KR100737334B1 - 마이크로 스트립 구조를 이용한 마이크로파 방향성 검파기 - Google Patents

Abstract

도파관을 통해 전달되는 마이크로파 신호를 측정하기 위한 마이크로파 방향성 검파기에 관한 것으로서, 특히 상기 도파관의 상부에 타원형으로 형성된 상부 커플링 홀과, 상기 상부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 순방향 마이크로 스트립 검파기와, 상기 도파관의 하부에 타원형으로 형성된 하부 커플링 홀과, 상기 하부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 역방향 마이크로 스트립 검파기를 포함함을 특징으로 한다.

도파관, 마이크로파, 커플링 홀, 순방향, 역방향, 마이크로 스트립

Description

마이크로 스트립 구조를 이용한 마이크로파 방향성 검파기{MICROWAVE DIRECTIONAL DETECTOR USING MICROSTRIP LINE}

도 1은 종래 기술에 따른 마이크로파 검파기를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 방향성 결합기와 마이크로 스트립 구조의 검파기를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 검파기의 회로 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 S-파라미터 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 검파기의 실제 구현한 모습을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 검파 회로 및 도파관의 구성품을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 마그네트론 110 : 정합기

120 : 전력계 130 : 방향성 결합기

140 : 어플리케이터 150 : 부하

200 : 도파관 결합기 210, 220 : 마이크로 스트립 검파기

211, 221 : 커플링 홀 212, 222 : 마이크로 스트립 라인

300 : 입력 정합 회로 310, 600 : 쇼트키 다이오드

320 : 고주파 차단 회로 400 : 순방향 커플링

410 : 역방향 커플링 500 : 커플링 홀

510 : 순방향 검파기 520 : 역방향 검파기

본 발명은 도파관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도파관을 통해 전달되는 마이크로파 신호를 측정하기 위한 마이크로파 방향성 검파기에 관한 것이다.

통상적으로 마그네트론 등의 전자파 발생수단(generator)에서 발생된 전자파가 도파관을 통하여 어플리케이터 내의 부하에 전달되는 시스템은 전자레인지, 무전극 램프, 가열장치 등 다방면으로 응용되고 있다. 한편, 전자파에 대해서 부하가 가지는 특성 저항 즉, 부하 임피던스(Load Impedance)와 도파관 전송 선로와 어플리케이터의 특성임피던스가 맞지 않을 때 어플리케이터로부터 전자파가 다시 반사된다. 이 경우 반사된 에너지가 전자파 발생수단으로 되돌아 가게 되면 전자파 발생수단에 영향을 미쳐서 안정된 동작을 방해하거나, 전자파 발생수단에 열로 흡수 되어 전자파 발생수단의 수명을 단축시키거나 이를 파괴하는 일이 생긴다. 그러므로 부하와의 정합을 위해 정합기(Tuner)를 사용하거나 서큘레이터(Circulator) 등을 사용하여 전자파 발생수단을 보호해 왔다.

도 1은 종래 기술에 따른 마이크로파 검파기를 나타낸 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, 일반적인 방향성 결합기(Directional Coupler)(130)는 도파관 내에서 부하(150) 쪽으로 진행하거나 또는 부하로부터 반사되어 되돌아오는 전자파의 일부를 정해진 비율 즉, 결합도로 추출하는 장치이다. 이때, 전송 선로 내의 정합 상태가 양호하도록 상기 방향성 결합기(130)에 전력계(120)를 연결하여 반사파가 최소가 되도록 정합기(110)를 조정한다. 즉, 부하의 상태에 따라 정합기(110)를 조정하여 정합이 양호하게 유지되도록 해야 한다.

