[데이터넷] 무선 주파수(RF) 필터는 최신 무선 통신 시스템의 핵심 역할을 하는 부품이다. 필터를 사용해 원하지 않는 주파수 대역을 감쇠하고 간섭을 최소화해 시스템이 적절히 구동하도록 하기 때문이다. 따라서 엔지니어는 설계하는 시스템의 필터링 요구와 필터의 전기적 사양을 고려해 적합한 필터를 선택해야 한다. 최신 무선 통신 애플리케이션에 사용되는 대표적인 SAW(Surface Acoustic Wave)와 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터를 살핀다.

무선 주파수(RF) 필터는 모든 RF/마이크로파 시스템, 특히 채널 또는 대역이 많은 무선 통신 시스템의 핵심 부품이다. RF 필터의 주요 기능은 원하는 주파수 대역의 신호에 미치는 영향을 최소화하면서 불필요한 특정 주파수 대역의 신호를 감쇠시키는 것이다. 모든 기술이 그렇듯이 RF 필터 역시 물리적인 한계로 인해 불필요한 대역의 신호를 완벽하게 제거하지는 못하기 때문에 통과대역 주파수가 일부 손실된다.

그러나 RF 필터는 간섭으로 인해 시스템 기능이 저하되거나 손상되는 경우가 많기 때문에 매우 중요하다. 이에 무선 통신 시스템에서는 수신기의 입력에 다양한 RF 필터를 사용해 원하지 않는 대역 외부의 신호를 감쇠하고 있다.

RF 필터는 송신기 회로에서 고조파, 스퓨리어스 콘텐츠, 대역외 누설을 줄이는 데에도 사용된다. 다양한 무선 통신 기술이 사용되는 스마트폰과 같은 최신 전자 기기는 RF 필터를 사용해 적절히 분리하지 않으면 서로 간섭을 일으킬 수 있어 여러 기술이 공존할 수 있도록 하는 것이 설계에서는 중요한 과제다.

이에 RF 필터링의 기본 사항 점검과 함께 최신 무선 통신 애플리케이션을 위한 SAW(Surface Acoustic Wave)와 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터를 비교 분석해 본다.

RF 필터 사용 필수
대부분의 최신 통신 기술은 컴팩트한 설계로 인해 물리적인 분리가 제한되므로 엔지니어는 RF 필터를 사용해 분리 효과를 높이고 필요한 표준을 충족하는지 확인한다. 미국 연방통신위원회(FCC), 유럽 전자통신위원회(ECC)와 같은 국가나 글로벌 기관이 제정했거나 와이파이, 4G/5G, 블루투스, 지그비와 같은 기술 표준이 적용된다. 또한 GPS, 근거리통신(NFC) 등 자체 필터링이 필요한 부가적인 서비스도 사용된다.

최신 무선 통신 시스템이 초소형이라는 특성을 감안하면 여전히 높은 Q 팩터를 나타내고 다중 대역 필터링 응용 분야를 위해 필터 뱅크에 쉽게 통합할 수 있는 초소형 필터가 필요하다. 대부분의 경우 누화를 최소화하고 비선형 제품을 완화하기 위해 주파수 대역별로 고유한 RF 필터가 필요하다. 이에 엔지니어는 AWF(Acoustic Wave Filter)를 흔히 사용한다.

기본적으로 AWF는 전기 에너지를 음향/기계 에너지로 또는 그 반대로 변환할 수 있는 압전 기판의 전기 음향 변환기로 구성된다. 이러한 방식으로 AWF를 사용하면 고주파 신호를 음파 신호로 변환한 다음 고주파 신호로 다시 변환하기 전에 음향 공진기 및 필터링 기술로 컨디셔닝할 수 있다. 다른 전자기 필터 기술 대비 장점은 음파 현상이 전자기 필터링 현상보다 약 5배 작다는 것이다. 실제로, 이러한 요인으로 인해 음향 필터는 유사한 성능을 위해 기존 전자기 필터 유형보다 훨씬 작게 만들 수 있다.

AWF의 대표적인 두 가지 유형인 BAW 필터와 SAW 필터는 IDT(InterDigital Transducer)를 사용해 전기 및 음향 신호를 변환한다. BAW 필터는 기판의 대부분을 통해 신호 에너지를 전달하는 반면 SAW 필터는 기판 표면을 따라 신호 에너지를 전달한다. 차이는 단순해 보이지만 실제로는 다양한 접근 방식으로 인해 성능과 주파수 기능에 상당한 차이를 유발하게 된다.

SAW 필터는 일반적으로 설계와 제작이 덜 복잡한데, 이는 제조 공정이 주로 표면 구조 개발로 구성되기 때문이다. 반면 BAW 필터는 기판 두께와 스택에 정밀하게 배치된 음향 반사경과 같은 적층 구조를 정밀한 제어가 필요하다.

BAW 필터는 상대적인 크기와 물리적 특성에 있어 SAW 필터보다 더 높은 주파수로 동작하고 더 높은 Q 팩터를 달성할 수 있다. SAW 필터는 표면 상에서 전기음향 변환에 있어서 물리적 한계가 따르기 때문이다. 

뿐만 아니라 BAW 필터는 표준 IC 공정 시스템과 호환 가능한 기술을 사용해 제조할 수 있고 통상적으로 더 높은 전력을 처리할 수 있다. BAW 필터는 또한 SAW 필터보다 온도에 따라 낮은 주파수 드리프트를 나타내지만 온도 보상 설계 기능을 통합하거나 온도 감도를 최소화하는 방식으로 제작되는 SAW 필터 기술도 있다.

