KR102339254B1 - 유전체 도파관 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체 도파관 필터에 관한 것으로, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 전자기파를 출력하는 출력 포트를 포함하고, 유전체 도파관 몸체는, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group), 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹 및 제 1 공진기 그룹과 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹을 포함하되, 제 1 공진기 그룹과 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링을 형성함으로써 너치(notch)를 형성한다.

Description

유전체 도파관 필터{Dielectric waveguide filter}

본 발명은 유전체 공진기(dielectric resonator)에 관한 것으로, 특히 주파수 선택성을 향상시키면서도 감소된 크기를 갖는 유전체 도파관 필터(waveguide filter) 및 그 설계 방법에 관한 것이다.

무선 이동 통신 서비스가 대중화됨에 따라 무선 중계 장치에 대한 수요가 증대하고 있으며, 특히 소형/경량화된 중계 장치에 대한 요구가 급증하고 있다. 유전체 공진기(dielectric resonator)는 유전체 공진 특성을 전자 소자로서, 통신 장비 및 중계기와 같은 RF 장치의 부품으로서 널리 이용되고 있다. 정보 통신 기술이 비약적으로 발전하면서 다양한 주파수 대역을 활용한 휴대용 장비가 증가 추세에 있다. 이러한 추세에 따라 소형화와 높은 파워에서도 동작이 가능하며, 주파수의 온도 안정성이 높은 필터에 대한 수요가 증가하고 있다.

유전체 공진기 또는 유전체 세라믹 필터는 이러한 요구에 매우 적합하기 때문에 통신 장비 및 중계기와 같은 RF(radio frequency) 장치의 부품으로서 널리 이용되고 있다. 유전체 공진기는 일반적인 LC 회로를 이용한 필터에 비해 고주파에서도 공진 특성이 우수하고, 주파수의 온도 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 동작 파워를 견딜 수 있다는 장점이 있다. 이하에서 제시되는 선행기술문헌은 유전체 공진기의 분류와 이러한 공진기에서의 공진 주파수, 공진 모드 및 활용 방법에 대해 소개하고 있다.

한편, 정보통신기술의 비약적인 발전과 함께 5G 시대를 맞이하면서 통신시스템은 기지국과 기지국 사이의 통신 음영 지역을 아우르기 위하여 중계 기능을 담당하던 중계기를 없애고 직접 기지국만으로 전체 셀(cell)들을 커버하도록 통신시스템을 바꾸고 있다. 이에 따라 RF 필터도 기지국의 성능에 맞춰 고출력(high power)을 견디면서, 주파수 특성이 양호하며 소형의 크기를 유지하되 낮은 가격을 갖는 유전체 도파관 필터의 요구가 크게 증가하고 있다. 이를 위해 부품 업체들은 기존의 크기를 더욱 감소시키기 위한 다양한 디자인을 제안하고 있으며, 또한 주파수 선택성을 증가시키기 위한 감쇄 기능을 향상시키려고 노력하고 있다.

마이크로 웨이브에서의 유전체 공진기, 홍의석, 전기학회논문지 32,3('83.3) pp.22-27 ISSN 1975-8359 KCI 등재, 대한전기학회, 1983.

본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 유전체 도파관 필터들이 최신 요구되는 주파수 특성에 부합하면서도 소형화된 크기를 유지하지 못하는 약점을 극복하고, 낱개로 제작된 단위(unit) 유전체 블록을 조합하거나 주파수 감쇄 특성을 조절하기 위한 너치(notch)의 구현에 있어서 케이블이나 PCB 등을 활용함으로써 복잡한 추가 공정으로 인한 작업 오차와 제조 단가 상승의 문제를 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터는, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체; 및 상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트;를 포함하고, 상기 유전체 도파관 몸체는, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group); 상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹; 및 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되, 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹;을 포함하되, 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링을 형성함으로써 너치(notch)를 형성한다.

일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는, 어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합을 형성할 수 있다.

일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는, 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성할 수 있다. 또한, 상기 구조물은 원통(cylinder) 또는 육면체 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 나아가, 일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터는, 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 결정하되, 주파수 감쇄의 정도는 상기 구조물의 직경에 비례하고 상기 간격의 크기에 비례하여 조절될 수 있다.

일 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고, 상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제 2 커플링은 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면이 존재하는 위치 중에서 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터는, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체; 및 상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트;를 포함하고, 상기 유전체 도파관 몸체는, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group); 상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹; 및 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되, 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹;을 포함하되, 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링을 형성함으로써 너치(notch)를 형성하며, 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 직선 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조가 구비된다.

다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는, 어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합을 형성할 수 있다.

다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는, 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터는, 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 결정하되, 주파수 감쇄의 정도는 상기 구조물의 직경에 비례하고 상기 간격의 크기에 비례하여 조절될 수 있다.

다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고, 상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제 2 커플링은 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면이 존재하는 위치 중에서 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성할 수 있다.

다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 경로 연장 구조는, 상기 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성하되, 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성할 수 있다. 또한, 상기 기저면의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성될 수 있다.

