KR102388080B1 - 전기 필터 구조체 - Google Patents

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Abstract

주파수 선택 방식으로 제 1 포트로부터 제 2 포트로 전기 신호를 전달하기 위한 전기 필터 구조체로서, 필터는 에지 결합 필터이며, 필터는, 적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는, 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션을 포함하고, 제 1 포트는 제 1 전송 라인을 사용하여 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션과 접속되고, 제 2 포트는 제 2 전송 라인을 사용하여 복수의 결합 라인 섹션 중 최종 결합 라인 섹션과 접속되고, 전기 필터는 개방형 스터브를 포함하고, 개방형 스터브의 길이는, 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일하도록 선택되는, 전기 필터 구조체가 개시된다.

Description

전기 필터 구조체
본 발명에 따른 실시예는 주파수 선택 방식으로 제 1 필터 포트로부터 제 2 필터 포트로 전기 신호를 전달하기 위한 전기 필터 구조체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 일부 실시예는 에지 결합 필터에 관한 것이다.
전기 필터 구조체는 많은 응용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 전기 필터 구조체는 저역 통과 필터, 대역 통과 필터 또는 고역 통과 필터로서 작용하도록 구현될 수 있다. 이하에서는, 필터 설계에 대한 간략한 소개가 제공될 것이다.
에지 결합 필터(Edge-Coupled Filter(ECF), 때로는 "병렬 결합 필터"라고도 함)는 고전적인 마이크로파 필터 구조체이다. 이하에서는, 작동 원리와 설계 과정을 도면을 사용하여 설명한다. 도 8은 N+1=4를 갖는 등가 회로로서 ECF의 예의 개략적 전기 원리도를 도시한다. 또한, 도 9는 가능한 인쇄 회로 실현의 레이아웃의 예의 개략도를 도시한다.
ECF는 N+1(N은 필터의 차수임)개의 캐스케이드 결합 라인 섹션(Coupled-Lines Sections: CLS)으로 구성되는데, 각각은 필터의 중심 주파수(f0)에서 λ/4 길이이다. 동등하게, 필터는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, λ/4 만큼 비껴서 서로 결합되고 입력/출력(P1, P2)에 결합된 N개의 λ/2 공진기(개방부에서 개방부까지)로 보일 수 있다. 필터의 구조는, N+1 번째 결합 라인이 첫 번째 결합 라인과 동일하고, N 번째 결합 라인이 두 번째 결합 라인과 동일하고, 이런 식으로 계속된다는 점에서 대칭적이다. 이러한 필터는 도 9에 도시된 바와 같이 인쇄형 구현, 즉, 마이크로스트립 또는 스트립 라인에 특히 적합하다.
ECF를 적절하게 구현하기 위한 몇 가지 제약이 존재하는데, 예를 들어, ECF의 한 가지 제약은 제 1 및 최종 결합 라인 섹션에 필요한 조밀한(tight) 결합이다. 이는, 수정된 구조가 사용되지 않는 한, 광대역 필터의 구현을 방해한다. 한 가지 가능한 수정은 병렬 결합 라인 메커니즘을 제 1 및 최종 λ/2 공진기로의 직접(또는 "탭") 결합으로 대체하는 것으로 구성된다. 예를 들어, 도 10은 개략적인 TECF(tapped-edge-coupled filter)(100)를 도시한다. 도 11은 TECF(100)의 개방형 스터브 인라인(open stub in-line)을 갖는 가능한 마이크로스트립 레이아웃의 도면을 도시하고, 도 12는 TECF(200)의 90도 회전된 개방형 스터브를 갖는 마이크로스트립 레이아웃의 다른 도면을 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, TECF(100)는, 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션(coupled line sections: CLS), 제 1 전송 라인(110)을 사용하여 CLS, 즉, CLS 2로 표시된 것에 접속되는 제 1 포트(입력 포트)(P1), 제 2 전송 라인(112)을 사용하여 CLS, 즉, CLS 3으로 표시된 것에 접속되는 제 2 포트(출력 포트)(P2)를 포함한다. 제 1 전송 라인(110)은 제 1 개방형 스터브(120)를 갖고, 제 2 전송 라인(112)은 제 2 개방형 스터브(122)를 갖는다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 전송 라인(110)은 길이 l1A 및 임피던스 Z0A를 가지고, 제 1 개방형 스터브는 길이 l1A 및 임피던스 Z0A를 갖는다. 또한, 제 2 전송 라인(112)은 길이 l1A 및 임피던스 Z0A를 가지며, 제 2 개방형 스터브(122)는 길이 l1A 및 임피던스 Z0A를 갖는다. 일반적으로, 통과 대역 중심 주파수(f0)에서, Z0A=Z0B, l1A+l1B≒λ/4(즉, 전기적 길이 l1A+l1B는 신호 주파수의 파장의 4분의 1과 거의 동일함)인 것으로 결정된다. 또한, Z0A=Z0B는 결합 요소들의 폭이 인접 CLS 중 하나와 동일하도록 선택된다. 도 12의 TECF(200)는 개방형 스터브의 위치를 제외하면 도 11의 TECF(100)와 유사한 구성을 갖는다.
