RF에서 Filter란

필터는 RF 회로에서 원하는 주파수 성분은 통과시키고 원하지 않는 주파수 성분은 감쇠시키는 수동 회로이다. 안테나, LNA, PA, Mixer, Transceiver 주변에 필터가 거의 항상 사용되는 이유는 실제 RF 신호에 고조파, 스퓨리어스, 인접 채널 신호, 간섭, 이미지 주파수, 광대역 잡음 등이 함께 존재하기 때문이다. 따라서 필요한 주파수만 남겨 나머지를 줄여주는 역할이 필터의 핵심이다.

필터의 핵심 소자는 L, C, 공진이다. 인덕터는 주파수가 올라갈수록 리액턴스가 커지며 고주파에서 임피던스가 커져 직렬 인덕터가 고주파를 차단한다. 커패시터는 주파수가 올라갈수록 리액턴스가 작아져 고주파를 노드나 GND로 흘려보낸다. 공진 회로에서 특정 주파수에서 임피던스가 최소(직렬 공진) 또는 최대(병렬 공진)로 나타나며 이를 이용해 BPF, Notch, Trap 등의 필터를 구현한다. RF 필터는 보통 S-Parameter로 평가되며 S21은 통과 대역에서, S11은 반사 특성으로 관찰된다. 통과대역에서 S21은 높고 S11은 낮아야 하며 저지대역에서는 반사 혹은 흡수 여부가 필터 유형에 따라 달라진다. 또한 특정 주파수에서의 반사, 삽입손실, 반환손실, 저지율, 스커트 특성, 차수, Group Delay, Q 등 다양한 특성이 함께 고려된다.

대역 특성에 따라 필터의 종류를 구분한다. LPF는 저주파를 통과시키고 고주파를 감쇠하며 주로 고조파 제거에 사용된다. HPF은 고주파를 통과시키고 저주파를 차단한다. BPF는 특정 대역만 통과시키고 양쪽을 감쇠시키며 수신 대역 선택 등에 필수적이다. Notch Filters는 특정 주파수를 매우 강하게 저지한다. BSF, BRF 역시 특정 주파수에 강한 차단을 제공하며, 필요에 따라 특정 고조파나 간섭 주파수를 제거하는 용도로 사용된다.

필터의 특성은 중심 주파수/ 차단 주파수, 삽입손실, Return Loss, Rejection, Skirt 특성, 차수, Group Delay, Q 등으로 요약된다. 차수는 저지대역으로의 감쇄 기울기를 결정하고, Skirt는 통과대역에서 저지대역으로 떨어지는 급격함을 말한다. Group Delay는 주파수별 시간 지연에 영향을 주며, Q는 공진의 날카로움과 손실 정도를 좌우한다. 구현 형태로는 Lumped Element Filter, Transmission Line Filter, Ceramic/Dielectric, SAW, BAW/FBAR, LTCC, Waveguide 등 다양한 방식이 있다. 각 방식은 고주파 구현 가능성, 크기, 손실, 온도 특성, 처리 전력 등에서 차이가 있다.

RF 설계 시 확인해야 할 항목은 데이터시트의 이상적 S-parameter에만 의존하지 않는 점이다. 실제 PCB 위의 패턴 길이, Via, Ground, 부품 패드, 주변 금속 구조, 실장 편차에 따라 성능이 달라진다. 결론적으로 RF 필터 설계는 원하는 주파수 대역의 선택과 함께 삽입손실, 저지대역 감쇄, 반사 특성, Group Delay, 크기, 비용 간의 트레이드오프를 최적화하는 과정이다. LPF, HPF, BPF, Notch의 기본 구분과 더불어 구현 방식 및 대역 특성을 종합적으로 고려해야 한다.