저손실의 튜너블 무선 주파수 필터 document_id A220623107763

전기 필터는 오랫동안 전기 신호를 처리하는 데 사용되어 왔다. 특히, 이러한 전기 필터는, 원하는 신호 주파수는 통과시키는 반면, 원하지 않는 다른 전기 신호 주파수는 차단하거나 감쇄시킴으로써, 입력 신호로부터 원하는 전기 신호 주파수를 선택하는 데 사용된다. 필터는 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 대역 통과 필터, 및 대역 저지 필터를 포함하는 몇몇 일반적인 카테고리로 분류될 수 있으며, 이는 해당 필터에 의해 선택적으로 통과되는 주파수의 형태를 나타낸다. 또한, 필터는 버터워스(Butterworth), 체비셰프(Chebyshev), 역 체비셰프(Inverse Chebyshev), 및 엘립틱(Elliptic)과 같은 형태로 분류될 수 있으며, 이는 이상적인 주파수 응답에 대하여 해당 필터가 제공하는 대역 형태의 주파수 응답의 형태(주파수 차단 특성)를 나타낸다. 사용되는 필터의 형태는 주로 의도된 사용 목적에 따른다. 통신 어플리케이션에서, 대역 통과 필터는 통상적으로 셀룰러 기지국 및 다른 통신 장치에 사용되어, 거의 하나 이상의 미리 정의된 대역에서 RF 신호를 필터하거나 차단한다. 예를 들어, 이러한 필터는 전형적으로 수신기 프론트 엔드에 사용되어, 기지국 또는 통신 장비(telecommunication equipment) 내의 수신기의 구성요소에 해를 가하는 노이즈 및 다른 원하지 않는 신호를 필터링한다. 수신기 안테나 입력에 뚜렷하게 정의된 대역 통과 필터를 직접 배치하는 것은, 원하는 신호 주파수에 근접한 주파수에서 강한 간섭 신호로부터 발생되는 각종 역효과를 주로 제거할 것이다. 수신기 안테나 입력에서의 필터의 위치 때문에, 삽입 손실(insertion loss)은 노이즈 지수를 저하시키지 않도록 매우 낮아야 한다. 대부분의 필터 기술에서, 삽입 손실을 낮게 하려면 필터 기울기(filter steepness) 또는 선택도에서의 상응하는 절충을 필요로 한다. 상용 통신 어플리케이션에서, 협대역 필터를 이용하여 가능한 최저의 통과 대역을 필터링하여 고정 주파수 스펙트럼이 가능한 최대 갯수의 주파수 대역으로 분할되게 하여, 고정 스펙트럼에 적합하게 할 수 있는 실제 사용자 수를 증가시키는 것이 때로는 바람직하다. 무선 통신의 급격한 증가에 따라, 이러한 필터링은 고도의 선택도(작은 주파수차에 의해 분리된 신호들 간을 구별할 수 있는 능력) 및 점점 부적합한 주파수 스펙트럼의 감도(약한 신호를 수신할 수 있는 능력)를 제공하여야 한다. 특히 중요한 것은 아날로그 셀룰러 통신의 경우 800-900 MHz, 그리고 개인 통신 서비스(PCS)의 경우 1,800-2,200 MHz의 주파수 범위이다. 본 발명에 관한 특정 관심사는 고품질 인자(high-quality factor) Q(즉, 에너지를 저장할 능력의 척도이므로, 그의 전력 소모 또는 손실과 반비례함), 저 삽입 손실, 광범위한 마이크로파의 튜너블 필터, 군사용(예컨대, RADAR), 통신, 및 전자 지능(ELINT), 및 셀룰러를 포함하는 각종 통신 어플리케이션에서와 같은 상용 분야에서의 RF 어플리케이션에 대한 필요성이다. 많은 어플리케이션에서, 수신기 필터는 원하는 주파수를 선택하거나 또는 간섭 신호 주파수를 트랩하도록 튜닝가능해야 한다. 따라서, 수신기 안테나와 수신기 내의 제1 비선형 소자(전형적으로 저잡음 증폭기 또는 혼합기) 사이에 선형이며, 튜닝가능한 대역 통과 필터의 도입은 삽입 손실이 매우 낮다면, 광범위한 RF 마이크로파 시스템에서 상당한 이점을 제공한다. 예를 들어, 상용 어플리케이션에서, PCS에 사용되는 1,800-2,200 MHz 주파수 범위는 임의로 주어진 더 협소한 주파수 대역(A-F 대역)으로 분할될 수 있으며, 단지 이들의 서브세트만 임의의 주어진 영역에서 통신 운영자에 의해 사용될 수 있다. 따라서, 기지국 및 핸드헬드 유닛들은 선택된 이들 주파수 대역의 서브세트에서 동작하도록 재구성될 수 있는 것이 유리할 것이다. 