KR100330685B1

KR100330685B1 - 감쇠극을 갖는 일체형 유전체 필터

Info

Publication number: KR100330685B1
Application number: KR1019990052031A
Authority: KR
Inventors: 김현재; 윤석진; 최지원; 강종윤
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-11-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2002-04-03
Also published as: KR20010047698A

Abstract

본 발명은 통과 대역 보다 높은 주파수 영역 또는 낮은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 일체형 유전체 필터에 관한 것이다. 이러한 일체형 유전체 필터는 유전체 블록, 상기 유전체 블록의 하나의 개방면을 제외하고 외부면을 덮는 외부 전극, 상기 유전체 블록의 상기 개방면에서 후면방향으로 관통하도록 형성되며 내부면이 전극으로 채워진 다수개의 공진홀, 상기 외부 전극 중 일부분을 나머지 다른 부분과 절연시켜 형성하되, 상기 개방면상의 공진홀쪽으로 연장하여 형성한 입출력 전극, 상기 각 공진홀들 내의 전극에 연장되며 각기 선정된 간격 만큼 이격되어 형성된 전극 패턴들, 및 상기 각각의 전극 패턴들과 대응되는 위치에 형성된 접지 전극들을 구비하여, 상기 접지 전극들과 이에 대응되는 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격, 및 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격을 조절하여 결합량을 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

감쇠극을 갖는 일체형 유전체 필터{MONOBLOCK DIELECTRIC FILTER WITH AN ATTENUATION POLE}

본 발명은 일체형 유전체 필터에 관한 것으로서, 특히 통과 대역 보다 높은 주파수 또는 낮은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 일체형 유전체 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 유전체 필터는 동축형 공진기가 구비된 유전체 블록을 다수 연결함으로써, 원하는 통과 대역 특성을 얻는 것이며, 상기 유전체 필터에서 한단계 진보된 필터로서의 일체형 유전체 필터는 하나의 유전체 블록 내에 다수의 동축형 공진기를 형성하여 그 구조를 간략화한 것이다.

이러한 유전체 필터는 고주파 대역을 통신 대역으로 이용하는 카폰이나 휴대폰 등과 같은 이동 통신 장비에서 원하는 채널 대역의 신호만을 얻기 위해 통과 대역 필터로 사용되기 때문에, 유전체 필터는 소형화, 경량화 및 높은 내충격성이 요구되며, 20-30 MHz의 통과 대역 특성이 필요하다.

도 1 내지 도 3은 종래의 일체형 유전체 필터를 나타낸 도면으로서, 도 1에 도시된 종래의 일체형 유전체 필터는 공진홀(7, 8) 사이에 결합공(9)을 형성하여 상호 인덕턴스 및 상호 캐패시턴스를 조절하도록 한 것으로서, 결합공(9)의 크기, 길이, 위치 등에 의해 결합도가 결정되었다. 그러나, 이러한 결합공(9)의 증가는 유전체 필터의 성형의 어려움과 기계적 강도 저하가 수반되는 등의 문제점을 야기시키기 때문에, 현 이동 통신 기기의 요구 사항에 적합하다고 볼 수 없었다. 다른 예로서, 도 2에 도시된 일체형 유전체 필터는 공진홀(7, 8)의 내경을 일정하게 하지 않고 특정 부분에서 달리하여 그 내경 차이로 인한 특성 임피던스 차이에 의하여 결합이 이루어지도록 한 것인데, 이는 도 1에 도시된 유전체 필터에 비해 특성면에서의 개선점이 있지만 작은 공진홀의 내경을 달리함으로써 제조가 복잡해지고 균일한 성형체를 얻기 어려운 문제점이 발생하였다. 또 다른 예로서, 도 3에 도시된 일체형 유전체 필터는 다른 유전체 필터와는 달리 개방면이 없이 유전체 블록(1)의 전 표면에 외부 전극을 형성하고 공진홀(7, 8)의 내부 특정 부분(17,18)의 전극을 제거하여 공진기 간의 결합을 이룬 것으로, 작은 공진홀 내부면의 임의의 위치에서 정확하게 전극을 제거하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 통신 채널 사이의 간격이 점점 더 가까워지고 있는 요즘 유전체 필터에 더 높은 감쇠 특성이 요구되고 있으며, 특히 송신 채널, 수신 채널과 같이 상당히 근접해 있는 경우에는, 특정 대역에서 더 높은 감쇠비가 요구된다. 종래의 유전체 필터에서는 감쇠극을 유발하기 위하여 공진기를 하나 더 사용하거나, 외부에 캐패시턴스 또는 인덕터를 사용하여 왔으나, 이로 인하여 필터를 소형화하기 어려운 문제가 있다.

