고온초전도 필터의 상용화연구는 기지국 혹은 인공위성 payload용의 수신용 필터와 송신기용 필터에 대한 연구로 이원화되어 진행되고 있는데, 수신용 필터제작에는 주로 마이크로스트립 구조가 이용되며 송신용 필터제작에는 주로 유전체와 고온초전도박막의 접합구조나 혹은 disk resonator의 결합구조가 이용된다. 수신용으로 제작되는 마이크로스트립 고온초전도 필터의 경우 hair pin 구조, lumped element 구조 등이 주로 사용되는 구조인데, 이러한 필터의 크기와 특성은 900 MHz 대역의 셀룰라 통신이나 1.8 GHz 대역의 PCS 통신, 2.1 GHz 대역의 IMT-2000, 그리고 C-band, X-band 등의 위성통신 주파수 대역에서 기존 기술로 제작된 필터의 크기와 특성에 비해 월등히 우수한 것으로 알려져 있다. 고온초전도필터 제작 시 사용되는 고온초전도박막의 특성은 신호의 삽입손실 (insertion loss)이 매우 작으면서 19 pole의 셀룰라용 필터를 3 인치의 기판 위에 제작할 수 있는 정도로 소형화된 필터의 제작을 가능하게 하는데, 이러한 것은 모두 고온초전도박막의 표면저항이 매우 작기 때문에 가능한 것이다. 또한 필터의 out-band 특성을 개선시키고자 pole 수를 증가시킬 경우에도 고온초전도필터의 삽입손실은 여전히 작은 값을 지니게 되므로 고온초전도필터를 사용할 경우 정해진 주파수대역에서 보다 많은 수의 channel 확보와 우수한 신호 간섭배제 (interference rejection) 기능의 확보가 가능하다.

송신기용의 고온초전도필터 제작에 사용되는 구조로 특히 언급할 만한 것으로서 유전체와 고온초전도 박막의 결합구조를 들 수 있다. 이러한 구조는 유전체와 고온초전도체의 장점, 즉 유전체가 지닌 매우 작은 loss tangent와 고온초전도 박막이 지닌 매우 낮은 표면저항을 가장 효과적으로 이용할 수 있는 구조인데, 중심주파수 3.8 GHz에서 0.8 %의 통과대역을 지닌 유전체-고온초전도체 hybrid 구조의 필터는 삽입손실이 0.1 dB 정도의 작은 값을 지니는 것으로 보고된 바 있다. 송신시스템용 필터로 사용할 수 있는 또 다른 구조로서 disk 공진기가 결합된 구조를 들 수 있다. 이 구조는 마이크로스트립 구조에서 관측되는 현상, 즉 마이크로스트립 가장자리에서의 전류밀도의 급격한 증가를 피할 수 있게 하는 구조로서 큰 power의 고주파 신호 처리를 가능하게 하는데, 현재 이러한 disk 형태가 이용된 4-pole filter는 3.4 GHz - 4.2 GHz 대역에서 60 Watt의 power를 처리할 수 있으며 PCS 주파수 대역 (1.8 GHz ∼ 2 GHz)에서는 100 Watt 정도의 peak power를 지닌 신호처리도 가능하다.

수신기 전단부 (Receiver front-end)

수신기 전단부란 필터와 저잡음 고주파 증폭기 (low noise amplifier: LNA라 함)를 합친 부분으로서 그 특성은 잡음수준 (noise level)의 크기에 의해 결정되는데 이 부분에서 걸러지고 증폭된 고주파 신호는 주파수변환기를 거쳐 낮은 주파수의 신호로 바뀌게 된다. 고온초전도필터가 사용된 수신기 전단부는 주로 YBCO 박막과 GaAs HEMT나 MESFET이 사용된 저잡음 증폭기, 그리고 이러한 부품이 60 K 정도의 저온에서 작동할 수 있게 해 주는 냉각장치가 결합된 형태로서, 이러한 수신기 전단부의 PCS 대역에서의 잡음수준은 (약 1 dB 정도) 적은 수의 기지국으로도 넓은 영역의 신호처리를 가능하게 해 준다. 수신기가 사용되는 환경이 도시 중심인가, 도시의 외곽인가 혹은 농촌 지역인가에 따라 수신기의 신호처리 거리는 각각 다르게 된다는 점을 모두 고려하더라도 현재의 기술로 제작 가능한 잡음수준 0.7 dB 정도의 수신기 전단부는 PCS 용 base station의 수를 10 % - 15 % 이상 줄일 수 있게 해 준다.

초전도 공진기

공진기란 특정 주파수의 전자파 에너지를 저장할 수 있는 기능을 가진 소자를 일컫는다. 공진기의 특성은 공진주파수와 unloaded quality factor (Q0)의 크기로 구별되는데, 고온초전도 공진기 구조로는 마이크로스트립 구조와 유전체와 고온초전도 박막의 결합을 이용한 접합 구조, 그리고 disk 구조가 사용되고 있다. 이 들 구조 중 마이크로스트립 구조는 공진회로의 크기를 매우 작게 할 수 있다는 큰 이점을 지니고 있으나 공진회로의 소형화에 따라 공진기의 Q와 power 처리능력이 감소한다는 단점이 있다. 고온초전도 마이크로스트립 공진기의 5.7 GHz, 77 K에서의 Q는 약 26,000으로서 이러한 크기는 일반 도체로 제작된 마이크로스트립 공진기의 100 배 이상의 값이다. 한편 유전체-고온초전도체의 접합구조를 지닌 공진기는 우수한 마이크로파 특성을 지닌 유전체의 작은 tanδ와 고온초전도 박막의 매우 작은 표면저항 (RS)을 이용하고자 고안된 것으로서 평행한 고온초전도박막 사이에 유전체가 놓여있는 구조이다. 이 경우 고온초전도 박막을 제외한 다른 금속 면에서의 에너지 손실은 매우 작게 되어 공진기의 Q가 매우 커지게 된다. 현재 가장 큰 Q를 얻고자 할 경우에는 TE011 모드 공진기가 사용되고 있으며 손실이 작은 유전체로서 사파이어가 사용되는 경우 20 GHz, 77 K 에서 300000 이상의 Q를 얻을 수 있음이 알려져 있다. (그림 1)은 도체나 유전체 그리고 초전도체로 공진기를 제작한 경우, 공진기의 크기에 따른 공진기 Q의 변화를 보여주는 자료로서 초전도 마이크로스트립의 Q가 도체에 비해 약 100 배 정도 큰 값을 지니며 고온초전도체-유전체의 접합 구조를 지닌 공진기 ('HTS dielectric-loaded resonator)의 경우 4 GHz, 77 K에서 5000000 정도의 매우 큰 Q를 지닐 수 있음을 보여준다.

초전도 오실레이터 오실레이터는 마이크로파 장치의 핵심 부품으로서 오실레이터 신호의 위상잡음 크기는 전체 시스템의 성능을 좌우할 수 있을 정도의 중요성을 지니고 있으며 위상잡음이 작은 오실레이터의 사용은 보다 효율적인 주파수 대역의 사용 및 사용 채널 수의 증가, 그리고 data 전송속도의 향상을 가능하게 해 준다. 오실레이터의 위상잡음은 높은 Q의 공진기를 공진단으로 사용하여 개선시킬 수 있는데, Q0가 1,000,000 정도인 공진기의 사용은 20 GHz, 100 Hz의 offset에서 위상잡음이 -110 dBc/Hz 이하 인 오실레이터의 제작을 가능하게 한다.