KR20160076019A - 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터 - Google Patents

유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 공동 내부의 하면에 부착되는 하부 도체부와 상기 하부 도체부의 상부에 위치하며 상기 하부 도체부보다 큰 직경을 가지는 상부 도체부 및 상기 상부 도체부의 상부에 적층되는 유전체를 포함하여 구성됨으로써, 공진기의 크기 및 무게를 최소화하는 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터에 관한 것이다.
본 발명은 내부에 공동(cavity)이 형성되는 도체 재질의 하우징; 상기 공동의 내부면 중 하면에 부착되는 내부 도체; 및 상기 내부 도체의 상부에 적층되는 유전체를 포함하여 구성되며, 상기 내부 도체는 원통형의 하부 도체부와 상기 하부 도체부의 상부에 위치하는 원통형의 상부 도체부를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 도체부의 직경은 상기 하부 도체부의 직경보다 크며, 상기 유전체는 상기 상부 도체부와 상기 공동의 상면 사이에 위치하여 상부 도체부와 공동의 상면 간의 커패시턴스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기를 개시하는 효과를 갖는다.

Description

유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터 {Step impedance resonator with dielectric stack and filter using the same}
본 발명은 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 공동 내부의 하면에 부착되는 하부 도체부와 상기 하부 도체부의 상부에 위치하며 상기 하부 도체부보다 큰 직경을 가지는 상부 도체부 및 상기 상부 도체부의 상부에 적층되는 유전체를 포함하여 구성됨으로써, 공진기의 크기 및 무게를 최소화하는 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터에 관한 것이다.
최근 들어 다양한 무선 통신 서비스가 대중화되면서, 보다 다양한 규격의고주파 소자들이 사용되고 있으며, 그 대표적인 예로서 필터(filter)를 들 수 있다. 상기 필터는 인접 채널 혹은 인접 대역의 신호가 유입되어 잡음으로서 작용하는 것을 방지하는 기능을 수행하며, 통신 시스템의 구성을 위한 필수적인 부품으로서 다양한 무선 통신 시스템에서 사용되고 있다.
상기 필터를 구성하기 위해서는 통상 복수의 공진기(resonator)를 연결하여 사용하게 되는데, 이때 요구되는 규격에 따라 다양한 구조의 공진기가 사용되게 된다. 예를 들어, 송신단에서 사용되는 고주파 필터를 구성하기 위하여 공동(cavity) 구조의 공진기를 사용하는 캐비티 필터, 도파관(wave guide) 구조의 공진기를 사용하는 도파관 필터 등을 들 수 있다. 상기 캐비티 필터나 도파관 필터는 전자기장의 분포를 조정하여 공진 특성을 구현하므로, 높은 전력의 신호에 대해서도 안정적인 동작이 가능하다는 장점이 있으나, 동작 주파수의 파장에 비례하여 공진기의 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르게 된다. 나아가, 상기 공진기는 통상 금속 등의 재질로 구현되므로 그 부피에 비례하여 상당한 무게를 가지게 된다.
도파관 구조의 공진기를 사용하는 하나의 예로서, 동축 공동 공진기(Coaxial cavity resonator)를 들 수 있다. 도 1에서는 종래 기술에 따른 동축 공동 공진기의 구조를 예시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 도1의 외부 도체(1)과 내부 도체(2)에 의하여 z-축 방향으로 전자기파가 진행하는 도파관 구조를 가지게 되며, 이에 따라 내부 도체(2)의 z-축 방향 길이는 동축 공동 공진기의 공진 주파수와 밀접한 관련성을 가지게 되므로, 동작 주파수의 파장에 따라 내부 도체(2)의 길이 및 전체 공진기의 크기가 증가하는 문제가 나타나게 된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 내부 도체(2) 및 외부 도체(1)의 직경이 일정한 경우 도파관 구조의 특성 임피던스(characteristic impedance)가 단일한 값을 가지게 되므로 단일 임피던스 공진기(Uniform Impedance Resonator, UIR)라고 부르는 반면, 상기 내부 도체(2)의 직경 등에 변화(step)를 주는 등의 방법으로 도파관 구조의 특성 임피던스가 변경되는 경우를 스텝 임피던스 공진기(Step Impedance Resonator, SIR)라고 부른다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 내부 도체(22)의 직경이 변경됨에 따라 도파관 구조의 특성 임피던스가 바뀌게 되면서 스텝 임피던스 공진기(SIR)를 구성할 수 있게 된다. 상기 스텝 임피던스 공진기(SIR)는 상기 단일 임피던스 공진기(UIR)과 비교할 때, 동일 동작 주파수의 경우에 보다 작은 크기로 구현하는 것이 가능하다는 장점을 가진다. 미국 등록 특허 제4,675,630호에서는 상기와 같은 스텝 임피던스 공진기(SIR)에 대한 기재가 개시되어 있다.
