필터(filter) RF passive 제품의 핵심 주인공이라고 볼 수 있습니다.RF 시스템에서 가장 많이 사용되며 그 종류와 구현 방법 또한 매우다양합니다. 쉽게 개념만 말하면 정말 쉬워 보이지만 실제로 구현하기 위해 알아보기 시작하면 500페이지 책 한 권으로도 모자란 것이 필터입니다. 필터란 쉽게 말해서 이물질은 걸러주고 깨끗한 물만 흘려주는 정수기의 필터와 같은 역할을 합니다.  마찬가지로 잡 신호는 걸러주고 내가 필요한 신호만 출력시키는 RF 소자가 필터입니다. 아래 설명은 S-parameter를 알아야 이해가 쉽습니다필터는 크게 통과대역 특성에 따라 4가지로 구분됩니다. 



우선 가장 기본적인 필터인 Low Pass Filter가 있습니다. LPF는 저주파는 통과시키고 고주파는 거릅니다.DC부터 임의의 주파수까지만 통과시키기 때문에 DC전원단을 타고 들어오는 ripple이나 noise제거용으로도 사용되며, 고주파 spurious를 제거하거나 간단한 매칭 회로와 같이 결합되어 사용하기도 합니다. Filter중에서 가장 필터다운 필터는 역시 Band Pass Filter입니다. BPF는 원하는 주파수만 통과시키며 나머지는 걸러줍니다.여러 주파수를 아주 세밀하게 나눠서 사용하는 최근의 통신 시스템에는 원하는 주파수만 걸러내는 BPF가 매우 중요합니다. BPF는 송신단, 수신단에서 모두 사용되며 어떤 통신시스템이든지 반드시 들어가는 필터중의 필터라고 할 수 있습니다.


 


High Pass Filter LPF와 정반대로 저주파를 거르고 고주파만 통과시킵니다.HPF는 의외로 그렇게 많이 사용되지 않습니다.Passive 제품 자체가 주파수가 높아질수록 loss가 커지는데 저주파를 억제하면서 고주파만 살려서 걸러낸다는 것이 쉽지 않습니다.


 


아래와 같은 S21 특성곡선을 가지는 필터를 Band Stop Filter, Band Reject Filter, Notch Filter 등 다양한 이름으로 부릅니다.이 필터의 목적은 BPF와 달리 모든 주파수를 통과시키면서 원하는 주파수만을 통과시키지 않는 것입니다. 주로 상대대역에서 내가 사용하고자 하는 IN band로 치고 들어오는 간섭 신호를 제거해 주는데 많이 사용 합니다.의외로 많이 쓰이는 필터이며 IF 단에서도 종종 볼 수 있습니다.


 


필터는 위의 4종류처럼 통과 대역의 특성에 따라 나눌 수도 있지만 통과 대역과 무관하게 통과 특성 자체에 따라서 크게 2종으로 나눌 수 있습니다. 바로 butterworth 방식과 chebyshev방식입니다.


 


왼쪽이 butterworth이고 오른쪽이 chebyshev입니다.둘을 비교해보면 통과대역의 손실과 리플, 스커트 특성의 차이가 가장 큰 차이입니다.Butterworth는 통과대역이 평평하며 손실이 적은 반면 스커트 특성이 완만합니다. , 큰 손실없이 주파수를 걸러주지만 주변의 잡신호가 완전히 걸러지지 않을 수도 있습니다.Chebyshev는 스커트 특성이 날카로워 통과대역만 칼같이 걸러주지만 통과대역에 ripple이 있고 손실도 큽니다. 스커트 특성을 좋게 만들면 이 ripple과 손실이 같이 더 커지는 trade-off관계가 있습니다.


이것은 사실 필터를 구성하는 차수(order)에 따른 특성입니다. Order를 많이 구성하면 스커트 특성이 좋아지지만 그만큼 많은 passive 소자가 들어가게 되어 손실이 커집니다. 아래의 회로와 그래프를 보시죠.


 



왼쪽 회로는 inductor 하나와 capacitor 하나로 구성된 가장 간단한 형태의 2(order) LPF 회로입니다. 오른쪽 회로는 그 회로를 2개 이어 붙여 만든 4(order) LPF입니다.차수(Order) 2차에서 4차로 높이면서 생긴 변화를 보겠습니다.일단 통과 대역의 손실이 더 커진 것이 보입니다. 대신 스커트 특성은 더 날카로워졌습니다.여기서 우리는 통과대역의 손실에 더 비중을 둘 것인지 아니면 날카로운 스커트 특성에 더 비중을 둘 것인지를 선택해야 합니다. 


