KR20130036052A - Ｐｃｂ 장착 마이크로파 오목형 공진 공동을 위한 커플링 메커니즘 - Google Patents

Ｐｃｂ 장착 마이크로파 오목형 공진 공동을 위한 커플링 메커니즘 Download PDF

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Abstract

3-D PCB 장착 공진 공동에 마이크로파 신호를 공급하는 커플링 메커니즘이 개시된다. 마이크로파 신호는 인쇄 회로 기판(PCB)(67)에 매립된 전송선(61)으로부터 이 PCB의 외부 금속 표면(73)에 장착된 공진 공동(60)으로 커플링된다. 이 커플링 메커니즘에서는, 공진 공동 내부에서 PCB의 외부 층에 위치된 금속 급전 패드(63/71)이, 전송선의 단부에 마련되어 있기 때문에, 고품질 필터링을 달성하는 제조가 용이한 메커니즘을 구현하고 있다. 이 공진 공동에는 PCB에 직교하며 용량성 간극(66)에 의해서 이 PCB로부터 분리되어 있는 오목형 내부 스터브(64)가 마련되어 있다. 금속 급전 패드(63)은 용량성 간극의 영역 내에서 내부 스터브와 마주보고 있고, 이 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있다. 금속 급전 패드(63, 71)는 또한 표면 용량성 간극(74)에 의해서 PCB의 외부 금속 표면으로부터 분리되어 있다.

Description

ＰＣＢ 장착 마이크로파 오목형 공진 공동을 위한 커플링 메커니즘{COUPLING MECHANISM FOR A PCB MOUNTED MICROWAVE RE-ENTRANT RESONANT CAVITY}
본 발명은 PCB(인쇄 회로 기판)에 매립된 전송선으로부터 상기 PCB에 장착된 공진 공동으로 마이크로파 신호를 커플링시키는 커플링 메커니즘에 관한 것이다.
RF 프론트엔드 필터링/듀플렉싱 장치는 최근의 셀룰러, 고출력의 기지국(BTS)의 성능 및 컴플라이언스의 측면에서 가장 중요한 기기 중 하나이다. 규제 기관에서 전반적으로 높은 BTS 출력 효율 및 엄격한 컴플라이언스 룰을 요구하고 있기 때문에, 이들 필터링/듀플렉스 장치의 전송 기능은, 최소한의 대역내 삽입 손실, 최대한의 대역외 제거, 및 높은 대역 부근 감도와 같은 여러가지 엄격한 사양을 만족시켜야 한다. 이러한 전송 기능을 일반적으로 요구되고 있는 고출력 처리 성능으로 구현하면, 이 필터링 장치는 그 제조 과정에서 비용이 높아지고 부피가 커지게 된다.
기본적인 RF 기술에 있어서, 이들 필터는 일반적으로, 도판관/공동 공진기로 이루어져 있으며, 이는 공동을 형성하고 있는 벽 상의 아이리스(iris) 혹은 다른 결함부(defects)를 통해서 커플링되어 있다. 공진 공동의 정확한 치수 및 이용되는 커플링 메커니즘이 그 필터의 RF 특성(동작 대역, 삽입 손실, 리턴 손실)을 결정한다는 점을 고려하면, 그 제조 과정에서는 높은 기계적인 정확도가 요구된다. 그럼에도 불구하고, 이 요구되는 정확도는 생산 과정에서는 거의 달성될 수 없으며, 따라서, 생산 이후에, 필터 전송 특성를 최적화하도록 수동으로 튜닝할 필요가 있다.
앞으로의 셀룰러 네트워크는 훨씬 더 높은 데이터 속도 및 더 큰 트래픽을 지원할 수 있으며, 더 작은 셀로 이루어지거나(BTS당 방사 전력이 더 작음), 혹은 구성 요소(예컨대, 액티브 안테나 어레이)마다 중간 파워 레벨을 방사하는 몇 개의 모듈 무선 장치로 이루어진 BTS를 이용할 것으로 예측되고 있다. 이 경우, 각각의 BTS RF 프론트엔드가 방사하는 파워가 감소되기 때문에, 필터의 요구 조건은 완화될 수 있지만(예컨대, 대역내 삽입 손실 혹은 대역외 선택도에 대한 요구 조건이 완화됨), 이들 BTS의 아키텍쳐는 필터의 크기 및 무게와 관련된 추가적인 조건을 요구할 것이며, 나머지 RF 프론트 엔드와의 집적성도 요구할 것이다.
이러한 새로운 요구 조건과 관련해서, 미래의 필터링/듀플렉싱 장치인 작은 셀 BTS 혹은 모듈식 BTS는, 현재의 BTS의 전형적인 고출력 필터링/듀플렉싱 장치보다는, 이동 단말에서 현재 이용되고 있는 것과 유사하게 될 수 있다. 실제로는, (품질 성능 및 크기 특성의 측면에서) 이러한 2개의 극단적인 경우의 중간에 있는 필터링 기술이 이러한 애플리케이션에 가장 적합할 것이다.
이러한 애플리케이션에 대한 적합한 해법을 제공할 수 있는 기술 중 하나가 세라믹 필터이다. 그러나, 이 필터를, 중간 출력-처리 사양(예컨대, 4W 이상의 평균 출력) 혹은 엄격한 아이솔레이션 조건(예컨대, FDD LTE 2.6 GHz 대역에서의 Tx/Rx 아이솔레이션)을 만족시키도록 설계하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 게다가, 이러한 기술에 드는 비용은 제조량에 크게 좌우되기 때문에, 이러한 필터를 수백만개씩 생산하지 않는다면, 필터당 단가가 매우 높아진다.
