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KR102025982B1 - 튜닝 가능 공진기 소자, 필터 회로 및 방법 - Google Patents

튜닝 가능 공진기 소자, 필터 회로 및 방법 Download PDF

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KR102025982B1
KR102025982B1 KR1020170052075A KR20170052075A KR102025982B1 KR 102025982 B1 KR102025982 B1 KR 102025982B1 KR 1020170052075 A KR1020170052075 A KR 1020170052075A KR 20170052075 A KR20170052075 A KR 20170052075A KR 102025982 B1 KR102025982 B1 KR 102025982B1
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resonator
terminal
resonator element
tuning circuit
piezoelectric
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뤼디거 바우더
한스-요에르그 티메
Original Assignee
인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

필터에서 사용되는 공진기 소자가 제공된다. 이 공진기 소자는 제 2 공진기에 어쿠스틱하게 연결되는 제 1 공진기를 포함한다. 제 1 공진기는 필터 구조에 포함되기 위한 단자를 갖고 있다. 튜닝 회로는 제 2 공진기에 연결되어서 공진기 소자의 튜닝을 가능하게 한다.

Description

튜닝 가능 공진기 소자, 필터 회로 및 방법{TUNABLE RESONATOR ELEMENT, FILTER CIRCUIT AND METHOD}
본 출원은 튜닝 가능 공진기 소자, 이러한 튜닝 가능 공진기 소자를 이용하는 필터 및 대응하는 방법에 관한 것이다.
다양한 전자 회로에서 신호의 특정 주파수 성분은 필터링하고 다른 주파수 성분은 통과시키기 위해서 필터가 사용된다. 예컨대, 통신 회로에서, 주파수 대역 밖의 주파수 성분, 즉 통신에 사용되며 다른 회로에 의해 처리되는 주파수 대역의 부분 밖의 주파수 성분을 차단하기 위해서 필터가 사용될 수 있다.
대역폭을 증가시키기 위해서, 무선 통신 표준(예컨대, LTE) 혹은 유선 기반 통신 표준과 같은 통신 표준에서는, 사용되는 주파수 범위 및 사용되는 주파수 대역의 수를 지속적으로 증가시켰다. 이러한 표준을 구현하는 통신 장치에서는 종종, 각 주파수 대역에 매칭되는 높은 선택도의 필터가 요구된다. 사용되는 주파수 대역은 국가마다 상이할 수 있다. 따라서, 서로 다른 필터 특성(예컨대, 서로 다른 통과 대역)을 가진 복수의 필터가 필요하다. 나아가, 캐리어 어그리게이션이라고도 불리는, 다수의 주파수 대역이 동시에 동작되는 경우가 있다. 이는, 정확하게 이들 조합에 대해 특정된 주파수 설계를 필요로 한다. 각각의 가능한 조합에 대해 특정 필터가 제공되면, 물리적인 필터의 수는 실제로는 이용 가능한 대역의 수보다 훨씬 많다. 통신 장치에서 실제로 필요로 하는 상이한 필터(2포트 필터부터 n포트 필터까지)의 수를 더 감소시키기 위해서, 튜닝 가능 필터가 매우 바람직하다.
통신 회로 및 장치에서의 높은 선택도의 대역 통과 필터로서, SAW(surface acoustic wave) 혹은 BAW(bulk acoustic wave) 기술이 종종 사용된다. 이러한 타입의 종래의 필터는 고정 공진 주파수 혹은 중심 주파수에 맞춰서 설계된다. 그 결과, WiFi를 포함한 LTE와 같은 현재 통신 표준에 사용되는 개개의 주파수 대역 혹은 여러 주파수 대역의 전체 조합을 지원하기 위해서 많은 필터가 요구된다. 이후에, 예컨대, 안테나와 저노이즈 증폭기 혹은 파워 증폭기 사이의 소망의 신호 경로에 대해서, 복수의 필터의 개개의 필터를 선택하는데 무선 주파수(RF) 스위치가 사용된다. 따라서, 이러한 종래의 방식에서, 많은 수의 상당히 분산된 컴포넌트가 요구되고, 이는 통신 장치에서, 회로의 복잡도, 무선 주파수 손실, 제조 복잡도 및 무선 주파수 프론트 엔드에 필요한 공간을 증가시킨다. 스마트폰과 같은 모바일 장치 내에서 공간이 제한되고, 따라서 면적을 절감시킬 튜닝 가능 솔루션이 매우 요구된다.
이러한 SAW 혹은 BAW 필터를 튜닝 가능하게 만들어서, 요구되는 전체 필터의 수를 감소시키기 위해서 몇 가지 방식이 수행되었다. 그러나, 종래의 튜닝 기술은 그 튜닝 범위, 그 선택도 및/또는 필터의 튜닝 가능성에 의해 발생된 손실과 관련해서, 결함을 갖고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 필터의 튜닝 가능성을 개선하는 것이다.
청구항 1에 개시된 공진기 소자, 청구항 17에 개시된 필터 장치, 도 20에 개시된 방법이 제공된다. 종속 청구항에서는 추가적인 실시예를 정의한다.
도 1은 실시예에 따른 공진기 소자의 개략 블록도,
도 2는 공진기의 구현예를 나타내는 개략 단면도,
도 3은 실시예에서 사용 가능한 공진기 스택의 개략 단면도,
도 4는 도 3의 공진기 스택의 예시적인 등가 회로도,
도 5는 실시예에 따른 공진기 소자를 이용해서 구현될 수 있는 예시적인 필터 구조,
도 6은 션트 공진기 소자로서 사용될 수 있는, 실시예에 따른 공진기 소자의 회로도,
도 7은 직렬 공진기 소자로서 사용될 수 있는, 실시예에 따른 공진기 소자의 회로도,
도 8 내지 13은 실시예의 동작을 나타내는 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면,
도 14는 일 실시예에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 다양한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 예시의 목적으로 제공되는 것으로 한정의 의미가 아니라는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 실시예가 복수의 특성, 요소 혹은 세부 사항을 포함하는 것으로 설명될 수 있지만, 다른 실시예에서는 이들 특성, 요소 혹은 세부 사항 중 일부가 생략될 수도 있고 및/또는 대안의 특성, 요소 혹은 세부 사항으로 대체될 수도 있다. 명확하게 설명되는 특성, 요소 혹은 세부 사항에 더해서, 예컨대, 종래 BAW-기반 필터에서 사용되던 컴포넌트와 같은 다른 특성, 요소 혹은 세부 사항이 제공될 수 있다.
