KR20210158304A - 무선 통신 시스템에서 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20210158304A
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Abstract

본 개시는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 무선 통신 시스템에서 필터는, 커버(cover); 하우징(housing); PCB(printed circuit board); 및 복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)을 포함하고, 상기 공진 기판은 상기 커버 및 상기 PCB 사이에 배치될 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치{ANTENNA FILTER AND ELECTRONIC DEVICE INLCUDING THE SAME}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 안테나 필터(antenna filter) 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation, ACM) 방식인 FQAM(Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
통신 성능을 높이기 위해 다수의 안테나들을 장착한 제품이 개발되고 있고, Massive MIMO 기술을 활용하여 점점 보다 훨씬 더 많은 수의 안테나를 갖는 장비가 사용될 것으로 예상된다. 통신 장치에 안테나 엘리멘트(element)의 숫자가 늘어나면서 이에 따른 RF 부품들(예: 필터(filter) 등)의 숫자도 필연적으로 증가하게 된다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 필터의 소형화를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 서스펜디드(suspended) 구조를 갖는 필터를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 서스펜디드 구조를 갖는 필터를 통해, 금속 캐비티 필터와 동일한 성능을 달성하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 다수의 크로스 커플링들을 발생시킴으로써, 필터의 특성을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 무선 통신 시스템에서 필터는, 커버(cover); 하우징(housing); PCB(printed circuit board); 및 복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)을 포함하고, 상기 공진 기판은 상기 커버 및 상기 PCB 사이에 배치될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치는, 신호를 처리하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서; 신호를 필터링하도록 구성되는 복수의 필터들; 및 신호를 방사하도록 구성되는 안테나 어레이(antenna array)를 포함하고, 상기 복수의 필터들은 필터 보드에 배치되고, 상기 복수의 필터들은, 상부 커버 및 상기 필터 보드 사이에 배치되고, 복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)으로 구성된 필터를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 서스펜디드(suspended) 구조를 갖는 필터를 통해, 제품의 소형화를 달성함과 동시에 다수의 크로스 커플링들 발생시킴으로써 필터 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 1b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이(antenna array)의 예를 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드(suspended) 구조의 단면을 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터(filter)의 예를 도시한다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 분해사시도의 예를 도시한다.
도 5a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 크로스 커플링(cross coupling)의 예를 도시한다.
도 5b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 크로스 커플링(cross coupling)에 따른 필터의 성능의 예를 도시한다.
도 6a는 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서 크로스 커플링을 위한 스트립의 배치의 예를 도시한다.
도 6b는 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서 커플링 연결들의 예를 도시한다.
도 7은 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서, 스트립 배치에 따른 필터 성능의 예들을 도시한다.
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터를 포함하는 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 설명에서 사용되는 전자 장치의 부품을 지칭하는 용어(예: 기판(substrate), 기판(plate), PCB(print circuit board), FPCB(flexible PCB), 모듈, 안테나, 안테나 소자, 회로, 프로세서, 칩, 구성요소, 기기), 부품의 형상을 지칭하는 용어(예: 구조체, 구조물, 지지부, 접촉부, 돌출부, 개구부), 구조체들 간 연결부를 지칭하는 용어(예: 연결부, 접촉부, 지지부, 컨택 구조체, 도전성 부재, 조립체(assembly)), 회로를 지칭하는 용어(예: PCB, FPCB, 신호선, 급전선(feeding line), 데이터 라인(data line), RF 신호 선, 안테나 선, RF 경로, RF 모듈, RF 회로) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다. 또한, 이하 사용되는 '...부', '...기', '...물', '...체' 등의 용어는 적어도 하나의 형상 구조를 의미하거나 또는 기능을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용될 수 있으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project), IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
본 개시에서 언급되는 금속 캐비티 필터와 서스펜디드 구조의 필터는, 공진기의 배치 형태에 따라 결정될 수 있다. 금속 캐비티 필터는, 다수의 금속 캐비티들을 포함하고, 각 캐비티에 배치되는 공진기를 포함하는 구조를 갖는다. 각 공진기는 '폴(pole)'로 지칭될 수 있다. 그러나, 서스펜디드 구조의 필터는 공진기들을 내부에 단일 층으로 포함하는 구조, 즉 서스펜디드 구조를 갖는다. 공진기의 상부 및 하부 각각에 공기층이 존재한다. 서스펜디드 구조의 필터는 두 공기층들 사이에 공진기가 구현되는 기판(plate)이 포함할 수 있다.
자기(magnetic) 크로스 커플링(cross coupling) 구현을 위해, 금속 캐비티 공진기(resonator)는 제한적인 위치(예: 3개의 폴들이 삼각형(triangle)을 형성하는 위치)에 배치되고, 금속 캐비티 필터는 이들을 조절하기 위한 추가 구조물(예: 스크류(screw) 혹은 튜닝 볼트들(tuning bolts))를 포함할 수 있다. 그러나, 서스펜디드 구조의 필터는 금속 캐비티 형성을 위한 구조물 및 추가 구조물과 같은 장애물 없이 공기층을 통해 RF(radio frequency) 신호가 전달되기 때문에, 서스펜디드 구조의 필터는 금속 캐비티 필터보다 상대적으로 다수의 크로스 커플링들을 발생시킬 수 있는 특성이 있다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나 필터로서, 금속 캐비티 필터 대신, 서스펜디드 구조의 필터를 통해 제품의 소형화 및 향상된 필터 성능을 달성하기 위한 기술을 설명한다.
도 1a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1a의 무선 통신 환경(100)은 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(110) 및 단말(120)을 예시한다.
기지국(110)은 단말(120)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국(110)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(110)은 기지국(base station) 외에 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit), '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '5G 노드비(5G NodeB, NB)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', '액세스 유닛(access unit)','분산 유닛(distributed unit, DU)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)','무선 유닛(radio unit, RU), 원격 무선 장비(remote radio head, RRH) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다. 기지국(110)은 하향링크 신호를 송신하거나 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
단말(120)은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(110)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 경우에 따라, 단말(120)은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 즉, 단말(120)은 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말(120)은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '고객 댁내 장치'(customer premises equipment, CPE), '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', 또는 '차량(vehicle)용 단말', '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
도 1b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이(antenna array)의 예를 도시한다. 전파 경로 손실을 완화하고 전파의 전달 거리를 증가시키기 위한 기술 중 하나로써, 빔포밍 기술이 이용되고 있다. 빔포밍은, 일반적으로, 다수의 안테나를 이용하여 전파의 도달 영역을 집중시키거나, 특정 방향에 대한 수신 감도의 지향성(directivity)를 증대시킨다. 따라서, 단일 안테나를 이용하여 등방성(isotropic) 패턴으로 신호를 형성하는 대신 빔포밍 커버리지를 형성하기 위해, 기지국(110)은 다수의 안테나들을 구비할 수 있다. 이하, 다수의 안테나들이 포함되는 안테나 어레이가 서술된다. 도 1b에 도시된 안테나 어레이의 예는 본 개시의 실시 예들을 설명하기 위한 일 예시일 뿐, 본 개시의 다른 실시 예들을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
도 1b를 참고하면, 기지국(110)은 안테나 어레이(130)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 기지국(110)은 안테나 어레이(130)을 포함하는 MMU(Massive MIMO Unit)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이(130)에 포함되는 각 안테나는 어레이 엘리멘트(array element), 또는 안테나 엘리멘트(antenna element)라 지칭될 수 있다. 도 1b에서, 안테나 어레이(130)는 2차원의 평면 어레이(planar array)로 도시되었으나, 이는 일 실시 예일뿐, 본 개시의 다른 실시 예들을 제한하지 않는다. 다른 일 실시 예에 따라, 안테나 어레이(130)는 선형 어레이(linear array) 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 안테나 어레이는 매시브 안테나 어레이(massive antenna array)로 지칭될 수 있다.
