KR100501928B1 - 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기 - Google Patents

커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 통신 단말기 등의 대역통과 여파기를 요구하는 기기의 소형, 경량화에 따라, 공진기의 구조 변경이 가능하고, 소형화할 수 있으며, 공진기 간 결합 구조가 용이한 초소형 대역통과 여파기에 관한 것이다.
본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기는 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어있는 스트립 선로와 상기 스트립 선로의 일 측단이 비아홀을 통하여 접지면으로 연결되는 제 1연결부 및 상기 스트립 선로의 타 측단이 비아홀을 통하여 커패시터와 연결되는 제 2연결부로 구성된 소정의 다중층 1/4 파장 공진기가 에지 커플링 구조로 결합되어짐에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 대역통과 여파기의 경우, 공진 특성은 스트립 선로의 길이 및 넓이, 스트립 선로와 접지면 사이의 거리 등에 의해서 영향을 받으므로 구조의 변경이 가능하고, 여파기 회로의 크기를 줄일 수 있으며, 공진기 간 결합 구조가 가능하며, 공진기의 기준 공진 주파수(f0)와 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)의 비(f1/f0)가 종래의 전송 선로를 이용한 공진기에 비해 훨씬 크게 나타나기 때문에, 넓은 상향 저지대역을 갖는 여파기를 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 기생 신호를 제어할 수 있음으로 인해 광대역 특성의 회로를 설계할 수 있는 기술적 장점과 효과가 있다.

Description

커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기{Second order bandpass filter using capacitively loaded multi-layer 1/4 wavelength resonator}
본 발명은 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 통신 단말기 등의 대역통과 여파기를 요구하는 기기의 소형, 경량화에 따라, 공진기의 구조 변경이 가능하고, 소형화할 수 있으며, 공진기 간 결합 구조가 용이한 초소형 대역통과 여파기에 관한 것이다.
종래에는, 저항(Resistor), 인덕터(Inductor), 커패시터(Capacitor)로 이루어진 수동 소자(Passive Element)나 진공관 증폭기 및 OP-Amp로 이루어진 능동 소자(Active Element)를 이용한 대역통과 여파기가 있었다.
도 1은 수동소자로 구성된 종래의 T형 대역통과 여파기 회로도이며, 도 2는 수동소자로 구성된 종래의 π형 대역통과 여파기 회로도로, 종래의 수동 소자로 구성된 일반적인 형태의 대역통과 여파기 회로도이며, 저항(110), 인덕터(120)와 커패시터(130)로 이루어진 직렬 공진기(140)와 병렬 공진기(150) 회로망을 합성하여 구성된 것이다.
도 3은 어드미턴스(210) 인버터(J-인버터)(200)로 구성된 종래의 대역통과 여파기이며, 도 4는 임피던스(230) 인버터(K-인버터)(220)로 구성된 종래의 대역통과 여파기로, 상기 도 1과 도 2의 직렬 공진기(140)나 병렬 공진기(150) 회로망을 합성하려면 교류 전압(100)을 가할 때 전압과 전류의 위상이 같아야 하지만, 상기 대역통과 여파기 회로도의 경우 수동 소자의 값이 결정되어 있고, 상기 수동 소자 값의 미세한 변화에 의해 여파기의 특성이 변화하므로, 도 3과 도 4와 같이 직렬 공진기(140)나 병렬 공진기(150) 중 한 종류의 공진기로만 이루어진 이미턴스 변환 특성을 갖는 인버터를 사용하여 대역통과 여파기를 구현해야 한다.
그러나 대역통과 여파기의 실제적인 구현에 있어서, 1/2 파장(λ/2)이나 1/4 파장(λ/4)의 전송 선로 길이를 갖는 공진기를 사용하여 대역통과 여파기의 공진기 및 인버터를 구현해야 한다.
도 5는 종래의 개방 전송 선로의 일반적인 구성도를 보인 것으로, 상기 도 5에서 ℓ은 전송 선로의 길이, Zin은 입력 임피던스, Z0는 특성 임피던스, α와 β는 각각 손실 위상 상수와 전파 위상 상수를 나타낸다.
도 6는 종래의 개방 전송 선로에 있어 전압 분포를 보인 것으로, 상기 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 전송 선로의 길이 ℓ이 1/2 파장 또는 1/2 파장의 정수배일 때와 ℓ이 1/4 파장 또는 1/4 파장의 정수배일 때, 개방 전송 선로는 병렬 공진 회로처럼 동작한다.
상기 개방 전송 선로의 1/4 파장 공진기의 일반적인 작동 원리를 이하 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 길이 ℓ인 개방 전송 선로의 입력 임피던스(Zin)는 수학식 1에 의해 구해 진다.
