KR20100014094A

KR20100014094A - 고주파 필터의 유전체 공진기 및 그 조립 방법

Info

Publication number: KR20100014094A
Application number: KR1020090019500A
Authority: KR
Inventors: 박남신; 김성균; 권중현
Original assignee: 주식회사 케이엠더블유
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-02-10
Also published as: JP2011529666A; US20110128097A1; CN102113168A; JP5214029B2; KR101072284B1; KR20110033837A; CN102113168B; KR101485066B1; US8854160B2

Abstract

본 발명은 고주파 필터의 유전체 공진기에 있어서, 커버 및 하우징에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에서 고정되게 설치되는 막대 형태의 유전체 공진 소자와; 하우징 바닥에서 유전체 공진 소자가 끼워지게 결합되도록 형성되는 가이드 홈과; 커버 및 하우징 사이에는 놓여지는 금속 판과; 커버에서 유전체 공진 소자 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방식으로 커버와 결합되며, 금속 판을 통해 유전체 공진 소자의 상단부를 가압함으로 상기 유전체 공진 소자를 고정하는 유전체 고정 나사를 구비한다.

필터, 공진기, 유전체, TM 모드, 온도, 튜닝

Description

고주파 필터의 유전체 공진기 및 그 조립 방법{DIELECTRIC RESONATOR IN RADIO FREQUENCY FILTER AND ASSEMBLING THEREOF}

본 발명은 고주파(RF: Radio Frequency) 필터에 관한 것으로, 특히 고주파 필터에서 유전체 공진기에 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 다수의 공진기로 구성되는 각 공진기는 도체로 둘러싸인 금속성 원통 또는 직육면체 등의 수용공간(cavity)을 형성하며 그 내부에서 유전체 공진 소자(DR: Dielectric Resonance element) 또는 금속 공진봉으로 구성된 공진 소자를 구비시켜, 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써, 초고주파의 공진이 가능하게 하는 구조를 가진다.

이러한 RF 필터는 그 공진기 구조에 따라 TM(Transverse Magnetic) 모드(mode), TEM(Transverse Electro Magnetic) 모드, TE(Transverse Electric) 모드 등으로 구분할 수 있으며, 이들 중 통상 Q(Quality factor) 특성이 뛰어난 TM 모드 공진기에 대한 기술로서는 미국 특허번호 제7,106,152호(명칭: DIELECTRIC RESONATOR, DIELECTRIC FILTER, AND METHOD OF SUPPORTING DIELECTRIC RESONANCE ELEMENT, 발명자: Takehiko Yamakawa 외 1명, 특허일: 2006.9.12.)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.

이러한 TM 모드 공진기는 기존의 TEM 모드 공진기(캐비티 필터 구조)에 비해 높은 Q 값을 갖기 때문에 동일한 크기에서 40% 가량의 개선된 Q 특성을 보인다. 이러한 특성으로 인해 TM 모드 공진기 필터는 TEM 모드 공진기 필터에 비해 매우 작은 사이즈로 설계될 수 있으며, 동일한 크기에서 삽입손실이 적고 감쇠특성이 우수한 필터를 설계할 수 있는 장점이 있다.

물론 유사한 유전체 공진기를 적용하는 TE01δ 모드 공진기 필터는 TEM 모드 공진기에 비해 3배 가량의 높은 Q값을 갖지만 제조비용이 수배 이상 높고, 매우 큰 체적이 필요하기 때문에 기지국용 대출력 필터에 제한적으로 적용되었다. 따라서 소형 제품에는 적용이 불가능한 공진기이다.

도 1을 참조하여 기존의 TM 모드 공진기의 구조를 살펴보면, TM 모드 공진기는 금속의 커버(3) 및 하우징(4)에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에 막대 형태의 유전체 공진 소자(5)가 조립이 되는데 이때 유전체 공진 소자(5)의 양 단면이 수용공간 내부의 상하면과 밀착되게 조립되는 구조를 가진다. 유전체 공진 소자(5)의 상단부에는 튜닝용 홈이 형성될 수 있으며, 튜닝 홈에 대응되는 위치의 커버(3)에는 주파수 튜닝을 위한 튜닝 나사(1)가 고정 너트(2)와 더불어 설치된다.

