KR100554574B1 - 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 관한 것이다.
본 발명의 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 일자형 개방 스트립선로; 상기 스트립선로의 일 측단에 제1 커패시터(CP1)와 제3 커패시터(CP3)를 직렬로 연결할 수 있는 제1 연결부 및 상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부로 구성됨에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 공진기의 크기를 원하는 크기만큼 줄일 수 있어 기본적으로 회로의 크기를 줄일 수 있고, 공진기의 기준 공진주파수(Fundamental resonant frequency)와 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(First spurious resonant frequency)간의 주파수 차이가 기존의 반파장 전송선로를 이용한 공진기에 비해 훨씬 크게 나타나기 때문에, 넓은 상향 저지대역(Wide upper stopband)을 갖는 필터를 설계할 수 있을 뿐만아니라, 스퓨리어스 신호를 제어할 수 있음으로 인해 광대역 특성의 회로를 설계할 수 있는 기술적 장점과 효과가 있다.
스트립선로, 공진기, 반파장, 커패시터.

Description

커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기{Capacitively loaded multi layer half wavelength resonator}
도 1은 종래의 손실을 갖는 개방 전송선로를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 손실을 갖는 개방 전송선로의 전압분포를 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명에 의한 제1 실시예에 따른 공진기의 3차원 구조를 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명에 의한 제1 실시예에 따른 공진기의 등가회로를 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명에 의한 제1 실시예에 따른 공진기의 공진 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명에 의한 제2 실시예에 따른 공진기의 3차원 구조를 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명에 의한 제2 실시예에 따른 공진기의 등가회로를 나타낸 것이다.
도 4c는 본 발명에 의한 제2 실시예에 따른 공진기의 공진 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 일자형스트립선로. 110 : 제1 연결부.
120 : 제2 연결부. 130 : 제1 커패시터 등가회로.
140 : 제2 커패시터 등가회로.
본 발명은 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 스트립선로와 상기 스트립선로의 일 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제1 연결부 및 상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부로 이루어진 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 관한 것이다.
대한민국 공개특허공보 제 2001-0051433호를 보면 종래에는 다음과 같은 기술과 문제점이 있었음을 알 수 있다.
즉, 마이크로파 대역등에 사용되는 종래의 필터는 하나의 공진기 또는 복수의 공진기를 형성하기 위하여 유전체 블럭 내부에 내부도체 형성홀을 제공하고 유전체 블럭의 외부면에 외부 도체를 제공함으로써 형성되는 유전체 필터를 포함했다.
한편, 상기 유전체 블럭을 사용하는 종래의 유전체 필터는 불평형 입/출력 신호를 수행하기 위하여 내부 도체와 정전용량을 결합한 단자전극을 제공하는 방식 이 있었다. 따라서, 불평형 입/출력형의 증폭회로에 신호를 주기 위해서는 발룬(balun) 즉, 평형-불평형 변환기를 사용하여 불평형식 신호를 평형식 신호로 변환시켜야 했다. 그러나, 이런 형태의 유전체 필터는 발룬으로 인해 삽입손실이 크다는 문제를 발생시키며, 회로기판에 발룬을 배치하기 위한 공간이 확보되어야 하며, 따라서 소형화가 이루어질 수 없었다.
또한, 종래에는 반파장으로 공진하고 개방 전송선로로 된 양단을 가진 반파장 공진기가 있었다.
도 1은 종래의 손실을 갖는 개방 전송선로의 일반적인 구성도를 나타낸 것이다.
상기 도 1에서 l은 전송선로의 길이, Zin는 입력임피던스, Z0는 특성임피던스, α와 β는 각기 손실위상상수와 전파위상상수를 나타낸다.
도 2는 종래의 손실을 갖는 개방 전송선로에 있어 전압분포를 나타낸 것이다.
상기 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 전송선로의 길이 l이 반파장(λ/2 ) 또는 반파장(λ/2)의 정수배일 때, 손실을 갖는 개방 전송선로는 병렬공진 회로처럼 동작한다.