공진 주파수 ω=ω0에서 길이 ℓ을 λ/4라고 가정하고, ω=ω0+Δω라 하면 수학식 2와 같은 일련의 결과를 얻게 된다.
상기 수학식 1과 수학식 2를 이용하면 수학식 3에 보인 입력 임피던스(Zin) 값을 구할 수 있다.
한편, 이상적인 수동 소자로 구성된 병렬 공진 회로(100, 110, 150)의 경우 입력 임피던스(Zin) 값은 수학식 4로 나타낼 수 있다.
수학식 3과 수학식 4의 입력 임피던스(Zin)를 서로 비교함으로써 종래의 개방 전송 선로는 병렬 공진 회로(100, 110, 150)가 됨을 알 수 있으며, 상기 저항(Resistence), 리액턴스(Reactance), 커패시턴스(Capacitance) 값 및 공진기의 큐 펙터(Q factor)는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 개방 전송 선로의 1/2 파장 공진기는 공진기의 길이가 1/2 파장이 되어야 하며, 1/4 파장 공진기는 공진기의 길이가 1/4 파장이 되어야 한다는 제한이 있으므로, 공진기의 크기가 커지게 되어 소형 여파기를 설계하는데 기술적 문제점이 있었다.
또한, 공진기의 주파수 특성을 살펴볼 때 원하는 기준 주파수(f0) 및 상기 기준 주파수의 2n+1배, 이를테면 3f0, 5f0 등에서도 공진이 발생하는 기술적 제한이 있었는데, 이는 상기 공진기의 주파수 특성을 이용해서 여파기를 설계할 때에 설계자가 원하는 신호 외에 그 원하는 신호에 대한 고조파(Harmonic) 신호 성분이 통과하기 때문에 전체 회로의 성능을 저하시키는 기술적 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용하여 공진기의 구조 변경이 가능하고, 소형화할 수 있으며, 공진기 간 결합 구조가 용이한 초소형 대역통과 여파기를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어있는 스트립 선로와 상기 스트립 선로의 일 측단이 비아홀을 통하여 접지면으로 연결되는 제 1연결부 및 상기 스트립 선로의 타 측단이 비아홀을 통하여 커패시터와 연결되는 제 2연결부와 구성된 소정의 다중층 1/4 파장 공진기가 에지 커플링 구조(Coupling Structure)로 결합되어진 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 7은 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기(540)의 3차원 구조로, 스트립 선로(510)의 한쪽 끝 부분은 비아홀(Via-Hole)(520)을 통해 접지(500)로 단락되어 있고, 다른 한쪽은 비아홀(520)을 통해 일정한 모양의 커패시터(530)에 연결된다. 상기 커패시터(530)와 접지면(500)이 소정 용량의 커패시턴스를 형성하게 되며, 상기 커패시턴스를 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance)라고 한다.
도 8은 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기의 등가 회로를 나타낸 것으로, 스트립 선로(510)에 있어 한쪽 끝 부분은 커패시터(530)와 연결되어 있고, 다른 한쪽은 아무런 소자의 연결없이 비아홀(520)을 통해 곧바로 접지(500)와 연결되어있다.
도 9는 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기의 공진 특성을 나타낸 것으로, 도 8에 보인 등가 회로에서 로딩 커패시턴스가 변화하는 경우, 기준 공진 주파수(f0)(570), 첫번째 기생 공진 주파수(f1)(580) 및 상기 두 주파수의 비(f1/f0)(590)에 대한 공진 특성을 보인 것이다.
상기 도 9에서 도시되어 있는 바와 같이 로딩 커패시턴스 값이 0pF일 경우, 종래의 스트립 선로(510)만으로 구성되어 있는 공진기를 나타내며, 기준 공진 주파수(f0)(570)와 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)(580)의 비(f1/f0)(590)가 3이라는 것을 알 수 있다. 즉, 기준 공진 주파수(f0)(570)의 3배 되는 주파수가 차단되지 않고 통과 된다는 것이다. 로딩 커패시턴스 값이 4pF일 경우, 기준 공진 주파수(f0)(570)와 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)(580)의 비(f1/f0)(590)는 약 4.5배 까지 올라간다. 따라서, 로딩 커패시턴스 값이 증가 됨에 따라 기준 공진 주파수(f0)(570)와 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)(580)의 비(f1/f0)(590)가 점점 증가한다.
