KR200328934Y1 - 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기에 관한 것으로, 높은 유전율을 가지는 평판 유전체; 상기 유전체의 하면에 부착되고, 원형으로 천공하여 형성된 hollow patch를 내부에 갖는 금속 접지면; 및 상기 유전체 기판의 외부를 둘러싸는 금속 캐비티를 포함하며, MIC 회로가 상기 유전체 기판 위에 직접 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 고안에서 제안된 단일 접지면 유전체 공진기는 종래의 유전체 공진기에 비해, 유전율이 낮은 유전체 물질을 별도로 부착하는 공정이 불필요하므로 저렴하게 생산할 수 있으며, 여타 마이크로스트립 라인 공진기나 캐비티에 비해 훨씬 높은 Qu 값을 갖고, 동시에 MIC 회로와의 직접이 용이하다는 장점을 가진다.

Description

단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기{A plate dielectric resonator having single ground surface}

본 고안은 평판 유전체 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고주파 회로에서의 집적이 용이하고 높은 Qu를 가지면서도 제조 공정이 간편하도록 고안된 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기에 관한 것이다.

공진기(Resonator)는 여러 주파수 성분 중에서 원하는 주파수를 정확히 선택 또는 제거하는데 사용하는 수동 소자로서, 믹서(Mixer), 발진기(Oscillator), 증폭기(Amplifier)와 같은 RF 부품을 설계할 때 반드시 필요로 하는 소자이다. 예컨대, 발진기를 설계할 때는 원하는 주파수를 선택하여 발진시키는데 공진기를 사용하며, 증폭기에서는 특정 Harmonic 성분을 제거하는데 공진기가 중요한 역할을 한다.

이러한 공진기의 종류로는 LC 회로를 이용한 공진기, 마이크로스트립 공진기, 에어 캐비티 공진기(Air cavity resonator) 등이 있으며, 최근에는 유전체가 캐비티 내에 채워진 형태의 유전체 공진기(Dielectric resonator)가 많이 사용되고 있다. 캐비티 공진기에서의 유효 파장의 길이는 공진기의 크기에 비례하고 캐비티 안에 채워진 재료의 유전 상수에 반비례하는데, 유전체 공진기는 고주파 손실이 적고 유전 상수가 큰 유전체를 매질로 사용하므로 유효 파장의 크기가 줄어들어 공진기의 크기도 크게 줄일 수 있다.

따라서, 유전체 공전기는 부피를 작게 만들 수 있고, 제조 공정도 쉬울 뿐만 아니라, 손실이 거의 없으며 온도에 따른 주파수 안정도가 훌륭하고, 높은 Q-팩터를 가진다는 장점이 있기 때문에 유ㆍ무선 통신용 고주파회로에서 많이 사용되고 있다. 특히, 현대의 통신은 주파수 대역이 밀리미터 대역으로 점점 높아지고 있기때문에, 이동 통신 또는 밀리미터 대역에서 기존의 MIC 회로와의 직접이 용이하면서도 높은 Qu(unloaded Q; 부하가 걸리지 않은 공진기만의 Q)를 가지는 공진기의 필요성이 점점 증가하고 있는데, 유전체 공진기는 바로 이러한 필요를 매우 잘 만족시키고 있다.

도 1은 이러한 평판 유전체 공진기의 평면도와 단면도를 구체적으로 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 평판 유전체 공진기의 구조를 보면, 높은 유전율을 가지는 평판 유전체(10)의 양면에 증착 등의 방법을 이용하여 접지면(14,16)을 형성하고, 유전체(10) 표면에 형성된 상기 접지면(14,16)에 원형으로 hollow patch(15)를 만드는데, 바로 이 부분이 유전체 공진기로 동작하게 된다. 이렇게 구성된 평판 유전체 공전기의 기판 외부에는 금속 캐비티(30)를 둘러쌈으로써 전자파의 방사로 인한 손실을 최소화하였다.

이러한 형태의 유전체 공진기 위에 필터나 발진기 등과 같은 고주파 집적회로(Microwave Integrated Circuit; MIC)를 제작하여 설치하려고 하는 경우, MIC가 유전체 상부면에 형성된 접지면(14,16)과 분리되어 있어야 하기 때문에, 증착 또는 코팅 등의 방법을 이용하여 평판 유전체 기판 위에 유전율이 낮은 유전체(20)를 형성한다. 그런 후, 유전율이 낮은 유전체(20) 위에 다시 상기 공진기와의 커플링을 위한 커플링 라인(coupling line) 및 MIC 회로(25)를 제작한다.

