KR20010030828A - 다중표면 결합형 동축공진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 복식필터(duplex filter)의 구조부에 적합한 공기절연된 동축공진기에 관한 것이다. 이 공진기는 한쪽 단에서 연장되는 내부도체(301)를 갖추고 있어서, 공진기의 커버(303)와 외부도체의 상부(302y)에 대해 초과용량(extra capacitance)을 형성한다. 초과용량 때문에, 소정주파수의 공진기는 대응하는 1/4파장 공진기보다 더 단락된다. 이것 때문에, 기계적으로 더 강하여 그 특성에 있어서 더 안정적이다. 또, 내부도체의 확장과 구조의 단락은 소산감소효과(dissipa tion reducing effect)를 갖는다. 또한, 확장부(304, 305, 306a, 306b)는 공진기를 동조하는데 이용될 수 있고, 인접하는 회로소자에 결합하는데 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 구조에 있어서, 기본주파수 성분의 제3고조파는 발생하지 않는데, 이것은 필터제조시에 주목할 만한 이점이 된다.

Description

다중표면 결합형 동축공진기 {MULTI SURFACE COUPLED COAXIAL RESONATOR}

공진기는 발진기와 필터의 제조시에 주구조부로서 이용된다. 공진기의 중요한 특징은, 예컨대 Q값, 사이즈, 동조도(tunability), 고조파 주파수로 발진하는 경향, 기계적 안정성, 온도, 습도안정성, 제조비를 포함한다.

지금까지 알려진 공진기 구조는 이하의 것을 포함하고 있다.

1) 공진기는 캐패시터와 인덕터 등의 개별 구성요소로 구성되어 있다.

이러한 공진기는 구성요소의 내부소산의 결점을 수반하므로, 다른 타입에 비해 Q값이 뚜렷하게 낮다.

2) 마이크로스트립(microstrip) 공진기

마이크로스트립 공진기는, 예컨대 회로기판의 표면상의 도체영역에 형성된다. 개방구조에 의해 야기되는 방사소산(radiation dissipation) 때문에, Q값이 비교적 낮다는 결점이 있다.

3) 전송선로 공진기

전송선로 공진기에 있어서, 발진기는 소정길이의 적당한 타입의 전송선로로 이루어져 있다. 쌍케이블이나 동축케이블이 이용되는 경우, 소산은 비교적 크고, 안정성은 비교적 나쁘다는 결점이 있다. 도파관이 이용되는 경우, 안정성은 향상될 수 있지만, 파이프 끝이 개방될 때의 방사 때문에 소산은 여전히 비교적 크다. 또, 이 구조는 비실용적으로 클 수 있다. 클로우즈된 비교적 짧은 도파관 공진기는 뒤에 다뤄지는 공동 공진기로서 간주된다.

4) 동축공진기

이 타입의 공진기는 한개의 동축케이블뿐만 아니라, 처음부터 공진기로서 의도된 유닛도 갖추고 있다. 도 1은 동축공진기를 나타낸다. 동축공진기는 특히 서로로부터 공기절연되는 내부도체(101)와 외부도체(102) 및, 외부도체와 접속되는 도전성 커버(103)를 포함하고 있다. 비교적 좋은 결과는 이 구조에 의해 달성될 수 있다. 공진기의 길이(l)는 공진기에 유효한 가변필드의 파장의 적어도 1/4 즉 λ/4이고, 이것은 최소 사이즈를 지향할 때에 결점이 된다. 폭은 외부도체의 사이드(D)와 내부도체의 직경(d)을 줄임으로써 축소될 수 있다. 그러나, 이것은 저항성 소산(resistive dissipation)의 증가를 일으킨다. 게다가, 이 구조의 두께의 감소 때문에, 유전체로 이루어진 피스(piece; 107)로 내부도체를 지지할 필요가 있고, 그것은 유전손실의 형태로 상당한 초과소산을 일으키고, 제조비를 증가시킨다. 더욱이, 주지의 동축공진기의 결점은 기본주파수의 제3고조파로 발진하는 경향이 있다는 결점이 있다. 이 여분의 성분(신호가 전달될 때의 스펙트럼)은 너무 강해서 개별적인 필터에 의해 제거되야만 한다.

5) 헬릭스 공진기(Helix-resonator)

이 타입은 동축공진기의 변형으로, 실린더형 내부도체는 나선형 도체로 대체된다. 그러므로, 공진기 사이즈는 축소되지만, 뚜렷하게 증가되는 소산은 결점이 된다. 소산은 일반적으로 내부도체의 작은 와이어 직경에 기인하는 것이다.

