분산 요소 필터

그림 1.이 문서에서 설명하는 많은 필터 구조를 포함하는 회로.필터의 작동 주파수는 약 11GHz이다.이 회로는 아래 박스에 설명되어 있다.

저소음 블록 컨버터 그림 1에 표시된 회로는 저소음 블록 컨버터로서 위성 텔레비전 수신 접시 안테나에 부착하기 위한 것이다.특정 채널에 추출하려는 시도가 없는 상태에서 다량의 위성 채널을 블록으로 변환하기 때문에 블록 컨버터라고 불린다.송신이 위성 궤도로부터 22,000마일을 이동했음에도 불구하고, 접시로부터 마지막 몇 피트 떨어진 곳까지 신호를 받는 것은 문제가 있다.난이도는 신호가 케이블(다운리드라고 함)에 의해 속성 내부로 들어오고, 높은 위성 신호 주파수는 여유 공간이 아닌 케이블에 있을 때 크게 감쇠된다는 것이다.블록 컨버터의 목적은 위성 신호를 다운리드와 사용자의 셋톱 박스로 처리할 수 있는 훨씬 낮은 주파수 대역으로 변환하는 것이다.주파수는 위성 시스템과 지리적 지역에 따라 다르지만 이 특정 장치는 10.7GHz 대역의 주파수 블록을 11.8GHz로 변환한다.다운리드로 가는 출력은 950MHz ~ 1950MHz 대역이다.장치 하단에 있는 두 개의 F 커넥터는 다운라이드에 연결하기 위한 것이다.이 특정 모델에서 2개가 제공되며(블록 컨버터는 1개 이상의 출력을 가질 수 있다) 두 개의 텔레비전 또는 TV와 VCR을 동시에 두 개의 다른 채널로 튜닝할 수 있다.수신 경음기는 일반적으로 보드 중앙의 원형 구멍에 장착되며, 이 공간에 돌출된 두 개의 프로브는 각각 수평 및 수직 편광 신호를 수신하기 위한 것이며 이 두 개 사이에서 장치를 전환할 수 있다.많은 필터 구조를 회로에서 볼 수 있다: 관심 대역으로 들어오는 신호를 제한하는 대역 통과 병렬 연결 선 필터의 두 가지 예가 있다.공명기의 비교적 큰 폭(그림 2의 마이크로스트립 예시 또는 중심 금속 장방형의 아래 및 오른쪽에 있는 국소 발진기 필터와 비교)은 필터가 통과하는데 필요한 넓은 대역폭을 반영한다.또한 트랜지스터 및 기타 장치에 DC 바이어스를 공급하는 스터브 필터의 예도 많으며, 신호가 동력원을 향해 이동하는 것을 방지하기 위해 필터가 필요하다.울타리를 통해 불리는 일부 선로에 있는 구멍들은 필터링 구조가 아니라 인클로저의 일부를 형성하고 있다.[1][2][3] 다양한 마이크로스트립 분산 소자 필터 기술 요소를 보여주는 20GHz 애질런트 N9344C 스펙트럼 분석기 내부의 PCB

분산 소자 필터는 캐패시턴스, 인덕턴스 및 저항(회로 요소)이 기존 필터처럼 이산 캐패시터, 인덕터 및 저항기에 국부화되지 않는 전자 필터다.신호 주파수의 범위는 허용하되 다른 신호 주파수는 차단하는 것이 목적이다.기존 필터는 인덕터와 캐패시터로 구성되며, 이렇게 만들어진 회로는 각 원소를 한 곳에서 "함께 뭉쳐" 있는 것으로 간주하는 덩어리 요소 모델에 의해 설명된다.그 모델은 개념적으로는 단순하지만, 신호의 주파수가 증가하면 점점 신뢰성이 떨어지거나, 파장이 감소하면 동등하게 신뢰성이 떨어진다.분산 요소 모델은 모든 주파수에서 적용되며 전송 라인 이론에 사용된다. 많은 분산 요소 요소들은 짧은 길이의 전송 라인으로 만들어진다.회로의 분산도에서 원소들은 도체의 길이를 따라 분포되어 있으며, 서로 불가분의 혼합을 이루고 있다.필터 설계는 보통 인덕턴스와 캐패시턴스에만 관련되지만, 이러한 요소들의 혼합 때문에 별도의 "루프된" 캐패시터와 인덕터로 취급될 수 없다.분배 요소 필터를 사용해야 하는 위의 정확한 주파수는 없지만 특히 마이크로파 대역과 관련이 있다(1m 미만의 파장).