5G 통신의 데이터 용량을 향상시키는 주요한 기술은 다수의 RF 경로들과 연결된 안테나 어레이를 사용한 빔포밍 기술이다. 더 높은 데이터 용량을 위해, RF 경로들의 개수가 증가하거나 RF 경로당 전력이 증가하여야 한다. RF 경로를 늘리는 것은 제품의 사이즈가 더욱 커지게 되고, 실제 기지국 장비를 설치하는데 공간적 제약으로 인하여 현재는 더 이상 늘릴 수 없는 수준에 있다. RF 경로들의 개수는 늘리지 않으면서, 높은 출력을 통해 안테나 이득을 높이기 위하여, RF 경로에 스플리터(혹은 디바이더)를 사용하여 다수의 안테나 엘리멘트들을 연결함으로써, 안테나 이득을 증가시킬 수 있다.
통신 성능을 높이기 위해 무선 통신을 수행하는 장비(예: 기지국(110))의 안테나(또는 안테나 엘리멘트(antenna element))들의 개수는 증가하고 있다. 또한, 안테나 엘리멘트를 통해 수신되거나 송신되는 RF 신호를 처리하기 위한 RF 부품(예: 증폭기, 필터), 구성요소들(components)의 개수도 증가하게 되어 통신 장비를 구성함에 있어 통신 성능을 충족하면서 공간적 이득, 비용적 효율이 필수적으로 요구된다. 경로들의 수가 증가함에 따라 각 안테나 엘리멘트에서 신호를 처리하기 위한 필터들의 개수 또한 증가한다.
필터는 공진(resonance)를 형성함으로써 원하는 주파수의 신호를 전달하도록 필터링을 수행하는 회로를 포함할 수 있다. 즉, 필터는 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 필터에 적용된 형상 구조에 의해 원하는 필터 특성을 얻을 수 있으나, 이에 따른 성능 제한이 발생한다. 적용된 형상에 의한 성능 유실을 최소화하기 위해 많은 기술들이 제안되고 있다. 특히, 제한된 공간에 다수의 필터들을 배치하기 위해서는, 필터의 소형화 및 무게 절감이 요구된다. 예를 들어, 금속 캐비티 필터는 고정을 위한 별도의 자재(예: 금속)가 필요하고, 각 공진기(resonator)는 굉장히 민감하여 스크류(screw)를 통해 손으로 각각 튜닝되어야 하는 단점을 가지고 있다. 이러한 튜닝은 양산성을 저하시키고, 높은 불량률을 야기하며, 필터의 가격을 상승시키는 요인이다. 따라서, 금속 캐비티 필터는 성능 측면에서는 안정적이더라도, 안테나 엘리멘트들 및 RF 경로들이 증가함에 따른 대량 생산에는 적합하지 않은 면이 있다. 이러한 문제점들을 해소하고 종래의 필터(예: 금속 캐비티 필터)를 대체하기 위해, 본 개시는, 서스펜디드 구조를 갖는 필터를 통해 성능을 최적화함과 동시에, 단순 및 효율적인 구조를 제안한다.
서스펜디드 구조(suspended structure)
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드(suspended) 구조의 단면을 도시한다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조란, 필터의 공간 내부에 공진기가 배치되는 구조를 의미한다. 공진기가 형성되는 기판(plate)의 상부면 및 하부면 각각에 두 공기층들(air gaps)이 형성될 수 있다. 다시 말해, 서스펜디드 구조는 두 공기층들 사이에 공진기 기판이 포함되는 구조를 의미할 수 있다. 전술된 바와 같이, 금속 캐비티 공진기를 포함하는 필터 대비, 필터의 크기를 줄이기 위하여, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조가 이용될 수 있다.
도 2를 참고하면, 필터(200)는 제1 기판(substrate)(201), 제2 기판(203), 공진 기판(220)을 포함할 수 있다. 공진 기판(220)은 다양한 용어들로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 공진 기판(220)은 또한, 예를 들어, 공진 기판(220)은 서스펜디드 기판으로 지칭될 수 있다. 또한, 예를 들어, 공진 기판(220)은 중간 기판으로 지칭될 수 있다. 또한, 예를 들어, 공진 기판(220)은 인터셉트 기판 혹은 인터셉티드 기판으로 지칭될 수 있다. 또한, 예를 들어, 공진 기판(220)은 버퍼 기판으로 지칭될 수 있다. 이하, 본 개시는 공진 기판(220)을 서스펜디드 기판(220)으로 지칭하여 서술되나, 다른 용어가 이용될 수 있음은 물론이다. 다시 말해, 서스펜디드 기판(220)은 서스펜디드 구조를 통해 배치되는 공진기 기판을 나타내기 위한 용어일 뿐, 용어 자체로 특정 기능이나 구성을 한정하는 것으로 해석되지 않는다.
제1 기판(201)는 후술되는 서스펜디드 기판(220)의 상부면과 마주보도록(faced) 배치되고, 제2 기판(201)는 서스펜디드 기판(220)의 하부면을 마주보도록 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제1 기판(201)은 커버(cover)이고, 제2 기판(203)는 필터(200)을 배치하기 위한 보드(예: PCB)일 수 있다. 제1 기판(201) 및 제2 기판(203)는 옆면을 둘러싸는 하우징(미도시)과 함께 필터(200) 내부에 공간을 형성할 수 있다. 한편, 공간을 형성하기 위한 구조물로서, 제1 기판(201), 제2 기판(203), 및 하우징으로 명명되었으나, 이는 내부에 공기층을 형성하기 위한 구조의 일 실시 예일뿐, 본 개시의 서스펜디드 구조를 한정하는 것으로 해석되지 않는다. 예를 들어, 내부 공간 형성을 위해, 제1 기판(201) 또는 제2 기판(203) 중 적어도 하나는 옆면을 둘러싸는 하우징과 하나의 구조물로 구현될 수도 있다.
