KR20210088527A - 고주파 필터 및 그러한 고주파 필터를 포함하는 위상 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

도파관 및 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 고주파 필터가 개시되어 있다. 도파관은 소위 갭 도파관이며, 금속 또는 금속화 된 베이스 층, 상기 금속 또는 금속화 된 베이스 층과 평행하게 배치된 덮개, 리지, 홈 또는 마이크로스트립 라인 형태의 도파 구조 및 상기 베이스 층 위에서, 베이스 층과 덮개 사이에, 그리고 상기 도파 구조와 정렬되게 배치되어 파의 전파가 상기 도파 구조를 따르지 않고 다른 방향을 따라 전파되는 것을 방지하는 인공 자기 전도체를 포함한다. 필터는 상기 베이스 층 내에 배치되되, 상기 베이스 층 평면에 실질적으로 수직으로 연장하는 적어도 하나의 공진 공동을 추가로 포함한다. 이 필터는 예를 들어 위상 배열 안테나에 사용될 수 있다.

Description

고주파 필터 및 그러한 고주파 필터를 포함하는 위상 배열 안테나

본 발명은 도파관 및 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 고주파 필터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 필터를 포함하는 위상 배열 안테나에 관한 것이다. 특히 본 발명은 2D 대량 다중 입출력(Massive MIMO), 빔 스티어링 안테나에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 빔 제어 및 송신/수신 기능을 위한 통합 전자장치를 구비하는 RF/마이크로파/밀리미터파 안테나에 관한 것이다. 안테나의 일반적인 응용 분야는 통신, 자동차 레이더, 군사 또는 위성 응용 분야용 레이더이다.

통신 시스템은 항상 더 넓은 대역폭을 필요로 하며, 이러한 넓은 대역폭을 달성하려면 밀리미터파 영역이 필요하다. 또한, 이러한 통신 시스템은 인접 대역 간의 간섭을 제거하기 위해 필터가 필요하다. 도파관 필터는 일반적으로 상대적으로 손실이 적기 때문에 밀리미터파 응용 분야에 사용된다. 최근 이동 통신 시스템 및 이동 통신 단말기의 급속한 발전으로 인해 사용자 측에서 요청하는 데이터 양이 급증하고 있다. 이를 위해서는 제한된 주파수 자원에서 더 많은 대역폭을 가져야 하는 이동 통신 시스템이 필요하지만, 이러한 제한은 밀리미터 단위의 파장을 갖는 밀리미터파를 활용하는 신흥 기술에 의해 해결되었다. 예를 들어 차세대 5G 시스템은 24㎓ ~ 60㎓의 주파수를 사용하려고 한다.

밀리미터파를 처리하려면, 방위 산업 및 위성 통신과 같은 기술 분야에서 주로 사용되는 도파관 필터가 필요하다. 또한, 이동 통신 시스템에서는 고 대역 및 고성능 필터링 특성에 대한 요건을 만족시킬 수 있도록 공동 타입(cavity type)의 도파관 필터를 사용한다.

도파관 필터는 도파관의 구조 자체로 인한 공진 현상을 이용하는 필터로, 관형 도파관은 필터링 주파수 특성에 상응하는 길이를 갖도록 설계된다.

그러나 이러한 도파관 필터는 생산 비용이 많이 들고 번거롭다. 도파관 필터는 가공 공차에 매우 민감하다. 즉, 밀리미터파를 처리하기 위한 도파관 필터를 구현하려면 설계된 구조를 실제 제품으로 구현하기 위해 매우 높은 처리 정밀도가 필요하다. 예를 들어, 약 0.01㎜ 이하의 가공 공차가 필요할 수 있다. 가공 공차를 보상하기 위해, 공진 구조의 공진부에 주파수 튜닝 나사 등을 삽입하는 구조를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 튜닝 기능 자체로 인해 도파관 필터를 생산하는 데 더 많은 비용이 들고, 설치 및 조립이 더 지루하고 비용이 많이 소요된다.

따라서 현재 매우 정밀한 가공 공차의 사양은 가공 작업의 어려움을 악화시키고 가공 시간을 연장시켜, 가공비용을 증가시키고 생산 수율을 감소시켜 대량 생산을 어렵게 만든다. 이것은 고성능 도파관 필터의 시장 가격을 매우 높게 만든다.

위상 배열 안테나와 같은 많은 애플리케이션에는 상당한 크기 제한이 있다. 위상 배열 안테나는 1960년대 후반부터 개발되었지만, 복잡성과 비용이 높기 때문에 주로 군사용으로 사용이 제한되었다. 광각 스캐닝 활성 어레이는 여러 가지 문제를 제기하는 안테나 요소 및 관련 구성요소를 조밀하게 배치해야 한다. 특히, 위상 배열 안테나에는 복수의 필터가 필요하며 각 필터에 사용 가능한 공간이 매우 제한적이다.