다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서, 상기 경로 연장 구조는, 도파관의 길이 방향을 가로 질러 상기 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성할 수 있다. 나아가, 상기 경로 연장 구조는, 외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 원통 또는 육면체 형태의 홀 구조를 형성할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트를 포함하는 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법은, (a) 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는 단계; (b) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출하는 단계; (c) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 산출된 상기 목표 도파관의 길이 및 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 고려하여 전자기파의 진행 방향의 전환 횟수를 결정하는 단계; (d) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 결정된 상기 전환 횟수에 따라, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group), 상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹 및 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹의 구조를 결정함으로써 상기 유전체 도파관 몸체를 구성하는 단계; 및 (e) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 너치(notch)를 형성하도록 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 단계;를 포함한다.

또 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터의 설계 방법에서, 전자기파의 진행 방향의 전환 횟수를 결정하는 상기 (c) 단계는, (c1) 산출된 상기 목표 도파관의 길이를 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이로 제산하는 단계; 및 (c2) 제산된 값을 참조하여, 산출된 상기 목표 도파관의 길이가 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 초과하지 않도록 전자기파의 진행 경로를 'ㄷ'자로 꺾음으로써 방향의 전환이 발생하는 전환 횟수를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터의 설계 방법에서, 상기 제 1 커플링 및 상기 제 2 커플링은, 어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합 및 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 각각 형성하되, 유전체 도파관 몸체를 구성하는 상기 (d) 단계에서 상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고, 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 상기 (e) 단계에서 상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성할 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터의 설계 방법에서, 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 상기 (e) 단계는, (e1) 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나의 값을 산출하는 단계; 및 (e2) 도파관의 물리적인 크기 제약을 고려하되 산출된 상기 적어도 하나의 값을 이용하여 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 유전체 도파관 필터의 길이 방향을 꺾어 물리적인 크기를 크게 감소시킬 수 있고, 꺾인 구조에 도입된 커플링과 인접한 도파관들 간에 도입된 커플링의 종류를 서로 상반된 속성으로 구현하되 외벽과의 일정한 간격을 갖는 구조물을 통해 커패시터 결합을 형성함으로써 일체형 구조에 따른 제조의 편의성을 달성하면서도 주파수 감쇄를 통한 주파수 선택성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 복수 개의 공진기로 구성되어 전자기파의 진행 방향을 전환하는 꺾인 구조의 유전체 도파관 필터를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 유형의 커플링이 형성된 유전체 도파관 필터의 구조를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 복수 개의 커플링이 형성되는 유전체 도파관 필터의 커플링(coupling) 조합을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 커플링 조합에 따른 주파수 감쇄 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 너치(notch) 없이 전자기파의 진행 방향을 지그재그(zig-zag)로 전환하는 꺾인 구조의 유전체 도파관 필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형태의 구조물(structure)을 이용하여 너치를 구현한 유전체 도파관 필터 및 그에 따라 나타나는 주파수 감쇄 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 원통 형태의 구조물의 지름 및 높이에 따른 주파수 감쇄와의 상관 관계를 보여주는 실험예이다.
도 9는 제시된 규격의 유전체 도파관 필터에서 나타나는 주파수 감쇄 특성을 보여주는 실험예이다.
도 10 내지 도 12는 다양한 형태의 구조물을 이용하여 너치를 구현한 유전체 도파관 필터를 소개하기 위한 실시예이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 너치 및 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 유전체 공진기 기술 분야에서 활용되고 있는 도파관의 특성과 현장에서 요구되는 목표를 검토한 후, 이를 달성하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 개괄적으로 소개하도록 한다.

도파관(waveguide)은 동축선로의 유전체 손실을 극복하기 위해 절연체를 공기 등으로 활용하고, 도체 손실의 원인이 되는 중심 도체를 제거한 전자기파의 전송선로를 말한다. 산업 현장에서 요구되는 주파수 특성에 따라 유전체 도파관 필터는 활용되는 공간의 제약으로 인해 크기를 줄이기 위하여 높이 방향으로 공진기를 쌓거나 특정 방향으로 필터를 접는 방식('ㄷ'자 형태 또는 'ㄹ'자 형태 등)을 통해 부피를 작게 유지할 수 있다.

도 1은 복수 개의 공진기로 구성되어 전자기파의 진행 방향을 전환하는 꺾인 구조의 유전체 도파관 필터를 예시한 도면이다.

도 1의 (a)을 참조하면, 유전체 도파관 필터를 측면으로 접어 'ㄷ'자 형태의 전자기파의 전달 경로를 형성하였고, 이를 통해 요구되는 전자기파의 진행 거리를 유지하면서도 도파관 필터의 길이 방향의 물리적인 크기를 절반으로 줄일 수 있었다.

도 1의 (b)를 참조하면, 유전체 도파관 필터는 개별 공진기와 공진기 사이의 공간을 열린 채로 유지함으로써, 인덕터(inductor) 결합(L-Coupling)을 구성하고 있다. 전자기파의 전달 경로는 S → 1 → 2 → 3 → 4 → L의 순서에 따르며, 각각의 단위(unit) 유전체 블록 간에는 인덕터 결합을 나타내는 부호를 표기하였다.

