KR101919456B1 - 일체형 유전체 세라믹 도파관 듀플렉서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일체형 유전체 세라믹 도파관 듀플렉서에 관한 것으로, 유전체 도파관 듀플렉서는, 하나 이상의 단위 유전체 블록을 포함하며 중앙에 안테나단을 구비하는 일체 형성된 안테나측 유전체 조립체, 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 송신단(Tx)을 구비하는 일체 형성된 송신측 유전체 조립체, 및 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 수신단(Rx)을 구비하는 일체 형성된 수신측 유전체 조립체를 포함하되, 안테나측 유전체 조립체는, 송신측 유전체 조립체 및 수신측 유전체 조립체와 접하지 않는 양 측면에 슬롯(slot)이 형성되고, 슬롯 양측에 쇼트 렝스(short length)가 형성되며, 쇼트 렝스는, 송신단에서는 수신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되고, 수신단에서는 송신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되는 길이로 형성된다.
Description
본 발명은 유전체 공진기에 관한 것으로, 한 개의 안테나를 이용하여 송신주파수와 수신주파수를 분리할 수 있는 너치가 형성된 유전체 도파관듀플렉서에 관한 것이다.
무선 이동 통신 서비스가 대중화됨에 따라 무선 중계 장치에 대한 수요가 증대하고 있으며, 특히 소형/경량화된 중계 장치에 대한 요구가 급증하고 있다. 유전체 공진기(dielectric resonator)는 유전체 공진 특성을 가진 전자 소자로서, 통신 장비 및 기지국과 중계기와 같은 RF(radio frequency) 장치의 부품으로서 널리 이용되고 있다. 정보 통신 기술이 비약적으로 발전하면서 다양한 주파수 대역을 활용한 휴대용 장비가 증가 추세에 있다. 이러한 추세에 따라 소형화와 높은 파워에서도 동작이 가능하며, 주파수의 온도 안정성이 높은 필터에 대한 수요가 증가하고 있다.
유전체 공진기 또는 유전체 세라믹 필터는 이러한 요구에 매우 적합하기 때문에 RF 장치의 부품으로서 널리 이용되고 있다. 유전체 공진기는 일반적인 LC 회로를 이용한 필터에 비해 고주파에서도 공진 특성이 우수하고, 주파수의 온도 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 동작파워를 견딜 수 있다는 장점이 있다. 특히 고주파 대역의 광역통신 시스템에 대한 수요가 급증하면서, 높은 파워에서도 동작이 가능하고 주파수의 온도 안정성이 높은 소형의 듀플렉서(Duplexer)가 요구되고 있다.
일반적으로 사용되는 유전체 듀플렉서는 가장 간단한 TEM 모드를 사용하기 때문에 품질계수 Q가 낮고 삽입특성이 떨어진다. 또한, 고출력에 견디기 어려워 1W 이하의 저 전력용에 한정되어 사용되며 방사손실이 큰 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 유전체 세라믹 듀플렉서가 등장하였으나, 유전체 세라믹 듀플렉서의 중앙단면 및 양단면에서 전극과 마이크로스트립 라인 사이로 필드(field)의 방사가 있기 때문에 여전히 듀플렉서의 삽입 특성 및 감쇄 특성이 현저히 떨어지는 문제점이 남아있다. 또한 입출력 신호의 크기가 커질 경우 예컨대 전극이 유전체 듀플렉서로부터 떨어지는 등 손상이 발생하기 쉽다.
이러한 환경 하에서, 시장의 흐름은 고 전력용의 무게가 작고 삽입 및 감쇄 특성이 유지되는 유전체 듀플렉서를 요구하는 방향으로 나아가고 있다.
