JP2005198228A

JP2005198228A - 多層構造の誘電体共振装置

Info

Publication number: JP2005198228A
Application number: JP2004049040A
Authority: JP
Inventors: Bumman Kim; 汎晩金; Joung Hyun Yim; 淨鉉任
Original assignee: POHANG ENG COLLEGE
Current assignee: POHANG ENG COLLEGE
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US7026893B2; US20050140474A1; KR100578733B1; KR20050068512A

Abstract

【課題】低誘電率基板及び高誘電率基板などの誘電体基板を積層し、積層された誘電体基板の中央部分に金属基板を形成して誘電体共振器を具現し、この誘電体共振器とカップリングが発生するように、マイクロストリップラインを配置することにより、導電性損失を減らしながらＱ値を高めることのできる多層構造の誘電体共振装置を提供する。
【解決手段】本発明は多層構造の誘電体共振装置に関し、誘電体共振器と前記誘電体共振器とカップリングされるように前記誘電体共振器の外部または内部に形成されるマイクロストリップラインを備えた誘電体共振装置であって、前記誘電体共振器は、低い誘電率を有する第１低誘電率基板と、前記第１低誘電率基板上に積層されて高い誘電率を有する高誘電率基板と、前記高誘電率基板の中央部分に形成されて前記誘電体共振器の導体損失を減らす金属基板と、前記誘電体共振器の外壁をなす金属板とを含む。本発明によれば、導電性損失を減らし、Ｑ値を高めることができ、誘電体共振器を用いた素子の集積化及び小型化が可能である。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、多層構造の誘電体共振装置に関し、特に、低誘電率の基板及び高誘電率の基板などの誘電体基板を積層し、この積層された誘電体基板の中央部分に金属基板を形成して誘電体共振器を具現し、この多層構造の誘電体共振器とカップリングが発生するようにマイクロストリップラインを配置することにより、導電性損失を減らし、Ｑ値（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒ）を高めることのできる装置に関する。

近年、無線通信を通じた情報交換に対するユーザーのニーズが増加するにつれて、マイクロ波を利用した通信システムの需要が急増している。無線通信分野で用いられる素子は、益々小型化及び高性能化されており、使用周波数も益々高周波帯域に移動し、ＧＨｚ帯域の周波数帯域も用いられている。

現在、このような高周波帯域で用いられる通信機器を構成する重要な素子として、３００ＭＨｚから３００ＧＨｚまでの範囲のマイクロ波を用いる共振器には誘電体材料が広く用いられている。
図１は、従来の誘電体共振器を用いた共振装置を示す図であり、誘電体共振器１４は、誘電体基板１０上部に接着され、この誘電体基板１０の上部には誘電体共振器１４と離隔されてマイクロストリップライン１２が形成されている。

このように、誘電体共振器１４を誘電体基板１０に接着する構造を有する従来の誘電体共振装置は、多層構造回路、ＭＭＩＣ回路またはフィルター等の応用回路に適用されているが、このような構造では高いＱ値を有する誘電体共振器１４を用いても、マイクロストリップライン１２による導体損失、即ち導電性損失があるため、Ｑ値の高い誘電体共振装置を作り難いという問題点があった。

また、従来技術では外部で別途に製作された誘電体共振器１４を誘電体基板１０に接着することにより、誘電体共振装置の小型化が難しくなり、製作費用が増加するという問題点があった。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、低誘電率基板及び高誘電率基板などの誘電体基板を積層し、積層された誘電体基板の中央部分に金属基板を形成して誘電体共振器を具現し、この誘電体共振器とカップリングが発生するようにマイクロストリップラインを配置することにより、導電性損失を減らしながらＱ値を高めることのできる多層構造の誘電体共振装置の提供にある。

このような目的を達成するための本発明の好適な一実施例によると、誘電体共振器と、前記誘電体共振器とカップリングされるように前記誘電体共振器の外部または内部に形成されるマイクロストリップラインとを備えた誘電体共振装置において、前記誘電体共振器は、低い誘電率を有する第１低誘電率基板と、前記第１低誘電率基板上に積層され、高い誘電率を有する高誘電率基板と、前記高誘電率基板上に積層され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板と、前記高誘電率基板の中央部分に形成されて前記誘電体共振器の導体損失を減らす金属基板と、前記誘電体共振器の外壁をなす金属板とを含むことを特徴とする。

