KR101277824B1 - 도파관 필터 - Google Patents

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Abstract

다수의 캐비티를 구비하는 도파관 필터에 있어서, 본 발명에 따른 도파관 필터는 제1 튜닝볼트를 구비하는 제1 캐비티; 및 상기 제1 캐비티와 다른 크기로 구비되고, 상기 제1 튜닝볼트와 다른 열팽창률을 갖는 재질로 형성되는 제2 튜닝볼트를 구비하는 제2 캐비티:를 포함한다.
본 발명에 따르면, 캐비티의 길이 등 물리적 특성에 따라 각각 다른 열팽창률을 갖는 튜닝 볼트를 이용함으로써 캐비티의 열팽창을 고려하여 고온에서의 주파수 특성 및 리턴 로스의 변화율을 최소화할 수 있다.

Description

도파관 필터{Waveguide filter}
본 발명은 도파관 필터에 관한 것이다.
도파관 필터는 미리 설정된 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시키는 기능을 하는 장치로서, 도파관의 일부를 2장의 도체 창으로 칸막이한 공동(空洞)을 몇 개의 적당한 간격을 두어 세로로 접속한 것 또는 공동을 몇 개의 적당한 길이의 도파관으로 세로로 접속한 것을 의미하는 것으로서 공진(resonance)현상을 직접적으로 이용하여 필터의 역할을 수행한다.
필터의 중요한 특성으로는 삽입 손실과 스커트 특성이 있다. 삽입 손실이란 신호가 필터를 통과하면서 손실되는 전력을 의미하며, 스커트 특성은 필터의 통과 대역과 저지 대역이 가파른 정도를 의미한다. 위 삽입 손실과 스커트 특성은 필터의 차수에 따라 서로 트레이드 오프(Trade Off) 관계에 있다. 필터의 차수가 높아질수록 스커트 특성은 좋아지나 삽입 손실은 나빠지는 관계가 성립한다.
한편, 도파관 필터의 대역 통과 주파수는 필터의 인덕턴스 성분 및 캐패시턴스 성분에 의해 정해지며, 필터의 대역 통과 주파수 또는 대역폭을 조절하는 작업을 튜닝이라 한다.
이러한 주파수 튜닝에는 주로 튜닝 볼트가 이용된다. 튜닝 볼트는 도파관 필터의 상부 커버에서 도파관 필터 내부로 관통되어 삽입되는 볼트로서, 조이거나 푸는 방식으로 그 높낮이를 조절하여 주파수 튜닝이 이루어진다.
도파관 필터는 필터링 중 전자기 에너지에 의하여 고온 상태가 된다. 이 때 도파관 필터의 각 구성부들은 각 구성부의 열팽창률에 따라 각각 팽창하게 된다. 이러한 이유로 크기가 다른 캐비티를 이용하여 필터를 구성하는 경우 각 캐비티간의 주파수 특성이 다르게 변하는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 필터링 중 온도가 상승에 따른 열 팽창으로 인하여 주파수 특성이 변화되는 것을 최소화할 수 있는 도파관 필터를 제안한다.
또한 본 발명에서는 필터링 중 온도의 변화로 인하여 발생하는 리턴로스(return loss)의 왜곡을 최소화할 수 있는 도파관 필터를 제안한다.
다수의 캐비티를 구비하는 도파관 필터에 있어서, 본 발명에 따른 도파관 필터는 제1 튜닝볼트를 구비하는 제1 캐비티; 및 상기 제1 캐비티와 다른 크기로 구비되고, 상기 제1 튜닝볼트와 다른 열팽창률을 갖는 재질로 형성되는 제2 튜닝볼트를 구비하는 제2 캐비티:를 포함한다.
또한 상기 제2 캐비티는 상기 제1 캐비티보다 긴 길이로 형성되고, 상기 제2 튜닝볼트는 상기 제1 튜닝볼트보다 작은 열팽창률을 갖도록 할 수 있다.
또한 상기 제1 튜닝볼트는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄을 베이스 합금으로 형성되고, 상기 제2 튜닝볼트는 철(Fe) 또는 철 베이스 합금으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 도파관 필터는 사이즈에 따라 적어도 둘 이상의 그룹으로 나누어지는 다수의 캐비티; 및 상기 각 캐비티에 삽입되는 튜닝볼트를 포함하되, 상기 튜닝볼트들은 각 튜닝볼트가 삽입되는 캐비티의 그룹별로 서로 다른 열팽창률을 갖도록 형성될 수 있다.
또한 상기 튜닝볼트들은 각 튜닝볼트가 삽입되는 캐비티 그룹의 캐비티 길이에 반비례하는 열팽창률을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 캐비티의 길이 등 물리적 특성에 따라 각각 다른 열팽창률을 갖는 튜닝 볼트를 이용함으로써 캐비티의 열팽창을 고려하여 고온에서의 주파수 특성 및 리턴 로스의 변화율을 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 커버가 제거된 도파관 필터의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도파관 필터에 포함되는 캐비티의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 도파관 필터에 포함되는 캐비티의 모습을 나타내는 종단면도이다.