MICROWAVE AND RF DESIGN OF WIRELESS SYSTEMS, David M. Pozar, Wiley. 2004.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 방사손실을 줄여 주파수특성을 향상시키고 비대칭 너치기술을 적용하여 최소의 공진기로 원하는 주파수대역(Rx, Tx) 만을 감쇄하므로 매우 우수한 주파수특성을 가지는 일체형 유전체 도파관 듀플렉서를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서는, 하나 이상의 단위 유전체 블록을 포함하며 중앙에 안테나단을 구비하는 일체 형성된 안테나측 유전체 조립체; 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 송신단(Tx)을 구비하는 일체 형성된 송신측 유전체 조립체; 및 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 수신단(Rx)을 구비하는 일체 형성된 수신측 유전체 조립체;를 포함하되, 상기 안테나측 유전체 조립체는, 상기 송신측 유전체 조립체 및 상기 수신측 유전체 조립체와 접하지 않는 양 측면에 슬롯(slot)이 형성되고, 상기 슬롯 양측에 쇼트 렝스(short length)가 형성되며, 상기 쇼트 렝스는, 상기 송신단에서는 상기 수신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되고, 상기 수신단에서는 상기 송신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되는 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 쇼트 렝스는, 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯보다 돌출되는 형태로 형성되고, 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯으로부터 상기 안테나측 유전체 조립체가 상기 송신측 유전체 조립체 또는 수신측 유전체 조립체와 연결되는 방향으로 소정의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 안테나측 유전체 조립체는, 입출력 포트 단의 홀이 상단에서 하단까지 개방된 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 안테나측 유전체 조립체 입출력 포트 단의 홀이 개방된 형태로 인한 전기적 단락이 발생하지 않도록 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯, 쇼트 렝스, 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 송신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴, 및 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 수신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴의 스펙이 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 송신측 유전체 조립체 및 상기 수신측 유전체 조립체는, 일체 형성된 유전체 블록의 내측으로 각각의 단위 유전체 블록을 구분하는 구분벽을 형성하되, 상기 구분벽에는 커플링 패턴이 형성됨으로써 순차적으로 형성된 단위 유전체 블록을 따라 상기 전자기파를 연속적으로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 안테나측 유전체 조립체, 상기 송신측 유전체 조립체 및 수신측 유전체 조립체는, 내측으로 유전 물질이 충진되고 외측으로 도전 코팅층이 형성된 각 면이 사각형인 구형 도파관(rectangular waveguide)일 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 안테나측 유전체 조립체, 상기 송신측 유전체 조립체 및 상기 수신측 유전체 조립체를 각각 구성하는 단위 유전체 블록의 개수는 상기 전자기파의 공진 주파수 특성을 고려하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 송신측 유전체 조립체는 2단 이상으로 형성되며, 상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 커플링된 유전체 블록 사이에 인접한 단위 유전체 블록의 개수는 홀수로 구비됨으로써 상기 너치를 통해 비대칭 형태의 주파수 대역 감쇄가 유도될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록은 전달하는 전자기파의 방향이 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 유전체 도파관 듀플렉서에서, 상기 수신측 유전체 조립체는 2단 이상으로 형성되며, 상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 상기 유전체 도파관 듀플렉서를 포함하는 통신 중계 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 안테나단을 중심으로 접합한 수신단 필터와 송신단 필터의 초단을 슬롯형태와 패턴으로 구성하여 임피던스 매칭과 함께 수신단 필터와 송신단 필터의 초단부분까지 한 개의 일체형 블록으로 형성하고 나머지 수신단 필터와 송신단 필터 부분을 각각 하나의 블록으로 형성하여 기존의 단점을 보완하였고 생산효율성도 크게 향상된다. 또한 수신단 필터 및 송신단 필터와 접하는 부분의 일체형 블록들의 한 공진면에 패턴으로 커플링 창과 수신단 필터와 송신단 필터에 비대칭 너치기능을 가지는 창을 만들어 감쇄효과를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 유전체 도파관 듀플렉서에서 전자기파가 전달되는 경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나측 유전체 조립체를 도시한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나측 유전체 조립체에 형성된 안테나단 및 홀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신측 유전체 조립체의 비대칭 너치 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일반적인 교차결합 공진기 필터의 등가 회로이고, 도 7은 비대칭 CT 필터의 결합구조이다.
도 8a는 비대칭 너치를 가지는 수신측 유전체 조립체로 형성되는 유전체 세라믹 도파관 필터의 특성이고, 도 8b는 송신측 유전체 조립체로 형성되는 유전체 세라믹 도파관 필터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서의 주파수 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 도 10a 내지 도 10d는 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 유전체 도파관 듀플렉서에서 전자기파가 전달되는 경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나측 유전체 조립체를 도시한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나측 유전체 조립체에 형성된 안테나단 및 홀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신측 유전체 조립체의 비대칭 너치 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일반적인 교차결합 공진기 필터의 등가 회로이고, 도 7은 비대칭 CT 필터의 결합구조이다.