도 13은 에지 결합 필터 응답의 예를 도시하는데, 즉, 3개의 상이한 ECF의 응답이 도시된다. 라인은 도 8에 도시된 종래의 이상적인 ECF의 응답을 나타내고, 점선은 도 9에 도시된 종래의 마이크로스트립 레이아웃 ECF의 응답을 나타내고, 이중 점선은 도 11 또는 도 12에 도시된 마이크로스트립 레이아웃 TECF의 응답을 나타낸다. 이들 3개의 필터는 3f0, 즉, 중심 주파수의 3배에 위치한 2차 통과/대역 영역을 갖는다.
도 13에 도시된 바와 같이, EGF 및 TECF 양쪽 모두, 2f0 부근의 영역(예를 들어, ~20 GHz)에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역(spurious pass-band)을 나타내는데, 이것은 이상적인 경우에는 존재하지 않는다. 그 이유는 다음과 같다:
· 짝수 모드와 홀수 모드(마이크로스트립 또는 서스펜드-스트립라인) CLS 사이의 상이한 전파 속도
· 짝수 및 홀수 모드 속도를 다르게 교란시키는 (이상적인 개방 회로가 아닌) CLS의 개방 측 상에서의 종단 효과(end effect)와 관련된 유한 커패시턴스 (이것은 임의의 경우, 즉, 마이크로스트립, 스트립라인, 서스펜드 스트립라인, 머신형 구조체 등에 적용됨)
ECF와 TECF는 f0±2f0 영역에서 다르게 동작한다. ECF의 경우, 감쇠는 로컬 최대값(도 13에 표시된 예에서는 ~15GHz에서 ~30dB)에 도달한 후 2f0에서 매우 작아진다. 이와 달리, TECF의 감쇠는 2f0에서 로컬 최소값에 도달하기 전에 매우 높아진다(이 예에서는 14GHz와 15GHz 사이에서 >60dB, 이상적으로는 무한대). 이는 또한 저역 통과 측에서 TECF의 선택성을 향상시킨다. 이러한 전송 영점의 주파수는 개방형 스터브가 파장의 1/4(l1B≒λ/4)인 주파수이다.
ECF의 최대 실현가능 상대 대역폭(Δf/f0)은 기판 파라미터(유전 상수 εr 및 두께 h)뿐만 아니라 최소 실현가능 갭에 의해 결정된다. ECF의 제 1 결합 라인 섹션이 나머지 섹션보다 더 조밀한 결합이 필요하다는 사실 때문에 이 제약은 TECF보다 ECF에서 훨씬 더 강력하다.
도 14는 εr=9.9, h=508μm인 마이크로스트립 레이아웃 변형들의 도면을 도시하는데, 무선 주파수 포트는 좌우 방향에서 돌출부로서 표시된다. 즉, 도 14a는 ECF, 최소 갭 = 50μm, Δf/f0≒0.15를 도시하고, 도 14b는 TEGF, 최소 필요 갭 = 370μm, ECF와 동일한 Δf/f0을 도시하며, 도 14c는 TEGF, 최소 갭 = 50μm, Δf/f0≒0.38(즉, 동일한 최소 갭을 갖는 EGF보다 2배이상 더 큼)을 도시한다.
도 15는 에지 결합 필터 응답의 예를 도시하는데, 즉, 라인은 도 14a에 도시된 필터의 응답을 나타내고, 점선은 도 14b에 도시된 필터의 응답을 나타내고, 이중 점선은 도 14c에 도시된 필터의 응답을 나타낸다.
그러나, 도 15에 도시된 바와 같이, 도 14에 도시된 필터들은 여전히 2f0(통과 대역 중심 주파수의 2배) 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 쉽게 이용가능한 기술을 사용하여 원하는 필터 특성의 구현을 가능하게 하는 개념을 생성하는 것이다.
본 발명에 따른 실시예는, 주파수 선택 방식으로 제 1 포트로부터 제 2 포트로 전기 신호를 전달하기 위한 전기 필터 구조체를 생성한다. 필터는 에지 결합 필터(edge-coupled filter: ECF)이며, 필터는, 적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션(coupled line sections: CLS)을 포함하는데, 선택적으로 필터는 훨씬 더 많은 결합 라인 섹션을 포함한다. 제 1 포트(P1)는 제 1 전송 라인을 사용하여, 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션, 예컨대, 도 9 또는 도 10에 도시된 숫자 2에서 CLS의 제 1 라인 섹션과 접속된다. 제 2 포트(P2)는 제 2 전송 라인을 사용하여, 복수의 결합 라인 섹션 중 최종 결합 라인 섹션, 예컨대, 도 9 또는 도 10에 도시된 숫자 3에서 CLS의 제 2 라인 섹션과 접속된다. 전기 필터는, 예컨대, 제 1 포트의 측면에, 또는 제 1 포트에, 또는 제 1 포트의 특정 위치에, 또는 제 1 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 1 포트와 제 1 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 개방형 스터브를 포함한다. 개방형 스터브의 길이는, 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일하도록 선택된다.
