KR100563943B1 - Nrd 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스 - Google Patents

Nrd 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스(Duplexer)에 대한 것이다. NRD 가이드용 서큘레이터(circurator)를 중심으로 안테나 및 NRD 가이드 송·수신선로 양단에 복수개의 원통형 세라믹 공진기를 이용하여 구성한 광대역성 필터 등을 장착하여 밀리미터파 대역에서 저손실성, 광대역성 및 스커트(Skirt) 특성이 우수한 듀플렉스 장치로 사용될 수 있다.
NRD 가이드 선로, 듀플렉스, 광대역성 대역통과 필터, 세라믹 공진기

Description

NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스{Millimeterwave Duplexer using NRD Waveguide}
도 1: NRD 가이드용 서큘레이터(6, 7, 8, 9)와 대역통과 필터용 세라믹 공진기(4, 5)를 이용하여 밀리미터파 대역용 듀플렉스(Duplexer)를 전체적으로 구성한 사시도이다.
도 2: NRD 가이드용 서큘레이터(6, 7, 8, 9)와 대역통과 필터용 세라믹 공진기(4, 5)로 구성된 듀플렉스의 주요구성 요소를 나타낸 평면도이다.
도 3: 듀플렉스에 있어서, 대역통과 필터의 구성 요소 중 세라믹 공진기(4, 5)의 구성요소를 나타낸 도이다.
도 4: 세라믹 공진기(4, 5)에서의 TE02δ와 EH11δ 공진모드 특성을 나타낸 도이다.
도 5: NRD 가이드 선로(21, 22)와 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성된 대역통과 필터의 평면도이다.
도 6: 60GHz 대역에서 공진하는 TE02δ모드 및 EH11δ 모드 원통형 세라믹 공진기를 구현하여 그 결합 계수(K)를 측정한 그래프이다.
도 7은 60GHz 대역에서 공진하는 TE02δ모드 및 EH11δ 모드 원통형 세라믹 공 진기를 구현하여 그 부하 Q(19)를 측정한 그래프이다
도 8: 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, 입·출력 선로(21, 22)와 세라믹 공진기와의 결합간격 S1(17)에 따른 비 대역폭의 결과를 나타낸 도이다.
도 9: 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, 비 대역폭에 따른 대역 통과 필터의 삽입손실을 나타낸 도이다.
도 10은 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, 60 GHz 대역의 사용주파수에 따른 전송손실을 나타낸 도이다
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부 도체판
2: 하부 도체판
3: 안테나
4, 5: 원통형 세라믹 공진기
6: NRD 가이드용 서큘레이터를 구성하는 페라이트 공진기
7, 8, 9: 모드 스프레서
10, 11, 12, 13: NRD 가이드 선로
14: 테프론 디스크
15: 세라믹 디스크
16: 테프론 튜브
17: NRD 가이드 선로와 세라믹 공진기 간의 간격(S1)
18: 세라믹 공진기간의 간격(S2)
19: NRD 가이드 선로와 세라믹 공진기 간의 부하 Q
20: 세라믹 공진기간의 결합계수(K)
21: NRD 가이드 입력 선로
22: NRD 가이드 출력 선로
23: 세라믹 공진기의 세라믹 디스크의 두께(t)
24: 세라믹 공진기의 직경
본 발명은 밀리미터파 대역에서 NRD 가이드(Non Radiative Dielectric Waveguide : 비방사성 유전체도파관)용 서큘레이터(6, 7, 8, 9) 및 세라믹 공진기(4, 5)를 이용한 광대역성 대역 필터를 이용하여 구성된 밀리미터파 대역용 듀플렉스에 관한 것이다.
최근 무선 통신시스템을 통해 전해지는 정보량이 증가함에 따라, 대용량이며 고속인 무선 통신시스템의 필요성이 증대되고 있다. 이에 통신시스템에 사용되는 주파수 대역은 마이크로파 대역에서 밀리미터파 대역으로 확장 증가되고 있는 실정이다.
일반적으로 마이크로파 이상의 대역을 처리하는 기술로 MMIC 방법을 생각할 수 있으나 이 기술은 사용주파수가 50GHz에서 1m 전송시 60dB 정도의 급격한 전송 손실이 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 삽입하여 50GHz를 1m 전송시 2∼3dB 이내의 저손실 특성을 갖는 새로운 개념의 밀리미터파 대역의 전송선로를 구현할 수 있다.
