KR100915578B1 - 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 송수신 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 서큘레이터는, 좌상 측단에 송신신호를 입력받는 입력단자 및 우상 측단에 종단단자를 형성한 제1 방향성 커플러와, 우상 측단에 안테나와 연결되는 안테나 연결단자와 우하 측단에 부가단자를 형성하고, 좌상 측단이 연결패턴을 통해 제1 방향성 커플러의 우하 측단과 연결되는 제2 방향성 커플러, 그리고 제1 및 제2 방향성 커플러의 좌하 측단으로부터 각각 연장되는 제1 연장패턴과 제2 연장패턴을 형성하되 연장패턴들의 연장 선단이 결합되어 출력단자를 형성하고, 출력단자 전까지의 연장패턴들의 제1 구간 및 제2 구간은 서로 다른 임피던스를 갖는 비대칭 전력 결합기를 구성한다.
무선 통신 시스템, 레이더 시스템, 송수신 신호 분리, 서큘레이터, 누설 송신신호

Description

송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터{COMPACT-SIZE QUASI CIRCULATOR FOR ISOLATING TX AND RX SIGNALS WITH ISOLATION BETWEEN TX AND RX SIGNALS}
본 발명은 무선 통신 시스템 또는 레이더 시스템에 이용되는 것으로, 송수신 신호 분리 특성 및 누설 송신신호를 최소화할 수 있는 준 서큘레이터(quarsi circulator)에 관한 것이다.
일반적으로 2개의 안테나를 통해 송신과 수신이 병행되는 무선 통신 시스템 또는 레이더 시스템에서는 송신신호 선로와 수신신호 선로가 분리되어 있으나, 송신신호의 일부가 안테나 커플링을 통해 수신신호 선로로 유입된다. 유입된 송신신호의 일부(누설 송신신호)는 수신신호 선로에 위치하는 저잡음 증폭기까지 도달하게 되는데, 만약 누설 송신 신호가 큰 경우에는 수신신호가 송신 누설신호에 묻혀서 잘 감지되지 않거나, 혹은 저잡음 증폭기를 경유한 수신신호가 최종 수신단의 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 입력 범위를 초과하여 해당 수신신호를 인식하지 못하고 증폭기 자체가 포화되는 문제가 발생한다.
또한, 직접 변환 방식의 수신기(Direct Conversion Receiver)의 경우에 있어 서는, 송신 누설신호의 영향을 크게 받는다. 누설 송신신호가 수신단의 신호 주파수 혼합기(믹서, Mixer)에 유입되면 자체 혼합(self-mixing)을 야기시키는데, 이러한 현상은 최종적으로 DC 전압으로 나타난다. 누설 송신신호가 더욱 커지고 그에 따른 DC 전압이 커지게 되면, 시스템이 포화되거나 혹은 DC 전압에 포함된 정보가 손실된다. 따라서, 2개의 안테나를 사용한 시스템에서는 두 안테나를 멀리 이격시키거나, 안테나 사이에 신호 누설 방지 벽을 마련하여 누설 송신신호를 최소화하고 있다.
그러나, 시스템의 소형화가 필요한 휴대 통신 장비를 비롯한 소형 레이더 시스템 등에서는 상기한 해결 방안은 실현되기 어렵다. 더욱이, 물리적 프로파일(profile)이 정해지는 안테나 2개를 이용해야 하므로 소형화에 큰 걸림돌로 작용한다.
상술한 바와 같이 2개의 안테나를 사용하는 경우의 문제점들로 인해, 최근의 연구는 단일 안테나를 기반으로 진행되고 있다. 단일 안테나를 사용하기 위해서는 송신신호 신로와 수신신호 선로를 병합하여 안테나에 접속시켜야 한다. 이때 이용되는 것이 서큘레이터(circulator)이다.
서큘레이터는 기본적으로 입력 포트(또는 입력단)에서 바라보는 순방향의 위치에 있는 출력 포트(또는 출력단)로만 신호를 진행시키고, 역방향으로는 신호를 진행시키지 않는다. 따라서 송신신호 선로와 수신신호 선로가 각각 분리(isolation)되는 것이다.
