KR102315196B1 - 유전체 도파관 필터 - Google Patents

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배찬식
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Abstract

본 발명은 유전체 도파관 필터에 관한 것으로, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 형성되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단 서브-유닛을 포함하되, 유전체 도파관 몸체는 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조가 구비되며, 송신단 및 수신단 서브-유닛은 송신단 및 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면을 내측으로 오목하게 형성하되, 내측으로 오목하게 형성된 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성한다.

Description

유전체 도파관 필터{Dielectric waveguide filter}
본 발명은 유전체 공진기(dielectric resonator)에 관한 것으로, 특히 주파수 특성을 유지하면서도 감소된 크기를 갖는 유전체 도파관 필터(waveguide filter)에 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 전자 소자로서, 통신 장비 및 중계기와 같은 RF 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 통신 장비 및 중계기와 같은 RF(radio frequency) 장치의 부품으로서 널리 이용되고 있다. 유전체 공진기는 일반적인 LC 회로를 이용한 필터에 비해 고주파에서도 공진 특성이 우수하고, 주파수의 온도 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 동작 파워를 견딜 수 있다는 장점이 있다. 이하에서 제시되는 선행기술문헌은 유전체 공진기의 분류와 이러한 공진기에서의 공진 주파수, 공진 모드 및 활용 방법에 대해 소개하고 있다.
한편, 정보통신기술의 비약적인 발전과 함께 5G 시대를 맞이하면서 통신시스템은 기지국과 기지국 사이의 통신 음영 지역을 커버하기 위하여 중계 기능을 담당하던 중계기를 없애고 직접 기지국만으로 전체 셀(cell)들을 커버하도록 통신시스템을 바꾸고 있다. 이에 따라 RF 필터도 기지국의 성능에 맞춰 고출력(high power)을 견디면서, 주파수 특성이 양호하며 소형의 크기를 유지하되 낮은 가격을 갖는 유전체 도파관 필터의 요구가 크게 증가하고 있다. 이를 위해 부품 업체들은 기존의 크기를 더욱 감소시키기 위한 다양한 디자인을 설계하고 있으며, 아울러 목적하는 주파수 이외의 불필요한 고조파 성분인 스퓨리어스(spurious)를 감소시키기 위한 노력도 함께 기울이고 있다.
마이크로 웨이브에서의 유전체 공진기, 홍의석, 전기학회논문지 32,3('83.3) pp.22-27 ISSN 1975-8359 KCI 등재, 대한전기학회, 1983.
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 구형 도파관(rectangular waveguide) 필터에서 원치 않는 주파수 대역에서 고조파 신호 성분이 나타나는 한계를 극복하고, 시장에서 요구하는 주파수 특성을 유지하면서도 필터의 크기를 감소시키기 위해 단위(unit) 유전체 블록을 높이 방향으로 적층하거나 또는 전자기파의 전달 방향을 전환하는 구조의 경우 유전체 도파관 필터의 구조가 복잡해지고 그에 따른 커플링 패턴을 다르게 형성해야 하는 불편을 해소하며, 번거로운 제작 공정으로 인해 공정 비용, 제품 공차 및 불량 비율이 증가하는 문제를 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터는, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체; 및 상기 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 형성되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단 서브-유닛;을 포함하되, 상기 유전체 도파관 몸체는 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조가 구비되며, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은 송신단 및 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면을 내측으로 오목하게 형성하되, 내측으로 오목하게 형성된 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성한다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은, 상기 송신단 및 상기 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면의 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은, 외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 육면체형 홀(hole) 구조 또는 원통형 홀 구조 중 어느 하나를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 유전체 도파관 몸체와 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은 서로 상이한 높이를 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은, 적어도 상기 유전체 도파관 몸체보다 낮은 높이를 갖도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 유전체 도파관 몸체는, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 각각의 공진기 서브-유닛마다 구비된 경로 연장 구조에 의해 길어진 전자기파의 통과 경로를 고려하여, 공진 주파수에 따라 요구되는 도파관의 길이보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 유전체 도파관 몸체는, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 상기 고조파 성분이 상기 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 상기 공진기 서브-유닛의 길이를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 경로 연장 구조는, 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성하되, 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성할 수 있다. 또한, 상기 기저면의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 경로 연장 구조는, 도파관의 길이 방향을 가로 질러 상기 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성할 수 있다. 또한, 상기 경로 연장 구조는, 외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 육면체형 홀 구조 또는 원통형 홀 구조 중 어느 하나를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 유전체 도파관 몸체는, 공진기 서브-유닛들의 높이를 서로 상이하게 구성함으로써 인접한 공진기 서브-유닛들이 연속적인 계단 구조를 형성할 수 있다. 또한, 상기 유전체 도파관 몸체는, 공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이가 결정될 수 있다. 나아가, 상기 유전체 도파관 몸체는, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하여 상기 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 유전체 도파관 몸체는, 커플링 창을 이루는 상기 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 양쪽 측면에서 대칭하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 유전체 도파관 몸체는, 커플링 창을 이루는 상기 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 한쪽 측면에만 비대칭으로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 상기 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 형성되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단을 포함하는 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법은, (a) 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는 단계; (b) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출하는 단계; (c) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 공진기 서브-유닛의 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 형성된 경로 연장 구조를 고려하여 상기 목표 도파관의 길이로부터 감소된 크기의 유전체 도파관 몸체의 전체 규격을 결정하는 단계; 및 (d) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 상기 유전체 도파관 몸체 또는 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛의 높이를 결정하는 단계;를 포함한다.
