2 이상의 필터들을 하나의 입력 또는 출력으로 묶을 때 나타날 수 있는 삽입 손실(Insertion Loss)을 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 제1 매칭소자(150)의 임피던스 매칭에 따라 삽입 손실이 최소화되는 것을 설명하기 위한 스미스 차트를 예시하는 참조도이다.
도 2는 2.4GHz 주파수 대역을 통과시키는 제2 필터(130)와 안테나(110) 간의 스미스 차트를 예시한다. 도 2의 (a)는 안테나(110)의 단자(N1)에서 바라본 반사계수(S11)의 거동을 나타내고, 도 2의 (b)는 제2 필터(130)의 단자(N3)에서 바라본 반사계수(S33)의 거동을 나타낸다.
도 2의 (a)를 참조하면, 식별 기호 S11_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S11_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, S11_NOMAT 및 S11_MAT는 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어나지 않는 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 스미스 차트의 중심 부근에서 거동한다는 것은 필터의 동작 특성이 양호함을 의미한다.
또한, 도 2의 (b)를 참조하면, 식별 기호 S33_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 제2 필터(130)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S33_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 제2 필터(130)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다. 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, S33_NOMAT 및 S33_MAT의 경우에도 S11_NOMAT 및 S11_MAT와 마찬가지로 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어나지 않는 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다.
도 3은 1.5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제3 필터(140)와 안테나(110) 간의 스미스 차트를 예시한다. 도 3의 (a)는 안테나(110)의 단자(N1)에서 바라본 반사계수(S11)의 거동을 나타내고, 도 3의 (b)는 제3 필터(140)의 단자(N4)에서 바라본 반사계수(S44)의 거동을 나타낸다.
도 3의 (a)를 참조하면, 식별 기호 S11_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S11_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, S11_NOMAT 및 S11_MAT는 서로 이격되어 있지만 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어나지 않는 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 3의 (b)를 참조하면, 식별 기호 S44_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 제3 필터(140)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S44_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 제3 필터(140)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, S44_NOMAT 및 S44_MAT의 경우에도 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어나지 않는 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제1 필터(120)와 안테나(110) 간의 스미스 차트를 예시한다. 도 4의 (a)는 안테나(110)의 단자(N1)에서 바라본 반사계수(S11)의 거동을 나타내고, 도 4의 (b)는 제1 필터(120)의 단자(N2)에서 바라본 반사계수(S22)의 거동을 나타낸다.
도 4의 (a)를 참조하면, 식별 기호 S11_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S11_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, S11_NOMAT는 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어난 상태에서 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 그 이유는, 제1 필터(120)가 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)에 비해서 1GHz 이상 차이나는 주파수 대역을 필터링함으로 인해, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 제1 필터(120)로 양호하게 출력되지 못하고 있음을 나타내며, 이는 필터의 동작 특성이 양호하지 않다는 것을 의미한다. 이에 비해, S11_MAT는 스미스 차트의 중심에서 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 그 이유는, 제1 필터(120)가 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)에 비해서 1GHz 이상 차이나는 주파수 대역을 필터링함에도 불구하고, 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭이 이루어짐으로 인해, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 제1 필터(120)로 양호하게 출력되고 있음을 나타낸다.
도 4의 (b)를 참조하면, 식별 기호 S22_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 제1 필터(120)에서 바라본 반사 계수의 거동을 의미한다. 또한, 식별 기호 S22_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 제1 필터(120)에서 바라본 반사 계수 거동을 의미한다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, S22_NOMAT는 스미스 차트의 중심에서 크게 벗어난 상태에서 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 그 이유는, 도 4의 (a)에 기재된 바와 같이, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 제1 필터(120)로 양호하게 출력되지 못하고 있기 때문이다. 이에 비해, S22_MAT는 스미스 차트의 중심에서 거동을 하고 있음을 확인할 수 있다. 그 이유는, 도 4의 (a)에 기재된 바와 같이, 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭이 이루어짐으로 인해, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 제1 필터(120)로 양호하게 출력되고 있기 때문이다.
도 5는 제1 매칭소자(150)의 임피던스 매칭에 따른 통과 특성에 대한 S 파라미터 그래프를 예시한다.
도 5의 (a)는 2.4GHz 주파수 대역을 통과시키는 제2 필터(130)의 통과 특성을 나타낸다. 식별 기호 S31_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)와 제2 필터(130) 사이의 통과 특성을 나타낸다. 또한, 식별 기호 S31_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)와 제2 필터(130) 사이의 통과 특성을 나타낸다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 임피던스 매칭 여부에 상관 없이, 안테나(110)에 입력되는 2.4GHz 주파수 대역의 신호가 제2 필터(130)를 통해 양호하게 출력되고 있음을 나타낸다.
도 5의 (b)는 1.5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제3 필터(140)의 통과 특성을 나타낸다. 식별 기호 S41_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)와 제3 필터(140) 사이의 통과 특성을 나타낸다. 또한, 식별 기호 S41_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)와 제3 필터(140) 사이의 통과 특성을 나타낸다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 임피던스 매칭 여부에 상관 없이, 안테나(110)에 입력되는 1.5GHz 주파수 대역의 신호가 제3 필터(140)를 통해 양호하게 출력되고 있음을 나타낸다.
도 5의 (c)는 5GHz 주파수 대역을 통과시키는 제1 필터(120)의 통과 특성을 나타낸다. 식별 기호 S21_NOMAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되지 않은 상태에서의 안테나(110)와 제1 필터(120) 사이의 통과 특성을 나타낸다. 또한, 식별 기호 S21_MAT는 멀티플렉서(100)에 제1 매칭소자(150)가 구비되어 임피던스 매칭된 상태에서의 안테나(110)와 제1 필터(120) 사이의 통과 특성을 나타낸다.
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, S21_NOMAT는 제1 필터(120)에서 출력되는 신호의 크기가 -10dB만큼 감소된 것을 확인시킨다. 그 이유는, 제1 필터(120)가 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)에 비해서 1GHz 이상 차이나는 주파수 대역을 필터링함으로 인해, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 제1 필터(120)로 양호하게 출력되지 못하고 삽입 손실이 발생하기 때문이다. 이에 비해, S21_MAT는 제1 필터(120)에서 출력되는 신호의 크기가 5GHz 주파수 대역에서 거의 손실 없이 출력되는 것을 확인시킨다. 그 이유는, 제1 필터(120)가 제2 필터(130) 또는 제3 필터(140)에 비해서 1GHz 이상 차이나는 주파수 대역을 필터링함에도 불구하고, 안테나(110)에서 입력되는 신호가 손실되지 않도록 제1 매칭소자(150)에 의해 임피던스 매칭이 이루어짐으로써, 제1 필터(120)로 신호가 손실없이 출력될 수 있다.
제2 매칭소자(160)는 안테나(110)와 접지 사이에 연결되어 임피던스를 매칭한다. 제2 매칭소자(160)는 제1 내지 제3 필터(120, 130, 140)와 안테나(100)를 연결하는 공통 단자(CN1)와 접지 사이에 연결되어 임피던스를 매칭한다. 즉, 제2 매칭소자(160)는 안테나(110)와 수신단 및/또는 송신단 사이의 임피던스를 매칭한다. 제2 매칭소자(160)는 매칭되는 임피던스에 따라 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수 있으며, 임피던스 매칭을 통해 최대전력의 신호를 전달할 수 있다.
한편, 제1 매칭소자(150) 및 제2 매칭소자(160)는 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)의 패키지 내에 함께 임베디드될 수 있다. 제1 매칭소자(150) 및 제2 매칭소자(160)는 제2 필터(130) 및 제3 필터(140)를 구성하는 HTCC(High Temperature Co-Fired Ceramic), LTCC, 또는 PCB와 같은 패키지 내에 임베디드 패턴으로 구현되거나, 인덕터와 커패시터의 전부 또는 일부로 상용 인덕터나 상용 커패시터를 사용하여 패키지에 SMT를 이용하여 실장될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 멀티플렉서
110: 안테나
120: 제1 필터
130: 제2 필터
140: 제3 필터
150: 제1 매칭소자
160: 제2 매칭소자

