KR101397544B1

KR101397544B1 - 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터

Info

Publication number: KR101397544B1
Application number: KR1020120080417A
Authority: KR
Inventors: 김정회; 정대수
Original assignee: 주식회사 케이엠더블유
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR20140013451A

Abstract

본 발명은 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터에 있어서; 캐비티를 형성하는 커버 및 하우징과; 커버 및 하우징에 의해 형성되는 캐비티 내부에 설치되는 공진봉과; 캐비티 내부에서 커버의 하부면에 설치되며, 커버의 재질보다 열팽창계수가 다른 재질로서 미리 설정된 길이를 가지도록 설계되며, 양단이 커버의 하부면에 고정되는 방식으로 설치되는 온도 보상판을 포함한다.

Description

온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터{CAVITY FILTER　WITH THERMAL COMPENSATING DEVICE}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 사용되는 고주파(RF: Radio Frequency) 필터에 관한 것으로, 특히 캐비티 구조를 가진 RF 필터(캐비티 필터)의 온도 보상 장치에 관한 것이다.

캐비티 구조를 가진 RF 필터는 도체로 둘러싸인 금속성 원통 또는 직육면체 등의 수용공간(cavity)을 형성하며 그 내부에서 DR(Dielectric Resonator) 또는 금속성 공진봉으로 구성된 공진기를 구비시켜, 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써, 초고주파의 공진이 가능하게 하는 구조를 가진다. 이와 같은 캐비티 구조를 가진 RF 필터는 삽입손실이 적고 고출력에 유리하기 때문에 이동통신 기지국 및 중계기, 방송용 중계기, 위성통신 시스템 등 거의 모든 송수신 통신장비에 적용되며, 이때 듀플렉서(duplexer), 대역통과(bandpass) 필터용으로도 채용되고 있으며, 요구되는 필터링 특성에 따라 다양한 형태 및 구조가 개발되고 있다.

이러한 캐비티 필터의 기술로는 국내 선출원된 특허 출원번호 제2002-84938호(명칭: 고 유전율 및 높은 선택도 값을 갖는 유전체를 구비하는 무선 주파수 필터, 출원인: 주식회사 케이엠더블유, 발명자: 박종규 외, 출원일: 2002년 12월 27일) 및 특허 출원번호 제2002-52351호(명칭: 스프링 너트를 구비하는 무선 주파수 필터, 출원인: 주식회사 케이엠더블유, 발명자: 박종규 외, 출원일: 2002년 8월 31일) 등을 예로 들 수 있다.

캐비티 필터는 통상 하우징 내의 공간을 다수의 수용공간으로 분할하고, 분할된 각각의 수용공간에 DR 또는 금속성 공진봉의 공진기를 설치하고, 해당 공진기에 대응되는 위치에 설치되는 튜닝 조정나사를 구비하는 커버로 하우징을 밀폐시킨 구조를 가진다. 이러한 구성의 캐비티 필터는 각 구성요소들 간의 상호 작용에 의해 유도성, 용량성 결합이 이루어져 특정 주파수 대역의 신호를 전달하게 된다. 이때 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 거리 등을 정밀히 조정하여 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 커패시턴스 값을 조정함으로써, 정밀한 주파수 튜닝을 실시하게 된다.

그런데, 캐비티 필터가 사용되는 안테나 장치 등에서의 사용 환경은 통상 항온, 고온 상태이며, 안테나 장치의 주변 다른 부품(예를 들어, 증폭기)에 의한 발열로 인한 영향을 받게 된다. 특히, 캐비티 필터가 고 전력의 송신 필터로 사용시에는 삽입손실에 의해 상당한 양의 열이 발생하게 된다. 주변 온도가 변화하는 경우, 캐비티 필터의 수용공간, 공진기, 튜닝 조정나사 등이 열 수축과 팽창을 일으키게 된다. 이에 따라, 상기 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 커패시턴스 값을 조정하여 원하는 주파수에 공진이 일어나도록 하는 캐비티 필터 구조에 있어서, 각 구성요소들의 간격 변화에 의한 커패시턴스 값 및 공진기의 길이 변화에 의한 인덕턴스 값의 변화에 따라 필터의 고유 특성이 변화되면서 동작 장애가 발생한다. 특히, 금속성 공진봉을 이용한 공진기 구조에서 이러한 문제점은 더욱 크게 작용한다.

