KR100397737B1 - 공진기, 필터, 듀플렉서 및 통신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단효과(end effect; 端效果)에 의한 전력 손실을 극히 효과적으로 억제하고, 게다가 전체적으로 더욱 소형화할 수 있도록 한 공진기, 필터, 듀플렉서 및 이들을 구비한 통신 장치를 얻는다.

본 발명에 따르면, 유전체 기판(1)의 하면에 접지 전극(3)을 형성하고, 상면에 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21)을 형성하고, 또한 절연층(5)을 통하여 그 표면에 방사상의 선로 패턴(22)을 형성한다. 이 다중 스파이럴형상 선로에 의한 다중 스파이럴 공진기에 대한 방사상 선로 패턴(22)의 근접에 의하여, 다중 스파이럴 공진기에 정전 용량이 부가된 것처럼 작용하고, 기판상의 공진기의 점유 면적의 축소화 및 손실저감효과를 향상할 수 있다.

Description

공진기, 필터, 듀플렉서 및 통신 장치{Resonator, filter, duplexer, and communication device}

본 발명은 무선 통신이나 전자파의 송수신에 사용되는, 예를 들면 마이크로파대나 밀리파대에 있어서의 공진기, 필터, 듀플렉서 및 통신 장치에 관한 것이다.

마이크로파대나 밀리파대에서 사용되는 소형화가능한 공진기로서, 특허공개 평2-96402호 공보에 스파이럴 공진기가 도시되어 있다. 이 스파이럴 공진기는 공진기 선로를 스파이럴형상으로 함으로써, 동일 점유 면적내에 길다른 공진 선로를 구성하여, 전체적으로 소형화를 도모한 것이다.

그런데, 상기 종래의 공진기는 1개의 반파장 선로로 1개의 공진기를 구성한 것이었다. 따라서 종래의 공진기는 전기 에너지가 집중되어 축적되는 영역과 자기 에너지가 집중되어 축적되는 영역이 각각 유전체 기판의 특정 영역에 분리되어 편재한다. 구체적으로는, 반파장 선로의 개방단부 근방에 전기 에너지가 축적되고, 반파장 선로의 중앙부 근방에 자기 에너지가 축적된다.

이와 같은 1개의 마이크로스트립 선로에 의해 구성되는 공진기에서는, 마이크로스트립 선로가 본질적으로 갖는 단효과에 의한 특성 열화를 면할 수 없다는 난점이 있었다. 즉 선로의 단면을 본 경우, 선로의 단부(폭방향의 양단 및 두께방향의 상단과 하단)에 전류가 집중된다. 만일, 선로의 막두께를 두껍게 하더라도, 전류 집중이 생기는 단부가 넓어질 리는 없기 때문에, 단효과에 의한 전력 손실의 문제는 반드시 생긴다.

본 발명의 목적은 단효과에 의한 전력 손실을 아주 효과적으로 억제하고, 게다가 전체적으로 더욱 소형화할 수 있도록 한 공진기, 필터, 듀플렉서, 및 이들을 구비한 통신 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공진기는 각각이 복수의 선로의 집합체로, 상기 복수의 선로의 양단을, 상기 기판상의 소정점의 주위에서 상기 집합체의 실질적인 내주상과 외주상에 각각 분포시켜서, 상기 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록 배치한 복수의 선로 패턴을 구비하며, 이들 선로 패턴을 서로 절연 상태로 배치함과 아울러, 적어도 하나의 선로 패턴의 각각의 선로를 스파이럴형상으로 하고, 다른 선로 패턴의 각각의 선로를 상기 선로 패턴의 각각의 선로와는 다른 형상으로 한다.

또한, 각각이 스파이럴형상을 이루는 복수의 선로의 집합체로, 상기 복수의 선로의 양단이 기판상의 소정점의 주위에서 상기 집합체의 실질적인 내주상과 외주상에 각각 분포하고, 상기 복수의 선로가 서로 교차하지 않도록 배치한 선로 패턴을 구비하며, 상기 선로 패턴의 실질적인 내주부와 외주부가 각각 전압 개방단으로 작용하는 반파장의 정수배의 공진 모드로 공진하는 공진기로서, 상기 공진 모드의 전압의 절(節)과 전압의 복(腹)의 전위차 또는 그 일부를 이용하여 정전 용량을 부가시키는 다른 선로 패턴을, 상기 선로 패턴에 대하여 절연 상태로 배치한다.

상기 복수의 스파이럴형상의 도체 패턴에 의하여, 어느 하나의 스파이럴형상의 선로에 인접하여 대략 동형상의 스파이럴형상의 선로가 존재하게 된다. 따라서, 미시적으로 본 물리적인 단부는 실제로 존재하며, 각각의 선로의 양단에 약한 단효과가 생기는데, 이들 복수의 선로의 집합체를 하나의 선로로 하여 거시적으로 보았을 때, 말하자면 어느 선로의 예를 들면 우측이웃에 자신과 합동인 선로의 좌측의 단부가 인접하게 되며, 선로의 폭방향의 단부라고 하는 것이 없어진다. 즉 단부의 존재가 희박해진다. 이 작용을 이용하여, 선로의 단부에 있어서의 전류 집중을 극히 효율적을 완화하고, 전체적인 전력 손실을 억제한다.

