KR20090036327A

KR20090036327A - 고주파 필터

Info

Publication number: KR20090036327A
Application number: KR1020070101442A
Authority: KR
Inventors: 박종규
Original assignee: 주식회사 이롬테크
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-14

Abstract

본 발명은 고주파 필터에 있어서, 입력단으로 제공되는 입력신호를 다수의 신호로 나누어 출력하는 분배기와, 해당 고주파 필터의 필터링 특성에 따른 필터링 특성을 가지도록 설계되어 분배기에 의해 나누어진 신호를 각각 제공받아 필터링하여 출력하는 다수의 서브 필터부와, 다수의 서브 필터부에서 출력되는 신호들을 합성하여 출력단으로 출력하는 합성기를 포함함을 특징으로 하는 고주파 필터.

RF 필터, 유전체 공진, 열, 고전력, 분배기, 결합기

Description

고주파 필터{RADIO FREQUENCY FILTER}

본 발명은 고주파(RF: Radio Frequency) 필터에 관한 것으로, 특히 고전력 송신 시스템에서 불필요한 신호를 제거하기 위해 장착되는 송신필터에 적용됨이 바람직한 고주파 필터에 관한 것이다.

고주파 필터(DR 필터, 캐비티 필터, 웨이브 가이드 필터 등)는 고주파, 특히 초고주파를 공진하기 위한 일종의 회로통의 구조를 가진다. 일반적인 코일과 콘덴서에 의한 공진회로는 복사손실이 커서 초고주파를 형성하는데 적합지 않다. 이에 RF 필터는 도체로 둘러싸인 금속성 원통 또는 직육면체의 공동(cavity)을 형성하며 그 내부에서 DR(Dielectric Resonator) 또는 금속의 공진봉을 구비시켜, 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써, 초고주파의 공진이 가능하게 하는 구조를 가진다.

이러한 DR 또는 금속 공진봉을 이용한 RF 필터의 기술로는 국내 선출원된 특허 출원번호 제2002-84938호(명칭: 고 유전율 및 높은 선택도 값을 갖는 유전체를 구비하는 무선 주파수 필터, 출원인: 주식회사 케이엠더블유, 발명자: 박종규 외, 출원일: 2002년 12월 27일) 및 특허 출원번호 제2002-52351호(명칭: 스프링 너트를 구비하는 무선 주파수 필터, 출원인: 주식회사 케이엠더블유, 발명자: 박종규 외, 출원일: 2002년 8월 31일) 등을 예로 들 수 있다.

이와 같은 DR 또는 금속 공진봉을 이용한 RF 필터는 삽입손실이 적고 고출력에 유리하기 때문에 이동통신 기지국 및 중계기, 방송용 중계기, 위성통신 시스템 등 거의 모든 송수신 통신장비에 적용되며, 이때 듀플렉서(duplexer), 대역통과(bandpass) 필터용으로도 채용되고 있으며, 요구되는 필터링 특성에 따라 다양한 형태 및 구조가 개발되고 있다.

일반적으로 이동통신 및 방송통신에서 송신시스템은 송신시 타 채널 또는 타 통신에 영향을 주는 불필요한 신호를 제거하기 위하여 고 전력의 송신 필터를 사용한다. 그러나 송신신호만을 통과시키기 위하여 필터를 사용하면 필터의 삽입손실에 의한 열이 발생 할 수밖에 없다.

이 때 일반적인 송신필터의 삽입손실은 대략 10% ~ 20.6%( -0.45dB ~ 1.0dB)정도 된다. 이 양은 송신전력이 100W인 경우 약 10W ~ 20W정도가 열로 발생되는데, 기존에 제작 되어지는 고품질의 필터의 경우 열 폭주 없이 방열이 가능하므로, 시스템에 별다른 이상 없이 신호 전송이 가능하다.

그러나 이보다 월등히 높은 송신전력을 송신하는 시스템에서는, 예를 들어 송신전력이 1000W인 경우에는 발생되는 열이 100W ~ 200W정도로 증가하게 된다. 그러면 발생되는 열로 인해 충분한 방열이 이루어지기 전에 필터의 온도가 급격히 올라가게 된다. 이로 인해 도체의 도전율이 낮아져 손실을 더욱 증가시키며, 증가된 손실은 발열량을 더욱 증가시키게 되는 열 폭주 현상이 발생한다. 이러한 열 폭주 현상은 필터의 특성을 변화시키며 변화된 특성은 더욱 열의 발생을 가속화시키게 되며, 필터에 치명적인 손상을 가져온다.