특별히 반대로 명시되어 있지 않은 한, 다양한 실시예의 특성을 조합해서 다른 실시예들을 형성할 수도 있다. 별도로 언급되지 않는 한, 이 실시예들 중 하나와 관련해서 설명되는 변형 혹은 수정은 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
이하에 설명되는 실시예는 BAW-기반 필터를 제작하는데 사용될 수 있는 BAW 공진기 소자에 관한 것이다. BAW 공진기를 형성하기 위해서, 일반적으로 2개의 전극 사이에 압전층이 제공된다. 2개의 전극 사이에 전기장을 인가함으로써 기계적인 응력을 발생시키고, 이는 이 구조의 벌크를 어쿠스틱파로서 전파된다. 이 구조의 어쿠스틱 경로 및 두께 방향이 어쿠스틱 파 길이의 절반의 정수배에 대응하면, 공진 조건이 성립된다.
실시예에서, 서로 어쿠스틱하게 연결되어서 공진기 소자를 형성하는 적어도 2개의 공진기가 사용된다. 2개의 공진기 중 제 1 공진기는 필터 구조에 포함되는 단자를 갖고 있다. 제 2 공진기는 튜닝 회로에 연결된다. 튜닝 회로를 통해서, 공진기 소자의 공진기의 위치가 수정될 수 있다.
나아가, 일부 실시예에서 제 1 공진기는 추가 튜닝 회로에 접속될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이러한 공진기 소자를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 실시예의 공진기 소자는 어쿠스틱 연결(13)을 통해서 제 2 공진기(14)와 연결된 제 1 공진기(10)를 포함한다. 여기서 어쿠스틱 연결이란, 제 1 공진기(10)의 어쿠스틱 파가 적어도 부분적으로 제 2 공진기(14)로 전파될 수 있고 그 반대로 될 수도 있다는 것을 의미한다. 공진기 사이의 이러한 어쿠스틱 연결은 예컨대, 유전 물질을 이용해서 구현될 수 있다.
제 1 공진기(10)는 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)를 갖고 있다. 예컨대, 제 1 공진기(10)의 전극에 대응할 수도 있고 혹은 이 전극에 연결될 수도 있는 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)를 이용해서, 도 1의 공진기 소자는 사다리형 필터 구조 혹은 격자형 필터 구조와 같이 필터 구조에 포함될 수 있다.
나아가, 튜닝 회로(15)는 제 2 공진기(14)에 연결된다. 튜닝 회로(15)는 임피던스 네트워크를 포함할 수 있고, 이는 예컨대, 가변 캐패시터 등의 가변 임피던스 혹은 무선 주파수(RF) 스위치와 같은 스위치와 같은 가변 소자를 포함할 수 있다. 튜닝 회로(15)의 가변 소자의 값을 변경함으로써, 도 1의 공진기 소자의 공진이 시프트될 수 있다. 이는 도 1에 도시된 바와 같이 하나 이상의 공진기 소자를 사용해서 튜닝 필터를 제작하는데 사용될 수 있다.
일부 종래의 방식과는 달리, 튜닝 회로(15)는 제 1 공진기(10)로부터 전기적으로 분리되고, 제 2 공진기(14) 및 어쿠스틱 연결(13)을 통해서만 제 1 공진기(10)에 대해 동작한다. 일부 실시예에서, 이는, 제 1 공진기(10)에 튜닝 회로가 직접 연결되는 것에 비해서, 역효과를 방지한다.
일부 실시예에서, 제 1 공진기(10) 및 제 2 공진기(14)는 유사한 물질을 이용하는 유사한 공진기 구조가 될 수 있다. 다른 실시예에서는, 다른 물질이 사용될 수도 있다. 예컨대, 제 1 공진기(10)의 실시예에서, 예컨대, 질화 알루미늄(AlN)과 같은 비교적 낮은 압전 연결을 가진 물질이 사용될 수 있다. 이로써, 대역폭이 작은 필터를 제작할 수 있게 되었다. 한편 실시예에서, 제 2 공진기(14)는, 예컨대, 리튬 니오베이트(LiNbO3) 혹은 칼륨 니오베이트(KNbO3) 혹은 Sc 도핑된 질화 알루미늄 혹은 질화 알루미늄 스칸듐(AlScN)과 같은, 비교적 높은 압전 연결을 가진 물질에 기초해서 제작될 수 있다. 이로써 일부 실시예에서, 높은 튜닝 범위가 가능해진다. 일부 실시예에서, 제 1 공진기의 압전 물질의 압전 연결 상수 kT 2는 30% 미만이 될 수 있고, 예컨대, 20% 미만 혹은 10% 미만이 될 수 있는 반면에, 제 2 공진기의 압전 물질의 압전 연결 상수 kT 2는 10% 이상이 될 수 있고, 예컨대, 20% 이상, 예컨대 30% 혹은 40% 이상이 될 수 있다. 압전(전기 기계) 연결 상수 kT 2는 각각의 압전 물질의 텐서(tensor) 특성으로부터, 즉, 탄성력 상수(elastic stiffness) 혹은 컴플라이언스 계수, 유전 계수 혹은 압전 계수로부터 계산될 수 있다. kT 2는 횡 클램핑된 물질(transversely clamped material)의 압전 연결 상수라고도 한다. kT 2는 kT 2=K2/(1+K2)로 정의될 수 있으며, 압전 연결 상수 K2는 K2=e2/(εS cE)로 정의된다. e는 압전 물질 계수이고, εS는 유전 물질 계수이며, cE는 사용되는 압전 물질의 탄성 물질 계수이다.