다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터의 설계 방법에서, 유전체 도파관 몸체의 전체 규격을 결정하는 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 경로 연장 구조를 고려하되, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 상기 고조파 성분이 상기 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이를 결정하는 단계; 및 (c2) 결정된 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이로부터 상기 목표 도파관의 길이를 고려하여 요구되는 공진기 서브-유닛의 개수를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터의 설계 방법에서, 유전체 도파관 몸체 또는 송신단 및 수신단 서브-유닛의 높이를 결정하는 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 유전체 도파관 몸체와 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 서로 상이한 높이를 갖도록 구성하되, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 적어도 상기 유전체 도파관 몸체보다 낮은 높이를 갖도록 결정하는 단계; 및 (d2) 상기 송신단 및 상기 수신단으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하되 상기 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지고, 공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 공진기 서브-유닛 내측에 구비된 경로 연장 구조를 통해 전체 도파관 필터의 크기를 감소시키면서도 주파수 특성을 목적에 부합하게 유지하고 원치 않는 주파수 대역에서 고조파 신호 성분이 나타나는 스퓨리어스를 억제하였고, 이와 더불어 공진기 서브-유닛의 높이에 따라 특성 임피던스가 달라지는 파형(corrugated) 구조의 저역 통과 특성을 활용함으로써 스퓨리어스 감소 폭을 더욱 강화하는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 적층 방식이 아닌 일체 형성된 단층 구조의 도파관 몸체를 구현함으로써 제작 공정을 단순화하고 그에 따른 비용과 불량률의 감소를 동시에 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 유전체 도파관 필터를 통해 전자기파가 전달되는 경로를 표시한 도면이다.
도 3은 유전체 도파관의 크기와 공진 주파수 대역 간의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 경로 연장 구조에 의해 유전체 도파관 필터의 길이가 짧아지는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일반적인 구형 도파관(rectangular waveguide) 필터의 구조와 그에 따른 주파수 특성 그래프를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 제안하는 경로 연장 구조를 채택하는 유전체 도파관 필터의 구조와 그에 따른 주파수 특성 그래프를 예시한 도면이다.
도 7은 도 5의 도파관 필터와 도 6의 도파관 필터 각각에 따라 발생하는 스퓨리어스(spurious)를 비교하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 경로 연장 구조를 채택한 유전체 도파관 필터의 저역 통과 특성을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 경로 연장 구조의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 커플링 창을 이루는 슬롯 구조의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 경로 연장 구조와 공진기 서브-유닛의 높이를 변화시켜 제작한 본 발명의 프로토타입(prototype)의 구조를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 종래의 유전체 공진기 기술 분야에서 활용되고 있는 구형 도파관(rectangular waveguide)의 특성과 문제점을 검토한 후, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 개괄적으로 소개하도록 한다.
종래의 유전체 도파관 필터는 크기를 줄이기 위하여 높이 방향으로 공진기를 쌓거나 특정 방향으로 필터를 접는 방식('ㄷ'자 형태 또는 'ㄹ'자 형태 등)을 통해 부피를 작게 유지하고자 하였다. 그러나 이러한 디자인은 크기를 줄이는 것은 가능하였으나, 실제 제작에 있어 3차원 다층 구조가 형성되어 하부층과 상부층 공진기 간에 도금을 하거나 하부층과 상부층 간에 패턴을 넣기 위하여 각각 추가적인 패턴 삽입 작업 후 다시 접합을 해야 하는 번거로운 공정이 발생하였다. 이는 결국 작업 공정이 길어지고 복잡해져 제품 공차와 불량률의 비율이 높아지고 비용이 크게 발생하는 문제를 야기하였다.
