KR100494569B1 - 비방사 유전체 도파관을 이용한 서큘레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비방사 유전체 도파관을 이용한 서큘레이터를 개시한다. 서큘레이터는 상부도체판과 하부도체판으로 이루어지며, 하부도체판의 바닥에는 그 중앙부에서 반경방향으로 연장되는 3개의 가이드홈 쌍이 120° 간격으로 형성되고, 각 가이드홈 쌍은 소정의 폭을 갖는 가이드레일을 형성하도록 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 가이드 홈으로 이루어지는 평판 하우징과 상기 평판 하우징에 내장되는 서큘레이터 회로부를 갖는다. 서큘레이터 회로부는 특히 하부도체판의 중앙부에 위치하는 유전체 공진부와, 이를 중심으로 3개의 가이드레일을 따라서 그 위에 놓여지는 제1포트, 제2포트 및 제3포트를 갖는다. 제1포트, 제2포트 및 제3포트 각각은 유전체 선로와, 유전체 공진부와 상기 유전체 선로 사이에 배치되는 모드 서프레서와, 유전체 선로 각각과 유전체 공진부 간의 임피던스를 정합시켜 유전체 공진기 부근의 입력파의 반사를 줄여 반사손실을 개선하기 위한 모드 서프레서와 유전체 공진부 사이에 삽입되는 5λ/4 길이의 임피던스 정합용 유전체 선로를 갖는다. 유전체 공진부는 유전체로 만들어진 원통형 공진기와 원통형 공진기의 상부와 하부에 가공성과 비용이 페라이트에 비해 상대적으로 우수한 원판형 고무자석을 부착하여 구성한다.

Description

비방사 유전체 도파관을 이용한 서큘레이터 {Circulator using a non-radiative dielectric waveguide}

본 발명은 비방사 유전체 도파관(Non-Radiative Dielectric Waveguide: NRD guide)을 이용한 회로 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밀리미터파 대역에서 사용될 수 있는 비가역 소자로서 송신 신호와 수신 신호를 분리하기 위해 사용되는 서큘레이터(circulator)에 관한 것이다.

밀리미터파 집적회로용 비방사 유전체 도파관을 이용해서 필터, 커플러(coupler) 등 실용적인 각종 회로소자가 구현되고 있다. 서큘레이터도 대표적인 비가역 회로 소자로서 응용상의 중요성으로 인해, 도파관, 마이크로스트립(microstrip), 핀라인(finline) 그리고 이미지 가이드(image guide)와 같은 여러 가지 타입의 전송선로를 이용해 개발되어져 왔다. 또한 고성능 서큘레이터는 밀리미터파 응용을 위해 최근에 제안된 비방사 유전체 도파관 집적회로를 설계하는 데 있어 필수적으로 요구된다.

서큘레이터는 입력 및 출력의 방향이 여러 단자간에서 순환적으로 정해져 있는 회로를 말하며, 주로 송수신 공용회로, 분파기나 UHF의 텔레비젼 수상기 등에 응용된다. 비방사 유전체 도파관 서큘레이터는 입력에 대한 출력방향을 특정되도록 하여 원치 않는 방향으로 무선신호가 전달되는 것을 억제하고 원하는 방향으로만 무선신호가 전달되도록 하는 역할을 한다.

도 7과 도 8은 "NRD Guide Circuit, Radar Module and Radar Apparatus"라는 제목의 미국특허번호 제 5,781,086호에 의해 개시된 종래의 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 구조를 도시한다. 이에 따르면, 서큘레이터 회로는 입력 라인부(12), 출력라인부(13) 및 터미널 라인부(14)가 공진기로 작용하는 중앙 링(11)으로부터 반경방향으로 연장되고, 리세스부(15)와 유전체 블록(22) 사이에 모드 서프레서 기판(21)이 내삽되며, 두 개의 페라이트 디스크(23)가 중앙 링(11)의 상하부에 장착되는 구조를 갖는다.

그런데, 페라이트 디스크(23)는 직경과 두께가 각각 대략 수 mm와 1mm 이내로 매우 작고 특히 두께가 매우 얇아서 제작상 초 정밀도의 가공성을 갖는 커팅머신(cutting machine)을 사용해야 하므로 제작비가 저렴하지 않고, 페라이트를 이와 같이 얇게 가공하는 것이 용이하지 않아 제작상의 여러 가지 어려움이 많다.

또한, 서큘레이터 회로는 서로 마주보면서 평행하게 유지되는 하부도체판(32)과 상부도체판(비도시) 사이에 배치되는데, 이때 세 단자의 밸런스를 맞추기 위해 입력 라인부(12), 출력라인부(13) 및 터미널 라인부(14)가 120° 간격으로 정확히 배치되어야 한다. 그런데, 종래의 서큘레이터의 구조에는 편리하게 세 개의 라인부를 120°의 등간격으로 정확하게 배치할 수 있는 방안이 고려되어 있지 않아, 제작상의 어려움으로 인해 대량생산에 적합하지 않았다.