여기서, 평판 유전체 기판(10) 위에 유전율이 낮은 유전체(20)를 형성하는 이유는, 상기 접지면(14,16)과 MIC 회로(25) 사이의 전기적 분리의 목적과 함께 유전 손실을 최소화하기 위한 것이다. 만약, 공진기에 사용되는 유전체와 같이 유전율이 높은 유전체를 사용하게 되면, 평판 유전체 기판 위에 형성된 유전체 역시 공진기와 같은 작용을 하게 되어 전자기 에너지가 공진기 부분에 집중되지 않고, 그 결과 유전 손실이 높아지게 된다. 유전 손실이 높아지게 되면 공진기의 Q 값이 저하되어 주파수 특성이 나빠진다. 때문에, 이러한 유전 손실을 방지하기 위하여 유전율이 낮은 유전체를 사용하는 것이다.

이러한 형태의 종래의 평판 유전체 공진기는 유전체 기판(10)의 양면에 증착된 금속 접지면(14,16)과 외부의 금속 캐비티(30)가 도파관 역할을 하게 되어 유전체 공진기가 TE₀₁₀모드로 동작할 경우 외부로 빠져나가는 전자기파를 cutoff 시킴으로써, 전자기 에너지가 유전체 공진기 부분에 집중되도록 한다. 도 2는 상기 평판 유전체 공진기가 TE₀₁₀모드로 동작할 때의 전기장과 자기장의 분포를 도시하고 있다. 도 2를 통해 알 수 있듯이, 전자기 에너지는 유전체의 공진기 부분에 집중되어 있다. 이렇게 전자기 에너지가 유전체의 공진기 부분에 집중되어 있기 때문에, 상기 유전체 공진기는 높은 Qu를 가질 수 있다.

그러나, 종래의 평판 유전체 공진기는 접지면이 유전체 기판의 양면에 부착되어 있기 때문에, MIC 회로를 제작하기 위해서는 반드시 유전율이 낮은 유전체를 접지면 위에 형성하여야 하였다. 따라서, 평판 유전체 공진기를 제조하는 공정이 복잡하여 공진기의 단가가 높아지는 원인이 되었으며, 낮은 유전율을 가지는 유전체로 인해 유전 손실이 추가적으로 발생하여 전체적인 공진기의 Qu가 감소될 위험이 있다.

본 고안은 이러한 종래의 평판 유전체 공진기의 문제점을 해결하기 위한 것이다.

따라서, 본 고안의 목적은 평판 유전체 공진기의 제조 공정을 단순화하여 저렴한 평판 유전체 공진기를 제공하는데 있다.

또한, 본 고안의 또 다른 목적은 평판 유전체 공진기를 저렴하게 생산하면서도 공진기의 Qu 값을 비롯한 공진기의 전반적 성능이 우수한 평판 유전체 공진기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 평판 유전체 공진기의 평면도와 단면도를 도시한다.

도 2는 종래의 평판 유전체 공진기가 TE₀₁₀모드로 동작할 때의 전기장과 자기장의 분포를 도시한다.

도 3은 본 고안에 따른 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기이다.

도 4는 본 고안의 평판 유전체 공진기의 또 다른 실시예를 도시한다.

♠도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♠

10.....유전율이 높은 평판 유전체 14,16..금속 접지면

15.....Hollow patch 20.....유전율이 낮은 평판 유전체

25.....MIC 회로 30.....금속 캐비티

이를 위한 본 고안의 구성을 보면, 본 고안에 따른 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기는. 높은 유전율을 가지는 평판 유전체; 상기 유전체의 하면에 부착되고, 원형으로 천공하여 형성된 hollow patch를 내부에 갖는 금속 접지면; 및 상기 유전체 기판의 외부를 둘러싸는 금속 캐비티를 포함하며, MIC 회로가 상기 유전체 기판 위에 직접 형성되는 것을 특징으로 한다.

도면을 참조하여 본 고안의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 고안에서 새로이 제안된 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기는, 높은 유전율(예컨대, 9.9 내지 36)을 가지는 평판 유전체(10)의 하면에만 증착 등의 방법을 이용하여 금속 접지면(14)을 형성하고, 상기 평판 유전체(10)의 하면에 형성된 상기 접지면(14)에 원형으로 hollow patch(15)를 만들어, 이 부분이 유전체 공진기로 동작하게 한다. 또한, 이렇게 구성된 평판 유전체 공전기의 기판 외부에 금속 캐비티(30)를 둘러싸 전자파의 방사로 인한 손실을 최소화하였다.

위에서 설명하였듯이, 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기의 구조가 종래의 평판 유전체 공진기의 구조보다 간단하기 때문에 제조 공정이 종래에 비해 매우 간단하고, 그 결과 대단히 저렴한 가격으로 유전체 공진기를 대량 생산할 수 있다.

단일 접지면을 가지는 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기의 동작을 보면, 유전체(10)의 상부면에 금속 접지면이 없기 때문에, 하부의 금속 접지면(14)과 유전체 공진기 상부의 금속 캐비티(30)는 유전체가 부분적으로 채워진 도파관으로서 동작하게 된다. 따라서, 유전체의 상부면에 금속 접지면이 없더라도 공진기의 하부 접지면(14)과 캐비티(30)가 도파관으로 동작하기 때문에, 공진기가 TE₀₁₀모드에서 동작할 때 전자기장을 감쇄시켜 종래의 평판 유전체 공진기와 같이 전자기 에너지가 공진기에 집중될 수 있다.

