KR20190041979A - 캐비티 필터 - Google Patents

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KR20190041979A
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Abstract

본 발명은 높이 방향의 양면 또는 일면으로 단자가 노출되도록 형성된 푸시 핀 방식의 RF커넥터가 내장된 슬림하고 컴팩트한 구조를 갖는 캐비티 필터를 제공함으로써 안테나 시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 개별 캐비티 필터의 검증을 재현성이 높으면서도 신속하게 수행할 수 있고, 안테나 시스템에의 실장이 용이하다.

Description

캐비티 필터{Cavity Filter}
본 발명은 캐비티 필터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 조립성 및 크기를 고려하여 필터와 인쇄회로기판 간의 커넥터 체결 구조를 개선한 Massive MIMO 안테나용 캐비티 필터에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 다수의 안테나를 사용하여 데이터 전송용량을 획기적으로 늘리는 기술로서, 송신기에서는 각각의 송신 안테나를 통해 서로 다른 데이터를 전송하고, 수신기에서는 적절한 신호처리를 통해 송신 데이터들을 구분해 내는 공간 다중화(Spatial multiplexing) 기법이다. 따라서 송수신 안테나의 개수를 동시에 증가시킴에 따라 채널 용량이 증가하여 더욱 많은 데이터를 전송할 수 있게 한다. 예를 들어 안테나 수를 10개로 증가시키면 현재의 단일 안테나 시스템에 비해 같은 주파수 대역을 사용하여 약 10배의 채널 용량을 확보하게 된다.
4G LTE-advanced에서는 8개의 안테나까지 사용하고 있으며, 현재 pre-5G 단계에서 64 또는 128개의 안테나를 장착한 제품이 개발되고 있고, 5G에서는 훨씬 더 많은 수의 안테나를 갖는 기지국 장비가 사용될 것으로 예상되며, 이를 Massive MIMO 기술이라고 한다. 현재의 셀(Cell) 운영이 2-Dimension인데 반해, Massive MIMO 기술이 도입되면 3D-Beamforming이 가능해지므로 Massive MIMO 기술은 FD-MIMO(Full Dimension)라고도 불린다.
Massive MIMO 기술에서는 안테나 소자의 개수가 늘어나면서 이에 따른 송수신기와 필터의 개수도 함께 증가한다. 또한, 2014년 기준 전국적으로 20만 개소 이상의 기지국이 설치되어 있는 상황이다. 즉, 실장 공간을 최소화하며 실장이 손쉬운 캐비티 필터의 구조가 필요하며, 개별적으로 튜닝 된 캐비티 필터가 안테나에 실장 된 후에도 동일한 필터 특성을 제공하도록 하는 RF 신호선 연결 구조가 요구된다.
캐비티 구조를 가진 RF 필터는 금속성 도체로 형성된 박스 구조 내부에 도체인 공진봉 등으로 구성된 공진기가 구비되어 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써 공진에 의해 초고주파의 특성 주파수만 통과하는 특징을 가진다. 이러한 캐비티 구조의 대역통과 필터는 삽입손실이 적고 고출력에 유리하여 이동통신 기지국 안테나의 필터로 다양하게 활용되고 있다.
본 발명은 보다 슬림하고 컴팩트한 구조를 갖지며 RF커넥터가 몸체 내에 두께 방향으로 내장된 캐비티 필터를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다수 개의 필터의 조립 시에 발생하는 조립 공차의 누적량을 최소화할 수 있는 조립 방식과 실장이 용이하면서도 필터의 주파수 특성을 균일하게 유지하는 RF신호 연결 구조를 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신용 기지국 안테나에 사용되며 외부 부재 상에 설치되는 캐비티 필터는, 공진소자; 외부 부재 상에 배치되며 내부에 공진소자를 포함하는 제1케이스; 및 제1 케이스를 관통하여 외부 부재의 전극 패드와 공진 소자를 전기적으로 연결하되, 제1 케이스와 전기적으로 절연되는 단자부;를 포함하되, 단자부는 제1케이스의 하단면으로부터 제1케이스의 적어도 일부가 함몰된 단자 삽입구; 단자 삽입구 내부에 배치되며 일단이 공진 소자에 연결되는 핀부 및 핀부의 타단으로부터 연장되고 핀부보다 직경이 큰 단자 몸체부를 포함하는 핀 부재; 및 탄성을 가지는 전도체로 이루어지고, 단자 몸체부와 전극패드 사이에서 단자 몸체부와 전극패드의 사이에 배치되어 양측을 전기적으로 연결하고, 캐비티 필터가 외부 부재에 설치되면 압축되어 핀 부재와 전극패드에 접촉 압력을 제공하도록 구성된 탄성커넥터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 단자 삽입구에 삽입되는 유전체 부시를 더 포함하되, 단자 삽입구는 단자 몸체부와 반경 방향으로 일정한 공극(air gap)을 가지는 제3삽입구; 제3삽입구보다 작은 직경을 가지며, 유전체 부시의 일부가 삽입되는 제2삽입구; 및 제2삽입구보다 작은 직경을 가지며, 유전체 부시의 일부가 삽입되는 제1삽입구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 유전체 부시는 제1단과 제1단보다 직경이 큰 제2단을 가지는 2단 실린더 형태이며 회전축 중심을 관통하는 관통 구멍이 형성되되, 제2단 측으로부터 관통 구멍에 핀부가 삽입되어 유전체 부시에 핀 부재가 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 핀부는 외주면에 핀부가 유전체 부시에 삽입된 반대 방향으로 빠지지 않도록 형성된 쐐기 형태의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 단자 몸체부는 제3삽입구의 깊이보다 짧게 형성되되, 내부에 원통형상인 중공부; 및 입구로부터 내측으로 직경이 감소하는 콘(cone) 형상의 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 중공부는 중공부의 내주면에 형성되는 제1환형 요홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신용 기지국 안테나에 사용되는 캐비티 필터의 탄성커넥터는, 중공부에 삽입되는 원통형 부재; 원통형 부재의 외주면에 돌출된 쐐기 형태의 환형 돌기부; 원통형 부재에서 연장 형성되되, 개구부에 삽입되는 잘린 원뿔 형상의 핀소켓 접촉부; 핀소켓 접촉부로부터 연장 형성되는 임피던스 매칭부(impedance matching portion); 및 탄성커넥터가 중공부에 삽입된 후 외부로 노출되는 외측면으로부터 탄성커넥터의 중심축을 따라 형성되는 적어도 하나의 절개부;를 포함하되, 절개부는 환형 돌기부를 지나는 깊이까지 연장되고, 환형 돌기부는 탄성커넥터가 중공부에 삽입되면 환형 요홈에 수용되어 탄성커넥터의 이탈이 방지되는 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 핀소켓 접촉부의 중심축으로부터의 각도 크기는 개구부의 중심축으로부터의 각도 크기보다 5~10도 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 탄성커넥터의 외측면과 임피던스 매칭부의 외주면이 이루는 전극모서리는 R0.1 내지 R0.5 범위의 라운드 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 중공부의 내측면과 탄성커넥터 사이에 삽입되는 압축 스프링 형태의 핀 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신용 기지국 안테나에 사용되는 캐비티 필터는 탄성커넥터는, 양측 단부를 제외한 길이 대부분이 일정한 폭을 가지는 세장형 스프링 판재로부터 성형된 것으로서 완성된 형태는 중앙부가 원형으로 성형된 원형 스프링부; 및 원형 스프링부의 원주상에 인접한 두 지점으로부터 원주에 대해 수직으로 돌출되는 두 개의 판형 돌출부;를 포함하되, 스프링 판재의 폭은 중공부의 직경보다 작고, 원형 스프링부의 직경은 단자 몸체부의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 개구부는 원형 스프링부가 외접할 수 있는 각도로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 중공부와 중공부에 삽입된 판형 돌출부 사이에는 땜납이 충전되어 탄성커넥터와 핀 부재를 전기적 및 기계적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신용 기지국 안테나에 사용되는 캐비티 필터는 탄성커넥터의 단자 삽입구는, 제1케이스의 하단면으로부터 형성되되, 유전체 부시의 2단 실린더 형태 중 직경이 큰 부분과 같은 크기의 직경을 가지고 하단면에 나란히 연장되는 장공 형태의 제4삽입구; 및 제4삽입구의 일측 중심 위치에 형성되고, 유전체 부시의 제1단이 삽입되는 제5삽입구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 탄성커넥터는 핀부가 삽입되고 단자 몸체부에 지지되도록 형성된 핀 