분산 요소 필터는 라디오 채널의 선택성, 노이즈의 대역 제한 및 많은 신호를 하나의 채널로 멀티플렉싱과 같은 일괄 요소 필터와 동일한 애플리케이션에서 많이 사용된다.분산 요소 필터는 일반적으로 근사치만 되는 하이패스를 제외하고 덩어리가 있는 요소(저역-통과, 대역-통과 등)로 가능한 밴드폼을 구성할 수 있다.일괄 요소 설계(Butterworth, Chebyshev 등)에 사용되는 모든 필터 클래스는 분산 요소 접근방식을 사용하여 구현할 수 있다.

분산형 요소 필터를 구성하는 데 사용되는 많은 구성 요소 형태가 있지만, 모두 전송 라인에 불연속성을 유발하는 공통적인 특성을 가지고 있다.이러한 불연속부는 라인을 따라 이동하는 파동 전선에 반응 임피던스를 나타내며, 이러한 반응성은 필터에서 요구하는 대로 덩어리 인덕터, 캐패시터 또는 공명기의 근사치로 기능하도록 설계에 의해 선택될 수 있다.^[4]

분산형 소자 필터의 개발은 2차 세계 대전 동안 레이더와 전자 대응 조치에 대한 군사적 필요에 의해 촉진되었다.복합 요소 아날로그 필터는 오래 전에 개발되었지만 이러한 새로운 군사 시스템은 마이크로파 주파수로 작동하고 새로운 필터 설계가 필요했다.전쟁이 끝났을 때, 이 기술은 전화 회사들과 텔레비전 방송사와 같은 큰 고정 통신망을 가진 다른 기관들이 사용하는 전자레인지 링크에서 응용 프로그램을 발견했다.오늘날 이 기술은 위성 텔레비전 접시에 사용되는 컨버터(그림 1은 예를 보여준다)와 같은 여러 양산형 소비재에서 찾아볼 수 있다.

개설

기호 λ은 그 전기적 길이의 라인 또는 라인의 한 부분에 전송되는 신호의 파장을 의미하는 데 사용된다.

분산 소자 필터는 주로 VHF(매우 고주파수) 대역(30~300MHz) 이상의 주파수에서 사용된다.이러한 주파수에서 패시브 컴포넌트의 물리적 길이는 작동 주파수의 파장의 상당 부분이며, 종래의 덩어리 요소 모델을 이용하기 어렵게 된다.분산 요소 모델링이 필요한 정확한 지점은 고려 중인 특정 설계에 따라 달라진다.일반적인 경험 법칙은 구성 요소 치수가 0.1˚보다 클 때 분산 요소 모델링을 적용하는 것이다.전자제품의 소형화가 증가함에 따라 회로 설계는 circuit에 비해 점점 작아지고 있다.필터 설계에 대한 분산 요소 접근방식이 필요하게 되는 범위를 넘어서는 빈도는 이러한 진보의 결과로 점점 더 높아지고 있다.반면에 안테나 구조 치수는 일반적으로 모든 주파수 대역에서 λ과 동등하며 분산 요소 모델이 필요하다.^[5]

분산형 요소 필터와 그 덩어리형 요소 근사치 사이의 동작에서 가장 눈에 띄는 차이는 전송선 전송 특성이 조화 간격으로 반복되기 때문에 전자가 덩어리형 요소 시제품 패스밴드의 다중 패스밴드 복제본을 가질 것이라는 것이다.이러한 가짜 패스밴드는 대부분의 경우 바람직하지 않다.^[6]

프레젠테이션의 명확성을 위해 이 글의 도표는 스트립라인 형식으로 구현된 구성요소로 그려진다.평판 전송 라인 형식(즉, 도체가 플랫 스트립으로 구성된 형식)은 확립된 인쇄회로기판 제조 기법을 사용하여 구현될 수 있기 때문에 인기가 있지만 이는 산업 선호도를 의미하는 것은 아니다.표시된 구조물은 마이크로스트립 또는 매립 스트립라인 기법을 사용하여 구현될 수도 있으며(차원에 적합한 조정을 통해), 일부 구조물은 다른 구조보다 일부 구현에 더 적합하지만 동축 케이블, 트윈 리드 및 도파관에도 적용할 수 있다.예를 들어, 다수의 구조물의 개방형 와이어 구현은 그림 3의 두 번째 열에 나타나 있으며 대부분의 다른 스트립라인 구조물에 대해 개방형 와이어 등가물을 찾을 수 있다.평면 트랜스미션 라인은 집적회로 설계에도 사용된다.^[7]

