KR100753799B1 - 공진기 및 이를 이용한 ｒｆ 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진기 및 이를 이용한 RF 필터에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 공진기는 유니폼한 원통 형태의 원통형 상부; 최상부는 상기 원통형 상부와 동일한 반지름을 가지며, 하부로 갈수록 반지름이 점차 증가하는 콘형 하부가 일체로 형성된다. 본 발명에 의하면, 공진기의 형상을 변경함으로써 주파수 저지 대역에서 보다 효율적으로 주파수를 차단하는 보다 높은 Q-factor를 가지는 공진기 및 이를 이용한 필터가 제공될 수 있다

공진기, 필터

Description

공진기 및 이를 이용한 ＲＦ 필터{Resonator and RF Filter Using the Resonator}

도 1은 RF 필터의 설치되는 종래의 공진기의 일례를 도시한 도면.

도 2는 RF 필터에 설치되는 종래의 공진기의 다른 예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진기가 적용되는 RF 필터의 평면도를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기가 적용되는 RF 필터의 사시도를 도시한 도면.

도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 RF 필터의 등가 회로 구성을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기의 구조를 도시한 도면.

도 7은 종래의 유니폼 원통형 공진기를 사용한 경우의 출력 파형을 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 공진기를 사용한 경우의 출력 파형을 도시한 도면.

본 발명은 공진기 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 주파수(Radio Frequency) 필터에 구비되는 공진기의 구조에 관한 것이다.

RF 필터는 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시키고 다른 주파수 대역의 신호는 감쇄시키는 특성을 갖는 수동 소자이다. 이러한 RF 필터는 통과시키는 대역 이외의 주파수 대역의 신호를 저지시키는 우수한 감쇄 특성을 갖는 것이 필수적이다.

이러한 RF 필터는 각종 이동통신 무선 통신 시스템의 기지국과 중계기에서 원하는 주파수 대역만을 최소의 감쇄로 통과시키고 다른 대역이 주파수는 신호의 크기를 감쇄시켜 저지하는 기능을 한다.

이러한 RF 필터에는 다수의 공진기가 포함되며, 이러한 공진기는 특정 주파수 대역의 RF 신호를 공진시켜 특정 주파수 대역의 신호만이 필터를 통과하도록 하는 기능을 한다.

공진기는 회로적으로 주파수 공진을 발생시키는 캐패시터 및 인덕터의 결합으로 표현될 수 있으며, 공진기의 형상에 따라 공진되는 주파수 대역 및 Q-factor와 같은 공진 특성이 달라지게 된다. 공진기의 재질은 필터의 모드 등에 따라 유전체 재질의 공진기가 사용되기도 하고 금속 재질의 공진기가 사용되기도 한다.

도 1은 RF 필터의 설치되는 종래의 공진기의 일례를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 RF 필터에 설치되는 공진기는 유니폼(uniform)한 원통형의 형태를 가지고 있는 것이 일반적이다. 이와 같은 유니폼 타입의 원통형 공진기에는 홈이 형성되며, 공진 주파수의 변경을 위해 형성된 홈에 튜닝 볼트가 삽입되기도 한다.

도 2는 RF 필터에 설치되는 종래의 공진기의 다른 예를 도시한 도면이다.

도 1과 같은 유니폼 원통형 공진기 이외에도 도 2와 같이 하부로 갈수록 지름이 커지는 콘 타입의 공진기가 사용되기도 한다.

전술한 바와 같이, RF 필터는 저지 대역이 주파수에 대해서는 높은 감쇄 특성을 가질 필요가 있으며, 높은 감쇄 특성을 가지는지 여부를 판단하기 위한 파라미터로 Q-factor가 있다.

Q-factor는 필터의 주파수 대역에서의 신호 그래프가 얼마나 샤프한지를 측정하는 파라미터로 주파수 선택도라고 표현되기도 한다. 이러한 Q-factor는 일반적으로 리액턴스/저항값으로 정의되거나 중심주파수/3dB 대역폭으로 정의된다.