그러나, 상기 스텝 임피던스 공진기(SIR)를 사용하더라도 공진기의 크기를 줄이는 데에는 한계가 따른다. 예를 들어, 도 3에서는 700MHz 대역에서 설계된 스텝 임피던스 공진기(SIR)의 구조 및 치수를 예시하고 있다. 자유 공간에서의 700MHz 파장(λ0)이 약 42.9cm이고, λ0/4가 약 10.7cm인 것이 비하여, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 스텝 임피던스 공진기(SIR) 구조로 설계한 경우의 높이는 약 5.5cm이므로 스텝 임피던스 공진기(SIR)의 구조를 이용하여 공진기의 높이를 다소 낮추었다고 볼 수는 있겠으나, 다양한 무선 통신 시스템의 환경 및 규격에 따라 보다 소형화된 공진기 구조가 요구되고 있다.
나아가, 공진기를 제작하기 위해서는 알루미늄 등의 금속을 밀링 등의 기계적 공정을 거쳐 가공하게 되는 바, 부피가 커짐에 따라 원재료 비용 및 가공 시간이 늘어나게 되어 제작 비용이 증가하게 되고, 또한 공진기의 부피가 증가함에 따라 그 무게도 상당히 무거워지는 문제가 따르게 되므로, 상기한 문제들을 해결할 수 있도록 공진기를 더욱 소형화, 경량화할 수 있는 구조에 대한 요구가 지속되고 있는 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 종래의 스텝 임피던스 공진기와 비교할 때 그 크기와 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 스텝 임피던스 공진기(SIR) 및 이를 이용한 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 스텝 임피던스 공진기는 내부에 공동(cavity)이 형성되는 도체 재질의 하우징; 상기 공동의 내부면 중 하면에 부착되는 내부 도체; 및 상기 내부 도체의 상부에 적층되는 유전체를 포함하여 구성되며, 상기 내부 도체는 원통형의 하부 도체부와 상기 하부 도체부의 상부에 위치하는 원통형의 상부 도체부를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 도체부의 직경은 상기 하부 도체부의 직경보다 크며, 상기 유전체는 상기 상부 도체부와 상기 공동의 상면 사이에 위치하여 상부 도체부와 공동의 상면 간의 커패시턴스를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유전체는 상기 상부 도체부의 상부면의 형상과 대응하는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체는 상기 공동의 측벽에 고정될 수 있도록 상기 공동의 수평 단면의 형상에 대응하는 형상을 가질 수도 있다.
또한, 상기 내부 도체와 상기 유전체의 중심축을 관통하는 튜닝용 스크류가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 유전체는 상기 공동의 상면과 접촉되지 않도록 공동의 상면과의 사이에 갭을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체는 상면 또는 하면 중 일면 혹은 양면이 도금된 것일 수 있다.
또한, 상기 하부 도체부와 상부 도체부는 일체형으로 제작된 것일 수 있다.