따라서 더 낮은 공차로 더 정확하게 생산할 수 있는 새로운 고주파 필터가 필요하다. 또한 더 작은 크기의 고주파 필터가 필요하다. 저비용의 대량 생산 가능한 필터에 대한 일반적인 요구도 있다. 따라서, 상대적으로 비용 효율적으로 생산 될 수 있고 위에서 논의된 문제 중 적어도 일부를 완화할 수 있는 새로운 고주파 필터가 필요하다. 이러한 필터를 포함하는 위상 배열 안테나도 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 새로운 고주파 필터 및 상대적으로 비용 효율적으로 생산될 수 있고 위에서 논의된 문제 중 적어도 일부를 완화할 수 있는 상응하는 위상 배열 안테나를 제공하는 것이다.

이 목적은 첨부된 청구항에 따른 고주파 필터 및 위상 배열 안테나에 의해 달성된다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 도파관 및 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 고주파 필터로, 상기 도파관은,

금속 또는 금속화 된 베이스 층;

상기 금속 또는 금속화 된 베이스 층과 평행하게 배치된 덮개;

리지, 홈 또는 마이크로스트립 라인 형태의 도파 구조; 및

상기 베이스 층 위에서, 베이스 층과 덮개 사이에, 그리고 상기 도파 구조와 정렬되게 배치되어 파의 전파가 상기 도파 구조를 따르지 않고 다른 방향을 따라 전파되는 것을 방지하는 인공 자기 전도체(AMC)를 포함하고,

상기 적어도 하나의 공진 공동이 상기 베이스 층 내에 배치되되, 상기 베이스 층 평면에 실질적으로 수직으로 연장하는, 고주파 필터가 제공된다.

본 발명은, 예를 들어, 이전에 알려진 많은 솔루션에서와 같이 베이스 층 위가 아닌, 베이스 층의 평면에 수직으로 베이스 층 내에 직접 공동을 형성하는 것이 매우 유리하다는 지견에 기초한다. 이에 의해, 예를 들어 매우 제어된 방식으로 드릴링 또는 유사한 가공으로 공동이 형성되어서, 비교적 비용 효율적인 방식으로 필터의 매우 정밀한 치수 요구사항을 충족시키게 된다. 이에 따라, 필터는 비용 효율적으로 생산될 수 있으며, 복잡하고 비용이 많이 드는 튜닝 메커니즘 등을 사용하지 않고서도 필터에 대한 정확한 요구 사항을 충족시킬 수 있다. 도파관 상단에 덮개를 조립해도 필터의 특성에 큰 영향을 주지 않기 때문에, 필터 조립이 간단하고 공차에 둔감하게 된다. 따라서 신규한 필터를 빠르고 간단하며 비용 효율적으로 생산할 수 있다.

따라서, 본 발명에서 공진 공동은 종래의 필터에서와 같이 수평으로 구축되는 것이 아니라 수직으로 구축된다.

또 다른 중요한 장점은, 필터가 폭과 길이 방향으로 매우 콤팩트해진다는 것이다. 이것은, 모든 방사 안테나 요소 또는 다수의 안테나 요소 그룹에 대해 별도의 필터가 제공되어야 하는 위상 배열 안테나와 같이 많은 필터가 서로 가깝게 배열되어야 하는 경우에, 매우 유리하다. 이에 따라 폭과 길이 방향으로의 가용 공간이 매우 제한적이지만, 두께는 덜 민감하다. 본 발명의 필터는 이전에 공지된 필터보다 폭과 길이가 매우 작고, 두께만 약간 더 두껍게 제조될 수 있기 때문에, 이러한 용도에 사용하기에 매우 적합하다.

따라서 신규한 필터는, 콤팩트한 통합, 고성능, 고주파, 견고하고 비용 효율적인 구성요소가 추구되는 응용 분야에 이상적이다.

신규한 필터는 또한 1㎓를 상회하고 10㎓를 상회하는 것과 같이 매우 높은 주파수에서도 손실이 매우 낮다.

본 발명은 콤팩트하고 견고하며 비용 효율적인 방식으로 고품질, 고주파 필터를 통합하는 문제를 해결한다. 새로운 필터는 종 방향으로 개발되며, 부피가 크고 민감한 다층 어셈블리를 방지하기 위해 두 개의 층으로만 제조될 수 있다. 더 두꺼운 층-베이스 층-은 공진기(들) 및 리지 도파관과 같은 피드 도파 구조(waveguiding structure)를 수용할 수 있는 반면 매끈한 덮개는 덮개 역할을 한다. 예를 들어 핀 텍스처 형태로 AMC(인공 자기 전도체)의 제조 및 조립을 크게 단순화 하는 것이 필터를 패키징 하는 데에 사용되므로, 층 간의 완벽한 전기 접촉이 필요하지 않다.

필터는 말단-결합 리지형 수직 공진기를 기반으로 하는 것이 바람직하다. 수직 공동을 채택하여, 종 방향 치수가 최소로 되어, 제한된 공간에서 고차 필터를 통합할 수 있다. 공동에는 바람직하게는 광각 스캐닝 어레이를 위해 필요한 바와 같이, 절반 파장으로(AMC와 함께) 적합하도록 상응하는 치수를 감소시키기 위해 횡단면에 수직 리지가 장착된다. 또한, 공동에 리지(ridge)가 있으면 공동 내부의 파장이 길어지므로 공동의 깊이가 감소된다.

