KR102498601B1 - 도파관 필터 - Google Patents

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KR102498601B1
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박종진
안영환
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주식회사 파브레인
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2084—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with dielectric resonators

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Abstract

본 발명에 따른 도파관 필터는, 소정의 통과대역을 갖도록 구성된 도파관 필터에 있어서, 소정의 비유전율을 갖는 유전체를 포함하여 이루어지는 몸체와, 상기 몸체의 적어도 일부를 내부에 둘러싸서 도파관을 형성하되, 내부의 전자파가 외부로 전파되지 않도록 차단하는 차단벽부와, 상기 차단벽부의 내부에 배치되며, 길이방향의 일단이 기준전위에 접지되고, 타단은 개방되어 개방부를 형성하는 복수의 공진기와, 상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 상기 몸체의 상부에 형성되고, 상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 위치에 개방홀이 형성되되, 상기 기준전위에 접지되는 실드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은, 필터 공진기에서의 전자파 누설로 인한 삽입손실 및 감쇄특성의 열화를 최소화하고 스퓨리어스 주파수를 높여 필터의 하모닉 특성을 개선할 뿐 아니라 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

도파관 필터{Waveguide filter}
본 발명은 도파관 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필터 공진기에서의 전자파 누설로 인한 삽입손실 및 감쇄특성의 열화를 최소화하고 스퓨리어스 주파수를 높여 필터의 하모닉 특성을 개선할 뿐 아니라 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 도파관 필터에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 시스템에서는 특정한 주파수 대역의 신호를 통과시키기 위한 대역통과필터(Band Pass Filter)가 활용되는데, 이러한 필터는 이동통신 시스템에서의 수신감도나 전력효율을 확보할 수 있을 정도로 손실이 낮을 것, 인접하는 통신시스템의 주파수 대역과의 간격의 협소화에 대응하기 위해 급격한 필터링 특성을 가질 것, 쉽게 설치하기 위하여 소형 및 경량일 것 등이 요구된다.
나아가, 5G 이동통신 시스템은 시스템의 선형성을 더 많이 요구하기 때문에, 필터의 통과대역에 인접한 주파수를 제거하는 성능이 더 중요해졌을 뿐만 아니라 다른 주파수의 영향을 최소화하기 위해 매우 높은 주파수의 시스템 잡음 지표인 스퓨리어스 성능이 더 중요해졌다.
그러나, 대역통과필터로서 기존의 도파관 필터는 1/2 파장 공진을 함으로써 필터의 사이즈가 크고, 광대역 통과대역을 구현할 시에 스퓨리어스 성분이 통과대역의 2체배 이내에서 발생하여 하모닉 특성이 좋지 않은 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 필터 공진기에서의 전자파 누설로 인한 삽입손실 및 감쇄특성의 열화를 최소화하고 스퓨리어스 주파수를 높여 필터의 하모닉 특성을 개선할 뿐 아니라 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 도파관 필터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 소정의 통과대역을 갖도록 구성된 도파관 필터에 있어서, 소정의 비유전율을 갖는 유전체를 포함하여 이루어지는 몸체; 상기 몸체의 적어도 일부를 내부에 둘러싸서 도파관을 형성하되, 내부의 전자파가 외부로 전파되지 않도록 차단하는 차단벽부; 상기 차단벽부로 둘러싸인 내부에 배치되며, 길이방향의 일단이 기준전위에 접지되고 타단은 개방되어 개방부를 형성하는 중심도체와, 상기 개방부 측에 상기 중심도체의 단면보다 더 넓게 형성되는 연장패턴을 포함하고, 자계 및 전계 결합에 의하여 1/4 파장 공진을 하는 복수의 공진기; 및 상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 상기 몸체의 상부에 형성되어 상기 기준전위에 접지되고, 상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 위치에 개방홀이 형성되되, 상기 개방홀의 내주변이 상기 연장패턴의 외주변과 소정 거리 이격되는 갭을 갖도록 형성되는 실드부를 포함하고, 상기 공진기의 중심도체와 상기 차단벽부 사이의 일부 형상은 TE, TM 전파 모드를 갖는 도파관 구조를 갖고, 통과대역의 중심주파수에서 TEM 모드로 공진하고, 상기 실드부는, 상기 공진기의 연장패턴 사이에 커패시턴스를 형성하여 상기 공진기의 개방부에서 발생한 전계를 상기 기준전위로 유입시킴으로써, 스퓨리어스 성분을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
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상기 공진기와 차단벽부로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, 상기 영역을 통하여 전파되는 전자파의 차단주파수가 상기 통과대역의 중심주파수의 2배 이상이 되도록 설정될 수 있다.
상기 공진기와 차단벽부로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, a/b가 1 이상일 수 있다.
상기 유전체의 비유전율은, 10 이하일 수 있다.