종래 하나의 안테나를 이용하는 듀플렉스에 있어서, 밀리미터파 대역에서는 같은 모듈내의 송신단의 신호가 수신단에 간섭을 초래하게 되는데, 이를 최소화하기 위해 송신단이나 수신단에 대역 통과 필터를 구성하여 송·수신단의 주파수 간섭을 줄이면서 필요한 주파수만을 선별하여 통과 시키도록 한다.
그러나 종래의 세라믹 공진기를 이용한 대역 필터는 소형화, 높은 Q, 저손실화 및 온도 보상 등의 장점으로 마이크로파 대역에서는 많이 이용되고 있지만, 이와 같은 세라믹형 공진기를 광대역성 필터의 특성이 요구되는 밀리미터파 대역에서 이용할 경우, 하나의 안테나를 사용하여 송·수신 신호를 주고 받는 듀플렉스에서의 스커트(Skirt) 특성이 나빠져 주파수 간섭을 제거하기가 용이하지 않으며, 또한 공진기 내에서는 전자계의 집중도가 높은 공진모드를 가지고 있기 때문에 대역폭이 좁은 필터가 되어 이를 광대역폭이 요구되는 밀리미터파용의 듀플렉스에 사용하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법으로,
NRD 가이드용 페라이트 공진기(6) 및 모드 스프레서(7, 8, 9)로 이루어진 서 큘레이터와 NRD 가이드 선로(10, 11, 12, 13) 송·수신 양단에 원통형 세라믹 공진기(4, 5) 복수개(1단 이상)를 장착하여 송·수신단의 스커트(Skirt) 특성이 우수하고, 저 손실 및 비 대역폭이 넓은 통과 대역 필터를 구성하여 이를 이용한 듀플렉스 장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.
종래의 세라믹 공진기는 전계가 디스크(disc)에 대하여 둘레 방향으로만 분포하는 TE02δ공진모드로 밀리미터파 대역에서의 무부하 Q는 4000 정도로 높지만, 전자계가 세라믹 내에 집중되어 있기 때문에 공진기간의 간격 및 입·출력 선로와 공진기간의 결합도 K(20)가 낮아 광대역성 필터을 구현하기 어렵다,
이에 본 발명에 있어서, 협대역성 대역통과 필터 및 광대역성 대역통과 필터를 구현하기 위해 원통형 세라믹 공진기(4, 5)는 공진기 사이 및 입·출력 선로와 공진기간의 결합도 K(20)에 의존하는 TE02δ 및 EH11δ 공진모드를 설계하여 협대역성 및 광대역성 대역통과 필터를 구현하였다.
또한 본 발명에 있어서, 복수개의 원통형 세라믹 공진기(4, 5)로 구성된 광대역성 대역통과 필터를 이용하여 비대역폭이 크고 삽입손실이 적은 광대역성 밀리미터파 대역용 광대역성 듀플렉스를 구현하였다.
본 발명에 있어서,
도 1은 NRD 가이드용 서큘레이터(6, 7, 8, 9)와 대역통과 필터용 세라믹 공진기(4, 5)를 이용하여 구성된 밀리미터파 대역용 듀플렉스(Duplexer)의 전체적인 사시도이다. NRD 가이드 선로는 2.04의 유전율을 갖는 PTFE(Teflon)를 사용하였으며, 상하 도체판(1, 2)의 간격은 사용주파수 60GHz에서 NRD 가이드 이론에 의해 반 파장 이하인 2.25mm로 하고, NRD 가이드 폭은 2.5mm로 하였다. 또한 NRD 가이드용 페라이트 공진기(6)를 중심으로 모드 스프레서(7, 8, 9), 안테나(3) 및 세라믹 공진기(4, 5)를 이용한 광대역성 대역통과 필터를 송·수신선로(10, 11, 12, 13) 양단에 장착하여 밀리미터파 대역용 듀플렉스를 구현하였다.
도 2는 NRD 가이드용 서큘레이터와 대역통과 필터로 구성된 듀플렉스의 주요구성 요소를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 주요 구성요소 중 원통형 세라믹 공진기(4, 5)에 있어서, 동일직경(24)의 테프론 디스크(14), 세라믹 디스크(15) 및 테프론 튜브(16)를 이용하여 구성한 세라믹 공진기(4, 5)를 나타낸 도이다. 세라믹 디스크(15)는 비유전율이 24인 재료를 이용하였고, TE02δ모드의 경우 직경(24)이 2.5mm, 또 EH11δ 모드의 경우는 직경이 2.0mm로 구현하였다.