도 8a는 비대칭 너치를 가지는 수신측 유전체 조립체로 형성되는 유전체 세라믹 도파관 필터의 특성이고, 도 8b는 송신측 유전체 조립체로 형성되는 유전체 세라믹 도파관 필터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서의 주파수 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 도 10a 내지 도 10d는 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 종래의 유전체 공진기 기술 분야에서 활용되고 있는 도파관의 특성과 문제점을 검토한 후, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 개괄적으로 소개하도록 한다.
현재 사용되고 있는 무선통신용 시스템은 700MHz 대역의 LTE 에서부터 수십 ㎓ 의 인공위성용까지 다양한 범위에서 사용되고 있다. 특히 통신 서비스업체에서 많이 사용하고 있는 2GHz 대역 이하의 상대적으로 낮은 주파수 대역에서는 파워 및 주파수 특성 때문에 금속의 캐비티(Cavity) 듀플렉서를 사용하고 있으나 크기가 매우 크고 무게가 너무 무거워 상대적으로 작고 가벼우며 비용 측면에서도 저렴한 유전체 듀플렉서를 사용하려는 추세이다.
무선통신 시스템에서 다양한 주파수를 사용하여 다양한 서비스를 하고 있다는 것은 상호 간의 주파수 간섭을 최소화하면서 원하는 주파수만 선별적으로 선택한다는 것을 의미한다. 이를 위하여 1개의 안테나를 사용하여 송수신의 쌍방향 통신이 가능한 듀플렉서가 사용되는데 무엇보다도 크기와 가격이 우선시되고 있으며 현재는 이와 함께 서비스 업체들 간의 주파수 간섭을 최소화하기 위하여 감쇄 특성 또한 매우 중요시되고 있다. 기존 유전체 도파관 듀플렉서의 경우, 유전체 모노 블록이나 어레이 공진기 필터와 같은 TEM 모드보다 상대적으로 주파수 특성이 우수하지만 크고 긴 형태를 가지게 된다. 또한 이를 보완하기 위하여 수신(Rx) BPF(band pass filter)와 송신(Tx) BPF를 일렬로 길게 놓지 않고 PCB 위에 스트립라인의 패턴을 사용하거나 금속 커넥터를 이용한 유전체 도파관 듀플렉서가 선보이고 있으나 PCB 재질에서 발생하는 자체 손실로 주파수 특성이 저하되고 패턴을 위한 공간의 필요와 가격이 상승하는 문제점을 가지고 있다. 또한 유전체 도파관 필터가 유전체 모노 블록이나 어레이 공진기 필터에 비해 감쇄 특성이 상대적으로 우수하지만 최근에는 한정된 주파수 자원에서 다양하고 많은 통신 서비스를 제공하려고 업체간 경쟁이 심하다 보니 특정 주파수 대역에 급격한 감쇄 특성을 요구하는 경우가 빈번하고 많아지고 있는 현실이다. 이들 요구를 만족하기 위해서는 기존의 필터에 너치(notch) 기능을 추가한 필터의 설계가 중요하고 필요하다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서는, 하나 이상의 단위 유전체 블록을 포함하며 중앙에 안테나단을 구비하는 일체 형성된 안테나측 유전체 조립체, 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 송신단(Tx)을 구비하는 일체 형성된 송신측 유전체 조립체, 및 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 수신단(Rx)을 구비하는 일체 형성된 수신측 유전체 조립체;를 포함하되, 상기 안테나측 유전체 조립체는, 상기 송신측 유전체 조립체 및 상기 수신측 유전체 조립체와 접하지 않는 양 측면에 슬롯(slot)이 형성되고, 상기 슬롯 양측에 쇼트 렝스(short length)가 형성되며, 상기 쇼트 렝스는, 상기 송신단에서는 상기 수신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되고, 상기 수신단에서는 상기 송신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되는 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서를 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 듀플렉서는 안테나측 유전체 조립체(110), 송신측 유전체 조립체(130), 및 수신측 유전체 조립체(120)로 구성된다. 안테나단(111)을 중심으로 좌우로 비대칭 너치기능을 가지는 수신단 필터(Rx BPF)와 송신단 필터(Tx BPF)의 입출력단의 일단을 쇼트 렝스(320)를 가지는 공진기와 연결하여, 일체형 유전체 도파관 듀플렉서를 형성한다. 안테나단(111)을 포함하여 쇼트 렝스를 가지는 공진기로 수신단 필터와 송신단 필터의 일부를 일체형으로 하는 하나의 블록과 수신단 필터와 송신단 필터를 각각 하나의 블록으로 하는 크게 3부분으로 나뉜 일체형 유전체 도파관 듀플렉서를 구현한다. 안테나단(111)을 중심으로 접합한 수신단 필터와 송신단 필터의 초단을 슬롯형태와 패턴으로 구성하여 임피던스 매칭과 함께 수신단 필터와 송신단 필터의 초단부분까지 한 개의 일체형 블록으로 형성하고 나머지 수신단 필터와 송신단 필터 부분을 각각 하나의 블록으로 형성하여 기존의 단점을 보완하였고 생산효율성도 크게 높였다. 또한 수신단 필터와 송신단 필터와 접하는 부분의 일체형 블록들의 한 공진면에 패턴으로 커플링 창과 필터에 비대칭 너치기능을 가지는 창을 만들어 감쇄효과를 크게 향상시킨 유전체 도파관 듀플렉서를 가능하도록 하였다.
