KR20030084603A - 하이브리드 기술을 사용하는 초-선택성 광대역 대역 통과필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 기술을 사용하는 초-선택성 광대역 대역 통과 필터에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로 광대역 무선 통신 시스템에 적용가능하다. 본 발명에 따라, 필터의 대역폭 외부의 주파수를 제거하는 수단은, 종래의 마이크로스트립 라인, 개별 부품 및 현가된 마이크로스트립 라인이라 칭하는 마이크로스트립 라인을 사용하는 하이브리드 기술을 사용하여 제작된다.

Description

하이브리드 기술을 사용하는 초-선택성 광대역 대역 통과 필터{ULTRA-SELECTIVE BROADBAND BANDPASS FILTER USING HYBRID TECHNOLOGY}

본 발명은 하이브리드 기술을 사용하는 초-선택성(ultra-selective) 광대역 대역 통과 필터에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로 광대역 무선 통신 시스템에 적용가능하다.

업계에서 광대역 무선 통신 시스템의 급속하고 끊임없는 팽창은 주파수 스펙트럼의 전체 크기에서 일정한 증가를 초래하고 있다. 그 결과, 각 수신 시스템은, 수신기의 감도를 유지하기 위해 시스템의 수신 대역에 가까이 있는 주파수 대역에서 송신된 간섭 신호를 강력하게 제거하게 된다. 그러므로, 어떠한 새로운 무선 통신 시스템에서도 필터링은 필수 기능이다.

시스템 수신 시퀀스에서, 일반적으로 필터링은, 수신 시퀀스의 입력에 존재하는 신호에 대한 주파수 교차, 예를 들어 L 대역(1GHz와 2GHz 사이의 대역)으로의 주파수 교차 이후에 발생한다.

일반적으로 필터링 동작은 특히 다음과 같은 많은 제약에 따라야 한다:

- 중심 주파수에 관해 비교적 넓은 대역폭(>50%),

- 매우 높은 선택도(selectivity),

- 특히 대역 한계에서, 이후에 GPT로 지칭된 그룹 전파 시간(group propagation time)에서의 매우 작은 변동,

- 뛰어난 소형화(compactness),

- 대량 생산 비용에 적합한 비용.

필터에 대한 주파수 응답의 유형 및 필터 제작에 사용되는 기술은, 필터가 전술한 제약을 충족시키도록 신중히 선택되어야 한다.

가능한 주파수 응답 유형

가장 공통적으로 사용되는 응답은 버터워스(butterworth) 유형, 베젤(bessel) 유형 또는 체비세프(chebyshev) 유형이다. 이것들은, 일반적으로 선택도 및 GPT에 대한 필요조건이 그리 엄격하지 않는 필터를 제작하기 위한 것이다. 높은 선택도를 얻기 위해서는, 필터의 차수(order)를 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 이러한 경우에, 필터는 소형화를 실패하고 GPT는 대역 한계에서 크게 저하된다.

높은 선택도는 카우어(cauer) 유형{또한 타원(elliptical) 유형이라 칭함}의 응답에 의해 또한 얻어질 수 있다. 카우어 응답은, 대역 외부에 균일하게 분배된 최소의 페이딩(fading), 및 감쇠가 이론적으로 무한한 주어진 주파수에서 대역폭의 각 측면 상에 대칭적으로 위치한 송신 제로(transmission zeros)의 존재를 특징으로 한다. 이러한 제로는 필터의 대역 한계에서 양호한 제거를 제공하지만, 상기 제로의 수와 위치는 필터의 차수 및 필요한 감쇠에만 달려있다. 이러한 자유도에 대한 부족은 높은 선택성 필터에 대해 바람직하지 못하고, 이로 인해, 다음에 차수를 증가시킬 필요가 있어서, GPT의 저하를 초래한다. 카우어 응답의 다른 결점은, 대부분의 경우, 특히 극초단파 영역에서 생성하기 어려운, 사용된 넓은 범위의 값의 소자(인덕터, 커패시터)로부터 발생한다.

응답에 대한 마지막 유형은 준-타원형(quasi-elliptical) 유형의 응답에 관한 것이다. 이 경우에, 제로 주파수(DC), 유한 주파수 및 무한 주파수에서의 송신 제로의 수 및 그 위치는 제작될 필터의 탬플릿(template)에 따라 고정된다. 따라서, 이들 파라미터의 최적의 선택, 및 최소 차수를 통해, 준-타원형 유형의 응답은, 높은 선택도와, GPT의 낮은 변동(즉 선형 위상)과, 비대칭 응답 등을 갖는 필터와 같은 특수한 필터를 제작하는데 적합하다. 필터의 이러한 유형에 대한 주요 한계 중 하나는, 기존의 제조 기술로 제작될 수 있고 호환되는 회로도를 얻는 것이 때때로 매우 어렵다는 점이다.

