KR101084518B1 - 기지국 통신장치용 유전체 필터 - Google Patents

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Abstract

기지국 통신장치용 유전체 필터 (1) 에 있어서, 직사각형인 고체 유전체 블록 (2) 에는 유전체 블록의 측면 (2c, 2d) 을 따라 배열되고 그 측면 (2c, 2d) 및 서로에 실질적으로 평행하게 연장되는 복수의 1/4 파장 공진기 (3A1 내지 3A4; 3B1 내지 3B4) 가 제공된다. 유전체 블록 (2) 은 5 내지 20 의 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스로 구성되고, 그 유전체 블록 (2) 의 측면 (2c, 2d) 과 직교하여 교차하는 방향의 사이즈 (H) 는 10 내지 30 mm 이다.
Figure R1020087001850
기지국 통신장치, 유전체 필터, 유전체 블록, 1/4 파장 공진기, 비유전율

Description

기지국 통신장치용 유전체 필터{DIELECTRIC FILTER FOR BASE STATION COMMUNICATION EQUIPMENT}
기술분야
본 발명은 마이크로파 대역 등의 고주파수 대역에서의 사용에 적합한 유전체 블록을 사용하는 기지국 통신장치용 유전체 필터에 관한 것으로서, 특히 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 사용하지 않고 저손실을 달성할 수 있고 고전력 기지국 통신장치에의 사용에 적합한 유전체 필터에 관한 것이다.
배경기술
이동 전화 또는 휴대 전화 등의 통신 시스템은 소형 및 경량이고 가지고 다니기에 적합한 이동 단말기 또는 휴대용 단말기, 및 각각의 휴대용 단말기와의 통신을 위한 고정 기지국 통신장치를 사용한다. 대부분의 통신 시스템에서 사용되는 대부분의 전파는 휴대용 단말기에서 발진 및 송신되고 기지국 통신장치에서 수신되는 기지국 수신용 주파수 대역, 및 기지국 통신장치에서 발진 및 송신되고 휴대용 단말기에서 수신되는 기지국 송신용 주파수 대역으로 분류된다. 휴대용 단말기 및 기지국 통신장치 중 어느 쪽에서도, 그러한 디바이스들은 필터를 사용함으로써 송신 신호 및 수신 신호가 서로 간섭하지 않도록 전파들을 분리하고, 각각의 전파에 대한 신호 처리를 수행한다.
휴대용 단말기에 사용되는 필터로서, 예를 들어, 특허 문헌 1 에 기재된 것과 같은 세라믹스 필터가 있다. 용이하게 가지고 다닐 수 있도록 기술의 진보에 따라 휴대용 단말기에 대한 중량 감소 및 사이즈 감소가 촉진되었고, 그 안에 사용되는 필터 또한 소형화되었다.
한편, 기지국측에 있어서, 넓은 통신 영역 때문에, 전파는 고전력 통신장치를 사용함으로써 안테나로부터 방사될 필요가 있다. 이러한 이유로, 기지국 통신장치용 송신측 필터로서는, 반도체 디바이스 등에 의해 증폭된 고전력을 안테나에 경제적으로 공급하기 위해 저손실을 갖는 것이 요구되어 왔다. 특히, 송신측 필터에서, 필터 그 자체의 온도가 필터에 의한 손실에 기인한 열의 발생으로 높게 증가하지 않도록 하는 구성이 필요해 졌다.
이러한 이유로, 예를 들어 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은, 기지국 통신장치에 있어서, 공진 소자로서 소위 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기인 금속 엔클로저 내에 삽입된 금속 로드를 사용하는 형태의 필터가 있다. 그러한 필터는 저 손실형이고, 필터가 금속으로 구성되어 있기 때문에 발생된 열에 대한 양호한 열 방출 및 전도도를 가져서 높은 온도로 되는 경향이 덜하다. 그러나, 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기는 큰 사이즈를 가지며 고가이다.
근년에, 고속 및 대용량의 통신 시스템이 달성되었고, 통신 주파수 대역으로서 1.5 내지 4 GHz 를 사용하는 통신 시스템이 제공되었다. 그러한 통신 시스템에서, 휴대용 단말기의 수 및 기지국의 라인들 (lines) 의 증가에 따라, 하나의 셀의 통신 영역을 좁히고, 그 대신에 셀의 수를 증가시킴으로써, 넓은 영역이 커버 되는 경향이 있다. 이러한 이유로, 기지국의 수 또한 증가되었다. 만일 상술된 바와 같은 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 포함하는 것이 상술된 바와 같은 다수의 기지국에 설치된 통신장치의 필터를 위해 사용된다면, 필터가 대형이고, 무거우며 고가이어서 대량 생산에 적합하지 않다는 문제가 명백해 진다.
상기 문제의 견지에서, 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 포함하는 필터 대신에, 소형 및 경량, 그리고 저가이며 용이하게 대량생산될 수 있는 실용적인 기지국 통신장치용 필터에 대한 요청이 있어왔다.
사이즈 감소 및 중량 감소의 관점에서, 높은 비유전율 (relative dielectric constant) 을 갖는 유전체 세라믹스가 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 유전체 공진기는 1/(비유전율)1/2 에 실질적으로 비례하는 축방향 길이를 가지며, 비유전율이 더 높으면 높을수록 축방향 치수가 더 많이 단축된다. 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기는 유전체 재료로서 (대략 1 의 비유전율을 갖는) 공기를 사용하는 1/4 파장 유전체 공진기이고, 2 GHz 의 공진 주파수를 갖는 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기의 축방향 길이는 37.5 mm 이다. 한편, 비유전율 40 을 갖는 유전체 세라믹스를 사용하는 1/4 파장 유전체 필터는 5.93 mm 의 공진기 축방향 길이를 갖고, 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기의 경우의 대략 1/6 까지 단축된다.