서스펜디드 기판(220)은 제1 기판(201) 및 제2 기판(203)에 의해 형성된 공간 내에 배치될 수 있다. 서스펜디드 기판(220)이 제1 기판(201) 및 제2 기판(203) 사이에 배치됨으로써, 형성된 공간은 제1 공기층(211) 및 제2 공기층(213)으로 구분될 수 있다. 서스펜디드 기판(220)의 일 면과 제1 기판(201) 사이에 제1 공기층(211)이 위치할 수 있다 서스펜디드 기판(220)의 다른 일 면과 제2 기판(203) 사이에 제2 공기층(213)이 위치할 수 있다. 서스펜디드 기판은, 두 공기층들 사이에 배치되기 때문에, 서스펜디드 에어 스트립(suspended air strip), 서스펜디드 에어 플레이트(suspended air plate), 또는 이들과 동등한 의미를 지니는 용어로 지칭될 수 있다. 서스펜디드 기판에 구현되는 공진기는, 서스펜디드 공진기, 서스펜디드 에어 스트립 공진기 또는 이들과 동등한 의미를 지니는 용어로 지칭될 수 있다.
필터(200)의 공진기는 서스펜디드 기판(200)에 구현될 수 있다. 필터(200)의 공기층으로 인해 유전체의 손실이 감소할 수 있다. 유전체의 손실 감소는 삽입 손실(insertion loss) 및 반사 계수(reflection coefficient)의 특성의 향상을 제공할 수 있다. 이러한 특성은, 금속 캐비티 필터와 동일 또는 유사한 성능을 제공함과 동시에 금속 캐비티의 단점을 해소할 수 있게 한다. 따라서, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 필터는, 서스펜디드 구조를 통해 금속 캐비티 필터를 대체하기 위한 성능을 제공함과 동시에 제품의 소형화 및 공정 오차를 최소화하기 위한 방안을 제안한다.
공진 회로(resonance circuit)
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터(filter)(300)의 예를 도시한다. 도 3의 필터(300)는 서스펜디드 구조를 갖는 도 2의 필터(200)를 예시한다. 도 3의 필터(300)는 서스펜디드 기판 상에 구현되는 공진 회로를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하면, 필터(300)는 입력 포트(311) 및 출력 포트(312)를 포함할 수 있다. 입력 포트(311)에 RF 신호가 인가된다. 필터(300)는, 입력 포트(311)를 통해 수신된 RF 신호는 후술되는 공진기의 동작을 통해, RF 신호의 일부 주파수 성분을 출력 포트(312)로 전달한다. 필터링된 RF 신호는 출력 포트(312)를 통해 안테나로 전달된다. 여기서, 안테나는 안테나 어레이(antenna array) 또는 서브 어레이(subarray)의 안테나 엘리멘트에 대응할 수 있다.
필터(300)는 공진 회로를 포함할 수 있다. 공진 회로의 구조(예: 캐비티)의 주기성과 신호의 주기성이 일치할 때, 해당 주기에 대응하는 주파수의 에너지가 손실되지 않고 전달되는 현상을 공진이라고 한다. 구조적인 배치를 통해 필터의 유도성(inductive) 부하 및 용량성(capacitive) 부하를 설계함으로써, 필터는 RF 신호의 원하는 주파수 대역의 성분과 원하지 않는 주파수 대역의 성분을 제어할 수 있다. 원하는 주파수 대역의 성분을 통과시키는 특성은 대역 통과 특성, 원하지 않는 주파수 대역의 성분을 차단시키는 특성은 대역 차단 특성으로 지칭된다.
필터(300)의 공진 회로는 다수의 공진기들을 포함할 수 있다. 필터(300)는 제1 공진기(321), 제2 공진기(322), 제3 공진기(323), 제4 공진기(324), 제5 공진기(325), 제6 공진기(326)를 포함할 수 있다. 종래의 금속 캐비티 필터의 공진 회로(즉, 금속 캐비티들 각각에 대응하는 공진기들) 대신 서스펜디드 기판에 구현되는 공진 회로를 통해, 단일 층인(즉, 2D(two dimensional) 형태의) 서스펜디드 구조가 필터에 구현될 수 있다. 금속의 캐비티들 내에 공진기를 배치하고 공진기들 사이에 개별적인 튜닝 볼트들을 배치하는 것이 아니라, 단일 기판(즉, 서스펜디드 기판)에 의해 다수의 공진기들이 형성됨으로써 조립 공정 또한 간소화될 수 있다. 한편, 도 3의 6개의 공진 회로들은 필터(300)의 예시적인 구조로서 일 실시 예일뿐, 본 개시의 다른 실시 예들을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
다양한 실시 예들에 따를 때, 각 공진기는 T자 형상을 갖는 공진기(이하, T형 공진기)를 포함할 수 있다. 서스펜디드 기판(예: 도 2의 서스펜디드 기판(220) 내에서 필터(300)의 소형화를 위하여 T형 공진기를 포함할 수 있다. T형 공진기란, 공진 주파수를 제공하는 수동 소자들(예: 캐패시터(capacitor), 인덕터(inductor), 또는 저항(resistance))이 'T' 형상으로 배치되는 회로를 의미한다. 일자형 배치 대신, T자형 배치를 통해, 단일 층에서 공진기의 면적이 감소할 수 있다. 공진기의 유도성(inductive) 부하(예: 인덕턴스) 및 용량성(capacitive) 부하(예: 캐패시턴스)의 배치 및 값을 통해 공진 주파수가 정해지고, 이는 곧 특정 주파수 대역을 통과시키도록 이용된다. 요구되는 인덕턴스 값 및 캐패시턴스 값에 따라, T자 형상의 값(예: 높이, 폭, 및 크기)이 결정될 수 있다. T형 공진기는, 입력 포트 및 출력 포트의 RF 신호 선에 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 다수의 공진기들은 일 방향으로 직렬적으로(serially) 배치될 수 있다. RF 신호선을 따라 각 T형 공진기들은 직렬적으로 배치될 수 있다. 이 때, 특정 공진기의 유도성 부하 또는 용량성 부하는 인접하지 않는 다른 특정 공진기의 유도성 부하 또는 용량성 부하와 커플링(coupling)을 야기할 수 있다. 각 공진기의 크기 및 위치는 크로스 커플링의 크기와 관련될 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서 후술되는 크로스 커플링 효과(예: 도 5a 및 도 5b의 크로스 커플링 특성)에 따른 S-파라미터를 고려하여, 다수의 T형 공진기들이 설계될 수 있다. 필터의 요구사항(requirements)에 따라 각 T형 공진기의 크기 및 위치가 정해질 수 있다. T형 공진기는, 서스펜디드 구조의 특성과 함께 필터의 크기 감소 효과를 제공할 수 있다.