이와 더불어 종래의 구형 도파관 필터에서는 원치 않는 주파수 대역에서 불필요한 고조파 신호 성분이 나타나는 문제가 발견되었는데 이를 효과적으로 억제할 수 있는 기술적 수단 또한 요구되었다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 상기된 문제 인식으로부터 안출된 것으로서, 주파수 특성이 양호하면서 크기를 작게 줄이며, 2차 내지 3차 하모닉 주파수 즉, 스퓨리어스(spurious)를 감소시키고 제어할 수 있는 유전체 도파관 필터를 제안하고자 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 도시한 도면으로서, 사시도(A)와 측면도(B)를 매칭하여 보여준다.
유전체 도파관 몸체(10)는, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연결된 공진기 서브-유닛을 따라 연속적으로 전자기파를 통과시킨다. 이때, 유전체 도파관 몸체(10)는 산업 현장에서 사용되는 단위(unit) 유전체 블록을 이용하여 제작하는 방식과는 달리 최초 요구되는 사양에 부합하도록 설계되어 일체 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 유전체 도파관 몸체(10)는, 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조(15)가 구비된다. 이러한 경로 연장 구조(15)는, 기본적으로 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성되는 것이 바람직하다. 도 1에서는 경로 연장 구조(15)가 2층의 계단(step) 구조 내지 중첩된 트렌치(trench) 구조로 표현되어 있으나 이러한 예시에 한정되지 않는다. 경로 연장 구조(15)는 크게 두 가지 목적에서 도입된 것으로, 첫째는 공진기 서브-유닛마다 다층의 스텝을 주는 디자인을 도입하여 도파관의 물리적인 크기보다 전자기파의 실제 진행 거리가 더 길어지게 하는 효과를 가지며, 둘째는 통과 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 발생하는 스퓨리어스를 감소시키는 효과를 갖는다. 특히, 첫째 효과의 경우 실제 구현시 요구되는 주파수 특성에 비해 공진기의 길이가 짧아짐으로써 전체적인 크기가 크게 감소한다.
한편, 공진기 서브-유닛들의 높이를 서로 상이하게 구성함으로써 인접한 공진기 서브-유닛들이 연속적인 계단 구조를 형성할 수 있다. 비록 도 1에서는 각각의 공진기 서브-유닛들의 높이를 동일하게 도시하였으나, 구현의 관점에서 공진기 서브-유닛들은 일정한 방향성을 갖고 높이가 증가하거나 감소하는 등 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 이와 같이 높이를 달리하여 구성하는 이유는 각각의 공진기 서브-유닛의 높이에 따라 특성 임피던스가 달라지는 파형(corrugated) 구조의 저역 통과 특성을 활용함으로써 앞서 지적한 스퓨리어스 감소 효과를 더욱 강화할 수 있기 때문이다. 이에 관한 보다 구체적인 구현예들은 이후 도 9 내지 도 15를 통해 소개하도록 하겠다.
송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)은, 상기 유전체 도파관 몸체(10)의 말단에 각각 형성되어 상기 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하며, 각각 송신단(25)과 수신단(35)이 마련될 수 있다. 구현의 관점에서, 송신단(25) 및 수신단(35)은 수직 방향으로 홀(hole)이 천공됨으로써 N-타입(type) 또는 SMA 타입 중 어느 하나의 커넥터(connector)를 형성할 수도 있고, 입출력 커플링 부분에 스트립 라인(strip line)을 삽입하여 SMD 타입의 커넥터를 형성할 수도 있다.
또한, 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)은, 송신단(25) 및 수신단(35)이 부착된 벽면에 대향하는 벽면을 내측으로 오목하게 형성하되, 내측으로 오목하게 형성된 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)은, 상기 송신단(25) 및 상기 수신단(35)이 부착된 벽면에 대향하는 벽면의 내측으로 트렌치 구조 또는 계단 구조(27, 37)를 형성함으로써 주파수 특성을 개선하거나 스퓨리어스의 감소 효과를 강화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 유전체 도파관 필터를 통해 전자기파가 전달되는 경로를 표시한 도면으로서, 본 발명의 실시예들이 채택하는 경로 연장 구조는 3차원 계단 모양의 스텝을 갖는 유전체 도파관 필터를 통해 구현되었다.