1 GHz 보다 낮은 주파수 대역의 통신 시스템에서 사용하기 위해 유전체 세라믹스의 블록을 사용함으로써 형성되는 기지국 통신장치용 필터로서, 예를 들어, 특허 문헌 2 에 기재된 것이 있다. 거기에 도시된 특정의 예에서는, 40 의 비유전율을 갖는 세라믹스 블록이 사용되고, 그 블록의 치수는 길이 77.6 mm, 폭 11.74 mm 및 높이 11.54 mm 이다. 송신 주파수는 825 MHz 내지 845 MHz 이고 수신 주파수는 870 MHz 내지 890 MHz 이며, 전기적 특성으로서, 삽입 손실은 1.6 dB 이고 수신 신호는 55 dB 감쇠된다는 것이 기재되어 있다. 게다가, 특허 문헌 3 에서도 또한, 40 의 비유전율을 갖는 세라믹스의 블록을 사용하는 유전체 필터가 개시되어 있다. 그 블록의 치수는 길이 81.3 mm, 폭 30.0 mm 및 높이 20.4 mm 이며, 송신 주파수는 453 MHz 내지 457.475 MHz 이고 수신 주파수는 463 MHz 내지 467.475 MHz 이다.
그러나, 유전체 세라믹스를 사용하고 1 GHz 이상의 주파수 대역에서 사용되는 실용적인 기지국 통신장치용 유전체 필터는 종래에 제안되지 않았었다.
특허 문헌 4 는 1 GHz 이상의 주파수 대역에서 사용되는 유전체 공진기의 재료로서 고 유전율, 큰 Q 및 공진 주파수의 양호한 온도 종속 특성을 갖는 유전체 세라믹스를 개시하고 있다. 그러나, 1 GHz 이상의 주파수 대역에서, 고 유전율를 갖는 유전체 세락믹스로 구성된 유전체 블록이 사용될 때, 치수 정확성이 유전체 블록에 대해 엄격히 요구되고, 처리의 곤란성이 증가하고, 제조 비용이 증가하며, 그것은 비실용적이게 된다. 상기의 견지에서, 예를 들어 특허 문헌 5 에 기재된 바와 같이, 10 내지 20 의 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스가 사용되어 유전 손실을 저하시키고, 또한 공진 주파수의 온도 팩터 또는 계수를 저하시키는 것이 제안된다. 또한, 특허 문헌 6 은 20 이하의 비유전율, 공진 주파수의 낮은 온도 팩터 또는 계수, 및 높은 Q 값을 갖는 유전체 세라믹스를 개시한다.
특허 문헌 1: WO-A1-2000-515336
특허 문헌 2: WO-A1-59-500198
특허 문헌 3: JP-A-61-262301
특허 문헌 4: JP-A-04-300243
특허 문헌 5: JP-A-2002-201062
특허 문헌 6: JP-A-2002-80273
비특허 문헌 1: 마이크로파 필터, 임피던스-매칭 네트워크, 및 커플링 구조 SEC.8.13, COMB-LINE, 대역 통과 필터, 맥그로우-힐 1964
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
상술된 특허 문헌 2 에 기재된 바와 같이, 1 GHz 보다 더 낮은 주파수 대역에서 조차, 유전체 세라믹스를 사용하는 유전체 필터의 삽입 손실은 1.0 dB 보다 더 높다. 이러한 이유로, 유전체 세라믹스를 사용함으로써, 1 GHz 이상, 특히 1.5 GHz 이상의 주파수 대역에서 사용되고, 낮은 삽입 손실을 가지며, 고-전력 기지국 통신장치에서의 사용에 적합한 필터를 구성하는 것은 상상할 수 없었다. 마찬가지로 상술된 특허 문헌 4 내지 6 에서도, 기지국 통신장치용 유전체 필터에의 그것의 적용에 대한 언급이 없다.
또한, 고 전력을 요구하는 기지국 통신장치용 유전체 필터에 대하여, 상술된 바와 같이, 온도가 상승하고 특성이 쉽게 열화된다는 문제가 있다. 그러나, 상술된 특허 문헌 4 내지 6 에 기재된 바와 같이, 종래의 유전체 필터용 유전체 세라믹스는 공진 주파수의 온도 팩터 또는 계수를 감소시키고 재료 Q 값을 증가시킬 목적으로 개발되고, 열 전도 및 열 방출은 고려되지 않았다.
본 발명은 상술된 문제를 고려하여 행해지고, 그것의 하나의 목적은 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 사용하지 않으면서, 낮은 손실을 갖고, 더 적은 열 발생을 가지며, 고 전력이 가능하고, 실용적인 기지국 통신장치용 유전체 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 사용하지 않으면서, 양호한 열 방출 특성을 갖고 실용적인 기지국 통신장치용 유전체 필터를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 따르면, 상기 목적들을 달성하기 위하여, 1.5 내지 4 GHz 의 주파수 대역에서의 사용에 적합한 기지국 통신장치용 유전체 필터로서,
측면을 갖는 실질적으로 직사각형인 고체 형상의 유전체 블록;
상기 유전체 블록의 측면을 따라 배열되고, 그 측면에 실질적으로 평행하고 서로 실질적으로 평행하도록 연장되는 복수의 1/4 파장 공진기를 포함하고,
상기 유전체 블록은 5 내지 20 의 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스로 이루어지고, 상기 유전체 블록의 측면과 직교하여 교차하는 방향의 유전체 블록의 치수는 10 내지 30 mm 인, 기지국 통신장치용 유전체 필터가 제공된다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 유전체 필터의 삽입 손실은 0.8 dB 이하이다. 본 발명의 일 양태에서, 유전체 필터의 출력은 10 내지 50 W 이다.