필터는 그 제작방법과 무엇으로 만들었는지에 따라 LC Filter, Transmission Line Filter, Cavity Filter(Comb-Line, Inter-Digital), DR Filter (Cavity DR Filter), Ceramic Filter(TEM 공진기), Coaxial Filter (Tubular Type Filter), Wave Guide Filter, Saw Filter 등 다양한 종류가 출시되어 있습니다. 


LC filter저주파, 저가의 제품에 주로 사용합니다. Inductor Capacitor PCB위에 배열하여 구현하는데 보통 개발자가 직접 소자 값을 계산해서 사용합니다. 2GHz 이하 저주파 대역이나 크기가 작은 단말기에서 주로 사용됩니다. 삽입 손실이 다소 크지만 개발자가 필요로 하는 filter를 직접 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 다단 설계가 가능하며 크기가 작고 가격이 매우 저렴하죠. 바로 위에서 예로 들었던 필터가 바로 LC filter입니다. 아래 그림에서 보듯이 L(inductor) C(capacitor)로 구현되어 있습니다.



  


Transmission Line Filter는 주로 3GHz부터 수GHz 대역에 이르는 고주파용 필터로 사용됩니다. 주파수에 따라 파장(λ)의 길이가 정해지는데 고주파일수록 파장의 길이가 짧아 Transmission Line을 구현하기가 쉬워집니다. 또한 주파수가 높아질수록 inductor capacitor의 특성이 바뀌는 자기공진주파수(self resonation frequency)에 걸려서 사용할 수 있는 소자 값이 극히 제한적인 것도 Transmission Line Filter를 사용하는 이유입니다.Transmission Line FilterPCBtransmission line open, short stub 패턴을 그려서 구현합니다. 대부분의 경우 구현하기 쉽고 튜닝 하기도 쉬운 Microstrip Line의 형태로 제작합니다. LC 필터와 비슷하게 개발자가 원하는 사양의 필터를 직접 구현할 수 있습니다. 낮은 주파수의 경우는 파장의 길이가 길기 때문에 제품의 크기가 아주 커지는 문제가 있을 수 있습니다.


 아래에 대표적으로 사용되는 LPF BPF의 예를 2개씩 들었습니다. 우선 LPF을 구현할 경우 사용되는 패턴입니다.



그리고 BPF입니다. BPF는 다양한 분야에서 다양한 용도로 사용되기 때문에 그 패턴의 종류도 매우 다양합니다.


 


Cavity Filter통상 기지국 및 중대형 중계기에 적용된 일반적인 필터로 금속을 가공하여 제작합니다. 통과대역의 주파수 대역은 금속 공진기(Resonator)의 높이로 결정합니다. 높이가 높으면 주파수 대역이 낮습니다.3GHz미만에서 주로 사용하며 High Power Handling이 용이하여 기지국 및 중계기에서 송, 수신용 필터로 많이 사용되었습니다.


 


DR Filter는 국내에서는 주로 PCS 대역 기지국 및 중계기용으로 많이 사용되었습니다. Cavity Filter처럼 금속재료를 가공하여 제작하지만 금속 공진기 대신 Ceramic DR (Dielectric Resonator) 즉 세라믹 유전체 공진기를 사용하여 통과대역 주파수를 결정한다는 것이 큰 차이점입니다. 주로 3GHz 미만에서 사용하고 MHz대역의 저주파에서도 설계는 가능하지만 부피가 매우 커지면서 System의 크기를 커지게 하는 단점과 DR의 가격이 고가라는 단점이 있어 실제 저주파에서는 잘 사용하지 않고있습니다. 하지만 삽입손실대비 스커트 특성이 Cavity Filter보다는 월등히 좋아 고가 가는 단점에도 불구하고 각 사업자간에 사용 주파수 간격이 가까운 PCS 대역 System에 많이 사용 되었던 것입니다.




다음으로 Ceramic Filter가 있습니다.압전(Piezo) CeramicAC 전류를 흘리면 진동을 일으키는 성질을 지니고 있습니다. 이 진동을 일으킬 때의 AC전류 주파수가 세라믹의 크기에 따라 정해지기 때문에 특정 주파수에 공진하는 필터를 만들 수 있게 됩니다.아래 사진에서와 같이 사각형의 Ceramic 공진기에 은을 도금한 형태로 제작하고 각 공진기를 여러 개 조합하여 Filter를 구현합니다. 여러 개를 붙일수록 스커트 특성은 좋아지지만 삽입손실은 나빠집니다.비교적 낮은 통과 대역 (100~300MHz) 주파수 구현이 쉬워 텔레비전의 음성 중간주파(IF) FM 방송의 중간주파 등 전자통신 ·전자제어용 회로에 많이 사용됩니다., 삽입 손실이 크고 High Isolation구현이 쉽지 않은 단점이 있습니다. High Power에서 사용하기도 어렵습니다.