한편, 열이 발생하는 부위를 보면 필터에서 전체적으로 발생하는 것이 아니라, 필터의 특성상 내부의 공진봉이나 유전체에서 집중적으로 발생한다. 이와 같이 발생된 열은 필터의 외부로 효율적으로 전달시켜 방열을 하여야 한다. 그런데, 특히 유전체 공진기의 경우 유전체의 품질계수를 손상시키지 않고 부도체인 물질로 열을 전달해야 하므로 주로 알루미나를 사용하지만, 알루미나는 필터의 하우징으로 주로 사용되는 알루미늄에 비해 열전도도가 약 1/6밖에 되지 않아 열을 밖으로 전달하는 데에는 많은 한계가 따른다.

따라서, 근본적으로 손실을 작게 하여 열의 발생을 줄이거나, 발열량이 작게 필터 설계를 하여야 하는 필요성이 요구되었다.

따라서 본발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안한 것으로 고전력의 송신신호를 N개의 신호로 나누며, 마찬가지로 동일한 필터링 특성을 가지는 N개의 서브 필터부를 형성하여, 각각의 서브 필터부에는 1/N의 전력만이 인가되도록 하여 총합으로는 동일한 열이 발생되지만 열의 분포를 분산시키고 표면적을 넓혀 방열효과를 높일 뿐만 아니라, 전체 필터 내부의 공진봉 숫자를 N배로 많게 하므로 인해 각각의 공진봉에서는 기존 필터 대비 1/N의 열이 발생되도록 하여 필터의 특성에 가장 민감하게 영향을 주는 부분의 온도 변화를 최소화할 수 있는 고전력 송신필터를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고전력 송신 시스템의 송신 필터로 적용되기 바람직한 필터 구조에 있어서, 입력단자로 고전력의 송신 신호를 받아 N-Way 분배기로 신호세기를 1/N로 나누어 동일한 필터링 특성을 가지는 각각의 #1,#2,…,#N 서브 필터부로 입력시켜서 각각의 서브 필터부에는 1/N의 열만을 발생시켜 열의 분포를 분산시켜 최대한 방열 할 수 있도록 하고, 각각의 서브 필터부의 출력을 N-Way 합성기로 다시 합성하여 불필요한 신호를 제거한 원래의 고전력 송신 신호가 송출될 수 있도록 구성함을 특징으로 한다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 고전력 송신 시스템의 송신 필터로 적용되기 바람직한 필터 구조는, 예를 들어 고전력의 송신신호를 N개의 신호로 나누어 각각 필터링함으로써, 열의 분포를 분산시키고 표면적을 넓혀 방열효과가 높으며, 터의 특성에 가장 민감하게 영향을 주는 부분의 온도 변화를 최소화하여 필터의 특성이 항상 유지될 수 있도록 하며 고전력 송신 시스템이 장애를 일으키지 않도록 할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명은 고전력 송신 시스템의 송신 필터에 적용됨이 바람직한 필터 구조를 제안한다. 본 발명의 필터는 예를 들어 고전력의 송신 신호를 입력단자로 제공받아 N개의 신호로 균등하게 나누어 해당 필터의 필터링 특성에 따른 동일한 필터링 특성을 가지는 다수의 서브 필터부(#1,#2,…#N)에 각각 제공하는 구조를 가진다. 또한 각 서브 필터부에서는 해당 동일한 필터링 특성에 따른 불필요한 신호들을 필터링하여 출력하며, 출력되는 N개의 신호를 다시 합성하여 필요한 신호만을 원래의 고전력 신호 크기로 만들어내는 구조를 가진다. 이하 이러한 본 발명의 필터 구조의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블 록 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고전력 고주파 필터는 송신신호를 입력단(INPUT)으로 입력받아 이를 전력이 입력신호의 1/2인 2개의 동일한 신호로 나누어 출력하는 2웨이-분배기(2-Way Divider)(10)와, 해당 고주파 필터의 필터링 특성에 따른 동일한 필터링 특성을 갖게 설계되어 2개로 나누어진 신호를 각각 제공받아 불필요한 신호를 제거하고 원하는 신호만을 통과시키는 서브 필터부(12), 즉 제1 서브 필터부(FLT#1 ) 및 제2 서브 필터부(FLT#2)와, 상기 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1, #2)에서 출력되는 2개의 신호를 다시 결합하여 본래의 신호세기로 합성하여 출력단(OUTPUT)으로 출력하는 2웨이-합성기(2-Way Combiner)(14)로 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블록 구성도이다. 도 2에 도시된 고전력 고주파 필터는 상기 도 1에 도시된 필터 구조와 대비하여 신호를 3개로 나누어 처리하는 것에 차이가 있으며, 그 구조의 원리는 동일하다. 보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 고주파 필터는 송신신호를 입력단(INPUT)으로 입력받아 이를 1/3로 나누어 3개의 동일한 신호로 출력하는 3웨이-분배기(3-Way Divider)(20)와, 해당 고주파 필터의 필터링 특성에 따른 동일한 필터링 특성을 갖게 설계되어 3개로 나누어진 신호를 각각 제공받아 불필요한 신호를 제거하고 원하는 신호만을 통과시키는 서브 필터부(22), 즉, 제1, 제2, 제3 서브 필터부(FLT#1, FLT#2, FLT#3)와, 상기 제1, 제2, 제3 서브 필터부(FLT#1, #2, #3)에서 출력되는 3개의 신호를 다시 결합하여 본래의 신호세기로 합성하는 3웨이-합성기(3-Way Combiner)(24)로 구성된다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 N-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블록 구성도로서, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 고주파 필터에 비해, 신호를 더 많은 수인 N개로 나누어 처리하는 것에 차이가 있으며, 그 구조의 원리는 동일하다.

