KR102674497B1

KR102674497B1 - 도파관 필터

Info

Publication number: KR102674497B1
Application number: KR1020160176317A
Authority: KR
Inventors: 나인호
Original assignee: 주식회사 케이엠더블유
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2024-06-13
Also published as: KR20180072977A

Abstract

본 발명은 도파관 필터에 있어서; 공기(air)로 채워진 적어도 하나의 도파관 형태의 공진단에 대응되는 캐비티를 형성하기 위해, 캐비티의 측면 및 상부에 해당하는 부위를 형성하는 금속 캡 형태로 구현되는 캐비티 파트와; 캐비티 파트의 하측에서 캐비티 파트와 접합되며, 캐비티 파트의 신호 입출력을 위해 PCB(Printed Circuit Board) 기판 구조의 입력 포트 및 출력 포트를 형성하는 기판 파트와; 캐비티 파트의 상측의 적어도 하나의 공진단에 대응되는 부위에서 상기 캐비티 파트의 내부로 밀려들어가는 함몰 부위를 형성하는 적어도 하나의 도트핀(dot peen) 구조를 포함한다.

Description

도파관 필터{WAVEGUIDE FILTER}

본 발명은 이동통신 시스템이나, 위성 통신 시스템, 레이더 시스템 등에서 무선 신호 처리를 위해 사용될 수 있는 무선 주파수 필터에 관한 것으로, 특히 도파관 필터에 관한 것이다.

[사사표기]

본 연구는 미래창조과학부 '범부처 Giga KOREA 사업'의 지원을 받아 수행하였음(고유과제번호: 1711021003, 세부과제번호: GK16NI0100)[This work was supported by 'The Cross-Ministry Giga KOREA Project' grant from the Ministry of Science, ICT and Future　Planning, Korea.]

최근 들어, 이동통신 시스템에서는 IoT(Internet of Things), V2X(Vehicle to X), 홀로그램 등 다양한 첨단 서비스를 제공하기 위하여, 보다 높은 전송 용량을 요구한다. 이에 따라, 이동통신 시스템에서 더 많은 대역폭이 요구되고 있으나, 기존 마이크로파(microwave) 대역에서는 대역폭의 한계로, 요구되는 전송용량을 수용하기가 곤란하게 되었다. 따라서, 최근 이동통신 시스템에서는 한정된 주파수 자원에서 이를 극복하기 위해 밀리미터 단위의 파장을 갖는 밀리미터파(Millimeter Wave)를 활용하는 기술이 대두되고 있다. 실제로 최근 논의되고 있는 차세대 5G 시스템에서는 28GHz 또는 60GHz 등의 밀리미터파를 활용한 스몰셀 백홀 시스템(Small cell backhaul system)이 적용될 예정이다.

이러한 밀리미터파 신호를 처리하기 위해서는, 기존 마이크로파 대역에서 주로 사용되는 일명 ‘콤라인(come-line)’ 구조의 필터보다는, 레이더 시스템이나 위성 통신 등의 기술 분야에 주로 사용하던 도파관 필터(waveguide filter)를 사용함이 보다 유리하다. 도파관 필터는 높은 주파수 대역에서 손실 특성이 우수하며 콤라인 구조의 필터보다 구현이 용이하다.

도파관 필터는 차폐된 공간, 즉 도파관 구조 자체의 의한 공진 현상을 이용하여 도파관을 통해 에너지를 전송하는 필터로서, 대략 관 형태의 도파관이 해당 필터링 주파수 특성에 대응되는 길이를 갖도록 설계된다. 이러한 도파관 필터는 도파관을 채우는 유전체에 따라 그 종류 및 사용 용도를 구분할 수 있다.

도파관이 공기(air)로 채워진 일명, ‘캐비티 타입’ 도파관 필터는. 통상 내부가 빈 금속 블록 구조를 가지는데, 유전체 손실이 가장 적고 전송 특성이 우수하여 고성능 구현이 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 도파관들 사이의 연결을 위한 플랜지(flange) 구조(예를 들어, 57GHz~66GHz의 일명, ‘V-대역’에서는 표준 도파관 플랜지인 'WR-15' 구조 사용)가 요구되어 그 사이즈가 비교적 크다. 또한, 통상 PCB(Printed Circuit Board)형태로 구현되는 다른 전자 장비들과 결합하기 위해서는, 별도의 모드 변환(mode transition) 구조(예를 들어, TE 또는 TM 모드를 TEM 모드로 변환)가 요구된다. 상기 캐비티 타입 도파관 필터에 관한 기술의 예로는, 미국 특허 공개번호 제2003/0206082호(명칭: “WAVEGUIDE FILTER WITH REDUCED HARMONICS", 발명자: "Ming Hui Chen", "Wei-Tse Cheng", 공개일: 2003년 11월 6일)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.