본 발명의 목적은 전술된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 필터보다 소형화된, 통과 대역 보다 높은 주파수 또는 낮은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 일체형 유전체 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 일체형 유전체 필터는 유전체 블록, 상기 유전체 블록의 하나의 개방면을 제외하고 외부면을 덮는 외부 전극, 상기 유전체 블록의 상기 개방면에서 후면방향으로 관통하도록 형성되며 내부면이 전극으로 채워진 다수개의 공진홀, 상기 외부 전극 중 일부분을 나머지 다른 부분과 절연시켜 형성하되, 상기 개방면상의 공진홀쪽으로 연장하여 형성한 입출력 전극, 상기 각 공진홀들 내의 전극에 연장되며 각기 선정된 간격 만큼 이격되어 형성된 전극 패턴들, 및 상기 각각의 전극 패턴들과 대응되는 위치에 형성된 접지 전극들을 구비하여, 상기 접지 전극들과 이에 대응되는 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격, 및 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격을 조절하여 결합량을 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 공진홀들 간의 결합을 위해 상기 전극 패턴 사이에 형성된 캐패시터와 상기 공진홀들 사이에 병렬 결합된 단락 전송 선로의 공진 주파수가 통과 대역보다 낮은 주파수 영역에서 존재하도록 설계된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 공진홀들 간의 결합을 위해 상기 전극 패턴 사이에 형성된 캐패시터와 상기 공진홀들 사이에 병렬 결합된 단락 전송 선로의 공진 주파수가 통과 대역보다 높은 주파수 영역에서 존재하도록 설계된다.

도 1은 종래 기술에 따른 일체형 유전체 필터의 하나의 실시예를 나타낸 사시도.

도 2a는 종래 기술에 따른 일체형 유전체 필터의 또 다른 실시예를 나타낸 사시도.

도 2b는 도 2a에 도시된 일체형 유전체 필터의 A-A'선 단면도.

도 3a는 종래 기술에 따른 일체형 유전체 필터의 또 다른 일례를 나타낸 사시도.

도 3b는 도 3a에 도시된 일체형 유전체 필터의 b-b'선 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 일체형 유전체 필터의 구조를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 일체형 유전체 필터의 등가회로도.

도 6은 통과 대역 보다 높은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 주파수 전달 특성을 나타낸 그래프.

도 7은 통과 대역 보다 낮은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 주파수 전달 특성을 나타낸 그래프.

도 8은 외부 단자와 공진기 사이에 형성된 결합용 캐패시터에 있어서, 그 전극의 폭을 1mm로 고정한 경우, 전극 간격의 변화에 따른 캐패시턴스 값 (C01)의 변화를 도시한 그래프.

도 9는 공진기와 접지면 사이에 형성된 캐패시터에 있어서, 그 전극의 폭을 1mm로 고정한 경우에, 전극 간격의 변화에 따른 캐패시턴스 값 (Cg)의 변화를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

401 : 유전체 블록

402, 403, 404 : 공진홀

405, 406, 407 : 전극 패턴

408 : 개방면

409, 410, 411 : 접지 전극

412, 413 : 입출력 전극

414 : 외부 전극

이하 도면을 참조하여 본원 발명을 설명할 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 일체형 유전체 필터의 사시도로서, 1/4 파장의 TEM 모드 구형 공진기를 횡배열하여 일체화시킨 구조를 도시하고 있다.

도 4를 통해 그 구성을 구체적으로 살펴보면, 유전체 블록(401)은 한쪽에 개방면(408)을 갖는 형태로서, 개방면에서 후면방향으로 관통하도록 형성된 다수의 공진홀들(402, 403, 404)과, 이 공진홀들(402, 403, 404) 각각에 접하여 연장되며 각기 선정된 간격만큼 이격되어 형성된 전극 패턴들(405, 406, 407)과, 유전체 블록(401)의 개방면을 제외하고 외부면을 덮는 외부 전극(414)과, 이 외부 전극(414) 중 일부분을 나머지 다른 부분과 절연시켜 형성한 입출력 전극(412, 413)과, 상기 각각의 전극 패턴들(405, 406, 407)과 대응되는 위치에 형성된 접지 전극들(409, 410, 411)로 이루어져 있다. 여기서, 공진홀들(402, 403, 404)의 내부는 금속 전극으로 형성되어 있다.