게다가, 각각의 선로가 스파이럴형상을 이루는 선로 패턴에 대하여 다른 선로 패턴을 근접시킴으로써, 상기 스파이럴형상의 선로에 의한 선로 패턴에 정전 용량을 등가적으로 부가하여, 공진 주파수의 저감 효과를 발생시키며, 미리 스파이럴형상의 선로길이를 짧게 설정하여 전체적인 소형화를 도모한다. 또한 동일 직경으로 선로 패턴을 형성할 때의 선수(線數)를 많게 하여, 이에 따라서 손실 저감 효과를 더욱 높인다.

상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴은 예를 들면 방사상의 패턴으로 한다.

또한, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 2개는 각각이 스파이럴형상을 이루는 복수의 선로의 집합체로 하고, 또한 스파이럴의 선회방향을 서로 반대 관계로 한다. 이에 따라서, 공진에 의한 자계 에너지를 효율적으로 유지시켜서 공진기의 Q를 높인다.

또한, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴은 공진 상태로 대략 등전위가 되는 부분끼리를 서로 도통시킨다. 이에 따라서, 스퓨리어스 공진 모드를 효과적으로 억압한다.

또한, 상기 선로 패턴의 선로를 초전도체로 구성한다. 이에 따라서 공진기의 Q를 높임과 아울러, 초전도체의 저손실 특성을 충분히 발휘시키며, 임계전류밀도 이하의 레벨에서 높은 Q로 동작시킨다.

또한, 선로 패턴의 각각의 선로폭을, 사용 주파수에 있어서의 선로 도체의표피깊이 정도 또는 표피깊이보다 가늘게 한다. 이에 따라서 선로의 좌우의 간극을 빠져나가는 자속을 유지시키기 위해 흐르는 전류가 좌우에서 간섭하는 거리가 되도록 하여, 공진 위상으로부터 변이된 위상을 갖는 무효 전류를 억제한다. 이에 따라서, 전력 손실을 비약적으로 저감시킨다.

본 발명에 따른 필터는 상기 중 어느 한 구성을 구비한 공진기에 결합하는 신호입출력부를 형성하여 구성한다. 또한, 본 발명에 따른 듀플렉서는 상기 필터를 송신 필터 또는 수신 필터로 하여, 또는 그 양 필터로서 형성하여 구성한다. 이에 따라서 삽입 손실을 저감함과 아울러, 전체적인 소형화를 도모한다.

본 발명의 통신 장치는 상기 필터 또는 듀플렉서를 사용하여 구성한다. 이에 따라서 고주파 송수신부의 삽입 손실을 저감하여, 잡음 특성, 전송 속도 등의 통신 품질을 향상시킴과 아울러, 전체적인 소형화를 도모한다.

도 1은 다중 스파이럴 선로에 의한 공진기의 구성을 나타낸 도이다.

도 2는 도 1의 선로의 패턴을 극좌표에서 직각좌표로 변환하여 나타낸 도이다.

도 3은 공진기의 전자계 분포의 예를 나타낸 도이다.

도 4는 다른 공진기의 전자계 분포의 예를 나타낸 도이다.

도 5는 제 1 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 예이다.

도 6은 도 5의 공진기에 있어서의 전자계 및 전류 밀도 분포의 예를 나타낸 도이다.

도 7은 제 2 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 예이다.

도 8은 제 3 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 예이다.

도 9는 도 8의 공진기에 있어서의 전자계 및 전류 밀도 분포의 예를 나타낸 도이다.

도 10은 제 4 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다.

도 11은 제 5 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다.

도 12는 제 6 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다.

도 13은 제 7 실시형태에 따른 공진기에 있어서의 몇가지 선로 패턴의 예를 나타낸 도이다.

도 14는 제 8 실시형태에 따른 필터의 구성을 나타낸 사시도이다.

도 15는 제 9 실시형태에 따른 듀플렉서의 구성을 나타낸 사시도이다.

도 16은 도 15의 듀플렉서의 블럭도이다.

도 17은 제 10 실시형태에 따른 통신 장치의 구성을 나타낸 도이다.

(도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명)

1: 유전체 기판 21, 22, 23: 선로 패턴

3: 접지 전극 4: 캐버티

5: 절연층 6: 기판

7: 분기용 선로 8: 접속용 전극

9: 결합 패드 10: 본딩 패드

11: 본딩 와이어 12: 입출력 단자

13: 캡 100: 송신 필터

101: 수신 필터

(발명의 실시형태)

먼저, 본 발명의 공진기의 원리에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 1b는 공진기의 구성을 나타낸 상면도이고, 도 1c는 단면도, 도 1d는 부분 확대 단면도이다. 유전체 기판(1)의 하면에는 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있으며, 상면에는 각각 합동인, 양단 개방의 스파이럴형상의 8개의 선로(2)를, 서로 교차하지 않도록, 각각의 선로의 일단과 타단을 기판상의 소정점(중심점)의 주위에 배치하고 있다. 도 1a는 이들 8개의 선로 중에서 하나의 선로를 대표적으로 도시하고 있다. 이들 선로의 폭은 표피 깊이에 대략 동등한 폭으로 하고 있다. 이하, 이와 같은 스파이럴형상의 집합체를 "다중 스파이럴 선로"라 한다.

도 2는 도 1에 나타낸 8개의 선로의 형상을 극좌표의 파라미터를 사용하여 나타낸 것이다. 이 예에서는, 8개의 선로의 각각의 내주단의 동경(動徑;radius vector) rl 및 외주단의 동경 r2는 일정하며, 각각의 단부의 각도 방향의 위치를 등간격으로 배치하고 있다. 임의의 동경에 있어서의 선로의 좌단의 각이 θ1, 우단의 각이 θ2일 때, 하나의 선로의 각폭을 Δθ=θ2-θ1로 나타낸다. 여기서, 선수 n=8이므로, 하나의 선로의 각폭 Δθ을 Δθ≤2π/8(=π/4) 라디안의 관계로 한다. 또한, 임의의 동경 rk에 있어서의 선로 집합체 전체의 각폭 θw를 2π라디안 이내로 한다.