도 1 및 도 2와 같은 형상을 가지는 공진기가 사용되는 RF 필터는 높은 Q-factor가 요구되는 조건에서는 적절히 동작할 수 없었던 문제점이 있었으며, 보다 높은 Q-factor를 가질 수 있는 RF 필터 및 공진기 구조가 요구되고 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 저지 대역의 주파수를 효율적으로 감쇄시키는 보다 높은 Q-factor를 가질 수 있는 공진기 구조를 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 보다 높은 Q-factor를 가지도록 설계된 공진기를 이 용하는 RF 필터를 제안하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유니폼한 원통 형태의 원통형 상부; 최상부는 상기 원통형 상부와 동일한 반지름을 가지며, 하부로 갈수록 반지름이 점차 증가하는 콘형 하부가 일체로 형성되는 RF 필터의 공진기가 제공된다.

상기 원통형 상부 및 상기 콘형 하부의 길이의 비는 4:1 내지 6:1인 것이 바람직하다.

상기 공진기 내부에는 소정의 반지름 및 길이를 가지는 홈이 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 공동을 형성하기 위한 다수의 칸막이; 상기 칸막이에 의해 형성되는 적어도 하나의 공동 각각에 수용되는 적어도 하나의 공진기; 및 하우징을 포함하되, 상기 공진기는, 유니폼한 원통 형태의 원통형 상부; 최상부는 상기 원통형 상부와 동일한 반지름을 가지며, 하부로 갈수록 반지름이 점차 증가하는 콘형 하부가 일체로 형성되는 RF 필터가 제공된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 공진기 구조 및 이를 이용한 RF 필터의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진기가 적용되는 RF 필터의 평 면도를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기가 적용되는 RF 필터의 사시도를 도시한 도면이다.

도 3은 8개의 공진기를 가지는 8폴(pole) RF 필터를 도시한 것이며, 폴의 수는 필요한 필터 특성에 따라 달라질 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기가 적용되는 RF 필터는 다수의 공진기(300), 각 공진기가 수용되는 공간을 정의하기 위한 칸막이(302), 하우징(304), 입력 커넥터(306), 출력 커넥터(308) 및 튜닝 볼트(310)를 포함할 수 있다.

도 3에서, 칸막이(302)들에 의해 RF 필터에는 8개의 공동(Cavity)가 형성이 되며, 각각의 캐비티에는 공진기(300)들이 수용된다. 공진기들은 공지된 다양한 결합 방식을 통해 필터 하우징의 하부에 결합될 수 있다. 칸막이(302)에 의해 정의되는 각각의 공동(Cavity)은 각각의 공진기(300)의 RF 신호 커플링 양을 조절하기 위한 것이다. 이와 같이 공진기(300)간의 커플링양을 조절하여 불필요한 신호의 발생을 억제되도록 한다. 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 추가적인 노치 발생등을 위해 칸막이를 관통하여 삽입되는 커플링 바(미도시)가 설치될 수도 있을 것이다.

RF 필터의 하우징(304) 내면은 전기적 성능을 안정화하고 전도성을 최대로 하기 위해 은도금과 같이 금속 재질로 처리되는 것이 바람직하며, 칸막이는 공동 바닥면에서 수직으로 소정 간격만큼 절단된 구조로 형성된다.

RF 필터의 공진 주파수 및 필터의 대역폭을 조절하기 위해 필터의 상부 하우징에는 튜닝 볼트(310)가 구비된다. 튜닝 볼트는 공진기(300)의 홈에 대응되도록 구비되거나 공진기의 홈이 아닌 칸막이(302)에 의해 형성되는 공동(Cavity)의 일부 영역에 대응되도록 구비된다.

공진기(300)이 홈에 대응되도록 구비된 튜닝 볼트(310)는 필터의 공진 주파수를 수동으로 조절하기 위한 튜닝 볼트이다. 사용자는 공진기(300) 홈에 대응되도록 구비된 튜닝 볼트를 돌려서 공진 주파수를 미세하게 조절할 수 있다.

또한, 공진기의 홈이 아닌 공동의 일부 영역에 대응되도록 구비된 튜닝 볼트(310)를 이용하여 필터의 대역폭을 사용자가 미세하게 조절할 수도 있다.

필터 하우징의 일측에는 입력 커넥터(306) 및 출력 커넥터(308)가 구비된다. 입력 커넥터(306)는 입력되는 RF 신호를 첫번째 공진기에 전달하는 기능을 하고, 출력 커넥터는 마지막 공진기로부터의 신호를 다음 스테이지에 제공하는 기능을 한다.

도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 RF 필터의 등가 회로 구성을 도시한 도면이다.

