밀리미터파(mmWave) 필터 기술은 5G 무선 통신을 대중화하는 데 필수적인 요소이지만, 물리적 크기, 제조 공차 및 온도 안정성 측면에서 여러 가지 문제에 직면해 있습니다.
주류 5G 무선 통신 영역에서 미래의 초점은 대역폭 용량을 향상시키고 궁극적으로 전송 속도를 높이기 위해 밀리미터파 스펙트럼 내 20GHz 이상의 주파수를 활용하는 데 맞춰질 것입니다.
밀리미터파 신호는 높은 주파수와 상당한 경로 손실로 인해 더 작은 안테나가 필요하다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이러한 안테나들을 모아서 좁은 빔 폭과 높은 이득을 가진 어레이 안테나를 구성합니다.
필터 설계의 주요 어려움 중 하나는 안테나의 크기에 맞추는 것인데, 특히 고주파 필터의 경우 더욱 그렇습니다. 또한 필터의 제조 공차와 온도 안정성은 제품 설계 및 생산의 모든 측면에 상당한 영향을 미칩니다.
밀리미터파 기술의 크기 제약
기존 안테나 어레이 시스템에서는 간섭을 피하기 위해 소자 간 간격이 파장의 절반(λ/2)보다 작아야 합니다. 이 원칙은 5G 빔포밍 안테나에도 동일하게 적용됩니다. 예를 들어, 28GHz 대역에서 동작하는 안테나의 소자 간격은 약 5mm입니다. 따라서 어레이 내 구성 요소는 매우 작아야 합니다.
밀리미터파 응용 분야에 사용되는 위상 배열은 아래 그림과 같이 평면 구조 설계를 채택하는 경우가 많습니다. 여기서 안테나(노란색 영역)는 인쇄 회로 기판(PCB)(녹색 영역)에 장착되고, 회로 기판(파란색 영역)은 안테나 기판에 수직으로 연결될 수 있습니다.
이러한 회로 기판의 공간은 이미 매우 제한적이지만, 새로운 기술은 더욱 작고 평평한 구조를 추구하고 있으며, 이는 필터 및 기타 회로 블록이 안테나 PCB 뒷면에 직접 장착될 수 있도록 훨씬 더 작아져야 함을 의미합니다.
필터에 대한 제조 공차의 영향
밀리미터파 필터의 중요성을 고려할 때, 제조 공차는 필터 성능과 비용 모두에 영향을 미치는 중추적인 역할을 합니다.
이러한 요인들을 더 자세히 조사하기 위해, 우리는 서로 다른 세 가지 26GHz 필터 제조 방법을 비교했습니다.
다음 표는 생산 과정에서 흔히 발생하는 극단적인 허용 오차를 요약한 것입니다.
PCB 마이크로스트립 필터에 대한 공차의 영향
아래 그림과 같이 마이크로스트립 필터 설계가 나와 있습니다.
설계 시뮬레이션 곡선은 다음과 같습니다.
PCB 마이크로스트립 필터에 대한 허용 오차의 영향을 연구하기 위해, 여덟 가지의 극단적인 허용 오차를 선택하여 상당한 차이를 확인했습니다.
PCB 스트립라인 필터에 대한 공차의 영향
아래 그림에 나타낸 스트립라인 필터 설계는 상단과 하단에 30mil 두께의 RO3003 유전체 기판이 있는 7단 구조입니다.
롤오프는 완만하며, 통과 대역 근처에 영점이 없기 때문에 직사각형 계수가 마이크로스트립보다 낮아 먼 주파수에서 최적의 고조파 성능을 나타내지 못합니다.
마찬가지로, 허용 오차 분석 결과 마이크로스트립 라인에 비해 더 나은 감도를 나타내는 것으로 확인되었습니다.
결론
5G 무선 통신에서 더 빠른 속도를 구현하려면 20GHz 이상의 주파수에서 작동하는 밀리미터파 필터 기술이 필수적입니다. 하지만 물리적 크기, 허용 오차 안정성 및 제조 복잡성 측면에서 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있습니다.
따라서 설계에서 공차의 영향을 신중하게 고려해야 합니다. SMT 필터는 마이크로스트립 및 스트립라인 필터보다 안정성이 뛰어나다는 것이 분명하며, 이는 SMT 표면 실장 필터가 향후 밀리미터파 통신의 주류로 부상할 가능성을 시사합니다.
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게시 시간: 2024년 7월 17일