KR101788823B1 - 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치 - Google Patents

기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치 Download PDF

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김동우
박종철
양승재
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조선대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 집적형 도파관 형태로 세 개의 공진모드를 갖는 필터를 구현할 수 있고, 가변 용량성의 소자를 이용하여 필터의 공진 주파수를 제어함으로써, 통과 주파수 대역을 제어할 수 있는 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치에 관한 것이다.

Description

기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치{Apparatus for triple-mode SIW tunable filter}
본 발명은 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 집적형 도파관 형태로 세 개의 공진모드를 갖는 필터를 구현할 수 있고, 가변 용량성의 소자를 이용하여 필터의 공진 주파수를 제어함으로써, 통과 주파수 대역을 제어할 수 있는 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치에 관한 것이다.
최근 이동통신 사업자가 여러 개의 이동 주파수 대역을 점유하고 필요에 따라 주파수 대역을 이동하면서 통신서비스를 제공하고 있다.
또한, 국내 및 국외를 이동하면서 서로 다른 사업자들의 통신서비스를 제공받을 경우 다양한 주파수 대역을 하나의 단말기에서 이용하고자 하는 수요가 증가하고 있다.
그러나 일반적으로, 마이크로스트립(Microstrip) 형태의 도파관은 전자파의 경로와 통과 주파수 대역이 고정되어 있으며, 기판에 패치 형태의 필터가 부착되어 구성되므로 기판 집적형 도파관이라고 한다.
한편, 서로 다른 주파수 대역의 전자파를 수신하기 위해서는 필터의 통과 주파수 대역을 가변할 수 있어야 하는데 이렇게 주파수 대역을 가변할 수 있는 필터를 튜너블 필터(tunable filter)라고 한다.
기존의 튜너블 필터는 주로 하나의 공진 모드로 튜닝되어 하나의 주파수 대역의 전자파만을 수신할 수 있는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 복수의 공진 모드로 동작하는 튜너블 필터를 개발하고자 하는 노력이 있으나 세 개의 공진모드로 가변할 수 있도록 튜닝할 경우 주파수에 따라 필터의 특성이 나빠지는 단점이 존재한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 한국등록특허 제10-1407727호, 군위성 단말기용 SIW 구조 및 적층형 구조를 갖는 소형 저손실 여파기
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 기판 집적형 도파관 형태로 세 개의 공진모드를 가져 필터의 주파수 대역을 제어할 수 있는 소형화된 튜너블 필터 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판 집적형 도파관(SIW:Substrate-Integrated Waveguide) 형태의 튜너블(tunable) 필터 장치로서, 그라운드 기판; 상기 그라운드 기판과 소정거리 이격되어 배치되는 필터 기판; 상기 그라운드 기판과 상기 필터 기판 사이에 배치되는 유전체 기판; 상기 필터 기판의 가장자리에 구비되고, 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 필터 기판과 상기 그라운드 기판을 서로 연결하는 복수 개의 제1 도통홀(via-hole); 상기 필터 기판의 중앙부에 구비되고, 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 금속 동판과 상기 그라운드 기판을 서로 연결하는 하나의 중앙 도통홀; 및 상기 중앙 도통홀과 상기 제1 도통홀 사이에 구비되며, 필터의 용량성을 가변하는 가변 커패시터 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 필터 기판은 원형의 금속 동판으로 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 도통홀들은 상기 필터 기판의 중심을 중심으로 방사상에 위치한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 필터 기판의 중앙 도통홀과 제1 도통홀들 사이에는 상기 필터 기판의 중심을 중심으로 방사상의 위치에 복수의 개구가 천공되어 있고, 상기 가변 커패시터 부재는 상기 개구에 각각 위치하며, 상기 가변 커패시터 부재:는, 하단은 상기 그라운드 기판에 연결되고, 상단은 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 개구의 중앙부에 상기 개구의 내측 가장자리와 접촉하지 않도록 위치하는 개구 도통홀; 및 상기 개구 도통홀의 상단과 상기 개구의 내측 가장자리를 서로 연결하는 가변 커패시터;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가변 커패시터는 상기 개구 도통홀을 중심으로 방사상에 위치하는 복수 개의 가변 커패시터로 구성되고, 각 가변 커패시터는 상기 개구 도통홀의 상단과 상기 개구의 내측 가장자리를 서로 연결한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 