도 2를 참조하면, 입력된 전자기파가 서로 인접한 공진기를 따라 커플링 창을 통과하면서 공진 주파수를 결합하여 필터를 형성하는데, 각각의 공진기 서브-유닛 내에 계단 형태의 스텝이 있을 경우 전자기파가 직진을 하지 못하고 계단을 따라 진행하기 때문에 실제 도파관 필터의 구현시 요구되는 것과 동일한 경로의 길이를 가지려면 오히려 공진기 외측의 물리적인 직선 길이가 상대적으로 짧아지게 된다.
도 3은 유전체 도파관의 크기와 공진 주파수 대역 간의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
유전체 도파관 필터는 TE 모드의 전자기파가 진행하는 공진기 구조를 이루며, 각 공진기의 주파수는 다음의 수학식 1로부터 결정된다.
Figure 112019080595731-pat00001
여기서, fc는 차단 주파수(cut-off frequency)로서 TE 모드 도파관 형태의 공진기가 가지는 특징 중 하나이다. 도파관의 구조에 따른 특성으로 인해 도파관은 특정 주파수 이상이 아닌 경우에는 전송이 불가능하며, 파동의 진행 없이 제자리에서 반사만 이루어지는 시점의 파장에 해당하는 주파수를 차단 주파수라고 한다. 또한, c는 빛의 속도이고, ε는 유전 물질의 유전율이고, m, n, l은 각각 도파관 단면의 가로(폭), 세로(높이) 및 도파관 길이에 따른 전계 분포가 반주기의 몇 배인가에 따라 결정되는 도파관 모드의 첨자이며, a, b, d는 각각 도파관 단면의 가로(폭), 세로(높이) 및 도파관 길이를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 도파관의 가로(폭), 세로(높이)가 일정할 경우 공진 주파수는 길이 d에 의해 결정되는데, 앞서 소개한 도 2에서와 같이 3차원 계단 모양의 스텝에 의해 공진기 서브-유닛 각각의 길이가 실질적으로 짧아지게 되므로 전체 필터의 길이 역시 짧아지게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 경로 연장 구조에 의해 유전체 도파관 필터의 길이가 짧아지는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2를 통해 기술한 바와 같이 경로 연장 구조(15)에 의해 동일한 전자기파의 통과 경로를 갖더라도 도파관 필터의 물리적인 외측 길이는 (A)에 비해 (B)가 상대적으로 짧아질 수 있음을 보여준다. 즉, 유전체 도파관 몸체는, 각각의 공진기 서브-유닛마다 구비된 경로 연장 구조에 의해 길어진 전자기파의 통과 경로를 고려하여, 공진 주파수에 따라 요구되는 도파관의 길이보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.
도 5는 일반적인 구형 도파관(rectangular waveguide) 필터의 구조와 그에 따른 주파수 특성 그래프를 예시한 도면으로서, 중심 주파수 3.7 GHz에 7단의 단위 유전체 블록으로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.
입력단을 통해 진입한 전자기파는 서로 인접한 공진기들의 어퍼쳐(aperture)(대칭으로 이루어진 벽과 벽 사이의 공간을 의미한다)들을 통과하여 원하는 주파수 특성을 나타낸다. 어퍼쳐의 크기는 원하는 주파수 특성에 맞춰 설계되는 커플링(coupling) 값에 의존한다.
따라서, 도 5와 동일한 주파수 특성을 가지면서도 일반적인 유전체 구형 도파관 필터의 길이가 길다는 약점을 해소하고자 3차원 계단 모양의 경로 연장 구조를 갖는 도 6의 도파관 구조를 설계하였다.
도 6의 도파관 필터의 구조와 그에 따른 주파수 특성 그래프를 살펴보면, 공진기의 길이가 짧아졌음에도 불구하고, 도 5의 경우와 유사한 주파수 특성을 보이며 인접한 공진기를 따라 전자기파의 흐름이 진행됨을 알 수 있다. 이 때, 동일한 주파수 특성을 확보하기 위해 요구되는 도파관 필터의 물리적인 길이는 도 5에 비해 도 6의 경우가 훨씬 짧다.
도 7은 도 5의 도파관 필터와 도 6의 도파관 필터 각각에 따라 발생하는 스퓨리어스(spurious)를 비교하기 위한 도면으로서, (A)는 기존의 구형 도파관 필터의 스퓨리어스 현상을 보여주는 주파수 특성을 도시한 도면이고, (B)는 본 발명의 실시예들에 따른 도파관 필터 구조를 통해 스퓨리어스가 크게 감소한 주파수 특성을 도시한 도면이다.