고품질의 필터링 성능 및 비교적 소형인 특성 혹은 집적성 특성을 동시에 필요로 하는 애플리케이션에 이용될 수 있는 다른 필터링 기술은, 표면 장착(surface-mount) 필터링 기술이다. 이 방식에서는, 오목형(re-entrant) (동축선) 공진기와 같은 3-D 공진 공동(높은 Q값을 낼 수 있는)이 종래의 PCB(인쇄 회로 기판)에 장착된다. 이 공동은 PCB에 매립된 전송선을 통해서 서로 접속되어 있다. 이러한 전송선은 요구되는 필터링 기능을 구현하는데도 이용될 수 있다. 이런식으로, 필터링 장치는 동일한 PCB 상의 나머지 RF 프론트엔드와 집적될 수 있다.
도 1에는 PCB(14)에 장착된 종래의 오목형 (동축선) 공진기의 단면도가 도시되어 있다. 이 구성에서 공진기(10)의 3-D 부분은 인쇄 회로 기판(PCB)(14)의 외부 금속 표면 상에 납땜된다(땜납 층(13)을 통해서). 이 경우, 공진기(10)의 3-D 부분과, 3-D 구성 요소에 의해 둘러싸인 PCB의 외부 표면이 공진 공동(15)을 형성한다. 공진기(10)의 3-D 부분에 관해서는, 외벽(11), 내부 오목형 스터브/로드(stub/rod)(12)으로 이루어지고, 이는 원통형 혹은 직사각형이 될 수 있다(동축 구성에서). 이 부분은 금속체에 밀링 가공에 의해 형성될 수도 있고, 혹은 금속체로부터 주조될 수도 있으며, 혹은 (무게 감소를 위해서) 도금된 플라스틱의 3-D 형태로 형성될 수도 있다.
공기 충진된 공진 공동(15)의 전자기 특성은, 유효한 동축 구성의 정확한 치수(즉, 내부 로드(12)의 길이와 공동의 외벽(11)으로부터의 거리), 및 공진 공동의 일부를 포함하는 PCB의 외부 금속 표면과 내부 로드(12) 사이에 형성된 용량성 간극(16)에 따라 달라진다.
도 1에 도시된 것과 유사한 공동 공진을 이용하는 마이크로파 필터링 구조의 합성을 위해서, 마이크로파 신호는 공동 쪽으로 혹은 공동으로부터 멀어지는 쪽으로 유도되어야 한다. 이는 PCB를 이용해서 서로 다른 타입의 전송선을 PCB에 매립함으로써 수행될 수 있다. 이에 대해서는 도 1에도 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서는 PCB에 매립된 입력 도파관/전송선(17)이 마이크로파 신호를 공동으로 유도해서, 커플링 메커니즘(18)을 통해서 공동에 신호를 공급하고, 공진 신호는 다른 커플링 메커니즘(19)을 통해서 출력 도파관/전송선(20)에 공급된다.
이와 같이, 마이크로파 필터는 도 2에 도시된 것과 같은 종래의 필터 합성 모델에 기초해서 합성될 수 있으며, 여기서 이용되는 공진기(30)는 어드미턴스 인버터(31)를 통해서 서로 접속되어서 특정한 전송 기능을 구현하도록 적절하게 합성되게 된다. 도 1에 도시된 것과 같은 공동의 경우, 이 인버터는 PCB 매립 전송선을 이용해서도 설계될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 공동 공진을 구현하는데 있어서, 이러한 구성의 상대적인 이점이 그대로 유지되는 방식으로(완전히 인쇄된 상호 접속 라인 및 커플링 메커니즘) 커플링 메커니즘(18, 19)을 설계하는 것은 매우 도전적인 부분이다.
Jan Hesselbarth의 국제 특허 출원 WO 2008/036180 A2 " Re - entrant resonant cavities, filters including such cavities and method of manufacture ", 국제 특허 출원 WO 2008/036179 A1 " Resonant cavities and method of manufacturing such cavities", 국제 특허 출원 WO 2008/036178 A1 " Re - entrant resonant cavities , filters including such cavities and method of manufacture " 및 유럽 마이크로파 컨퍼런스 2007의 공개물인 " Surface - mount cavity filter technology " 442~445 페이지, 2007년 10월 등에 그 해법이 제안되어 있다.
여기에서는, 도 3에 도시된 바와 같이 3-D 공진 공동을 반으로 나누어서, 공동의 절반은 PCB 의 상측 외부 표면에 위치시키고, 공동의 나머지 절반은 PCB 의 하측 외부 표면에 위치시킴으로써 상기 도전 과제를 해결하려 하고 있다. 이러한 구성에서, 공동의 2 부분은, PCB 에 매립된 비아 포스트( via post )(44)를 이용하여 PCB를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있으며, 마이크로파 신호는 공동을 관통하는 전송선(45)을 통해서 공동의 내부 스터브와 전기적으로 커플링된다 . 이러한 방식이 매우 효율적이기는 하지만, PCB 자체 및 상호 접속 비아 포스트가 공진 공동의 일부라는 점에서, 이러한 구성에서의 공동의 동작에는, 통상 상당히 높은 손실이 수반된다(성능 계수 저하).