압전 연결 상수 kT 2는 (이상적인) 압전 공진기의 상대적인 대역폭의 치수이다. 따라서, 실시예에서, 제 1 공진기(10) 및 제 2 공진기(14)의 다양한 물질의 연결을 통해서, 한편으로는 일부 통신 애플리케이션에 요구되는 작은 대역폭을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 비교적 넓은 튜닝 범위를 가능하게 한다. 실시예에서, 제 1 공진기(10)로서 질화 알루미늄에 기초한 공진기를 이용하면, 열 전달이 가능한 양호한 열 도전성을 추가로 제공할 수 있고, 이는 일부 애플리케이션이 과열을 방지할 수 있는데 중요하다. 그러나, 상기 물질은 단지 예시적인 것으로 다른 물질이 사용될 수도 있다.
제 1 공진기(10)는 제 1 및 제 2 단자(11, 12)를 사용해서 필터 구조에 포함된다는 점에서 필터 공진기라고도 할 수 있다. 제 2 공진기(14)는 튜닝 회로(15)를 사용하는 도 1의 공진기 소자의 튜닝 공진 주파수에 사용된다는 점에서 주파수 튜닝 공진기라고도 할 수 있다.
제 1 공진기(10), 공진 연결(13) 및 제 2 공진기(14)는 기존의 처리 흐름을 사용해서 단일 물질 스택으로 구현될 수도 있다.
이하 도 2 및 3을 참조해서 대응하는 스택 구조에 대해서 설명한다. 일단, 도 2는 예시의 목적으로, 단일 공진기를 구비한 공진기 소자를 나타내고 있다. 이후에, 도 3을 참조하면서, 제 1 및 제 2 공진기(예컨대, 도 1의 공진기(10, 14))를 포함하는 공진기 스택에 대해서 설명한다.
도 2는 BAW 공진기의 단면도를 나타내고 있다. 공진기 자체는 상부 전극(20)과 바닥 전극(22) 사이에 끼워진 압전 물질(21)을 포함하고 있다. 상부 전극(20) 및 바닥 전극(22) 각각은 하나 이상의 금속층으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 하나의 공진기 대신에, 일부 실시예에서, 제 1 공진기 및 제 2 공진기를 포함하는 공진기 스택이 제공되며, 이에 대해서는 도 3을 참조로 이하에서 설명한다.
도 2의 실시예에서, 공진기의 어쿠스틱 분리(acoustic isolation)의 경우에, 이른바 어쿠스틱 미러가 공진기 아래에 위치된다. 도 2의 어쿠스틱 미러는 낮은 어쿠스틱 임피던스와 높은 어쿠스틱 인피던스가 교번하는 층의 시퀀스를 포함한다. 예컨대, 도 2에서, 참조 번호 23은 비교적 낮은 어쿠스틱 임피던스를 가진 물질을 가리키고, 24A 내지 24C는 비교적 높은 어쿠스틱 임피던스를 가진 층을 가리키며, 이로써 공진기(20, 21, 22) 아래에 높은 어쿠스틱 임피던스의 층과 낮은 어쿠스틱 임피던스의 층이 교대하게 된다. 실시예에서 각각의 층(층(24A, 24B, 24C) 사이의 물질(23)의 일부, 전극(22) 및 기판(25) 그리고 층(24A 내지 24C) 자체)은 대략 λ/4의 두께를 갖고 있으며, 여기서 λ는 층 내의 종파(longitudinal wave)의 어쿠스틱 파장이다. 이러한 측면에서, λ는 각각의 층 물질에 따라 달라진다는 점에 주의한다. 이 어쿠스틱 미러는 지지 기판(25)으로부터 공진기를 어쿠스틱하게 분리시킨다. 이러한 어쿠스틱 미러 대신에, 다른 실시예에서는, 캐비티가 제공될 수도 있다. 캐비티는 바닥 전극(22)의 바로 아래에 위치될 수도 있고, 혹은 공진기 구조(20, 21, 22)를 지지하는 박형 멤브레인 아래에 위치될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 상부 전극(20), 압전 물질(21) 및 바닥 전극(22)을 포함하는 공진기의 공진 주파수는, 모든 상기 설명한 층의 두께에 의존하고, 여기서 압전 층 두께가 가장 큰 영향을 미치고, 그 다음이 전극 두께이다. 따라서, 도 2의 경우에, 주파수에 영향을 미치는 다른 회로가 없다면, 공진기의 공진 주파수는 물질의 특정한 조합 및 층 두께로 고정되고, 예컨대, 증착 혹은 에칭(리소그래피에 의해 정의된 전체 치수 혹은 로컬 치수로서)과 같은 처리 단계를 이용해서 이 구조를 물리적으로 변경시키는 것에 의해서만 변경될 수 있다.
도 3은 실시예에서 사용될 수 있는 공진기 스택을 나타낸다. 실시예에서 도 3의 공진기 스택은 예컨대 도 2의 단면도의 공진기(20~22)를 대체할 수 있다.
도 3의 공진기 스택은 제 1 상부 전극(30)과 제 1 바닥 전극(32) 사이에 제 1 압전 물질(31)을 끼워서 형성한 제 1 공진기를 포함한다. 또한, 공진기 스택(3)은 제 2 상부 전극(34)과 제 2 바닥 전극(36) 사이에 제 2 압전 물질(35)을 끼워서 형성한 제 2 공진기를 포함한다. 제 1 및 제 2 공진기는, 어쿠스틱 연결을 제공하고 일부 실시예에서는 전기적인 분리를 제공하는 하나 이상의 층(33)에 의해 분리된다. 층(33)은 하나 이상의 유전층으로 형성될 수 있다. 층(33)은 유전층과 도전층(예컨대, 금속층)의 조합을 포함할 수 있다. 바닥 전극(32)과 상부 전극(34) 사이의 전기적인 분리가 요구되는 실시예에서(직렬 공진기 소자의 경우와 같이), 하나 이상의 층(33)은 적어도 하나의 유전층(전기적인 부도층)을 포함한다. 전기적으로 분리되는지 여부에 따라서, 하나 이상의 층(예컨대, 층 스택)(33)은 항상 제 1 공진기와 제 2 공진기 사이의 어쿠스틱 연결을 제공한다.