AMC로 패키징 하면, 구성요소가 기계적 및 조립 공차에 대해 더욱 강건해진다. 그러나 필터는 특히 민감한 구성요소이며, 최소한의 결함으로도 성능이 저하 될 수 있다. 본 발명에서, 바람직하게는 단일 솔리드 블록으로부터 얻어지고 바람직하게는 공동에 내부 리지가 있는 수직 공동을 제공하여, 필드가 대부분 수직 리지 내부에 한정됨으로써, 필터가 결함과 층들을 가로지르는 불완전에 대해 훨씬 더 견고해진다.

또한, 공동 길이가 약간 증가하는 대신 횡 방향으로 추가로 한 쌍의 리지를 삽입함으로써, 이중 모드 버전의 공진기가 구현될 수도 있다. 이는 필터 차수를 늘리거나, 고정 차수의 총 필터 길이를 줄이는 데에 사용될 수 있다.

본 발명은 매우 콤팩트하고 견고하고 제조가 용이한 매우 고성능의 필터를 제공한다. 공진기 형상은, 단일 층 구조를 채택하면서 구조의 길이와 너비를 모두 최소화하므로 고밀도 밀리미터파 능동 안테나 통합에 이상적이다. 예를 들어, 일 열의 핀을 포함하는, 단일 모드 공진기를 기반으로 하는 3차 필터는 너비와 높이에서 절반 파장 그리고 길이에서 한 파장에 딱 맞을 수 있다.

인공 자기 전도체는 바람직하게는 상기 베이스 층의 평면으로부터 돌출된 복수의 포스트를 포함한다. 원치 않는 방향으로 파가 전파되는 것을 억제하는 면을 형성하기 위해 돌출 포스트와 같은 인공 자기 전도체를 사용하는 것은 그 자체가 모두 동일한 출원인에 의해 출원된 특히 WO10/003808호, WO13/189919호, WO15/172948호, WO16/058627호, WO16/116126호, WO17/050817호 및 WO17/052441호로부터 공지되어 있다. 상기 문헌은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.

돌출 포스트의 최대 단면 치수는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반 미만이고 및/또는 돌출 포스트 사이의 간격은 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 돌출 포스트는 주기적 또는 준주기적 패턴으로 배열되고, 베이스 층에 고정적으로 연결되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 돌출 포스트는 적어도 상기 베이스 층을 통해 베이스에서 서로 전기적으로 연결된다. 돌출 포스트는 또한 베이스 층과 모놀리식으로 연결되는 것이 바람직하다.

돌출 포스트 및 기타 인공 자기 전도체를 사용하여 원하지 않는 방향으로 파(wave)를 억제하는 것은 갭 도파관 기술이라고 할 수 있다. 이 기술은 평행 전도 판 사이의 좁은 간격에서 파의 전파를 제어하거나, 억제하는 표면을 형성하는 데 사용되는 기술이다. 파의 전파는 두 개의 평행한 전도성 표면 중 하나 또는 둘 모두에서 금속 포스트(핀이라고도 함)와 같은 주기적 요소를 사용하여 정지되며, 도파관이 형성되어 있는 경우에 파는 두 개의 전도 표면 중 하나 위에 배치된 예를 들어 금속 리지를 따라 안내된다. 두 개의 평행한 전도성 표면 사이에는 금속 연결이 필요하지 않다. 필드는 주로 자체가 텍스처 또는 층 구조가 아닌 두 표면 사이의 갭 안에 존재하므로 손실이 적다. 이러한 유형의 마이크로파 도파관 기술은, 기존 전송 라인과 도파관의 손실이 너무 많거나 필요한 공차 내에서 비용 효율적으로 제조할 수 없을 정도로 높은 주파수에 특히 유리하다.

필터는 바람직하게는 적어도 1㎓, 보다 바람직하게는 적어도 10㎓, 가장 바람직하게는 적어도 20㎓의 작동 주파수를 갖는다. 예를 들어, 필터는 28㎓ 이상의 작동 주파수를 가질 수 있다.

도파관 구조는 예를 들어 베이스 층 위에 형성되어 있는 홈(groove) 형태이거나 덮개 위에 배치되어 있는 마이크로스트립 형태일 수 있다. 그러나 바람직하게는 도파관 구조는 상기 베이스 층 위에 배열된 돌출 리지 형태이다. 이는, 매우 견고하고 효과적인 도파(waveguiding)를 제공하는 동시에 상대적으로 간단하고 비용 효율적이다.

공동의 깊이는 작동 주파수 파장의 약 절반일 수 있다.

적어도 하나의 공진 공동은 적어도 한 쌍의 돌출 리지를 포함하되, 상기 리지는 베이스 층의 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 공동의 측면을 따라 서로 평행하게 연장된다. 리지는 공동을 더 효율적으로 만들고 공동 내부에서 파장을 더 길게 만들기 때문에, 공동의 길이를 줄일 수 있다.

적어도 하나의 공진 공동은 또한 두 쌍의 돌출 리지를 포함할 수 있으며, 리지는 베이스 층의 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 공동의 측면을 따라 서로 평행하게 연장되고, 각 쌍의 리지는 대향되게 배치된다. 이로써 필터를 통과하는 주파수 대역이 더욱 뚜렷해지고, 에지가 더 선명해져서 보다 효율적인 필터링 효과를 제공한다.