본 발명의 일 양태에서, 유전체 세라믹스는 5000 이상의 재료 Q 값을 갖는다. 본 발명의 일 양태에서, 유전체 세라믹스는 3 내지 50 W/(m·K) 의 열 전도도를 갖는다. 본 발명의 일 양태에서, 유전체 세라믹스는 600 J/(kg·K) 이상의 비열을 갖는다.
본 발명의 일 양태에서, 유전체 세라믹스는 주성분으로서 40 mol% 이상의 Al2O3 를 함유하는 조성물을 갖는 알루미나계 세라믹스이다. 본 발명의 일 양태에서, 유전체 세라믹스는 조성식 aAl2O3-bZrO2-cTiO2-dSnO2 (이 조성식에서, 0.4068 < a < 0.9550, 0 < b < 0.1483, 0.0225 < c < 0.3263, 0.0203 < d < 0.1186, a + b + c + d = 1 ) 에 의해 표현되는 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 주석 및 산소로 구성되는 조성물을 주성분으로서 갖는 알루미나계 세라믹스이다.
발명의 효과
본 발명에 따르면, 5 내지 20 의 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스로 이루어지는 유전체 블록으로서, 그 유전체 블록의 측면과 직교하여 교차하는 방향의 유전체 블록의 치수가 10 내지 30 mm 인, 상기 유전체 블록이 사용된다. 따라서, 낮은 손실을 갖고, 더 적은 열 발생을 가지며, 1.5 내지 4 GHz 의 주파수 대역에서 적합하게 사용되고, 고 전력이 가능하고, 실용적인 기지국 통신장치용 유전체 필터가 제공된다.
즉, 특정의 특성을 갖는 유전체 세라믹스를 사용하여 특정의 치수를 갖는 실질적으로 직사각형인 고체 형상의 유전체 블록을 형성하고, 그 유전체 블록을 사용하여 유전체 필터를 제조함으로써, 비록 사용되는 주파수가 1.5 내지 4 GHz 로 높다고 할지라도, 삽입 손실이 상당히 개선되고, 열 발생이 제한되며, 열 방출이 양호한 유전체 필터가 얻어질 수 있다. 이러한 방식으로, 실용적이고 소형인 기지국 통신장치용 유전체 필터가 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기를 사용하지 않고 제공될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 기지국 통신장치용 유전체 필터의 일 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 유전체 필터의 단면도이다.
도 3은 실시예 1 에서 얻어진 유전체 필터의 수신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 4는 실시예 1 에서 얻어진 유전체 필터의 송신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 5는 비교예 1 에서 얻어진 유전체 필터의 수신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 6은 비교예 1 에서 얻어진 유전체 필터의 송신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 7은 비교예 2 에서 얻어진 유전체 필터의 수신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 8은 비교예 2 에서 얻어진 유전체 필터의 송신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 9는 비교예 3 에서 얻어진 유전체 필터의 수신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도 10은 비교예 3 에서 얻어진 유전체 필터의 송신측 필터부의 주파수 특성 다이어그램이다.
도면에서, 참조 부호 1 은 기지국 통신장치용 유전체 필터를 나타내고, 1A 는 수신측 필터부, 1B 는 송신측 필터부, 2 는 유전체 블록, 2a 는 상부 표면, 2b 는 저부 표면, 2c 는 제 1 측면, 2d 는 제 2 측면, 2e 는 제 1 단부면, 2f 는 제 2 단부면, 3A1 내지 3A4, 3B1 내지 3B4 는 1/4 파장 공진기, 3AT, 3BT 는 트랩 공진기, 3PH 는 신호 위상을 조정하는 공진기, 4 는 관통공, 5A1 내지 5A4, 5AT, 5B1 내지 5B4, 5BT, 5PH 는 내부 도체, 6 은 외부 도체, 7A1 내지 7A4, 7AT, 7B1 내지 7B4, 7BT, 7PH 는 커플링 도체, 8X 는 공통 입력/출력 전극, 8A, 8B 는 입력/출력 전극, 8AP, 8BP 는 패턴닝된 전도막, 9A 는 패터닝된 전도막을 나타낸다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하에, 본 발명에 따른 기지국 통신장치용 유전체 필터가 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 기지국 통신장치용 유전체 필터의 일 실시형태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 그것의 단면도이다. 본 실시형태에 따른 기지국 통신장치용 유전체 필터 (1) 는 실질적으로 직사각형인 고체 외형을 갖는 유전체 블록 (2) 상에 복수의 1/4 파장 공진기 (λ/4 공진기) 를 형성함으로써 구성되는 기지국 통신장치용 유전체 필터이다. 특히, 유전체 필터 (1) 는 수신측 필터부 (1A) 및 송신측 필터부 (1B) 를 포함하는 듀플렉서를 구성한다.
유전체 블록 (2) 은 서로 평행하여 대향하는 상부 표면 (2a) 및 저부 표면 (2b) 을 가지며, 상부 표면 (2a) 및 저부 표면 (2b) 과 직교하여 교차하고 서로 평행한 제 1 측면 (2c) 및 제 2 측면 (2d) 을 가지며, 상부 및 저부 표면 (2a 및 2b) 및 제 1 및 제 2 측면 (2c 및 2d) 과 직교하여 교차하고 서로 평행한 제 1 단부면 (2e) 및 제 2 단부면 (2f) 을 갖는다. 유전체 블록 (2) 은 그것에 형성된 상부 표면 (2a) 으로부터 저부 표면 (2b) 까지 높이 방향으로 관통하는 복수의 관통공 (4) (도 2 참조) 을 갖는다. 또한, 전도막으로 제작된 외부 도체 (6) 는 유전체 블록 (2) 의 상부 표면 (2a) 을 제외하고 외부 평면 또는 표면 (저부 표면 (2b), 제 1 및 제 2 측면 (2c 및 2d), 제 1 및 제 2 단부면 (2e 및 2f)) 상에 형성된다.