6) 공동 공진기(Cavity resonator)

이 타입의 공진기는 도전성 물질로 이루어진 중공 피스(hollow piece)로, 전자기적 진동을 일으킬 수 있다. 공진기는 직사각형, 실린더형 또는 구형일 수 있다. 매우 낮은 소산은 공동 공진기로 달성될 수 있다. 그러나, 구조의 사이즈를 최소화하는 것이 목적일 경우, 그들 사이즈는 결점이 된다. 게다가, 대부분의 공동 공진기의 동조도는 나쁘다.

7) 유전체 공진기

동축케이블이나 클로우즈드 전도성 표면(closed conducting surface)은 유전체 피스의 표면에 형성된다. 구조가 소형으로 이루어질 수 있다는 이점이 있다. 또, 비교적 낮은 소산이 달성될 수 있다. 한편, 유전체 공진기는 비교적 높은 제조비가 든다는 결점을 가지고 있다.

8) 해트 공진기(Hat resonator)

여기에서 말하는 해트 공진기는 동축공진기의 서브클래스(subclass)로, 마키모토에 의해 미국특허 제4,292,610호에 개시되어 있다. 이 타입의 공진기는 도파관의 개방단에 부가적인 디스크를 갖춘, 도파관보다 더 큰 직경을 갖는 상술한 공동 공진기이다. 공진기가 간결하게 이루어질 수 있다는 이점이 있다. 또, 비교적 낮은 소산이 달성될 수 있다. 디스크의 표면과 공진기의 벽에 대한 거리는 디스크와 캐비티(cavity)간에 야기되는 초과용량(extra capacitance)에 기인하도록 치수가 정해지고, 이 공진기는 부가적인 디스크없는 공진기에 비해 대체로 더 소형으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 청구항 1의 전단부에 규정되는 공진기에 관한 것으로, 특히 무선장치에서 복식필터(duplex filter)의 구조부에 적합한 공진기에 관한 것이다.

도 1의 (a)는 종래의 동축공진기의 종단면도이고,

도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 공진기의 횡단면도,

도 1의 (c)는 도 1의 (a)의 공진기에서의 전류와 전압세기의 변화를 나타낸 도면,

도 2의 (a)는 본 발명에 따른 공진기를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 공진기에서의 전류와 전압세기의 변화를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 공진기의 실시예를 종단면과 횡단면으로 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 공진기의 다른 실시예를 종단면과 횡단면으로 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 3개의 공진기를 갖춘 필터를 나타낸 도면이다.

본 발명의 목적은 종래기술의 상술한 결점을 최소로 하는 것이다. 본 발명에 따른 동축공진기는 독립청구항에서 설명되는 것으로 특징지워진다. 본 발명의 몇개의 바람직한 실시예는 독립청구항에서 설명된다.

본 발명의 기본 아이디어는 이하와 같다. 구조는, 한쪽 단에서는 개방되고 1/4파장 공진기로부터는 단락되는 동축공진기이다. 단락은, 공진기의 개방단에서의 기계적 구조에 의해 공기절연된 초과용량이 내부도체와 외부도체간과 내부도체와 공진기 커버간에 발생함으로써 실행된다.

본 발명에서는 캐패시턴스를 증가시키는 방법 때문에, 동축공진기는 대체로 같은 Q값을 갖는 종래의 1/4파장 공진기보다 더 소형으로 이루어질 수 있다는 이점이 있다. 또, 달성되는 향상은 스페이스를 줄이는데 부분적으로 이용될 수 있고, 동조 나사(tuning screw) 등의 싱글 톱(single top) 캐패시턴스를 갖는 공진기에 대한 Q값에 비해 큰 Q값을 유지하는데 부분적으로 이용될 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 소형의 공진기는 캐비티의 체적이 대체로 상술한 앞의 공진기구조에 비해 특정 주파수에 대해 더 작아지는 것을 가능하게 한다는 이점이 있다.

게다가, 본 발명에 따른 공진기는 기본주파수의 제3고조파로 발진하지 않는다는 이점이 있다. 제5고조파는 제1의 두드러진 불순물성분이고, 제5고조파를 필터하는 것은 상부고조파뿐만 아니라 종래 공진기에서 발생하는 제3고조파를 필터하는 것보다 훨씬 간단하다.

게다가, 본 발명은 공진기가 단락될 때 기계적으로 더 강해져 그 전기적 특성에 관해서는 더 안정적이라는 이점이 있다. 소산을 증가시키는 지지피스(suppo rt piecce)도 또한 공진기에 불필요하게 된다.