삽입구; 핀부의 중심축에 수직인 방향으로 연장되는 제1연장부; 및 제1연장부로부터 둔각을 갖도록 절곡되어 제1케이스의 하단면 바깥으로 돌출되도록 연장되는 제2연장부;를 포함하는 판 스프링 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 단자 몸체부는 핀부에 탄성커넥터가 핀 삽입구를 통해 삽입되고 핀 부재가 유전체 부시에 조립된 상태에서 단자 몸체부의 외측면이 제1케이스의 하단면으로부터 소정의 공극을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신용 기지국 안테나에 사용되는 캐비티 필터는, 제1케이스와 전기적으로 연결되는 스타 와셔(star washer)를 더 포함하고, 제1케이스는 제3삽입구를 둘러싸는 제2환형 요홈을 더 포함하되, 제2환형 요홈은 스타 와셔를 수용하고 스타 와셔의 적어도 일부가 제1케이스의 하단면 바깥으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2환형 요홈은 외경에 해당하는 원주면이 깊이 방향으로 직경이 커지도록 환형의 더브테일(dovetail) 형상으로 형성되되, 제2환형 요홈의 입구 외경은 스타 와셔가 탄성에 의해 오므려져 제2환형 요홈에 삽입되고, 이탈이 방지될 수 있는 최소한의 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2환형 요홈은 제2환형 요홈 둘레에 형성되는 복수의 압입 핀 구멍; 및 압입 핀 구멍에 삽입되되, 삽입되면 제1케이스의 하단면에 함몰되고 적어도 일부가 제2환형 요홈으로 돌출되어 스타 와셔의 이탈이 방지되는 크기의 머리부가 형성된 압입 핀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2환형 요홈은 제2환형 요홈 둘레에, 환형 요홈에 근접하여 형성되는 코킹 구멍을 포함하여, 스타 와셔가 삽입된 후 코킹 가공에 의해 제2환형 요홈의 외경에 해당하는 원주면의 측벽이 제2환형 요홈의 중심축을 향해 함몰되어 스타 와셔의 이탈이 방지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탄성커넥터를 포함하는 RF커넥터를 몸체 내에 두께 방향으로 내장한 슬림하고 컴팩트한 구조의 캐비티 필터를 제공함으로써 안테나 시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 개별 캐비티 필터의 검증을 재현성이 높으면서도 신속하게 수행할 수 있고, 이동통신 기지국 안테나 내부에 다수의 캐비티 필터를 용이하게 실장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 예시적인 Massive MIMO 안테나의 적층구조를 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드와 제어 보드 사이에 적층된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 구조를 바닥 측에서 바라본 평면 투시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀(push pin) 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링(push ring) 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 핀 조립체의 조립 과정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 핀 조립체를 나타내는 평면도 및 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터의 제조 방법을 나타내는 개념도이다.
도 10은 비교를 위한 일반적인 플런져(plunger) 방식의 단자부의 해석 모델이다.
도 11은 도 10의 일반적인 플런져 방식의 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 해석 모델이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 해석 모델이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 16은 도 10, 12 및 14에 개시된 접촉식 RF 단자부의 삽입손실 해석 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 17은 도 10, 12 및 14에 개시된 접촉식 RF 단자부의 반사손실 해석 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 개념도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드의 배면의 소켓에 부착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드의 배면에 부착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 단면도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도로서, 탄성커넥터를 둘러싸고 배치되는 스타 와셔가 생략된 구성을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는, 도 23의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는, 도 25의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 나타내는 개념도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 더브테일 형태의 제2환형 요홈을 형성하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 제2환형 요홈 및 스타 와셔의 이탈 방지를 위한 압입 핀을 나타내는 개념도이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 제2환형 요홈 및 스타 와셔의 이탈 방지를 위한 코킹 가공을 설명하는 개념도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 예시적인 Massive MIMO 안테나의 적층구조를 도식화한 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나 어셈블리가 내장되는 안테나 장치(10)의 예시적인 외형을 도시한 사시도이다. 안테나 장치(10)는 히트싱크(heat sink, 120)가 형성된 하우징과, 하우징에 결합된 레이돔(radome, 170)을 포함한다. 하우징과 레이돔(170) 사이에는 안테나 어셈블리가 내장된다. 하우징의 하부에는, 예컨대 도킹(docking) 구조를 통해, 파워 서플라이 유닛(PSU, power supply unit, 120)이 결합되며, 파워 서플라이 유닛(120)은 안테나 어셈블리에 구비된 전자 부품들을 동작시키기 위한 동작 전원을 제공한다.
통상 안테나 조립체는 전면에 복수의 안테나(160)가 배열되는 안테나 보드(150)의 배면에 캐비티 필터(cavity filter, 18)가 안테나(160)의 개수만큼 배치되고, 관련 PCB보드(130)가 이어서 적층되는 구조를 갖는다. 캐비티 필터(140)는 실장 전에 개별적으로 사양에 맞는 주파수 특성을 갖도록 세부적으로 튜닝 및 검증되어 준비된다. 튜닝 및 검증 과정은 실장 상태와 동일한 특성인 환경에서 신속하게 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드와 제어 보드 사이에 적층된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 통상의 RF커넥터(142)가 배제됨으로써 연결이 용이해지고, 더 낮은 높이 프로파일을 갖는 안테나 구조(11)를 제공할 수 있다. 또한, 높이 방향의 양면에 RF연결부를 갖추되, 탄성커넥터(240, 340, 440)로 연결함으로써 안테나 보드(150) 혹은 PCB보드(130)에 진동 및 열변형이 발생하더라도 RF연결이 동일하게 유지되어 주파수 특성의 변화가 없는 장점이 있다.
실시예 1
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 구조를 바닥 측에서 바라본 평면 투시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀(push pin) 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 공진소자를 포함한 내부 구조는 생략하여 도시한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터(18)는 공진소자(미도시)를 포함하며 내부가 중공인 제1케이스(180), 제1케이스(180)를 덮는 제2케이스(181), 제1케이스(180)의 길이 방향 양측에 캐비티 필터(18)의 높이 방향으로 구비된 단자부(20), 단자부(20)의 양측에 구비된 조립 구멍(182)을 포함한다. 단자부(20)는 제1케이스(180)를 관통하여 외부 부재, 예컨대 PCB보드(130) 혹은 안테나 보드(150)의 전극패드와 공진소자를 전기적으로 연결한다.
