KR100392497B1 - Nrd 가이드를 이용한 밀리미터파 대역의 qpsk 변조기 - Google Patents

Nrd 가이드를 이용한 밀리미터파 대역의 qpsk 변조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역의 QPSK 변조기에 대한 것이다. NRD 가이드용 서큘레이터(Circulator), NRD 가이드 종단 선로 및 PIN 다이오드 스위치를 이용하여 VSWR 특성이 우수하고, QPSK 변조시 위상 차이(0, π/2, π 및 3π/2)에 의한 출력 편차의 크기가 매우 낮아 위상 변조 특성이 우수해져 밀리미터파 대역에서 수백 Mbps이상의 초고속 통신기에 활용이 가능한 QPSK 변조장치로 사용될 수 있다.

Description

NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역의 QPSK 변조기{NRD Guide QPSK Modulator for Millimeter Wave}
본 발명은 밀리미터파 대역에서 NRD 가이드(Non Radiative Dielectric Waveguide : 비방사성유전체도파관)용 서큘레이터, NRD 가이드 후방 테프론 선로 및 PIN다이오드를 이용한 밀리미터파 대역 QPSK 변조기에 관한 것이다.
무선통신기기의 전송데이터 양을 높이기 위해서는 사용주파수를 높여 짧은 시간 내에 많은 양의 데이타를 전송 할 수 있게 하여야 한다. 그러나 사용주파수가 높아지면 파장이 짧아짐으로 인하여 전송 손실이 발생하게 된다. 일반적으로 마이크로파 이상의 대역을 처리하는 기술로 MMIC 방법을 생각할 수 있으나 이 기술은 사용주파수가 50GHz에서 1m에 60dB 정도의 급격한 전송손실이 발생한다. 즉 이러한 기술로는 높은 주파수에 대한 회로의 구성이 어렵다.
그러나 비방사성유전체 도파관(NRD Waveguide)은 도전성 평행 평판의 간격을 사용하고자 하는 주파수의 반파장 이하로 하고, 그 사이에 비방사성 유전체 선로를 삽입함으로 새로운 개념의 밀리미터파 대역의 전송선로를 구현할 수 있다.
NRD 가이드는 30GHz 이상의 높은 주파수에 대하여 기존 MMIC 방법에 의한 통신기기보다 낮은 전송손실을 갖는 통신기를 구현할 수 있고, 또한 기존의 도파관에 비해 가공이 쉽고 회로구성이 용이한 장점을 가지고 있다.
또한 기존의 데이타 전송 변조 방식인 PSK(BPSK 및 QPSK) 변조기는 서큘레이터의 단락부에 스위치를 접속한 반사형 방식으로서, 이것은 마이크로파 대역에서의 데이타 전송시에는 비교적 양호한 변조 특성을 가질 수 있다.
그러나 초고속 광대역 데이타 전송시, 사용주파수인 30∼300GHz의 밀리미터파 대역에 있어서, 기존 PSK(BPSK 및 QPSK)변조 방식을 적용할 경우에는 초고속 데이타 전송율이 낮아지고, 후방 선로와 다이오드 마운트와의 부정합 문제로 인해 PIN 다이오드 ON/OFF시 위상 차이(Phase Shift)에 의한 출력 편차가 커지는 단점이 있다. 위상 차이에 의한 반사손실이 증가하여 출력편차가 심하게 커져 밀리미터파 대역에서의 변조방식으로는 적합하지 못한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법으로,
NRD 가이드용 서큘레이터, NRD 가이드용 후방 테프론선로 및 스위칭 소자인 PIN 다이오드를 이용하여 NRD 가이드용 BPSK 변조기를 설계한 후 이를 이용하여 입력과 출력의 위상차가 0, π/2, π, 3π/2로 변화되며, 위상차로 인한 출력편차의 발생을 감소시킨 QPSK 변조 장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 NRD 가이드용 BPSK 변조기에 있어서, 입력과 출력의 위상차가 0, π로 변화하는 NRD 가이드용 1차 BPSK 변조기(18)와 입력과 출력의 위상차가 π/2, 3π/2로 변화하는 2차 BPSK 변조기(19)를 각각 구현한다.
