KR100532324B1 - 서지 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 번개로부터 시스템을 보호하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 번개 등의 뇌방전(lightning discharges)으로 발생하는 임펄스 서지로부터 시스템을 보호하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 장치는 고주파 라인과, 순차적으로 연결되어 있는 λ/4 섹션으로서 형성된 제1디커플링 필터와 접지 사이에 가스 피뢰기를 포함하는 임펄스 서지로부터 장비를 보호하기 위한 장치로서, 상기 디커플링 필터와 가스 피뢰기 사이의 접점과 회로 내부로 유입되는 출력단 사이에 저주파 라인 및 제2 디커플링 필터가 직렬 연결되고, 상기 저주파 라인은 저전압 제한기와 로우 패스 필터를 포함하며, 상기 고주파 라인 상에 T자 형태의 하이 패스 필터가 연결됨을 특징으로 한다.

Description

서지 보호 장치{SURGE PROTECTION DEVICE}

본 발명은 번개로부터 시스템을 보호하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 번개 등의 뇌방전(lightning discharges)으로 발생하는 임펄스 서지로부터 시스템을 보호하기 위한 장치에 관한 것이다.

통상적으로 무선 통신 시스템은 무선 교환 시스템(MSC)과, 그 하위에 연결되는 다수의 기지국 제어기(BSC)와 기지국 제어기의 하위에 연결되는 다수의 기지국(BTS)들이 구비된다. 이러한 무선 통신 시스템에서 무선 교환 시스템과, 기지국 제어기는 일반적으로 건물의 내부에 위치하는 경우가 대부분이다. 따라서 건물에 구비된 뇌방전 보호 장치에 의해 임펄스 서지로부터 보호가 가능하며, 다만 선로 상에 발생할 수 있는 비교적 약전계의 임펄스 전압을 방지하기 위한 장치들이 구비된다.

한편, 기지국 제어기의 하위에 연결되는 기지국들은 무선 단말과 통신을 수행하기 위하여 일반적으로 건물의 외부에 설치되는 경우가 대부분이다. 이와 같이 기지국이 건물의 외부에 설치되는 경우에는 뇌전으로부터 보호가 필수적인 요소가 된다. 왜냐하면, 기지국들은 무선 안테나를 가지므로, 뇌전에 매우 취약한 형태이다. 그러므로 뇌전이 발생하면, 기지국의 안테나를 통해 순간적인 고전압의 전류가 발생하게 되며, 이로 인하여 반도체 소자들로 구성되는 기지국 시스템이 손상될 우려가 크기 때문이다. 따라서 뇌전으로부터 기지국 장치를 보호하기 위하여 여러 가지의 서지 보호 장치를 개발하고 있다.

일반적으로 사용되는 서지 보호 장치로는 피뢰기(Arrestor)가 사용되고 있으며, 그 형태는 주로 하기의 4가지 형태 중 하나를 가진다. 첫 번째 경우가 고주파 필터(High Pass Filter)를 사용하는 피뢰기이고, 두 번째 경우가 가스 캡슐(Gas Capsule)을 사용하는 피뢰기이며, 세 번째 경우가 λ/4 단락 스터브 피뢰기(shorting stub Arrestor)이고, 마지막의 경우가 반도체(TVS : Transient Voltage Suppressor)를 사용하는 피뢰기이다. 이러한 각각의 피뢰기들은 하기와 같은 문제가 있다.

첫째로, 상기 고주파 필터(High Pass Filter)를 사용하는 피뢰기의 경우 높은 인덕턴스(Inductance) 값 때문에 잔류 펄스 레벨(Residual pulse level)이 높다는 문제가 있다. 즉, 인덕턴스는 고주파에 대하여 매우 큰 저항을 갖는 반면에 고주파 입력 이후에 잔류 펄스를 발생하는 문제가 있다.

둘째로, 가스 캡슐(Gas Capsule)을 사용하는 피뢰기의 경우 동적 스파크의 과전압(Dynamic spark over voltage)보다 낮은 전압의 서지에서는 동작하지 않는 특성을 지닌다. 그런데, 일반적으로 동적 스파크의 과전압은 900V로서 매우 높은 전압이다. 동적 스파크의 과전압이 높게 설정되어 있으므로 그 이하의 과전압 예를 들어 500V 또는 600V 등의 과전압에서는 동작하지 않는 문제가 있다. 그러므로 반도체 소자들로 구성되는 기지국에서는 이러한 과전압 소자를 사용하는 경우 동작하지 않는 과전압에 대하여는 시스템을 보호할 수 없는 문제가 있다.