복수 (도 1 에서는 4개) 의 1/4 파장 공진기 (3A1, 3A2, 3A3 및 3A4) 및 트랩 공진기 (3AT) 는 수신측 필터부 (1A) 에 제공된다. 또한, 복수 (도 1 에서는 4개) 의 1/4 파장 공진기 (3B1, 3B2, 3B3 및 3B4) 및 트랩 공진기 (3BT) 는 송신측 필터부 (1B) 에 제공된다. 또한, 신호 위상을 조정하는 공진기 (3PH) 는 수신측 필터부 (1A) 와 송신측 필터부 (1B) 사이에 형성된다. 이들 공진기는 공진기 (3AT), 공진기 (3A1, 3A2, 3A3 및 3A4), 공진기 (3PH), 공진기 (3B4, 3B3, 3B2 및 3B1) 및 공진기 (3BT) 의 순서로 유전체 블록 (2) 의 길이 방향을 따라 배열된다.
이들 공진기의 각각은 각각의 관통공 (4) 마다 형성된다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 공진기 (3A1) 는 관통공 (4) 의 내벽면에 형성된 전도막으로 제작된 내부 도체 (5A1) 및 관통공 (4) 의 저부 단부에서 내부 도체 (5A1) 에 접속된 외부 도체 (6) 를 포함한다. 다른 공진기들은 유사하고, 공진기 (3A2 내지 3A4, 3AT, 3B1 내지 3B4, 3BT 및 3PH) 는 내부 도체 (5A2 내지 5A4, 5AT, 5B1 내지 5B4, 5BT 및 5PH) 및 관통공 (4) 의 저부 단부에서 내부 도체 (5A2 내지 5A4, 5AT, 5B1 내지 5B4, 5BT 및 5PH) 에 접속된 외부 도체 (6) 를 포함한다.
유전체 블록 (2) 의 상부 표면 (2a) 상에는, 공진기 (3A1 내지 3A4, 3AT, 3B1 내지 3B4, 3BT 및 3PH) 의 내부 도체 (5A1 내지 5A4, 5AT, 5B1 내지 5B4, 5BT 및 5PH) 에 접속된 패터닝된 전도막으로 제작된 커플링 도체 (7A1 내지 7A4, 7AT, 7B1 내지 7B4, 7BT 및 7PH) 가 형성되어 있다.
유전체 블록 (2) 의 상부 표면 (2a) 은, 각각의 공진기의 내부 도체가 상부 표면 (2a) 상의 외부 도체 (6) 에 접속되지 않기 때문에, 개방 표면이라 불린다. 한편, 유전체 블록 (2) 의 저부 표면 (2b) 은, 각각의 공진기의 내부 도체가 저부 표면 (2b) 상의 외부 도체 (6) 에 접속 (단락) 되기 때문에, 폐쇄 또는 단락 표면이라 불린다.
제 1 측면 (2c) 상에는, 수신측 필터부 (1A) 및 송신측 필터부 (1B) 를 위한 공통 입력/출력 전극 (8X), 공통 입력/출력 전극 (8X) 과 쌍을 이루는 수신측 필터부 (1A) 를 위한 또 다른 입력/출력 전극 (8A), 및 공통 입력/출력 전극 (8X) 과 쌍을 이루는 송신측 필터부 (1B) 를 위한 또 다른 입력/출력 전극 (8B) 이 형성되어 있고, 이들 전극의 각각은 외부 도체 (6) 로부터 이격되어 형성된다. 유전체 블록 (2) 의 상부 표면 (2a) 에는, 수신측 필터부 (1A) 에 있어서 공진기 (3A1) 의 커플링 도체 (7A1) 와 공진기 (3AT) 의 커플링 도체 (7AT) 사이에 패터닝된 전도막 (8AP) 이 형성되어 있고, 그 패터닝된 전도막 (8AP) 은 입력/출력 전극 (8A) 에 접속된다. 유사하게, 송신측 필터부 (1B) 에 있어서 공진기 (3B1) 의 커플링 도체 (7B1) 와 공진기 (3BT) 의 커플링 도체 (7BT) 사이에 패터닝된 전도막 (8BP) 이 형성되어 있고, 그 패터닝된 전도막 (8BP) 은 입력/출력 전극 (8B) 에 접속된다. 또한, 공진기 (3PH) 의 커플링 도체 (7PH) 는 공통 입력/출력 전극 (8X) 에 접속된다.
커플링 도체 (7A1 내지 7A4, 7AT, 7B1 내지 7B4, 7BT 및 7PH) 는 서로 인접한 공진기들, 또는 공진기와 입력/출력 전극을 커플링하는데 사용된다.
유전체 블록 (2) 의 상부 표면 (2a) 상에는, 수신측 필터부 (1A) 에, 그것에 속한 각각의 공진기 간의 커플링을 조정하는 패터닝된 전도막 (9A) 이 형성되어 있고, 그 패터닝된 전도막 (9A) 은 외부 도체 (6) 와 접속된다.
유전체 필터는 납땜 등에 의해 장착 기판상에 표면 장착된 후에 사용된다. 그 때, 유전체 블록 (2) 의 제 1 측면 (2c) 은 장착 기판의 장착 표면과 접촉하고, 장착 기판의 장착 표면상에 형성된 외부 회로의 단자들은 유전체 블록 (2) 의 공통 입력/출력 전극 (8X) 및 입력/출력 전극 (8A 및 8B) 과 접속되고, 장착 기판의 장착 표면상에 형성된 접지 단자 (earth terminal) 는 유전체 블록 (2) 의 외부 도체 (6) 와 접속된다.