개방형 스터브의 길이는 결합 요소의 폭이 인접한 CLS 중 하나와 동일하도록 선택되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 예를 들어, 전송 영점의 주파수를 획득하고 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역을 감소시키는 것이 가능하다. 다시 말해서, 이용 가능한 기술에 맞게 잘 조정되며, 따라서 통과 대역 중심 주파수에서 길이 1≒λ/4를 갖는 개방형 스터브를 갖는 필터 구조체보다 우수한 특성을 종종 제공하는 전체 필터 구조체를 획득할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 개방형 스터브의 임피던스는 예컨대 필터의 통과 대역에서 필터의 작동 임피던스가 매칭되도록 선택된다. 따라서, 임피던스 매칭을 처리할 추가 단계가 필요 없으므로, 설계 노력 및 설계 비용이 감소된다.
바람직한 실시예에서, 제 1 전송 라인의 길이는 예컨대 필터의 통과 대역에서 필터의 작동 임피던스가 매칭되도록 선택된다. 따라서, 예를 들어 2f0에서 전송 영점을 제공하는 탭형 에지 결합 필터(tapped edge-coupled filter: TECF)의 외측 부분에서 개방형 스터브를 휙득하는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 제 1 전송 라인의 폭은 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션의 라인 섹션의 폭과 동일하므로, 제 1 전송 라인에서 제 1 결합 라인 섹션으로의 전이부에 불연속이 존재하지 않는다. 따라서, 예를 들어 전송 라인의 불연속으로 인한 예기치 않은 감쇠를 완화시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 필터 구조체는 추가 개방형 스터브를 더 포함한다. 추가 개방형 스터브의 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 개방형 스터브의 길이와 동일하다. 따라서, 대칭적 필터 구조체를 갖는 것이 가능하므로, 설계 노력 및 설계 비용이 감소된다.
바람직한 실시예에서, 추가 개방형 스터브의 임피던스는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 개방형 스터브의 임피던스와 동일하다. 따라서, 예를 들어 2f0에서 전송 영점을 제공하는 TECF의 외측 부분에서 개방형 스터브의 정확성을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역이 효과적으로 감소된다.
바람직한 실시예에서, 개방형 스터브는 제 1 포트의 측면에, 또는 예를 들어, 제 1 포트에, 또는 제 1 포트의 특정 위치에, 또는 제 1 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 1 포트와 제 1 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 제공된다. 따라서, 필터 구조체 설계의 융통성을 향상시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 추가 개방형 스터브는 제 2 포트의 측면에, 또는 예를 들어, 제 2 포트에, 또는 제 2 포트의 특정 위치에, 또는 제 2 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 2 포트와 최종 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 제공된다. 따라서, 필터는 대칭적 필터 구조체를 가지므로, 제조 공정을 단순화하는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 개방형 스터브는 2개의 스터브 부분을 포함한다. 각각의 스터브 부분의 임피던스 및 전기적 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 동일하다. 2개의 스터브 부분은 제 1 포트에서 반대 방향으로 분기되는데, 예컨대, 스터브 부분들은 제 1 포트를 중심으로 대칭적으로 배열된다. 따라서, 예를 들어, 전기 필터의 길이를 감소시켜 전기 필터의 크기를 쉽게 최소화할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 추가 개방형 스터브는 2개의 스터브 부분을 포함한다. 각각의 스터브 부분의 임피던스 및 전기적 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 예를 들어 +/-10%의 허용 오차 내에서, 동일하다. 2개의 스터브 부분은 제 1 포트에서 반대 방향으로 분기되는데, 예컨대, 스터브 부분들은 제 1 포트를 중심으로 대칭적으로 배열된다. 따라서, 이 배열은 공간 절약에 적합하다.
