KR20200027143A - 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 필터는, 신호 입력단 및 출력단 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 시리즈부, 상기 시리즈부의 양 단 사이에 배치되는 제1 인덕터 및 상기 시리즈부와 제1 인덕터의 연결 노드에 일 단이 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부, 및 상기 제2 인덕터의 타단과 접지 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 션트부를 포함하고, 상기 션트부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수는 상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 보다 높을 수 있다.
Description
본 발명은 필터에 관한 것이다.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요도 증대하고 있다.
이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로는 박막 체적 음향 공진기(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)가 알려져 있다. 박막 체적 음향 공진기는 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수(Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, 박막 체적 음향 공진기는 기판상에 제1 전극, 압전층(Piezoelectric layer) 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다. 박막 체적 음향 공진기의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2 전극에 인가되는 전기에너지에 의해 압전층 내에 전계가 유기되고, 유기된 전계에 의해 압전층에서 압전 현상이 발생하여 공진부가 소정 방향으로 진동한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다.
본 발명의 과제는, 래더 타입(ladder type) 필터에 구비되는 시리즈 공진기의 공진 주파수 보다 션트 공진기의 공진 주파수를 높게 설계하고, 상호 결합되는 인덕터들을 통해 션트 공진기를 시리즈 공진기의 양 단과 연결하여 높은 주파수의 넓은 통과 대역을 가지는 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터는, 신호 입력단 및 출력단 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 시리즈부, 상기 시리즈부의 양 단 사이에 배치되는 제1 인덕터 및 상기 시리즈부와 제1 인덕터의 연결 노드에 일 단이 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부, 및 상기 제2 인덕터의 타단과 접지 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 션트부를 포함하고, 상기 션트부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수는 상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 보다 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 필터에 따르면 높은 주파수의 넓은 통과 대역을 가지는 필터를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 나타낸 단면도이다.
도 2는 필터의 예시적인 블록도이다.
도 3은 필터의 예시적인 회로도이다.
도 4는 도 3의 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 필터의 회로도이다.
도 8는 도 7의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 9은 도 5 내지 도 7의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 10는 도 9의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 11 내지 도 15는 도 10의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 2는 필터의 예시적인 블록도이다.
도 3은 필터의 예시적인 회로도이다.
도 4는 도 3의 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 필터의 회로도이다.
도 8는 도 7의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 9은 도 5 내지 도 7의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 10는 도 9의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 11 내지 도 15는 도 10의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(10)는 적어도 하나의 체적 음향 공진기(100) 및 캡(200)을 포함할 수 있다. 도 1에서, 필터(10)가 두 개의 체적 음향 공진기(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라 필터(10)는 하나의 체적 음향 공진기(100) 또는 세 개 이상의 체적 음향 공진기(100)을 포함할 수 있다. 체적 음향 공진기(100)는 박막 체적 음향파 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)일 수 있다.
체적 음향 공진기(100)는 복수의 막으로 구성되는 적층 구조체에 의해 구성될 수 있다. 체적 음향 공진기(100)를 구성하는 적층 구조체는 기판(110), 절연층(115), 에어 캐비티(133), 지지부(134), 보조 지지부(135), 및 제1 전극(140), 압전층(150)과 제2 전극(160)으로 이루어진 공진부(155)를 포함할 수 있고, 추가적으로 보호층(170) 및 금속층(180)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)의 제조 공정에 대해 설명하면, 절연층(115) 상에 희생층을 형성하고, 희생층의 일부를 제거하여, 지지부(134)가 마련되는 패턴을 형성한다. 여기서, 보조 지지부(135)는 잔존하는 희생층에 의해 형성된다. 희생층에 형성되는 패턴의 상면의 폭은 하면의 폭 보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 패턴의 측면은 경사질 수 있다. 희생층에 패턴을 형성한 후에, 희생층 및 패턴에 의해 외부로 노출된 절연층(115) 상에 멤브레인(130)을 형성한다. 멤브레인(130)을 형성한 후에, 멤브레인(130)을 덮도록 지지부(134) 형성의 기초가 되는 식각 저지 물질을 형성한다.
