KR100352574B1 - 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 장치 - Google Patents

유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 소형 및 저손실의 유전체 공진기, 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서, 및 이러한 소자를 사용한 통신 장치가 개시되어 있다. 본 발명의 구성에 따르면, 유전체 블럭내에 관통 구멍이 형성된다. 각 관통 구멍의 내면은 박막 도체층 및 박막 유전체층을 포함하는 다층 영역 및 최외층 도체층으로 이루어지는 박막 다층 전극으로 피복되어 있다. 유전체 블럭의 외면에는, 이와 유사한 박막 다층 전극 구조를 갖는 외부 도체가 형성된다. 유전체 블럭의 단락 단면에는 단일층 전극 형태의 외부 도체가 형성되어, 내부 도체 및 외부 도체의 박막 도체층을 공통으로 접속한다.

Description

유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 장치{Dielectric Resonator, Dielectric Filter, Dielectric Duplexer, and Communication Device}
본 발명은 유전체 블럭 및 이 유전체 블럭의 내면 및 외면에 형성되며 전극의 역할을 하는 도체층을 포함하는 유전체 공진기, 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서에 관한 것이고, 또한 본 발명은 상기 유전체 공진기, 상기 유전체 필터 및 상기 유전체 듀플렉서 중의 적어도 하나를 사용한 통신 장치에 관한 것이다.
마이크로파 대역에서 사용하는 전형적인 유전체 공진기는 동축 관통 구멍을 갖는 직사각형 또는 원주형상의 유전체 블럭으로서, 관통 구멍의 내면에 내부 도체가 형성되고, 유전체 블럭의 외면에 외부 도체가 형성된 유전체 블럭을 사용하여 형성된다. 또한, 본 기술 분야에서는, 직사각형 유전체 블럭에 복수개의 관통 구멍을 형성하고, 각 관통 구멍의 내면에 내부 도체를 형성하여, 단일 유전체 블럭에 복수개의 유전체 공진기를 형성함으로써, 복수의 공진기 단을 갖는 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉서를 구성하는 것이 알려져 있다.
유전체 블럭의 내면 및 외면에 전극의 역할을 하는 도체막을 형성함으로써 구성된 유전체 공진기 및 유전체 듀플렉서 등의 장치는, 전체 사이즈가 작고 높은 무부하 Q(Q0)가 얻어진다는 이점을 갖는다.
그러나, 이러한 종류의 장치는 송신 필터 또는 안테나 듀플렉서로서 사용되는 유전체 듀플렉서의 경우와 같이, 비교적 큰 전력을 취급하는 회로에서 사용되는 경우, 전자 장치의 소형화 및 전력 소비의 감소의 요구에 부응하도록, 유전체 공진기의 손실 또는 유전체 필터의 삽입 손실을 더욱 줄이는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 소형이고 손실이 감소된 유전체 공진기, 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유전체 공진기의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 상기 유전체 공진기의 주요부에 있어서의 전류 분포의 예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 유전체 공진기의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 유전체 공진기의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 유전체 필터를, 관통 구멍의 개구단이 형성된 한 단면측에서 본 도, 및 이 유전체 필터의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 유전체 공진기의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 유전체 공진기의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 유전체 듀플렉서의 투영도이다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시형태의 따른 유전체 듀플렉서의 단면도 및 부분 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 유전체 듀플렉서의 투영도이다.
도 11은 본 발명의 제 8 실시형태에 따른 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제 9 실시형태에 따른 통신 장치의 형상을 나타내는 블럭도이다.
(도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명)
1: 유전체 블럭
2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f: 관통 구멍
3, 3a, 3b: 내부 도체
4: 외부 도체
4': 외부 도체
5a∼5d: 개구단 전극
6a, 6b, 6c: 결합 전극
7a, 7b, 7c: 신호 입출력 단자
8a, 8b: 결합 선로 구멍
31, 41: 박막 도체층
32, 42: 박막 유전체층
33, 43: 최외층 도체층
일반적으로, 유전체 공진기의 손실은 내부 도체 및 외부 도체 등의 도체막의 도체 손실, 유전체 재료의 유전 손실, 및 외부에 방사되는 방사 손실을 포함한다. 이들 손실 중에서, 도체 손실이 지배적이다. 따라서, 유전체 공진기의 손실을 줄이는 키 포인트는 도체 손실을 줄이는 것이다.
도체 손실을 줄이기 위하여, 도전율이 높은 재료를 사용하여 전극을 형성하고, 전극의 막 두께를 증가시키는 것이 유효하다. 그러나, 마이크로파-대역 주파 등의 고주파에 있어서, 사용 주파수에 의존하는 표피 깊이를 갖는 표면 영역에 표피 효과에 의하여 전류가 집중한다. 따라서, 표피 깊이보다 도체막의 두께를 훨씬 증가시키더라도, 도체 손실은 실질적으로 감소하지 않는다.