더욱이, 본 발명은 캐패시턴스를 증가시키는 구조가 공진기를 동조하는데 이용될 수 있고, 다른 회로소자에 그것을 접속하는데 이용될 수 있다는 이점이 있기 때문에, 이들 기능에 의해 필요한 구성요소의 수는 감소된다.

더욱이, 본 발명은 공진기의 제조비가 비교적 적게 든다는 이점이 있다.

도 1에 나타낸 동축공진기는 상기 종래기술의 설명과 관련하여 이미 간단히 설명했다. 본 공진기가 900MHz 주파수에 접근한 경우, 예컨대 공진기의 길이(l)는 약 8㎝이다. 외부도체의 사이드(D)와 내부도체의 직경(d)은 허용된 소산의 양에 따라 정해질 수 있다. 그러나, 파형이 TEM이면, Q값을 최대화하는 비율 D/d에 대한 최적값은 약 3이다. 또, 도 1의 (a)와 도 1의 (b)에 있어서, 공진기에 대한 용량성 접속을 제거하는 2개의 얇은 금속 스트립(105, 106)은 내부도체에 고착된다. 또, 공진기의 하단에서 이루어져야만 하는 경우에, 이 접속은 유도성을 갖는다. 도 1에 따른 공진기의 동조는 종종 공진기 커버에 고착되고 내부도체의 캐패시턴스를 조절할 수 있는 나사에 의해 실행되고, 나사는 소형으로 형성한다.

도 1의 (c)는 공진기의 도체에 흐르는 교류(I)와 도체간의 교번전압(U)을 로케이션함수(s)로 나타낸다. 전류(I)는 단락된 단(N)에서 가장 크고, 마주보고 있는 단(P)에서는 제로이다. 전압(U)은 개방단에서 가장 크고, 단락된 단에서는 본질적으로 제로이다. 전압은 모든 지점에서 전류보다 90。 앞에 있기(위상은 도시하지 않음) 때문에, 공진기는 그 전체 길이에 대해 유도성을 갖는다.

도 2의 (a)와 도 2의 (b)는 본 발명에 따른 단락된 동축공진기의 원리를 나타낸다. 초과용량(C)은 공진기의 개방단(P)에 배열되어 있다. 마주보고 있는 단( N)의 단락 때문에 유도성을 갖는 다른 공진기가 이에 평행하게 있다. 초과용량(C)은 공진주파수에 대해 감소효과를 갖는다. 공진주파수를 변화시키지 않기 위해, 인덕턴스는 대응하는 보통의 1/4파장 공진기의 인덕턴스보다 대응하여 더 작아야만 한다. 구조의 길이(l)가 1/4파장(λ/4)의 길이로부터 줄어들 때, 인덕턴스는 감소된다. 이것은 단락회로나 단(N)을 향해 거리(λ/4)로부터 이동할 때 인덕턴스가 감소되는 것을 의미하는 전압과 전류의 절대값의 비율(U/I)이 감소된다는 사실에 기인하는 것이다. 도 2의 (b)는 전압(U)과 전류(I)를 단락된 공진기의 로케이션 함수(s)로 나타낸다. 전압(U)은 공진기의 초과용량의 단(P)에서 가장 크고, 단락된 단(N)으로 이동할 때 제로로 감소된다. 초과용량의 단(P)에서 전류(I)는 초과용량의 크기에 의존하는 소정값을 갖는다. 캐패시턴스는 전압과 전류의 위상차가 90。로 되게 한다(전류 뒤에 전압). 단락된 단을 향해 이동할 때, 전류는 포인트 O에서 제로로 감소된 후에, 소정값에 대한 반대 위상으로 증가한다. 전류(I)의 위상반전 때문에, 단락된 단에서 전압(U)은 전류보다 90。 앞에 있다. 상기 설명에 따르면, 공진기는 거리 NO에는 유도성을 갖고, 거리 OP에는 용량성을 갖는다. 포인트 O가 공진기 단(P)으로부터 멀어질수록 초과용량이 더 커진다. 즉, 공진기는 더욱 더 단락된다.

도 3과 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 3은 도체판(304)이 내부도체(301)의 단에 고착되는 구조를 나타내고, 도체판은 구부러진 플랩(flap ; 305, 306a, 306b)를 포함하고 있다. 도체판(304)은 본질적으로 내부도체의 단면적보다 더 큰 표면적을 갖기 때문에, 공진기의 커버(303)와 함께 캐패시턴스를 고르게 발생시킨다. 게다가, 도체판(304)은 외부도체(302)의 상부(302y)와 함께 캐패시턴스를 발생시킨다. 플랩(305)은 공진기의 외부도체의 1개 벽(302c)과 대체로 평행하고, 플랩(306a)은 벽(302a)과 대체로 평행하며, 플랩(306b)은 벽(302b)과 대체로 평행하다. 모든 플랩(305, 306a, 306b)은 공진기의 외부도체와 함께 캐패시턴스를 발생시킨다. 도체판(304)의 표면적과 공진기의 벽에 대한 거리는 발생된 초과용량에 기인하도록 치수가 정해지고, 공진기는 대체로 소형으로 될 수 있다.