돌출 리지는 바람직하게는 2개의 대향 평행 측벽, 및 측벽에 직각인 상단 벽 및 상단 벽과 측벽 사이가 직각인 직사각형 단면을 갖는다. 그러나 이와는 다르게 상단 벽과 측벽 사이의 접합부는 점진적으로 전이되는 둥근 모서리일 수 있다. 또한, 두 측벽은 서로 정확히 평행할 필요는 없지만 예를 들어 둘 다 상단 벽에서 멀어지는 방향으로 기울어질 수 있다. 또한, 상단 벽은 완전히 평평할 필요는 없고, 곡선 모양을 가질 수도 있다.

공동의 측벽은 바람직하게는 돌출 리지와는 별도로 전반적으로 평면이고 직선이다. 바람직하게는, 공동은 4개의 벽이 있는 일반적으로 직사각형 단면을 가지되, 2개의 벽은 일반적으로 도파 구조의 길이 방향으로 연장되고, 2개의 벽은 일반적으로 도파 구조의 길이 방향을 횡단하는 방향으로 연장된다. 벽은, 벽들 사이가 직각을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 벽들 사이의 전이가 점진적이고 약간 둥글 수 있다.

공동의 깊이는 작동 주파수에서 파장의 약 절반인 것이 바람직하다. 이는 전체 필터를 매우 콤팩트하게 만들 수 있음을 의미한다. 필터의 전체 길이는 예를 들어 1-2 파장, 바람직하게는 약 1 파장이고, 폭은 약 절반 파장일 수 있으며, 전체 두께는 약 절반 파장일 수 있다. 예를 들어, 파장이 약 10㎜이고, 30㎓에서 작동하는 필터의 길이는 13㎜, 폭은 5㎜, 두께는 6㎜일 수 있다. 공진 공동의 깊이는 약 5㎜가 된다.

고주파 필터는 기하학적 형상이 다른 복수의 공진 공동을 포함할 수 있다. 공진 공동의 수는 예를 들어 2, 3, 4 또는 5일 수 있다. 바람직하게는, 3-5개의 공진 공동이 제공된다. 그러나 특정 적용분야에는 10개 이상, 20개 이상, 50개 이상 또는 심지어 100개 이상과 같이 더 많은 공동이 사용될 수 있다. 공진 공동은 예를 들어. 깊이 및 또는 내부 대향 돌출 리지들 사이의 거리가 다를 수 있다.

일 실시형태에서, 도파 구조는 리지이고, 인공 자기 전도체는 상기 리지를 둘러싸는 돌출 포스트의 형태이며, 상기 리지를 따르는 방향 이외의 다른 방향으로 파의 전파를 정지시키도록 배열되어 있다.

일 실시형태에서, 인공 자기 전도체는 베이스 층으로부터 돌출된 포스트 형태이고, 베이스 층의 돌출 포스트는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반 미만의 최대 단면 치수를 가지며, 및/또는 돌출 포스트는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작은 간격으로 이격된다.

일 실시형태에서, 인공 자기 전도체는 베이스 층의 돌출 포스트 형태이고, 주기적 또는 준주기적 패턴으로 배열되며, 베이스 층에 고정적으로 연결된다.

일 실시형태에서, 인공 자기 전도체는 베이스 층 위에 배열된 돌출 포스트의 형태이고, 베이스 층의 돌출 포스트는 적어도 상기 베이스 층을 통해 그들의 베이스에서 서로 전기적으로 연결된다. 바람직하게는 돌출 포스트의 적어도 일부, 가장 바람직하게는 전부가 덮개와 기계적으로 접촉한다.

상기 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 베이스 층은 바람직하게는 고체, 모놀리식 피스(piece)로 형성된다. 공동의 바닥은 도파 구조의 반대쪽 표면에서 베이스 층에 연결된, 추가 층에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 바닥은 또한 베이스 층의 통합된, 모놀리식 부분으로 형성된다.

베이스 층은 바람직하게는 전체가 금속으로 만들어지고, 가장 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진다. 예를 들어 돌출형 포스트의 형태의 AMC는 별도로 제공될 수 있으며, 용접, 접착제 등으로 베이스 층에 연결될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 돌출형 포스트의 형태의 AMC는 예를 들어, 다이 캐스팅 또는 사출 성형으로 베이스 층과 일체형으로 형성된다. 베이스 층 내 공동은 또한 다이 캐스팅 또는 사출 성형에 의해 형성될 수 있지만, 대안적으로 드릴링 또는 다른 유형의 기계 가공에 의해 만들어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 바와 같은 고주파 필터를 포함하는 위상 배열 안테나가 제공된다.

바람직하게는, 위상 배열 안테나는 복수의 고주파 필터를 포함하고, 가장 바람직하게는 각 안테나 요소에 대해 하나의 필터를 포함한다.

위상 배열 안테나는 당 업계에 그 자체로 알려진 바와 같이 상이한 유형일 수 있다. 그러나, 일 실시형태에서, 위상 배열 안테나는 동일한 출원인에 의해 출원된 EP 출원번호 제17192899.7호에 기재된 유형일 수 있으며, 상기 특허문헌은 본 명세서에 전체가 참조로 포함된다.

따라서, 일 실시형태에 따르면, 위상 배열 안테나는 다음을 포함한다.