특히, 도파관 공진기의 높이에 따라 특성 임피던스가 달라지는 파형(corrugated) 구조의 저역 통과 특성을 사용할 경우, 경로 연장 구조를 갖는 도파관 필터의 형태는 기존의 일반적인 구형 유전체 도파관 필터에 비하여 통과 대역 주파수 위쪽에 항상 발생하는 스퓨리어스를 강력하게 억제할 수 있다. 도 7의 (A)에 비해 (B)에서는 5.7 내지 6.5 GHz 대역에 이르는 고조파 성분이 크게 감소된 것을 확인할 수 있다.
도파관 필터의 반파장 공진 주파수는 스퓨리어스 응답으로 나타나게 되는데, 도파관 각 단의 길이를 짧게 설계할수록 반파장 공진 주파수를 높은 쪽으로 보낼 수 있어 우수한 스퓨리어스 특성을 얻을 수 있다. 따라서 3차원 계단 모양의 스텝은 각 단의 길이를 짧게 하여 통과 주파수 대역의 위쪽에 항상 발생하는 스퓨리어스를 감소시키거나 더 높은 쪽으로 멀리 이격시키는 역할을 하게 된다. 이를 더 효과적으로 구현하기 위하여 각 공진기의 높이에 비례하는 특성 임피던스를 갖는 파형 구조의 저역 통과 특성을 사용하여 기존 유전체 도파관 필터에서 나타나는 스퓨리어스 문제점을 한층 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 유전체 도파관 몸체는, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 공진기 서브-유닛에 경로 연장 구조를 설계하여야 할 것이다. 또한, 유전체 도파관 몸체는, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 고조파 성분이 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 각각의 공진기 서브-유닛의 길이를 가능한 짧은 길이로 결정할 수 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 경로 연장 구조를 채택한 유전체 도파관 필터의 저역 통과 특성을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8과 같이 파형(corrugated) 구조의 저역 통과 특성을 사용할 경우 중심 주파수를 f0, 통과 대역을 f1에서 f2까지라고 할 때, 가장 낮은 주파수 모드 TE10를 사용하는 저역 통과 도파관 필터의 세로(폭) a를 결정하면 저역 통과 차단 주파수 fc의 전기적 길이 θ0는 f2에서의 전기적 길이 θ2에 다음의 수학식 2와 같이 근사시킬 수 있다.
Figure 112019080595731-pat00002
수학식 2를 참조하면, θ0는 f2와 공진기 각 단의 길이 d에 의해 결정된다. 공진기 각 단의 길이 d는 스퓨리어스 특성과 관계가 있고, θ0가 이 길이의 함수이므로 공진기 각 단의 특성 임피던스에도 영향을 미치게 된다. 따라서, 파형(corrugated) 구조의 도파관에서 각 단의 특성 임피던스는 높이에 비례하므로, 도파관의 중앙부의 높이를 높게 구성하는 저역통과 필터 특성을 가지는 파형(corrugated) 구조의 도파관에서 각각 공진기의 길이 d와 높이에 따라 스퓨리어스 특성을 제어할 수 있다.
이상에서 도파관 필터 내측에 구현된 경로 연장 구조 및 공진기 서브-유닛의 높이 조절을 통해 크기가 감소하였음에도 주파수 특성을 양호하게 유지하고 주파수 통과 대역 위쪽의 스퓨리어스를 감소키면서도 임피던스 차이를 유도하여 스퓨리어스 감소 폭을 더욱 강화하는 도파관 필터를 제안하였다. 이하에서는 상기된 기본적인 원리에 기반하여 반복적인 실험을 통해 우수한 성능을 보여준 다양한 형태의 도파관 필터의 구현예들을 소개하도록 한다.
도 9 내지 도 11은 경로 연장 구조의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
앞서, 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 경로 연장 구조가 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성될 수 있음을 기술하였다. 또한, 송신단 및 수신단 서브-유닛 역시 송신단 및 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면을 내측으로 오목하게 형성하되, 내측으로 오목하게 형성된 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성할 수 있음을 기술하였다. 효과의 측면에서 이들 모두가 병존하는 구조가 스퓨리어스 감소에 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였으나, 무엇보다도 후자(송신단 및 수신단 서브-유닛에 형성된 기저면)가 성능에 미치는 영향이 더 크다는 사실을 발견하였다.