가능한 제조 기술

이후에 제공되는 제조 기술은 L 대역 필터를 생산하는데 사용되는 주요 기술이다.

개별 부품을 사용하는 기술은 소형화 및 낮은 제조비의 장점을 제공한다. 이러한 기술은 더 구체적으로 저주파수 응용(<300MHz) 및 낮은 선택성 필터를 위한 것인데, 그 이유는 개별 부품의 낮은 Q값(quality factor), 및 고주파수에 대해 여전히 너무 높은 상태에 있는 제조 허용오차 때문이다.

"마이크로스트립 라인(Microstrip line)" 기술은 극초단파 영역에서 공통적으로 사용된다. 사용된 기판의 유전율에 따라, 이 기술은 소형화에 변화를 주는 필터를 제작할 수 있게 한다. 이러한 소형화는, 상기 부품이 중요한 역할을 하지 않을 때 마이크로스트립 라인 이외에 개별 부품의 집적에 의해 증가될 수 있다. 그러나, 높은 선택성 필터에 대해, 유전체 기판이 매우 양호한 품질인 경우를 제외하고, 1GHz를 넘어서는 너무 낮은 값을 갖는 부품의 Q값 때문에 그 사용이 매우 한정되는데, 이것은 추가 비용이 든다는 것을 의미한다.

Q값에 관해 이득을 얻기 위해, 한가지 해결책은 "현가된(suspended) 마이크로스트립 라인" 기술을 사용하는 것인데, 여기서 상기 라인은 2개의 접지면 사이의 대기에 가까이 있는 매체이다.

그러나, 마이크로스트립 라인 기술에 비해, 이러한 품질에서의 이득은 전체 필터 크기에 손해를 끼친다(그 이유는, 그 때 매체의 유전율이 마이크로스트립 라인 기술의 기판의 유전율보다 훨씬 더 작아지기 때문이다).

본 발명의 목적은, 필터의 중심 주파수에 비해 상대적으로 넓은 대역폭과, 그룹 전파 시간에서의 매우 낮은 변동과, 매우 양호한 주파수 선택도와, 양호한 소형화와, 대량 생산에 적합한 비용으로 대역 통과 필터를 제작하는 것이다.

이 때문에, 본 발명에 따라, 개별 부품을 갖는 마이크로스트립 라인과 현가된 마이크로스트립 라인을 조합하는 하이브리드 제조 기술을 사용하여 준-타원형 유형의 응답을 갖는 필터를 제작하는 것을 제안한다.

또한, 본 발명의 주제는, 상기 필터의 대역폭 외부의 주파수를 제거하기 위한 수단을 포함하는 대역 통과 필터인데, 상기 수단은 마이크로스트립 라인 기술로부터 제작되며, 상기 대역폭의 상한계에서 주파수를 제거하는 적어도 하나의 수단은 적어도 하나의 공진 회로에 의해 이루어지고, 상기 공진 회로의 마이크로스트립 라인은 현가되고, 상기 적어도 하나의 공진 회로는 제거될 적어도 하나의 주파수로 동조되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 대역 상한계에서 주파수를 제거하는 수단 이외의 대역폭 외부의 주파수를 제거하는 수단(예를 들어, 무한 주파수 또는 대역 하한계의 주파수를 제거하는 수단)은 필터의 소형화를 증가시키기 위해 부분적으로 개별 부품으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 필터의 주파수 응답은 준-타원형 유형인 것이 바람직하다.

본 발명의 주제는, 또한 고주파수 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 체인(chain)인데, 상기 체인은 전술한 대역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 대역 통과 필터의 회로도.

도 2는 도 1의 필터의 주파수 응답을 도시한 도면.

도 3a 및 3b는 본 발명의 대역 통과 필터를 제작하는데 사용된 제조 기술을 도시한 도면.

도 4는 간단한 마이크로스트립 기술과 비교된 하이브리드 기술에 대한 제거에 관한 성능을 도시한 주파수 응답 그래프.

도 5는 간단한 마이크로스트립 기술과 비교된 하이브리드 기술에 대한 GPT에 관한 성능을 도시한 그래프.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

CRi: 공진 회로 Li: 유도성 소자

Ci: 용량성 소자 A, B, C, D: 노드

P: 접지면

본 발명에 따라, 전술한 각 필터 제조 기술의 장점으로부터 최대 이익을 취하는 하이브리드 기술로 제조된 대역 통과 필터가 제공되는데, 즉:

- 개별 부품에 대한 상기 소형화 기술;

- 약 1GHz보다 적은 주파수에 이르는 마이크로스트립 라인 기술의 높은 Q값;

- 1GHz보다 큰 주파수에 대한 현가된 마이크로스트립 기술의 높은 Q값.