제1케이스(180)와 제2케이스(181)의 단자부(20)를 포함하는 양측 조립부(184)는 적용처에 따라 그 사이의 영역인 하단면(186)보다 더 두껍게 형성되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대 제1케이스(180)의 하부면(186)이 각종 소자가 실장된 PCB보드(130)에 조립되는 경우, 실장된 소자와의 간섭을 피하기 위한 높이가 양측 조립부(184)에 의해 제공될 수 있다. 단자부(20)의 외부 단자 노출 방향은 도 4와 같이 일측은 제1케이스(180)의 하단면(188)으로 향하고 타측은 제2케이스(181)의 조립 기준면으로부터 튀어나오도록 형성될 수 있다. 캐비티 필터(18)의 실장 형태에 따라서는 단자부(20)의 외부 단자 노출 방향은 예컨대 제1케이스(180)의 하단면(188)으로 동일한 방향을 가지도록 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 측단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터(18)의 단자부(20)는 단자 삽입구(210), 유전체 부시(dielectric bush, 220), 핀 부재(230), 탄성커넥터(240), 핀 스프링(250) 및 스타 와셔(star washer, 260)를 포함한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 단자 삽입구(210)는 원통 형상이며, 제1케이스(180)의 하단면(188)으로부터 형성되어 제1케이스(180)를 관통하여 구비되거나, 제1케이스(180)의 상단면으로부터 형성되어 제1케이스(180)를 관통하여 구비될 수 있다. 제1케이스(180)의 상단면으로부터 형성되는 경우, 제2케이스(181)에도 관통구가 형성되고 이를 고려하여 단자 삽입구(210) 깊이가 조정될 수 있다. 단자 삽입구(210)는 단계적으로 직경이 감소하도록 3단으로 형성된다. 가장 작은 직경을 제1삽입구(212), 그 다음을 제2삽입구(214), 가장 큰 직경을 제3삽입구(216)로 정의한다.
유전체 부시(220)는 2단 실린더 형태이며 회전축 중심을 관통하는 관통 구멍(226)이 형성되어 있다. 유전체 부시(220)는 제1삽입구(212) 및 제2삽입구(214)에 삽입되어 고정되는 크기를 갖는다. 유전체 부시(220)는 테플론 소재로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서는 하나의 몸체가 2단 실린더 형태로 구성된 것을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며 서로 직경이 다르게 형성되어 2단 실린더 형태가 되도록 조립될 수도 있다.
핀 부재(230)는 핀부(pin portion, 232)와 단자 몸체부(234)가 길이 방향으로 일체로 형성된 2단 실린더 형태이다. 일 실시예에서 단자 몸체부(234)에는 소켓부(236)가 형성된다. 핀 부재(230)는 BeCu(Beryllium Copper) 소재에 금 도금이 된 것일 수 있다. 핀부(232)는 유전체 부시(220)의 관통 구멍(226)에 삽입되어 고정된다. 핀부(232)의 외주면에는 핀부(232)가 삽입된 반대 방향으로 핀부(232)가 빠지지 않도록 쐐기 형태의 돌기부(235)가 형성된다. 핀부(232)와 단자 몸체부(234)의 경계부에 형성되는 환형의 단턱부는 유전체 부시(220)의 일측면에 맞닿도록 조립된다. 단자 몸체부(234)는 제3삽입구(216)의 깊이보다 짧게 형성되고, 내부가 중공형인 소켓부(236)가 형성되며, 입구로부터 내측으로 직경이 감소하는 콘 형상의 개구부(238)가 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 예컨대 중심축을 기준으로 30도의 각도로 기울어진 형태이다. 콘 형상인 개구부(238)의 안쪽에는 제1환형 요홈(237)이 형성되어 여기에 삽입되는 탄성커넥터(240)의 이탈을 방지할 수 있다. 개구부(238)의 가장 안쪽 내측면과 탄성커넥터(240)의 삽입부 선단 사이에는 탄성커넥터(240)를 개구부(238) 외측으로 밀어내는 힘을 추가로 제공하는 스프링(250)이 삽입될 수 있다.
탄성커넥터(240)는 소켓부(236)에 삽입되는 원통형 구조, 콘 형상의 개구부(238)에 대응하여 삽입되는 잘린 원뿔 형상의 핀소켓 접촉부(244) 및 핀소켓 접촉부(244)로부터 연장 형성되는 임피던스 매칭부(impedance matching portion, 246)가 길이 방향으로 일체로 형성된다. 탄성커넥터(240)는 BeCu소재에 금 도금이 된 것일 수 있다. 원통형 구조의 길이 방향 중간에는 외주면으로부터 돌출된 쐐기 형태의 환형 돌기부(242)가 형성된다. 환형 돌기부(242)는 탄성커넥터(240)가 소켓부(236)에 삽입되면 제1환형 요홈(237)에 수용되어 탄성커넥터(240)가 소켓부(236)로부터 이탈되는 것을 방지한다.
핀소켓 접촉부(244)의 각도는 소켓부(236)의 콘 형상의 개구부(238) 각도보다 중심축을 기준으로 5도에서 10도 크게 형성된다. 또한, 탄성커넥터(240)는 소켓부(236)에 삽입된 후 외부로 노출되는 외측면으로부터 중심축을 따라 십자 형태의 절개부(248)가 국부적으로 형성된다. 절개부(248)의 깊이는 잘린 원뿔 형상을 지나 탄성커넥터(240)의 원통형 구조까지 이어진다. 일 실시예에서는 십자 형태를 예시하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 일자 형태 혹은 복수의 슬롯이 형성된 형태일 수 있다.
탄성커넥터(240)의 길이는 탄성커넥터(240)가 소켓부(236)에 삽입되어 십자 형태의 절개부(248)가 오므라들지 않은 상태에서 소켓부(236)의 콘 형상의 개구부(238)에 닿았을 때 제1케이스(180)의 하단면(188)으로부터 튀어나오며, 캐비티 필터(18)가 실장되었을 때 탄성커넥터(240)가 소켓부(236)의 개구부(238)를 누르며 삽입되는 길이로 형성된다.
탄성커넥터(240)의 외측면의 외측모서리는 탄성커넥터(240)가 오므라들면서 캐비티 필터(18)가 조립되는 PCB보드(130)에 형성된 전극패드와 전기적으로 연결되는 영역이다. 이 외측모서리는 전극모서리(249)로 정의한다. 일 실시예에서 전극모서리(249)는 R0.1 내지 R0.5 범위에서 라운드 형태로 형성하여, 탄성커넥터(240)가 오므라들어 외측면이 평면에서 오목하게 들어간 얕은 콘 형태가 되더라도, 전극모서리(249)가 PCB보드(130)에 형성된 전극패드와 균일한 접촉면적을 가질 수 있도록 구비된다. 캐비티 필터(18)는 실제적으로는 PCB보드(130)와 조립되며 다양한 높이 편차를 가질 수 있으며, 전극모서리(249)를 라운드 형태로 형성함으로써 탄성커넥터(240)가 오므라드는 정도의 차이가 있더라도 균일한 접촉면적을 가질 수 있다.
개구부(238)의 각도, 핀소켓 접촉부(244)의 각도, 탄성커넥터(240)의 길이 및 전극모서리(249)의 라운드 크기는 제1케이스(180)의 일측면 혹은 제2케이스(181)의 조립 기준면과 PCB보드(130)가 결합되었을 때를 기준으로 선정하는 것이 바람직하다. 보다 상세히 설명하면, PCB보드(130)가 결합되면 탄성커넥터(240)는 밀려 올라가고, 소켓부(236)의 개구부(238)를 따라 미끄러지면서 십자 형태의 절개부(248)가 오므라든다. 절개부(248)가 오므라들면 탄성커넥터(240)의 핀소켓 접촉부(244)의 각도가 감소하며, 개구부(238)와 핀소켓 접촉부(244)의 접촉 면적이 변한다. 또한, 탄성커넥터(240)의 외측면이 얕은 콘 형태로 오므라들면서 전극모서리(249)가 PCB보드(130)의 전극패드와 접촉하는 영역도 변경된다. 또한, 소켓부(236) 내부에 삽입된 스프링(250)이 탄성커넥터(240)를 PCB보드(130) 측으로 미는 힘과 핀소켓 접촉부(244)로부터의 반력이 포함된 힘이 각각의 접촉부에 작용하여 각각의 접촉 표면은 탄성 변형된다.