그리고 1차 BPSK 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)는 공통 NRD 가이드 선로(17)로 서로 연결하여 최종적으로 QPSK 변조 장치를 구현한다.
또한 본 발명에 있어서, PIN 다이오드 ON/OFF시 입력과 출력의 위상차로 인한 출력편차를 줄이기 위해 고유전율 박판 시트(11, 12, 13, 14)를 전방 테프론(5, 6) 및 후방 테프론(9, 10) 사이에 삽입한 후 PIN 다이오드 마운트(7, 8)와 정합을 이루어 위상차이에 의한 밀리미터파의 출력편차를 줄여 전송효율을 높이도록 한다.
또한 본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역(30∼300GHz)의 여러 주파수에서도 본 발명을 인용하여 실시할 수 있도록 하며, 스위칭 소자로써 PIN 다이오드(22) 뿐만 아니라 캐리어(carrier) 축적 시간이 짧고 스위칭 속도가 매우 빠른 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 이용하여 Gbps이상의 변조 특성을 얻도록 한다.
도 1: 본 발명에 있어서 NRD 가이드 회로를 이용한 60GHz대 QPSK 변조기의 사시도
도 2: 1차 BPSK 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)에 의한 QPSK 변조기의 평면도
도 3: 도 2에 대한 QPSK 변조의 원리도
도 4: PIN 다이오드 마운트(7, 8)의 평면도
도 5: PIN 다이오드 마운트(7, 8) 및 고유전율 박판시트(11, 12, 13, 14)를삽입한 QPSK 변조기 차단 포트 종단 선로의 단면도
도 6: 실시예에 있어서, 고유전율 박판시트(11, 12, 13, 14)를 PIN 다이오드마운트(7, 8) 양측에 삽입하였을 때 박판 시트의 두께를 변화시켜가며 측정한 정재파비(VSWR) 특성
도 7: NRD 가이드용 서큘레이터의 전송손실 특성
도 8: 1차 BPSK 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)의 각 PIN 다이오드(7, 8) ON/OFF에 따른 위상 0, π/2, π 및 3π/2 변환시의 출력편차 특성
도 9: BPSK 변조기에 있어서, 사용주파수 60 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 0, π 위상 변환시의 위상 차이 특성
도 10: QPSK 변조기에 있어서, 사용주파수 60 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 0, π/2, π 및 3π/2 위상 변환시의 위상 차이 특성
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부도체판
2: 하부도체판
3: 입력포트의 NRD 가이드 선로
4: 출력포트의 NRD 가이드 선로
5: 1차 BPSK 변조기 차단 포트의 NRD 가이드용 전방 테프론(Teflon) 선로
6: 2차 BPSK 변조기 차단 포트의 NRD 가이드용 전방 테프론(Teflon) 선로
7: 1차 BPSK 변조기 차단 포트의 PIN 다이오드 마운트
8: 2차 BPSK 변조기 차단 포트의 PIN 다이오드 마운트
9: PIN 다이오드 마운트에서 후방 테프론 반사점까지 길이가 L인 NRD 가이드종단 선로
10: PIN 다이오드 마운트에서 후방 테프론 반사점까지 길이가 2L인 NRD 가이종단 선로
11, 12, 13, 14: 고유전율 시트(High Permittivity Sheet)
15, 16: Semi-Rigid 케이블을 이용한 바이어스 선로
17: 1차 및 2차 BPSK 변조기 공통 NRD 가이드 선로
18: 1차 BPSK 변조기
19: 2차 BPSK 변조기
20: 1차 BPSK 변조기에서의 서큘레이터
21: 2차 BPSK 변조기에서의 서큘레이터
22: PIN 다이오드
23a, 23b: 금속 박막
24: 입사파(Incident wave)
25: 위상 zero인 반사파
26: 위상 π인 반사파
27: 위상 π/2인 반사파
28: 위상 3π/2인 반사파
29: 출력파(4PSK)
본 발명의 NRD 가이드용 밀리미터파 대역의 QPSK 변조기에 있어서,
1차 BPSK 변조기 및 2차 BPSK 변조기를 가각 구성하여 공통 NRD 가이드 선로로 연결하여 QPSK 변조가 되도록 하였다. 도 1은 NRD 가이드용 밀리미터파 대역의 QPSK 변조기의 사시도이다.