상기 도 3에 있어서, 직경(24)의 크기에 따라 TE02δ모드 또는 EH11δ 모드 변환이 가능함을 알 수 있음으로, 바람직하게는 원통형 세라믹 공진기(4, 5)의 공진모드가 TE02δ모드공진기용 또는 EH11δ모드공진기용으로 사용하기 위해 직경(24)의 크기를 조절하면 된다.
도 4는 세라믹 공진기(4, 5)에서의 공진모드인 TE02δ모드와 EH11δ 모드를 나타낸 도이다. 도 4에 있어서, (a)는 전계가 주방향으로 동일한 전형적인 TE02δ모드이다. 한 편 (b)는 EH11δ 모드로서 그 무부하 Q는 TE02δ모드보다 낮은 스퓨리어스 모드로 취급되지만 TE02δ모드와 비교하여 전자계는 세라믹 외부로 넓혀져 있기 때문에 이 특성을 이용하면 광대역의 필터 특성을 얻을 수 있다.
도 5는 송·수신 선로(10, 11, 12, 13)가 되는 입·출력 NRD 가이드 선로(21, 22)와 3단의 원통형 세라믹 공진기로 광대역성 필터를 구성한 평면도이다. 각각의 3개의 원통형 세라믹 공진기를 공극(air gap)을 사이에 두고 결합시킨 후, NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22) 사이에 3개의 원통형 세라믹 공진기를 삽입한 후 대역통과 필터를 구현하였다. 필터의 중심 주파수는 세라믹 디스크(15)의 두께 t(23)에, 부하 Q(19)는 NRD 가이드 선로와 공진기와의 간격 S1(17)에, 결합계수 K(20)는 공진기 간의 간격 S2(18)에 의해 결정된다.
도 6은 60GHz 대역에서 공진하는 TE02δ모드 및 EH11δ 모드 원통형 세라믹 공진기를 구현하여 결합계수 K(20)를 측정한 그래프이다. EH11δ모드의 결합계수 K(20)는 TE02δ모드보다 크게 얻어짐을 알 수 있고, 결합 간격 S2(18)가 작을 수록 결합계수 K(20)는 증가함을 알 수있다.
도 7은 60GHz 대역에서 공진하는 TE02δ모드 및 EH11δ 모드 원통형 세라믹 공진기를 구현하여 부하 Q(19)를 측정한 그래프이다. EH11δ모드의 부하 Q(19)는 TE02δ모드보다 크게 얻어짐을 알 수 있고, 결합 간격 S1(17)가 클 수록 부하 Q(19)는 증가함을 알 수있다.
본 발명의 있어서, 도 6과 도 7의 실시예를 토대로 최적의 부하 Q(19)와 결합 계수 K(20)를 갖도록 NRD 가이드 입·출력 선로와 3단의 세라믹 공진기간의 간격 S1(17) 및 공진간의 간격 S2(18)를 조절하여 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성 한 대역통과 필터를 구현 하였다.
도 8은 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22)와 공진기와의 결합 간격(17)에 따른 비 대역폭을 계산한 결과를 나타낸 도이다. NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22)와 공진기(17)들을 접촉시켰을 경우, EH11δ모드 필터는 TE02δ모드 필터보다 비대역 폭이 3%이상 나타나는 것을 알 수 있다.
도 9는 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, 비 대역폭에 따른 대역통과 필터의 삽입손실을 나타낸 도이다. 도 9에 있어서, EH11δ모드 및 TE02δ모드의 무부하 Q는 60GHz 대에서의 측정값 2700 및 4000을 각각 이용하였다. 비 대역폭과 삽입손실은 반 비례하기 때문에 EH11δ 모드를 이용할 경우, 삽입 값 1dB 이하의 저손실성을 유지함으로써 광대역 밀리미터파 대역에서 저손실성 통과대역 필터로 이용될 수 있음을 알 수 있다.
도 10과 도 11은 3단의 세라믹 공진기(4, 5)로 구성한 대역통과 필터에 있어서, 60 GHz 대역의 사용주파수에 따른 송·수신시의 전송손실을 나타낸 도이다. NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22)와 세라믹 공진기(4, 5)들을 접촉시켰을 경우, 즉 S1(17)=0.5mm이고 S2(18)=0mm 일 때, 송신시 중심주파수는 60.65GHz이고, 수신시 중심주파수는 59.65GHz이며 3dB에서의 통과대역폭은 송·수신시 약 600MHz로 나타났다. 이에 따라 사용주파수 60GHz 대역에서 스커트(Skirt) 특성이 우수한 광대역성 필터를 얻을 수 있다.
