KR100204053B1 - 비가역 전력 분배기 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

비가역 전력분배기

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

송신단의 하나의 단자에서 수신단의 다수의 단자로 전력을 전달할 때와 수신단에서 송신단으로 전력을 전달할 때 다수의 단자중 어느 하나의 단자에서 송신단의 하나의 입력단자로 전력을 전달하고자 할 때 출력단끼리의 상호 간섭으로 인해 전송량의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

3. 발명의 해결 방법의 요지

그러므로, 페라이트를 이용하여 마이크로 스트립, 스트립라인, 도파관 등의 구조를 갖는 비가역 전력 분배기를 이용하여 입력단에서 출력단으로의 또는 그 반대 방향으로 양방향 동일하게 임의의 분배비로 분배 특성을 갖는 가역 전력 분배기의 특성뿐만 아니라 함께 양 출력단의 상호 간섭을 줄이고 동시에 출력단에서 입력단 방향으로는 입력단에서 출력단으로의 분배시의 전송량과 다른 분배비를 가지고 분배특성을 갖는 비가역 전력 분배기를 구성한다.

4. 발명의 중요한 용도

전력분배기

Description

비가역 전력 분배기

본 발명은 통신 시스템에서 신호 또는 전력을 분배하기 위한 비가역 전력 분배기에 관한 것으로, 특히 페라이트를 이용하여 가역 및 비가역분배 특성을 동시에 갖는 비가역 전력분배기에 관한 것이다.

통신 시스템에서 전송하고자 하는 신호나 전력을 분배하기 위하여 전력분배기가 사용된다. 예를 들어, 마이크로 전력분배기가 동축선 마이크로 스트립, 스트립라인, 도파관, 회로 및 집중소자 등으로 구성되어 입력단자로 인가된 전력 또는 신호를 다수의 출력단자로 분배하며, 출력단자들로부터 입력된 전력 및 신호를 결합하는 가역소자로 역할을 한다. 또한, 동축선 사이에 페라이트 봉을 삽입하여 고주파 신호의 위상을 변화시키는 위상 변위기가 개발되어 사용되며, 페라이트와 집중 소자들의 결합에 의한 주파수 분배기가 제작되어 시스템에 적용되기도 한다.

이동 통신 시스템의 경우, 송신 시스템에서 신호를 송신하고 수신 시스템에서 신호를 수신하며, 또는 수신 시스템 측에서 송신 시스템에 송신 신호를 선택하여 요구하는 양방향 신호 전달이 필요 된다. 또한, 단일 송신 시스템이 많은 수신 시스템을 관리하는 경우, 많은 단계의 전력분배단계를 거쳐서 도달한 약화된 신호를 송신측에서 수신측으로 원할하게 전달하기 위하여, 수신 시스템이 포착할 수 있는 정도의 큰 전력을 송신측에서 전달하여야 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 가역 전력분배기의 사용은 수신측에서 어떤 명령신호를 송신측에 전송하고자 할 경우, 전술한 바와 같은 송신측에서 보내었던 정도의 큰 전력의 전송이 불가피하지만, 종래의 전력 분배기는 전력결합기로 사용되기도 하고 송신측이나 수신측에서 같은 세기의 전력이 여러 단계의 분배를 거쳐 전송된다. 송신측이 다수의 수신측을 가지게 되는 통신 시스템의 경우, 수신측은 송신측과 같이 큰 전력을 가지기 곤란한 문제점이 있다. 따라서, 수신측에서 송신측으로 신호 전달이 필요할 경우 또는 수신측에서 전송하는 전력의 절약이 필요할 경우, 비가역 전력 분배기의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

따라서, 상기한 문제점과 요구점을 고려하여 안출된 본 발명은, 입력단에서 출력단으로 또는 그 반대방향으로 양방향 소정의 동일한 분배비로 분배하는 가역 전력분배 특성뿐만 아니라, 출력단 사이의 상호 간섭을 줄이고 동시에 입력단에서 출력단으로의 분배시의 전송량과 다른 분배비를 가지고 출력단에서 입력단 방향으로의 분배를 수행하는 비가역 분배특성을 갖는 효과적이며 간단한 가역 및 비가역 분배기를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 스트립형 비가역 전력 분배기를 개략적으로 나타낸 사시도이며;

도 2는 본 발명에 따른 스트립 라인형 비가역 전력 분배기를 개략적으로 나타낸 사시도이며;

도 3은 본 발명에 따른 도파관형 비가역 전력 분배기을 개략적으로 나타낸 사시도이며;