역사

분산형 요소 필터의 개발은 제2차 세계 대전 이전 몇 년 동안 시작되었다.워렌 P. Mason은 분산형 소자 회로 분야를 설립했다.^[8]이 주제에 대한 주요 논문은 1937년 메이슨과 사이크스에 의해 발표되었다.^[9]메이슨은 1927년 훨씬 이전에 특허를^[10] 출원했고, 그 특허는 복잡한 요소 분석에서 벗어나는 최초의 발표된 전기 설계를 포함할 수 있다.^[11]메이슨과 사이크스의 작업은 동축 케이블의 형식과 균형 잡힌 와이어 쌍에 초점을 맞췄다 – 평면 기술은 아직 사용되지 않았다.많은 개발은 레이더와 전자 대책의 여과 요구에 의해 전쟁 기간 동안 수행되었다.이 중 상당수는 MIT 방사선 연구소에 있었지만,^[12] 미국과 영국의 다른 연구실들도 관여했다.^[13][14]

여과기를 전시 설계를 넘어 발전시키기 위해서는 네트워크 이론의 중요한 발전이 필요했다.이것들 중 하나는 폴 리차드의 상응하는 선 이론이었다.^[15]동시선은 다른 특징적 장애를 주기 위해 다른 차원에서는 다를 수 있지만, 모든 요소가 같은 길이(또는 경우에 따라 단위 길이의 배수)인 네트워크다.Richards의 변환은 덩어리 요소 설계를 "있는 그대로" 취하여 매우 단순한 변환 방정식을 사용하여 분산 요소 설계로 직접 변환할 수 있게 한다.^[16]

실용적인 필터를 구축하는 관점에서 리차드의 변환이 어려운 점은 결과적인 분산 요소 설계가 반드시 직렬 연결 요소를 포함한다는 것이었다.이것은 평면 기술에서는 구현이 불가능했고 다른 기술에서는 종종 불편했다.이 문제는 K에 의해 해결되었다.직렬 원소를 제거하기 위해 임피던스 변압기를 사용한 쿠로다.1955년 쿠로다의 정체성으로 알려진 변형 세트를 출간했지만, 그의 작품은 일본어로 쓰여졌고 그의 사상이 영문학에 편입되기까지 몇 년이 걸렸다.^[17]

전쟁이 끝난 후, 한 가지 중요한 연구 방법은 광대역 필터의 설계 대역폭을 늘리려는 것이었다.그 당시에 사용된 접근방식은 (현재도 여전히 사용 중) 덩어리 요소 프로토타입 필터로 시작하여 다양한 변환을 통해 분산 요소 형태로 원하는 필터에 도달하는 것이었다.이 접근방식은 최소 Q의 5개에서 고착된 것으로 보였다(Q에 대한 설명은 아래 대역 통과 필터 참조).1957년 스탠포드 연구소의 레오 영은 분산형 소자 프로토타입으로 시작한 필터 설계 방법을 발표했다.^[18]이 프로토타입은 1/4파 임피던스 변압기를 기반으로 하여 약 1.3의 Q에 해당하는 최대 1 옥타브 대역폭으로 설계를 제작할 수 있었다.그 논문에서 영의 몇 가지 절차는 경험적이었지만,^[19] 나중에 정확한 해결책이 발표되었다.영의 논문은 직접 결합한 공동 공진기를 구체적으로 다루지만, 이 절차는 현대의 평면 기술에서 발견되고 이 글에서 설명되는 것과 같은 다른 직접 결합 공진기 형식에도 동일하게 적용될 수 있다.용량성 갭 필터(그림 8)와 병렬 결합 라인 필터(그림 9)는 직접 결합된 공명기의 예다.^[16]

인쇄된 평면 기술의 도입으로 필터를 포함한 많은 마이크로파 부품과 마이크로파 집적 회로의 제조가 크게 간소화되었다.평면 전송 라인이 언제 발생했는지는 알 수 없지만, 이를 이용한 실험은 1936년 초에 기록되었다.^[20]그러나 인쇄된 스트립플린의 발명가는 알려져 있다; 이것은 1951년에 이 아이디어를 출판한 로버트 M. 바렛이다.^[21]이것은 급속도로 인기를 끌었고, 바렛의 스트리플린은 곧 경쟁 평면형식, 특히 삼판과 마이크로 스트립과 치열한 상업 경쟁을 벌였다.현대 용어의 일반적인 용어 스트립린은 보통 당시 삼판이라고 알려진 형태를 가리킨다.^[22]

