KR102591629B1 - 다중 모드 초고주파 필터 - Google Patents

Abstract

다중 모드 초고주파 필터가 개시된다. 일 실시예에 따른 초고주파 필터는 공진 모드를 발생시키기 위한 공동이 형성된 공진기와, 상기 공진기의 측면에 형성된 복수의 아이리스를 포함하고, 상기 공진기의 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖는다.

Description

다중 모드 초고주파 필터{MULTI-MODE MICROWAVE FILTER}

아래 실시예들은 모든 방송 또는 통신 시스템에 사용되는 초고주파 필터에 관한 것이다.

초고주파 필터 분야는 역사적으로 매우 오래 되었고 기술 성숙도가 높은 분야이다. 최근의 연구 동향은 그 크기와 무게를 작게 하거나 삽입 손실(insertion loss)을 최소화 하거나 통과대역 경계에서 주파수 선택도를 향상시키거나, 군지연을 최소화 하는 등의 연구를 포함한다. 또한 대역폭을 매우 넓게 설정하거나 매우 좁게 하는 개발 방향도 포함된다.

이러한 노력들 중에서 가장 일반적인 연구 방향은 필터의 크기와 무게를 줄이는 것이다. 최근에는 유전율이 높은 유전체를 사용하여 삽입손실도 줄이면서 필터의 크기를 줄이는 연구가 활발하다. 필터의 크기와 무게를 줄이는 다른 방법으로 필터를 구성하는 개별 공진기에서 하나의 공진만 발생하지 않고 복수의 공진이 발생하게 하여 하나의 공진기가 복수의 공진기 역할을 하게 함으로써 필터의 크기와 무게를 줄이는 방법이 있다. 일반적으로 이 방법은 유전체를 사용하는 방법에 비해 용이하다는 장점이 있다. 또한 공진 개수를 증가시킬수록 크기와 무게 감소 효과는 더욱 커지는 장점이 있다.

기존의 다중모드 필터와 관련된 발명으로 Murata Manufacturing 사의 “Multimode dielectric resonator apparatus, filter, duplexer, and communication apparatus”(US 6,433,652 B1)이 있다. 이 발명은 직육면체의 공동(cavity)에 유전체를 삽입하고 유전체의 형상을 조절하여 3개의 TE 모드와 3개의 TM 모드를 발생시키는 방법이다. TM 모드를 생성하기 위해 플레이트 형태의 유전체를 형성하고 TE 모드를 생성하기 위해 구형 유전체를 형성하여 이 두 유전체를 조립함으로써 6개의 모드를 발생시킨다는 내용이다. 구형의 유전체는 정밀하게 제작하기 어려우므로 피라미드 형태 등의 여러 가지 변형된 형태를 제안하기도 하였다. Wave electronics 사의 “Multi-mode bandpass filter”(US 2014/0320239 A1)도 상기 발명과 유사하게 직육면체 공동에 donut 모양의 유전체를 삽입하여 다중 모드를 발생시키는 필터를 제안하였다. 도넛 모양의 유전체의 일부를 제거하여 다중모드를 발생시키며 그 제거하는 양에 따라 대역폭이 결정되는 특성이 있다. 사용하는 유전체를 도넛 모양으로 함으로써 제작이 용이하고 발생하는 열이 잘 전달된다고 주장한다. 또한 육면체의 공동 형상에 변형을 가하여 다중모드를 발생시키는 방법도 제안하고 있다.

상술한 두 종류의 다중모드 필터는 유전체를 삽입하고 그 형상에 단계적 변화를 주거나 비대칭 형상이 되도록 모양을 변형시켜 다중모드를 구현하는 방식을 제안하고 있다. 이렇게 유전체를 사용하여 다중모드를 발생시키는 방식의 가장 큰 단점은 유전체 제작이 어렵고 무거우며 유전체를 공동 안에 정확하고 안전하게 고정하는 것이 어렵다는 것이다. 이러한 이유로 인해 제작 비용이 상승한다는 단점도 있다.

실시예들은 공동의 형상을 조절함으로써, 하나의 공동에서 발생할 수 있는 서로 다른 주파수를 갖는 두 모드의 공진 주파수를 서로 가깝게 하여 다중 모드를 발생시켜서 넓은 대역폭을 확보하는 초고주파 필터를 제공할 수 있다.

또한, 실시예들은 기존의 다중모드 필터와 달리 형태가 간단하고 유전체를 사용하지 않음으로써 기존에 비교하여 비용이 감소하고 무게도 감소하며 제작의 용이성도 증가할 수 있다.

일 실시예에 따른 초고주파 필터는 공진 모드를 발생시키기 위한 공동이 형성된 공진기와, 상기 공진기의 측면에 형성된 복수의 아이리스를 포함하고, 상기 공진기의 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖는다.

