KR100388315B1 - 공진기 결합형 유전체 필터 - Google Patents

Abstract

개시된 공진기 결합형 유전체 필터는 유전체 기판에 형성한 복수의 직렬공진 회로를 구성하는 스파이럴 코일의 상호간에 발생하는 상호 인덕턴스를 이용하여 통과 대역폭의 상측 또는 하측에 감쇠 극이 발생하도록 한다.

유전체 기판; 유전체 기판에 각기 평판 패턴 및 스파이럴 코일 패턴이 형성되어 직렬공진을 이루고 상호간에 직렬 접속되는 복수의 직렬공진 패턴; 및 유전체 기판의 상면에 복수의 직렬공진 패턴과 절연을 이루면서 고정되고 그 복수의 직렬공진 패턴의 접속점에 전기적으로 접속되며 병렬공진으로 동작하는 유전체 공진기를 구비하고, 복수의 직렬공진 패턴의 스파이럴 코일은 상호간에 상호 인덕턴스가 발생되도록 근접 위치하며, 복수의 직렬공진 패턴의 스파이럴 코일 패턴은; 서로 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하거나 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하고, 스파이럴 코일 패턴의 사이에는; 접지 패턴을 삽입 위치시키고 그 접지 패턴의 삽입 깊이로 상호 인덕턴스의 값을 조절하며, 유전체 기판은 복수의 직렬공진 패턴이 형성된 부위를 제외하고 기생 용량이 발생하지 않도록 소정 간격으로 복수의 쓰루 홀을 형성한다.

Description

공진기 결합형 유전체 필터{A resonance coupled dielectric filter}

본 발명은 유전체 기판에 형성한 복수의 직렬공진회로를 구성하는 스파이럴코일의 상호간에 발생하는 상호 인덕턴스를 이용하여 통과 대역폭의 상측 또는 하측에 감쇠 극(attenuation pole)이 발생하도록 하는 상호 인덕턴스를 이용하여 감쇠 극을 가지는 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 있다.

PCS 시스템을 구성하는 핵심 부품으로는 안테나, 전력 증폭기, 저 잡음 증폭기, 대역통과필터 및 혼합기 등이 있다. 이러한 핵심 부품들 중에서 UHF 대역의 대역통과필터는 저주파에서 사용되는 코일 및 콘덴서 등의 집중소자를 사용할 경우에 제작이 어려워 실용화에 어려움이 있고, 마이크로파 대역 주파수에서 사용되는 분포소자를 이용할 경우에 부피가 커지는 단점이 있으나, 고 유전율, 저 손실 및 높은 온도 안정성을 가지는 세라믹 유전체의 개발로 분포소자의 크기가 작아져 필터의 크기가 소형화되고 있다.

도 1은 일반적인 3차 대역통과필터의 구성을 보인 회로도이다. 이에 도시된 바와 같이 코일 및 콘덴서가 각기 직렬 접속된 2개의 직렬 공진회로(10, 12)가 직렬 연결되고, 직렬 공진기(10, 12)의 접속점과 접지의 사이에는 코일 및 콘덴서가 병렬 접속된 병렬 공진회로(14)가 연결된다.

이러한 복수의 직렬공진회로(10, 12) 및 병렬공진회로(14)로 이루어지는 3차대역통과필터는 분포소자로 병렬공진을 이루는 유전체 공진기를 사용할 경우에 도 2에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다. 즉, 2개의 직렬공진회로(10)(12)는 콘덴서(C10, C11)(C12∼C14),(C15∼C17)(C18, C19)로 각기 이루어지는 J 인버터(101, 105)(121, 125)들과 이들 복수의 J 인버터(101, 105)(121, 125)들의 사이에 각기 구비되는 병렬공진의 유전체 공진기(103)(123)로 이루어지고, 병렬공진회로(14)는 하나의 유전체 공진기(141)로 이루어진다.

상기 도 2에서 각각의 유전체 공진기(103)(141)(123)에 인접되어 병렬로 위치하는 콘덴서(C11, C12)(C14, C15)(C17, C18)는 유전체 공진기(103)(141)(123)에 각기 포함시켜 설계 및 제조할 수 있는 것으로서 콘덴서(C11, C12)(C14, C15)(C17, C18)가 유전체 공진기(103)(141)(123)에 포함될 경우에 도 3에 도시된 바와 같이 직렬 연결되는 4개의 콘덴서(C30∼C33)와, 상기 콘덴서(C30∼C33)의 사이에 병렬 연결되는 3개의 유전체 공진기(31, 33, 35)로 이루어진다.