상기 개방 전송선로(Open circuited length of transmission line)의 반파장 공진기의 일반적인 작동원리를 이하 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 길이 l인 개방 전송선로의 입력 임피던스(Zin)는 아래의 수학식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112002042736749-pat00001
공진 주파수 ω = ω0 에서 전송선로의 길이를 l = λ/2 라고 가정하고, ω = ω0 + Δω라 하면 아래의 수학식과 같은 일련의 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112002042736749-pat00002
Figure 112002042736749-pat00003
상기 수학식을 이용하면 아래 수학식과 같은 입력 임피던스(Zin) 값을 구할 수 있다.
Figure 112002042736749-pat00004
한편, 이상적인 집중 소자(Lumped element)로 구성된 병렬공진회로의 경우, 입력 임피던스(Zin) 값은 아래와 같은 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112002042736749-pat00005
상기 두개의 수학식으로 표현된 입력 임피던스를 서로 비교함으로써 종래의 개방 전송선로는 병렬 공진회로가 됨을 알 수 있으며, 상기 등가 병렬공진회로에 있어 저항(R), 리액턴스(L), 커패시턴스(C) 값을 유도해 낼 수 있다.
상기 입력 임피던스의 식을 비교함으로써 유도한 등가 병렬 공진회로에 있어 저항(R), 리액턴스(L), 커패시턴스(C) 값 및 공진기의 큐펙터(Q)는 아래 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112002042736749-pat00006
그러나, 상기와 같은 종래의 개방 전송선로의 반파장 공진기는 공진기의 길이가 반파장이 되어야 한다는 제한이 있어서 공진기의 크기가 커지는 문제점과 컴팩트한 여파기를 설계하는데 있어 기술적 장애가 있었다.
또한, 공진기의 주파수 특성을 살펴볼 때 원하는 기준 주파수(f0) 및 상기 기준 주파수의 정수배 이를테면, 2f0, 3f0 등에서도 공진이 발생하는 기술적 제한이 있었는데, 이는 상기 공진기의 주파수 특성을 이용해서 여파기를 설계할 때에 설계자가 원하는 신호외에 그 원하는 신호에 대한 조화(Harmonic) 신호 성분이 통과하기 때문에 전체 회로의 특성을 저하시키는 기술적 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 스트립선로와 상기 스트립선로의 일 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제1 연결부 및 상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부로 구성됨으로써 공진기를 설계할 경우 회로의 크기를 줄일 수 있고, 넓은 상향 저지대역(Wide upper stopband)을 갖는 필터와 광대역 특성을 갖는 회로를 설계할 수 있는 스퓨리어스 특성이 우수한 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 일자형 개방 스트립선로; 상기 스트립선로의 일 측단에 제1 커패시터(CP1)와 제3 커패시터(CP3)를 직렬로 연결할 수 있는 제1 연결부 및 상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부로 구성된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 의해 달성된다.
즉, 본 발명의 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 기존의 반 파장 스트립 선로 공진기의 양 끝단에 일정 용량의 커패시턴스(Capacitance)를 갖는 커패시터를 연결함으로써 구현된다. 이 경우 전파지연효과(Slow wave effect)때문에 기준 공진 주파수(Fundamental resonant frequency) 및 기생 공진 주파수값들(Spurious resonant frequencies)이 전체적으로 감소하게 되는데, 종래의 반 파장 공진기의 경우 기준 공진주파수(Fundamental resonant frequency)의 정수배에서 공진 주파수가 발생하는 문제점이 있었지만, 본 발명에 의한 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기를 사용할 경우 개방형 스트립선로에 연결된 커패시턴스의 용량 값에 따라서 기준 공진주파수(Fundamental resonant frequency)의 2배 이상에서 첫 번째 기생 공진 주파수(First spurious resonant frequency)가 발생하게 되어 넓은 상향 저지대역을 갖는 초소형 여파기의 설계가 가능하게 된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 3a는 본 발명에 의한 일자형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기의 일실시예로 3차원 구조를 나타낸 것이다.