식각 저지 물질을 형성한 후에, 희생층 상면에 형성된 멤브레인(130)이 외부로 노출되도록 식각 저지 물질의 일면은 평탄화 된다. 식각 저지 물질의 일면이 평탄화되는 공정에서 식각 저지 물질의 일부는 제거되고, 일부가 제거된 후에 패턴 내부에서 잔존하는 식각 저지 물질에 의해 지지부(134)가 형성될 수 있다. 식각 저지 물질의 평탄화 과정의 결과, 지지부(134) 및 희생층의 일면은 대략 평탄할 수 있다. 여기서, 멤브레인(130)은 식각 저지 물질의 평탄화 공정의 정지층(Stop layer)으로 기능할 수 있다.
이후, 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 등을 적층한 후에 희생층을 식각하여 제거하는 식각 공정에 의해 에어 캐비티(133)가 형성될 수 있다. 일 예로, 희생층은 다결정 실리콘(Poly-Si)을 포함할 수 있다. 에어 캐비티(133)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)으로 구성되는 공진부(155)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부의 하부에 위치할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대하여 공진부(155)를 전기적으로 격리시키는 절연층(115)이 마련될 수 있다. 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나로 형성 될 수 있으며, 화학 기상 증착 (Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 또는 에바포레이션(Evaporation)하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
절연층(115) 상에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(115)을 보호하는 역할을 하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.
절연층(115) 상에는 에어 캐비티(133), 및 지지부(134)가 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 에어 캐비티(133)는 절연층(115) 상에 희생층을 형성하고, 희생층에 지지부(134)가 마련되는 패턴을 형성한 후, 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 등을 적층한 후에 희생층을 에칭하여 제거하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
에어 캐비티(133)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)으로 구성되는 공진부(155)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(155)의 하부에 위치할 수 있다. 에어 캐비티(133)의 일 측에는 지지부(134)가 마련될 수 있다.
지지부(134)의 두께는 에어 캐비티(133)의 두께와 동일할 수 있다. 따라서, 에어 캐비티(133)와 지지부(134)에 의해 제공되는 상면은 대략 평탄할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단차가 제거된 평탄한 면 상에 공진부(155)가 배치되어, 체적 음향 공진기의 삽입 손실 및 감쇄 특성을 개선할 수 있다.
지지부(134)의 단면은 대략 사다리꼴 형상일 수 있다. 구체적으로 지지부(134)의 상면의 폭은 하면의 폭보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 측면은 경사질 수 있다. 지지부(134)는 희생층을 제거하기 위한 식각 공정에서 식각되지 않는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 지지부(134)는 절연층(115)과 동일한 물질로 형성될 수 있고, 구체적으로, 지지부(134)는 이산화규소(SiO2) 및 질화 실리콘(Si3N4) 중 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지부(134)의 측면을 경사지게 형성하여 지지부(134)와 희생층의 경계에서 가파른(Abrupt) 단차가 발생하는 것을 방지하고, 지지부(134)의 하면의 폭을 좁게 형성하여 디슁(Dishing) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 지지부(134)의 하면과 측면이 이루는 각도는 110° ~ 160° 일 수 있고, 지지부(134)의 하면의 폭은 2㎛ ~ 30㎛일 수 있다.
지지부(134)의 외측으로 보조 지지부(135)가 마련될 수 있다. 보조 지지부(135)는 지지부(134)와 동일한 물질로 형성될 수 있고, 또한, 지지부(134)와 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 보조 지지부(135)가 지지부(134)와 서로 다른 물질로 형성되는 경우, 보조 지지부(135)는 절연층(115) 상에 형성되는 희생층 중 식각 공정 이후에 잔존하는 일 부분에 대응할 수 있다.