다른 예로서, RADAR 시스템에서, "친화적인" 인접 소스 또는 잼머(jammer)로부터의 고진폭 갑섭 신호들은 수신기의 감도를 줄이거나 고진폭 클러터 신호 레벨과 상호변조하여 거짓 타겟 표시를 부여할 수 있다. 따라서, 고밀도 신호 환경에서, RADAR 경고 시스템은 완전히 사용할 수 없게 되는 경우가 빈번히 발생하는데, 이 경우, 주파수 도약(frequency hopping)이 유용할 것이다. 마이크로파 필터는 일반적으로 2개의 회로 구축 블록(circuit building block), 즉, 한 주파수 f0에서 매우 효율적으로 에너지를 저장하는 복수의 공진기들; 및 이들 공진기들 사이에서 전자기 에너지를 결합하여 복수의 스테이지(stage) 또는 폴(pole)을 형성하는 커플링을 이용하여 구축된다. 예를 들어, 4폴 필터는 4개의 공진기를 포함할 수 있다. 주어진 커플링의 강도는 그의 리액턴스(즉, 인덕턴스 및/또는 커패시턴스)에 의해 결정된다. 커플링의 상대 강도는 필터 형태를 결정하며, 커플링의 토폴로지는 필터가 대역 통과 또는 대역 저지 기능을 수행하는지 여부를 결정한다. 공진 주파수 f0는 크게 각 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스에 의해 결정된다. 통상적인 필터 설계의 경우, 필터가 액티브인 주파수는 해당 필터를 구성하는 공진기들의 공진 주파수들에 의해 결정된다. 각각의 공진기는 전술한 이유에 의해 필터 응답이 샤프하고 매우 선택 감도가 우수한 것이 가능하도록 매우 낮은 내부 저항을 가져야 한다. 이러한 낮은 저항에 대한 요구조건은 주어진 토폴로지에 대한 공진기들의 크기 및 비용을 조정하는 경향이 있다. 전형적으로, 고정 주파수 필터는 통상적인 필터의 크기 및 비용이 그의 실현에 필요한 공진기의 수와 더불어 선형적으로 증가함에 따라 소정의 형태를 얻는 데 필요한 공진기 수를 최소화하도록 설계된다. 반도체 장치의 경우와 마찬가지로, 포토리소그래피로 정의되는 필터 구조들(예컨대, 고온 초전체(HTS), 마이크로 전자기계 시스템(MEMS), 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터 등)은 통상의 결합 또는 유전체 필터보다 이러한 종류의 크기 및 비용 스케일링에 보다 덜 민감하다. 현재 튜너블 필터를 설계하는 데 사용되는 방식은 고정 주파수 필터에 대하여 전술한 것과 동일한 방식을 따른다. 따라서, 이 접근법들은 매우 효율적이고, 효과적이며, 회로를 간단하게 한다; 즉, 이들은 주어진 필터 응답을 실현하는 데 필요한 가장 심플한 회로가 되게 한다. 종래의 튜닝 기술에서, 필터의 모든 공진 주파수들은 그 필터의 주파수를 튜닝하도록 조절된다. 예를 들어, 장치의 동작 주파수 대역을 50 MHz 증가시키고자 한다면, 협대역 필터의 공진 주파수들은 모두 50 MHz 증가되어야 한다. 이러한 종래 기술이 주파수 대역을 조절하는데 대체으로는 성공적이지만, 불가피하게 공진기에 저항을 도입하여, 해당 필터의 삽입 손실을 불리하게 증가시킨다. 필터 내 각 공진기 위에 HTS 플레이트를 기계적으로 이동시켜 그의 공진 주파수를 변경함으로써, 공진기에 큰 저항을 도입하지 않고서도 HTS 필터를 튜닝할 수 있지만, 이러한 기술은 본질적으로 느리고(수 초 정도), 비교적 대규모의 3차원 튜닝 구조를 필요로 한다. 삽입 손실은 소위 스위칭 필드 설계에서 감소될 수 있지만, 이들 설계들은 여전히 스위칭 시간 사이에서 상당량의 손실을 야기하며 공진기를 추가로 필요로 한다. 예를 들어, 삽입 손실은 2개의 필터와 이들 필터 중에서의 선택을 위한 한 쌍의 SP2T(single-pole double-throw) 스위치를 제공함으로써 감소될 수 있기 때문에, 튜닝 범위 요건을 효과적으로 감소시키지만, 공진기의 수를 팩터 2 만큼 증가시킨다. 이 손실은 스위치 및 필터들을 더 많이 도입함으로써 보다 감소될 수 있지만, 각각의 추가적인 필터는 원래 필터와 동일한 수의 공진기를 필요로 할 것이다. 따라서, 삽입 손실의 감소에 따라 빠르게 튜닝될 수 있는 대역 통과 필터를 제공할 필요가 있다.