KR20100061237A - 고주파 필터 및 이의 공진봉 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 필터의 공진봉 구조에 있어서, 미리 설정된 재질로 성형되는 공진봉 상단부와, 공진봉 상단부와 고정되게 결합되며 공진봉 상단부와 다른 재질로 형성되는 공진봉 하단부를 포함하며; 공진봉 상단부 및 공진봉 하단부는 해당 공진봉 전체에서 요구되는 열팽창계수를 만족시키기 위하여 미리 설정된 길이 비율로 설계된다.

RF, 필터, 공진봉, 세라믹, 열팽창계수

Description

고주파 필터 및 이의 공진봉 구조{RADIO FREQUENCY FILTER AND RESONANT BAR STRUCTURE THEREIN}

본 발명은 고주파(RF: Radio Frequency) 필터에 관한 것으로, 특히 고주파 필터에서 금속성을 가진 공진봉 구조에 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 직육면체 등의 수용공간(cavity)을 형성하며 그 내부에서 DR(Dielectric Resonator) 또는 금속성 공진봉으로 구성된 공진기를 구비시켜, 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써, 초고주파의 공진이 가능하게 하는 구조를 가진다.

이러한 DR 또는 금속성 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 너 트를 구비하는 무선 주파수 필터, 출원인: 주식회사 케이엠더블유, 발명자: 박종규 외, 출원일: 2002년 8월 31일) 등을 예로 들 수 있다.

이와 같은 DR 또는 금속성 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.

이러한 RF 필터는 하우징 내의 공간을 다수의 수용공간으로 분할하고, 분할된 각각의 수용공간에 DR 또는 금속성 공진봉의 공진기를 설치하고, 해당 공진기에 대응되는 위치에 설치되는 튜닝 조정나사를 구비하는 커버로 하우징을 밀폐시킨 구조를 가진다. 이러한 구성의 RF 필터는 각 구성요소들 간의 상호 작용에 의해 유도성, 용량성 결합이 이루어져 특정 주파수 대역의 신호를 전달하게 된다. 이때 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 거리 등을 정밀히 조정하여 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 커패시턴스 값을 조정함으로써, 정밀한 주파수 튜닝을 실시하게 된다.

그런데, RF 필터가 사용되는 주변 온도가 변화하는 경우 수용공간, 공진기, 튜닝 조정나사가 열 수축과 팽창을 일으키게 되며 특히, 고 전력의 송신 필터로 사용 시에는 삽입손실에 의해 상당한 양의 열이 발생하게 되고, 발생한 열에 의한 온도 변화에 의해서도 열 수축과 팽창을 일으키게 된다. 이에 따라 상기 공진기와 튜닝 조정나사 사이의 커패시턴스 값을 조정하여 원하는 주파수에 공진이 일어나도록 하는 RF 필터 구조에 있어서, 각 구성요소들의 간격 변화에 의한 커패시턴스 값 및 공진기의 길이 변화에 의한 인덕턴스 값의 변화에 따라 필터의 고유 특성이 변화되면서 동작 장애가 발생한다. 특히, 금속성 공진봉을 이용한 공진기 구조에서 이러한 문제점은 더욱 크게 작용한다.