이들 선로는 상호 유도 및 정전 용량에 의하여 결합한다. 이들 다중 스파이럴 선로와 유전체 기판(1)을 사이에 두고 대향하는 접지 전극(3)에 의하여 하나의 공진기로서 작용한다(이하, 이 공진기를 "다중 스파이럴 공진기"라 함).

상기 rl, r2는 반드시 일정할 필요는 없으며, 또한 등간격으로 배치하지 않아도 되고, 게다가 각 선로가 합동일 필요도 없다. 단, 특성면 및 제조의 용이성의 면에서, r1, r2를 일정하게 하고, 합동의 선로를 등간격으로 배치하는 편이 바람직하다.

도 3은 상기 다중 스파이럴 선로에 있어서의 전자계 및 전류의 분포예를 나타내고 있다. 도 3에 있어서의 상단은 다중 스파이럴 선로의 평면도인데, 개개의 선로를 분리하지 않고 색칠하여 표시하고 있다. 동도의 중단은 선로의 내주단과 외주단에 있어서의 전하가 최대인 순간에 있어서의 다중 스파이럴 선로의 A-A 부분의 단면에서의 전계 및 자계의 분포를 나타내고 있다. 또한, 하단은 그 순간에 잇어서의 동단면에서의 각 선로의 전류 밀도 및 선로의 간극을 지나는 자계의 z성분(지면에 수직인 방향)의 평균값을 각각 나타내고 있다.

여기서, 각 선로를 미시적으로 보면, 도면에 나타낸 바와 같이 각각의 단부에 있어서 전류 밀도가 커지는데, 동경 방향의 횡단면에서 보았을 때, 하나의 스파이럴형상 선로의 좌우 양측에 일정한 간극을 두어 동일한 정도의 진폭과 위상을 갖는 전류가 흐르는 도체 선로가 배치되기 때문에, 단효과가 완화된다. 즉 다중 스파이럴 선로를 하나의 선로로 본 경우, 내주단과 외주단이 전류 분포의 절, 중앙이 복이 될수록 거의 정현파형상으로 분포하고, 거시적으로는 단효과가 생기지 않는다.

도 4는 비교예이며, 도 3에 나타낸 각 선로의 선로폭을 표피 깊이의 수배의 폭까지 넓힌 경우에 대하여 나타내고 있다. 이와 같은 선로폭을 넓히면, 도면에 나타낸 바와 같이 각 도체의 단효과에 의한 전류 집중이 현저화되고, 손실 저감 효과는 작아진다.

다음으로, 본 발명의 제 1 실시형태인 공진기의 구성을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하겠다.

도 5a는 공진기의 상면도, 도 5b는 중앙세로단면도, 도 5c 및 도 5d는 2개의 선로 패턴의 평면도이다. 유전체 기판(1)의 하면에는 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있으며, 상면에는 복수의 스파이럴형상의 선로 패턴(1)을 형성하고 있다. 도5c는 그 예이며, 각각 합동인 양단 개방의 스파이럴형상의 복수개의 선로를 서로 교차하지 않도록, 각각의 선로의 일단과 타단을 기판상의 소정점(중심점)의 주위체 회전대칭형상으로 배치하고 있다.

도 5b에 있어서 5는 절연층이며, 이 상면에 상기 선로 패턴(21)과는 다른 선로 패턴(22)을 형성하고 있다. 도 5d는 그 예이며, 각각 합동인 양단 개방의 방사상의 복수개의 선로를, 서로 교차하지 않도록, 각각의 선로의 일단과 타단을 상기 소정점의 주위에 배치하고 있다. 상기 선로 패턴(21, 22)의 각각의 선로의 폭은 사용하는 주파수대에서 선로 도체의 표피 깊이에 대략 동등한 폭으로 하고 있다.

상기 선로 패턴(21, 22)의 도체 및 접지 전극(3)에는 Al, Cu, Ni, Ag, Au 등의 금속 재료를 사용한다. 또한, 절연층(5)에는 SiO₂, Al₂O₃, BCB(Benzo Cyclo Butene) 등의 절연 재료를 사용한다.

구체적으로는, 유전체 기판(1)의 표면에, 보호막으로서 Al₂O₃를 형성하고, 밀착층으로서 Ti의 박막을 형성하고, 그 표면에 도금막을 성장시키기 위한 재료로서의 Cu를 증착 또는 스퍼터링하고, 그 표면에 Cu를 도금성장시킨다. 게다가, 그 표면에 확산방지층으로서 Ni막을 도금형성하고, 가장 표면에 신호입출력용의 와이어를 본딩하기 위하여 Au의 도금막을 형성한다. 이와 같이, Al₂O₃막의 표면에 금속박막을 형성한 상태에서 포토리소그래피에 의하여, 도 5c에 나타낸 바와 같은 선로 패턴(21)을 형성한다. 즉 포토레지스트막 도포→건조·경화→마스크노광→현상→베이크→에칭과 같은 공정으로 패터닝한다.

절연층(5)은 상기 절연재료를 증착 또는 스퍼터링에 의하여 성막하고, 그 표면에 상기 선로 패턴(21)의 경우와 마찬가지로 하여, 선로 패턴(22)을 패터닝한다.

