KR100515817B1 - 스파이럴 선로 집합체 소자, 공진기, 필터, 듀플렉서 및고주파 회로 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소면적이며 저손실의, 선로에 의한 소자 및 그것을 구비한 공진기, 필터, 듀플렉서, 고주파 회로 장치를 구성하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 구성에 따르면, 각각 스파이럴(spiral) 형상의 복수의 선로(2)를, 서로 교차하지 않도록 유전체 기판상의 소정점을 중심으로 하는 실질적인 회전 대칭 위치에 각각 배치함과 동시에, 이들 복수의 스파이럴 형상 선로(2)의 집합체의 복수개 분의 각 선로(2)에 대하여, 그들 선로(2)에 직교하는 직선 위치에서, 각각의 선로의 외주단(外周端)을 가지런히 하여, 각각 직선 형상이며 서로 평행한 복수의 직선 형상 선로(2′)의 집합체인 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)의 양단에 연결한다. 이에 따라, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a∼21d)를 전하를 축적하는 용량 소자, 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)를 유도 소자로 하는 공진기를 구성한다.

Description

스파이럴 선로 집합체 소자, 공진기, 필터, 듀플렉서 및 고주파 회로 장치{Spiral line aggregation device, resonator, filter, duplexer and high-frequency circuit apparatus}

본 발명은 무선 통신이나 전자파의 송수신에 이용되는, 예를 들면 마이크로파 대역이나 밀리미터파 대역에서의 회로 소자, 공진기, 필터, 듀플렉서 및 고주파 회로 장치에 관한 것이다.

종래, 마이크로파 대역이나 밀리미터파 대역에서 사용되는 평면 회로형의 공진기는 유전체 기판상에 마이크로 스트립 라인 등의 평면 회로에 의해 구성하는 것이 일반적이었다.

이와 같은 평면 회로형의 공진기를 소형화한 것으로서, 다음 문헌이 개시되어 있다.

(1)아와이 이쿠오(Awai Ikuo) "마이크로파 평면 필터" MWE2000 Microwave Workshop Digest, pp.445-454, 2000.

(2)사가와 모리카즈(Sagawa Morikazu), 마키모토 미츠오(Makimoto Mitsuo) "임피던스ㆍ스텝을 갖는 마이크로파 공진기의 구성과 그 기본 특성", 신학기보(信學技報) SAT95-76, MW95-118(1995-12), pp.25-30, 1995.

상기 문헌에 나타나 있는 공진기는, 공진기를 구성하는 선로의 개방단측을 저임피던스, 단락단측을 고임피던스가 되도록, 선로 폭을 스텝(step) 형상으로 하여, 이른바 스텝 임피던스 공진기를 구성한 것이었다. 즉, 공진 선로의 개방단측을 저임피던스, 단락단측을 고임피던스로 하고, 그 임피던스 비를 크게 할수록, 파장 단축 효과가 커지는 것을 이용하여 전체적으로 소형화를 도모하는 것이었다.

여기에서, 상기 파장 단축 효과에 대하여 도 18을 참조하여 설명한다.

도 18에서, 도 18A1은 스텝 구조를 갖지 않는 공진기의 선로 패턴, 도 18A2는 스텝 임피던스 구조의 공진기의 선로 패턴의 예를 나타내고 있다. 또한, 도 18A3는 후에 나타내는 실시형태에 따른 공진기의 예를 나타내고 있다. 도 18B는 도 18A1 및 도 18A2에 나타낸 공진기의 등가 회로도이다. 도 18C는 개방단측의 임피던스(Z1)와 단락단측의 임피던스(Z2)의 비와, 규격화 선로 길이(파장 단축률)의 관계를 나타내고 있다.

도 18B에서, 참조 부호 Z1은 개방단측의 임피던스, 참조 부호 Z2는 단락단측의 임피던스, 참조 부호 θ1은 개방단측의 전기 길이, 참조 부호 θ2는 단락단측의 전기 길이이다.

예를 들면, θ1 : θ2＝5 : 5로 하고, 즉 단락단측의 길이와 개방단측의 길이를 등분한 스텝 구조로 하고, Z1/Z2＝0.5로 하면, 규격화 선로 길이(kr)＝0.784가 된다. 즉, 이 경우 도 18A에 나타낸 스텝 임피던스 구조의 공진기를 구성하는 공진 선로의 선로 길이는 스텝 임피던스 구조가 아닌 공진기의 공진 선로의 선로 길이의 약 0.78배로 단축화된다.

상기 파장 단축 효과는 θ1 : θ2＝5 : 5, 즉 등분 스텝으로 한 경우에 가장 효과가 있다.

그러나, 이와 같은 스텝 임피던스 공진기에 의해 커다란 파장 단축 효과를 얻기 위해서는, 임피던스 비를 크게 하게 되지만, 유전체 기판상의 한정된 점유 면적에서는 저임피던스 부분의 선 폭을 그다지 크게 할 수 없으며, 그 결과, 고임피던스 부분의 선 폭은 상대적으로 매우 좁아진다. 이 선 폭이 좁은 부분이 전류 분포의 파복(antinode)이 되어 공진기가 동작하기 때문에, 도체 손실이 커지고, 공진기의 Q가 저하된다는 문제가 발생한다.

