KR100304357B1 - 원통공동형고주파필터 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

원통 공동형 고주파 필터

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 저지대역에서의 감쇠특성이 우수하며, 기지국의 송신되는 출력 효율을 위하여 삽입손실이 낮을 뿐만아니라 넓은 주파수에서의 스프리어스(spurious) 특성이 양호하고, 소형화한 원통 공동형 고주파 필터를 제공함에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법이 요지

본 발명은 다수의 원통형 구멍이 형성된 상부블록; 상기 상부블록에 결합되며, 상기 상부블록에 형성된 다수의 원통형 구멍에 연통되는 다수의 원통형 홈이 형성된 하부블록; 상기 연통되는 상부블록의 원통형 구멍 및 하부블록의 원통형 홈에 유전체를 삽입하여 형성된 다수의 공진기; 상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 공진기 중 두 개를 신호의 입력 및 출력단자에 각각 연결시키는 결합통로; 상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 입력 및 출력단자에 연결되는 공진기를 제외한 나머지 공진기 중에서 인접한 공진기를 서로 연결시키는 결합 도파관; 상기 공진기의 공진 주파수 및 통과대역특성을 조절하기 위해 상기 상부블록의 각 원통형 구멍에 상하이동이 가능하도록 삽입되는 금속커버; 및 상기 공진기 간의 결합량을 조절하기 위해 상기 하부블록의 결합 도파관과 대응되도록 상기 상부블록의 원통형 구멍 사이를 관통하되 상하이동이 가능하도록 체결된 전도성 부재를 포함하는 원통 공동형 고주파 필터를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 기지국과 같은 고출력 무선 주파수 시스템에 이용되는 것임.

Description

원통 공동형 고주파 필터{Cylindrical cavity microwave filter}

본 발명은 이동통신, 개인통신, 위성통신 및 차세대 이동통신(International Mobile Telecommunication-2000)과 같은 무선통신 시스템의 안테나 다음단에 위치된 고주파 회로에 이용되는 원통 공동형 고주파 필터에 관한 것으로, 특히 공진기의 미세특성 조절과 공진기와 공진기 사이의 결합량을 조절할 수 있도록 구현하여 에러보정이 용이하며,유전율이 높은 유전체를 삽입하여 필터의 소형화를 이룰 수 있고, 제조공정이 간단하여 고출력이 요구되는 이동통신의 기지국용 필터에 이용될 수 있는 원통 공동형 고주파 필터에 관한 것이다.

최근의 무선통신 시스템에서는 주파수의 효율적인 이용을 위해 서로 근접한 송신 주파수와 수신 주파수 대역을 사용하므로, 통신 시스템의 고주파 회로에 사용되는 필터는 통과대역보다 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 저지대역에서 우수한 감쇠특성이 요구되며, 또한 통신시스템의 소형 경량화 추세에 따라 필터도 소형화, 경량화가 요구되고 있다. 또한 사용주파수가 고주파화 되므로 제조 허용오차에 의한 에러보정이 요구되고 있다.

그러면, 첨부된 도1 내지 도3을 참조하여 종래의 빗선형(comb-line) 필터와 축 대칭되는 원판형상의 공진기를 가진 필터에 대하여 간략히 설명한다.

전자의 빗선형 필터는, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 금속재질로 형성되어 접지(ground)로 작용하는 하우징(11)과, 상기 하우징(11)의 바닥면에 나사로 고정되어 직립된 금속봉 형상으로 이루어진 다수의 공진기(12)를 구비한다. 여기서,상기 공진기(12)의 하면은 접지에 단락된 상태이고 상면은 개방되어 있으므로, 상기 공진기(12)는 일단부가 단락된 1/4파장 공진기로 동작하게 된다. 이와 같은 공진기(12)는 그의 개방면에서 전계가 가장 강하고, 단락면에서는 자계가 가장 강하다.

그리고, 상기 하우징(11)의 양측벽면에는 다수의 금속판(13)이 공진기(12)사잉 위치되도록 용접되며, 상기 금속판(13)은 공진기(12)의 개방면이나 단락면 부근을 결합창을 결정한다. 이에 따라, 상기 각 공진기(12)가 전계나 자계에 의해 서로 결합되도록 공진기(12) 사이의 결합량을 조절할 수 있다.

또한, 상기 하우징(11)의 상면에는 특성조절용 나사(14)가 각 공진기(12)에 대응되도록 장착되며, 상기 나사(14)는 공진기(12)의 개방면과 접지, 즉 하우징(11)의 상면 사이에 커패시턴스를 형성하고, 그 용량값은 상기 나사(14)의 하우징(11)내 삽입깊이에 따라 조절된다.