상기 공진기의 기본 구조는 기존의 반파장 스트립 선로 공진기의 개방된 양 끝 단에 일정한 용량의 커패시턴스를 가지는 커패시터 패턴을 비아홀(Via-Hole)을 통해서 연결한 모양을 갖고 있다. 즉, 이는 하향 접지면에 제1 커패시터(CP1), 제2 커패시터(CP2)가 놓여 있고 상향 접지면에 제3 커패시터(CP3), 제4 커패시터(CP4)가 놓여 있으며, 그 사이에 스트립선로가 배치되어 있다.
도 3b는 본 발명에 의한 일자형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 대한 등가회로를 나타낸 것이다.
상기 도 3b에서 도시되어 있는 바와 같이 상기 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 일자형 개방 스트립선로로 구성되며 이는 커패시터를 연결할 수 있는 양 측단을 가지고 있다.
상기 스트립선로(100)에 있어 한 측단(110)은 상기 제1 커패시터(CP1)와 상기 제3 커패시터(CP3)가 서로 직렬 연결되어 합성된 제1 등가 커패시터 회로(130)와 연결되어 있다.
상기 스트립선로에 있어 다른 측단(120)은 제2 커패시터(CP2)와 제4 커패시터(CP4)가 서로 직렬로 연결되어 합성된 제2 등가 커패시터 회로(140)와 연결되어 있다.
상기 도 3b에서 부하된 커패시턴스로 사용된 4개의 커패시터 구조 중에서 요구되는 정전용량값이 기준 정전용량값보다 작을 경우에는 제3 커패시터(CP3), 제4 커패시터(CP4)는 회로의 연결에서 단락시킬 수 있다.
도 3c는 상기 본 발명에 의한 공진기에 의할때 나타나는 공진기의 공진 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
상기 도 3c에서 보는 바와 같이 부하된 커패시터의 커패시턴스 값을 변화시 켜 가면서, 기준 공진 주파수(f0) 및 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(f1)와 두 주파수의 비(f1 / f0)를 조사 분석하였다.
이하 상기 도 3c에 대한 커패시턴스 값의 변화에 따른 공진주파수의 변화, 스퓨리어스 공진 주파수의 변화, 기준공진주파수에 대한 스퓨리어스 주파수의 비의 변화에 대해 설명하기로 한다.
커패시턴스 값이 0.0pF에서 3.0pF으로 증가함에 따라 기준 공진 주파수(f0 )는 대략 5GHz에서 3GHz까지는 급격히 감소하다가 2GHz까지는 점진적으로 감소함을 알 수 있다.
커패시턴스 값이 0.0pF에서 3.0pF으로 증가함에 따라 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(f1)값은 대략 11GHz에서 8GHz까지는 급격히 감소하다가 7GHz까지는 점진적으로 감소함을 알 수 있다.
또한, 커패시턴스 값이 0.0pF에서 3.0pF으로 증가함에 따라 기준공진주파수에 대한 스퓨리어스 주파수의 비(f1/f0)는 대략 2.0에서 3.3까지 직선적으로 증가함을 알 수 있다.
따라서, 상기 본 발명에 의한 일자형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 자체적으로 사이즈 강점을 가지고 있으며, 스퓨리어스 특성 또한 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 4a는 본 발명에 의한 굴곡형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다 중층 반파장 공진기의 일실시예로 3차원 구조를 나타낸 것이다.
상기 공진기의 기본 구조는 기존의 반파장 스트립 선로 공진기의 개방된 양 끝 단에 일정한 용량의 커패시턴스를 가지는 커패시터 패턴을 비아홀(Via-Hole)을 통해서 연결한 모양을 갖고 있다.