또한, 상기 Q의 저하의 문제는 공진기에 한하지 않으며, 그 외의 고주파 회로 소자, 예를 들면 커패시터 등의 소자에 대해서도 동일하게 개선되어야 할 사항이었다. 또한, 이들 소자를, 저손실화를 도모한 선로에 접속하여 회로를 구성할 때, 접속의 접합성을 높이는 것도 중요하였다.

본 발명의 목적은 소면적이며 저손실의, 선로에 의한 소자 및 그것을 구비한 공진기, 필터, 듀플렉서, 고주파 회로 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 스파이럴 선로 집합체 소자는 각각 스파이럴(spiral) 형상의 복수의 선로의 집합체에 의한 소자로서, 상기 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록, 기판상의 소정점을 중심으로 하는 실질적인 회전 대칭 위치에 각각 배치함과 동시에, 이들 복수의 선로의 집합체의 복수개 분의 각 선로에 대하여, 상기 선로에 실질적으로 직교하는 실질적인 직선 위치에서, 상기 복수개 분의 선로의 외주단을 가지런히 한 형상으로 함으로써 구성한다.

이 구조에 의해, 어느 1개의 스파이럴 형상의 선로에 인접하여 실질적으로 동일한 형상의 스파이럴 형상의 선로가 인접 배치됨으로써, 선로 사이에 간극이 형성되게 되며, 유전체 기판에 대하여 수직 방향의 자계가 상기 간극을 통과한다. 그 때문에, 자계의 소밀(疏密) 분포가 전극의 가장자리 단부에서 조밀하게 되지 않으며, 자계의 소밀이 완화되기 때문에, 각 스파이럴 형상 선로의 연단 효과(緣端效果;edge effect)가 완화되어, 각 스파이럴 형상 선로의 가장자리 단부에 있어서의 전류 집중이 저하된다. 그 결과, 전체의 도체 손실이 저하되어 저손실화를 도모할 수 있다.

또한, 복수의 선로에 실질적으로 직교하는 실질적인 직선 위치에서 선로 외주단을 가지런히 한 형상으로 하고 있기 때문에, 예를 들면 실질적으로 직선 형상이며 서로 실질적으로 평행한 복수의 선로에 의한 직선 선로 집합체를 용이하게 접속할 수 있고, 그 접속부에서의 손실도 최소한의 것으로 할 수 있다.

본 발명의 공진기는 각각 실질적으로 직선 형상이며 서로 실질적으로 평행한 복수의 선로에 의해 직선 선로 집합체 소자를 구성함과 동시에, 상기 직선 선로 집합체 소자의 양단에 상기 스파이럴 선로 집합체 소자를 각각 형성함으로써 구성한다.

상기 스파이럴 선로 집합체 소자는 전하(電荷)를 축적하는 소면적ㆍ저손실의 용량 소자로서 작용하고, 상기 직선 선로 집합체 소자는 소면적ㆍ저손실의 유도 소자로서 작용한다. 이에 따라, 전체적으로 소면적ㆍ저손실의 공진기를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 공진기는 직선 선로 집합체 소자의 양단에 배치하는 스파이럴 선로 집합체 소자의 각 선로의 선회 방향을 서로 반대의 관계로 하여, 선대칭형의 공진기를 구성함과 동시에, 상기 공진기를 2세트 형성하며, 또한, 각각의 직선 선로 집합체 소자끼리를 근접시켜 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자를 상하 좌우가 실질적으로 대칭이 되도록 배치함으로써 구성한다.

이 구조에 의해, 상기 직선 선로 집합체 소자에서의 도체 손실이 저감되며, 전체적으로 Q를 더 높일 수 있다.

본 발명의 필터는 상기 공진기에 신호 입출력부를 형성하여 구성한다. 이에 따라, 소형이며 삽입 손실이 작은 필터를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 듀플렉서는 상기 필터를 2세트 구비함과 동시에, 그 신호 입출력부로서, 송신 신호 입력 단자, 송수신 공용 입출력 단자 및 수신 신호 출력 단자를 형성하여 구성한다. 이에 따라, 소형이며 삽입 손실이 작은 듀플렉서를 얻을 수 있다.

본 발명의 고주파 회로 장치는 상기 스파이럴 선로 집합체 소자, 공진기, 필터 또는 듀플렉서를 구비하여 구성한다. 이에 따라, 소형이며 저손실의 고주파 회로를 구성할 수 있으며, 그것을 사용한 통신 장치의 잡음 특성 및 전송 속도 등의 통신 품질을 향상시킬 수 있다.

<발명의 실시형태>

제 1 실시형태에 따른 스파이럴 선로 집합체 소자의 구성을 도 1∼도 5를 참조하여 설명한다.