また、上述の目的を達成するための本発明の好適な他の実施例によると、誘電体共振器と、前記誘電体共振器とカップリングされるように前記誘電体共振器の外部または内部に形成されるマイクロストリップラインとを備えた誘電体共振装置において、前記誘電体共振器は、低い誘電率を有する第１低誘電率基板と、前記第１低誘電率基板上に積層され、特定部分にホールが形成され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板と、前記第２低誘電率基板のホール内に形成され、前記第１低誘電率基板上に積層され、高い誘電率を有する高誘電率基板と、前記第２低誘電率基板及び前記高誘電率基板上に積層され、低い誘電率を有する第３低誘電率基板と、前記第２低誘電率基板の中央部分に形成されて前記誘電体共振器の導体損失を減らす金属基板と、前記誘電体共振器の外壁をなす金属板とを含むことを特徴とする。

本発明は、低誘電率の誘電体基板、高誘電率の誘電体基板などの誘電体基板を積層し、この積層された誘電体基板の中央部分に金属基板を形成して誘電体共振器を具現し、多層構造の誘電体共振器とカップリングが発生するようにマイクロストリップラインを配置することにより、導電性損失を減らし、Ｑ値を高めることができ、誘電体共振器を用いた素子の集積化及び小型化が可能である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の構成及び動作について詳細に説明する。
図２は、本発明による多層構造の誘電体共振器の内部に設けられる金属基板１４０の平面図である。前記金属基板１４０の中央には円形の孔があり、この金属基板１４０を多層構造の誘電体共振器内部に積層された誘電体基板の中央部分に設けることにより、誘電体共振器の導体損失を減少させることができる。

一方、図３ａは、本発明の第１実施例による多層構造の誘電体共振器の側面図である。前記誘電体共振器は、低い誘電率を有する誘電体基板である第１低誘電率基板１１０と、第１低誘電率基板１１０上に積層され、高い誘電率を有する高誘電率基板１２０と、高誘電率基板１２０上に積層され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板１３２と、導体損失を減らすために高誘電率基板１２０の中央部分に形成される金属基板１４０と、誘電体共振器の外壁をなし、マイクロストリップラインの波長の放射による損失を遮断する金属板１５０とを含む。

本発明の実施例において、金属基板１４０は高誘電率基板１２０の中央部分、好ましくは、真中部に形成されるので、電磁気波が高誘電率基板１２０内部にのみ位置するように作用し、従来の誘電体共振器に比べて本発明の誘電体共振器の導体損失を減らし、高いＱ値を有するようにする。金属基板１４０の材料は金、銀、アルミニウム、銅など、導体材料であればいずれも使用できる。また、図２に示すように、円形状の孔を有する金属基板１４０を用いることも可能であるが、図４ａ〜図４ｃに示すように、四角形、三角形、六角形など種々の形態の孔を有する金属基板１４０を用いることもできる。

図３ａに示す本発明による誘電体共振器のＱ値（ＵｎｌｏａｄｅｄＱｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ）は数式１のように計算することができる。

ここで、Ｑ_ｒは放射損失（ｒａｄｉａｔｉｏｎｌｏｓｓ）によるＱ値であり、Ｑ_ｄは誘電損失（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓ）によるＱ値であり、Ｑ_ｃは導体損失（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｏｓｓ）によるＱ値である。また、数式１でＰ_ｒは放射により損失されるパワー、Ｐ_ｄは誘電損失により損失されるパワー、Ｐ_ｃは導体により損失されるパワーを意味し、Ｗは１周期内に共振器内に格納される最大エネルギーを意味し、ｆは共振周波数を意味する。

数式１において、Ｑ_ｒは金属外壁により遮断されて、他のものに比べて小さい値であるので無視することができ、Ｑ値に影響を与えるものはＱ_ｃ及びＱ_ｄの損失であることが分かる。従って、従来の１／４λマイクロストップラインを用いた共振器は、誘電損失と共に導体損失も存在するようになり、小さいＱ値を有する一方、本発明の誘電体共振器は、導体損失が非常に少なく、大部分誘電損失のみが存在するので、高いＱ値を得ることができる。特に、多層構造で誘電体共振器を用いる場合、１／４λマイクロストリップラインを用いた共振器は導体損失がさらに大きくなるので、本願発明のように導体損失の少ない誘電体共振器を用いれば、高いＱ値を有しながら多層構造の集積が可能となる。