도 1 내지 5는 본 발명에 따른 대역 통과 필터의 일실시예를 도시한다. 이러한 필터의 응답은 준-타원형 유형이고, 그 차수는 소형화에 대한 기준 및 대역폭 외부에서의 제거에 대한 기준 양쪽 모두에 따르기 위해 가능한 한 적다. 최적의 수의 송신 제로는 선택도에 대한 기준 및 GPT에 대한 기준 양쪽 모두에 따르기 위해 필터의 대역폭 각 측면 상에 위치된다.

이 필터의 회로도는 도 1에 도시되어 있다. 도시된 도면은 차수가 4이다. 상기 회로도는 복수의 공진 회로 및 복수의 국부 유도성 또는 용량성 소자를 포함한다. 도 1의 도면을 매우 상세한 방법으로 설명하면, 대역 통과 필터는, 참조 번호가 CR1 내지 CR6으로 붙여진 6개의 공진 회로와, 2개의 차단된 용량성 소자(C7 및 C8)와, 2개의 차단된 유도성 소자(L7 및 L8)를 포함한다. 각 공진 회로(CRi)는, 직렬로 연결된 유도성 소자(Li) 및 용량성 소자(Ci)로 형성되는데, 여기서 i∈[1...6]이다.

공진 회로(CR1)는, 필터의 입력 단자와 출력 단자 사이에 용량성 소자(C7), 유도성 소자(L7 및 L8), 및 공진 회로(CR6)와 직렬로 설치된다. 공진 회로(CR1 및 CR6) 양쪽 모두는 대역폭에서 공진 주파수를 갖는다. 공진 회로(CR2, CR3, CR4 및 CR5)는, 각각 A, B, C, D로 참조 번호가 붙여진 필터의 노드와 접지 사이에 연결된다. 마지막으로, 용량성 소자(C8)는 노드(B)와 접지 사이에 위치한다.

도 1의 예에서, 노드(A)는 소자(C1 및 C7) 사이에 위치하고, 노드(B)는 소자(C7 및 L7) 사이에 위치하고, 노드(C)는 소자(L7 및 L8) 사이에 위치하고, 노드(D)는 소자(L8 및 L6) 사이에 위치한다.

이 필터는 다음과 같은 송신 제로를 포함한다:

- 소자(C7)에 의해 생성된 제로 주파수(DC)에서의 하나의 송신 제로;

- 소자(L7, L8 및 C8)에 의해 생성된 무한 주파수에서의 3개의 송신 제로;

- 공진 회로(CR2 및 CR3)에 의해 생성된 하부 차단 주파수에 가까이 있는 주파수에서의 2개의 송신 제로;

- 공진 회로(CR4 및 CR5)에 의해 생성된 상부 차단 주파수에 가까이 있는 주파수에서의 2개의 송신 제로.

이러한 회로도를 통해, 1.5GHz에 가까이 있는 중심 주파수, 및 약 50%의 상대 대역폭을 갖는 대역 통과 필터가 제작되면, 상기 부품의 값은 인덕터에 대해 1nH와 10nH 사이에 있고, 커패시터에 대해 2pF와 5pF 사이에 있다. 이들 값은 선택된 하이브리드 기술에서 완전히 달성될 수 있다.

이 필터의 주파수 응답은 도 2에 도시되어 있다. 상부 및 하부 차단 주파수의 100MHz에서의 최소 제거는 20dB이고, 이것은 대역폭 한계에서 필터의 선택적인 필요조건을 충족시킨다. 이 도면은 또한, 체비세프 유형의 응답과 동일한 선택도를 얻기 위해, 전술한 결점, 즉 큰 전체 크기 및 대역 한계에서의 GPT의 높은 저하로 인해 훨씬 더 높은 차수(>7)가 필요하다는 것이 비교를 통해 도시된다. 공진 회로(CR4 및 CR5)에 의해 생성된 2개의 송신 제로, 및 공진 회로(CR2 및 CR3)에 의해 생성된 송신 제로 중 하나는 이 도면에서 매우 명백하게 나타난다.

본 발명에 따라, 인덕터(L1, L2, L3, L6, L7, L8)는 유도성 마이크로스트립 라인의 형태로 이루어져 있다. 이것으로 인해, 높은 Q값 및 이 값에 대한 더 강화된 허용오차의 이익을 얻는 것이 가능해진다. 커패시터(C1, C2, C3, C6, C7 및 C8)는 소형화를 위해 개별 부품을 사용하여 이루어진다. 이들 부품은 필터의 하부 차단 주파수에 가까이 있는 주파수에서 2개의 송신 제로를 생성할 정도로 충분한 Q값을 갖는다. 마지막으로, 필터의 상부 차단 주파수에 가까이 있는 주파수에서 송신 제로를 생성하는 공진 회로(CR4, CR5)는 현가된 마이크로스트립 라인을 갖는 개방 회로에서 1/4 파 라인으로 이루어진다.