한편, 종래의 일반적인 도파관 형태의 마이크로파 결합기 및 검파기는 도파관에서 동축 케이블(coaxial cable) 등을 이용한 동축형 마이크로 검파기를 사용함으로써 검파기의 성능저하 시에 전체 회로를 교체해야 하는 어려움이 있었다. 이에 따라 가격과 유지보수에 어려움이 있을 뿐만 아니라 부하조건 변동 시 변환되는 전압 크기를 사용자에 의해 임의적으로 조절할 수 없는 구조로 되어있어 많은 불편함이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 고출력 전송선로인 도파관 구조의 효율적인 임피던스 정합을 위해 마이크로파 신호를 추출하고 상기 추출된 신호를 직류전압으로 변환함으로써 정확한 임피던스 정합을 위한 전력 정보를 확인할 수 있는 마이크로파 결합기 및 검파기를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 검파기는; 도파관을 통해 전달되는 마이크로파 신호를 측정하기 위한 마이크로파 방향성 검파기에 있어서, 상기 도파관의 상부에 타원형으로 형성된 상부 커플링 홀과, 상기 상부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 순방향 마이크로 스트립 검파기를 포함함을 특징으로 한다. 또한, 상기 도파관의 하부에 타원형으로 형성된 하부 커플링 홀과, 상기 하부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 역방향 마이크로 스트립 검파기를 더 포함함을 특징으로 한다.

이때, 상기 각 마이크로 스트립 검파기의 검파 회로는, 상기 도파관으로부터 마이크로파를 입력받아 임피던스 정합을 수행하는 입력 정합 회로와, 상기 입력 정합 회로로부터 고주파 신호를 입력받고, 상기 입력된 고주파 신호를 직류 신호로 변환하는 쇼트키 다이오드와, 상기 쇼트키 다이오드에서 출력된 직류 신호에서 고주파 신호를 차단하고, 직류 신호만을 출력시키는 고주파 차단 회로를 포함함을 특징으로 한다.

한편, 상기 검파기는 상기 각 커플링 홀과 마이크로 스트립 라인의 각도에 따라 입력 신호의 방향성을 결정함으로써 순방향 및 역방향의 전력 측정의 구분을 위한 방향성을 유지함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 마이크로파 집적 회로 설계기술과 도파관(waveguide) 설계 기술을 이용하여 임피던스 정합(impedance matching)에 효율적인 마이크로 스트립(micro-strip) 구조를 이용한 마이크로파 방향성 결합기 및 검파기를 제안한다. 즉, 종래에는 단순히 동축 케이블을 도파관에 직접 연결하고, 상기 도파관에 추가로 구비되는 검파 회로 장치에 의해 검파를 수행하였으나, 본 발명에서는 상기 도파관과 마이크로 스크립 형태로 결합되어 구성되는 마이크로 스트립 검파기에 의해 용이하고 효과적인 검파기를 제공하게 된다.

이에 따라, 본 발명은 고출력 전송선로인 도파관 구조의 효율적인 임피던스 정합을 위해 마이크로파 신호를 추출하고, 상기 추출된 신호를 직류 전압으로 변환함으로써 정확한 임피던스 정합을 위한 전력 정보를 확인할 수 있는 마이크로파 결합기(coupler)와 검파기(detector)를 제공한다.

이때, 상기 마이크로파 결합기는 도파관의 커플링 홀(Coupling hole)을 통해 수십 dB의 결합 지수를 이용하여 고출력 전력을 모니터링할 수 있다. 또한, 종래에는 하나의 동축 케이블(coaxial cable)을 통해 순방향 전력만을 측정할 수 있었으며, 역방향 전력 측정을 위해서는 별도의 회로가 추가되었다. 그러나 본 발명에서 는 도파관 결합기의 상측 및 하측에 각각 타원형의 커플링 홀을 생성하고, 상기 각 커플링 홀과 마이크로 스트립 라인의 각도에 따라 입력 신호의 방향성을 결정함으로써 순방향 및 역방향의 전력 측정이 용이하게 구현될 수 있다.

즉, 본 발명에서 상기 순방향과 역방향 전력의 구분을 위한 방향성은 도파관 상에 타원형으로 구현된 커플링 홀과 마이크로 스트립 라인의 각도를 이용하며, 상기 검파기는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 이용하여 마이크로 스트립 구조로 구현할 수 있다. 이때, 본 발명은 상기 쇼트키 다이오드에 입력되는 신호를 위한 입력 정합 회로와 고주파 차단회로를 포함하게 된다.