한편, 도면에서 미설명부호 15 및 16은 외부와 연결되는 신호의 입력 및 출력단자이다.

이와 같은 종래의 빗선형 필터에서, 상기 입력단자(15)에 고주파 신호가 입력되면, 그 신호는 입력단자(15)에 인접한 공진기로 전달되고, 상기 공진기로 전달된 신호는 그와 용량결합되어 있는 다른 공진기로 전달된다. 그리고, 상기 공진기간의 신호 전달은, 상기 신호가 출력단자(16)에 인접한 마지막 공진기에 전달될 때까지 계속되며, 결국 마지막 공진기에 전달된 신호를 출력단자(16)를 통해 출력된다.

이때, 원하지 않는 주파수 대역의 신호는 공진기(12)를 통해 접지로 전달되며, 하우징(11)의 상면과 공진기(12)의 개방면 사이에 형성된 커패시턴스의 용량값은 상기 나사(14)를 돌려 조절하게 된다.

한편, 종래의 필터에서 후자의 축 대칭되는 원판형상의 공진기를 가진 필터에는, 도3에 도시된 바와 같이, 원통형상의 금속 하우징(21)과, 상기 하우징(21)의 내부 및 양단부에 장착되며 원판형상으로 이루어진 다수의 공진기(22a, 22b)가 구비된다. 여기서, 상기 하우징(21)의 내부에는 금속막(23)이 각각 형성된 다수의 공진기(22a)가 장착되며, 상기 금속막(23)에는 공진기와 공진기 사이의 결합창이 형성된다. 그리고, 상기 공진기(22a) 사이에는 그의 크기를 감속시키기 위해 유전율이 큰 유전체(24)가 삽입된다. 또한, 상기 하우징(21)의 양단부에 장착된 공진기(22b)에는 입출력 결합창(25)이 형성되며, 상기 입출력 결합창(25)은 외부와 연결되는 입력 및 출력용 도파관(26,27)과 연결된다.

그러나, 전자의 빗선형 필터는, 소형화할 수 있지만, 공진기용 금속봉을 하우징의 바닥면에 대해 직립되도록 고정시키기 곤란하며, 또한 하우징의 내벽면에 금속판을 용접하기 곤란하므로, 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.

또한, 후자의 축 대칭되는 원판형상의 공진기를 가진 필터는, TE₀₁모드와 다른 고차모드를 구별하기 용이하므로 우수한 주파수 응답을 얻을 수 있으나, 하우징의 내부의 일부분에만 유전체가 삽입되므로 필터의 전체적인 크기를 소형화하기 곤란하며, 필터의 모든 구성요소들이 하우징의 축 방향에 대해 대칭이므로 물리적으로 공진기를 지지하여 고정하기가 곤란한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 저지대역에서의 감쇠특성이 우수하며, 기지국의 송신되는 출력 효율을 위하여 삽입손실이 낮은 뿐만아니라, 넓은 주파수에서의 스프리어스(spurious) 특성이 양호하며, 필터의 소형화를 이루는 원통 공동형 고주파 필터를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 기술에 따른 빗선형 필터의 구성도.

도2는 도1의 a-a선 단면도.

도3은 종래 기술에 따른 축 대칭되는 원판형상의 공진기를 가진 필터를 나타낸 구성도.

도4는 본 발명에 따른 원통 공동형 고주파 필터의 일실시예 구성도.

도5는 도4의 b-b선 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 상부블록 110: 원통형 구멍

120 : 체결용 나사 130 : 금속커버

140 : 결합용 조절용 나사 200 : 하부블록

210 : 원통형 홈 220 : 나사홀

230 : 결합 도파관 240 : 결합통로

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수의 원통형 구멍이 형성된 상부블록; 상기 상부블록에 결합되며, 상기 상부블록에 형성된 다수의 원통형 구멍에 연통되는 다수의 원통형 홈이 형성된 하부블록; 상기 연통되는 상부블록의 원통형 구멍 및 하부블록의 원통형 홈에 유전체를 삽입하여 형성된 다수의 공진기; 상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 공진기 중 두 개를 신호의 입력 및 출력단자에 각각 연결시키는 결합통로; 상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 입력 및 출력단자에 연결되는 공진기를 제외한 나머지 공진기 중에서 인접한 공진기를 서로 연결시키는 결합 도파관; 상기 공진기의 공진 주파수 및 통과대역특성을 조절하기 위해 상기 상부블록의 각 원통형 구멍에 상하이동이 가능하도록 삽입되는 금속커버; 및

상기 공진기 간의 결합량을 조절하기 위해 상기 하부블록의 결합 도파관과 대응되도록 상기 상부블록의 원통형 구멍 사이를 관통하되 상하이동이 가능하도록 체결된 전도성 부재를 포함하는 원통 공동형 고주파 필터를 제공한다.