도 2는 유전체 기판상에 형성한 스파이럴 형상 선로의 집합체를 나타내고 있다. 이 집합체는 후술하는 바와 같이, 각 스파이럴 선로의 외주단을 가지런히 하여 스파이럴 형상 선로 집합체 소자를 구성할 때의 기초가 되는 원형이다. 단, 도 2에서는, 작도상의 편의상, 각 스파이럴 형상 선로의 형상을 다각형으로 나타내고 있다. 물론, 이와 같은 다각형이라 하더라도, 각 선로는 전체적으로는 실질적으로 스파이럴 형상으로 간주할 수 있기 때문에, 실제로 각 선로가 다각형 형상을 이루고 있어도 된다. 본 예에서는, 각 스파이럴 형상 선로(2)의 최소 반경을 ro, 내부 반경을 ra, 외부 반경을 rb라고 하고, 16개의 합동의 스파이럴 형상 선로(2)를, 상기 각 반경의 중심을 회전 중심으로 하여, 각 스파이럴 형상 선로가 서로 교차하지 않도록, 회전 대칭 위치에 등각도 간격으로 배치하고 있다.

도 1은 스파이럴 선로 집합체 소자의 구성을 나타내는 상면도이다. 도면에서 참조 부호 2는 유전체 기판상에 형성한 스파이럴 형상 선로이다. 도 1은 도 2에 나타낸 원형에 있어서, 각 스파이럴 선로(2)에 직교하는 1개의 직선(C－C) 부분에서, 모든 스파이럴 형상 선로(2)의 외주단이 가지런 하게 되도록, 각 선로(2)의 패턴을 형성한 것이다. 상기 직선(C－C)은 도 2에 나타낸 원형의 각 선로를, 그 직선의 위치에서 절단하여 각 선로의 외주단을 강제적으로 형성한 직선이므로, 그 의미에서 이하 "절단선"이라고 한다. 이 절단선로(C－C)는 도 2에 나타낸 최소 반경(ro)의 원에 접하는 직선이다. 스파이럴 형상 선로와 절단선의 관계를 나타내는 식 등에 대해서는 후술한다.

본 예에서는 16개의 스파이럴 선로(2)의 모든 외주단을 절단선(C－C) 부분에서 가지런히 하고 있다. 따라서, 모든 스파이럴 형상 선로(2)가 합동이라고는 할 수 없으나, 어떠한 스파이럴 선로에 인접하여 다른 스파이럴 선로가 존재하는 구성은 도 2에 나타낸 원형과 동일하다.

이상으로 나타낸 스파이럴 선로 집합체 소자는 단극(單極) 소자로서 작용한다. 즉, 후술하는 바와 같이, 예를 들면 이 단극 소자를 2세트 형성하고, 그 사이를 유도성의 소자로 접속하면, 2세트의 단극 소자 사이에 전하를 축적하는 용량 소자로서 작용한다.

복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체를 형성하지 않고, 즉 다선화하지 않고, 소정의 넓이를 갖는 연속된 전극(베타 전극)을 형성한 경우에 비하여, 본 실시형태에 따른 단극 소자로서의 스파이럴 선로 집합체 소자는 다음에 드는 효과를 얻을 수 있다.

우선, 복수의 스파이럴 형상 선로(2) 사이에 간극을 형성하였기 때문에, 유전체 기판에 대하여 수직 방향의 자계는 상기 간극을 통과한다. 그 때문에, 각 스파이럴 형상 선로(2)의 연단 효과가 완화되어, 각 스파이럴 형상 선로의 가장자리 단부에 있어서의 전류 집중이 저하된다. 그 결과, 전체의 도체 손실이 저하되어 저손실화를 도모할 수 있다.

또한, 이와 같은 복수의 스파이럴 형상 선로(2)를 집합시킴으로써, 인접하는 스파이럴 형상 선로(2)의 선로 길이가 다른 것에 기인하여 선로 사이에 위상차가 발생한다. 이 때문에, 인접하는 스파이럴 형상 선로의 선로 사이에, 정전용량(이하, 간단히 "용량"이라고 한다)이 발생한다. 이 선 사이의 용량으로, 상기 용량 소자로서의 용량을 얻을 수 있다. 이 선로 간격은 예를 들면 1㎛로부터 수㎛정도의 매우 작은 간격으로 할 수 있으며, 또한 스파이럴 형상 선로의 선 폭도 좁게 할 수 있다. 그 때문에, 유전체 기판상의 한정된 면적 내에 다수의 스파이럴 형상 선로의 집합체를 배치할 수 있으며, 선로 사이의 대향 면적을 전체적으로 매우 크게 취할 수 있다. 그 결과, 유전체 기판상의 면적당의 선간 용량값을 크게 확보할 수 있다.

또한, 스파이럴 선로 집합체를 구성하는 복수의 스파이럴 형상 선로의 외주 단을 절단선에서 가지런히 함으로써, 후술하는 바와 같이, 직선 형상의 서로 평행한 복수의 선로의 집합체에 접속 가능한 다단자 회로 소자로서 이용할 수 있다. 게다가, 그 접속부는 각각의 선로를 연속적인 것으로 할 수 있으며, 임피던스 부정합이 발생하는 일도 없고, 저손실 특성을 유지할 수 있다.

또한, 각 스파이럴 형상 선로의 선로 길이를 짧게 함으로써, 자기 공진 주파수를 용이하게 고주파로 설계할 수 있다.

또한, 이 유전체 기판의 하면에는, 이들 복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체 형성 부분에 대향하는 위치에, 접지 전극을 형성하고 있지 않다. 유전체 기판 하면의 접지 전극은 특별히 필요없다. 단, 유전체 기판을 두께 방향으로 사이에 두고, 각 스파이럴 선로와 접지 전극 사이에 정전 용량이 발생하므로, 그 용량 성분도 이용하는 경우에는, 유전체 기판의 하면에 접지 전극을 형성해도 된다. 또한, 실드(shield) 효과를 목적으로 접지 전극을 형성해도 된다. 이 접지 전극에 관한 사항은 뒤에 나타내는 다른 실시형태에 있어서도 동일하다.