정보에 의해, 개별 부품을 통한 마이크로스트립 라인 기술 및 현가된 마이크로스트립 라인 기술은 도 3a 및 3b에 각각 도시된다. 이들 도면 각각은 접지면(P)과 함께 유전율(Er)로 된 유전체 기판(S) 상에 이루어진 하나 이상의 마이크로스트립 라인(L)을 도시한다. 개별 부품을 통한 마이크로스트립 라인 기술에서, 접지면(P)은 라인(L) 뿐 아니라 개별 부품(CD) 어느 쪽도 지지하지 않는 기판(S)의 면상에 이루어져 있다. 현가된 마이크로스트립 라인 기술에서, 접지면(P)은 대기층에 의해 기판으로부터 분리된다. 임의로, 2개의 플레이트(plate)를 갖는 것이 가능한데, 상기 플레이트는 기판(S)의 각 면상에 위치하고, 각 플레이트는 대기층에 의해 기판(S)으로부터 분리된다.

도 4에서 알 수 있듯이, 마이크로스트립 라인 기술의 사용은 원하는 대역폭 및 고주파수 제거가 동시에 달성되도록 하지 않는다. 이러한 이유로 인해, 공진 회로(CR4 및 CR5)는 현가된 마이크로스트립 라인 기술로 제작된다. 더욱이, 마이크로스트립 라인 기술은 나사(screws)(상기 나사는 마이크로스트립 라인과 접지면 사이에 존재하는 전자기장 라인을 변형시킨다)에 의해 송신 제로의 간단하고 효과적인 조정을 허용한다.

더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 하이브리드 기술로 인해, 또한 유용한 대역에서 GPT의 변형을 감소시키므로 신호 왜곡을 최소화할 수 있다.

바람직하게도, 현가된 마이크로스트립 라인으로 이루어진 공진 회로(CR4 및 CR5)는 소형화의 필요조건에 더 잘 응하기 위해 회로에서 물리적으로 나란히 배치된다.

본 명세서에서 구현된 기술이 수신기에서 고주파수 기능의 업스트림(upstream)과 호환되고(동일한 기판의 사용), 이것이 전체 수신 기능의 비용에 주된 영향을 미친다는 것을 주의하는 것이 또한 중요하다. 또한 제안된 기술은, 물론 예를 들어 유용한 대역에 가까이 있는 주파수 대역에서 생성된 간섭 신호를 필터링하기 위해 시스템의 송신 체인에서 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 하이브리드 기술을 사용하는 초-선택성 광대역 대역 통과 필터에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로 광대역 무선 통신 시스템에 효과적이다.

Claims (6)

1. 필터의 대역폭 외부의 주파수를 제거(rejecting)하고 마이크로스트립 라인(microstrip line) 기술로 제작되는 수단을 포함하는, 대역 통과 필터로서,

   상기 대역폭의 상한계에서 상기 주파수를 제거하기 위한 적어도 하나의 수단은 적어도 하나의 공진 회로(CR4; CR5)로 이루어지는데, 상기 공진 수단의 마이크로스트립 라인은 현가(suspended)되어 있고, 상기 적어도 하나의 공진 회로는 제거될 적어도 하나의 주파수로 동조되는 것을 특징으로 하는, 대역 통과 필터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 대역의 상한계에서 상기 주파수를 제거하는 수단 이외에 상기 대역폭 외부의 주파수를 제거하는 상기 수단은 더욱이 부분적으로 개별 부품(discrete components)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 대역 통과 필터.
3. 제 2항에 있어서, 상기 대역의 상한계에서 상기 주파수를 제거하는 수단 이외에 상기 대역폭 외부의 주파수를 제거하는 상기 수단은 유도성 소자 및 용량성 소자를 포함하고, 상기 유도성 소자는 유도성 마이크로스트립 라인으로 이루어지고, 상기 용량성 소자는 개별 부품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 대역 통과 필터.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대역의 상한계에서 상기주파수를 제거하는 수단은 상기 필터의 소형화(compactness)를 증가시키기 위해 물리적으로 함께 나란한 상태에 있는 것을 특징으로 하는, 대역 통과 필터.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터의 주파수 응답은 준-타원형(quasi-elliptical) 유형인 것을 특징으로 하는, 대역 통과 필터.
6. 고주파수 신호를 송신 또는 수신, 또는 송신 및 수신하기 위한 체인(chain)으로서,

   상기 체인은 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 대역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 체인.