주지된 바와 같이, 상기한 서큘레이터의 성능에 의해 송신신호와 수신신호의 분리 특성이 결정된다. 일반적으로 서큘레이터는 크기가 커서 집적이 어렵다. 또한, 높은 송수신 신호 분리 특성을 가지는 소형의 서큘레이터는 구현이 불가하다. 이러한 단점으로 인해 단일 안테나를 사용하는 시스템에서는 누설 송신신호의 영향이 2개의 안테나를 사용하는 시스템에서보다 크기 십상이고, 결과적으로 시스템 성능에 심각한 영향을 미친다.
상술한 누설 송신신호의 영향을 줄이기 위해, 부가적 회로 구성을 구성하기도 한다. 여기서, 부가적 회로의 예로는 벡터 모듈레이터(vector modulator)를 들 수 있는데, 이는 수신신호 선로에서 누설 송신신호를 감시하여 그 크기와 위상을 측정한 후, 상기한 벡터 모듈레이터에서 측정된 누설 송신신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호를 생성하여 수신신호 선로에 공급함으로써 누설 송신신호를 제거한다. 이와 같은 방법은 누설 송신신호에 정확한 측정이 이루어지는 한에 있어서는 효과적이나, 벡터 모듈레이터는 물론이고 누설 송신신호 측정을 위한 감지기(detector)와 전력 결합기(power combiner) 등의 추가적 구성이 요구된다. 따라서, 소형화의 어려움 및 비용 상승이 뒤따른다.
한편, 상술한 소형화 문제 해결을 위한 일환으로, 첨부도면 도 1과 같은 수동 소자 형태의 방향성 커플러(10)가 채용될 수 있다. 지선(branch-line) 커플러로도 일컬어지는 방향성 커플러(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이 방향성 커플러(10)는 4개의 단자(우상, 우하, 좌하, 좌상)를 갖는다. 좌상(left-top)의 단자는 신호 입력단자(12)로서 50옴 임피던스 매칭이 이루어진다. 또한, 우상(right-top)의 단자는 제1 신호 출력단자(14)로서 신호 입력단자(12)로부터 인가된 신호에 대해 -3dB 감쇄되고 90° 위상 변화된 신호를 출력한다(50옴 임피던스 매칭). 우하(right-bottom)의 단자는 제2 신호 출력단자(16)로서 신호 입력단자(12)로부터 인가된 신호에 대해 -3dB 감쇄되고 180° 위상 변화된 신호를 출력한다(50옴 임피던스 매칭). 그리고 좌하(left-bottom)의 단자는 누설신호 단자(18)로서, 신호 입력단자(12)로부터 누설된 신호가 출력되는 단자(50옴 임피던스 매칭)이다.
상술한 구성의 방향성 커플러(10)는 집적 가능한 크기로 제작이 가능하다는 장점과, 특정 주파수에서 누설 송신신호가 작아지는 장점이 있으므로, 소형화 문제를 해결한다고 볼 수 있으나, 누설 송신신호가 작아지는 주파수 대역이 매우 협소하므로 이 주파수 대역에서 정확하게 동작하도록 설계하기가 용이치 않다. 더욱이 제조 공정상의 오차를 감안한다면 설계의 어려움이 가중된다. 따라서, 방향성 커플러를 이용하여 서큘레이터를 구현하기가 쉽지 않다.
본 발명은 2개의 방향성 커플러 조합에 기반을 두어, 누설 송신신호를 최소화할 수 있도록 한 서큘레이터를 제공한다.
또한, 본 발명은 벡터 모듈레이터, 감지기, 전력 결합기 등의 추가적 구성이 필요치 않은 서큘레이터를 제공한다.
또한, 소형화가 가능하고 시스템 내에 집적할 수 있는 서큘레이터를 제공한다.
본 발명의 일 관점에 따른 서큘레이터는, 좌상 측단에 송신신호를 입력받는 입력단자(112) 및 우상 측단에 종단단자(114)를 형성한 제1 방향성 커플러(110)와, 우상 측단에 안테나와 연결되는 안테나 연결단자(122)와 우하 측단에 부가단자(124)를 형성하고 좌상 측단은 연결패턴(101)을 통해 제1 방향성 커플러의 우하 측단과 연결되는 제2 방향성 커플러(120), 및 제1 방향성 커플러의 좌하 측단으로부터 연장되는 제1 연장패턴(132)과 제2 방향성 커플러의 좌하 측단으로부터 연장되는 제2 연장패턴(134)을 형성하되 연장패턴들(132, 134)의 연장 선단이 결합되어 출력단자(136)를 형성하고, 출력단자 전까지의 연장패턴들의 제1 구간(132a) 및 제2 구간(134a)은 서로 다른 임피던스를 갖는 비대칭 전력 결합기(130)를 포함한다.