이러한 접촉 면적을 결정하는 소켓부(236), 탄성커넥터(240) 및 스프링(250)의 설계 사양은 단자부(20)의 임피던스를 고려하여 선정하는 것이 바람직하다. 즉, 접촉 면적 및 접촉 압력에 의해 결정되는 접촉 저항을 포함하는 단자부(20)의 신호 경로를 따른 임피던스의 변화가 최소화되는 설계 사양으로 결정되는 것이 바람직하다. 특히 높은 주파수가 전달되는 이동통신 안테나 신호의 경우에는 신호 라인의 특성 임피던스가 일정하지 않으면 신호 품질이 저하될 수 있다. 수 기가 헤르츠 수준의 신호에 있어서 신호 경로의 임피던스 미스매칭(mismatching)은 전압 정재파비(VSWR: voltage standing wave ratio)를 증가시켜 신호 반사 및 왜곡에 의해 신호 품질이 저하될 수 있다.
단자부(20)의 임피던스를 균일하게 유지하기 위한 고려는 제1삽입구(212) 내지 제3삽입구(216)의 크기 및 단자 몸체부(234) 크기의 선정에서도 필요하다. 제3삽입구(216)는 단자 몸체부(234)의 외주면과 소정의 공극(air gap)을 가지고 이격되어 있으며, 제1 및 제2삽입구(212, 214)와 핀부(232)의 사이에는 예컨대 테플론 소재의 유전체 부시(220)가 매개되어 있다. 핀 부재(230)의 핀부(232)와 단자 몸체부(234)는 직경 단차를 가지는 형태이며, 제2삽입구(214)의 직경과 깊이는 이를 고려하여 핀 부재(230)와 단자 삽입구(210) 간의 임피던스가 일정하게 유지되도록 선정되는 것이 바람직하다.
테플론 소재의 유전율은 공기의 약 2배이며, 이를 고려하여 제3삽입구(216)의 직경은 제1 및 제2삽입구(212, 214)의 직경보다 크게 형성된다. 예컨대 테플론 대신, 유전율이 공기의 약 3배인, PEEK 소재로 유전체 부시(220)가 이루어져 있다면 제3삽입구(216)의 직경은 테플론의 경우보다도 더 크게 형성된다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 PCB보드(130)의 전극패드와 접촉되는 탄성커넥터(240)의 전극모서리(249), 임피던스 매칭부(246)의 형상을 다양한 형태로 예시한 것이다. 이들 형상 및 크기는 제3삽입구(216)와의 간격을 고려하여 수치해석을 수행하거나, 단자부(20)의 VSWR을 예컨대 네트워크 분석기(network analyzer) 등으로 평가하여 선정할 수 있다.
도 5의 (a)는 임피던스 매칭부(246)가 핀소켓 접촉부(244)로부터 벗어난 위치에서 수직으로 돌출된 형상을 가지며, 전극모서리(249)는 미세한 R0.1의 라운드가 형성된 예이다. 도 5의 (b)는 탄성커넥터(240)의 핀소켓 접촉부(244)의 경사각이 유지되며 전극모서리(249)까지 연장된 형상을 가지는 예이다. 도 5의 (c)는 핀소켓 접촉부(244)로부터 벗어난 위치에서 임피던스 매칭부(246)가 역으로 직경이 다시 감소하는 경사면을 가지도록 형성된 경우이다. 도 5의 (d)는 핀소켓 접촉부(244)로부터 벗어난 위치에서 역으로 직경이 다시 감소하는 경사면을 가지며, 전극모서리(249)가 R0.5로 비교적 큰 라운드가 형성된 예이다. 도 5의 (e)는 스프링(250)이 생략된 경우로, 탄성커넥터(240)와 이에 접촉하는 PCB보드(130)의 전극패드를 미는 힘(접촉 압력)이 탄성커넥터(240)의 십자형 절개부(248)가 오므라들면서 핀소켓 접촉부(244)로부터의 반력에 의해 형성되는 경우를 나타내는 예이다.
제3삽입구(216)의 외측에는 신호 라인을 둘러싸고 원통부를 감싸며 접지 연결이 견고하게 이루어지도록 삽입되는 스타 와셔(260)를 수용하는 제2환형 요홈(270)이 형성될 수 있다.
실시예 2
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 부분 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예의 단자부(20)는 단자 삽입구(210), 유전체 부시(320), 핀 부재(330), 푸시 링 방식의 탄성커넥터(340) 및 스타 와셔(260)를 포함한다. 도 6의 일 실시예는 임피던스 매칭을 보다 엄밀하게 하는 경우로서, 유전체 부시(220)가 분리형으로 형성되고, 2단인 유전체 부시(320)의 관통 구멍(226)의 직경이 다르게 형성되며, 핀 부재(330)의 핀부(332)가 유전체 부시(320)에 대응하여 2단으로 형성된 예를 개시하였으나, 단자 삽입구(210), 유전체 부시(320), 핀부(332) 및 스타 와셔(260)는 앞서 도 4의 일 실시예와 동일한 형태로 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따른 핀 부재(330)는 핀부(332) 및 소켓부(336)가 형성된 단자 몸체부(334)를 포함한다. 핀 부재(330)는 BeCu소재에 금 도금이 된 것일 수 있다. 핀부(332)는 유전체 부시(320)의 관통 구멍(226)에 삽입되어 고정된다. 핀부(332)의 외주면에는 핀 부재(330)가 삽입된 반대 방향으로 핀 부재(330)가 빠지지 않도록 쐐기 형태의 돌기부(235)가 형성된다. 핀부(332)와 단자 몸체부(334)의 경계부에 형성되는 환형의 단턱부는 유전체 부시(320)의 일측면에 맞닿도록 조립된다. 단자 몸체부(334)는 제3삽입구(216)의 깊이보다 짧게 형성되고, 내부가 중공형이며, 입구로부터 내측으로 직경이 감소하는 콘 형상의 개구부(338)가 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서 콘 형상의 개구부(338)는 예컨대 중심축을 기준으로 60도의 각도로 기울어진 형태로 형성되되, 푸시 링 방식의 탄성커넥터(340)의 원형 스프링부(344)가 외접하도록 형성된다.
일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터(340)는 양측 단부를 제외한 길이 대부분이 일정한 폭을 가지는 스프링 판재로부터 성형된다. 탄성커넥터(340)는 일측에 원형 스프링부(344) 및 원형 스프링부(344)의 원주상에 인접한 두 지점(346)으로부터 원주에 대해 수직으로 돌출되는 두 개의 판형 돌출부(342)를 포함한다. 탄성커넥터(340)의 폭은 판형 돌출부(342)가 소켓부(336)에 삽입될 수 있는 폭으로 형성된다. 탄성커넥터(340)는 BeCu 소재로 형성되되 금 도금 된 것일 수 있으며, 두 판형 돌출부(342)가 서로 멀어지도록 벌어지고, 원형 스프링부(344)는 그 중심 방향으로 외력이 작용하면 타원으로 변형되는 판 스프링으로서 동작하도록 형성된다.
