KR100344228B1

KR100344228B1 - 공진기 결합형 유전체 필터

Info

Publication number: KR100344228B1
Application number: KR1020000022383A
Authority: KR
Inventors: 정이봉; 이상준
Original assignee: 주식회사 케이이씨
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2002-07-24
Also published as: KR20010097912A

Abstract

개시된 공진기 결합형 유전체 필터는 유전체 기판에 복수의 공진회로 패턴을 형성함과 아울러 그 유전체 기판에 복수의 유전체 공진기를 부착하여 필터의 전체 크기를 줄인다.

유전체 기판; 유전체 기판에 형성되어 공진을 이루는 공진회로 패턴; 및 유전체 기판의 상면에 공진회로 패턴과 절연을 이루면서 공진됨과 아울러 공진회로 패턴과 전기적으로 연결되는 복수의 유전체 공진기로 이루어지고, 공진회로 패턴은 직렬공진 패턴이고, 유전체 공진기는 병렬공진으로 단락된 λ/4 TEM 모드 유전체 동축형 공진기이거나 또는 공진회로 패턴은 병렬공진 패턴이고, 유전체 공진기는 직렬공진으로 개방된 λ/2 TEM 모드 유전체 동축형 공진기이며, 공진회로 패턴은 공진을 이루는 패턴의 콘덴서 및 코일 값으로 리액턴스 슬로프 파라메타를 설정하고, 유전체 공진기는 유전체 공진기의 유전율, 유전체 공진기의 폭과 통과구멍의 내경 및/또는 유전체 공진기의 입력 포인트 위치로 서셉턴스 슬로프 파라메타를 설정한다.

Description

공진기 결합형 유전체 필터{resonance coupled dielectric filter}

본 발명은 복수의 단락된 λ/4 TEM(Transverse Electro-Magnetic) 모드 유전체 동축형 공진기(이하, '유전체 공진기'라고 약칭함)를 사용하여 소정 주파수의 신호를 필터링하는 공진기 결합형 유전체 필터에 관한 것이다.

정보화 시대를 맞이하여 이동통신 및 위성통신의 발전과 함께 지상 통신 시스템의 분야에서 현저한 변혁이 발생하고 있다. 그러나 이동통신의 경우에 사용 주파수는 제한되어 있고, 사용자의 수는 급속하게 증가되어 800∼900㎒ 대역의 이동통신용 전파대역이 포화됨에 따라 1.8∼1.9㎓대역의 주파수를 가지는 PCS(Personal Communication services) 시스템이 활성화 및 널리 보급되고 있으며, 수년 내에IMT-200(International Mobile Telecommunication)이 상용화될 전망이다.

이동통신 시스템을 구성하는 핵심 부품으로는 안테나, 전력 증폭기, 저 잡음 증폭기, 대역통과필터 및 혼합기 등이 있다. 이러한 핵심 부품들 중에서 UHF 대역의 대역통과필터는 저주파 대역에서 사용되는 코일 및 콘덴서 등의 집중소자로 구성할 경우에 제작이 어려워 실용화에 어려움이 있고, 마이크로파 대역의 주파수에서 사용되는 분포소자로 구성할 경우에 부피가 커지는 단점이 있으나, 고 유전율, 저 손실 및 높은 온도 안정성을 가지는 세라믹 유전체의 개발로 분포소자의 크기가 작아져 대역통과필터의 크기가 소형화되고 있다.

도 1은 일반적인 5차 대역통과필터의 구성을 보인 회로도이다. 이에 도시된 바와 같이 코일 및 콘덴서가 직렬 접속된 3개의 직렬 공진회로(10, 12, 14)가 직렬 연결되고, 직렬 공진기(10, 12)(12, 14)의 사이에 코일 및 콘덴서가 병렬 접속된 병렬 공진회로(16)(18)가 각기 연결된다.

이러한 복수의 직렬 공진회로(10, 12, 14) 및 병렬 공진회로(16)(18)로 이루어지는 5차 대역통과필터는 분포소자로 병렬 공진을 이루는 유전체 공진기를 사용할 경우에 도 2에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다. 즉, 3개의 직렬 공진회로(10)(12)(14)는 콘덴서(C10,C11)(C12∼C14),(C15∼C17)(C18∼C20),(C21∼C23)(C24, C25)로 각기 이루어지는 J 인버터(101, 105)(121, 125)(141, 145)들과 이들 복수의 J 인버터(101, 105)(121, 125)(141, 145)들의 사이에 각기 구비되는 유전체 공진기(103)(123)(143)로 이루어지고, 병렬 공진회로(16)(18)는 유전체공진기(161)(181)로 이루어진다.