상기 유전체는, 유리, 세라믹 및 PCB 재질의 적어도 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터는, 튜닝을 위한 관통홀을 구비하고, 상기 복수의 공진기의 개방부 측을 덮도록 상기 몸체의 상부에 구비되어 상기 기준전위로 접지되는 메탈 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 관통홀의 사이즈는, 차단주파수가 상기 통과대역의 중심주파수의 2배가 되는 사이즈 이하로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터는, 상기 복수의 공진기 사이에 형성되는 아이리스 형성부에 의하여 아이리스를 형성하는 하나 이상의 아이리스부를 더 포함할 수 있다.
상기 차단벽부는, 각각이 도전체로 코팅된 복수의 비아홀을 포함하여 구성되되, 상기 복수의 비아홀의 간격은, 상기 통과대역의 중심주파수보다 더 높은 차단주파수를 갖도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터는, 상기 차단벽부의 외측에 형성되는 더미부를 더 포함하고, 상기 메탈 케이스는, 상기 더미부에 의하여 지지될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터는, 필터 공진기에서의 전자파 누설로 인한 삽입손실 및 감쇄특성의 열화를 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 스퓨리어스 주파수를 높여 필터의 하모닉 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 도파관 필터를 도시한 전체 투시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 도파관 필터의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 도파관 필터의 단면도이다.
도 4는 TE10, TM11 모드의 전파경로에 대한 등가회로이다.
도 5는 TE10, TM11 모드의 전파경로의 a, b 사이즈에 따른 스퓨리어스 주파수의 변동을 도시한 그래프이다.
도 6은 실드부의 개방홀에 의한 캡 커패시턴스를 설명하기 위한 도파관 필터의 평면도이다.
도 7은 메탈 케이스가 적용된 본 발명에 따른 도파관 필터의 전체 투시도이다.
도 8은 메탈 케이스가 적용된 후 메탈 커패시턴스를 설명하기 위한 도파관 필터의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 도파관 필터의 등가회로이다.
도 10은 메탈 케이스에 관통홀의 다양한 변형예가 적용된 도파관 필터의 평면도이다.
도 11은 관통홀의 변형예를 설명하기 위한 본 발명에 따른 도파관 필터의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관 필터의 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 도파관 필터의 다양한 변형예를 도시한 평면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
도 1은 본 발명에 따른 도파관 필터를 도시한 전체 투시도이다.
도 1에 따르면, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 소정의 통과대역을 갖도록 구성된 도파관 필터에 있어서, 소정의 비유전율을 갖는 유전체를 포함하여 이루어지는 몸체(500)와, 몸체(500)의 적어도 일부를 내부에 둘러싸서 도파관을 형성하되, 내부의 전자파가 외부로 전파되지 않도록 차단하는 차단벽부(200)와, 차단벽부(200)의 내부에 배치되며, 길이방향의 일단이 기준전위에 접지되고, 타단은 개방되어 개방부를 형성하는 복수의 공진기(100)와, 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 몸체(500)의 상부에 형성되고, 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 위치에 개방홀(410)이 형성되되, 기준전위에 접지되는 실드부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 복수의 공진기(100) 각각은, 개방부 측에 중심도체(110)의 단면보다 더 넓게 형성되는 연장패턴(120)을 더 포함하고, 실드부(400)의 개방홀(410)은, 내주변이 연장패턴(120)의 외주변과 소정 거리 이격되는 갭을 갖도록 형성된다.
복수의 공진기(100)는, 도파관 내에 중심도체(110)가 배치되고 그 중심도체(110)의 일단은 도파관을 이루는 일면(여기서는 하부 도전체(600))에 접지되어 있고 그 반대쪽 타단은 개방되어 개방부를 구성한다. 공진기(100)의 중심도체(110)에 전류가 흐르고 전류로 인한 자계와 중심도체(110)와 도파관 외벽의 전계로 인해 1/4 파장 공진을 하면 공진주파수의 4체배에서 하모닉 공진이 발생한다. 공진기(100)를 이루는 중심도체(110)를 중심으로 발생한 자계와 인접한 공진기(100)의 중심도체(110)에서 발생한 상호 인덕턴스에 의해서 자기결합 커플링이 발생한다.
본 발명에 따른 도파관 필터에서 공진기(100)의 사이즈는, 도파관을 이루는 높이가 공진기(100)의 길이가 되므로 작은 사이즈의 필터를 구성할 수 있어서 상대적으로 낮은 주파수뿐 아니라 밀리미터 웨이브의 고주파수에도 적용하는 것이 가능하다. 또한, 공진기(100) 각각은, 개방부 측에 중심도체(110)의 단면보다 더 넓게 형성되는 연장패턴(120)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 연장패턴(120)에 의하여 공진기(100)의 길이가 더 길어지는 효과가 있으므로 공진기(100)의 개방부 측에 연장패턴(120)을 형성함으로써 동일한 통과대역에 대하여 공진기(100)의 중심도체(110)의 길이를 더 작게 할 수 있다.