한편, 도파관이 공기 외의 다른 유전체로 채워진 도파관 필터는 도파관이 세라믹으로 구현된 세라믹 도파관 필터와, PCB 타입의 기판에 다수의 비아홀(via hole)의 배치 구조를 통해 의사(pseudo) 도파관을 형성하여 구현된 SIW(Substrate Integrated Waveguide) 타입의 도파관 필터 등이 있을 수 있다. 이러한 SIW 타입의 도파관 필터는 PCB 구조를 가지며 CPW(Coplanar Waveguide) 포트 등으로 입출력 포트를 구현할 수 있어서, 별도의 모드 변환 구조 없이 PCB 형태로 구현되는 다른 전자 장비들과 간단히 연결할 수 있으며, 크기가 작고 제작비용이 낮은 장점을 가진다. 그러나, 유전체 손실 및 방사 손실로 인한 손실이 크며 전송 특성이 좋지 않아 고성능 구현이 어렵다. 상기 SIW 타입의 필터에 관한 기술의 예로는, 미국 특허번호 제8,130,063호(명칭: “WAVEGUIDE FILTER", 발명자: "Xiao-Ping Chen", "Ke Wu", "Dan Drolet", 특허일: 2012년 3월 6일)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.

이와 같이, 도파관 필터는 다양한 구조가 제안되고 있는데, 보다 간단하며, 소형이면서도 고성능을 갖도록 하기 위해 부단한 연구가 이루어지고 있다.

본 발명의 적어도 일부 실시예에 따르면, 밀리미터파를 처리하는 도파관 필터에서, 보다 간단하며 더욱 소형으로 구현할 수 있으며, 고성능을 가지도록 할 수 있는 구조를 제안한다.

본 발명의 적어도 일부 실시예에 따르면, 밀리미터파를 처리하는 소형화된 도파관 필터에서 특성 튜닝 구조를 구비할 수 있는 구조를 제안한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 도파관 필터에 있어서; 공기(air)로 채워진 도파관 형태의 적어도 하나의 공진단에 대응되는 캐비티를 형성하기 위해, 상기 캐비티의 측면 및 상부에 해당하는 부위를 형성하는 금속 캡 형태로 구현되는 캐비티 파트와; 상기 캐비티 파트의 하측에서 상기 캐비티 파트와 접합되며, 상기 캐비티 파트의 신호 입출력을 위해 PCB(Printed Circuit Board) 기판 구조의 입력 포트 및 출력 포트를 형성하는 기판 파트와; 상기 캐비티 파트의 상측에서 상기 적어도 하나의 공진단에 대응되는 부위에서 상기 캐비티 파트의 내부로 밀려들어가는 함몰 부위를 형성하는 적어도 하나의 도트핀(dot peen) 구조를 포함함을 특징으로 한다.

상기 기판 파트에는 상기 캐비티 파트에 의해 형성되는 도파관의 영역과 대응되는 의사 도파관을 형성하기 위해 다수의 금속 비아홀이 상기 캐비티 파트가 기판 파트에 접합되는 부위를 따라 형성될 수 있다.

상기 캐비티 파트는 직육면체 형태의 복수의 공진단을 형성하며, 상기 복수의 공진단 사이에는 연결 통로 구조인 아이리스(iris)들을 형성할 수 있다.