셋째로, λ/4 단락 스터브 방지기(shorting stub Arrestor)의 경우에는 모든 특성에서 우수한 성능을 보인다. 그러나 스터브(Stub)가 접지와 단락되어 있기 때문에 기지국 시스템의 경우에는 사용이 어려운 문제가 있다. 이를 좀더 상세히 설명하면, 안테나의 전력 공급선(Antenna Feeder Line)을 통해 직류 전류를 공급해야만 한다. 왜냐하면, 기지국 시스템에 구비되는 안테나의 바로 다음 단에서 증폭기를 구비하여 동작하기 때문이다. 이는 송신을 위한 전력 증폭기(Power AMP)와 수신을 위한 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise AMP)가 안테나의 바로 다음 단에 위치하기 때문이다. 그러나, 스터브가 접지와 단락되어 있으므로, 스터브와 접지에 대한 저항이 매우 작으므로 직류 전류를 공급할 수 없다는 문제가 있다.

넷째로 반도체(TVS)를 사용하는 피뢰기의 경우 사용되는 소자가 반도체 소자이므로 큰 전류(Current)에 대한 저항력이 없어 낙뢰가 직접 시스템의 안테나로 유입되는 경우 실제적으로 낙뢰 방지를 할 수 없다는 문제가 있다.

그러면 상기한 장치들 중의 한 예를 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다. 도 1은 1999년 11월에 공개된 미국 특허 번호 5978199의 "EMP-Charge-Eliminator"에 기재되어 있는 발명에 따른 도면이다. 이하 상기 발명을 "원형(prototype)"이라 칭하기로 한다.

상기 도 1에 도시한 바와 같이 원형 장치는 입력단(1)과 출력단(2)을 연결하는 고주파 라인(3)을 포함한다. 또한 상기 고주파 라인(3)과 접지 사이에는 디커플링 필터(4)와 가스 피뢰기(5)가 직렬 연결된다. 상기 디커플링 필터(4)는 중심 통과 대역의 파장을 λ라 할 때, λ/4 라인을 포함하여 구성되었다.

그러면 상기한 구성을 가지는 장치의 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 피뢰기(5)의 응답 전압에 이르는 진폭을 갖는 서지 임펄스가 입력단(1)으로 입력되면, 상기 임펄스 전압은 디커플링 장치(4)를 통해 피뢰기(5)로 유입된다. 이와 같이 상기 피뢰기(5)로 입력된 임펄스 전압은 유효 임펄스(effecting impulse)가 되어 접지로 유입된다. 이를 통해 과도한 임펄스 전압이 유입되는 경우에 회로 내부로 과부하가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 과전압이 없을 경우, 고주파 라인(3)에 대한 피뢰기(5)의 영향은 수 개의 λ/4 섹션들(sections)로 이루어지는 디커플링 필터(4)에 의해 소멸되게 된다. 상기 도 1에 도시한 회로는 18GHz까지의 범위 내의 어떠한 주파수에서도 장비의 동작을 가능하게 한다.

상기 도 1에 도시한 회로에서 가스 피뢰기(5)는 2GHz 이하의 주파수 범위에서 이용될 수 있으나, 전압 서지를 100-200V 이하로 제한할 수 없다. 그러므로 상기 회로는 반도체 안테나 증폭기들을 보호할 수 없다는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 반도체 소자를 보호할 수 있는 피뢰기 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 넓은 동작 범위를 가지며, 직류 전원을 함께 공급할 수 있는 피뢰기 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 급전 케이블을 통해 교류/직류 전압이 제공되는 고주파 증폭기의 낙뢰 보호를 보장하는 고성능 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 고주파 라인과, 순차적으로 연결되어 있는 λ/4 섹션으로서 형성된 제1디커플링 필터와 접지 사이에 가스 피뢰기를 포함하는 임펄스 서지로부터 장비를 보호하기 위한 장치로서, 상기 디커플링 필터와 가스 피뢰기 사이의 접점과 회로 내부로 유입되는 출력단 사이에 저주파 라인 및 제2 디커플링 필터가 직렬 연결되고, 상기 저주파 라인은 저전압 제한기와 로우 패스 필터를 포함하며, 상기 고주파 라인 상에 T자 형태의 하이 패스 필터가 연결됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 저전압 제한기는, 항복 전압이 상기 출력단 이후의 공급 전압 값을 가지는 양방향 다이오드로 구성할 수 있으며,