필터 기판의 일 측에는 신호를 입력받기 위한 입력 마이크로스트립 포트(Microstrip Port)가 구비되고 타 측에는 필터링된 신호를 출력하기 위한 출력 마이크로스트립 포트가 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 필터 기판의 반지름은 3.85mm이고, 상기 중앙 도통홀의 반지름은 0.8mm 이고, 상기 유전체 기판의 두께는 0.254mm이며, 유전율은 2.2이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 튜너블 필터 장치에 의하면 소형화된 기판 집적형 도파관 형태로 세 개의 공진모드를 갖는 튜너블 필터 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 튜너블 필터 장치에 의하면, 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변하며 각 공진모드에서 공진 주파수를 변화시킴으로써 서로 다른 대역의 신호를 필터링하여 출력할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 평면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제1 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제2 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제3 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치에서 커패시턴스 변화에 따라 통과 주파수의 변화를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 평면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 분해 사시도를 보여주는 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치(100)는 기판상에 마이크로스트립 형태의 필터가 부착된 소형화된 필터 장치로써, 기판 집적형 도파관 형태의 필터이다.
또한, 본 발명의 튜너블 필터 장치(100)는 그라운드 기판(110), 필터 기판(120), 유전체 기판(130), 제1 도통홀(140), 중앙 도통홀(150) 및 가변 커패시터 부재(160)을 포함하여 이루어진다.
상기 그라운드 기판(110)는 접지면을 형성하는 금속 기판이다.
또한, 상기 그라운드 기판(110)은 사각형의 기판으로 도시하였으나 원형일 수 있으며 형태에 특별한 제약은 없다.
또한, 상기 그라운드 기판(110)은 소정의 접지단에 접지된다.
상기 필터 기판(120)은 전자파 신호를 수신하는 기판으로 마이크로스트립 형태를 가지며 입력되는 전자파 신호 중, 소정의 주파수 대역의 신호를 필터링하여 출력한다.
또한, 상기 필터 기판(120)은 원형의 금속 동판으로 제작되며, 일 측에 신호수신을 위한 마이크로스트립 형태의 포트인 입력 마이크로스트립 포트(124, Microstrip port) 및 상기 입력 마이크로스트립 포트(124)와 대향하는 타 측에 구비되고, 필터링된 신호를 출력하는 출력 마이크로스트립 포트(125)가 형성된다.
또한, 도 3을 참조하면, 상기 필터 기판(120)의 가장자리에는 가장자리를 따라 서로 이격된 복수 개의 제1 개구(121)가 타공되고, 상기 필터 기판(120)의 중앙에는 하나의 제2 개구(122)가 타공되며, 상기 제2 개구(122)와 상기 제2 개구들(121) 사이에는 제3 개구(123)가 타공된다.
또한, 상기 제3 개구(123)는 서로 이격되어 복수 개로 타공되며, 상기 제2 개구(122)의 중심(c)을 중심으로 방사상에 위치한다.
또한, 상기 제3 개구들(123)은 여덟 개의 개구가 타공된 것으로 도시하였으나 상기 중심(c)을 지나는 수평선상에 두 개, 수직선상에 두 개로 최소 네 개 이상의 개수로 형성되면 충분하다.
다만, 상기 제3 개구들(123)은 상기 제2 개구(122)의 중심(c)을 지나는 수평선과 수직선에 대해 각각 선대칭되도록 타공되어야 한다.
또한, 상기 제1 개구들(121) 역시 상기 제2 개구(122)의 중심(c)을 지나는 수평선과 수직선에 대해 각각 선대칭되도록 타공된다.
상기 유전체 기판(130)은 상기 그라운드 기판(110)과 상기 필터 기판(120) 사이에 적층되며 필터 장치가 소정의 유전율을 갖게 한다.
또한, 상기 유전체 기판(130)은 필요에 따라 복수 층으로 적층될 수 있다.
또한, 상기 유전체 기판(130)에는 상기 필터 기판(120)의 제1 개구(121)와 대응하는 위치에 제1 유전체 개구(131)가 타공되고, 상기 필터 기판(120)의 제2 개구(122)와 대응하는 위치에 제2 유전체 개구(132)가 타공되며, 상기 필터 기판(120)의 제3 개구(123)와 대응하는 위치에 제3 유전체 개구(133)가 타공된다.
상기 제1 도통홀(140)은 상기 필터 기판(120)의 제1 개구(121)와 상기 유전체 기판(130)의 제1 유전체 개구(131)를 관통하여 삽입되고, 하단은 상기 그라운드 기판(110)에 연결되고, 상단은 상기 제1 개구(121)의 내측 가장자리에 연결된다.
즉, 상기 제1 도통홀(140)은 상기 필터 기판(120)과 상기 그라운드 기판(110)을 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
또한, 상기 제1 도통홀(140)과 같은 전기적 매개체를 일반적으로 비아 홀(Via-hole)이라고 하며, 이 비아 홀은 별도의 부품을 삽입하지 않고 다른 층간의 전기적 접속을 위해 사용되는 도금 홀이다.
또한, 상기 제1 도통홀(140)은 원통의 관 형상을 갖는다.
