KR100269588B1

KR100269588B1 - Microwave circulator

Info

Publication number: KR100269588B1
Application number: KR1019970079246A
Authority: KR
Inventors: 니콜라이 볼로비예프; 유리 키르싸노브; 블라디미르 레씬
Original assignee: 김덕용; 주식회사케이엠더블유
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR980006606A

Abstract

PURPOSE: A microwave circulator is provided to simplify a structure, reduce whole size, weight, and insertion loss of a microwave and bandwidth by realizing a magnetic substance into a circular shape. CONSTITUTION: A circular crossing part(11) has a plurality of microstrip routes, which intersect each other. The crossing part(11) is formed on an upper surface of a substrate(10) and has a thin film shape. A shield plate is formed on a lower surface of the substrate(10) and has a thin film shape. A pair of magnetic substances(20) are shaped like a cylinder and closely contacted with an upper and lower side of the crossing part(11) on a lateral side thereof. The pair of magnetic substances(20) have the same central axis as the crossing part(11). Magnets(30) are positioned on an upper side and a lower side of the substrate(10) and the magnetic substances(20) magnetizes them in a crossed direction. The microstrip route crossing part(11) has at lest three microwave routes(11a) in order to have at least two microwave output with one microwave input.

Description

Microwave Circulators

본 발명은 수동 필터(filter), 분산 마이크로웨이브 장치 및 능동 송 수신 마이크로웨이브 장치 등에 아이솔레이터(isolator)로써 이용될 수 있는 마이크로웨이브 서큘레이터(microwave circulator)에 관한 것으로, 특히 마이크로웨이브가 통과하는 자성체를 원통형상으로 제작하여 구조가 간단하면서도 마이크로웨이브의 삽입손실(insertion loss)을 감소시키고, 대역폭을 확장시키는 마이크로웨이브 서큘레이터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave circulator that can be used as an isolator in passive filters, distributed microwave devices, and active transmit and receive microwave devices. In particular, it relates to a magnetic material through which microwaves pass. The present invention relates to a microwave circulator that has a cylindrical shape to reduce the insertion loss of microwaves and to expand the bandwidth.

일반적으로, 마이크로웨이브 장치에서는 일측의 하나의 단자쌍으로부터의 입력이 타측의 둘 이상의 단자쌍으로 출력될 경우, 그 출력이 일정한 방향성을 가지고 순차적으로 출력되는 것이 요구되고 있다. 따라서, 종래에는 도1에 도시된 바와 같이, 페라이트 재질로 이루어지며 세 개의 마이크로스트립 전송선로를 가지는 교차부가 그 상면에 형성되는 기판(1)과, 상기 교차부의 상면에 장착되어 자기장을 형성하는 자석(2)을 구비하고 있는 마이크로웨이브 서큘레이터가 채용되어 왔다.In general, in a microwave apparatus, when an input from one terminal pair on one side is output to two or more terminal pairs on the other side, the outputs are required to be sequentially output with a constant direction. Accordingly, as shown in FIG. 1, a substrate 1 made of a ferrite material and having three microstrip transmission lines having an intersection portion formed on an upper surface thereof, and a magnet mounted on an upper surface of the intersection portion to form a magnetic field The microwave circulator provided with (2) has been employ | adopted.

이러한 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 도2에 도시된 바와 같이, 정자기 표면파가 마이크로스트립 선로의 주변 영역에서 나타나게 되며, 상기 영역의 기판(1) 내부에는 바이어스 자기장의 접선방향 성분이 최대값을 가지게 되었다. 따라서, 이와 같은 종래의 마이크로웨이브 서큘레이터는, 기판(1)의 내부에서는 자기장의 방향이나 크기가 균일하지 못하므로, 교차부의 인접한 영역에는 스퓨리어스(spurious) 정자기파가 나타나게 되고, 밀리미터(㎜)파장 범위에서의 삽입손실이 매우 크고, 대역폭이 감소되는 문제점이 있었다.In the microwave circulator according to the related art, as shown in FIG. 2, the MF surface waves appear in the peripheral region of the microstrip line, and the tangential component of the bias magnetic field is maximum in the substrate 1 in the region. It has a value. Therefore, in the conventional microwave circulator, since the direction and the magnitude of the magnetic field are not uniform inside the substrate 1, spurious static magnetic waves appear in the adjacent region of the intersection, and have a millimeter wavelength. Insertion loss in the range is very large, there was a problem that the bandwidth is reduced.

이에 따라, 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 미국 특허 제4789844호에 개시되어 있는 바와 같은 마이크로웨이브 서큘레이터가 개발되었다(도3참조).Accordingly, in order to solve the above problem, a microwave circulator as disclosed in US Pat. No. 4,798,044 has been developed (see Fig. 3).