바람직한 실시예에서, 하나 이상의 개방형 스터브의 길이는, 하나 이상의 개방형 스터브가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수(예컨대, 2f0)에서 하나 이상의 전송 영점을 제공하도록 선택된다. 따라서, 예를 들어, 영역 2f0에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 필터는 통과 대역 중심 주파수 부근에서 통과 대역을 갖도록 구성되고, 통과 대역 중심 주파수와 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 사이에서 로컬 감쇠 최대값을 갖도록 구성되며, 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서 적어도 10dB 또는 적어도 15dB의 추가 정지 대역 감쇠의 감쇠를 제공하도록 구성된다. 즉, 획득된 감쇠는 기존의 해결책에 비해 적어도 10 내지 15dB의 추가 정지 대역 감쇠이다. 따라서, 이 배열은 전기 필터 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는, 주파수 선택 방식으로 제 1 포트로부터 제 2 포트로 전기 신호를 전달하기 위한 다른 전기 필터 구조체를 생성한다. 필터는 에지 결합 필터(ECF)이며, 필터는, 적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션을 포함하는데, 선택적으로 필터는 훨씬 더 많은 결합 라인 섹션을 포함한다. 제 1 포트(P1)는 제 1 전송 라인을 사용하여, 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션, 예컨대, 도 9 또는 도 10에 도시된 숫자 2에서 CLS의 제 1 라인 섹션과 접속된다. 제 2 포트(P2)는 제 2 전송 라인을 사용하여, 복수의 결합 라인 섹션 중 최종 결합 라인 섹션, 예컨대, 도 9 또는 도 10에 도시된 숫자 3에서 CLS의 제 2 라인 섹션과 접속된다. 전기 필터는, 예컨대, 제 1 포트의 측면에, 또는 제 1 포트에, 또는 제 1 포트의 특정 위치에, 또는 제 1 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 1 포트와 제 1 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 개방형 스터브를 포함한다. 개방형 스터브의 길이는, 개방형 스터브가 전기 필터 구조체에 결합되는 단부에서 단락(short circuit)을 나타내는 주파수가 +/-20%의 허용 오차 내에서 필터의 통과 대역 중심 주파수와 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 사이에 있도록 선택된다. 따라서, 예를 들어, f0와 2f0 사이에서 전송 영점을 획득하는 것이 가능하고, 따라서, 예를 들어, 매끈한 정지 대역의 확장은 희생되겠지만 필터의 저역 통과측은 더 예리해진다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 주파수 선택 방식으로 제 1 포트로부터 제 2 포트로 전기 신호를 전달하는 전기 필터를 동작시키는 방법이다. 필터는 에지 결합 필터이고, 필터의 통과 대역 내의 신호는, 6dB보다 작은 감쇠를 가지면서, 적어도 제 1 포트에 접속되는 제 1 결합 라인 섹션 및 제 2 포트에 접속되는 최종 결합 라인 포함하는(선택적으로는 훨씬 더 많은 결합 라인 섹션을 포함함) 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션(CLS)을 통해 전달된다. 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서의 신호는, 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서의 신호가 적어도 10dB 또는 적어도 15dB만큼 감쇠되도록 적어도 하나의 개방형 스터브를 사용하여 쇼트(short)된다. 개방형 스터브의 길이는, 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수(예컨대, 2f0)를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일하도록 선택된다. 따라서, 이 동작 방법을 사용함으로써, 요구되는 필터 특성을 획득하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 주파수 선택 방식으로 제 1 포트로부터 제 2 포트로 신호를 전달하는 전기 필터를 설계하는 방법이다. 필터는 에지 결합 필터이고, 방법은, 적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는(선택적으로는 훨씬 더 많은 결합 라인 섹션을 포함함) 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션이 필터의 통과 대역에서 6dB보다 작은 감쇠로 신호를 전달하도록, 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션(CLS)을 설계하는 단계를 포함한다. (제 1) 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수(예컨대, 2f0)를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일하도록, 개방형 스터브의 길이를 선택한다. 필터의 통과 대역 내에서 제 1 포트에서, 예컨대, 적어도 10dB의 리턴 손실로, 즉, 10dB보다 더 나쁘지 않은 리턴 손실로, 임피던스 매칭을 갖도록, 필터의 제 1 포트와 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션 사이의 전송 라인의 길이 및 개방형 스터브의 폭을 선택한다. 따라서, 이 설계 방법을 사용함으로써, 예를 들어, 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역 없이 요구되는 특성을 갖는 전기 필터를 효과적으로 제공하는 것이 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 전기 필터 구조체의 개략적 블록도 및 전기 필터 구조체의 응답을 나타내는 개략적 그래프를 도시한다.
도 2는 종래의 필터 및 본 발명의 실시예에 따른, 전기 필터의 마이크로스트립 레이아웃의 도면을 도시한다.
도 3은 종래의 필터 및 본 발명의 실시예에 따른, 에지 결합 필터 응답의 예를 도시한다.
도 4는 종래의 전기 필터와 본 발명에 따른 전기 필터의 응답을 비교한 표를 도시한다.
도 5는 종래의 필터, 본 발명의 실시예 및 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전기 필터의 마이크로스트립 레이아웃의 도면을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 필터들에 따른 에지 결합 필터 응답의 예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 전기 필터 설계 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8은 종래의 에지 결합 필터(ECF)의 예의 개략적 전기 원리도를 도시한다.
도 9는 종래의 ECF의 가능한 인쇄 회로 실현의 레이아웃의 예의 개략도를 도시한다.