차단벽부(200)는, 내부에 유전체의 일부를 둘러싸서 내부의 전자파가 외부로 새어나가지 않도록 도파관 구조를 형성한다. 여기에서, 차단벽부(200)는 몸체(500)의 측면을 도전체로 코팅하여 형성할 수도 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이, 몸체(500)의 측면을 따라 소정 간격으로 배치되는 비아홀로 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이 차단벽부(200)가 비아홀로 구성되는 경우에는 비아홀 간의 간격은 필터의 필요한 주파수 특성에 맞게 설정될 수 있다. 비아홀 사이의 거리가 더 좁을수록 비아홀 사이를 통과하지 못하는 차단주파수가 더 높아진다. 따라서, 필터에서 필요한 주파수 성분은 누설되지 않고 차단되도록 비아홀 간격을 설정할 수 있다. 예를 들어, 90GHz까지 필터 특성을 보증할 필요가 있다면 차단벽부(200)의 비아홀 사이를 통과하지 못하는 차단주파수가 90GHz 이상이 되도록 비아홀 간격을 설정할 수 있다. 이를 통하여 90GHz 이하의 주파수에서는 비아홀 사이를 통해서 누설되는 주파수 성분이 없기 때문에 필터의 공진을 구성하는 전자기장의 손실없이 필터를 구현할 수 있고, 전자기장의 손실이 없기 때문에 삽입손실, 감쇄특성 및 스퓨리어스 성분의 열화 없이 필터 특성을 구현하는 것이 가능하게 된다.
이상에서, 차단벽부(200)를 비아홀로 형성하는 구조에서 비아홀 사이를 통과할 수 있는 주파수는 공지된 직각도파관의 차단주파수 공식에 의하여 결정되는바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
실드부(400)는, 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 부분, 즉 도 1에 도시된 구조에 따르면 몸체(500)의 상부에 형성되어 기준전위에 접지될 수 있다. 또한, 실드부(400)는, 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 위치에 개방홀(410)이 형성되되, 개방홀(410)의 내측 테두리는 공진기(100)에 형성된 연장패턴(120)의 외측 테두리와 소정 거리만큼 이격되는 갭을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터와 같이 1/4 파장 공진을 하는 공진기(100)는 중심도체(110)의 일단은 전기적으로 서로 단락되어 기준전위에 접지되고, 반대되는 타단은 개방되어 개방부를 형성한다. 이러한 구조의 도파관 필터에서는 개방된 공진기(100) 사이에 자계 결합 전계 결합이 발생하고, 공진기(100)에서 발생한 자계와 전계가 상호 병렬로 연결되어 공진을 하게 된다.
이때, 공진기(100)에서 발생한 자계가 공진기(100)의 개방부를 뚫고 나와 누설되어 기생공진을 발생시키고, 공진기(100)의 Q값을 저하 시키는 원인이 된다. 또한, 공진기(100) 간 결합되는 전계성분 및 개방된 공진기(100)를 통해서 방출된 전계가 고차모드 전자계 결합을 하여 필터의 감쇄특성 및 스퓨리어스 특성을 열화시키는 원인이 될 수 있다. 특히, 밀리미터 웨이브 주파수에서는 파장이 짧아서 필터의 공진기(100) 개방부에 아주 작은 공간이 있더라도 전계의 전파가 쉽게 일어나 기생공진이 심각하게 발생하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 공진기(100)의 개방부를 접지된 도전체를 이용하여 전면을 감싸는 형상을 갖는 실드부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로, 전계 성분은 가장 가까운 도체로 가려는 성질이 있으므로, 공진기(100)의 개방부에 소정 거리만큼 이격되는 갭을 갖도록 매우 가깝게 실드부(400)를 형성하여 기준전위에 접지하면, 공진기(100)의 개방부에서 발생한 전계가 접지된 실드부(400)로 대부분 유입되므로 필터 몸체(500) 외부로 방출되는 전자계 성분이 최소화되어 높은 품질의 Q값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 기생공진을 최소화 할 수 있다.
또한, 공진기(100)의 개방부와 실드부(400) 사이에 생성되는 커패시턴스로 인해 높은 주파수 성분일수록 실드부(400)로 더 빠져나가 필터의 구조로 인해 불가피하게 발생하는 스퓨리어스 성분을 최소화 할 수 있다. 즉, 병렬 커패시턴스를 설치한 효과로 인하여 더욱 공진 주파수를 낮게 하면서 저역통과필터 효과를 추가하여 스퓨리어스 성분을 더욱 제거하는 효과를 갖는다.