본 발명에 따른 유전체 블록 내의 각 공진기는 인접한 공진기와 자체적으로 전자기 결합을 이루며, 기본적으로 각 공진기의 공진 주파수는 필터의 길이와 필터를 구성하는 유전체 재료의 유전율에 의해 결정된다. 하나의 필터를 구성하는 각 공진기는 각기 다른 공진 주파수를 가지며, 개방면(408) 위에 배치된 전극 패턴들(409, 410, 411)에 의해 형성된 결합용 캐패시터(C₁₂, C₂₃)에 의해 알맞은 공진기간의 결합을 구현하여 원하는 통과 대역을 갖는 필터가 된다. 본 발명에서는 공진기에 접하여 연장 형성된 전극 패턴(405, 406, 407)과 접지 전극(409, 410, 411) 사이에 형성되는 캐패시터(C_g1, C_g2, C_g3)를 개방면 상에 구성하여 등가 회로 설계시 고려해야 하는 음의 임피던스를 흡수함으로써 각 공진기 길이를 동일하게 하여 하나의 블록으로 필터 제작이 가능하게 하였다. 또한, 외부 입출력 단자와의 연결을 위해 표면 실장이 가능하도록 필터의 한 쪽면에 도체 일부분이 제거된 형태로 2개의 입출력 전극(412, 413)을 구성하였으며, 이 입출력 전극(412, 413)은 전극 패턴(405, 406, 407)과의 사이에 입출력 캐패시터(C₀₁, C₃₄)를 형성함으로써, 캐패시턴스 결합을 이루도록 하였다.

도 5는 도 4에 도시된 일체형 유전체 필터의 등가 회로도이다.

도 5를 참조하면, Pin과 Pout은 입출력 단자를 나타내며, C₀₁과 C₃₄는 입출력 전극(412, 413)과 전극 패턴(405, 407)간의 입출력 결합 캐패시터에 해당되고, C₁₂및 C₂₃는 공진기들간의 결합 캐패시터를 나타내며, C_g1, C_g2, 및 C_g3은 공진기와 접지 전극(409, 410, 411) 사이에 설계된 캐패시터를 나타냈고, 또한 각 공진기는 전송선(Z₁, Z₂및 Z₃)으로 나타냈다. 이들 각 공진기들 간의 결합에 의한 특성 임피던스는 Z₁₂와 Z₂₃으로 나타냈다. 즉, Z₁₂와 Z₂₃은 각기 공진기 1과 2 사이의 결합에 의한 특성 임피던스와 공진기 2와 3 사이의 결합에 의한 특성 임피던스를 나타내는 것이며, 이는 공진홀들 간의 결합을 위해 상기 전극 패턴 사이에 형성된 캐패시터 C₁₂및 C₂₃와 공진홀들 사이에 병렬 결합된 단락 전송 선로이다.

이렇게 전송선(Z₁, Z₂, Z₃)으로 나타낸 각 공진기의 특성 임피던스는 2차원 유한 요소법에 의해 우모드 및 기모드 특성 임피던스를 계산하여 구하였다. 이 때, Z₁₂는 다음과 같은 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.

여기서, Z는 특성 임피던스를 나타내며, Z_o는 기모드(odd mode) 특성 임피던스를, Z_e는 우모드(even mode) 특성 임피던스를 나타낸다.

본 발명에서 유전체 블록(401)내의 공진홀들(402, 403, 404)은 모두 같은 크기로 하였으며, 좌우 대칭이므로 Z₁=Z₃이고, Z₁₂=Z₂₃이다. 도 2에서 각 캐패시터C₀₁, C₁₂, C₂₃, C₃₄, C_g1, C_g2, C_g3의 용량은 다음 수학식들 2 내지 6에 의해 구해진다.

여기서, J는 J-인버터, ωo는 공진 필터의 통과 대역의 중심 각주파수, Y는 전송선의 특성 어드미턴스, θ_r는 통과 대역의 중심 각주파수에서 전송선의 전기적 길이, G_A및 G_B는 입출력 컨덕턴스이다.

C_g값은 결합에 의한 음의 임피던스를 흡수할 만큼의 값으로 초기에 설정하여 설계하였다. 이와 같은 구조의 필터는 통과 대역 보다 낮은 주파수 또는 높은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는데, 여기서 Z₁₂및 Z₂₃와 이와 병렬로 연결된 캐패시터 C₁₂, C₂₃의 캐패시턴스 값에 의한 공진 주파수가 감쇠극의 주파수를 결정하는 것이다.

따라서, 공진 주파수가 통과 대역 보다 높게 설계될 경우에는 도 6에서와 같이 통과 대역보다 높은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 주파수 전달 특성(곡선(600)으로 표시됨)을 나타내며, 공진 주파수가 통과 대역 보다 낮게 설계될 경우에는 도 7에서와 같이 통과 대역 보다 낮은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 주파수 전달 특성(곡선(700)으로 표시됨)을 나타낸다.