따라서, 본 발명에서 제안된 마이크로파 검파기는 결합기로 입력된 신호를 마이크로 스트립 기판을 이용하여 추출하고, 상기 쇼트키 다이오드를 이용하여 마이크로웨이브 집적회로 형태의 검파기를 구성함으로써 검파기 성능 저하 시에 유지보수가 용이하며 저렴한 가격으로 검파기를 구성할 수 있게 된다. 또한, 부하조건을 조절함으로써 변환되는 전압크기를 사용자에 의해 조절할 수 있으며, 가격 대비 우수한 성능 개선을 가져올 수가 있게 된다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 검파기 구조를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 방향성 결합기와 마이크로 스트립 구조의 검파기를 나타낸 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 검파기는 고출력 전송선로인 도파관(waveguide; 200), 마이크로 웨이브 신호를 DC 신호로 변환하기 위한 순방향 마이크로 스트립 검파기(210) 및 역방향 마이크로 스트립 검파기(220), 출 력 신호의 크기조절 및 방향성 결합을 위한 타원형의 커플링 홀(Coupling hole; 211, 221) 및 마이크로 스트립 라인(212, 222) 등으로 구성된다. 이때, 상기 도파관(200)은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 검파기(210, 220)와 마이크로 스트립 라인을 형성하며 결합된다. 즉, 본 발명에 따른 검파기는 상기 도파관(200)의 상부 및 하부에 형성된 커플링 홀(211, 221) 주변에 마이크로 스트립 구조로 구현된다. 이때, 상기 마이크로 스트립 구조의 기판에는 마이크로파를 DC 신호로 변환하여 검파하기 위한 회로가 구성된다. 상기 검파 회로의 세부 구조는 도 5의 설명에서 후술하기로 한다.

먼저, 상기 도파관(200)을 지나는 신호가 도파관(200)의 상부 및 하부에 위치한 타원형의 커플링 홀(Coupling hole; 211, 221)을 지나면서 수십 dB의 커플링이 발생하며 신호가 감쇠 된다. 상기 결합이 된 신호는 마이크로 스트립 라인(212, 222)을 따라 진행하여 각 검파기(210, 220)의 입력 신호로 들어가게 된다. 이때, 상기 입력 신호의 방향성은 타원형의 커플링 홀(211, 221)과 마이크로 스트립 라인(212, 222)의 각도에 따라 결정된다.

한편, 본 발명에 따른 마이크로 스트립 검파기(210, 220)는 순방향과 역방향이 대칭적인 구조를 가지게 되며, 입사 신호 및 반사 신호의 분리를 위해 방향성을 가지는 구조를 형성하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 검파기의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 상기 순방향 또는 역방향 마이크로파 검파기(210, 220)는 상술한 바와 같이 본 발명에 따라 마이크로 스트립 구조의 회로 기판으로 구현되며, 상기 회로 기판에는 입력 정합 회로(300), 쇼트키 다이오드(310) 및 고주파 차단 회로(320) 등으로 구성된다.

즉, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 마이크로 스트립 구조 및 커플링 홀을 이용한 방향성 결합기 외에도 상기 마이크로파(microwave) 검파를 위한 검파기가 필요하며 본 발명에서 구현된 검파기는 마이크로 다이오드(Microwave diode)인 쇼트키 다이오드를 이용하여 구현 가능하며, 상기 쇼트키 다이오드(310) 양단에 입력 정합 회로(300) 및 출력 고주파 차단 회로(320)로 구성된다.

상기 입력 정합 회로(300)는 마이크로파를 입력받아 임피던스 정합을 하게 된다. 즉, 상기 입력 정합 회로(300)는 입력되는 시그널(마이크로파)이 상기 쇼트키 다이오드(310)로 인해 발생되는 임피던스 손실을 없애기 위해 임피던스 정합을 수행하게 된다.

상기 입력 정합 회로(300)를 거친 입력 마이크로파 신호는 상기 쇼트키 다이오드(310)로 입력되며, 상기 쇼트키 다이오드(310)에서는 입력되는 마이크로파 신호(즉, RF(Radio Frequence) 신호)를 직류(Direct Current; DC) 신호로 변환(conversion)시키는 역할을 수행한다. 이때, 상기 쇼트키 다이오드(310)에서 변환된 직류 신호에는 고주파 누설(leakage) 전류가 섞여 있게 된다.