이러한 구조에서, 유전체 공진 소자(5)의 양 단면이 수용공간 내부의 상하면 과 밀착되게 조립되는 것이 매우 중요한데, 이 부분이 불안할 경우 온도변화에 따른 특성변화가 심하여 상용제품에 적용이 불가능하다

이를 해결하기 위해 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 공진 소자(5)의 양 끝면에 금속피막(Metalizing)(6)을 형성한 후 납땜이나 접착제 등으로 하우징(4) 및 커버(3)와 결합을 시키거나 기타의 방법으로 조립을 하여 적용하였다.

또한 금속피막을 형성하지 않고 금속 판과 기타의 부속물들을 이용하여 제작하기도 하나 이 경우 유전체 공진 소자의 가공 공차와 하우징의 가공 공차로 인해 해당 RF 필터를 구성하는 모든 유전체 공진 소자에 동일한 힘을 가해 조립하기가 힘들어져 안정된 구조로 제작이 어렵다. 특히 유전체 공진 소자와 하우징의 열팽창 계수가 달라서 온도 변화에 따른 수축팽창으로 유전체 공진 소자의 고정 상태나 접촉 상태가 불량해지며, 필터의 특성변화가 발생한다.

따라서 본 발명의 목적은 온도변화에 안정적인 특성을 나타내고 Q 값도 우수하며, 구조적으로도 안정될 수 있도록 하기 위한 유전체 공진기 및 그 조립 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 견지에 따르면, 본 발명은 고주파 필터의 유전체 공진기에 있어서, 커버 및 하우징에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에서 고정되게 설치되는 막대 형태의 유전체 공진 소자와; 상기 하우징 바닥에서 상기 유전체 공진 소자가 끼워지게 결합되도록 형성되는 가이드 홈과; 상기 커버 및 하우징 사이에는 놓여지는 금속 판과; 상기 커버에서 상기 유전체 공진 소자 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방식으로 상기 커버와 결합되며, 상기 금속 판을 통해 상기 유전체 공진 소자의 상단부를 가압함으로 상기 유전체 공진 소자를 고정하는 유전체 고정 나사를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 본 발명은 고주파 필터의 유전체 공진기의 조립 방법에 있어서, 커버 및 하우징에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에서 고정되게 설치되는 막대 형태의 유전체 공진 소자를 상기 하우징 바닥에서 상기 유전체 공진 소자가 끼워지게 결합되도록 형성되는 가이드 홈에 끼우는 과정과; 상기 커버 및 하우징 사이에 금속 판을 놓으며, 커버 및 하우징을 결합하는 과정과; 상기 커버에서 상기 유전체 공진 소자 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방 식으로 상기 커버와 결합되는 유전체 고정 나사를 상기 금속 판을 통해 상기 유전체 공진 소자의 상단부를 가압하도록 미리 설정된 토크로 조이는 과정과; 미리 설정된 고온에서 미리 설정된 시간 동안 풀림 처리(annealing)를 하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

또한 유전체 공진 소자(5)의 양 끝면에 금속피막(Metalizing)을 형성한 후 상기와 동일한 방법으로 유전체 공진 소자를 조립할 경우 풀림 처리를 하지 않아도 된다. 이 경우 또한 납땜공정이 필요없이 작업이 용이하고 안정적인 특성을 유지할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 필터의 유전체 공진기는 종래 기술의 TM 모드 공진기에 비해 안정된 온도특성을 갖으며, 외부의 충격에도 잘 견딜 수 있도록 하여 저렴한 비용으로 최대의 특성을 나타낼 수 있다.

