KR20010065386A - 단차 임피던스 공진기 - Google Patents

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KR20010065386A
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송재인
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Abstract

본 발명은 초소형 유전체 필터 제작에 사용되는 경사기능 특성을 갖는 단차 임피던스 공진기에 관한 것으로서,
내부전극과 외부전극 사이에 이종의 상대유전율을 갖는 유전체를 동시 소성하여 그로 인해 발생되는 임피던스의 차를 이용한 초소형 공진기를 제조함으로써 기존의 균일 임피던스에 비해 스퓨리어스 특성이 우수하며, 기존의 내부 홀의 크기를 다르게 형성시킨 단차 임피던스에 비해 품질 계수 값이 우수하기 때문에 유전체 필터 제작시 삽입 손실이 감소되고, 주파수 선택성이 개선될 수 있음은 물론이고, 제품 적용시 단말기의 방사 전력 손실을 줄이는 동시에 송수신 주파수의 분리도 향상될 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

단차 임피던스 공진기{A stepped impedance resonator}
본 발명은 초소형 유전체 필터 제작에 사용되는 경사기능 특성을 갖는 단차 임피던스 공진기에 관한 것으로서, 특히 단일 유전체 블록 내에 이종의 상대유전율을 갖는 유전체를 동시 소성함으로써 발생되는 임피던스 차를 이용하여 단차 임피던스를 구현한 것이므로 균일 임피던스 공진기에 비해 스퓨리어스 특성이 우수하며 내부 홀의 크기를 서로 다르게 형성시킨 단차 임피던스 공진기보다 품질계수(Q)가 우수한 단차 임피던스 공진기에 관한 것이다.
정보화 시대에 접어들면서 가정용 무선 전화기나 PCS 이동통신 단말기 등의 고주파 회로를 이용한 이동 통신기기의 사용이 급증하고 있다. 따라서 고주파 회로에 이용되는 부품들은 주파수의 혼신을 효과적으로 방지하며 고조파를 억제하기 위하여 설계상 많은 어려움을 수반하게 된다.
상기 고주파 회로에 이용되고 있는 부품 중에서 고주파 신호 중 필요한 신호만을 통과시키거나 저지시키는 대역통과 또는 대역저지 필터(Band Pass Filter or Band Stop Filter)로 구성되어 현재 가장 널리 사용되고 있는 유전체 필터는 무선기기의 프런트-엔드(Front-End) 송수신단에 쓰이고 있다.
상기와 같은 유전체 필터의 구현방법은 크게 일체형 필터와 공진기 결합형필터로 나누어진다. 상기 일체형 필터는 하나의 블록으로 이루어진 유전체블록에 공진기 홀이 형성되어 있고, 입출력 전극 그리고 커플링을 위한 커플링(coupling) 패턴을 형성한다. 이때, 커플링 패턴 사이에 인터디지털 캐패시턴스(inter-digital capacitance)가 존재하는데 이 캐패시턴스를 조절함으로써 공진기 사이의 커플링 값을 조절할 수 있게 된다.
한편, 공진기 결합형 필터는 여러 개의 공진기를 커플링 보드를 통해 결합시키는 구조로 보드(board) 상에 소정의 캐패시턴스 값이 나타나도록 패턴을 형성함으로써 공진기 사이의 커플링을 조절하는 구조로 되어 있다.
상기와 같이, 유전체 필터 제작을 위해 사용되는 공진기는 크게 균일 임피던스 공진기와 단차 임피던스 공진기로 구분되게 된다.
먼저, 도 1 및 도 2에는 종래 기술에 따른 균일 임피던스 공진기가 도시되어 있는데 이를 참고하면, 입출력단자를 위해 전송선로가 인입되는 개방면(11)을 제외한 나머지 면이 도전성 물질로 도포된 육면체 또는 원통형의 유전체블록(10)과, 상기 유전체블록(10)의 중심부에 형성되어 상기 개방면(11)에서 그 반대 방향에 위치된 후면(12)까지 일정 크기의 지름으로 관통된 관통홀(13)과, 상기 관통홀(13) 둘레를 둘러싸고 있는 내부전극(14)과, 상기 유전체블록(10)의 개방면(11)을 제외한 나머지 외주면을 둘러싸고 있는 외부전극(15)으로 구성된다.