상기 저주파 라인의 로우 패스 필터는,

상기 가스 피뢰기의 항복현상으로 발생하는 서지 전압을 견딜 수 있도록 구성되어야 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한 하기 설명에서는 구체적인 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 서지 전압을 방지하며, 직류 전원을 공급할 수 있는 회로도이다. 그러면 도 2를 참조하여 상기 본 발명에 따른 서지 전압을 방지하며, 직류 전원을 공급할 수 있는 회로의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 도 2에 참조부호 4는 종래 기술에서 전술한 도 1의 디커플링 필터이고, 그 하위에 연결된 가스 피뢰기(5)는 종래 기술에서 설명한 가스 피뢰기이다. 본 발명에서는 고주파 라인(3)에 본 발명에 따른 대역 통과 필터(3)를 구비한다. 상기 고주파 라인(3)에 구비되는 필터의 구성은 제1스트립 라인(S1)과 제3캐패시터(C3)와 제4캐패시터(C4)와 제2스트립 라인(S2)이 출력단(2)과 연결된다. 그리고 상기 제3캐패시터(C3)와 제4캐패시터(C4)의 접점과 접지 사이에 제2인덕턴스 코일(L2)이 연결된다.

또한 상기 제1디커플링 회로(4)와 가스 피뢰기(5)의 접점에 저주파 라인(6)과 제2디커플링 회로(7)가 연결되어 출력단(2)과 연결된다. 이하의 설명에서 상기 디커플링 회로(4)와 가스 피뢰기(5)의 접점을 제1접점(P1)이라 칭하며, 상기 저주파 라인(6)과 상기 제2디커플링 회로(7)와 상기 저주파 라인(6)간의 접점을 제2접점(P2)라 칭한다. 상기 제1접점(P1)과 접지 사이에 제1캐패시터(C1)가 연결되며, 제2접점(P2)과 접지 사이에 제2캐패시터(C2)가 연결된다. 또한 상기 제1접점(P1)과 제2접점(P2) 사이에 제1인덕턴스 코일(L1)과 제2인덕턴스 코일(L3)이 직렬 연결된다. 그리고 상기 제1인덕턴스 코일(L1)과 제2인덕턴스 코일(L3) 사이의 접점과 접지 사이에 반도체 제한기(8)가 연결된다.

그러면 도 2의 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 일반적으로 입력단(1)으로는 직류 전원과 소정 주파수 대역의 이동통신 시스템 신호가 입력된다. 상기 직류 전원은 매우 낮은 저주파 또는 주파수가 0인 신호이므로 고주파 라인(3)으로는 전류가 유입될 수 없다. 따라서 제1디커플링 필터(4)와 저주파 라인(6) 및 제2디커플링 필터(7)를 경유하여 출력단(2)으로 유입된다. 또한 고주파 신호는 인덕턴스에 대하여 매우 높은 임피던스를 가지므로, 제3캐패시터(C3)와 제4캐패시터(C4)를 경유하는 고주파 라인을 통해 출력단(2)으로 유입된다.

상기한 구성에서 높은 서지 전압이 유입되는 경우 종래기술에서와 같이 제1디커플링 필터(4)와 가스 피뢰기(5)에 의해 높은 주파수의 고전압 유입이 방지된다. 그러나, 종래기술의 설명된 바와 같이 100-200V의 고전압에 대하여는 고주파인 경우와 저주파인 경우로 구분하여 차단된다. 저주파 신호의 경우 저주파 라인(6)으로 입력된다. 이때, 상기 제한기(8)는 도전율 문턱 값(conductivity threshold)을 이용하여 유입되는 전압을 제한한다. 즉, 보다 높은 전압이 유입될 시 상기 제한기(8)가 턴온(turn on)되며, 상기 제한기(8)의 턴온 전압이 회로 내부에서 요구되는 전압으로 제한하여 보다 높은 전압의 유입을 방지한다. 한편, 상기 제1인덕턴스 코일(L1)은 피뢰기(5)와 제한기(8) 사이에 미리 설정된 수용 가능한 레벨에서 전류를 제한할 수 있도록 선택한다. 즉, 제한기(8)를 통해 유입되는 전류는 전류 제한 조건이 충족되도록 한다. 또한 상기 가스 피뢰기(5)가 동작하는 경우에 저주파 라인(6)의 제1캐패시터(C1)는 가스 피뢰기(5)의 항복현상(break-down)으로 발생하는 서지 전압을 견딜 수 있도록 구성하여야 한다.