한편, 유전체 도파관 필터에서 나타나는 특정 주파수 대역에 대한 감쇄 특성을 조절하기 위해, 단위 유전체 블록을 접합하여 도파관 필터를 제작하되, 서로 인접하지 않은(이웃하지 않은) 유전체 블록을 케이블을 사용하여 서로 커플링(coupling)하는 너치(notch) 기술이 활용되었다. 그런데 주파수 감쇄를 구현하기 위해 도입된 케이블을 사용하는 너치 기술은 이론적으로는 매우 간단하나 실제 적용에 있어 작업 오차가 크고 공정도 쉽지 않다는 문제점이 발견되었다. 특히 크기를 소형화하기 위해 유전체를 사용하는 도파관 필터의 경우는 제작의 난이도가 높고 필터의 크기도 길어지는 단점이 있어 실제 제품에의 적용이 곤란하다는 점이 약점으로 지적되었다. 따라서, 케이블, PCB나 별도의 도전체를 사용하지 않고 너치를 구현하는 기술적 수단이 요구되기에 이르렀다.

이하에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 기존의 유전체 도파관 필터의 크기를 소형화하기 위하여 전자기파의 전달 경로를 꺾인 형태로 제작함으로써 필터의 길이를 옆으로 절반 이하로 감소시킬 수 있었고, 주파수 감쇄를 통한 주파수 선택성을 향상시키기 위하여 인접하는 공진기들 사이에 공간을 갖거나 원통(cylinder) 형태의 구조물(structure)을 사용하여 외벽과의 간격(gap)을 가짐으로써 일체형의 유전체 도파관을 가지면서도 너치를 형성하여 감쇄를 증가하도록 구현하였다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 유형의 커플링이 형성된 유전체 도파관 필터의 구조를 도시한 도면이다.

유전체 도파관 몸체(20)는, 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시킨다. 본 발명의 실시예들이 제안하는 유전체 도파관 몸체는 일체 형성되는 것이 바람직하며, 개별 공진기 서브-유닛은 커플링 창(coupling window)을 이루는 슬롯(slot)을 통해 구분될 수 있다. 유전체 도파관 몸체(20)는 전자기파를 입력받는 입력 포트(port)(S)(11) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트(L)(13)를 더 포함할 수 있다.

유전체 도파관 몸체(20)는 그 역할에 따라 다음의 공진기 그룹들을 포함할 수 있다. 제 1 공진기 그룹(group)(21)은 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 구성이다. 반면, 제 2 공진기 그룹(23)은 상기 제 1 공진기 그룹(21)의 일 측면과 접촉하여 형성되고, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 구성이다. 방향 전환 공진기 그룹(25)은 전기적으로 상기 제 1 공진기 그룹(21)과 상기 제 2 공진기 그룹(23) 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)(31)을 형성하되, 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달한다.

이때, 상기 제 1 공진기 그룹(21)과 상기 제 2 공진기 그룹(23)이 접촉하는 접촉면에 상기 제 1 커플링(31)과 속성이 상반되는 제 2 커플링(32)을 형성함으로써 너치(notch)를 형성하게 된다. 특히, 제 2 커플링(32)은 제 1 공진기 그룹(21)과 제 2 공진기 그룹(23)이 접촉하는 접촉면이 존재하는 위치 중에서 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 상기 제 1 커플링(31)과 상반되는 결합을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 제 2 커플링(32)이 반드시 상기 방향 전환 공진기 그룹(25)에 인접하는 위치에 있는 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 마련되어야만 하는 것은 아니며, 요구되는 주파수 감쇄 특성에 따라 제 1 공진기 그룹(21)과 제 2 공진기 그룹(23)이 접촉하는 접촉면이 존재하는 다양한 위치 중 어느 곳에라도 제 2 커플링(32)이 형성될 수 있다.

도 2에서 제 1 커플링(31) 및 제 2 커플링(32) 중 어느 하나는, 어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합을 형성할 수 있다. 반면, 제 1 커플링(31) 및 제 2 커플링(32) 중 어느 하나는, 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성할 수 있다. 특히, 제 1 커플링(31)과 제 2 커플링(32)은 서로 반대의 속성을 가져야 하므로 각각은 인덕터 결합 및 커패시터 결합 중 어느 하나가 되어야만 한다. 즉, 꺾이는 구조의 공진기들 간의 제 1 커플링(31)이 인덕터 결합이면, 너치를 위한 인접한 공진기들 간의 제 2 커플링(32)은 커패시터 결합이 되어야 한다. 또한, 상호 반대일 수도 있다. 한편, 구조물의 구체적인 구조에 관하여는 이후 도 7을 통해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3a 및 도 3b는 복수 개의 커플링이 형성되는 유전체 도파관 필터의 커플링(coupling) 조합을 설명하기 위한 도면으로, 전자기파의 전달 경로는 S → 1 → 2 → 3 → 4 → L의 순서에 따른다. 도 3a 및 도 3b는 중심 주파수 3.7GHz에 6개의 공진기 서브-유닛을 갖는 구형(rectangle) 형태의 6단 도파관 필터를 예시하였다. 입력단(S)으로 주어진 전자기파는 서로 인접한 공진기들의 어퍼쳐(aperture)를 통과하면서 인덕터 결합(L-coupling)을 형성하고 그에 따른 주파수 특성을 나타낸다. 본 실시예들은 도파관 필터의 길이를 감소시키고자 대칭을 이루며 측면이 꺾인 구조를 제작하였고, 마주보며 인접한 공진기들 사이에 공간을 두어 너치를 구현하고자 하였다.