듀플렉서는 안테나단과 이와 접하는 수신단 필터와 송신단 필터의 조합으로 형성되는데 안테나단과 접하는 수신단 필터와 송신단 필터의 초단에서는 서로 상대주파수대역 즉, 수신단에서는 송신단 주파수대역이, 그리고 송신단에서는 수신단 주파수대역이 서로 무한대의 임피던스가 되도록 하여야한다. 이를 구현하기 위해선, 안테나단에서 임피던스 매칭이 필요한데 기존에는 이를 위하여 PCB 위에 스트립라인의 패턴 또는 금속 커넥터를 사용하고 있다. 본 발명에서는 슬롯과 쇼트 렝스가 형성된 안테나측 유전체 조립체(110)를 이용함으로써 이를 일체형 블록으로 설계하여 제작공정이 간단하고 기존 듀플렉서의 단점들을 보완하였다. 아울러 수신단 필터와 송신단 필터가 각각 비대칭 너치기능를 가지도록 하여 최소의 수량으로 수신단 주파수와 송신단 주파수의 상대감쇄가 매우 강화되어 삽입손실뿐만 아니라 고립(isolation) 특성도 매우 우수한 일체형 유전체 도파관 듀플렉서를 구현하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 도 1의 유전체 도파관 듀플렉서에서 전자기파가 전달되는 경로를 도시한 것이다. 수신측 유전체 조립체(120) 및 송신측 유전체 조립체(130)는 6개의 유전체 블록으로 형성되는 유전체 도파관 듀플렉서를 예시하였다.
안테나측 유전체 조립체(110)는 하나 이상의 단위 유전체 블록을 포함하며 중앙에 안테나단을 구비하여 일체 형성된다. 안테나측 유전체 조립체(110)는 송신측 유전체 조립체(130)와 수신측 유전체 조립체(120)와 연결되어 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 송신측 유전체 조립체(130)는 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 송신단(Tx, 131)을 구비하여 일체 형성된다. 송신측 유전체 조립체(130)는 도 2와 같이, 안테나측 유전체 조립체의 안테나단에서 송신한 전자기파를 송신단으로 입력받아 안테나측 유전체 조립체(110)로 전달한다. 수신측 유전체 조립체(120)는 복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 수신단(Rx, 121)을 구비하여 일체 형성된다. 수신측 유전체 조립체(120)는 도 2와 같이, 안테나측 유전체 조립체의 안테나단에 수신한 전자기파를 수신단으로 전달한다.
안테나측 유전체 조립체(110), 송신측 유전체 조립체(130), 및 수신측 유전체 조립체(120)로 듀플렉서를 구성함으로써, 유전체 세라믹 도파관 공진기만을 사용하여 안테나단을 포함하는 안테나측 유전체 조립체(110)를 중심으로 송신측 유전체 조립체(130)와 수신측 유전체 조립체(120)의 임피던스 매칭을 이뤄 상대주파수 대역의 임피던스가 무한한 일체형 유전체 세라믹 도파관 듀플렉서를 구현할 수 있다.
이하, 안테나측 유전체 조립체(110), 송신측 유전체 조립체(130), 및 수신측 유전체 조립체(120)에 대해 각각 구체적으로 살펴보도록 한다.