상기 굴곡형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 하향 접지면에 서로 배향되게 적층으로 놓아진 제1 커패시터(CPD1), 제2 커패시터(CPU1)가 연결되어 있다. 또한, 상향 접지면에 서로 배향되게 적층으로 놓아진 제3 커패시터(CPU2), 제4 커패시터(CPD2)가 연결되어 있다. 상기 제1 커패시터(CPD1), 제2 커패시터(CPU1)와 상기 제3 커패시터(CPU2), 제4 커패시터(CPD2)사이에 구멍을 통해서 연결한 모양을 가진 ㄷ자 굴곡형 스트립선로가 배치되어 있다.
도 4b는 본 발명에 의한 굴곡형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기에 대한 등가회로를 나타낸 것이다.
상기 ㄷ자 굴곡형 개방 스트립선로(200)는 커패시터와 연결될 수 있는 양 측단을 가지고 있다.
상기 ㄷ자 굴곡형 개방 스트립선로에 있어서 한 측단(210)은 서로 배향되게 적층으로 배치된 제1 커패시터(CPD1)와 제2 커패시터(CPU1)가 서로 병렬 연결된 제1 커패시터군과 서로 배향되게 적층으로 배치된 제3 커패시터(CPU2)와 제4 커패시터(CPD2)가 서로 병렬 연결된 제2 커패시터군이 서로 직렬 연결되어 구성된 제1 커패시터 등가회로(230)를 갖도록 연결되어 있다.
상기 ㄷ자 굴곡형 개방 스트립선로에 있어서 다른 측단(220)은 제1 커패시터(CPD1)와 제4 커패시터(CPD2)가 서로 직렬 연결되어 구성된 제2 커패시터 등가회로(240)를 갖도록 연결되어 있다.
상기 제1 등가회로와 제2 등가회로는 서로 병렬로 연결되어 있고, 제2 등가회로는 접지부분과 연결되어 있다.
상기 도 4b에서 부하된 커패시턴스로 사용된 4개의 커패시터 구조중에서 요구되는 정전용량값이 기준 정전용량값보다 작을 경우 제3 커패시터(CPU2), 제4 커패시터(CPD2)는 단락시킬 수 있다.
도 4c는 상기 본 발명에 의한 공진기에 의할때 나타나는 공진기의 공진 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
부하된 커패시터의 커패시턴스 값을 변화시켜 가면서, 기준 공진 주파수(f0) 및 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(f1)와 두 주파수의 비(f1/f0)를 조사 분석하였다.
이하 상기 도 4c에 대한 커패시턴스 값의 변화에 따른 공진주파수의 변화, 스퓨리어스 공진 주파수의 변화, 기준공진주파수에 대한 스퓨리어스 주파수의 비의 변화에 대해 상세히 설명한다.
커패시턴스 값이 0.0pF에서 3.0pF으로 증가함에 따라 기준공진주파수(f0)는 대략 5GHz에서 3GHz까지는 급격히 감소하다가 2GHz까지는 점진적으로 감소함을 알 수 있다.
커패시턴스 값이 0.0pF에서 3.0pF으로 증가함에 따라 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(f1) 값은 대략 11GHz에서 8GHz까지는 급격히 감소하다가 7GHz까지는 점진적으로 감소함을 알 수 있다.
또한, 커패시턴스 값이 0.0pF 에서 3.0pF으로 증가 함에 따라 기준공진주파수에 대한 스퓨리어스 주파수의 비(f1/f0)는 대략 2.0에서 5.5까지 급격히 증가함을 알 수 있다.
따라서, 상기 본 발명에 의한 굴곡형 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 자체적으로 사이즈 강점을 가지고 있으며, 스퓨리어스 특성 또한 우수하다는 것을 알 수 있다.
상기 본 발명에 의한 스트립선로가 부착된 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기의 공진 특성은 스트립 선로의 길이 및 너비, 접지면 사이의 거리 등에 의해서 영향을 받으므로 본 발명의 실시자는 원하는 특성에 따라 구조를 선택할 수 있다.