PCB 장착 3-D 공진 공동과 마이크로파 신호를 주고 받는 커플링 메커니즘을 설계하는데 있어서 가장 큰 도전 과제는, 넓은 범위의 결합 계수 및 몇가지 튜닝 가능성을 공동 공진에 제공하는 저손실 커플링 메커니즘의 소망의 기능은 달성하면서도, 이러한 구성(완전히 인쇄된 PCB 매립형 네트워크를 통해서 높은 Q의 공진기가 상호 접속됨)의 주요한 비교 우위는 유지하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상술한 도 1에 도시된 것과 유사하면서도, 고품질 필터링을 달성하며 제조가 용이한 메커니즘을 구현하는, 3-D PCB 장착 공진 공동에 마이크로파 신호를 제공하는 커플링 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예에 따라서, 상기 목적은, 상기 공진 공동 내부에서 상기 PCB의 외부 층에 위치되는 금속 급전 패드(feeding pad)를, 상기 전송선의 단부에 마련하는 것으로 달성되고 있다.
이와 같은 방식으로, 금속 급전 패드의 위치 및 크기를 이용해서, 재현 가능한 특성을 가진 고품질의 필터링을 제공하면서, 커플링 메커니즘을 규정하고 조정할 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예에서는, 상기 공진 공동에, 상기 PCB와 직교하며 용량성 간극에 의해 상기 PCB로부터 분리된 오목형 내부 스터브가 마련되어 있고, 상기 금속 급전 패드는 상기 용량성 간극의 영역 내에서 상기 내부 스터브와 마주 보고 있으며 상기 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있다.
제안된 필터 기술은, 공지된 종래의 필터 기술에 비해서 상당히 개선된 성능을 보이고 있다. 본 기술은 제조 에러가 훨씬 적으며, 최종 RF 필터의 동작에서는 삽입 손실이 상당히 감소되어 있다(3-D 공진 공동의 높은 Q값을 유지하기 쉽다).
본 발명의 또 다른 특정 실시예에서는, 상기 공진 공동이 상기 PCB의 외부 금속 표면에 장착되며, 상기 금속 급전 패드는 표면 용량성 간극에 의해 상기 외부 금속 표면으로부터 분리되어 있다.
용량성 간극이 상기 금속 급전 패드가 오목형 내부 스터브의 축 방향에 대해서 오프셋되어 있는 상대적인 위치에 의해 형성되어 있고, 표면 용량성 간극이 PCB의 외부 금속 표면으로부터 금속 급전 패드를 분리시키는 것에 의해서, 커플링 메커니즘의 특성을 규정하고 있다.
본 발명의 바람직한 특정 실시예에서, 상기 금속 급전 패드는, 표면 용량성 간극으로 둘러싸여 있으며 그 중심이 상기 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있는 디스크의 형상을 하고 있다.
금속 급전 패드가 어떤 임의의 형태를 취할 수도 있겠지만, 이 디스크의 형상은 최적의 결과를 얻을 수 있다는 것이 입증되었다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 상기 PCB에는, 그 입력 단부에 입력 금속 급전 패드가 마련되어 있는 입력 매립 전송선 및 그 출력 단부에 출력 금속 급전 패드가 마련되어 있는 출력 매립 전송선이 설치되어 있으며, 입력 금속 급전 패드 및 출력 금속 급전 패드는 상기 공진 공동 내부에서 상기 PCB의 외부 층에 위치되고 전기 벽에 의해 분리되어 있다.
제안된 필터 기술은, 저체적의 특성 및 높은 집적도(필터가 RF 프론트엔드의 다른 구성 요소와 집적됨)와 함께, 고품질의 필터링 성능 및 비교적 고출력의 처리 성능을 요구하는 애플리케이션(현재의 BTS/nodeB/e-nodeB 등의 RF 프론트엔드)에 적합한 해법을 제공한다. 저가이며 완전 자동화된 제조 과정(완전 인쇄된 PCB/납땜된 상부 장착 도금 플라스틱 공동)와 더불어, 이러한 특성을 통해서, 현재의 커플링 메커니즘이, 미래의 PCB 장착 마이크로파 오목형 공진 공동의 매우 유망한 기술이 될 수 있다.
본 커플링 메커니즘의 다른 특정 실시예가 첨부된 청구항에 개시되어 있다.
청구항에서 용어 '포함한다'는 그 앞에 나열되어 있는 수단으로 한정한다는 의미로 해석되어서는 안 된다는 점에 주의한다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"와 같은 표현의 범위는, 수단 A 및 B만을 포함하는 장치의 실시예로 한정되어서는 안 된다. 이는, 본 발명의 실시예에서, A 및 B가 그 장치의 기본적인 수단이라는 것을 의미한다.
유사하게, 청구항에서 사용되는 용어 '커플링된'도, 직접 접속만으로 한정해서 해석되어서는 안 된다. 따라서, "장치 B에 커플링된 장치 A"와 같은 표현의 범위는, 장치 A의 출력단이 장치 B의 입력단에 직접 접속되어 있는 장치의 실시예로 한정되어서는 안 된다. 이는, A의 출력단과 B의 입력단 사이에, 다른 장치 혹은 수단을 포함하고 있는 경로가 존재할 수도 있다는 것을 의미한다.
