KR100783860B1

KR100783860B1 - 듀얼모드 유전체 공진기

Info

Publication number: KR100783860B1
Application number: KR1020060114030A
Authority: KR
Inventors: 김주영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-12-10

Abstract

본 발명은 듀얼모드 유전체 공진기에 관계하는 것으로,

종래에는 하나의 유전체 공진기로 하나의 공진만을 얻을 수 있었기 때문에 4단 유전체 공진기 필터를 제작하기 위해서는 4개의 유전체 공진기가 필요하게 되는 문제가 있었던 바,

커플링 루프(coupling loop) 각도를 45°로 하여 두 개의 공진점(resonance peak)을 얻을 수 있도록 하고, 유전체 공진기 상부와 일측에 공진주파수 조절을 위한 튜닝 나사를 설치한 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 입력단과 출력단의 커플링 루프를 45°로 제작함으로써 1개의 유전체 공진기에서 TE₀₁모드와 TM₀₁모드를 동시에 생성할 수 있기 때문에 오직 2개 유전체 공진기를 이용해서 4단 유전체 공진기 필터를 제작할 수 있게 됨은 물론 필터의 크기와 무게를 대폭적으로 줄일 수 있게 되며, 유전체 공진기 위와 옆에 설치한 튜닝 나사를 통해 공진기 내부의 전계와 자계에 섭동을 주어서 만들어진 두 개의 공진점(resonance peak)을 일정범위 내에서 자유롭게 튜닝(주파수이동)할 수 있게 되므로 유전체 공진기의 기능성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

유전체 공진기, 캐비티, 커플링 루프, 공진주파수, 공진점, 튜닝 나사

Description

듀얼모드 유전체 공진기 {a Dual-Mode Dielectric Resonator}

도 1은 공진발생원리도

도 2는 유전체 공진기의 설치 예시도

도 3a는 고주파 구조 시뮬레이터로 커플링 루프의 각도가 수평일 때의 유전체 공진기 설계상태도

도 3b는 동 수평 설계상태의 공진그래프

도 3c 및 도 3d는 동 수평 설계상태의 공진주파수에서 전계와 자계의 필드 분포도

도 4a는 고주파 구조 시뮬레이터로 커플링 루프의 각도가 수직일 때의 유전체 공진기 설계상태도

도 4b는 동 수직 설계상태의 공진그래프

도 4c 및 도 4d는 동 수직 설계상태의 공진주파수에서 전계와 자계의 필드 분포도

도 5a는 고주파 구조 시뮬레이터로 커플링 루프의 각도가 45°일 때의 유전체 공진기 설계 상태도

도 5b는 동 설계상태의 공진그래프

도 5c 및 도 5c는 동 설계상태의 공진주파수 4.5 GHz에서 전계와 자계의 필드 분포도

도 5e 및 도 5f는 동 설계상태의 공진주파수 5.5 GHz에서 자계와 전계의 필드 분포도

도 6은 커플링 루프의 각도가 45°로 제작된 듀얼모드(Dual-Mode) 유전체 공진기의 개략 사시도

도 7은 동 듀얼모드(Dual_mode) 유전체 공진기 시험 세트의 구성 블록도

도 8은 커플링 루프의 각도가 45°일 때의 공진그래프

도 9a는 동 듀얼모드 유전체 공진기 상부에 튜닝 나사를 설치한 상태의 개략도

도 9b는 동 튜닝 나사에 의한 공진점 조절 그래프

도 10a는 동 듀얼모드 유전체 공진기 일측에 튜닝 나사를 설치한 상태의 개략도

도 10b는 동 튜닝 나사에 의한 공진점 조절 그래프

도 11은 공진점 튜닝 완료 그래프

본 발명은 듀얼모드 유전체 공진기에 관계하는 것으로, 더 자세하게는 커플 링 루프 각도를 45°로 하여 두 개의 공진점을 얻을 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

최근 들어 차량용 전자 유니트(units)의 사용이 점차 증가(현재 ECU수 약 50개, CPU수 약 80개 - 25년전보다 거의 10배증가)하는 추세이며, 차량의 내부에는 전자파 노이즈원과 수신기가 공존하고 있기 때문에 전자파 노이즈를 차단하는 기술이 중요하다.

특히 유럽을 중심으로 국제 EMC(Electromagnetic Compatibility) 관련법규가 강화되고 있기 때문에 전자파 노이즈 차단기법은 세계적인 이슈로 부상하고 있는 실정이다.