상기 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고주파 필터의 구조가 이루어질 수 있으며, 각 실시예에 따른 고주파 필터들 중 어느 하나를 선택하는 것은 해당 필터링하는 송신신호의 고전력의 세기 및 이에 따른 발열량 등에 따라 미리 적절히 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 평면 구조도로서, 도 1에 도시된 고주파 필터의 평면 구조일 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 고주파 필터는 전체적으로 하나의 입력단(INPUT) 및 하나의 출력단(OUPUT)을 가지며, 동일한 하우징내에 2-웨이 분배기(10), 서브 필터부(13) 및 2-웨이 합성기(14)가 형성되는 구조임을 알 수 있다.

상세히 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2-Way 타입의 고주파 필터에서 2-웨이 분배기(10)(및 2-웨이 합성기)는 윌킨슨 타입(Wilkinson type)의 2-웨이 분배기(2-웨이 결합기)의 구조를 가질 수 있다. 즉, 2-웨이 분배기(10)는 필터의 입력단(INPUT)과 연결되는 입력전송선로(100)와, 입력전송선로(100)를 두 경로로 분기하는 제1, 제2전송선로(102, 104) 및 제1, 제2전송선로(102, 104)간에 연결된 아이솔레이션 저항(R)을 기본적으로 구비할 수 있다. 이때, 제1, 제2전송선로(102, 104) 및 아이솔레이션 저항(R)의 경로 길이는 해당 주 파수의 파장(λ)에 따라 λ/4 등으로 적절히 설정된다. 2-웨이 합성기(14)는 분배기의 구조와 동일한 구조를 가지나 다만 입력과 출력이 바뀐 구조를 가진다.

이와 같은 구조에 따라 2-웨이 분배기(10)는 입력신호를 균등한 2개의 신호로 분배하여 출력하며, 2-웨이 합성기(14)는 출력되는 균등한 2개의 신호를 합성하여 출력한다.

도 4를 참조하면, 서브 필터부(12)는 동일한 구조를 가질 수 있으며, 동일한 필터링 특성을 가지는 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1, FLT#2)로 구성된다. 도 4를 참조하면, 예를 들어, 제1, 서브 필터부(FLT#1)는 각각 격막으로 구분되는 수용공간을 구비한 4개의 셀(C1, C2, C3, C4)로 구성될 수 있으며, 각 셀에는 원하는 주파수를 공진시켜 통과시키기 위해 중공부가 형성된 예를 들어 디스크 형태의 유전체 공진기(DR1~4)가 장착되는 구조를 가진다. 도 4의 예에서는, 제1셀(C1)이 상기 2-웨이 분배기(10)의 제1전송선로(102)와 연결되는 입력용 커플링 동선(121)이 설치되며, 제4셀(C4)에 상기 2-웨이 합성기(14)의 일 입력용 전송선로와 연결되는 출력용 커플링 동선(124)이 구비됨을 예로서 도시하고 있다. 각 셀간의 격막에는 입력 용 커플링 동선(121)이 구비되는 수용공간으로부터 출력용 커플링 동선 커넥터(124)가 접속되는 수용공간들간의 해당 수용공간들(즉 제1셀 C1 ~ 제4셀 C4)을 직렬로 연결시키는 커플링 창(131, 132, 133)이 형성된다.