베이스 층을 따른 파의 전파를 막기 위한 복수의 돌출 포스트를 구비하는 기판을 포함하는 바닥 층;

상기 바닥 층 위에 배치된 인쇄회로기판(PCB)으로, 상기 인쇄회로기판은 돌출 포스트 및 바닥 층을 향하는 PCB의 제1 측면 위에 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적회로(IC)를 포함하되, PCB는 고주파 위상 배열 RF IC(들)로부터 PCB의 대향 제2 측면으로 RF 신호를 전달하기 위한 피드를 추가로 포함하는, 인쇄회로기판;

상기 위상 어레이 안테나로부터 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소를 포함하는 방사 층;

제2 측면 위의 PCB의 피드와 방사 층의 방사 요소 사이에 배치되어 있는, RF 신호의 전달을 위한 피드 층.

고주파 필터, 또는 바람직하게는 복수의 고주파 필터는 적어도 하나의 필터 층에, 예를 들어. PCB와 공급 층 사이에 배치될 수 있다. 다른 층도 갭 도파관을 포함하기 때문에, 필터는 노이즈 등을 억제하기 위해 송신/수신 경로에서 매우 낮은 손실로 통합될 수 있다.

그러나, 필터는 또한 다른 유형의 안테나, 특히 조밀한 밀리미터파 능동 안테나와 같은 다른 능동 안테나에서도 사용될 수 있다. 필터는 다른 고주파 응용 분야에도 사용할 수 있다. 이 필터는 통신, 자동차 레이더 및 군사 또는 위성 분야를 위한 레이더에 사용하기에 특히 적합하다.

본 발명의 추가 실시형태 및 이점은, 본 발명의 현재 바람직한 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

예시의 목적을 위해, 이하에서 첨부된 도면에 예시된 실시형태를 참조하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 단일 모드 공진기를 갖는 3차 필터의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 필터에 사용하기 위한 단일 모드 공진기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 필터에 사용하기 위한 이중 모드 공진기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시형태에 따른 필터에 사용하기 위한 공진 공동의 두 가지 대안적인 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시형태에 따른 필터에 사용하기 위한 공진 공동 내의 내부 돌출 리지의 다양한 가능한 형상의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시형태에 따른 필터에 사용하기 위한 다양한 도파관 구조의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 위상 배열 안테나의 분해도이다.

다음의 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 그러나, 다른 실시형태의 특징은 실시형태들 사이에서 교환될 수 있고, 다른 어떤 것이 구체적으로 지시되지 않는 한 다른 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 명확성을 위해, 도면에 예시된 특정 구성 요소의 치수는 본 발명의 실제 구현에서 대응하는 치수와 다를 수 있으며, 상대적 치수도 또한 상이할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고주파 필터(4)는 위에 도파 구조가 제공되는 베이스 층(46)을 포함한다. 여기서 도파 구조는 리지(42) 형태이다. 인공 자기 전도체(AMC)가 리지(42)의 양쪽에 배열된다. 여기에서 인공 자기 전도체는 돌출 포스트(41)의 형태로, 리지(42)의 양 측면에 적어도 하나의 행으로 주기적으로 또는 준주기적으로 분포된 포스트들이고, 리지에 평행한 라인을 따라 연장된다.

덮개(43)가 제공되고, 덮개가 조립될 때, 덮개가 돌출 포스트와 기계적으로 접촉하게 배치된다. 덮개는 포스트에 전기적으로 연결될 수도 있지만, 반드시 전기적으로 연결되어야 하는 것은 아니다.

이에 의해, 덮개 및 베이스 층은 갭 도파관을 형성하는데, 갭 도파관에서 파동이 리지(42)를 따라 전달될 수 있고, 돌출 포스트는 리지를 따르는 것이 아닌 다른 방향을 따라 전파되는 것을 방지한다.

덮개 및 베이스 층은 모두 전체적으로 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있지만, 이와는 다르게, 도파관을 향하는 금속화 된 외부 표면이 제공되어 있는 다른 재료로 제작될 수도 있다.

덮개는, 도 1과 같이, 별개의 요소로 제공될 수 있지만, 안테나와 같은 조립된 제품의 다른 층의 바닥일 수도 있다. 도파관을 향하는 덮개의 표면은 매끄럽고 평평한 것이 바람직하다.

베이스 층(46)은 도파 경로에 중앙에 배치되고, 베이스 층의 평면에 본질적으로 수직으로 연장되는 적어도 하나의 공진 공동(44)을 추가로 포함한다. 공동은 바닥을 구비하고, 공동의 깊이는 작동 주파수 파장의 약 절반인 것이 바람직하다. 공동의 바닥은 별도의 바닥 층과 같은 추가 층 또는 조립된 제품의 다른 층의 표면에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 바닥이 베이스 층에 통합된, 모놀리식 부분으로 형성되는 것이 바람직하다.

베이스 층은 리지, 포스트 및 공진 공동을 모두 포함하는 솔리드의 모놀리 식 블록으로 형성되는 것이 바람직하다.

필터는 기하학적 형상이 다른 복수의 공진 공동을 포함할 수 있다. 예시적인 예에서, 3개의 공진 공동이 제공되어 3차 필터를 제공한다. 그러나 더 많거나 더 적은 공진 공동이 사용될 수도 있다.