또한, 상기 하부 도체부와 상부 도체부는 원통형이 아닌 정사각형 기둥의 형상을 가질 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 고주파용 필터는 앞서 기재된 스텝 임피던스 공진기를 하나 혹은 둘 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 공동의 하면에 부착되는 내부 도체의 상부에 유전체를 적층하여 스텝 임피던스 공진기를 구성함으로써, 그 크기 및 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터를 개시하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 단일 임피던스 공진기의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스텝 임피던스 공진기의 예시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 스텝 임피던스 공진기의 설계 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기에 대한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기의 구조 및 설계 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기를 이용한 듀플렉서 설계 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기를 이용한 필터의 구조 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기를 이용하여 제작된 필터의 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기를 이용하여 제작된 필터의 S 파라미터 측정 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 종래기술에 따라 스텝 임피던스 공진기를 구성하는 경우 공진기의 크기를 소형화하는데 한계가 있고, 이에 따라 공진기의 부피와 무게가 증가할 수 있으며, 나아가 상기 공진기를 가공하는데 필요한 제작 비용이 늘어날 수 있다는 문제점에 착안하여, 공동(cavity)의 하면에 부착되는 내부 도체의 상부에 유전체를 적층하여 스텝 임피던스 공진기를 구성함으로써, 그 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 이에 따라 무게 및 부피와 함께 제작 비용도 크게 줄일 수 있는 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터를 제공하는 효과를 가진다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기 및 이를 이용한 필터에 대하여, 첨부된 각 도면을 참조하여 자세하게 검토한다.
먼저, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)를 설명하기 위한 도면을 보여주고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)는 공동(cavity)(20), 상기 공동(20)의 내부면 중 하면에 부착되는 내부 도체(22) 및 상기 내부 도체(22)의 상부에 적층되는 유전체(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 내부 도체(22)는 원통형의 하부 도체부(22a)와 상기 하부 도체부(22a)의 상부에 위치하는 원통형의 상부 도체부(22b)를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 도체부(22b)의 직경은 상기 하부 도체부(22a)의 직경보다 크며, 상기 유전체(24)는 상기 상부 도체부(22b)와 상기 공동(20)의 상면 사이에 위치하여 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 커패시턴스를 증가시키게 된다.
도 4를 참조하여 본 발명의 구성을 보다 자세하게 살펴보면 아래와 같다. 일반적으로 공진기의 공진주파수(f 0 )는 공진기의 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 대하여, 다음의 수학식 1을 사용하여 구할 수 있다. 아래의 수학식 1에서 쉽게 확인할 수 있는 바와 같이, 공진기의 공진 주파수를 낮추기 위해서는 공진기의 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C) 값이 높이는 것이 필요하다.
[수학식 1]
Figure pat00001
그런데, 도 4의 스텝 임피던스 공진기에서 통상적으로 내부 도체(22)의 길이가 줄어들면 공진기의 인덕턴스(L) 값이 작아지므로, 공진기의 크기가 줄어드는 경우 통상적으로 공진기의 공진 주파수는 높아지게 된다.
따라서, 공진기의 공진 주파수를 유지하면서도 공진기의 크기를 줄이기 위해서는, 공진기의 인덕턴스(L) 값을 유지시키거나, 공진기의 커패시턴스(C) 값을 더욱 크게 하여야 한다.
이와 관련하여, 먼저 도 4의 스텝 임피던스 공진기에서의 인덕턴스(L) 값을 구하기 위하여 스텝 임피던스 공진기에서의 임피던스 값을 살펴보면 아래와 같다. 도 4에서 스텝 임피던스 공진기를 도파관으로 해석할 때, 하부 도체부(22a) 영역에 대한 입력 임피던스(Zin1) 값을 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 이때, 해석의 편리를 위하여 스텝 임피던스 공진기(100)에 유전체(24)는 포함되지 않은 경우를 먼저 살핀 후, 유전체(24)에 대해서는 별도로 검토하기로 한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
또한, 상기 Z1은 상기 하부 도체부(22a) 영역에서의 특성 임피던스이고, 상기 Rs는 도체의 표면 저항율을 말한다.
나아가, 상기 하부 도체부(22a) 영역을 포함하여 전체 스텝 임피던스 공진기를 도파관으로 해석하여, 전체 공진기에 대한 입력 임피던스(Zin2) 값을 구하면 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
또한, 상기 Z2는상기 상부 도체부(22b) 영역에서의 특성 임피던스 값을 말한다.
따라서, 상기 수학식 3을 이용하여 스텝 임피던스 공진기에 대한 입력 임피던스(Zin2) 값을 구할 수 있으며, 이로부터 공진기의 인덕턴스(L) 값도 도출할 수 있게 된다.
보다 구체적인 예를 들어, 도 1과 같은 단일 임피던스 공진기 구조를 이용하여 900MHz 공진 주파수를 가지는 공진기를 설계하는 경우, 공동의 폭은 600mm, 공동의 높이는 642mm, 내부 도체의 직경은 180mm, 내부 도체의 높이는 600mm로 설계될 수 있다.