우선, 안테나측 유전체 조립체(110)에 대하여, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 안테나측 유전체 조립체(110)는 송신측 유전체 조립체(130) 및 수신측 유전체 조립체(120)와 접하지 않는 양 측면에 슬롯(slot, 310)이 형성되고, 상기 슬롯 양측에 쇼트 렝스(short length, 320)가 형성되며, 상기 쇼트 렝스(320)는 상기 송신단에서는 상기 수신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되고, 상기 수신단에서는 상기 송신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되는 길이로 형성된다. 쇼트 렝스(320)는 안테나측 유전체 조립체의 슬롯(310)보다 돌출되는 형태로 형성되고, 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯(310)으로부터 안테나측 유전체 조립체가 송신측 유전체 조립체 또는 수신측 유전체 조립체와 연결되는 방향으로 소정의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 안테나측 유전체 조립체(110)는 안테나단(111) 중심으로 슬롯(310)과 쇼트 렝스(320)가 형성된다. 슬롯(310)과 쇼트 렝스(320)는 듀플렉서의 주파수 사양에 따라 안테나를 통하여 수신된 혼합된 주파수들이 각각 원하는 주파수대역의 수신측 유전체 조립체(120)와 송신측 유전체 조립체(130)로 주파수가 원활히 나뉘어지고 동시에 상대주파수 대역 즉, 수신단에서는 송신단 또는 송신단에서는 수신단 대역의 주파수 임피던스가 무한대가 되도록 하는 역할을 한다. 쇼트 렝스(320)의 길이는 수신측 유전체 조립체와 송신측 유전체 조립체의 주파수 특성에 따라 달라진다.
안테나측 유전체 조립체(110)는 슬롯(310)을 형성하는 유전체 블록과 쇼트 렝스(320)를 형성하는 2 개의 유전체 블록의 조립체로 형성될 수 있다. 송신측 유전체 조립체(130), 수신측 유전체 조립체(120), 및 안테나측 유전체 조립체의 슬롯을 형성하는 유전체 블록을 생산하고, 송신측 유전체 조립체(130) 및 수신측 유전체 조립체(120)의 주파수 특성에 따라 쇼트 렝스(320)의 길이를 다르게 제작하여 결합함으로써 효율적인 제작이 가능하고, 그에 따라 대량생산이 가능하다. 안테나측 유전체 조립체(110)는 송신측 유전체 조립체(130) 또는 수신측 유전체 조립체(120)와의 결합시 결합되는 면에 커플링 패턴(330)을 형성하여 전기적으로 연결되어 전자기파를 주고 받는다.
안테나측 유전체 조립체(110)는 입출력 포트 단의 홀이 상단에서 하단까지 개방된 형태로 형성될 수 있다. 기존 안테나단의 입출력 포트 단의 홀은 전기적인 단락을 막기 위하여, 도 4(a)와 같이, 한쪽면이 막힌 형태를 갖는다. 주파수의 밴드를 넓게 하기 위해서는 입력 파워를 크게 해야 하는데, 그러기 위해서 최대한 홀의 깊이를 깊게 제작하여 막힌면의 두께(420)를 최대한 얇게 형성해야만 한다. 해당 두께를 얇게 형성하는데 어려움이 있고, 이동통신 시장에서 계속적으로 진행하는 넓은 주파수밴드를 만족하는데 한계를 가지게 되었다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나측 유전체 조립체(110)는 입출력 포트 단의 홀이 상단에서 개방된 형태로 형성함으로써 홀 깊이가 최대가 되고, 넓은 주파수 밴드를 만족시킬 수 있다. 동시에 홀 깊이를 제어해야하는 공정이 불필요하여 생산성 향상을 가져올 수 있다.
안테나측 유전체 조립체(110) 상기 안테나측 유전체 조립체 입출력 포트 단의 홀(430)이 개방된 형태로 인한 전기적 단락이 발생하지 않도록 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯(310), 쇼트 렝스(320), 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 송신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴(330), 및 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 수신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴(330)의 스펙을 제어할 수 있다. 안테나측 유전체 조립체 각 구성의 스펙을 제어함으로써 송신측과 수신측에 대한 임피던스매칭을 수행함과 동시에 입출력 포트 단의 홀 개방에 따른 전기적 단락을 방지할 수 있다.