공진부(155)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(133)의 상부에 위치할 수 있다. 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)은 금(Au), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir) 및 니켈(Ni) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 희토류 함량은 1~20at%를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
멤브레인(130)은 캐비티(133)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다. 예를 들어, 캐비티(133)를 형성하기 위하여, 희생층의 일부를 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인(130)은 상기 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인(130)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 멤브레인(130)은 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 멤브레인(130) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층이 형성될 수 있다. 구체적으로, 시드층은 멤브레인(130)과 제1 전극(140) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우 예를 들어, 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
보호층(170)은 제2 전극(160) 상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다. 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 상에는 금속층(180)이 형성될 수 있다.
공진부(155)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(155)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(133) 상부에서 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(155)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.
공진부(155)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력한다. 구체적으로 공진부(155)는 압전층(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.
캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)를 형성하는 적층 구조체와 접합될 수 있다. 캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)가 수용되는 내부 공간을 구비하는 커버 형태로 형성될 수 있다. 캡(200)은 하면이 개방된 육면체 형상으로 형성될 수 있고, 따라서, 상부 및 상부와 연결되는 복수의 측부를 포함할 수 있다.
캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)의 공진부(155)를 수용할 수 있도록 중앙에 수용부가 형성될 수 있다, 적층 구조체는 접합 영역에서 복수의 측부와 접합할 수 있고, 적층 구조체의 접합 영역은 적층 구조체의 가장자리에 해당할 수 있다. 캡(200)은 기판(110) 상에 적층되는 기판(110)과 접합될 수 있다. 또한, 이외에도, 캡(200)은 보호층(170), 멤브레인(130), 및 절연층(115), 제1 전극(140), 압전층(150), 제2 전극(160), 금속층(180) 중 적어도 하나와 접합될 수 있다.
도 2는 필터의 예시적인 블록도이다. 도 2를 참조하면, 필터(10)는 적어도 하나의 시리즈부(11) 및 적어도 하나의 시리즈부(11)와 접지 사이에 배치되는 적어도 하나의 션트부(12)를 포함할 수 있다. 필터(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 래더 타입(ladder type)의 필터 구조로 형성될 수 있고, 이와 달리, 래티스 타입(lattice type)의 필터 구조로 형성될 수 있다.
적어도 하나의 시리즈부(11)는 입력 신호가 입력되는 신호 입력단(RFin)과 출력 신호가 출력되는 신호 출력단(RFout) 사이에 배치될 수 있고, 션트부(12)는 시리즈부(11)와 접지 사이에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 시리즈부(11) 및 적어도 하나의 션트부(12) 각각은 도 1에 도시된 체적 음향 공진기를 적어도 하나 구비할 수 있다.
일 예로, 시리즈부(11)가 복수의 체적 음향 공진기를 포함하고, 션트부(12)가 복수의 체적 음향 공진기를 포함하는 경우, 시리즈부(11)에 구비되는 복수의 체적 음향 공진기가 서로 직렬로 연결되고, 실시예에 따라 일부 체적 음향 공진기는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 션트부(12)에 구비되는 복수의 체적 음향 공진기가 시리즈부(11)에 구비되는 복수의 체적 음향 공진기의 일 노드와 접지 사이에 배치될 수 있다.
도 3은 필터의 예시적인 회로도이고, 도 4는 도 3의 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 필터는 신호 입력단(RFin)과 신호 출력단(RFout) 사이에 배치되는 시리즈 공진기(Se) 및 시리즈 공진기(Se)와 접지 사이에 배치되는 션트 공진기(Sh)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 그래프(Graph 1)는 시리즈 공진기(Se)에 의한 주파수 응답(Z, Impedance)을 나타내고, 제2 그래프(Graph2)는 션트 공진기(Sh)에 의한 주파수 응답(Z, Impedancece)을 나타내고, 제3 그래프(Graph 3)는 시리즈 공진기(Se) 및 션트 공진기(Sh)를 포함하는 필터에 의한 주파수 응답(S-parameter)을 나타낸다.
시리즈 공진기(Se)에 의한 주파수 응답은 공진 주파수(fr_Se) 및 반공진 주파수(fa_Se)를 가지고, 션트 공진기(Sh)에 의한 주파수 응답은 공진 주파수(fr_Sh) 및 반공진 주파수(fa_Sh)를 가진다.