각각의 공진기 (3A1 내지 3A4, 3AT, 3B1 내지 3B4, 3BT 및 3PH) 의 치수 및 배치, 및 커플링 도체 (7A1 내지 7A4, 7AT, 7B1 내지 7B4, 7BT 및 7PH) 의 형상, 그리고 또한 패터닝된 전도막 (9A) 의 형상 등은 적절하게 설정된다. 이러한 방식으로, 원하는 통과 대역 등의 적절한 특성을 갖는 수신측 필터부 (1A) 및 송신측 필터부 (1B) 가 얻어질 수 있다.
유전체 블록 (2) 의 실질적으로 직사각형인 고체의 외부 치수는 도 1에 도시된 바와 같이 길이 W, 폭 H, 및 높이 L 로 표현된다. 즉, 길이 W 는 복수의 공진기가 유전체 블록 (2) 에서 배열되는 방향 (상부 및 저부 표면 (2a 및 2b), 및 제 1 및 제 2 측면 (2c 및 2d) 을 따르는 방향) 의 치수이고, 폭 H 는 관통공 (4) 의 방향 (즉, 공진기들의 축방향) 에 수직이고 또한 복수의 공진기가 배열되는 방향에 수직인 방향 (상부 및 저부 표면 (2a 및 2b), 및 제 1 및 제 2 단부면 (2e 및 2f) 을 따르는 방향) 의 치수이고, 높이 L 은 관통공 (4) 의 방향의 치수, 즉 상부 표면 (2a) 과 저부 표면 (2b) 간의 거리이다.
유전체 블록 (2) 의 길이 W 는 공진기의 수 등에 따라 변한다. 또한, 유전체 블록 (2) 의 높이 L 은 1.5 내지 4 GHz 의 범위에서 사용되는 주파수에 따라 적절히 설정된다.
유전체 블록 (2) 의 폭 H 는 10 내지 30 mm 이다. 만일 폭 H 가 10 mm 보다 더 작으면, 공진기의 무부하 Q 값이 낮아지고, 필터의 삽입 손실이 커지고, 또한 열 발생시의 온도 증가가 커지는 경향이 있다. 또한, 폭 H 가 30 mm 보다 더 크게 되면서, 폭 H 에 의한 공진기 무부하 Q 값 및 필터 삽입 손실의 개선 효과의 증가율은 작아지는 반면, (방사 손실 등의) 다른 손실은 커지게 되고, 결과적으로 공진기의 무부하 Q 값은 증가하지 않고 필터의 삽입 손실은 저하되지 않는 경향이 있다. 이것은 5000 이상의 재료 Q 값 (소위 f·Q (여기서, f 는 공진 주파수)) 을 갖는 유전체 블록에 대해 현저한 것으로 보인다. 즉, 본 실시형태는 유전체 블록 (2) 을 구성하는 유전체 세라믹스가 5000 이상의 재료 Q 값 f·Q 을 갖는 경우 특히 효과적이다. 일 실시예로서, 비유전율 13 및 45000 의 재료 Q 값을 갖는 유전체 세라믹스로 이루어진 유전체 블록 (2) 의 경우, 공진기 무부하 Q 값은 H = 6.1 mm 일 때 대략 800 이다. 그러나, 만일 H = 14.4 mm 가 얻어진다면, 공진기 무부하 Q 값은 1250 이 되고, 만일 H = 30 mm 가 얻어진다면, 공진기 무부하 Q 값은 1300 이 된다. 그러나, 비록 H = 40 mm 가 얻어진다고 할지라도, 공진기 무부하 Q 값은 대략 1300 이다.
유전체 블록 (2) 은 5 내지 20 의 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스로 이루어진다. 만일 유전체 세라믹스의 비유전율이 20 을 초과하면, 높이 L 은 작아지고, 유전체 블록 (2) 의 체적 또한 작아지고, 전기 에너지의 보유량도 작아지고, 따라서 공진기의 무부하 Q 값이 작아지고 삽입 손실이 커지는 경향이 있다. 또한, 치수 정확성은 유전체 블록에 대해 엄격히 요구되며, 처리의 곤란성이 증가하고, 제조 비용이 증가하고, 비실용적이게 되는 경향이 있다. 한편, 만일 유전체 세라믹스의 비유전율이 5 보다 작으면, 높이 L 은 커지고 유전체 블록 (2) 의 외형 치수는 커지고, 유전체 블록의 사이즈, 중량 및 제조 비용은 오목형 동축 또는 실린더 캐비티 공진기에 가까워지며, 따라서 그 유전체 공진기는 비실용적이게 되는 경향이 있다.
유전체 블록 (2) 을 구성하는 유전체 세라믹스의 열 전도도는 예를 들어 바람직하게는 3 내지 50 W/(m·K) 이고, 3 내지 30 W/(m·K) 이다. 열 전도도가 3 W/(m·K) 이상이면, 유전체 필터는 더욱 바람직한 열 방출을 수행할 수 있고, 온도 증가는 제한될 수 있다. 비록 유전체 블록 (2) 의 열 전도도가 높으면 높을 수록 좋을지라도, 실제적으로 얻어진 재료의 열 전도도는 대략 최대 30 W/(m·K) 이다.
또한, 유전체 블록 (2) 을 구성하는 유전체 세라믹스의 비열은 바람직하게는 600 J/(kg·K) 이상이다. 비열이 600 J/(kg·K) 이상이면, 유전체 필터는 온도 증가를 제한할 수 있다.
상기의 특성을 갖는 유전체 세라믹스로서, 주성분으로서 40 mol% 이상의 Al2O3 를 함유하는 조성물을 갖는 알루미나계 세라믹스가 있다. 알루미나계 세라믹스를 사용함으로써, 필터를 구성하는 공진기의 무부하 Q 값은 예를 들어 1000 이상 까지 증가될 수 있다. 그러한 알루미나계 세라믹스로서, 예를 들어, 상기 특허 문헌 5에 기재된 조성식 aAl2O3-bZrO2-cTiO2-dSnO2 (이 조성식에서, 0.4068 < a < 0.9550, 0 < b < 0.1483, 0.0225 < c < 0.3263, 0.0203 < d < 0.1186, a + b + c + d = 1 ) 에 의해 표현되는 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 주석 및 산소로 구성되는 조성물을 주성분으로서 갖는 것이 있다. 이러한 유전체 세라믹스의 비유전율은 10 내지 20 이다.