도 3∼도 5는 도 1에 나타낸 것과는 스파이럴 선로 집합체의 패턴이 상이한 다른 스파이럴 선로 집합체 소자의 예를 나타내고 있다.

도 3에 나타내는 예에서는, 전체적으로 16개의 스파이럴 형상 선로 중, 절단선(C－C)의 선상에서 8개의 스파이럴 형상 선로의 외주단을 가지런히 하고 있다. 이와 같이, 스파이럴 선로 집합체를 구성하는 복수의 스파이럴 형상 선로 중, 일부만을 절단선에서 가지런히 하더라도, 인접하는 스파이럴 형상 선로끼리는 전자계 결합하기 때문에, 이와 같이 모든 스파이럴 형상 선로를 상기 직선 선로 집합체에 연결하지 않아도 된다.

도 3에 나타낸 스파이럴 선로 집합체 소자에 따르면, 도 1에 나타낸 경우와 마찬가지로, 직선 형상의 서로 평행한 복수의 선로의 집합체에 용이하게 접속할 수 있고, 또한 그 접속부에 임피던스 부정합이 발생하는 일도 없으며, 저손실성을 유지할 수 있다.

도 4에 나타내는 예에서는, 16개의 스파이럴 형상 선로 중, 8개씩에 대하여 C1－C1 및 C2－C2로 나타내는 절단선에서, 각각의 외주단을 가지런히 하고 있다.

이 스파이럴 선로 집합체 소자는 한쪽의 절단선(C1－C1)을 외주단으로 하는 복수개의 스파이럴 형상 선로의 집합체와, 다른쪽 절단선(C2－C2)을 외주단으로 하는 복수개의 스파이럴 형상 선로의 집합체를 쌍으로 하여 생각할 수 있으며, 한쪽의 집합체에 플러스, 다른쪽 집합체에 마이너스의 전하를 축적하는 용량 소자로서 작용한다. 따라서, 이 도 4에 나타낸 스파이럴 선로 집합체 소자에, 도면 중 화살표로 나타내는 방향으로 각각 직선 선로 집합체를 접속함으로써, 2개의 직선 선로 집합체 사이에 용량 소자가 접속된 것처럼 작용한다.

복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체를 형성하지 않고, 즉 다선화하지 않고, 각각 넓은 폭을 갖는 2개의 스파이럴 형상 선로를 배치한 경우에 비하여, 본 실시형태에 따른 용량 소자로서의 스파이럴 선로 집합체 소자는 다음에 드는 효과를 얻을 수 있다.

우선, 복수의 스파이럴 형상 선로(2) 사이에 간극을 형성하였기 때문에, 유전체 기판에 대하여 수직 방향의 자계는 상기 간극을 통과한다. 그 때문에, 각 스파이럴 형상 선로(2)의 연단 효과가 완화되어, 각 스파이럴 형상 선로의 가장자리 단부에 있어서의 전류 집중이 저하된다. 그 결과, 전체의 도체 손실이 저하되어 저손실화를 도모할 수 있다.

또한, 이와 같이 복수의 스파이럴 형상 선로(2)를 집합시킴으로써, 제 1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 인접하는 스파이럴 형상 선로의 선로 사이에 용량이 발생한다. 이 선 사이의 용량으로, 용량 소자로서의 용량을 얻을 수 있다.

도 5에 나타내는 예에서는, 16개의 스파이럴 형상 선로 중, 4개씩에 대하여 C1－C1, C2－C2, C3－C3, C4－C4의 4개의 절단선에서, 각각의 외주단을 가지런히 하고 있다.

이 스파이럴 선로 집합체 소자에 따르면, 도면 중 화살표로 나타내는 4개의 방향으로 직선 선로 집합체를 각각 인출하도록 접속할 수 있다. 따라서, 4개의 직선 선로 집합체 사이에 각각 커패시터가 접속된 것처럼 작용한다.

다선화하지 않고, 각각 넓은 폭을 갖는 4개의 스파이럴 형상 선로를 배치한 경우에 비하여, 본 실시형태에 따른 용량 소자로서의 스파이럴 선로 집합체 소자는 도 4에 나타낸 소자의 경우와 마찬가지로 저손실화 및 소면적화를 도모할 수 있다.

다음으로, 이상의 각 실시형태에서 나타낸 스파이럴 형상 선로와 절단선의 관계에 대하여 나타낸다.

우선, 선 폭이 일정한 스파이럴 선로(이하, 간단히 "등폭(等幅) 스파이럴"이라고 한다)의 이미지를 도 19에 나타낸다.

도 19에서, 등폭 스파이럴과 동경(動徑) 방향(r방향)이 이루는 각을 α라고 두고, 등폭 스파이럴에 직교하는 곡선과 동경 방향(r방향)이 이루는 각을 β라고 두면, 양자 사이에는 다음의 관계식이 성립한다.