도 12와 도 13은 사용주파수 60GHz에 대한 송·수신 선로상의 통과 대역 필터의 전송손실 특성을 나타낸 도이다. 20dB 분리 대역 약 1.2GHz와 대역내에서의 삽입손실 약 1dB이하의 저손실 특성을 나타냈으며, 차단 및 통과 대역에서의 스커트(Skirt) 특성도 우수했다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 NRD 가이드용 서큘레이터와 NRD 가이드 송·수신 선로(10, 11, 12, 3) 양단에 사용주파수 60GHz대역에서 스커트(Skirt) 특성이 우수하고 광대역성인 원통형 세라믹 공진기(4, 5)를 통과대역 필터로 구현한 후, 전송손실이 적으며, 비 대역폭이 3%이상이며, 하나의 안테나(3)를 통한 송·수신 주파수 간섭이 없는 NRD 가이드용 밀리미터파 대역용 듀플렉스를 구현하였다.
또한 본 발명의 실시예서는 사용주파수를 60GHz 대역을 기준으로 하였으며, 마이크로파 및 밀리미터파 대역까지 여러 주파수대에서도 본 발명을 인용하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스 구성방법에 있어서,
    사용주파수의 반파장이하의 간격을 가지는 상하도체판(1, 2) 사이에 NRD 가이드용 페라이트 공진기(6)를 구성하고; 페라이트공진기(6)를 중심으로 120도 간격으로 NRD가이드용 모드스프레서(7, 8, 9) 및 NRD가이드 선로(10, 11)를 구성하여 서큘레이터를 구성하고; NRD 가이드 선로(10, 11, 12, 13) 양단 사이에 3단 및 4단의 원통형 세라믹 공진기(4, 5)를 배치하여 NRD 가이드용 대역통과 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 마이크로파 및 밀리미터파 대역용 듀플렉스.
  2. 제1항에 있어서, 복수개의 원통형 세라믹 공진기(4, 5)는,
    동일직경의 테프론 디스크(14), 세라믹 디스크(15) 및 테프론 튜브(16)를 이용하여 원통형 세라믹 공진기를 구성하고;
    또한 밀리미터파 대역에서 중심주파수를 결정하기위해 세라믹 디스크(15)의 비유전율에 따라 디스크의 두께(23)가 결정되도록하며;
    또한 원통형 세라믹 공진기(4, 5)의 공진모드가 TE02δ모드공진기용 또는 EH11δ모드공진기용으로 사용하기 위해 직경(24)의 크기에 따라 공진모드가 결정되고;
    또한 복수개의 세라믹 공진기(4, 5)를 다단으로 연결하여 협대역성 및 광대역성 대역통과 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대역통과 필터는,
    원통형 세라믹 공진기(4, 5)의 TE02δ모드 공진기의 부하 Q 값(19)이 최대가 되도록 하기 위해 NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22)와 세라믹 공진기간의 간격 S1(17)을 최적으로 구성하고;
    또한 TE02δ모드 공진기의 결합계수 K(20)가 최대가 되도록 하기위해 원통형 세라믹 공진기간(4, 5)의 결합간격 S2(18)을 최적으로 구현하여 협대역성 대역통과 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대역통과 필터는,
    원통형 세라믹 공진기(4, 5)의 EH11δ모드 공진기의 부하 Q 값(19)이 최대가 되도록 하기 위해 NRD 가이드 입·출력 선로(21, 22)와 세라믹 공진기간의 간격 S1(17)을 조절하고;
    또한 EH11δ모드 공진기의 결합계수 K(20)가 최대가 되도록 하기위해 원통형 세라믹 공진기간의 결합간격 S2(18)을 조절하여 광대역성 대역통과 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 듀플렉스.
  5. 제 1항에 있어서, 서큘레이터와 협대역성 대역통과 필터는,
    NRD 가이드용 서큘레이터와 공진모드가 TE02δ 모드인 협대역성 대역통과 필터로 구성된 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 협대역용 듀플렉스.
  6. 제 1항에 있어서, 서큘레이터와 광대역성 대역통과 필터는,
    NRD 가이드용 서큘레이터와 공진모드가 EH11δ 모드인 광대역성 대역통과 필터로 구성된 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 광대역용 듀플렉스.
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