도 9에서는 이러한 경로 연장 구조에 있어서, 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상부 또는 하부 벽면이 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는 구조를 보여준다. 또한, 이 때의 기저면(15A, 15B)의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성될 수 있으며, 경로 연장 구조는 도파관의 길이 방향을 가로 질러 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성할 수 있다. 예를 들어, 3층의 계단 구조(15A)로 구현될 수도 있고, 2층의 계단 구조(15B)로 구현될 수도 있으며, 이들의 조합으로 구현될 수도 있다. 나아가, 도 9는 도파관의 중앙부로 갈수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점차 높아지는 형태의 스텝 구조를 예시하였다.
도 10는 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)과 유전체 도파관 몸체(10)의 관계를 조금 달리하여 설계하였다. 본 발명의 실시예들에 따른 유전체 도파관 필터에서는 유전체 도파관 몸체(10)와 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)이 서로 상이한 높이를 갖도록 구성될 수 있는데, 도 10에 도시된 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)은, 적어도 유전체 도파관 몸체(10)보다 낮은 높이를 갖도록 구성되었다.
또한, 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)에 형성되는 송신단 기저면(27)과 수신단 기저면(37), 그리고 유전체 도파관 몸체(10)에 형성되는 경로 연장 구조(15C)도 다르게 설계하였다. 앞서 도 9를 통해 제시되었던 구조와는 달리, 도 10에서는 송신단 기저면(27), 수신단 기저면(37) 및 경로 연장 구조를 구현함에 있어서, 외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 육면체형 홀(hole) 구조(15C)를 형성하였다. 이러한 홀 구조(15C)는 도 9의 트렌치 구조 또는 계단 구조에 대응하는 것으로 보다 용이한 생산이 가능하며, 구조적으로 더 높은 강도를 갖는다는 장점을 갖는다. 물론, 육면체형 홀 이외에 다른 형태의 홀 구조를 가질 수 있음은 당연하다.
유전체 도파관 필터가 활용되는 현장에서의 여러가지 제약으로 인해 이론적으로 최적화된 설계 요소가 모두 반영되기 어려운 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우에도 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)에 송신단 기저면(27)과 수신단 기저면(37)을 형성하는 구성은 매우 중요하며 성능에 절대적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)의 높이를 유전체 도파관 몸체(10)의 높이보다 낮게 유지하는 것이 매우 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예들에서 송신단 및 수신단 서브-유닛(20, 30)에 관해 제시한 구조적 특징이 유전체 도파관 몸체(10)에 관해 제시한 구조적 특징에 우선하며, 이러한 구성을 통해 스퓨리어스 억제 효과를 극대화시킬 수 있음을 발견하였다.
한편, 도 11에는 각각의 공진기 서브-유닛의 높이가 도파관의 중앙부로 갈수록 점차 낮아지는 형태의 스텝 구조를 예시하였다. 또한, 도 10에 예시한 육면체형 홀 구조(15C)를 변형하여 원통형 홀 구조(15D)를 형성하였다.
앞서 기술한 바와 같이, 유전체 도파관 몸체는, 공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이가 결정되는 것이 바람직하다. 요약하건대, 유전체 도파관 몸체는, 송신단 및 수신단 서브-유닛으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하되 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지도록(즉, 도파관의 중앙부가 볼록한 형태로) 구성될 수 있다. 반면, 유전체 도파관 몸체는, 송신단 및 수신단 서브-유닛으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 낮아지는 계단 구조를 형성하되 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 낮아지도록(즉, 도파관의 중앙부가 오목한 형태로) 구성될 수도 있다.
도 12 및 도 13은 커플링 창을 이루는 슬롯 구조의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
도 12는 각각의 유전체 서브-유닛의 전자기 결합을 위한 커플링 창을 이루는 슬롯이 대칭(17A, 17B)으로 이루어진 구조를 예시하였다. 또한, 각각의 유전체 서브-유닛의 높이를 다르게 구성하되 3차원 스텝의 높이를 다르게 갖도록 구현하였다. 즉, 유전체 도파관 몸체는, 커플링 창을 이루는 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 양쪽 측면에서 대칭하여 형성될 수 있다.
반면, 도 13은 각각의 유전체 서브-유닛의 전자기 결합을 위한 커플링 창을 이루는 슬롯이 대칭이 아닌 비대칭(17C)으로 이루어진 구조를 예시하였다. 또한, 각각의 유전체 서브-유닛의 높이를 다르게 구성하되 3차원 스텝의 높이를 다르게 갖도록 구현하였다. 즉, 유전체 도파관 몸체는, 커플링 창을 이루는 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 한쪽 측면에만 비대칭으로 형성될 수 있다. 이러한 구현 방식은 일체 형성되는 도파관 몸체의 제작의 편의를 위해 안출되었다.