도 4는 상온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 다른 길이의 캐비티에 동일한 튜닝볼트를 사용한 경우 고온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 다른 길이의 캐비티에 실시예에 따른 튜닝볼트를 사용한 경우 고온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 캐비티를 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 커버가 제거된 도파관 필터의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 도파관 필터에 포함되는 캐비티의 모습을 나타내는 사시도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 도파관 필터에 포함되는 캐비티의 모습을 나타내는 종단면도이다.
본 실시예에 따른 도파관 필터는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 캐비티(100a, 100b)를 포함한다. 도파관 필터는 통과대역에서 최대의 감쇠특성을 구현하기 위해 내부에 일정한 공간부가 형성된 캐비티를 다단으로 결합하여 실현한다. 각각의 캐비티는 전자 회로에서 병렬 LC 공진기로 작용한다. RF 신호가 입력 커넥터에 인가될 때, 동선에 전류가 흐르면서 자계 에너지가 형성된다. 자계 에너지는 입력 커넥터(10)를 통하여 병렬 LC 공진회로로 동작하는 캐비티(100a)에 제공된다. 공진회로에 전달된 자계 에너지 중 LC 공진 주파수에 상응하는 주파수 에너지는 인접한 다음의 캐비티(100a, 100b)에 전달되며, 그 외의 주파수 에너지는 접지로 유도된다. 이러한 과정을 통해 공진 주파수에 상응하는 주파수 에너지가 LC 공진회로에 커플링되면서, 미리 설정된 주파수에 상응하는 주파수 신호만이 출력 커넥터(20)에 출력된다.
한편, 요구하는 에너지의 집중도, 즉 Q 팩터를 향상시키기 위하여 도 2(a)의 캐비티(100a) 이외에도 크기가 다른 (b)의 캐비티(100b)를 함께 이용하여 도파관 필터를 구현할 수 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 도파관 필터는 크기가 다른 둘 이상의 캐비티(100a, 100b)를 포함할 수 있다. 이하에서는 L1의 길이를 갖는 캐비티(100a)와 L1에 비하여 상대적으로 길이가 긴 L2의 길이를 갖는 캐비티(100b)를 가정하여 설명한다.
도 3을 참조하여 설명하면, 캐비티(100)는 내부에 일정한 공간을 형성하는 금속 하우징(110)에 의하여 형성된다. 금속 하우징(110)은 상부 일면이 개방된 상태로 형성되며, 금속 하우징(110)의 상부에는 커버(115)가 구비된다. 커버(115)는 금속 하우징(110)의 상부면을 밀폐시킨다. 커버(115)는 튜닝볼트(120)가 관통되도록 구비된다. 튜닝볼트(120)는 중심축을 중심으로 회전함으로써 캐비티(100) 내부로 삽입되거나 캐비티(100)의 외측으로 빠져 나오게 된다. 필터의 공진 주파수는 LC 공진회로의 L 및 C 값에 의해 결정되며, 튜닝 볼트를 조절하여 필터의 공진 주파수를 튜닝할 수 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 캐비티(100)의 한 면에는 RF 신호의 커플링을 위한 커플링 윈도우(130)가 형성 될 수 있다. 예를 들어 요구하는 주파수 특성 및 스커트 특성에 따라 도 1의 캐비티(100a, 100b)와 같이 다양한 크기의 캐비티를 연결하여 도파관 필터를 구현할 수 있다. 이 때 캐비티(100)에 커플링 윈도우(130)를 형성하고, 각 커플링 윈도우(130)를 웨이브 가이드(200) 등으로 연결함으로써 도파관 필터를 구현할 수 있다. 다단으로 연결된 캐비티(100a, 100b) 사이에서는 커플링 윈도우(130)를 통해 캐비티에서 다른 캐비티로 RF 신호가 커플링된다.