유전체 블럭의 사이즈를 증가시키고, 또한 유전율이 작은 유전체 재료를 사용하여 유전체 블럭을 형성하면, 도체막은 전류 밀도가 감소할 것이고, 따라서 도체 손실이 줄어들 것이다. 그러나, 이러한 기술은 소형화의 요건을 충족시킬 수 없다.
상기의 관점에서, 본 발명은 유전체 블럭; 상기 유전체 블럭의 한 단면에서대향 단면에 연장되는 관통 구멍의 내면에 형성된 내부 도체; 및 상기 유전체 블럭의 외면에 형성된 외부 도체;를 포함하는 유전체 공진기로서, 상기 내부 도체 및 상기 외부 도체 중의 적어도 한쪽의 적어도 한 일부가, 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이보다 작은 두께를 갖는 박막 도체층과 특정의 유전율을 갖는 박막 유전체층을 번갈아 배치함으로써 형성된 박막 다층 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 제공한다. 이러한 본 발명의 공진기에 따르면, 박막 다층 전극의각 박막 도체층에 실질적으로 동일하게 전류가 흐르고, 따라서 전류 경로의 유효 영역(유효 단면적)이 증가하고, 도체 손실이 줄어든다. 그 결과, 저손실의 유전체 공진기가 달성된다
또한 본 발명은 상술한 유전체 블럭; 및 고주파 신호 입출력 단자의 역할을 하는 외부 단자;를 포함하는 유전체 필터를 제공한다. 여기서, 유전체 블럭은 복수의 관통 구멍을 포함하는 것이 바람직하며, 관통 구멍의 내면에 형성된 내부 도체들의 가장 근접한 부분은 박막 다층 전극 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 있어서, 박막 다층 전극은 2개의 공진기의 결합 모드 중의 홀수 모드로 전계가 집중되는 위치에 제공되고, 이에 따라서 유전체 필터의 삽입 손실을 효과적으로 개선된다.
또한 본 발명은 상술한 유전체 블럭; 안테나 접속용 외부 단자; 수신 회로 접속용 외부 단자; 및 송신 회로 접속용 외부 단자;를 포함하는 유전체 듀플렉서로서, 상기 외부 단자들이 상기 유전체 블럭의 외면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 듀플렉서를 제공한다. 단일 유전체 블럭을 사용한 이 유전체 듀플렉서는 예를 들면 송신 필터 및 수신 필터를 갖는 안테나 듀플렉서로서 사용될 수 있다.
또한 본 발명은 예를 들면 송수신 신호 대역 통과 필터의 역할을 하는 상술한 유전체 필터 또는 안테나 듀플렉서의 역할을 하는 상술한 유전체 듀플렉서를 포함하는 통신 장치를 제공한다. 따라서, 사이즈가 작고 전력 효율이 높은 통신 장치를 실현할 수 있다.
이하에서는, 제 1 실시형태에 따른 유전체 공진기의 구조를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하겠다.
도 1A는 유전체 공진기의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 1B는 중심축을 따라서 절단한 유전체 공진기의 단면도이다. 이들 도면에 있어서, 참조 번호 1은 한 단면에서 대향 단면으로 중심축을 따라서 연장되는 관통 구멍(2)을 갖는 원주형상의 유전체 블럭을 나타낸다. 내부 도체(3)는 관통 구멍(2)의 내면에 형성되고, 외부 도체(4)는 유전체 블럭(1)의 외면에 형성된다. 후술하는 바와 같이, 내부 도체(3) 및 외부 도체(4)는 모두 복수의 박막 도체층 및 박막 유전체층을 번갈아 적층하여 배치하여 이루어지는 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성된다.
도 2는 도 1B에 D로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 2에 있어서, 유전체 블럭(1)의 두께는 박막 도체층의 두께에 비하여 매우 감소된다. 도 2에 있어서, 실선 화살표는 고주파 전류를 나타내고 파선 화살표는 변위 전류를 나타낸다. 참조 번호 31 및 41은 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이 이하의 두께를 갖는 박막 도체층을 나타낸다. 참조 번호 32 및 42는 특정의 유전율(예를 들면, εr=4 내지 20)을 갖는 박막 유전체층을 나타낸다. 참조 번호 33 및 43은 최외층 도체층을 나타낸다. 박막 다층 전극 구조를 갖는 내부 도체(3) 및 외부 도체(4)는 박막 도체층 및 박막 유전체층을 번갈아 배치함으로써 제조된다. 최외층 도체층은 큰 두께를 갖도록 형성되어, 박막 다층 전극의 표면의 견고함을 달성한다. 이에 따라서, 내부 도체(3)와의 전기적 접속을 달성하기 위하여 관통 구멍(2)내에 핀 전극을 삽입하는 경우, 또는 유전체 공진기의 외부 전극(4)을 실장 기판상의 접지 전극에 솔더링하는 경우, 박막 도체층 및 박막 유전체층으로 이루어지는 다층 구조를 변형없이 유지할 수 있다. 더욱 상세하게는, 사용 주파수에 따라서 소정의 값이 변화되어도 되는데, 예를 들면, 박막 도체층 및 박막 유전체층의 수가 2개가 되어도 되며, 각 박막 도체층의 두께가 1823nm이어도 되며, 각 유전체층의 두께가 113nm이어도 되며, 또한 각 최외층 도체층의 두께가 6000nm이어도 된다.