도 14 및 도 15는 경로 연장 구조와 공진기 서브-유닛의 높이를 변화시켜 제작한 본 발명의 프로토타입(prototype)의 구조를 도시한 도면으로서, 본 발명의 다양한 실시예들의 실험을 통해 가장 우수한 주파수 특성을 보여주면서도 스퓨리어스 억제가 용이하게 이루어졌던 일 실시예를 보여준다.
도 14 및 도 15는 도파관의 중앙부로 갈수록 유전체 서브-유닛의 높이가 점진적으로 증가하는 구조(볼록한 형태)인 파형(corrugated) 구조를 채택하여 저역통과 필터 특성을 가짐으로써 용이한 스퓨리어스 억제를 달성할 수 있었다. 각각의 유전체 서브-유닛에는 육면체형 또는 원통형의 경로 지연 구조가 형성되었으며, 양측의 송신단 및 수신단 서브-유닛에는 내측으로 오목하게 형성된 다단 구조의 기저면을 갖는다. 이러한 구조는 현재까지의 실험을 통해 매우 우수한 주파수 특성과 스퓨리어스 억제 성능을 보여주었으나, 본 발명의 기술적 원리가 유지되는 한, 도 14 또는 15와 다른 형태의 유전체 도파관 필터가 도출될 수 있음을 당연하며 예시된 구조에 한정되지 않는다.
나아가, 이상에서 기재된 다양한 형태의 유전체 도파관 필터를 포함하는 통신 장치가 도출될 수 있으며 이러한 통신 장치가 5G 환경에서 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법을 도시한 흐름도이다. 도 16의 설계 방법은 앞서 기술된 도 1, 도 9 내지 도 15의 유전체 도파관 필터의 설계를 시계열적인 제작의 관점에서 재구성한 것으로 자동화된 설계 장치에 의해 수행되는 일련의 명령어들을 통해 구현될 수 있다. 따라서, 하드웨어 구성 자체에 관하여는 설명의 중복을 피하고자 약술하거나 생략하였다.
도 16은 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키며 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 구비되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단을 포함하는 유전체 도파관 필터를 기본 구성으로 전제하였다.
S1610 단계에서, 유전체 도파관 필터의 설계 장치는, 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는다. 이러한 파라미터는 TE 모드 공진기 구동에 필요한 결정 요소들과 앞서 기술된 수학식들의 변수들을 포함할 수 있다.
S1620 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는, 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출한다. 즉, 우선적으로 경로 연장 구조가 없다는 것을 가정하여 필요한 전자기파의 통과 경로를 얻는다.
S1630 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는, 공진기 서브-유닛의 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 형성된 경로 연장 구조를 고려하여 상기 목표 도파관의 길이로부터 감소된 크기의 유전체 도파관 몸체의 전체 규격을 결정한다. 이 과정에서는 경로 연장 구조를 통해 전체 도파관 및 각각의 공진기 서브-유짓의 길이를 감소시킴으로써 주파수 특성을 유지하면서도 동시에 스퓨리어스를 억제하는 공진기 구조를 도출할 수 있다.
보다 구체적으로, 이 과정에서는 우선 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 경로 연장 구조를 고려하되, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 상기 고조파 성분이 상기 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이를 결정한다. 그런 다음, 결정된 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이로부터 상기 목표 도파관의 길이를 고려하여 요구되는 공진기 서브-유닛의 개수를 결정할 수 있다.
S1640 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 상기 유전체 도파관 몸체 또는 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛의 높이를 결정한다.
보다 구체적으로, 이 과정에서는 상기 유전체 도파관 몸체와 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 서로 상이한 높이를 갖도록 구성하되, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 적어도 상기 유전체 도파관 몸체보다 낮은 높이를 갖도록 결정한다. 그런 다음, 상기 송신단 및 상기 수신단으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하되 상기 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지고, 공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이를 추가적으로 결정할 수 있다.
상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 공진기 서브-유닛 내측에 구비된 경로 연장 구조를 통해 전체 도파관 필터의 크기를 감소시키면서도 주파수 특성을 목적에 부합하게 유지하고 원치 않는 주파수 대역에서 고조파 신호 성분이 나타나는 스퓨리어스를 억제하였고, 이와 더불어 공진기 서브-유닛의 높이에 따라 특성 임피던스가 달라지는 파형(corrugated) 구조의 저역 통과 특성을 활용함으로써 스퓨리어스 감소 폭을 더욱 강화하는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 적층 방식이 아닌 일체 형성된 단층 구조의 도파관 몸체를 구현함으로써 제작 공정을 단순화하고 그에 따른 비용과 불량률의 감소를 동시에 달성할 수 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.