첨부된 도면과 함께 설명되는 이하의 실시예를 참조함으로써, 본 발명의 상기 목적 및 특성, 그리고 다른 목적 및 특성이 더 명확해질 것이며, 본 발명을 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 PCB에 장착된 3-D 오목형 (동축선) 공진기에 의해 형성된 종래의 공진 공동을 나타내는 도면,
도 2는 어드미턴스 인버터를 이용한, 도 1의 공진 공동의 필터 합성 모델을 나타내는 도면,
도 3은 종래의 기술인 다른 PCB 장착 공진 공동을 나타내는 도면,
도 4는 PCB 매립 도파관(스트립라인)으로부터 본 발명에 따른 하나의 PCB 장착 공진 공동으로 신호를 커플링시키는데 이용되는 커플링 메커니즘을 나타내는 도면,
도 5는 장착된 3-D 공진 공동의 위치에 대해서 PCB의 외부 표면의 레벨에서 본, 도 4의 커플링 메커니즘의 정면도,
도 6은, 도 4 및 도 5의 커플링 메커니즘의 등가 회로도,
도 7은, PCB 매립 도파관(스트립라인)으로부터 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 공진 공동으로, 그리고 그 반대로 신호를 커플링시키는데 이용되는 커플링 메커니즘을 나타내는 도면,
도 8은 PCB 매립 도파관(스트립라인)으로부터 본 발명의 다른 실시예에 따른 한 쌍의 유도 결합된 공진 공동으로, 그리고 그 반대로 신호를 커플링시키는데 이용되는 커플링 메커니즘을 나타내는 도면,
도 9는, 도 8의 구성에 따른 필터 합성 모델을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 커플링 메커니즘을 이용해서, PCB 매립 도파관(스트립라인)으로부터 3-D 공진 공동으로, 그리고 그 반대로 마이크로파 신호를 커플링시키는 4극 체비셰프 필터(Chebyshev filter)의 3-D 모델을 나태는 도면,
도 11은, 도 10의 3-D 모델에 이용되는, 한 쌍의 유도 결합된 공진 공동을 바닥부로부터 본 도면,
도 12는, 도 10의 3-D 모델의 단면도를, 한 쌍의 유도 결합된 공진 공동과 함께 나타내는 도면,
도 13은 PCB 매립 스트립라인(131)로부터 유도 결합된 공진 공동의 쌍으로의 마이크로파 신호의 커플링 메커니즘을 나타내는 도면,
도 14는, 도 10의 4극 필터의 시뮬레이션된 응답을 나타내는 도면이다.
본 발명의 요구 조건을 모두 만족시키는, 커플링 메커니즘의 실시예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
인쇄 회로 기판(PCB) 장착 마이크로파 오목형 공진 공동의 단면도가 도 4에 도시되어 있으며, 도 5는, 장착된 3-D 공진 공동의 위치에 대해서 PCB의 외부 표면의 레벨에서 본, 커플링 메커니즘의 정면도를 나타내고 있다.
종래의 PCB에 장착된 마이크로파 오목형 (동축선) 공진기에서와 같이, 본 발명의 공진기의 3-D 부분은 PCB의 외부 금속 표면에 납땜되어 있다. 공진기의 3-D 부분과, 3-D 구성 요소에 의해 둘러싸인 PCB의 외부 표면이 공진 공동(60)을 형성하고 있다. 공진기의 3-D 부분은 외벽, 내부 오목형 스터브 혹은 로드(64)로 이루어져 있으며, 원통형 혹은 직사각형(동축 구성에서)이 될 수 있다. 이 부분은 금속체에 밀링 가공해서 혹은 금속체로부터 주조해서 형성될 수도 있고, 혹은 특히 무게를 줄이기 위해서 도금 플라스틱 3-D 형태로 형성될 수도 있다.
오목형 내부 로드(64)는 PCB에 직교하되, 그 한쪽 단부가 외벽에 고정되어 있고, 다른 단부는 용량성 간극(66)에 의해 분리되어서 PCB와 마주보고 있다.
공기 충진된 공진 공동(60)의 전자기 특성은, 유효한 동축 구성의 정확한 치수(즉, 내부 로드(64)의 길이와 공동의 외벽(11)으로부터의 거리), 및 공진 공동의 일부를 포함하는 PCB의 외부 금속 표면과 내부 로드(64) 사이에 형성된 용량성 간극(16)에 따라 달라진다.
마이크로파 신호는, 3-D 공동이 장착된 PCB의 외부 금속 표면을 접지면으로 이용하는 매립 도파관/전송선(61)을 통해서, 공진기로 유도되는 것으로 생각된다. 이 선은 예컨대, 마이크로스트립 혹은 스트립라인 기술로 구현될 수 있다. 마이크로파 신호가 급전 전송선의 단부에 도달하면, 이는 수직의 비아 포스트(혹은 비아 포스트의 어레이)(62)를 통해서, 공동의 내부에서, 3-D 공진기가 장착된 PCB의 외부 층에 위치된 금속 급전 패드(63)로 유도된다.
도 5에는, PCB의 외부 표면(73)에 장착된 공진 공동의 동축 구성(72)의 위치에서의, 금속 급전 패드(71)의 정면도가 명확하게 도시되어 있다. 급전 패드(71)와 PCB의 외부 표면(73) 사이에 전기적인 접속이 없다는 점에서, 변위 전류는 이들 사이에 형성된 표면 용량성 간극(74)을 통해서 유지될 것이다.
금속 급전 패드(63/71)는 바람직하게는, 표면 용량성 간극(74)으로 둘러싸여 있으며 그 중심이 내부 오목형 스터브/로드(64)의 축 방향으로부터 오프셋되어 있는 디스크 형상을 하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, PCB의 외부 표면 중 금속 급전 패드 주위의 부분이 공진 공동의 일부를 포함하고 있다는 점에서, 이는 급전 마이크로파 신호를 공진 공동으로 전자기적으로 커플링시키는 제 1 메커니즘이다.