칸막이를 통해 각 유전체 사이에 RF 신호가 커플링되는 공간은 등가 회로에서 인덕터(500)로 표현된다. 또한, 칸막이에 의해 형성되는 각 공동(Cavity)에 설치되는 공진기는 등가 회로에서 인덕터 및 캐패시터의 결합(502)으로 표현된다.

도 3 및 도 4가 8폴 필터이므로 도 5에는 8개의 인덕터 및 캐패시터 결합(502)이 도시되어 있다.

각 공진기는 미리 설정된 대역의 주파수를 공진시키며, 폴의 수(공진기의 수)에 따라 공진 특성이 달라진다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기의 구조를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기의 상부는 유니폼 원통 형태로 형성되고 공진기의 하부는 콘 형태로 형성된다. 즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공진기는 종래의 유니폼 원통 형태와 콘 형태의 공진기가 결합된 형태이다. 이하에서, 상부의 유니폼 원통 형태 부분을 '원통형 상부(600)'라고 하고, 하부의 콘 형태 부분을 '콘형 하부(602)'라고 한다.

본 발명에 따른 공진기에서, 공진기의 전체길이가 L이고 L=L'+L''라고 할 때, L'에 상응하는 부분은 원통 형태로 형성되며, L''에 상응하는 부분은 콘 형태로 형성된다. 콘 형태 하부에서 상부의 반지름은 원통형 상부(600)의 반지름과 동일하며, 원통형 상부(600)의 반지름보다 반지름이 점점 커지는 형태로 콘 형태 하부가 형성된다. 종래의 일반적인 공진기들과 같이 공진기 내부에는 일정한 반지름을 가지는 홈이 형성되며, 형성된 홈으로 튜닝 볼트가 삽입될 수도 있다.

도 6과 같은 형태의 공진기는 일체형으로 형성되는 것이 바람직하며, RF 필터의 각 공동(Cavity)에 수용된다.

도 6과 같은 새로운 구조의 공진기는 종래의 유니폼 원통 형태의 공진기 및 콘 형태의 공진기보다 높은 Q-factor를 가질 수 있다.

도 6과 같은 공진기 구조에서, Q-factor는 원통형 상부(600)의 길이의 콘형 하부(602)의 길이의 비에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 원통형 상부(600)의 길이 L'와 콘형 하부(602)의 길이 L''가 약 5:1의 비율일 때 높은 Q-factor가 얻어질 수 있으며, 4:1 내지 6:1의 비율로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 원통형 상부(600) 및 콘형 하부(602)의 길이의 비가 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 비율로 형성되는 경우도 본 발명의 범주에 속한다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다. 공진기의 재질은 하우징과 같은 도전체 재질인 것이 바람직하나, 필요에 따라 유전체 공진기가 사용될 수도 있을 것이다. 바람직하게는 알루미늄, 황동(brass) 및 철이 조합된 도전체 재질이 사용될 수 있다.

이하에서는 도 6과 같은 형태의 공진기가 사용되는 필터의 동작 특성을 일반적인 유니폼 원통형 공진기가 사용되는 필터의 동작 특성과 비교하여 본 발명의 공진기의 높은 Q-factor 특성에 대해 설명하기로 한다.

실험을 위해 각각 8개의 공진기가 구비되는 필터를 사용하였으며, RF 신호로 중심 주파수가 2.67GHz인 RF 신호가 사용되었다. Q-factor를 측정하기 위한 파라미터로 최대 삽입 손실 및 중심 주파수에서 +52MHz 및 -52MHz 떨어진 지점에서의 감쇄도를 측정하였다.

기존의 유니폼 원통형 공진기를 사용한 경우의 실험 조건을 설명하면 다음과 같다.

원통형 공진기의 지름은 15mm이였으며, 길이는 17.5mm였다. 또한, 원통형 공진기의 홈의 지름은 8mm로 형성하였다.

각 공진기가 수용되는 공동(Cavity)은 가로 48mm이고, 세로 30mm였다.

본 발명의 공진기를 사용한 경우의 실험 조건을 설명하면 다음과 같다.

원통형 상부(600)의 지름의 길이는 12mm였고, 내부에 형성되는 홈의 지름은 8mm였다. 원통형 상부의 길이는 15.5mm였다.

콘형 하부(602)에서, 최상부의 지름의 길이는 원통형 상부의 지름과 동일한 12mm였고, 최하부의 지름의 길이는 24mm였다. 또한, 콘형 하부(602)의 길이는 3.5mm였다. 따라서, 원통형 공진기의 총 길이는 18.5mm이다.

