KR100265366B1 - Microwave attenuator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로파 장치에 관한 것으로서, 특히 마이크로파 신호 전력을 조절하기 위한 수신-전송 증폭 장치 및 증폭-변환 장치에 적용될 수 있는 마이크로파 감쇠기에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to microwave devices, and more particularly, to a microwave attenuator that can be applied to a receive-transmit amplification device and an amplification-conversion device for regulating microwave signal power.
제어된 계단식 마이크로파 감쇠기는 마이크로파 장치에 광범위하게 적용되며, 핀 다이오드(PIN diode)의 온-오프(on-off) 스위칭에 따라 감쇠기의 특징이 결정된다.Controlled stepped microwave attenuators are widely applied to microwave devices, and the on-off switching of a pin diode determines the characteristics of the attenuator.
첨부된 도면 도 1은 종래의 제어된 스텝-바이-스텝(step-by-step) 감쇠기의 일부를 도시한 것으로, 고정 감쇠기는 회로에 직렬 접속된 저항(R)으로 구성되며, 스위치로서 동작하는 핀 다이오드(D)는 저항(R)과 병렬로 접속된다.1 shows a portion of a conventional controlled step-by-step attenuator, wherein the fixed attenuator is comprised of a resistor R connected in series with the circuit and operated as a switch. The pin diode D is connected in parallel with the resistor R.
감쇠기의 두 포트의 임피던스가 같을 경우, 즉 Z1= Z2일 경우, 감쇠 모드에서의 감쇠기의 산란 매트릭스(scattering matrix, [S])는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.When the two ports of the attenuator have the same impedance, that is, when Z 1 = Z 2 , the scattering matrix [S] of the attenuator in the attenuation mode may be expressed by Equation 1 below.
여기서, 'z'는 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.Here, 'z' is defined as in Equation 2 below.
그런데, 상기와 같이 설계된 감쇠기는 전압 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, 이하 VSWR이라 함)가 높고, 특히 1GHz가 넘는 주파수에서 상당한 초기 손실이 발생하며, 게다가 높은 감쇠 레벨을 얻는 것이 불가능한 단점이 있었다.However, the attenuator designed as described above has a high voltage standing wave ratio (hereinafter referred to as VSWR), a significant initial loss occurs especially at frequencies above 1 GHz, and it is impossible to obtain a high attenuation level.
첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 감쇠기의 프로토타입(prototype)이라 할 수 있는 종래의 제어된 스텝-바이-스텝 감쇠기를 도시한 것이다.2 shows a conventional controlled step-by-step attenuator, which can be referred to as a prototype of the attenuator according to the invention.
도시된 마이크로파 감쇠기는 두 가지 모드로 동작한다. 즉, 신호의 직접 입력 모드와 신호 감쇠 모드로 동작한다. 이러한 두 모드에 대한 제어는 핀 다이오드에 의해 수행된다.The illustrated microwave attenuator operates in two modes. That is, it operates in the direct input mode and the signal attenuation mode of the signal. Control of these two modes is performed by the pin diode.
도시된 순차 감쇠기는 두 개의 입력(1, 2)(시스템은 가역적임) 및 두 개의 신호 채널 - 입력 신호의 감쇠가 없는 직접 채널(1-3-2) 및 입력 신호를 감쇠시키는 감쇠 채널(1-4-2) - 을 가진다. 이러한 두 신호 채널의 스위칭은 핀 다이오드(D1, D2, D3)에 의해 수행된다. 이중에서 직접 채널(1-3-2)은 그 일단이 포인트 '3'에 상호 접속되고, 나머지 단들은 핀 다이오드(D1)의 입력 '1', '2'에 각각 접속된 두 개의 마이크로스트립 섹션(L1, L2)으로 이루어진다. 이때, 핀 다이오드(D1)의 일측 전극은 포인트 '3'에 연결되고, 타측 전극은 스터브(L3)에 연결된다. 여기서, L1, L2, L3의 전기적 길이(electrical length)는 모두 λ/4이다. 감쇠 채널(1-4-2)은 두 개의 핀 다이오드(D1, D2)와 T56또는 πi회로에 따라 접속되는 저항들로 이루어진 감쇠 유닛(A)을 포함한다.The illustrated sequential attenuator has two inputs (1, 2) (system is reversible) and two signal channels-a direct channel (1-3-2) without attenuation of the input signal and an attenuation channel (1). -4-2) has- Switching of these two signal channels is performed by pin diodes D 1 , D 2 , D 3 . In this, the direct channel (1-3-2) has two microstrips, one end of which is interconnected to point '3' and the other ends of which are respectively connected to inputs '1' and '2' of the pin diode D 1 . It consists of sections L 1 , L 2 . In this case, one electrode of the pin diode D 1 is connected to the point '3', and the other electrode is connected to the stub L 3 . Here, the electrical lengths of L 1 , L 2 , and L 3 are all λ / 4. The attenuation channel 1-4-2 comprises an attenuation unit A consisting of two pin diodes D 1 , D 2 and resistors connected according to a T 56 or π i circuit.