따라서 종래의 캐비티 필터의 공진기 구조에, 특히 금속성 공진봉을 이용하는 구조에서는, 근본적으로 열팽창률이 매우 작은 인바(Invar) 등의 소재를 사용하여 공진봉을 이용하는 등, 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화하기 위한 다양한 방안이 연구 및 채용되고 있다. 그러나, 캐비티 필터의 공진봉에 적용하는 재질의 유한성(가격, 열팽창계수)으로 인해 RF 필터의 온도 보상에 어려움이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 온도 변화에 따른 필터링 특성 변화를 안정적으로 보상함과 아울러, 비교적 저비용으로 제작 가능하며, 공진봉의 설계를 보다 자유롭게 할 수 있도록 하기 위한 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터에 있어서; 캐비티를 형성하는 커버 및 하우징과; 상기 커버 및 하우징에 의해 형성되는 캐비티 내부에 설치되는 공진봉과; 상기 캐비티 내부에서 상기 커버의 하부면에 설치되며, 상기 커버의 재질보다 열팽창계수가 다른 재질로서 미리 설정된 길이를 가지도록 설계되며, 양단이 상기 커버의 하부면에 고정되는 방식으로 설치되는 온도 보상판을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터는 종래의 인바 등의 재질의 공진봉을 사용하지 않으면서도 온도 변화에 따른 필터링 특성 변화를 안정적으로 보상함과 아울러, 비교적 저비용으로 제작이 가능할 수 있다. 더욱이 본 발명을 적용할 경우에, 통상 알루미늄 재질의 필터 하우징 제작시에 공진봉을 일체형으로 제작할 수 있는 등, 공진봉의 설계를 보다 자유롭게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터의 일부 분해 사시도
도 2는 도 1 중 커버의 하부 평면도
도 3a, 도 3b는 도 1 중 커버에 설치되는 온도 보상 장치를 나타낸 커버의 측면도
도 4는 도 1 중 온도 보상판의 구조도
도 5는 도 1 중 A-A' 부분의 절단면도
도 6은 도 1의 온도 보상판의 온도 변화에 따른 주요 변화 요소들을 나타낸 모식도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부 도면들에서는 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 동일한 참조번호를 부여하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터의 일부 분해 사시도로서, 통상 캐비티 필터는 다수(다단)의 캐비티를 가지지만 설명의 편의를 위해 하나의 캐비티를 가진 구조를 도시하였다. 도 2는 도 1 중 커버의 하부 평면도이며, 도 3a, 도 3b는 도 1 중 커버에 설치되는 온도 보상 장치를 나타낸 커버의 측면도로서, 도 3a는 초기 상태, 도 3b는 고온 상태를 나타낸다. 도 4는 도 1 중 온도 보상판의 구조도이며, 도 5는 도 1 중 A-A' 부분의 절단면도로서, 캐비티 필터의 온도 변화에 따른 주요 변화 요소들을 나타낸다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터는 종래와 마찬가지로, 통상 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성되는 커버(2) 및 하우징(1)에 의해 형성되는 캐비티 내부에, 마찬가지로 알루미늄이나 철 등의 재질로 구성될 수 있는 막대 형태의 공진봉(3)이 구비된다. 이때 공진봉(30)의 상부의 대응 위치에는 튜닝 조정나사(4)가 커버(2)의 나사홀에 체결되는 구조로 설치된다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해, 하나의 캐비티를 가지는 필터 구조가 도시되고 있으나, 통상 캐비티 필터는 이외에도 다수의 캐비티가 연결된 다단 구조를 가질 수 있다. 이 경우에, 각 캐비티들은 커플링 창이 형성된 다수의 격막(미도시)으로 구분될 수 있으며, 각 커플링 창에 대응하는 위치의 커버(2)에는 각각 커플링 조정나사(미도시)가 구비될 수 있다.