공진 공동은 또한 베이스 층의 평면에 본질적으로 수직인 방향으로 공동의 측면을 따라 서로 평행하게 연장되는 적어도 한 쌍의 돌출 리지(45)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 여기서 내부 리지는 도파 방향에 수직인 방향으로 연장하는 벽의 중앙에 제공된다. 이에 의해 리지(45)는 도파 리지(42)와 동일한 평면에서 연장된다.

필터의 동작 주파수는 적어도 1㎓, 바람직하게는 적어도 10㎓, 가장 바람직하게는 적어도 20㎓일 수 있다.

도 2에는 공진기(resonator)의 대안 구현이 도시되어 있다. 여기서, 공진 공동(44)은 단일 쌍의 내부 리지(45)를 갖는 도 1과 관련하여 논의된 것과 유사한 형상이다. 그러나, 도 2의 공진기에서는 단 하나의 공진 공동만 제공되어 1차, 단일 모드 공진기를 형성한다.

도 3에는 공진기의 또 다른 대안 구현이 도시되어 있다. 여기서, 공진 공동(44)은 도 1과 관련하여 논의된 것과 유사하지만 두 쌍의 내부 리지(45a, 45b)를 갖는 형상이다. 제1 쌍의 내부 리지(45a)는 도파 방향을 따라 배열되는 반면, 제2 쌍의 내부 리지(45b)는 도파 방향에 수직인 라인을 따라 배열된다. 이에 의해, 이중 모드 공진기가 제공된다.

공동의 측벽은 돌출 리지와는 다르게 전반적으로 평면이고 직선인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 공동은 전반적으로 4개의 벽을 구비하는 직사각형 단면을 가지는데, 2개의 벽은 일반적으로 도파 구조의 길이 방향으로 연장되고 다른 2개의 벽은 일반적으로 도파 구조의 길이 방향을 횡단하는 방향으로 연장된다. 벽들 사이에 직각을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 실시형태가 도 4a에 개략적으로 도시되어 있다.

그러나 벽 사이의 전이(transition)는 점진적이고 약간 라운드져서, 도 4b에 개략적으로 도시된 것처럼 모서리가 둥근 직사각형을 제공한다.

돌출 리지(45)는 2개의 대향 평행 측벽과, 이들 측벽과 수직인 상부 벽 및 상부 벽과 측벽들 사이가 직각인, 직사각형 단면을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 실시형태가 도 5a에 개략적으로 도시되어 있다.

그러나 이와는 다르게 상부 벽과 측벽 사이의 접합부가 점진적으로 전이되는 둥근 모서리일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 측벽과 공동의 측면 사이에 둥근 전이부가 있을 수 있다. 이러한 리지(45')가 도 5b에 개략적으로 도시되어 있다.

또한, 두 측벽은 서로 정확하게 평행할 필요가 없다. 예를 들면 둘 다 상부 벽으로부터 멀어지는 방향으로 경사질 수 있다. 또한, 상부 벽은 완전히 평평할 필요가 없고, 곡선 모양을 가질 수도 있다. 이러한 리지(45")가 도 5c에 개략적으로 도시되어 있다.

또한, 리지는 다른 모양을 가질 수도 있다. 도 5d에서, 삼각형 형태의 리지(45''')의 다른 형태가 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 숙련된 독자가 이해할 수 있는 바와 같이, 많은 다른 형태도 가능하다.

위에서 논의된 실시형태에서, 도파관은 포스트(41)의 열들 사이에서 연장하는 리지(42) 형태의 도파 구조 또는 임의의 다른 유형의 AMC를 포함한다. 이것은 또한 도 6a에 개략적으로 도시되어 있다.

그러나 다른 유형의 도파 구조도 또한 가능하다. 예를 들어, 도파 구조는 베이스 층에 형성된 홈(42')의 형태일 수 있고, 리지(42)와 동일한 방식으로 AMC 사이에서 연장될 수 있다. 이러한 실시형태가 도 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 도파 구조는 바람직하게는 도파관을 향하는 표면 위에서 덮개 위에 배치되는, 마이크로스트립 라인(42")의 형태일 수 있다. 이러한 실시형태가 도 6c에 개략적으로 도시되어 있다.

갭 도파관을 형성하기 위한 AMC 및 도파 구조에 관한 그러한 대안 및 다른 대안은 그 자체로 알려져 있는데, 예를 들어. WO10/003808호, WO13/189919호, WO15/172948호, WO16/058627호, WO16/116126호, WO17/050817호 및 WO17/052441호에서 논의되어 있다. 이들 특허 모두는 동일한 출원인에 의해 출원되었고, 그 전체가 참조로 통합된다.

위에서 논의된 필터는 웨이브/신호가 도파관의 한쪽 단부에서 입력되고 다른 쪽 단부에서 출력되는 종단-결합 필터이다. 그러나 입력 및/또는 출력이 측면들 중 어느 한 측면, 상단 또는 하단에서 발생하는 필터에도 동일한 원리가 사용될 수 있다.

필터는 다양한 유형의 고주파 장비 및 제품에 사용될 수 있다. 특히 능동 안테나, 특히 위상 배열 안테나에 사용하기에 매우 적합하다.

