KR101157689B1 - 고주파 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고주파 필터에 관한 것으로, 내부 도체관(1)으로서 구성된 전도성 내부 도체와, 전도성 외부 도체관(2)과, 내부 도체와 외부 도체관(2)을 전기적으로 서로 연결시키는 전도성 베이스(3)와, 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)를 향한 내부면(5a) 및, 외부면(5b)을 가진 커버(5)로 구성된 복수의 공진기(R)로 된 것에 있어서, 커버(5)의 내부면(5a)의 수용부에 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)와 대향하여 2보다 큰 상대적 유전율(εr)을 갖는 유전체 층(6)이 구비되며, 유전체 층(6)의 확장된 직경은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)를 커버할 수 있는 크기로 되어 있다.
내부 도체관, 외부 도체관, 고주파 필터, 커버, 유전체 층, 자유 단부
Description
본 발명은 특히 (예를 들어 듀플렉스 스위치와 같은) 고주파 필터 또는 대역 통과 필터 또는 대역 차단 필터 유형에 따른 동축 공진기의 구조를 갖는 고주파 필터에 관한 것이다.
무선 기술 시스템, 특히 이동 무선 분야에서 송수신 신호를 위해 종종 공통의 안테나가 사용된다. 송수신 신호는 각각 상이한 주파수 영역을 사용하고, 안테나는 양 주파수 범위에서 송수신을 위해 적합해야 한다. 따라서 송수신 신호의 분리를 위해, 한편으로는 송신기로부터 안테나로의 송신 신호와, 다른 한편으로는 안테나로부터 수신기로의 수신 신호를 전달하는 적절한 주파수 필터링이 요구된다. 현재, 송수신 신호의 분배를 위해 특히 동축 구조의 고주파 필터가 사용된다.
예를 들어, 특정 주파수 대역을 통과하는 한쌍의 고주파 필터가 사용될 수 있다(대역 통과 필터). 대안적으로, 특정 주파수 대역을 차단하는 한쌍의 고주파 필터가 사용될 수 있다(대역 차단 필터). 또한, 하나의 필터는 송수신 대역 사이의 주파수 이하의 주파수를 통과시키고 이들 주파수 이상의 주파수를 차단하고(저역 통과 필터), 다른 하나의 필터는 송수신 대역 사이의 주파수 이하의 주파수를 차단하고 그 이상의 주파수를 통과시키는(고역 통과 필터) 한쌍의 고주파 필터가 사용 될 수 있다. 상기 필터 유형의 다른 조합도 가능하다.
고주파 필터는 종종 동축 공진기로 구성되는데, 이는 절삭 또는 주물 부품으로 구성되어 간단하게 제조 가능하기 때문이다. 또한, 공진기(resonator)는 높은 전기 품질 및 비교적 큰 온도 안정성을 보장한다.
같은 유형의 동축 고주파 필터의 일예는 문서 EP 1 169 747 B1에 설명되어 있다. 이 필터는 원통형 내부 도체(inner line tube)와 원통형 외부 도체(outer line tube)를 갖는 공진기를 포함하며, 내부 도체의 자유 단부(free end)와, 외부 도체 상에 고정된 커버(cover) 사이에는 공진 주파수에 영향을 미치는 커패시턴스(capacitance 정전용량)가 형성된다. 또한, 공진기는 유전 재료로 된 조정 요소를 포함하는데 이는 필터의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 조정 요소는 공진기의 내부 도체 내에서 이동 가능하고 이를 통해 내부 도체의 자유 단부와 공진기의 커버 사이의 캐퍼시터가 변경되어 공진 주파수가 변경된다.
문서 "극초단파 필터의 이론과 설계(Theory and Design of Microwave Filters)", 아이언 헌터(Ian Hunter), IEE Electromagnetic Waves 시리즈 48, 5.8항에는 서로 결합된 다수의 개별 공진기를 갖는 동축 공진기 필터가 공지되어 있다.