도 1에 있어서, NRD 가이드 선로는 2.04의 유전율을 갖는 PTFE(Teflon)를 사용하였으며, 상하도체판(1, 2)의 간격은 사용주파수 60GHz에서 NRD 가이드 이론에 의해 반 파장이하인 2.25mm로 하였고, NRD 가이드의 폭은 2.5mm로 하였다.
또한 1차 BPSK 변조기(18)에서의 서큘레이터(20)를 중심으로 (3)은 BPSK 변조기의 입력 포트이며, 차단 포트는 전방 테프론 선로(5) 및 후방 테프론 선로(9) 사이에 PIN 다이이오드 마운트(7)가 삽입된 형태로 구성하였다.
또한 2차 BPSK 변조기(19)에서의 서큘레이터(21)를 중심으로 (4)는 출력 포트로 구성하였고, 차단 포트는 전방 테프론 선로(6) 및 후방 테프론(10)사이에 PIN 다이이오드 마운트(8)가 삽입된 형태로 구성하였다.
그리고 1차 BPSK 변조기의 출력 포트이면서 2차 BPSK에서는 입력 포트가 되는 NRD 가이드 선로(17)는 1차 BPSK 변조기 및 2차 BPSK 변조기의 공통 선로가 되도록 구성하여 최종적으로 QPSK 변조기를 구성하였다.
본 발명에 있어서, 도 2는 도 1의 평면을 나타낸 것이다. 1차 BPSK 변조기(18)의 차단 포트에 있어서, 바이어스 선로(15)를 통해 전압이 PIN 다이오드 마운트(7)에 인가되지 않을 때(OFF), 입력 포트(3)로 입사되는 밀리미터파는 PIN 다이오드 마운트(7)에서 반사되어 입력과 동위상(zero)가 되도록 하였고, 또한 전압이 인가(ON)될 경우에는 밀리미터파는 다이오드를 통과하여 후방 테프론(9)에서 반사되어 입력과 위상차가 π가 되도록 하기위해 후방 테프론(9)의 길이를 L로 정하였다.
또한 2차 BPSK 변조기(19)의 차단 포트에 있어서, 바이어스 선로(16)를 통해 전압이 PIN 다이오드 마운트(8)에 인가되지 않을 때(OFF), 입력 포트(17)로 입사되는 밀리미터파는 PIN 다이오드에서 반사되어 입력과 위상차(Phase Shift)가 π/2가 되도록 하고, 전압이 인가(ON)될 경우에는 밀리미터파는 다이오드를 통과하여 후방 테프론(10)에서 반사되어 입력과의 위상차가 3π/2가 되도록 하기 위해 후방 테프론(10)의 길이를 2L로 정하였다.
도 2에 있어서, QPSK 변조 방식을 설명하면 다음과 같다.