가부시키가이야 무라타 세이사쿠쇼의 미국 특허 출원 번호 96/604,952(WO95/06336)에는, 박막 다층 전극 구조를 설계하기 위한 상세한 방법이 개시되어 있다. 이러한 개시가 참조로 도입되어 있다.
최외층 도체층(33) 및 (34) 사이에 고주파 신호가 인가되면, 도 2에 도시된 바와 같이 유전체 블럭(1)에 고주파 전계가 인가되어, 공진이 발생한다. 하부의 박막 유전체층을 통하여 각 박막 도체층(31, 41)에 인가된 고주파 전력은 상부에 위치하는 박막 도체층에 부분적으로 투과되고, 또한 고주파 신호의 에너지가 하부의박막 유전체층을 통하여 하부의 박막 도체층으로 부분적으로 반사된다. 인접하는 2개의 박막 도체층 사이에 위치하는 각 박막 유전체층에 있어서, 반사파 및 투과파가 공진하고, 또한 각 박막 도체층의 상면 영역 및 하면 영역에서는, 고주파 전류가 반대 방향으로 평행하게 표면을 따라서 흐른다. 박막 도체층(31, 41)의 막 두께는 표피 깊이보다 작기 때문에, 반대 방향으로 평행하게 흐르는 2개의 고주파 전류는 박막 유전체층을 통하여 서로 간섭한다. 그 결과, 거의 모든 전류가 상쇄된다.
한편, 박막 유전체층(32, 42)에 있어서, 전자계에 의하여 변위 전류가 발생한다. 그 결과, 박막 유전체층(32, 42)에 바로 인접하는 박막 도체층의 표면에서 고주파 전류가 발생한다. 이 제 1 실시형태에서, 유전체 공진기는 양 단부에서 개방된 반파장 동축 공진기로서 작용하며, 따라서, 내부 도체(3)의 세로 방향의 양 단부에서 변위 전류가 최대가 되고, 그 중앙부에서 최소가 된다. 각 박막 유전체층(32, 42)의 두께는 유전체 블럭(1) 및 박막 유전체층(32, 42)을 전파하는 TEM 파의 위상 속도가 실질적으로 동등해지도록 선택된다. 따라서, 박막 도체층(31, 41)에 분산된 형태로 흐르는 고주파 전류는 위상이 동일하다. 그 결과 유효 표피 깊이가 증가한다.
상술한 바와 같이, 박막 도체층(31, 41)에 전류가 동위상으로 분산되어 흐르기 때문에, 유효 표피 깊이가 증가한다. 그 결과, 전류 경로의 유효 영역(유효 단면적)이 증가하고, 따라서 도체 손실이 감소한다. 따라서, 저손실의 유전체 공진기가 얻어진다. 본 실시형태에 있어서 내부 도체 및 외부 도체가 박막 다층 구조를 갖도록 형성되지만, 외부 도체 또는 내부 도체의 어느 한 쪽만이 박막 다층 전극구조를 가져도 된다.
제 2 실시형태에 따른 유전체 공진기의 구조를 도 3을 참조하여 설명하겠다.
도 3A는 유전체 공진기의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 3B는 중심축을 따라서 절단한 유전체 공진기의 단면도이고, 도 3C는 도 3B의 C로 표시되는 부분의 확대도이다. 본 실시형태에서는, 도 1을 참조하여 설명한 제 1 실시형태와 달리, 유전체 블럭(1)의 도 3A에 있어서의 앞면의 한 단면은 개방단으로 작용하도록 형성되고, 대향 단면은 단락단으로 작용하도록 형성된다. 내부 도체(3) 및 외부 도체(4)는 제 1 실시형태와 마찬가지로, 각각 관통 구멍(2)의 내면 및 유전체 블럭(1)의 외면에 형성된다. 도 3B에 D로 나타낸 부분은 전류 및 변위 전류의 분포가 다르지만, 도 2에 나타낸 부분과 유사한 전극 구조를 갖는다. 유전체 블럭(1)의 단락 단면에는, 박막 다층 전극 구조를 갖는 박막 도체(3)의 단면 및 박막 다층 전극 구조를 갖는 박막 도체(4)의 단부가 외부 도체(4')에 의하여 서로 전기적으로 접속되도록, 단일층 전극 형태로 외부 도체(4')가 배치된다. 외부 도체(4')는 내부 도체(3)의 박막 도체층(31) 및 최외층 도체층(33)을 공통으로 접속하고, 또한 외부 도체(4)의 박막 도체층(41) 및 최외층 도체층(41)을 공통으로 접속한다.