도 4는 본 발명에 따른 전력 분배기의 분배 방향과 분배량을 나타낸 설명도이며;

도 5는 본 발명에 따른 전력 분배기의 페라이트의 복소 텐서 투자율 식이며;

도 6은 페라이트 내부의 전자 회전과 자기 모멘트를 나타낸 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 페라이트 기판 2: 입력단자

3: 공진기 4a, 4b, 4c: 출력단자

5: 페라이트 상판 6: 도파관 입력단

7: 페라이트 8a, 8b, 8c: 출력단자

9: 도체면

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 넓은 면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 일측 및 타측의 단자 하부에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 일측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 넓은 면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 일측 및 타측의 단자 하부와 상부에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 일측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 상면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 타측에서 일측에 이르는 분기점에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 마이크로 스트립형 전력분배기의 일실시예 구성을 나타낸 사시도이다. 도1을 참조하면, 1은 페라이트 기판, 1'는 기판 상면, 2는 입력단자, 3은 공진기, 4-1 내지 4n는 출력단자를 각각 나타낸다.

도시된 바와 같이, 외부로부터 소정의 전자파가 입력되는 입력단자(2) 및 입력된 전자파가 분배되어 각각 출력되는 다수의 출력단자(4-1 내지 4n)를 갖는 공진기(3)를 소정의 도체로 형성한 마이크로 스트립소자의 페턴이 형성된다.

상기 페라이트 기판(1)은 보통의 유전체와 같이 임의의 상수 유전율과 자계에 반응하는 투자율을 가진다. 즉, 인가되는 자장의 방향에 따라 전자장의 흐름을 변화시키는 복소 텐서량 3×3 메트릭스 형태를 갖는다.

상기 입력단자의 입력스트립의 넓이는 기판의 두께와 함께 입출력단자의 특성 임피던스를 결정하는 요소이다. 여기서, 입력단자 및 출력단자의 수는, 본 실시예에 한정되는 것이 아니라, 필요에 따라 변화될 수 있다.

상기 공진기(3)는 전기장이 상기 입력단자(2)에서 입력되어 임의의 형태를 지닌 폐턴에서 주파수에 해당하는 파장에 의해 공진이 일어나는 곳이다. 이때, 전자파의 주파수와 공진기의 크기는 서로 반비례한다. 상기 공진기(3)는 상기 공진으로 인한 주파수영역 선택기능 및 형태로 인한 대역폭의 선택기능을 수행하게 된다.

전술한 바와 같이, 마이크로 스트립형 전력분배기는 페라이트 기판(1)의 기판 상면(1')에 소정수의 입력단자(2), 임의 패턴의 공진기(3), 소정수의 출력단자(4-1 내지 4n)가 도전 특성을 갖는 재질로 구현되어 마이크로 스트립 소자를 구현한다. 상기 공진기(3)의 영역이 영향을 받도록 임의의 방법에 의해 페라이트 기판(1)의 상면(1')을 기준으로 일정 크기의 각도에서 다양한 방법으로 일정크기의 자장을 인가한다. 공진기(3)의 형태, 입출력 단자의 수와 형태, 폐라이트의 특성, 인가 자장의 각도와 세기 및 갯수등에 의해 입력신호의 전자장을 변화시켜 일정의 주파수 대역을 지닌 비가역 전력분배기가 실현된다.

만일 전기장을 인가하지 않으면, 상기 페라이트(1)는 보통의 유전체와 비슷하게 투자율 1을 가진다. 이때, 입력된 전자파는 유전체를 통과하듯이 입력스트립라인을 통과한 후, 공진기 부분에서 공진이 일어나고 출력단자들로 나누어져 전력이 전달된다. 이때, 일반 유전체에 소자를 구현한 것과 같아서 가역 전력분배기가 구현되며, 출력단자(4)에서 전력이 입력되어 공진기 부분에서 공진이 일어나고 전력이 입력단자로 출력되는 전력 결합기로도 구현이 가능하다. 전술한바와 같이, 자장을 인가하지 않은 페라이트는 투자율 1이 되어 전자파 흐름에 회전 특성을 가하지 않으므로 전자파의 입력방향에 무관하게 되어 10-1, 10-2, 11-1, 12-1 모두가 같은 가역 전력분배기가 구현된다.

자계가 가해진 경우의 비가역 전력분배기로의 작용은 다음과 같다.