서스펜디드 구조를 갖는 필터(filter)
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 분해사시도의 예를 도시한다. 필터(400)는 서스펜디드 구조를 갖는 도 2의 필터(200) 및 도 3의 필터(300)를 예시한다. 도 4의 분해 사시도를 통해 필터(400)의 제조 공정이 서술된다.
도 4를 참고하면, 필터(400)는 다수의 구조물들이 z축 방향으로 적층되는 형태를 포함할 수 있다. 필터(400)는 커버(410), 서스펜디드 기판(plate)(420), 하우징(430), 및 PCB(440)을 포함할 수 있다. 커버(410), 하우징(430), 및 PCB(440)는 필터(300)에 내부 공간을 형성할 수 있다. 내부 공간은 매질로서 공기층을 포함할 수 있다. 내부 공간은 서스펜디드 기판(420)의 삽입으로 인해 구분되는 공기층을 포함할 수 있다. 서스펜디드 기판은 서스펜디드 에어 플레이트로 지칭될 수 있다. 도 3에서 언급된 바와 같이, 서스펜디드 기판(420)에 공진 회로가 구현될 수 있다. 서스펜디드 기판(420)은, 상기 복수의 공진기들에 대응하는 공진 회로의 영역은 도체로 형성될 수 있다. 즉, 서스펜디드 기판(420)의 공진 회로의 영역은 도체에 의해 점유될 수 있다. 또한, 상기 복수의 공진기들 외의 영역은 비어 있는 형태일 수 있다. 다시 말해, 복수의 공진기들은 단일 층으로 형성될 수 있다. 이러한 구조는, 하나의 유전체 기판 위에 서스펜디드 스트립 선로들이 배치되는 구조와 차이가 있음에 유의한다.
증가하는 안테나 개수에 따라 RF 신호를 처리하기 위한 RF 부품들의 복잡도가 증가한다. 설치 장소의 리스비용이나 공간적인 제약으로 인해, RF 부품(안테나 소자/필터/전력 증폭기/트랜시버 등)을 작고 가벼우며, 값싸게 만드는 것이 요구될 수 있다. 뿐만 아니라, 다수의 RF 부품들이 조립된 형태로 통신 장비가 구현됨에 따라, RF 부품들의 조립시마다 발생하는 공차가 증가하고, 이는 성능의 저하를 야기할 수 있다. 또한, 동일한 기능을 수행하더라도 구조적인 차이, 전기적인 특성 차이로 인하여 요구되는 통신 성능을 충족시키기 위한 비용(cost) 또한 오버헤드로 작용할 수 있다. 구조물들 간의 체결을 위한 스크류(screw) 및 크로스 커플링 제어를 위한 튜닝 볼트를 포함하는 것 대신, 필터(400)의 동작을 위한 공진 회로가 서스펜디드 기판(420)에 단일층으로 구현됨으로써, 제조 공정이 보다 간소화될 수 있다. 또한, 공기층으로 인해 추가 구조물 없이 크로스 커플링 효과를 갖는 필터가 구현될 수 있다. 필터(400)는 추가 구조물과의 결합으로 인해 발생하는 삽입 손실 및 결합 공정에 따른 오차를 최소화할 수 있어, 대량 생산이 보다 용이할 수 있다.
일 실시 예에 따라, PCB(440), 서스펜디드 기판(420), 및 커버(410)는 (-)z축 방향을 기준으로 순차적으로 적층되는 배치를 가질 수 있다. 이 때, 서스펜디드 기판(420)의 (+)z축의 제1 면과 커버(410)는, z축으로 제1 공기층을 형성하도록 배치되고, 서스펜디드 기판(420)의 (-)z축의 제2 면과 PCB(440)는, z축으로 상 제2 공기층을 형성하도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 서스펜디드 기판(420)은, 입력 포트(미도시)와 출력 포트(미도시), 및 상기 입력 포트와 출력 포트를 연결하는 RF 신호선(미도시)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 서스펜디드 기판(420)의 공진기들과 동일한 층 내에서 입력 포트, 출력 포트, 및 RF 신호선이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 서스펜디드 기판(420)의 형상은 RF 신호선에 복수의 공진기들이 연결되는 형상일 수 있다. 입력 포트는 하우징(430)의 일측에 결합되고, 출력 포트는 하우징(430)의 다른 일측에 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 하우징(430)은 서스펜디드 기판(420)이 수용되도록 내측부에 홈을 포함할 수 있다. 홈을 통해, 서스펜디드 기판(420)이 하우징(430)에 보다 용이하게 체결될 수 있다. 필터(400) 내부에서 서스펜디드 기판(420)이 PCB(440)로부터 또는 커버(410)으로부터 지정된 간격을 형성하도록 배치됨으로써, 조립으로 인한 오차를 최소화할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 필터(400)가 PCB(예: PCB(440))에 SMT(surface mount technology)를 통해 배치됨으로써, 제조 공정이 보다 간소화될 수 있다. 연결 부품들(예: 은 공간 형성을 위한 커버(410), 하우징(420), PCB(440), 및 공진 회로를 포함하는 서스펜디드 기판(430)) 간의 조립 공정을 간소화하기 위하여 SMT가 적용될 수 있다. 필터 보드(예: 도 4의 PCB(440))에 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터들을 SMT 함으로써, 대량 생산의 효과가 보다 극대화될 수 있다. 한편, 다른 일 실시 예에 따라, 상기 PCB는 상기 하우징과의 체결을 위한 하나 이상의 체결 홈들을 포함할 수도 있다.
도 4를 통해 서술된 바와 같이, 필터(400)는 추가 구조물 없이, 단일 층 내에서 서스펜디드 기판(420) 뿐만 아니라, 입력 포트, 출력 포트, RF 신호 선이 함께 형성된다. 또한, 필터(400)는 커버(410), 하우징(430), PCB(440)과 함께 단일 부품으로 구현될 수 있다. 단일 부품으로 구현되는 필터(400)는 대량 생산에 용이할 뿐만 아니라, 도 1b에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이에 집적되는 각 안테나에 결합이 용이하다. 특히, 낮은 공정 오차 및 조립 오차로 인해, 다른 필터들 대비 성능 또한 향상될 수 있다.
크로스 커플링(cross coupling)
도 5a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 크로스 커플링(cross coupling)의 예를 도시한다. 필터는 서스펜디드 구조를 갖는 도 4의 필터(400)를 예시한다. 여기서, 크로스 커플링이란, 순차적인 커플링이 아닌, 공진기들 간의 커플링을 의미한다.