또한 유전체의 온도팽창계수와 금속 하우징의 온도팽창 계수가 고정되어 있어 공진기 전체의 온도 특성을 맞추기 어려울 경우 유전체 고정 나사의 재질이나 미리 설정된 토크를 변경하여 원하는 온도특성을 얻을 수도 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.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TM 모드 공진기의 구조도이며, 도 4는 도 3의 변형 예시도이며, 도 5는 도 3의 분해 사시도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 TM 모드 공진기는 기본적으로 종래와 마찬가지로, 통상 금속 재질의 커버(3) 및 하우징(4)에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에 막대 형태의 유전체 공진 소자(5)가 조립되는 구조를 가지며, 유전체 공진 소자(5)의 양 단면이 수용공간 내부의 상하면과 밀착되게 조립되는 구조를 가진다.

그런데, 본 발명의 실시예에서는 하우징(4) 바닥에 유전체 공진 소자(5)가 끼워지게 결합되어, 유전체 공진 소자(5)의 조립부위를 측면의 충격으로부터 보호할 수 있는 가이드 홈(9)이 형성된다. 또한 하우징(4)과 커버(3)의 사이에는 금속 재질 중에서 부드러운 재질을 가지도록 알루미늄 계열이나 동 계열의 얇은 금속 판(7)이 놓여진다. 또한 커버(3)에는 유전체 공진 소자(5)의 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방식으로 커버(3)와 결합되며, 상기 금속 판(7)을 통해 상기 유전체 공진 소자(5)의 상단부를 가압함으로 유전체 공진 소자(5)를 고정하는 유전체 고정 나사(8)를 구비한다.

또한, 이때 상기 유전체 공진 소자(5)의 상하부 면에는 본 발명의 실시예에 따라, 은 등의 재질을 이용한 금속피막(Metalizing)(도 5의 52, 54)이 도금 등의 방식으로 형성될 수 있다.

또한 상기 유전체 고정 나사(8)는 유전체 공진 소자(5)의 상단부에 형성되는 튜닝용 홈에 대응되는 위치에 주파수 튜닝을 위한 튜닝 나사(1)를 나사 결합 방식 으로 결합하도록 구성되며, 튜닝 나사(1)는 고정 너트(2)에 의해 고정된다. 이때 튜닝 나사(1)가 금속 판(7)을 통해 유전체 공진 소자(5)의 튜닝 홈으로 진입할 수 있도록 금속 판(7)의 대응 위치에는 구멍이 형성된다.

한편, 상기 하우징(4)의 바닥에 형성되는 가이드 홈(9)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 다시 에어 갭(air gap) 홈(10)이 재차 형성되는 이중의 홈 구조를 가질 수 있다, 이러한 에어 갭 홈(10)은 유전체 공진 소자(5)의 하단면이 가공 공차에 의한 평탄도 불량이나 거친 가공면으로 인해 불균일한 접촉이 이루어지지 않도록 하여 안정적인 접촉이 이루어지도록 한다.

상기와 같이, 구성되는 유전체 공진기의 조립 공정은 먼저 커버(3) 및 하우징(4)에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에 상기 유전체 공진 소자(5)를 가이드 홈(9)에 끼우고, 그 후 그 위에 금속 판을 놓고 나서, 커버(3)와 하우징(4)을 나사 결합 등을 통해 결합하고, 그 후 유전체 고정 나사(8)를 적절한 토크로 조이게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에서는 공진기 구조에서는 먼저, 납땜 공이 필요없이 공진기를 구현할 수 있어서, 작업 공정이 용이하고, 추가적인 납땜에 의한 공차 발생이나, 특성 변화 및 불량 등의 문제점을 줄일 수 있게 된다. 또한 상기에서 유전체 공진 소자(5)와 유전체 고정 나사(8) 사이에 끼워지는 형태로 삽입되는 얇은 금속 판(7)의 역할은 매우 중요하다. 해당 금속 판(7)이 없을 경우에는 유전체 고정 나사(8)를 조여서 유전체 공진 소자(5)를 가압할 경우에 유전체 공진 소자(5)가 유전체 고정 나사(8)의 돌아갈 경우에 맞물려서 따라 돌게 되는 경우가 발생할 수 있으며, 그에 따른 유전체 공진 소자(5)의 손상이 발생할 수 있다. 또한 상기 금속 판(7)이 없을 경우에는 해당 유전체 고정 나사(8)와 커버(3) 사이에 존재하는 불연속면에 의해 공진기의 특성 저하가 발생하게 되는데, 금속 판(7)에 의해 수용공간 내부에서 상기한 불연속면이 영향을 주지 않게 된다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기가 구성될 수 있는데, 이때 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 유전체 공진 소자(5)의 상하부 면에 금속피막(Metalizing)(52, 54)을 형성하지 않을 수도 있다. 그럴 경우에는 더욱더, 유전체 고정 나사(8)의 조립 토크(torque)가 중요하게 작용하며 공진기의 온도 특성을 좌우한다. 따라서 유전체 공진 소자(5)와 하우징(4)의 상관관계에 따라 토크를 적절히 조절하여야 한다.