상기 페라이트(1)의 공진기(3)에만 외부에서 일정 세기의 자계를 인가하면, 도5에 도시된 바와 같은 복소 텐서 투자율(13)을 공진기(3)가 가지게 되며, 그 이외의 페라이트 부분은 자계가 가해지지 않으므로 보통의 유전체와 비슷한 유전율과 1의 투자율을 지닌다. 외부 자계에 의해 공진기에 형성된 복소 텐서 투자율은 외부 인가 자계의 방향에 따라 다른 형태를 지니게 된다.

페라이트 평면의 수직 방향을 z방향으로 정하고 오른손 직교 좌표계를 생각하면 y방향은 입력단자에서 출력단자로 향하는 방향이고 x방향은 y와 z방향의 수직인 방향이다. 외부자계를 z방향으로 인가하면 제6도의 회전 전자(18), 자계 모멘트(19), 외부 자계(20)로 인해 외부 자계방향을 축으로 전자가 세차운동을 하게 된다. 이때 공진기 부분의 복소투자율은 14와 같이되어 전자파가 z축을 기준으로 시계방향, 외부자계를 -z방향으로 인가하면 공진기 부분의 복소 투자율은 15로 되어 전자파가 z축을 기준으로 반시계 방향 전자회전으로 인해 전자파가 회전할 수 있게 된다. 그러나 외부자계를 -x방향으로 인가하면 공진기의 페라이트가 16과 같은 복소 텐서투자율을 보이게 되어 전자파의 회전이 x축을 기준으로 회전하여 ±y방향으로 전자파의 전달이 이루어진다. 외부 자계를 xz평면상에서 x축에서 일정 각도로 자장을 가하면 공진기 부분의 페라이트의 복소텐서 투자율은 15에서 17로 변화하게 되어 입력단자나 출력단자에서 입력된 전자파가 인가된 자계의 축을 중심으로 회전하고자 하게 되고 형성된 도체에서 전자파의 흐름방향을 조절할 수 있다. 자장의 세기와 자장의 인가 각도 등에 의해 입력단자(2)에서 출력단자들(4)로의 전력전달은 임의 비율로 출력단자에 전달된다. 특히, 전력분배의 방향으로는 전력이 똑같이 나누어져 전달되면 전형적인 전력 분배기의 역할을 한다. 반대로 출력단자에서 입력단자 방향으로의 전력 전달은 자장의 세기와 자장 인가 각도 및 입출력 결합각도 등에 의해 입력단자와 나머지 출력단자 등으로 분배 비율을 조절할 수 있다.

-x축 방향으로 외부자계를 인가한 경우 ±y 방향으로 전자파가 전달되려고 하므로 한 출력단자에서 입력단자 방향으로 대부분의 전력이 전달되고 입력단자에서 출력단자 방향으로 전달될 때는 여러 출력단자로 인한 전력의 분배가 일어나게 되어 전력의 전달량이 전자파의 입력방향에 따라 다르게 되어 비가역 전력분배기의 기능이 구현된다.

상기의 설명과 같이 하나의 단자로부터 다수의 단자로 전송할 때와 다수의 단자 각각에서 하나의 단자로 전송을 원할 때 전송을 하고자 하는 하나의 단자 이외의 다른 다수의 단자로는 전송되지 않고 오직 하나의 목표 단자로만 전송할 수 있도록 한 전력 분배기가 요구된다.이 경우 송신단과 수신단에서의 전달량이 동일할 경우 일반적인 가역 전력분배기가 되나, 송신단과 수신단의 전달량이 서로 다를 경우 비가역 전력분배기가 된다.

도4는 본 발명에 따른 전력 분배기의 분배 방향과 분배량을 나타낸 설명도이다. 도면에서 10-1은 입력단자에서 출력단자1로의 전달량, 10-2는 입력단자에서 출력단자2로의 전달량, 11-1은 출력단자1에서 입력단자와 출력단자2로의 전달량, 11-2는 출력단자1에서 출력단자2로의 전달량, 12-1은 출력단자2에서 입력단자로의 전달량, 12-2는 출력단자2에서 출력단자1로의 전달량을 각각 나타낸다.