도 3a를 참조하면, 마주보며 인접한 공진기 1과 공진기 4 사이의 벽(wall)을 일부 허물어, 입력단(S)으로 주어진 전자기파의 일부가 이 공간을 통해 진행하게 되면 이들 공진기 1과 공진기 4의 공간을 이루는 커플링은 인덕터 결합을 형성한다. 앞서 도 2를 통해 제시한 본 발명의 실시예에서, 유전체 도파관 필터의 꺾이는 구조에 포함된 공진기들 간의 제 1 커플링과 너치를 형성하기 위하여 서로 마주하는 공진기들 간의 제 2 커플링이 서로 상반된 속성을 가져야 함을 설명하였다. 그런데, 도 3a의 구조에서는 이들 커플링들이 서로 상반되지 않고, 동일한 유형(양자 모두 인덕터 결합)으로 구성됨으로써 너치를 형성하지 못한다. 이는 도 4에 도시된 주파수 감쇄 특성 그래프를 통해 확인할 수 있다. 도 4를 참조하면, 약 2,000 MHz를 중심으로 양측이 거의 유사한 형태로 이루고 있으며, 특정 주파수 대역에 대한 효과적인 감쇄가 이루어지지 않음을 알 수 있다.

이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b를 참조하면, 서로 마주하는 공진기들 사이의 공간, 즉, 공진기 1과 공진기 4 사이의 공간에 인덕터 결합과는 서로 상반되는 속성의 커플링을 갖도록 커패시터 결합(C-coupling)을 형성함으로써 너치를 형성하도록 하였다. 도 5의 (a)에는 도 3b에 대응하는 회로도가 제시되었으며, 두 가지 유형의 커플링을 서로 바꾸어 도 5의 (b)와 같이 구현할 수도 있다. 이러한 커플링 조합을 통해 도 5의 (c)와 같이 주파수 감쇄 특성이 나타날 수 있음을 확인할 수 있다.

요약하건대, 유전체 도파관 필터의 길이를 감소시키기 위해 도입된 꺾인 구조에 포함된 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고, 이에 인접한 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성함으로써 특정 주파수 대역을 감쇄하기 위한 너치를 구현할 수 있다.

도 6은 너치(notch) 없이 전자기파의 진행 방향을 지그재그(zig-zag)로 전환하는 꺾인 구조의 유전체 도파관 필터를 설명하기 위한 도면이다. 앞서 기술된 유전체 도파관 필터들이 'ㄷ'자 형태의 한번 꺾인 구조를 가진데 반해, 도 6의 경우에는 이를 연속하여 'ㄹ'자 형태의 두번 꺾인 구조를 제안하였다. 도 6에 제시된 유전체 도파관 필터는, 크기를 크게 줄이면서 입력 포트(S) 및 출력 포트(L) 간의 거리를 가능한 멀리 이격시킴으로써 상호 간섭을 최소화하였음을 보여준다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형태의 구조물(structure)(710)을 이용하여 너치를 구현한 유전체 도파관 필터 및 그에 따라 나타나는 주파수 감쇄 특성을 설명하기 위한 도면이다. 예시된 실시예는 중심 주파수 3.7GHz에 구형 형태의 6단 도파관 필터를 사용하였다.

앞서 인덕터 결합과 이웃하는 커플링을 통해 너치를 구현하기 위해 서로 마주하는 공진기들 사이의 공간에 커패시터 결합을 형성해야 함을 설명하였다. 도 7에서 입력단으로 주어진 전자기파는 서로 마주하는 공진기들의 뚫려있는 공간인 어퍼쳐를 통과하면서 인덕터 결합(L-coupling)을 형성하였고, 서로 대칭을 이루며 측면으로 접어 마주한 인접한 공진기들 사이의 공간에 원하는 주파수에서 너치를 형성하고자 간격을 가지는 원통 형태의 구조물(710)을 도입하여 커패시터 결합(C-coupling)을 형성하였다.

보다 구체적으로, 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게(즉, 외측으로부터 오목하게) 형성된 구조물(710)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성하도록 하였다. 이러한 구조물은, 예시된 원통(cylinder) 형태가 될 수도 있고, 또는 육면체 형태가 될 수도 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 원통 형태의 구조물(710)과 외벽이 이루는 간격 A가 커패시터와 같은 역할을 수행하게 된다. 구조물(710)은 마치 원통 홀(hole)과 같이 그 내부가 비어 있도록 구현될 수도 있고, 또는 내부를 채워서 구현될 수도 있다. 이러한 두 가지 상반된 속성의 커플링(인덕터 결합 및 커패시터 결합)에 의해 도 7의 (b)와 같이 특정 주파수 영역이 감쇄된 신호 특성을 얻을 수 있다.