종래 기술에 공지된 고주파 필터에서, 낮은 공진 주파수를 갖는 필터는 큰 구성 용적을 가지며, 이는 다시 재료 및 처리 비용을 증가시킨다는 것이 단점으로 증명되었다. 낮은 공진 주파수는 긴 내부 도체를 통해서 달성될 수 있기 때문에, 큰 구성 용적이 형성된다. 공진 주파수가 내부 도체의 자유 단부에 대한 필터 커버의 간격의 감소를 통해 감소될 수 있으나, 이는 공진기의 절연 내력(dielectric strength)이 감소되는 바람직하지 못한 효과를 갖기도 한다. 내부 도체의 자유 단부와 커버 사이의 간격이 작을 경우, 여기에 인가된 전압으로 인해 내부 도체의 자유 단부와 커버 사이의 공기층을 통해 파열 방전이 빠르게 형성되고, 이는 신호 전송에 영향을 미치고 필터에 손상을 입힐 수 있다.
본 발명의 목적은 높은 절연 내력과 동시에 적은 구성 용적을 갖는 동축 공진기의 구조로 된 고주파 필터를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립항을 통해 달성된다.본 발명의 다른 구성은 종속 청구항에서 한정된다.
본 발명은 하나 또는 복수의 공진기를 포함하고, 실시예에 따라 하나 또는 복수의 다음에 기재된 양태의 특징을 갖는 동축 공진기의 구조로 된 본 발명에 따른 고주파 필터로서
내부 도체관으로서 형성된 전도성 내부 도체와, 전도성 외부 도체와, 내부 도체와 외부 도체를 전기적으로 서로 연결시키는 전도성 베이스(base)로 구성된다. 또한, 베이스에 대해 고주파 필터를 덮는 커버가 구비되어 있다. 커버는 내부면 및 외부면을 가지며, 내부면은 내부 도체관의 자유 단부를 향하여 덮인다. 고주파 필터 내에서 커버의 외부면과 내부 도체관의 자유 단부 사이에는 상대적으로 2보다 큰 유전율(dielectric constant)을 갖는 유전체 층(dielectric layer)이 배열된다. 유전체 층의 반경 방향 확장부는 실제로 내부 도체관의 단면을 그 자유 단부에서 커버한다. 이러한 유형의 유전체 층을 통한 높은 유전율로 인해, 필터 구성의 용적이 증가됨 없이 정전용량의 증가 및 공진 주파수의 감쇠가 달성된다. 유전체 층이 실제로 내부 도체관의 전체 단면을 커버하기 때문에, 내부 도체관과 커버 사이의 절연 내력이 개선된다.
본 발명은 하나 또는 복수의 공진기를 포함하고, 실시예에 따라 하나 또는 복수의 다음에 기재된 양태의 특징을 갖는 동축 공진기의 구조로 된 본 발명에 따른 고주파 필터로서
내부 도체관으로서 형성된 전도성 내부 도체와, 전도성 외부 도체와, 내부 도체와 외부 도체를 전기적으로 서로 연결시키는 전도성 베이스(base)로 구성된다. 또한, 베이스에 대해 고주파 필터를 덮는 커버가 구비되어 있다. 커버는 내부면 및 외부면을 가지며, 내부면은 내부 도체관의 자유 단부를 향하여 덮인다. 고주파 필터 내에서 커버의 외부면과 내부 도체관의 자유 단부 사이에는 상대적으로 2보다 큰 유전율(dielectric constant)을 갖는 유전체 층(dielectric layer)이 배열된다. 유전체 층의 반경 방향 확장부는 실제로 내부 도체관의 단면을 그 자유 단부에서 커버한다. 이러한 유형의 유전체 층을 통한 높은 유전율로 인해, 필터 구성의 용적이 증가됨 없이 정전용량의 증가 및 공진 주파수의 감쇠가 달성된다. 유전체 층이 실제로 내부 도체관의 전체 단면을 커버하기 때문에, 내부 도체관과 커버 사이의 절연 내력이 개선된다.
삭제
특히 바람직한 실시예에서, 5와 같거나 보다 더 크게, 바람직하게는 8과 같거나 보다 더 크게, 특히 바람직하게는 9와 같거나 보다 더 크게 상대적 유전율을 갖는 고 유전성 재료가 유전체 층으로서 사용된다. 또한, 예를 들어 40과 같거나 보다 더 크게, 상대적 유전율을 갖는 40과 같거나 보다 더 큰 유전율을 갖는 재료도 사용될 수 있다. 유전율은 예를 들어 40과 80 사이 또는 60과 80 사이일 수 있다. 고 유전율을 갖는 재료로서, 예를 들어 세라믹 재료, 특히 산화 알루미늄(aluminium oxide ceramic)과 같은 유전체 층이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 유전체 층의 반경 방향 면적은 내부 도체관의 자유 단부 부분의 횡단면의 면적의 적어도 2배이다. 이로써, 내부 도체관이 유전재료로 충분히 커버되는 것이 달성됨으로서, 매우 높은 절연 내력이 보장된다.