도 5a를 참고하면, 평면도(510)는 위((예: 도 4의 (-)z축 방향)에서 바라본 서스펜디드 기판(예: 도 4의 서스펜디드 기판(420)) 상의 공진 회로를 나타낸다. 필터(400)의 공진 회로는 제1 공진기(511), 제2 공진기(512), 제3 공진기(513), 제4 공진기(514), 제5 공진기(515), 제6 공진기(516)를 포함할 수 있다. 정면도(530)는 정면에서 바라본((예: 도 4의 (-)y축 방향) 필터(예: 도 4의 필터(400))를 나타낸다. 정면도(530)에서는, 순차적 커플링의 반대 개념으로서, 비인접한 공진기들 간의 크로스 커플링이 예시된다. 예를 들어, 제1 공진기(511)와 제2 공진기(512)와의 커플링은 크로스 커플링에 대응하지 않는다. 제1 공진기(511)와 비인접한 공진기 간의 커플링은 크로스 커플링에 대응한다. 예를 들어, 제1 공진기(511)과 제3 공진기(513)과의 커플링, 제1 공진기(511)과 제4 공진기(514)과의 커플링, 제1 공진기(511)과 제5 공진기(515)과의 커플링, 또는 제1 공진기(511)과 제6 공진기(516)과의 커플링은 크로스 커플링에 대응한다.
도 5b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터의 크로스 커플링(cross coupling)에 따른 필터의 성능의 예를 도시한다. 성능은 입력 신호에 따른 출력 신호의 비율을 나타내는 S-파라미터를 의미한다.
도 5b를 참고하면, 그래프(570)는 필터(400)의 특성으로서, S-파라미터인 S21을 나타낸다. 가로축은 주파수(frequency, 단위: GHz)을 나타내고, 세로축은 S21(단위: dB)를 나타낸다. S21은 투과 계수(transmission coefficient)로서, S21을 통해 필터의 대역 통과 성능을 확인함과 동시에 대역 차단 특성을 확인할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 필터(400)는 특정 대역(약 3.5GHz 내지 3.8GHz 대역)의 신호를 통과시키기 위한 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 그래프(570)의 약 3.5GHz 내지 3.8GHz 대역을 참고하면, 0dB에 가까운 높은 S21이 확인될 수 있다. 즉, 통과 대역에서 RF 신호는 필터(400)을 손실 없이 통과할 수 있다. 반면, 4GHz 이후의 대역들에서는 노치들(예: 제1 노치(약 3.9GHz), 제2 노치(약 4.1GHz), 제3 노치(약 4.4GHz), 제4 노치(약 5GHz), 제5 노치(약 6.1GHz), 제6 노치(약 7.3GHz))이 형성됨이 확인될 수 있다.
필터의 성능은 대역 통과 특성과 감쇄 특성을 포함할 수 있다. 대역 통과 특성은 유도성 부하 및 용량성 부하의 조합에 의한 공진을 통해 정해진다. 필터의 감쇄 특성은 삽입 손실과 스커트 특성을 포함할 수 있다. 삽입 손실은, 소자 혹은 회로의 삽입으로 인해, 입력된 전력이 충분히 출력되지 않고 손실로 작용하는 특성이다. 스커트 특성은, 대역 통과 특성 곡선(예: 도 5b의 그래프(570))에서 경계 대역(예: 3.8GHz 이후)에서의 기울기를 의미한다. 기울기가 가파르게 설정될수록 높은 통과 특성을 나타낸다. 다시 말해, 낮은 통과 계수를 나타내는 노치의 발생은 경계 대역에서 스커트 특성을 개선한다. 이러한 스커트 특성은 필터의 차수가 높아질수록, 즉, 공진기들의 수가 증가할수록 개선되지만, 이와 반비례하여 삽입 손실이 증가하는 문제점이 있다. 일정한 삽입 손실을 유지하기 위하여, 다양한 실시 예들에 따른 필터(400)의 공진기들(제1 공진기(511), 제2 공진기(512), 제3 공진기(513), 제4 공진기(514), 제5 공진기(515), 제6 공진기(516))은 크로스 커플링에 의해 노치(notch)를 형성하도록 배치될 수 있다.
S21 파라미터의 그래프(570)에서 낮은 지점에서 형성되는 노치는, 해당 주파수 대역에서 RF 신호를 많이 통과시키지 못하는 것을 의미한다. 즉, 낮은 지점에서 형성되는 노치는 높은 반사 손실을 의미하고, 이는 곧 필터가 해당 주파수 대역의 RF 신호를 차단하는 것을 의미한다. 특정 주파수 대역의 신호를 통과시킴과 동시에 인접하는 다른 주파수 대역의 신호를 차단함으로써, 필터의 성능은 보다 향상될 수 있다.
종래의 금속 캐비티 필터는, 공진기들 간 거리적인 제약 및 금속 캐비티의 구조적인 제약으로 인해 3개의 공진기들(즉, 3개의 폴들)을 꼭지점으로하는 형태의 삼각형(triangle) 배치가 요구되었다. 삼각형(triangle) 배치의 목적은, 노치를 형성함으로써, 대역 통과 필터 특성을 높이기 위함이다. 또한, 금속 캐비티 필터는 크로스 커플링을 조절하기 위해 추가 구조물(예: 튜닝 볼트)이 요구되었다. 노치 형성을 위해 요구되는 배치 및 추가 구조물은 필터의 크기가 커지도록 야기한다. 그러나, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조의 필터는 금속 캐비티의 형성을 필요로 하지 않고 RF 신호가 공기층(예: 도 2의 제1 공기층(211) 또는 제2 공기층(213))을 통해 전달된다. 이로 인해, 보다 짧은 거리라도 RF 신호가 크로스 커플링을 야기하기에 충분하므로, 필터의 소형화가 달성할 수 있다. 뿐만 아니라, 크로스 커플링 형성을 위해 추가적인 구조물이 필요하지 않으므로 제조 공정 또한 간소화된다. 다시 말해, 필터는 제한된 크기 내에서 금속 캐비티 필터보다 많은 수의 크로스 커플링들을 발생시킬 수 있어, 다수의 노치들을 형성할 수 있다. 이는 곧 스커트 특성의 개선 및 필터의 S-파라미터 특성의 향상을 제공한다.