필터의 주파수 응답을 참조하면, 필터의 대역폭(Band width)은 시리즈 공진기(Se)의 반공진 주파수(fa_Se)와 션트 공진기(Sh)의 공진 주파수(fr_Sh) 에 따라 결정된다.
필터가 대역 통과 필터로 구현되기 위하여, 통상, 시리즈 공진기(Se)의 공진 주파수(fr_Se)가 션트 공진기(Sh)의 공진 주파수(fr_Sh) 보다 높고, 시리즈 공진기(Se)의 반공진 주파수(fa_Se)가 션트 공진기(Sh)의 반공진 주파수(fa_Sh) 보다 높게 설계된다.
최근, 무선 통신에서 다양한 주파수 대역이 이용됨에 따라, 기존의 2GHZ ~ 2.5GHZ 등의 낮은 주파수 대역 외에도, 3.5GHZ ~ 6GHZ 등의 높은 주파수 대역이 이용될 것으로 예상되고 있고, 아울러 기존의 100~200MHz 통과 대역 대비 500MHz 이상의 넓은 통과 대역이 이용될 것으로 예상되고 있다. 필터의 통과 대역의 주파수를 높이기 위하여는, 필터에 채용되는 공진부의 두께를 줄여야 한다. 다만, 공진부의 두께가 줄어드는 경우, 압전층의 배향성이 유지되기 어렵고, 유효 전기기계 결합 계수가 감소되어, 필터의 필터링 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터는, 시리즈 공진기의 공진 주파수 보다 션트 공진기의 공진 주파수를 높게 설계하고, 상호 결합되는 인덕터들을 통해 션트 공진기를 시리즈 공진기의 양 단과 연결하여 높은 주파수의 넓은 통과 대역을 가지는 필터를 구현할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 필터의 회로도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(10)는 신호 입력단(RFin)과 신호 출력단(RFout) 사이에 배치되는 시리즈부(11), 시리즈부(11)와 접지 사이에 배치되는 션트부(12), 및 시리즈부(11)와 션트부(12) 사이에 배치되는 인덕터부(13)를 포함할 수 있다.
시리즈부(11)는 적어도 하나의 시리즈 공진기를 포함할 수 있고, 션트부(12)는 적어도 하나의 션트 공진기를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시리즈 공진기의 공진 주파수는 션트 공진기의 공진 주파수 보다 낮게 설계되고, 시리즈 공진기(Se)의 반공진 주파수는 션트 공진기의 반공진 주파수 보다 낮게 설계된다. 일 예로, 상술한 공진 주파수 및 반공진 주파수를 설계하기 위하여, 시리즈 공진기의 상부 전극이 션트 공진기의 상부 전극 보다 두껍게 제조될 수 있다.
도 5를 참조하면, 시리즈부(11)는 하나의 시리즈 공진기(Se1)를 포함할 수 있고, 션트부(12)는 하나의 션트 공진기(Sh1)를 포함할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 시리즈부(11)는 복수의 시리즈 공진기(Se1~Se4)를 포함할 수 있고, 션트부(12)는 복수의 션트 공진기(Sh1~Sh4)를 포함할 수 있다. 복수의 시리즈 공진기(Se1~Se4) 중 제1 시리즈 공진기(Se1) 및 제2 시리즈 공진기(Se2)는 직렬로 연결되고, 제3 시리즈 공진기(Se3) 및 제4 시리즈 공진기(Se4)는 직렬로 연결되고, 직렬로 연결되는 제1 시리즈 공진기(Se1) 및 제2 시리즈 공진기(Se2)와 직렬로 연결되는 제3 시리즈 공진기(Se3) 및 제4 시리즈 공진기(Se4)는 병렬로 연결될 수 있다. 복수의 션트 공진기(Sh1~Sh4) 중 제1 션트 공진기(Sh1) 및 제2 션트 공진기(Sh2)는 직렬로 연결되고, 제3 션트 공진기(Sh3) 및 제4 션트 공진기(Sh4)는 직렬로 연결되고, 직렬로 연결되는 제1 션트 공진기(Sh1) 및 제2 션트 공진기(Sh2)와 직렬로 연결되는 제3 션트 공진기(Sh3) 및 제4 션트 공진기(Sh4)는 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 시리즈부(11)는 복수의 시리즈 공진기(Se1, Se2)를 포함할 수 있고, 션트부(12)는 복수의 션트 공진기(Sh1, Sh2)를 포함할 수 있다. 제1 시리즈 공진기(Se1) 및 제2 시리즈 공진기(Se2)는 직렬로 연결되고, 제1 션트 공진기(Sh1) 및 제2 션트 공진기(Sh2)는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 션트부(12)와 접지 사이에, 션트부(12)의 공진 주파수 및 반공진 주파수를 조절하기 위하여, 인덕터 Lo, 커패시터 C1, C2가 마련될 수 있다.
