KR101235340B1 - 섹터화된 위상가변기 - Google Patents

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KR101235340B1
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Abstract

본 발명은 섹터화된 위상가변기에 관한 것으로서, 위상 가변 선로를 형성하기 위한 패턴이 일면에 형성되어 있는 고정기판; 및 상기 고정기판과 맞닿아 설치되고, 회전운동이 가능하며, 상기 고정기판의 패턴과 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling) 되는 패턴이 형성되어 있어서, 상기 고정기판과 함께 상기 위상 가변 선로를 가변적으로 형성하는 이동기판을 포함하되, 상기 위상 가변 선로는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들을 포함하고, 상기 위상 가변 패턴들은 회전 중심 축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 존재하는 것을 특징으로 한다.

Description

섹터화된 위상가변기{A SECTORIZED PAHSE SHIFTER}
본 발명은 섹터화된 위상가변기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변패턴들이 회전 중심축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성될 수 있는 위상가변기에 관한 것이다.
위상가변기란, 입력되는 신호의 위상을 가변시켜서 출력하는 장치로서, 다양한 전기전자 기술 분야에서 사용되고 있는 장치이다. 특히, 이러한 위상가변기는 안테나 분야에서 전기적인 빔 틸트(Beam Tilt)를 구현하기 위해 널리 사용되고 있는데, 구체적으로, 상기 위상가변기가 일렬로 배열된 각 안테나 방사소자에 급전되는 신호의 위상차를 가변시키는 수단으로 사용되어서 안테나 빔의 전기적 틸트가 구현되고 있다.
한편, 이러한 위상가변기가 동작 되는 원리는 살펴보면, 상기 위상가변기는 입력신호를 적절히 지연시킴으로써 입력신호와 출력신호 간의 위상 차가 발생하도록 하는데, 바람직하게는 전송선로의 물리적인 길이를 달리하는 방식(동적으로 가변시키는 방식)으로 신호의 위상을 변화시킬 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 종래에 사용된 위상가변기를 살펴본다.
도 1을 참조하면, 종래의 위상가변기는, 회전 동작을 통해 전송 선로의 물리적인 길이를 변화시켰는데, 이러한 동작을 통해 각각의 출력신호들의 위상 값을 상대적으로 변화시켰다. 하지만, 종래의 위상가변기는(도 1의 오른쪽 그림 B) 호의 길이로 위상차를 구현하기 때문에, 구현하는 위상 차가 커지면 커질수록 오버랩되는 패턴들의 물리적인 거리가 증가할 수밖에 없고, 이에 따라 위상가변기의 성능이 저하되는 문제점(오버랩되는 패턴의 물리적인 거리가 반파장보다 길어지면 공진이 발생하여 성능이 저하될 수 있음)이 발생할 수 있었다.
또한, 도 1의 왼쪽 그림 A에 나타난 종래의 위상가변기들은, 호의 길이의 상대적인 변화에 의해 위상 차를 구현하기 때문에, 절대값이 같은 위상 차(±θ 또는 ±2θ 또는 ±3θ 등)를 구현하는 패턴들은 반드시 서로 이웃하게 형성되어야 했다. 따라서, 위상가변기의 급전 구성을 자유롭게 설계할 수 없다는 문제점도 있었다.
따라서, 이렇나 단점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 위상가변기의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 기술적인 요구를 충족시키기 위해서 발명되었으며, 상기와 같은 문제점을 해결함은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 개발할 수 없는 기술을 제공하기 위해 발명되었다.