도 10은 종래의 탭형 에지 결합 필터(TECF)의 예의 개략적 전기 원리도를 도시한다.
도 11은 종래의 TECF의 개방형 스터브 인라인을 갖는 가능한 마이크로스트립 레이아웃의 개략도를 도시한다.
도 12는 종래의 TECF의 90도 회전된 개방형 스터브를 갖는 가능한 마이크로스트립 레이아웃의 다른 개략도를 도시한다.
도 13은 종래의 ECF에 따른 에지 결합 필터 응답의 예를 도시한다.
도 14는 종래의 ECF 및 TECF의 마이크로스트립 레이아웃 변형의 도면의 예를 도시한다.
도 15는 도 14에 표시된 종래의 ECF 및 TECF의 응답의 예를 도시한다.
도 1a는 본 발명에 따른 전기 필터 구조체의 개략적 블록도를 도시한다. 전기 필터는 주파수 선택 방식으로 제 1 포트(P1)로부터 제 2 포트(P2)로 전기 신호를 전달하기 위한 구조체를 포함한다. 필터는 탭형 에지 결합 필터(tapped edge-coupled filter: TECF)(10)이다. 필터는 복수의 결합된 라인 섹션(coupled line section: CLS), 즉, 적어도 2 개의 결합된 라인 섹션, 예를 들어, 제 1 결합 라인 섹션(12), ..., 및 최종 결합 라인 섹션(14)을 직렬로 포함한다. 제 1 포트(P1)는 제 1 전송 라인(16)을 사용하여 결합 라인 섹션들 중에서 제 1 섹션과 접속된다. 제 2 포트(P2)는 제 2 전송 라인(18)을 사용하여 최종 CLS(14)와 접속된다. TECF(10)는 길이 l1B를 갖는 개방형 스터브(20)를 포함하는데, l1B는, 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 2f0를 갖는 신호의 파장의 4분의 1(λ/4)과 같도록 선택된다. 개방형 스터브의 위치는 도 1a에 도시된 것으로 제한되지 않으며, 즉, 개방형 스터브(20)는 제 1 포트(P1)의 측면에, 또는 제 1 포트(P1)에, 또는 제 1 포트(P1)의 특정 위치에, 또는 제 1 전송 라인(16)으로부터 분기되어, 또는 제 1 포트(P1)와 제 1 CLS(12) 사이에서 분기되어 위치할 수 있다.
도 1b는 도 1a의 TECF(10)에 따른 전기 필터 구조체의 응답을 나타내는 개략적 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역이 효과적으로 억제된다.
도 1a에는 도시되어 있지 않지만, TECF(10)는 추가 개방형 스터브, 즉, 제 2 포트(P2)의 측면에, 또는 제 2 포트(P2)에, 또는 제 2 포트(2)의 특정 위치에, 제 2 전송 라인(18)으로부터 분기되어, 또는 제 2 포트(P2)와 제 2 CLS(14) 사이에서 분기되어 제 2 개방형 스터브를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 개방형 스터브, 즉, 제 1 개방형 스터브의 임피던스 Z0B 및 제 2 스터브의 임피던스 Z0B는 필터의 작동 임피던스가 예를 들어 필터의 통과 대역에서 매칭되도록 선택된다. 제 2 스터브의 길이 l1B는, +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 제 1 개방형 스터브의 길이와 동일하다. 또한, 제 2 스터브의 임피던스, Z0B는 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 제 1 개방형 스터브의 임피던스와 동일하다. 또한, 개방형 스터브의 위치는 도 1에 도시된 것으로 제한되지 않으며, 예를 들어, 제 1 개방형 스터브는, 제 1 포트의 측면에, 또는 제 1 포트에, 또는 제 1 포트의 특정 위치에, 또는 제 1 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 1 포트와 제 1 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 위치할 수 있다. 동일한 방식으로, 필터가 추가 개방형 스터브(제 2 개방형 스터브)를 포함하는 경우, 제 2 개방형 스터브는, 제 2 포트의 측면에, 또는 제 2 포트에, 또는 제 2 포트의 특정 위치에, 또는 제 2 전송 라인으로부터 분기되어, 또는 제 2 포트와 제 2 결합 라인 섹션 사이에서 분기되어 위치할 수 있다.
도 2a는 도 11 또는 도 14b에도 도시된 바와 같은 종래의 전기 필터인 TECF에 따른 마이크로스트립 레이아웃을 나타낸다. 도 2b 및 도 2c는 본 발명에 따른 마이크로스트립 레이아웃의 예를 나타낸다. 필터들의 파라미터는 다음과 같이 설정된다.
도 2a: f0=10 GHz; Δf/f0≒0.15; εr=9.9, h=508μm인 마이크로스트립.