Claims (11)

  1. 안테나와 연결되어 서로 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 복수 개의 필터들; 및
    상기 복수 개의 필터들 중 어느 하나인 제1 필터의 중심 주파수와 일정 주파수 간격 이상의 중심 주파수를 갖는 다른 필터들과 상기 안테나 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제1 매칭소자를 포함하는 멀티플렉서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일정 주파수 간격은 적어도 1GHz 이상인 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 필터들은,
    무선 통신을 위한 주파수 대역 중 제1 주파수 대역을 갖는 상기 제1 필터;
    상기 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역을 가지며, 상기 제2 주파수 대역의 중심 주파수가 상기 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 상기 일정 주파수 간격 이상 낮은 제2 필터; 및
    상기 제1 주파수 대역보다 낮은 제3 주파수 대역을 가지며, 상기 제3 주파수 대역의 중심 주파수가 상기 제1 주파수 대역의 중심 주파수보다 상기 일정 주파수 간격 이상 낮은 제3 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 주파수 대역 및 상기 제2 주파수 대역은 비면허 주파수 대역에 대응하고, 상기 제3 주파수 대역은 GPS 주파수 대역에 대응하는 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 필터는 LC 필터이고,
    상기 제2 필터 및 상기 제3 필터 중 적어도 하나는 SAW 필터인 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 매칭소자는,
    인덕터 및 커패시터를 병렬 연결한 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 매칭소자는,
    상기 인덕터 및 상기 커패시터의 일단이 상기 안테나와 상기 제1 필터의 공통 단자와 연결되고, 상기 인덕터 및 상기 커패시터의 타단이 상기 제2 필터 및 제3 필터의 공통 단자와 연결된 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 매칭소자는,
    임피던스 매칭을 위해 상기 인덕터 및 상기 커패시터의 소자 특성이 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
    [수학식]
    Figure pat00005

    Figure pat00006

    이때, 상기 L은 상기 인덕터의 인덕턴스 크기를 의미하고, 상기 C는 상기 커패시터의 커패시턴스 크기를 의미하고, 상기 F1은 상기 제1 필터의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F2는 상기 제2 필터의 중심 주파수를 의미하고, 상기 F3은 상기 제3 필터의 중심 주파수를 의미한다.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 매칭소자는,
    상기 제1 필터의 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수와 상기 제2 필터 및 상기 제3 필터의 주파수 대역들 중 가장 높은 주파수 사이에 공진 주파수가 위치하도록 임피던스를 매칭시키는 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 필터 및 상기 제1 매칭소자 중 적어도 하나는 상기 제2 필터 및 상기 제3 필터의 패키지 내에 함께 임베디드된 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나와 접지 사이에 연결되어 임피던스를 매칭하는 제2 매칭소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티플렉서.
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KR102412092B1 (ko) * 2022-01-10 2022-06-23 (주)이랑텍 도파관 공동 Ka대역 활용 기반 5G 밀리미터웨이브 저손실 광대역 무선 방식의 하이브리드형 RF 멀티플렉서

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