초기 스트립라인 직접 커플링 공명 필터는 엔드커플링이었으나 병렬커플링 라인 필터, 인터디지털 필터,^[23][24] 콤비라인 필터 등의 도입으로 길이가 줄고 콤팩트함이 연속적으로 증가했다.^[25]이 작품의 대부분은 조지 마태이가 이끄는 스탠포드 대학의 그룹에 의해 출판되었고, 또한 위에 언급된 레오 영도 오늘날까지도 회로 디자이너들에게 참고자료로 사용되고 있는 획기적인 책에 실렸다.^[26][27]머리핀 필터는 1972년에 처음 설명되었다.^[28][29]1970년대까지, 오늘날 공통적으로 사용되는 대부분의 필터 토폴로지가 설명되었다.^[30]보다 최근의 연구는 동일한 기본 토폴로지를 여전히 사용하면서 사이비-엘리틱과 같은 필터의 새로운 또는 변형 수학적 클래스 또는 정지된 스트립라인과 핀라인과 같은 대체 구현 기술에 집중되어 있다.^[31]

분산형 요소 필터의 초기 비군사적 적용은 통신 회사가 네트워크의 백본을 제공하기 위해 사용하는 마이크로파 링크에 있었다.이 링크들은 또한 대형 고정 네트워크를 가진 다른 산업들, 특히 텔레비전 방송사들에 의해서도 사용되었다.^[32]그러한 애플리케이션은 대규모 자본 투자 프로그램의 일부였다.하지만 대량 생산으로 인해 국내 위성 텔레비전 시스템에 이 기술을 접목할 수 있을 만큼 저렴해졌다.^[33]휴대전화 회사가 운영하는 휴대폰 기지국에서 사용할 초전도 필터에 새로운 응용 프로그램이 등장하고 있다.^[34]

기본 구성 요소

구현할 수 있는 가장 간단한 구조는 회선의 특성 임피던스의 단계로, 전송 특성에 불연속성을 도입한다.이것은 평면 기술에서 전송 라인의 폭의 변화에 의해 이루어진다.그림 4(a)는 임피던스에서 한 단계 상승한 것을 보여준다(더 좁은 라인은 더 높은 임피던스를 가진다).임피던스에서 한 단계 내려간다면 그림 4(a)의 거울 영상이 될 것이다.불연속성은 그림 4(a)와 같이 직렬 인덕터 또는 더 정확히 말하면 저역-통과 T 회로로 나타낼 수 있다.^[35]다수의 불연속부는 더 높은 순서의 필터를 생성하기 위해 임피던스 변압기와 함께 결합되는 경우가 많다.이러한 임피던스 변압기는 짧은 (종종 λ/4) 길이의 송신선일 수 있다.이러한 복합 구조물은 해당 덩어리 요소 필터의 합리적인 전달 기능을 근사하게 계산하여 필터 제품군(Butterworth, Chebyshev 등) 중 하나를 구현할 수 있다.분산형 소자 회로는 합리적일 수 없으며, 덩어리가 있는 소자와 분산형 소자 행동의 분리의 근본 원인이기 때문에 이 대응은 정확하지 않다.임피던스 변압기는 덩어리진 필터와 분산된 요소 필터(일명 반 덤프 구조)의 혼합물에도 사용된다.^[36]

분산 요소 필터의 또 다른 일반적인 구성 요소는 스텁이다.좁은 주파수 범위에서는 스텁을 커패시터나 인덕터(임피던스는 그 길이에 의해 결정됨)로 사용할 수 있지만 넓은 대역에서는 스텁이 공명기로 작용한다.단락, 명목상 1/4 파장 스터브(그림 3(a))는 션트 LC 부동액으로 작용하며, 개방 회로 명목상 1/4 파장 스터브(그림 3(b)는 직렬 LC 공진기로 작용한다.스터브는 또한 더 복잡한 필터를 만들기 위해 임피던스 변압기와 함께 사용할 수 있으며, 공명 특성에서 예상할 수 있듯이 대역 통과 애플리케이션에서 가장 유용하다.^[39]개방 회로 스텁은 평면 기술에서 제조하기가 더 쉽지만, 종단부가 이상적인 개방 회로(그림 4(b) 참조)에서 크게 벗어나는 단점을 가지고 있어 단락 스텁을 선호하게 되는 경우가 많다(한 개는 λ/4를 길이에 추가하거나 길이에 뺄 경우 항상 다른 회로 스텁을 대신 사용할 수 있다.^[35]