따라서, 등폭 스파이럴에 직교하는 곡선이 극좌표에 있어서 만족하는 미분 방정식은 다음과 같이 도출할 수 있다.

상기 식을 극좌표 변수(r, θ)에 관하여 분리하는 형식으로 정리하면 다음의 수학식 3을 얻을 수 있다.

등폭 스파이럴에 직교하는 곡선의 미분 방정식인 수학식 3의 해법을 이하에 나타낸다.

처음에 무차원의 중간 변수로서

라고 두면, 극좌표 변수(r, θ)와의 미분 관계로서 다음식이 성립한다.

상기 수학식 6은 해석적으로 초등 함수를 사용하여 적분 가능하며, 다음식을 얻는다.

단, 수학식 4의 관계식을 사용하였다. 반대로 r에 대하여 풀면 다음과 같이 된다.

또한, 극좌표 변수(r, θ)로부터 직교 좌표 변수(x, y)를 사용하여 표현하면 다음식과 같이 된다.

즉, 등폭 스파이럴에 직교하는 곡선은 최소 반경(r0)의 원에 관한 접선이 되는 것을 알 수 있다.

다음으로, 제 2 실시형태에 따른 공진기의 구성을 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.

도 6은 유전체 기판상에 형성한 공진기의 구성을 나타내는 도면이다. 여기에서 참조 부호 21a 및 21b는 도 1에 나타낸 스파이럴 선로 집합체 소자와 동일한 구성으로 이루어지는 스파이럴 선로 집합체 소자이다. 즉, 각각 스파이럴 형상을 이루는 복수의 스파이럴 형상 선로(2)의 집합체로 이루어지며, 절단선(C－C) 부분에서 각 스파이럴 형상 선로(2)의 외주단을 가지런히 한 것이다.

도면 중 참조 부호 22로 나타내는 부분은 복수의 직선 형상 선로(2′)에 의한 집합체로 이루어지는 직선 선로 집합체 소자이다. 이들 직선 형상 선로(2′)는 한쪽 단부를 스파이럴 선로 집합체 소자(21a)의 접속부가 되는, 복수의 스파이럴 형상 선로의 외주단에 접속하고 있다. 이 직선 선로 집합체 소자(22) 부분은 다선화된 스트립 선로이다. 이 직선 선로 집합체 소자(22)는 전류 경로로서, 즉 유도 소자로서 작용한다.

따라서, 도 6에 나타낸 공진기(23)는 집중 정수 회로로 보면, 유도 소자와 용량 소자가 병렬로 접속된 공진기로서 작용한다.

또한, 상기 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 내주단 부근은 전압의 파복, 직선 선로 집합체 소자(22)의 중앙이 전압의 마디(node)가 되고, 반대로 직선 선로 집합체 소자(22)의 중앙이 전류의 파복, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 내주단 부근이 전류의 마디가 되기 때문에, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 한쪽이 플러스 전하, 다른쪽이 마이너스 전하를 축적한다. 즉, 변위 전류가 유전체 기판 표면 또는 유전체 기판 내부를, 유전체 기판의 면 방향을 지나 스파이럴 선로 집합체 소자(21a－21b) 사이에 흐른다. 한편, 실전류는 직선 선로 집합체 소자(22)를 지나 흐른다.

따라서, 도 6에 나타낸 공진기는 전체적으로 선로의 양단이 개방단인 반파장 공진기로서 동작한다.

상기 유도 소자로서의 직선 선로 집합체 소자(22)는 다선 구조에 의해 저손실 동작한다. 게다가, 각 선로의 선 폭, 막 두께 등의 최적화에 따라 용량 소자로서의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)와는 독립하여 특성 개선이 가능하다.

도 7은 유전체 기판상에 형성한 다른 공진기의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 6의 예에서는 선대칭의 관계에 있는 2개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)끼리를 직선 선로 집합체 소자(22)를 통하여 접속하였으나, 이 도 7에 나타내는 예에서는 점대칭의 관계가 되도록, 2개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 외주단끼리를 직접 접속한 패턴으로 하고 있다.

이와 같이 직선 선로 집합체 소자 부분이 없다 하더라도, 2개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 접속부를 포함하는 전후의 영역이 유도 소자로서 작용하기 때문에, 전체적으로 공진기로서 작용한다. 즉, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 내주단 부근은 전압의 파복, 상기 접속부 부근이 전압의 마디가 되고, 반대로 접속부 부근이 전류의 파복, 스파이럴 선로 집합체 소자의 내주단 부근이 전류의 마디가 되기 때문에, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)의 한쪽이 플러스의 전하, 다른쪽이 마이너스의 전하를 축적함으로써, 상술한 것과 마찬가지로 변위 전류와 실전류가 흘러, 전체적으로 공진기로서 작용한다.

또한, 물론, 도 7에 나타낸 2개의 스파이럴 선로 집합체 소자 사이에, 소정 길이의 직선 선로 집합체 소자를 배치해도 된다.

다음으로, 제 3 실시형태에 따른 공진기의 구성을 도 8∼도 10을 참조하여 설명한다.