다른 실시예에서, 내부 도체관의 횡단면(cross section)의 자유 단부는 실제로 원형으로 되어 있다. 유전체 층의 반경 방향 확장부는 실제로 원형으로 형성될 수 있다. 내부 도체관의 자유 단부의 단면뿐만 아니라, 유전체 층의 반경 방향 확장부도 원형으로 형성될 경우에, 본 발명의 바람직한 변형예에서, 반경 방향 확장면의 직경은 내부 도체관의 횡단면의 직경과 적어도 동일하다. 바람직하게는 반경 방향 확장면의 직경은 내부 도체관의 단면 직경의 적어도 1.5배이다. 또한, 외부 도체는 실제로 원형 횡단면으로 되어 있으며, 그 직경은 유전체 층의 평면 직경의 2배로 되어 있다.
본 발명의 특히 바람직한 다른 실시예에서, 유전체 층은 고주파 필터의 커버에 배열되는데, 특히 커버에 고정된다. 예를 들어, 유전체 층은 커버의 내부면의 수용부 내에 장착(inserted)될 수 있다.
유전체 층은 수용부 내에 형태 결합식으로, 특히 유전체 층의 주연부(edge)를 수용부의 돌출된 주연부를 통해 커버의 내부면에 고정(interlocking fit)될 수 있다. 커버에 대한 유전체 층의 결합의 대안으로, 또는 추가적으로, 유전체 층은 커버의 내부면에 접착제에 의해 부착되는 접착 수단으로 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 다른 실시예에서, 유전체 층은 커버의 내부면과 접속된다.
다른 실시예에서, 고주파 필터는 복수의 공진기로 구성되며, 적어도 부분적으로 좁고 길게 연장된 단일 유전체 층이 모든 공진기에 구비된다.
본 발명에 따른 고주파 필터는 공진기의 결합에 따라 바람직한 듀플렉스 스위치(duplex switch)로 형성된다. 그러나, 하나의 대역 통과 필터 또는 대역 차단 필터로서의 구성도 가능하다.
이하 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 필터에서 사용되는 공진기의 실시예의 측면도이다.
도 2는 도 1의 공진기의 평면도이다.
도 3은 도 2의 공진기의 다른 실시예의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공진기 커버의 내부면의 평면도이다.
도 5는 도 3에 따른 다수의 공진기로 구성되는 대역 통과 필터의 평면도이다.
도 6은 도 5의 대역 통과 필터의 선 I-I을 따른 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 필터에서 사용하기 위한 공진기의 측면도를 도시한다. 이러한 공진기는 축(A)을 따라 연장된 동축 구조의 공진기이다. 공진기는 그 하부 단부가 베이스(3)에 삽입된 전도성 원통형 내부 도체관(1)을 형성한다. 베이스(3)는 마찬가지로 원통형으로 구성되고 그 외측 주연부(edge)에서 원통형 외부 도체관(2)과 연결된다. 베이스(3)를 통해 외부 도체관(2)과 내부 도체관(1)이 전기 도체(electrically conductive)로 연결된다. 외부 도체관 상에는 내부면(5a)과 외부면(5b)을 갖는 커버(5)가 덮인다. 내부면(5a)의 수용부 내에는 검게 도시된 유전체 층(6)이 장착(inserted)된다. 유전체 층은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)에 대향하여 놓인다. 커버(5)와 내부 도체관(1)의 자유 단부 사이의 거리(4)는 통상 3 내지 4 mm 이고 0.5 mm 까지 감소될 수 있다. 도 1에서 유전체 층은 커버의 내부면(inner side)에 의해 밀폐된다(closed). 그러나, 유전체 층이 커버의 내부면에서 외부로 돌출되거나 또는 커버의 내부면이 유전체 층을 벗어나서 돌출되는 것도 가능하다.