상기 캐비티 파트는, 얇은 금속판을 에칭하여 상기 공기로 채워지는 도파관 형태의 공진단의 평면 영역과 대응되는 빈 영역을 형성하는 적어도 하나의 몸체 층과, 상기 적어도 하나의 몸체 층의 상측에 적층되어 상기 빈 영역을 밀폐하는 적어도 하나의 커버 층을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 도트핀 구조는 상기 캐비티 파트의 각 공진단의 중앙 부위에 형성될 수 있으며, 각각의 공진단별로 형성된 다수의 도트핀 구조들은 전체적으로 원 형태로 분포할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 도파관 필터는 밀리미터파를 처리하는 소형화된 필터 구조에서 가공 공차를 보상하는 튜닝 작업이 가능하거나 용이하게 할 수 있다. 특히, 상기 튜닝 작업은 자동화 공정으로 진행 가능한 구조로서, 튜닝 작업 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한, TEM 모드 변환을 위한 별도의 모드 변환 구조가 요구되지 않으므로, 더욱 소형화된 필터 제작이 가능하며, 가공 작업을 최소화하면서도 고성능을 유지할 수 있어서, 가공비 절감 및 수율 향상을 가져올 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터의 일부 분리 사시도
도 2는 도 1의 도파관 필터의 결합 사시도
도 3은 도 1의 도파관 필터의 캐비티 파트에 대한 하측에서 바라본 사시도
도 4는 도 1의 도파관 필터의 입력 포트 부위의 확대도
도 5는 도 1의 도파관 필터의 일측 절단면도
도 6은 도 1의 도파관 필터의 특성 튜닝을 위한 튜닝 장치의 개략도
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예의 제1 변형예의 일부 사시도
도 8은 도 7의 일측 절단면도
도 9는 도 7의 하면도
도 10은 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예의 제2변형예의 일부 사시도
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 도파관 필터의 일부 분리 사시도
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 도파관 필터의 캐비티 파트에 대한 분리 사시도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부 도면들에서는 가능한 동일한 구성 요소에 대해서는 가능한 동일한 참조 번호를 부여하였으며, 설명의 편의를 위해 그 사이즈 및 형태 등은 다소 단순화되거나 일부 과장되었다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터의 일부 분리 사시도로서 , 캐비티 파트(20)와 기판 파트(10)가 분리된 상태가 도시되고 있다. 도 2는 도 1의 도파관 필터의 캐비티 파트(20)와 기판 파트(10)가 결합된 결합 사시도이며, 도 3은 도 1의 도파관 필터의 캐비티 파트(20)에 대한 하측에서 바라본 사시도이다. 도 4는 도 1의 도파관 필터의 입력 포트(120) 부위의 확대도이며, 도 5는 도 1의 도파관 필터의 일측 절단면도로서, 예를 들어, 도 2의 A-A' 라인의 절단면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터는 금속 캡 형태로 구현되어 공진 및 신호 전파를 위한 도파관 기능을 구현하는 캐비티 파트(20)와; 상기 캐비티 파트(20)의 신호 입출력을 위해 PCB(Printed Circuit Board) 기판 구조의 입출력 포트(120, 130)를 구비한 기판 파트(10)로 구성될 수 있다. 이러한 구조는, 예를 들어, 기존의 통상적인 캐비티 타입의 필터 구조 및 SIW 타입의 필터 구조에서 각각 장점만을 취하여 이들 구조를 효과적으로 조합한 구조로 볼 수 있다.

캐비티 파트(20)는 공기(air)로 채워진 통상 직육면체 형태의 적어도 하나의 공진단에 대응되는 캐비티를 형성하기 위해, 상기 캐비티의 측면 및 상부에 해당하는 부위를 형성하는 금속 캡 형태로 구현된다. 통상 캐비티 타입 도파관 필터는 원하는 주파수에서 공진을 발생하는 직육면체 형태의 공진단과, 이러한 공진단 사이의 연결 통로 구조인 아이리스(iris)들로 이루어질 수 있다. 도 2에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 구조에서, 상기 캐비티 파트(20)는, 제1아이리스 및 제2아이리스(211, 212)에 의해 도파관 내부가 제1 내지 제3공진단(201, 202, 203)이 서로 일렬로 연결된 구조를 가지도록 구성되는 것이 예로써 도시되고 있다. 이때, 제1공진단(201)은 신호 입력단일 수 있으며, 제3공진단(203)은 신호 출력단일 수 있다. 이와 같이, 도 1 등에 도시된 캐비티 파트(20)는 예를 들어, 제1 내지 제3공진단(201, 202, 203)이 서로 일렬로 연결된 구조로서, 일면 3단(stage) 구조를 예로써 개시하고 있으나, 본 발명의 다른 변형예에서는, 이외에도 서로 일렬로 연결되는 공진단들의 수에 따라 4단 이상이나, 1단 또는 2단 구조로 필터를 설계할 수 있음은 물론이다.

상기한 구조에서, 캐비티 파트(20)의 단면 형태, 즉 도파관의 단면 형태는 통상 사각형(정사각형 또는 직사각형)일 수 있는데, 도파관 내부 단면의 가로 및 세로의 길이는 해당 필터의 컷오프(cutoff) 주파수 특성에 영향을 주며, 해당 필터링 주파수에 따라 실질적으로 규격화된 수치로 설계될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3공진단(201, 202, 203)의 도파관 길이는 해당 필터링 주파수의 파장(λ)에 따라, 예를 들어, 2/λ, 4/λ, 8/λ 등으로 적절히 설계된다. 또한, 각 공진단 사이의 제1 및 제2아이리스(211, 222)에 의한 연결 통로의 간격을 적절히 설계함으로써, 공진단들 사이의 신호 커플링 양이 적절히 설정된다.