상기 선로 패턴(21, 22)의 도체 및 접지 전극(3)에는, 고온초전도체 재료를 사용하여도 된다. 이에 따라서, 공진기의 Q가 더욱 높아진다. 또한, 전류 집중이 적은 만큼, 단위 면적 또는 단위 체적당의 전력 밀도를 높이더라도, 임계 전류 밀도 이하의 레벨에서 초전도체의 저손실 특성을 충분히 살릴 수 있으며, 높은 Q로 동작시킬 수 있다.

도 5에 나타낸 공진기는 다중 스파이럴 선로(21)와 유전체 기판(1)을 사이에 둔 접지 전극(3)과의 조합에 의하여, 도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 다중 스파이럴 공진기로서 작용한다.

도 6은 상기 공진기의 전자계 및 전류 밀도의 분포 예를 나타내고 있다. 분포도의 하단은 공진기의 A-A' 부분의 단면에서의 전계 및 자계의 분포를 나타내고 있다. 또한, 그 상단은 동단면에서의 순간에 있어서의 각 선로의 전류 밀도를 나타내고 있다.

이 다중 스파이럴 공진기는 내주부가 전위 최대가 될 때, 외주부는 전위 최소가 된다. 또한 공진 주기의 반주기만큼 경과한 시각에서 보면, 이 반대의 전위 관계가 된다. 따라서, 다중 스파이럴 선로의 내주부와 외주부를 시점 및 종점으로 하는 방사상의 선로 패턴(22)을 근접 배치하면, 다중 스파이럴 공진기의 내주부와 외주부의 전위차에 의하여 정전용량이 부가된 것처럼 작용한다. 즉, 다중 스파이럴 선로의 내주부로부터 외주부에 걸쳐서 절연층(5)을 통하여 방사상의 선로 패턴(22)과의 사이에 정전 용량이 분포하기 때문에, 다중 스파이럴 선로와 방사상 패턴의, 내주부 끼리와, 외주부끼리의 사이에 생기는 전위차는 도 6에 나타낸 바와 같이 된다.

환언하면, 선로 패턴(21)에 대하여 절연 상태로 배치한 선로 패턴(22)은 선로 패턴(21)에 의한 공진 모드의 전압의 절과 전압의 복과의 전위차 또는 그 일부를 이용하여 정전 용량을 부가시킨 것처럼 작용한다.

전류 밀도 분포의 피크가 선로 패턴(21)의 내주부와 외부주의 중앙보다 외주부 근처에 있는 것은 선로 길이에서 보았을 때의 중간점(50%의 위치)이 반경에서 보았을 때의 70%의 위치가 되기 때문이다.

이 부가 용량에 의하여 공진 주파수가 저하하므로, 그 만큼 미리 다중 스파이럴 선로의 각 선로 길이를 짧게 설정하여 두면, 소정의 공진 주파수를 얻기 위한 다중 스파이럴 공진기의 직경을 작게 할 수 있다. 또한, 동일한 외주부의 직경으로 하는 경우에는, 다중 스파이럴 선로의 선수를 많게 할 수 있으며, 그만큼 손실 저감 효과가 높아진다.

다음으로, 제 2 실시형태에 따른 공진기의 구성을 도 7을 참조하여 설명하겠다.

도 7a는 공진기의 상면도, 도 7b는 중앙 종단면도, 도 7c 및 도 7d는 2개의 선로 패턴의 평면도이다. 유전체 기판(1)의 하면에는 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있으며, 상면에는 도 7c에 나타낸 바와 같은 복수의 스파이럴형상 선로 패턴(21)에 의하여 다중 스파이럴 선로를 형성하고 있다. 이 선로 패턴(21)은 도 5에 나타낸 것과 동일하다. 도 7b에 있어서 5는 절연층이며, 이 상면에 선로 패턴(23)을 형성하고 있다. 도 7d는 그 예이며, 복수의 선로의 양단을, 선로 패턴(21)에 의한 다중 스파이럴 선로의 중심점의 주기로 실질적인 내주상과 외주상에 각각 분포시켜서, 상기 복수의 선로가 서로 교차하지 않도록, 각각 스파이럴형상의 선로를 배치하고 있다. 단, 이들 선로의 선회방향은 선로 패턴(21)의 각 선로의 선회방향과는 반대이다. 즉 스파이럴형상 선로 패턴(21)을 뒤집은 것 같은 패턴으로 하고 있다.

이들 선로 패턴(21, 23)의 각각의 선로의 폭은 사용하는 주파수 대역에서 선로 도체의 표피 깊이와 대략 동등한 폭으로 하고 있다.

이와 같은 구조에 의하여, 소망의 공진 주파수에 있어서의 공진 모드에 있어서, 선로 패턴(21)의 내주부가 전위 최대가 될 때, 외주부는 전위 최소가 된다. 게다가, 이 때, 또 하나의 선로 패턴(23)의 내주부는 전위 최소이며, 외주부는 전위 최대가 된다. 즉 유전체 기판(1)을 사이에 둔 선로 패턴(21)과 접지 전극(3)에 의한 제 1 다중 스파이럴 공진기와, 마찬가지로 유전체 기판(1)을 사이에 둔 선로 패턴(23)과 접지 전극(3)에 의한 제 2 다중 스파이럴 공진기의 위상 관계는 역상이 된다. 왜냐하면, 선로 패턴(21)의 내주부에서 외주부에 걸쳐서, 절연층(5)을 통하여 선로 패턴(23)과의 사이에 정전 용량이 분포하기 때문에, 선로 패턴(21)과 선로 패턴(23)의, 내주부끼리와, 외주부끼리의 사이에 생기는 전위차가 반대가 되기 때문이다. 이것이 다중 스파이럴 공진기에 정전 용량이 부가된 것과 등가가 된다. 따라서, 제 1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 다중 스파이럴 공진기의 직경을 작게할 수 있으며, 또한 동일한 직경으로 하는 경우에는 선수를 많게 함으로써 손실 저감 효과를 높일 수 있다.