또한, 상기 제1 도통홀(140)은 상기 필터 기판(120)의 제1 개구들(121) 각각에 삽입되는데, 상기 제1 도통홀(140)들은 상기 필터 기판(120)의 자기장 분포에 대한 자기 벽(magnetic wall)을 형성하는 역할을 한다
상기 중앙 도통홀(150)은 상기 필터 기판(120)의 제2 개구(122)와 상기 유전체 기판(130)의 제2 유전체 개구(132)를 관통하여 삽입되고, 하단은 상기 그라운드 기판(110)에 연결되고, 상단은 상기 제2 개구(121)의 내측 가장자리에 연결된다.
또한, 상기 중앙 도통홀(150)은 상기 필터 기판(120)의 중앙부에 전계가 발생되지 않게 하여 3중모드의 공진을 발생시키는 역할을 하며, 직경에 따라 공진 주파수가 변화된다.
상기 가변 커패시터 부재(160)는 상기 필터 기판(120)의 제3 개구(123)와 상기 유전체 기판(130)의 제3 유전체 개구(132)를 관통하여 삽입되며, 필터의 용량성을 가변하여 공진 주파수를 낮출 수 있는 역할을 한다.
또한, 상기 가변 커패시터 부재(160)는 개구 도통홀(161) 및 가변 커패시터(162)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 개구 도통홀(161)의 직경은 상기 제3 개구(123)의 직경보다 작다.
또한, 상기 개구 도통홀(161)의 하단은 상기 그라운드 기판(110)에 연결되고, 상단은 상기 제3 개구(123)의 내측 가장자리와 서로 이격되어, 상기 제3 개구(123)의 중앙부분에 위치한다.
즉, 상기 개구 도통홀(161)은 상기 그라운드 기판(110)과는 직접 연결되지만 상기 필터 기판(120)과는 직접 연결되지 않는다.
또한, 상기 가변 커패시터(162)는 상기 개구 도통홀(161)과 상기 필터 기판(120)을 서로 연결하는 역할을 하며, 커퍼시턴스를 가변할 수 있다.
또한, 상기 가변 커패시터(162)의 일단(162a)는 상기 개구 도통홀(161)의 상단에 연결되고, 타단(162b)은 상기 제3 개구(123)의 내측 가장자리에 연결된다.
즉, 상기 가변 커패시터(162)는 상기 개구 도통홀(161)이 간접적으로 상기 필터 기판(120)에 연결되게 하며, 커패시턴스를 가변하며 필터의 용량성을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 가변 커패시터(162)는 복수의 가변 커패시터들(162)로 이루어질 수 있고, 상기 가변 커패시터들(162)은 상기 개구 도통홀(161)을 중심으로 방사상으로 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 하나의 개구 도통홀(161)에 네 개의 가변 커패시터가 구비되는 것으로 도시하였으나 그 개수에 특별한 제약은 없다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제1 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면으로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 튜너블 필터 장치(100)의 첫 번째 공진모드는 상기 중앙 도통홀(150)에 의해 상기 필터 기판(120)의 중앙부에는 전계가 형성되지 않음을 알 수 있고, 상기 개구 도통홀(161)들을 따라 원형의 전계가 형성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제2 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면으로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 튜너블 필터 장치(200)의 두 번째 공진모드는 상기 중앙 도통홀(150)의 중심(c)을 지나는 수평선을 기준으로 위아래로 전계가 분리되어 형성되며, 수직방향으로는 전계가 없는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치의 제3 공진모드의 전계 분포를 시뮬레이션한 도면으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 튜너블 필터 장치(100)의 세 번째 공진모드는 상기 중앙 도통홀(150)의 중심(c)을 지나는 수직선을 기준으로 좌우에 전계가 분리되어 강하게 형성되는 것을 알 수 있으며 수평방향으로는 전계가 형성되지 않는다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜너블 필터 장치에서 커패시턴스 변화에 따라 통과 주파수의 변화를 보여주는 도면이다.
도 7의 실험 결과에 이용된 튜너블 필터 장치는 필터 기판(120)의 반지름(r1)이 3.85mm, 중앙 도통홀의 반지름(r2)은 0.8mm, 유전체 기판(130)의 두께(t)는 0.254mm, 유전율이 2.2인 필터 장치를 대상으로 하였다.
도 7을 참조하면, 상기 가변 커패시터(162)의 커패시턴스가 1[pF]일 경우 제1 공진모드(mode1)의 공진주파수는 12.78[GHz]이고, 제2 공진모드(mode2)의 공진주파수는 13.5[GHz]이며, 제3 공진모드(mode3)의 공진주파수는 13.5[GHz]로 나타났으며, 상기 가변 커패시터(162)의 커패시턴스를 증가시킬수록 필터의 용량성은 커져 각 모드에서 공진주파수는 하향 이동하는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:튜너블 필터 장치 110:그라운드 기판
120:필터 기판 121:제1 개구
122:제2 개구 123:제3 개구
124:입력 마이크로스트립 포트 125:출력 마이크로스트립 포트
130:유전체 기판 131:제1 유전체 개구
132:제2 유전체 개구 133:제3 유전체 개구
140:제1 도통홀 150:중앙 도통홀
160:가변 커패시터 부재 161:개구 도통홀
162:가변 커패시터