상술된 유전체 세라믹스를 사용함으로써, 1000 이상 만큼 높은 공진기의 무부하 Q 값 및 0.8 dB 이하 또는 바람직하게는 0.5 dB 이하의 삽입 손실을 갖고, 10 내지 50 W 의 고전력이 가능하고, 대량생산이 가능하고, 실용적인 기지국 통신장치용 유전체 필터를 제조하는 것이 용이하게 된다.
본 실시형태에 따른 기지국 통신장치용 유전체 필터는 1.5 내지 4 GHz 의 주파수 대역에서 적합하게 사용될 수 있다. 그러한 주파수 대역을 사용하는 시스템으로서, GPS (Global Positioning System), PCS (Personal Communication Services), DCS (Digital Communication System), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), LAN (Local Area Network) 2.5 GHz, Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 2.5 GHz, Wimax 3.5 GHz 등이 있다.
주파수가 더 높게 됨에 따라, 유전체 블록 (2) 의 높이 L 은 작아진다. 높이 L 이 폭 H 에 비해 너무 작으면, 바람직한 공진기 무부하 Q 값은 얻어지지 않는 경향이 있다. 한편, 주파수가 낮아짐에 따라, 유전체 블록 (2) 의 높이 L 은 커진다. 높이 L 이 폭 H 에 비해 너무 커지면, 바람직한 공진기 무부하 Q 값이 얻어지지 않는 경향이 있다. 본 실시형태에 있어서, 유전체 블록 (2) 의 폭 H 는 1.5 내지 4 GHz 의 주파수 대역에 대해 10 내지 30 mm 로 설정되고, 이러한 방식으로, 폭 H 와 높이 L 간의 관계가 적절히 유지될 수 있으며, 바람직한 공진기 무부하 Q 값이 얻어질 수 있다. 유전체 블록 (2) 의 폭 H 가 14.4 mm 로 설정된 일 실시예가 이하에 나타난다. 즉, 유전체 블록 (2) 에 사용된 유전체 세라믹스의 비유전율이 5 인 경우, 높이 L 은 주파수가 1.5 GHz 이면 22.4 mm 이고, 높이 L 은 주파수가 4 GHz 이면 8.4 mm 이다. 또한, 유전체 세라믹스의 비유전율이 20 인 경우, 높이 L은 주파수가 1.5 GHz 이면 11.2 mm 이고, 높이 L 은 주파수가 4 GHz 이면 4.2 mm 이다.
실시예
[ 실시예 1]
특허 문헌 5 에 개시되고 유전체 세라믹스로서 0.7778Al2O3-0.0111ZrO2-0.1111TiO2-0.1SnO2 의 조성물을 갖는 알루미나계 세라믹스를 사용함으로써, 도 1 및 도 2 에 도시된 기지국 통신장치용 유전체 필터가 제조되었다.
유전체 세라믹스의 비유전율은 13 이었고, 그것의 열 전도도는 14.1 W/(m·K) 이었고, 그것의 비열은 700 J/(kg·K) 이었고, 그것의 재료 Q 값은 45000 이었다. 유전체 블록 (2) 은 62.0 mm 의 길이 (W), 14.4 mm 의 폭 (H), 및 8.0 mm 의 높이 (L) 를 갖도록 설정되었다. 송신측 필터부 (1B) 를 위한 통과 대역은 2110 내지 2170 MHz 로 설정되었고, 수신측 필터부 (1A) 를 위한 통과 대역은 1920 내지 1980 MHz 로 설정되었다. 각각의 공진기의 관통공 (4) 의 단면 형상 및 치수, 서로 인접한 공진기들의 관통공 (4) 간의 거리 등의 공진기 배치, 및 또한 패터닝된 전도막 (9A) 의 형상 등은 최상의 필터 특성이 얻어질 수 있도록 설정되었다. 공진기의 무부하 Q 값은 대략 1250 이었다.
제조된 기지국 통신장치용 유전체 필터의 주파수 특성 다이어그램이 도 3 (수신측) 및 도 4 (송신측) 에 도시되어 있다. 송신측 필터부 (1B) 에 있어서, 2110 내지 2170 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.43 dB 이었고, 1920 내지 1980 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 57 dB 이었다. 수신측 필터부 (1A) 에 있어서, 1920 내지 1980 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.47 dB 이었고, 2110 내지 2170 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 61 dB 이었다. 각각의 통과 대역에서의 삽입 손실은 충분히 작고, 각각의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 크다. 표 1 은 유전체 블록의 치수, 유전체 세라믹스의 특성, 및 필터의 전기적 특성을 모아서 나타낸다.
50 W 의 출력 전력을 얻기 위해 유전체 필터에 전력이 인가될 때, 가장 높은 온도를 갖는 위치의 필터의 온도는 대략 90 ℃ 이었다. 이러한 열 발생으로 인해, 송신측 필터부 (1B) 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.1 dB 증가되었다.
[ 비교예 1]
특허 문헌 4 에 개시되고 유전체 세라믹스로서 0.185BaO-0.815TiO2-0.005MnO-0.005SbO3/2 의 조성물을 갖는 BaTiO3-계 세라믹스를 사용함으로써, 도 1 및 도 2 에 도시된 기지국 통신장치용 유전체 필터가 제조되었다.