상기 도 2에서 각각의 유전체 공진기(103)(161)(123)(181)(143)에는 전단 및 후단에 각기 위치하는 콘덴서(C11, C12)(C14, C15)(C17, C18)(C20, C21)(C23, C24)를 각기 포함시켜 설계 및 제조할 수 있는 것으로서 콘덴서(C11, C12)(C14, C15)(C17, C18)(C20, C21)(C23, C24)를 유전체 공진기(103)(161)(123)(181)(143)에 포함시켜 설계 및 제조할 경우에 도 3에 도시된 바와 같이 직렬 연결되는 6개의 콘덴서(C30∼C35)와, 상기 콘덴서(C30∼C35)의 사이에 병렬 연결되는 5개의 유전체 공진기(30∼34)로 이루어진다.

상기 유전체 공진기(30∼34)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 세라믹 유전체(41)가 소정 길이 즉, λ/4의 길이를 가지는 정방형으로 이루어지고, 길이 방향으로 중앙에는 통과구멍(43)이 형성되어 있는 것으로서 세라믹 유전체(41)의 표면과 통과구멍(43)의 내면 및 통과구멍(43)이 형성되어 있는 일면에 Ag가 도금되어 전극(45)이 형성된다. 상기 전극(45)은 두께를 얇게 형성할 경우에 필터링하는 고주파 신호의 손실이 많이 발생하게 되므로 전극(45)의 두께는 약 15㎛ 정도 이상으로 형성된다.

이러한 유전체 공진기(30∼34)를 사용하는 종래의 대역통과필터는 유전체 공진기 결합형과 단일 블록형이 있다.

상기 유전체 공진기 결합형의 5차 대역통과필터는 도 5에 도시된 바와 같이 병렬 결합되는 복수의 유전체 공진기(30∼34)와, 콘덴서 패턴이 형성되고 상기 병렬 결합된 유전체 공진기(30∼34)가 전기적으로 연결되는 평판 콘덴서(50)와, 상기유전체 공진기(30∼34) 및 평판 콘덴서(50)를 고정하는 기판(52)으로 구성하였다.

상기 평판 콘덴서(50)는 예를 들면, 도 6a에 도시된 바와 같이 패턴이 형성되어 콘덴서(C30∼C35)가 구성되고, 구성된 콘덴서(C30∼C35)의 패턴이 상기 복수의 유전체 공진기(30∼34)에 전기적으로 연결된다. 도 6b에서 유전체 공진기(30~34)는 모두 기판(52)에 부착된다. 상기 유전체 공진기(30~34)는 상기 기판(52) 부착은 납땜되어 뒷면 접지부로 쓰로우 홀(through hole)로 연결한다. 도 6c는 세라믹 뒷면 전극을 나타내며, 윗면에도 동일하게 납땜되어 상기 기판(52) 아래에서 입력-출력 포트로 된다.

이러한 유전체 공진기 결합형 대역통과필터는 필터링하는 차(pole)수만큼 유전체 공진기(30∼34)를 사용해야 되고, 또한 외부에 별도로 콘덴서(C30∼C35)를 연결하기 위하여 평판 콘덴서(50)를 구비해야 되는 것으로서 그 크기가 커 대역통과필터를 사용하는 제품의 설계에 제한을 주고, 크기가 커지는 등의 여러 가지 문제점이 있다.

그리고 상기 단일 블록형의 5차 대역통과필터는 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 유전체 공진기(30∼34)를 하나의 공진기 블록(70)으로 일체화하고, 일체화한 하나의 공진기 블록(70)에 복수의 통과구멍(72)을 형성하여 공진기 블록(70)의 표면과 통과구멍(72)의 내면을 Ag로 도금 및 전극(74)을 형성함과 아울러 공진기 블록(70)의 좌우 양측의 전극(74)을 제거하고, 제거한 내면에 Ag를 도금하여 입력 및 출력단자(76, 78)를 형성하였다.