이 커플링의 전자기적 특성(즉, 강도(magnitude))은 패드의 반경과 표면 용량성 간극(74)의 폭에 따라서 달라진다. 이 두가지 특성 모두, 공진 공동의 3-D 부분에 관계없이, PCB를 설계할 때 조정될 수 있으며, 특정한 필터링 전송 기능을 대응하는 PCB 레이아웃과 합성하면서 주요 설계 파라미터를 이루고 있다.
금속 급전 패드(63/71)와 공진 공동 사이의 전자기적인 커플링의 제 2 메커니즘은, 3-D 동축 구성의 내부 스터브(64)와 그 급전 패드 사이에서 유지되는 커패시턴스이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 급전 패드 및 공진기의 내부 스터브는 표면 상에서 중첩되고 있으며(75), 이는 급전 패드의 반경과, 공진기의 3-D 부분의 동축 구성의 중심에 대한 위치(오프셋)에 따라 달라진다. 이들 두가지 파라미터가 필터 합성 및 PCB 레이아웃 설계시에 적절하게 설정되어야 하는 또 다른 2가지 주요한 설계 파라미터이다. 이 제 2 커플링 메커니즘이 중요한 것은, 급전 패드와 공진 공동 사이의 전자기적인 커플링을 제공한다는 점 외에, PCB의 설계/레이아웃을 통해서 공진 공동의 공진도(resonance)를 조금씩 조정하고 튜닝하는 수단을 제공하기 때문이다.
특히, 급전 패드를 도입함으로써, 기본적으로 공진 공동의 전체 커패시턴스 및 그 공진 주파수의 산출에 큰 역할을 하는, 3-D 공동이 장착되는 PCB의 외부 층과 동축 구성의 내부 스터브 사이에 유지되는 전체 커패시턴스가 2개의 성분으로 나누어지게 된다. 첫번째 성분은 급전 패드와, 공동의 3-D 부분의 내부 스터브 사이에 유지되는 커패시턴스이고, 두번째 성분은 급전 패드 주위에서 공동의 3-D 부분의 내부 스터브와 중첩되는 외부 PCB 표면에 의해 유지되는 표면 커패시턴스이다. 이 두 커패시턴스 사이의 비율은, 동축 구성의 내부 로드와 중첩되는, 급전 패드 표면과 외부 PCB 표면의 비율과 동일하며, 따라서, 급전 패드의 위치를 조정함으로써 조정될 수 있다. 이들 두 커패시턴스의 합이 전자의 전체 커패시턴스와 거의 같지만, 후자의 경우, 급전 패드와 동축 구성의 내부 스터브 사이의 커패시턴스는 공진 공동의 용량성 특성 및 공진 주파수에 영향을 미치지 않는다.
따라서, 이 커패시턴스를 변경(증가/감소)함으로써, 공진 공동의 전체 커패시턴스를 변경되는 것과 반대로(감소/증가)시킬 수 있다. 이런 식으로, 공진 공동의 유효 공진 주파수는 외부 PCB 표면의 레이아웃의 설계를 통해서 조정될 수 있다.
제안된 커플링 메커니즘의 주요 특성을 개략적으로 나타내기 위해서, 도 4와 유사한 구성의 등가 회로를 도 6에 도시했다. 이 등가 회로에서, 공진 공동은 3-D 동축 구성에 기인한 인덕턴스 Lcoax와 커패시턴스 Ccoax, 및 동축 구성의 내부 스터브와, 공진 공동의 일부를 포함하며 3-D 공동이 장착된 PCB 표면 사이에 유지되는 커패시턴스에 기인한 Cgap로 이루어진 션트 LC 회로로 도시되어 있다.
급전 패드가 존재하지 않을 경우, 이 커패시턴스는 간극의 기하학적 특성(간극 폭이 d이고, 커패시턴스가 유지되는 전체 면적이 S라면, Cgap=ε0S/d)에 따라서만 달라지게 되어서, 동축 공진기를 직접 로딩한다(도 6의 표기에 따라서, C0=Cgap).
급전 패드가 존재하는 경우, 이 커패시턴스는 2개의 성분으로 나누어지며, 그 중 하나는 공진기의 내부 스터브와 접지면 사이에서 유지되는 것으로, 상술한 바와 같이 동축 공진기를 로딩하고, 다른 하나는 공진기의 내부 스터브와 급전 패드 사이에서 유지되는 것으로, 공진기에 직렬 접속된 커플링 커패시턴스에 대응한다. 이들 두 커패시턴스 사이의 비율은 내부 스터프 영역 중 급전 디스크와 중첩되는 부분에 의해 결정된다. 따라서, 중첩 비율이 k라고 하면, C0=(1-k)Cgap이고, Cser=kCgap이다. 마지막으로, 급전 디스크와, 공진 공동의 일부를 포함하는 PCB의 외부 표면 사이의 커플링 커패시턴스는 공진기와 병렬이 되는 것으로 생각된다(도 6에서 Csh).
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 필터 구성에서는, 전자기 신호는 필터를 포함하는 각각의 공진기로, 그리고 각각의 공진기로부터 유도되어야 한다. 따라서, 각각의 공동 내에 상술한 바와 같은 2개의 커플링 메커니즘이 구현되어야 한다. 이는 도 7에 도시되어 있으며, 여기서는 입력 전송선(81)이 커플링 메커니즘(82)을 통해서 공동 내의 입력 금속 급전 패드로 신호를 유도하고, 이 커플링 메커니즘(82)은 신호를 공동 내의 출력 금속 급전 패드로부터 출력 급전선(84)로 커플링시키고 있다.