이러한 감쇠기의 직접 입력 모드에서 초기 손실은 대체로 직접 채널(1-4-2) 손실이 지배적이다. 직접 채널(1-4-2) 손실은 핀 다이오드(D2, D3)를 통한 신호의 관통(penetration)에 의해 야기되는 손실뿐만 아니라, 스터브(L3)의 접속과 함께 핀 다이오드(D1) 캐패시턴스에 의해 결정된다.In the direct input mode of these attenuators, the initial losses are usually dominated by direct channel (1-4-2) losses. The direct channel (1-4-2) loss is not only the loss caused by the penetration of the signal through the pin diodes (D 2 , D 3 ), but also the pin diode (D 1 ) with the connection of the stub (L 3 ). ) Is determined by the capacitance.
그러나, 이러한 종래의 제어된 스텝-바이-스텝 감쇠기는 특히 10GHz 이상의 주파수에서 큰 과잉(redundant) 초기 손실을 가지며, 이에 따라 VSWR이 큰 단점이 있다. 이 감쇠기에서 과잉 손실은 주요하게 핀 다이오드(D1, D2, D3)의 규격(specification)에 의해 결정된다.However, such a conventional controlled step-by-step attenuator has a large redundant initial loss, especially at frequencies above 10 GHz, thus the VSWR has a big disadvantage. The excess loss in this attenuator is largely determined by the specification of the pin diodes D 1 , D 2 , D 3 .
본 발명은 신호 직접 전송 모드에서 출력 손실을 감소시키며, 신호 직접 전송 모드 및 감쇠 모드에서 동작하는 동안의 전압 정재파비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)를 낮추며, 감쇠 모드에서 개선된 진폭-주파수(amplitude-frequency) 특성을 확보할 수 있는 마이크로파 감쇠기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention reduces output loss in direct signal transmission mode, lowers voltage standing wave ratio (VSWR) during operation in direct signal transmission mode and attenuation mode, and improves amplitude-frequency in attenuation mode. The purpose is to provide a microwave attenuator capable of securing the frequency characteristics.
도 1은 종래의 제어된 스텝-바이-스텝(step-by-step) 감쇠기 일부의 회로 구성도.1 is a circuit diagram of a portion of a conventional controlled step-by-step attenuator.
도 2는 종래의 제어된 스텝-바이-스텝 감쇠기(프로토타입)의 회로 구성도.2 is a circuit diagram of a conventional controlled step-by-step attenuator (prototype).
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기의 회로 구성도.3 is a circuit diagram of a controlled stepped microwave attenuator in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기의 회로 구성도.4 is a circuit diagram of a controlled stepped microwave attenuator in accordance with another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1-5-3-6-2 : 직접 채널 1-4-2 : 신호 감쇠 채널1-5-3-6-2: Direct channel 1-4-2: Signal attenuation channel
1, 2 : 입·출력 포트 5-3-6 : 매칭 변환부1, 2: input / output port 5-3-6: matching converter
L1, L2: 마이크로스트립 라인 섹션 L3, L4, L5: 스터브L 1 , L 2 : Microstrip Line Sections L 3 , L 4 , L 5 : Stubs
D2, D3, D4, D5: 핀 다이오드 A : 감쇠 유닛D 2 , D 3 , D 4 , D 5 : Pin Diode A: Attenuation Unit
본 발명은 직접 채널에 삽입된 스위칭 다이오드 및 스터브에 의한 삽입 손실을 보상하기 위하여 소정의 매칭 변환부를 마이크로파 감쇠기의 직접 채널에 제공하고, 또한 전송 모드에서 감쇠 채널을 추가적으로 블로킹하는 스터브를 감쇠 채널에 채용하여 감쇠 손실을 현저하게 감소시킬 뿐 아니라 VSWR을 개선한다.The present invention provides a matching channel to the direct channel of the microwave attenuator in order to compensate for the insertion loss by the switching diode and the stub inserted in the direct channel, and also employs a stub in the attenuation channel that additionally blocks the attenuation channel in the transmission mode. This not only significantly reduces attenuation losses, but also improves VSWR.