도 3의 구조에 있어서, 플랩(305)은 외부도체의 벽(302c)의 개구(307)를 매개로 공진기 밖의 신호와 용량성 결합하는데 이용된다. 그러므로, 결합하는데에만 이용되는 개별적인 소자는 필요하지 않게 된다. 또, 플랩(306a, 306b)은 공진주파수가 정확하게 올바르게 될 때까지 공진기를 동조하는데 이용되고, 플랩중 하나 또는 양쪽 모두는 약간 구부러져 있다. 따라서, 공진기를 동조하기 위한 개별적인 장치는 필요하지 않게 된다. 도 3의 예에 있어서, 신호는 한 개의 케이블(308)에 의해 공진기에 유도성 결합된다.

도 4는 다른 형태의 플랩(405, 406a, 406b)과 플레이트(404)를 갖춘 본 발명의 실시예를 나타낸다. 이들 플랩과 플레이트의 다른 형태는 모서리가 반달모양으로 매끄럽게 되어 낮은 전기장과 자기장에 의한 공진기의 특성을 강화하기 때문에, 소산을 더 낮게 한다. 이 특징은 도 3에 나타낸 실시예에 비해 Q값을 증가시킨다.

도 3과 도 4에 나타낸 플레이트와 플랩은 얇은 금속시트의 단일조각으로 이루어질 수 있는데, 여기서 주요부는 플레이트이고, 플랩은 시트의 부분을 구부림으로써 이루어진다. 플랩은 플레이트와 거의 직각을 이루도록 구부러져 있다.

도 5는 본 발명에 따른 복수의 공진기를 갖춘 필터(500)를 나타낸다. 또, 필터는 입력수단(501)과 출력수단(502)을 구비하고 있다. 각 공진기는 내부도체 (503)와 공통 외부도체(504) 및 내부도체의 개방단에 고착된 적당한 도체판(505, 506, 507)을 구비하고 있다.

각 플레이트는 2개 타입의 플랩을 구비하고 있는데, 첫번째 타입의 플랩 (508)은 공진기의 주파수를 동조하는데 이용되고, 두번째 타입의 플랩(509)은 다른 공진기에 신호를 결합하는데 이용된다. 외부도체는 캐비티로 나누어지는데, 여기서 1개의 내부도체는 각 캐비티내에 배열되어 있다.

신호는 상기 입력수단(501)을 매개로 공진기에 연결된다. 상기 제1공진기의 내부도체(503)는 적어도 하나의 동조플랩(508)과 하나의 결합플랩(509)을 구비하는 제1플레이트(505)를 갖추고 있다. 결합플랩(509)은 제1 및 제2의 인접하는 캐비티간의 제1개구(510) 옆에 배열되어 있다.

제2공진기의 내부도체(503)는 적어도 1개의 동조플랩(508)과 2개의 결합플랩 (509)을 구비하는 제2플레이트(506)를 갖추고 있다. 첫번째 결합플랩(509)은 제1플레이트(505)의 결합플랩(509)의 마주 보는쪽에 배열되어 있기 때문에, 상기 제1개구(510)를 매개로 상기 용량성 결합을 위한 경로를 만들게 된다. 두번째 결합플랩(509)은 제2 및 제3의 인접하는 캐비티간의 제2개구(511)에 인접하여 배열되어 있다.

상기 제3공진기의 내부도체(503)는 적어도 1개의 동조플랩(508)과 1개의 결합플랩(509)을 구비하는 제3플레이트(507)를 갖추고 있다. 이 결합플랩(509)은 제2플레이트(506)의 결합플랩(509)의 마주 보는쪽에 배열되어 있기 때문에, 상기 제2개구(511)를 매개로 상기 용량성 결합을 위한 경로를 만들게 된다. 그 후, 신호는 출력수단(502)에 연결된다.

동조플랩의 각도는 외부도체(504)의 개구부(도시하지 않음)를 매개로 각 공진기에 대해 정확한 주파수로 각각 조절된다.