본 발명에 따른 섹터화된 위상가변기는, 종래의 회전 타입 위상가변기의 패턴 구성과는 전혀 다른 새로운 개념의 위상가변기를 제안하는 것을 해결과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 위상 가변 선로를 형성하기 위한 패턴이 일면에 형성되어 있는 고정기판; 및 상기 고정기판과 맞닿아 설치되고, 회전운동이 가능하며, 상기 고정기판의 패턴과 커플링(Capacitive Coupling) 되는 패턴이 형성되어 있어서, 상기 고정기판과 함께 상기 위상 가변 선로를 가변적으로 형성하는 이동기판을 포함하되, 상기 위상 가변 선로는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들을 포함하고, 상기 위상 가변 패턴들은 회전 중심 축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 서로 다른 방사 방향에 존재하는 위상 가변 패턴들이, 서로 다른 위상의 신호를 구현하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 각 위상 가변 패턴이, 상기 이동기판의 회전운동에 따라 신호가 통과하게 되는 선로 상의 물리적 거리를 변화시키게 되고, 이에 따라 신호의 위상을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴들이, 상기 이동기판의 회전운동에 따라 신호의 위상을 가변시킬 때, 서로 간에 양 또는 음으로 비례하는 양만큼 위상을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 위상 가변량의 절대값이 동일한 위상 가변 패턴들이 이웃하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 각 위상 가변 패턴이, 상기 고정기판상에 형성된 패턴과 상기 이동기판상에 형성된 패턴이 동적으로 커패시티브 커플링되는 오버랩 패턴을 포함하고, 상기 오버랩 패턴은 복수 개의 호(Arc) 형상의 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 이동기판의 회전운동에 따라, 상기 복수 개의 호 형상의 패턴들의 길이가 일괄적으로 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 하나의 호 형상의 패턴에서 일어나는 길이 변화가 신호의 반 파장보다 길지 않은 범위에서 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 입력되는 신호를 분배하고, 분배된 신호의 크기(magnitude)를 조정하는 신호분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 위상 가변 선로가 신호의 크기는 조정하지 않고 위상만을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 신호분배기가 상기 고정기판상에 형성된 패턴으로 구현되고, 상기 신호분배기가 형성된 방사 방향에는 상기 위상 가변 패턴이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 위상 가변 선로가, 마이크로스트립(microstrip) 형태의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 고정기판과 이동기판이 절연막을 경계로 맞닿아 설치되며, 상기 커플링이 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 절연막이, 상기 고정기판 또는 상기 이동기판의 일면에서 이루어지는 PSR(Photo Solder Resist) 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 상기 고정기판에, 신호가 입력되는 입력패턴과 위상이 가변된 신호가 출력되는 출력패턴이 포함되고, 상기 입력패턴과 출력패턴에는 입출력케이블이 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 섹터화된 위상가변기는, 복수 개의 위상 가변 신호(+θ, +2θ, +3θ, -θ, -2θ, -3θ 등)들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들을 회전 중심축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성하므로, 위상 가변 패턴들을 독립화 및 섹터화(Sectorization)시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섹터화된 위상가변기는, 위상가변기의 급전(Feeding) 구성을 자유롭게 설계할 수 있게 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 위상가변기는 위상 가변패턴들을 독립화 및 섹터화할 수 있고, 절대값이 같은 위상 차(±θ 또는 ±2θ 또는 ±3θ 등)를 구현하는 패턴들이 서로 이웃할 필요가 없으므로, 기판 위에 형성되는 패턴들을 자유롭게 구성할 수 있고 급전(Feeding) 구조도 자유롭게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섹터화된 위상가변기는, 공진의 발생을 억제시켜 위상가변기의 성능을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 위상가변기는, 위상을 동적으로 가변시키기 위한 오버랩 패턴을 하나의 호(Arc)상에서 형성하지 않고, 복수 개의 짧은 오버랩 패턴으로 나눈 후에 복수 개의 호(Arc, 바람직하게는 회전축의 방사 방향으로 배치)상에 형성하므로, 가변 되는 위상 값이 커지더라도 오버랩 패턴의 길이가 신호의 반 파장을 넘지 않는다. 따라서, 공진의 발생을 억제시켜서 위상가변기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섹터화된 위상가변기는, 패턴의 설계가 자유로워서 파워 디바이더 한 기판에 함께 구현하기 용이하며, 이에 따라 위상가변기의 구조가 단순화될 수 있고 제품의 생산성이 현저하게 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 위상가변기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 위상 가변 패턴들이 섹터화되어 있는 것을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 위상 가변 패턴들의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시시예에 따른 섹터화된 위상가변기에 포함되는 고정기판의 패턴 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기에 포함되는 이동기판의 패턴 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 패턴 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 위상 가변 패턴들의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 위상 가변 패턴들이 섹터화되어 있는 것을 나타내는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기의 패턴 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상가변기의 구체적인 설계 방법에 관한 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형의 표현'으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭하는 표현이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안된다.
또한, '제1, 제2, 제3' 등과 같은 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 상기 구성요소들의 속성이 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결/접속되어 있을 수도 있지만, 중간 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기를 상세하게 살펴본다.
참고로 이하에서 설명할 위상가변기는, 6개의 위상 차이(+θ, -θ, +2θ, -2θ, +3θ, -3θ)를 구현하는 패턴을 포함하지만, 본 발명은 위상가변기가 구현하는 위상 차이의 개수를 한정하지 않으며, 실시예에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 위상 가변 선로를 형성하기 위한 패턴이 일면에 형성되어 있는 고정기판(100) 및 상기 고정기판과 맞닿아 설치되고, 회전운동이 가능하며, 상기 고정기판의 패턴과 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling) 되는 패턴이 형성되어 있어서, 상기 고정기판과 함께 상기 위상 가변 선로를 가변적으로 형성하는 이동기판(200)을 포함할 수 있다.
또한, 여기서 상기 위상 가변 선로는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들(310 내지 360)을 포함하고, 상기 위상 가변 패턴들(310 내지 360)은 회전중심 축(600)을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고정기판(100)은, 상기 이동기판(200)과 결합 되어서 위상가변기를 형성하는 구성으로서, 상기 이동기판(200)과 결합 된 이후에, 입력된 신호의 위상을 가변시켜서 복수 개의 위상 가변 신호를 출력시키는, 위상 가변 선로를 동적으로 형성하는 구성을 의미한다.