도 8 및 도 9는 캐패시터의 폭을 일정하게 한 상태에서 전극 패턴(409, 410, 411)의 전극 간격 변화에 따른 캐패시턴스 값의 변화를 나타낸 것으로, 도면에서와 같은 주파수 전달 특성을 갖는 필터는 주파수 할당이 협대역으로 가는 현추세에 부합하며, 기존의 유전체 필터에서 감쇠극을 갖도록 하기 위하여 하나의 공진기를 더 이용하거나, 외부에 캐패시터 또는 인덕터를 사용한 경우에 비해 필터의 크기를 소형화할 수 있다. 또한 이와 같이 감쇠극의 위치가 서로 반대이며, 상이한 통과 대역을 갖는 2개의 필터를 결합하여 듀플렉서로서도 사용할 수 있다.

도 8은 하나의 유전체 1/4 파장 TEM 모드 공진기의 개방단(408) 상부에 외부 단자와 공진기 사이에 결합용 캐패시터(C₁₂, C₂₃)에 대하여, 전극의 폭을 1mm로 하고, 전극 간격을 변화시켜가며 유한 요소법으로 해석하였을 때 얻어진 공진 주파수 및 노치(notch) 주파수를 아래와 같은 수학식 7을 이용하여 계산된 C₀₁값의 변화를 나타내고 있다.

여기서, ω_n은 노치 각주파수, ω_o는 공진 각주파수, θ_r는 공진기의 전기적 길이, Z_A는 공진기의 특성 임피던스이다.

도 9는 하나의 유전체 1/4 파장 TEM 모드 공진기의 개방단 상부에서 공진기와 접지 전극(409, 410, 411) 사이에 구현된 캐패시터들(C_g1, C_g2, C_g3)에 대하여, 전극의 폭을 1mm로 하고, 전극 간격을 변화시켜가며 유한 요소법으로 해석하였을 때 얻어진 공진 주파수를 아래와 같은 수학식 8을 이용하여 계산된 C_g값의 변화를 나타내고 있다.

여기서, ω_o는 공진 각주파수, θ_r은 공진기의 전기적 길이, Z_A는 공진기의 특성 임피던스이다.

도 8 및 도 9와 같은 그래프로부터 원하는 캐패시턴스 값을 가지는 캐패시터의 구조를 결정할 수 있다. 이와 같은 분석을 통해 통과 대역 필터의 등가 회로로부터 구해진 각 결합용 캐패시턴스의 값을 알맞은 구조로 구현할 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 통과 대역 보다 낮은 주파수 또는 높은 주파수 영역에서 감쇠극을 갖는 주파수 전달 특성을 얻을 수 있는 이점을 가진다. 또한, 감쇠극을 가지면서도 필터의 크기를 소형화할 수 있는 이점이 있다.

Claims

일체형 유전체 필터에 있어서:

유전체 블록,

상기 유전체 블록의 하나의 개방면을 제외하고 외부면을 덮는 외부 전극,

상기 유전체 블록의 상기 개방면에서 후면방향으로 관통하도록 형성되며 내부면이 전극으로 채워진 다수개의 공진홀,

상기 외부 전극 중 일부분을 나머지 다른 부분과 절연시켜 형성하되, 상기 개방면상의 공진홀쪽으로 연장하여 형성한 입출력 전극,

상기 각 공진홀들 내의 전극에 연장되며 각기 선정된 간격 만큼 이격되어 형성된 전극 패턴들, 및

상기 각각의 전극 패턴들과 대응되는 위치에 형성된 접지 전극들을 구비하여,

상기 접지 전극들과 이에 대응되는 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격, 및 상기 전극 패턴들 사이에 형성되는 캐패시터의 전극 간격을 조절하여 결합량을 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 일체형 유전체 필터.
제1항에 있어서, 상기 공진홀들 간의 결합을 위해 상기 전극 패턴 사이에 형성된 캐패시터와 상기 공진홀들 사이에 병렬 결합된 단락 전송 선로의 공진 주파수가 통과 대역보다 낮은 주파수 영역에서 존재하도록 설계된 것을 특징으로 하는 일체형 유전체 필터.
제1항에 있어서, 상기 공진홀들 간의 결합을 위해 상기 전극 패턴 사이에 형성된 캐패시터와 상기 공진홀들 사이에 병렬 결합된 단락 전송 선로의 공진 주파수가 통과 대역보다 높은 주파수 영역에서 존재하도록 설계된 것을 특징으로 하는 일체형 유전체 필터.