도 5a에서는 크로스 커플링을 설명하기 위하여 제1 공진기(511)와 제3 공진기(513) 간의 크로스 커플링, 제1 공진기(511)와 제4 공진기(514) 간의 크로스 커플링, 제1 공진기(511)와 제5 공진기(515) 간의 크로스 커플링, 및 제1 공진기(511)와 제6 공진기(516) 간의 크로스 커플링이 표시되었으나, 이는 크로스 커플링을 설명하기 위해 제1 공진기(511)를 예시적으로 설명한 것이다. 즉, 제2 공진기(512)는 제4 공진기(514), 제5 공진기(515), 제6 공진기(516)과 각각 크로스 커플링을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 제3 공진기(513), 제4 공진기(514), 제5 공진기(515), 제6 공진기(516) 모두 다른 공진기들(예: 인접하지 않은 공진기들)과 크로스 커플링을 형성할 수 있다. 이처럼, 서스펜디드 기판에 구현되는 공진 회로의 공진기들은, 공기층을 매질로 하여 특정 공진기의 RF 신호가 다른 공진기로 쉽게 전달 가능하므로, 제한된 크기 내에서 금속 캐비티 공진기들의 필터(다시 말해, 금속 캐비티 필터)보다 보다 많은 크로스 커플링들을 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 동일 또는 유사한 성능(예: S-파라미터이 S11 혹은 S21)이라면, 서스펜디드 구조를 통해, 금속 캐비티 필터보다 작은 크기의 필터가 구현될 수 있다.
도 6a는 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서 크로스 커플링을 위한 스트립의 배치의 예를 도시한다. 필터의 서스펜디드 기판에 부가되는 스트립을 통해 요구되는 크로스 커플링 구조의 구현이 가능하다.
도 6a를 참고하면, 사시도(610)는 스트립이 부가된 서스펜디드 기판의 입체 구조를 나타낸다. 정면도(620)는 서스펜디드 기판을 정면에서 바라본 도면이다. 필터(600)는 도 3 및 도 4에 서술된 바와 같이, 서스펜디드 기판 상에 구현되는 공진 회로를 포함할 수 있다. 필터(600)는 입력 포트와 출력 포트들을 포함할 수 있다. 필터(600)는 공진 회로를 포함할 수 있다. 필터(600)의 공진 회로는 다수의 공진기들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 각 공진기는 T자 형상을 갖는 공진기(이하, T형 공진기)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 다수의 공진기들은 일 방향으로 직렬적으로(serially) 배치될 수 있다. 이 때, 특정 공진기는, 인접하지 않는 다른 특정 공진기와 커플링(coupling)을 야기할 수 있다.
일 실시 예에 따를 때, 필터(600)는 인접한 공진기들 간 자기 커플링(magnetic coupling)을 위한 스트립(611)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따를 때, 필터(600)는 인접하지 않은 공진기들 간 크로스 커플링을 위한 스트립들(616, 617)을 포함할 수 있다. 스트립의 배치를 통해 인접하지 않은 공진기들이 연결됨으로써, 필터(600)의 공진 회로는 요구되는 크로스 커플링을 발생시킬 수 있다.
도 6b는 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서 커플링 연결들의 예를 도시한다. 필터(600)의 공진 회로는 다수의 공진기들을 포함할 수 있다. 각 공진기는 RLC 조합(저항(resistor, R), 인덕터(inductor, L), 중 커패시터(capacitor, C) 적어도 하나를 이용하여 구성되는 조합)으로 표현될 수 있다. 스트립 선로의 연결은 인덕터(L)로 표현될 수 있다.
도 6b를 참고하면, 다수의 공진기들은 일 방향으로 직렬적으로 배치될 수 있다. 이 때, 인접한 공진기들 간의 커플링은 전기적 커플링(electric coupling)(650)으로 지칭될 수 있다. 인접한 공진기들 간의 전기적 커플링은 용량성 부하를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 인접하지 않은 공진기들 간에 스트립 선로가 배치될 수 있다. 인접하지 않은 공진기들 사이에 스트립 선로가 배치된 경우, 인접하지 않은 공진기들 간의 커플링은 자기적 크로스 커플링(magnetic cross coupling)(660)으로 지칭될 수 있다. 인접하지 않은 공진기들 간의 자기적 크로스 커플링은 유도성 부하를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 인접한 공진기들 사이에 스트립 선로가 배치될 수 있다. 인접한 공진기들 사이에 스트립 선로가 배치된 경우, 인접한 공진기들 간의 커플링은 자기적 커플링(magnetic coupling)(670)으로 지칭될 수 있다. 인접한 공진기들 간의 자기적 커플링은 유도성 부하를 형성할 수 있다. 도 6b에는 도시되지 않았으나, 인접한 공진기들은 이전에 서술된 바와 같이 커플링 부하 또한 형성할 수 있다.
도 6a 내지 도 6b를 통해 서술된 바와 같이, 추가 스트립의 배치로 인해 서스펜디드 기판의 공진 회로에 형성되는 유도성 부하 또는 용량성 부하가 달라진다. 공진 회로의 부하 특성은 필터(600)의 성능에 영향을 미친다. 구체적으로, 커플링 성능에 기반하여 통과 계수가 달라지는데, 특히 크로스 커플링은 노치의 발생과 관련이 있다. 낮은 통과 계수를 나타내는 노치의 발생은 경계 대역에서 스커트 특성을 개선한다.
도 7은 본 개시의 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터에서, 스트립 배치에 따른 필터 성능의 예들을 도시한다.
도 7을 참고하면, 제1 예(710)에서, 제1 공진기, 제2 공진기, 제3 공진기가 직렬적으로 연결되고, 인접한 제1 공진기와 제2 공진기는 스트립으로 연결되고, 인접하지 않은 제1 공진기와 제3 공진기는 스트립으로 연결된다. 제1 공진기와 제2 공진기 사이에는 스트립을 통한 유도성 부하가 형성된다(도시되지 않았으나, 제1 공진기와 제2 공진기 사이에 용량성 연결 또한 유효하게 존재할 수 있다).
제2 예(720)에서, 제1 공진기, 제2 공진기, 제3 공진기가 직렬적으로 연결되고, 인접하지 않은 제1 공진기와 제3 공진기는 스트립으로 연결된다. 높은 주파수 대역 측에서 스커트 특성이 형성된다. 인접한 두 공진기들 사이에는 용량성 부하가 형성될 수 있다. 인접하지 않은 제1 공진기와 제3 공진기는 유도성 부하가 형성될 수 있다.
제3 예(730)에서, 제1 공진기, 제2 공진기, 제3 공진기, 및 제4 공진기가 직렬적으로 연결되고, 인접하지 않은 제1 공진기와 제4 공진기는 스트립으로 연결된다. 인접한 두 공진기들 사이에는 용량성 부하가 형성될 수 있다. 인접하지 않은 제1 공진기와 제3 공진기는 유도성 부하가 형성될 수 있다. 4개의 공진기들을 잇는 스트립 배치를 통해, 통과 대역을 중심으로 양 측에서 스커트 특성이 형성된다.