이에 반하여, 도 4와 같은 스텝 임피던스 공진기 구조를 이용하여 900MHz 공진 주파수를 가지는 공진기를 설계하는 경우에는, 공동(20)의 폭(2b)은 600mm, 공동(20)의 높이(l1 + l2 + d)는 542mm, 하부 도체부(22a)의 직경(2c)은 97mm, 상부 도체부(22b)의 직경(2a)은 180mm, 내부 도체(22)의 높이(l1 + l2)는 500mm(이때, 하부 도체부(22a)의 길이(l1)는 300mm, 상부 도체부(22b)의 길이(l2)는 200mm)로 설계될 수 있다.
따라서, 스텝 임피던스 공진기 구조를 이용하여 900MHz 공진 주파수를 가지는 공진기를 설계한 결과를 상기 단일 임피던스 공진기의 경우와 비교해 보면, 내부 도체의 높이가 600mm에서 500mm로 줄어들고, 공동의 높이도 642mm에서 542mm로 줄어들었음에도 불구하고, 공진 주파수는 동일하게 유지되고 있음을 알 수 있다.
그러나, 위 설계 수치에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스텝 임피던스 구조를 사용함으로써 공진기의 부피가 다소 줄어들기는 하였으나, 공진기의 크기가 크게 줄어들지는 않았다는 것도 확인할 수 있다.
이에 대하여, 상기 수학식 1에서 살펴본 바와 같이, 공진기의 커패시턴스(C) 값을 늘려줌으로써 공진기의 크기를 소형화하는 방안을 고려할 수도 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 스텝 임피던스 공진기 구조에서는 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 커패시턴스가 도미넌트(dominant)한 값이 된다. 이는 상기 상부 도체부(22b)가 넓은 면적을 가지면서 공동(20)의 상면과 대향하는 구조를 가지게 되어 가장 큰 커패시턴스 값을 가지게 되기 때문이다.
이에 따라, 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 커패시턴스를 높이기 위하여 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 거리를 가깝게 하는 방안을 고려해 볼 수 있다. 그러나, 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 거리가 지나치게 가까워지는 경우에는 공진기의 내전압이 작아져서 큰 전력을 인가하는 경우에는 방전이 발생하는 등 고출력 용도로 사용하기에 어려움이 따르게 된다. 또한, 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 거리가 지나치게 가까워지는 경우 기계적인 유동에 의하여 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면이 전기적으로 단락(short)되는 문제가 나타날 수 있으므로, 적절한 마진을 고려하여 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 거리를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 사이의 공간에 높은 유전율을 가지는 유전체(24)를 삽입함으로써, 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 커패시턴스를 높이는 방안이 가능하다. 유전체(24)를 사용하는 경우, 상기 상부 도체부(22b)가 공동(20)의 상면에 전기적으로 단락되는 위험을 방지할 수 있고, 또한 유전체는 전기적으로 부도체이므로 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간에 방전이 나타나는 문제도 해결할 수 있다.
나아가, 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 사이에 유전체(24)를 삽입함과 동시에, 상기 상부 도체부(22b)와 공동(20)의 상면 간의 거리를 적절하게 조절함으로써, 공진기의 커패시턴스(C) 값을 최대로 할 수 있고, 따라서 공진기의 크기도 보다 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)의 구조 및 설계 예시도를 보여주고 있다. 먼저, 도 5(a)에서는 앞서 도 3에서 살펴보았던 종래 기술에 따라 설계한 700MHz 공진 주파수의 스텝 임피던스 공진기와 동일한 규격으로 설계한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)의 구조를 보여주고 있고, 도 5(b)에서는 그에 대한 구체적인 설계 수치를 예시하고 있다.
앞서 도 3에서 살펴본 공진기의 경우 공동의 직경이 25mm, 공동의 높이가 55mm, 내부 도체의 직경이 8mm이었던데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 도 5(b)의 수치를 살펴보면, 공동(20)의 직경이 40mm, 공동의 높이가 14mm, 내부 도체(22)의 직경이 15mm로 구현이 가능하게 된다. 이를 부피로 환산하여 비교해 보면, 도 3의 공진기의 부피가 약 8600mm2인데 반하여, 도 5(b)의 공진기의 부피는 약 5600mm2이므로, 본 발명에 따라 구현할 경우 공진기의 부피가 대략적으로 약 35% 줄어들 수 있음을 알 수 있다.