1차 BPSK 변조기(18)의 PIN 다이오드(22)와 2차 BPSK 변조기(19)의 PIN 다이오드(22)가 동일하게 OFF이면 출력측(4)에 위상이 0(zero)인 밀리미터파(25) 출력된다. 또한 1차 BPSK 변조기(18)의 PIN 다이오드(22)가 ON이고, 2차 BPSK 변조기(19)의 PIN 다이오드(22)가 OFF이면 출력측(4)에 위상이 π/2인 밀리미터파(26)가 출력된다. 또한 1차 BPSK 변조기(18)의 PIN 다이오드(22)가 OFF이고, 2차 BPSK 변조기(19)의 PIN 다이오드(22)가 ON이면 출력측(4)에 위상이 π인 밀리미터파(27)가 출력된다. 또한 1차 BPSK 변조기(18)의 PIN 다이오드(22)가 ON이고, 2차 BPSK 변조기(19)의 PIN 다이오드(22)가 ON이면 출력측(4)에 위상이 3π/2인 밀리미터파(28)가 출력된다.
본 발명에 있어서, 도 3은 도 2에 대한 동작 원리를 좀 더 상세히 설명한 부분도이다. 도 3에 있어서, 바이어스선로를 통해서 인가되는 전압과 입력포트로 입사되는 반송파를 PIN 다이오드와 서큘레이터에 각각 인가하는 경우, 바이어스 선로를 통해 인가되는 전압이 없을 경우 PIN 다이오드는 OFF되고, 반송파는 PIN 다이오드에서 반사되어 입사파와 동위상으로 출력된다. 반면에 바이어스 선로를 통해 전압이 인가되는 경우 PIN 다이오드는 ON되고 반송파는 PIN 다이오드를 통과하여 NRD 가이드 선로 종단에서 반사되어 입사파와 위상차가 있게 된다.
또한 도 3에 있어서, PIN 다이오드에서 NRD 가이드 선로 종단의 반사점까지의 길이를l, 관내파장을 λg라 하면, PIN 다이오드의 ON/OFF에 의하여 반송파 출력의 위상차 Δθ는 거리차 만큼 변화므로 Δθ=2l×2π/λg=4l×π/λg로 된다.
따라서 각 NRD 가이드 후방 테프론 종단선로(9, 10)에서의 위상차는l=L=λg/8→Δθ=π/2,l=2L=λg/4→Δθ=π 로 되어 이것을 2비트의 부호펄스로 스위칭하면 입력과 출력의 위상차는 0, π/2, π, 3π/2로 변화하기 때문에 QPSK(4PSK)로 변조된다.
본 발명에 있어서, 도 4는 PIN 다이오드 마운트(7, 8)의 평면도이다. PIN 다이오드(22)를 유전율이 2.6이고 두께가 0.3 mm인 유전체 기판의 초크(choke)형태의 금속 박막(23a, 23b) 위에 장하시켰다. 이때, 금속 박막(23a, 23b)에 PIN 다이오드(22)가 장하되는 부분은 두개의 안테나로 구성되어 있는 형태이다. 또한 다이오드 마운트(7, 8)에 PIN 다이오드(22) 뿐만 아니라 보다 초고속 변조가 가능한 소자로 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 장하하여 구성할 수 있다.
도 4에 있어서, PIN 다이오드(22)에 순방향 바이어스가 흐를 경우에는 두 금속 박막(23a, 23b) 사이는 이어져 입사하는 전파를 흡수하게 되며, 반대로 역방향 바이어스가 흐를 경우에는 두 금속 박막(23a, 23b)이 분리되어 입사하는 전파를 반사하는 형태가 된다. 즉 PIN 다이오드(22)에 바이어스 전압을 인가하면 PIN 다이오드 마운트(7, 8)로 입사하는 전파는 흡수가 되고, 바이어스 전압을 인가하지 않으면 PIN 다이오드 마운트(7, 8)로 입사하는 전파는 반사가 된다.
본 발명에 있어서, 도 5는 PIN 다이오드 마운트(7, 8) 및 고유전율 박판시트(11, 12, 13, 14)가 삽입된 차단 포트 선로의 단면도이다.