도 7의 구성에서는 몇가지 기생 현상(parasitic phenomena)이 쉽게 발생하며, 이는 마이크로파 필터의 일부인 공동 공진기의 동작에 영향을 미치거나, 저하시키거나 혹은 제한한다. 크기가 소형인 점을 고려해서, 커플링 메커니즘(82, 83)은 서로 근접해서 위치되어 있다.
따라서, 이들 사이에서, 공진 공동 자체에서 혹은 공동이 장착되는 기판을 통해서 직접 커플링이 발생할 수 있고, 이는 공진기의 전자기 성능을 저하시킬 수 있다.
후자의 경우, 이들 사이에 전기벽(85)을 삽입해서 해결될 수는 있지만(이 벽은 근접해서 분리되어 있는 구리 비아를 이용해서 구현될 수 있다), 공진 공동을 통한 2개의 커플링 메커니즘 사이의 직접적인 전자기 커플링은 거의 방지할 수 없다. 실제로, 이 문제에 대한 간단한 해법은 이들을 서로 가능한 한 분리시키는 것일 것이다.
그러나, 이러한 방식은 각각의 커플링 디스크와 공진기의 내부 스터브 사이의 중첩 영역(도 5의 75)을 감소시키고, 따라서 이들 메커니즘 각각에 의해서 구현되는 전체 달성 가능한 커플링 계수를 감소시킬 것이다. 따라서, 도 7과 같은 구조는 PCB 상에 장착된 공동 공진기로 이루어진 필터의 바람직한 구현예는 될 수 없다.
이러한 필터의 다른 바람직한 구현예가 도 8에 도시되어 있다. 이 구현예에 있어서, PCB 장착 공진 공동 필터의 설계를 위한 모듈 요소는 한 쌍의 유도 결합된 3-D 공진 동축 공동이 될 것이며, 이는 도 8에 도시된 것과 유사하다. 이 방식에서는, 하나의 블록(91) 내에 2개의 3-D 동축 공진기가 제작되어야 한다. 입력 공진 공동을 출력 공진 공동으로부터 분리시키는 공통 전기벽(95) 상에서는, 아이리스 개구창(92)이, 동일 블록 상에 작성된 2개의 공동 사이의 유도 결합을 보장하고 있다. 이 입력/출력 공진 공동의 쌍에는, PCB에 직교하며 입력/출력 용량성 간극에 의해서 서로 분리되어 있는 개개의 입력/출력 내부 스터브가, 각각 마련되어 있다. 또한, 입력 금속 급전 패드는 이 쌍 중 입력 공진 공동에 구현되고, 출력 금속 급전 패드는 이 쌍 중 출력 공진 공동에 구현되어 있다. 입력 금속 급전 패드는 입력 용량성 간극의 영역의 입력 내부 스터브의 단면과 마주보고 있으며, 이 입력 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있고, 출력 금속 급전 패드는 출력 용량성 간극의 영역의 출력 내부 스터브의 단면과 마주보고 있으며, 이 출력 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있다.
커플링 윈도우(92)의 정확한 치수가 대응하는 유도 결합의 강도를 결정한다.
도 8에 도시된 것과 같은 구성의 이점은, 마이크로파 신호를 입력 커플링 메커니즘을 통해서 PCB로부터 입력 공동으로 공급하고, 필터링된 신호를 출력 커플링 메커니즘(94)를 통해서 출력 공동으로부터 PCB로 출력할 수 있다는 것이다.
이 방식에서, 2개의 서로 다른 공동 내에 2개의 커플링 메커니즘이 구현되고, 따라서 이들 사이에 (공동을 통한) 큰 기생 직접 커플링은 존재하지 않는다.
또한, 2개의 커플링 메커니즘 각각과 관련된 설계 파라미터(즉, 급전 디스크의 지름, 급전 디스크의 위치 등)는, 어떤 큰 제한(즉, 2개의 커플링 메커니즘의 크기, 상대적인 위치 등)을 만족시켜야 할 필요없이, 필터 설계 과정의 요구 조건에 따라서 자유롭게 선택된다.
도 8의 구성이 필터 장치의 합성에 이용되는 경우, 필터 기능은 도 9의 모델에 따라서 합성되어야 한다. 이 모델에서, 필터의 첫번째 공진기와 마지막 공진기 사이의 입력 및 출력 커플링은 전송선 기반 어드미턴스 인버터(J01 및 JNN +1)를 통해서 구현되며, 공진기 사이의 커플링은 유도 결합 아이리스(Mij) 및 전송선 기반 임피던스 인버터(Jij)를 이용해서 서로 교환 가능하게 구현된다.
본 발명에서 제안하는 커플링 메커니즘을 통해서 작동되며(excited) 상호 접속된 3-D 오목형 (동축선) 공진기를 이용해서, PCB 장착 필터를 설계할 수 있다는 것을 입증하기 위해서, 4차 체비셰프 필터를 설계해서 시뮬레이션했다. 이 필터의 목표 동작 대역은 WCDMA 공중 인터페이스의 다운링크 Tx 대역(2110MHz~2170MHz)이다.