단락단에서 박막 다층 전극의 각 도체층을 공통으로 접속한 결과, 각 박막 도체층은 공통의 0 전위를 가지며, 각 박막 도체층에 흐르는 고주파 전류가 동일한 위상을 갖는다. 따라서, 제 1 실시형태에서는, 유효 표피 깊이가 증가한다. 여기서, 외부 도체(4')의 도체 손실은 사용 주파수에서의 표피 깊이 이상의 두께를 갖도록 외부 도체(4')를 형성함으로써 최소화할 수 있다.
단락 단면의 외부 도체(4')는 단일층 전극의 형태이기 때문에, 외부 도체(4')의 일부를 소정량만큼 절단하는 것만으로 유전체 공진기의 공진 주파수를 조정하는 것이 가능하다.
이하에, 제 3 실시형태에 따른 유전체 필터의 구조를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하겠다.
도 4는 유전체 필터의 외관을 나타내는 사시도이다. 실장 기판과 접촉하는 면이 도 4의 상측이 되도록 도시되어 있다. 도 4에서, 참조 번호 1은 직사각형 유전체 블럭을 나타낸다. 유전체 블럭(1)에 있어서, 관통 구멍(2a, 2b)은 그 축이 서로 평행하게 되도록 2개의 대향 단면 사이에 형성된다. 관통 구멍(2a, 2b)은 축을 따른 구멍 직경에서 보아 단차 구조를 갖는다. 즉 관통 구멍(2a, 2b)은 중앙에 형성된 구멍 직경이 작은 소 직경부 및 양 단부측에 형성된 구멍 직경이 큰 대 직경부를 포함한다. 각 관통 구멍(2a, 2b)의 내면에는 내부 도체(3a, 3b)가 형성된다. 유전체 블럭(1)의 외면에서, 외부 도체(4)는 관통 구멍(2a, 2b)이 형성된 2개의 단면 이외의 4개의 측면에 형성된다. 또한, 고주파 신로 입출력용의 신호 입출력 단자(7a, 7b)는 외부 도체(4)로부터 전기적으로 절연되도록 유전체 블럭(1)의 외면에 형성된다.
도 5A는 도 4에 나타낸 유전체 필터에 있어서 관통 구멍(2a, 2b)의 개방단이 형성된 한쪽 단면측에서 본 도면이다. 도 5B는 도 5A의 B로 나타낸 부분의 확대도이다. 외부 도체(4)는 박막 도체층(41) 및 박막 유전체층(42)을 포함하는 다층 영역, 및 최외층 도체층(43)으로 이루어지는 박막 다층 전극 구조를 갖는다는 것을알 수 있다. 도 5B에 도시한 바와 같이, 박막 도체층(41) 및 박막 유전체층(42)은 유전체 블럭(1)의 한 측면에서 다른 인접하는 측면까지의 영역을 따라서 연속적으로 연장된다. 또한 내부 도체(3a, 3b)는 도 2에 나타낸 것과 유사한 박막 다층 전극 구조를 갖는다. 따라서, 서로 결합된 2개의 반파장 공진기가 단일 유전체 블럭에 형성된다.
신호 입출력 단자(7a, 7b)는 먼저 유전체 블럭(1)의 4개의 측면의 전체 영역에 박막 다층 전극을 형성한 후, 박막 다층 전극을 선택적으로 에칭하여, 외부 도체(4)의 부분으로부터 분리된 다른 부분을 형성함으로써 형성된다. 신호 입출력 단자(7a, 7b)는 각 내부 도체(3a, 3b)의 한쪽 개방단과 정전 용량을 발생시키고, 따라서, 신호 입출력 단자(7a, 7b)는 각 공진기와 정전 결합된다. 신호 입출력 단자(7a, 7b)는 외부 도체(4)와 마찬가지로 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성되어도 되며, 또는 신호 입출력 단자(7a, 7b)가 전류 밀도가 작기 때문에 단일층 전극 구조를 갖도록 형성되어도 된다.
제 4 실시형태에 따른 유전체 필터의 구조를 도 6을 참조하여 설명하겠다.