송신측 유전체 조립체(130) 및 수신측 유전체 조립체(120)는 일체 형성된 유전체 블록의 내측으로 각각의 단위 유전체 블록을 구분하는 구분벽을 형성하되, 상기 구분벽에는 커플링 패턴이 형성됨으로써 순차적으로 형성된 단위 유전체 블록을 따라 상기 전자기파를 연속적으로 전달한다.
수신측 유전체 조립체는 2단 이상으로 형성되며, 상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성할 수 있다. 또한, 커플링된 유전체 블록 사이에 인접한 단위 유전체 블록의 개수는 홀수로 구비됨으로써 상기 너치를 통해 비대칭 형태의 주파수 대역 감쇄가 유도될 수 있다.
도 5와 같이, 수신측 유전체 조립체(120)는 6 개의 유전체 블록(510 내지 560)으로 형성될 수 있다. 유전체 블록의 개수는 전자기파의 공진 주파수의 특성에 따라 달라질 수 있다. 전자기파는 각 유전체 블록에 형성되는 커플링 패턴을 따라 510 -> 520 -> 530으로 전달되는데, 상단에 위치하는 유전체 블록(510)과 하단에 위치하는 유전체 블록(530)의 접촉면에 커플링 패턴(580)을 형성하여 서로 전기적으로 연결함으로써 너치를 형성할 수 있다. 커플링된 유전체 블록 사이에 인접한 단위 유전체 블록의 개수를 홀수(도 5에서는 520 한 개)로 구비하여 비대칭 형태의 주파수 대역 감쇄를 유도한다. 이를 통해, CT(Cascade Trisection) 교차결합구조를 형성한다. 일반적으로 유전체 세라믹 도파관 필터를 구성하는 직사각형 공진기는 구조상 비인접한 공진기들 사이에 짝수개의 공진기만을 가지게 되어 대칭적으로 감쇄극을 형성하여 원하지 않는 주파수대역에도 감쇄극을 가지게 된다. 이러한 약점을 해결하고자 본 발명의 실시예들은, 커플링되는 공진기 블록 사이에 위치하는 연결 공진기 블록의 크기를 다르게 설계하여 이들 공진기 블록을 통과하는 전자기파의 경로를 조절하는 방법을 통해 커플링되는 공진기 블록 사이에 위치하는 연결 공진기 블록의 개수를 홀수 개로 구현할 수 있도록 개선하였다. 즉, 새로운 형태로 직사각형 공진기들을 구성하여 비인접한 공진기들 사이에 홀수개의 공진기를 가지는 CT 교차결합구조의 비대칭 감쇄극을 가지도록 하였다. 즉, 비인접한 공진기들을 인위적으로 결합함으로서 원하는 주파수대역에서만 너치를 형성하여 감쇄를 극대화할 수 있도록 하였다. 동일한 방식으로 형성되는 유전체 블록(540 내지 560)을 측면으로 결합시킴으로써 공간 활용을 용이하게 하여 소형화에 적합하도록 형성할 수 있다.
상기와 같은 방식으로 유전체 블록들을 형성되어, 상단에 위치하는 유전체 블록(510)과 하단에 위치하는 유전체 블록(530)은 전달하는 전자기파의 방향이 서로 상이한 것을 알 수 있다.
수신측 유전체 조립체(120)와 대응되도록 송신측 유전체 조립체(130)도 2단 이상으로 형성되며, 상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성할 수 있으며, 커플링된 유전체 블록 사이에 인접한 단위 유전체 블록의 개수는 홀수로 구비됨으로써 상기 너치를 통해 비대칭 형태의 주파수 대역 감쇄가 유도될 수 있다.
안테나측 유전체 조립체, 수신측 유전체 조립체 및 송신측 유전체 조립체는 내측으로 유전 물질이 충진되고 외측으로 도전 코팅층이 형성된 각 면이 사각형인 구형 도파관(rectangular waveguide)이고, 안테나측 유전체 조립체, 수신측 유전체 조립체 및 송신측 유전체 조립체를 각각 구성하는 단위 유전체 블록의 개수는 상기 전자기파의 공진 주파수 특성을 고려하여 결정될 수 있다.