이 필터의 시뮬레이션에 이용되는 모델이 도 10에 도시되어 있다. 이 필터 구현에서는, 도 8의 구성을 이용했다. 상세하게는 4차 필터의 4개의 공진기를 유도 결합된 공진기의 2개의 쌍에 제작했다. 이들 2개의 쌍은 PCB 상에 구현된 어드미턴스 인버터를 통해서 상호 접속되어 있으며, 필터 기능은 도 9의 모델에 따라서 합성되었다.
도 10의 3-D 모델을 참조해서, 유도 결합된 공동의 2개의 쌍은 2개의 금속체(100) 내에 밀링 가공되었다. 이들 금속체는 그 상면과 하면 모두가 도금된 PCB(101)의 상부 표면에 납땜되는 것으로 상정된다. PCB 내부에는, 스트립라인을 이용해서 상호 접속 어드미턴스 인버터를 합성했다. 또한, 구리 비아(102)를 PCB 내에 매립해서 PCB의 양면(이용되는 스트립라인의 접지면)을 단락시킴으로써, 커플링 메커니즘 사이를 전기적으로 확실하게 절연시켰으며, 스트립라인의 동작과 관련된 기생 효과를 감소시켰다.
금속체(도 10의 100) 내에 밀링 가공된 2개의 오목형 공진기의 유도 결합된 쌍 각각을 바닥으로부터 본 도면이 도 11에 도시되어 있다. 이 구현예에서, 2개의 공진 공동(110)은 원통형 내부 로드(111) 및 직사각형 외벽(112)로 이루어져 있다. 일반적인 경우에, 내부 및 외부 컨택터의 형상은 유사한 동축 구성을 유지하는 임의의 형상이 될 수 있다. 마지막으로, 2개의 공동은, 이들을 분리시키고 있는 벽으로부터 재료를 제거함으로써 형성된 아이리스(113)를 통해서 커플링되어 있다.
도 12에는, 3-D 필터 모델의 단면도가 한 쌍의 유도 결합된 공동과 함께 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 신호는 공동을 드러내고 있는, PCB 내에 매립된 스트립라인(123)을 통해서 공동의 쌍으로, 그리고 공동의 쌍으로부터 유도된다. 상술한 스트립라인은 금속 표면(121, 122)을 상부 및 하부 접지면으로서 이용하고 있으며, 표면(121)은 공진 공동의 3-D 부분에 부착하는데도 이용된다. 이들 스트립라인은 구리 비아(124)를 이용해서 PCB의 상부 접지면 층(121)의 급전 디스크와 접속된다.
비아 및 급전 디스크를 통해서 스트립라인으로부터 공진 공동으로 신호를 커플링시키는 메커니즘을 도 13에 더 구체적으로 도시했다. 상세하게, 도 13에서는 입력/출력 스트립라인(131)이 RF 신호를, 금속 표면(130) 상에 형성되어 있는 커플링 디스크(132)에 공급하며, 이 금속 표면(130)은 스트립라인의 상부 접지면으로서 동작하는 것 이외에 3-D 공진 공동을 부착하는데도 이용된다.
마지막으로, 도 10의 4극 체비셰프 필터의 전파(full-wave) 시뮬레이션된 응답이 도 14에 도시되어 있으며, 여기서는 상술한 필터 구조의 S-파라미터(dB:세로축)를 관심의 주파수 대역(GHz:가로축)에 대해서 나타내고 있다. 이러한 결과에 따라서, 필터의 통과 대역에서 낮은 삽입 손실이 달성되었으며(<0.6dB), WCDMA 공중 인터페이스의 다운링크 Rx 대역에서 50dB 이상의 아이솔레이션도 달성되었다.
본 커플링 메커니즘은, 단일의 혹은 2개의 공동과 신호를 커플링시키는 것 뿐만 아니라, 더 일반적인 경우로 임의의 다수의 공동으로 이루어진 구조에 대해서도 이용될 수 있다는 점에 주의한다. 이를 위해서, 일반적인 커플링 메커니즘은 PCB에 장착된 다수의 공진 공동을 포함하며, 여기에는, 그 단부에 공진 공동 각각 내에 위치된 금속 급전 패드가 마련되어 있는 전송선이 동일한 수만큼 마련되어 있다. 각각의 공진 공동에는 PCB에 직교하며 용량성 간극에 의해 분리되어 있는 내부 스터브가 마련되어 있다. 각각의 금속 급전 패드는, 용량성 간극의 영역 내에서 대응하는 내부 스터브의 단면과 마주보고 있으며, 이 대응하는 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있다. 금속 급전 패드는 또한 전기 벽에 의해 분리되어 있다.
마지막으로, 상기에서는 본 발명의 실시예가 기능 블록에 대해서 설명되었다는 점에 주의한다. 전자 기기 설계에 종사하는 당업자라면 상술한 이들 블록의 기능 설명으로부터, 이들 블록의 실시예가 어떻게 공지된 전자 구성 요소와 함께 제조될 수 있는지 이해할 것이다. 따라서 기능 블록의 내용에 관한 상세한 아키텍쳐는 제공하지 않는다.
이상 본 발명을 특정 장치와 관련해서 설명했지만, 이러한 설명은 단지 예시적인 것으로, 첨부된 청구항에 정의되어 있는 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니라는 점을 분명히 이해할 것이다.