나아가, 도 5(c)에서는 도 5(b)에 대하여 공진기의 품질 계수(Q-factor)를 적절한 규격 범위 내에서 조정하여 최소화하여 다시 설계한 경우의 설계 수치를 보여주고 있다. 이에 따라 설계된 도 5(c)의 수치를 살펴보면, 공동(20)의 직경이 14mm, 공동의 높이가 10.5mm, 내부 도체(22)의 직경이 6.5mm로 구현되었음을 알 수 있다. 이를 부피로 환산하여 도 3의 경우와 비교하면, 도 5(c)의 부피는 약 460mm2이므로 도 3의 8600mm2과 비교할 때, 무려 95%까지 부피가 줄어들었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)를 이용한 듀플렉서 설계 예시도를 비교하여 보여주고 있다. 도 6(a)에서는 도 3의 공진기 구조를 이용하여 종래 기술에 따라 설계된 700MHz 듀플렉서의 전체 크기를 보여주고 있으며, 또한 도 6(b)에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 700MHz 듀플렉서의 전체 크기를 보여주고 있다.
도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따라 설계된 듀플렉서의 크기는 폭이 180mm, 길이가 110mm, 높이가 20mm인데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 도 6(b)의 듀플렉서의 크기는 폭이 96.4mm, 길이가 38.8mm, 높이가 15.5mm이므로, 부피로 환산하여 비교해 보면, 도 6(a)의 듀플렉서의 부피는 396,000mm2이고, 도 6(b)의 듀플렉서의 부피는 57,975mm2이므로 대략 85% 정도 부피가 감소하였다고 할 수 있다.
나아가, 이를 실제로 구현하는 경우의 무게를 기준으로 살펴보면, 도 6(a)의 경우는 약 680g인 반면, 도 6(b)의 경우는 110g에 불과하여 무게 기준으로도 약 84%가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)를 이용한 필터의 구조 예시도이다. 도 7(a)에서는 도 4의 구조를 가지는 스텝 임피던스 공진기를 복수개 연결하여 필터를 구성한 경우를 예시하고 있다. 또한, 도 7(b)에서는 도 4의 변형된 형태를 가지는 유전체(24)가 포함된 스텝 임피던스 공진기를 복수개 연결하여 필터를 구성한 경우를 예시하고 있다.
유전체(24)는 도7(a)에서와 같이 상부 도체부(22b)에 대응하는 형상을 가질 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 도체부(22b)와 공동의 상면 사이에 위치하여 공진기의 커패시턴스(C) 값을 효과적으로 증가시킬 수 있는 형상이라면 특별한 제한없이 적용이 가능하다. 따라서, 유전체(24)는 도 7(b)에서와 같이 상기 공동(20)의 측벽에 안정적으로 고정될 수 있도록 상기 공동(20)의 수평 단면의 형상에 대응하는 형상을 가질 수도 있다.
도 7(a)와 같이 유전체(24)가 상부 도체부(22b)에 대응하는 형상을 가지는 경우에는 유전체(24)를 소량 사용하면서 유전체(24)의 재료비와 가공 비용 및 시간을 줄이면서도, 공진기의 크기를 효과적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 도 7(b)와 같이 상기 유전체(24)가 상기 공동(20)의 측벽에 안정적으로 고정될 수 있도록 상기 공동(20)의 수평 단면의 형상에 대응하는 형상을 가지는 경우, 상기 유전체(24)를 상기 상부 도체부(22b)에 고정시키기 위한 본딩 공정 등이 생략될 수 있고, 충분한 유전체(24)를 구비함으로써 공진기의 크기를최대한 줄일 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)에는 상기 내부 도체(22)와 상기 유전체(24)의 중심축을 관통하는 튜닝용 스크류가 더 포함되어, 제조 공정상에서 나타날 수 있는 성능 편차를 조정하도록 할 수도 있다.
또한, 도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체가 적층된 스텝 임피던스 공진기(100)를 이용하여 제작된 필터의 사진을 보여주고 있다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 7(a)의 구조를 가지는 필터가 제작되었으며, 이때, 유전체(24)는 본딩 방식으로 상부 도체부(22b)에 고정되었다.