또한, 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21)의 각 선로에 흐르는 전류는 내주부가 전위 최대, 외주부가 전위 최소일 때, 내주부에서 외부주를 향하여 좌방향으로 흐르고, 또 하나의 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(23)의 각 선로에 흐르는 전류는 이 때 외주부가 전위 최대, 내주부가 전위 최소이므로, 외주부에서 내주부를 향하여, 마찬가지로 좌방향으로 흐른다. 따라서, 전류는 동일한 선회방향을 향하여 흐르게 되고, 자계 에너지가 효율적으로 유지된다. 이 결과, 공진기의 Q가 높아진다.

다음으로, 제 3 실시형태에 따른 공진기의 구성을 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하겠다.

도 8a는 캐버티를 제외한 상태에서의 공진기의 상면도, 도 8b는 공진기의 중앙 종단면도, 도 8c, 도 8d는 2개의 선로 패턴의 평면도이다. 이 예에서는, 유전체 기판(1)의 도면에 있어서의 상면에 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21)을 형성하고 있으며, 마찬가지로 유전체 기판(1)의 하면에 또 하나의 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(23)을 형성하고 있다. 선로 패턴(21)은 도 8c에 나타낸 바와 같이 좌선(左旋)의 다중 스파이럴형상의 선로 패턴이며, 제 1 실시형태에서 나타낸 것과 동일하다. 도 8d는 유전체 기판(1)의 상면에서 본 도이며, 선로 패턴(23)은 상면에서 보아 우선의 다중 스파이럴형상의 선로 패턴으로 하고 있다. 따라서, 유전체 기판(1)의 하면측에서 보면, 이 선로 패턴(23)은 좌선의 다중 스파이럴 선로로 보인다.

이들 선로 패턴(21, 23)의 각각의 선로의 폭은 사용하는 주파수대역에서 선로 도체의 표피깊이와 대략 동등한 폭으로 하고 있다.

도 9는 도 8에 나타낸 공진기의 전자계 및 전류 밀도의 분포예를 나타내고 있다. 분포도의 하단은 공진기의 A-A' 부분의 단면에서의 전계 및 자계의 분포를 나타내고 있다. 또한, 그 상단은 동단면에서의 순간에서의 각 선로의 전류 밀도를 나타내고 있다.

캐버티(4)로 둘러싸인 공간에 있어서 선로 패턴(21)은 1개의 다중 스파이럴 공진기를 구성한다. 마찬가지로, 캐버티(4)에 의한 공간에 있어서, 선로 패턴(23)은 또 하나의 다중 스파이럴 공진기를 구성한다. 선로 패턴(21)에 의한 공진기의 공진 모드에 있어서, 내주부가 전위 최대가 될 때, 외주부는 전위 최소가 된다. 또한 공진 주기의 반주기만큼 경과한 시각에서는, 이 반대의 전위 관계가 된다. 따라서, 이 선로(21)에 또 하나의 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(23)을 근접배치하면, 다중 스파이럴 공진기의 내주부와 외주부의 전위차에 의하여 정전용량이 부가된 것처럼 작용한다. 즉 한쪽의 선로 패턴(21)의 내주부에서 외주부에 걸쳐서, 유전체 기판(1)을 통하여 다른쪽의 선로 패턴(23)과의 사이에 정전용량이 분포하기 때문에, 2개의 선로 패턴 사이에 생기는 전위차는 도 9에 나타낸 바와 같이 내주부와 외주부에서 반대가 된다. 이것이 다중 스파이럴 공진기에 정전 용량이 부가된 것과 등가가 된다.

이 부가용량에 의하여 공진 주파수가 저하하므로, 그만큼 미리 다중 스파이럴 선로의 각 선로 길이를 짧게 설정해두면, 소정의 공진 주파수를 얻기 위한 다중스파이럴 공진기의 직경을 작게 할 수 있다. 또한 동일한 직경으로 하는 경우에는, 다중 스파이럴 선로의 선수를 많게 할 수 있으며 그만큼 손실 저감 효과가 높아진다.

도 10은 제 4 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다. 도 10a는 상면도, 도 10b는 중앙 종단면도이다. 이 예에서는, 유전체 기판(1)의 상면에 각각 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21a, 23a, 21b, 23b)을 절연층(5)을 통하여 순차로 적층형성하고 있다. 이 4개의 선로 패턴 중에서, 21a, 21b는 도 10c에 나타낸 바와 같이 좌선의 다중 스파이럴 선로로 하고 있다. 또한, 23a, 23b는 도 10d에 도시하는 바와 같이 우선의 다중 스파이럴 선로로 하고 있다. 이 구조는 도 7에 나타낸 2층의 다중 스파이럴 선로를 1세트로 하였을 때, 이것을 2세트 형성한 것과 동등하다. 이와 같은 다층화에 의하여 전계 에너지의 축적량이 더욱 증가하고, 자계 에너지를 저손실로 유지할 수 있다. 그 결과, 공진기의 Q를 더욱 높일 수 있다.