바람직하게 안테나 연결단자에 연결되는 안테나는 선형 편파 안테나일 수 있으며, 이때 부가단자에는 50Ω 저항이 연결된다. 또한, 안테나는 원형 편파 안테나 로 설정될 수 있으며, 이때 부가단자에는 원형 편파 안테나의 급전 라인이 연결된다.
본 발명에 따르면, 누설 송신신호를 최소화하면서 송수신 신호의 분리를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 집적이 가능한 방향성 커플러를 이용하기 때문에 소형화에 유리하고, 나아가 벡터 모듈레이터, 감지기, 전력 결합기 등의 추가적 구성이 필요치 않으므로 본 발명을 채용하는 무선 통신 시스템 또는 레이더 시스템에 대한 소형화를 심화시킬 수 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터의 개략도이다. 도시된 바와 같은 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터(100)(이하, 축약하여 '서큘레이터'라 한다.)는, 크게 제1 방향성 커플러(110), 제2 방향성 커플러(120) 및 비대칭 전력 결합기(130)를 포함한다.
제1 방향성 커플러(110)는, 대략 폐쇄된 환상(closed circle type)의 도전 성 패턴으로 형성되며{도면상의 형태를 형언하기 위한 것으로 본 발명이 이러한 형상 또는, 좌상(left-top) 측단에 미도시된 송신신호 선로로부터 송신신호를 입력 받는 입력단자(112)를, 우상(right-top) 측단에 종단저항(RT)으로 종단되는 종단단자(114)를 구비하고 있다. 본 실시형태에서는 상기 종단 저항(RT)을 50Ω으로 설정한다.
제2 방향성 커플러(120)는, 상기한 제1 방향성 커플러(110)와 같이 폐쇄된 환상의 도전성 패턴으로 형성되며, 우상(right-top) 측단에 안테나와 연결되는 안테나 연결단자(122)와, 우하(right-bottom) 측단에 상기 안테나의 종류에 따라 50Ω 저항이 연결되거나 안테나의 급전 라인(feeding line)과 연결되는 부가단자(124)를 구비하고, 좌상(left-top) 측단은 연결패턴(101)을 통해 제1 방향성 커플러(110)의 우하(right-bottom) 측단과 연결된다.
상기 안테나는 선형 편파 안테나 또는 원형 편파 안테나가 될 수 있으며, 전자의 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 부가단자(124)에 50Ω 저항이 연결되고, 후자의 경우에는 부가단자(124)에 원형 편파 안테나의 급전 라인과 연결된다.
비대칭 전력 결합기(130)는 제1 방향성 커플러(110)의 좌하(left-bottom) 측단으로부터 연장되는 제1 연장패턴(132)과 제2 방향성 커플러(120)의 좌하 측단로부터 연장되는 제2 연장패턴(134)을 형성하되, 이들 연장패턴(132, 134)이 결합되어 출력단자(136)를 형성한다.
본 실시형태에서, 상기 출력단자(136) 전까지의 연장패턴(132, 134)의 제1 구간(132a) 및 제2 구간(134a)은 서로 다른 임피던스를 갖는다.
이하, 상술한 구성을 갖는 서큘레이터(100)의 구체적 동작에 관하여, '신호 송신의 경우'와 '신호 수신의 경우' 두 가지로 구분하여 설명한다.
[ 신호 송신의 경우 ]
도 3을 참조하면, 입력단자(112)로 인가된 송신신호 A는 제1 방향성 커플링(110) 및 제2 방향성 커플링(120)을 경유(A-A21-A22)하여 안테나 연결단자(122)로 진행한다. 송신신호 A는 각 커플링(110, 120)을 통해 -3dB씩 총 -6dB 감쇄된다.
상기 커플러(110, 120)에는 누설 송신신호 A11 및 A23가 각기 제1 연장패턴(132)과 제2 연장패턴(134)로 유입된다. 누설 송신신호 A23은 제1 커플러(110)를 경유한 신호이기 때문에 누설 송신신호 A11에 비해 -3dB 크기 차를 갖고, 180° 위상차를 갖는다. 따라서 누설 송신신호 A11 및 A23의 벡터 합은 이상적으로 제로(0)가 되어야 한다. 그러나 앞서 설명한바와 같이 누설 송신신호 A11과 A23은 3dB 크기 차를 갖기 때문에 벡터 합은 제로가 되지 않는다.