전자파 노이즈를 제거하는 기술중의 하나는 필터를 사용하여 노이즈원이 되는 전자파를 차단하는 것이지만 자동차를 운행하게 되면 엔진뿐만 아니라 전자 유니트의 저항성분에서 열이 발생하여 필터의 차단주파수가 변화거나 필터의 특성에서 중요한 요인(Q-factor)값이 떨어져 필터의 성능저하를 피할 수 없게 되고, 일반필터를 사용하게 되면 차량단가 증가는 물론 차량무게 또한 증가하게 된다.

본 발명은 상기 전자파 노이즈를 차단하는 필터에 사용되는 유전체 공진기에 관계하는 것이다.

유전체 공진기를 사용하는 필터는 유전체 세라믹 재료로 만들어진 통산 2-5개의 유전체 공진기를 콘덴서 또는 코일로 결합시켜 필터특성을 가지게 한 것으로, 종래 2~5개 구성이 많았지만 현재는 소형화, 저비용화가 요구되고 있어 듀얼 모드(Dual_mode)를 이용한 필터설계가 활발히 연구되고 있다.

특히 유전체내에서는 전자기파의 파장에 유전체의 유전상수에 반비례하여 파장이 짧아지게 되므로 유전상수가 클수록 소형화가 가능하고 금속으로 소자를 만들었을 때에는 부피가 커지는 것은 물론 금속의 열팽창에 의해 주파수의 안정도가 떨어지게 되는데, 이러한 현상들은 유전체를 사용함으로써 해결될 수 있다.

듀얼 모드(Dual_mode) 유전체 공진기 필터는 부품의 소형화 추세에 확보해야 될 필수적인 연구개발 분야로서, 일본에서는 이미 무라타, 소신, 마쓰시다 등 에서 개발에 힘쓰고 있고, 국내에서는 아직 활성화되지는 않았지만 듀얼 모드 개발시 유전체 공진기 필터의 소형화, 저가화 실현이 가능하므로 연구개발에 많은 투자가 이루어지고 있다.

도 1에는 공진발생원리도가 도시되어 있고, 도 2에는 유전체 공진기 장착 예시도가 도시되어 있다.

도 1과 같이 금속통 내부에 동축선이나 슬롯(slot)으로 신호를 인가하면 캐비티(cavity)의 크기에 따라 특정 주파수에서 공진이 발생하게 되며, 유전체 공진기는 도 2와 같이 필드(field)가 존재하는 곳에 위치하여 특정주파수의 E/H 필드를 보다 강하게 유도시켜서 주파수 선택 특성을 강화해주는 공진기 역할을 하게 된다.

도 3a에는 앤소프트(Ansoft)의 시물레이션 툴인 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS; High Frequency Structure Simulator)로 커플링 루프(Coupling Loop)의 각도가 수평일 때의 유전체 공진기 설계상태도가 도시되어 있고, 도 3b에는 동 설계상태의 공진그래프가 도시되어 있으며, 도 3c 및 도 3d에는 동 설계상태의 공진주파수에서 전계와 자계의 필드 분포도가 도시되어 있다.

그리고 도 4a에는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)로 커플링 루프(Coupling Loop)의 각도가 수직일 때의 유전체 공진기 설계상태도가 도시되어 있고, 도 4b에는 동 수직 설계상태의 공진그래프가 도시되어 있으며, 도 4c 및 도 4d에는 동 설계상태의 공진주파수에서 전계와 자계의 필드 분포도가 도시되어 있다.

도 3a~도 3d, 그리고 도 4a~도 4d와 같이 종래에는 하나의 유전체 공진기로 하나의 공진만을 얻을 수 있었기 때문에 4단 유전체 공진기 필터를 제작하기 위해서는 4개의 유전체 공진기가 필요하게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 두 개의 공진을 얻을 수 있도록 하여 보다 적은 수로 유전체 공진기 필터를 구성할 수 있도록 함으로써 비용을 절감할 수 있도록 함은 물론 필터의 크기와 무게를 저감할 수 있도록 하는 듀얼모드 유전체 공진기를 제공하는 데에 있는 것이다.