도 11은 제 5 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다. 도 11a는 캐버티를 제외한 상태에서의 상면도, 도 11b는 공진기의 중앙 종단면도이다. 이 예에서는, 유전체 기판(1a)의 상면에, 도 11c에 나타낸 바와 같은 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21a)을 형성하고, 그 하면에 접지 전극(3a)을 대략 전면에 형성하고 있다. 또한, 또 하나의 유전체 기판(1b)의 도면에 있어서의 하면에, 도 11d에 나타낸 바와 같은 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21b)을 형성하고, 그 상면에 접지 전극(3b)을 대략 전면에 형성하고 있다.

이 예에서는, 선로 패턴(21a)은 좌선의 다중 스파이럴 선로를 구성하고, 선로 패턴(21b)은 우선의 다중 스파이럴 선로를 구성한다. 단, 도 11d는 유전체 기판(1b)의 상면에서 본 도이고, 유전체 기판(1b)의 하면측에서 보면 도 11c에 나타낸 것과 마찬가지로 좌선의 다중 스파이럴 선로로 보인다. 따라서, 유전체 기판(1a)에 의한 공진기와 유전체 기판(1b)에 의한 공진기는 모두 동일한 것이다. 이 2개의 공진기를, 다중 스파이럴 선로끼리가 공기층을 통하여 근접하도록 배치하고 있기 때문에, 도 9에 나타낸 것과 마찬가지로 그 간극 부분에, 주로 간극의 폭방향(유전체 기판에 수직인 방향)을 향한 전계 벡터가 분포하고, 단일의 유전체 기판을 이용한 경우에 비하여 정전 용량이 등가적으로 부가된 것이 된다. 이에 따라서, 다중 스파이럴 공진기의 직경을 작게 할 수 있으며, 동일한 직경으로 하는 경우에, 선수를 많게 함으로써 손실 저감 효과를 높일 수 있다.

도 12는 제 6 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타낸 도이다. 도 12a는 그 상면도, 도 12b는 그 중앙 종단면도이다. 이 예에서는 유전체 기판(1)의 내부에 도 12d에 나타낸 바와 같은 방사상의 선로 패턴(22)을 매설하고 있으며, 유전체 기판(1)의 상면에 도 12c에 나타낸 바와 같은 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21)을 형성하고 있다. 또한, 하면에는 대략 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있다. 선로 패턴(22)은 세라믹 다층 기판의 제조방법에 의하여 기판내에 매설한다.

이와 같이 하층에 방사상의 선로 패턴(22)을 형성하고, 상층에 다중 스파이럴형상의 선로 패턴(21)을 배치하더라도, 도 5에 나타낸 공진기의 경우와 마찬가지로, 다중 스파이럴 공진기에 정전 용량이 부가된 구조가 되며, 마찬가지로 하여 소형 및 저손실의 공진기를 구성할 수 있다.

도 13은 지금까지 나타낸 각종 형식의 공진기에 있어서의 선로 패턴의 다른 몇가지 예를 나타내는 도이다. 도 13a 내지 도 13d는 각각 다중 스파이럴형상의 선로 패턴에 대한 예이며, 도 13a의 예에서는 선로 패턴의 내주부를 접속하는 원형의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 또한 13b에 나타낸 예에서는, 그 내주단에 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 도 13c에 나타낸 예에서는, 다중 스파이럴형상의 선로 패턴의 내주단과 외주단 사이의 등전위 부분을 서로 접속하는 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 게다가 도 13d에 나타낸 예에서는, 그 외주단에 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다.

이와 같이, 어느 예에서도 다중 스파이럴형상 선로의 등전위 부분을 접속용 전극(8)으로 접속함으로써, 사용해야 할 기본 공진 모드 이외의 스퓨리어스 모드에 대하여, 상기 접속용 전극(8)이 비등전위 부분끼리를 접속하는 전극으로서 작용하므로, 그 스퓨리어스 모드가 효과적으로 억압된다.

도 13e 내지 도 13h는 방사상의 선로 패턴에 대한 예이며, 도 13e는 방사상의 선로 패턴의 내주단끼리를 접속하는 원형의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 도 13f에 나타낸 예에서는, 그 내주단에 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 도 13g에 나타낸 예에서는, 방사상 선로 패턴의 내주단과 외주단 사이의 등전위 부분을 서로 접속하는 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다. 게다가, 도 13h에 나타낸 예에서는, 그 외주단에 링형상의 접속용 전극(8)을 형성하고 있다.

이 방사상 선로 패턴은 공진기로서는 사용하고 있지 않지만, 다중 스파이럴 공진기의 전자계 중에서 동작하고 있으므로, 이와 같이 다중 스파이럴 공진기에 대하여 정전 용량을 부가시키도록 작용하는 방사상의 선로 패턴에 대해서도, 그 등전위 부분끼리를 접속용 전극(8)으로 접속함으로써, 방사상 선로 패턴의 내주단과 외주단의 양단이 개방된 반파장 공진 모드를 기본으로 하고, 그 외의 스퓨리어스 모드가 억제된다. 이 때문에, 다중 스파이럴 선로에 접속용 전극을 형성한 경우와 마찬가지로 스퓨리어스 억압 효과가 얻어진다.

다음으로, 필터의 구성예를 도 14를 참조하여 설명하겠다.