따라서 본 발명에 있어서, 도 5에서와 같이 QPSK 변조기에서 고유전율 박판시트(11, 12, 13, 14)를 전방 테프론 선로(5, 6) 및 후방 테프론 선로(9, 10)PIN 다이오드 마운트(7, 8) 양측에 삽입하여 PIN 다이오드 마운트(7, 8)와의 정합 및 그 후방 테프론 종단 선로와의 정합을 얻도록 구성하였다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도 6은 도 5에서와 같이 QPSK 변조기에서 고유전율 박판(11, 12, 13, 14)을 PIN 다이오드 마운트(7, 8) 양측에 삽입하였을 때 고유전율 박판 시트(11, 12, 13, 14)의 두께를 변화시켜가며 PIN 다이오드 마운트(7, 8)로부터의 정재파비(VSWR)를 60GHz에서 측정한 결과, 바이어스 전압이 PIN 다이오드 마운트(7, 8)에 인가되는 경우(ON) 고유전율 박판 시트(11, 12, 13, 14)의 두께가 0.12mm 일 때에 정재파비가 최소가 되었다. 또한 바이어스 전압이 PIN 다이오드 마운트(7, 8)에 인가되지 않는 경우(OFF)에는 고유전율 박판 시트(11, 12, 13, 14)의 두께가 0.22mm 일 때에 정재파비가 최소가 되었다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도 7은 NRD 가이드용 1차 및 2차 BPSK 변조기(18, 19)에서의 서큘레이터(20, 21)의 전송손실 특성을 나타낸 것이다. 사용주파수 60GHz대에서 20dB 정도의 Isolation대역 2.5 GHz와 대역 내에서의삽입손실(Insertion Loss)이 0.5dB이하로써 저손실 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도 8은 사용주파수 60GHz대에서 1차 및 2차 BPSK 변조기(18, 19)의 PIN 다이오드(22) ON/OFF시 위상 차(0, π/2, π 및 3π/2)에 따른 출력편차를 나타낸 것이다. PIN 다이오드(22)가 ON일 때 전송손실은 5.6dB 정도이고 OFF일 때는 전송손실은 4.2dB 정도로 출력편차는 1.4dB 정도로 낮았으며, 이것은 PIN 다이오드(22)의 삽입손실에 의한 것으로, 위상차이에 의해 나나타나는 큰 폭의 출력편차를 크게 줄일 수 있었다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도 9는 1차 BPSK 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)에서 각각 사용주파수 60 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 위상 0, π 변환시의 위상 차를 나타낸 것이다. 위상 차는 59.6 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 180°±10°의 양호한 특성을 얻을 수 있었다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도 10은 1차 및 2차 BPSK 변조기를 이용하여 QPSK 변조기를 구성한 후 사용주파수 60 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 위상 0, π/2, π 및 3π/2 변환시의 위상 차를 나타낸 것이다. 위상 차는 59.6 GHz를 중심으로 1GHz 대역 내에서 90°±6°의 우수한 특성을 얻을 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 NRD 가이드용 1차 BPSK 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)를 이용하여 전송손실이 적고 , 빠른 스위칭 속도를 가지며 회로 구성이 단순한 QPSK 변조기로 구성하였고, 밀리미터파 대역에서 수백 Mbps 이상의초고속 변조가 가능하여 변조 특성이 양호한 변조기를 구현할 수 있다.