도 6A는 2개의 관통 구멍의 개방단이 형성된 한쪽 단면측에서 본 유전체 필터의 도면이다. 도 6B는 관통 구멍의 축에 수직인 면을 따른 유전체 필터의 단면도이다. 도 6A에 있어서, 실선 화살표는 홀수 모드에 있어서의 전기력 선을 나타내며, 이에 따라서 전계 분포를 나타내고 있다. 홀수 모드에 있어서, 2개의 내부 도체(3a, 3b) 사이의 부분이 전기적 벽으로 작용하고, 따라서 전계가 내부 도체(3a, 3b)의 가장 근접한 영역에 집중된다. 그 결과, 이들 영역에서 전류 밀도가 높아진다. 상기의 점에서 보아, 도 6B에 나타낸 바와 같이, 내부 도체는 전류 밀도가 높아지는 내부 도체의 영역, 즉 내부 도체들의 가장 근접한 부분이 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성된다. 즉, 도 6B에 있어서, 참조 번호 31 및 32는 각각 박막 도체층 및 박막 유전체층을 나타내며, 이들에 의해 박막 다층 전극을 구성한다. 이 구조에 있어서, 2개의 내부 도체(3a, 3b)의 박막 다층 전극의 대향 부분에 있어서 홀수 모드에서 축방향을 따른 전류 분포는 도 2에 도시된 것과 유사하다. 따라서, 내부 도체(3a, 3b)의 유효 표피 깊이가 증가하고, 내부 도체의 도체 손실이 줄어든다.
이하에, 제 5 실시형태에 따른 유전체 필터의 구조를 도 7을 참조하여 설명하겠다. 도 7A는 유전체 필터의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 7B는 2개의 관통 구멍의 중심 축을 따른 유전체 필터의 단면도이다. 도 7C는 도 7B의 C로 나타낸 부분의 확대도이다. 본 실시형태에 있어서, 내면이 내부 도체로 피복된 관통 구멍(2a, 2b)이 유전체 블럭(1)에 형성되고, 외부 도체(4) 및 신호 입출력 단자(7a, 7b)가 유전체 블럭(1)의 외면에 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 도 4의 유전체 필터와 달리, 각 관통 구멍(2a, 2b)의 한 단부는 개방면으로 작용하도록 형성되고, 대향 단부는 단락면으로 작용하도록 형성된다. 각 관통 구멍(2a, 2b)은 개방단에 위치한 내부 직경이 큰 대 직경부 및 단락단에 위치한 내부 직경이 작은 소 직경부를 포함한다.
유전체 블럭(1)의 단락면에는, 사용 주파수에서의 표피 깊이의 3배 이상의 두께를 갖는 단일층 전극 형태의 외부 도체(4')가, 박막 다층 전극 구조를 갖는 내부 도체(3a) 및 외부 도체(4)가 서로 전기적으로 접속됨과 아울러, 각 박막 도체층이 공통으로 접속되도록 배치된다.
상술한 방법으로 단일 유전체 블럭에 1/4파장 공진기를 형성함으로써, 대역 통과 특성을 갖는 유전체 필터가 얻어진다.
제 5 실시형태에 있어서, 관통 구멍은 각 관통 구멍의 한 단부만이 단락면으로 작용하도록 형성되는데, 각 관통 구멍의 양 단부가 단락면으로 작용하도록 관통 구멍을 형성하여, 양 단락단에 반파장 공진이 발생하는 공진기를 형성해도 된다.
제 6 실시형태에 따른 유전체 듀플렉서의 구조를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하겠다.
도 8은 유전체 듀플렉서의 투영도로서, 도 8A, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 각각 상면도, 좌측면도, 우측면도, 배면도이다. 도 8에 도시된 상면은 실장 기판과 접촉될 면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 대략 직사각형 형상을 갖는 유전체 블럭(1)내에, 실질적으로 평행한 관통 구멍(2a∼2d)이 형성된다. 박막 다층 전극 구조를 갖는 내부 도체는 각 관통 구멍의 내면에 형성된다. 박막 다층 전극 구조를 갖는 외부 도체(4)는 유전체 블럭(1)의 관통 구멍의 축에 평행한 4개의 측면에 형성된다. 유전체 블럭(1)의 단락면이 되는 단면에, 단일층 전극 형태의 외부 도체(4')가 배치된다. 유전체 블럭(1)의 개방 단면에, 각 내부 도체로부터 연속적으로 연장되는 개방단 전극(5a∼5d)이 형성된다. 또한, 이 개방 단면에는, 인접하는 개방단 전극과 용량 결합되는 결합 전극(6a, 6b, 6c)이 형성된다. 또한, 유전체 블럭(1)의 개방 단면에는, 각 결합 전극(6a, 6b, 6c)로부터 연속적으로 연장됨과아울러 외부 도체(4)로부터 전기적으로 절연되도록, 신호 입출력 단자(7a, 7b, 7c)가 형성된다.