상기 캐비티 파트(20)는 예를 들어, 알루미늄 계열이나, 동 계열, 또는 마그네슘 계열의 재질로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 적어도 내부면에 은도금될 수 있다. 또한, 캐비티 파트(20)는 딥드로잉(deep drawing) 방식 또는 사출 금형이나 또는 압출과 같은 금형 방식을 사용하여 제작할 수도 있으며, 절삭 가공에 의해 형성될 수 있다. 압출 금형 방식을 사용하여 캐비티 파트(20)를 제작할 경우에는, 예를 들어 캐비티 파트(20)의 측면부를 압출 금형 방식으로 제작하고, 캐비티 파트(20)의 판 형태의 상면부를 별도의 제작한 후, 이들을 솔더링 등에 의해 부착하여 구현할 수 있다. 상기와 같이 제작되는 본 발명에 따른 도파관 필터는 후술하는 바와 같이, 주파수 튜닝 작업이 가능하므로, 고도의 가공 정밀도를 요구하지 않을 수 있다.

한편, 기판 파트(10)는 일반적인 PCB 기판 구조 및 제작 방식에 따라 구현될 수 있는데, 금속의 도체 층인 기판 상층(102) 및 기판 하층(106)과, 이들 사이에 형성되는 비전도체 층인 기판 내층(104)으로 구성될 수 있다. 기판 상층(102)에는 상기 캐비티 파트(20)의 제1공진단(201) 및 제3공진단(203)과 각각 신호 입력 및 출력을 위해 입력 포트(120) 및 출력 포트(130)의 회로 패턴이 형성된다.

보다 상세히 설명하면, 기판 파트(10)는 일반적으로 널리 사용되는 FR4(FR: Flame Retardant) 타입 등 다양한 타입의 PCB 구조를 이용하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 일반적인 PCB는 유리, 에폭시, 합성수지, 테플론(Teflon), 세라믹 등을 이용하여 제작되는 기판 내층 및 기판 내층의 상하면에 접착되는 동박층을 기본적으로 구비하여 형성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 기판 파트(10)를 제작하기 위해 일반적인 PCB를 이용할 수 있는데, 이외에도 본 발명의 기판 파트(10)는 기판 내층(104)에 플라스틱 등의 합성수지 층이 형성되며, 그 상하면에 (동박층 외에도 다양한 재질의) 금속 층이 형성된 기판 상층(102) 및 기판 하층(106)을 구현하는 것이 가능할 수 있다.

기판 파트(20)의 기판 상층(102)에 형성되는 입력 포트(120) 및 출력 포트(130)는 실질적으로 서로 동일한 구조를 가지며, CPW(Coplanar Waveguide) 선로 구조로 구현될 수 있다. 즉, 도 4에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 입력 포트(120)를 예로 들어 설명하면, CPW 선로 구조의 입력 포트(120)는 각각 'ㄱ‘자 형태를 가지며 서로 좌우 대칭 형태로 서로의 일 부위가 나란히 형성되는 제1슬롯(122) 및 제2슬롯(122, 124)에 의해 구성될 수 있다. 제1 및 제2슬롯(122, 124)은 금속 층인 기판 상층(102)에서 해당 금속 층이 제거되는 형태로 형성된다. 제1 및 제2슬롯(122, 124)에서 서로 나란히 형성된 부위 사이의 금속 층(도 4의 a1 부분)은 예를 들어, 급전 선로의 중심 도체를 구현한다. 또한, 제1 및 제2슬롯(122, 124)에서 나머지 부위(도 4의 a2, a3 부분)는 유도 결합에 의해 제1공진단(201)으로 신호를 전달한다. 기판 상층(102)에서 그 외의 나머지 부위는 그라운드를 형성하게 된다.

이와 같이, CPW 선로 구조로 구현되는 입력 포트(120) 및 출력 포트(130)에서, CPW 선로 구조를 구현하는 각 슬롯의 각 부위의 길이 및 사이즈 등은 해당 필터링 주파수에 따라 적절히 설계된다. 한편, 상기 입력 포트(120) 및 출력 포트(130)는 CPW 선로 구조외에도, 마이크로스트립 선로 구조로도 구현할 수도 있다.

상기와 같이, 기판 파트(10) 및 캐비티 파트(20)가 각각 구성된 후에, 기판 파트(10)의 상부, 즉 기판 상층(102)에 캐비티 파트(20)가 고정되게 장착된다. 기판 상층(102)에 캐비티 파트(20)가 접합될 부위에 예를 들어, 금속 마스크 등을 이용하여 솔더링 납을 도포하고, 히팅 플레이트(heating plate) 또는 리플로우(reflow) 공정을 이용하여 기판 파트(10)와 캐비티 파트(20)를 접합할 수 있다. 물론 이외에도, 나사 결합 방식이나, 레이저 용접 등을 이용하여 기판 파트(10)와 캐비티 파트(20)를 접합하는 것도 가능할 수 있다.