특히, 상기 내부전극(14)과 외부전극(15) 사이에는 일정한 유전율을 갖는 유전물질이 채워져 있다. 한편, 상기 유전체블록(10)의 전체 길이는 물리적으로 lo이고, 그 지름은 2b인데 반해 상기 관통홀(13)의 지름은 2a1이다.
한편, 도 3 및 도 4에는 단차 임피던스 공진기의 구성이 도시되어 있는데 이를 참고하면 상기 단차 임피던스 공진기는 동축형 공진기로서 관통홀(23, 24, 43, 44)의 크기를 서로 다르게 함으로 인해 발생되는 임피던스 차를 이용한 초소형 공진기이다.
따라서, 상기 단차 임피던스 공진기는 임피던스 차를 이용하기 위해 상기한 도 1 및 도 2의 균일 임피던스 공진기와 거의 유사한 구성을 갖고 있지만 유전체블록(20, 40) 내에서 그 개방면(21, 41)과 반대 방향의 후면(22, 42) 쪽에 위치된 제1 관통홀(23, 43)의 지름이 상기 개방면(21, 41) 쪽에 위치된 제2 관통홀(24, 44)의 지름보다 크게 형성된다는 것이 달라지게 된다.
또는, 상기 유전체블록(30) 자체가 계단 형태로 형성되어 있어 개방면(31) 부분이 그 개방면(31)과 반대 방향에 위치된 후면(32) 부분에 비해 그 지름이 작게 형성된 것도 있다.
그리고, 상기 관통홀(23, 24, 33, 43, 44)의 외주면에는 각각 내부전극(25a, 25b, 35, 45a, 45b)이 둘러싸고 있고, 상기 유전체블록(20, 30, 40)의 외주면에도 외부전극(26, 36, 46)이 둘러싸고 있다.
상기 단차 임피던스 공진기를 더욱 자세히 살펴보면, 먼저 도 4a는 기본적인 형태로서 제1 관통홀(23)은 전체 전송선로의 길이 lt중에 l1만큼 차지하고 있고, 그 지름은 2a1이며, 제2 관통홀(24)은 lt에서 l1를 뺀 나머지인 l2만큼 차지하고 있는 동시에 그 지름은 2a2이다.(2a1＜2a2)
이때, 상기 유전체블록(20)의 전체 지름은 2b이고, 제1 관통홀(23)의 특성 임피던스는 Z1이며, 제2 관통홀(24)의 특성 임피던스는 Z2이다.(또는 어드미턴스 Y1,Y2)
다음, 도 4b는 유전체블록(30)의 지름이 일정 길이를 중심으로 서로 다르게 형성되는데 상기 개방면(31)쪽의 유전체블록(30) 지름은 2b2이고, 상기 개방면(31)의 반대 방향에 위치하고 있는 후면(32)쪽의 유전체블록(30) 지름은 2b1이다.(2b1＞2b2)
한편, 도 4c는 유전체블록(40)은 도 4a의 유전체블록(20)과 그 특성이 거의 유사하나 도 4a의 유전체블록(20)은 원통 형상을 갖는 반면에 도 4c의 유전체블록(40)은 직육면체 형상을 갖고 있다.
이러한 단차 임피던스 공진기의 개방면(21, 31, 41)에서 본 입력 어드미턴스 Yi는 다음 수학식 1과 같다.
그런데, 공진 조건에 의하여 Yi는 '0'이므로 수학식 1로부터 수학식 2를 얻게 된다.
상기에서,
이고, εr은 유전체의 상대 유전 상수이고, λ0는 자유 공간에서의 파장이며, ρ는 은의 저항율(1.63×10-8Ωm)이다.
상기한 수학식 2에서 단차 임피던스 공진기의 전체 길이 lt가 수학식 3과 같이 유도된다.
상기 변수값 K는 임피던스 비율 또는 어드미턴스 비율로 정의되는데 K=1인 영역이 균일 임피던스 공진기가 되므로 균일 임피던스 공진기는 단차 임피던스 공진기의 특수한 경우로 볼 수 있다.
그런데, 0＜K＜1인 영역에는일 경우에 최소 길이를 갖으며, 이때 최소 공진 길이 ltmin은 수학식 4와 같다.
이와 같이, 종래 기술에 의한 단차 임피던스 공진기는 유전체블록(20, 40) 내부에 형성되어 있는 제1 및 제2 관통홀(23, 24, 43, 44)을 길이방향으로 단차를 두어서 상기 제1 및 제2 관통홀(23, 24, 43, 44)의 크기에 따른 임피던스의 차를 이용하거나 유전체블록(30) 자체에 길이방향으로 단차를 두어 임피던스의 차를 이용한 공진기이다.