인덕터부(13)는 시리즈부(11)의 양 단 사이에 배치되는 제1 인덕터(La), 및 시리즈부(11)와 제1 인덕터(La)의 연결 노드 및 션트부(12) 사이에 배치되는 제2 인덕터(Lb)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(La) 및 제2 인덕터(Lb)는 상호 결합될 수 있고, 제1 인덕터(La) 및 제2 인덕터(Lb)의 상호 결합 계수는 양의 부호 및 음의 부호 중 하나를 가질 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 신호 입력단(RFin)과 신호 출력단(RFout)를 통과하는 무선 주파수 신호는 시리즈부(11)의 시리즈 공진기뿐만 아니라, 제1 인덕터(La)를 통과할 수 있다. 제1 인덕터(La)를 통한 무선 주파수 신호의 대역은 제1 인덕터(La)와 상호 결합되는 제2 인덕터(Lb)에 의해 영향을 받고, 또한, 제2 인덕터(Lb)와 접지 사이에 배치되는 션트부(12)의 션트 공진기에 영향을 받는다. 즉, 제1 인덕터(La)를 통한 무선 주파수 신호의 통과 대역은 제2 인덕터(Lb) 및 션트부(12)에 의존할 수 있다.
도 8는 도 7의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 4의 주파수 응답과 도 8의 주파수 응답을 비교하면, 도 4와 달리, 도 8의 실시예에 따른 통과 대역의 우측 스커트가 션트(Sh)의 반공진 주파수(fa_Sh)에 따라 결정되고 좌측 스커트는 시리즈(Se)의 공진 주파수에 의존한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터는 시리즈부(11)의 시리즈 공진기에 의한 고유의 경로 외에도, 제2 인덕터(Lb) 및 션트부(12)의 션트 공진기의 조합과 상호 결합되는 제1 인덕터(La), 보다 구체적으로 제2 인덕터(Lb)와 상호 결합되는 제1 인덕터(La)를 통해 추가적인 경로를 형성한다. 시리즈부(11)의 시리즈 공진기가 반공진 상태인 경우, 시리즈부(11)의 시리즈 공진기에 의한 경로가 차단되고, 제1 인덕터(La)를 통한 추가적인 경로로 무선 주파수 신호가 통과할 수 있다.
도 9은 도 5 내지 도 7의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 9을 참조하면, 도 5 내지 도 7의 인덕터부(13)는, 시리즈부(11)의 양단 사이에서, 서로 직렬로 연결되는 인덕터 L1 및 인덕터 L3, 인덕터 L1 및 인덕터 L3의 연결 노드와 션트부(13) 사이에 배치되는 인덕터 L2로 변형될 수 있다. 이 때, 인덕터 L1, L2, L3는 하기의 수학식 1에 따라 표현될 수 있다. 수학식 1에서, Lm은 제1 인덕터(La) 및 제2 인덕터(Lb)에 의한 상호 인덕턴스를 나타내고, k는 제1 인덕터(La) 및 제2 인덕터(Lb)의 상호 결합 계수를 나타낸다.