図５は、本発明による誘電体共振器の内部に設けられる金属基板の数及び位置による共振周波数及びＱ値の変化を示す表であり、本発明による多層構造の誘電体共振器において、シミュレーション用具を用いてＴＥ_０１δモードの共振周波数及びＱ値を計算した結果を示す。図５の表を察して見ると、図３ｂのように高誘電率基板１２０の上部及び下部に２つの金属基板を設けた場合に比べて、図３ｃのように高誘電率基板１２０の上部（または下部）に１つの金属基板を設けた場合の誘電体共振器のＱ値がより高い。また、図３ｃのように高誘電率基板１２０の上部（または下部）に１つの金属基板を形成した場合に比べて、図３ａのように高誘電率基板１２０の真中に金属基板を形成した場合の誘電体共振器は２倍に至る高いＱ値を有することが分かる。

一方、本発明による誘電体共振器を用いる場合は、金属基板１４０及び高誘電率基板１２０の厚さを調整し、求める共振周波数を設定することができる。図５及び図６は、本発明による誘電体共振器において、金属基板１４０及び高誘電率基板１２０の厚さを調節し、共振周波数を変化させる例を示す。

図６は、図３ａに示すような誘電体共振器内に設けられる金属基板１４０の孔の半径の変化による共振周波数の変化を示すグラフであり、ここで、第１及び第２低誘電率基板１１０、１３２は５．６の誘電率を有し、高誘電率基板１２０は４０の誘電率を有する。また、第１及び第２低誘電率基板１１０、１３２の高さは７００μｍであり、高誘電率基板１２０の高さは３００μｍであり、金属基板１４０の厚さは１０μｍである。図６のグラフから、高誘電率基板１２０の真中に形成された円形状の金属基板１４０の孔の半径が大きくなるほど共振周波数は低くなることが分かる。

図７は、図３ａに示すような誘電体共振器内に積層される高誘電率基板１２０の厚さの変化による共振周波数の変化を示すグラフであり、ここで、金属基板１４０の孔の半径は１２５０μｍに固定されており、金属基板１４０の厚さは１０μｍであり、第１及び第２低誘電率基板１１０、１３２の厚さは７００μｍであり、高誘電率基板１２０の厚さは２００〜４００μｍである。図７のグラフに示すように、第１及び第２低誘電率基板１１０、１３２の高さ（厚さ）が一定である場合、高誘電率基板１２０の高さ（厚さ）が厚くなるほど誘電体共振器の共振周波数が低くなることが分かる。

一方、本発明の第２実施例によると、図８に示すような構造を有する誘電体共振器を具現することもできる。即ち、図８を参照すれば、誘電体共振器は、低い誘電率を有する誘電体基板である第１低誘電率基板１１０と、第１低誘電率基板１１０上に積層され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板１３２と、第２低誘電率基板１３２の中央部分をエッチングして形成した孔を通じて第１低誘電率基板１１０上に形成され、高い誘電率を有する高誘電率基板１２０と、第２低誘電率基板１３２及び高誘電率基板１２０上に積層され、低い誘電率を有する第３低誘電率基板１３３と、誘電体共振器の導体損失を減らすために第２低誘電率基板１３２の中間部分に形成される金属基板１４０と、誘電体共振器の外壁をなし、マイクロストリップラインの波長放射による損失を遮断する金属板１５０とを含む。

図９ａ〜図９ｃは、本発明による誘電体共振器１００とマイクロストリップライン１６０との間のカップリングの水平構造を示す図面であり、ここでは本発明による誘電体共振器１００を円形に示したが、四角形、六角形などの種々の形態で具現することもできる。図９ａ〜図９ｃを参照すれば、マイクロストリップライン１６０は、図９ａに示すように、誘電体共振器１００上を通過する直線の形態で構成されることもでき、図９ｂに示すように、誘電体共振器１００を貫通する直線の形態で構成されることもできる。または、マイクロストリップライン１６０は図９ｃに示すように、誘電体共振器１００を貫通する直角に曲げられた形態で具現されることもできる。図９ａ〜図９ｃでは、直線形態のマイクロストリップライン１６０のみを図示したが、直線形態の他に曲線などの種々の形態で具現することもできる。

図１０ａ〜図１０ｄは、本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの垂直構造を示す図面であり、特に、図１０ｂ〜図１０ｄは誘電体共振装置の対称的垂直構造の左側部分の断面を示すものである。本発明による誘電体共振器には流動性の誘電体物質を用いることができるので、マイクロストリップライン１６０を高誘電率基板１２０の直上またはその内部に配置することができ、高誘電率基板１２０と離間して配置することもできる。即ち、誘電体共振器とマイクロストリップライン１６０との間のカップリングの効果を高めるためには、図１０ａ、１０ｂ及び１０ｄに示すように、マイクロストリップライン１６０を高誘電率基板１２０の直上、またはその内部に配置するのが好ましい。また、誘電体共振器とマイクロストリップライン１６０との間のカップリング効果を低めるためには、図１０ｃに示すように、マイクロストリップライン１６０を高誘電率基板１２０から離れた位置に配置する。