10: 유전체 도파관 몸체
15, 15A, 15B, 15C, 15D: 경로 연장 구조
17A, 17B, 17C: 슬롯
20: 송신단 서브-유닛
25: 송신단 (접속 단자)
27: 송신단 기저면
30: 수신단 서브-유닛
35: 수신단 (접속 단자)
37: 수신단 기저면

Claims (20)

  1. 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체; 및
    상기 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 형성되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단 서브-유닛;을 포함하되,
    상기 유전체 도파관 몸체는 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 각각의 공진기 서브-유닛 내측에 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하여 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성하는 경로 연장 구조가 구비되며,
    상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은 송신단 및 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면을 내측으로 오목하게 형성하되, 내측으로 오목하게 형성된 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은,
    상기 송신단 및 상기 수신단이 부착된 벽면에 대향하는 벽면의 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은,
    외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 육면체형 홀(hole) 구조 또는 원통형 홀 구조 중 어느 하나를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체와 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은 서로 상이한 높이를 갖도록 구성되는, 유전체 도파관 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신단 및 수신단 서브-유닛은,
    적어도 상기 유전체 도파관 몸체보다 낮은 높이를 갖도록 구성되는, 유전체 도파관 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 각각의 공진기 서브-유닛마다 구비된 경로 연장 구조에 의해 길어진 전자기파의 통과 경로를 고려하여, 공진 주파수에 따라 요구되는 도파관의 길이보다 짧은 길이로 형성되는, 유전체 도파관 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 상기 고조파 성분이 상기 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 상기 공진기 서브-유닛의 길이를 결정하는, 유전체 도파관 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    상기 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기저면의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성되는, 유전체 도파관 필터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    도파관의 길이 방향을 가로 질러 상기 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 육면체형 홀 구조 또는 원통형 홀 구조 중 어느 하나를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    공진기 서브-유닛들의 높이를 서로 상이하게 구성함으로써 인접한 공진기 서브-유닛들이 연속적인 계단 구조를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이가 결정되는, 유전체 도파관 필터.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    상기 송신단 및 수신단 서브-유닛으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하여 상기 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지도록 구성되는, 유전체 도파관 필터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    커플링 창을 이루는 상기 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 양쪽 측면에서 대칭하여 형성되는, 유전체 도파관 필터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 몸체는,
    커플링 창을 이루는 상기 슬롯이 전자기파가 통과하는 도파관 몸체의 한쪽 측면에만 비대칭으로 형성되는, 유전체 도파관 필터.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항의 유전체 도파관 필터를 포함하는 통신 장치.
  18. 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 인접한 공진기 서브-유닛 간에 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)이 구비되어 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 상기 유전체 도파관 몸체의 말단에 각각 형성되어 유전체 도파관을 통해 전자기파를 전달하는 송신단 및 수신단을 포함하는 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법에 있어서,
    (a) 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는 단계;
    (b) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출하는 단계;
    (c) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 공진기 서브-유닛의 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 길이보다 더 길어지도록 각각의 공진기 서브-유닛 내측에 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하여 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성된 경로 연장 구조를 고려하여 상기 목표 도파관의 길이로부터 감소된 크기의 유전체 도파관 몸체의 전체 규격을 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하도록 상기 유전체 도파관 몸체 또는 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛의 높이를 결정하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면이 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는 상기 경로 연장 구조를 고려하되, 요구되는 통과 주파수 대역 이외의 고조파 성분이 감소하거나 상기 고조파 성분이 상기 통과 주파수 대역으로부터 멀어지도록 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이를 결정하는 단계; 및
    (c2) 결정된 상기 공진기 서브-유닛 각각의 길이로부터 상기 목표 도파관의 길이를 고려하여 요구되는 공진기 서브-유닛의 개수를 결정하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 유전체 도파관 몸체와 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 서로 상이한 높이를 갖도록 구성하되, 상기 송신단 및 수신단 서브-유닛이 적어도 상기 유전체 도파관 몸체보다 낮은 높이를 갖도록 결정하는 단계; 및
    (d2) 상기 송신단 및 상기 수신단으로부터 멀어질수록 공진기 서브-유닛의 높이가 점진적으로 높아지는 계단 구조를 형성하되 상기 유전체 도파관 몸체의 길이 방향의 중심 근처의 높이가 가장 높아지고, 공진기 서브-유닛들 간의 임피던스(impedence)의 차이가 유도될 수 있도록 인접하는 공진기 서브-유닛들의 높이를 결정하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
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