Claims (12)

  1. 인쇄 회로 기판(PCB)(67)에 매립된 전송선(61)으로부터 상기 PCB에 장착된 공진 공동(a resonant cavity)(60)으로 마이크로파 신호를 커플링시키는 커플링 메커니즘에 있어서,
    상기 전송선(61)의 단부에는, 상기 공진 공동(60) 내부에서 상기 PCB(67)의 외부 층(external layer)에 위치된 금속 급전 패드(a metalized feeding pad)(63)가 제공되는
    커플링 메커니즘.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 공동(60)에는, 상기 PCB에 직교하고, 상기 PCB로부터 용량성 간극(66)만큼 분리되어 있는 오목형 내부 스터브(a re-entrant inner stub)(64)가 제공되며,
    상기 금속 급전 패드(63)는 상기 용량성 간극 영역 내에서 상기 내부 스터브와 마주보고 있으며, 상기 내부 스터브(64)의 축 방향으로부터 오프셋되어 있는
    커플링 메커니즘.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 공동(60)은 상기 PCB(67)의 외부 금속 표면(73) 상에 장착되고,
    상기 금속 급전 패드(63, 71)는 표면 용량성 간극(74)만큼 상기 외부 금속 표면(73)으로부터 분리되어(separated) 있는
    커플링 메커니즘.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 급전 패드(63, 71)는 상기 표면 용량성 간극(74)에 의해 둘러싸여 있는 디스크 형상을 가지며, 상기 금속 급전 패드의 중심은 상기 내부 스터브(64)의 축 방향으로부터 오프셋되어 있는
    커플링 메커니즘.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선(61)의 단부는 적어도 하나의 비아 포스트(via post)(62)를 통해서 상기 금속 급전 패드(63)에 커플링되어 있는
    커플링 메커니즘.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB(67)에 매립된 상기 전송선(61)은 마이크로스트립 혹은 스트립라인 기술로 구현된 도파관인
    커플링 메커니즘.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB에는, 입력 단부에 입력 금속 급전 패드가 제공되는 입력 매립 전송선(81) 및 출력 단부에 출력 금속 급전 패드가 제공되는 출력 매립 전송선(84)이 제공되며,
    상기 입력 금속 급전 패드 및 상기 출력 금속 급전 패드는 상기 공진 공동 내의 상기 PCB의 상기 외부 층에 위치되고, 전기 벽(an electric wall)(85)에 의해서 서로 분리되어(separated) 있는
    커플링 메커니즘.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공진 공동에는, 상기 PCB에 직교하며 상기 PCB로부터 용량성 간극만큼 분리되어 있는 오목형 내부 스터브가 제공되고,
    상기 입력 금속 급전 패드 및 상기 출력 금속 급전 패드는 모두 상기 용량성 간극 영역 내에서 상기 내부 스터브의 단면과 마주보고 있고, 상기 내부 스터브의 축 방향으로부터 각각 오프셋되어 있는
    커플링 메커니즘.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 벽(85)은, 상기 PCB 내의 근접해서 분리된 구리 비아에 의해 구현되는
    커플링 메커니즘.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 PCB 상에 장착된 상기 공진 공동은, 동일한 블록(91) 내에 제작되어 있는 한 쌍의 유도 결합된 3-D 공진 공동으로 구성되어 있고,
    상기 한 쌍의 공진 공동 중 입력 공진 공동에는, 상기 PCB에 직교하고 상기 PCB로부터 입력 용량성 간극만큼 분리되어 있는 입력 내부 스터브가 제공되고, 상기 한 쌍의 공진 공동 중 출력 공진 공동에는, 상기 PCB에 직교하고 상기 PCB로부터 출력 용량성 간극만큼 분리되어 있는 출력 내부 스터브가 제공되고,
    상기 입력 공진 공동 및 상기 출력 공진 공동은 공통 전기 벽(a common electric wall)(95)에 의해 분리되어 있으며,
    상기 한 쌍의 공진 공동의 상기 입력 공진 공동과 상기 출력 공진 공동 사이에는 아이리스 개구창(an iris open window)(92)이 제공되고,
    상기 입력 금속 급전 패드는 상기 한 쌍의 공진 공동 중 상기 입력 공진 공동에 구현되어 있고, 상기 출력 금속 급전 패드는 상기 한 쌍의 공진 공동 중 상기 출력 공진 공동에 구현되어 있는
    커플링 메커니즘.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 입력 금속 급전 패드는, 상기 입력 용량성 간극 영역 내에서 상기 입력 내부 스터브의 단면과 마주보고 있고, 상기 입력 내부 스터브의 상기 축 방향으로부터 오프셋되어 있으며, 상기 출력 금속 급전 패드는, 상기 출력 용량성 간극 영역 내에서 상기 출력 내부 스터브의 단면과 마주보고 있고, 상기 출력 내부 스터브의 상기 축 방향으로부터 오프셋되어 있는
    커플링 메커니즘.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 메커니즘은 상기 PCB에 장착된 복수의 공진 공동을 포함하고,
    상기 PCB에는 복수의 매립 전송선이 제공되고 - 상기 복수의 매립 전송선 각각의 단부에는 상기 복수의 공진 공동 각각 내에 위치된 금속 급전 패드가 마련되어 있음 - ,
    상기 공진 공동 각각에는, 상기 PCB에 직교하며 상기 PCB로부터 용량성 간극만큼 분리되어 있는 내부 스터브가 제공되고,
    상기 금속 급전 패드 각각은 상기 용량성 간극의 영역 내에서 대응하는 내부 스터브의 단면과 마주보고 있고, 상기 대응하는 내부 스터브의 축 방향으로부터 오프셋되어 있고,
    상기 금속 급전 패드는 전기 벽에 의해 분리되어 있는
    커플링 메커니즘.
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