도 1의 공진기에서, 자유 단부(1a)의 공진 시에 전압 상승이 발생하는데, 전압의 값은 공진기를 가동시키는 신호 출력에 대해 비례적이다. 내부 도체관(1)의 자유 단부의 상부측 및 커버의 내부면(5a)은 용량(Croof)이 콘덴서 사이의 재료의 상대적 유전율(εr)에 대해 직접 비례적인 플레이트 콘덴서를 형성한다. 도 1의 공진기에서, 공기보다 명확히 큰 상대적 유전율(εr)을 갖는 고 유전성 재료가 사용된다. 바람직하게는 상대적 유전율은 40 이상의 값을 갖는다. 이는, 종래의 공진기에 비해 정전용량(Croof)이 매우 높다는 것을 의미한다. 정전용량(Croof)은 고유 공진기에 대한 병렬 용량을 나타내고 공진기의 공진 주파수와 이하와 같이 관련된다.
삭제
이때 f는 공진기의 공진 주파수, L은 공진기의 유도율, C는 공진기의 용량 및 Croof는 상기 공진기의 상부면에서의 병렬 정전용량을 나타낸다.
상기 식에서, 공진 주파수가 낮으면 낮을수록 Croof는 더 커지는 것을 알 수 있다. 도 1의 공진기의 유전체 층(6)에 의해, 낮은 공진 주파수를 갖는 공진기가 구성될 수 있다. 종래 기술에 따르면, 낮은 공진 주파수를 갖는 공진기는 유전체 층을 사용함으로써 달성되는 것이 아니라 커버와 내부 도체관의 자유 단부 사이의 간격의 감소를 통해 달성된다. 그러나, 이러한 간격을 통해 공진기의 절연 내력이 상당히 감소되기 때문에, 간격의 감소는 한계가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 종래 기술에 따른 공진기에는 선택적으로 더 넓은 내부 도체관이 사용되고, 이를 통해서도 공진 주파수가 감소된다. 그러나, 이러한 점은 더 큰 공진기 용적을 필요로 하여 재료 및 처리의 고비용이 초래된다. 이에 반해, 도 1의 공진기에 의해 낮은 공진 주파수, 높은 절연 내력 및 적은 구성 공간이 달성된다.
도 2는 도 1의 공진기의 평면도를 도시한다. 내부 도체관(1)과 외부 도체관(2)이 원통형으로 구성되는 것을 알 수 있다. 또한, 유전체 층(6)의 반경 방향 확장부가 형성되고 그 원형 주연부는 도 2에서 6'으로 표시된다. 내부 도체관의 자유 단부(1a)와 커버(5) 사이의 작은 간격에서도 높은 절연 내력이 제공됨으로써, 유전체 층의 직경(d1)이 내부 도체관의 횡단면의 직경(d2)보다 크다. 바람직하게는 유전체 층(6)의 평면적의 직경(d1)은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a) 부분의 횡단면적 직경(d2)의 1.5배이다. 외부 도체관의 직경(d3)은 실제로 상기 직경(d1, d2)보다 크다. 바람직한 다른 실시예에서, 외부 도체관(2)의 직경(d3)은 유전체 층(6)의 평면적의 직경(d1)보다 두 배 크다.
도 3은 도 2의 공진기의 다른 실시예의 평면도를 도시한다. 도 3의 공진기에서 외부 도체관(2)은 원통형이 아니라, 실제로 모서리(round coners)가 깎긴 사각형이다. 내부 도체관(1)의 형태 및 유전체 층(6)은 원통형 또는 원형으로 형성된다. 그러나, 내부 도체관 또는 유전체 층이 다른 형태를 갖는 것도 가능하고 특히 사각형으로 구성될 수 있다. 유전체 층의 반경 방향 확장면이 적어도, 내부 도체관의 횡단면에 일치하는 크기를 갖는다는 것만 유의하면 된다.
도 4는 도 1의 커버(5)의 내부면(5a) 구성의 평면도이다. 개선된 도시를 위해, 커버의 내부면이 해칭되어 도시된다. 커버(5)의 내부 주연부(5')가 유전체 층(6)의 주연부보다 외부로 돌출하는 것을 알 수 있다. 이로써, 유전체 층(6)이 커버(5)의 수용부 내에 고정(interlocking fit)되는 것이 보장된다. 그러나, 유전체 층(6)을 커버(5) 내에 고정하는 다른 고정 기구도 가능하다. 예를 들어 유전체 층(6)이 수용부 내에 접착될 수 있다.