따라서 종래의 금속성 공진봉을 이용한 RF 필터의 공진기 구조에는 근본적으로 열팽창률이 매우 작은 인바(Invar) 등의 소재를 사용하는 등, 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화하기 위한 다양한 방안이 연구 및 채용되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 온도 변화에 따른 필터링 특성 변화를 줄임과 아울러, 비교적 저비용으로 원하는 열팽창계수를 가지는 공진봉 구조의 제작이 용이할 수 있도록 하기 위한 고주파 필터 및 이의 공진봉 구조를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 형태는 고주파 필터의 공진봉 구조에 있어서, 미리 설정된 재질로 성형되는 공진봉 상단부와, 상기 공진봉 상단부와 고정되게 결합되며 상기 공진봉 상단부와 다른 재질로 형성되는 공진봉 하단부를 포함하며; 상기 공진봉 상단부와 상기 공진봉 하단부는 해당 공진봉 전체에서 요구되는 열팽창계수를 만족시키기 위하여 미리 설정된 길이 비율로 설계됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 형태는 다수의 수용공간으로 형성되는 고주파 필터에 있어서, 상기 다수의 수용공간 각각에 설치되어 미리 설정된 주파수를 공진시켜 통과시키기 위한 공진기와; 상기 공진기의 상부의 대응 위치에서 상기 공진기의 상부에 대향하는 하우징에 형성된 나사홀에 체결되는 구조로 설치되는 튜닝 조정나사를 포함하며; 상기 공진기는 미리 설정된 재질로 성형되는 공진봉 상단부와, 상기 공진봉 상단부와 고정되게 결합되며 상기 공진봉 상단부와 다른 재질로 형성되는 공진봉 하단부를 포함하며; 상기 공진봉 상단부와 상기 공진봉 하단부는 해당 공진봉 전체에서 요구되는 열팽창계수를 만족시키기 위하여 미리 설정된 길이 비율로 설계 됨을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 필터 및 이의 공진봉 구조는 종래의 인바 등의 재질을 사용하지 않으면서도 온도 변화에 따른 필터링 특성 변화를 줄임과 아울러, 비교적 저비용으로 원하는 열팽창계수를 가지는 공진봉 구조의 제작이 용이할 수 있도록 하며, 필터 설계의 자유도를 높일 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진봉 구조를 채용한 RF 필터의 구조도로서, 예를 들어 4개의 셀을 가진 필터 구조가 도시되고 있으며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파(RF) 필터의 공진봉 구조도로서, 필터의 다수의 수용공간 중에 하나의 수용공간의 구조, 즉 한 셀의 구조가 도시되고 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, RF 필터의 각 셀에는 원하는 주파수를 공진시켜 통과시키기 위해 본 발명의 특징에 따른 구조를 가지는 금속성 공진봉을 이용한 공진기(30)가 구비될 수 있다. 이때 공진기(30)의 상부의 대응 위치에는 튜닝 조정나사(10)가 커버(40)의 나사홀에 체결되는 구조로 설치된다. 이외에도 RF 필터에는 각 셀간의 격 막에 형성되는 창들에 대응하는 위치에 각각 설치되는 다수의 커플링 조정나사(20) 등이 구비된다.

상기한 구성에서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속성 공진봉을 이용한 공진기(30)는 서로 다른 재질로 구성되는 공진봉 상단부(32) 및 공진봉 하단부(34)로 구성되는데, 이때 공진봉 상단부(32)는 미리 설정된 직경(r) 및 높이(h)를 가지며, 바람직하게는 표면에 알루미늄(Al) 등과 같은 금속성 피막(324)이 도금되며 세라믹 재질(예를 들어 알루미나, alumina)로 성형된 세라믹 봉(322)에 의해 형성될 수 있다. 또한 공진기 하단부(34)는 상기 공진봉 상단부(32)와 본딩 또는 나사 결합 등에 고정되게 결합되며 알루미늄 등과 같은 금속성 재질로 형성될 수 있다.

RF 필터의 커버(40) 및 하우징(50)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있는데, 이때 상기 본 발명의 특징에 따른 공진봉 하단부(34)는 해당 셀의 내부 바닥면이 돌출되는 형태(boss 형태)로 하우징에 일체형으로 재작될 수 있다.

상기에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 공진봉 상단부(32)가 기본적으로 세라믹 봉(322)에 의해 형성되는데, 이러한 세라믹 재질은 다른 금속성 재질에 비해 열팽창계수가 비교적 작으므로, 결과적으로 이와 같은 세라믹 봉(322)을 주요 구성요소로 가지는 본 발명에 따른 공진기(30)를 구비한 RF 필터는 온도 변화에 따른 필터링 특성 변화가 줄어들게 된다.

또한, 상기에서 공진봉 상단부(32)를 세라믹 재질로 형성할 경우에, 해당 세라믹은 통상적으로 쉽게 구할 수 있는 재질이며, 또한 해당 세라믹 봉(322)의 사이즈를 규격화시켜서 재작할 경우에 그 재작비용을 낮출 수 있다. 이때 요구되는 공 진기(30)의 전체 사이즈를 만족시키기 위해서 상기와 같은 공진봉 하단부(34)가 추가로 더 구비된다.