전극(30, 32, 34, 36) 각각은 예컨대 알루미늄층, 구리층 혹은 볼프람층과 같은 하나 이상의 금속층을 포함할 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서 제 1 압전 물질(31) 및 제 2 압전 물질(35)은 동일한 물질이 될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서 다른 물질이 사용될 수도 있다. 예컨대, 도 1을 참조로 상기 설명한 바와 같이, 제 1 압전 물질(31)은 예컨대, 질화 알루미늄과 같이 비교적 낮은 압전 연결을 가진 물질이 될 수 있고, 제 1 공진기는 상술한 바와 같이 비교적 좁은 대역폭의 필터를 제작하기 위한 필터 공진기의 역할을 할 수 있다. 층(31)과 같은 질화 알루미늄 압전 층은, 예컨대 Al 타깃으로부터의 반응성 스퍼터링에 의해 생성될 수 있다. 제 2 압전 물질(35)은 넓은 튜닝 범위를 제공하기 위해서 예컨대, 리튬 니오베이트 혹은 칼륨 니오베이트 혹은 Sc 도핑된 질화 알루미늄과 같은 비교적 높은 압전 연결을 가진 물질을 포함할 수 있다. Sc 도핑된 AlN 층은, 상당한 양의 Sc를 포함할 수 있는 이른바 AlScN 층으로서 형성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 압전 층(31, 35)은 모두 질화 알루미늄 기반이 될 수 있지만, 다른 도펀트 및/또는 예컨대, 스칸듐(Sc) 농도가 다른 도펀트 농도를 가질 수도 있다.
제 1 및 제 2 공진기를 적절하게 연결하기 위해서, 실시예에서, 두 공진기의 압전 물질은 압전기적으로 동일한 타입(극성:polarization)의 어쿠스틱 파에 연결된다는 점에 주의한다. 압전 연결은 일반적으로 물질에 의존하지만 사용되는 결정 방위에도 의존한다. 실시예에서 압전 층이 모두 같은 어쿠스틱 파 타입/극성에 연결되어 있다면, 제 2 공진기의 튜닝 회로는 제 1 공진기의 주파수 거동에만 영향을 미치고, 예컨대, 스퍼터링된 질화 알루미늄 압전 물질이 사용되는 경우에, 압전층(35)은 컷(cut)(결정 방위)에서 사용되어서, 압전층(31)과 같은 동일한 극성의 강한 압전 연결을 제공한다.
예컨대, 제 1 압전층(31) 혹은 제 2 압전층(35)에서 질화 알루미늄이 사용되는 실시예에서, 질화 알루미늄은 기판 물질에 c-축 방위로 층착된다. 기판 물질(예컨대, 도 2의 기판(25))로서, 실리콘 웨이퍼나, 리튬 니오베이트(LiNbO3) 혹은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 결정이 사용될 수 있다.
도 4는, 도 3의 공진기 스택의 예시적인 등가 회로도를 나타낸다. 참조 번호 40은 도 3에서 층(30, 31, 32)에 의해 형성된 제 1 공진기를 나타내고, 41은 도 3에서 층(34, 35, 36)에 의해 형성된 제 2 공진기를 나타낸다. 단자(43)는 제 1 상부 전극(도 3의 30, 도 4에서는 t1이라고 되어 있음)과 접촉하고, 단자(44)는 제 1 바닥 전극(도 3의 32, b1이라고 되어 있음)과 전기적으로 접촉하며, 단자(45)는 제 2 상부 전극(도 3의 34, t2이라고 되어 있음)과 전기적으로 접촉하고, 단자(46)는 제 2 바닥 전극(도 3의 36, b2이라고 되어 있음)과 전기적으로 접촉한다.
캐패시턴스 C12를 가진 기생 캐패시터(42)는 제 1 공진기의 바닥 전극과 제 2 공진기의 상부 전극 사이의 유전체층(스택(33))과 연계된다.
도 3 및 4의 실시예에서, 제 1 바닥 전극(32)은 제 2 상부 전극(34)로부터 전기적으로 분리되지만, 다른 실시예에서 별도의 전극이 요구되지 않는다면 제 2 상부 전극 및 제 1 바닥 전극 모두의 역할을 하는 하나의 전극이 제공될 수 있고, 이후 공진기의 어쿠스틱 연결이 이 공통 전극을 통하게 된다. 이 경우, 전기적인 분리를 위한 유전체층은 필요없다.
실시예에서, 단자(43, 44)는 도 4의 공진기 소자를 필터 구조체에 포함시키는 역할을 한다. 주파수 튜닝을 제공하기 위해서, 튜닝 회로는 단자(45, 46)에 연결될 수 있다. 이하에서 도 5 내지 7을 참조로 예시를 설명한다.
도 5는 사다리형 필터의 예시적인 토폴로지를 나타내고, 이 경우, 3½ 스테이지 사다리형 필터이다. 참조 번호 50는 신호 입력을 가리키고, 참조 번호 51은 신호 출력을 가리키며, 참조 번호 52는 접지선을 나타낸다. 도 5의 사다리형 필터는 4개의 직렬 공진기(53A 내지 53D) 및 3개의 션트 공진기(54A 내지 54C)를 포함한다. 전형적으로 모든 직렬 공진기(53A 내지 53D)가 동일한 공진기 주파수를 갖고, 모든 션트 공진기(54A 내지 54C)가 동일한 공진 주파수를 갖지만, 직렬 공진기 및 션트 공진기의 공진 주파수는 서로 디튜닝된다. 디튜닝의 정도는 대략 최종 필터의 대역폭에 대응한다. 전형적인 경우에 션트 공진기(54A 내지 54C)의 공진 주파수는 직렬 공진기(53A 내지 53D)의 공진 주파수보다 낮다.