이러한 상기 고정기판(100)은 상기 이동기판(200)과 절역막을 경계로 서로 맞닿은 형태로 설치되는 것이 바람직하며, 상기 이동기판(200)과 맞닿게 되는 상기 고정기판(100)의 일면에는 마이크로스트립(Micorotrip) 형태로 패턴이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 형태로 배치되어야 상기 고정기판(100)에 형성되어 있는 마이크로스트립 형태의 패턴과 상기 이동기판(200)에 형성된 패턴들이 맞닿은 상태(오버랩)에서 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling)을 이룰 수 있으며, 이에 따라 신호를 입력받은 뒤에 위상을 가변시켜서 출력하는 완전한 위상 가변 선로가 형성이 되기 때문이다.
또한, 상기 고정기판(100)은 도 4와 같이 독립적으로 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 복수 개의 패턴(110 내지 160)들은 서로 독립적으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 고정기판(100)의 특정 지점(상기 이동기판의 회전 중심 축(600)과 대응되는 지점)을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수 개의 패턴들(110 내지 160)은 도 4와 같이 바람직하게는 방사 방향을 따라 순차적으로 형성되는 호(Arc) 형상의 패턴들을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 호(Arc) 형상의 패턴들은 일부가 단절된 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 고정기판(100)에 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)은 그 자체로는 완전한 선로를 형성할 수 없으며, 입출력케이블이 패턴들에 연결되어도 신호가 흐르지 않는다. 이러한 단절된 형태의 상기 복수 개의 패턴들(110 내지 160)은, 상기 고정기판(100)과 상기 이동기판(200)이 맞닿아 설치(도 3 참조)된 이후에는 상기 이동기판(300)에 형성된 복수 개의 패턴들(210 내지 260)과 각각 커플링(110-210, 120-220, 130-230, 140-240, 150-250, 160-260)을 이루게 되는데, 이에 따라 상기 복수 개의 패턴들(110 내지 160)이 포함하던 단절된 패턴들이 상기 이동기판에 형성된 패턴들(210 내지 260)과의 커플링(110-210, 120-220, 130-230, 140-240, 150-250, 160-260)을 통해 서로 연결되게 된다. 따라서, 이러한 연결을 통해 입력된 신호의 위상을 가변시켜서 출력하기 위한 완전한 위상 가변 선로가 형성되게 된다.
한편, 상기 고정기판(100)이 포함할 수 있는 상기 복수 개의 패턴들(110 내지 160)은, 도 4 및 도 6과 같이 신호가 입력되는 입력패턴(112, 122, 132, 142, 152, 162)과 신호가 출력되는 출력패턴(114, 124, 134, 144, 154, 164)을 각각 포함할 수 있으며, 이러한 입력패턴과 출력패턴을 통해 신호를 전달하거나 받을 수 있다. 또한, 상기 입력패턴과 출력패턴은 패턴이 형성된 기판의 일면에서 연장된 이후에 입출력케이블과 연결되거나, 쓰루홀을 통해 패턴이 형성된 면의 반대편 면으로 연결된 이후에 입출력케이블과 연결될 수 있다. (참고로, 상기 출력패턴(114, 124, 134, 144, 154, 164)를 통해 전달되는 위상 가변 신호들은 일렬로 배열되는 안테나 방사 소자들에 각각 전달되는 것이 바람직하며, 상기 방사 소자들은 이러한 위상 가변 신호들을 통해 전기적인 빔 틸트를 구현하게 된다.)
또한, 상기 고정기판(100)은 상기 이동기판(200)과 다양한 형태로 결합 될 수 있는데, 바람직하게는, 상기 이동기판의 회전 중심 축(600)을 매개로 상기 이동기판(200)과 결합 될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정기판(100)상에 상기 이동기판의 회전 중심 축(600)이 통과할 수 있는 홀을 형성하고, 상기 홀과 상기 회전 중심 축(600)을 매개로 하여 상기 고정기판(100)과 상기 이동기판(200)을 동적으로 결합시킬 수 있다.
상기 이동기판(200)은, 상기 고정기판(100)에 회전 운동이 가능한 형태로 결합 되어서 위상가변기를 형성하는 구성으로서, 상기 고정기판(100)과 결합 된 이후에 상기 위상 가변 선로를 동적으로 형성하는 구성을 의미한다.
이러한 상기 이동기판(200)은 상기 고정기판(100)과 절역막을 경계로 서로 맞닿은 형태로 설치되는 것이 바람직한데, 여기서 상기 절연막은 상기 고정기판(100) 또는 상기 이동기판(200)의 일면에서 이루어지는 PSR(Photo Solder Resist) 처리에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고정기판(100)과 맞닿게 되는 상기 이동기판(200)의 일면에는 마이크로스트립(Microstrip) 형태로 패턴이 형성되는 것이 바람직한데, 이러한 형태로 형성되어야 상기 고정기판(100)에 형성되어 있는 마이크로스트립 형태의 패턴과 상기 이동기판(200)에 형성된 패턴들이 서로 맞닿은 상태(오버랩)에서 커패시티브 커플링(Capacitive coupling)을 이룰 수 있으며, 이에 따라 신호를 입력받은 뒤에 위상을 가변시켜서 출력하는 완전한 위상 가변 선로가 형성이 되기 때문이다.