그런데, 종래 경우에 단차 임피던스 공진기는 균일 임피던스 공진기보다 짧은 길이로 상기 균일 임피던스 공진기에서 발생되는 주파수를 구현할 수 있지만, 그 공진기의 부피를 감소시킴에 따라 품질계수(Q∝V1/3, Q=1/tanδ, V=부피) 값의 저하가 동반되어서 고분리도, 저삽입손실을 요구하는 유전체 필터에 적합하지 않다는 문제점이 있다.
또한, 상기 유전체블록(20, 30, 40)의 개방면(21, 31, 41)을 가공하여 공진기의 주파수를 조정하게 되는데, 단차 임피던스 공진기는 균일 임피던스 공진기보다 상당히 정밀한 가공 기술이 요구되고 있으며, 탭(Tab) 등으로 전송선로를 구성할 경우에 균일 임피던스 공진기와 다르게 단차 임피던스 공진기는 제1 및 제2 관통홀(23, 24, 43, 44)의 크기 차이로 인해 탭은 제1 관통홀(23, 43)에만 접촉되므로 지지력이 양호하지 않아 리플로우(Reflow)와 같은 공정에서 불량이 많이 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 내부전극과 외부전극 사이에 이종의 상대유전율을 갖는 유전체를 동시 소성하여 그로 인해 발생되는 임피던스의 차를 이용한 초소형 공진기를 제조함으로써 기존의 균일 임피던스에 비해 스퓨리어스 특성이 우수하며, 기존의 내부 홀의 크기를 다르게 형성시킨 단차 임피던스에 비해 품질 계수 값이 우수하기 때문에 유전체 필터 제작시 삽입 손실이 감소되고, 주파수 선택성이 개선될 수 있음은 물론이고, 제품 적용시 단말기의 방사 전력 손실을 줄이는 동시에 송수신 주파수의 분리도 향상될 수 있는 단차 임피던스 공진기를 제공하는데 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 균일 임피던스 공진기의 제1 실시예에 의한 구성이 도시된 사시도,
도 1b는 도 1a의 단면도,
도 2는 상기 균일 임피던스 공진기의 제2 실시예에 의한 구성 및 단면이 도시된 도면,
도 3은 종래 기술에 따른 단차 임피던스 공진기의 구성이 도시된 단면도,
도 4a 내지 도 4c는 상기 단차 임피던스 공진기의 여러 실시예가 도시된 도면,
도 5는 본 발명에 따른 단차 임피던스 공진기의 구성이 도시된 단면도,
도 6은 도 5에서 반사 S-파라미터의 특성이 도시된 그래프.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50 : 유전체블록 50a, 50b : 제1 및 제2 유전물질
51 : 개방면 52 : 후면
53 : 관통홀 54 : 내부전극
55 : 단치임피던스부 56 : 외부전극
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 단차 임피던스 공진기의 제1 특징에 따르면, 입출력단자를 위해 전송선로가 인입되는 개방면을 제외한 나머지 면이 도전성 물질로 도포된 유전체블록과, 상기 유전체 블록의 개방면에서 그 개방면의 반대쪽에 위치된 면까지 공진 발생을 위해 관통된 관통홀과, 상기 관통홀의 둘레에 도전성 물질이 도포되어 형성된 내부전극과, 상기 내부전극 둘레에 배치되어 유전체 블록의 개방면에서 그 개방면의 반대쪽에 위치된 면 사이를 1이상 구획하여 서로 다른 상대유전율을 갖는 조성 물질이 채워지는 단차 임피던스부와, 상기 단차 임피던스부의 외주면이 도전성 물질이 도포되어 형성된 외부전극을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 단차임피던스부는 유전체블록의 개방면 부분의 상대유전율이 그 개방면과 반대쪽에 위치된 면 부분의 상대유전율보다 높다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 상기 단차임피던스부는 각 조성 성분의 몰(mol) 혼합비에 의해 정해진 평균유전율을 갖는 지점이 상기 유전체블록의 개방면과 그 반대쪽 면 사이에서 균등 간격으로 배치된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 상기 단차임피던스부는 각 조성 성분의 몰(mol) 혼합비에 의해 정해진 평균유전율을 갖는 지점이 상기 유전체블록의 개방면쪽으로 갈수록 상호 간격이 좁아지게 배치된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 단차 임피던스 공진기의 구성이 도시된 단면도로서 이를 참고하면 본 발명은, 입출력단자를 위해 전송선로가 인입되는 개방면(51)을제외한 나머지 면이 도전성 물질로 도포된 유전체블록(50)과, 상기 유전체블록(50)의 개방면(51)에서 그 개방면(51)과 반대 방향에 위치된 후면(52)까지 공진 발생을 위해 관통된 관통홀(53)과, 상기 관통홀(53)의 둘레에 도전성 물질이 도포되어 형성된 내부전극(54)과, 상기 내부전극(54) 둘레에 배치되어 유전체블록(50)의 개방면(51)에서 그 후면(52) 사이를 1이상 구획되어 임피던스 차가 발생되도록 서로 다른 상대유전율을 갖는 유전물질(50a, 50b)이 채워지는 단차임피던스부(55)와, 상기 단차임피던스부(55)의 외주면이 도전성 물질이 도포되어 형성된 외부전극(56)으로 구성된다.
