KR100330774B1 - 다층 스페이스 구조를 갖는 고주파 증폭회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 스페이스 구조를 갖는 고주파 증폭회로에 관한 것으로, 복수개의 간격을 가지는 금속판들 중 특정 간격의 두 금속판 사이에 건 다이오드; 다른 특정 간격의 두 금속판 사이에 서큘레이터에 결합되어 입력단으로부터 들어온 입력파를 서큘레이터로 전송하는 제1 비방사유전체선로; 상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터로부터 들어온 입력신호를 상기 건 다이오드에 전송하고 그 증폭된 신호를 다시 상기 서큘레이터에 전송하는 제2 비방사유전체선로; 상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터에 들어온 증폭신호를 출력부로 전송하는 제3 비방사유전체선로; 및 건 다이오드와 비방사 유전체선로를 연결시키는 스트립 공진기로 이루어지며, 건다이오드의 부성저항의 특성을 이용하여 반사계수를 1보다 크게 함으로써 2개 이상의 복수개의 간격을 가지는 다층 스페이스 구조의 고주파 증폭기를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 스페이스 구조를 갖는 고주파 증폭회로{High frequency amplifier circuit with multi-layer space structure}

본 발명은 다층 스페이스 구조를 갖는 고주파 증폭회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각기 다른 사이즈를 갖는 비방사유전체선로를 가지는 다층 스페이스 구조에 건 다이오드를 실장하여 다양한 주파수로 증폭할 수 있도록 하는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로 구조를 가지는 증폭기에 관한 것이다.

GaAs 건 다이오드는 두 개의 전도대의 밸리(valley)를 갖는 소자로서, 소자의 전계 강도에 따른 전자의 이동도의 차이로 인하여 부성저항 상태를 가지며 이러한 특성을 이용하여 발진소자로서 일반적으로 사용되고 있다.

실제로 건 다이오드는 바이어스 전압을 가함에 따라 도 1과 같이 2개의 증폭영역과 1개의 발진영역이 존재한다. 여기에서 낮은 바이어스 전압에 있어서의 증폭영역을 증폭영역Ⅰ, 높은 바이어스 전압에 있어서의 증폭영역을 증폭영역Ⅱ라고 한다. 증폭영역Ⅰ이 시작하는 바이어스 전압에서는 건 다이오드 내부의 전자가, L 밸리에서 U 밸리로 이동되는 부성저항 영역이 된다. 이 부성저항 영역은 증폭영역Ⅱ에서 이득이 없어질 때까지 계속 이어진다. 이 그래프에서 알수가 있듯이 건 다이오드에는 2개의 부성영역이 있으나, 증폭영역Ⅰ에서는 바이어스를 공급할 수 있는 범위가 매우 협소한 관계로 바이어스회로의 불안정요인으로 인하여 쉽게 증폭영역을 벗어날 우려가 있다. 따라서, 증폭영역Ⅱ를 이용하여 증폭기회로를 설계할 수 있다.

본 발명은 상기에 기술한 바와 같이, 건 다이오드의 증폭기로서의 특성을 이용한 비방사 유전체 선로에서의 고주파 증폭회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 비방사유전체선로의 원리상, 모든 회로를 구성하는 부품이 사용주파수의 반파장 이하의 간격을 가지는 금속판 사이에 배치되어야 하므로 증폭주파수를 변화시키기 위하여 건 다이오드의 사이즈의 변화를 요구하는 문제점을 감안하여, 다층 스페이스 구조의 비방사유전체선로를 이용하여 건 다이오드의 마운트의 크기에 구애받지 아니하고 다양한 주파수의 비방사유전체선로를 구비하는 고주파증폭 회로를 구현하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 건 다이오드의 증폭영역과 발진영역을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 따르는 건 다이오드를 이용한 증폭기구조를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따르는 다층 스페이스구조의 비방사선로에서의 증폭기회로의 일부 절개 사시도.

도 4는 본 발명에 따르는 건 다이오드 증폭기의 주파수특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에 따르는 건다이오드 증폭기의 또 다른 실시예를 도시한 일부 절개 사시도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1, 3 : 금속판 5 : 건 다이오드

6 : 모드 서프레서 8 : 스트립 공진기

9 : 3채배 스트립 공진기 10 : 다이오드 마운트

11 : 바이어스 초크 13, 15, 17 : 비방사유전체선로

20 : 서큘레이터

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수개의 간격을 가지는 금속판 중 특정 간격의 두 금속판 사이에 실장된 건 다이오드와, 다른 특정 간격의 두 금속판 사이에 서큘레이터에 결합되어 입력단으로부터 들어온 입력파를 서큘레이터로 전송하는 제1 유전체선로와, 상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터로부터 들어온 입력신호를 상기 건 다이오드에 전송하고 그 증폭된 신호를 다시 상기 서큘레이터에 전송하는 제2 유전체선로와, 상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터에 들어온 증폭신호를 출력부로 전송하는 제3 유전체선로와, 상기 건다이오드와 상기 비방사유전체 선로를 연결시키는 스트립공진기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 증폭회로를 제공한다.