도3에 도시된 바와 같이, 상기 미국 특허 제4789844호의 마이크로웨이브 서큘레이터는, 서로 대칭적으로 위치되어, Y 형상으로 연결된 마이크로스트립 전송선로를 가지는 교차부(3a)와, 상기 교차부(3a) 상 하에서 밀착하고 있는 한 쌍의 원판형기판(3)과, 상기 교차부(3a)의 중심축과 동일한 수직축을 가지되, 상기 교차부(3a)의 상 하측에 면접촉하고 있는 반구형상으로된 한 쌍의 자성체(4)와, 상기 각 자성체(4)의 상 하측에 위치되어 원판형기판(3) 및 자성체(4)를 가로지르는 방향으로 자화시키는 한 쌍의 자석(5)을 포함하고 있다.As shown in Fig. 3, the microwave circulator of U.S. Pat.No.4789844 has an intersection 3a having a microstrip transmission line symmetrically positioned and connected in a Y shape, and the intersection 3a. It has a pair of disk-shaped substrate (3) which is in close contact with the top and bottom, and has the same vertical axis as the central axis of the intersection portion (3a), but is in a hemispherical shape in surface contact with the upper and lower sides of the intersection portion (3a) And a pair of magnetic bodies 4 and a pair of magnets 5 positioned above and below each of the magnetic bodies 4 to magnetize the disc-shaped substrate 3 and the magnetic body 4 in a direction crossing the magnetic body 4. .

상기 원판형기판(3)과 자성체(5)는 같은 페라이트 재질로 이루어지므로, 상기 원판형기판(3)이 자석(5)에 의해 자화되면, 상기 원판형기판(3) 내에 균일한 DC 자기장이 제공된다.Since the disc-shaped substrate 3 and the magnetic body 5 are made of the same ferrite material, when the disc-shaped substrate 3 is magnetized by the magnet 5, a uniform DC magnetic field is formed in the disc-shaped substrate 3. Is provided.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 자성체(4)를 반구형상으로 제작하는 것이 어려울 뿐만아니라, 그 형상으로 인하여 원판형기판(3)의 내측에 바이어스 자기장이 존재하게 되어 마이크로웨이브의 전기적인 특성, 예를 들면 대역폭 및 반사감쇠량 등이 감소되고, 삽입손실이 커지는 문제점이 있었다.However, in the microwave circulator according to the prior art as described above, it is not only difficult to manufacture the magnetic body 4 in a hemispherical shape, but also due to its shape, a bias magnetic field exists inside the disc-shaped substrate 3. Electrical characteristics of the microwave, for example, bandwidth and reflection attenuation is reduced, there is a problem that the insertion loss is large.

또한, 원판형기판(3)의 내부에 존재하는 바이어스 자기장의 접선성분을 제거하기 위하여, 별도의 마이크로 커넥터를 사용하여야 하는데 다른 문제점이 있었다.In addition, in order to remove the tangential component of the bias magnetic field present in the disc-shaped substrate 3, a separate micro connector has to be used.

또한, 상기 장치의 전체 크기 및 중량이 증대되는데 또 다른 문제점이 있었다.In addition, there was another problem in that the overall size and weight of the device was increased.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자성체를 원통형상으로 구현하여, 종래의 장치에 비하여 구조가 간단하고 전체 크기 및 중량이 작으면서도, 마이크로웨이브의 삽입손실을 줄이고, 대역폭을 확장시키는 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by implementing the magnetic body in a cylindrical shape, compared to the conventional device, the structure is simple and the overall size and weight, while reducing the insertion loss of the microwave, bandwidth It is an object of the present invention to provide a microwave circulator that extends.

도1은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 일실시예를 나타낸 사시도.1 is a perspective view showing an embodiment of a microwave circulator according to the prior art.

도2는 도1의 A-A선 단면도.2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.

도3은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 다른 실시예를 나타낸 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the microwave circulator according to the prior art.

도4는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터를 나타낸 분해 사시도.Figure 4 is an exploded perspective view showing a microwave circulator according to the present invention.

도5는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 단면도.5 is a cross-sectional view of the microwave circulator in accordance with the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

10 : 기판 11 : 마이크로스트립 선로 교차부10 substrate 11 microstrip line intersection

11a : 마이크로스트립 선로 20 : 자성체11a: microstrip line 20: magnetic material

30 : 자석30: magnet

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 교차하는 다수개의 마이크로스트립 선로를 가지며 원형의 자성체로 이루어진 교차부가 형성된 기판; 상기 기판의 상.하면에 밀착되되 상기 원형교차부와 동일한 중심축을 가지는 원통형상의 자성체로 이루어진 한 쌍의 삽입부재; 및 상기 기판 및 상기 삽입부재를 자화시키는 자기장 제공수단을 포함하며, 상기 삽입부재의 높이(H)가 (0.3D-h)/2 내지 (D-h)의 범위 -여기서, D는 원형교차부의 직경을 나타내고, h는 기판의 두께를 나타냄- 에서 설정되는 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a substrate having a plurality of microstrip lines intersecting with each other, the intersection portion made of a circular magnetic material; A pair of insertion members which are in close contact with the upper and lower surfaces of the substrate and are formed of a cylindrical magnetic material having the same central axis as the circular cross section; And a magnetic field providing means for magnetizing the substrate and the insertion member, wherein the height H of the insertion member is in the range of (0.3Dh) / 2 to (Dh), where D represents the diameter of the circular cross section, h denotes the thickness of the substrate-provides a microwave circulator.