기판 파트(10)와 캐비티 파트(20)가 결합된 이후, 캐비티 파트(20)에는 본 발명의 특징에 따라 주파수 튜닝을 위한 주파수 튜닝 구조가 추가로 더 구비될 수 있다. 즉, 도 5에 상세히 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 주파수 튜닝시에 해당 필터링 특성을 모니터링 하면서 필터링 특성이 최적화되거나, 또는 기준치를 만족하게 될 때까지 캐비티 파트(20)에 의해 형성되는 도파관의 높이가 조절되도록(아울러, 도파관의 체적이 변하도록) 캐비티 파트(20)의 상측에 외부 타각 장비(도 6의 참조번호 5)에 의해 적어도 하나 이상(통상, 다수의) 도트핀(dot peen) 구조(232)를 형성한다. 도 5에서는 도트핀 구조(232)가, 외부 타각 장비의 타각 핀(pin)(502)에 의한 타각 또는 누름에 의해 캐비티 파트(20)의 내부로 밀려들어가는 함몰 부위를 형성하는 상태가 예로써 도시된다.

도 6을 참조하여, 주파수 튜닝 장치의 전체 구성을 설명하면, 주파수 튜닝 대상인 본 발명의 상기 제1실시예에 따른 도파관 필터(1)는 타각 핀(502)을 구비한 타각 장비(5)의 선반에 놓여진다. 타각 장비(5)는 통상적인 도트핀 마킹 머신으로 구성할 수 있다. 도파관 필터(1)의 동작 특성은 계측 장비(2)에서 계측하는데, 이를 위해 계측 장비(2)는 도파관 필터(1)로 미리 설정된 주파수의 입력 신호를 제공하고 그 출력을 제공받도록 도파관 필터(1)와 연결된다. 계측 장비(2)에서 계측된 도파관 필터(1)의 동작 특성은 PC 등으로 구현될 수 있는 제어 장비(3)로 제공된다. 제어 장비(3)는 도파관 필터(1)의 동작 특성을 모니터링 하면서, 필터링 특성이 최적화되거나, 또는 기준치를 만족하게 될 때까지 타각 장비(5)의 동작을 제어하여, 타각 장비(5)가 도파관 필터(1)의 캐비티 파트(20)의 상측에 적절한 개수 및 형상의 도트핀 구조(232)를 형성한다.

도 6에 도시된 주파수 튜닝 장치는 작업자가 수동 조작하는 기본적인 구성을 도시하였는데, 이외에도, 이러한 주파수 튜닝 장치는 전체적으로 자동화 시스템으로 구현할 수도 있다. 예를 들어, 타각 장비(5)를 로봇 팔과 같은 자동 머신으로 구현하여 미리 설정된 프로그램에 따라 자동으로 제어하도록 구현할 수 있다. 이때, 튜닝하려는 도파관 필터(1)의 필터링 특성이 미리 저장된 주파수 튜닝 값에 맞도록 자동으로 튜닝할 수 있다.

도트핀 구조(232)는 캐비티 파트(20)의 각 공진단 별로 예를 들어, 각 공진단의 중앙 부위에 형성될 수 있으며, 각 공진단별로 다수의 도트핀 구조들이 전체적으로 원 형태로 분포하도록 형성될 수 있다. 또한, 캐비티 파트(20)의 재질이나 두께, 사이즈 등은 도트핀 구조(232)가 형성되는 주파수 튜닝 작업시에 따른 스트레스에서도 원치 않는 변형 등이 발생하지 않도록 적절히 설정된다. 이 경우 캐비티 파트(20)는 예를 들어, 알루미늄 재질보다 연신율이 우수한 동 재질로 구성되어, 상기 도트핀 구조(232)가 보다 용이하게 형성되며, 도트핀 구조(232) 형성 작업시에 가해지는 충격을 줄일 수 있도록 구성할 수도 있다. 캐비티 파트(20)에서 상기 도트핀 구조(232)들에 의해 형성되는 전체적인 함몰 부위의 폭이나 두께 또는 형상 등의 차이에 따라 다양한 주파수 특성 가변량이 나타날 수 있다. 이러한 도트핀 구조(232)에 의해 형성되는 전체적인 함몰 부위의 구체적인 상세 구조는 해당 설계하는 도파관 필터(1)에 요구되는 특성이나 조건 등에 따라 적절히 설계될 수 있다.