공진기(53A 내지 53D, 54A 내지 54C) 각각은 도 1, 3 및 4와 관련해서 상기 설명한 공진기 소자의 필터 공진기가 될 수 있다. 공진기 소자의 각각의 제 2 공진기에 연결된 튜닝 회로를 통해서 필터의 주파수 튜닝이 수행될 수 있다. 도 5의 사다리형 필터 구조는 예시일 뿐, BAW 공진기와 함께 사용되는 임의의 종래의 사다리형 및 격자형 필터 구조는, 도 1, 3 및 4를 참조로 설명한 바와 같이 제 1 및 제 2 공진기를 포함하는 공진기 소자로 종래에 사용되던 공진기를 대체함으로써, 사용 및 수정될 수 있다. 이러한 필터 복수개가 연결되어서, 예컨대 통신 애플리케이션에 사용되는 복수의 주파수 대역을 필터링하는, n포트 필터 구조를 형성한다.
도 6은, 튜닝 회로를 포함하는 실시예에 따른, 예컨대 도 5의 사다리형 필터 구조의 션트 공진기(54A 내지 54C)를 구현하기 위해서 션트 공진기 소자로서 이용 가능한 공진기 소자를 나타낸다.
도 6의 공진기 소자는 제 1 상부 전극(t1)와 제 1 바닥 전극(b1)을 구비한 제 1 공진기(62) 및 제 2 상부 전극(t2)와 제 2 바닥 전극(b2)을 구비한 제 2 공진기(65)를 포함한다. 제 1 공진기(62) 및 제 2 공진기(65)는 예컨대, 기생 캐패시턴스(64)로 표현된 유전체에 의해서 전기적으로 분리된다(그러나 어쿠스틱하게 연결 해제되는 것은 아니다). 이 유전체는 화살표(63)로 표시된, 공진기(62, 65) 사이의 어쿠스틱 연결을 제공한다. 제 1 공진기(62) 및 제 2 공진기(65)는 도 1, 3 및 4와 관련해서 상기 설명된 바와 같이 구현될 수 있다.
제 1 공진기(62)의 제 1 상부 전극(t1)은 제 1 단자(60)('3'이라고도 되어 있음) 및 제 2 단자(61)('4'이라고도 되어 있음)에 접속된다. 단자(60, 61)는 필터 구조를 제작하기 위한 추가 공진기 혹은 신호 입력/출력 단자와의 접속부의 역할을 한다. 예컨대, 도 6의 션트 공진기 소자가 도 5의 션트 공진기(54A)를 구현하는데 사용되는 경우에, 제 1 단자(60)는 직렬 공진기(53A)와 접속되고, 제 2 단자(61)는 직렬 공진기(53B)와 접속된다.
제 1 공진기(62)의 제 1 바닥 전극(b1)은 단자(68)를 통해서, '0'으로 표시된 접지에 연결된다. 도 5의 예시적인 제 1 필터 구조에서, 이는 션트 공진기(54A 내지 54C) 중 임의의 하나를 접지선(52)에 연결하는 것에 대응한다.
제 2 공진기(65)의 제 2 상부 전극(t2)은 '0'이라고도 표시된 단자(69)를 통해서 접지에 연결된다.
또한, 튜닝 회로는 제 2 공진기(65)의 제 2 상부 전극(t2)과 제 2 바닥 전극(b2) 사이에 연결된다. 도 6의 예시에서, 튜닝 회로는 인덕턴스(66)에 병렬로 연결된 가변 캐패시터(67)를 포함한다. 일부 실시예에서 인덕턴스(66)는, 예컨대, Q 인자가 10 이상, 50 이상 혹은 100 이상인 하이 Q(품질 인자) 인덕터나 다른 리액턴스로서 구현될 수 있다. 인덕터의 인덕티비티 L1는 예컨대 0.5와 200 nH 사이, 예컨대, 50nH 이하, 예컨대 1 와 10 nH 사이가 될 수 있다. 가변 캐패시터(67)는 예컨대, 버랙터 혹은 스위치형 캐패시터를 이용해서 종래의 방식으로 구현될 수 있다. 가변 캐패시터(67)의 캐패시턴스 값을 변경함으로써, 도 6의 공진기 소자의 공진(직렬 공진 및 병렬 공진)이 튜닝될 수 있다. 도 6의 튜닝 회로는 단지 예시로, 캐패시턴스, 인덕터 및/또는 저항의 다양한 조합이 사용될 수 있고, 이들 캐패시턴스, 인덕터 및/또는 저항 중 하나 이상은 튜닝을 제공하도록 가변형이다. 일부 실시예에서, 튜닝 회로는 또한, 공진기 소자를 튜닝하기 위해서 선택적으로 오픈 및 클로스될 수 있는 무선 주파수(RF) 스위치와 같은 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 튜닝 회로에서, 캐패시턴스 혹은 인덕티비티는 스위치(예컨대, RF 스위치)에 직렬 혹은 병렬로 접속될 수 있다.
이하에서 시뮬레이션 결과를 사용해서 상세하게 설명하는 바와 같이, 예컨대, 인덕터와 같은 인덕턴스(66)는, 가변 캐패시터만 사용되는 경우에 비해서 튜닝 범위를 증가시킬 수 있다.