상술한 본 발명의 기술적 원리로부터 제공되는 특징적인 마이크로파 감쇠기는 그 일단이 상호 접속되며 그 타단이 각각 입력 및 출력 포트를 이루는 제1 및 제2 마이크로스트립 섹션과, 그 일측 전극이 상기 제1 및 제2 마이크로스트립 섹션의 상기 일단 부분에 접속된 제1 스위칭 다이오드와, 상기 제1 스위칭 다이오드의 타측 전극에 접속된 제1 스터브를 구비하는 직접 채널; 입력 신호를 감쇠시키는 감쇠 채널; 및 상기 제1 및 제2 마이크로스트립 섹션의 상기 일단 부분에 소정 길이로 제공되어, 상기 제1 스위칭 다이오드 및 상기 제1 스터브에 의한 삽입 손실을 보상하는 매칭 변환 수단을 포함하여 이루어진다.Characteristic microwave attenuators provided from the above-described technical principles of the present invention include first and second microstrip sections, one end of which is interconnected and the other end of which constitutes an input and an output port, and one electrode thereof comprises the first and second electrodes. A direct channel having a first switching diode connected to the one end portion of the two microstrip sections and a first stub connected to the other electrode of the first switching diode; An attenuation channel for attenuating the input signal; And matching conversion means provided in the one end portions of the first and second microstrip sections with a predetermined length to compensate for insertion loss caused by the first switching diode and the first stub.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 소개한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도면 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기를 도시한 것이다.Figure 3 shows a controlled stepped microwave attenuator in accordance with one embodiment of the present invention.
도시된 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기는 입력 임피던스 Z0를 가지는 마이크로스트립 라인 상에 형성된 입·출력 포트(1, 2) 및 채널 전송을 위한 두 개의 채널, 즉 입력 신호의 감쇠가 없는 직접 채널(직접 신호 전송 모드)(1-5-3-6-2)과 요구된 레벨로 입력 신호를 감쇠시키는 감쇠 채널(감쇠 모드)(1-4-2)을 가진다.The illustrated controlled stepped microwave attenuator has input and output ports (1, 2) formed on a microstrip line with input impedance Z 0 and two channels for channel transmission, ie direct channels without attenuation of the input signal (direct Signal transmission mode) (1-5-3-6-2) and an attenuation channel (attenuation mode) 1-4-2 that attenuates the input signal to the required level.
이중에서, 직접 채널(1-5-3-6-2)은 임피던스 Z0를 가지는 마이크로스트립 라인 섹션(L1, L2), 전체의 전기적 길이가 λ/4인 핀 다이오드(D1) 및 스터브(L3)의 임피던스 Z1을 가지는 마이크로스트립 라인의 매칭 변환부(5,3,6)로 이루어진다. 신호 감쇠 채널(1-4-2)은 두 개의 스터브(L4, L5), 네 개의 핀 다이오드(D2, D3, D4, D5) 및 Pi또는 T∞회로에 따라 접속된 저항으로 이루어진 감쇠 유닛(A)을 포함한다.Among them, the direct channel 1-5-3-6-2 includes the microstrip line sections L 1 and L 2 having an impedance Z 0 , a pin diode D 1 having an overall electrical length of λ / 4 and Matching converters 5 , 3 , 6 of the microstrip line having the impedance Z 1 of the stub L 3 . The signal attenuation channel (1-4-2) is connected according to two stubs (L 4 , L 5 ), four pin diodes (D 2 , D 3 , D 4 , D 5 ) and a P i or T ∞ circuit. A damping unit A made of a resistor.
이하, 도시된 감쇠기의 동작을 설명한다.The operation of the illustrated attenuator is described below.