헬리컬 공명기는 이를 나타내기 위해 분산형 요소 모델이 필요하다는 점에서 스터브와 유사하지만 실제로는 덩어리 원소를 사용해 제작된다.이들은 비 평면형식으로 지어졌으며, 전자와 코어 위에 철사로 된 코일로 이루어져 있으며, 한쪽 끝에만 연결되어 있다.기기는 보통 코어를 조정하기 위해 상단에 구멍이 있는 차폐된 캔에 있다.그것은 종종 유사한 목적을 위해 사용되는 덩어리진 LC 공명기와 물리적으로 매우 유사하게 보일 것이다.스텁은 상위 VHF 및 하위 UHF 대역에 가장 유용하며, 스텁은 상위 UHF 및 SHF 대역에 더 자주 적용된다.^[40]

결합된 선(그림 3(c-e))은 필터 요소로 사용될 수도 있다. 스텁과 마찬가지로 공명기 역할을 할 수 있으며 단락 또는 단선도 종료된다.결합 라인은 구현하기 쉬운 평면 기술에서 선호되는 반면 스터브는 다른 곳에서 선호되는 경향이 있다.평야 기술에서 진정한 개방 회로 구현은 항상 등가 회로에 션트 캐패시턴스가 포함되도록 보장하는 기질의 유전적 효과 때문에 가능하지 않다.그럼에도 불구하고 개방 회로는 구현이 용이하기 때문에 단락보다 평면형식으로 사용하는 경우가 많다.수많은 요소 유형은 결합 선으로 분류할 수 있으며, 보다 일반적인 선들의 선택은 그림에 나타나 있다.^[41]

일부 공통 구조는 그림 3과 4와 그 덩어리 요소 구조와 함께 표시된다.이러한 덩어리 요소 근사치는 등가 회로가 아니라 특정 주파수 범위에 걸쳐 분산된 요소의 거동에 대한 지침으로 간주해야 한다.그림 3(a)와 3(b)는 각각 단락 및 개방 회로 스텁을 나타낸다.스터브 길이가 λ/4인 경우, 이러한 스텁 길이는 각각 안티리조네이터와 공명기로 작동하므로 밴드 패스 및 밴드-스톱 필터의 요소로서 각각 유용하다.그림 3(c)는 주선에 연결된 단락선을 보여준다.이것은 공명기 역할도 하지만, 관심 대역 바깥에 공명 주파수를 가진 저역 통과 필터 어플리케이션에서 일반적으로 사용된다.그림 3(d)와 3(e)는 대역 통과 필터에서 모두 유용한 커플링 라인 구조를 보여준다.그림 3(c)와 3(e)의 구조에는 라인과 직렬로 배치된 스터브와 관련된 등가 회로가 있다.그러한 토폴로지는 개방형 와이어 회로에서는 구현이 간단하지만 평면 기술로는 구현되지 않는다.따라서 이 두 구조물은 등가 직렬 요소를 구현하는 데 유용하다.^[42]

저역 통과 필터

저역-통과 필터는 그림 5에 나타낸 계단식 임피던스 필터와 함께 래더 위상 덩어리-원소 프로토타입에서 매우 직접적으로 구현될 수 있다.이것을 계단식 선 설계라고도 한다.필터는 고임피던스 라인과 저임피던스 라인의 교차 섹션으로 구성되며, 이는 일괄 구현에서 직렬 인덕터와 분트 캐패시터에 해당한다.저역 통과 필터는 일반적으로 활성 구성 요소에 직류(DC) 바이어스를 공급하기 위해 사용된다.이 응용 프로그램을 위한 필터를 Chokes라고도 한다.이 경우 필터의 각 요소는 길이 length/4이고(여기서 λ은 DC 소스로의 전송을 차단하는 본선 신호의 파장이다) 라인의 고임피던스 부분은 인덕턴스를 극대화하기 위해 제조기술이 허용하는 범위 내에서 최대한 좁게 만든다.^[43]필터 성능을 위해 필요한 경우 덩어리 요소와 마찬가지로 추가 섹션을 추가할 수 있다.표시된 평면 형태뿐만 아니라, 이 구조는 금속 디스크와 절연체가 중심 도체에 실링되는 동축 구현에 특히 적합하다.^[44][45][46]