본 실시예에 따른 도파관 필터에 있어서, 서로 다른 크기를 갖는 캐비티에는 서로 다른 열팽창률을 갖는 재질의 튜닝볼트가 삽입된다. 도 2를 참조하여 설명하면, L1의 길이를 갖는 캐비티(100a)의 튜닝볼트(120a)는 L2의 길이를 갖는 튜닝볼트(120b)에 비하여 열팽창률이 큰 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 L1의 길이를 갖는 캐비티(100a)의 튜닝볼트(120a)는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄을 베이스로 한 합금으로 형성될 수 있으며, L2의 길이를 갖는 캐비티(100b)의 튜닝볼트(120b)는 철(Fe) 또는 철을 베이스로 한 합금으로 형성될 수 있다. 알루미늄(Al)은 철(Fe)보다 약 두 배 정도로 열팽창률이 크다. 즉, 크기 또는 길이가 상대적으로 크거나 긴 캐비티에는 열팽창률이 상대적으로 작은 재질로 형성된 튜닝볼트를 구비하고, 크기 또는 길이가 상대적으로 작거나 짧은 캐비티에는 열팽창률이 상대적으로 큰 재질로 형성된 튜닝볼트를 구비한다.
열팽창률 중 선팽창률은 단위 길이당 팽창한 길이의 비율로 정의될 수 있다. 따라서 도 1의 (b)의 경우와 같이 상대적으로 길이가 긴 L2의 길이를 갖는 캐비티는 상대적으로 길이가 작은 (a)의 캐비티(100a)에 비하여 열에 의하여 팽창하는 체적 또는 길이가 더 크게 되고, 고온에서의 주파수 특성의 변화량 또한 달라지게 된다. 고온에서 크기에 따라 각 캐비티의 금속 하우징에 따른 주파수 특성이 달라지더라도, 전체 캐비티의 주파수 특성의 변동을 최소화 하기 위해서는 서로 크기가 다른 캐비티에 열팽창률을 달리하는 튜닝볼트를 각각 적용함으로써 보상해 주어야 한다.
도 4 내지 도 5을 참조하여 본 실시예에 따른 도파관 필터의 주파수 특성 테스트 결과를 비교예에 따른 주파수 특성과 비교하여 설명한다. 도 4는 상온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이고, 도 5는 다른 길이의 캐비티에 동일한 튜닝볼트를 사용한 경우 고온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이며, 도 6은 다른 길이의 캐비티에 실시예에 따른 튜닝볼트를 사용한 경우 고온에서의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
주파수 특성은 3 가지의 경우로 나누어 측정하였다. 첫째 상온에서의 주파수 특성을 측정하였으며, 그 결과를 S파라미터를 이용하여 도 4에 나타냈다. 둘째로 비교예로서 캐비티의 크기나 길이에 관계없이 동일한 재질로 형성된 튜닝볼트를 이용하여 도파관 필터를 구현하여 고온에서 주파수 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 마지막으로 본 실시예에 따라 길이가 긴 캐비티에는 철(Fe)로 형성된 튜닝볼트를 이용하고, 길이가 짧은 캐비티에는 알루미늄(Al)으로 형성된 튜닝볼트를 이용하여 도파관 필터를 구현했다. 이러한 본 실시예에 따른 도파관 필터를 고온 상태에서 주파수 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
상온에서의 주파수 특성, 고온에서의 비교예에 따른 주파수 특성 및 고온에서의 본 실시예에 따른 주파수 특성을 정리하면 아래의 표 1과 같다.
<표 1>
Figure 112012023213783-pat00001
도 4를 참조하여 설명하면, 상온에서 입력포트에서의 입출력 특성, 즉 리턴 로스(return loss)를 의미하는 S11 파라미터는 주파수가 7.113GHz인 P1 지점에서 -31.82dB 값을 나타내고 있다. 상온에서의 입출력 특성은 비교예와 실시예에 큰 차이가 없다. 또한 도 5를 참조하여 설명하면, 비교예에 따른 도파관 필터의 경우 주파수가 7.113GHz인 P2 지점에서 리턴 로스는 -23.83dB 값을 나타내고 있다. 이에 비하여 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 도파관 필터의 경우 주파수가 7.113GHz인 P3 지점에서 리턴 로스는 -28.16dB 값을 나타내고 있다.
비교예에 따른 도파관 필터의 경우 상온에서의 리턴 로스에 비하여 7.99dB의 차이를 보이고 있으며, 반면, 본 실시예에 따른 도파관 필터의 경우 상온에서의 리턴 로스에 비하여 3.66dB의 차이를 보이고 있다. 즉, 크기가 다른 도파관 필터에 각각 동일한 튜닝 볼트를 적용한 경우에는 주파수 특성의 변화량이 상대적으로 큰 반면, 본 실시예에서와 같이 금속 하우징 자체의 열팽창에 의한 주파수 특성 변화량을 튜닝볼트를 이용하여 보상해 주는 경우 온도에 따른 전체 도파관 필터의 주파수 특성의 변화량을 최소화하는 효과가 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 도파관 필터로 구현될 수 있다.
100, 100a, 100b: 캐비티 110: 금속 하우징
115: 커버 120: 튜닝볼트
130: 커플링 윈도우 200: 웨이브 가이드