나아가, 종래에는 입력 라인부(12), 출력라인부(13) 및 터미널 라인부(14) 각각과 페라이트 공진기(11, 23) 사이의 입력임피던스가 완전한 정합을 이루지 못하여 페라이트 공진기(11, 23) 부근에서 입력파의 반사가 일어나 반사손실이 발생하는 경우도 있었다.

본 발명은 유전체 공진기를 중심으로 세 개의 유전체 선로가 120° 씩 정확하게 위치시킬 수 있고, 유전체 공진기와 유전체 선로간의 임피던스 정합을 보장하며, 페라이트에 비해 가공성과 비용 면에서 비교우위를 갖는 다른 물질로 된 유전체 공진기용 디스크를 채용하는 서큘레이터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 상부도체판과 하부도체판으로 이루어지며, 상기 하부도체판의 바닥에는 그 중앙부에서 반경방향으로 연장되는 3개의 가이드홈쌍이 120° 간격으로 형성되고, 상기 각 가이드홈쌍은 소정의 폭을 갖는 가이드레일을 형성하도록 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 가이드 홈으로 이루어지는 평판 하우징; 및 상기 평판 하우징에 내장되는 서큘레이터 회로부를 구비하는 비방사 유전체 도파관 서큘레이터가 제공된다.

특히, 상기 서큘레이터 회로부는 상기 하부도체판의 중앙부에 위치하는 유전체 공진부; 및 상기 유전체 공진부를 중심으로 3개의 상기 가이드레일을 따라서 그 위에 놓여지는 제1포트, 제2포트 및 제3포트를 구비한다. 또한, 상기 제1포트, 제2포트 및 제3포트 각각은 유전체 선로; 및 상기 유전체 공진부와 상기 유전체 선로 사이에 배치되는 모드 서프레서를 포함하여 이루어진다.

바람직하게는, 상기 서큘레이터 회로부는, 상기 유전체 선로 각각과 상기 유전체 공진부간의 임피던스를 정합하기 위해, 각각의 상기 모드 서프레서와 상기 유전체 공진부 사이에 삽입되는 5 λ/4 길이의 임피던스 정합용 유전체 선로를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 유전체 공진부는 유전체로 만들어진 원통형 공진기와 상기 원통형 공진기의 상부와 하부에 부착되는 원판형 고무자석을 구비하여 구성된다.

본 발명의 다른 특징과 잇점은 아래의 상세한 설명과 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 예시하는 첨부하는 도면을 참조하면 보다 명확해질 것이다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 조립상태의 외관을 도시하며, 도 2는 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 분해상태를 도시한다.

비방사 유전체 도파관 서큘레이터는 평행 도체판면을 제공해주는 하부도체판(10a)과 상부도체판(10b) 사이에 유전체 선로를 이용한 서큘레이터 회로부(20)를 실장한 구조를 취한다. 하부도체판(10a)의 바닥에는 그 중앙부에서 반경방향으로 하부도체판(10a)의 모서리까지 연장되는 3개의 가이드홈쌍(26a, 26b, 26c)이 정확히 120° 간격으로 형성된다. 각 가이드홈쌍(26a, 26b, 26c)은 소정의 폭을 갖는 가이드레일(28a, 28b, 28c)을 형성하도록 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 가이드 홈으로 이루어진다. 그리고 하부도체판(10a)의 경계턱에는 누설파를 차단하기 위한 홈(38)이 형성되며, 하부도체판(10a)과 상부도체판(10b)은 다각형 혹은 원형으로 만들고 서큘레이터 회로부(20)를 내장한 다음 다수개의 나사못(40a, ..., 40f)으로 나사 결합하여 만든다.

서큘레이터 회로부(20)는 하부도체판(10a)의 중앙부에 위치하는 유전체 공진부(24)와 하부도체판(10a)의 바닥면에 형성된 3개의 가이드레일(28a, 28b, 28c)을 따라서 그 위에 각각 놓여지는 3개의 포트(P1, P2, P3)로 구성된다.

도 3은 도 2에 도시된 서큘레이터 회로부(20)의 구성을 보다 구체적으로 보여주기 위한 분해사시도 이며, 도 4는 서큘레이터 회로부(20)의 치수 관계를 설명하기 위한 도면이다.