상기 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 구성될 수 있는 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터는 종래의 도파관 필터에 비해 원가 절감, 소형화 구현, 고성능 필터 구현, 타 장비와 통합(integration)이 용이성 등의 장점을 가진다. 즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터는 기판 파트(10)는 일반적인 PCB, 기판 제작 공정을 이용하여 간단히 구현할 수 있으며, 캐비티 파트(20)도 기존의 제작 방식에 비해 간단한 딥드로잉이나 사출 금형 또는 압출 금형을 적용하여 제작 가능하다. 일반적으로, 밀리미터파를 처리하는 도파관 필터를 구현할 경우에는 일반적인 튜닝 나사 등과 같은 튜닝 구조를 적용하는 것이 용이치 않으므로, 튜닝 작업이 필요치 않는 가공 공차를 가지도록 고정밀의 제작 공정에 의존하게 된다. 이와 같이, 일반적으로 밀리미터파를 처리하는 도파관 필터를 실제 제품으로 구현하기 위해서는 매우 높은 가공 정밀도가 필요하다. 이에 비해, 본 발명에서는 주파수 튜닝 구조를 가진 캐비티 파트를 비교적 간단한 공정을 통해 제작하는 것이 가능하고, 이러한 주파수 튜닝 구조를 통해 금형 제작 공차에 대한 보상이 가능하므로, 제작 공정 비용을 절감할 수 있으며, 생산 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 도파관 필터는, 기존의 캐비티 타입의 도파관 필터에서 도파관들 사이의 연결을 위해 필요하였던 플랜지(flange) 구조 및 플랜지 구조 결합을 위한 조립 나사 등이 필요치 않게 되어, 매우 경박단소한 구조로 구현할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 캐비티 파트는 약 1T(mm)의 두께로 구현할 수도 있다. 또한, 종래의 캐비티 타입 도파관 필터에 비해, CPW 포트를 이용하여 별도의 모드 변환 구조 없이 PCB 형태로 구현되는 다른 전자 장비들과 간단히 연결할 수 있다. 또한, 종래의 SIW 타입(PCB 타입)의 도파관 필터와 비교하면, 유전 손실 및 방사 손실이 적으며, 주파수튜닝이 가능하고, 주파수 튜닝에 의한 제작 공차 보상이 가능하다.

도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예의 제1 변형예의 입력 포트(또는 출력 포트 부위만을 나타낸) 일부 사시도로서, 설명의 편의를 위해 캐비티 파트(20)의 도시는 생략하였다. 도 8은 도 7의 일측 절단면도로서, 예를 들어, 도 7의 A-A'라인의 절단면도이다. 도 9는 도 7의 하면도이다. 도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 제1실시예의 제1변형예에 따른 구조에서는 입력 포트 및 출력 포트가 기본적으로 마이크로스트립-도파관 변환 구조(microstrip to waveguide transition)를 가지며, 보다 상세히는, 마이크로스트립 선로와 도파관 사이에 동축 핀(프로브)을 삽입하여 신호를 전달하는 구조를 가진다. 이러한 마이크로스트립-도파관 변환 구조를 가지는 입력 포트 및 출력 포트는 상호 동일한 구조로 구현될 수 있는데, 도 7 내지 도 9에서는 입력 포트를 예로 들어 도시하고 있다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바를 참조하면, 입력 포트는 기판 파트에 고정되게 설치되어 마이크로스트립 선로(162)로부터 제공된 입력 신호를 캐비티 파트(20)에 의해 형성되는 도파관 내부로 신호를 방사하는 프로브(170)와; 상기 프로브(170)로 입력 신호를 전달하는 기판 하층에 형성되는 마이크로스트립 선로(162)를 포함하여 구현된다. 프로브(170)는 동축 선로의 내부 도체에 해당할 수 있으며, 기판 상층(102) 및 기판 내층(106)을 관통하는 형태로 설치되어, 기판 하층에 형성되는 마이크로스트립 선로(162)에 솔더링 방식으로 고정되게 설치될 수 있다. 이때, 기판 파트의 기판 상층(102)은 전체적으로 균일하게 전도성 금속 층으로 형성되어 그라운드를 형성할 수 있으며, 기판 하층에는 실질적으로 상기 마이크로스트립 선로(162) 및 후술하는 보조 접지패턴(164)에 해당하는 금속 패턴만 형성될 수 있다.

또한, 상기 마이크로스트립 선로(162)가 형성되는 부위를 제외하고, 상기 프로브(170)을 주변을 둘러싸는 형태로 다수의 비아홀(180)이 형성될 수 있다. 기판 하층에는 상기 다수의 비아홀(180)의 형성되는 부위와 대응되게 보조 접지패턴(164)이 형성되는데, 상기 다수의 비아홀(180)은 기판 파트의 비전도체 층인 기판 내층(104)을 관통하여 기판 상층(102) 및 상기 보조 접지패턴(164) 사이를 전기적으로 연결하는 구조로 구성된다. 이러한 다수의 비아홀(180)은 전체적으로 접지 영역을 형성하여, 프로브(170)에서 기판 파트를 통해 유출될 여지가 있는 신호를 차단한다.