이러한 구성의 단일 블록형의 대역통과필터는 입력단자(76)와 첫 번째 통과구멍(74)의 사이에 존재하는 유전체에 의한 분포용량의 콘덴서와, 각각의 통과구멍(74)의 사이에 존재하는 유전체에 의한 분포용량의 콘덴서와, 마지막 통과구멍(74)과 출력단자(78)의 사이에 존재하는 유전체에 의한 분포용량의 콘덴서를 이용하여 대역통과필터를 구성하는 것이다.

이러한 단일 블록형의 대역통과필터는 유전체 공진기 결합형 대역통과필터에서 사용하고 있는 평판 콘덴서를 사용하지 않음으로써 전체 크기를 줄일 수 있으나, 각각의 유전체 공진기(30∼34)를 일체로 병렬 결합한 크기와 동일한 크기를 가지는 공진기 블록(70)을 형성해야 되는 것으로서 여전히 크기가 크고, 이로 인하여 제품의 설계에 많은 제한을 주었다

따라서 본 발명의 목적은 유전체 기판에 복수의 제 1 공진기인 회로 패턴을 형성함과 아울러 그 유전체 기판에 제 2 공진기인 복수의 유전체 공진기를 부착하여 크기를 줄일 수 있는 공진기 결합형 유전체 필터를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공진기 결합형 유전체 필터에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판에 형성되어 공진을 이루는 공진회로 패턴; 및 상기 유전체 기판의 상면에 상기 공진회로 패턴과 절연을 이루면서 공진됨과 아울러 공진회로 패턴과 전기적으로 연결되는 복수의 유전체 공진기로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 공진회로 패턴은 직렬공진 패턴이고, 상기 유전체 공진기는 병렬공진으로 단락된 λ/4 TEM 모드 유전체 동축형 공진기이거나 또는 상기 공진회로 패턴은 병렬공진 패턴이고, 상기 유전체 공진기는 직렬공진으로 개방된 λ/2 TEM 모드 유전체 동축형 공진기이며, 상기 공진회로 패턴은 공진을 이루는 패턴의 콘덴서 및 코일 값으로 리액턴스 슬로프 파라메타를 설정하고, 상기 유전체 공진기는 유전체 공진기의 유전율, 유전체 공진기의 폭과 통과구멍의 내경 및/또는 유전체 공진기의 입력 포인트 위치로 서셉턴스 슬로프 파라메타를 설정하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 5차 대역통과 필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이고,

도 2는 도 1의 5차 대역통과필터를 유전체 공진기로 구성한 도면이며,

도 3은 도 2에서 각각의 유전체 공진기에 콘덴서를 함께 설계하여 구성한 도면이며,

도 4a 및 도 4b는 유전체 공진기의 구성을 보인 사시도 및 단면도이며,

도 5는 종래의 유전체 공진기 결합형 5차 대역통과필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이며,

도 6은 도 5에서 평판 콘덴서를 발췌하여 패턴을 보인 상세 도면이며,

도 7은 종래의 단일 블록형 5차 대역통과필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이며,

도 8은 본 발명에 따른 5차 대역통과필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이며,

도 9는 도 8의 유전체 기판의 표면에 형성되는 패턴을 보인 평면도이며,

도 10은 도 8의 유전체 기판의 표면에 형성되는 패턴을 보인 배면도이며,

도 11은 본 발명에서 유전체 공진기의 서셉턴스 슬로프 파라메타를 조절하는동작을 설명하기 위한 도면이며,

도 12는 본 발명에 따라 3차 대역통과필터를 구성한 실시 예를 보인 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

80 : 유전체 기판 82 : 복수의 직렬공진 패턴

84 : 연결 구멍 86 : 복수의 유전체 공진기

821, 822 : 평판 커패시터 패턴 823 : 스파이럴 인덕터 패턴

824 : 연결 패턴

이하 첨부된 도 8 내지 도 12의 도면을 참조하여 본 발명의 공진기 결합형 유전체 필터를 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명에 따른 5차 대역통과필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이다. 여기서, 부호 80은 소정의 유전율을 가지는 유전체 기판이다. 여기서, 빅금친 부분은 도금된 것을 말라며, 뒷면 또한 도금되어 가장자리 부분으로부터 상하 전극이 연결된다. 부호 82는 상기 유전체 기판(80)에 형성되는 복수의 직렬공진 패턴이며, 부호 84는 상기 유전체 기판(80)에 관통되고 내면에 금속 패턴이 형성되어 상면 및 저면이 전기적으로 연결되어 상기 복수의 직렬공진 패턴(82)을 전기적으로 연결하는 연결 구멍이며, 부호 86은 상호간에 병렬 결합되고 페이스트 등의 절연재로 절연되면서 상기 유전체 기판(80)의 상면에 고정되며 상기 복수의 직렬공진 패턴(82)에 전기적으로 연결되는 복수의 유전체 공진기이다.