이는 하우징(4)과 같은 금속의 열팽창 계수와 통상 유전체 세라믹으로 형성되는 유전체 공진 소자(5)의 열팽창 계수가 큰 차이가 있기 때문에 온도변화에 따라 하우징(4)이 더 많이 수축팽창하고 이로 인해 공진기는 특성 변화를 일으킨다. 따라서 적절한 토크로 하우징(4)과 커버(3)의 수축팽창으로 변할 수 있는 치수를 보상하도록 유전체 고정 나사(8)를 조여야 한다.

또한, 이 경우에는 마지막 공정으로 조립이 완료된 제품을 고온(예를 들어 섭씨 80~200도)에서 일정 시간(예를 들어 3시간) 풀림 처리(annealing)를 한 후 일반적인 필터들과 동일한 방법으로 주파수 튜닝을 하게 된다. 통상 금속은 가공 조립시에 금속 스트레스를 받아서 특성 변화가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 풀림 처리에 의해 금속의 특성을 안정화시켜서 온도변화에 따른 하우징(4)과 유전체 공진 소자(5)의 수축팽창시에도 공진기의 특성이 보다 균일하게 유지될 수 있게 된다.

또한 일반적으로 필터의 모든 공진기는 각각 공진주파수가 다르기 때문에 이를 보상하기 위해 튜닝 나사(1)로 튜닝을 하거나 튜닝 나사(1)로 보상이 가능하지 않을 경우에는 각 공진기의 설계시에 공진기 자체의 길이나 모양을 다르게 하여 공진 주파수를 맞추게 된다. 이때 본 발명에서는 상기 가이드 홈(9)에 다시 형성될 수 있는 에어 갭 홈(10)을 이용하여서도 공진주파수를 조정할 수 있게 된다. 즉, 이러한 에어 갭 홈(10)의 넓이나 깊이를 변경 가공하는 것에 의해서도 공진주파수를 맞출 수 있으며, 이에 따라 각각의 유전체 공진기를 보다 자유롭게 설계할 수 있도록 한다.

도 6은 도 3 중 유전체 공진 소자의 상하부 면에 형성된 금속피막의 상세 구조도이며, 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 유전체 공진 소자와 상부 금속 막간의 접촉 부위의 부분 절단면의 확대 구조도로서, 도 7의 (a)에는 유전체 공진 소자의 상부면에 금속 피막이 형성되지 않은 경우의 예를 나타내며, 도 7의 (b)에는 금속피막(52)이 형성된 경우를 나타낸다.

도 6 및 도 7을 참조하여, 금속피막(52, 54)의 구조 및 기능에 대해 보다 상세히 설명하면, 금속피막(52, 54)은 해당 유전체 공진 소자(5)와 금속 막(7)간의 접촉 부위, 또는 유전체 공진 소자(5)와 하우징(4)의 바닥에 형성되는 가이드 홈(9)과의 접촉 부위에 해당 접촉면이 보다 균일하도록 하여 특성 저하를 막도록 한다. 특히, 도 7에는 설명의 편의를 위해 다소 과장되게 도시하였는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 유전체 공진 소자(5)의 상부면과 금속 막(7)의 서로간의 접촉면은 실제로 평탄도에 따른 미세한 공차에 의해 완전히 밀착되지 못하고 공기층(62)이 발생함으로써, 특성 저하를 야기할 수 있다. 이때 상기 금속피막(52, 54)은 서로간의 접촉면의 평탄도를 증가시켜 공기층(62)의 발생을 상당부분 억제할 수 있으며, 더욱이 해당 유전체 공진 소자(5)를 눌러서 고정시킬 경우에는 서로간에 더욱 밀착되도록 할 수 있다.