대체적으로 SAW 필터는 2000MHz 또는 2500MHz 까지 동작하도록 제조할 수 있고, BAW 필터는 10GHz 혹은 그 이상까지 동작하도록 제조할 수 있다. 따라서 SAW와 BAW 기술은 100MHz부터 대략 2500MHz까지의 주파수 범위로 직접적인 경쟁 관계에 있다.

정밀한 RF 필터 설계 
필터 선택을 위해서는 해당 애플리케이션의 필터링 요구를 이해하고 필터의 전기적 사양을 확인해야 한다. 모든 필터 애플리케이션은 중심 주파수, 대역폭, 원하는 신호 수준, 제거 요구 같은 사양들을 사용한다. 

통상 시스템 엔지니어가 이러한 시스템 요구사항을 파악하고, 주어진 예산 내에서 요구를 충족하는 필터를 선택하고, 시스템 디자인으로 필터를 통합하기 위한 계획을 수립한다. 최신 무선 장비는 표준과 관련 규정에서 요구하는 엄격한 요건 준수를 위해 다수의 필터로 이뤄진 필터 뱅크를 설계하는 것이 일반적이다. 다음은 RF 필터 설계를 위한 주요 전기 사양이다.

· 필터 형태(저역통과, 고역통과, 대역통과, 노치/통과-제거)
· 통과 대역 주파수(Hz)와 제거 주파수(Hz)
· 대역외 제거(dB)와 감쇠(dB) 및 삽입 손실(dB)
· 격리도(dB) 및 선택도(dB)
· Q 팩터
· 리플(dB) 및 입력 전력 처리 능력(dB)
· 입출력 임피던스 매칭(Ω)

대부분의 무선 통신 표준은 다중 대역 필터링을 위해 다른 여러 대역 통과 필터와 함께 사용되는 대역 통과 필터를 강조한다. 이는 SAW 및 BAW 필터 모두에 널리 적용되는데, 크기가 작아 다른 필터 기술에 비해 상대적으로 작은 필터 뱅크를 사용할 수 있기 때문이다.

이 필터는 수신기에서 볼 수 있는 대역외 신호 성분을 줄이기 위해 작동한다. 대역 외 주파수 성분으로 인해 신호 대 잡음비(SNR)가 낮거나 비트 오류율(BER)이 높은 둔감도 수신기가 발생할 수 있기에 이는 중요한 기능이다. 또한 필터는 상대적으로 고출력 송신 장치에서 생성되는 고조파 및 스퓨리어스 같은 비선형 성분을 줄이기 위해 송신기의 출력에 주로 사용된다.

필터 보조 장치를 사용하면 인접 채널 누설비(ACLR)와 인접 채널 전력비(ACPR)를 높일 수 있다. 또한 무선 표준 테스트에 실패할 수도 있는 무선 송신기는 대대적인 재설계 없이 테스트를 통과할 수 있다.

무선 통신 시스템을 설계하고 배포했지만 초기 평가에서 발견하지 못한 현장 문제에 직면하기도 한다. 이 경우에는 보다 엄격한 필터링을 통한 향상된 필터로 무선 신호를 업그레이드해 문제를 해결할 수 있다. 예를 들면 무선 통신이 중요한 작동 주파수 대역 근처에서 간섭이 발생한다면 Q 팩터가 더 높고 대역 외 제거가 우수한 필터를 사용하면 기존 필터 대비 향상된 동작을 달성할 수 있다.

일반적으로 SAW 필터가 BAW 필터보다 저렴하고, 활용할 수 있는 선택의 폭이 넓다. SAW 필터는 2500MHz 이상으로는 거의 제공되지 않는다. 따라서 최대 성능을 필요로 하거나 3G, 4G, 와이파이 6E, 서브 6GHz 5G의 더 높은 주파수로 동작해야 한다면 BAW 필터가 적합하다<그림 2>. BAW 필터는 대체로 SAW 필터보다 더 높은 주파수로 동작하고 보다 우수한 통과대역 감쇠, 대역 외 제거, 전력 처리, Q 팩터를 달성하도록 설계할 수 있다.

SAW와 BAW 필터는 원하는 작동을 달성할 수 있도록 정밀하게 설계돼야 하고, 특정 애플리케이션에 필요한 맞춤형으로도 설계와 제작을 할 수 있다. 현재 BAW와 SAW 필터 제조사는 와이파이, 4G LTE, 5G 등과 같은 다양한 시장과 애플리케이션의 요구사항을 충족하는 SAW와 BAW 필터를 대량으로 설계하고 생산하고 있다. 또한 와이파이나 BLE(Bluetooth Low Energy)와 같은 주요 무선 표준의 공존을 위한 특수 SAW나 BAW 필터도 제조되고 있다.

RF 필터, 무선 통신 시스템 핵심 부품
RF 필터는 최신 무선 통신 시스템의 핵심 역할을 하는 부품이다. 필터를 사용해 불필요한 주파수 대역을 감쇠하고 간섭을 최소화하고 시스템이 적절히 작동하도록 보장한다. 물론 다른 기술과 마찬가지로 RF 필터도 물리적인 한계가 있어 완벽하지는 않아 통과 대역 주파수의 약한 손실을 일으킬 수도 있다. 

현재 BAW 필터와 SAW 필터 같은 음파 필터가 작은 크기와 높은 Q 팩터로 폭넓게 사용되고 있다. SAW 필터는 설계와 제조가 덜 복잡하고, 더 높은 주파수로 동작할 수 있고 더 높은 Q 팩터가 가능하다. 따라서 엔지니어는 시스템 디자인의 필터링 요구와 필터의 전기적 사양(필터 타입, 통과 대역, 정지 대역, 삽입 손실 등)을 고려해 적합한 필터를 선택해야 한다.