도 14는 필터 전체의 사시도이다. 도 14에 있어서, 참조번호 1은 알루미나 세라믹 기판이나 유리 에폭시 기판 등으로 이루어지는 유전체 기판이며, 그 상면에 3개의 다중 스파이럴 선로와 방사상 선로의 세트를 배열형성함으로써, 3개의 공진기를 구성하고 있다. 그 3개의 공진기중에서 양측의 다중 스파이럴 선로의 배치 영역의 중앙부에, 각 스파이럴형상 선로 및 방사상 선로의 내주단 사이에 정전 용량을 생기게 하는 결합 패드(9a, 9b)를 각각 형성하고 있다. 게다가, 유전체 기판(1)의 상면에는 본딩 패드(10a, 10b)를 형성하고 있다. 이 유전체 기판(1)의 하면에는 대략 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있다. 또한 참조번호 6은 절연체 또는 유전체의 기판이며, 그 상면으로부터 단면을 거쳐서 하면에 이르는 입출력 단자(12a, 12b)를 형성하고 있다. 이 기판(6)의 하면에는 입출력 전극(12a, 12b)의 형성 영역을 피하여 대략 전면에 접지 전극(3)을 형성하고 있다.

상기 유전체 기판(1)은 기판(6)의 상면에 접착고정하고 있다. 결합 패드(9a, 9b)와 본딩 패드(10a, 10b)의 사이는 각각 본딩 와이어(11)에 의하여 와이어 본딩하고 있다. 또한 기판(6)의 입출력 단자(12a, 12b)의 상면과 유전체 기판(1)의 본딩 패드(10a, 10b)의 사이도 본딩 와이어(11)에 의하여 와이어 본딩하고 있다. 기판(6)의 상면에는, 유전체 기판(1) 및 본딩 와이어 부분을 덮도록, 금속제 캡(13)을 절연성의 접합재에 의하여 접합하고 있다. 이에 따라서, 전체를 전자계 실드하고 있다. 도면에 있어서는, 캡(13)을 투시하여 그리고 있다.

이상에 나타낸 구성에 의하여, 결합 패드(9a)는 그 주위의 다중 스파이럴 선로와 용량결합하고, 이 다중 스파이럴 선로는 인접하는 다중 스파이럴 선로와 유도적으로 결합하고, 다시 이것에 인접하는 또 하나의 다중 스파이럴 선로와의 사이도 유도적으로 결합한다. 이 3단째의 다중 스파이럴 선로는 그 중앙부의 결합 패드(9b)와 용량결합한다. 입출력 단자(12a, 12b)는 결합 패드(9a, 9b)와 도통하고 있기 때문에, 결국 입출력 단자(12a-12b) 사이가 3단의 공진기에 의한 대역통과특성을 나타내는 필터로서 작용한다.

유전체 기판(1)상의 본딩 패드(10a, 10b)를 중계하지 않고 결합 패드(9a, 9b)와 입출력 단자(12a, 12b) 사이를 직접 와이어 본딩해도 된다.

게다가, 도 14에 나타낸 예에서는, 처음 단과 마지막 단 중 어느 한 공진기에 대해서도 결합 패드(9a, 9b)를 사용하여 입출력과 공진기간의 결합을 취하도록 하였으나, 어느 한쪽 공진기를 구성하는 다중 스파이럴 선로의 외주부에 용량결합용의 전극을 형성하도록 해도 된다.

도 15는 듀플렉서의 구성을 나타낸 도이며, 상부의 실드 커버를 제거한 상태에서의 상면도이다. 도면에 있어서, 참조번호 100, 101은 도 14에 나타낸 유전체 기판 부분의 구성을 구비하는 필터이며, 이 예에서는 참조번호 100을 송신 필터,참조번호 101을 수신 필터로서 사용한다. 이 2개의 필터를 기판(6)의 상면에 마운트하고 있다. 기판(6)에는 분기용의 선로(7), ANT 단자, TX 단자 및 RX 단자를 각각 형성하고 있으며, 필터(100, 101)의 외부 결합 전극과 기판(6)상의 전극 부분을 와이어 본딩하고 있다. 기판(6)의 하면에는, 각 단자 부분을 제외하고는 거의 전면에 접지 전극을 형성하고 있다. 기판(6)의 상부에는 도면에 나타낸 파선 부분에 실드 커버를 부착한다.

도 16은 이 듀플렉서의 블럭도이다. 이 구조에 의하여 송신 신호의 송신 회로에의 회절 및 수신 신호의 송신 회로에의 회절을 방지함과 아울러, 송신 회로로부터의 송신 신호를 송신 주파수 대역만 통과시켜서 안테나로 이끌고, 안테나로부터의 수신 신호를 수신 주파수 대역만을 통과시켜서 수신기에 보낸다.

도 17은 통신 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 여기서 듀플렉서로서는 도 15 및 도 16에 나타낸 구성의 것을 사용한다. 회로기판상에는 송신 회로와 수신 회로를 구성하고, TX 단자에 송신 회로가 접속되고, RX 단자에 수신 회로가 접속되며, 또한 ANT 단자에 안테나가 접속되도록, 상기 회로기판상에 듀플렉서를 실장한다.

이상에 나타낸 각 실시형태에서는, 다중 스파이럴 선로의 선수와, 그것에 근접시키는 다른 다중 스파이럴 선로의 선수 또는 방사상 선로 패턴의 선수를 동등하게 하였으나, 양자의 선수는 달라도 된다. 또한, 우선과 좌선의 다중 스파이럴 선로를 근접시킬 때에, 여기서 각 스파이럴형상 선로를 (r,θ)를 좌표로 하는 극좌표 방정식에서, 간단히 r=aθ(아르키메데스의 와선)으로 나타내면, a를 일정하게 하고, 그 극성을 반전시켰을 뿐이었으나, a의 절대값을 다르게 한 다중 스파이럴 선로를 조합하여도 된다. 즉 한쪽의 다중 스파이럴 선로의 스파이럴의 선회는 급하고, 다른쪽의 다중 스파이럴 선로의 스파이럴의 선회는 완만한 것이어도 된다.