도 2b: 도 2a와 거의 동일한 f0, Δf 및 마이크로스트립 기판
도 2c: f0 = 24GHz; Δf/f0≒0.28
도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 개방형 스터브는 2개의 스터브 부분을 포함하고 스터브 부분들은 제 1 포트에서 반대 방향으로 분기하고, 또한 제 2 스터브 부분은 2개의 스터브 부분을 포함하고 스터브 부분들은 제 2 포트에서 반대 방향으로 분기한다. 즉, 개방형 스터브의 임피던스가 너무 낮아지면, 필터의 종단부에 있는 단일 개방형 스터브는 2개의 스터브로 교체될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 스터브 부분이 분기된다. 또한, 제 1 개방형 스터브의 각 스터브 부분의 임피던스 및 전기적 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서 동일하다. 제 2 개방형 스터브의 스터브 부분들에도 동일한 것이 적용된다.
도 2c는 본 발명에 따른 TECF의 변형을 도시한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 스터브 부분의 폭은 변할 수 있다. 또한, CLS들 사이의 간격도 변할 수 있다. 예를 들어, CLS들 사이의 간격이 도 2b의 CLS들 사이의 간격보다 더 조밀한 것을 나타내는 도 2c에 도시된 바와 같이, CLS 사이의 간격이 조밀한 경우, 2f0 부근 영역에서의 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역은 도 3에 도시된 바와 같이 추가로 완화된다.
도 3은 도 2에 표시된 필터들에 따른 에지 결합 필터 응답의 예를 도시하는데, 즉, 라인은 도 2a에 도시된 필터의 응답을 나타내고, 점선은 도 2b에 도시된 필터의 응답을 나타내고, 이중 점선은 도 2c에 도시된 필터의 응답을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2b에 표시된 TECF는 도 2a의 TECF보다 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역의 더 나은 완화를 나타내고, 도 2c에 표시된 TECF는 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역의 가장 높은 완화를 보여준다.
도 4는 종래의 전기 필터와 본 발명에 따른 전기 필터의 응답의 비교를 나타내는 표를 도시한다. "종래"는 공지된 ECF(종래 ECF)의 결과를 나타내고, "탭형(구형)"은 공지된 TECF의 결과를 나타내고, "탭핑(신형)"은 본 발명에 따른 TECF의 결과를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대 도 2b 및 도 2c에 도시된 전기 필터인 본 발명에 따른 TECF(도 4에서 TECG(신형))는, 예컨대 도 9에 도시된 종래의 ECF(도 4에서 종래) 및 예컨대 도 2a, 도 9 및 도 10에 도시된 TECF(도 4에서 탭형(구형))보다 명백히 더 나은 결과를 보여준다. 특히, f<2f0에 대한 최소 정지 대역 감쇠의 결과는 종래의 ECF 및 TECF보다 명백히 더 낫다. 도 4에 도시된 표는 본 설명에 개시된 예에 기초한 것이고, 따라서, 표에서의 숫자는 단지 표시일 뿐이다.
도 5a 및 도 5c는 도 14a 및 도 14b에도 표시된 종래의 전기 필터 TECF에 따른 마이크로스트립 레이아웃을 나타낸다. 도 5b의 TECF는 또한 스터브의 다른 변형을 나타내는 종래의 전기 필터이다. 도 5d는 도 2b에도 도시된 본 발명의 마이크로스트립 레이아웃을 나타내고, 도 5e는 본 발명에 따른 마이크로스트립 레이아웃의 다른 예를 나타낸다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다른 예의 전기 필터는 도 5c 및 도 5d에 도시된 전기 필터에 비해 더 길고 좁은 스터브를 갖는다. 즉, 더 높은 특성 임피던스를 가지고 필터의 대역 내 임피던스 매칭을 유지하기 위해 스터브는 더 좁다.
도 6은 도 5에 표시된 필터들에 따른 에지 결합 필터 응답의 예를 도시하는데, 즉, 도 6의 긴 점선 0)은 이상적인 경우(도 5에 도시되지 않음)의 응답을 나타내고, 도 6의 라인 a)는 도 5a에 도시된 종래의 마이크로스트립 에지 결합 필터의 응답을 나타내고, 도 6의 1점 쇄선 b)는 도 5b에 도시된 탭형 에지 결합 마이크로스트립 필터의 응답을 나타내고, 도 6의 점선 c)는 도 5c에 도시된 탭형 에지 결합 마이크로스트립 필터(스터브가 90도 회전됨)의 응답을 나타내고, 도 6의 굵고 긴 점선 d)는 도 2b 및 도 5d에 도시된 본 발명에 따른 탭형 에지 결합 마이크로스트립 필터의 응답을 나타내며, 도 6의 2점 쇄선 e)는 도 5e에 도시된 본 발명의 다른 예에 따른 탭형 에지 결합 마이크로스트립 필터의 응답을 나타낸다.