도 8은 유전체 기판상에 형성한 공진기의 구성을 나타내는 도면이다. 이 공진기는 도 6에 나타낸, 이른바 쌍극 구조의 공진기를 2세트 형성한, 4극 구조의 공진기이다. 즉, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b) 및 직선 선로 집합체 소자(22ab)에 의해 1세트의 공진기를 구성하고, 스파이럴 선로 집합체 소자(21c, 21d) 및 직선 선로 집합체 소자(22cd)에 의해 1세트의 공진기를 더 구성하고 있다. 또한, 이 2개의 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)끼리를 평행하게 근접하여 배치하고 있다. 이에 따라, 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a∼21d)가 상하 좌우 대칭의 관계에 있는 4극의 공진기(24)를 구성하고 있다.

이와 같은 구조에 의해, 유도 소자로서의 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)가 그들의 폭 방향에 대하여 대칭 구조가 되기 때문에, 전류 분포의 폭 방향에서의 편차가 완화되어, 전체로서의 도체 손실이 더욱 저감된다.

도 18A3에 나타낸 패턴은 도 8에 나타낸 구조의 공진기이며, 동일한 공진 주파수 특성을 얻고자 한 경우의 칫수의 예를 나타낸 것이다. 이와 같이, 종래의 스텝 임피던스 공진기에 비하여, 저손실화를 도모함과 동시에 매우 소형화할 수 있다.

도 9는 다른 4극 구조의 공진기의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타낸 공진기에서는 2개의 직선 선로 집합체 소자끼리를 그 전체 길이에 걸쳐 근접시켜 배치하였으나, 이 도 9에 나타내는 예에서는 선로가 연장되는 방향으로 소정 거리만큼 어긋나게 하여, 2개의 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)의 일부끼리를 근접시키고 있다. 이와 같은 구조에 의해, 직선 선로 집합체 소자(22ab－22cd) 사이의 전계 결합과 자계 결합의 밸런스를 제어할 수 있으며, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a, 21b)를 포함하는 공진기와, 스파이럴 선로 집합체 소자(21c, 21d)를 포함하는 또 하나의 공진기를 소정의 결합도로 결합시킬 수 있다.

도 10은 다른 4극 구조의 공진기의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타낸 예에서는 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a∼21d)의 각각을 구성하는 복수의 스파이럴 형상 선로의 모든 외주단을 직선 선로 집합체 소자에 접속(연속)시켰으나, 이 도 10에 나타내는 예에서는 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자(21a∼21d)를 구성하는 복수의 스파이럴 형상 선로 중, 소정의 갯수에 대해서만 그들의 외주단을 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)에 접속하고 있다. 이와 같은 구조라 하더라도, 도 8에 나타낸 공진기와 동일한 작용 효과를 이룬다.

또한, 직선 선로 집합체 소자(22ab, 22cd)를 구성하는 선로의 수가 적은 만큼, 직선 선로 집합체 소자의 유도 성분을 증대시킬 수 있다. 그 때문에, 스파이럴 선로 집합체 소자(21a∼21d) 부분의 커패시턴스 성분을 감소시키지 않고, 소정의 공진 주파수의 공진기를 얻기 위한 유전체 기판상의 점유 면적을 축소화할 수 있다.

다음으로, 제 4 실시형태에 따른 필터의 구성을 도 11∼도 15를 참조하여 설명한다.

도 11은 필터를 구성한 유전체 기판의 평면도이며, 도 11A는 상면도, 도 11B는 하면도이다. 유전체 기판(1)의 상면에는 2개의 공진기(24, 26)를 형성하고 있다. 또한, 유전체 기판(1)의 하면에는 공진기(25)를 형성하고 있다. 공진기(24)는 도 8에 나타낸 것과 동일한 4극 구조의 공진기이다. 공진기(25, 26)는 도 2에 나타낸 것과 동일한, 복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체로 이루어지는 공진기이다. 단, 선 수는 100개 이상이며, 선 폭 및 선 사이는 수㎛이기 때문에, 전체적으로 검게 찌그러져서 보인다.

유전체 기판(1)의 하면에는 접지 전극(3), 결합 전극(12, 13, 14, 15) 및 단자(16, 17)를 각각 형성하고 있다. 결합 전극(14)은 유전체 기판(1) 상면의 공진기(24)와 결합하고, 결합 전극(12)은 공진기(25)에 결합한다. 결합 전극(13)도 공진기(25)에 결합한다. 결합 전극(15)은 유전체 기판(1) 상면의 공진기(26)와 결합한다. 또한, 공진기(24)와 공진기(25)는 직접적으로는 결합하지 않고, 공진기(25)와 공진기(26)가 유전체 기판(1)을 사이에 두고 상하 사이에서 결합한다.

도 12는 도 11에 나타낸 필터의 등가 회로도이다. 여기에서, 3개의 공진기(24, 25, 26)는 LCR의 병렬 공진 회로로서 나타내고 있다. 또한, Qe01, Qe02, Qe24, Qe34는 각각 결합 전극(14, 12, 13, 15)에 의한 결합 회로이다. 또한, k23은 2단째와 3단째의 공진기 사이의 결합 회로를 나타내고 있다. 이와 같이, 공진기(24)는 트랩 공진기로서 작용하고, 공진기(25, 26)는 2단의 결합된 공진기로서 작용한다.