도 7은 종래의 유니폼 원통형 공진기를 사용한 경우의 출력 파형을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 공진기를 사용한 경우의 출력 파형을 도시한 도면이다.

도 7 및 도 8로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형과 콘형이 결합된 공진기가 주파수 저지 대역에서 보다 샤프한 곡선을 가지게 되며, 이하에서는 구체적인 측정 결과에 대해 살펴보기로 한다.

상술한 실험 조건을 가지는 종래의 원통형 공진기를 8개 가지는 8폴 필터에 대해 에지 삽입 손실, 최대 삽입 손실 및 중심 주파수에서 +52MHz 및 -52MHz 지점에서의 신호의 감쇄 크기를 측정한 결과는 다음과 같다.

에지 삽입 손실: 0.62dB

최대 삽입 손실: 0.2dB

중심 주파수에서 +52MHz 지점에서의 신호 감쇄: 23dB

중심 주파수에서 -52MHz 지점에서의 신호 감쇄: 12dB

또한, 상술한 실험 조건을 가지는 본 발명의 원통형 공진기를 8개 가지는 8폴 필터에 대해 에지 삽입 손실, 최대 삽입 손실 및 중심 주파수에서 +52MHz 및 -52MHz 지점에서의 신호의 감쇄 크기를 측정한 결과는 다음과 같다.

에지 삽입 손실: 0.63dB

최대 삽입 손실: 0.14dB

중심 주파수에서 +52MHz 지점에서의 신호 감쇄: 45dB

중심 주파수에서 -52MHz 지점에서의 신호 감쇄: 16dB

위 실험 결과로부터, 에지 삽입 손실은 큰 차이가 없으나, Q-factor에 직접적인 영향을 미치는 최대 삽입 손실은 종래의 유니폼 원통형 공진기를 사용하는 경우보다 본 발명에 따른 공진기를 사용하는 경우에 더 작은 것을 확인할 수 있다.

또한, 중심 주파수에서 +52MHz 및 -52MHz 지점에서의 신호의 감쇄 크기를 비교하면, +52MHz인 지점에서 종래의 유니폼 원통형 공진기를 사용하는 경우에는 23dB만이 감쇄가 되었으나, 본 발명의 공진기를 사용하는 경우에는 45dB가 감쇄되어 더 좋은 감쇄 특성을 보였다. 중심 주파수에서 -52MHz인 지점에서 종래의 유니폼 원통형 공진기를 사용하는 경우에는 12dB만이 감쇄가 되었으나, 본 발명의 공진기를 사용하는 경우에는 16dB가 감쇄되어 더 좋은 감쇄 특성을 보였다.

따라서, 본 발명과 같이 상부는 원통형 형태로 공진기를 구성하고 하부는 콘 형태로 공진기를 구성하는 경우 종래의 공진기들에 비해 필터가 더 좋은 Q-factor를 가질 수 있으며, 이에 따라 주파수 저지 대역에서 주파수 곡선이 더 샤프하게 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공진기의 형상을 변경함으로써 주파수 저지 대역에서 보다 효율적으로 주파수를 차단하는 보다 높은 Q-factor를 가지는 공진기 및 이를 이용한 필터가 제공될 수 있다.

Claims (4)

1. 유니폼한 원통 형태의 원통형 상부;

   최상부는 상기 원통형 상부와 동일한 반지름을 가지며, 하부로 갈수록 반지름이 점차 증가하는 콘형 하부가 일체로 형성되는 RF 필터의 공진기.
2. 제1항에 있어서, 상기 원통형 상부 및 상기 콘형 하부의 길이의 비는 4:1 내지 6:1인 것을 특징으로 하는 RF 필터의 공진기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 공진기 내부에는 소정의 반지름 및 길이를 가지는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 필터의 공진기.
4. 적어도 하나의 공동을 형성하기 위한 다수의 칸막이;

   상기 칸막이에 의해 형성되는 적어도 하나의 공동 각각에 수용되는 적어도 하나의 공진기; 및

   하우징을 포함하되,

   상기 공진기는,

   유니폼한 원통 형태의 원통형 상부;

   최상부는 상기 원통형 상부와 동일한 반지름을 가지며, 하부로 갈수록 반지 름이 점차 증가하는 콘형 하부가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 필터.

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