이하, 첨부된 도4 및 도5를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 서로 교차되는 다수개의 마이크로스트립 선로(11a)를 가지는 원형의 교차부(11)가 상면에 박막형상으로 형성되고, 하면에는 실드(shield)평면이 박막형상으로 형성된 기판(10)과, 원통형상으로 이루어져 그 일측면이 교차부(11)의 상 하측에 밀착되되 교차부(11)와 동일한 중심축을 가지도록 위치되는 한 쌍의 자성체(20)와, 상기 기판(10) 및 자성체(20)의 상 하측에 위치되어 그들을 가로지르는 방향으로 자화시키는 자석(30)을 포함한다.As shown, in the microwave circulator according to the present invention, a circular intersection 11 having a plurality of microstrip lines 11a intersecting with each other is formed in a thin film shape on the upper surface, and a shield on the lower surface. A pair of magnetic bodies 20 having a flat surface formed in a thin film shape, and having a cylindrical shape, one side of which is in close contact with the upper and lower sides of the intersection portion 11 and has the same central axis as the intersection portion 11. And a magnet 30 positioned above and below the substrate 10 and the magnetic body 20 to magnetize in a direction crossing them.

상기 마이크로스트립 선로 교차부(11)는 하나의 마이크로웨이브 입력에 대하여 둘 이상의 마이크로웨이브 출력을 가지기 위하여 적어도 세 개의 마이크로웨이브 선로(11a)를 가지며, 본 실시예에서는 여섯 개의 마이크로스트립 선로(11a)를 가진다.The microstrip line intersection 11 has at least three microwave lines 11a in order to have two or more microwave outputs for one microwave input, in this embodiment six microstrip lines 11a. Have

상기 기판(10) 및 자성체(20)는 자석에 의하여 자화되었을 경우, 자기장이 균일하게 나타나는 페라이트(ferrite) 재질로 이루어진다.When the substrate 10 and the magnetic body 20 are magnetized by a magnet, the substrate 10 and the magnetic body 20 are made of a ferrite material having a uniform magnetic field.

그리고, 상기 자성체(20)의 직경은 교차부(11)의 직경과 항상 동일하게 형성된다.In addition, the diameter of the magnetic body 20 is always formed to be the same as the diameter of the cross section (11).

마이크로웨이브 신호가 통과하는 자성체(20)는 그 높이(H)가 최소 (0.3D-h)/2에서 최대 (D-h)/2의 범위에서 선택되며, 여기서 상기 D는 마이크로스트립 선로 교차부(11)의 원형으로 형성된 중앙부분의 직경이며, h는 기판(10)의 두께이다. 그리고, 상기 범위에서 자성체(20)의 높이가 결정되어질 경우, 상기 마이크로스트립 교차부(11)에는 그를 균일하게 가로지르는 방향의 자화가 나타나게 되어, 본 발명에 따른 장치가 전기적 특성, 예를 들면 반사감쇠량, 삽입손실 및 대역폭이 가장 양호하게 나타난다.The magnetic body 20 through which the microwave signal passes is selected such that its height H ranges from minimum (0.3Dh) / 2 to maximum (Dh) / 2, where D is the intersection of the microstrip line intersection 11. It is the diameter of the central portion formed in a circular shape, h is the thickness of the substrate 10. In addition, when the height of the magnetic body 20 is determined in the above range, the microstrip intersection 11 shows the magnetization in the direction crossing it uniformly, so that the device according to the present invention has electrical characteristics, for example reflection. Attenuation, insertion loss, and bandwidth are best seen.

만일, 자성체(20)의 높이가 (0.3D-h)/2보다 작을 경우에는, 정자기파가 발생하는 바이어스 자기장의 접선성분이 교차부(11) 영역에 나타나게 되어, 삽입손실이 확대되고, 대역폭이 좁아지게 된다. 또한, 자성체(20)의 높이가 (0.3D-h)/2보다 큰 경우에는, 전기적 특성의 향상을 보장할 수 없게된다.If the height of the magnetic body 20 is smaller than (0.3Dh) / 2, the tangential component of the bias magnetic field in which the static magnetic waves are generated appears in the region of the intersection portion 11, whereby the insertion loss is enlarged and the bandwidth is narrow. You lose. In addition, when the height of the magnetic body 20 is larger than (0.3D-h) / 2, the improvement of the electrical characteristics cannot be guaranteed.