신규한 필터가 사용될 수 있는 위상 배열 안테나의 예는 동일한 출원인에 의해 출원된 EP 특허출원 제17192899.7호에 개시된 유형의 안테나이고, 이 특허문헌은 본 명세서에 전체가 참조로 포함된다.

이 안테나의 일 실시형태가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 위상 배열 안테나(1)는 베이스 층(2)을 포함한다. 베이스 층은, 베이스 층을 따른 파동 전파를 차단하기 위한 복수의 돌출 포스트(22)를 갖는 기판(21)을 포함한다. 돌출 포스트는 주기적 또는 준주기적 패턴으로 배열될 수 있으며, 최대 단면 치수가 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작고, 돌출 포스트들 사이의 간격은 작동 주파수에서 공기 중파장의 절반보다 작은 것이 바람직하다. 돌출 포스트는 기판에 고정적으로 연결되고, 또한 상기 기판을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 기판 및 돌출 포스트는 전도성 금속 표면을 가지며, 전체가 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 베이스 층은 알루미늄 또는 아연으로 다이캐스팅 되거나 사출 성형될 수 있다. 돌출 포스트(22)의 단면 형상은 예를 들어 직사각형 또는 원형일 수 있다.

인쇄회로기판(PCB)(3)이 베이스 층 위에 배열된다. PCB의 한쪽 측면은 전자 구성요소를 포함하고, 좀 더 상세하게는 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)를 포함하는 구성요소 측면, 및 접지 층을 포함하는 다른 측면을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 구성요소 측면은 베이스 층과 돌출 포스트를 향해 배열된다.

PCB는 위상 어레이 RFIC(들)로부터 PCB의 반대쪽으로 RF 신호를 전송하기 위한 피드(31)를 추가로 포함한다. 여기서 피드는 PCB를 통과하는 슬롯 개구부를 포함한다. PCB에 장착된 전자장치는 예를 들어 개방 단부 마이크로스트립 라인에서 슬롯 개구부로 확장되는 슬롯 개구부에 연결된다.

필터(4)는 필터 층으로 배열되고, PCB 층(3) 위에 배열될 수 있다. 필터 층은 전술한 유형의 복수의 필터를 포함하고, 행과 열로 나란히 배열된다.

피드 층(5)이 필터 층(4) 위에 배열된다. 피드 층(5)은 PCB의 피드에서 나오는 RF 신호를 필터 층을 거쳐 방사 층의 방사 요소로 전송하거나, 그 반대의 방식으로 전송한다. 본 실시형태에서, 피드 층은, 위에서 논의된 방식과 동일한 방식으로, 신호가 따라 전파되는 리지(51) 및 다른 방향으로의 파의 전파를 중지하거나 억제하도록 배열된 돌출 포스트(52)를 포함하는 갭 도파관 구조로 구현된다. 돌출 포스트는 각각의 도파 경로를 따라 양쪽에 적어도 두 개의 평행한 열로 배열되는 것이 바람직하다. 그러나 일부 응용 적용의 경우, 단일 행으로도 충분할 수 있다. 또한, 3개, 4개 또는 그 이상의 평행한 열과 같이 셋 이상의 평행한 열이 또한 많은 실시형태에서 유리하게 사용될 수 있다.

PCB 층의 피드(31) 및 피드 층(5) 또는 필터 층(4)이 제공되는 경우에는 대응하는 피드 층(5) 또는 필터 층(4)의 대응 개구부/입력부는 PCB의 두 대향 측면에 가깝게 배열된 두 개의 라인을 따라 배열될 수 있다. 이렇게 하면, 피드 층에서 신호를 피드 층의 측면에서 중앙으로 공급하게 된다. 그러나 대안적으로, 피드는 하나 이상의 중심선을 따라 배열되거나, 중심에 비교적 가깝게 배열된 하나 또는 여러 개의 선을 따라 배열될 수 있다. 이것은 리드 층에서 신호를 중앙에서 바깥쪽으로 측면을 향해 평행한 라인으로 신호를 공급하게 된다. PCB 상에 분리되고 분산 배치된, 피드(31)의 3개 또는 4개의 평행한 라인을 제공하는 것도 가능하다. 그러나 피드의 다른 배열도 상정 가능하다.

어레이로 배열된 복수의 방사 요소(61)를 포함하는 방사 층(6)이 피드 층(5) 위에 배열된다. 방사 요소는 RF 신호를 전송 및/또는 수신하도록 배열된다. 방사 층은 평면 방사 표면을 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서, 방사 요소는 방사 층을 관통하여 연장되는 슬롯 개구이며, 피드 층(5)의 갭 도파관에 결합되도록 배열된다. 슬롯 개구는 바람직하게는 상대적으로 짧고, 방사 층에서 각각의 라인이 복수의 슬롯 개구를 포함하는 평행한 라인을 따라 배열된다.

각 방사 요소(61)에 대해 하나의 필터(4)가 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명의 안테나는 전자기파의 송신 또는 수신, 또는 송수신 모두에 사용될 수 있다.

안테나는 편평하고, 본질적으로 직사각형인 것이 바람직하다. 그러나 원형, 타원형과 같은 다른 형상도 가능하다. 그 형상은 육각형, 팔각형 또는 기타 다각형의 형태일 수도 있다. 안테나 표면은 볼록한 모양과 같이 비평면형일 수도 있다.