본 발명에 따르는 건 다이오드를 이용한 증폭기는 건 다이오드에 있는 부성저항을 이용한 부성저항 증폭기(Negative Resistance Amplifier)이다. 도 2에 동작회로의 구성이 나타난 것과 같이, 입력신호가 서큘레이터(Circulator)(20)를 통하여 회전하여 건 다이오드(5)로 들어가고, 건 다이오드(5)에서는 부성저항 특성에 의하여 입력파보다 반사파가 커져 증폭이 되어진다. 그 후 증폭되어진 반사파는 서큘레이터(20)에서 회전하여 출력단자로 나오게 된다.

도 2에 있어서 전송로의 특성 임피던스에서 규격화한 건 다이오드의 임피던스를 Z_D로 한다. 여기에서 건 다이오드의 임피던스는 부성저항 r과 리액턴스 x의 직렬회로로서 나타낸다. 이때 반사계수r _N 는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

간략화하기 위해 리액턴스 x의 값을 0으로 하면, 증폭기의 중심 주파수에 있어서 반사계수는 하기 수학식 2로 나타내게 된다.

상기 수학식 2에 있어서 반사계수가 1보다 커지면, 입사파보다 반사파가 커져서 증폭 동작을 한다는 것을 알 수 있다. 이 반사계수는 입력 전력에 대한 반사전력의 비이기 때문에 이득의 정의와 같다. 따라서 전력이득은 하기 수학식 3으로 정의된다.

상기 수학식 2에서 건 다이오드의 부성저항의 값이 전송로의 특성 임피던스에 가까울수록 증폭기의 이득이 증가한다는 것을 나타내고 있다. 또한, 부성저항의 값이 1이 될 경우, 반사계수가 무한대로 되어 입사파가 없는 경우에도 출력파가 존재하는 즉, 발진 동작을 한다는 것이다.

따라서, 상기 수학식 1 에서 증폭기가 가진 이득의 주파수 특성은 건 다이오드의 리액턴스가 0이 되도록 주파수에서 최대로 되는 간단한 봉우리모양의 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

한편, 유전체선로의 사이즈는 사용주파수에 맞도록 하기 수학식 4와 5에 따라서 구해져서, 유전체선로의 사이즈에 해당하는 금속판간의 간격이 결정된다.

여기서 ε_r은 유전체선로의 비유전율, λ은 파장이다.

따라서, 일반적으로 건 다이오드의 마운트의 크기는 유전체선로가 위치하는 두 금속판사이의 간격과 일치하여야 한다. 그러나, 다이오드마운트의 크기는 제조회사에 따라 그 크기가 다르고, 실제 사용하는 주파수는 사용 용도나 목적에 따라 달라지므로, 주파수가 달라진다는 것은 두 금속판 사이의 간격이 달라진다는 것을 의미하며, 사용주파수의 간격에 맞는 사이즈의 다이오드를 구한다는 것은 불가능한일이다.

그러므로, 본 발명에서는 또한 간격이 일정한 두 금속판 사이에 건 다이오드와, 입력 및 증폭된 출력 신호를 전송하는 비방사 유전체선로를 실장하여, 상기 두 금속판의 간격을 증폭시킬 주파수에 따라 복수개를 형성하는 것을 특징으로 하여 다층 스페이스 구조를 갖는 비방사 유전체선로에서의 고주파 증폭회로를 제공한다.

본 발명에 따르는 건 다이오드는 고주파용 건 다이오드 이외에, 저주파용 건 다이오드를 사용할 수도 있다. 저주파용 건 다이오드를 사용할 경우에는 간격이 큰 금속판사이에는 저주파용 건 다이오드를 실장하고, 금속판간격이 적은층에 건 다이오드보다 높은 2채배 또는 3채배 주파수의 유전체전송선로를 배치하여 그 사이에 높은 주파수(채배주파수)에서 공진되는 스트립공진기나 리드형 공진기를 연결하여 고조파를 이용하여 부성저항 특성을 이용하여 반사파의 크기를 크게 하여 증폭을 할 수 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3는 본 발명에 따르는 다층 스페이스구조의 비방사선로에서의 증폭기회로의 일부절개 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 입력파는 유전체선로(15)를 통과하여 서큘레이터(20)에서 회전을 하여 건 다이오드(5)로 들어간다. 건 다이오드(5)에서는 부성저항특성에 의해 입력파 보다 반사되는 출력파의 세기가 크게 되어 반사되므로, 이 출력파와 입력파와의 비가 증폭도라고 말할 수 있다. 건 다이오드(5)에서 나온 반사파는 서큘레이터(20)를 통과하여 부하측의 유전체선로(17)를 타고 흘러가 출력된다. 이 때, 건 다이오드의 마운트(10)의 크기에 맞는 금속판과 사용주파수 간격에 맞는 금속판으로 이루어진 다층 스페이서 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명에 따르면, 사용목적에 의한 여러 주파수를 발생하는 동일사이즈의 건다이오드를 이용해서도 증폭회로를 구성할 수 있게 된다.