도 9A는 관통 구멍(2a)의 축이 위치하고 유전체 블럭(1)의 상면에 수직인 면을 따른 유전체 듀플렉서의 단면도이다. 도 9B는 도 9A의 B로 나타낸 부분의 확대도이다. 도 9B에 나타낸 바와 같이, 내부 도체(3a)는 박막 도체층(31), 박막 유전체층(32) 및 최외층 도체층(33)으로 이루어지는 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성된다. 또한, 개방단 전극(5a)은 각 층을 유전체 블럭(1)의 단면에 연속적으로 연장한 박막 다층 전극 구조를 갖는다.
내부 도체로부터 연장하는 개방단 전극의 각 박막 도체층이 개방단에서 공통으로 접속되지 않고 개방상태로 유지되기 때문에, 각 박막 도체층(31, 41)에 흐르는 고주파 전류가 실질적으로 동일한 위상을 갖는다. 즉, 박막 도체층(31, 41) 사이에 고주파 전류가 분포하고, 분포 전류는 동일한 위상으로 흐른다. 이 결과 유효 표피 깊이가 증가한다.
도 8을 다시 참조하면, 관통 구멍(2a, 2b)에 의해 형성되는 2개의 공진기는 개방단 전극(5a, 5b)사이의 정전용량에 의하여 서로 결합된다. 마찬가지로, 각 관통 구멍(2c, 2d)에 의해 형성되는 2개의 공진기는 개방단 전극(5c, 5d)사이의 정전용량에 의해 서로 결합된다. 결합 전극(6a)은 개방단 전극(5a)와 용량 결합하고, 결합 전극(6c)은 개방단 전극(5d)와 용량 결합한다. 결합 전극(6b)은 개방단 전극(5b, 5c)과 용량 결합한다. 따라서, 본 실시형태에 따른 유전체 듀플렉서는 신호 입출력 단자(7a)가 송신 회로 접속용 외부 단자의 역할을 하고, 신호 입출력 단자(7b)가 안테나 접속용 외부 단자의 역할을 하고, 신호 입출력 단자(7c)가 수신 회로 접속용 외부 단자의 역할을 하는 안테나 듀플렉서로서 기능한다.
이하에, 제 7 실시형태에 따른 유전체 듀플렉서의 구조를 도 10을 참조하여 설명하겠다.
도 10A, 도 10B, 도 10C, 도 10D 및 도 10E는 각각 유전체 듀플렉서의 상면도, 좌측면도, 우측면도, 배면도 및 정면도이다. 여기서, 도 10에 도시된 상면은 실장 기판과 접촉될 면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 대략 직사각형 형상을 갖는 유전체 블럭에, 실질적으로 평행한 관통 구멍(2a∼2f, 8a 및 8b)이 형성된다. 각 관통 구멍(2a∼2f)의 내면에는, 박막 다층 전극 구조를 갖는 내부 도체가 형성되고, 각 관통 구멍(2a∼2f)의 한쪽 개방단 부근 영역에, 비전극부 g가 형성된다. 유전체 블럭(1)의 관통 구멍의 축에 평행한 4개의 측면에는, 박막 다층 전극 구조를 갖는 외부 도체(4)가 형성된다. 유전체 블럭(1)의, 단락면이 되는 2개의 단면에는, 단일층 전극 형태의 외부 도체(4')가 형성된다. 입출력 단자(7a, 7b)는 각 관통 구멍(8a, 8b)의 한쪽 개방단에, 입출력 단자(7a, 7b)가 관통 구멍(8a, 8b)의 내면에 형성된 내부 도체로부터 유전체 블럭(1)의 단면 및 상면까지 연속적으로 연장함과 아울러, 외부 도체(4, 4')로부터 분리되도록 형성된다. 또한, 외부 도체(4)로부터 분리된 입출력 단자(7c)는 유전체 블럭(1)의 외면에 형성된다.
관통 구멍(2b, 2c)에 의해 형성되는 2개의 공진기는 컴 라인 형태로 결합된다. 결합 선로 구멍(8a, 8b)은 관통 구멍(2b, 2c)에 의해 형성되는 각 공진기와 인터디지탈 결합된다. 관통 구멍(2a)에 의해 형성되는 공진기는 결합 선로 구멍(8a)과 인터디지탈 결합된다. 따라서, 관통 구멍(2b, 2c)으로 이루어진 2단 공진기에 의해 넓은 통과 대역을 갖는 필터가 형성되며, 이 광대역 필터 및 관통 구멍(2a)에 의해 실현되는 트랩 공진기에 의하여, 송신 필터가 형성된다. 관통 구멍(2d, 2e, 2f)에 의해 형성된 3개의 공진기는 컴 라인 형태로 결합된다. 결합 선로 구멍(8b)은 관통 구멍(2d)에 의해 형성되는 공진기와 인터디지탈 결합된다. 신호 입출력 단자(7c)는 관통 구멍(2f)에 의해 형성되는 공진기와 용량 결합된다. 따라서, 관통 구멍(2d, 2e, 2f)에 의해 실현되는 3개의 공진기에 의하여, 대역 통과 특성을 갖는 수신 필터가 형성된다.
