KR100249838B1 - 유자형 공진기를 갖는 고주파 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체를 이용한 고주파 필터에 관한 것으로 이동통신, 개인통신, 위성통신 및 IMT-2000과 같은 무선통신 시스템의 안테나 다음단의 고주파 회로에 사용되어 원하는 주파수의 신호를 통과시키고 원하지 않는 주파수의 신호를 제거하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터에 관한 것이다.

통신 시스템 단말기의 소형화 추세에 따라 고주파 필터의 소형화도 더욱 요구되고 있으며, 주파수 효율을 향상시키기 위하여 송신과 수신 주파수를 근접하여 사용함에 따라 저지대역에서 우수한 감쇠특성의 고주파 필터가 요구되고 있다.

이에 본 발명은 유전체를 이용한 고주파 필터를 구현함에 있어서 공진기를 종래에는 일자형으로 형성되게 하던 것을 구부러지게 U자형으로 형성함으로써 소형화를 이룩하였으며, 공진기 사이의 결합을 조절하기 위하여 유전체 블럭에 홈을 형성하여 공진기 사이의 결합을 전계에 의한 결합이나 자계에 의한 결합으로 구현하여 필터의 통과 대역보다 높은 주파수나 낮은 주파수의 저지대역에서 감쇠특성을 향상시켰다.

Description

유자형 공진기를 갖는 고주파 필터

본 발명은 유전체를 이용한 고주파 필터에 관한 것으로, 상세하게는 이동통신, 개인통신, 위성통신 및 IMT-2000과 같은 무선통신 시스템의 안테나 다음단의 고주파 회로에 사용되어 원하는 주파수의 신호를 통과시키고 원하지 않는 주파수의 신호를 제거하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터에 관한 것이다.

무선통신 시스템에서 안테나 다음단에 사용되는 고주파 필터는 TEM모드 유전체 동축공진기가 많이 사용된다. 사용되는 동축공진기의 갯수는 필터의 요구특성에 따라 정해지나 보통 2개 이상의 공진기가 결합되어 제작된다.