단계적 임피던스 설계의 더 복잡한 예는 그림 6에 제시되어 있다.다시 좁은 선은 인덕터를 구현하기 위해 사용되며 넓은 선은 콘덴서에 해당하지만, 이 경우 덩어리 소자 상대는 본선을 가로질러 션트로 연결된 공명기가 있다.이 위상은 정지대역에 감쇠극이 있는 타원형 필터 또는 체비셰프 필터를 설계하는 데 사용할 수 있다.그러나 이러한 구조물에 대한 성분 값을 계산하는 것은 관련 프로세스로서 설계자들이 종종 대신 m-파생필터로 구현하는 것을 선택하게 되어 성능이 좋고 계산하기가 훨씬 쉽다.공명기를 통합하는 목적은 스톱밴드 거부반응을 개선하기 위함이다.그러나 최고 주파수 공진기의 공명 주파수를 넘어 공진기가 개방 회로 쪽으로 이동하면서 정지대역 거부가 악화되기 시작한다.이러한 이유로 이 설계에 구축된 필터에는 필터의 최종 요소로 단일 스텝 임피던스 캐패시터가 추가되는 경우가 많다.^[47]이것은 또한 고주파에서 좋은 거절을 보장한다.^[48][49][50]

또 다른 일반적인 로우패스 설계 기법은 션트 캐패시터를 작동 주파수보다 높게 설정된 공명 주파수를 가진 스텁으로 구현하여 스텁 임피던스가 패스밴드에서 정전용성이 되도록 하는 것이다.이 구현은 그림 6의 필터와 유사한 일반 형태의 일괄 요소 대응책이 있다.공간이 허용되는 경우 스텁은 그림 7(a)와 같이 주선의 다른 면에 설정할 수 있다.주파수 응답을 변경하여 필터 성능을 저하시킬 수 있는 인접한 스터브 사이의 결합을 방지하기 위함입니다.그러나 스텁이 모두 같은 면에 있는 구조는 여전히 유효한 설계다.스텁이 매우 낮은 임피던스 라인이어야 하는 경우 스텁은 불편할 정도로 넓을 수 있다.이 경우 가능한 해결책은 좁은 스터브 두 개를 병렬로 연결하는 것이다.즉, 각 스터브 포지션에는 라인 양쪽에 스터브가 있다.이 위상의 단점은 두 스텁이 함께 형성된 선의 length/2 길이를 따라 추가적인 가로 공진 모드가 가능하다는 것이다.초크 설계의 경우, 요구 조건은 캐패시턴스를 가능한 한 크게 만드는 것이며, which/4의 최대 스텁 폭은 메인 라인 양쪽에 스텁을 병렬로 사용할 수 있다.결과 필터는 그림 5의 계단식 임피던스 필터와 다소 유사하지만 완전히 다른 원리로 설계되었다.^[43]이렇게 넓은 스텁을 사용하기 어려운 점은 스텁이 본선과 연결되는 지점이 잘못 정의되어 있다는 점이다.λ에 비해 좁은 스텁은 중심선에 연결된 것으로 간주할 수 있으며, 그 가정에 기초한 계산은 필터 반응을 정확하게 예측한다.그러나 넓은 스텁의 경우, 본선의 확실한 지점에서 옆가지로 연결된다고 가정하는 계산은 더 이상 좋은 전송 패턴의 모델이 아니기 때문에 부정확하게 된다.이 난관에 대한 한 가지 해결책은 선형 스텁 대신 방사형 스텁을 사용하는 것이다.평행한 한 쌍의 방사형 스터브(주선의 양쪽에 한 쌍)를 나비 스터브라고 한다(그림 7(b) 참조).선 끝에서 얻을 수 있는 세 개의 방사형 스터브 그룹을 병렬로 묶은 것을 클로버-리프 스터브라고 한다.^[51][52]

밴드 패스 필터

밴드 패스 필터는 공명할 수 있는 어떤 요소라도 사용하여 구성할 수 있다.스터브를 사용하는 필터는 분명히 대역 패스로 만들 수 있다. 다른 수많은 구조물이 가능하며 일부는 아래에 제시되어 있다.

대역 통과 필터를 논의할 때 중요한 매개변수는 분수 대역폭이다.이것은 기하학적 중심 주파수에 대한 대역폭의 비율로 정의된다.이 수량의 역수를 Q-요인 Q라고 한다.Ω₁ 및 Ω이₂ 통과 대역 에지의 주파수인 경우:^[53]

대역폭 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle \Omega }$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ -${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ $displaystyle \Delta \omega =\omega _{2}-\omega _{$1$\}\backslash ,\},$

기하학적$$ 중심 주파수 $\Omega {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$= ${\displaystyle \sqrt{{}_{}{}_{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{{2\mathrm{}}_{}}}$ ${\$}}$$및