한편, 두 가지 유형의 커플링에 관하여, 유전체 도파관 필터에서 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 구조물의 직경 및 간격의 크기 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 결정할 수 있다. 이때, 주파수 감쇄의 정도는 구조물의 직경에 비례하고 간격의 크기에 비례하여 조절될 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

도 8a 및 도 8b는 각각 원통 형태의 구조물의 지름 및 높이에 따른 주파수 감쇄와의 상관 관계를 보여주는 실험예로서, 도 7의 실시예에 따른 결과를 예시하였다.

도 7의 구조에 따라 서로 대칭을 이루며 측면으로 접어 마주한 인접한 공진기들 사이의 공간에 너치를 갖고자 원통 형태의 홀(hole)을 형성하여 양 측면(side)의 틈을 1.0mm로 유지하고 원통형 홀의 높이를 4.5mm로 유지한 후 원통형 홀의 지름을 증가시키면 커패시터 결합이 강하게 형성되어 도 8a와 같이 주파수 3.56GHz에서의 감쇄가 증가함을 알 수 있다. 즉, 주파수 감쇄의 정도는 구조물의 직경에 비례한다.

또한, 그 틈을 1.0mm로 유지하고 원통형 홀의 지름을 4.2mm로 유지한 후 원통형 홀의 높이를 증가시키면 도파관 공진기의 전체 높이 6mm에서 원통형 홀의 높이가 커지면서 원통형 홀이 외벽에 가까워지므로 외벽과의 간격(gap)이 줄어들어 도 8b와 같이 커패시터 결합이 약하게 형성되어 3.56GHz에서의 감쇄가 감소함을 알 수 있다. 즉, 주파수 감쇄의 정도는 구조물의 높이에 반비례하고, 구조물과 외벽과의 간격(gap)의 크기에 비례한다.

도 9는 제시된 규격의 유전체 도파관 필터에서 나타나는 주파수 감쇄 특성을 보여주는 실험예로서, 원통형 홀의 지름 4.2mm, 원통형 홀의 높이 5.3mm를 사용하였으며, 양 측면(side)의 틈을 1.0mm로 유지하고 원통형 홀의 지름과 높이를 변화시켜 주파수 감쇄 특성을 플롯(plot)의 한 예로 보여주고 있다. 본 발명의 실시예들은 가능한 작은 공진기를 사용하면서도, 주파수 선택 특성을 우수하게 확보하기 위하여 원통형 홀의 직경과 높이를 자유롭게 변화시키거나 원통형 홀을 두는 공간과의 크기를 자유롭게 선택함으로써 주파수 감쇄용 너치를 원하는 목표로 하는 주파수 대역에 형성할 수 있었다.

도 10 내지 도 12는 다양한 형태의 구조물을 이용하여 너치를 구현한 유전체 도파관 필터를 소개하기 위한 실시예이다.

도 10을 참조하면, 마주보는 인접한 공진기들의 어퍼쳐(aperture)의 공간과 원통형 홀의 직경을 조절하여 원하는 주파수 대역에서 너치의 세기 및 수량을 변화시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 크기를 줄이기 위하여 옆으로 대칭을 이루면서 너치를 가지는 유전체 도파관 필터를 디자인하기 위하여는 꺾이는 지점의 커플링과 너치를 형성하기 위하여 공간을 이루는 지점의 커플링이 상호 반대의 속성을 형성해야 한다. 도 10에서는 꺾이는 지점의 커플링이 인덕터 결합을 이루었으므로, 너치를 형성하는 공간의 커플링은 외벽과의 간격(gap)(A)을 갖는 원통형 홀(1010)을 이루어 커패시터 결합을 형성하였다.

도 11을 참조하면, 8단으로 이루어진 도파관 필터를 사용하여 반대로 꺾이는 지점의 공간의 어퍼쳐를 이루는 직사각형 벽(wall)에 간격(A)을 두어 커패시터 결합을 이루게 하고, 너치를 형성하기 위해 상호 접하는 공진기에는 일반적인 공간(B)을 두어 인덕터 결합을 형성하도록 하였다. 도 11에서는 반드시 원통형 구조물이 아니더라도 육면체형 내지 벽 형태의 구조물을 통해 일정한 크기의 간격(A)을 구현함으로써 커패시터 결합을 형성할 수 있음을 보여준다. 한편, 도파관이 꺾이는 지점에서 커패시터 결합을 형성하는 커플링 영역(A)과 인덕터 결합을 형성하는 커플링 영역(B)은 반드시 인접할 필요는 없다. 앞서 기술한 바와 같이, 인덕터 결합을 형성하는 커플링은 도파관이 꺾이는 지점 이전의 유전체 도파관 그룹과 도파관이 꺾이는 지점 이후의 유전체 도파관 그룹이 접촉하는 영역 어디에도 위치할 수 있다. 이러한 커플링의 위치는 요구되는 주파수 감쇄 특성에 따라 결정될 수 있다.