즉, 탄성커넥터(340)의 두 판형 돌출부(342)는 소켓부(336)에 삽입되면 서로 벌어져 두 판형 돌출부(342)의 종단부가 소켓부(336)의 내주면에 밀착됨으로써 삽입된 상태가 유지될 수 있다. 또한, 원형 스프링부(344)는 콘 형상의 개구부(338)와 외접하는 형태로 밀착되고, 판형 돌출부(342)의 반대편 위치가 제1케이스(180)의 하단면(188)으로부터 소정 거리만큼 돌출되어, 캐비티 필터(18)가 실장되면 전극패드가 원형 스프링부(344)를 누름에 따라 타원 형태로 탄성 변형되면서 핀 부재(330)와 전극패드가 전기적으로 연결되며, 외부 진동이 가해지더라도 접촉 상태에 변화가 없도록 접촉 부위를 누르는 충분한 접촉 압력을 제공하는 역할을 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 핀 조립체의 조립 과정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 핀 조립체를 나타내는 평면도 및 부분 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 푸시 링 방식의 탄성커넥터(340)는 소켓부(336)에 삽입되되, 소켓부(336) 내부의 원통형 구멍에 삽입되는 두 판형 돌출부(342)는 땜납에 의해 납땜으로 연결되어 핀 조립체(32)로 결합되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따른 탄성커넥터(340)와 핀 부재(330)를 조립하는 바람직한 실시예는 다음과 같다.
핀 부재(330)의 소켓부(336)의 개구부(338)가 위로 오도록 다수의 핀 부재(330)가 준비된 상태에서 일정 양의 땜납이 소켓부(336)에 삽입된 후, 땜납이 녹을 수 있도록 핀 부재(330)를 가열한 후 탄성커넥터(340)를 삽입한다. 소켓부(336)에 삽입된 탄성커넥터(340)는 땜납이 식어 굳을 때까지 위치가 유지되며, 땜납이 굳으면 탄성커넥터(340)와 핀 부재(330)의 결합이 완료된다. 캐비티 필터(18)는 기가헤르츠(Giga Hertz) 수준의 높은 주파수의 신호를 다루며, 이러한 주파수 대역의 신호를 전달함에 있어 기계적 접촉이 불완전할 수 있는 부분은 최소화되는 것이 바람직하다.
캐비티 필터(18)가 사용되는 이동통신 기지국 안테나는 작동 주파수 대역에서 극단적으로 낮은 노이즈 특성을 확보하는 것이 중요하다. 이에 따라 각종 RF연결 소자의 기계적 연결부위뿐만 아니라 금속 접촉이 이루어지는 부분, 이종금속이 코팅된 부품 내부 등에서 야기되는 PIMD(passive intermodulation distortion)를 최소화할 필요가 있다. 특히, 높은 주파수 및 높은 에너지를 갖는 전파신호는 이들 접촉부 등에서의 전압, 전류의 비선형성에 의해 다중 주파수간의 믹싱(mixing)에 의한 중간주파수(intermediate frequency)를 야기시킬 수 있다. 이렇게 야기된 중간주파수 중 주요 신호의 주파수와 근접한 중간주파수에 의해 안테나의 신호 품질이 크게 저하될 수 있다. 소켓부(336)에 삽입된 판형 돌출부(342)를 납땜으로 확실히 결합함으로써 이러한 PIMD가 최소화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 핀 조립체(32)는 상술한 바와 같이 납땜에 의해 전기적 및 물리적으로 연결되고, 원형 판 스프링의 형태로 캐비티 필터(18)가 설치되는 PCB기판의 전극패드와 연결되는 것이 특징이다. 특히, 원형 스프링부(344)는 전극패드와의 안정된 기계적 연결을 제공하고, 신호 라인의 임피던스 변동이 작아 신호 반사가 적은 성능을 단순한 부품 구조로 구현한 것이 특징이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터의 제조 방법을 나타내는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 탄성커넥터(340)는 스프링 판재로부터 프레스 판금 성형되고 열처리를 거쳐 복수의 탄성커넥터(340)가 일측이 붙어 있는 상태이되 쉽게 절곡되어 분리될 수 있는 형태로 제작될 수 있다. 원형 스프링부(344)는 소켓부(336)의 개구부(338) 및 전극패드와 접촉하는 부분이므로 파인 블랭킹(fine blanking)으로 모서리 부분의 버어(burr)가 원형 부분 내측으로만 발생될 수 있도록 가공하는 것이 바람직하다.
원형 스프링부(344)의 직경은 단자 몸체부(334)의 외경을 기준으로 선정한다. 원형 스프링부(344)는 소켓부(336)의 콘 형상의 개구부(338)에 두 지점이 밀착되며, 제3삽입구(216)의 내주면으로부터 이격되어 소정의 특성 임피던스를 가진다. 이 임피던스 값은 단자 몸체부(334)의 외경과 제3삽입구(216) 사이의 특성 임피던스와 동일하거나 유사하도록 원형 스프링부(344)의 직경을 형성하는 것이 바람직하다. 수 기가 헤르츠 수준의 신호에 있어서 신호 경로의 임피던스 미스매칭은 전압 정재파비를 증가시켜 신호 반사 및 왜곡에 의해 신호 품질이 저하될 수 있으므로 임피던스의 변화는 최소화되는 것이 바람직하다.
원형 스프링부(344)는 원형인 일측이 전극패드와 접촉하고, 두 갈래로 나뉘어 소켓부(336)의 개구부(338)와 전기적으로 연결되지만, 원형 스프링부(344)는 폭에 비해 직경이 1-2배 정도인 수준에서 결정될 수 있으므로, 접지 전극에 해당하는 제3삽입구(216)의 내주면에서 봤을 때는 전기적으로 하나의 원통형 전극이 연장된 것으로 보일 수 있다. 즉, 본 발명과 같은 캐비티 필터(18)에서 전달되는 고주파 신호 대역에서는 원형 스프링부(344)의 형태가 소켓부(336)에 연결된 구조라 하더라도 임피던스의 변동은 작을 수 있다.
도 10내지 도 17은 여러 형태의 접촉식 RF 단자부(20)의 RF 특성 및 전기장의 형태를 전산모사를 통해 비교한 것이다. 해석 모델의 우측은 단자부(20)이고, 좌측은 전극패드에 해당하는 원통형 단자이며, 이를 둘러싸고 원통형 접지단이 배치된다.
도 10은 비교를 위한 일반적인 플런져(plunger) 방식의 단자부의 해석 모델이다.
도 11은 도 10의 일반적인 플런져 방식의 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 11을 참조하면, 종래의 일반적인 플런져 구조의 단자부는 구조적인 한계로 인해 전기장 분포의 중간에 단절된 구간이 나타남을 볼 수 있다. 스프링에 의해 지지되는 핀부는 구조상 핀을 수용하는 핀 하우징 보다 상당히 작은 직경을 가지며, 원통형 접지단의 내주면을 기준으로는 급격히 간극이 멀어지는 구간이 존재할 수 밖에 없다. 이로 인해 일반적인 플런져 구조의 단자부는 돌출된 핀부의 직경이 플런져 몸체 외경에 비해 작아 임피던스의 급격한 변동이 초래되며, 이로 인해 높은 삽입손실(S21) 값과 반사손실(S11) 값을 갖게 된다.