상기 도 7에 도시된 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용하여 여파기를 설계할 경우, 상기 로딩 커패시턴스에 의해서 전파 지연 효과(Slow-wave Effect)를 얻을 수 있으며, 상기 도 9에 도시된 바와 같이, 기준 공진 주파수(f0)(570) 및 기생(Spurious) 공진 주파수(f1,f2,f3,...)들이 스트립 선로(510)로만 구성되어 있는 공진기와 비교하여 낮은 주파수에서 발생한다. 따라서 종래의 1/4 파장 공진기의 경우 기준 공진 주파수(f0)(570)의 2n+1(정수 n=1,2,3,...)배에서 공진 주파수가 발생하는 것에 반해, 본 발명에 이용된 커패시터(530)가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기(540)의 경우는 연결된 커패시턴스의 값에 따라서 기준 공진 주파수(f0)(570)의 3배 이상에서 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)(580)가 발생하게 되어 넓은 상향 저지대역(Wide Upper Stopband)을 갖는 초소형 여파기의 설계가 가능하다.
도 10은 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 3차원 구조를 보인 것이고, 도 11은 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 평면도이며, 도 12는 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 등가 회로를 나타낸 것이다. 상기 도 10, 도 11 및 도 12는 이해를 돕기 위해서 다중층 1/4 파장 공진기(540) 두개를 연결한 구조를 도시하였으며, 상기 다중층 1/4 파장 공진기(540) 두개를 연결한 구조와 동일한 방법으로 소정의 다중층 1/4 파장 공진기(540)가 연결된다.
상기 도 10은 커패시터(530)가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기(540) 두개가 에지 커플링(Edge Coupling) 구조(700)로 결합된 것이며, 입력과 출력(600)은 상기 두개의 공진기와 각각 브로드사이드 커플링(Broadside Coupling) 구조(710)로 결합되어 있다.
상기 도 12는 이단 적층 대역통과 여파기(630)의 등가 회로를 나타낸 것으로, 첫 번째 공진기(610)의 스트립 선로(510)의 한쪽 끝 부분은 비아홀(520)을 통하여 커패시터(530)와 연결되어 있고, 상기 커패시터(530)는 접지면(500)과 연결되어있으며, 다른 한쪽은 아무런 소자의 연결 없이 비아홀(520)을 통하여 곧바로 접지(500)와 연결되어 있으며, 두 번째 공진기(620)는 상기 첫 번째 공진기(610)와 동일한 구조이다. 첫 번째 공진기(610)와 두 번째 공진기(620)는 에지 커플링 구조(700)로 결합되며, 입력과 출력(600)은 두개의 공진기와 각각 브로드사이드 커플링 구조(710)로 결합되어있다.
도 13은 본 발명에 이용한 에지 커플링 구조를 보인 도면이고, 도 14는 본 발명에 이용한 브로드사이드 커플링 구조를 보인 도면이며, 도 15는 본 발명에 이용한 에지 커플링 구조와 브로드사이드 커플링 구조의 단면도이며, 도 16은 본 발명에 이용한 에지 커플링 구조와 브로드사이드 커플링 구조의 등가 회로도이다.
스트립 선로와 접지면 사이에는 전계(Electric Field)가 형성되며, 스트립 선로 주변에는 자계(Magnetic Field)가 존재하게 되며, 전계는 커패시터 성분으로 자계는 인덕터 성분으로 표시할 수 있다. 상기 도 16은 상기 도 13 및 도 14의 에지 커플링 구조(700)와 브로드사이드 커플링 구조(710)의 등가 회로도로, C11(720)과 C22(730)는 상기 도 13, 도 14, 도 15에 도시된 두개의 스트립 선로(720, 730)에 의한 전계를 커패시터 성분으로 표시한 것이며, 접지면 위에 두 개의 스트립 선로(720, 730)들을 서로 가깝게 구현하였을 경우 상기 스트립 선로(720, 730) 사이(740)에 전계와 자계가 발생하게 되는데 이를 커플링 커패시턴스라 부르며 C12(750)로 표시하였다.
상기 커플링 커패시턴스는 두 개의 스트립 선로(720, 730)가 커플링을 발생시킬 수 있을 만큼 충분히 가깝게 근접하였을 경우의 전계와 자계는 서로 다른 특성 임피던스를 가지며, 두개의 스트립 선로(720, 730)가 서로 멀리 떨어지면 전계와 자계는 서로 같은 임피던스를 가지게 된다.
따라서, 공진기 간 결합되는 위치를 조절함에 의해서 전계 결합(Electric Coupling)과 자계 결합(Magnetic Coupling)이 모두 가능하며 본 발명의 경우 자계 결합이 강하게 설계되었다. 공진기 간 결합의 세기는 스트립 선로 사이의 간격 및 결합된 스트립 선로의 길이에 따라 조절할 수 있으며, 필요에 따라서 공진기 간 결합을 위한 소정의 패턴(Pattern)이 공진기 사이에 들어갈 수 있다.