또한 고주파 신호에 대하여는 고주파 라인(3)에서 제한된다. 상기 고주파 라인(3)은 가스 피뢰기(5)의 항복 현상 전에 발생하는 고전압을 견딜 수 있는 고 신뢰성의 세라믹 캐패시터(C3, C4)들과 인덕턴스 코일(L2)로 구성된다. 따라서 상기 항복 현상 전에 발생하는 고전압은 고주파 라인(3)에서 차단하고, 안테나로부터 유입되는 신호의 손실을 최소화하면서 출력단(2)으로 유입되도록 한다.

상기 제1 및 제2디커플링 필터(4,7)는 λ/4 라인 섹션(Z₁,Z₂)으로서 λ/4 스트립 라인의 섹션으로 형성되며, 이때 λ는 중심 통과 대역의 파장을 나타낸다. 과전압 파동이 유입될 시 상기 설정된 디커플링 필터(4)의 스트립 라인 섹션은 단락 전류(short-circuit current)가 흐를 수 있도록 설계되어야 한다. 그러나, 디커플링 필터(7)에 있어서는 단락 전류가 흐를 수 있도록 하는 조건은 필수적인 것은 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이 고주파 채널에 미치는 부정적 영향이 소멸된다. 또한 안테나 증폭기의 전원 전압을 전송하기 위해 필요한 입력 대 출력의 유전(流電) 결합(galvanic coupling of input to output)이 제공된다. 뿐만 아니라 상기 서지 방지 장치의 보호 하에 있는 이후 단의 회로에서의 유도된 전압 임펄스가 최소 레벨로 제한된다.

그러면 상기 도 2의 서지 제한 장치의 동작을 도 3 및 도 4에 나타낸 전압 오실로그램을 이용하여 설명한다.

도 3은 서로 다른 레벨의 2개의 전압이 주어졌을 때 입력단(1)에서 발생하는 2개의 전압 임펄스(U1,U2)를 나타낸 도면이다. 상기 도 3에 도시한 제2임펄스(U2)는 전압 레벨이 피뢰기 응답 전압을 초과할 때 입력단(1)에서 발생하는 전압을 도시한 것이며, 제1임펄스(U1)는 피뢰기가 응답하지 않게 되는 전압레벨일 때 입력단(1)에서 발생하는 전압을 도시한 것이다.

도 4는 입력단(1)에서 상기 도 3과 같은 2개의 전압이 주어졌을 때, 보호받는 출력단(2)에서 발생하는 2개의 전압 임펄스(U1,U2)를 나타낸 것이다.

제한기(8)의 도전율 문턱값보다 큰 과전압 임펄스가 연결부(1)에 연결된 급전 케이블에서 발생한 경우, 그 도전율이 증가한다. 이에 따라 출력단(2)에서는 약간의 전압 증가를 수반하는 전류 증가가 일어나게 되며, 이는 도 4의 제1곡선(U1)과 같이 도시할 수 있다. 또한 전류가 제한기(8)를 통해 유입되는 신호는 전압이 증가함에 따라, L₁에서의 전압강하도 그만큼 발생하게 된다. 이로 인해 입력단(1)에서의 임펄스 진폭의 증가는 도 3의 제1곡선(U1)과 같이 급격하지 않은 상승을 보이게 된다. 상기 저주파 라인(6)에서 발생하는 임펄스는 고주파 라인(3)의 하이 패스 필터의 차단주파수보다 실질적으로 낮다. 따라서 상기 저주파 라인(6)을 통해 제공된 전압은 입력된 신호보다 훨씬 낮게 된다.