특히, RF 필터의 설계시에 해당 공진기(30)가 단순히 낮은 열팽창계수를 갖도록 요구되는 것이 아니라 특정한 적정 수치의 열팽창계수를 가지도록 요구되어진다. 이는 통상 알루미늄 재질로 형성되는 RF 필터의 커버 및 하우징이 비교적 크게 열팽창함에 비해 공진봉은 거의 열팽창하지 않는다고 가정하면, 오히려 상호간의 변형 차이가 더욱 심화되어 필터 특성이 더욱 나빠질 수 있기 때문이다. 따라서 RF 필터 설계시에는 해당 공진봉이 커버 및 하우징의 열팽창을 고려하여 적절히 열팽창할 수 있도록 적정 수치의 열팽창계수를 가지는 것으로 구성한다.

이때 통상적으로 RF 필터의 설계시에는 원하는 필터링 특성을 가지도록 적정 사이즈의 하우징 및 공진봉을 설계한 후, 해당 원하는 열팽창계수를 가지는 재질을 선별하여 그러한 사이즈의 공진봉을 재작하였다.

재료	선팽창계수 α(cm/℃·cm)
알루미늄(Al)	2.39x10-5
황동(Bs)	1.84x10-5
SUS303, 304	1.73x10-5
도자기	0.30x10-5
인바(Invar)	0.14x10-5
알루미나(Alumina)	0.77x10-5

상기 표 1에서는 여러 재질의 열팽창계수(선팽창계수)의 예를 보이고 있다.

이와 같이 종래에서는 다양한 재질에서 원하는 열팽창계수를 선택하였으나, 해당 요구되는 열팽창계수에 정확히 일치하는 재질을 찾기가 어려우며, 그러한 재질이 있다고 하더라도 이의 구입비용 및 성형 측면에서 해당 재질로 공진봉을 구성하는 것이 곤란할 수도 있다. 따라서 종래에는 필터 설계시에는 비교적 쉽게 구할 수 있는 재질 중에서 요구되는 열팽창계수에 근접한 재질을 선택하여 공진봉을 재작하였었다.

이에 본 발명에서는 서로 다른 재질로 구성되는 공진봉 상단부(32) 및 공진봉 하단부(34)를 이용하여 전체적인 공진기(30)를 구성하게 되므로, 필터에 요구되는 열팽창계수에 일치하는 공진기(30)를 쉽게 재작할 수 있도록 한다.

즉, 공진봉 상단부(32)와 공진봉 하단부(34)가 각각 다른 열팽창계수를 가지는 다른 재질로 형성될 경우에, 전체적인 열팽창계수는 공진봉 상단부(32) 및 하단부(34) 각각의 열팽창계수들 및 상단부(32) 및 하단부(34)간의 길이 비율에 따라 결정된다. 예를 들어, 열팽창계수가 0.77x10^-5(cm/℃·cm)인 알루미나 재질로 상기 공진봉 상단부(32)를 형성하며 열팽창계수가 2.39x10^-5(cm/℃·cm)인 알루미늄 재질의 공진봉 하단부(34)를 형성하고, 서로간 길이 비율을 1:1로 하여 전체적인 공진기(30)를 형성할 경우에 전체 공진기(30)의 전체적인 열팽창계수는 이들 재질들의 평균인 약 1.58x10^-5(cm/℃·cm)이 될 것이다.

이와 같이, 본 발명은 원하는 공진기(30)의 전체 열팽창계수를 만족시키기 위하여 공진봉 상단부(32)와 공진봉 하단부(34)의 길이 비율 및 공진봉 상단부(32) 및 공진봉 하단부(34)의 재질을 적절히 설정함으로써, 전체적인 공진기(30)를 설계할 수 있다.