상기 수학식 1을 참조하면, 인덕터 La, Lb, Lm의 인덕턴스에 따라, 인덕터 L1, L2는 양의 값 및 음의 값 중 하나의 값을 가질 수 있다.
도 10는 도 9의 실시예에 따른 필터의 변형 회로도이다.
도 9를 참조하면, 도 8의 필터는 Y-D 변환에 의해 도 9의 필터로 변환될 수 있다. 도 9의 필터는 시리즈부(11)의 일단과 접지 사이에 배치되는 임피던스 Za, 시리즈부(11)의 타단과 접지 사이에 배치되는 임피던스 Zb, 시리즈부(11)와 병렬로 연결되는 임피던스 Zc를 포함할 수 있다.
여기서, 임피던스 Za, 임피던스 Zb, 및 임피던스 Zc는 하기의 수학식 2에 따라 결정될 수 있다. 수학식 2에서 Zsh는 도 8의 션트부와 인덕터 L2를 포함하는 구성으로 이해될 수 있다.
도 10 및 수학식 2을 참조하면, 필터의 통과 대역(Pass Band)는 시리즈부(11) 및 임피던스 Zc에 의해 형성된다.
도 11 내지 도 15는 도 10의 실시예에 따른 필터의 주파수 응답을 나타낸다.
도 11에서, 제1 그래프(graph_1)는 도 10의 실시예에 따른 필터 전체의 주파수 응답(S-parameter)을 나타내고, 제2 그래프(graph_2)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 임피던스 Za 및 임피던스 Zb를 개방(open)한 경우의 주파수 응답(S-parameter)을 나타낸다. 제3 그래프(graph_3)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 임피던스 Zc의 -(wL1*wL3)/Zsh만을 단락(short)하여 -(wL1*wL3)/Zsh를 제외한 경우의 주파수 응답(S-parameter)을 나타내고, 제4 그래프(graph_4)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 시리즈부의 주파수 응답(Admittance)을 나타낸다.
제5 그래프(graph_5)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 션트부 Za만의 독립된 주파수 응답(Admittance)을 나타내고, 제6 그래프(graph_6)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 시리즈부를 오픈(open)한 경우의 주파수 응답을 나타낸다.
또한, 제7 그래프(graph_7)는 도 10의 실시예에 따른 필터의 구성요소 중 임피던스 Zc에 구비되는 인덕터 L1, 및 L2를 단락(short)한 경우의 주파수 응답(S-parameter)을 나타낸다.
제1 그래프(graph_1) 및 제2 그래프(graph_2)를 비교하면, 제1 그래프(graph_1) 및 제2 그래프(graph_2)의 통과 대역이 동일함을 알 수 있고, 따라서, 도 10의 실시예에 따른 필터의 통과 대역은 시리즈부(11)의 시리즈 공진기와 임피던스 Zc 에 의해 결정됨을 확인할 수 있다.
제1 그래프(graph_1) 및 제3 그래프(graph_3)를 비교하면, 제1 그래프(graph_1)의 통과 대역은 제3 그래프(graph_3)의 통과 대역과 일부 차이가 있다. 즉, 임피던스 Zc 에 의해, 제1 그래프(graph_1)와 제3 그래프(graph_3)의 통과 대역의 차이가 발생함을 확인할 수 있다.
한편, 제4 그래프(graph_4)를 참조하면, 시리즈부의 공진 주파수는 통과 대역 내에 위치함을 확인할 수 있다.
제5 그래프(graph_5)를 참조하면, 도10의 Za의 극점에 의해 우측 스커트가 형성된다. 제6 그래프(graph_6)를 참조하면, 제2 그래프(grapeh_2)의 우측으로 Zc에 의한 추가적인 통과 대역이 형성된다. 제7 그래프(graph_7)를 참조하면, 제1 그래프(graph_1)의 5GHz 인근 볼록한 부분이 임피던스 Zc의 -1/Zsh의 공진 피크에 의해 형성됨을 확인할 수 있다. 즉, Zsh가 0인 경우, 무한대의 네거티브 임피던스를 형성하여, 추가적인 통과 경로(Pass Path)를 형성할 수 있다..