상기 복수의 직렬공진 패턴(82)은, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 유전체 기판(80)을 사이에 두고 각기 평판 패턴(821, 822)이 형성되어 콘덴서가 구성되고, 상면의 평판 커패시터 패턴(821)을 기준으로 스파이럴(spiral) 인덕터 패턴(823)을 형성하여 코일을 구성하며, 스파이럴 인덕터 패턴(823)의 단부는 상기 연결 구멍(84)과 상기 유전체 기판(80)의 저면에 형성되는 연결 패턴(824)을 통해 다음에 위치하는 직렬공진 패턴(82)의 평판 커패시터 패턴(822)에 연결된다.

그리고 상기 유전체 기판(80)의 상면은 페이스트 등의 절연재가 도포되어 절연되고, 연결 구멍(84) 또는 유전제 공진기(86)가 연결되는 위치를 노출시켜 유전제 공진기(86)를 전기적으로 연결한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 유전체 기판(80)에 복수의 직렬공진 패턴(82)을 형성함과 아울러 복수의 직렬공진 패턴(82)이 형성된 유전체 기판(80)의 상면에 절연재를 도포한 후 유전체 공진기(86)를 고정함으로써 5차 대역통과필터를 예로 들 경우에 2개의 유전체 공진기(86)만을 사용함은 물론 2개의 유전체 공진기(86)를 결합한 크기의 유전체 기판(80)을 사용함으로써 전체 크기를 대폭 축소시켜 설계할 수 있다.

이러한 본 발명의 대역통과필터를 설계함에 있어서, 유전체 기판(80)에 형성하는 직렬공진 패턴(82)은 평판 커패시터 패턴(821, 822) 및 스파이럴 인덕터 패턴(823)을 리액턴스 슬로프 파라메타(susceptance slope parameter)를 가지도록 간단히 설계할 수 있다.

즉, 직렬공진 패턴(82)의 서셉턴스 슬로프 파라메타는 리액턴스(reactance) 슬로프 파라메타라고도 불리는 것으로서 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.

X_K＝ ω_Sㆍ L_S

여기서, X_K는 직렬공진 패턴(82)의 리액턴스 슬로프 파라메타이고, ω_S는 직렬공진 패턴(82)의 공진 주파수로서이며, L_S및 C_S는 직렬공진 패턴(82)을 이루는 스파이럴 인덕터 패턴(823)의 인덕턴스와 평판 커패시터 패턴(821, 822)의 용량이다.

상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 직렬공진 패턴(82)의 리액턴스 슬로프 파라메타는 유전체 기판(80)에 형성되는 평판 커패시터 패턴(821, 822)과 스파이럴 인덕터 패턴(823)의 값을 조절하여 쉽게 설계할 수 있다.

그리고 병렬공진을 이루는 유전체 공진기(86)의 서셉턴스 슬로프 파라메타는 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.

B_K＝ ω_Pㆍ C_P

여기서, B_K는 유전체 공진기(86)의 서셉턴스 슬로프 파라메타로서 B_K＝ 1 / X_K의 관계가 있고, , ω_P는 유전체 공진기(86)의 공진 주파수로서이며, L_P및 C_P는 유전체 공진기(86)의 병렬공진을 이루는 인덕턴스 및 용량이다.

상기 유전체 공진기(86)가 원하는 값의 서셉턴스 슬로프 파라메타 B_K를 가지도록 하기 위해서는 유전체 공진기(86)의 특성 임피던스를 조절할 수 있어야 되는 것으로서 유전체 공진기(86)의 특성 임피던스는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Z₀은 유전체 공진기(86)의 특성 임피던스이고, ε_r은 유전체 공진기(86)의 유전율이며, D 및 d는 도 10에 도시된 바와 같이 유전체 공진기(86)의 폭 및 통과구멍의 내경이다.