한편, 상기한 구성에서 공진봉 상단부(32)가 세라믹으로 구성되는 것을 예를 들어 설명하였는데, 이러한 세라믹 재질을 이용할 경우에는 전기적 특성을 가지도록 금속성 피막을 형성하여야 했으나, 세라믹 재질이 아닌 다른 금속 재질을 이용할 경우에는 금속성 피막을 형성할 필요가 없을 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 필터의 공진봉 구조도로서, 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진봉(30')은 기본적으로 상기 도 2에 도시된 구조와 유사하나, 단지 공진봉 하단부(36)가 해당 셀의 내부 바닥면이 돌출되는 형태로 하우징에 일체형으로 재작되는 것이 아니라 별도의 모듈로 재작되는 것에서 차이가 있다. 물론 이러한 경우에 상기 공진봉 하단부(36)는 셀의 내부 바닥면의 하우징과 본딩 또는 나사 결합 등에 고정되게 결합된다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 필터 및 이의 공진봉 구조가 구성될 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 예를 들어 상기에서 설명된 공진봉 상단부(32)의 금속성 피막(324) 및 하단부(34)의 재질은 알루미늄을 비롯하여, 그외에도 철(Fe), 황동(Bs), 스테인리스스틸(SUS) 등의 재질로 이루어질 수 있다. 또한 상기에서 설명된 공진봉 상단부(32) 및 공진봉 하단부(34)는 서로간 적절한 비율을 가지도록 설계될 수 있는 것으로 설명하였는데, 이때 공진봉 상단부(32)와 공진봉 하단부(34)의 비율이 1:0으로, 즉 전체 공진기(30)가 공진봉 상단부(32)에 의해서만 구성되도록 설계할 수도 있다. 또한 상기에서는 공진봉 상단부(32)가 단순한 봉 형태인 것으로 설명하였으나, 이외에도 공진봉 상단부(32)는 튜닝 조정나사(10)에 대향하는 위치에 홈이 형성되는 중공형 형태를 가질 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 다양한 변형이 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 공진봉 구조를 채용한 고주파(RF) 필터의 구조도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 필터의 공진봉 구조도

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 필터의 공진봉 구조도

Claims (6)

1. 고주파 필터의 공진봉 구조에 있어서,

   미리 설정된 재질로 성형되는 공진봉 상단부와,

   상기 공진봉 상단부와 고정되게 결합되며 상기 공진봉 상단부와 다른 재질로 형성되는 공진봉 하단부를 포함하며,

   상기 공진봉 상단부와 상기 공진봉 하단부는 해당 공진봉 전체에서 요구되는 열팽창계수를 만족시키기 위하여 미리 설정된 길이 비율로 설계됨을 특징으로 하는 공진봉 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 공진봉 상단부는 미리 설정된 사이즈를 가지며, 표면에 금속성 피막이 도금되며 세라믹 재질로 형성됨을 특징으로 하는 공진봉 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공진봉 하단부는 상기 고주파 필터의 내부 바닥면이 돌출되는 형태로 상기 고주파 필터의 하우징에 일체형으로 재작됨을 특징으로 하는 공진봉 구조.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공진봉 하단부는 별도의 모듈로 재작되어 상기 고주파 필터의 내부 바닥면에 고정되게 결합됨을 특징으로 하는 공진봉 구조.
5. 다수의 수용공간으로 형성되는 고주파 필터에 있어서,

   상기 다수의 수용공간 각각에 설치되어 미리 설정된 주파수를 공진시켜 통과시키기 위한 공진기와,

   상기 공진기의 상부의 대응 위치에서 상기 공진기의 상부에 대향하는 하우징에 형성된 나사홀에 체결되는 구조로 설치되는 튜닝 조정나사를 포함하며,

   상기 공진기는 미리 설정된 재질로 성형되는 공진봉 상단부와, 상기 공진봉 상단부와 고정되게 결합되며 상기 공진봉 상단부와 다른 재질로 형성되는 공진봉 하단부를 포함하며,

   상기 공진봉 상단부와 상기 공진봉 하단부는 해당 공진봉 전체에서 요구되는 열팽창계수를 만족시키기 위하여 미리 설정된 길이 비율로 설계됨을 특징으로 하는 고주파 필터.
6. 제5항에 있어서, 상기 공진봉 상단부는 미리 설정된 사이즈를 가지며, 표면에 금속성 피막이 도금되며 세라믹 재질로 형성됨을 특징으로 하는 고주파 필터.

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