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 필터
11: 시리즈부
12: 션트부
13: 인덕터부
100: 체적 음향 공진기
110: 기판
115: 절연층
130: 멤브레인
133: 에어 캐비티
134: 지지부
135: 보조 지지부
140: 제1 전극
155: 공진부
150: 압전층
160: 제2 전극
165: 보조 전극
170: 보호층
200: 캡
11: 시리즈부
12: 션트부
13: 인덕터부
100: 체적 음향 공진기
110: 기판
115: 절연층
130: 멤브레인
133: 에어 캐비티
134: 지지부
135: 보조 지지부
140: 제1 전극
155: 공진부
150: 압전층
160: 제2 전극
165: 보조 전극
170: 보호층
200: 캡
Claims (16)
- 신호 입력단 및 출력단 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 시리즈부;
상기 시리즈부의 양 단 사이에 배치되는 제1 인덕터 및 상기 시리즈부와 제1 인덕터의 연결 노드에 일 단이 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부; 및
상기 제2 인덕터의 타단과 접지 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 션트부; 를 포함하고,
상기 션트부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수는 상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 보다 높은 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 상부 전극의 두께는 상기 션트부의 체적 음향 공진기의 상부 전극의 두께보다 두꺼운 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터는 상호 결합되는 필터.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 상호 결합 계수는 양의 부호 및 음의 부호 중 하나를 가지는 필터.
- 제3항에 있어서,
상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 반공진 상태에서, 상기 제1 인덕터를 통한 무선 주파수 신호의 통과 경로가 형성되는 필터.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 인덕터를 통한 무선 주파수 신호의 통과 대역은, 상기 제1 인덕터와 상호 결합되는 제2 인덕터 및 상기 제2 인덕터와 접지 사이에 배치되는 션트부에 의존하는 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 시리즈부의 반공진 주파수와 상기 션트부의 공진 주파수에 의해 통과 대역이 결정되는 필터. - 제1항에 있어서,
상기 시리즈부 및 상기 션트부 각각은, 서로 직렬로 연결되는 두 개의 체적 음향 공진기를 각각 포함하는 필터.
- 신호 입력단 및 신호 출력단 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 시리즈부;
상기 시리즈부와 접지 사이에 배치되고, 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 포함하는 션트부; 및
상기 시리즈부와 상기 션트부 사이에 배치되고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부; 를 포함하고,
상기 시리즈부의 반공진 주파수와 상기 션트부의 공진 주파수에 의해 통과 대역이 결정되는 필터.
- 제9항에 있어서,
상기 션트부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수는 상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 보다 높은 필터.
- 제9항에 있어서,
상기 시리즈부의 체적 음향 공진기의 상부 전극의 두께는 상기 션트부의 체적 음향 공진기의 상부 전극의 두께보다 두꺼운 필터.
- 제9항에 있어서,
상기 인덕터부는 상기 시리즈부의 양 단 사이에 배치되는 제1 인덕터 및 상기 시리즈부와 제1 인덕터의 연결 노드 및 상기 션트부 사이에 배치되는 제2 인덕터를 포함하는 필터.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터는 상호 결합되는 필터.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 상호 결합 계수는 양의 부호 및 음의 부호 중 하나를 가지는 필터.
- 제12항에 있어서,
상기 시리즈부의 반공진 상태에서, 상기 제1 인덕터를 통한 무선 주파수 신호의 통과 경로가 형성되는 필터.
- 제15항에 있어서,
상기 제1 인덕터를 통한 무선 주파수 신호의 통과 대역은, 상기 제1 인덕터와 상호 결합되는 제2 인덕터 및 상기 제2 인덕터와 접지 사이에 배치되는 션트부에 의존하는 필터.
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2018
- 2018-09-04 KR KR1020180105074A patent/KR102100125B1/ko active IP Right Grant
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