아울러 본 발명은 그 다른 목적이 일정범위내에서 공진점(Resonance peak)을 자유롭게 튜닝할 수 있도록 하는 듀얼모드 유전체 공진기를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 커플링 루프(coupling loop) 각도를 45°로 하여 두 개의 공진점(resonance peak)을 얻을 수 있도록 하는 것과, 유전체 공진기 상부와 일측에 공진주파수 조절을 위한 튜닝 나사를 설치하는 것 등을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)로 커플링 루프(Coupling loop)의 각도가 수평일 때의 설계 상태를 나타내는 바, 이 때의 공진주파수는 도 3b의 그래프에서 알 수 있듯이 4.5 GHz이다.

도 3c 및 도 3d에는 상기 공진주파수에서 전계와 자계의 필드(field) 분포도가 도시되어 있다.

도 4a는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)로 커플링 루프(Coupling loop)의 각도가 수직일 때의 설계 상태를 나타내고, 이 때의 공진주파수는 도 4b의 그래프에서 알 수 있듯이 5.6 GHz이다.

도 4c 및 도 4d에는 상기 공진주파수에서 자계와 전계의 필드(field) 분포도가 도시되어 있다.

이처럼 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)의 시뮬레이션을 통하여 커플링 루프(coupling loop)가 수평으로 유전체 공진기와 커플링 되었을 때 4.5 GHz에서 공진이 일어나고, 이때의 모드는 전계와 자계의 필드 분포 해석을 통하여 TE₀₁ 모드가 여기되는 것을 확인할 수 있다.

그리고 커플링 루프(coupling loop)가 수직으로 유전체 공진기와 커플링 되었을 때는 5.5 GHz에서 공진이 일어나고, 이때의 모드도 마찬가지로 전계와 자계의 필드 분포 해석을 통하여 TM₀₁ 모드가 여기되는 것을 확인할 수 있다.

기존 기술은 커플링 루프(coupling loop)를 수평으로 하여 오직 TE₀₁ 모드만 사용하였다.

본 발명의 듀얼 모드(Dual_mode) 유전체 공진기는 커플링 루프(coupling loop)가 수평일 때와 수직일 때 각각 TE₀₁모드와 TM₀₁모드가 여기된다는 것을 착안하여 커플링 루프(coupling loop)를 45° 설계함으로써 TE₀₁모드와 TM₀₁모드가 동시에 여기되도록 한 것이다.

도 5a는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)로 커플링 루프(Coupling loop)의 각도가 45°일 때의 설계상태도이고, 도 5b는 동 설계상태의 공진그래프이며, 도 5c 및 도 5c는 동 설계상태의 공진주파수 4.5 GHz에서 전계와 자계의 필드 분포도이고, 도 5e 및 도 5f는 동 설계상태의 공진주파수가 5.5 GHz에서 자계와 전계의 필드 분포도이다.

본 발명에 있어서는 커플링 루프(Coupling loop)의 각도에 따라 TE모드와 TM모드를 선택적으로 여기시킬 수 있으며, 이는 커플링 루프(Coupling loop)의 각도에 따라 유전체 공진기에서 전기장의 여기방향이 결정되기 때문이다.

도 6에는 커플링 루프(Coupling loop)의 각도가 45°로 제작된 듀얼모드(Dual-Mode) 유전체 공진기의 개략 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 듀얼모드(Dual_mode) 유전체 공진기 시험 세트의 구성 블록도가 도시되어 있다.

그리고 도 8에는 커플링 루프(Coupling loop)의 각도가 45°일 때의 공진그래프가 도시되어 있다.

고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)의 시뮬레이션 결과를 가지고 직접 유전체 공진기를 제작하여 네트워크 분석기(Network Analyzer)를 이용하여 결과를 얻었다.

예상했던 바와 같이 입력단과 출력단의 커플링 루프(Coupling loop)를 45°로 제작하였을 때 도 8과 같이 하나의 공진기로 두 개의 공진점(Resonance peak)을 얻을 수 있었다.

그러나 두 개의 공진점(resonance peak)이 300MHz정도 떨어져 있어서 이 유전체 공진기를 듀얼 모드(Dual_mode) 유전체 공진형 필터로 사용하기에는 부적절하다.

따라서 본 발명에 있어서는 유전체 공진기 위에 튜닝 나사(Tuning screw)를 설치하여 두 개의 공진점(resonance peak) 주파수를 튜닝할 수 있도록 하였다.

도 9a에는 유전체 공진기 상부에 튜닝 나사를 설치한 상태의 개략도가 도시되어 있으며, 도 9b에는 동 튜닝 나사로 공진점을 조절한 상태의 공진그래프가 도시되어 있다.