핀 다이오드(D2, D3)가 스위치 오프될 때, 입력 신호는 감쇠기의 입력 포트(1 또는 2)에 인가된 마이크로파 신호는 전력 감쇠 없이 직접 채널(1-5-3-6-2)을 따라 진행한다. 즉, 직접 신호 전송 모드에서 동작한다. 상기 도 2에 도시된 프로토타입과는 비교할 때, 본 감쇠기는 스터브(L3) 및 핀 다이오드(D1) 캐패시턴스의 임피던스 Z1을 보상하기 위하여 웨이브 임피던스 Z1을 가지는 매칭 변환부(5-3-6)를 도입하였다. 여기서 매칭 변환부(5-3-6)의 길이는 핀 다이오드(D1) 캐패시턴스 및 동작 주파수에 따라 결정한다. 직접 신호 전송 모드에서 감쇠기의 출력 손실은 두 가지 요소 즉, 직접 채널(1-5-3-6-2)에서의 제1 손실과, 핀 다이오드(D2, D3)를 경유하여 감쇠 채널(1-4-2)을 통한 신호의 관통에 의해 야기되는 제2 손실에 의해 결정된다. 이때, 주파수가 증가함에 따라 제2 손실의 영향력이 지배적이 된다. 그리하여, 본 감쇠기는 신호가 감쇠 채널(1-4-2)로 관통하는 것을 방지하기 위해 턴-오프 다이오드(D4, D5) 모드에서 스위치로 동작하는 추가적인 스터브(L4, L5)를 가진다. 핀 다이오드(D4, D5) 캐패시턴스를 고려한 추가 스터브(L4, L5)의 전기적 길이는 모두 λ/4이다. 추가된 스터브(L4, L5)는 감쇠 채널(1-4-2)의 블록킹(blocking) 레벨을 크게 증가시킨다.When the pin diodes D 2 , D 3 are switched off, the input signal is applied to the microwave signal applied to the input port (1 or 2) of the attenuator to direct channel (1-5-3-6-2) without power attenuation. Proceed accordingly. That is, it operates in the direct signal transmission mode. Compared with the prototype shown in FIG. 2, the attenuator has a matching converter 5-3 having a wave impedance Z 1 to compensate the impedance Z 1 of the stub L 3 and the pin diode D 1 capacitance. -6) was introduced. The length of the matching converter 5-3-6 is determined according to the pin diode D 1 capacitance and the operating frequency. The output loss of the attenuator in the direct signal transmission mode has two factors: the first loss in the direct channel (1-5-3-6-2) and the attenuation channel (via the pin diodes D 2 , D 3 ). It is determined by the second loss caused by the penetration of the signal through 1-4-2). At this time, the influence of the second loss becomes dominant as the frequency increases. Thus, the attenuator has an additional stub L 4 , L 5 acting as a switch in the turn-off diode (D 4 , D 5 ) mode to prevent the signal from penetrating into the attenuation channel (1-4-2). Have The electrical lengths of the additional stubs L 4 , L 5 taking into account the pin diodes D 4 , D 5 capacitance are both λ / 4. The added stubs L 4 , L 5 greatly increase the blocking level of the attenuation channels 1-4-2.
핀 다이오드(D2, D3)가 스위치 온될 때, 본 감쇠기는 감쇠 모드에서 동작한다. 이 경우, 핀 다이오드(D1)와 스터브(L3)는 직접 채널(1-5-3-6-2)을 스위치 오프시킨다. 이때, 스터브(L3)의 전기적 길이는 λ/4이다. 핀 다이오드(D1,D2, D3)는 이러한 방식으로 스위칭되고, 각 핀 다이오드(D1, D2, D3) 사이의 전기적 길이는 λ/4이다. 핀 다이오드(D4, D5)가 온일 때, 스터브(L4, L5)는 단락되고, 실질적으로 손실을 삽입하지 않는다. 그러므로, 감쇠 모드에서 본 감쇠기의 VSWR은 주로 감쇠 유닛(A)에 의해 결정된다. 웨이브 임피던스 Z1을 가지는 매칭 변환부(5-3-6)는 직접 채널(1-5-3-6-2)의 블록킹 레벨 증가를 가져오며, 이러한 방식으로 본 감쇠기는 감쇠 모드에서 VSWR을 개선하고, FRF(Frequency Response Function)의 변화를 줄인다.When the pin diodes D 2 , D 3 are switched on, the attenuator operates in attenuation mode. In this case, the pin diode D 1 and the stub L 3 switch off the direct channel 1-5-3-6-2. At this time, the electrical length of the stub L 3 is λ / 4. The pin diodes D 1, D 2 , D 3 are switched in this way and the electrical length between each pin diode D 1 , D 2 , D 3 is λ / 4. When the pin diodes D 4 , D 5 are on, the stubs L 4 , L 5 are shorted and do not substantially insert losses. Therefore, the VSWR of the attenuator seen in the attenuation mode is mainly determined by the attenuation unit (A). Matching converter 5-3-6 with wave impedance Z 1 results in an increase in the blocking level of direct channel 1-5-3-6-2, and in this way the attenuator improves VSWR in attenuation mode. And reduce the change in the frequency response function (FRF).