본 발명에 따른 TECF는 다음과 같은 방식으로 동작된다:
필터의 통과 대역 내의 신호는 직렬 결합된 복수의 결합 라인 섹션(CLS)을 통해 전달되는데, 복수의 CLS는 적어도 제 1 포트에 접속된 제 1 결합 라인 섹션과 최종 결합 라인 섹션을 포함하고, 선택적으로는 더 많은 결합 라인 섹션을 포함하고, 최종 결합 라인 섹션은 6dB보다 작은 감쇠로 제 2 포트에 접속되고, 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서의 신호는 적어도 하나의 개방형 스터브를 사용하여 쇼트되므로 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서의 신호는 10dB 이상 또는 15dB 이상 감쇠된다. 또한, 전술한 바와 같이, 제 1 개방형 스터브의 길이 l1B(선택적으로는 제 2 개방형 스터브의 길이도 마찬가지임)는, 제 1(및 제2) 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1(λ/4)과 같도록 선택된다. 또한, 제 1 개방형 스터브의 길이 l1B(선택적으로는 제 2 개방형 스터브의 길이도 마찬가지임)는, 제 1(및 제2) 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 바람직하게는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수와 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 사이에 속하도록 선택된다.
본 발명의 전기 필터는 이하에 개시되는 방법을 사용하여 설계된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 직렬로 결합된 복수의 CLS가 설계된다(S10). 즉, CLS는 적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하도록 설계되어, 일련의 결합 라인 섹션은 6dB보다 작은 감쇠로 필터의 통과 대역에서 신호를 전달한다. CLS의 수는 임의의 요구/요건/필요성에 따라 변할 수 있다.
다음 단계에서, 개방형 스터브의 길이가 선택된다(S12). 즉, 개방형 스터브의 길이는, 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서, 또는 +/-10%의 허용 오차 내에서, 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 같도록 선택된다. 추가 개방형 스터브가 필요한 경우, 추가 개방형 스터브의 길이는 동일한 방식으로 선택된다.
다음에, 전송 라인의 길이가 선택된다(S14). 즉, 필터의 제 1 포트와 결합 라인 섹션들 중에서 제 1 섹션 사이의 전송 라인의 길이 및 개방형 스터브의 폭은 임피던스 매칭을 갖도록 선택되는데, 예를 들어, 필터의 통과 대역 내에서 제 1 포트에서 10dB보다 더 나쁘지 않은 리턴 손실을 갖도록 선택된다.
전술한 바와 같이, 개방형 스터브의 길이(개방형 스터브의 전기적 길이)를 +/-20%의 허용 오차 내에서 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 같도록 선택함으로써, 본 발명의 전기 필터 구조체에 따르면 2f0 부근의 영역에서 원치 않는 스퓨리어스 통과 대역을 완화시킬 수 있다.
또한, 개방형 스터브의 임피던스는 필터의 작동 임피던스가 매칭되도록 선택된다. 따라서, TECF의 외측 부분에서의 개방형 스터브는 2f0에서 전송 영점을 제공하므로, 전기 필터의 품질이 적절하게 향상된다.
전술된 필터 구조체는 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 실시예는 대역 통과 필터 구조체로 제한되지 않는다. 오히려, 저역 통과 필터 구조체 또는 고역 통과 필터 구조체를 구현하는 것이 가능하다. 또한, CLS의 수 및 CLS 사이의 갭은 필터의 요구 품질에 따라 변할 수 있다.

Claims (18)

  1. 전기 필터로서,
    적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는, 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션과,
    제 1 포트 및 제 2 포트 - 주파수 선택 방식으로 상기 제 1 포트로부터 상기 제 2 포트로 전기 신호가 전달됨 -와,
    개방형 스터브를 포함하되,
    상기 제 1 포트는 제 1 전송 라인을 사용하여 상기 제 1 결합 라인 섹션과 접속되고,
    상기 제 2 포트는 제 2 전송 라인을 사용하여 상기 최종 결합 라인 섹션과 접속되고,
    상기 개방형 스터브는, 상기 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 전기 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일한 길이를 갖고,
    상기 전기 필터는 에지 결합 필터인,
    전기 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방형 스터브의 임피던스는 상기 전기 필터의 작동 임피던스와 매칭되는,
    전기 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인의 길이는 상기 전기 필터의 작동 임피던스와 매칭되는
    전기 필터.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인의 폭은 상기 제 1 결합 라인 섹션의 폭과 동일한,
    전기 필터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    추가 개방형 스터브를 더 포함하고,
    상기 추가 개방형 스터브의 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 개방형 스터브의 길이와 동일한
    전기 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 개방형 스터브의 임피던스는 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 개방형 스터브의 임피던스에 상당하는,
    전기 필터.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개방형 스터브는 상기 제 1 포트의 측면에 배치되는,
    전기 필터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 개방형 스터브는 상기 제 2 포트의 측면에 배치되는,
    전기 필터.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개방형 스터브는 2개의 스터브 부분을 포함하고,
    각각의 스터브 부분의 임피던스 및 전기적 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서 동일하고,
    상기 2개의 스터브 부분은 상기 제 1 포트에서 반대 방향으로 분기되는
    전기 필터.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 개방형 스터브는 2개의 스터브 부분을 포함하고,
    상기 추가 개방형 스터브의 각각의 스터브 부분의 임피던스 및 전기적 길이는 +/-20%의 허용 오차 내에서 동일하고,
    상기 추가 개방형 스터브의 상기 2개의 스터브 부분은 상기 제 1 포트에서 반대 방향으로 분기되는
    전기 필터.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 개방형 스터브 및 상기 추가 개방형 스터브의 길이는, 상기 개방형 스터브 및 상기 추가 개방형 스터브가 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 전기 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서 하나 이상의 전송 영점(transmission zero)을 제공하도록 선택되는
    전기 필터.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 필터는 상기 통과 대역 중심 주파수 부근에서 통과 대역을 갖고, 상기 통과 대역 중심 주파수와 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 사이에서 로컬 감쇠 최대값을 가지며, 적어도 10dB의 감쇠를 제공하는
    전기 필터.