따라서, 본 발명에 따른 유전체 듀플렉서는, 신호 입출력 단자(7a)가 송신 회로 접속용 외부 단자의 역할을 하고, 신호 입출력 단자(7b)가 안테나 접속용 외부 단자의 역할을 하고, 신호 입출력 단자(7c)가 수신 회로 접속용 외부 단자의 역할을 하는 안테나 듀플렉서로서 기능한다.
제 8 실시형태에 따른 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서의 구조예를 도 11을 참조하여 설명하겠다.
도 11A 및 도 11B는 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉서의 유전체 블럭의 부분 확대 단면도이다. 도 11A, 도 11B에 있어서, 도 3 또는 도 7에 C로 나타낸 부분과 마찬가지로, 유전체 블럭의 단락 단부의 단면 구조를 도시하고 있다. 관통 구멍(2)의 내면에 형성된 내부 도체(3)의 구조 및 유전체 블럭(1)의 외부 측면에 형성된 외부 도체(4)의 구조는 도 3 또는 도 7에 도시된 것과 유사하다.
도 11A에 도시된 예에서, 유전체 블럭(1)의 단락 단면에는, 번갈아 배치되어 다층 구조를 이루는 박막 도체층(41) 및 박막 유전체층(42), 및 최외층 도체층(43)을 포함하는 박막 다층 전극이 형성된다. 박막 다층 전극 구조의 내부 도체(3)의 단부(코너부) 및 박막 다층 전극 구조의 외부 도체(4)의 단부(코너부)에서, 최외층 도체층을 포함하는 각 박막 도체층은 단일층 전극에 의하여 공통으로 전기적으로 접속된다.
단락단에서 박막 다층 전극의 각 도체층을 공통으로 접속한 결과, 각 박막 도체층은 공통의 0 전위를 가지며, 각 박막 도체층에 흐르는 고주파 전류가 동일한 위상을 갖는다. 따라서, 제 1 실시형태에서와 같이, 유효 표피 깊이가 증가한다. 또한, 단락 단면의 외부 전극(4)이 박막 다층 전극 구조를 가지기 때문에, 단락 단면의 외부 도체(4)의 박막 도체층 사이에 전류가 분산되고, 따라서 단락 단면에서의 도체 손실이 충분히 줄어든다.
도 11B에 도시된 예에 있어서, 관통 구멍(2)의 내면의 내부 도체(3), 유전체 블럭(1)의 외면의 외부 도체(4) 및 단락 단면의 외부 도체(4)는 모두 박막 다층 구조를 갖는 연속적인 전극으로 형성된다. 또한, 이 구조에서, 각 박막 도체층에 흐르는 고주파 전류는 실질적으로 동일한 위상을 가지며, 유효 표피 깊이가 증가한다. 또한, 단락 단면의 외부 도체(4)의 박막 도체층 사이에 전류가 분산되고, 따라서 단락 단면의 도체 손실이 충분히 줄어든다.
상술한 실시형태에 따른 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉서를 사용한 통신 장치의 구성을 도 12를 참조하여 설명하겠다. 도 12에 도시한 바와 같이, 통신 장치는 송수신 안테나 ANT, 듀플렉서 DPX, 대역통과 필터 BPFa, BPFb, BPFc, 증폭기 AMPa, AMPb, 믹서 MIXa, MIXb, 오실레이터 OSC, 및 분주기(신시사이저) DIV를 포함한다. 믹서 MIXa는 변조 신호에 따라서, 분주기 DIV로부터 출력되는 주파수 신호를 변조한다. 대역 통과 필터 BPFa는 송신 주파수 대역내의 신호 성분만을 통과시킨다. 증폭기 AMPa는 통과 대역 필터 BPFa로부터 출력되는 신호의 전력을 증폭한다. 증폭된 신호는 듀플렉서 DPX를 통하여 안테나 ANT에 공급되어, 안테나 ANT로부터 송신된다. 증폭기 AMPb는 듀플렉서 DPX로부터 출력되는 신호를 증폭한다. 대역 통과 필터 BPFb는 수신 주파수 대역내의 신호 성분만을 통과시킨다. 믹서 MIXb는 대역 통과 필터 BPFc로부터 출력되는 주파수 신호를 수신된 신호와 믹싱하고, 중간 주파 신호 IF를 출력한다.
도 12에 나타낸 듀플렉서로서, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11에 나타낸 구조중의 어느 하나를 갖는 유전체 듀플렉서를 사용하여도 된다. 대역 통과 필터 BPFa, BPFb, BPFc로서, 도 1∼ 도 7 및 도 11에 도시된 구조 중의 어느 하나를 갖는 유전체 필터를 사용해도 된다. 따라서, 전체 사이즈가 작고 저손실을 갖는 통신 장치가 실현된다.