이하, 첨부된 도4 및 도5 참조하여 본 발명의 바람직한 일실예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 원통 공동형 고주파 필터는, 통과대역에 근접한 주파수에서의 전달특성이 "0"되어 저지대역에서의 특성을 향상시킬 수 있으며, 삽입손실이 낮고 소형이면서도, 필터의 제조공정시 발생하는 오차를 조정하기 용이하도록 구현한 것으로, 본 실시예에서는, 내주면에 나사산이 형성된 다수의 원통형 구멍(110)이 상하면을 관통하도록 형성된 금속재질의 상부블록(100)과, 상기 상부블록(100)에 결합되고, 상기 원통형 구멍(110)에 대응되는 다수의 원통형 홈(210)이 형성된 금속재질의 하부블록(200)으로 크게 나뉘어진다. 여기서, 상기 상부블록(100)의 원통형 구멍(110) 및 하부블록(200)의 원통형 홈(210)에는 유전체가 삽입되어 원통형 상의 공진기로서 각각 동작하며, 상기 공진기 중 두 개는 신호의 입력 및 출력단자와 연결된다.

도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 상기 상부블록(100)의 외곽측에는 상부블록(100)과 하부블록(200)을 결합시키기 위한 다수의 체결용 나사(120)가 장착된다.

그리고, 상기 하부블록(100)의 원통형 구멍(110)에는 그의 내주면에 형성된 나사산과 치합되도록 형성된 금속커버(130)가 체결된다. 본 실시예에서의 필터는, 공진기의 공진 주파수 및 통과대역특성이 상기 금속커버(130)의 원통형 구멍(110)에 대한 삽입깊이에 따라 미세하게 조절되며, 이를 이용하여 사용자는 필터의 제조공정에는 발생하는 오차를 조절할 수 있게 된다.

또한, 상기 입출력 단자축에 위치된 원통형 구멍(110) 사이를 제외한 다른 원통형 구멍(110) 사이에는 상부블록(100)을 관통하도록 나사(140)가 체결되며, 상기 나사(140)는 인접한 공진기 간을 결합량을 조절하게 된다.

또한, 상기 하부블록(200)의 외곽측에는 체결용 나사(120)가 치합될 수 있는 다수의 나사홀(220)이 형성된다. 그리고, 상기 하부블록(200)의 상면에는 인접한 공진기를 연결하는 다수의 결합 도파관(230)이 서로 소정각도를 유지한 상태로 형성되며, 상기 결합 도파관(230)에는 각각 유전체가 삽입되어 인접한 공진기를 서로 결합시킨다. 이때, 상기 입출력 단자에 연결된 공진기 사이에는 결합 도파관(230)이 형성되지 않는다.

한편, 상기 각 결합 도파관(230)에는 상부블록(100)을 관통한 나사(140)의 하단부가 삽입되며, 사용자가 나사(140)의 도파관(230)에 대한 삽입깊이를 조절하므로써 각 공진기의 간의 결합량을 조절할 수 있게 되는 것이다.

그리고, 상기 하부블록(200)의 상면에는 입출력 단자와 그에 대향되는 각 공진기를 연결하는 결합통로(240)가 형성되며, 상기 입출력 결합통로(240)는 그 내부에 유전체가 삽입되어 외부의 입력신호 및 외부로 출력되는 신호의 이동로를 제공한다.

한편, 빛의 속도 (3×10⁸m/s)를 c, 유전체의 유전율을 ω_r,공진기의 반지름 및 높이를 a 및 b, TM(TE)모드에 대한 베쎌 함수(Bessal function)에서 J_n(X)[J_n,′(x)]의 m번째 근을 x_nm이라 각각 나타낼 경우, 사기 공진기의 공진 주파수 (f_nm1)는 다음의 수학식1에 의해 계산된다.