종래 유전체를 이용한 고주파 필터의 구조가 도 6과 도 7에 도시되어 있다. 도 6의 필터구조는 하나의 유전체 블럭에 2개 이상의 공진기를 형성하여 필터를 구성하는 일체형 필터구조에 관한 것으로 3개의 공진기를 이용한 필터 구조이다. 유전체 블럭(1)은 상면(1a)과 공진기 사이의 결합량을 조절하는 결합량 조절용 구멍(3)을 제외한 모든 부분을 도전성 금속으로 도금한 구조이다. 동일한 크기의 구멍을 유전체블럭의 상면(1a)에서 하면까지 관통하여 뚫고 도전성 금속으로 도금하여 단락된 1/4파장 공진기로 동작하도록 공진기(2)를 형성한다. 또한 첫번째 공진기와 마지막 공진기에 입출력단자를 위한 도체봉(5)을 삽입하고 입출력 단자와 공진기사이의 결합을 위하여 도체봉과 공진기사이에 유전체(4)를 삽입하였다. 또한 결합량을 적절하게 조절하기 위하여 공진기와 공진기사이에 각각 결합량 조절용 구멍(3)을 설치하여 필터를 구성하였다. 입력구멍으로 입력된 신호의 전송은 입력단자용 구멍의 내벽과 공진기사이의 전자장 결합으로 공진기에 전달되며, 공진기와 공진기사이에서의 전자장의 결합으로 앞의 공진기에서 뒤의 공진기로 신호의 전달이 이루어진다. 또한 공진기와 출력단자용 구멍사이의 전자장 결합에 의해 출력구멍으로 신호의 전송이 이루어져 입력에서 공진기들을 거쳐 출력으로 에너지가 전달된다. 이때 공진기와 공진기사이의 전자장의 결합량을 조절하기 위하여 결합량 조절용 구멍(3)을 형성한다. 이러한 결합구조는 결합량을 조절하기 위한 구멍(3)의 내부를 공간으로 하므로써 유전체블럭의 유전율과의 차이에 의한 결합량의 감소를 가져와 필터의 소형화를 가능하게 하였으며, 공진기사이의 결합량은 결합량을 조절하기 위한 구멍의 크기를 변경하여 조절할 수 있다. 또한 유전체블럭(1)의 가운데 부분은 전자장이 강하며 유전체의 전면과 후면으로 갈수록 전자장이 약하다. 따라서 결합량을 조절하기 위한 구멍의 위치를 유전체블럭의 가운데에서 유전체블럭의 전면이나 후면방향으로 이동하여 결합량을 조절하였다. 그러나 부품의 소형화에 따라 결합량을 조절하기 위한 구멍의 크기나 위치이동에 의한 결합량의 조절은 한계가 있어 소형화를 이룩하기에 어려움이 있다. 또한 공진기의 내벽은 도전성 금속으로 하고 결합량을 조절하기 위한 구멍(3)의 내벽은 도전성 금속으로 하지 않으므로써 유전체 블럭(1)을 제작한 후 공진기의 내벽을 도전성 금속으로 할 때 결합량을 조절하기 위한 구멍의 내벽이 도전성 금속이 되지 않도록 하는 부수적인 공정이 필요하여 제조공정이 복잡하며, 입력측에 전달된 신호가 유전체 블럭의 개방면을 통하여 원하지 않는 신호의 전달이 이루어지는 문제점이 있다. 이러한 대역통과필터의 주파수 특성을 나타내면 도 8과 같이 통과대역보다 높은 주파수나 낮은 주파수에서의 감쇠특성이 같다. 그러나 무선통신 시스템에서 주파수의 효율적 이용을 위하여 송신주파수 대역과 수신주파수 대역이 가까이 위치하고 있으므로 고주파 필터에서는 인접한 저지대역에서의 우수한 감쇠특성이 요구되고 있다. 저지대역에서의 감쇠특성을 향상시키기 위하여 필터에서 공진기 수를 많이 사용하면 감쇠특성은 향상되나 삽입손실이 커지고 필터의 크기가 커지는 문제점이 있다. 따라서 공진기의 수를 증가시키지 않고 외부에 칩 캐패시터나 인덕터를 사용하여 특정주파수에서 신호의 전달을 차단하여 감쇠특성을 향상시키는 유극형 필터를 설계하고 있으나, 외부의 칩 소자를 사용하므로써 제조공정이 복잡한 문제점이 있다.

또 다른 종래의 기술로서 도 7의 필터 구조는 공진기사이의 결합량을 조절하기 위하여 유전체블럭(1)의 전면과 후면에 유전체블럭의 상면에서 하면까지 결합량 조절용 홈(6)을 파고 도전성 금속으로 도금하였다. 이러한 구조는 결합자 내벽이 도전성 금속으로 되지 않도록 하는 부수적인 공정을 줄일 수 있어 제조공정을 간단히 할 수 있다. 그러나 유전체블럭의 가운데 부분은 전자장이 강하며 유전체의 전면이나 후면은 전자장이 약하므로 이러한 결합량 조절용 홈을 이용한 결합량의 조절은 미약하고 부품의 소형화에는 한계가 있으며, 저지대역에서의 감쇠특성을 향상시키기 위한 문제점은 계속 남아있다.

전술한 바와 같이 주파수의 효율적인 이용을 위하여 무선통신 시스템에서 송신주파수와 수신주파수 대역이 근접하여 사용하므로 이러한 통신시스템의 고주파 회로에 사용되는 필터는 통과대역보다 높은 주파수나 낮은 주파수의 저지대역에서 우수한 감쇠특성이 요구되고 있으며, 통신 시스템의 소형경량화 추세에 따라 고주파 필터도 소형화, 경량화가 요구되고 있다. 그러나 종래의 유전체 필터구조에서는 감쇠특성을 향상시키기 위하여 공진기를 많이 형성하면 필터의 크기가 커지는 문제점이 있으며, 칩 캐패시터나 인덕터와 같은 외부 소자를 사용하여 저지대역에 신호의 전달을 차단하는 극점을 갖는 유극형 필터를 설계하면 필터의 크기가 커지고 제조공정이 복잡한 문제점이 있다.