도 12를 참조하면, 꺾이는 지점임에도 원통형 홀(1210)을 사용하여 인덕터 결합을 형성할 수 있음을 보여준다. 반면, 너치를 이루는 공간에도 역시 원통형 홀(1220)을 사용하였으나 외벽과의 간격(B)을 두어 커패시터 결합을 형성하였음을 보여준다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 너치 및 경로 연장 구조가 형성된 유전체 도파관 필터를 도시한 도면으로서, 서로 마주하는 공진기들 간의 공간에 원통형 홀을 사용하여 커패시터 결합을 통해 너치를 형성하였으며 크기를 더욱 감소시키기 위하여 각각의 공진기에 스텝(step) 구조를 도입하였다.

우선, 유전체 도파관의 크기와 공진 주파수 대역 간의 상관관계를 간략히 설명한다. 유전체 도파관 필터는 TE 모드의 전자기파가 진행하는 공진기 구조를 이루며, 각 공진기의 주파수는 다음의 수학식 1로부터 결정된다.

여기서, f_c는 차단 주파수(cut-off frequency)로서 TE 모드 도파관 형태의 공진기가 가지는 특징 중 하나이다. 도파관의 구조에 따른 특성으로 인해 도파관은 특정 주파수 이상이 아닌 경우에는 전송이 불가능하며, 파동의 진행 없이 제자리에서 반사만 이루어지는 시점의 파장에 해당하는 주파수를 차단 주파수라고 한다. 또한, c는 빛의 속도이고, ε는 유전 물질의 유전율이고, m, n, l은 각각 도파관 단면의 가로(폭), 세로(높이) 및 도파관 길이에 따른 전계 분포가 반주기의 몇 배인가에 따라 결정되는 도파관 모드의 첨자이며, a, b, d는 각각 도파관 단면의 가로(폭), 세로(높이) 및 도파관 길이를 나타낸다.

수학식 1을 참조하면, 도파관의 가로(폭), 세로(높이)가 일정할 경우 공진 주파수는 길이 d에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 전자기파의 진행 경로를 도파관 내부에서 의도적으로 더 길게 만들 수 있다면, 유전체 공진기 필터의 물리적인 크기를 실질적으로 감소시키면서도 요구되는 공진 주파수 특성을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터에서는 공진기 서브-유닛 각각의 길이를 짧게 제작하더라도 공진기 내부의 3차원 계단 모양의 스텝에 의해 전자기파의 진행 경로를 내부적으로 길게 형성하도록 유도하였다. 즉, 유전체 도파관 몸체는, 각각의 공진기 서브-유닛마다 구비된 경로 연장 구조에 의해 길어진 전자기파의 통과 경로를 고려하여, 공진 주파수에 따라 요구되는 도파관의 길이보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.

도 13을 참조하면, 지그재그 형태로 꺾인 도파관 서브-유닛을 통해 전자기파를 전달하고 있으며, 꺾인 구조에서 나타나는 커플링에서는 뚫린 구조를 채택하여 인덕터 결합을 형성하였고, 이에 인접한 공진기들 간에는 너치를 위해 원통형 구조물(1310, 1320)을 도입함으로써 각각 외벽과의 간격(A, B)를 통해 커패시터 결합을 형성하였다.

특히, 도 13의 유전체 도파관 필터는, 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 직선 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조가 구비되었다. 이러한 경로 연장 구조는, 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성하되, 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성할 수 있다. 도 13에서는 단층의 기저면을 갖는 육면체의 빈 공간(C)이 예시되었으나, 예시된 구조에 한정되지 않는다.

이러한 경로 연장 구조는 빈 공간(C)이 없었던 경우에 비해 전자기파의 직진 진행을 방해하여 실질적인 전자기파의 진행 경로가 길어지게 하는 효과를 유도한다. 즉, 실제 필요한 전자기파의 진행 경로보다 짧은 물리적인 크기만으로도 동일한 효과를 갖는 유전체 도파관 필터를 제작할 수 있다. 또한, 상기 기저면의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성될 수 있다. 나아가, 경로 연장 구조는, 도파관의 길이 방향을 가로 질러 상기 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성할 수 있다. 구현의 관점에서, 경로 연장 구조는, 외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 원통 또는 육면체 형태의 홀 구조를 형성할 수 있다. 이러한 홀 구조는 전체 면적에 대한 트렌치 구조 또는 계단 구조를 구현하는 것에 비해 상대적으로 용이한 생산에 유리하며 구조적으로 더 높은 강도를 가질 수 있다는 장점이 있다.

도 14를 참조하면, 6개의 도파관 서브-유닛을 통해 전자기파를 전달하고 있으며, 꺾인 구조에서 나타나는 커플링에서는 뚫린 구조(A)를 채택하여 인덕터 결합을 형성하였고, 이에 인접한 공진기들 간에는 너치를 위해 원통형 구조물(1410)을 도입함으로써 외벽과의 간격(B)을 통해 커패시터 결합을 형성하였다. 또한, 각각의 도파관 서브-유닛에는 단층의 스텝을 활용한 경로 연장 구조(C)를 도입함으로써 요구되는 주파수 특성에 비해 실제 도파관의 길이 방향을 상대적으로 더욱 작게 제작할 수 있었다.