따라서, 누설 송신신호 A11와 A23의 벡터 합이 제로가 되도록 하기 위해 비대칭 전력 결합기(130)가 이용된다. 비대칭 전력 결합기(130)의 주요 기능은 상기한 누설 송신신호 A11의 크기를 -3dB 감쇄시키는 것으로, 상기한 제1 구간(132a)의 임피던스를 조정함으로써 달성된다. 이에 대해 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도면과 같이 제1 연장패턴(132)과 제2 연장패턴(134) 사이의 저항을 RP, 제1 구간(132a)의 임피던스를 Z02, 제2 구간(134a)의 임피던스를 Z03이라 하면, 이들을 다음의 관계식과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112007079846500-pat00001
,
Figure 112007079846500-pat00002
,
Figure 112007079846500-pat00003
상기한 관계식을 이용하여 Z02:Z03=1:2로 설정하면, 앞서 -3dB 차이가 났던 누설 송신신호 A11과 A23의 크기가 정합되고, 따라서 두 누설 송신신호의 벡터 합이 제로가 된다. 즉, 누설 송신신호들은 서로 상쇄되는 것이다.
[ 신호 수신의 경우 ]
도 5를 참조하면, 안테나 연결단자(122)로 유입된 수신신호(SRX)는 제1 및 제2 방향성 커플러(110, 120)에 의해 두 개의 수신신호(SRX1, SRX2)로 나뉘었다가 비대칭 전력 결합기(130)에서 합쳐진다. 이때 수신신호 SRX1 및 SRX2는 위상은 동일하나 상기한 관계식에서와 같이 크기가 조정된다. 이를 식으로 정리하면 다음과 같이 표현된다.
Figure 112007079846500-pat00004
Figure 112007079846500-pat00005
Figure 112007079846500-pat00006
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 서큘레이터(100)는 누설 송신신호를 최소화하면서, 송수신 신호의 분리를 원활히 수행할 수 있다. 더욱이 종래 서큘레이터에서 살펴본 바와 같은 벡터 모듈레이터를 비롯한 감지기, 전력 결합기 등의 추가적 구성이 필요치 않다. 따라서, 본 실시형태의 서큘레이터(100)를 채용하는 무선 통신 시스템 및 레이더 시스템에 있어서, 소형화를 심화시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 종래 방향성 커플러의 개략적 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 송수신 신호 분리용 준 서큘레이터에 대한 개략적 구성도,
도 3은 신호 송신의 경우 도 2의 서큘레이터의 동작 예시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 비대칭 전력 결합기에 대한 동작 예시도,
도 5는 신호 수신의 경우에 대한 도 2의 서큘레이터의 동작 예시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 송수신 신호 분리용 준 서큘레이터
110 : 제1 방향성 커플러 112 : 입력단자
114 : 종단단자 120 : 제2 방향성 커플러
122 : 안테나 연결단자 124 : 부가단자
130 : 비대칭 전력 결합기 132 : 제1 연장패턴
134 : 제2 연장패턴 136 : 출력단자

Claims (3)

  1. 좌상 측단에 송신신호를 입력받는 입력단자(112) 및 우상 측단에 종단단자(114)를 형성한 제1 방향성 커플러(110);
    우상 측단에 안테나와 연결되는 안테나 연결단자(122)와, 우하 측단에 부가단자(124)를 형성하고, 좌상 측단은 연결패턴(101)을 통해 상기 제1 방향성 커플러의 우하 측단과 연결되는 제2 방향성 커플러(120); 및
    상기 제1 방향성 커플러의 좌하 측단으로부터 연장되는 제1 연장패턴(132)과 상기 제2 방향성 커플러의 좌하 측단으로부터 연장되는 제2 연장패턴(134)을 형성하되, 상기 연장패턴들(132, 134)의 연장 선단이 결합되어 출력단자(136)를 형성하고, 상기 출력단자 전까지의 연장패턴들의 제1 구간(132a) 및 제2 구간(134a)은 서로 다른 임피던스를 갖는 비대칭 전력 결합기(130); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는 선형 편파 안테나이며,
    상기 부가단자에 50Ω 저항이 연결되는 것을 특징으로 하는 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는 원형 편파 안테나이며,
    상기 부가단자에 상기 원형 편파 안테나의 급전 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터.
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