이에 본 발명은 유전체를 이용하여 통신시스템의 고주파 회로에 사용되는 필터를 제작할 때, 소형화가 가능하고 외부의 칩 캐패시턴스나 인덕턴스를 사용하지 않고 저지대역에서의 감쇠특성이 우수한 고주파 필터를 제공하며, 제조공정을 간단히 하여 제조단가를 줄일 수 있는 고주파 필터를 제공하는데 그 목적이 있다

도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 필터 구조도.

도 2는 도 1의 A-A선 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예의 필터 구조도.

도 4는 본 발명에 의한 또 다른 실시예의 필터 구조도.

도 5는 도 1과 도 4의 실시예에서 주파수에 따른 삽입손실 특성도.

도 6은 종래의 유전체를 이용한 필터의 구조도.

도 7은 종래의 유전체를 이용한 또 다른 필터의 구조도.

도 8은 도 6과 도 7의 종래의 필터에서 주파수에 따른 삽입손실 특성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 유전체 블록 11 : 유전체 블럭의 상면

12 : 유전체 블럭의 하면 20 : U자형 공진기

21 : U자형 공진기의 개방단부측의 도체관

22 : U자형 공진기의 단락단부측의 도체관

23 : U자형 공진기의 반원형 결합홈 30 : 결합량 조절용 홈

40 : 입출력 단자 50 : 공진기 단락 방지용 절연부

60 : 입출력 단자 접지 방지용 절연부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하면을 제외한 모든 외각부분에 도전성물질을 입힌 유전체 블럭내에 수직으로 형성된 한쌍의 원통형 관이 유전체 블럭의 하면에서 반원형 결합홈에 의해 전기적으로 연결되어 이루어진 U자형 공진기를 소정개수로 병렬로 나란히 배열하고, 신호의 입출력용 단자를 유전체 블럭에 표면실장하여 구성하되, 상기 각 U자형 공진기는 전기적인 개방을 위해 상기 유전체의 상면과 절연되도록 공진기 단락 방지용 절연부를 구비한 U자형 공진기의 개방단부측의 도체관과, 상기 유전체 블럭상면의 도전막과 단락되는 U자형 공진기의 단락단부측의 도체관으로 이루어지고, 전계 또는 자계에 의한 결합과 주파수의 저지대역에 따른 감쇠특성에 따라 결합량 조절용 홈을 상기 U자형 공진기 사이에 선택적으로 구성함으로써 통과대역의 이하 또는 이상의 저지대역에서의 감쇠특성을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

상기 신호의 입출력용 단자의 바람직한 실시예는 유전체 블럭의 두면 또는 세면에 표면실장하도록 한다.