또한, 상기 이동기판(200)은 도 5와 같이 독립적으로 형성된 복수 개의 패턴들(210 내지 260)을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 복수 개의 패턴(210 내지 260)들은 서로 독립적으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 이동기판의 회전 중심 축(600)을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수 개의 패턴들(210 내지 260)은 상기 고정기판(100)상에 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)의 형상과 대응될 수 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 상기 복수 개의 패턴들(210 내지 260)을 상기 고정기판상에 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)의 형상과 대응될 수 있는 형태로 형성함으로써, 상기 패턴들이 서로 커플링을 이루도록 할 수 있고, 이러한 커플링을 통해 완전한 위상 가변 선로가 형성되도록 할 수 있기 때문이다. 도 3 내지 도 5를 참조하여 살펴보면, 상기 복수 개의 패턴들(210 내지 260)은, 상기 고정기판상에 형성된 복수 개의 패턴들과 대응될 수 있는 곡률을 가지는 트롬본(Trombone) 형태의 패턴(호 형상의 패턴들이 2개씩 연결)으로 형성될 수 있는데, 이러한 형태를 통해 상기 고정기판상에 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)과 커플링(Capacitive Coupling)될 수 있으며, 이러한 커플링을 통해 상기 고정기판상에 형성된 복수 개의 패턴들(110 내지 160)이 포함하는 단절 부분들이 서로 연결되도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 연결을 통해 완전한 위상 가변 선로가 형성될 수 있다.
한편, 상기 이동기판(200)은 상기 고정기판(100)과 다양한 형태로 결합 될 수 있는데, 바람직하게는, 상기 이동기판의 회전 중심 축(600)을 매개로 상기 고정기판(100)과 결합 될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정기판(100)상에 상기 이동기판의 회전 중심 축(600)이 통과할 수 있는 홀을 형성하고, 상기 홀과 상기 회전 중심 축(600)을 매개로 하여 상기 고정기판(100)과 상기 이동기판(200)을 동적으로 결합시킬 수 있으며, 이러한 결합 이후에 상기 이동기판(200)은 상기 회전 중심 축(600)을 중심으로 회전운동을 할 수 있다. 참고로, 여기서 상기 회전 중심 축(600)은 상기 이동기판(200)과 일체로 형성되거나, 상기 이동기판에 형성된 홀에 결합되는 형태로 형성되는 등 다양하게 구성될 수 있다.
상기 위상 가변 선로는, 상기 고정기판에 형성된 패턴(110 내지 160)과 상기 이동기판에 형성된 패턴들(210 내지 260)이 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling) 되어서 형성되는 선로로서, 신호를 입력받아서 위상을 가변시킨 후에 출력하는 역할을 수행한다.
이러한 상기 위상 가변 선로는 상기 고정기판(100)과 상기 이동기판(200)이 절연막을 경계로 서로 맞닿아 설치된 이후에 형성되며, 상기 이동기판(200)의 회전 운동에 따라 동적인 형태로 형성되게 된다. 구체적으로, 상기 이동기판(200)의 회전 운동에 따라 상기 위상 가변 선로의 물리적인 거리가 변화하게 되며, 이에 따라 신호의 위상이 가변 되는 정도(위상 차이)가 변화하게 된다. 도 3 내지 도 5를 참조하여 예를 살펴 보면, 도 4에서 확인할 수 있는 고정기판의 패턴들(110 내지 160)과 도 5에서 확인할 수 있는 이동기판의 패턴들(210 내지 260)이 커패시티브 커플링을 이루어서 도 3과 같은 위상 가변 선로가 형성된다. 여기서 상기 이동기판(200)이 시계방향 또는 시계 반대 방향으로 회전 운동을 함에 따라 상기 위상 가변 선로의 물리적인 거리가 변화하게 되는데, 이에 따라 신호의 위상이 가변 되는 정도가 변화하게 된다.