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 필터를 포함하는 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다. 전자 장치(810)는, 도 1a의 기지국(110) 혹은 단말(120) 중 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자 장치(810)는 MMU일 수 있다. 도 1a 내지 도 7을 통해 언급된 안테나 구조 자체뿐만 아니라, 이를 포함하는 전자 장치 또한 본 개시의 실시 예들에 포함된다. 전자 장치(801)는 RF 신호의 입출력 경로에 서스펜디드 구조를 갖는 필터를 포함할 수 있다.
도 8를 참고하면, 전자 장치(810)의 예시적인 기능적 구성이 도시된다. 전자 장치(810)은 안테나부(811), 필터부(812), RF(radio frequency) 처리부(813), 제어부(814)를 포함할 수 있다.
안테나부(811)는 다수의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 안테나는 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나는 상향 변환된 신호를 무선 채널 상에서 방사하거나 다른 장치가 방사한 신호를 획득할 수 있다. 각 안테나는 안테나 엘리멘트 또는 안테나 소자로 지칭될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안테나부(811)는 복수의 안테나 엘리멘트들이 열(array)을 이루는 안테나 어레이(antenna array)를 포함할 수 있다. 안테나부(811)는 RF 신호선들을 통해 필터부(812)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나부(811)는 다수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 PCB에 실장될 수 있다. PCB는 각 안테나 엘리멘트와 필터부(812)의 필터를 연결하는 복수의 RF 신호선들을 포함할 수 있다. 이러한 RF 신호선들은 급전 네트워크(feeding network)로 지칭될 수 있다. 안테나부(811)는 수신된 신호를 필터부(812)에 제공하거나 필터부(812)로부터 제공된 신호를 공기중으로 방사할 수 있다.
필터부(812)는 원하는 주파수의 신호를 전달하기 위해, 필터링을 수행할 수 있다. 필터부(812)는 공진(resonance)를 형성함으로써 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따를 때, 필터부(812)는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 서스펜디드 구조를 갖는 공진기를 포함할 수 있다. 필터부(812)는 상부 및 하부에 각각 공기층을 포함하는 형태의 기판형 공진기를 포함할 수 있다. 필터부(812)는 서스펜디드 에어 스트립 구조로서, 필터 내부에 공진기 기판(substrate)을 포함할 수 잇다. 일 실시 예에 따라, 공진기 기판은 다수의 T자형 공진기들이 형성된 판일 수 있다. 필터부(812)는 대역 통과 필터(band pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter), 고역 통과 필터(high pass filter), 또는 대역 제거 필터(band reject filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 필터부(812)는 송신을 위한 주파수 대역 또는 수신을 위한 주파수 대역의 신호를 얻기 위한 RF 회로들을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 필터부(812)는 안테나부(811)와 RF 처리부(813)를 전기적으로 연결할 수 있다.
RF 처리부(813)는 복수의 RF 경로들을 포함할 수 있다. RF 경로는 안테나를 통해 수신되는 신호 혹은 안테나를 통해 방사되는 신호가 통과하는 경로의 단위일 수 있다. 적어도 하나의 RF 경로는 RF 체인으로 지칭될 수 있다. RF 체인은 복수의 RF 소자들을 포함할 수 있다. RF 소자들은 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 처리부(813)는 기저대역(base band)의 디지털 송신신호를 송신 주파수로 상향 변환하는 상향 컨버터(up converter)와, 상향 변환된 디지털 송신신호를 아날로그 RF 송신신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)를 포함할 수 있다. 상향 컨버터와 DAC는 송신경로의 일부를 형성한다. 송신 경로는 전력 증폭기(power amplifier, PA) 또는 커플러(coupler)(또는 결합기(combiner))를 더 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, RF 처리부(813)는 아날로그RF 수신신호를 디지털 수신신호로 변환하는 ADC(analog-to-digital converter)와 디지털 수신신호를 기저대역의 디지털 수신신호로 변환하는 하향 컨버터(down converter)를 포함할 수 있다. ADC와 하향 컨버터는 수신경로의 일부를 형성한다. 수신 경로는 저전력 증폭기(low-noise amplifier, LNA) 또는 커플러(coupler)(또는 분배기(divider))를 더 포함할 수 있다. RF 처리부의 RF 부품들은 PCB에 구현될 수 있다. 기지국(810)은 안테나 부(811)-필터부(812)-RF 처리부(813) 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 안테나들과 RF 처리부의 RF 부품들은 PCB 상에서 구현될 수 있고, PCB와 PCB 사이에 필터들이 반복적으로 체결되어 복수의 층들(layers)을 형성할 수 있다.
제어부(814)는 전자 장치(810)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 제어부 (814)은 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈들을 포함할 수 있다. 제어부(814)는 모뎀(modem)과 같은 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 제어부(814)는 디지털 신호 처리(digital signal processing)을 위한 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(814)는 모뎀을 포함할 수 있다. 데이터 송신 시, 제어부(814)은 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 예를 들어, 데이터 수신 시, 제어부(814)은 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 제어부(814)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다.
도 8에서는 본 개시의 안테나 구조가 활용될 수 있는 장비로서, 전자 장치 (810)의 기능적 구성을 서술하였다. 도 4에 도시된 서스펜디드 구조를 갖는 필터(400) 뿐만 아니라, 도 6a 내지 도 7을 통해 추가 스트립이 배치되는 구조의 필터 또한 본 개시의 전자 장치(810)의 필터로서 이용될 수 있다. 그러나, 도 8에 도시된 예는 도 1a 내지 도 7을 통해 서술된 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 활용을 위한 예시적인 구성일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도 8에 도시된 장비의 구성 요소들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 안테나 구조를 포함하는 안테나 모듈, 다른 구성의 통신 장비, 안테나 구조물 자체 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다.
본 개시에서는 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치를 설명하기 위해, 기지국 또는 기지국을 위한 MMU가 예로 서술되었으나, 본 개시의 다양한 실시 예들은 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치로서, 기지국과 동등한 기능을 수행하는 무선 장비, 기지국과 연결되는 무선 장비(예: TRP), 단말(120), 또는 기타 5G 통신을 위해 사용되는 통신 장비 모두 가능함은 물론이다. 또한, 본 개시에서는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 환경에서 통신을 위한 복수의 안테나들의 구조로서 서브-어레이들로 구성되는 안테나 어레이가 예로 서술되었으나, 일부 실시 예들에서 빔포밍을 위한 용이한 변경이 가능함은 물론이다.