상기 유전체 공진기(31, 33, 35)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 단락 및 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(31, 33, 35)를 사용하는 종래의 3차 대역통과필터는도 5에 도시된 바와 같이 병렬 결합되는 복수의 유전체 공진기(31, 33, 35)와, 콘덴서 패턴이 형성되고 상기 병렬 결합된 유전체 공진기(31, 33, 35)가 전기적으로 연결되는 평판 콘덴서(50)와, 상기 유전체 공진기(31, 33, 35) 및 평판 콘덴서(50)를 고정하는 기판(52)으로 구성하였다.

상기 평판 콘덴서(50)는 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 패턴이 형성되어 콘덴서(C30∼C33)가 구성되고, 구성된 콘덴서(C30∼C33)의 패턴이 상기 복수의 유전체 공진기(31, 33, 35)에 전기적으로 연결된다.

이러한 종래의 유전체 공진기 결합형 대역통과필터는 필터링하는 차(pole)수만큼 유전체 공진기(31, 33, 35)를 사용해야 되고, 또한 외부에서 별도의 콘덴서(C30∼C33)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.

한편, 유전체 공진기(31, 33, 35)를 사용하는 대역통과필터에서 통과 대역폭의 주파수 특성이 감쇠 극을 가지도록 할 경우에 보다 날카롭게 원하는 대역의 주파수를 필터링할 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 병렬공진회로를 이루는 유전체 공진기(33)에 직렬로 콘덴서(C70)를 연결할 경우에 도 8에 도시된 바와 같이 통과 대역폭의 상측으로는 주파수 특성이 나빠지나, 하측(여기서, f₀은 통과 대역폭의 중심 주파수임)으로는 감쇠 극이 형성되면서 보다 날카롭게 되어 주파수 특성이 향상된다. 그리고도 9에 도시된 바와 같이 병렬공진회로를 이루는 유전체 공진기(33)에 직렬로 코일(L90)을 연결할 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이 통과 대역폭의 하측으로는 주파수 특성이 나빠지나, 상측으로 감쇠 극이 형성되면서 보다 날카롭게 되어 주파수 특성이 향상된다.

또한 유전체 공진기(31, 33)에도 상기한 바와 같이 콘덴서 또는 코일을 선택적으로 직렬 연결함에 따라 감쇠 극이 형성되어 원하는 대역의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 대역통과필터가 소정의 감쇠 극을 가지도록 하기 위하여 종래에는 유전체 공진기(31, 33, 35)와 평판 콘덴서(50)의 사이에 별도로 집중소자인 콘덴서 또는 코일을 연결하였다.

그러나 상기한 바와 같이 감쇠 극을 가지도록 하게 되면, 대역통과필터의 크기가 더욱 커지게 됨은 물론 대역통과필터의 제조공정에서 별도로 집중소자인 콘덴서 또는 코일을 연결해야 되는 것으로서 많은 제작 시간이 소요되는 등의 여러 가지 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 유전체 기판에 직렬공진회로의 패턴을 형성하고, 그 직렬공진회로를 이루는 스파이럴 코일이 상호간에 소정의 상호 인덕턴스를 가지도록 하여 별도의 콘덴서 및 코일을 구비하지 않고서도 감쇠 극을 가지도록 하는 상호 인덕턴스를 이용하여 감쇠 극을 가지는 공진기 결합형 유전체 필터를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상호 인덕턴스를 이용하여 감쇠 극을 가지는 공진기 결합형 유전체 필터에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되어 직렬공진을 이루고 상호간에 직렬 접속되도도록 패턴이 형성된 복수의 스파이럴 코일 패턴; 및 상기 유전체 기판의 상면에 상기 복수의 스파이럴 코일 패턴과 절연을 이루면서 고정되고 그 복수의 스파이럴 코일 패턴의 접속점에 전기적으로 접속되며 병렬공진으로 동작하는 유전체 공진기를 구비하고, 상기 복수의스파이럴 코일패턴은 상호간에 상호 인덕턴스가 발생되도록 수평방향으로 인접 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 복수의 직렬공진 패턴의 스파이럴 코일 패턴은; 서로 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하거나 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하고, 스파이럴 코일 패턴의 사이에는; 접지 패턴을 삽입 위치시키고 그 접지 패턴의 삽입 깊이로 상호 인덕턴스의 값을 조절한다.