유전체 공진부(24)는 유전체 선로, 예컨대 테프론을 이용하여 원통형으로 만든 유전체 공진기(24c)와 이의 상부와 하부에 밀착되도록 부착되는 원판형 고무자석(24a, 24b)(제품번호 예: JH016R)으로 구성된다. 비자화된 고무자석(24a, 24b)을 자화시키기 위해 하부도체판(10a)과 상부도체판(10b)의 중앙에 홈(30)을 내어 영구자석(비도시)을 삽입한다. 이에 의해, 입력포트(예컨대, P1 포트)로 들어온 전자파가 패러데이(Faraday)효과에 의해 한 쪽 방향으로만 회전하여 다른 특정 포트(예컨대, P2 포트)로 신호가 전달된다. 종래에는 페라이트를 디스크형태로 가공하여 원통형 공진기의 상하부에 부착하여 사용하였는데, 페라이트 디스크의 두께가 매우 얇기 때문에 제작상 초 정밀도의 가공성을 갖는 커팅머신(cutting machine)을 사용해야 하므로 제작비가 저렴하지 않다. 따라서 가공성이 용이하며 가격 면에서도 저렴하면서도 신호전달특성이 페라이트와 거의 유사한 고무자석을 종래의 페라이트 디스크의 대용으로 사용한다.

3개의 포트(P1, P2, P3) 각각은 유전체 공진기(24)를 중심축으로 하여 3개의 상기 가이드레일(28a, 28b, 28c) 위를 따라서 놓여지므로, 각 포트의 배치간격은 정확하게 120°가 보장된다. 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 경우 유전체 공진부(24)를 기준으로 유전체 선로(32, 32', 32")가 정확하게 120°씩 등간격으로 배열이 되어야 어느 포트에서 신호가 입력되어도 일정한 특성을 발휘할 수 있는 바, 유전체 선로의 밸런스가 조금이라도 어긋나면 신호가 입력되는 포트에 따라서 신호의 전달특성이 달라지는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에 의하면, 유전체 선로(32, 32', 32")가 놓여질 하부도체판(10a)에 유전체 선로를 안내하는 가이드 홈(26a, 26b, 26c)을 형성하여 가이드레일(28a, 28b, 28c)을 마련함으로써, 제작시 유전체 선로의 배치를 용이하게 할 수 있으면서도 정확한 간격으로 배치할 수 있도록 하여 3 포트의 밸런스를 균일하게 맞추어 균일한 신호전달특성을 얻을 수 있다.

제1 포트(P1)는 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합용 유전체 선로(36), 비방사 유전체 도파관 상에 발생할 수 있는 불필요 모드(mode)를 억제하기 위한 모드 서프레서(mode suppressor)(34) 및 전자파의 입출력을 위한 유전체 선로(32)가 유전체 공진부(24)의 외측으로부터 가이드레일(28a)을 따라서 반경방향으로 연장하면서 연속적으로 배치되는 구성을 갖는다. 제2포트(P2)와 제3포트(P3)도 제1포트(P1)와 동일한 구성을 갖는다.

모드 서프레서(34)는 두 개의 유전체 블록(34a, 34b) 사이에 스텝 임피던스 구조의 저역통과필터 패턴으로 형성된 LSE 모드 서프레서기판(34c)을 삽입한 구조로 만들어진다. 이 모드 서프레서(34)는 LSE 모드를 억제해주기 위해 채용되는데, 유전체 선로(32)를 통해 전달되는 전자파의 중앙 자계면에 삽입되어 LSM 모드의 통과는 허용하고 LSE 모드의 통과는 억제하여 LSE 모드의 생성으로 인한 손실을 줄일 수 있게 해준다.

유전체 선로(32, 32', 32") 각각과 유전체 공진부(24) 사이의 임피던스 부정합으로 인한 삽입 손실의 발생을 막기 위해, 임피던스 정합용 유전체 선로(36, 36', 36") 각각을 모드 서프레서(34, 34', 34")와 유전체 공진부(24) 사이에 삽입 배치한다. 각 유전체 선로와 유전체 공진부 사이의 임피던스를 정합하기 위해 삽입한 임피던스 정합용 유전체 선로(36, 36', 36")의 길이는 통상 λ/4를 많이 사용하는데, 본 발명에서는 제작성을 고려하여 5λ/4의 길이를 갖는 임피던스 정합용 유전체 선로를 사용한다. 또한, 임피던스 정합용 유전체 선로(36, 36', 36")의 높이(h)는 유전체 선로(32, 32', 32")와 같으며 임피던스 정합용 유전체 선로(36, 36', 36")의 폭(W)을 조절하여 임피던스 정합을 실현하도록 한다 (도 4 참조).