첨부된 도면 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기를 도시한 것으로, 도 3에서 사용된 도면 부호가 지시하는 바와 같은 부분에 대해서는 도 3에서 사용된 도면 부호를 원용하였다.4 is a diagram illustrating a controlled stepped microwave attenuator according to another embodiment of the present invention, and the reference numerals used in FIG. 3 are used for parts indicated by reference numerals used in FIG. 3. .
도시된 제어된 계단형 마이크로파 감쇠기는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇠기의 각 핀 다이오드(D4, D5)의 일측 전극에 전기적 길이가 λ/4인 스터브(L6, L7)를 더 추가하였다.The illustrated controlled stepped microwave attenuator has a stub L 6 having an electrical length of λ / 4 at one electrode of each pin diode D 4 , D 5 of the attenuator according to one embodiment of the invention shown in FIG. 3. L 7 ) was added further.
그리고, 그 동작 특성은 도 3에 도시된 마이크로파 감쇠기와 거의 유사하며, 다만 추가적인 스터브(L6, L7)에 의해 핀 다이오드(D2, D3)를 경유하여 감쇠 채널(1-4-2)을 통한 신호의 관통에 의해 야기되는 감쇠기의 출력 손실이 더욱 감소되고, 이에 따라 감쇠기의 블록킹 레벨을 더욱 증가시킨다.In addition, the operating characteristics are almost similar to those of the microwave attenuator shown in FIG. 3, except that the attenuation channels 1-4-2 are passed through the pin diodes D 2 and D 3 by additional stubs L 6 and L 7 . The output loss of the attenuator caused by the passage of the signal through the s) is further reduced, thus further increasing the blocking level of the attenuator.
상술한 바와 같이 프로토타입과 비교하여 본 발명의 작용 상의 개선은 무엇보다도 핀 다이오드(D1)및 스터브(L3)를 매칭시키는 변환부(5-3-6) 회로에 기인한다. 또한, 개방 회로 모드 및 단락 회로 모드에서 동작하는 추가적인 λ/4 스터브를 회로에 채용한 것이 프토타입과 비교하여 본 발명의 감쇠기의 성능을 더욱 향상시키는 요인이라 할 수 있다.As described above, the improvement in the operation of the present invention compared with the prototype is due to the circuit of the converter section 5-3-6 which matches the pin diode D 1 and the stub L 3 . In addition, the additional λ / 4 stub operating in the open circuit mode and the short circuit mode is a factor that further improves the performance of the attenuator of the present invention compared with the prototype.
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 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
마이크로파 전송시 본 발명에 따른 감쇠기는 직접 채널에 삽입된 핀 다이오드 및 스터브에 의한 손실을 보상하기 위하여 매칭 변환기를 채용하고, 전송 모드에서 감쇠 채널을 추가적으로 블로킹하는 스터브를 스위칭 다이오드와 함께 채용함으로써 감쇠 손실을 현저하게 감소시킬 뿐 아니라 VSWR을 개선할 수 있다. 또한, 웨이브 임피던스 Z1(전체의 전기적 길이가 λ/4인 핀 다이오드 및 스터브의 임피던스)을 가지는 매칭 변환기를 추가함으로써 감쇠 모드에서 직접 채널의 블록킹 레벨을 증가시키고, VSWR 및 RFF를 개선할 수 있다.The attenuator according to the invention during microwave transmission employs a matching transducer to compensate for losses caused by pin diodes and stubs inserted directly into the channel, and attenuation losses by employing a switching diode with a stub that additionally blocks the attenuation channel in transmission mode. In addition to significantly reducing, the VSWR can be improved. In addition, by adding a matching transducer with wave impedance Z 1 (impedance of pin diodes and stubs with an overall electrical length of λ / 4), it is possible to increase the blocking level of the channel directly in attenuation mode and improve VSWR and RFF. .
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Family Applications (1)
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