또한 상기 유전체 기판은 복수의 직렬공진 패턴이 형성된 부위를 제외하고 기생 용량이 발생하지 않도록 소정 간격으로 복수의 쓰루 홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 3차 대역통과 필터의 구성을 예로 들어 보인 회로도이고,

도 2는 도 1의 3차 대역통과필터를 유전체 공진기로 구성한 회로도이며,

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

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

도 5는 종래의 유전체 공진기 결합형 3차 대역통과필터의 구성을 예로 들어 보인 도면이며,

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

도 7은 통과 대역폭의 하측으로 감쇠 극을 가지도록 하는 구성을 보인 회로도이며,

도 8은 도 7의 주파수 특성을 보인 그래프이며,

도 9는 통과 대역폭의 상측으로 감쇠 극을 가지도록 하는 구성을 보인 회로도이며,

도 10은 도 9의 주파수 특성을 보인 도면이며,

도 11은 본 발명에 따른 대역통과필터의 구성을 보인 도면이며,

도 12는 본 발명의 대역통과필터에서 유전체 기판의 상면을 보인 도면이며,

도 13은 본 발명의 대역통과필터에서 유전체 기판의 하면을 보인 도면이며,

도 14는 본 발명에 따른 대역통과필터의 구성을 보인 회로도이며,

도 15는 본 발명에 따른 대역통과필터의 등가 회로도이며,

도 16 및 도 17은 스파이럴 코일 패턴의 형성 방향에 따라 발생되는 상호 인덕턴스를 설명하기 위한 도면이며,

도 18은 본 발명에서 설정된 상호 인덕턴스의 값에 따른 주파수 특성을 보인 그래프이며,

도 19는 본 발명에서 접지 패턴을 이용하여 상호 인덕턴스의 값을 조절하는 실시 예를 보인 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1100 : 유전체 기판 1101 : 쓰루 홀

1110, 1120 : 직렬공진 패턴 1111, 1112, 1121, 1122 : 평판 패턴

1113, 1123 : 스파이럴 코일 패턴 1130 : 유전체 공진기

1900 : 접지 패턴

이하 첨부된 도 11 내지 도 19의 도면을 참조하여 본 발명의 상호 인덕턴스를 이용하여 감쇠 극을 가지는 공진기 결합형 유전체 필터를 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명에 따른 대역통과필터의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 1100은 소정의 유전율을 가지는 유전체 기판이고, 부호 1110 및 1120은 상기 유전체 기판(1100)에 패턴이 형성되어 각기 직렬공진을 이루는 복수의 직렬공진 패턴이다. 상기 복수의 직렬공진 패턴(1110)(1120)은, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 유전체 기판(1100)의 상면 및 하면에 상호간에 마주보도록 복수의 평판 패턴(1111, 1112)(1121, 1122)을 형성하여 소정의 커패시턴스를 가지도록 하고, 상면의 평판 패턴(1111)(1121)에는 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)을 각기 연결 형성하여 소정의 인덕턴스를 가지도록 한다. 그리고 상기 유전체 기판(1100)의 상기 복수의 직렬공진 패턴(1110)(1120)이 형성된 부위를 제외하고 복수의 쓰루 홀(through hole)(1101)을 형성하여 기생 용량이 발생되지 않도록 한다. 상기 쓰루 홀을 형성하는데 있어, 쓰루 홀을 많이 형성하면 특성은 개선되나 제조 가격이 많이 들므로 이를 적절히 형성한다. 이와 같은 방법으로는, 테두리 및 주요 포인트에 주로 쓰루 홀을 형성한다.

부호 1130은 상기 유전체 기판(1100)의 상면에 고정되고 상기 직렬공진 패턴(1110)(1120)에 전기적으로 연결되는 유전체 공진기이다. 상기 유전체 공진기(1130)는 상기 복수의 직렬공진 패턴(1110)이 쇼트되지 않도록 유전체 기판(1100)의 상면에 페이스트 등의 절연재가 도포된 후 고정되고, 상기 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)의 단부에 상기 유전체 공진기(1130)가 연결된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 대역통과필터를 회로도로 도시하면, 도 14와 같다. 여기서, 부호 C130 및 C131은 상기 평판 패턴(1111, 1112)(1121, 1122)에의한 커패시턴스이고, 부호 L130 및 L131은 상기 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)에 의한 인덕턴스로서 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)을 상호간에 근접되게 위치시킬 경우에 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)은 상호간에 상호 인덕턴스(M)가 발생되어 등가 회로로 나타낼 경우에 도 15에 도시된 바와 같다.

상기 발생하는 상호 인덕턴스(M)의 극성은 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)을 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 플러스 값 또는 마이너스 값을 가지게 된다.

즉, 도 16에 도시된 바와 같이 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)을 동일한 방향으로 형성하여 반대방향으로 전류가 흐르도록 할 경우에 인덕턴스(L130)(L131)에 상호 인덕턴스(M)가 각기 합산됨과 아울러 유전체 공진기(1130)에는 마이너스 값을 가지는 상호 인덕턴스(－M)가 직렬 연결되는 결과를 가지게 되는 것으로서 마이너스 값을 가지는 상호 인덕턴스(－M)는 유전체 공진기(1130)에 콘덴서가 직렬 연결되는 것으로 동작하여 통과 대역폭의 하측으로 감쇠 극을 가지게 된다.