도 3과 도 4 및 도 5의 구조에서 특별히 주목할 것은 공진기의 상부 스페이스를 이용하는 방법이 제3고조파 주파수성분의 소멸을 초래한다는 사실이다. 이들 구조에 있어서, 내부도체의 확장은 캐패시턴스의 증가에 의해 발생된 공진기의 단락 이외에도 확장된 내부도체의 단에서의 저항성 소산의 감소를 의미한다.

이상, 본 발명에 따른 공진기를 실현하는 몇가지 방법을 설명했다. 본 발명은 단지 설명된 솔루션에 한정되지 않고, 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (11)

1. 내부도체(301)와 외부도체(302) 및 도전성 커버(303)를 구비하고,

   상기 내부도체(301)는, 상기 외부도체(302) 및 상기 도전성 커버(303)로부터 본질적으로 공기절연되어 있고, 상기 외부도체(302) 및 상기 도전성 커버(303)와 개방회로관계에 있으며,

   상기 외부도체는, 적어도 하나의 외부벽(302a, 302b, 302c, 302d)을 갖추고, 상기 외부도체(302)의 제1단은 상기 내부도체(301)의 제1단에 접속되어 단락회로를 이루며, 상기 외부도체(302)의 마주 보는 제2단은 외부도체(302)에 도전성 접속된 상기 도전성 커버(303)로 덮이는 1/4파장의 전기길이를 갖는 동축공진기에 있어서,

   상기 내부도체(301)는, 상기 제1단과 마주 보고 있는 내부도체의 개방단에서 본질적으로 상기 도전성 커버(303)와 평행한 확장부(304)를 갖추고, 상기 외부도체 (302)의 상기 외부벽(302a, 302b, 302c, 302d)과 본질적으로 평행한 적어도 2개의 돌기(305, 306a, 306b)를 갖춘 상기 확장부는 상기 도전성 커버(303)와 함께 대체로 고르게 초과용량을 형성하며, 상기 돌기중 적어도 하나는 상기 외부도체(302)의 상부(302y)와 함께 초과용량을 형성하고,

   상기 돌기중 적어도 하나(305)는 상기 공진기의 외부결합을 위한 용량성 결합소자이며,

   상기 돌기중 적어도 하나(306a)는 상기 공진기의 동조소자인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 돌기의 자유단은 상기 외부도체의 상기 제1단쪽의 방향으로 본질적으로 연장되는 것을 특징으로 하는 동축공진기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확장부(304)는 상기 내부도체(301)의 단면적보다 본질적으로 더 큰 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 동축공진기.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 확장부(304)는 비교적 얇게 상기 내부도체(301)에 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 동축공진기.
5. 제4항에 있어서, 상기 확장부(304)와 상기 돌기(305, 306a, 306b)는 금속시트의 단일조각으로 이루어져 있고, 상기 각 돌기는 상기 시트의 접힌 부분인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
6. 제5항에 있어서, 상기 각 돌기는 본질적으로 반달모양인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
7. 제3항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 확장부는 도체판(304)인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부도체(302)의 벽(302a, 302b, 302c)중 적어도 하나의 벽에는 상기 돌기(305, 306a, 306b)의 동조를 위한 적어도 하나의 개구부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 동축공진기.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기의 상기 내부 및 외부도체(301, 302)는 자기지지형인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
10. 단락되어 있는 한쪽 단이 본질적으로 공기절연되고, 다른쪽 단은 개방되며, 개방단이 외부도체(302)에 전기적으로 접속되어 있는 도전성 커버(303)로 덮이는 1/4파장의 전기길이를 갖는 동축공진기에 있어서,

    내부도체(301)는 상기 공진기의 개방단에서 확장부(304)를 갖추고, 상기 확장부는 전 공진기 커버(303) 및 상기 외부도체의 상부(302y)와 함께 대체로 고르게 초과용량을 형성하며, 상기 커버(303)와 본질적으로 평행한 상기 내부도체(301)의 상기 확장부는 상기 공진기의 외부벽(302a, 302b, 302c, 302d)과 평행한 적어도 2개의 돌기(305, 306a, 306b)를 갖춘 비교적 얇은 플레이트(304)이고, 상기 돌기중 적어도 하나(305)는 상기 공진기의 외부결합을 위한 용량성 결합소자이며, 상기 돌기중 적어도 하나(306a)는 상기 공진기의 동조소자인 것을 특징으로 하는 동축공진기.
11. 입력수단과 출력수단을 구비한 필터에 있어서, 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 따른 1개 이상의 공진기를 더 구비하고,

    상기 공진기에는 적어도 2개의 인접하는 외부도체 사이에 제1공진기로부터 제2공진기로의 용량성 결합을 위한 경로를 만드는 개구(307)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 필터.