상기 위상 가변 선로는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들(310 내지 360)을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 위상 가변 패턴들(310 내지 360)은 상기 위상 가변 선로를 구성하는 복수 개의 독립적인 패턴을 의미한다. 이러한 상기 복수 개의 위상 가변 패턴들(310 내지 360)은 이동기판의 회전 중심 축(600)을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 형성되고, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴들(310 내지 360) 각각이 서로 다른 위상의 신호를 구현하는 것이 바람직한데, 이러한 구성에 의해 상기 위상 가변 선로의 패턴 구성을 섹터화(Sectorization) 시킬 수 있기 때문이다. 도 2와 도 3을 참조하여 살펴보면, +3θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(350), -3θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(360), +2θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(330), -2θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(340), +θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(310), -θ의 위상 가변 신호를 구현하기 위한 위상 가변 패턴(320)이 이동기판의 회전 중심 축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial)에 독립적으로 배치되며, 이에 따라 위상가변기의 패턴 구성이 도 2의 우측과 같이 섹터화(Sectorizaiton) 된 형태로 구성될 수 있다. (참고로, 도 2의 좌측은 종래의 위상가변기의 패턴구성을 나타낸다)
또한, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴(310 내지 360)은, 상기 이동기판(200)의 회전에 따라 신호의 위상을 각각 가변시킬 때, 서로 간에 양 또는 음으로 비례하는 양만큼(ex: +θ, -θ, +2θ, -2θ, +3θ, -3θ 등) 위상을 가변시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴(310 내지 360)은, 도 3 내지 도 5를 참조하여 알 수 있듯이, 고정기판의 패턴 부분(110 내지 160), 이동기판의 패턴 부분(210 내지 260), 오버랩패턴 부분(311 내지 361)을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 오버랩패턴(311 내지 361)은 상기 고정기판의 패턴(110 내지 160)과 상기 이동기판의 패턴(210 내지 260)이 맞닿은 상태로 커패시티브 커플링을 이룬 패턴 부분을 의미한다. 구체적으로 제1위상 가변 패턴(310)은 고정기판의 제1패턴(110), 이동기판의 제1패턴(210), 제1오버랩패턴(311)을 포함할 수 있고, 제2위상 가변 패턴(320)은 고정기판의 제2패턴(120), 이동기판의 제2패턴(220), 제1오버랩패턴(321)을 포함할 수 있다. 또한, 제3위상 가변 패턴(330)은 고정기판의 제3패턴(130), 이동기판의 제3패턴(230), 제3오버랩패턴(331)을 포함할 수 있고, 제4위상 가변 패턴(340)은 고정기판의 제4패턴(140), 이동기판의 제4패턴(240), 제4오버랩패턴(341)을 포함할 수 있다. 그리고, 제5위상 가변 패턴(350)은 고정기판의 제5패턴(150), 이동기판의 제5패턴(250), 제5오버랩패턴(351)을 포함할 수 있고, 제6위상 가변 패턴(360)은 고정기판의 제6패턴(160), 이동기판의 제6패턴(260), 제6오버랩패턴(361)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 위상 가변 패턴(310 내지 360)에 포함되는 각 오버랩패턴(311 내지 361)은, 도 3을 참조하여서도 알 수 있듯이, 방사 방향(이동기판의 회전 중심 축을 기준)을 따라 형성되는 복수 개의 호(Arc) 형상의 패턴들을 포함할 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 호 형상의 패턴들은 상기 이동기판(200)이 회전 운동을 함에 따라 일괄적으로 물리적인 길이가 변화하게 되는데, 여기서 상기 복수 개의 호 형상 패턴들 전체에서 일어나는 길이 변화의 총 합이 상기 각 오버랩패턴(311 내지 361)의 길이 변화량이 된다. 예를 들어, 도 3에서 상기 이동기판(200)이 회전 운동을 하면, 제3오버랩패턴(331)이 포함하는 4개의 호 형상 패턴들의 길이가 일괄적으로 변화하게 되는데, 이러한 4개의 호 형상 패턴들에서 일어나는 길이 변화의 총 합이 상기 제3오버랩패턴(331)의 길이 변화량이 된다. 또한, 상기 복수 개의 호 형상 패턴들 각각의 길이는 신호의 반 파장보다 길지 않은 범위에서 변화하는 것이 바람직한데, 이에 따라 공진의 발생이 억제되고 위상가변기의 성능 저하가 방지될 수 있다.
결국, 상기 각 위상 가변 패턴(310 내지 360)은, 위상을 동적으로 가변시키기 위한 오버랩패턴을 하나의 호(Arc) 형상으로 형성하지 않고, 복수 개의 짧은(신호의 반 파장보다 길지 않음) 호 형상으로 형성하므로, 가변 되는 위상 값이 커지더라도 오버랩 패턴의 길이가 신호의 반 파장을 넘지 않는다. 따라서, 공진의 발생을 억제시켜서 위상가변기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 위상 가변 선로가 위상을 가변시키는 동작을 살펴보면, 먼저 상기 고정기판의 패턴들(110 내지 160)과 상기 이동기판의 패턴들(210 내지 260)이 커플링 되어서 복수 개의 위상 가변 패턴들(310 내지 360)을 형성한다. 이 상태에서 상기 이동기판(200)이 반시계 방향으로 회전하면, 제1위상 가변 패턴(310)이 포함하는 제1오버랩패턴(311)의 길이는 감소하고, 상기 제1위상 가변 패턴(310)의 전체 길이는 증가(+A)한다. 또한, 제2위상 가변 패턴(320)이 포함하는 제2오버랩패턴(321)의 길이는 증가하고, 상기 제2위상 가변 패턴(320)의 전체 길이는 감소(-A)한다. 또한, 제3위상 가변 패턴(330)이 포함하는 제3오버랩패턴(331)의 길이는 감소하고, 상기 제3위상 가변 패턴(330)의 전체 길이는 증가(+2A)한다. 또한, 제4위상 가변 패턴(340)이 포함하는 제4오버랩패턴(341)의 길이는 증가하고, 상기 제4위상 가변 패턴(340)의 전체 길이는 감소(-2A)한다. 또한, 제5위상 가변 패턴(350)이 포함하는 제5오버랩패턴(351)의 길이는 감소하고, 상기 제5위상 가변 패턴(350)의 전체 길이는 증가(+3A)한다. 그리고, 제6위상 가변 패턴(360)이 포함하는 제6오버랩패턴(361)의 길이는 증가하고, 상기 제6위상 가변 패턴(360)의 전체 길이는 감소(-3A)한다.
