Microwave Filter Design 가이드 – 대역 필터의 종류와 실전 설계법

목차

1. 마이크로파 필터란 무엇인가

2. 마이크로파 필터의 주요 기능

3. 마이크로파 필터의 기본 종류

4. 마이크로파 필터의 주요 설계 방식

5. 필터 성능을 결정짓는 주요 지표

6. 마이크로파 필터 실전 설계 전략

7. 마이크로파 필터의 응용 사례

8. 시장 동향 및 기술 전망

 

Microwave Filter Design 가이드

 

Microwave Filter

 

대역 필터의 종류와 실전 설계법

1. 마이크로파 필터란 무엇인가?

Microwave Filter는 RF 및 마이크로파 대역(300 MHz~300 GHz)에서 특정 주파수 성분만을 통과시키거나 차단하는 기능을 수행하는 수동 회로 소자다.
무선 통신, 레이더, 위성 시스템, RF Front-End Module 등에서 필수적으로 사용되는 핵심 구성요소이며, 신호 품질 향상과 전자기 간섭 방지에 중요한 역할을 한다.

마이크로파 환경에서는 파장이 짧고 신호 간섭이 심하기 때문에, 정밀하고 고선형성의 필터 설계가 매우 중요하다.

2. 마이크로파 필터의 주요 기능

• 주파수 선택성 확보: 필요한 대역만 통과시켜 신호 간섭 최소화
• 인접 채널 간섭 차단: 수신기의 감도 향상 및 송신기 출력 안정화
• 고조파 제거: 증폭기, 발진기에서 발생하는 불필요한 고조파를 필터링
• EMI/EMC 대응: 시스템 외부 간섭 차단 및 방출 제한

마이크로파 필터는 성능뿐 아니라 기기 내 공간 제약, 온도 안정성, 삽입 손실 최소화 등 다양한 요구조건을 동시에 만족해야 하며, 회로 설계 및 PCB 구현 기술이 복합적으로 요구된다.

 

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3. 마이크로파 필터의 기본 종류

1) Low Pass Filter (저역통과 필터, LPF)

• 특정 주파수 이하의 신호만 통과
• 고조파 제거, 송신 신호 정제에 사용
• 단순한 구조이지만 고주파에서는 정밀한 정합 필요

2) High Pass Filter (고역통과 필터, HPF)

• 특정 주파수 이상만 통과
• 저주파 간섭 제거, 광대역 시스템에 활용
• 고속 디지털 라인에서 신호 왜곡 제거 용도로도 사용됨

3) Band Pass Filter (대역통과 필터, BPF)

• 원하는 주파수 대역만 선택적으로 통과
• LTE, 5G, Wi-Fi 등 다중 주파수 통신 시스템의 핵심 부품
• SAW/BAW 필터 형태로 모듈화 되기도 함

4) Band Stop Filter (대역차단 필터, BSF)

• 특정 주파수 대역만 차단
• 특정 간섭 주파수를 제거하거나, 다중 대역 송수신 회로에서 간섭 억제 용도

 

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4. 마이크로파 필터의 주요 설계 방식

(1) Lumped Element 방식

• 코일(L), 커패시터(C) 조합으로 구성
• 소형이지만 고주파 대역에서는 기생성분 영향 커짐
• 1 GHz 이하 대역에 적합

(2) Distributed Element 방식

• 마이크로스트립, 스트립라인, 공진기 형태로 구현
• 고주파에서 파장 특성을 이용한 설계 가능
• RF 회로와 통합 용이

(3) Cavity Filter

• 금속 공진체 내부에 고정된 필터 구조
• 고출력 시스템에 적합, 매우 낮은 삽입 손실
• 위성, 군용, 방송 송신기 등에서 사용

(4) SAW/BAW 필터

• 압전 재료 기반 필터로, 스마트폰 등 모바일 기기에서 사용
• 초소형이며 대량 생산에 적합
• BAW(Bulk Acoustic Wave)는 5 GHz 이상 대역에서 사용성 우수

 

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5. 필터 성능을 결정짓는 주요 지표

항목, 설명

 

Insertion Loss (삽입 손실)	신호가 필터를 통과할 때 손실되는 전력 (단위: dB)
Return Loss (반사 손실)	필터에 반사되는 신호량 (높을수록 좋음)
Bandwidth (대역폭)	필터가 통과시키는 주파수 범위
Selectivity (선택도)	통과 대역과 차단 대역 간의 경계 선명도
Group Delay	신호의 시간 지연 정도 – 위상 왜곡과 밀접

 

이러한 성능은 설계 시 S-Parameter 시뮬레이션 및 네트워크 분석기 측정을 통해 확인할 수 있으며, 고성능 시스템일수록 삽입 손실이 적고, 선택도가 높으며, 위상 왜곡이 적은 필터가 요구된다.