제2 서브 필터부(FLT#2)도 제1 서브 필터부(FLT#1)와 동일한 구조를 가지며, 이와 같은 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1, FLT#2)는 일반적인 유전체 공진기를 구비한 고주파 필터의 구조를 가질 수 있다.

상기한 바와 같은 구조를 가지므로, 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 본 발명의 고주파 필터에서는 고전력의 송신 신호가 입력단(INPUT)으로 제공되어 이후 2-웨이 분배기(10)에서 제1, 제2전송선로(102, 104)를 통해 2개의 신호로 균등하게 나누어져 각각 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1,#2)에 제공되며, 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1,#2)를 각각 통과하여 출력되는 2-웨이 합성기(14)에서 합성되어 출력단(OUTPUT)으로 출력된다. 이때, 이러한 필터에서 열이 발생하는 부위는 유전체 공진기(DR1~4)에서 집중적으로 발생하는데, 각각의 제1, 제2 서브 필터부(FLT#1, #2)에는 1/2의 전력만이 인가되는 구조이므로, 동일한 열이 발생되지만 열의 발생 분포가 분산되며, 표면적을 넓혀 방열효과를 높일 수 있게 된다. 또한 이때 전체 필터 내부의 공진봉 숫자를 기존에 비해 2배로 많게 하므로 인해 각각의 공진봉에서는 기존 필터 대비 1/2의 열이 발생되도록 하여 필터의 특성에 가장 민감하게 영향을 주는 유전체 공진기의 온도 변화를 최소화할 수 있어서 부품의 손상을 막을 수 있도록 한다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기의 설명에서는 본 발명에 따른 필터의 내부에서 합성기 및 분배기가 윌킨슨 타입의 구조를 가지는 것으로 설명하였으나, 이외에도 T-접합(T-junction) 전력 분배기나, 쿼드러처 하이브리드(quadrature hybrid) 등의 구조를 가질 수도 있다.

또한 상기의 설명에서는 본 발명이 서브 필터부가 유전체 공진기를 이용하는 구조인 것으로 설명하였으나, 이외에도 서브 필터부는 금속 공진봉을 이용하는 구조일 수 있으며, 또한 이들의 혼합 구조일 수도 있다. 또한 경우에 따라서는 상기 서브 필터부는 동일한 필터링 대역을 가지지만 각기 다른 구조를 가지도록 설계할 수도 있다.

또한, 상기에서는 입력신호가 동일한 크기로 분배되어 처리되는 것을 예로 들었으나, 이외에도 경우에 따라서는 입력신호의 분배비가 적절히 달리 분배되어 처리되는 구조를 가질 수도 있다.

이와같이 본 발명의 다양한 변형 예들이 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블록 구성도

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블록 구성도

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 N-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 블록 구성도

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2-Way 타입의 고전력 고주파 필터의 평면 구조도

Claims

고주파 필터에 있어서,

입력단으로 제공되는 입력신호를 다수의 신호로 나누어 출력하는 분배기와,

해당 고주파 필터의 필터링 특성에 따른 필터링 특성을 가지도록 설계되어 상기 분배기에 의해 나누어진 신호를 각각 제공받아 필터링하여 출력하는 다수의 서브 필터부와,

상기 다수의 서브 필터부에서 출력되는 신호들을 합성하여 출력단으로 출력하는 합성기를 포함함을 특징으로 하는 고주파 필터.
제1항에 있어서, 상기 다수의 서브 필터부는 적어도 일부는 유전체 공진기를 이용한 구조임을 특징으로 하는 고주파 필터.
제1항에 있어서, 상기 분배기, 다수의 서브 필터부 및 합성기는 하나의 동일한 하우징 내부에 설치됨을 특징으로 하는 고주파 필터.
제1항에 있어서, 상기 분배기 및 합성기는 윌킨슨 커플러, T-접합(T-junction) 전력 분배기나, 쿼드러처 하이브리드(quadrature hybrid)의 구조 중 어느 하나의 구조를 가짐을 특징으로 하는 고주파 필터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배기는 상기 입력신호를 동일한 다수의 신호의 나누며, 상기 다수의 서브 필터부는 동일한 구조를 가짐을 특징으로 하는 고주파 필터.