이때, 공진기(100)의 연장패턴(120)과 실드부(400)의 갭은, 본 발명의 도파관 필터를 밀리미터 웨이브에 적용하는 경우에 0.3mm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 갭을 0.2mm 이하로 하여 공진기(100) 개방부에서 필터의 몸체(500) 외부로 방출되는 전자계를 최소화할 수 있다.
일반적으로, RF 필터는, 전파 형태에 따라 정의하는 TEM 모드, TE 모드, TM 모드 등의 다양한 형태의 전자계 성분으로 구분된다. 즉, 필터 내의 유전체 및 도파관의 구조에 따라 TEM, TE10, TE01, TE11, …, TM10, TM01, TM11, TM02 등 수많은 전파 모드가 존재할 수 있고, 의도치 않은 전자기 모드는 통과대역 외에 스퓨리어스(불요발사) 주파수 성분을 발생시키기도 한다.
본 발명에 따른 도파관 필터는, 공진기(100)의 중심도체(110)와 전자계 차단 및 공진벽을 형성하기 위한 차단벽부(200) 사이의 일부 형상이 TE, TM 모드로 전파되는 도파관 구조가 되고, 공진기(100)와 차단벽부(200) 사이를 통과하는 TE10 모드가 스퓨리어스 성분 주파수로 가장 먼저 발생한다.
본 발명의 도파관 필터는, 위 형상에 발생하는 차단주파수를 더 높일 수 있는 구조로서 차단주파수를 더 높여서 통과대역의 2체배 이상에서 스퓨리어스가 발생하도록 하여 필터의 하모닉 특성을 개선 시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 도파관 필터의 평면도이고, 도 3은 도파관 필터의 단면도이고, 도 4는 TE10, TM11 모드의 전파경로에 대한 등가회로이다.
도 2를 참조하면, 공진기(100)의 중심도체(110)와 차단벽부(200) 사이의 일부 형상이 TE, TM 모드로 전파되는 도파관 구조가 되어 스퓨리어스 성분 전파경로(SP)가 형성되고, 공진기(100)와 차단벽부(200) 사이를 통과하는 TE10 모드가 스퓨리어스 성분 전파경로(SP)를 따라 전파되어 스퓨리어스 성분 주파수로 가장 먼저 발생한다.
도 3에 도시된 본 발명의 도파관 필터의 단면도를 참조하면, 입력단자(310)에서 출력단자(320)로 전달되어 스퓨리어스를 야기하는 TE10 및 TM11 모드의 성분은, 공진기(100)와 차단벽부(200)로 구획되고 높이 a 및 폭 b로 정의되는 영역을 통하여 전파된다.
이때, 공진기(100)와 차단벽부(200)로 구획되는 a-b면은 직각도파관 형상이 되므로 해당 영역을 통하여 스퓨리어스 성분 전파경로(SP)를 따라 전파되는 TE10 및 TM11 모드에 대해서 a-b면은 도 4에 도시된 것과 같은 등가 T회로로 표현될 수 있다.
필터의 통과대역의 공진주파수로 공진하는 TEM 모드를 이용한 주파수는 a-b면을 통하여 전파가 이루어지지 않도록 높이 a 및 폭 b가 설정된다. 폭 b가 클수록 공진기(100)의 중심도체(110)에서 발생한 자계가 차단벽부(200)로 흡수되는 손실이 작아지고 공진기(100)의 Q값이 높아져 더 좋은 삽입손실 특성을 얻을 수 있으나, 차단주파수가 낮아져서 이 영역을 통과하는 스퓨리어스를 증가시키는 원인이 될 수 있고, 폭 b가 좁을수록 TE10, TM11 등의 차단주파수가 더 높게 형성되어 스퓨리어스 성분을 억제하여 필터의 하모닉 요구성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 공진기(100)와 차단벽부(200)로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, 해당 영역을 통하여 전파되는 TE10, TM11 등의 차단주파수가 통과대역의 중심주파수의 2배 이상이 되도록 설정될 수 있다. 더욱 상세하게는, 공진기(100)와 차단벽부(200)로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, a/b가 0.7 이상이 되도록 설정되거나, 더욱 바람직하게는 a/b가 1 이상이 되도록 설정될 수 있다.
필터의 몸체(500)를 이루는 유전체는, 유전율이 높을수록 차단주파수가 낮아진다. 다시 말하면, 유전율이 높은 재료를 유전체로 사용할수록 같은 폭 b에 대하여 a-b 영역을 통과하는 주파수가 낮아져서 스퓨리어스를 열화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 도파관 필터를 밀리미터 웨이브에 적용하는 경우에는 유전체를 비유전율이 10 이하인 재료로 사용하여 차단주파수가 낮아지도록 하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 밀리미터 웨이브에 적용되는 유전체는, 유리, 세라믹 및 PCB 재질, 또는 적어도 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있다. 여기에서, PCB 재질은 페놀, 에폭시 및 불소수지, 또는 그 조합에서 선택될 수 있다.