이에 따라, 상기 제1위상 가변 패턴(310)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 112로 입력되어서 114로 출력되는 신호)는, 상기 제1위상 가변 패턴(310)의 물리적인 길이가 증가(+A)함에 위상이 지연(+θ)된다. 또한, 상기 제2위상 가변 패턴(320)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 122로 입력되어서 124로 출력되는 신호)는, 상기 제2위상 가변 패턴(320)의 물리적인 길이가 감소(-A)함에 따라 위상이 앞서게(-θ) 된다. 또한, 상기 제3위상 가변 패턴(330)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 132로 입력되어서 134로 출력되는 신호)는, 상기 제3위상 가변 패턴(330)의 물리적인 길이가 증가(+2A)함에 따라 위상이 지연(+2θ)된다. 또한, 상기 제4위상 가변 패턴(340)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 142로 입력되어서 144로 출력되는 신호)는, 상기 제4위상 가변 패턴(340)의 물리적인 길이가 감소(-2A)함에 따라 위상이 앞서게(-2θ) 된다. 또한, 상기 제5위상 가변 패턴(350)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 152로 입력되어서 154로 출력되는 신호)는, 상기 제5위상 가변 패턴(350)의 물리적인 길이가 증가(+3A)함에 따라 위상이 지연(+3θ)된다. 그리고, 상기 제6위상 가변 패턴(360)을 통과하는 신호(ex : 도 6에서, 162로 입력되어서 164로 출력되는 신호)는, 상기 제6위상 가변 패턴(360)의 물리적인 길이가 감소(-3A)함에 따라 위상이 앞서게(-3θ) 된다.
결국, 섹터화된 복수 개의 위상 가변 패턴(310 내지 360)들이 상기 이동기판(200)의 회전 운동에 따라 독립적으로 물리적 길이를 변화시키며, 이러한 동작을 통해 서로 다른 양만큼(ex: +θ, -θ, +2θ, -2θ, +3θ, -3θ 등) 위상이 가변 된 신호들을 생성하게 된다.
이하, 도 7 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기를 상세하게 살펴본다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상 가변기는, 위상 가변량의 절대값이 동일한 위상 가변 패턴들(+θ와 -θ의 위상 차를 구현하는 패턴, +2θ와 -2θ의 위상 차를 구현하는 패턴 또는 +3θ와 -3θ의 위상 차를 구현하는 패턴 등)이 서로 일체로 형성되거나 이웃하여 형성될 필요가 없으며, 서로 독립하여 자유롭게 형성될 수 있다.
구체적으로, 서로 섹터화되고 독립된 복수 개의 위상 가변 패턴(310 내지 360)들이 각각의 위상 가변 신호들을 구현하므로, 위상 가변량의 절대값이 동일한 위상 가변 패턴들도 이웃하거나 일체로 형성될 필요가 없다. 따라서, 도 7 및 도 8과 같이 +θ와 -θ의 위상차를 구현하는 패턴, +2θ와 -2θ의 위상차를 구현하는 패턴 또는 +3θ와 -3θ의 위상차를 구현하는 패턴들이 서로 다른 섹터 부분에 독립적으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 위상 가변기의 패턴 구성과 급전 구성의 자유도가 향상될 수 있다.
참고로, 종래의 위상 가변기는, 도 2의 좌측과 같이, 위상 가변량의 절대값이 동일한 위상 가변 패턴들(+θ와 -θ의 위상차를 구현하는 패턴, +2θ와 -2θ의 위상차를 구현하는 패턴 또는 +3θ와 -3θ의 위상차를 구현하는 패턴 등)이 서로 일체로 형성되거나 이웃하여 형성되어야 하므로, 위상가변기의 패턴 구성과 급전 구성의 자유가 일정 부분 제약되었다.