도 7은, 예컨대 직렬 공진기(53A 내지 53D)를 구현하는데, 도 5의 필터 구조와 같은 필터 구조 내에서 직렬 공진기로서 적합한 공진기 소자의 회로이다. 도 7의 공진기 소자는 제 1 공진기(72) 및 제 2 공진기(75)를 포함하고, 이들은 캐패시턴스 값 C12을 가진 (기생) 캐패시턴스(73)에 의해 표시된 바와 같이 전기적으로 분리되어 있다. 캐패시턴스(73)는 화살표 74로 표시된 바와 같이, 제 1 공진기(72)와 제 2 공진기(75)를 어쿠스틱하게 연결시키고 있는 일부 유전층과 연계된다. 제 1 공진기(72)는 제 1 상부 전극(t1) 및 제 1 바닥 전극(b1)을 구비하고, 제 2 공진기(75)는 제 2 상부 전극(t2) 및 제 2 바닥 전극(b2)을 구비한다. 제 1 및 제 2 전극(72, 75)은 상기 도 1, 3, 4를 참조로 설명한 바와 같이 구현될 수 있다.
제 1 상부 전극(t1)은 '5'로도 표시되어 있는 제 1 단자(70)와 연결되고, 제 1 바닥 전극(b1)은 '6'로도 표시되어 있는 제 2 단자(71)와 연결된다. 제 1 및 제 2 단자(70, 71)를 통해서 도 7의 공진기 소자는 필터 구조에 포함될 수 있다. 예컨대, 도 5의 직렬 공진기(53A)를 구현하기 위해서, 제 1 단자(70)는 신호 입력(50)에 연결될 것이고, 제 2 단자(71)는 공진기(54A 및 53B)에 연결된다. 공진기(54A)가 도 6에 도시된 바와 같이 구현되는 경우에, 예컨대, 도 7의 제 2 단자(71)는 도 6의 제 1 단자(60)와 연결되고, 도 6의 제 2 단자(61)는 공진기(53B)의 대응하는 단자와 연결될 것이다.
제 2 상부 전극(t2)은 '0'으로도 표시되어 있는 단자(78)를 통해서 접지에 연결된다. 도 6 및 7에서 단자(60, 61, 70, 71)에 대한 표시(3, 4, 5, 6)는 이하에서 도 8 내지 12를 참조로 시뮬레이션을 설명할 때 사용될 것이지만, 접지에 연결되는 단자는 도 6 및 7에서 '0'으로도 표시된다.
또한, 튜닝 회로는 예컨대, 인덕턴스(76) 및 가변 캐패시터(77)를 포함하는 제 2 상부 전극(t2) 및 제 2 바닥 전극(b2)에 연결된다. 임피던스(76) 및 가변 캐패시턴스(77)는 도 6의 인덕턴스(66) 및 가변 캐패시턴스(67)에 대해서 설명한 것과 유사한 방식으로 각각 구현될 수 있다. 또한, 인덕턴스(66) 및 캐패시턴스(67)는 제 2 공진기(75)에 연결된 튜닝 회로의 단지 일례로, 도 6에 대해서도 설명된 바와 같이, 튜닝 회로 구성도 가능하다.
도 6의 션트 공진기 소자 및 도 7의 직렬 공진기 소자를 이용해서, 예컨대 도 5의 사다리형 필터 구조와 같은 격자형 필터 및 사다리형 필터 등의 다양한 필터 구조가 제작될 수 있다.
상술한 공진기 소자의 기능을 나타내기 위해서, 도 8 내지 12를 참조로 시뮬레이션 결과 혹은 다양한 구성을 설명한다.
도 8 내지 12의 시뮬레이션에 대해서, 압전 연결 계수 kT 2=7.1%인 도핑된 질화 알루미늄으로 이루어진 제 1 공진기(필터 공진기)를 가정하고, 제 2 공진기(주파수 튜닝 공진기)의 경우에, 압전 연결 계수 kT 2=25%인 LiNbO3-결정 기반 공진기를 가정한다.
도 8(a) 내지 8(d)는 다양한 구성에서 주파수에 대한 S-파라미터(삽입 손실을 나타내는 스캐터링 파라미터)를 나타낸다. 도 8(a) 및 8(b)에서, 제 1 공진기는 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같은 션트 구성으로 연결되어 있는 공진기 소자에 대한 S-파라미터가 도시된다. 도 8(c) 및 8(d)는, 도 7에 도시된 예에 도시된 바와 같은, 제 1 공진기의 직렬 연결에 대한 곡선을 나타내고 있다. 도 8(a) 및 8(b)는 동일한 곡선을 나타내고 있으며, 도 8(b)에서는 도 8(a)에 비해서 y축이 확대되어 있고, 유사하게 도 8(d)에서는 도 8(c)에 비해서 y축이 확대되어 있다. 도 8(a) 및 8(b)에서, 곡선 80은 도 6의 임피던스(66)와 같은 임피던스를 포함하는 튜닝 회로에 대한 S-파라미터를 나타내고 있다. 이 시뮬레이션에서 임피던스는 높은 품질 인자를 가진 1 nH인 인덕티비티였다. 또한, 1 pF인 작은 캐패시턴스(67)를 가정한다. 곡선 81은 곡선 80의 임피턴스와 병렬로 10 pF인 추가 캐패시턴스를 가진 S-파라미터를 나타낸다. 300 MHz 정도인, 도시된 공진의 큰 시프트가 관찰된다.
도 8(c) 및 8(d)의 곡선 82는, 도 8(a) 및 8(b)의 곡선 80과 유사하게, 매우 높은 품질 인자의 1 nH인 인덕티비티와 캐패시턴스로서 1 pF인 작은 캐패시턴스를 합해서 형성되는 임피턴스를 포함하는 튜닝 회로에 대한, 직렬 공진기의 경우의 S-파라미터를 나타내고 있고, 곡선 83은 임피던스에 병렬로 연결된 10 pF의 추가 캐패시턴스에서의 동작을 나타내고 있다. 또한, 300 MHz 정도인, 공진의 주파수 시프트가 관찰된다.