도 5는 TE10, TM11 모드의 전파경로의 a, b 사이즈에 따른 스퓨리어스 주파수의 변동을 도시한 그래프이다.
도 5에서 일점쇄선은 요구되는 필터 특성이고, fo는 TEM 모드에서 공진하는 필터 통과대역의 중심주파수이고, f1은 통과대역 중심주파수의 2체배 주파수이고, 실선 및 점선의 화살표는 TE10 및 TM11 모드로 전파되는 스퓨리어스 성분을 나타낸다.
도 5에 따르면, 공진기(100)와 차단벽부(200)로 구획되고 높이 a 및 폭 b로 정의되는 영역을 통하여 전파되는 TE, TM모드 성분은, a/b 비율이 커질수록 차단주파수는 더 높아지는 것을 알 수 있다. 밀리미터 웨이브에 대하여 a/b 비율이 1일 때보다 1.1일 때 더 높은 주파수에서 스퓨리어스가 발생하게 되어 필터의 요구되는 성능을 만족할 수 있다.
도 5에는 a/b 비율이 1.1 이상일 때 스퓨리어스 성분이 필터 특성을 만족하는 것으로 도시되어 있으나, 유전체의 유전율을 더욱 낮추게 되면, a/b가 1 이상, 더 나아가 0.7 이상일 경우에도 스퓨리어스 성분이 필터 특성을 만족하도록 구성할 수 있다.
도 6은 실드부(400)의 개방홀(410)에 의한 캡 커패시턴스를 설명하기 위한 도파관 필터의 평면도이다.
도 6에 따르면, 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 부분, 즉 필터 몸체(500)의 상부에 기준전위에 접지되는 실드부(400)가 형성될 수 있고, 실드부(400)에는 복수의 공진기(100)의 개방부에 대응하는 위치에 공진기(100)의 연장패턴(120)과 소정 거리만큼 이격되는 갭을 갖는 개방홀(410)이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 필터와 같이 1/4 파장 공진을 하는 공진기(100)는 개방된 공진기(100) 사이에 자계 결합 전계 결합이 발생하고, 공진기(100)에서 발생한 자계와 전계가 상호 병렬로 연결되어 공진을 하게 되는데 공진기(100)에서 발생한 자계가 공진기(100)의 개방부를 뚫고 나와 누설되어 기생공진을 발생시키고, 공진기(100)의 Q값을 저하 시키는 원인이 된다. 또한, 공진기(100) 간 결합되는 전계성분 및 개방된 공진기(100)를 통해서 방출된 전계가 고차모드 전자계 결합을 하여 필터의 감쇄특성 및 스퓨리어스 특성을 열화시키는 원인이 될 수 있다.
일반적으로, 전계 성분은 가장 가까운 도체로 가려는 성질이 있으므로, 공진기(100)의 개방부에 소정 거리만큼 이격되는 갭을 갖도록 매우 가깝게 실드부(400)를 형성하여 기준전위에 접지하면, 공진기(100)의 개방부에서 발생한 전계가 접지된 실드부(400)로 대부분 유입되므로 필터 몸체(500) 외부로 방출되는 전자계 성분이 최소화되어 높은 품질의 Q값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 기생공진을 최소화할 수 있다.
이때, 밀리미터 웨이브에 적용되는 경우에 있어서 공진기(100)의 연장패턴(120)과 실드부(400)의 갭은 0.3mm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 갭을 0.2mm 이하로 하여 공진기(100) 개방부에서 필터의 몸체(500) 외부로 방출되는 전자계를 최소화할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관 필터는 제1 내지 제6 공진기(R1~R6)를 포함하는 구성으로 예시되어 있고, 실드부(400)에 형성된 개방홀(410)과 제 1내지 제6 공진기(100) 각각의 연장패턴(120) 사이의 갭에 의하여 제1 내지 제6 갭 커패시턴스(Cgap1~Cgap6)가 형성될 수 있다.
이와 같이, 공진기(100)의 연장패턴(120)과 실드부(400) 사이에 생성되는 커패시턴스로 인해 높은 주파수 성분일수록 실드부(400)로 더 빠져나가 필터의 구조로 인해 불가피하게 발생하는 스퓨리어스 성분을 최소화할 수 있다. 즉, 제1 내지 제6 갭 커패시턴스(Cgap1~Cgap6)가 병렬 커패시턴스로 설치된 효과에 의하여 더욱 공진 주파수를 낮게 하면서 저역통과필터 효과를 추가하여 스퓨리어스 성분을 더욱 제거하는 효과를 갖는다.