그 유전체 세라믹스의 비유전율은 38 이었고, 그것의 열 전도도는 2.1 W/(m·K) 이었고, 그것의 비열은 572 J/(kg·K) 이었고, 그것의 재료 Q 값은 40000 이었다. 유전체 블록 (2) 은 62.0 mm 의 길이 (W), 14.4 mm 의 폭 (H), 및 4.7 mm 의 높이 (L) 를 갖도록 설정되었다. 송신측 필터부 (1B) 를 위한 통과 대역은 2110 내지 2170 MHz 로 설정되었고, 수신측 필터부 (1A) 를 위한 통과 대역은 1920 내지 1980 MHz 로 설정되었다. 각각의 공진기의 관통공 (4) 의 단면 형상 및 치수, 서로 인접한 공진기들의 관통공 (4) 간의 거리 등의 공진기 배치, 및 또한 패터닝된 전도막 (9A) 의 형상 등은 최상의 필터 특성이 얻어질 수 있도록 설정되었다.
제조된 기지국 통신장치용 유전체 필터의 주파수 특성 다이어그램이 도 5 (수신측) 및 도 6 (송신측) 에 도시되어 있다. 송신측 필터부 (1B) 에 있어서, 2110 내지 2170 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.57 dB 이었고, 1920 내지 1980 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 49 dB 이었다. 수신측 필터부 (1A) 에 있어서, 1920 내지 1980 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.81 dB 이었고, 2110 내지 2170 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 55 dB 이었다. 비록 각각의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 클지라도 각각의 통과 대역에서의 삽입 손실은 충분히 작지 않고, 특히 수신측 필터부 (1A) 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 크다. 표 1 은 유전체 블록의 치수, 유전체 세라믹스의 특성, 및 필터의 전기적 특성을 모아서 나타낸다.
50 W 의 출력 전력을 얻기 위해 유전체 필터에 전력이 인가될 때, 가장 높은 온도를 갖는 위치의 필터의 온도는 대략 150 ℃ 이었다. 이러한 열 발생으로 인해, 송신측 필터부 (1B) 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.2 dB 증가되었다.
[ 비교예 2]
도 1 및 도 2에 도시된 기지국 통신장치용 유전체 필터는 유전체 블록 (2) 의 길이 (W) 가 35.0 mm 로 설정되고 그것의 폭 (H) 이 6.1 mm 로 설정된 것을 제외하고, 실시예 1 과 유사한 방식으로 제조되었다.
송신측 필터부 (1B) 를 위한 통과 대역은 2110 내지 2170 MHz 로 설정되었고, 수신측 필터부 (1A) 를 위한 통과 대역은 1920 내지 1980 MHz 로 설정되었다. 각각의 공진기의 관통공 (4) 의 단면 형상 및 치수, 서로 인접한 공진기들의 관통공 (4) 간의 거리 등의 공진기 배치, 및 또한 패터닝된 전도막 (9A) 의 형상 등은 최상의 필터 특성이 얻어질 수 있도록 설정되었다. 공진기의 무부하 Q 값은 대략 800 이었다.
제조된 기지국 통신장치용 유전체 필터의 주파수 특성 다이어그램이 도 7 (수신측) 및 도 8 (송신측) 에 도시되어 있다. 송신측 필터부 (1B) 에 있어서, 2110 내지 2170 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.71 dB 이었고, 1920 내지 1980 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 68 dB 이었다. 수신측 필터부 (1A) 에 있어서, 1920 내지 1980 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.77 dB 이었고, 2110 내지 2170 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 60 dB 이었다. 각각의 통과 대역에서의 삽입 손실은 충분히 작지 않고, 비록 수신측 필터부 (1A) 의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 클지라도, 송신측 필터부 (1B) 의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 크지 않다. 표 1 은 유전체 블록의 치수, 유전체 세라믹스의 특성, 및 필터의 전기적 특성을 모아서 나타낸다.
[ 비교예 3]
도 1 및 도 2에 도시된 기지국 통신장치용 유전체 필터는 유전체 블록 (2) 의 길이 (W) 가 35.0 mm 로 설정되고 그것의 폭 (H) 이 6.1 mm 로 설정되고, 그것의 높이 (L) 가 5.0 mm 로 설정된 것을 제외하고, 비교예 1 과 유사한 방식으로 제조되었다.
송신측 필터부 (1B) 를 위한 통과 대역은 2110 내지 2170 MHz 로 설정되었고, 수신측 필터부 (1A) 를 위한 통과 대역은 1920 내지 1980 MHz 로 설정되었다. 각각의 공진기의 관통공 (4) 의 단면 형상 및 치수, 서로 인접한 공진기들의 관통공 (4) 간의 거리 등의 공진기 배치, 및 또한 패터닝된 전도막 (9A) 의 형상 등은 최상의 필터 특성이 얻어질 수 있도록 설정되었다.
제조된 기지국 통신장치용 유전체 필터의 주파수 특성 다이어그램이 도 9 (수신측) 및 도 10 (송신측) 에 도시되어 있다. 송신측 필터부 (1B) 에 있어서, 2110 내지 2170 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.71 dB 이었고, 1920 내지 1980 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 67 dB 이었다. 수신측 필터부 (1A) 에 있어서, 1920 내지 1980 MHz 의 통과 대역에서의 삽입 손실은 0.87 dB 이었고, 2110 내지 2170 MHz 의 차단 대역에서의 감쇠는 57 dB 이었다. 각각의 통과 대역에서의 삽입 손실은 충분히 작지 않고, 특히 수신측 필터부 (1A) 의 통과 대역에 서의 삽입 손실은 크고, 비록 수신측 필터부 (1A) 의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 클지라도, 송신측 필터부 (1B) 의 차단 대역에서의 감쇠는 충분히 크지 않다. 표 1 은 유전체 블록의 치수, 유전체 세라믹스의 특성, 및 필터의 전기적 특성을 모아서 나타낸다.