도 13은 상기 필터의 통과 특성 S[1, 1] 및 반사 특성 S[2, 1]의 예를 나타내고 있다. 여기에서 회로 정수는 이하와 같다.

f01＝2115.525MHz

f02＝1922.397MHz

f03＝1901.024MHz

Qe01＝9.66

Qe02＝16.4

k23＝7.198%

Qe34＝17.0

Qe24＝173

이와 같이, 상기 트랩 공진기에 의한 감쇠 영역을 갖는 대역 통과 특성을 얻을 수 있다.

여기에서, 단일의 유전체 기판 중에 복수의 공진기를 구성한 경우의, 공진기 사이의 결합 방식에 대하여 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.

도 14는 4극 구조의 공진기와, 복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체로 이루어지는 공진기를 유전체 기판(1)의 상하면에 형성한 경우에 대하여 나타내고 있다. 도 14A는 유전체 기판(1)의 상면도이고, 도 14B는 그 하면도이다. 상면에 형성한 4극의 공진기에 관하여 전하의 부호를 반전시키는 조작을 생각한다. 이 조작은 공진기 구조의 대칭성으로부터, z축에 대하여 180°회전시키는 조작과 등가이다.

유전체 기판(1)의 상면에 형성한 공진기와, 하면에 형성한 공진기를 각각 180°회전시켰을 때의 전자계 모드는 축적 에너지, 주파수 모두 본래의 전자계 모드와 동일하다. 따라서, 유전체 기판 상하면의 2개의 공진기의 모드는 축퇴(縮退) 모드가 된다. 즉, 이 상하면의 2개의 공진기끼리는 결합하지 않는다.

이 점에 의해, 도 11에 나타낸 공진기(24)와 공진기(25)는 직접 결합하지 않는다. 단, 도 11에 나타낸 예에서는 상면의 공진기(24)와 하면의 공진기(25)가 약간 어긋난 위치에 있기 때문에, 전혀 결합하지 않는 것은 아니지만, 강하게 결합하는 것은 아니다.

도 15는 각각 4극 구조인 2개의 공진기를 유전체 기판(1)의 상하면에 형성한 경우에 대하여 나타내고 있다. 도 15A는 유전체 기판(1)의 상면도이고, 도 15B는 그 하면도이다. 상면에 형성한 4극의 공진기에 대하여, 전하의 부호(전류의 방향)를 반전시키는 조작을 생각한다. 이 조작은 공진기 구조의 대칭성으로부터, yz면에 대한 공간의 경상(鏡像) 반전 조작과 등가이다.

상기 경상 반전의 전자계 모드는 축적 에너지, 주파수 모두 본래의 전자계 모드와 동일하다. 따라서, 유전체 기판 상하면의 2개의 공진기의 모드는 축퇴 모드가 되며, 이 상하면의 2개의 공진기끼리는 결합하지 않는다.

다음으로, 제 5 실시형태로서 듀플렉서의 구성예를 도 16을 참조하여 설명한다.

여기에서, 송신 필터와 수신 필터는 모두, 도 11 등에 나타낸 구조의 필터이다. 단, 트랩 공진기에 의한 감쇠 영역은 상대측의 통과 대역(송신 필터로부터 보면 수신 대역, 수신 필터로부터 보면 송신 대역)에 인접하는 위치가 되도록, 필터 특성을 정해 둔다.

송신 필터의 출력 포트와 수신 필터의 입력 포트 사이는 송신 신호가 수신 필터측에 돌아서 들어가지 않도록, 또한, 수신 신호가 송신 필터측에 돌아서 들어가지 않도록, 위상 조정을 행하고 있다.

다음으로, 제 6 실시형태에 따른 통신 장치의 구성을 도 17에 나타낸다.

여기에서, 듀플렉서는 도 16에 나타낸 구성의 듀플렉서이다. 이 듀플렉서의 송신 단자에는 송신 회로를, 수신 단자에는 수신 회로를 각각 접속하고 있다. 또한, 안테나 단자에는 안테나를 접속하고 있다.

본 발명에 따르면, 각각 스파이럴 형상의 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록, 기판상의 소정점을 중심으로 하는 실질적인 회전 대칭 위치에 각각 배치하였기 때문에, 복수의 스파이럴 형상 선로의 각 선로 사이에 간극이 형성되며, 유전체 기판에 대하여 수직 방향의 자계가 그 간극을 통과한다. 그 때문에, 각 스파이럴 형상 선로의 연단 효과가 완화되어, 각 스파이럴 형상 선로의 가장자리 단부에 있어서의 전류 집중이 저하된다. 그 결과, 전체의 도체 손실이 저하되어 저손실화를 도모할 수 있다.