도 7은 메탈 케이스(700)가 적용된 본 발명에 따른 도파관 필터의 전체 투시도이고, 도 8은 메탈 케이스(700)가 적용된 후 메탈 커패시턴스를 설명하기 위한 도파관 필터의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 튜닝을 위한 관통홀(710)을 구비하고, 복수의 공진기(100)의 개방부 측을 덮도록 몸체(500)의 상부에 구비되 메탈 케이스(700)를 더 포함할 수 있다. 이때, 메탈 케이스(700)는 공진기(100)의 개방부에서 누설되는 전자계가 외부로 전파되는 것을 차단하기 위하여 기준전위로 접지되는 구성일 수 있고, 관통홀(710)의 사이즈는, 차단주파수가 통과대역의 중심주파수의 2배 이상이 되는 사이즈로 설정될 수 있다.
공진기(100)의 개방부 측에 실드부(400)를 형성하여 필터 몸체(500) 외부로 방출되는 전자계 성분이 최소화하더라도 미세한 누설 및 외부 영향에 의한 필터 특성 변화를 방지하기 위해 필터의 개방부를 덮어 실드할 수 있는 메탈 케이스(700)를 적용하는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 차단벽부(200)의 외측에 형성되는 더미부(510)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 더미부(510)는 유전체로부터 차단벽부(200)의 외측으로 연장되어 형성될 수 있고, 메탈 케이스(700)는, 공진기(100) 개방부의 상부에 배치되되, 더미부(510)에 의하여 지지되는 구성일 수 있다. 이러한 구성을 통하여, 밀리미터 웨이브에 적용되는 도파관 필터에 있어서 필터의 사이즈가 작아지더라도 메탈 케이스(700)의 폭을 크게 할 수 있으므로 제작하여 적용하기가 수월해진다.
그러나 위와 같이 메탈 케이스(700)를 적용함에 있어서 필터에서 다루는 주파수가 매우 높기 때문에 메탈 케이스(700)를 설치하는 공차에 의해 일정한 필터 특성을 얻는 것은 쉽지 않다. 도 8에 도시된 바와 같이 메탈 케이스(700)를 설치 시에 공진부의 개방부와 메탈 케이스(700) 사이의 전계 결합에 의하여 기생 커패시턴스, 즉 메탈 커패시턴스가 발생하기 때문이다.
따라서, 메탈 케이스(700)에 의한 필터 특성 변화를 최소화하기 위하여 공진기(100)의 개방부와 메탈케이스와의 이격거리를 공진기(100)의 연장패턴(120)과 실드부(400) 사이의 갭보다 크게, 예컨대 3배 이상으로 함으로써 메탈케이스 설치로 인한 커패시턴스 변화의 영향을 거의 받지 않도록 하여 메탈 케이스(700) 설치를 용이하게 하는 것을 고려할 수 있다.
메탈 케이스(700)의 관통홀(710)은, 필터의 대량 생산과정에 발생하는 각종 공정 편차에 의해 필터의 특성이 상하로 쉬프트되거나 미스매칭(mismatching)이 발생할 경우에 공진기(100)의 상부에 위치한 메탈 케이스(700)에 형성된 관통홀(710)의 개구 면적, 방향 또는 높이를 조정하는 방식으로 메탈 커패시턴스 성분을 조정하여 필터 주파수를 튜닝할 수 있다.
관통홀(710)은, 차단주파수가 필터 통과대역의 중심주파수의 2배 이상이 되도록 하는 사이즈로 설정될 수 있다. 다시 말하면, 통과대역의 적어도 2체배 이하의 주파수 성분은 관통홀(710)을 통과하지 못하도록 관통홀(710)의 크기는 정해질 수 있다.
직각 도파관 및 원형 도파관의 경우 그 단면적이 작을수록 그 개구를 통과하지 못하는 주파수는 더욱 높아진다. 메탈 케이스(700)에 관통홀(710)을 형성하고 관통홀(710)의 사이즈를 통과대역의 주파수의 전자계 성분은 통과하지 못하도록 하면 관통홀(710)이 존재하더라도 필터 외부의 어떠한 환경에도 영향을 받지 못하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 관통홀(710)은 스퓨리어스가 발생하는 주파수보다 낮은 주파수는 통과하지 못하도록 그 사이즈를 설정하는 것이 바람직하다.
이를 통하여, 관통홀(710)이 있더라도 외부의 영향에 의해 필터 내부의 전자계가 영향을 받지 않아 필터를 어떠한 시스템에 장착하더라도 안정적인 성능을 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 도파관 필터의 등가회로이다.
도 9는 실드를 위한 메탈 케이스(700)를 포함한 6폴(pole) 대역통과 필터를 예시하고 있으며, 필터 특성에 따라서 구성하는 폴 및 소자의 숫자는 달라질 수 있음은 당연하다. 도 9에 따르면, 박스1(Box 1)로 표시된 부분은 필터의 통과대역에서 TEM 모드에 대한 등가회로이며, 박스2(Box 2)로 표시된 부분은 필터 구조로 인하여 스퓨리어스를 발생시키는 TE, TM 모드에 대한 등가회로이다.