상기 수학식에서 모드의 차수가 작을수록 같은 공진 주파수에 대하여 작은 반경을 가진 공진기로 필터를 구현할 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는 저지대역에서의 우수한 감쇠특성을 얻기 위해, 전달특성이 "0"이 되는 감쇠 극주파수를 TE₀₁₁모드의 공진 주파수 근처에 놓음으로써 주파수 대역의 전이지점에서 급격한 감쇠를 얻을 수 있다. 또한, 상기 원통형상의 공진기에서는 TE₂₁₁과 TE₃₁₁이 서로 상쇄되어 전달특성이 "0"되는 감쇠극을 얻을 수 있으므로, 본 실시예의 필터를 제조할 경우, 공진기의 외형비를 적절히 선택하여 결합 도파관(230) 간의 각도를 조절하므로써 TE₀₁₁모드에 인접한 모드가 TE₂₁₁과 TE₃₁₁이 서로 상쇄되어 전달특성이 "0"되는 감쇠극을 얻을 수 있으므로, 본 실시예의 필터를 제조할 경우, 공진기의 외형비를 적절히 선택하여 결합 도파관(230) 간의 각도를 조절하므로써 TE₀₁₁모드에 인접한 모드가 TE₂₁₁과 TE₃₁₁가 되도록 할 수 있다.

한편, TE₀₁모드가 다른 저 차수의 모드보다 Q값이 2배 이상크고, 공진기의 길이가 공진기 지름보다 2배 될 경우, 상기 원통형 공진기는 가장 큰 품질계수(Q) 값을 얻을 수 있으며, 이때 필터의 삽입손실이 가장 작게된다. 따라서, 필터의 제작자는 공진기의 크기 및 품질계수를 고려하여 공진기의 외형비(2a/d)를 선택하고, 이에 따라 유전율이 높은 유전체를 공진기에 삽입하여 필터의 크기를 작게할 수 있으며, 그 크기는 대략에 반비례하여 작게 만들 수 있다.

만약, TE₀₁₁모드의 공진 주파수 2GHz에 대하여 상기 공진기의 외형비가 1.6일 경우, 원통형 공진기에 삽입된 유전체의 유전율에 다른 공진기의 직경과 길이를 다음의 표 1에 나타낸다.

이와 같이, 본 실시예의 필터는 공진기 간의 결합 도파관(230) 각도, 길이 및 공진기의 직경 대 길이의 비를 이용하여 필터의 감쇠특성, 통과대역내의 리플(ripple)등을 조절할 수 있으므로, 원하는 주파수의 응답특성을 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 공진기 사이에 형성된 결 도파관(230)의 위치변화에 대하여, TE₀₁₁모드의 공진 주파수는 거의 영향을 받지 않는 반면, TE₂₁₁과 TE₃₁₁의 공진 주파수의 결합 도파관(230)의 위치변화에 의존하게 된다. 따라서, 공진 모드간에 존재하는 감쇠극 역시 결합 도파관의 위치변화에 의존하므로, 결합 도파관 사이의 각도를 조절하여 감쇠극을 TE₀₁₁모드의 공진 주파수 근처에 놓으므로써, 주파수 대역의 전이 지점에서 급격한 감쇠를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고,본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 원통 공동형 고주파 필터는, 결합 도파관의 각도를 조절하여 불필요한 주파수 응답을 제거하고, 주파수 대역의 전이지점에서 급격한 감쇠를 얻을 수 있으며, 금속커버 및 나사를 제어하여 공진기의 미세특성 조절과 공진기 간의 결합량을 조절 할 수 있으므로 필터의 제조공정에서 발생된 에러 보정이 용이한 효과가 있다.

또한, 유전율이 우수한 유전체를 삽입하므로 필터의 소형화가 가능하며, 유전체를 지지하여고정하기 위한 별도의 수단이 불필요하므로 제작이 간단한데 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명의 필터는, 공진기의 구조가 간단하고 품질계수 값이 크므로 삽입손실 특성이 낮은데 또 다른 효과가 있다.

Claims (1)

1. 다수의 원통형 구멍이 형성된 상부블록;

   상기 상부블록에 결합되며, 상기 상부블록에 형성된 다수의 원통형 구멍에 연통되는 다수의 원통형 홈이 형성된 하부블록;

   상기 연통되는 상부블록의 원통형 구멍 및 하부블록의 원통형 홈에 유전체를 삽입하여 형성된 다수의 공진기;

   상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 공진기 중 두 개를 신호의 입력 및 출력단자에 각각 연결시키는 결합통로;

   상기 하부블록의 상면에 형성되어 유전체가 삽입되며, 상기 입력 및 출력단자에 연결되는 공진기를 제외한 나머지 공진기 중에서 인접한 공진기를 서로 연결시키는 결합 도파관;

   상기 공진기의 공진 주파수 및 통과대역특성을 조절하기 위해 상기 상부블록의 각 원통형 구멍에 상하이동이 가능하도록 삽입되는 금속커버; 및

   상기 공진기 간의 결합량을 조절하기 위해 상기 하부블록의 결합 도파관과 대응되도록 상기 상부블록의 원통형 구멍 사이를 관통하되 상하이동이 가능하도록 체결된 전도성 부재

   를 포함하는 원통 공동형 고주파 필터.