또한, 상기 유전체 공진 소자(5)의 하부면에 형성되는 금속피막(54)은 하부면에 전면적으로 형성될 수도 있으나, 도 6에 도시된 바와 같이, 가운데 부분은 비어있는 도넛 형태로 구성될 수도 있다. 이러한 구조의 금속피막(54)을 이용하여서도 공진주파수를 조정할 수 있게 된다. 즉, 이러한 금속피막(54)의 빈 공간의 넓이를 변경 가공하는 것에 의해서도 공진주파수를 맞출 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 필터 유전체 공진기가 구성될 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 다양한 변형이나 변경이 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

도 1, 도 2는 종래의 TM 모드 공진기의 일 예시 구조도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TM 모드 공진기의 구조도

도 4는 도 3의 변형 예시도

도 5는 도 3의 분해 사시도

도 6은 도 3 중 유전체 공진 소자의 상하부 면에 형성된 금속피막의 상세 구조도

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 유전체 공진 소자와 상부 금속 막간의 접촉 부위의 부분 절단면의 확대 구조도

Claims

고주파 필터의 유전체 공진기에 있어서,

커버 및 하우징에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에서 고정되게 설치되는 유전체 공진 소자와,

상기 하우징 바닥에서 상기 유전체 공진 소자가 끼워지게 결합되도록 형성되는 가이드 홈과,

상기 커버 및 하우징 사이에는 놓여지는 금속 판과,

상기 커버에서 상기 유전체 공진 소자 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방식으로 상기 커버와 결합되며, 상기 금속 판을 통해 상기 유전체 공진 소자의 상단부를 가압함으로 상기 유전체 공진 소자를 고정하는 유전체 고정 나사를 포함함을 특징으로 하는 유전체 공진기.
제1항에 있어서, 상기 가이드 홈에는 이중의 홈 구조를 가지도록 에어 갭(air gap) 홈이 재차 형성됨을 특징으로 하는 유전체 공진기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 또한 상기 유전체 고정 나사는 상기 유전체 공진 소자의 상단부에 형성되는 튜닝용 홈에 대응되는 위치에 주파수 튜닝을 위한 튜 닝 나사를 나사 결합 방식으로 결합하도록 구성되며,

상기 금속 판은 상기 튜닝 나사가 상기 유전체 공진 소자의 튜닝 홈으로 진입할 수 있도록 대응 위치에는 구멍이 형성됨을 특징으로 하는 유전체 공진기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체 공진 소자는 양 끝면 또는 한쪽 끝면에 금속피막을 형성함을 특징으로 하는 유전체 공진기.
고주파 필터의 유전체 공진기의 조립 방법에 있어서,

커버 및 하우징에 의해 형성되는 수용공간 내부의 중심에서 고정되게 설치되는 막대 형태의 유전체 공진 소자를 상기 하우징 바닥에서 상기 유전체 공진 소자가 끼워지게 결합되도록 형성되는 가이드 홈에 끼우는 과정과,

상기 커버 및 하우징 사이에 금속 판을 놓으며, 커버 및 하우징을 결합하는 과정과,

상기 커버에서 상기 유전체 공진 소자 상단부의 대응되는 위치에서 나사 결합되는 방식으로 상기 커버와 결합되는 유전체 고정 나사를 상기 금속 판을 통해 상기 유전체 공진 소자의 상단부를 가압하도록 미리 설정된 토크로 조이는 과정을 포함함을 특징으로 하는 유전체 공진기 조립 방법.
제5항에 있어서, 상기 유전체 공진 소자는 양 끝면 또는 한쪽 끝면에 금속피막을 형성함을 특징으로 하는 유전체 공진기 조립 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 미리 설정된 고온에서 미리 설정된 시간 동안 풀림 처리(annealing)를 하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 유전체 공진기 조립 방법.