제1 내지 제6 메탈 커패시턴스(Cmetal1~Cmetal6)는 메탈 케이스(700)와 공진기(100) 개방부 사이에서 발생하는 전계로 인한 커패시턴스이고, 제1 내지 제6 갭 커패시턴스(Cgap1~Cgap6)는 공진기(100) 개방부의 연장패턴(120)과 그 주위를 둘러싸는 실드부(400)의 개방홀(410) 사이에 발생하는 전계로 인한 커패시턴스이고, M1 내지 M5는 제1 내지 제6 공진기(R1~R6) 사이의 자계의 상호결합에 의한 인덕턴스로서 공진기(100) 사이가 가까울수록 상호결합은 커지고 이로 인하여 통과대역이 더 넓어지는 효과가 있다.
도 10은 메탈 케이스(700)에 관통홀(710)의 다양한 변형예가 적용된 도파관 필터의 평면도, 도 11은 관통홀(710)의 변형예를 설명하기 위한 도파관 필터의 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 메탈 케이스(700)에 형성된 관통홀(710)의 크기 및/또는 높이를 조정함으로써 필터의 특성을 튜닝할 수 있다.
도 10에 따르면, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 메탈 케이스(700)에 형성된 관통홀(710)의 일부를 제거하여 메탈 커패시턴스 양을 줄임으로써 해당 관통홀(710)에 대응하는 공진기(100)의 주파수를 더 높이거나, 미스매치를 개선하여 필터 특성을 개선할 수 있다. 다만, 메탈 커패시턴스를 조절하기 위해서 변형된 관통홀(710)의 면적은 통과대역의 중심주파수보다 적어도 2배 이상에서 차단 주파수가 발생하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
도 11(a)에 따르면, 메탈 케이스(700)의 관통홀(710)의 에지 부분을 포함한 일부를 공진기(100)의 개방부와 멀어지게 형상을 변경하여 메탈 커패시턴스 양을 줄임으로써 해당 관통홀(710)에 대응하는 공진기(100)의 주파수를 더 상향조정하거나, 미스매치를 개선하여 필터 특성을 개선할 수 있다. 다만, 이 경우라도 형상이 변형된 관통홀(710)의 면적은 통과대역의 중심주파수보다 적어도 2배 이상에서 차단 주파수가 발생하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
도 11(b)에 따르면, 메탈 케이스(700)의 관통홀(710)의 에지 부분을 포함한 일부를 공진기(100)의 개방부와 가까워지게 형상을 변경하여 메탈 커패시턴스 양을 늘림으로써 해당 관통홀(710)에 대응하는 공진기(100)의 주파수를 더 하향조정하거나, 미스매치를 개선하여 필터 특성을 개선할 수 있다. 다만, 이 경우라도 형상이 변형된 관통홀(710)의 면적은 통과대역의 중심주파수보다 적어도 2배 이상에서 차단 주파수가 발생하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관 필터의 평면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관 필터는, 복수의 공진기(100) 사이에 아이리스를 형성하는 하나 이상의 아이리스부(800)를 더 포함하여 구성될 수 있고, 아이리스부(800)는 복수의 공진기(100) 사이에서 대향하는 차단벽부(200)의 폭을 내측으로 좁히는 아이리스 형성부(810)에 의하여 형성될 수 있다.
아이리스부(800)는, 아이리스 역할을 하는 아이리스 형성부(810)에 의하여 형성되는 유도성 T 회로망을 통해 공진기(100) 간에 상호 자계 결합량을 조절하여 통과대역의 폭을 조절할 수 있다. 즉, 아이리스 형성부(810)의 거리가 넓어질수록 유도성 T 회로망을 구성하는 리액턴스 값이 작아져서 필터의 통과대역 폭은 넓어지나, 아이리스를 통과하지 못하는 차단주파수는 낮아지고, 아이리스 형성부(810)의 거리가 좁아지면 그 반대가 된다.
아이리스 형성부(810)의 설치 위치와 폭을 적절하게 조절하면, 아이리스 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 도 12에 도시된 바와 같이 TE, TM 모드로 스퓨리어스 성분 전파경로(SP)를 통해 전파되는 성분이 통과하는 부분적 도파관 생성 면적을 줄일 수 있으므로 스퓨리어스 성분을 더 높은 주파수에서 발생하도록 개선할 수 있다.
아이리스 형성부(810)는 도 12에 도시된 것처럼 홀 내부가 도전체로 코팅된 비아홀 형태로 구성될 수 있으나, 몸체(500)의 측면을 따라 도전체면으로 코팅된 차단벽부(200)의 일부가 몸체(500) 내부로 함몰되는 형태로 형성하는 것도 가능하다.
도 13은 본 발명에 따른 도파관 필터의 다양한 변형예를 도시한 평면도이다.