도 5는 하부도체판에 형성된 가이드 홈을 따라 유전체 선로를 장착한 상태를 도시하는 부분절개도이고, 도 6은 도 5의 절단선 A-A의 단면을 도시한 단면도이다. 유전체 공진부(24)를 중심으로 정확하게 120°씩 유전체 선로(32)가 놓여질 위치에 유전체 선로를 가이드할 한 쌍의 가이드 홈(26a)을 유전체 선로(32)의 좌우측에 형성해 줌으로써 3포트의 밸런스를 균일하게 유지할 수 있다. 가이드 홈(26a)은 그 폭이 전파의 누설을 방지하기 위해 λ/4의 크기를 갖는 초크구조로 만들고 깊이는 대략 0.2mm이하로 얕게 하여 가이드 홈의 깊이에 대한 영향이 무시될 수 있도록 만든다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 한 쪽 도체판의 바닥에 유전체 선로가 놓여질 위치에 가이드 홈을 내어 유전체 선로를 120°의 등간격으로 정확하고 편리하게 배치시킬 수 있어 3포트의 정확한 밸런스를 유지할 수 있어 서큘레이터의 동일한 특성을 보장할 수 있고 대량 제작이 용이하다.

또한, 본 발명에 의하면, 유전체 선로와 유전체 공진부 사이의 입력임피던스를 정합시키기 위해 임피던스 정합용 유전체 선로를 삽입함으로써, 입력파의 반사를 줄일 수 있다. 여기서 임피던스를 매칭하기 위해 임피던스 정합용 유전체 선로의 폭을 적절히 정하여 정합을 시킬 수 있으며, λ/4 길이를 갖는 임피던스 정합용 유전체 선로는 제작상 용이하지 않은 점을 고려하여 임피던스 정합용 유전체 선로의 길이를 5λ/4로 하여 제작의 편리를 도모할 수 있다.

나아가, 종래의 사용되었던 페라이트 공진부의 얇은 페라이트 디스크는 가공이 용의 하지 않아 제작하기가 어렵다는 문제점을 고려하여 이 페라이트 디스크 대신 고무자석을 사용함으로써 생산성 향상과 생산단가의 저감을 도모할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서, 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위안에 속함을 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 조립상태의 외관을 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 비방사 유전체 도파관 서큘레이터의 분해사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 서큘레이터 회로부의 분해사시도 이다.

도 4는 서큘레이터 회로 소자들의 치수 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 하부도체판에 형성된 가이드 홈(guiding groove)을 따라 유전체 선로를 장착한 상태를 도시하는 부분절개도이다.

도 6은 도 5의 절단선 A-A의 단면을 도시한 단면도이다.

도 7과 도 8은 종래기술에 따른 서큘레이터의 구조를 도시한 도면이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10a : 하부도체판 10b : 상부도체판

P1 : 제1포트 P2 : 제2 포트

P3 : 제3포트 20 : 서큘레이터 회로부

24 : 유전체 공진부 24a, 24b : 원판형 고무자석

24c : 유전체 공진기 26a, 26b, 26c : 가이드 홈

28a, 28b, 28c : 가이드 레일 30 : 원형 홈

32, 32', 32" : 유전체 선로

34, 34', 34" : 모드 서프레서

36, 36', 36" : 임피던스 정합용 유전체 선로

Claims (3)

1. 상부도체판과 하부도체판으로 이루어지며, 상기 하부도체판의 바닥에는 그 중앙부에서 서로 간에 120˚의 간격을 가지면서 반경방향으로 연장되어 Y자 형태로 배치되는 3쌍의 가이드홈이 형성되고, 각 가이드홈 쌍은 그 사이에 가이드레일이 형성되도록 소정 폭 이격된 채 서로 평행하게 연장되는 평판 하우징; 및

   상기 평판 하우징에 내장되는 서큘레이터 회로부를 구비하는 구성을 가지며,

   상기 서큘레이터 회로부는 원통형 유전체공진기의 상부와 하부에 원판형 고무자석이 부가된 구조로 되어 상기 3쌍의 가이드홈의 일측 단부가 만나는 지점에 배치되는 유전체 공진부; 및 상기 유전체 공진부를 중심으로 3개의 상기 가이드레일을 따라서 그 위에 각각 놓여지는 제1포트, 제2포트 및 제3포트를 구비하며,

   상기 제1포트, 제2포트 및 제3포트 각각은 공히 5λ/4 길이의 임피던스 정합용 유전체 선로, LSE모드를 억제하기 위한 모드 서프레서 그리고 전자파의 입출력을 위한 유전체 선로가 상기 유전체공진기에서부터 차례로 일렬로 연결되는 구성을 가지며,

   상기 가이드홈은 전파의 누설을 방지하기 위해 그 폭이 λ/4 인 것을 특징으로 하는 비방사 유전체 도파관 서큘레이터.
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