Claims (5)

  1. 다수의 캐비티를 구비하는 도파관 필터에 있어서,
    제1 튜닝 볼트가 삽입되는 제1 캐비티;
    상기 제1 캐비티와 다른 크기로 구비되고, 상기 제1 튜닝볼트와 다른 열팽창률을 갖는 재질로 형성되는 제2 튜닝볼트가 삽입되는 제2 캐비티:를 포함하는 도파관 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 캐비티는 상기 제1 캐비티보다 긴 길이로 형성되고, 상기 제2 튜닝볼트는 상기 제1 튜닝볼트보다 작은 열팽창률을 갖는 도파관 필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 튜닝볼트는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄을 베이스 합금으로 형성되고, 상기 제2 튜닝볼트는 철(Fe) 또는 철 베이스 합금으로 형성되는 도파관 필터.
  4. 사이즈에 따라 적어도 둘 이상의 그룹으로 나누어지는 다수의 캐비티; 및
    상기 각 캐비티에 삽입되는 튜닝볼트를 포함하되,
    상기 튜닝볼트들은 각 튜닝볼트가 삽입되는 캐비티의 그룹별로 서로 다른 열팽창률을 갖도록 형성되는 도파관 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 튜닝볼트들은 각 튜닝볼트가 삽입되는 캐비티 그룹의 캐비티 길이에 반비례하는 열팽창률을 갖도록 형성되는 도파관 필터.


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