도 5는 대역 통과 필터의 평면도를 도시하고, 도 3의 공진기의 4개가 사용되고, 공진기의 커버는 도시되지 않았다. 각각의 공진기의 외부 도체는 개구(apertures)(7)를 통해 서로 연결되어, 전체를 둘러싸는 하우징(2')이 형성된다. 개구를 통해 대역 통과 필터의 소정의 응답을 형성하기 위해, 공진기의 결합이 형성된다. 결합의 크기는 공진기들 사이의 간격(distance) 및 개구의 크기를 통해 결정된다. 대역 통과 필터의 중간 주파수는 내부 도체관(1)의 길이에 비례한다.
도 6은 도 5에 따른 대역 통과 필터의 선 I-I을 따른 단면도를 도시하며, 대역 통과 필터(band-pass filter)의 커버는 상부면 상에 배치된다. 연장된 커버(5")는 하우징(2')의 상부면에 놓인다. 도 1과 유사하게, 각각의 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)에 대향하여 유전체 층(6)이 형성되고, 이를 통해 대역 통과 필터의 절연 내력 및 크기가 감소된다. 대안적으로, 연속되는 유일 유전체 층은 스트립(strip) 형태로 형성될 수 있으며, 상기 스트립 형태의 유전체 층은 하우징(2')의 종방향으로 연장되며, 유전체 층의폭은 각각의 내부 도체가 덮여지도록 선택된다.
Claims (18)
- 내부 도체관(1)과, 상기 내부 도체관(1)의 주위를 둘러싼 외부 도체관(2) 과, 상기 내부 도체관(1) 및 상기 외부 도체관(2)을 전기적으로 접속시키는 전도성 베이스(3)가 외부 도체관(2)에 구비되고 상기 전도성 베이스(3)와 마주하여 외부 도체관(2)의 상단부를 덮는 내부면(5a)과 외부면(5b)을 갖는 커버(5)의 내부면(5a)이 상기 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)을 향하여 구비된 하나 또는 복수의 동축 공진기(R)로 된 고주파 필터에 있어서,상기 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)와 마주한 위치의 상기 커버(5)의 내부면(5a)의 수용부(recess)에 2 보다 큰 상대적인 유전율을 갖는 유전체 층(6)이 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a)와 상하 간극을 두고 내부 도체관(1)의 횡단면을 덮을 수 있는 넓이로 구비된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,커버(5)의 수용부에 장착된 유전체 층(6)은 상기 수용부의 주연부(5')에 의해 고정(interlocking fit)된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 2 항에 있어서,커버(5)의 수용부에 장착된 유전체 층(6)은 유전체 층(6)의 외부로 돌출된 수용부의 주연부(5')에 의하여 커버(5)의 내부면(5a)에 고정하게 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 2 항에 있어서,유전체 층(6)은 커버(5)의 내부면(5a)에 접속된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,유전체 층(6)은 커버(5)의 내부면(5a)에 접착제의 접착 수단에 의해 부착된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,유전체 층(6)의 상대적인 유전율은 5~80의 유전율을 갖는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,유전체 층(6)은 산화 알루미늄 세라믹 재료로 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,유전체 층(6)의 원형으로 된 면적은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a) 부분의 횡단면적의 2배로 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,내부 도체관(1)의 자유 단부(1a) 부분의 횡단면은 환상(環狀)으로 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,유전체 층(6)의 평면은 대체로 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 10 항에 있어서,유전체 층(6) 평면의 직경(d1)은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a) 부분의 횡단부면 직경(d2)과 동일한 크기로 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 12 항에 있어서,유전체 층(6)의 평면의 직경(d1)은 내부 도체관(1)의 자유 단부(1a) 부분의 횡단면 직경(d2)의 1.5배의 크기로 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 11 항에 있어서,외부 도체관(2)의 직경(d3)은 유전체 층(6)의 평면의 직경(d1)에 대하여 2배의 크기로 된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,내부 도체관(1)과 외부 도체관(2)으로 되는 복수의 공진기(R)가 연결된 대역 통과 필터의 커버(5")의 내부면에 좁고 길게 연장된 단일 유전체 층(6)이 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,내부 도체관(1)과 외부 도체관(2)으로 되는 복수의 공진기(R)의 상호 결합에 의해 듀플렉스 스위치(duplex switch)로 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 제 1 항에 있어서,복수의 공진기(R)가 상호 결합되어 하나의 주파수 대역을 통과시키는 필터(band-pass filter) 또는 하나의 주파수 대역을 차단시키는 필터(band-stop filter)를 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
- 삭제
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