상기한 구성에서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 온도 보상판(10)이 커버(2)의 하부면에 설치된다. 온도 보상판(10)은 커버(2)의 재질보다 열팽창계수가 낮은 금속 재질로서, 미리 설정된 두께 및 길이로 설계된다. 본 실시예에서 커버(2)가 알루미늄 재질로 구성될 경우에, 온도 보상판(10)은 알루미늄 재질보다 열팽창계수가 낮은 금속 재질로서, 예를 들어, 구리 또는 철 등의 재질로 구성될 수 있다.

온도 보상판(10)은 서로 대응되는 양단이 커버(2)의 하부면에 고정되는 방식으로 설치되는데, 본 실시예에서는 온도 보상판(10)의 양단에는 각각 관통 홀(12)이 형성되며, 두 개의 체결 나사(20)가 상기 온도 보상판(10)의 양단에 형성된 두 개의 관통 홀(12)을 통해 커버(2)의 하면의 적소에 형성된 두 개의 나사홈(또는 나사홀)(22)에 체결되는 구조를 가짐으로써, 온도 보상판(10)이 커버(2)의 하부면에 고정된다.

한편, 캐비티를 형성하는 하우징(1)의 내부면 및 커버(2)의 하부면에는 통상 은 또는 구리 도금이 수행되는데, 상기 체결 나사(20)에도 마찬가지로 미리 은 또는 구리 도금에 의한 금속 피막을 형성하여 PIMD(Passive Intermodulation Distortion) 특성이 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 온도 보상판(10)은 나사 체결을 통한 고정 방식외에도, 양단이 용접, 납땜 등과 같은 방식으로 커버(2)의 하부면에 장착될 수도 있다.

상기한 바와 같은 구조를 가지는 온도 보상판(10)은 커버(2)와는 다른 열팽창계수를 가짐으로써, 양단이 커버(2)에 고정된 상태에서 온도 변화에 따른 커버(2)의 열팽창계수에 대응된 변형에 따라, 온도 보상판(10)은 하부 방향, 즉 공진봉(3) 방향으로 중심부가 돌출되게 휘어지도록 구성되는 것으로서, 휘어지는 정도에 따라 공진봉(3)과의 거리가 변화되어 온도 보상 역할을 수행하게 된다. 즉, 도 5에 도시된 바를 참조하면, 캐비티 필터의 온도 변화에 따른 주요 변화 요소들은 캐비티 필터 내부의 캐비티 폭(b) 및 높이(H), 공진봉(3)의 직경(a) 및 길이(L), 튜닝 조정나사(4)와 공진봉(3)과의 거리(d1), 커버(2)와 공진봉(3)과의 거리(d2) 등으로 구분할 수 있는데, 본 발명에서는 온도 보상판(10)을 이용하여 결과적으로 커버(2)와 공진봉(3)과의 거리(d2)를 가변시킴으로써, 온도 보상 동작을 수행하게 된다.

이러한 온도 보상판(10)의 형태, 크기, 재질과 더불어, 온도 보상 범위에 따른 휨각, 설치 위치 등은 미리 적절히 설계되는데, 예를 들어, 온도 보상판(10)의 재질은 아래 표 1과 같이, 다양한 금속 재질 중에서 커버(2)의 재질에 따른 열팽창계수보다 낮은 재질로 적절히 설정된다.

재료	선팽창계수 α( cm /℃· cm )
알루미늄(Al)	2.39x10^-5
황동(Bs)	1.84x10^-5
구리(Cu)	1.65x10^-5
철(Fe)	1.17x10^-5
인바(Invar)	0.14x10^-5
알루미나(Alumina)	0.77x10^-5

상기 표 1에서는 여러 재질의 열팽창계수(선팽창계수)의 예를 보이고 있다.

또한, 도 4에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 온도 보상판(10)은 예를 들어, 30mm의 온도 변화시 가변되는 대상 길이를 갖는 두께 0.2mm의 구리 또는 철 재질의 금속 판으로 구성될 수 있다. 온도 보상판(10)의 길이가 길수록, 또한 공진봉(3)과의 거리가 가까울수록 온도 변화에 따른 보상 특성 변화량이 많아진다.

한편, 이 경우에 캐비티 필터 내부의 캐비티 사이즈는 도 5에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 폭(b) 46mm 높이(H) 31mm로 설계될 수 있으며, 공진봉(3)의 직경(a)은 16mm 길이(L)는 26mm로 설계될 수 있다. 또한 이 경우에 온도 보상판(10)은 캐비티의 평면상 중심부(즉, 튜닝 나사와 공진봉의 중심 위치)에서 10mm 이격된 거리에서 커버(2)의 하부면에 설치될 수 있다.