이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기를 상세하게 살펴본다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기는, 입력되는 신호를 분배하고, 분배된 신호의 크기(Magnitude)를 조정하는 신호분배기(400)를 더 포함할 수 있다. 이러한 상기 신호분배기(400)는 입력되는 신호를 분배하고, 분배된 신호의 크기(magnitude) 또는 파워(Power)를 조정하는 구성을 의미하는 것으로서, 구체적으로 신호가 흐르는 선로의 굵기 등을 변화시켜서 신호들의 크기 또는 파워를 조정하는 구성을 의미한다.
따라서, 상기 신호분배기(400)가 입력되는 신호의 분배, 크기조절 및 파워조절을 담당하기 때문에, 상기 위상 가변 선로는 신호의 크기는 조정하지 않고 위상만을 가변시키는 형태로 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 위상 가변 선로가, 길이는 동적으로 변화하되 굵기는 일정한 마이크로스트립 패턴의 형태로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상가변기는, 위상 가변 선로가 복수 개의 위상 가변 패턴으로 이루어지고, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴들이 섹터화되어서 독립적으로 구성되기 때문에, 고정기판상의 패턴 및 급전 구성을 자유롭게 할 수 있다. 따라서, 상기 복수 개의 위상 가변 패턴이 형성되는 위치를 자유롭게 조정한 뒤에, 상기 신호분배기(400)를 패턴의 형태로 상기 고정기판상에 형성시킬 수도 있다.
즉, 도 9와 같이 상기 신호분배기(400)를 고정기판상에 형성된 패턴으로 구현하고, 상기 신호분배기가 형성되지 않은 방사 방향(이동기판의 회전 중심 축 기준)에 복수 개의 위상 가변 패턴을 형성하는 형태로 위상가변기를 구성할 수 있다.
도 9를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상가변기에서의 신호의 흐름을 살펴보면, 먼저 입출력케이블(500)을 통해 신호가 신호입력부(460)로 전달되고, 상기 신호가 분배되고 크기가 조절된 뒤에 제1 내지 5출력부(410 내지 450)로 출력된다.
제1출력부(410)로 출력된 신호는 제1입력패턴(112)으로 전달되며, 위상이 가변(+θ) 된 후에 제1출력패턴(114)을 통해 입출력케이블(500)에 전달된다. 또한, 제2출력부(420)로 출력된 신호는 제2입력패턴(122)으로 전달되며, 위상이 가변(-θ) 된 후에 제2출력패턴(124)을 통해 입출력케이블에 전달된다. 또한, 제3출력부(430)를 통해 출력된 신호는 제3입력패턴(132)으로 전달되며, 위상이 가변(+2θ)된 후에 제3출력패턴(134)을 통해 입출력케이블에 전달된다. 또한, 제4출력부(430)를 통해 출력된 신호는 제4입력패턴(142)으로 전달되며, 위상이 가변(-2θ) 된 후에 제4출력패턴(144)을 통해 입출력케이블에 전달된다. 그리고 제5출력부(450)를 통해 출력된 신호는, 상기 신호입력부(460)로 전달된 신호와 동위상인 신호로서, 위상 가변 없이 입출력케이블(500)로 전달된다.
[구체적인 실시예]
이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 섹터화된 위상가변기를 설계하는 구체적인 실시예를 살펴본다.
구체적으로, 도 10과 같은 패턴을 구성한 경우에 +θ, +2θ, +3θ의 위상 차이를 구현시키기 위하여, 각 패턴들이 포함하는 오버랩패턴들이 어떠한 위치에 형성되어야 하는지 살펴본다.
상기 제1위상 가변패턴(310), 상기 제3위상 가변패턴(330), 상기 제5위상 가변패턴(350)이 구현하는 위상차이가 +θ, +2θ, +3θ이기 위해서는, 상기 제1위상 가변패턴(310)의 물리적 거리 변화(L1), 상기 제3위상 가변패턴(330)의 물리적 거리 변화(L2), 상기 제5위상 가변패턴(350)의 물리적 거리 변화(L3)들이 다음과 같은 관계를 만족하여야 한다.
a : 이동기판의 회전각도
L1 = a*(2*R + 3*DR1)
L2 = a*(4*R + 6*DR2)
L3 = a*(4*R + 10*DR3)
L2 = 2*L1, L3 = 3*L1 (물리적 거리의 변화와 구현되는 위상차이는 비례)
결국, 다음과 같은 관계가 도출된다.
4*R + 6*DR2 = 2*(2*R + 3*DR1)
4*R + 10*DR3 = 3*(2*R + 3*DR1)
DR2 = DR1 (식 1)
DR3 = 0.2*R + 0.9*DR1 (식 2)
참고로, 제2위상 가변 패턴(320)은 제1위상 가변 패턴(310)의 위치와 대응되도록 위치(R+DR1, R+2*DR1)할 수 있고, 제4위상 가변 패턴(340)은 제3위상 가변 패턴(330)의 위치(R, R+DR2, R+2*DR2, R+3*DR2)와 대응되도록 위치할 수 있다. 또한 제6위상 가변 패턴(360)은 제5위상 가변 패턴(350)의 위치와 대응되도록 위치( R+DR3, R+2*DR3, R+3*DR3, R+4*DR3)할 수 있다.