도5를 참조하여 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 5 describes the operation of the microwave circulator according to the present invention.

상기 마이크로웨이브 선로(11a)들 중 Ⅰ에 입력된 마이크로웨이브 신호는 마이크로스트립 선로 교차부(11)의 중앙부분에 위치된 상기 자성체(20)를 통과하며, 이때 자화되어 있는 상기 교차부(11)의 중앙부분의 자이로 자기 효과(gyromagnetic effect)로 인하여, 상기 마이크로웨이브 신호는 마이크로스트립 선로(11a)의 Ⅱ로 이동을 하며, 이어 마이크로스트립 선로(11a) Ⅲ으로 이동하고, 계속해서 Ⅳ, Ⅴ 및 Ⅵ 등으로 순차적으로 이동하게 된다. 즉, 마이크로웨이브 신호는 Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ의 순서로 이동된다.The microwave signal input to I of the microwave lines 11a passes through the magnetic body 20 positioned at the center of the microstrip line intersection 11, and the intersection 11 is magnetized. Due to the gyromagnetic effect of the central portion of the microwave signal, the microwave signal travels to the II of the microstrip line 11a, followed by the microstrip line 11a to III, followed by IV, V and It will move sequentially to VI. That is, the microwave signal is shifted in the order of I → II → III → IV → V → VI.

이와 같은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 자성체(20)의 직경이 마이크로스트립 선로 교차부(11) 중앙부분의 직경에 따라 바뀌게 되므로, 서큘레이터 중앙의 대역폭이 확대되고, 서큘레이터 전체의 전기적인 특성이 향상된다. 즉, 자화된 자성체(20) 내로 교차부(11) 주위에 형성된 마이크로웨이브 필드(field)가 투과하므로, 기판의 직경에 따라 자성체(20)의 직경이 확대되는 것은 서큘레이터의 전기적 특성을 향상시킨다.In the microwave circulator according to the present invention, since the diameter of the magnetic body 20 is changed according to the diameter of the center portion of the microstrip line intersection 11, the bandwidth of the center of the circulator is expanded, and the electricity of the entire circulator The characteristic is improved. That is, since the microwave field formed around the intersection portion 11 penetrates into the magnetized magnetic body 20, the diameter of the magnetic body 20 is increased according to the diameter of the substrate to improve the electrical characteristics of the circulator. .

본 발명을 이용하여 2G Hz, 10G Hz 및 40G Hz의 주파수 범위에서 실험하였을 경우, 마이크로스트립 서큘레이터의 바이어스 자기장의 가로지르는 방향 및 접선방향 성분을 계산한 결과, 그 전기적인 특성이 가장 뛰어나며, 상기 자성체(20)의 높이가 약 0.35D가 될 경우에는 상기 자기부재(30)의 크기가 최소화됨을 알 수 있다.When experimenting in the frequency range of 2G Hz, 10G Hz and 40G Hz using the present invention, the transverse and tangential components of the bias magnetic field of the microstrip circulator are calculated, and the electrical characteristics thereof are excellent. When the height of the magnetic body 20 is about 0.35D, it can be seen that the size of the magnetic member 30 is minimized.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those who have

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 자성체가 원통형상으로 형성되되, 그 크기가 수많은 실험을 통해 설정된 적정크기로 한정되므로, 자성체의 제작이 용이하며, 서큘레이터의 전기적 특성을 개선시키는, 예를 들어 마이크로웨이브 반사감쇠량 및 삽입손실을 감소시키고 대역폭을 확대시키는 효과가 있다.In the microwave circulator according to the present invention as described above, the magnetic material is formed in a cylindrical shape, the size is limited to the appropriate size set through a number of experiments, it is easy to manufacture the magnetic material, improving the electrical characteristics of the circulator For example, there is an effect of reducing the amount of microwave reflection attenuation and insertion loss and increasing the bandwidth.

또한, 본 발명의 서큘레이터 전체의 크기 및 중량이 감소되는데 또 다른 효과가 있다.In addition, there is another effect that the size and weight of the entire circulator of the present invention is reduced.

Claims

A substrate having a plurality of microstrip lines crossing each other and having an intersection formed of a circular magnetic material;

A pair of insertion members which are in close contact with the upper and lower surfaces of the substrate and are formed of a cylindrical magnetic material having the same central axis as the circular cross section; And

A magnetic field providing means for magnetizing the substrate and the insertion member,

And the height H of the insertion member is in the range of (0.3D-h) / 2 to (D-h), where D represents the diameter of the circular cross section and h represents the thickness of the substrate.

The method of claim 1,

The microwave circulator of the magnetic field providing means is made of a magnet.