도 10은 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예의 제2변형예의 일부 사시도로서, 설명의 편의를 위해 캐비티 파트의 도시는 생략하였다. 도 10을 참조하면, 상기 제1실시예의 제2변형예에 따른 구조에서는 상기 도 7 내지 도 9와 마찬가지로 입력 포트 및 출력 포트가 동축 핀(프로브)을 삽입한 마이크로스트립-도파관 변환 구조를 가진다. 다만, 도 7 내지 도 9의 제1변형예에서와는 달리. 도 10에 도시된 제2변형예에서는, 프로브(170)와 연결되는 마이크로스트립 선로(163)가 기판 상층(102)에 형성된다. 즉, 기판 상층(102)은 상기 마이크로스트립 선로(163)의 패턴 부위를 제외하고는 전체적으로 전도성 금속 층으로 형성되고, 프로브(170)는 상기 기판 상층(102)에 형성된 마이크로스트립 선로(163)에 솔더링 등에 의해 고정되는 형태로 설치된다. 한편, 도 10에 도시된 제2변형예에 따른 구조에서는, 상기 도 7 내지 도 9에 도시된 제1변형예에 언급된 다수의 비아홀(180)에 해당하는 구조를 가지지 않은 것으로 도시되고 있다. 그러나, 상기 도 7 내지 도 9에 도시된 예와 마찬가지로, 그라운드 특성 향상 등을 위해 상기 프로브(170)을 주변을 둘러싸는 형태로 기판 상층(102)과 기판 하층(104) 사이에 다수의 비아홀이 형성될 수 있다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 도파관 필터의 일부 분리 사시도이다 . 도 11을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 도파관 필터는 상기 도 1 내지 도 6에 도시된 제1실시예의 구조와 마찬가지로, 금속 캡 형태로 구현되어 공진 및 신호가 전파를 위한 도파관 기능을 구현하는 캐비티 파트(20)와; 상기 캐비티 파트(20)의 신호 입출력을 위해 PCB 기판 구조의 입출력 포트(120, 130)를 구비한 기판 파트(10)로 구성될 수 있다. 캐비티 파트(20)에는 상기 제1실시예와 마찬가지로, 주파수 튜닝을 위한 도트핀 구조가 형성되며, 기판 파트(10)에는 CPW 포트 구조를 가진 입력 포트(120) 및 출력 포트(130)가 형성될 수 있다.

그런데, 도 11에 도시된 제2실시예에 따른 도파관 필터는, 상기 제1실시예의 구조에 추가하여, 기판 파트(10)에 기존의 SIW 타입의 구조와 유사하게, 다수의 금속 비아홀(150)에 의해 의사 도파관이 형성된다. 도 11에서 일점쇄선 원에는 각 금속 비아홀(150)의 측면 절단 구조가 도시되고 있는데, 각 금속 비아홀(150)은 기판 파트(10)의 비전도체 층인 기판 내층(104)을 관통하여 금속의 도체 층인 기판 상층(102) 및 기판 하층(106) 사이를 전기적으로 연결하는 구조로 구성된다.

다수의 금속 비아홀(150)이 의사 도파관을 형성하는 구조를 보다 상세히 설명하면, 다수의 금속 비아홀(150)은 캐비티 파트(20)에 의해 형성되는 도파관의 영역과 대응되는 의사 도파관을 형성하기 위해, 실질적으로 캐비티 파트(20)가 기판 파트(10)에 접합되는 부위를 따라 형성된다. 각각의 인접하는 금속 비아홀(150)간의 간격 s은 비아홀(150)의 반지름 r과 비교하여, [r/s 0.5]의 조건을 만족하도록 설정된다. 이러한 구조에 따라 다수의 금속 비아홀(150), 기판 상층(102) 및 기판 하층(106)에 의해 정의되는 (유전체) 기판 내층(104)의 해당 영역은 도파관 영역(즉, 의사 도파관)을 형성하게 된다.

상기 도 11에 도시된 제2실시예에 따른 구조는 기판 파트(10)에서 SIW 타입과 유사한 도파관 구조를 추가로 더 형성하므로, 상기 제1실시예의 구조와 비교하여 도파관 필터의 전체 사이즈에서 높이를 좀더 줄일 수 있다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 도파관 필터의 캐비티 파트에 대한 분리 사시도이다 . 도 12를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 도파관 필터에서 캐비티 파트는 상기 도 1 내지 도 6에 도시된 제1실시예의 구조와는 다소 다르게, 금속 판 의 적층 형태로 구현된다. 또한, 도 12에서는 도시하지 않았으나, 기판 파트는 상기 제1실시예 또는 상기 도 11에 도시된 제2실시예의 구조와 동일하게 구현될 수 있다.