도 6은 일반적인 교차결합 공진기 필터의 등가 회로이고, 도 7은 비대칭 CT 필터의 결합구조이다. 이하, 도 7을 참조하여, CT 구조에 대하여 예시를 들어 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명에서는 중심주파수가 820 MHz 의 수신단 필터와 865 MHz 의 송신단 필터를 하나로 묶은 각각 6단의 유전체 세라믹 도파관 듀플렉서를 도 1과 같이 크게 3개의 블록으로 구성하였다. 각각의 수신단 필터와 송신단 필터는 주어진 사양인 중심주파수, 통과대역폭, 통과대역 리플 그리고 저지대역 감쇄 등을 고려한 CT 교차결합 공진기 필터 이론을 사용하여 S 파라미터를 구하였다.
여기서, 
는 필터링 함수이다. 일반적으로 Chebyshev 특성에서 필터링 함수는 수학식 2와 같이 형성된다.
여기서 
, 
는 전송영점의 각 주파수이다.
결합행렬값을 얻기 위하여 일반적인 교차결합 공진기 필터의 등가회로를 도 6과 같이 고려할 필요가 있다. 구해진 S 파라미터값들과 비대칭 너치기능을 가지기 위한 트라이섹션 커플링은 도 7에서와 같은 결합구조로 전송 극들과 관련한 모든 반사영점들을 계산한다. 수신단, 송신단 6단 필터의 결합행렬은 하기 수학식 3의 형태로 나타낼 수 있으며 6단 비대칭 Chebyshev 필터의 전송과 반사계수는 수학식 2의 필터함수로부터 직접 계산된다. 여기서 도 8의 주파수 응답특성은 수학식 4에 따라 계산된 결합행렬 
으로부터 직접 얻어진 전송과 반사계수들이다.
여기서 
이고 
은 
을 제외하고 각 요소들이 제로인 
행렬이다. 
는 
을 제외하고 주요 대각요소들이 unity 한 
행렬이다. 
의 남아있는 요소들은 모두 제로이다.
설계된 Rx BPF, Tx BPF 의 초단으로 송수신되는 전자기파는 안테나단에서 서로 인접한 공진기들의 aperture (대칭으로 이루어진 wall 과 wall 사이의 공간)들을 통과하여 원하는 주파수특성을 나타내도록 하였는데 aperture 의 크기는 원하는 주파수사양에 맞춰 위의 식들을 사용하여 얻게되는 S 파라미터의 커플링 값에 따라 일체형 블록에 슬롯(310) 또는 커플링 패턴(330)을 주어 형성한다. 일체형 블록의 크기는 상대주파수대역 수신단 필터에서는 송신단 주파수 또는 송신단 필터에서는 수신단 주파수에서 임피던스가 무한대가 되는 길이 (l)와 Phase (φ11 또는 φ22) 를 구하고 수학식 5에 적용한 후 최종적으로 쇼트 렝스 길이 (short length L)을 구한다.
한편, 통신 중계 장치에 이상에서 기술된 너치 기능이 포함된 굽은 형태의 적층형 유전체 도파관 듀플렉서를 이용할 수 있다. 통신 중계 장치는 장거리 통신을 하는 경우, 한 방향 또는 양 방향의 통신 신호를 수신하고 그 신호를 증폭하고 정형하여 송출하는 장치이다. 통신 중계 장치는 안테나, 듀플렉서, 멀티플렉서, 디플렉서 스플리터, 컴바이너, 증폭기 등으로 이루어질 수 있으며, 기지국 또는 단말기 등으로부터 신호를 수신하고 신호를 구별하여 증폭 및 정형하여 신호의 목적지로 송신하는 역할을 한다. 비대칭 너치 기능이 포함된 유전체 도파관 듀플렉서를 포함하는 통신 중계 장치의 보다 구체적인 구조는 본 발명의 본질적인 기술적 특징을 설명하는데 불필요하므로 여기서는 생략하도록 한다.