다음으로, 도 9 내지 12를 참조하면서, 도 6 및 7의 임피던스(66, 76)의 인덕티비티의 영향을 설명한다. 도 8과 유사하게, 도 9 내지 12에서 그래프 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 션트 공진기 배치에 대한 곡선을 나타내고 있고, 그래프 (c) 및 (d)는 도 7에 도시된 직렬 공진기 구성에 대한 S-파라미터를 나타내고 있다. 또한, 도 8과 유사하게, 도 9 내지 12의 그래프 (b)에서, y축은 그래프 (a)에 비해서 확대되고, 그래프 (d)에서, y축은 그래프 (c)에 비해서 확대된다. 도 9 내지 12의 각각의 그래프에는, 도 8의 경우와 유사하게 1 pF인 캐패시턴스에 대한 곡선(혹은 곡선의 세트) 혹은 10 pF인 캐패시턴스에 대한 곡선이나 곡선의 세트가 도시되어 있다.
도 9에서, 튜닝 회로의 임피던스(66, 76) 각각은 100 nH의 값을 갖고 있다. 곡선 90 및 92은 10 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타낸다. 도시된 공진은 션트 공진기 경우 및 직렬 공진기 경우 모두에 대해서 100 Mhz 미만만큼 시프트된다.
도 10은 인덕티비티가 3 nH인 경우를 나타내고 있다. 곡선 100 및 102는 1 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타내고, 곡선 101 및 103은 10 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타낸다. 곡선 100 내지 곡선 103 각각은 특히, 곡선 91 및 곡선 93 각각에 대한 그래프(b) 및 (d)의 확대 버전에 나타난 복수의 곡선을 포함한다. 이들 곡선은, 42 내지 100의 Q 인자 범위에서, 인덕티비티의 다양한 Q 인자(품질 인자)에 대한 거동을 나타낸다. 일반적으로, Q 인자가 높을수록 공진은 더 선명해지고 삽입 손실은 더 감소된다. 이 경우 공진은 약 150 MHz만큼 시프트된다.
도 11은 1.7 nH인 인덕티비티 값에 대한 곡선이다. 곡선 110 및 112는 1 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타내고, 곡선 111 및 113은 10 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타낸다. 곡선 110 내지 곡선 113의 각각의 곡선은, 도 11(b) 및 11(d)의 확대도에 각각 도시되어 있고, 이는 42 내지 200의 범위에서, 인덕티비티에 대한 다양한 Q 인자를 나타내고 있다. 캐패시턴스를 변화시킴으로써, 공진은 300 MHz 약간 미만만큼 시프트된다.
마지막으로, 도 12는 인덕티비티가 1.3 nH인 경우를 나타내고 있다. 곡선 120 및 122는 1 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타내고, 곡선 121 및 123은 10 pF인 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 나타낸다. 곡선 120 내지 곡선 123의 각각의 곡선은 다양한 Q 인자에 대한 거동을 나타낸다. 여기서, 공진은 거의 400 MHz 만큼 시프트된다. 따라서, 인덕티비티를 감소시킴으로써, 동일한 캐패시턴스 변화량에서도 더 큰 주파수 튜닝 범위가 획득될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 인덕티비티가 작을수록 다양한 Q 인자 사이의 차이는 더 선명해지고, 이로써 5 nH 미만의 작은 인덕티비티를 이용하는 실시예에서 100 이상, 예컨대 150 이상의 높은 Q 인자가 이 인덕티비티를 구현하기 위해서 선택될 수 있다.
도 13은, 화살표 63으로 표시된 어쿠스틱 경로에 대해서 고유 어쿠스틱 포트 종단이 매칭되는, 도 6에 도시된 바와 같이 구성된 공진기 스택의 어쿠스틱 위상을 나타내는 도면이다. 곡선 130은 튜닝 임피던스(66)를 가진 경우의 위상이고, 반면에 곡선 131은 캐패시턴스(67)가 추가적으로 도입되었을 때의 위상을 나타내고 있다. 따라서, 캐패시턴스를 변경함으로써, 예컨대 지점(132)이 지점(133)으로 시프트되어서, 튜닝 범위는 화살표 134로 표시된 바와 같이 된다.
도 14는 일 실시예에 따른 방법을 나타내고 있다. 도 14의 방법을 일련의 동작 혹은 이벤트로서 설명하지만, 이들 동작 혹은 이벤트가 설명되고 도시되어 있는 순서는, 이것으로 한정됨을 의미하는 것이 아니다. 도 14의 방법은 상술한 공진기 소자를 이용해서 구현될 수 있으며, 이들 공진기 소자와 관련해서 설명한 특성, 요소, 변형 및 수정이 이 방법에도 적용될 수 있다. 참조를 용이하게 하기 위해서, 도 14의 방법에서는 상기 공진기 소자의 설명을 참조한다. 그러나, 도 14의 방법은 상기 설명한 공진기 소자와는 독립적으로 구현될 수도 있다.
도 14의 단계 140에서, 공진기 스택이 제공된다. 공진기 스택을 제공하는 것은, 기판에, 예컨대, 도 3에 도시되어 있고 이와 관련해서 설명된 적층(stacked) 공진기와 같은 2개의 적층 공진기를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 공진기 스택을 제공하는 것은 또한 도 2를 참조로 설명한 바와 같은, 공진기 아래에 어쿠스틱 미러 혹은 캐비티를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
단계 141에서, 이 방법은, 상술한 실시예의 제 1 공진기(필터 공진기)와 같은, 공진기 스택 중 제 1 공진기를 필터 구조에 포함시키는 것을 포함한다. 예컨대, 제 1 공진기는 션트 공진기로서 혹은 직렬 공진기로서 필터 구조에 포함될 수 있다.