그리고 도 17에 도시된 바와 같이 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)을 서로 다른 방향으로 형성하여 서로 동일한 반대방향으로 전류가 흐르도록 할 경우에 인덕턴스(L130)(L131)에 상호 인덕턴스(M)가 각기 감산됨과 아울러 유전체 공진기(1130)에는 플러스 값을 가지는 상호 인덕턴스(＋M)가 직렬 연결되는 결과를 가지게 되는 것으로서 플러스 값을 가지는 상호 인덕턴스(＋M)가 유전체 공진기(1130)에 코일이 직렬 연결되는 것으로 동작하여 통과 대역폭의 상측으로 감쇠 극을 가지게 된다.

이러한 본 발명에 따라 상호 인덕턴스(M)가 소정의 값을 가지도록 한 후 통과 대역폭의 주파수 특성을 측정한 결과 도 18에 도시된 바와 같은 결과를 얻었다.

상기 도 18의 도면에서 알 수 있는 바와 같이 상호 인덕턴스(M)의 값을 마이너스로 높게 설정할수록 통과 대역폭의 상측으로는 주파수 특성이 완만하게 되나, 통과 대역폭의 하측으로 보다 날카로운 주파수 특성을 가지게 개선되고, 또한 상호 인덕턴스(M)의 값을 플러스로 높게 설정할수록 통과 대역폭의 하측으로는 주파수 특성이 완만하게 되나, 통과 대역폭의 상측으로 보다 날카로운 주파수 특성을 가지게 개선된다.

도 19는 본 발명에 따라 상호 인덕턴스(M)의 값을 조절하는 구성을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 유전체 기판(1110)에 접지 패턴(1900)을 형성하고, 형성한 접지 패턴(1190)을 상기 직렬공진 패턴(1110)(1120)의 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)의 사이에 삽입시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명은 직렬공진 패턴(1110)(1120)의 스파이럴 코일 패턴(1113)(1123)의 사이에 접지 패턴(1190)이 삽입되어 그 삽입된 깊이만큼 상호 인덕턴스(M)가 발생하지 않고, 접지 패턴(1190)이 삽입되지 않은 부위에서 상호 인덕턴스(M)가 발생하게 되는 것으로서 접지 패턴(1190)의 삽입 깊이로 발생되는 상호 인덕턴스(M)의 값을 조절할 수 있다.

한편, 상기에서는 본 발명을 3차 대역통과필터를 기초로 하여 바람직한 실시 예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되는 것은 아니고 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 대역통과필터를 구성하는 복수의 직렬공진회로를 유전체 기판에 형성하여 대역통과필터의 크기를 줄일 수 있고, 또한 복수의 직렬공진회로를 구성하는 스파이럴 코일 패턴들의 상호간에 상호 인덕턴스가 발생되도록 함으로써 유전체 공진기에 별도의 집중소자를 연결하지 않고서도 통과 대역폭에 감쇠 극을 가지도록 하여 원하는 대역의 주파수를 매우 날카롭게 필터링할 수 있다.

Claims (5)

1. (2회정정) 유전체 기판;

   상기 유전체 기판의 상면에 패턴이 일체형으로 각각 형성된 복수의 스파이럴 코일 패턴;

   상기 유전체기판의 하면에 형성된 복수의 평판패턴과 상기 유전체 기판의 상면에 형성된 복수의 평판패턴간에 형성된 캐패시터와;

   상기 유전체 기판의 상면 및 배면이 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 복수의 스파이럴코일패턴이 형성된 이외 부분에 일정간격으로 기생용량이 발생되지 않도록 형성된 복수의 쓰루홀;

   상기 유전체 기판의 상면에 고정되고, 상기 복수의 스파이럴 코일 패턴과 절연을 이루면서 고정되며, 상기 복수의 스파이럴 코일 패턴의 접속점에 전기적으로 접속되어 병렬공진으로 동작하는 유전체 공진기를 구비하고,

   상기 복수의 스파이럴 코일패턴은 상호간에 상호 인덕턴스가 발생되도록 수평방향으로 인접하여 형성되고, 상기 복수의 스파이럴 코일패턴과 상기 캐패시터가 직렬공진기가 형성되도록 상기 복수의 스파이럴 코일패턴간에 직렬접속됨을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
2. (정정) 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 스파이럴 코일 패턴은;

   서로 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
3. (정정) 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 스파이럴 코일 패턴은;

   서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 스파이럴 코일 패턴의 사이에는;

   접지 패턴을 삽입 위치시키고 그 접지 패턴의 삽입 깊이로 상호 인덕턴스의 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 공진기 결합형 유전체 필터.
5. (삭제)