도 9a 및 도 9b와 같이 듀얼 모드(Dual_mode) 유전체 공진기 상부에 설치한 튜닝 나사(Tuning screw)를 공진기 내부로 삽입함에 따라 TE₀₁모드가 4.68GHz에서 4.74GHz로 증가함을 알 수 있다.

이는 튜닝 나사(Tuning screw)가 공진기 내부의 수평방향으로 형성되어있는 전계에 섭동을 주면서 TE₀₁모드가 튜닝(주파수이동)되기 때문이다.

도 10a에는 유전체 공진기 일측에 튜닝 나사를 설치한 상태의 개략도가 도시 되어 있으며, 도 10b에는 동 튜닝 나사로 공진점을 조절한 상태의 공진그래프가 도시되어 있다.

도 10a 및 도 10b와 같이 듀얼 모드(Dual_mode) 유전체 공진기 일측에 설치한 튜닝 나사(Tuning screw)를 공진기 내부로 삽입함에 따라 TM₀₁모드가 4.68GHz에서 4.74GHz로 증가함을 알 수 있다.

이는 튜닝 나사가 공진기 내부의 수직방향으로 형성되어있는 자계에 섭동을 주면서 TM₀₁모드가 튜닝(주파수이동)되기 때문이다.

종래 기술은 커플링 루프(Coupling loop)를 수평으로 또는 일직선모양으로 제작하여 오직 TE₀₁모드만을 사용하였기 때문에 4단 유전체 공진기 필터를 제작하기 위해서는 모두 4개의 유전체 공진기가 필요하였지만 본 발명은 입력단과 출력단의 커플링 루프(Coupling loop)를 45°로 제작함으로써 1개의 유전체 공진기에서 2개의 공진점(resonance peak)을 생성할 수 있게 되며, 그에 따라 2개 유전체 공진기만을 이용해서 4단 유전체 공진기 필터를 제작할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 공진기 상부와 일측에 튜닝 나사(Tuning screw)를 설치하여 공진기 내부의 전계와 자계에 섭동을 주어서 만들어진 두 개의 공진점을 일정범위 내에서 자유롭게 튜닝(주파수이동)할 수 있게 된다.

본 발명에 있어서 유전체는 감쇄특성이 우수하고 공진주파수의 온도안정성이 높은 티탄화바륨(BaO-TiO₂) 유전체(유전율 42, TCF(온도안정성) = 2ppm/℃)를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명은 커플링 루프(coupling loop) 각도를 45°로 하여 두 개의 공진점(resonance peak)을 얻을 수 있도록 하고, 유전체 공진기 상부와 일측에 공진주파수 조절을 위한 튜닝 나사를 설치한 것으로, 본 발명에 의하면 입력단과 출력단의 커플링 루프를 45°로 제작함으로써 1개의 유전체 공진기에서 TE₀₁모드와 TM₀₁모드를 동시에 생성할 수 있기 때문에 오직 2개 유전체 공진기를 이용해서 4단 유전체 공진기 필터를 제작할 수 있게 되며, 필터의 크기와 무게를 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 유전체 공진기 위와 옆에 설치한 튜닝 나사를 통해 공진기 내부의 전계와 자계에 섭동을 주어서 만들어진 두 개의 공진점(resonance peak)을 일정범위 내에서 자유롭게 튜닝(주파수이동)할 수 있게 되므로 유전체 공진기의 기능성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

Claims

동축선이나 슬롯(slot)으로 신호가 인가되는 캐비티 내부에 유전체가 설치되는 것에 있어서, 입력단과 출력단의 커플링 루프(coupling loop) 각도를 45°로 하여 두 개의 공진점(resonance peak)을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 듀얼모드 유전체 공진기.
제1항에 있어서, 상부에 공진기 내부의 수평방향으로 형성되어있는 전계에 섭동을 주면서 공진점(Resonance peak)을 이동시킬 수 있도록 하는 튜닝 나사(Tuning screw)를 설치한 것을 특징으로 하는 듀얼모드 유전체 공진기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 일측에 공진기 내부의 수직방향으로 형성되어있는 전계에 섭동을 주면서 공진점(Resonance peak)을 이동시킬 수 있도록 하는 튜닝 나사(Tuning screw)를 설치한 것을 특징으로 하는 듀얼모드 유전체 공진기.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 유전체는 티탄산바륨(BaO- TiO₂) 유전체를 사용하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 유전체 공진기.