또한, 다중 스파이럴 선로에 대하여 절연 상태로 배치하는 다른 다중 스파이럴 선로 또는 방사상의 선로 패턴은 그들의 내주 또는 외주를 반드시 일치시켜서 배치할 필요는 없다. 예를 들면, 상기 다른 다중 스파이럴 선로 또는 방사상의 선로 패턴의 내주와 외주의 반경은 상기 다중 스파이럴 선로의 내주와 외주의 반경과 달라도 된다.

본 발명에 따르면, 선로의 단부에 있어서의 전류 집중이 극히 효율적으로 완화되어, 전체적인 전력 손실이 억제된다. 게다가 각 선로의 선로 길이를 단축화할 수 있으므로, 공진기 전체의 소형화를 도모할 수 있다. 또한 동일한 점유 면적에 대하여 선수를 많게 형성할 수 있으므로, 그 만큼 큰 삽입손실저감효과가 얻어진다.

또한, 복수세트의 선로 패턴 중에서 적어도 2세트는 각각이 스파이럴형상을 이루는 복수의 선로의 집합체로 하고, 또한 스파이럴의 선회방향을 서로 반대의 관계로 함으로써, 공진에 의한 자계 에너지가 효율적으로 유지되어 공진기의 Q가 높아진다.

또한, 복수세트의 선로 패턴중에서 적어도 1세트의 선로 패턴의 대략 등전위 부분끼리를 서로 도통시킴으로써, 스퓨리어스 공진 모드가 효과적으로 억압된다.

또한, 선로 패턴의 선로를 초전도체로 구성함으로써, 공진기의 Q가 높아짐과 아울러, 전류 집중이 적은만큼, 단위면적 또는 단위체적당의 전력 밀도를 높이더라도, 임계 전류 밀도이하의 레벨로 초전도체의 저손실 특성을 충분히 살릴 수 있으며, 높은 Q로 동작시킬 수 있다.

또한, 선로 패턴의 각각의 선로폭을, 사용 주파수에 있어서의 선로 도체의 표피깊이 정도 또는 표피깊이보다 가늘게 함으로써, 전력 손실이 비약적으로 저감된다.

또한, 본 발명에 의하면, 저손실이고 높은 Q를 갖는 공진기를 사용함으로써, 저삽입손실이며 소형의 필터 또는 듀플렉서가 얻어진다.

게다가, 본 발명에 따르면, 고주파 송수신부의 삽입 손실이 낮고, 잡음 특성, 전송 속도 등의 통신 품질이 우수하며, 또한 전체적으로 소형인 통신 장치가 얻어진다.

Claims (10)

1. 각각이 복수의 선로의 집합체로, 상기 복수의 선로중 적어도 일부의 선로의 양단을, 기판상의 소정점의 주위에서 상기 집합체의 실질적인 내주상과 외주상에 각각 분포시켜서, 상기 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록 배치한 복수의 선로 패턴을 구비하며, 이들 선로 패턴을 서로 절연 상태로 배치함과 아울러, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴의 각각의 선로를 스파이럴형상으로 하고, 다른 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴의 각각의 선로를 상기 스파이럴형상의 선로와는 다른 형상으로 한 공진기.
2. 각각이 스파이럴형상을 이루는 복수의 선로의 집합체로, 상기 복수의 선로 중 적어도 일부의 선로의 양단을, 기판상의 소정점의 주위에서 상기 집합체의 실질적인 내주상과 외주상에 각각 분포시켜서, 상기 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록 배치한 선로 패턴을 구비하며, 상기 선로 패턴의 실질적인 내주부와 외주부가 각각 전압 개방단으로 작용하는, 반파장의 정수배의 공진 모드로 공진하는 공진기로서,

   상기 공진 모드의 전압의 절(節)과 전압의 복(腹)의 전위차 또는 그 일부를 이용하여 정전 용량을 부가시키는 다른 선로 패턴을, 상기 선로 패턴에 대하여 절연 상태로 배치하여 이루어지는 공진기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴이 방사상의 패턴인 것을 특징으로 하는 공진기.
4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 2개는 각각이 스파이럴형상을 이루는 복수의 선로의 집합체이며, 또한 스파이럴의 선회 방향이 서로 반대 관계에 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴은 공진 상태로 대략 등전위가 되는 부분끼리를 서로 도통시킨 공진기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 선로 패턴 중 적어도 하나의 선로 패턴의 선로를 초전선로로 구성한 것을 특징으로 하는 공진기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 선로 패턴의 각각의 선로폭을, 사용 주파수에 있어서의 당해 선로 도체의 표피깊이 정도 또는 상기 표피깊이보다 가늘게 한 것을 특징으로 하는 공진기.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 기재된 공진기에 신호입출력부를 형성하여 이루어지는 필터.
9. 제 8 항에 기재된 필터를 송신 필터 또는 수신 필터로서, 또는 그 양 필터로서 형성하여 이루어지는 듀플렉서.
10. 제 8 항에 기재된 필터 또는 제 9 항에 기재된 듀플렉서를 구비하여 이루어지는 통신 장치.