${\displaystyle Q={\frac {\omega_{0}}{\\델타 \omega}}$

용량성 갭 필터

용량성 갭 구조는 공진기의 역할을 하며 전송 라인의 갭에 의해 "엔드온"으로 결합되는 길이의 λ/2 선으로 구성된다.특히 평면형식에 적합하며, 인쇄회로 기술로 쉽게 구현되며, 일반 전송선보다 더 많은 공간을 차지하지 않는다는 장점이 있다.이 위상의 한계는 부분 대역폭이 증가함에 따라 성능(특히 삽입 손실)이 악화되고 Q가 약 5 미만일 경우 허용 가능한 결과를 얻지 못한다는 것이다.낮은 품질의 설계를 생산하는데 있어 또 다른 어려움은 더 넓은 부분 대역폭을 위해 간격 폭을 더 작게 해야 한다는 것이다.트랙의 최소 폭과 같은 간극의 최소 폭은 인쇄 기술의 해상도에 의해 제한된다.^[46][54]

병렬 연결 선 필터

병렬 결합 라인은 인쇄된 보드에 인기 있는 또 다른 위상이며, 이 위상에서 개방 회로 라인은 제조가 인쇄된 트랙으로 구성되기 때문에 구현하기 가장 간단하다.설계는 병렬 λ/2 공명기의 한 줄로 구성되지만 인접한 공명기 각각에 λ/4만 결합하여 그림 9와 같이 시차선을 형성한다.용량성 갭 필터보다 이 필터로 더 넓은 분수 대역폭이 가능하지만 유전체 손실이 Q를 감소시키면서 인쇄판에도 비슷한 문제가 발생한다.저Q 라인은 더 촘촘한 커플링과 그 사이의 간격이 더 작아야 하며, 이는 인쇄 공정의 정확성에 의해 제한된다.이 문제에 대한 한 가지 해결책은 인접한 선이 겹치지만 서로 다른 층에 있기 때문에 접촉하지 않는 여러 층에 트랙을 인쇄하는 것이다.이렇게 하면 선이 폭에 걸쳐 결합될 수 있으며, 이는 에지 대 에지일 때보다 훨씬 강한 결합을 초래하며, 동일한 성능에 대해 더 큰 간격이 가능해진다.^[55]

다른 (비인쇄) 기술의 경우 단락은 라인에 기계적 부착점을 제공하고 Q 감소 유전 절연체는 기계적 지지에 필요하지 않으므로 단락 라인을 선호할 수 있다.기계적 및 조립적 이유 외에는 단락 커플링 라인보다 개방 회로에 대한 선호도가 거의 없다.두 구조물은 동일한 전기적 성능으로 동일한 범위의 필터 구현을 실현할 수 있다.이론적으로 두 유형의 병렬 결합 필터는 다른 많은 필터 토폴로지(예: 스텁)에서 볼 수 있듯이 중심 주파수의 두 배에서 가상 패스밴드를 가지고 있지 않다.그러나 이 가짜 패스밴드를 억제하려면 실제로 실현되지 않는 커플링된 라인의 완벽한 튜닝이 필요하므로, 이 주파수에는 필연적으로 일부 잔류 스퓨전 패스밴드가 존재한다.^[46][56][57]

헤어핀 필터는 평행선을 사용하는 또 다른 구조다.이 경우 각 병렬 연결 선 쌍은 짧은 링크로 다음 쌍에 연결된다.이렇게 형성된 "U" 모양은 헤어핀 필터라는 이름을 갖게 한다.일부 설계에서 링크는 더 길어질 수 있으며, 섹션 사이에 //4 임피던스 변압기 작용이 있는 넓은 머리핀을 제공한다.^[58][59]

그림 10에서 볼 수 있는 각진 굴곡은 스트리플라인 설계에 공통적이며 큰 불연속성을 생성하는 날카로운 직각과 일부 제품에서 심각하게 제한될 수 있는 더 많은 보드 면적을 차지하는 부드러운 굴곡 사이의 절충점을 나타낸다.그러한 굴곡은 흔히 다른 방법으로 사용 가능한 공간에 장착할 수 없는 긴 스터브에서 나타난다.이러한 종류의 불연속성의 덩어리 소자 등가 회로는 계단식 임피던스 불연속부와 유사하다.^[38]그러한 스터브의 예는 글 상단에 있는 사진의 여러 구성 요소에 대한 편향 입력에서 볼 수 있다.^[46][60]

인터디지털 필터

인터디지털 필터는 커플링 라인 필터의 또 다른 형태다.라인의 각 섹션은 길이가 약 //4이며 한쪽 끝에만 단락 회로로 종단되며, 다른 쪽 끝은 개방 회로로 남겨진다.단락 회로가 있는 끝은 각 선 섹션에 번갈아 나타난다.이 토폴로지는 평면 기술에서 구현하기 쉽지만, 특히 금속 케이스 내부에 고정된 라인의 기계적 조립에 적합하다.선은 원형 막대 또는 직사각형 막대일 수 있으며, 동축 형식 선에 대한 인터페이스가 용이하다.병렬 결합 라인 필터와 마찬가지로 서포트용 절연체가 필요하지 않은 기계적 배열의 장점은 유전체 손실이 제거된다는 것이다.선 사이의 간격 요건은 평행선 구조에서처럼 엄격하지 않다. 따라서, 더 높은 부분 대역폭을 얻을 수 있고, 1.4 이하의 Q 값을 얻을 수 있다.^[61][62]