[표 1]
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
유전체
블록의
치수		 W [mm] 62.0 62.0 35.0 35.0
H [mm] 14.4 14.4 6.1 6.1
L [mm] 8.0 4.7 8.0 5.0
유전체
세라믹스의
특성		 비유전율 13 38 13 38
열 전도도 [W/(m·K)] 14.1 2.1 14.1 2.1
비열 [J/(kg·K)] 700 572 700 572
필터의
특성

 송신측 통과대역 삽입 손실
[dB]		 0.43 0.57 0.71 0.71
차단대역 감쇠 [dB] 57 49 68 67
수신측
 통과대역
삽입 손실
[dB]		 0.47 0.81 0.77 0.87
차단대역
감쇠 [dB]		 61 55 60 57
상술된 바와 같이, 유전체 블록의 폭 (H) 및 유전체 세라믹스의 비유전율의 조합이 본 발명에 특정된 범위 밖에 있는 비교예 1 내지 비교예 3에 있어서, 낮은 삽입 손실이 얻어지지 않는다는 것은 이해가능하다. 특히, 비교예 1 과 실시예 1 간의 비교가 보여주는 바와 같이, H = 14.4 mm 를 갖는 유전체 블록을 사용하는 유전체 필터에서, 비유전율 38 을 갖는 유전체 세라믹스가 비유전율 13 을 갖는 것으로 대체되는 경우, 수신측상의 통과 대역 (1920 내지 1980 MHz) 에서의 삽입 손실은 0.81 dB 로부터 0.47 dB 로 상당히 개선된다. 한편, 비교예 3 과 비교예 2 간의 비교가 보여주는 바와 같이, H = 6.1 mm 를 갖는 유전체 블록을 사용하는 유전체 필터에서, 비유전율 38 을 갖는 유전체 세라믹스가 비유전율 13 을 갖는 것으로 대체되는 경우, 수신측상의 통과 대역 (1920 내지 1980 MHz) 에서의 삽입 손실은 0.87 dB 로부터 0.77 dB 로 단지 약간만 변화한다. 그와 같이, 본 발명에 따른 기지국 통신장치용 유전체 필터는 단지 작은 비유전율을 갖는 유전체 세라믹스를 사용하는 것만으로는 달성될 수 없고, 그러한 유전체 세라믹스와 유전체 블록의 치수의 조합에 의해 결국 달성되었다.
또한, 열 방출 특성에 대하여, 다음이 이해가능하다. 즉, 실시예 1 에서, 14.1 W/(m·K) 의 열 전도도 및 700 J/(kg·K) 의 비열을 갖는 유전체 세라믹스가 사용되고, 따라서 열 발생시에 온도 증가가 작고 열이 장착 기판측으로 효율적으로 확산될 수 있다. 이러한 이유로, 열에 기인한 전도막의 전기 전도도의 저하가 제한되고, 필터의 고성능의 전기적 특성이 유지될 수 있다. 한편, 비교예 1 에서는, 2.1 W/(m·K) 의 열 전도도 및 572 J/(kg·K) 의 비열을 갖는 유전체 세라믹스가 사용되고, 따라서 열 발생시에 온도 증가가 작지 않고 열이 장착 기판측으로 효율적으로 소산될 수 없다. 이러한 이유로, 전도막의 전기 전도도가 열로 인해 저하하고, 필터의 바람직한 전기적 특성이 유지되기 어렵다.
상술된 실시예 1 에서는, 상술된 특허문헌 5에 개시된 알루미나계 세라믹스의 특별한 조성을 갖는 것이 사용된다. 그러나, 조성식 aAl2O3-bZrO2-cTiO2-dSnO2 에서, a, b, c 및 d 의 값이 소정의 범위에서 변화되는 경우에도, 재료 Q 값은 5000 이상, 열 전도도는 3 내지 50 W/(m·K), 및 비열은 600 J/(kg·K) 이상이라는 것에 대한 변화는 없었다. 또한, 마찬가지로 이들에 의해, 1000 이상의 공진기의 무부하 Q 값, 0.8 dB 이하의 삽입 손실, 및 10 내지 50 W 의 출력을 갖는 고전력이 가능한 기지국 통신장치용 유전체 필터가 제조될 수 있었다.

Claims (8)

1.5 내지 4 GHz 의 주파수 대역에서의 사용에 적합한 기지국 통신장치용 유전체 필터로서,
측면을 갖는 실질적으로 직사각형인 고체 형상의 유전체 블록; 및
상기 유전체 블록의 상기 측면을 따라 배열되고, 상기 측면에 실질적으로 평행하고 서로 실질적으로 평행하도록 연장되는 복수의 1/4 파장 공진기를 포함하고,
상기 유전체 블록은 5 내지 20 의 비유전율 (relative dielectric constant) 을 갖는 유전체 세라믹스로 이루어지고, 상기 유전체 블록의 상기 측면과 직교하여 교차하는 방향의 상기 유전체 블록의 치수는 10 내지 30 mm 인, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 필터의 삽입 손실은 0.8 dB 이하인, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 필터의 출력은 10 내지 50 W 인, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 세라믹스는 5000 이상의 재료 Q 값을 갖는, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 세라믹스는 3 내지 50 W/(m·K) 의 열 전도도를 갖는, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 세라믹스는 600 J/(kg·K) 이상의 비열을 갖는, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 세라믹스는 Al2O3 를 40 mol% 이상 함유하는 조성물을 주성분으로 갖는 알루미나계 세라믹스인, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 세라믹스는 조성식 aAl2O3-bZrO2-cTiO2-dSnO2 (이 조성식에서, 0.4068 < a < 0.9550, 0 < b < 0.1483, 0.0225 < c < 0.3263, 0.0203 < d < 0.1186, a + b + c + d = 1 ) 에 의해 표현되는 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 주석 및 산소로 구성되는 조성물을 주성분으로서 갖는 알루미나계 세라믹스인, 기지국 통신장치용 유전체 필터.
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