상기 결합량 조절용 홈을 상기 공진기들 사이에 형성함에 있어 바람직한 실시예는 상기 U자형 공진기의 개방단부측 도체관들 사이에 형성하여 공진기 사이에 자계에 의한 결합이 되도록 하며, 이러한 자계에 의한 신호결합량을 조절하여 통과대역 보다 높은 저지대역에서의 감쇠특성을 향상시키는 경우와, 상기 결합량 조절용 홈을 상기 U자형 공진기의 단락단부측의 도체관들 사이에 형성하여 공진기 사이에 전계에 의한 결합이 되도록 하며, 이러한 전계에 의한 신호결합량을 조절하게 하여 통과대역보다 낮은 주파수의 저지대역에서 감쇠특성을 향상시키도록 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예가 도 1에 잘 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예는 유전체 블럭(10)의 상면(11)에서 하면(12)으로 관통하는 2개의 원통형 관통구멍(21,22)을 형성하고, 그 유전체 블럭의 하면(12)에서 상기 2개의 구멍(21, 22)이 서로 연결되도록 하는 반원형 결합홈(23)을 형성하여 상기 관통구멍(21,22)과 반원형 결합홈(23)의 내면에 도전물질을 입혀 U자형 도체관(20)을 형성하고, 상기 U자형 도체관의 일측단부(21)를 유전체 블럭의 상면과 절연시키기 위한 절연부(50)를 형성하며, 상기 절연부(50)가 형성되지 않은 단락단부측의 도체관 타측단부(22)와 연결되고 유전체 블럭의 하면(12)을 제외한 표면에 전기적인 도전 물질을 입혀 접지를 위한 도전막을 형성하여 하나의 U자형 공진기(20)를 구성하고, 상기 U자형 도체관으로 이루어지는 공진기(20)를 상기 유전체 블럭(10)에 소정의 간격으로 복수개를 병렬로 형성하고, 통과대역보다 높은 주파수의 저지대역에서 감쇠특성을 갖도록 상기 절연부(50)가 형성된 개방단부측의 도체관들(21)의 사이에 상기 공진기(20)와 공진기(20) 사이의 전계의 신호결합을 막기 위한 결합량 조절용 홈(30)을 형성하여 공진기(20)와 공진기(20)사이의 결합은 자계에 의한 유도성 결합이 되도록 하며, 상기 공진기 3개가 병렬로 형성된 유전체 블럭의 상기 절연부(50)가 형성된 개방단부측의 도체관 단부(21)가 형성된 방향의 좌우측 모서리의 2면에 절연부(60)를 형성하고, 그 절연부(60)에 의해 유전체 블럭의 표면 도전막과는 절연되고, 그 유전체 블럭(10)과는 전기적으로 연결되는 입출력단자(40)를 형성하여 구성되어 있다.

상기 유전체 블럭(10)은 유전체 블럭의 하면(12)과, U자형 공진기의 개방단부측의 도체관(21)이 접지에 단락되지 않도록 하는 공진기 단락 방지용 절연부(50)와 입출력 단자 접지 방지용 절연부(60)를 제외한 모든 부분을 도전성 금속으로 도금한 것이다. 도 2는 도 1에서의 U자형 공진기(20)의 A-A선 단면도로서 유전체 블럭의 상면(11)에서 유전체 블럭의 하면에 이르도록 유전체 블럭을 관통하여 형성되는 도전피막된 U자형 공진기의 개방단부측의 도체관(21)과 단락단부측의 도체관(22)과 이들을 전기적으로 연결해주도록 유전체 블럭에 형성된 U자형 공진기의 반원형 결합홈(23)이 잘 도시되어 있다. 상기 개방단부측의 도체관(21)은 한쪽 끝이 유전체 블럭의 상면에서 단락 방지용 절연부(50)에 의하여 접지면인 유전체 블럭의 상면과 전기적으로 개방되어 있으며, 다른 쪽 끝은 유전체 블럭의 하면에서 공진기의 홈(23) 부분과 전기적으로 연결되어 있다. 그리고 상기 단락단부측의 도체관(22)의 한끝은 유전체 블럭의 하면에서 공진기의 반원형 결합홈(23)과 전기적으로 연결되어 있으며, 다른 끝은 유전체 블럭의 상면에서 접지면과 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 U자형 공진기의 개방단부측의 도체관(21)과 단락단부측의 도체관(22)과 반원형의 결합홈(23)은 서로 전기적으로 연결되어 한쪽 끝이 접지에 단락된 1/4파장 공진기(21,22,23)로 동작하게 되는 것이다.

상기 신호의 입출력을 위한 입출력 단자(40)는 입출력 단자 접지 방지용 절연부(60)에 의해 전기적으로 도전막들과 차단된다.

따라서 상기와 같이 구성된 일실시예에서 입출력 단자로 입사된 신호는 첫번째 공진기로 전달되며, 첫번째 공진기로 전달된 신호는 전자계의 결합에 의하여 공진기에서 인접한 공진기로 전달되는 과정을 거쳐 마지막 공진기로 신호가 전달된다. 마지막 공진기에 전달된 신호는 전계 결합을 통하여 출력단자(40)로 전송되므로 필터로 동작하게 된다. 이때 공진기와 공진기 사이에 결합량 조절용 홈(30)을 유전체 블럭의 상면에서 하면까지 형성하여 도전성 금속으로 도금 하므로써 공진기와 공진기 사이의 결합량을 조절한다.