도 6은 도 1의 온도 보상판의 온도 변화에 따른 주요 변화 요소들을 나타낸 모식도로서, 도 6에서 두 직각 삼각형의 밑변의 합(x1+x1')은 온도 보상판(10)이 초기 상태에서 초기 길이에 해당하며, 두 직각 삼각형의 빗변의 합(x2+x2')은 온도 보상판(10)이 온도 변화에 따라 휘어졌을 경우에 길이에 해당하며, 두 직각 삼각형의 공통의 높이(y)는 온도 보상판(10)이 휘어졌을 경우의 높이에 해당한다. 실질적으로 온도 보상판(10)은 전체적으로 아치 형태로 휘어지게 되나, 계산상의 편의를 위해 삼각형 행태로 대략적으로 근사하였다.

예를 들어, 기판(2)의 재질이 알루미늄(Al)이며, 온도 보상판(10)의 재질은 구리(Cu)로 구현하며, 온도 보상판(10)의 길이가 30mm이며, 상온(25℃)에서부터 -50℃로 온도가 75℃ 변하였을 경우를 가정하면, 기판(2) 및 온도 보상판(10)의 길이 변화량은 다음과 같다.

[커버(2)의 길이 변화량]

30/2(x1길이) * 75℃(온도변화) * 2.39 * 10^-5(Al 열팽창계수) = 0.0268mm

[온도 보상판(10)의 길이 변화량]

30/2(x2길이) * 75℃(온도변화) * 1.65 * 10^-5(Cu 열팽창계수) = 0.0182mm

따라서, 도 6에 도시된 삼각형에서 밑변 x1와 빗변 x2의 길이는 다음과 같다.

x1 = 15.000mm - 0.0268mm = 14.9732mm

x2 = 15.000mm - 0.0182mm = 14.9818mm

따라서 삼각형의 높이 y는 제곱근의 공식에 의해 약 0.507mm이며, 이는 온도 보상판(10)이 커버(2)의 하부면에서 약 0.51mm 가량 휘어지게 됨을 계산할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터가 구성될 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기의 설명에서는 공진봉(3)이 금속 재질의 공진봉으로 구현되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이외에도 DR 공진봉을 가지는 캐비티 필터에도 적용 가능하다. 또한, 상기 공진봉(3)은 캐비티 필터의 하우징과는 다른 재질로 구성되어 하우징의 바닥면에 설치될 수도 있으나, 캐비티 필터의 하우징과 동일 재질로서 하우징과 일체형으로 구성될 수도 있다.

Claims

온도 보상 장치를 구비한 캐비티 필터에 있어서,
캐비티를 형성하는 커버 및 하우징과;
상기 커버 및 하우징에 의해 형성되는 캐비티 내부에 설치되는 공진봉과;
상기 캐비티 내부에서 상기 커버의 하부면에 설치되며, 상기 커버의 재질보다 열팽창계수가 다른 재질로서 미리 설정된 길이를 가지도록 설계되며, 양단이 상기 커버의 하부면에 고정되는 방식으로 설치되는 온도 보상판을 포함하며;
상기 온도 보상판의 양단은 체결 나사를 이용한 나사 체결 방식에 의해 상기 커버의 하부면에 고정되며;
상기 온도 보상판은 판 형태로 구성되며, 상기 양단이 커버에 고정된 상태에서 온도 변화에 따른 상기 커버 변형에 따라, 상기 공진봉 방향으로 중심부가 휘어지도록 구성되며;
상기 온도 보상판은 상기 캐비티의 평면상 중심부와 미리 설정된 이격 거리를 두고 상기 커버의 하부면에 설치됨을 특징으로 하는 캐비티 필터.
삭제
제1항에 있어서, 상기 체결 나사에는 은 또는 구리 도금에 의한 금속 피막이 형성됨을 특징으로 하는 캐비티 필터.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 커버는 알루미늄 재질이며, 상기 온도 보상판은 구리 또는 철 재질임을 특징으로 하는 캐비티 필터.
삭제