본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기를 중심주파수 5.2GHz, 통과대역 200MHz의 여파기에 적용해 보았으며, 도 17 및 도 18은 설계한 이단 적층 대역통과 여파기의 주파수 특성이다. 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 결과로 통과대역 영역에서 본 특성도이며, 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 결과로 광대역에서 본 특성도이다. 2개의 폴(Pole)을 갖는 이단 대역통과 여파기의 특성이 잘 나타나고 있으며, 종래의 여파기와는 달리 설계한 통과대역의 2차 및 3차 고조파 통과대역이 나타나지 않는다는 것을 알 수 있다.
상기 본 발명의 이단 적층 대역통과 여파기를 이용한 5.2GHz 대역 여파기의 크기는 3.2mm×1.6mm×0.8mm(가로×세로×높이)이며, 설계에 사용한 유전체의 유전율은 7.8이다.
상기 본 발명에 의한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기(630)의 공진 특성은 스트립 선로의 길이와 넓이 및 스트립 선로와 접지면 사이의 거리 등에 의해서 영향을 받으므로 본 발명의 실시자는 원하는 특성에 따라 구조를 선택할 수 있고, 다층 PCB를 이용한 여파기, LTCC 기술을 이용한 여파기 및 기타 다른 소재를 이용한 모든 적층 구조를 여파기 제작 및 적층 기술을 이용한 RF 모듈에 그 일부로서 포함되어 설계가 가능하다.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 본 발명의 이단 적층 대역통과 여파기의 경우, 공진 특성은 스트립 선로의 길이와 넓이 및 스트립 선로와 접지면 사이의 거리 등에 의해서 영향을 받으므로 구조의 변경이 가능하고, 여파기 회로의 크기를 줄일 수 있으며, 공진기 간 결합 구조가 가능하며, 공진기의 기준 공진 주파수(f0)와 첫 번째 기생 공진 주파수(f1)의 비(f1/f0)가 종래의 전송 선로를 이용한 공진기에 비해 훨씬 크게 나타나기 때문에, 넓은 상향 저지대역을 갖는 여파기를 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 기생 신호를 제어할 수 있으므로 인해 광대역 특성의 회로를 설계할 수 있는 기술적 장점과 효과가 있다.
도 1은 수동소자로 구성된 종래의 T형 대역통과 여파기 회로도.
도 2는 수동소자로 구성된 종래의 π형 대역통과 여파기 회로도.
도 3은 어드미턴스 인버터(J-인버터)로 구성된 종래의 대역통과 여파기 회로도.
도 4는 임피던서 인버터(K-인버터)로 구성된 종래의 대역통과 여파기 회로도.
도 5는 종래의 개방 전송 선로의 일반적인 구성도.
도 6은 종래의 개방 전송 선로에 있어 전압 분포를 보인 도면.
도 7은 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기의 3차원 구조도.
도 8은 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기의 등가 회로도.
도 9는 본 발명에 이용한 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기의 공진 특성도.
도 10은 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 3차원 구조도.
도 11은 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 평면도.
도 12는 본 발명의 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기의 등가 회로도.
도 13은 본 발명에 이용한 엣지 커플링 구조를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 이용한 브로드사이드 커플링 구조를 보인 도면.
도 15는 본 발명에 이용한 엣지 커플링 구조 및 브로드사이드 커플링 구조의 단면도.
도 16은 본 발명에 이용한 엣지 커플링 구조 및 브로드사이드 커플링 구조의 등가 회로도.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 결과로 통과대역에서 본 특성도.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 결과로 광대역에서 본 특성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
510. 스트립 선로 520. 비아홀
530. 캐패시터 540. 공진기
600. 입력, 출력 700. 에지 커플링 구조
710. 브로드사이드 커플링 구조 750. 커플링 커패시턴스

Claims (5)

  1. 이단 적층 대역통과 여파기에 있어서,
    유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어있는 스트립 선로(510)와 상기 스트립 선로(510)의 일 측단이 비아홀(520)을 통하여 접지면 (500)으로 연결되는 제 1연결부; 및
    상기 스트립 선로(510)의 타 측단이 비아홀(520)을 통하여 커패시터(530)와 연결되는 제 2연결부를 포함하는 다중층 1/4 파장 공진기(540)가 다수로 형성되어 상호 에지 커플링 구조로 결합되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 커패시터(530)와 접지면(500)이 연결되어 소정 용량의 로딩 커패시턴스가 발생되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이단 적층 대역통과 여파기(630)의 입력과 출력(600)은 상기 커패시터(530)가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기(540)와 각각 브로드사이드 커플링 구조(710)로 결합되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스트립 선로(510)의 길이와 넓이 및 스트립 선로(510)와 접지면 사이(500)의 거리와 로딩된 커패시터(530)의 용량 값의 변화에 따라 공진 특성이 변화되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기.
KR10-2003-0029930A 2003-05-12 2003-05-12 커패시터가 로딩된 다중층 1/4 파장 공진기를 이용한 이단 적층 대역통과 여파기 KR100501928B1 (ko)

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