위상 어레이 안테나의 위에서 논의된 층들 외에, 안테나는 또한 이전에 논의 된 층들의 배열 위 또는 아래에 또는 이들 층들 사이에 배열되는 지지 층들, 간격 층들 등과 같은 추가 층들을 포함할 수 있다. 또한 둘 이상의 PCB 층이 제공될 수 있다. PCB 층들은 예를 들어 샌드위치 구조로 서로의 위에 배열되거나, PCB 층들 사이에 다른 층이 배열될 수 있다.

안테나 및/또는 필터의 도파관은, 기계적인 이유로 유전체 폼과 같은 유전체 재료로 채워질 수 있다. 그러나, 바람직하게는 도파관 중 적어도 일부 그리고 바람직하게는 모든 도파관에 유전체 재료는 없고 공기로 채워진다.

돌출 포스트의 단면 형상은 임의의 형상일 수 있지만, 정사각형, 직사각형 또는 원형인 것이 바람직하다. 또한, 돌출 포스트의 최대 단면적 치수는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작은 것이 바람직하다다. 최대 치수가 이보다 훨씬 작은 것이 바람직하다. 단면이 원형인 경우에 최대 단면 치수는 직경이고, 단면이 정사각형이나 직사각형인 경우에는 대각선이다. 복수의 돌출 포스트는 또한 핀 그리드 어레이로 지칭될 수 있다.

돌출 포스트는 모두 하나의 전도성 표면에 고정되고, 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 그러나, 돌출 요소의 적어도 일부, 바람직하게는 돌출 요소 전부는 돌출 포스트, 특히 덮개(43) 위에 배치된 표면과 직접 또는 간접적으로 기계적으로 접촉할 수 있다.

그러한 그리고 다른 명백한 수정은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다. 위에 언급된 실시형태는 본 발명을 제한하기보다는 예시하기 위한 것이며, 당업자는 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시형태를 설계할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 청구 범위에서 괄호 안에 있는 참조 기호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. "포함하는"이라는 단어는 청구 범위에 나열된 것 이외의 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 요소 앞의 단어 "a" 또는 "an"은 그러한 요소의 복수의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 단일 유닛은 청구항에 기재된 여러 수단의 기능을 수행할 수 있다.

Claims (15)

1. 도파관 및 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 고주파 필터로, 상기 도파관은,
   금속 또는 금속화 된 베이스 층;
   상기 금속 또는 금속화 된 베이스 층과 평행하게 배치된 덮개;
   리지, 홈 또는 마이크로스트립 라인 형태의 도파 구조; 및
   상기 베이스 층 위에서, 베이스 층과 덮개 사이에, 그리고 상기 도파 구조와 정렬되게 배치되어 파의 전파가 상기 도파 구조를 따르지 않고 다른 방향을 따라 전파되는 것을 방지하는 인공 자기 전도체를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 공진 공동이 상기 베이스 층 내에 배치되되, 상기 베이스 층 평면에 실질적으로 수직으로 연장하는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
2. 제1항에 있어서,
   고주파 필터의 작동 주파수가 적어도 1㎓, 바람직하게는 적어도 10㎓ 그리고 가장 바람직하게는 적어도 20㎓인 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   인공 자기 전도체가 상기 베이스 층 평면으로부터 돌출하는 복수의 포스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   도파 구조가 상기 베이스 층 위에 배치된 돌출 리지 형태인 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 공진 공동의 깊이가 작동 주파수의 파장의 약 절반인 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 공진 공동이 적어도 한 쌍의 돌출 리지를 포함하되, 상기 리지는 베이스 층 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 공진 공동의 측면을 따라 서로 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 공진 공동이 두 쌍의 돌출 리지를 포함하되, 상기 리지는 베이스 층 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 공진 공동의 측면을 따라 서로 평행하게 연장하고, 각 쌍에서 리지는 서로 대향하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 적어도 한 쌍의 리지 내에서 리지들 사이의 거리가 작동 주파수에서 파장의 약 절반인 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 공진 공동을 포함하되, 상기 공진 공동들은 기하학적 형상이 다른 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    인공 자기 전도체는 베이스 층에서 돌출하는 포스트 형태이고, 베이스 층의 돌출 포스트의 최대 단면 치수는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작고, 및/또는 돌출 포스트는 작동 주파수에서 공기 중 파장의 절반보다 작은 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    인공 자기 전도체는 베이스 층에서 돌출하는 포스트 형태이고, 주기적으로 또는 준주기적 패턴으로 배치되어 있으며, 베이스 층에 고정 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    인공 자기 전도체는 베이스 층에 배치된 돌출하는 포스트 형태이고, 베이스 층의 돌출 포스트는 포스트들의 베이스에서 적어도 상기 베이스 층을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
13. 제12항에 있어서,
    돌출 포스트들 중 적어도 일부 그리고 바람직하게는 돌출 포스트 모두가 덮개와 기계적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
14. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공진 공동을 포함하는 베이스 층이 고체, 모놀리식 부분으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 필터.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 고주파 필터를 포함하는 위상 배열 안테나.

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