  13. 전기 필터로서,
    적어도 제 1 결합 라인 섹션 및 최종 결합 라인 섹션을 포함하는, 직렬로 결합된 복수의 결합 라인 섹션과,
    제 1 포트 및 제 2 포트 - 상기 제 1 포트는 주파수 선택 방식으로 전기 신호를 상기 제 1 포트로 전달하도록 작동가능함 - 와,
    개방형 스터브를 포함하되,
    상기 제 1 포트는 제 1 전송 라인을 사용하여 상기 제 1 결합 라인 섹션과 결합되고,
    상기 제 2 포트는 제 2 전송 라인을 사용하여 상기 최종 결합 라인 섹션과 결합되고,
    상기 개방형 스터브는, 상기 개방형 스터브가 그 단부에서 단락(short circuit)을 나타내는 주파수가 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 전기 필터의 통과 대역 중심 주파수와 상기 전기 필터의 상기 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수 사이에 있는 길이를 갖는,
    전기 필터.
  14. 전기 필터를 동작시키는 방법으로서,
    복수의 결합 라인 섹션을 통하여 상기 전기 필터의 통과 대역에서 신호를 전달하는 단계 - 상기 복수의 결합 라인 섹션은 직렬로 결합되고, 상기 복수의 결합 라인 섹션은 적어도 제 1 포트에 접속되는 제 1 결합 라인 섹션과 제 2 포트에 접속되는 최종 결합 라인 섹션을 포함하고, 상기 전달하는 단계는 상기 신호를 주파수 선택 방식으로 상기 제 1 포트로부터 상기 제 2 포트로 전달하는 단계를 포함함 - 와,
    적어도 하나의 개방형 스터브를 사용하여 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서 신호를 단락시키는 단계 - 상기 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서의 상기 신호는 적어도 10dB만큼 감쇠됨 - 를 포함하되,
    상기 개방형 스터브는, 상기 개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 전기 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일한 길이를 갖는,
    방법.
  15. 전기 필터를 설계하는 방법으로서,
    복수의 결합 라인 섹션을 함께 직렬 방식으로 결합하는 단계 - 상기 복수의 결합 라인 섹션은 적어도 제 1 결합 라인 섹션과 최종 결합 라인 섹션을 포함함 - 와,
    직렬로 결합된 상기 복수의 결합 라인 섹션을 통하여 신호를 상기 전기 필터의 통과 대역에서 6dB보다 작은 감쇠로 전달하는 단계와,
    개방형 스터브의 전기적 길이가 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 전기 필터의 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수를 갖는 신호의 파장의 4분의 1과 동일하도록, 상기 개방형 스터브의 길이를 선택하는 단계와,
    상기 전기 필터의 통과 대역 내에서 상기 제 1 포트에서 임피던스 매칭을 갖도록, 상기 전기 필터의 제 1 포트와 상기 복수의 결합 라인 섹션 중 제 1 결합 라인 섹션 사이의 전송 라인의 길이 및 상기 개방형 스터브의 폭을 선택하는 단계 - 상기 전달하는 단계는 주파수 선택 방식으로 상기 신호를 상기 제 1 포트로부터 제 2 포트로 전달하는 단계를 포함함 - 를 포함하는,
    방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기 필터는 통과 대역 중심 주파수의 2배의 주파수에서 적어도 15dB의 추가적인 정지 대역 감쇠만큼의 감쇠를 제공하는,
    전기 필터.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 개방형 스터브의 임피던스는 상기 전기 필터의 작동 임피던스에 일치되는,
    방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    추가 개방형 스터브의 길이를 +/-20%의 허용 오차 내에서 상기 개방형 스터브와 동일한 길이로서 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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