상기 공진기의 공동의 종단면의 종횡비는 조절될 수 있다.

상기 종단면은 상기 공진기의 측면에 평행한 방향으로의 종단면일 수 있다.

상기 종단면에서의 수평 방향의 변의 길이가 수직 방향의 변의 길이보다 작을 수 있다.

상기 공진기의 각 꼭지점에는 원통형 공동이 형성될 수 있다.

상기 초고주파 필터는 대역 통과 필터일 수 있다.

다른 실시예에 따른 초고주파 필터는 제1 공동이 형성된 제1 공진기와, 제2 공동이 형성된 제2 공진기와, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기의 측면에 형성된 아이리스를 포함하고, 상기 제1 공동 및 상기 제2 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖는다.

상기 제1 공동 및 상기 제2 공동의 종단면의 종횡비는 조절될 수 있다.

상기 종단면은 해당 공진기의 측면에 평행한 방향으로의 종단면일 수 있다.

상기 종단면에서의 수평 방향의 변의 길이가 수직 방향의 변의 길이보다 작을 수 있다.

상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기의 각 꼭지점에는 원통형 공동이 형성될 수 있다.

상기 필터는 상기 제1 공동 및 상기 제2 공동 중에서 적어도 하나에 삽입 되는 튜닝 스크류를 더 포함할 수 있다.

상기 초고주파 필터는 대역 통과 필터일 수 있다.

상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기는 직렬로 연결될 수 있다.

도 1은 원통형 공진 필터의 일 예를 나타낸다.
도 2는 원통형 공진 필터의 다른 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 원통형 공진 필터의 특성을 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 원통형 공진 필터의 특성을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 초고주파 필터의 개략적인 사시도(perspective view)를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 초고주파 필터의 특성을 나타낸다.
도 7은 도 6의 반사 영점에 따른 특성(전기장 분포)을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 초고주파 필터의 개략적인 사시도(perspective view)를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 초고주파 필터의 특성을 나타낸다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 원통형 공진 필터의 일 예를 나타내고, 도 2는 원통형 공진 필터의 다른 예를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 원통형 공진 필터는 원통형 공동(cylindrical cavity)을 형성하고 그 축방향으로 슬롯 형태의 아이리스를 결합 구조로 사용하여 구현될 수 있다.

이러한 축방향 슬롯 아이리스로 결합되는 원통형 공동 공진 필터의 기본 모드는 TE111 모드이다. 주파수가 높아짐에 따라 TE211 모드, TE011 모드, TE311 모드 등이 나타난다.

높은 품질 계수(Quality factor)를 사용하기 위해 TE011 모드를 많이 사용하는데, TE011 모드와 TE211 모드의 주파수 차이가 TE011 모드와 TE311 모드의 주파수 차이가 더 작은 특징을 보인다. TE211 모드와 TE211 모드의 주파수 차이도 TE011 모드와 TE211 모드 사이의 주파수 차이 정도를 보인다.

각 모드들의 주파수 차이는 공진 주파수를 어느 정도 유지하기 위해 그 원통형 공동의 지름과 높이를 각각 줄이고 높이거나 늘리고 낮추면, 즉 종횡비(공진기의 지름/높이)를 조절하면 조절할 수 있다. 원통형 공진 필터의 지름을 늘리고 높이를 줄이면 각 공진 모드들의 주파수 차이가 줄어든다.

도 2에서는 도 1에 비해 종횡비가 매우 큰 납작한 형태의 원통형 공진 필터를 보이고 있음을 확인할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 원통형 공진 필터의 특성을 나타내고, 도 4는 도 2에 도시된 원통형 공진 필터의 특성을 나타낸다.

도 3에서는 14.5 GHz ~ 26.0 GHz의 주파수에서 TE111, TE211, TE011 모드가 나타나고 있고, 도 4에서는 도 3과 달리 18 GHz ~ 22 GHz의 주파수 범위에서 TE111, TE211, TE011, TE311 모드가 나타나고 있다.. 또한, 도 3의 TE011 모드의 대역폭보다 도 4의 TE011 모드의 대역폭이 훨씬 좁다는 것을 확인할 수 있다.

즉, 원통형 공진 필터의 종횡비가 늘어날수록, 각 모드들의 공진 주파수가 서로 가까워지며, 각 모드의 대역폭이 좁아진다는 것이다.

도 3에서는 TE111 모드와 TE211 모드 사이의 주파수 간격이 4.836 GHz이고, 도 4에서는 TE111 모드와 TE211 모드 사이의 주파수 간격이 1.129 GHz이다. 종횡비를 키움으로써 두 모드의 주파수 차이가 크게 줄어들기는 했지만 더 이상 종횡비를 키워도 두 모드를 하나의 대역폭으로 합칠 수 없고 각 모드의 대역폭이 너무 줄어들기 때문에 최종 대역폭이 너무 좁아질 수 있다.