해석 결과에 의하면 4 GHz에서 삽입손실은 -0.006dB, 반사손실은 -28dB이다. 이는 신호 경로 중간의 임피던스 변동 영역에 의해 신호의 반사가 크게 일어나는 것으로 해석할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 해석 모델이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 핀 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부(20)의 경우, 전기장의 분포가 비교적 균일한 것을 볼 수 있다. 푸시 핀 방식의 탄성커넥터는 임피던스 불연속 구간의 간격을 상대적으로 좁게, 예컨대 0.5 mm 이하, 유지할 수 있고, 제3삽입구(216)의 내주면을 기준으로 단자 몸체부(234)의 외경과 유사하게 형성할 수 있어 임피던스의 변동을 최소화하기에 유리하다. 해석 결과에 의하면 4 GHz에서 삽입손실은 -0.0003dB, 반사손실은 -41dB이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 해석 모델이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부의 전기장 해석 결과이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸시 링 방식의 탄성커넥터가 채용된 단자부(30)의 경우에도 핀 조립체(32)는 제3삽입구(216)의 내주면과 비교적 균일한 전기장을 형성하는 것을 볼 수 있다. 원형 스프링부(344)의 내부로 전기장의 형태가 다르지만, 전기장의 분포는 원형 스프링부(344)의 외곽으로 형성되고, 제3삽입구(216)의 내주면을 기준으로는 전기장의 변화가 연속적으로 이루어지는 것을 볼 수 있다. 즉, 신호 라인의 임피던스가 불연속적으로 변화하는 구간이 존재하지 않으므로 삽입손실과 반사손실을 낮게 유지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 원형 스프링부(344)는 충분한 접촉 압력을 확보하면서도 구조가 단순하여, 다양한 크기로 변형 설계 될 수 있어 용이하게 임피던스 매칭을 할 수 있다. 해석 결과에 의하면 4 GHz에서 삽입손실은 -0.003dB, 반사손실은 -31dB 이다.
도 16은 도 10, 12 및 14에 개시된 접촉식 RF 단자부의 삽입손실 해석 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 17은 도 10, 12 및 14에 개시된 접촉식 RF 단자부의 반사손실 해석 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 상술한 세가지 형태의 단자부의 삽입손실과 반사손실을 비교할 수 있으며, 푸시 핀 구조를 갖는 단자부(20)가 가장 신호품질이 좋으며, 푸시 링 구조를 갖는 단자부(30)도 실사용에 충분한 성능을 보이는 것이 확인되었다.
상술한 비교에서 일반적인 플런져 형태의 핀부와 핀 하우징 사이의 내부 접촉부가 불완전함에 따른 PIMD 발생 등의 영향은 해석에 고려하지 않았으며, 이를 고려하면 일반적인 플런져 구조는 신호 전달 품질이 더 저하될 수 있다. 반면, 푸시 핀 구조를 갖는 단자부(20)는 탄성커넥터(240)에 의해 양측 접촉부가 모두 환형의 접촉면을 가지고 탄성에 의해 견고하게 접촉되고, 푸시 링 구조를 갖는 단자부(30)는 소켓부(336)에 납땜에 의해 직접 결합되고, PCB보드(130)에는 원형 스프링부(344)의 탄성으로 안정된 접촉이 확보되므로 두 경우 모두 외부 진동이 인가되는 경우라도 PIMD 증가 없이 신호 품질이 균일하게 유지될 수 있다.
실시예 3
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 단자부 구조를 나타내는 개념도이다.
도 18의 (a)는 캐비티 필터(18)의 단자 삽입구(410)에 삽입되는 핀 부재 구조물 및 판 스프링을 나타내고, 도 18의 (b)는 판 스프링 접촉부를 나타내는 평면도이며, 도 18의 (c)는 판 스프링 접촉부를 나타내는 측면도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예의 판 스프링 방식 단자부(40)는 단자 삽입구(410), 유전체 부시(420), 핀 부재(430) 및 판 스프링 방식의 탄성커넥터(440)를 포함한다.
일 실시예의 단자 삽입구(410)는 제1케이스(180)의 하단면으로부터 판 스프링 방식의 탄성커넥터(440)을 수용하는 장공형 단면이 연장된 형태의 제4삽입구(412) 및 제4삽입구(412)의 장공 형상의 일측 중심위치에 형성된 원통 구멍 형태의 제5삽입구(414)를 포함한다. 제4삽입구(412)는 도 18의 (c)에 직사각형으로 도시된 영역이다.
유전체 부시(420)은 2단 실린더 형태이며 회전축 중심을 관통하는 관통 구멍이 형성된다. 유전체 부시(420)의 제1단은 제5삽입구(414)에 삽입되는 크기의 직경으로 형성되고, 유전체 부시(420)의 제1단보다 큰 직경을 갖는 제2단은 제4삽입구(412)의 일측에 적어도 일부가 삽입되는 크기의 직경으로 형성된다. 유전체 부시(420)의 제2단의 높이는 탄성커넥터(440) 및 핀 부재(430)가 조립된 후 캐비티 필터(18)가 결합되는 PCB보드(130)의 일측면 또는 접지 전극면과 소정의 간극을 가져 단자부(40) 전체적으로 일정한 임피던스를 갖는 높이로 설정한다. 유전체 부시(420)는 테플론 소재로 이루어질 수 있다. 유전체 부시(420) 제1단의 외경과 관통 구멍의 크기는 단자부(40)가 소정의 특성 임피던스를 갖도록 유전체 부시(420)의 유전율을 고려하여 결정된다.
핀 부재(430)는 탄성커넥터(440)를 관통하여 유전체 부시(420)에 삽입되어 고정되는 핀부(432) 및 탄성커넥터(440)를 유전체 부시(420)에 밀착하는 낮은 높이의 머리부(head portion, 434)를 포함한다. 핀부(432)의 외주면에는 핀 부재(430)가 삽입된 반대 방향으로 빠지지 않도록 형성된 쐐기 형태의 돌기부(435)를 포함한다. 핀 부재(430)는 BeCu 소재에 금 도금이 된 것일 수 있다.
일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터(440)는 중앙에 관통 홀(442)이 형성된 환형부(444), 환형부(444)의 일측으로부터 환형부(444)보다 좁은 폭을 가지고 연장되는 제1연장부(446), 제1연장부(446)로부터 둔각(예컨대 120도 내지 130도)을 갖도록 절곡되어 탄성커넥터(440)가 제1케이스(180)의 하단면(188) 바깥으로 돌출되도록 연장되는 제2연장부(448) 및 제1연장부(446)와 제2연장부(448) 사이의 절곡부(449)를 포함한다. 제2연장부(448)의 선단은 이에 접촉하도록 형성된 PCB보드(130)의 전극패드를 누르며 소정의 접촉면적을 유지하도록 형성된다.
절곡부(449)의 양측은 노치가 형성되어 균일한 위치 및 각도를 가지고 절곡 작업이 수행되도록 할 수 있다. 절곡부(449)를 기준으로 판 스프링 방식의 탄성커넥터(440)는 절곡되어 구부러진 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다. 관통 홀(442)은 핀 부재(430)의 핀부(432)만 관통할 수 있는 크기로 형성된다. 환형부(444)는 탄성커넥터(440)가 유전체 부시(420)에 조립되면 머리부(434)와 유전체 부시(420)의 제2단 사이에 밀착되어 탄성커넥터(440)와 핀 부재(430)가 전기적으로 연결되도록 배치된다. 탄성커넥터(440)와 핀 부재(430) 사이에는 전도성 페이스트(paste)가 도포될 수 있고, 혹은 납땜을 하여 더 견고하게 접속될 수 있다.