나아가, 이상에서 기재된 다양한 형태의 유전체 도파관 필터를 포함하는 통신 장치가 도출될 수 있으며 이러한 통신 장치가 5G 환경에서 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법을 도시한 흐름도이다. 도 15의 설계 방법은 앞서 기술된 유전체 도파관 필터를 제조의 관점에서 시계열적으로 재구성한 것으로 자동화된 설계 장치에 의해 수행되는 일련의 명령어들을 통해 구현될 수 있다. 따라서, 유전체 도파관 필터의 하드웨어 구성 자체에 관하여는 설명의 중복을 피하고자 약술하거나 생략하였다.

도 15는 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트를 포함하는 유전체 도파관 필터를 기본 구성으로 전제하였다.

S1510 단계에서, 유전체 도파관 필터의 설계 장치는 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는다. 이러한 파라미터는 TE 모드 공진기 구동에 필요한 결정 요소들과 앞서 기술된 수학식들의 변수들을 포함할 수 있다.

S1520 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출한다. 즉, 우선적으로 도파관의 꺾인 구조 내지 경로 연장 구조가 없다는 것을 가정하여 필요한 전자기파의 통과 경로를 얻는다.

S1530 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는 산출된 상기 목표 도파관의 길이 및 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 고려하여 전자기파의 진행 방향의 전환 횟수를 결정한다. 이 과정에서는, 산출된 상기 목표 도파관의 길이를 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이로 제산하고, 제산된 값을 참조하여, 산출된 상기 목표 도파관의 길이가 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 초과하지 않도록 전자기파의 진행 경로를 'ㄷ'자로 꺾음으로써 방향의 전환이 발생하는 전환 횟수를 산출할 수 있다.

S1540 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는 결정된 상기 전환 횟수에 따라 유전체 도파관 몸체를 구성한다. 이러한 유전체 도파관 몸체는, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group), 상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹 및 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹의 구조를 결정함으로써 구성될 수 있다.

S1550 단계에서, 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치는 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 너치(notch)를 형성하도록 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정한다.

이상에서, 상기 제 1 커플링 및 상기 제 2 커플링은, 어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합 및 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 각각 형성하되, 상기 S1540 단계에서 상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고, 상기 S1550 단계에서 상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는 것이 바람직하다.

따라서, S1550 단계에서는, 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나의 값을 산출하고, 도파관의 물리적인 크기 제약을 고려하되 산출된 상기 적어도 하나의 값을 이용하여 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정할 수 있다.

나아가, 각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 직선 길이보다 더 길어지도록 설계된 경로 연장 구조를 고려하여, 실제 유전체 도파관 필터의 크기를 더욱 감소된 값으로 조정할 수도 있을 것이다.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 유전체 도파관 필터의 길이 방향을 꺾어 물리적인 크기를 크게 감소시킬 수 있고, 꺾인 구조에 도입된 커플링과 인접한 도파관들 간에 도입된 커플링의 종류를 서로 상반된 속성으로 구현하되 외벽과의 일정한 간격을 갖는 구조물을 통해 커패시터 결합을 형성함으로써 일체형 구조에 따른 제조의 편의성을 달성하면서도 주파수 감쇄를 통한 주파수 선택성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

20: 유전체 도파관 필터
11: 입력 포트
13: 출력 포트
21: 제 1 공진기 그룹
23: 제 2 공진기 그룹
25: 방향 전환 공진기 그룹
31: 제 1 커플링
32: 제 2 커플링

Claims (21)