Claims (7)

  1. 기판 집적형 도파관(SIW:Substrate-Integrated Waveguide) 형태의 튜너블(tunable) 필터 장치로서,
    그라운드 기판;
    상기 그라운드 기판과 소정거리 이격되어 배치되는 필터 기판;
    상기 그라운드 기판과 상기 필터 기판 사이에 배치되는 유전체 기판;
    상기 필터 기판의 가장자리에 구비되고, 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 필터 기판과 상기 그라운드 기판을 서로 연결하는 복수 개의 제1 도통홀(via-hole);
    상기 필터 기판의 중앙부에 구비되고, 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 필터 기판과 상기 그라운드 기판을 서로 연결하는 하나의 중앙 도통홀; 및
    상기 중앙 도통홀과 상기 제1 도통홀 사이에 구비되며, 필터의 용량성을 가변하는 가변 커패시터 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 기판은 원형의 금속 동판인 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 도통홀들은 상기 필터 기판의 중심을 중심으로 방사상에 위치하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 기판의 중앙 도통홀과 제1 도통홀들 사이에는 상기 필터 기판의 중심을 중심으로 방사상의 위치에 복수의 개구가 천공되어 있고,
    상기 가변 커패시터 부재는 상기 개구에 각각 위치하며,
    상기 가변 커패시터 부재:는,
    하단은 상기 그라운드 기판에 연결되고, 상단은 상기 유전체 기판을 관통하여 상기 개구의 중앙부에 상기 개구의 내측 가장자리와 접촉하지 않도록 위치하는 개구 도통홀; 및
    상기 개구 도통홀의 상단과 상기 개구의 내측 가장자리를 서로 연결하는 가변 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 상기 개구 도통홀을 중심으로 방사상에 위치하는 복수 개의 가변 커패시터로 구성되고, 각 가변 커패시터는 상기 개구 도통홀의 상단과 상기 개구의 내측 가장자리를 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 필터 기판의 일 측에는 신호를 입력받기 위한 입력 마이크로스트립 포트(Microstrip Port)가 구비되고 타 측에는 필터링된 신호를 출력하기 위한 출력 마이크로스트립 포트가 구비되는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 필터 기판의 반지름은 3.85mm이고, 상기 중앙 도통홀의 반지름은 0.8mm 이고, 상기 유전체 기판의 두께는 0.254mm이며, 유전율은 2.2인 것을 특징으로 하는 튜너블 필터 장치.


KR1020160072518A 2016-06-10 2016-06-10 기판 집적형 도파관 형태의 3중모드 튜너블 필터 장치 KR101788823B1 (ko)

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