본 개시에서 서술된, 공차(tolerance)란, 규격 범위의 허용 한계를 의미한다. 공칭 치수(nominal size)를 기준으로 정해지는 허용 범위, 즉 공차에 따라 규격 범위가 정해질 수 있다. 누적 공차 혹은 공차 누적량이란, 다수의 부품들이 조립되는 경우, 단일 부품의 허용 한계가 누적됨에 따른 조립체의 허용 한계를 의미할 수 있다. 가공 공차란, 부품 가공에 따라 정해치는 공차를 의미할 수 있다. 금속 캐비티 공진기를 포함하는 필터의 경우, 단순화를 위해 Soldering 구조를 적용된다. 그러나, 각 공진기, 크로스 커플링을 위한 튜닝 볼트들, 공진기 체결을 위한 스크류 등 적용된 부품의 조립 공차로 인해 제작 시 공차에 대한 별도의 관리가 필요하다. 이러한 공차는 비용(cost)의 증가를 야기한다. 세라믹 필터(Ceramic Filter)는 SMD 적용 및 크기에 대한 이점은 있으나, 부족한 성능(예: S-파라미터)으로 제한적인 통신 장비에서만 사용 가능한 문제점이 있다.
상술된 문제점 해소를 위해, 본 개시에서는, 도 1a 내지 도 8을 통해, 서스펜디드 구조를 갖는 필터가 서술되었다. S 파라미터로 나타나는 충분한 성능 달성을 위해 다수의 공진기들이 동일 층 내에서 필터 내부에 층을 형성하도록 배치된다. 뿐만 아니라, 본 개시의 서스펜디드 구조를 갖는 필터는 필터 크기가 작아짐으로써, 안테나 어레이의 각 안테나를 위해 연결될 수 있을 뿐만 아니라 대량 생산에 용이한 효과를 제공한다. 필터 보드인 PCB와 필터 제품의 커버 사이에 공진기가 형성된 기판을 확인함으로써, 본 개시의 실시 여부가 확인될 수 있다. 다시 말해, 서스펜디드 구조를 갖는 공진기판의 존재를 통해, 본 개시의 실시 여부가 확인될 수 있다. 추가적으로, 공진기판에서 다수의 공진기들(예: T자형 공진기들)의 직렬 배치를 확인함으로써, 본 개시의 실시 여부가 확인될 수 있다. 직렬 배치는, 소형 크기에서 S21의 다수의 노치들을 형성할 수 있고, 이는 곧 필터의 높은 스커트 특성을 제공할 수 있기 때문이다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (21)

  1. 무선 통신 시스템에서 필터에 있어서,
    커버(cover);
    하우징(housing);
    PCB(printed circuit board); 및
    복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)을 포함하고,
    상기 공진 기판은 상기 커버 및 상기 PCB 사이에 배치되는 필터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 공진기들 각각은 T자 형상의 공진 회로인 필터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 공진기들 각각은 직렬로 연결되어 배치되는 필터.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 공진 기판은, 상기 복수의 공진기들에 대응하는 영역은 도체에 의해 점유되고 상기 복수의 공진기들 외의 영역은 빈 기판인 필터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCB, 상기 공진 기판, 및 상비 커버는 특정 방향을 기준으로 순서대로 적층되는 배치를 가지고,
    상기 공진 기판의 제1 면과 상기 커버는, 상기 특정 방향에 기반하여 제1 공기층을 형성하도록 배치되고,
    상기 공진 기판의 제2 면과 상기 PCB는, 상기 특정 방향에 기반하여 제2 공기층을 형성하도록 배치되는 필터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진 기판은, 입력 포트와 출력 포트, 및 상기 입력 포트와 출력 포트를 연결하는 RF 신호선을 포함하고,
    상기 입력 포트는 상기 하우징의 일측에 결합되고,
    상기 출력 포트는 상기 하우징의 다른 일측에 결합되는 필터.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 RF 신호선은 상기 복수의 공진기들과 연결되는 필터.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 출력 포트는 안테나 어레이의 안테나 엘리멘트에 연결되는 필터.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 상기 공진 기판이 수용되도록 내측부에 홈을 포함하는 필터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 PCB는 상기 하우징과의 체결을 위한 하나 이상의 체결 홈들을 포함하는 필터.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 커버(cover), 상기 하우징(housing), 및 상기 공진 기판(plate)이 결합된 구조물은 SMT(surface mount technology)를 통해 상기 PCB에 실장되는 필터.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 공진기들은 하나 이상의 유도성(inductive) 부하들 및 하나 이상의 용량성(capacitive) 부하들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 유도성 부하들 각각의 인덕턴스 값 및 상기 하나 이상의 용량성 부하들 각각의 캐패시턴스 값은 특정 주파수 대역의 RF 신호를 통과시키도록 구성되는 필터.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 하나 이상의 유도성 부하들 각각의 인덕턴스 값 및 상기 하나 이상의 용량성 부하들 각각의 캐패시턴스 값은 상기 특정 주파수 대역으로부터 지정된 범위 이내에서 복수의 노치들을 형성하도록 구성되는 필터.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 복수의 공진기들의 배치는, 비인접 공진기들 간의 크로스 커플링의 크기와 관련되는 필터.
  15. MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치에 있어서,
    신호를 처리하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서;
    신호를 필터링하도록 구성되는 복수의 필터들; 및
    신호를 방사하도록 구성되는 안테나 어레이(antenna array)를 포함하고,
    상기 복수의 필터들은 필터 보드에 배치되고,
    상기 복수의 필터들은, 상부 커버 및 상기 필터 보드 사이에 배치되고, 복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)으로 구성된 필터를 포함하는 MMU 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 복수의 공진기들 각각은 T자 형상의 공진 회로인 MMU 장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 복수의 공진기들 각각은 직렬로 연결되어 배치되는 MMU 장치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 공진 기판은, 상부 커버 및 상기 필터 보드 사이에서 서스펜디드 에어 스트립 구조를 형성하도록 배치되고,
    상기 공진 기판은, 상기 복수의 공진기들에 대응하는 영역은 도체에 의해 점유되고 상기 복수의 공진기들 외의 영역은 빈 기판인 MMU 장치.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 공진 기판은, 입력 포트와 출력 포트 및 상기 입력 포트를 포함하고,
    상기 출력 포트는 상기 안테나 어레이의 안테나 엘리멘트에 연결되는 MMU 장치.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 필터는, SMT(surface mount technology)를 통해 상기 필터 보드에 실장되는 필터.
  21. 무선 통신 시스템에서 필터의 제조 장법에 있어서,
    복수의 공진기들(resonators)이 단일 층으로 형성된 공진 기판(plate)을 생성하는 과정과,
    일정 높이를 갖는 하우징이 상기 일정 높이의 특정 범위 내에서 상기 공진 기판을 둘러쌓도록, 상기 공진 기판을 하우징과 결합하는 과정과,
    상기 공진 기판과 하우징이 결합된 구조물을 상기 PCB에 SMT(surface mount technology)를 수행하는 과정을 포함하는 방법.

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