유전체선로의 사이즈는 사용주파수에 맞게 상기 수학식 4와 5에 의해 구해져, 유전체선로의 사이즈에 해당하는 금속판간의 간격이 결정되나, 다이오드마운트의 크기는 제조회사에 따라 그 크기가 다르므로, 이 크기가 다른 부분을 다층스페이스구조로 각 부품의 크기에 해당하는 스페이스로 제작하여 회로를 만들 수 있게 된다.

이때에 건 다이오드(5)와 유전체선로(13)와의 연결은 스트립공진기(8)로 하여, 이 스트립공진기(8)의 금속부분의 길이가 사용주파수를 결정하게 한다.

이 금속부분의 길이는 사용주파수의 약 반파장에서 길게되면 주파수가 낮게되고, 짧게되면 공진주파수가 높게된다.

또한, 서큘레이터(20)에의 연결은 불요모드가 발생할 요소가 많으므로, 유전체선로(13, 15, 17)와 서큘레이터(20)의 연결부위에는 불요 모드를 제거하기 위하여 모드서프레서(6)를 넣어 연결한다.

이상의 회로구성에서, 바이어스전압을 넣어 증폭기로 동작을 시킨다.바이어스전압은 위에서 서술한 증폭영역1과 증폭영역2 중에서 증폭영역2 부분이 증폭특성이 우수하고, 안정된 동작을 하므로, 증폭영역 2를 동작점으로 잡아 바이어스를 공급한다.

도 4는 본 발명에 따르는 건 다이오드 증폭기의 주파수특성을 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따르는 건 다이오드 증폭기는 증폭영역 1을 이용하는 경우는 13dB 정도인데 비해 증폭영역 2를 이용한 경우에는 도 4로부터 확인되는 바와 같이 24dB로 고이득 특성을 나타내고 있다.

또한 1㎷의 바이어스 전압의 변화에 대한 이득의 변화는 증폭 영역 1에서는 0.203㏈/㎷이지만, 증폭 영역 2에서는 0.038㏈/㎷로 바이어스 전압의 변화에 대한, 이득의 변화가 적은 것으로 확인되었다.

도 5는 본 발명에 따르는 고주파증폭기의 또 다른 실시예를 도시한 일부 절개사시도이다.

전송데이터가 점차 많아져 사용 주파수가 점차 고주파로 되나, 고주파용의 건 다이오드의 입수가 곤란할 때 저주파용 건 다이오드를 이용하여 고주파용의 증폭기를 제작할 수가 있게 된다. 즉, 도 5와 같은 다층스페이스 NRD 구조에서 금속판(1) 간격이 큰 즉 낮은 주파수 층에서 낮은 주파수의 건 다이오드(5)를 이용하여 부성저항이 일어나게 바이어스 전압을 공급하고, 두 금속판(3)의 간격이 적은 층에 건 다이오드 발진주파수보다 높은 2채배, 3채배 주파수의 유전체전송선로(13, 15, 17)를 배치하여 그 사이에 높은 주파수(채배주파수)에 공진이 되는 스트립 공진기(9)나 리드형의 공진기를 연결하여 고조파를 이용하여 부성저항특성을 이용하여 반사파의 크기를 크게하여 증폭을 할 수가 있다.

이와 같이하여 건 다이오드의 사용주파수보다 2배, 혹은 3배의 높은 주파수에도 증폭기로 사용이 가능한 다층구조의 유전체선로에서 채배식 증폭기의 제작이 가능하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 건다이오드를 이용한 증폭기를 다층 스페이스 비방사유전체선로 구조를 이용하여 제작사용하므로써, 다양한 주파수로 증폭하기 위해 다수개의 패키지를 제조하지 않아도 되므로 경제적인 잇점을 수반한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

1. 복수개의 간격을 가지는 금속판들 중에 특정 간격의 두 금속판 사이에 실장된 건 다이오드;

   다른 특정 간격의 두 금속판 사이에 서큘레이터에 결합되어 입력단으로부터 들어온 입력파를 서큘레이터로 전송하는 제1 비방사유전체선로;

   상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터로부터 들어온 입력신호를 상기 건 다이오드에 전송하고 그 증폭된 신호를 다시 상기 서큘레이터에 전송하는 제2 비방사유전체선로;

   상기 서큘레이터에 결합되어 상기 서큘레이터에 들어온 증폭신호를 출력부로 전송하는 제3 비방사유전체선로; 및

   상기 건 다이오드와 상기 비방사유전체 선로를 연결하는 스트립공진기로 이루어지며, 건다이오드의 부성저항의 특성을 이용하여 반사계수를 1보다 크게 함으로써 증폭기로 작동시키는 것을 특징으로 하는 고주파 증폭회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 건 다이오드를 간격이 일정한 두 금속판 사이에 실장하고,

   상기 비방사유전체선로는 증폭시킬 주파수에 따라 또 다른 일정한 간격의 금속판 사이에 실장하여 다층 스페이스 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고주파 증폭회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 서큘레이터와 상기 비방사유전체 선로의 연결을 모드서프레서로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 증폭회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 건 다이오드와 비방사유전체 선로의 연결을 다이오드 동작주파수를 기본 발진주파수의 채배 주파수에 공진시키는 채배식 스트립공진기로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 증폭회로.