이로 인해, 원통형 공진 필터로는 TE111 모드와 TE211 모드를 하나의 대역폭에서 같이 사용할 수 있는 이중모드 필터(즉, 멀티모드 필터)를 구현할 수 없다.

도 5는 일 실시예에 따른 초고주파 필터의 개략적인 사시도(perspective view)를 나타내고, 도 6은 도 5에 도시된 초고주파 필터의 특성을 나타내고, 도 7은 도 6의 반사 영점에 따른 특성(전기장 분포)을 설명하기 위한 도면이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 초고주파 필터(10)는 공진 모드(resonant mode)를 발생시키기 위한 공동(cavity)이 형성된 공진기(100) 및 복수의 아이리스들(iris; 110 및 130)을 포함한다.

초고주파 필터(10)는 모든 방송 또는 통신 시스템에 사용되는 초고주파 필터일 수 있다. 초고주파 필터(10)는 통과대역폭이 매우 넓은 대역 통과 필터일 수 있다.

복수의 공진 주파수를 갖는 복수의 공진 모드가 공진기(100)의 공동에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 공진 모드는 제1 공진 주파수를 갖는 제1 모드 및 제2 공진 주파수를 갖는 제2 모드를 포함할 수 있다. 제1 모드는 TE111이고, 제2 모드는 TE211일 수 있다.

초고주파 필터(10)는 복수의 아이리스들(110 및 130)을 사용하여 입력 및 출력 포트와 결합할 수 있다. 복수의 아이리스들(110 및 130)의 길이는 서로 같을 수도 또는 상이할 수도 있다.

복수의 아이리스들(110 및 130)는 입력 아이리스 및 출력 아이리스로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 아이리스(110)가 입력 아이리스이고, 제2 아이리스(130)가 출력 아이리스인 경우, 제1 아이리스(110)는 입력 포트에 연결되고, 제2 아이리스(130)는 출력 포트에 연결될 수 있다.

입력 포트 및 출력 포트는 반대로 뒤바뀔 수 있다. 예를 들어, 제1 아이리스(110)가 출력 아이리스이고, 제2 아이리스(130)가 입력 아이리스인 경우, 제1 아이리스(110)는 출력 포트에 연결되고, 제2 아이리스(130)는 입력 포트에 연결될 수 있다.

공진기(100)의 공동은 마름모형의 공동일 수 있다. 예를 들어, 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖을 수 있다.

이때, 공동의 종단면의 종횡비는 조절될 수 있다. 공동의 종단면의 종횡비는 낮을 수 있다. 종단면에서 수평 방향의 변의 길이가 수직 방향의 변(높이)의 길이 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 공동의 종단면은 공진기(100), 즉 공동의 측면에 평행한 방향으로의 종단면을 의미할 수 있다.

마름모형 공진기(100)는 도 1 및 도 2의 원통형 공진기와 매우 유사한 특성을 보인다. 또한, 마름모 형의 공동의 종횡비를 조절함으로써, 인접한 모드들의 공진 주파수가 서로 가까워질 수 있다.

마름모 형의 공동의 종횡비를 조절함으로써, 공진기(100)에서는 TE111 모드의 공진 주파수와 TE211 모드의 공진 주파수를 충분히 서로 가깝게 만들 수 있다. 즉, 두 공진 모드가 하나의 공동에서 발생할 수 있다.

또한, 공진기(100)의 각 꼭지점에는 원통형 공간(또는 공동)이 형성될 수 있다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 4개의 반사 영점이 나타날 수 있다. 4개의 반사 영점에서의 모드를 보면, 첫 번째 반사 영점은 도 7의 (a)에서 보이는 바와 같이 TE111 모드에 매우 가까을 수 있다. 네 번째 반사 영점은 도 7의 (b)에서 보이는 바와 같이 TE211 모드에 매우 가까울 수 있다. 두 번째와 세 번째의 반사 영점은 TE111 모드와 TE211 모드의 조합된 형태를 보이고 있다.

즉, 도 6에 도시된 같이, TE111 모드와 TE211 모드의 선형적 조합으로 형성되는 모드들이 4개 발생하고 이들이 통과대역을 구성하고 있다. 도 6의 대역폭은 1.74 GHz이며 비대역폭으로는 8.7 %이다.