도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 유전체(24)는 그 상면 또는 하면 중 일면 혹은 양면이 도금이 될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따라서 공진기를 소형화하는 경우 품질 계수(Q-factor)가 떨어질 수 있는데, 상기 유전체(24)의 상면 또는 하면 중 일면 혹은 양면을 도금하여 줌으로써, 품질 계수를 일정 부분 보상할 수 있다는 점을 확인하였으며, 이를 통하여 제품 생산 공정의 효율 및 제품 특성을 개선할 수 있게 된다.
또한, 도 8의 필터 시제품에서 하부 도체부(22a)와 상부 도체부(2b)는 일체형으로 제작되어 볼트 등을 사용하여 상기 공동(22)의 하면에 고정되었다. 위와 같이 상기 하부 도체부(22a)와 상부 도체부(2b)를 일체형으로 제작함으로써, 공진기의 물리적 안정성을 높일 수 있음과 동시에, 제작 비용 및 시간도 줄일 수 있다는 장점을 가지게 된다.
나아가, 상기 유전체(24)는 상기 공동(20)의 상면과 접촉되지 않도록 공동(20)의 상면과의 사이에 갭을 가질 수도 있다. 상기 유전체(24)가 상기 공동(20)의 상면과 직접 접촉하고 있는 경우, 제작 오차에 따라서 상기 유전체(24)나 상기 공동(20)에 물리적 스트레스가 가해질 수도 있고, 나아가 온도 변화 등 동작 환경에 따라 공진기의 동작 특성 및 기계적 특성에 영향을 줄 수가 있으므로, 상기한 바와 같이 유전체(24)와 공동(20)의 상면 사이에 소정의 갭을 두는 것도 가능하다.
또한, 앞서 일련의 실시예에서는 하부 도체부(22a)와 상부 도체부(2b)가 원통형인 경우에 한정하여 설명하였으나, 상기 하부 도체부(22a)와 상부 도체부(2b)가 반드시 원통형의 형상을 가져야 하는 것은 아니며, 정사각형 기둥의 형상과 같이 공진기의 기능을 적절하게 구현할 수 있는 형상도 적용이 가능하다.
도 9에서는 도 8에서 보여주고 있는 필터의 S 파라미터를 측정한 그래프를 도시하고 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 중심 주파수 1.356GHz의 필터에 대한 각 S 파라미터 측정치를 보여주고 있으며, 적절한 필터링 동작을 구현하고 있음을 확인할 수 있었다. 나아가, 고온 환경에서 상기 필터를 동작시키는 경우에도 안정적으로 필터링 동작이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 스텝 임피던스 공진기
20 : 공동(cavity)
22 : 내부 도체
22a : 하부 도체부
22b : 상부 도체부
24 : 유전체

Claims (9)

  1. 내부에 공동(cavity)이 형성되는 도체 재질의 하우징;
    상기 공동의 내부면 중 하면에 부착되는 내부 도체; 및
    상기 내부 도체의 상부에 적층되는 유전체를 포함하여 구성되며,
    상기 내부 도체는 원통형의 하부 도체부와 상기 하부 도체부의 상부에 위치하는 원통형의 상부 도체부를 포함하여 이루어지고,
    상기 상부 도체부의 직경은 상기 하부 도체부의 직경보다 크며,
    상기 유전체는 상기 상부 도체부와 상기 공동의 상면 사이에 위치하여 상부 도체부와 공동의 상면 간의 커패시턴스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 상부 도체부의 상부면의 형상과 대응하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 공동의 측벽에 고정될 수 있도록 상기 공동의 수평 단면의 형상에 대응하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 도체와 상기 유전체의 중심축을 관통하는 튜닝용 스크류를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 공동의 상면과 접촉되지 않도록 공동의 상면과의 사이에 갭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상면 또는 하면 중 일면 혹은 양면이 도금된 것임을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 도체부와 상부 도체부는 일체형으로 제작된 것임을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부 도체부와 상부 도체부는 원통형이 아닌 정사각형 기둥의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 스텝 임피던스 공진기.
  9. 제1항 내지 제 8항에 기재된 스텝 임피던스 공진기를 하나 혹은 둘 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파용 필터.
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