상기 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이 유전체 공진기(86)의 특성 임피던스 Z₀을 조절하기 위해서는 유전율 ε_r을 조절하거나, 유전체 공진기(86)의 폭 D 및 통과구멍의 내경 d를 조절하거나 또는 유전체 공진기(86)의 입력 포인트의 위치를 도 10에 도시된 바와 같이 측면으로 위치 이동 즉, 유전체 공진기(86)의 측면에 형성되는 Ag 도금의 일부를 제거하고, Ag 도금을 제거한 부위의 내측에 다시 Ag 도금으로 입력 포인트(861)를 형성하여 조절할 수 있다.

한편, 상기에서는 본 발명을 5차 대역통과필터를 기초로 하여 바람직한 실시 예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되는 것은 아니고 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다.

예를 들면, 상기에서는 5차 대역통과필터만을 예로 들어 설명하였으나, 필터링 하는 차수는 제품의 특성에 따라 2차 대역통과필터부터 복수 차의 대역통과필터로 간단히 설계 변경하여 실시할 수 있다.

그리고 5차 대역통과필터를 예로 들어 도시하고, 설명하면서 유전체 기판(80)에 형성되는 복수의 직렬공진 패턴(82)을 연결하기 위하여 연결 구멍(84)을 형성하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 연결 구멍(84)을 형성하지 않고 복수의 직렬공진 패턴(82)을 연결하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 도 12에 도시된 바와 같이 유전체 기판(80)의 상면 및 저면에 평판 패턴(821, 822)을 형성하여 복수의 콘덴서를 구성함과 아울러 상면의 평판 패턴(821)을 중심으로 각기 스파이럴 인덕터 패턴(823)을 형성하여 직렬공진 패턴(82)을 형성하며, 상기 스파이럴 인덕터 패턴(823)이 상호간에 연결되는 부위에 유전체 공진기(86)를 연결함으로써 별도의 연결 구멍(84)을 형성하지 않고서도 제조할 수 있다.

또한 상기에서는 유전체 기판(80)에 복수의 직렬공진 패턴을 형성하고, 유전체 기판의 상면에는 병렬공진으로 동작하는 단락된 λ/4 TEM 모드 유전체 동축형 공진기를 고정하여 대역통과필터를 구성하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 상기와는 반대로 유전체 기판(80)에 복수의 병렬공진 패턴을 형성하고, 유전체 기판(80)의 상면에는 양쪽 단부의 Ag를 모두 제거하여 개방 및 직렬 공진으로 동작하고, λ/2의 길이를 가지는 TEM 모드 유전체 동축형 공진기를 고정하여 대역소거필터를구성할 수 있는 등 여러 가지로 변형 실시하는 것이 가능하다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 유전체 기판에 복수의 공진회로 패턴을 형성하고, 그 유전체 기판의 상면에 절연시키면서 유전체 공진기를 고정함으로써 필터의 크기를 대폭 줄일 수 있고, 이로 인하여 필터를 사용하는 제품의 설계를 간단히 할 수 있다.

Claims

유전체 기판;

상기 유전체 기판에 형성되어 공진을 이루는 공진회로 패턴; 및

상기 유전체 기판의 상면에 상기 공진회로 패턴과 절연을 이루면서 공진됨과 아울러 공진회로 패턴과 전기적으로 연결되는 복수의 유전체 공진기로 구성됨을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,

상기 공진회로 패턴은 직렬공진 패턴이고,

상기 유전체 공진기는 병렬공진으로 단락된 λ/4 TEM 모드 유전체 동축형 공진기인 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,

상기 공진회로 패턴은 병렬공진 패턴이고,

상기 유전체 공진기는 직렬공진으로 개방된 λ/2 TEM 모드 유전체 동축형 공진기인 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 공진회로 패턴은;

공진을 이루는 패턴의 콘덴서 및 코일 값으로 리액턴스 슬로프 파라메타를 설정하는 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유전체 공진기는;

유전체 공진기의 유전율, 유전체 공진기의 폭과 통과구멍의 내경 및/또는 유전체 공진기의 입력 포인트 위치로 서셉턴스 슬로프 파라메타를 설정하는 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.