비대칭 너치 기능이 포함된 유전체 도파관 듀플렉서를 포함하는 통신 중계 장치는 유전체 도파관 필터의 크기가 일반적인 종래의 유전체 도파관 필터의 크기보다 크게 감소하는바, 상기 통신 중계 장치의 크기 또한 일반적인 통신 중계 장치의 크기보다 감소될 수 있다. 따라서, 통신 중계 장치를 소형화할 수 있고, 원자재의 절감을 통해 가격경쟁력을 갖출 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 안테나측 유전체 조립체
111: 안테나단
120: 수신측 유전체 조립체
121, 570: 수신단
122, 123, 132, 133, 580, 590: 커플링패턴
130: 송신측 유전체 조립체
131: 송신단
310: 슬롯
320: 쇼트 렝스(short length)
330: 커플링 패턴
410, 430: 입출력 포트의 홀
510 내지 560: 유전체 블록
111: 안테나단
120: 수신측 유전체 조립체
121, 570: 수신단
122, 123, 132, 133, 580, 590: 커플링패턴
130: 송신측 유전체 조립체
131: 송신단
310: 슬롯
320: 쇼트 렝스(short length)
330: 커플링 패턴
410, 430: 입출력 포트의 홀
510 내지 560: 유전체 블록
Claims (12)
- 하나 이상의 단위 유전체 블록을 포함하며 중앙에 안테나단을 구비하는 일체 형성된 안테나측 유전체 조립체;
복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 수신단(Rx)을 구비하는 일체 형성된 수신측 유전체 조립체; 및
복수 개의 단위 유전체 블록을 포함하며 일단이 상기 안테나측 유전체 조립체에 연결되고 타단에 송신단(Tx)을 구비하는 일체 형성된 송신측 유전체 조립체;를 포함하되,
상기 안테나측 유전체 조립체는,
입출력 포트 단의 홀이 상단에서 하단까지 개방된 형태로 형성되고, 상기 송신측 유전체 조립체 및 상기 수신측 유전체 조립체와 접하지 않는 양 측면에 슬롯(slot)이 형성되고, 상기 슬롯 양측에 쇼트 렝스(short length)가 형성되며,
상기 쇼트 렝스는,
상기 송신단에서는 상기 수신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되고, 상기 수신단에서는 상기 송신단의 주파수 대역이 무한대의 임피던스가 되는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 쇼트 렝스는,
상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯보다 돌출되는 형태로 형성되고,
상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯으로부터 상기 안테나측 유전체 조립체가 상기 수신측 유전체 조립체 또는 송신측 유전체 조립체와 연결되는 방향으로 소정의 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 안테나측 유전체 조립체 입출력 포트 단의 홀이 개방된 형태로 인한 전기적 단락이 발생하지 않도록 상기 안테나측 유전체 조립체의 슬롯, 쇼트 렝스, 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 수신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴, 및 상기 안테나측 유전체 조립체와 상기 송신측 유전체 조립체 사이에 형성되는 커플링 패턴의 스펙이 결정되는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 수신측 유전체 조립체 및 상기 송신측 유전체 조립체는,
일체 형성된 유전체 블록의 내측으로 각각의 단위 유전체 블록을 구분하는 구분벽을 형성하되, 상기 구분벽에는 커플링 패턴이 형성됨으로써 순차적으로 형성된 단위 유전체 블록을 따라 전자기파를 연속적으로 전달하는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 안테나측 유전체 조립체, 상기 수신측 유전체 조립체 및 상기 송신측 유전체 조립체는,
내측으로 유전 물질이 충진되고 외측으로 도전 코팅층이 형성된 각 면이 사각형인 구형 도파관(rectangular waveguide)인 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 안테나측 유전체 조립체, 상기 수신측 유전체 조립체 및 상기 송신측 유전체 조립체를 각각 구성하는 단위 유전체 블록의 개수는 전자기파의 공진 주파수 특성을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 수신측 유전체 조립체는 2단 이상으로 형성되며,
상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 8 항에 있어서,
커플링된 유전체 블록 사이에 인접한 단위 유전체 블록의 개수는 홀수로 구비됨으로써 상기 너치를 통해 비대칭 형태의 주파수 대역 감쇄가 유도되는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 8 항에 있어서,
상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록은 전달하는 전자기파의 방향이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항에 있어서,
상기 송신측 유전체 조립체는 2단 이상으로 형성되며,
상단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면과 하단에 위치하는 유전체 블록의 일 측면은 접촉하여 형성되고, 접촉면에 구비된 커플링 패턴(coupling pattern)을 통해 상기 상단에 위치하는 유전체 블록과 상기 하단에 위치하는 유전체 블록을 서로 전기적으로 연결함으로써 너치(notch)를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 듀플렉서. - 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 유전체 도파관 듀플렉서를 포함하는 통신 중계 장치.
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