6. 마이크로파 필터 실전 설계 전략

(1) 필터 차수 결정

• 차수가 높을수록 선택도가 높아지지만 손실과 복잡도도 증가
• 3차~7차 필터가 가장 많이 사용됨

(2) 정합 회로 구성

• 입력/출력 포트의 임피던스와 정확히 맞춰야 반사를 줄이고 효율 향상
• Transmission Line 기반 또는 Lumped Matching Network 활용

(3) 시뮬레이션 기반 최적화

• ADS, HFSS, CST, AWR Microwave Office 등 고주파 회로 시뮬레이터 사용
• S-Parameter 분석과 함께 그룹 지연, 삽입 손실, 위상 응답까지 검토

(4) 온도 안정성 고려

• 기판의 유전율(εr), 패시브 소자의 온도계수 등을 고려
• 고온 환경에서는 BAW 필터, 세라믹 계열 소재 사용이 유리

(5) 패키지 및 모듈화 기술

• 모바일, 위성 등에서는 RF 모듈 내부에 필터를 통합
• LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic), MCM(Multi-Chip Module) 기술 활용

 

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7. 마이크로파 필터의 응용 사례

5G 스마트폰

• Sub-6 GHz와 mmWave 주파수를 모두 수용하는 SAW/BAW 필터 내장
• 다중 대역을 동시에 처리해야 하므로 초소형 고성능 필터 필요

5G 기지국 및 중계기

• Massive MIMO 시스템에서 각 채널의 대역 정리 및 간섭 제거
• Cavity Filter 및 GaN PA와 결합하여 고출력 구현

위성통신 시스템

• 극초단파(UHF~SHF) 대역의 주파수 정합 및 고선택도 요구
• 고안정성의 금속 공진형 필터 및 온도 보상 설계 필수

자율주행 차량

• 77 GHz 레이더 시스템에서 대역 통과 필터를 통해 정밀한 거리 측정 보장
• 전장 환경에 견디는 고신뢰성 필터 기술 적용

8. 시장 동향 및 기술 전망

글로벌 RF 및 마이크로파 필터 시장은 5G 확산, IoT 기기 증가, 자율주행 기술의 발전과 함께 빠르게 성장하고 있다.
2025년까지 BAW 필터 시장은 100억 달러 규모로 확대될 것으로 전망되며, 특히 고주파 대응 소재 기술과 모듈 통합 기술이 경쟁의 핵심으로 떠오르고 있다.

주요 업체 동향:

• Qorvo, Murata, Skyworks: SAW/BAW 필터 선도 기업
• Knowles, TDK, AVX: 고주파 세라믹 필터 기술 주도
• 삼성전기, LG이노텍: 모바일 RF 모듈에 고성능 필터 내장

향후에는 AI 기반 필터 설계, 고온·고압 환경용 필터, 유연형 RF 필터 등으로 기술이 발전할 것으로 보인다.

 

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결론

Microwave Filter Design은 단순한 회로 설계를 넘어, 고주파 환경에서 신호 품질과 시스템 안정성을 보장하기 위한 전략적 기술이다.
올바른 필터 선택과 정밀한 설계는 RF 시스템의 성능을 극대화하며, 저전력·고성능·다중 대역 통신을 가능하게 한다.

필터 설계자는 회로 해석 능력과 더불어 소재, 패키지, 온도 보상, 시스템 통합 등 다양한 기술을 복합적으로 고려해야 하며, 이에 대한 콘텐츠는 기술 블로그, 온라인 강의, 전자제품 리뷰 등 다양한 형태로 수익화가 가능하다.