상술한 실시형태에 있어서, 직사각형 형상을 갖는 단일 유전체 블럭의 내면 및 외면에 전극이 형성된다. 또는, 소정 부위에 전극이 형성된 2개 이상의 유전체 블럭을 접합함으로써, 유사한 구조를 갖는 유전체 공진기, 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉서를 제조해도 된다. 또는, 스퍼터링, 진공 증착, CVD, 레이저 연마, 이온 도금 등의 물리적 또는 화학적 막 증착 기술에 의하여 도체층 및 유전체층을 번갈아 형성하여 다층 구조로 함으로써, 박막 다층 전극을 형성해도 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 많은 이점을 제공한다. 즉 본 발명의 한 양태에 있어서, 내부 도체 및 외부 도체중의 적어도 한쪽의 적어도 일부는, 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이보다 작은 두께를 갖는 박막 도체층 및 특정의 유전율을 갖는 박막 유전체층을 번갈아 배치함으로써 형성된 박막 다층 전극 구조를 갖는다. 이에 따라서, 내부 도체 및 외부 도체의 유효 단면적이 증가하고, 도체 손실이 감소한다. 그 결과, 저손실 특성을 갖는 유전체 공진기, 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서를 실현하는 것이 가능하다. 또한, 사이즈가 작고 전력 효율이 높은 통신 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 있어서, 유전체 블럭의 2개의 대향하는 단면 사이에 관통 구멍이 형성되며, 유전체 블럭의 2개의 대향하는 단면중의 하나는 개방 단면으로 작용하고, 다른 단면은 단락 단면으로 작용한다. 단락 단면은 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이보다 큰 두께를 갖는 단일층 전극 구조를 갖는 외부 도체로 피복된다. 단락 단면 이외의 측면에 배치된 외부 도체는 박막 다층 전극 구조를 갖는다. 따라서, 단락 단면을 갖는 유전체 공진기에서, 박막 다층 전극의 각 박막 도체층에 흐르는 전류는 동일한 위상을 갖는다. 그 결과, 박막 도체층 사이에 전류가 분산되기 때문에, 저손실 특성을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 유전체 블럭에 복수의 관통 구멍이 형성되고, 관통 구멍의 내면에는, 내부 도체들의 가장 근접한 부분이 박막 다층 전극 구조를 갖도록 내부 도체가 형성된다. 이러한 구조에서는, 전류가 집중되는 위치에 박막 다층 전극이 형성되기 때문에, 유전체 필터의 삽입 손실이 효과적으로 개선된다.

Claims (11)

  1. 유전체 블럭;
    상기 유전체 블럭의 한 단면에서 대향 단면에 연장되는 관통 구멍의 내면에 형성된 내부 도체; 및
    상기 유전체 블럭의 외면에 형성된 외부 도체;를 포함하는 유전체 공진기로서,
    상기 내부 도체 및 상기 외부 도체 중의 적어도 한쪽의 적어도 일부분이, 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이보다 작은 두께를 갖는 박막 도체층과 특정의 유전율을 갖는 박막 유전체층을 번갈아 배치함으로써 형성된 박막 다층 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 도체는 상기 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 도체는 상기 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 한 단면은 개방 단면으로서 작용하도록 형성되고, 상기 대향 단면은 단락 단면으로서 작용하도록 형성되며, 상기 단락 단면의 상기외부 도체의 일부분은 단일층 전극 구조를 갖도록 형성되며, 또한 상기 단락 단면의 상기 일부분 이외의 외부 도체의 부분은 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단락 단면의 외부 도체의 상기 일부분은 상기 사용 주파수에 있어서의 표피 깊이의 3배 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 관통 구멍은 구멍직경이 작은 소 직경부 및 구멍직경이 큰 대 직경부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  7. 제 1 항에 기재된 유전체 블럭; 및
    상기 유전체 블럭의 외면에 배치되며 고주파 신호 입출력 단자의 역할을 하는 외부 단자들;을 포함하는 유전체 필터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유전체 블럭은 복수개의 상기 관통 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 필터.
  9. 제 8 항에 있어서, 인접하는 관통 구멍의 내면에 형성된 내부 도체들 중에서, 내부 도체들의 가장 근접한 부분은 상기 박막 다층 전극 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 필터.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 기재된 유전체 필터;
    안테나 접속용의 외부 단자;
    수신 회로 접속용의 외부 단자; 및
    송신 회로 접속용의 외부 단자를 포함하는 유전체 듀플렉서로서,
    상기 외부 단자들은 상기 유전체 블럭의 외면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 듀플렉서.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중의 한 항에 기재된 유전체 필터 또는 제 10 항에 기재된 유전체 듀플렉서를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
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