한쪽 끝이 단락된 1/4파장 공진기는 개방면 부근에서 전계가 가장 강하고 단락면 부근에서 자계가 가장 강하므로 U자형 공진기의 개방단부측의 도체관(21)에서 전계의 세기가 가장 크고, 단락단부측의 도체관(22)에서 자계가 가장 크다. 따라서 U자형 공진기의 개방 단부측의 도체관(21)사이에 결합량 조절용 홈(30)을 형성하므로써 공진기 사이의 결합은 자계에 의한 결합이 된다. 또한 결합량 조절용 홈을 형성하므로써 U자형 공진기의 개방 단부측의 도체관(21)의 임피던스와 U자형 공진기의 단락 단부측(22)에서의 임피던스가 다르게 된다. 따라서 공진기는 단락면과 개방면의 임피던스가 다른 스텝 임피던스 공진기가 되며, 공진기와 공진기 사이의 결합관계를 기,우 모우드 어드미턴스를 사용하여 나타내면 다음과 같다.

여기서 y₂ 는 U자형 공진기의 개방 단부측의 도체관(21)의 기 모우드 어드미턴스를 나타내며, B₀(f) 는 기 모우드 어드미턴스를 이용하여 나타낸 공진기의 서셉턴스이다. 또한 B_e(f) 는 우 모우드 어드미턴스를 이용하여 나타낸 공진기의 서셉턴스이다. 따라서 기 모우드 어드미턴스를 이용한 공진기의 서셉턴스와 우 모우드 어드미턴스를 이용한 공진기의 서셉턴스가 같게 되는 주파수에서 입사된 신호가 출력방향으로 전달되지 않고 접지로 흐르게 되어 공진기 사이에 신호의 전달이 이루어지지 않는 극점이 생성된다. 도 1과 같이 결합량 조절용 홈을 개방단부측의 도체관들 사이에 형성하면 공진기 사이의 결합은 자계에 의한 결합이 되며, 신호가 전달되지 않는 극 주파수를 통과대역보다 높은 주파수에 위치하도록 할 수 있다. 그러므로 도 5에 도시된 바와 같이 통과대역보다 높은 저지대역에서의 감쇠특성을 향상시킬 수 있다. 또한 U자형 공진기의 개방단부측의 도체관(21)과 상기 단락단부측의 도체관(22) 사이의 전기적 연결은 공진기의 반원형 결합홈(23)이 아닌 전극 패턴으로도 가능하다.

본 발명에 의한 필터 구조는 공진기를 일자형으로 형성하지 않고 U자형으로 형성하여 필터의 길이를 줄일 수 있어 소형, 경량화를 이룩할 수 있으며, 입출력 전극을 각각 유전체 블럭의 외벽면에 형성하되 두면에 걸쳐 형성하므로써 표면실장이 가능하다. 그리고 결합량 조절용 홈을 유전체 블럭의 외벽에 형성하므로써 공진기의 개방단부측의 도체관 부근과 단락단부측의 도체관 부근의 임피던스 차를 이용하여 통과대역보다 낮은 저지대역에서 우수한 감쇠특성을 얻을 수 있다. 이러한 필터 구조는 제조공정이 간단하여 제조단가를 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예가 도 3에 잘 도시되어 있다. 공진기의 구성과 동작은 도 1에서와 같으며 결합량 조절용 홈(30)을 상기 U자형 공진기의 단락단부측의 도체관들 사이에 형성하여 공진기와 공진기 사이의 자계의 신호결합을 막음으로써 용량성 결합이 되도록 하며, 이러한 공진기와 공진기의 전계에 의한 신호결합량을 조절하여 통과대역보다 낮은 주파수의 저지대역에서 우수한 감쇠특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 4에 잘 도시되어 있다. 공진기의 구성과 동작은 도 1에서와 같으며 입출력 전극을 상기 유전체 블럭의 측면 일부에서 상기 공진기 사이의 결합조절용 홈의 측면의 일부까지 3면이 연결되는 절연부 및 그 절연부에 의해 도전막과 절연되면서 유전체 블럭의 3면에 전기적으로 연결되도록 형성하여 필터의 표면실장을 쉽게 할 수 있다.