빗줄 필터는 유전체 지지 없이 금속 케이스의 기계 조립체에 자신을 빌려준다는 점에서 인터디지털 필터와 유사하다.빗줄기의 경우, 모든 선이 대체 끝보다는 같은 끝에서 단락된다.다른 끝은 접지 측 캐패시터에서 종료되며, 설계는 결과적으로 반 덤프로 분류된다.이 설계의 주요 장점은 상단 정지대를 매우 넓게 만들 수 있다는 것, 즉 모든 관심 주파수에서 가짜 패스밴드가 없다는 것이다.^[63]

스텁 밴드-통과 필터

위에서 언급한 바와 같이, 스터브는 밴드 패스 디자인에 적합하다.이러한 일반적인 형태는 메인 라인이 더 이상 좁은 고임피던스 라인이 아니라는 점을 제외하고는 스터브 로우패스 필터와 유사하다.설계자는 선택할 수 있는 스텁 필터의 여러 가지 토폴로지를 가지고 있으며, 그 중 일부는 동일한 반응을 생성한다.스텁 필터의 예는 그림 12에 나타나 있다. 스텁 필터는 impedance/4 임피던스 변압기에 의해 결합된 λ/4개의 단락 스텁 행으로 구성된다.

필터 본체의 스텁은 이중 병렬로 연결된 반면, 엔드 섹션의 스텁은 임피던스와 일치하는 장점을 가진 배열인 단품일 뿐이다.임피던스 변압기는 션트 안티리소네이터의 열을 직렬 공명기와 션트 안티리소네이터의 사다리로 변형시키는 효과가 있다.평면 기술에서는 가능하지 않지만, 유사한 성질을 가진 필터는 //4 개회로 스터브를 라인과 직렬로 배치하고 λ/4 임피던스 변압기와 결합하여 구성할 수 있다.^[64]

그러나 사용할 수 있는 또 다른 구조물은 //2 라인에서 circuit/4 임피던스 변압기와 결합한 개방 회로 스텁이다.이 위상은 저역 통과와 대역 통과 특성을 모두 가지고 있다.DC를 통과하기 때문에 캐패시터를 차단할 필요 없이 활성 부품으로 바이어싱 전압을 전송할 수 있다.또한 단락연결이 필요하지 않기 때문에 스트립라인으로 구현할 때는 보드 인쇄 이외의 조립 작업이 필요하지 않다.단점은

(i) 스터브가 모두 두 배 길기 때문에 필터가 해당 the/4 스텁 필터보다 더 많은 보드 부동산을 차지하게 된다.

(ii) first/4 스텁 필터의 경우 3Ω이₀ 아닌, 첫 번째 스퓨얼 패스밴드는 2Ω이다₀.^[65]

코니시는 60° 버터플라이 스텁을 사용하고 저역 통과 반응도 하는 광대역 12GHz 대역 패스 필터를 기술하고 있다(단락 스텁은 그러한 반응을 막기 위해 필요하다).분산형 요소 필터의 경우 흔히 그렇듯이 필터가 분류되는 대역 형식은 주로 어떤 밴드를 원하는지, 어떤 밴드가 가짜인지에 따라 달라진다.^[66]

하이패스 필터

진정한 하이패스 필터는 분산된 요소로는 구현하기 어렵지만 불가능한 것은 아니다.일반적인 설계 접근방식은 대역 통과 설계로 시작하지만 상부 정지 대역은 관심 없을 정도로 높은 주파수에서 발생하도록 하는 것이다.그러한 필터는 의사-하이패스(high-pass)로 설명되고 상부 정지밴드는 전정 정지대역(restigial stop-band)으로 설명된다.그림 8의 용량성 갭 필터와 같이 "불확실한" 하이패스 위상(high-pass topology)을 가지고 있는 것으로 보이는 구조물도 매우 짧은 파장에 대한 그들의 행동을 고려할 때 대역-통과로 판명된다.^[67]

참고 항목

• RF 및 마이크로파 필터
• 도파관 필터
• 스퍼라인
• 동력 분배기 및 방향 연결기

참조

참고 문헌 목록

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