図１１ａ及び図１１ｂは、本発明による誘電体共振装置を用いた共振フィルターを示す図面であり、図１１ａのように２つの誘電体共振装置を積層する垂直的配列も可能であり、図１１ｂに示すように２つの誘電体共振装置を並べて配列する水平的配列も可能である。図１１ａ及び図１１ｂには、本発明による２つの誘電体共振装置を水平または垂直に配列する共振フィルターを示しているが、２つ以上の誘電体共振装置を垂直または水平に配列することもできる。このように、本発明による多層構造の誘電体共振装置を１つまたは複数連結してフィルターを製作することにより、高いＱ値を有するフィルターを製作することができる。

上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。

従来の誘電体共振装置を示す図。本発明による多層構造の誘電体共振器内に設けられる金属基板の平面図。本発明の第１実施例による多層構造の誘電体共振器の側面図。本発明の第１実施例による多層構造の誘電体共振器の側面図。本発明の第１実施例による多層構造の誘電体共振器の側面図。本発明による多層構造の誘電体共振器内に設けられる金属基板の実施例を示す図。本発明による多層構造の誘電体共振器内に設けられる金属基板の実施例を示す図。本発明による多層構造の誘電体共振器内に設けられる金属基板の実施例を示す図。金属基板の数及び位置による誘電体共振器の共振周波数及びＱ値の変化を示す表。本発明による誘電体共振器内に設けられる金属基板の半径の変化による共振周波数の変化を示すグラフ。本発明による誘電体共振器内に積層される高誘電率基板の厚さの変化による共振周波数の変化を示すグラフ。本発明の第２実施例による多層構造の誘電体共振器の側面図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの水平構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの水平構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの水平構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの垂直構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの垂直構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの垂直構造を示す図。本発明による誘電体共振器とマイクロストリップラインとの間のカップリングの垂直構造を示す図。本発明による２つの誘電体共振装置を用いたフィルターの実施例を示す図。本発明による２つの誘電体共振装置を用いたフィルターの実施例を示す図。

符号の説明

１００：誘電体共振器１１０：第１低誘電率基板１２０：高誘電率基板１３２：第２低誘電率基板１３３：第３低誘電率基板１４０：金属基板１５０：金属板１６０：マイクロストリップライン

Claims

誘電体共振器と、前記誘電体共振器とカップリングされるように前記誘電体共振器の外部または内部に形成されるマイクロストリップラインとを備えた誘電体共振装置であって、
前記誘電体共振器は、
低い誘電率を有する第１低誘電率基板と、
前記第１低誘電率基板上に積層され、高い誘電率を有する高誘電率基板と、
前記高誘電率基板上に積層され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板と、
前記高誘電率基板の中央部分に形成され、前記誘電体共振器の導体損失を減らす金属基板と、
前記誘電体共振器の外壁をなす金属板を含むことを特徴とする多層構造の誘電体共振装置。
前記金属基板は、中央部分に孔を有することを特徴とする請求項１に記載の多層構造の誘電体共振装置。
前記金属基板の孔は円形、楕円形、多角形のいずれかの形態を有することを特徴とする請求項２に記載の多層構造の誘電体共振装置。
誘電体共振器と、前記誘電体共振器とカップリングされるように前記誘電体共振器の外部または内部に形成されるマイクロストリップラインとを備えた誘電体共振装置であって、
前記誘電体共振器は、
低い誘電率を有する第１低誘電率基板と、
前記第１低誘電率基板上に積層され、特定部分にホールが形成され、低い誘電率を有する第２低誘電率基板と、
前記第２低誘電率基板のホール内に形成され、前記第１低誘電率基板上に積層され、高い誘電率を有する高誘電率基板と、
前記第２低誘電率基板及び前記高誘電率基板上に積層され、低い誘電率を有する第３低誘電率基板と、
前記第２低誘電率基板の中央部分に形成され、前記誘電体共振器の導体損失を減らす金属基板と、
前記誘電体共振器の外壁をなす金属板とを含むことを特徴とする多層構造の誘電体共振装置。
前記金属基板は中央部分に孔を有することを特徴とする請求項４に記載の多層構造の誘電体共振装置。
前記金属基板の孔は、円形、楕円形、多角形の何れかの形態を有することを特徴とする請求項５に記載の多層構造の誘電体共振装置。