특히, 상기 개방면(51)은 전극을 디핑(dipping)한 후 소성한 동축형 공진기를 덮은(lapping) 다음에 개방된 부분이다. 그리고, 상기 단차임피던스부(55)는 도 5에서는 상기 유전체블록(50)을 2부분으로 구획하고 있지만 경우에 따라서는 2부분 이상으로 구획될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명은, 상기 단차임피던스부(55)는 이종의 상대유전율을 갖는 제1 및 제2 유전물질(50a, 50b)로 이루어져 있으므로 서로 다른 유전물질 사이에 경계 부분이 나타나게 된다.
이러한 경계 부분은 확연히 구별되거나 점진적으로 구별되는 부분으로 상기 단차임피던스부(55)의 주조성을 각각 A, B(A의 상대유전율＞B의 상대유전율)라고 하면 그 경계 부분은 A'B', A"B" … AnBn으로 구성된다.
여기서, AnBn상의 상대유전율은 KAnBn=∑(j1A+j2B)이고, j1은 A 상의 몰비이며, j2는 B상의 몰비이다.
이러한 단차 임피던스 공진기의 길이와 공진주파수를 비교한 데이터가 표 1에 나타나 있다. 단, A는 0.3CaTiO3- 0.7LO.2Sm0.6TiO3, K=92이고, B는 (MgO.97Ca0.03)TiO3, K=23이다.
F Dm A B Do delta Qu
M 2.343375 -12.12 0.247742 0.602895 -4.88987 0.00394 594.7652
M 2.3485 -11.379 0.269805 0.575045 -4.69577 0.00393 597.5827
M1 3.80525 -5.8 0.512861 0.321998 -2.74706 0.00784 485.3635
M1 3.876 -6.054 0.498081 0.335041 -2.85393 0.00792 489.3939
M1 3.824 -6.262 0.486295 0.345628 -2.94027 0.00793 482.2194
M1 3.7955 -5.697 0.518979 0.316674 -2.70329 0.00795 477.4214
M2 1.3085 -1.474 0.843918 0.084647 -0.73436 0.00376 348.0053
M2 1.301 -1.253 0.865665 0.072004 -0.62487 0.00377 345.0928
M2 1.294 -1.374 0.85369 0.078929 -0.68486 0.00379 341.4248
M2 1.301 -1.274 0.863575 0.073206 -0.63529 0.00371 350.6739
M3 1.7735 -3.421 0.67445 0.194422 -1.67797 0.00446 397.6457
M3 1.7675 -3.492 0.66896 0.198351 -1.71143 0.00425 415.8824
M3 1.762 -3.371 0.678344 0.191651 -1.65436 0.00437 403.2037
M4 3.4565 -3.409 0.675383 0.193757 -1.67231 0.007742 446.4609
M4 3.457 -3.273 0.686041 0.186211 -1.60796 0.007748 446.1797
M4 3.4795 -3.566 0.663285 0.20244 -1.74622 0.00771 451.297
M4 3.479 -4.051 0.627263 0.229057 -1.9719 0.007749 448.9612
상기한 표 1에서 공진주파수와 같은 데이터는 도 6의 반사 S-파라미터 특성을 관찰하였으며, 각 특성은 다음 수학식 5로 구하게 된다.