1. 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 일체 형성된 유전체 도파관 몸체; 및
   상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트;를 포함하고,
   상기 유전체 도파관 몸체는,
   적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group);
   상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹; 및
   상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되, 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹;을 포함하되,
   상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링을 형성함으로써 너치(notch)를 형성하고, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는 상기 유전체 도파관 몸체의 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
2. 제 1 항에 있어서,
   제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는,
   어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 구조물은 원통(cylinder) 또는 육면체 중 어느 하나의 형태로 형성되는, 유전체 도파관 필터.
5. 제 1 항에 있어서,
   요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 결정하되,
   주파수 감쇄의 정도는 상기 구조물의 직경에 비례하고 상기 간격의 크기에 비례하여 조절되는, 유전체 도파관 필터.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고,
   상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 2 커플링은 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면이 존재하는 위치 중에서 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
8. 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 일체 형성된 유전체 도파관 몸체; 및
   상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트;를 포함하고,
   상기 유전체 도파관 몸체는,
   적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group);
   상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹; 및
   상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되, 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹;을 포함하되,
   상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링을 형성함으로써 너치(notch)를 형성하고, 제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는 상기 유전체 도파관 몸체의 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 형성하며,
   각각의 공진기 서브-유닛마다 내측을 통해 진행하는 전자기파의 통과 경로가 외측의 물리적인 직선 길이보다 더 길어지도록 경로 연장 구조가 구비되는, 유전체 도파관 필터.
9. 제 8 항에 있어서,
   제 1 커플링 및 제 2 커플링 중 어느 하나는,
   어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
10. 삭제
11. 제 8 항에 있어서,
    요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 결정하되,
    주파수 감쇄의 정도는 상기 구조물의 직경에 비례하고 상기 간격의 크기에 비례하여 조절되는, 유전체 도파관 필터.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고,
    상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 커플링은 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면이 존재하는 위치 중에서 공진기 서브-유닛들 간의 접촉면에 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    상기 전자기파의 진행 방향에 교차하도록 상기 공진기 서브-유닛의 상부 또는 하부 벽면을 몸체 내측으로 오목하게 형성하되, 몸체 내측으로 오목하게 형성된 상기 상부 또는 하부 벽면은 단층 또는 다층의 기저면을 형성하는, 유전체 도파관 필터.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기저면의 높이는 각각의 공진기 서브-유닛마다 서로 상이하게 형성되는, 유전체 도파관 필터.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    도파관의 길이 방향을 가로 질러 상기 상부 또는 하부 벽면으로부터 몸체 내측으로 트렌치(trench) 구조 또는 계단 구조 중 어느 하나를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 경로 연장 구조는,
    외측 지지 영역을 남긴 채 상기 상부 또는 하부 벽면의 중앙으로부터 몸체 내측으로 원통 또는 육면체 형태의 홀 구조를 형성하는, 유전체 도파관 필터.
18. 복수 개의 유전체 각각이 공진기 서브-유닛(sub-unit)을 형성하여 연결되고 연결된 공진기 서브-유닛 간에 연속적으로 전자기파를 통과시키는 유전체 도파관 몸체 및 상기 유전체 도파관 몸체에 구비되어 전자기파를 입력받는 입력 포트(port) 및 상기 전자기파를 출력하는 출력 포트를 포함하는 유전체 도파관 필터를 설계하는 방법에 있어서,
    (a) 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 요구되는 전자기파의 주파수 특성에 대한 파라미터를 입력받는 단계;
    (b) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 도파관의 단면을 고려하되 입력된 상기 파라미터에 기초하여 전자기파가 직진하여 통과하는 경우를 가정한 목표 도파관의 길이를 산출하는 단계;
    (c) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 산출된 상기 목표 도파관의 길이 및 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 고려하여 전자기파의 진행 방향의 전환 횟수를 결정하는 단계;
    (d) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 결정된 상기 전환 횟수에 따라, 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 1 방향으로 전자기파를 전달하는 제 1 공진기 그룹(group), 상기 제 1 공진기 그룹의 일 측면과 접촉하여 형성되고 적어도 하나의 공진기 서브-유닛을 포함하여 제 2 방향으로 전자기파를 전달하는 제 2 공진기 그룹 및 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹 사이에 위치하여 제 1 커플링(coupling)을 형성하되 상기 제 1 방향으로 진행하는 전자기파의 진행 방향을 전환하여 제 2 방향으로 전달하는 방향 전환 공진기 그룹의 구조를 결정함으로써 상기 유전체 도파관 몸체를 구성하는 단계; 및
    (e) 상기 유전체 도파관 필터의 설계 장치가 상기 제 1 공진기 그룹과 상기 제 2 공진기 그룹이 접촉하는 접촉면에 너치(notch)를 형성하도록 상기 제 1 커플링과 상반되는 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 산출된 상기 목표 도파관의 길이를 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이로 제산하는 단계; 및
    (c2) 제산된 값을 참조하여, 산출된 상기 목표 도파관의 길이가 요구되는 도파관의 물리적인 외부 길이를 초과하지 않도록 전자기파의 진행 경로를 'ㄷ'자로 꺾음으로써 방향의 전환이 발생하는 전환 횟수를 산출하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 커플링 및 상기 제 2 커플링은,
    어퍼쳐(aperture)의 뚫린 공간을 통해 인접한 공진기 간에 인덕터(inductor) 결합 및 외벽으로부터 도파관의 내측 공간으로 볼록하게 형성된 구조물(structure)을 통해 상기 구조물의 말단과 대향하는 반대편 외벽 간의 간격(gap)을 이용하여 인접한 공진기 간에 커패시터(capacitor) 결합을 각각 형성하되,
    상기 (d) 단계에서 상기 제 1 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 어느 하나를 형성하고,
    상기 (e) 단계에서 상기 제 2 커플링은 커패시터 결합 및 인덕터 결합 중 상기 제 1 커플링과 상반되는 결합을 형성하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 요구되는 주파수 감쇄 특성에 부합하도록 원통 형태의 상기 구조물의 직경 및 상기 간격의 크기 중 적어도 하나의 값을 산출하는 단계; 및
    (e2) 도파관의 물리적인 크기 제약을 고려하되 산출된 상기 적어도 하나의 값을 이용하여 제 2 커플링의 위치 및 규격을 결정하는 단계;를 포함하는, 유전체 도파관 필터의 설계 방법.

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