본 발명에 의하여 유전체를 이용한 고주파 필터를 제작하면 공진기를 일자형으로 형성하지 않고 U자 형으로 형성함에 따라 필터의 길이를 줄일 수 있으므로 소형화가 가능하고 공진기와 공진기 사이에 결합량 조절용 홈을 유도성 결합 및 용량성 결합을 할 수 있도록 형성할 수 있으며 개방단부측의 공진기의 임피던스와 단락방향 공진기의 임피던스를 이용하여 통과대역보다 높은 주파수나 낮은 주파수에 신호의 전달을 차단하는 극점을 생성시킬 수 있다. 따라서 외부의 칩 캐패시터나 인덕터를 사용하지 않고 통과대역보다 높은 주파수나 낮은 주파수의 저지대역에서 우수한 감쇠특성을 얻을 수 있다. 또한 필터의 입출력 단자를 유전체 블럭에 두면이상에 걸쳐 전극으로 형성하므로써 입출력 단자와 공진기사이의 결합량을 효과적으로 조절 할 수 있고 표면실장이 가능하며, 입출력용 도체봉이나 결합량을 형성하기 위한 별도의 유전체가 필요 없으므로 제조공정이 간단하여 제조원가를 절감할 수 있다.

Claims (4)

1. 유전체 블럭의 상면에서 하면으로 관통하는 2개의 원통형 관통구멍을 형성하고, 그 하면에서 상기 2개의 구멍이 서로 연결되도록 하는 반원형 결합홈을 형성하여 상기 관통구멍과 반원형 결합홈의 내면에 도전물질을 입혀 U자형 도체관을 형성하고, 상기 U자형 도체관의 일측단부가 개방단부가 되도록 유전체 블럭의 상면과 절연시키기 위한 절연부를 형성하며, 상기 절연부가 형성되지 않은 도체관 타측단부가 단락단부가 되도록 연결되어 유전체 블럭의 하면을 제외한 표면에 전기적인 도전 물질을 입혀 접지를 위한 도전막을 형성하여 하나의 U자형 공진기를 구성하고,

   상기 U자형 도체관으로 이루어지는 공진기를 상기 유전체 블럭에 소정의 같격으로 복수개를 병렬로 형성하고,

   통과대역보다 높은 주파수의 저지대역에서 감쇠특성을 갖도록 상기 절연부가 형성된 개방단부측의 도체관들의 사이에 상기 공진기와 공진기 사이의 전계에 의한 신호결합량을 막기 위한 결합량 조절용 홈을 형성하며,

   상기 다수개의 공진기가 병렬로 형성된 유전체 블럭의 상기 절연부가 형성된 개방단부측의 도체관 단부가 형성된 방향의 좌우측 모서리의 2면에 절연부를 형성하고, 그 절연부에 의해 유전체 블럭의 표면 도전막과는 절연되고, 그 유전체 블럭과는 전기적으로 연결되는 입출력단자를 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합량 조절용 홈은 통과대역보다 낮은 주파수의 저지대역에서 감쇠특성을 갖도록 상기 U자형 공진기의 단락단부측의 도체관들 사이에 공진기와 공진기의 자계에 의한 신호결합을 막기 위한 홈을 형성한 것을 특징으로 하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 신호의 입출력용 단자는 상기 유전체 블럭의 측면 일부에서 상기 공진기 사이의 결합조절용 홈의 측면의 일부까지 3면이 연결되는 절연부 및 그 절연부에 의해 도전막과 절연되면서 유전체 블럭의 3면에 전기적으로 연결되도록 형성한 것을 특징으로 하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 공진기는 하나의 유전체 블럭에 3개의 U자형 도체관을 일정한 간격으로 형성하여 3단으로 구성한 것을 특징으로 하는 U자형 공진기를 갖는 고주파 필터.

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