M1∼M4는 모두 길이(l=6.74㎜)가 동일한 공진기이며, M은 B조성으로만 이루어진 공진기이다. 한편, M1은 B 조성이 1.97㎜, A 조성이 5.77㎜인 공진기; M2는 B 조성이 3.94㎜, A 조성이 2.8㎜인 공진기; M3는 B 조성이 6.13㎜, A 조성이 0.61㎜인 공진기; M4는 A 조성으로만 구성된 공진기이며, M1 내지 M4는 4㎜×4㎜×6.74㎜ 치수를 갖는 사각 동축형 공진기 형태를 갖는다.
상기한 표 1에서 알 수 있듯이, 상기 개방면(51) 쪽 조성의 유전율이 그 반대방향에 위치되어 있는 후면(52) 쪽 조성의 유전율 보다 높다. 그리고, 각 A와 B 조성의 몰혼합비에 의해서 정해진 평균유전율을 갖는 지점인 상기 A와 B 조성의 경계 부분은 전체 공진기 길이의 1/2에서 상기 개방면(51) 쪽으로 짧은 경우의 공진기(M2. M3)가 동일 길이로 단일 조성으로 구성되어 있는 공진기(N, M4), 또는 그 경계 부분이 전체 공진기 길이의 1/2보다 긴 공진기(M1)보다 훨씬 낮은 공진주파수를 발현함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 동일한 공진주파수를 구현할 경우에는 기존의 단차 임피던스 공진기보다 더 짧은 길이의 공진기로 구현하고자 하는 공진주파수를 발생시킬수 있고, 품질계수(Q) 값도 기존에 내부 관통홀의 지름 크기를 서로 다르게 형성시킴으로 인해 구현되는 단차 임피던스 공진기에 비해 30% 이상의 감소가 있었지만 M3와 M4 공진기를 비교해서 8∼10% 정도의 감소만을 보이고 있다.
그러므로, 본 발명의 단차 임피던스 공진기는 부피 차이로 인해 발생되는 Q 값의 감소가 적어 고분리도의 필터 제작이 가능해지게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 단차 임피던스 공진기는 내부전극과 외부전극 사이에 이종의 상대유전율을 갖는 유전체를 동시 소성하여 그로 인해 발생되는 임피던스의 차를 이용한 초소형 공진기를 제조함으로써 기존의 균일 임피던스에 비해 스퓨리어스 특성이 우수하며, 기존의 내부 홀의 크기를 다르게 형성시킨 단차 임피던스에 비해 품질 계수 값이 우수하기 때문에 유전체 필터 제작시 삽입 손실이 감소되고, 주파수 선택성이 개선될 수 있음은 물론이고, 제품 적용시 단말기의 방사 전력 손실을 줄이는 동시에 송수신 주파수의 분리도 향상될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 입출력단자를 위해 전송선로가 인입되는 개방면을 제외한 나머지 면이 도전성 물질로 도포된 유전체블록과, 상기 유전체 블록의 개방면에서 그 개방면의 반대쪽에 위치된 면까지 공진 발생을 위해 관통된 관통홀과, 상기 관통홀의 둘레에 도전성 물질이 도포되어 형성된 내부전극과, 상기 내부전극 둘레에 배치되어 유전체 블록의 개방면에서 그 개방면의 반대쪽에 위치된 면 사이를 1이상 구획하여 서로 다른 상대유전율을 갖는 조성 물질로 채워지는 단차 임피던스부와, 상기 단차 임피던스부의 외주면이 도전성 물질이 도포되어 형성된 외부전극을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 단차 임피던스 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단차임피던스부는 유전체블록의 개방면 부분의 상대유전율이 그 개방면과 반대쪽에 위치된 면 부분의 상대유전율보다 높은 것을 특징으로 하는 단차 임피던스 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단차임피던스부는 각 조성 성분의 몰(mol) 혼합비에 의해 정해진 평균유전율을 갖는 지점이 상기 유전체블록의 개방면과 그 반대쪽 면 사이에서 균등 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 단차 임피던스 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단차임피던스부는 각 조성 성분의 몰(mol) 혼합비에 의해 정해진 평균유전율을 갖는 지점이 상기 유전체블록의 개방면 쪽으로 갈수록 상호 간격이 좁아지게 배치된 것을 특징으로 하는 단차 임피던스 공진기.
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