KR20050043554A - 비아를 이용한 도파관 필터 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 비아를 이용한 도파관 필터에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 최상위 및 최하위에 접지면을 구비하고, 두 접지면 사이에 다층의 유전체 기판을 구비하며, 도파관의 양쪽 벽면은 두줄로 나열된 비아를 사용하여 구현하는 동시에 도파관 내부에도 비아를 사용함으로써, 그 제작을 용이하게 하고, 그 삽입손실 및 크기를 줄이기 위한, 비아를 이용한 도파관 필터를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 최상위 및 최하위에 제 1 및 제 2접지면을 구비하는, 비아를 이용한 도파관 필터에 있어서, 상기 제 1 및 제 2접지면 사이에 배치되어, 도파관을 형성하는 적어도 하나 이상의 유전체 기판; 입/출력 포트와 상기 도파관 사이의 신호를 전이하기 위한 변환 수단; 및 상기 변환 수단에 접속되어, 외부의 타(他) 소자와 신호를 주고받기 위한 상기 입/출력 포트를 포함하되, 상기 도파관의 양 벽이 적어도 하나 이상의 열로 나열된 비아로 구현되고, 상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 비아를 나열하여 E평면 도체 스트립으로 동작하게 한 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 광대역 4세대 무선통신 시스템 등에 이용됨.

Description

비아를 이용한 도파관 필터{Waveguide Filter using Vias}

본 발명은 비아를 이용한 도파관 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 4세대 무선통신 시스템 등에서 밀리미터파용 필터로서 사용하기 위한 비아를 이용한 도파관 필터에 관한 것이다.

지식 정보화 시대에 무선통신 시스템은, 음성과 문자 위주의 2세대 무선통신 시스템, 화상정보 전송을 위한 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)의 3세대 무선통신 시스템에서, 100Mbps 이상의 전송속도를 갖는 4세대 무선통신 시스템으로 발전할 것으로 예상된다.

이러한 광대역 4세대 무선통신 시스템에서는 이미 포화상태의 기존 주파수 대역이 아닌 밀리미터파를 사용할 것으로 예상된다.

일반적으로, 밀리미터파용 무선통신 시스템의 개발에 있어서 가장 중요한 문제는 소형화와 저가격화이다. 기존의 무선통신 시스템의 개발에서 소형화와 저가격화를 가장 어렵게 만드는 요소 중에 하나가 바로 필터이다. 특히, 도파관 필터의 경우 공기 중에서 주파수에 따라 기본적으로 차지하는 면적이 있게 되며, 입/출력의 전송형태에 따라 다양한 형태의 플랜지나 전이를 사용해야한다.

그에 따라, 종래의 도파관 필터는 전체 무선통신 시스템에서 차지하는 면적이 상당히 크고, 기구물의 제작에 드는 비용이 많아지는 문제점이 있다.

이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 미합중국 특허 제6,535,083호(EMBEDDED RIDGE WAVEGUIDE FILTERS)가 개시되어 있다.

상기 제6,535,083호 특허는 도파관의 양쪽 벽은 한줄의 비아와 접지면을 사용하여 구현하고, 릿지(Ridge) 부분은 비아와 패턴을 이용해 원하는 도체를 대체하였다. 그리고, 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramics; 이하, 간단히 'LTCC'라 함) 기판상에 패턴을 통해 스트립선로의 입/출력 포트를 구현하였다.