금속 판의 적층 형태로 구현되는 캐비티 파트는 도 12에 도시된 바와 같이, 공기로 채워지는 도파관 영역을 형성하기 위해, 도파관 영역의 평면 영역과 대응되는 빈 영역을 가지는 적어도 하나의 몸체 층(도 12의 예에서는, 제1 및 제2 몸체 층)(202, 204)과; 상기 적어도 하나의 몸체 층(202, 204)의 상측에 적층되어 상기 빈 영역을 밀폐하는 적어도 하나의 커버 층(206)으로 구현될 수 있다.

상기 적어도 하나의 몸체 층(202, 204) 및 커버 층(206)은 각각 얇은 금속 판을 에칭(etching)하여 형성할 수 있으며, 각각 에칭되어 형성된 금속 판들을 서로 적층하여 전체 캐비티 파트를 형성한다. 이와 같이, 형성된 캐비티 파트에서 상측, 즉 상기 커버 층(206)에는 상기 제1실시예와 마찬가지로, 주파수 튜닝을 위한 도트핀 구조가 형성된다.

금형 구조는 대량 생산 시 금액 절감이 가능하나 소량일 경우 금형비로 인해 제작 비용이 더 커지며 금형을 위해서는 모든 코너에 라운드를 줘야 하므로 라운드 적용 설계가 추가적으로 필요하다. 그러나, 상기 도 12에 도시된 바와 같은 금속판 에칭 적층 방식은 금형비가 없어 소량 생산에 유리하고 코너 라운드 없이 구현 가능하다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 도파관 필터가 구성될 수 있으며, 한편, 상기의 설명에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명에서는 이외에도 다양한 실시예나 변형예가 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 캐비티 파트의 단수를 비롯하여 아이리스들의 상세한 구조나, 사이즈 등과 같이, 도파관 필터의 각 세부 구성들은 해당 요구되는 필터링 특성 및 기타 제품 설계를 고려하여 다양하게 설계 변경 가능할 수 있음을 이해할 것이다. 이와 같이, 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims

도파관 필터에 있어서,
공기(air)로 채워진 도파관 형태의 적어도 하나의 공진단에 대응되는 캐비티를 형성하기 위해, 상기 캐비티의 측면 및 상부에 해당하는 부위를 형성하는 금속 캡 형태로 구현되어, 내부가 빈 공간을 가지는 캐비티 파트와;
상기 캐비티 파트의 하측에서 상기 캐비티 파트와 접합되며, 상기 캐비티 파트의 신호 입출력을 위해 PCB(Printed Circuit Board) 기판 구조의 입력 포트 및 출력 포트를 형성하는 기판 파트와;
상기 캐비티 파트의 상측에서 상기 적어도 하나의 공진단에 대응되는 부위에서 상기 캐비티 파트의 내부로 밀려들어가는 함몰 부위를 형성하는 적어도 하나의 도트핀(dot peen) 구조를 포함하며,
상기 캐비티 파트는,
얇은 금속판을 에칭하여 상기 적어도 하나의 공진단의 평면 영역과 대응되는 빈 영역을 형성하는 적어도 하나의 몸체 층과,
상기 적어도 하나의 몸체 층의 상측에 적층되어 상기 빈 영역을 밀폐하는 적어도 하나의 커버 층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 도파관 필터.
제1항에 있어서, 상기 기판 파트는, 금속의 도체 층인 기판 상층 및/또는 기판 하층과, 비전도체 층인 기판 내층을 포함하여 구성되며,
상기 기판 상층에는 상기 캐비티 파트의 적어도 하나의 공진단과 각각 신호 입력 및 출력을 위해 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트의 회로 패턴이 형성됨을 특징으로 하는 도파관 필터.
제2항에 있어서, 상기 기판 파트에는 상기 캐비티 파트에 의해 형성되는 도파관의 영역과 대응되는 의사 도파관을 형성하기 위해 다수의 금속 비아홀이 상기 캐비티 파트가 기판 파트에 접합되는 부위를 따라 형성됨을 특징으로 하는 도파관 필터.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트는 마이크로스트립-도파관 변환 구조 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 선로 구조로 구현됨을 특징으로 하는 도파관 필터.
제1항에 있어서, 상기 캐비티 파트는 직육면체 형태의 복수의 공진단을 형성하며, 상기 복수의 공진단 사이에는 연결 통로 구조인 아이리스(iris)들을 형성함을 특징으로 하는 도파관 필터.
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제1항에 있어서, 상기 도트핀 구조는 상기 캐비티 파트의 각 공진단의 중앙 부위에 형성될 수 있으며, 각각의 공진단별로 형성된 다수의 도트핀 구조들은 전체적으로 원 형태로 분포함을 특징으로 하는 도파관 필터.