한편, 상기 고주파 차단 회로(320)는 RF 트랩(trap) 회로로서, 상기 쇼트키 다이오드(310)에서 출력된 DC 신호에서 고주파 신호를 차단하고 DC 신호만을 출력하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 고주파 차단 회로(520)에서 출력되는 DC 신호로서 도파관을 통과하는 순방향 또는 역방향 신호를 측정할 수 있게 된다. 상기 각 입력 정합 회로(300) 및 고주파 차단 회로(320)는 일반적인 공지된 회로들에 의해 구성이 가능하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 S-파라미터 특성을 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 도 2에서 상술한 방향성 결합기의 일반적인 성능을 확인할 수 있다. 상기 도 4의 그래프에서 각 주파수 대역별로 순방향 커플링(400)과 역방향 커플링(410)의 크기(magnitude) 차이가 방향성을 나타내는 값이 된다. 이때, 상기 방향성의 개선은 커플링 홀과 마이크로 스트립 라인의 각도뿐만 아니라 상기 커플링 홀의 위치와 크기 및 형상 등에 의해 조절될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 검파기의 실제 구현한 모습을 나타낸 도면이다. 상기 도 5를 참조하면, 순방향 검파기(510)와 역방향 검파기(520)에 각각 멀티 미터가 연결되어 각 입력 전력에 대한 직류 전압을 확인할 수가 있게 된다. 또한, 상기 본 발명에 따른 검파기에 의해 입사 전력과 반사 전력의 상태를 DC 레벨에서 간편하게 검출하는 것이 가능하게 된다. 한편, 본 발명에 따라 도파관의 상측면(500)과 하측면에는 각각 마이크로 스트립 형태의 검파기 회로가 구현된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 검파 회로 및 도파관의 구성품을 나타낸 도면이다. 상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 검파 회로는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB)에 장착되며, 각 도파관 구성품은 상기 도파관에 일체형으로 장착될 수 있다. 한편, 상기 도파관 구성품의 커버에는 커플링 홀이 구현된다. 또한, 상기 커플링 홀로부터 마이크로 웨이브 신호를 검출하기 위하여 상기 PCB 바닥면은 동박이 제거된 상태가 되는 것이 바람직하다.

이상으로 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로파 검파기는 결합기로 입력된 신호를 마이크로스트립 기판을 이용하여 신호를 추출하고, 쇼트키 다이오드를 이용하여 마이크로파 집적 회로 형태의 검파기를 구성함으로써, 검파기 성능 저하 시에 유지보수가 용이하며 저렴한 가격으로 구성할 수 있게 되는 장점이 있다. 또한, 부하 조건을 조절함으로써 변환되는 전압크기를 사용자에 의해 조절할 수 있으며, 가격 대비 우수한 성능 개선을 가져올 수가 있게 되는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 도파관을 통해 전달되는 마이크로파 신호를 측정하기 위한 마이크로파 방향성 검파기에 있어서,

   상기 도파관의 상부에 타원형으로 형성되어 상기 도파관으로부터의 신호를 통과시킬 때 수십 dB의 커플링이 발생하며 감쇠되는 상부 커플링 홀과,

   상기 상부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 순방향 마이크로 스트립 검파기와,

   상기 도파관의 하부에 타원형으로 형성되어 상기 도파관으로부터의 신호를 통과시킬 때 수십 dB의 커플링이 발생하며 감쇠되는 하부 커플링 홀과,

   상기 하부 커플링 홀의 면상에 마이크로 스트립 형태로 구성된 검파 회로를 포함하는 역방향 마이크로 스트립 검파기를 더 포함하며,

   상기 각 커플링 홀과 마이크로 스트립 검파 회로의 각도에 따라 입력 신호의 방향성을 결정함으로써 순방향 및 역방향의 전력 측정의 구분을 위한 방향성을 유지함을 특징으로 하는 상기 검파기.
2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서, 상기 검파기는,

   상기 하부 커플링 홀과 마이크로 스트립 검파 회로의 각도에 따라 입력 신호의 방향성을 결정함으로써 순방향 및 역방향의 전력 측정의 구분을 위한 방향성을 유지함을 특징으로 하는 상기 검파기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 마이크로 스트립 검파기의 검파 회로는,

   상기 도파관으로부터 마이크로파를 입력받아 임피던스 정합을 수행하는 입력 정합 회로와,

   상기 입력 정합 회로로부터 고주파 신호를 입력받고, 상기 입력된 고주파 신 호를 직류 신호로 변환하는 쇼트키 다이오드와,

   상기 쇼트키 다이오드에서 출력된 직류 신호에서 고주파 신호를 차단하고, 직류 신호만을 출력시키는 고주파 차단 회로를 포함함을 특징으로 하는 상기 검파기.
4. 삭제

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