그러나, 상기 제6,535,083호 특허는 비아 사이를 디자인 법칙에 따라 일정 간격 유지해야 하는 현 공정에 적합하지 않은 문제점이 있고, 도파관의 높이를 원하는 대로 조절할 수 없는 문제점이 있으며, 또한 입/출력 선로가 다층기판의 내부에 있어야 하기 때문에 타(他) 소자와의 연결 및 측정을 위해서는 반드시 또 다른 전이를 사용해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 최상위 및 최하위에 접지면을 구비하고, 두 접지면 사이에 다층의 유전체 기판을 구비하며, 도파관의 양쪽 벽면은 두줄로 나열된 비아를 사용하여 구현하는 동시에 도파관 내부에도 비아를 사용함으로써, 그 제작을 용이하게 하고, 그 삽입손실 및 크기를 줄이기 위한, 비아를 이용한 도파관 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 입/출력 포트와 도파관 사이의 신호 전이가 간단한 변환기를 사용함으로써, 개별 모듈로의 사용과 전체 시스템으로의 연결을 간단하게 하기 위한, 비아를 이용한 도파관 필터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 최상위 및 최하위에 제 1 및 제 2접지면을 구비하는, 비아를 이용한 도파관 필터에 있어서, 상기 제 1 및 제 2접지면 사이에 배치되어, 도파관을 형성하는 적어도 하나 이상의 유전체 기판; 입/출력 포트와 상기 도파관 사이의 신호를 전이하기 위한 변환 수단; 및 상기 변환 수단에 접속되어, 외부의 타(他) 소자와 신호를 주고받기 위한 상기 입/출력 포트를 포함하되, 상기 도파관의 양 벽이 적어도 하나 이상의 열로 나열된 비아로 구현된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명은, 상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 비아를 나열하여 E평면 도체 스트립으로 동작하게 한 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 종래의 E평면 도체 스트립 도파관 필터의 구성도이며, 도 1b는 상기 도 1a에 도시된 필터의 분해 사시도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 E평면 도체 스트립 도파관 필터는, 도파관(110) 내부에 여러 개의 도체 스트립(120)을 사용해 필터 특성을 갖도록 만드는 것이다.

상기 필터는 실제 제작 과정에서는, 도 1b에 도시된 바와 같이 도파관을 반으로 나눈 뒤(111, 112), 도체 스트립(120)을 삽입하는 과정으로 이루어진다.

도 2a 내지 도 2c는 각각 상기 도 1a의 정면도, 평면도 및 측면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(110)의 크기는 a(mm)×b(mm)이며, 삽입될 상기 도체 스트립(120)의 두께는 t(mm)이다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(110)의 길이는 L이며, 상기 도파관(110)의 중심을 따라 도체 스트립(210, 220)이 삽입되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, s1 및 s2의 길이를 가지는 도체 스트립(210, 220)이 r1 및 r2의 간격으로 배치되어 있는 것을 볼 수 있다. 이때, 도체 스트립(210, 220)의 개수는 필터의 차수에 의존한다.

상기 도 1a에 따라 설계된 도파관 필터의 프로토 타입을 바탕으로 본 발명에 따른 유전체를 삽입한 도파관 필터를 설계하기 위해서는, 우선 다음의 수학식과 같이 유전율이 변함에 따라 공기 중에서 설계된 도파관의 전체 크기를 x, y, z축 모두에서 의 비율로 일정하게 축소해야 한다.

상기 [수학식 1]에서, , 이며, 밀리미터파 정도의 고주파에서는 인 관계가 있으므로 간략화를 통해 는 에 반비례함을 알 수 있다(여기서, 는 도파관 파장, 는 전파상수, 는 물질의 파수, 는 차단파수임).

또한, 도파관 내부의 삽입 도체와 양쪽의 벽을 본래의 특성에 가깝게 비아를 사용하여 재설계해야 한다.

상기 [수학식 1]에 따라 유전율 7.8인 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramics; LTCC) 기판을 사용할 경우, 상기 도 1a의 필터를 x, y, z 축으로 각각 1/2.8씩 축소하면 된다.

도 3은 본 발명에 따른 비아를 이용한 도파관 필터의 제 1실시예 구성도이며, 도 4a 내지 도 4c는 각각 상기 도 3의 일실시예 정면도, 평면도 및 측면도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 따른 필터의 도파관의 크기는 a'(mm)×b'(mm)로 변화되었으며, 이때 E평면을 사용하는 도파관 필터는 그 높이를 낮추어도 같은 성능을 나타내는 특성을 이용하여, 원하는 유전체 기판(410 내지 460)의 수에 따라 융통성있는 사용이 가능하며, 전체 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 단, 도파관의 높이가 낮아질수록 전송손실은 조금씩 증가하므로 원하는 성능에 따라 알맞게 조절해야 한다.