Coaxial Filter주로 Low Pass Filter 용도로 사용됩니다. 동축 케이블의 공진특성을 이용하여 UHF대역 송수신기 시스템에서 ANT에 이르는 케이블 중간에 삽입하여 측파대(side band)를 제거, 혼신 방지용으로 쓰이고 있습니다.형상은 아래 이미지와 같이 케이블의 중간에 삽입할 수 있도록 제작됩니다.



Waveguide Filter (도파관 필터)는 주로 고주파, 대전력용으로 사용됩니다. 주로 위성통신이나 이동통신 기지국 같은 KW 단위의 대전력을 사용하는 경우 사용됩니다. 도파관의 크기를 조정함으로써 원하지 않는 주파수가 통과하지 못하는 필터를 제작할 수 있습니다.또한 도파관의 어느 한 부분에 구멍을 뚫고 그곳에 나사 하나만 체결해도 도파관의 진행모드에 영향을 주어 filter 특성을 가지게 됩니다.가공상태 및 가공치수에 따라 도파관의 특성이 변하기 때문에 얼마나 정밀하게 가공하냐에 따라 도파관의 성능이 결정 됩니다.


 
SAW filter Surface Acoustic Wave Filter의 줄임말로 마치 톱날처럼 날카로운 스커트 특성이 가장 큰 특징입니다. LC filterCeramic filter 등에 비해 극히 작은 크기로 제작이 가능하면서 스커트 특성이 매우 우수하여 단말기에서 가장 널리 사용됩니다.



                       S21


압전물질 표면에 빗살모양의 전극을 어긋나게 배치하면 Surface Acoustic Wave , 표면탄성파가 발생하는데 그 탄성주파수와 동조되는 특정 주파수만 통과되고 나머지 주파수는 걸러내는 성질을 이용한 것이 SAW 필터입니다.





 


필터를 고를 때에는 필터의 특성에 대해서 알아야 합니다. 그리고 필요한 필터의 특성이 LPF인지 BPF인지를 먼저 골라야 합니다. 그 후 가장 중요한 요소가 차단주파수(cut off frequency)와 삽입손실(S21), 반사손실 (S11), 스커트 특성입니다.차단주파수란 S21 특성이 떨어지기 시작해서 -3dB가량 떨어진 지점의 주파수를 말합니다.



BPF의 경우엔 통과 대역 중심주파수(fc)와 통과대역의 대역폭(band width)이 중요한 요소입니다. 위 그림을 보시지요.Loss는 삽입손실 (insertion loss)를 말하며 보통 S21으로도 표현됩니다. 적으면 적을수록 좋으나 스커트 특성과 trade-off 관계가 있습니다. Loss도 적으면서 스커트 특성도 우수한 제품은 매우 비싸기 때문에 적절한 수준에서 타협해야 합니다.Fc는 통과대역의 중심주파수입니다. S21 특성이 떨어지기 시작해서 -3dB 가량 떨어진 양쪽 지점을 그 BPF의 대역폭이라 합니다. 이 그림의 f1 ~ f2 사이가 통과대역폭입니다. 중심주파수와 대역폭은 개발자가 원하는 대역으로 골라야 합니다. 일반적으로 사용하는 주파수 대역이 아니라면 주문제작을 해야 합니다.


그리고 attenuation, isolation, rejection 등으로 표현한 부분은 저지대역 특성을 나타내는 것입니다. 통과대역의 특성으로 S21 (loss) ripple, 대역폭 등이 있다면 저지대역에 대해서는 얼마나 잘 걸러주는지를 알려주는 지표입니다. 물론 그 값이 클수록 통과대역 이외의 주파수를 잘 억눌러 통과시키지 않는다는 의미입니다. 


위에서 알아 본거와 같이 Filter는 정말 많은 종류가 있습니다. 그렇기 때문에 Filter를 제작하는 업체도 Filter 종류에 따라 나눠져 있습니다. 모든 Filter제작이 다 가능한 업체는 없을 것 입니다. 이에 당사는 주로 Cavity Filter DR Filter를 전문으로 하고 있습니다.


 




  
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