상술한 바와 같이, 초고주파 필터(10)는 유전체를 사용하지 않으며, 마름모형의 공동의 종횡비만을 조절함으로써 하나의 공동에서 발생할 숭 ㅣㅆ는 서로 다른 주파수를 갖는 두 모드의 공진 주파수를 서로 가깝게 하여 다중 모드를 발생시켜서 넓은 대역폭을 확보할 수 있다. 또한, 이를 통해, 초고주파 필터(10)는 크기와 무게 및 제작 비용을 줄일 수 있다.

유전체를 사용하지 않기 때문에, 초고주파 필터(10)의 제작이 용이하고 가격이 저렴하며, 초고주파 필터(10)의 공진기(100)의 높이를 낮출 수 있다.

도 8은 다른 실시예에 따른 초고주파 필터의 개략적인 사시도(perspective view)를 나타내고, 도 9는 도 8에 도시된 초고주파 필터의 특성을 나타낸다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 초고주파 필터(20)는 공진 모드(resonant mode)를 발생시키기 위한 공동(cavity)이 형성된 복수의 공진기(200-1 및 200-3) 및 복수의 아이리스들(iris; 210 및 230)을 포함한다.

도 8의 초고주파 필터(20)는 도 5의 초고주파 필터(10)와 달리 공진기를 2개 사용하여 구현된 필터이다. 각 공진기(200-1 및 200-3)는 꼭지점을 기준으로 직렬로 연결될 수 있다. 도 8의 공진기(200-1 및 200-3) 및 아이리스(210 및 230)는 도 5의 공진기(100) 및 아이리스(110 및 130)와 실질적으로 동일하며, 상세한 설명은 생략한다.

도 9에서는 7개의 반사 영점을 보이고 있지만 설계를 조금 더 튜닝하면 반사 영점을 8개까지 만들 수 있다. 각 공진기(200-1 및 200-3)에 도 5에 도시된 바와 같이 마름모의 꼭지점에 형성되어 있는 원통형 공간을 추가하거나, 적절한 위치에 튜닝 스크류를 삽입함으로써, 반사 영점을 더 만들 수 있다. 예를 들어, 튜닝 스크류는 복수의 공진기(200-1 및 200-3)의 공동 중에서 적어도 하나에 삽입될 수 있다.

도 9에서, 대역폭은 2.34 GHz이며 비대역폭으로는 11.7 %임을 확인할 수 있다. 초고주파 필터(20)는 공진기를 추가함으로써 대역폭이 증가한 것이다. 또한, 대역 경계에서의 S21의 roll-off가 도 6의 경우에 비해 더 급격하게 떨어짐을 알 수 있다.

즉, 공진기를 추가하면 대역폭을 증가시킬 수 있고 대역 경계에서의 차단 특성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

1. 공진 모드를 발생시키기 위한 공동이 형성된 공진기; 및
   상기 공진기의 측면에 형성된 복수의 아이리스
   를 포함하고,
   상기 공진기는 상기 복수의 아이리스가 형성된 꼭지점 이외의 상기 공진기의 나머지 꼭지점에 원통형 공동을 가지고,
   상기 공진기의 공동의 종단면의 종횡비는 조절되고,
   상기 공진기의 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖는 초고주파 필터.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 종단면은 상기 공진기의 측면에 평행한 방향으로의 종단면인 초고주파 필터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 종단면에서의 수평 방향의 변의 길이가 수직 방향의 변의 길이보다 작은 초고주파 필터.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 초고주파 필터는 대역 통과 필터인 초고주파 필터.
   
7. 제1 공동이 형성된 제1 공진기;
   제2 공동이 형성된 제2 공진기; 및
   상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기의 측면에 형성된 아이리스
   를 포함하고,
   상기 제1 공진기는 상기 아이리스가 형성된 꼭지점 이외의 상기 제1 공진기의 나머지 꼭지점에 원통형 공동을 가지고,
   상기 제2 공진기는 상기 아이리스가 형성된 꼭지점 이외의 상기 제2 공진기의 나머지 꼭지점에 원통형 공동을 가지고,
   상기 제1 공동 및 상기 제2 공동의 종단면의 종횡비는 조절되고,
   상기 제1 공동 및 상기 제2 공동은 마름모 형상의 횡단면을 갖는 초고주파 필터.
   
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,
   상기 종단면은 해당 공진기의 측면에 평행한 방향으로의 종단면인 초고주파 필터.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 종단면에서의 수평 방향의 변의 길이가 수직 방향의 변의 길이보다 작은 초고주파 필터.
    
11. 삭제
12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 공동 및 상기 제2 공동 중에서 적어도 하나에 삽입 되는 튜닝 스크류
    를 더 포함하는 초고주파 필터.
    
13. 제7항에 있어서,
    상기 초고주파 필터는 대역 통과 필터인 초고주파 필터.
    
14. 제7항에 있어서,
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기는 직렬로 연결된 초고주파 필터.

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