상기 다수의 유전체 기판의 최하위 및 최상위에는 접지면(350)을 배치할 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예를 설명하기 위하여, 상기 도파관(310)에 사용되는 유전체로서 LTCC를 그 예로 들어 설명하였으나, 이는 다른 종류의 유전체를 사용하여 구현하는 것을 배제하는 것은 아니다.

또한, 도파관의 양쪽 벽을 만들기 위해 비아를 일렬로 나열한다(390). 이때 될 수 있으면 비아 사이의 간격을 좁게 하여 많은 비아를 나열하는 것이 좋으나, 기판이 견딜 수 있는 한계가 있으므로 공정상의 디자인 법칙에 따라 비아를 가능한 촘촘히 위치시키고, 또한 도면에 보이듯이 엇갈려서 또 한 줄의 비아 벽(380)을 주는 것이 좋다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도파관 필터는, 측정 및 타 소자와의 연결을 위한 입/출력 포트(330), 입/출력 포트(330)에서 도파관(310)으로 또는 도파관(310)에서 입/출력 포트(330)로의 신호 전이를 위한 변환기(320), 원하는 필터의 특성을 나타내는 도파관(310)을 포함하고 있다.

여기서, 상기 입/출력 포트(330)는 마이크로스트립 라인(Microstrip line), 스트립라인(Stripline) 및 동일평면 도파관(Coplanar-Waveguide; 이하, 간단히 'CPW'라 함) 등과 같은 다양한 종류의 전송선로일 수 있으며, 이에 따라 상기 변환기(320)에 다소의 변환이 필요할 수 있다.

상기 변환기(320)는 상위 접지면의 양 측면에 하나씩 접속되도록 각각 배치되며, 그 폭과 길이를 적당히 조절하여 구현함으로써 상기 입/출력 포트(330)와 상기 도파관(310)을 임피던스 매칭하여, 양 소자 사이의 신호 전이를 쉽게 하도록 할 수 있다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(310)은 상기 도 1a의 중앙에 삽입된 도체 스트립 대신에 일정 간격의 비아(360, 370)를 사용하여 구현하였음을 알 수 있다. 이때, E평면 도체(메탈) 스트립을 대체하기 위해서는 일정 간격의 비아(360, 370)를 만들고 이곳에 도체를 채움으로써 도체 스트립에 더 가까운 구조를 만들 수 있다.

상기 도 4c에서는 6개의 유전체 기판(410 내지 460)이 쌓여있는 구조를 보이지만, 원하는 기판의 수를 설계자가 선택할 수 있으므로, 상기 비아(360, 370)는 상기 도파관(310)과 연결되는 소자의 층수에 따라 높이를 맞춤으로써 서로 다른 층에 있는 소자들 사이의 전이를 줄일 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에서, LTCC 공정상 비아 사이의 거리가 비아 지름의 3배 이하가 되면, 비아 사이에 균열이 생기게 된다. 이런 제약으로 도체 스트립을 근사화시키기 위해 비아를 촘촘히 하는 것에는 한계가 있다. 따라서, 본 발명은 이를 극복하기 위해 비아를 연속해서 사용해 완전한 캐비티를 만드는 또 다른 구조를 제안한다.

도 5는 상기 도 3의 도파관 내부 비아의 제 2실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 비아를 연속해서 사용함으로써 하나의 긴 캐비티 구조(510, 520)를 만들고 이곳에 도체를 채움으로써 도체 스트립에 더 가까운 구조를 만들 수 있다.

한편, 상기 도 4a에서는 양쪽 벽(340)을 형성하기 위해 사용된 두 줄의 비아열(380, 390)이 상기 입/출력 포트(330)까지 연장되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 상기 도파관(310)과 상기 변환기(320)를 통해 흐르는 신호가 유전체 기판을 통해 세지 않도록 하기 위한 방법으로, 이처럼 구현함으로써 삽입손실을 줄일 수 있다.

그러나, 전송선로의 폭이 넓어져 양쪽 벽에 가까워지면 CPW 선로로 동작할 수 있으므로 이때는 사용하지 않는 것이 좋다.

도 6은 본 발명에 따른 비아를 이용한 도파관 필터의 제 2실시예 평면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예에 따른 도파관 필터는, 그 전체적인 구조는 상기 도 3의 필터와 유사하나, 상기 도 3의 도파관 중심에 존재하는 비아의 나열(360, 370)이 서로 다른 지름을 가지는 비아(610, 620)로 대체되어 있음을 알 수 있다.