결국, 식 1과 식 2의 관계를 활용하여, 본 발명의 실시예들에 따른 위상가변기의 패턴들을 형성할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 고정기판 110 : 고정기판의 제1패턴
112 : 제1입력패턴 114 : 제1출력패턴
120 : 고정기판의 제2패턴 122 : 제2입력패턴
124 : 제2출력패턴 130 : 고정기판의 제3패턴
132 : 제3입력패턴 134 : 제3출력패턴
140 : 고정기판의 제4패턴 142 : 제4입력패턴
144 : 제4출력패턴 150 : 고정기판의 제5패턴
152 : 제5입력패턴 154 : 제5출력패턴
160 : 고정기판의 제6패턴 162 : 제6입력패턴
164 : 제6출력패턴 200 : 이동기판
210 : 이동기판의 제1패턴 220 : 이동기판의 제2패턴
230 : 이동기판의 제3패턴 240 : 이동기판의 제4패턴
250 : 이동기판의 제5패턴 260 : 이동기판의 제6패턴
310 : 제1위상 가변 패턴 311 : 제1오버랩패턴
320 : 제2위상 가변 패턴 321 : 제2오버랩패턴
330 : 제3위상 가변 패턴 331 : 제3오버랩패턴
340 : 제4위상 가변 패턴 341 : 제4오버랩패턴
350 : 제5위상 가변 패턴 351 : 제5오버랩패턴
360 : 제6위상 가변 패턴 361 : 제6오버랩패턴
400 : 신호분배기 410 : 제1출력부
420 : 제2출력부 430 : 제3출력부
440 : 제4출력부 450 : 제5출력부
460 : 신호입력부 500 : 입출력케이블
600 : 회전 중심 축

Claims (15)

  1. 위상 가변 선로를 형성하기 위한 패턴이 일면에 형성되어 있는 고정기판; 및
    상기 고정기판과 맞닿아 설치되고, 회전운동이 가능하며, 상기 고정기판의 패턴과 커플링(Coupling) 되는 패턴이 형성되어 있어서, 상기 고정기판과 함께 상기 위상 가변 선로를 가변적으로 형성하는 이동기판;
    을 포함하되,
    상기 위상 가변 선로는, 복수 개의 위상 가변 신호들을 생성하기 위한 복수 개의 위상 가변 패턴들을 포함하고, 상기 위상 가변 패턴들은 회전 중심 축을 기준으로 서로 다른 방사(Radial) 방향에 존재하며,
    서로 다른 방사 방향에 존재하는 위상 가변 패턴들은, 서로 다른 위상의 신호를 구현하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 위상 가변 패턴은,
    상기 이동기판의 회전운동에 따라 신호가 통과하게 되는 선로 상의 물리적 거리를 변화시키게 되고, 이에 따라 신호의 위상을 가변시키는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 위상 가변 패턴들은,
    상기 이동기판의 회전운동에 따라 신호의 위상을 가변시킬 때, 서로 간에 양 또는 음으로 비례하는 양만큼 위상을 가변시키는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    위상 가변량의 절대값이 동일한 위상 가변 패턴들이 이웃하지 않는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 위상 가변 패턴은,
    상기 고정기판상에 형성된 패턴과 상기 이동기판상에 형성된 패턴이 동적으로 커패시티브 커플링되는 오버랩 패턴을 포함하고,
    상기 오버랩 패턴은 복수 개의 호(Arc) 형상의 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이동기판의 회전운동에 따라, 상기 복수 개의 호 형상의 패턴들의 길이가 일괄적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    하나의 호 형상의 패턴에서 일어나는 길이 변화는 신호의 반 파장보다 길지 않은 범위에서 변화하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    입력되는 신호를 분배하고 분배된 신호의 크기(magnitude)를 조정하며, 상기 고정기판상에 형성되는 신호분배기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 위상 가변 선로는 신호의 크기는 조정하지 않고 위상만을 가변시키는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호분배기는 상기 고정기판상에 형성된 패턴으로 구현되고,
    상기 신호분배기가 형성된 방사 방향에는 상기 위상 가변 패턴이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 가변 선로는, 마이크로스트립(microstrip) 형태의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정기판과 이동기판은 절연막을 경계로 맞닿아 설치되며, 상기 커플링은 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling)인 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연막은, 상기 고정기판 또는 상기 이동기판의 일면에서 이루어지는 PSR(Photo Solder Resist) 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정기판은, 신호가 입력되는 입력패턴과 위상이 가변된 신호가 출력되는 출력패턴을 포함하고, 상기 입력패턴과 출력패턴에는 입출력케이블이 연결되는 것을 특징으로 하는 섹터화된 위상가변기.

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