판 스프링 방식의 단자부(40)가 전기적으로 연결되는 PCB보드(130)의 전극패드는 제2연장부(448)의 선단과 접촉하는 원형의 전극패드가 형성될 수 있다. 또한, 원형의 전극패드를 PCB보드(130)를 관통하는 복수의 관통 도전 비아(plated thru. via)를 적절한 간극과 피치(pitch)로 배치함으로써 임피던스 변동을 최소화할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드의 배면의 소켓에 부착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터가 안테나 보드의 배면에 부착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터(18)는 도 19와 같이 안테나 보드(150)에 부착된 소켓(152)에 결합되는 형태일 수 있고, 도 20과 같이 안테나 보드(150)에 형성된 전극패드에 직접 접촉하도록 결합되는 형태일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터(18)는 탄성커넥터(240, 340, 440)에 의해 일정 수준의 접촉 압력을 가지고 안테나 보드(150) 및 PCB보드(130)에 연결되어 조립 공차와 무관하게 일정한 품질로 RF신호라인 연결을 제공할 수 있다.
캐비티 필터(18)는 개별 안테나(160) 마다 장착되는 만큼 기지국 안테나 장치(10)에 다수가 사용된다. 이들 캐비티 필터(18)를 정밀하고 신속하게 튜닝 및 검증하는 것은 기지국 안테나 장치(10)의 품질 향상과 비용 절감에 중요한 요소라고 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄성커넥터(240, 340, 440) 방식의 단자부(20, 30, 40)를 포함하는 캐비티 필터(18)는 재현성 높은 RF 신호라인 연결을 제공한다. RF연결부에 결합 나사나 스냅 락 부재가 필요하지 않으며, 조립 대상 PCB보드(130)의 전극패드와 RF연결부가 탄성커넥터(240, 340, 440)의 탄성에 의해 밀착되어 연결이 완료되며, 신속하게 탈부착이 가능한 것이 특징이다.
다음은 캐비티 필터(18)의 검증에 관한 서술로서 캐비티 필터(18)의 단자부(20, 30, 40)는 같은 방향으로 배치된 경우를 예로 든다. 단자부(20, 30, 40)의 배치 방향이 반대인 경우라도 RF신호라인의 연결은 신속하고 용이하게 이루어질 수 있다. 도 21 내지 도 24는 는 푸시 핀 방식 및 푸시 링 방식의 탄성커넥터(240, 340)가 채용된 캐비티 필터(18)의 경우에 대한 예이고, 도 25 및 도 26은 판 스프링 방식의 탄성커넥터(440)가 채용된 캐비티 필터(18)의 경우에 대한 예이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 단면도이다.
도 21 및 도 22는 4개의 캐비티 필터(18)가 캐비티 필터(18) 테스트 보드(50)에 장착된 상태이며, 좌우 측면으로는 SMA 형태의 RF커넥터(510)가 장착된 상태를 개념적으로 도시한다. 캐비티 필터(18) 테스트 보드(50)에는 탄성커넥터(240, 340)와 전기적으로 접촉하는 원형 전극패드가 구비되며, 원형 전극패드의 탄성커넥터(240, 340) 접촉 영역을 피해 관통 도전 비아가 테스트 보드(50)의 배면으로 연결되어 SMA RF커넥터(510)의 중앙 단자로 연결된다. SMA RF커넥터(510)에는 네트워크 분석기 등의 장치가 연결되어 복수의 캐비티 필터(18)가 신속하게 검증될 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도로서, 탄성커넥터를 둘러싸고 배치되는 스타 와셔가 생략된 구성을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는, 도 23의 단면도이다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 제3삽입구(216) 외측을 둘러싸는 제2환형 요홈(270) 및 이에 수용되는 스타 와셔(260)가 생략된 구성을 나타내며, 캐비티 필터(18)의 좌우 길이를 보다 축소할 수 있는 구성이다. 단자부(20)의 형태는 도 5에 도시된 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는 평면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 탄성커넥터가 채용된 캐비티 필터의 테스트 보드를 나타내는, 도 25의 단면도이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 일 실시예에 따른 판 스프링 방식의 단자부를 구비한 캐비티 필터(18)는 단자부(40)의 전체적인 외경을 도 22 또는 도 24에 도시한 일 실시예보다 더 작게 형성할 수 있어 좌우 길이를 축소하고자 하는 경우에 유리한 구성이다.
캐비티 필터(18) 테스트 보드(54)는 기본적으로 양면에 접지 전극면이 넓게 형성된 형태이다. 추가로 SMA RF커넥터(510)의 중앙 단자와 탄성커넥터(440)가 연결되는 원형 패드를 둘러싸고 테스트 보드(54)를 관통하는 복수의 관통 도전 비아를 적절한 간극과 피치로 배치함으로써 임피던스 변동을 최소화할 수 있다.
다음은 스타 와셔를 수용하는 환형 요홈 및 스타 와셔의 이탈을 방지하기 위한 구성을 설명한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 나타내는 개념도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 더브테일 형태의 제2환형 요홈을 형성하는 과정을 나타내는 개념도이다.
캐비티 필터(18)의 제1케이스(180)는 내부가 중공이면서 공진소자(미도시)를 포함하여 복잡한 내부 형상을 가지며, 통상 알루미늄 혹은 마그네슘 합금을 포함하는 소재를 프레스 가공하여 형성한다.
도 28을 참조하면, 수직벽을 가지는 형태로 성형된 제1케이스(180)의 제2환형 요홈(270)을 더브테일(dovetail) 가공 공구(910)로 내측 모서리의 직경이 커지도록 가공하여 스타 와셔(260) 수용부를 형성한다. 더브테일 형태의 제2환형 요홈(270)의 입구는 스타 와셔(260)가 탄성에 의해 오므려져 삽입될 수 있는 최소한의 직경으로 형성한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 제2환형 요홈 및 스타 와셔의 이탈 방지를 위한 압입 핀을 나타내는 개념도이다.
도 29를 참조하면, 압입 핀(920)이 삽입되는 구멍을 제2환형 요홈(270') 외측에 복수로 형성하고 여기에 얇은 머리가 형성된 압입 핀(920)을 3개 이상 압입하여 스타 와셔(260)의 이탈을 방지하는 구성이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 와셔를 수용하는 제2환형 요홈 및 스타 와셔의 이탈 방지를 위한 코킹 가공을 설명하는 개념도이다.
도 30을 참조하면, 제2환형 요홈(280") 외측에 복수의 구멍을 형성하고 코킹 가공에 의해 제2환형 요홈(280")의 측벽(930)을 스타 와셔(260) 측으로 함몰시켜 스타 와셔(260)의 이탈을 방지하는 구성이다. 코킹 가공에 의해 국부적으로 표면이 위로 상승할 수 있다. 따라서 PCB보드(130)와 결합되는 기준면을 높게 형성하거나, 제2환형 요홈(280")의 측벽(930)의 높이가 PCB보드(130)와 결합되는 기준면보다 낮도록 코킹 구멍(940)의 상단에 카운터보어(미도시)를 얕게 형성할 수 있다.