상기 도 6의 도파관 필터는, 상기 비아(610, 620)를 제외하고는 상기 도 3의 도파관 필터와 그 구성 및 동작이 동일하므로, 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략토록 한다.

도 7은 상기 도 6의 도파관 필터의 성능을 나타내는 일실시예 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도파관 필터는, 그 대역폭이 40.5 ~ 41.5 GHz의 1GHz 대역임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 다층 기판상에 도파관 필터를 구현함으로써, 공기중에서 제작된 도파관 필터의 크기와 비교하여 기판의 유전율의 제곱근에 비례해서 전체 필터의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 E평면을 사용하는 도파관 필터의 경우 원하는 높이를 선택적으로 사용할 수 있으므로, 전체 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 입/출력 포트와 도파관 사이의 신호 전이 구조가 간단하여 개별 모듈로의 사용 및 전체 시스템으로의 연결이 용이한 효과가 있다.

도 1a는 종래의 E평면 도체 삽입 도파관 필터의 구성도.

도 1b는 상기 도 1a에 도시된 필터의 분해 사시도.

도 2a는 상기 도 1a의 정면도.

도 2b는 상기 도 1a의 평면도.

도 2c는 상기 도 1a의 측면도.

도 3은 본 발명에 따른 비아를 이용한 도파관 필터의 제 1실시예 구성도.

도 4a는 상기 도 3의 일실시예 정면도.

도 4b는 상기 도 3의 일실시예 평면도.

도 4c는 상기 도 3의 일실시예 측면도.

도 5는 상기 도 3의 도파관 내부 비아의 제 2실시예 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 비아를 이용한 도파관 필터의 제 2실시예 평면도.

도 7은 상기 도 6의 도파관 필터의 성능을 나타내는 일실시예 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

310 : 도파관 320 : 변환기

330 : 입/출력 포트 350 : 접지면

360, 370, 380, 390, 510, 520, 610, 620 : 비아

410 내지 460 : 유전체 기판

Claims (11)

1. 최상위 및 최하위에 제 1 및 제 2접지면을 구비하는, 비아를 이용한 도파관 필터에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2접지면 사이에 배치되어, 도파관을 형성하는 적어도 하나 이상의 유전체 기판;

   입/출력 포트와 상기 도파관 사이의 신호를 전이하기 위한 변환 수단; 및

   상기 변환 수단에 접속되어, 외부의 타(他) 소자와 신호를 주고받기 위한 상기 입/출력 포트를 포함하되,

   상기 도파관의 양 벽이 적어도 하나 이상의 열로 나열된 비아로 구현된 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 비아를 나열하여 E평면 도체 스트립으로 동작하게 한 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 나열된 비아는,

   연속되도록 나열되어 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 연속되도록 나열되어 캐비티를 형성하는 비아는,

   도체 스트립의 구조를 가지도록 도체(메탈)로 채워진 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 나열된 비아는,

   일정 간격으로 나열되되, 도체 스트립의 구조를 가지도록 도체(메탈)로 채워진 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 도파관의 중심에 횡방향을 따라 소정의 간격으로 나열된 비아는,

   서로 다른 크기의 비아인 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유전체 기판은,

   저온 동시소성 세라믹(LTCC) 기판인 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 변환 수단은,

   상기 도파관과 상기 입/출력 포트를 임피던스 매칭하는 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 입/출력 포트는,

   마이크로스트립 라인(MS), 스트립라인(SL) 또는 동일평면 도파관(CPW) 중 어느 하나의 전송선로로 구현된 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.
10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나 이상의 열로 나열된 비아는,

    일렬로 나열된 다수의 비아를 구비하는 제 1비아열; 및

    상기 제 1 비아열과 각각의 비아가 어긋나도록 일렬로 나열된 다수의 비아를 구비하는 제 2비아열

    을 포함하는 비아를 이용한 도파관 필터.
11. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나 이상의 열로 나열된 비아는,

    상기 입/출력 포트까지 확장되어 나열된 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 도파관 필터.