한편, 전류 임펄스가 제한기(8)에게 있어서 허용 불가능한 값에 이르게 될 때, 제1인덕턴스 코일(L₁)에서의 전압강하는 피뢰기(5)가 응답하게 된다. 즉, 상기 도 3의 제2곡선(U2)과 같이 매우 높은 피크 전압이 발생한다. 이러한 경우 피뢰기(5)가 동작하게 된다. 이와 같이 피뢰기(5)가 동작하면, 유효 임펄스의 에너지는 고주파 스펙트럼 부분 쪽으로 이동하게 된다. 따라서 저주파 라인(6)의 하이 패스 필터에 의한 그 완화 효율이 증가하게 되며, 그 출력단(2)에서 전압 진폭이 실질적으로 감소하게 된다. 즉, 도 4의 제2곡선(U2)과 같은 형태를 가지게 된다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 장치는 임펄스 서지로부터의 보호를 위한 N형 트레드 커넥터(tread connectors)들이 제공된 하우징 내에 배치되는 오프셋 접속부로서 개발되었다. 1mm 두께의 포일로 피복된 고주파 물질 RO4003으로 만든 마이크로 스트립 기판이 상기 하우징 내에 설치된다. 또한 고주파 라인은 2.34mm 두께의 포일 스트립으로 형성되며, 상기 고주파 라인의 2 개의 갭에 하이 파워 및 하이-Q ERF22X5C2H3R3CD01B(Murata의 카탈로그 "Chip Monolithic Capacitors" Cat.No.C02E-8, p.58참조) 타입의 커패시터가 형성된다. 이들 두 커패시터를 서로 연결하는 노드에 한쪽 끝이 접지된 폭이 0.25mm인 포일의 마이크로 스트립 섹션으로서 형성되는 유도 제2인덕턴스 코일(L₂)이 연결된다.

그리고 제1 및 제2디커플링 필터(4,7) 내의 λ/4 스터브(Z₁,Z₂)는 각각 1.5mm 및 0.5mm 포일의 마이크로 스트립 섹션으로서 형성된다. 고주파 패스 필터의 유도 제1인덕턴스 코일(L₁) 및 제3인덕턴스 코일(L₃)은 EPCOS에 의한 스로틀 B82111-E-C24로 만들어진다. 그리고 전압 제한기(8)는 양방향 보호 다이오드 1.5KE6V8CA가 이용될 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 서지 전압 방지 장치는 전압 제한기의 높은 용량으로 인해 고주파 채널 특성에 미치는 부정적 영향을 방지할 수 있다. 또한 안테나 증폭기의 전원 전압에 필요한 입력 대 출력의 유전(流電) 결합(galvanic coupling)을 제공할 수 있으며, 유도된 전압 임펄스가 보호 하에 있는 회로에서 최소 레벨로 제한되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술로서, 본 발명의 원형(prototype)을 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명의 서지 보호 장치를 나타낸 도면.

도 3은 2가지 레벨을 갖는 과전압의 영향 하에서 입력단(1)에서의 전압 의존성을 나타내는 도면.

도 4는 도 3과 동일한 조건 하에서 입력단(2)에서의 전압 의존성을 나타내는 도면.

- 도면의 주요부분에 대한 부호설명 -

1,2: 연결부 3: 고주파 라인

4: 디커플링 필터 5: 피뢰기

6: 저주파 라인 7: 디커플링필터

8: 반도체 제한기

Claims (3)

1. 고주파 라인과, 순차적으로 연결되어 있는 λ/4 섹션으로서 형성된 제1디커플링 필터와 접지 사이에 가스 피뢰기를 포함하는 임펄스 서지로부터 장비를 보호하기 위한 장치에 있어서,

   상기 디커플링 필터와 가스 피뢰기 사이의 접점과 회로 내부로 유입되는 출력단 사이에 저주파 라인 및 제2 디커플링 필터가 직렬 연결되고,

   상기 저주파 라인은 저전압 제한기와 로우 패스 필터를 포함하며,

   상기 고주파 라인 상에 T자 형태의 하이 패스 필터가 연결됨을 특징으로 하는 서지 보호 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 저전압 제한기는, 항복 전압이 상기 출력단 이후의 공급 전압 값을 가지는 양방향 다이오드로 구성됨을 특징으로 하는 상기 서지 보호 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 저주파 라인의 로우 패스 필터는,

   상기 가스 피뢰기의 항복현상으로 발생하는 서지 전압을 견딜 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 상기 서지 보호 장치.