도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 차단벽부(200)를 원형 또는 각형으로 형성하여 아이리스를 구성할 수 있다. 이때, 차단벽부(200)는 몸체(500)의 측면을 따라 코팅된 도전체면으로 형성하거나, 내부가 도전체로 코팅된 비아홀을 소정의 간격으로 몸체(500)의 측면을 따라 배치하여 형성할 수도 있다.
또한, 도 13(c)를 참조하면, 차단벽부(200)를 일자가 아닌 들쑥날쑥한 형상으로 형성할 수도 있다. 이를 통하여 아이리스를 형성하거나, 공진기(100)와 차단벽부(200)에 의하여 구획되는 TE, TM 모드 전파 영역을 조절하여 스퓨리어스 성분의 주파수를 조정할 수도 있다. 이때, 차단벽부(200)는 몸체(500)의 측면을 따라 코팅된 도전체면으로 형성하거나, 내부가 도전체로 코팅된 비아홀을 소정의 간격으로 몸체(500)의 측면을 따라 배치하여 형성할 수도 있다.
상술한 구성을 통하여, 본 발명에 따른 도파관 필터는, 필터 공진기에서의 전자파 누설로 인한 삽입손실 및 감쇄특성의 열화를 최소화하고 스퓨리어스 주파수를 높여 필터의 하모닉 특성을 개선할 뿐 아니라 공정 오차에 대하여 필터 주파수 및 임피던스를 손쉽게 미세조정하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서는, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예를 기초로 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 공진기 110: 중심도체
120: 연장패턴 200: 차단벽부
310: 입력단자 320: 출력단자
400: 실드부 410: 개방홀
500: 몸체 510: 더미부
600: 하부 도전체 700: 메탈 케이스
710: 관통홀 800: 아이리스부
810: 아이리스 형성부
SP: 스퓨리어스 성분 전파경로
R1~R6: 제1 내지 제6 공진기
Cgap1~Cgap6: 제1 내지 제6 갭 커패시턴스
Cmetal1~Cmetal6: 제1 내지 제6 메탈 커패시턴스

Claims (11)

  1. 소정의 통과대역을 갖도록 구성된 도파관 필터에 있어서,
    소정의 비유전율을 갖는 유전체를 포함하여 이루어지는 몸체;
    상기 몸체의 적어도 일부를 내부에 둘러싸서 도파관을 형성하되, 내부의 전자파가 외부로 전파되지 않도록 차단하는 차단벽부;
    상기 차단벽부로 둘러싸인 내부에 배치되며, 길이방향의 일단이 기준전위에 접지되고 타단은 개방되어 개방부를 형성하는 중심도체와, 상기 개방부 측에 상기 중심도체의 단면보다 더 넓게 형성되는 연장패턴을 포함하고, 자계 및 전계 결합에 의하여 1/4 파장 공진을 하는 복수의 공진기; 및
    상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 상기 몸체의 상부에 형성되어 상기 기준전위에 접지되고, 상기 복수의 공진기의 개방부에 대응하는 위치에 개방홀이 형성되되, 상기 개방홀의 내주변이 상기 연장패턴의 외주변과 소정 거리 이격되는 갭을 갖도록 형성되는 실드부를 포함하고,
    상기 공진기의 중심도체와 상기 차단벽부 사이의 일부 형상은 TE, TM 전파 모드를 갖는 도파관 구조를 갖고,
    통과대역의 중심주파수에서 TEM 모드로 공진하고,
    상기 실드부는, 상기 공진기의 연장패턴 사이에 커패시턴스를 형성하여 상기 공진기의 개방부에서 발생한 전계를 상기 기준전위로 유입시킴으로써, 스퓨리어스 성분을 감소시키는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기와 차단벽부로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, 상기 영역을 통하여 전파되는 전자파의 차단주파수가 상기 통과대역의 중심주파수의 2배 이상이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공진기와 차단벽부로 구획되는 영역의 높이 a 및 폭 b는, a/b가 1 이상인 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 비유전율은, 10 이하인 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체는, 유리, 세라믹 및 PCB 재질의 적어도 하나 이상의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    튜닝을 위한 관통홀을 구비하고, 상기 복수의 공진기의 개방부 측을 덮도록 상기 몸체의 상부에 구비되어 상기 기준전위로 접지되는 메탈 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 관통홀의 사이즈는, 차단주파수가 상기 통과대역의 중심주파수의 2배가 되는 사이즈 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 공진기 사이에 형성되는 아이리스 형성부에 의하여 아이리스를 형성하는 하나 이상의 아이리스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 차단벽부는, 각각이 도전체로 코팅된 복수의 비아홀을 포함하여 구성되되,
    상기 복수의 비아홀의 간격은, 상기 통과대역의 중심주파수보다 더 높은 차단주파수를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 차단벽부의 외측에 형성되는 더미부를 더 포함하고,
    상기 메탈 케이스는, 상기 더미부에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 도파관 필터.
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