본 발명은 바람직 스럽게도 모든 필터구조 및 필터 응용구조 이를 테면, 듀플렉서, 다이플렉서, 튜너블 필터, 특히 적층 PCB를 이용한 필터, LTCC 기술을 이용한 필터, 기타 다른 소재를 이용한 모든 적층 구조에 응용할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예는 상기 명세서에 기재된 특정사항으로 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 분야의 해당 당업자라면 누구나 쉽게 다른 많은 변형된 실시예를 구현 할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기는 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 스트립선로와 상기 스트립선로의 일 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제1 연결부 및 상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부로 이루어짐으로써 공진기의 크기를 원하는 크기만큼 줄일 수 있어 기본적으로 회로의 크기를 줄일 수 있고, 공진기의 기준 공진주파수(Fundamental resonant frequency)와 첫 번째 스퓨리어스 공진 주파수(First spurious resonant frequency)와의 주파수 차이가 기존의 반파장 전송선로를 이용한 공진기에 비해 훨씬 크게 나타나기 때문에, 넓은 상향 저지대역(Wide upper stopband)을 갖는 필터를 설계할 수 있을 뿐만아니라, 스퓨리어스 신호를 제어할 수 있음으로 인해 광대역 특성의 회로를 설계할 수 있는 기술적 장점과 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 적층구조를 이용한 반 파장 스트립선로 공진기에 있어서,
    유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 일자형 개방 스트립선로;
    상기 스트립선로의 일 측단에 제1 커패시터(CP1)와 제3 커패시터(CP3)를 직렬로 연결할 수 있는 제1 연결부; 및
    상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부
    를 포함하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  4. 적층구조를 이용한 반 파장 스트립선로 공진기에 있어서,
    유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 일자형 개방 스트립선로;
    상기 스트립선로의 일 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제1 연결부; 및
    상기 스트립선로의 타 측단에 제2 커패시터(CP2)와 제4 커패시터(CP4)를 직렬로 연결할 수 있는 제2 연결부
    를 포함하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  5. 제 3항에 있어서,
    요구되는 정전용량값이 기준 정전용량값보다 작을 경우, 상기 일자형 개방 스트립선로의 제1 연결부에 제1 커패시터(CP1)만이 연결되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  6. 제 4항에 있어서,
    요구되는 정전용량값이 기준 정전용량값보다 작을 경우, 상기 일자형 개방 스트립선로의 제2 연결부에 제2 커패시터(CP2)만이 연결되는 것을 특징으로 하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  7. 삭제
  8. 적층구조를 이용한 반 파장 스트립선로 공진기에 있어서,
    유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 굴곡형 개방 스트립선로;
    상기 스트립선로의 일 측단에 서로 배향되게 적층으로 배치된 제1 커패시터(CPD1)와 제2 커패시터(CPU1)가 서로 병렬연결된 제1 커패시터군과 서로 배향되게 적층으로 배치된 제3 커패시터(CPU2)와 제4 커패시터(CPD2)가 서로 병렬연결된 제2 커패시터군이 각각 직렬연결할 수 있는 제1 연결부; 및
    상기 스트립선로의 타 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제2 연결부
    를 포함하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  9. 적층구조를 이용한 반 파장 스트립선로 공진기에 있어서,
    유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 굴곡형 개방 스트립선로;
    상기 스트립선로의 일 측단에 커패시터를 연결할 수 있는 제1 연결부; 및
    상기 스트립선로의 타 측단에 제1 커패시터(CPD1)와 제4 커패시터(CPD2)가 직렬연결할 수 있는 제2 연결부
    를 포함하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
  10. 제 8항에 있어서,
    요구되는 정전용량값이 기준 정전용량값보다 작을 경우, 상기 굴곡형 개방 스트립선로의 제1 연결부에 서로 배향되게 적층으로 배치된 제1 커패시터(CPD1)와 제2 커패시터(CPU1)가 서로 병렬 연결되어 제1 커패시터 등가회로를 갖는 것을 특징으로 하는 커패시터가 부하된 다중층 반파장 공진기.
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