또한 QPSK 변조시 위상차이로 인한 큰 출력편차를 줄이기 위해 1차 및 2차 BPSK 변조기(18, 19)의 차단포트 영역(5, 6)의 PIN 다이오드 마운트(7, 8)의 전·후방 양측면에 고유전율의 박판시트(11, 12, 13, 14)를 삽입하여 위상차이로 인한 출력편차의 크기를 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 60 GHz 대역을 기준으로 하였으며, 밀리미터파 대역(30∼300GHz)의 여러 주파수에서도 본 발명을 인용하여 실시할 수 있고, 스위칭 소자로써 PIN 다이오드 뿐만 아니라 캐리어(carrier) 축적 시간이 짧아 스위칭 속도가 매우 빠른 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 다이오드 마운트에 장하하여 Gbps이상의 변조 특성을 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 QPSK 변조기에 있어서,
    1차 BPSK 변조기(18)와 2차 BPSK 변조기(19)가 공통 NRD 가이드 선로(17)로 연결되고;
    또한 1차 BPSk 변조기(18) 및 2차 BPSK 변조기(19)의 각각 NRD 가이드 전방 테프론(5, 6) 및 후방 테프론(9, 10) 선로 영역 사이에 가로 방향으로 PIN 다이오드 마운트(7, 8)를 삽입하고;
    상기 각각의 PIN 다이오드 마운트(7, 8) 양측면에 박판시트(11, 12, 13, 14)가 삽입된 구조로 하여 QPSK 변조가 되는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역 QPSK 변조기.
  2. 제 1항에 있어서, 1차 BPSK 변조기(18)는,
    1차 변조를 위해 차단 포트의 전방 테프론선로(5)와 후방 테프론선로(9) 사이에 PIN 다이오드 마운트(7)를 삽입하고;
    이 때 바이어스 선로(15)를 통해 전압이 인가되지 않을 때(OFF) 입력 포트(3)로 입사되는 밀리미터파가 PIN 다이오드에서 반사되어 입력과 동위상(zero)가 되도록 하고;
    전압이 인가(ON)될 경우에는 밀리미터파는 다이오드를 통과하여 후방 테프론(9)에서 반사되어 입력과 위상차가 π가 되도록 하기위해 후방 테프론(9)의길이가 L인 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역 QPSK 변조기.
  3. 제 1항에 있어서, 2 차 BPSK 변조기(19)는,
    2차 변조를 위해 차단 포트의 전방 테프론선로(6)와 후방 테프론선로(10) 사이에 PIN 다이오드 마운트(8)를 삽입하고, 이 때 바이어스 선로(16)를 통해 전압이 인가되지 않을 때(OFF) 입력 포트(17)로 입사되는 밀리미터파가 PIN 다이오드에서 반사되어 입력과 위상차(Phase Shift)가 π/2가 되도록 하고, 전압이 인가(ON)될 경우에는 밀리미터파는 다이오드를 통과하여 후방 테프론(10)에서 반사되어 입력과 위상차가 3π/2가 되도록 하기 위해 후방 테프론(10)의 길이가 2L인 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역 QPSK 변조기.
  4. 제 1항에 있어서, 고유전율 박판 시트(11, 12, 13, 14)는,
    1차 및 2차 BPSK 변조기(18, 19)의 각각 NRD 가이드 전방 테프론(5, 6) 및 후방 테프론(9, 10) 선로 영역 사이와 PIN 다이오드 마운트(7, 8)와의 최적의 임피던스 정합을 얻고, 또한 PIN 다이오드 ON/OFF일 때의 위상 차이에 의한 큰 출력 편차를 줄이기 위해 전방 테프론(5, 6) 및 후방 테프론(9, 10) 사이에 삽입된 PIN 다이오드 마운트(7,8) 양측면에 박판시트(11, 12, 13, 14)가 부착된 구조를 특징으로 하는 NRD 가이드 밀리미터파 대역 QPSK 변조기.
  5. 제 1항에 있어서, 다이오드 마운트(7, 8)에 장하되는 다이오드는,
    PIN 다이오드 및 초고속 변조 스위칭 소자로 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 다이오드 마운트에 장하하는 것을 특징으로하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역 QPSK 변조기.
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JP2000174512A (ja) * 1998-12-08 2000-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｎｒｄガイドｂｐｓｋ変調器

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JP2000174512A (ja) * 1998-12-08 2000-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｎｒｄガイドｂｐｓｋ変調器

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