스타 와셔(260)와 제2환형 요홈(280") 사이에는 전도성 페이스트가 도포되어 스타 와셔(260)의 전기적인 접촉이 항상 양호하게 이루어지도록 보조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 필터(18)는 높이 방향의 양면 또는 일면으로 단자가 노출되도록 형성된 탄성커넥터(240, 340, 440)를 포함하는 RF연결 단자부(20, 30, 40)를 제공함으로써 캐비티 필터(18)의 두께가 감소하여, 보다 슬림하고 컴팩트한 적층 구조의 Massive MIMO 안테나 시스템을 구축할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 이동통신용 기지국 안테나에 사용되며 외부 부재 상에 설치되는 캐비티 필터에 있어서,
    공진소자;
    상기 외부 부재 상에 배치되며 내부에 상기 공진소자를 포함하는 제1케이스; 및
    상기 제1 케이스를 관통하여 상기 외부 부재의 전극 패드와 상기 공진 소자를 전기적으로 연결하되, 상기 제1 케이스와 전기적으로 절연되는 단자부;
    를 포함하되,
    상기 단자부는,
    상기 제1케이스의 하단면으로부터 상기 제1케이스의 적어도 일부가 함몰된 단자 삽입구;
    상기 단자 삽입구 내부에 배치되며 일단이 상기 공진 소자에 연결되는 핀부 및 상기 핀부의 타단으로부터 연장되고 상기 핀부보다 직경이 큰 단자 몸체부를 포함하는 핀 부재; 및
    탄성을 가지는 전도체로 이루어지고, 상기 단자 몸체부와 상기 전극패드의 사이에 배치되어 양측을 전기적으로 연결하고, 상기 캐비티 필터가 상기 외부 부재에 설치되면 압축되어 상기 핀 부재와 상기 전극패드에 접촉 압력을 제공하도록 구성된 탄성커넥터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단자 삽입구에 삽입되는 유전체 부시를 더 포함하되,
    상기 단자 삽입구는,
    상기 단자 몸체부와 반경 방향으로 일정한 공극(air gap)을 가지는 제3삽입구;
    상기 제3삽입구보다 작은 직경을 가지며, 상기 유전체 부시의 일부가 삽입되는 제2삽입구; 및
    상기 제2삽입구보다 작은 직경을 가지며, 상기 유전체 부시의 일부가 삽입되는 제1삽입구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 부시는,
    제1단과 상기 제1단보다 직경이 큰 제2단을 가지는 2단 실린더 형태이며 회전축 중심을 관통하는 관통 구멍이 형성되되,
    상기 제2단 측으로부터 상기 관통 구멍에 상기 핀부가 삽입되어 상기 유전체 부시에 상기 핀 부재가 고정되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 핀부는,
    외주면에 상기 핀부가 상기 유전체 부시에 삽입된 반대 방향으로 빠지지 않도록 형성된 쐐기 형태의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 단자 몸체부는,
    상기 제3삽입구의 깊이보다 짧게 형성되되,
    내부에 원통형상인 중공부; 및
    입구로부터 내측으로 직경이 감소하는 콘(cone) 형상의 개구부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 중공부는,
    상기 중공부의 내주면에 형성되는 제1환형 요홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄성커넥터는,
    상기 중공부에 삽입되는 원통형 부재;
    상기 원통형 부재의 외주면에 돌출된 쐐기 형태의 환형 돌기부;
    상기 원통형 부재에서 연장 형성되되, 상기 개구부에 삽입되는 잘린 원뿔 형상의 핀소켓 접촉부;
    상기 핀소켓 접촉부로부터 연장 형성되는 임피던스 매칭부(impedance matching portion); 및
    상기 탄성커넥터가 상기 중공부에 삽입된 후 외부로 노출되는 외측면으로부터 상기 탄성커넥터의 중심축을 따라 형성되는 적어도 하나의 절개부;
    를 포함하되,
    상기 절개부는 상기 환형 돌기부를 지나는 깊이까지 연장되고,
    상기 환형 돌기부는 상기 탄성커넥터가 상기 중공부에 삽입되면 상기 환형 요홈에 수용되어 상기 탄성커넥터의 이탈이 방지되는 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 핀소켓 접촉부의 중심축으로부터의 각도 크기는 상기 개구부의 중심축으로부터의 각도 크기보다 5~10도 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 탄성커넥터의 외측면과 상기 임피던스 매칭부의 외주면이 이루는 전극모서리는 R0.1 내지 R0.5 범위의 라운드 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 중공부의 내측면과 상기 탄성커넥터 사이에 삽입되는 압축 스프링 형태의 핀 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 탄성커넥터는,
    양측 단부를 제외한 길이 대부분이 일정한 폭을 가지는 세장형 스프링 판재로부터 성형된 것으로서 완성된 형태는 중앙부가 원형으로 성형된 원형 스프링부; 및
    상기 원형 스프링부의 원주상에 인접한 두 지점으로부터 원주에 대해 수직으로 돌출되는 두 개의 판형 돌출부;
    를 포함하되,
    상기 스프링 판재의 폭은 상기 중공부의 직경보다 작고,
    상기 원형 스프링부의 직경은 상기 단자 몸체부의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 원형 스프링부가 외접하는 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 중공부와 상기 중공부에 삽입된 상기 판형 돌출부 사이에는 땜납이 충전되어 상기 탄성커넥터와 상기 핀 부재를 전기적 및 기계적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  14. 제 3항에 있어서,
    상기 단자 삽입구는,
    상기 제1케이스의 하단면으로부터 형성되되,
    상기 유전체 부시의 2단 실린더 형태 중 직경이 큰 부분과 같은 크기의 직경을 가지고 상기 하단면에 나란히 연장되는 장공 형태의 제4삽입구; 및
    상기 제4삽입구의 일측 중심 위치에 형성되고, 상기 유전체 부시의 제1단이 삽입되는 제5삽입구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 탄성커넥터는,
    상기 핀부가 삽입되고 상기 단자 몸체부에 지지되도록 형성된 핀 삽입구;
    상기 핀부의 중심축에 수직인 방향으로 연장되는 제1연장부; 및
    상기 제1연장부로부터 둔각을 갖도록 절곡되어 상기 제1케이스의 하단면 바깥으로 돌출되도록 연장되는 제2연장부;
    를 포함하는 판 스프링 형태인 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 단자 몸체부는,
    상기 핀부에 상기 탄성커넥터가 상기 핀 삽입구를 통해 삽입되고 상기 핀 부재가 상기 유전체 부시에 조립된 상태에서 상기 단자 몸체부의 외측면이 상기 제1케이스의 하단면으로부터 소정의 공극을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  17. 제 2항에 있어서,
    상기 제1케이스와 전기적으로 연결되는 스타 와셔(star washer)를 더 포함하고,
    상기 제1케이스는 상기 제3삽입구를 둘러싸는 제2환형 요홈을 더 포함하되,
    상기 제2환형 요홈은 상기 스타 와셔를 수용하고 상기 스타 와셔의 적어도 일부가 상기 제1케이스의 하단면 바깥으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제2환형 요홈은,
    외경에 해당하는 원주면이 깊이 방향으로 직경이 커지도록 환형의 더브테일(dovetail) 형상으로 형성되되,
    상기 제2환형 요홈의 입구 외경은 상기 스타 와셔가 탄성에 의해 오므려져 상기 제2환형 요홈에 삽입되고, 이탈이 방지될 수 있는 최소한의 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 제2환형 요홈은,
    상기 제2환형 요홈 둘레에 형성되는 복수의 압입 핀 구멍; 및
    상기 압입 핀 구멍에 삽입되되, 삽입되면 상기 제1케이스의 하단면에 함몰되고 적어도 일부가 상기 제2환형 요홈으로 돌출되어 상기 스타 와셔의 이탈이 방지되는 크기의 머리부가 형성된 압입 핀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 제2환형 요홈은,
    상기 제2환형 요홈 둘레에, 상기 환형 요홈에 근접하여 형성되는 코킹 구멍을 포함하여,
    상기 스타 와셔가 삽입된 후 코킹 가공에 의해 상기 제2환형 요홈의 외경에 해당하는 원주면의 측벽이 상기 제2환형 요홈의 중심축을 향해 함몰되어 상기 스타 와셔의 이탈이 방지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 캐비티 필터.
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