먼저, -x축 방향으로 외부자계를 인가한 경우 ±y방향으로 전자파의 전달되려고 하여 입력단자에서 출력단자1로의 전달량(10-1)과 출력단자 2로의 전달량(10-2)이 같고, 이들(10-1, 10-2)은 출력단자1,2에서 입력단자로의 전달향(11-1, 12-1)과는 다르다. 11-1, 12-1은 서로 다를 수 있다. 비가역 전력분배기의 한 예는 10-1과 10-2는 50%의 전달량을 보이고, 11-1과 12-1은 같으나 거의 100% 전달량을 보이며 동시에 11-2나 12-2는 거의 0%에 가까운 특성을 보일 때이다. 이와 같이, 10, 11, 12 등의 분배량을 조절하여 다양한 분배특성을 보이는 비가역 전력 분배기를 구현할 수 있다. 이와 같이, 전력의 분배량이 입출력 위치에 따라 달라질 때 비가역 전력 분배기의 구현이 가능하고, 특히 입력단자에서 출력단자방향으로 출력단자의 수에 의해 균일하게 분배되고 임의의 한 출력단자에서 입력단자방향으로는 대부분의 전력이 전달될 때의 비가역 전력분배기는 통신 시스템의 수신단에서 송신단으로의 전송 필요시 요구되는 전력의 효율화할 수 있다. 이러한 비가역 전력분배기는 아이솔레이터로도 사용가능하다.

도3은 본 발명에 따른 전력분배기의 또 다른 실시예를 나타낸 사시도로서, 도1 및 도2와 같이 페라이트 기판에 구성하는 것이 아니고, 일반적인 도파관을 이용하여 하나의 입력 단자와 다수의 출력단자를 구성한 다음 입력단에서 다수의 출력단자와의 분기점에 상기한 실시예에서 사용된 페라이트를 두어 동일한 효과를 갖도록 한 것이다.

도5는 본 발명에 따른 전력 분배기의 페라이트의 복소 텐서 투자율 식, 도6은 페라이트 내부의 전자 회전과 자기 모멘트를 나타낸 설명도이다.

도면에 도시한 각 도면 부호에 따른 설명은 다음과 같다. 먼저, 13은 페라이트의 복소 텐서 투자율의 일반 형태, 14는 외부 자계를 z방향으로 인가할 때의 페라이트 공진기 부분의 복소 텐서 투자율, 15는 외부 자계를 -z방향으로 인가할때의 페라이트 공진기 부분의 복소 텐서 투자율, 16은 외부 자계를 -x방향으로 인가할 때의 페라이트 공진기 부분의 복소 텐서 투자율, 17은 외부 자계를 xz평면상에서 -x축에서 일정 각도로 자장이 인가된 페라이트 공진기 부분의 복소 텐서 투자율, 18은 외부 자계에 의한 시계방향으로 회전하는 페라이트 내의 회전전자, 19는 페라이트 내에서 회전하는 회전전자에 의한 자계 모멘트, 20은 페라이트에 가해지는 외부자계 방향을 각각 나타낸다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 의한 페라이트를 이용한 가역 전력 분배기와 비가역 전력분배기를 제작하면 송신 시스템에서 신호의 송신을 한 후, 수신 시스템에서 수신을 하고 또 수신 시스템 측에서 송신 시스템에 송신 신호를 요구하기도 한다. 가역 전격분배기는 이러한 송신 시스템에 많이 사용된다. 특히, 단일 송신 시스템이 많은 수신 시스템을 관리하는 경우, 송신측에서 수신측으로 신호의 전달을 위해서 수신 시스템이 전달된 신호를 포착할 수 있을 정도의 큰전력을 송신측에서 전송하여야 한다. 비가역 전력 분배기의 사용은 수신측에서 어떤 명령 신호를 송신축에 전송하고자 할 때에 송신측에서 보내었던 정도의 큰 전력을 사용하지 않아 수신단에서 송신단으로의 전송 필요시 요구되는 전력의 효율화를기할수있다.

Claims (6)

1. 일측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 넓은 면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 일측 및 타측의 단자 하부에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 자계 인가수단은, 페라이트인 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.
3. 일측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 넓은 면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 일측 및 타측의 단자 하부와 상부에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.
4. 제3항에 있어서, 상기 외부 자계 인가수단은, 페라이트인 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.
5. 일측에 하나의 단자를 구비하고, 타측에 다수의 단자를 구비한 전력 분배기에 있어서, 상기 다수 단자중 어느 하나에 신호가 인가될 때 상기 일단의 하나의 단자로만 송신되도록 상면에 수직인 방향 및 입력단자에서 들여다본 길이 방향에 대해 동시에 수직인 방향으로 일정 크기의 외부 자계를 인가하도록 상기 타측에서 일측에 이르는 분기점에 외부 자계 인가수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.
6. 제5항에 있어서, 상기 외부 자계 인가수단은, 페라이트인 것을 특징으로 하는 비가역 전력 분배기.