단계 142에서, 공진기 스택의 제 2 공진기에 튜닝 회로가 제공되고, 이 튜닝 회로는 예컨대 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 인덕터 및 가변 캐패시터를 포함한다. 이 튜닝 회로에 의해서, 공진기 스택은 필터 구조에 사용하기 위한 소망의 주파수로 튜닝될 수 있다. 예컨대, 튜닝 회로를 통해서, 필터 구조는 통신 장치에서 사용되는 다양한 주파수 대역에 적합하게 될 수 있다.
상술한 실시예에서 튜닝 회로가 각 공진기 소자의 제 2 공진기에만 제공되었지만, 공진기 소자 및 방법의 다른 실시예에서는 다른 튜닝 회로가 제 1 공진기 소자에도 추가로 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가 튜닝 회로는 예컨대, 임피턴스 네트워크로서, 튜닝 회로에 대해서 상기 설명한 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 공진기 소자를 이용하는 필터가 특히 모바일 통신 장치와 같은 통신 장치에 사용될 수 있고, 대응하는 필터 구조를 사용하는 이러한 통신 장치가 실시예를 형성할 수 있지만, 필터는 특히 GHz 범위의 고주파 신호가 신호가 필터링되는 다른 장치에서도 사용될 수 있다.
상술한 실시예는 단지 예시로서 제공된 것으로 한정의 의미가 아니며, 명시적으로 도시되거나 설명된 것 이외의 다른 구현예도 가능하다.

Claims (23)

  1. 필터용 공진기 소자로서,
    필터 구조에 연결하기 위한 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비한 제 1 공진기 - 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자 중 하나는 상기 필터 구조의 입력 단자이고, 다른 하나는 상기 필터 구조의 출력 단자임- 와,
    상기 제 1 공진기에 어쿠스틱하게(acoustically) 연결되고, 제 3 단자 및 제 4 단자를 구비한 제 2 공진기와,
    주파수 튜닝을 제공하도록 적어도 하나의 가변 소자를 구비하고 상기 제 3 단자 및 상기 제 4 단자에 연결된 튜닝 회로 - 상기 튜닝 회로는 상기 제 1 공진기로부터 전기적으로 분리됨 -
    를 포함하는 공진기 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기 및 상기 제 2 공진기는 공진기 스택으로서 구현되는
    공진기 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기와 상기 제 2 공진기 중 하나는 기판 상에 형성되고,
    상기 제 1 공진기와 상기 제 2 공진기 중 다른 하나는 상기 제 1 공진기와 상기 제 2 공진기 중 상기 하나 상에 형성되는
    공진기 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기는 제 1 압전 물질을 포함하고,
    상기 제 2 공진기는 제 2 압전 물질을 포함하는
    공진기 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 압전 물질의 압전 연결 상수 kT 2는 상기 제 2 압전 물질의 압전 연결 상수 kT 2보다 낮은
    공진기 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 압전 물질의 상기 압전 연결 상수 kT 2는 10%보다 작은
    공진기 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 압전 물질의 상기 압전 연결 상수 kT 2는 10%보다 큰
    공진기 소자.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 압전 물질은 질화 알루미늄 및 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
    공진기 소자.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 압전 물질은 리튬 니오베이트, 칼륨 니오베이트 및 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
    공진기 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로는 임피던스 네트워크를 포함하는
    공진기 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 임피던스 네트워크는 가변 캐패시턴스, 스위치, 고정 캐패시턴스를 구비한 스위치, 및 고정 캐패시턴스와 병렬인 스위치 중 적어도 하나를 포함하는
    공진기 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 임피던스 네트워크는 적어도 하나의 인덕터를 포함하는
    공진기 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인덕터는 50 nH 미만의 인덕티비티를 갖는
    공진기 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 인덕터의 Q 인자는 적어도 10인
    공진기 소자.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자에 연결된 추가 튜닝 회로를 더 포함하는
    공진기 소자.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단자 및 상기 제 3 단자는 공통 단자로서 구현되거나 혹은 서로 전기적으로 연결되는
    공진기 소자.
  17. 신호 입력단, 신호 출력단, 및 상기 신호 입력단과 상기 신호 출력단 사이에 연결된 청구항 제 1 항 내지 청구항 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 공진기 소자를 포함하는
    필터 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공진기 소자 중 적어도 하나의 공진기 소자의 제 1 공진기는, 상기 신호 입력단과 상기 신호 출력단 사이에 직렬 접속되어 상기 필터 구조 내에 직렬 공진기로서 연결되는
    필터 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공진기 소자의 적어도 하나의 공진기 소자의 제 1 공진기는, 상기 신호 입력단과 상기 신호 출력단 사이의 신호 경로와 접지 사이에서 션트 공진기로서 연결되는
    필터 장치.
  20. 공진기 소자를 구성하는 방법으로서,
    제 1 공진기 및 제 2 공진기를 포함하는 공진기 스택을 제공하는 단계와,
    상기 공진기 스택의 상기 제 1 공진기를 필터 구조에 포함시키는 단계 - 상기 제 1 공진기는 상기 필터 구조에 연결하기 위한 제 1 단자와 제 2 단자를 포함하며, 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자중 하나는 상기 필터 구조의 입력 단자이며, 다른 하나는 상기 필터 구조의 출력 단자임 - 와,
    상기 공진기 스택의 상기 제 2 공진기에, 주파수 튜닝을 제공하도록 적어도 하나의 가변 소자를 구비하며 상기 제 1 공진기로부터 전기적으로 분리되는 튜닝 회로를 제공하는 단계
    를 포함하는 공진기 소자 구성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 공진기 스택을 제공하는 단계는, 적어도 하나의 유전층에 의해 분리된 상기 제 1 공진기 및 상기 제 2 공진기를 제공하는 단계를 포함하는
    공진기 소자 구성 방법.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로를 제공하는 단계는, 가변 캐패시터에 병렬로 연결되는 인덕터를 제공하는 단계를 포함하는
    공진기 소자 구성 방법.
  23. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기에 추가 튜닝 회로를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 공진기 소자 구성 방법.
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