또한, 복수의 스파이럴 형상 선로의 집합체의 복수개 분의 각 선로에 대하여, 상기 선로에 실질적으로 직교하는 실질적인 직선 위치에서, 상기 복수개 분의 선로의 외주단을 가지런히 함으로써, 예를 들면 실질적으로 직선 형상이며 서로 실질적으로 평행한 복수의 선로가 스파이럴 형상 선로에 교차하는 일도 없고, 직선 선로 집합체를 용이하게 접속할 수 있으며, 그 접속부에 있어서의 손실도 최소한의 것으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 각각 실질적으로 직선 형상이며 서로 실질적으로 평행한 복수의 선로에 의해 직선 선로 집합체 소자를 구성함과 동시에, 상기 직선 선로 집합체 소자의 양단에 상기 스파이럴 선로 집합체 소자를 각각 형성하여 공진기를 구성함으로써, 상기 스파이럴 선로 집합체 소자는 전하를 축적하는 소면적ㆍ저손실의 용량 소자로서 작용하고, 상기 직선 선로 집합체 소자는 소면적ㆍ저손실의 유도 소자로서 작용한다. 이에 따라, 전체적으로 소면적ㆍ저손실의 공진기를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 직선 선로 집합체 소자의 양단에 배치하는 스파이럴 선로 집합체 소자의 각 선로의 선회 방향을 서로 반대의 관계로 하여, 선대칭형의 공진기를 구성함과 동시에, 상기 공진기를 2세트 형성하며, 또한, 각각의 직선 선로 집합체 소자끼리를 근접시켜, 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자를 상하 좌우가 실질적으로 대칭이 되도록 배치하여 공진기를 구성함으로써, 상기 직선 선로 집합체 소자에서의 도체 손실이 저감되며, 전체적으로 Q를 더 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 공진기에 신호 입출력부를 형성하여 필터를 구성함으로써, 소형이며 삽입 손실이 작은 필터를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 필터를 2세트 구비함과 동시에, 그 신호 입출력부로서, 송신 신호 입력 단자, 공용 입출력 단자 및 수신 신호 출력 단자를 형성하여 듀플렉서를 구성함으로써, 소형이며 삽입 손실이 작은 듀플렉서를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 스파이럴 선로 집합체 소자, 공진기, 필터 또는 듀플렉서를 구비하여 고주파 회로 장치를 구성함으로써, 소형이며 저손실의 고주파 회로를 구성할 수 있으며, 그것을 사용한 통신 장치의 잡음 특성 및 전송 속도 등의 통신 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 제 1 실시형태에 따른 스파이럴 선로 집합체 소자의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 상기의 스파이럴 선로 집합체 소자의 기초가 되는 원형(原型)의 스파이럴 선로 집합체의 구조를 나타내는 도면이다.

도 3은 스파이럴 선로 집합체 소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 4는 스파이럴 선로 집합체 소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 5는 스파이럴 선로 집합체 소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 6은 제 2 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7은 공진기의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.

도 8은 제 3 실시형태에 따른 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.

도 9는 다른 구조로 이루어지는 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.

도 10은 다른 구조로 이루어지는 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.

도 11은 제 4 실시형태에 따른 필터의 구성을 나타내는 도면이다.

도 12는 상기 필터의 등가 회로도이다.

도 13은 상기 필터의 특성예를 나타내는 도면이다.

도 14는 공진기 사이의 결합 관계에 대하여 나타내는 도면이다.

도 15는 공진기 사이의 결합 관계에 대하여 나타내는 도면이다.

도 16은 제 5 실시형태에 따른 듀플렉서의 구성을 나타내는 도면이다.

도 17은 제 6 실시형태에 따른 통신 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 18은 종래의 공진기의 구성, 등가 회로 및 파장 단축 효과의 특성을 나타내는 도면이다.

도 19는 선 폭이 일정한 스파이럴 선로의 이미지를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>

1 : 유전체 기판 2 : 스파이럴 형상 선로

2′: 직선 형상 선로 3 : 접지 전극

12∼15 : 결합 전극 16, 17 : 단자

21 : 스파이럴 선로 집합체 소자

21′: 스파이럴 선로 집합체 소자의 원형

22 : 직선 선로 집합체 소자 23∼26 : 공진기

Claims (6)

1. 각각 스파이럴(spiral) 형상의 복수의 선로의 집합체에 의한 소자로서, 상기 복수의 선로를 서로 교차하지 않도록, 기판상의 소정점을 중심으로 하는 실질적인 회전 대칭 위치에 각각 배치함과 동시에, 이들 복수의 선로의 집합체의 복수개 분의 각 선로에 대하여, 상기 선로에 실질적으로 직교하는 실질적인 직선 위치에서, 상기 복수개 분의 선로의 외주단을 가지런히 한 형상으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파이럴 선로 집합체 소자.
2. 각각 실질적으로 직선 형상이며 서로 실질적으로 평행한 복수의 선로에 의해 직선 선로 집합체 소자를 구성함과 동시에, 상기 직선 선로 집합체 소자의 양단에, 제 1 항에 기재된 스파이럴 선로 집합체 소자를 각각 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공진기.
3. 제 2 항에 기재된 직선 선로 집합체 소자의 양단에 배치하는 스파이럴 선로 집합체 소자의 각 선로의 선회 방향을 서로 반대의 관계로 하여, 선대칭형의 공진기를 구성함과 동시에, 상기 공진기를 2세트 형성하며, 또한, 각각의 직선 선로 집합체 소자끼리를 근접시켜, 4개의 스파이럴 선로 집합체 소자를 상하 좌우가 실질적으로 대칭이 되도록 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공진기.
4. 제 2 항에 기재된 공진기에 신호 입출력부를 형성한 것을 특징으로 하는 필터.
5. 제 4 항에 기재된 필터를 2세트 구비함과 동시에, 상기 신호 입출력부로서, 송신 신호 입력 단자, 송수신 공용 입출력 단자 및 수신 신호 출력 단자를 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 듀플렉서.
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