표 1은 종래의 평판 유전체 공진기와 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기의 Qu 값(공진기에 부하가 걸리지 않았을 때의 Q 값)을 필드 시뮬레이터를 사용하여 Incremental frequency rule 의 방법으로 계산한 것이다. 종래에 비해 매우 간단한 구조임에도 불구하고, 표 1에 나타난 바와 같이, 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기의 Qu 값은 종래의 평판 유전체 공진기의 Qu 값과 비슷하다는 것을 알 수 있다.

종류	종래의 공진기	본 고안에 따른 공진기
Qu 값	700	670

여기서, 계산시 사용된 유전체 공진기의 구조에 대한 파라미터 값은 다음과 같다.

- 유전체 물질 : GaAs(er=13)

- 유전체 물질의 두께 : 300㎛

- Hollow patch의 지름 : 6mm

- 캐비티의 높이 : 2mm

- 공진주파수 : 32 GHz 근처

이렇게 제작된 본 고안의 유전체 공진기는 상부 표면에 금속 접지면이 없기 때문에, 유전체 공진기 위에 필터나 발진기 등과 같은 고주파 집적회로(MIC)를 제작하여 설치하려고 하는 경우, MIC와 금속 접지면을 분리하기 위해 유전율이 낮은 유전체(20)를 평판 유전체 기판 위에 형성해야 할 필요가 없다. 따라서, 본 고안에 의한 유전체 공진기의 경우, 공진기와의 커플링을 위한 커플링 라인 및 MIC 회로(25)를 유전체 공진기 위에 직접 제작할 수 있다는 장점이 있다.

도 4는 본 고안의 평판 유전체 공진기의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예는 MIC 회로를 다층구조로 제작하여 회로의 크기를 줄이는데 유용하다. 이를 위해 유전율이 높은 평판 유전체 위에 MIC 회로를 직접 형성하지 않고, 유전율이 높은 평판 유전체(10) 바로 위에 금속 접지면 없이 직접 다른 유전체 기판(35)을 형성하였다. 여기서, 유전체 공진기 위에 형성된 상기 또 다른 유전체기판(35)의 유전율이 매우 낮은 경우(예컨대, 약 2.2인 경우)에는, 높은 유전율을 갖는 유전체 공진기에 전자기 에너지가 집중될 수 있기 때문에 높은 유전율을 갖는 유전체(10) 위에 직접 MIC 회로를 형성한 경우와 기본 동작이 동일하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 높은 유전율을 가지는 유전체(10) 위에 낮은 유전율의 유전체(35)를 코팅하고 그 위에 MIC 회로(25)를 형성하며, 또 다시 그 위에 낮은 유전율의 유전체(35)를 코팅하고 그 위에 MIC 회로(25)를 형성하는 방식으로 MIC 회로를 다층구조로 제작할 수 있다.

본 고안에서 제안된 단일 접지면 유전체 공진기는 종래의 유전체 공진기에 비해, 유전율이 낮은 유전체 물질을 별도로 부착하는 공정이 불필요하므로, 제조 공정이 매우 간단하여 제조 단가가 저렴하다는 장점이 있다. 또한, 본 고안에 따른 단일 접지면 유전체 공진기는, 이렇게 간편하고 저렴하게 생산하면서도, 여타 마이크로스트립 라인 공진기나 캐비티에 비해 훨씬 높은 Qu 값을 가지며, 동시에 MIC 회로와의 직접이 용이하다는 장점도 가진다. 즉, 본 고안에 따른 평판 유전체 공진기는 종래의 평판 유전체 공진기가 갖는 장점을 모두 가진다. 따라서, 밀리밑터 대역의 통신과 같은 초고주파 산업에서, 예컨대, 고주파 대역에서 높은 Qu 값을 요구하는 공진기, 발진기 및 필터 등의 제작에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 높은 유전율을 가지는 평판 유전체;

   상기 유전체의 하면에 부착되고, 원형으로 천공하여 형성된 hollow patch를 내부에 갖는 금속 접지면; 및

   상기 유전체 기판의 외부를 둘러싸는 금속 캐비티를 포함하며, MIC 회로가 상기 유전체 기판 위에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는, 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 높은 유전율을 가지는 평판 유전체와 상기 MIC 회로 사이에 유전율이 낮은 제 2 유전체가 추가적으로 형성되어 있으며, 상기 MIC 회로 위에 유전율이 낮은 제 2 유전체와 MIC 회로를 반복하여 형성함으로써 MIC 회로를 다층구조로 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는, 단일 접지면을 가지는 평판 유전체 공진기.