KR101490835B1 - 광대역 결합선로 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선통신 서비스를 위한 안테나용 광대역 결합선로 결합기(Coupler)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주선로와 결합선로에 오픈 스텁(Open Stub)을 연결하여 1개의 입력 신호를 1개의 통과 신호와 1개의 결합 신호로 분배해주는 광대역 결합선로 결합기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광대역 결합선로 결합기는, 안테나 신호 입출력을 위한 2개의 입출력 포트와 기지국 또는 중계기의 신호 입출력을 위한 1개의 입출력 포트와 1개의 격리포트를 갖으며, 내부는 주선로와 결합선로가 좌우 또는 상하로 이격되어 쌍으로 배치되고, 주선로와 결합선로의 쌍이 수평적으로 2 이상의 다단 결합 구조를 갖고, 상기 주선로와 결합선로 각각에는 오픈 스텁(Open Stub)이 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.

Description

광대역 결합선로 결합기{BROADBAND COUPLED LINE COUPLER}

본 발명은 무선통신 서비스를 위한 안테나용 광대역(Broadband) 결합선로(Coupled Line) 결합기(Coupler)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주선로(Main Line)와 결합선로(Coupled Line)에 오픈 스텁(Open Stub)을 연결하여 1개의 입력 신호를 1개의 통과 신호와 1개의 결합 신호로 분배해주는 광대역 결합선로 결합기에 관한 것이다.

최근 들어, 무선 통신의 진화 및 발전에 따라 무선 통신 서비스는 다양한 주파수 대역을 사용하는 무선 통신 서비스로 발전되고 있다.

무선 통신은 음성 위주의 서비스를 하는 PCS CDMA (Personal Communication System Code Domain Multiple Access) 무선 이동 통신 서비스, 음성뿐만 아니라 화상 통화까지도 가능한 WCDMA(Wide band Code Division Multiple Access) 무선 이동통신 서비스와 고속 무선 인터넷 서비스를 위한 LTE(Long Term Evolution) 무선 이동통신 서비스로 다양화 되고 있다.

각각의 무선 통신 서비스는 각각 다른 주파수 대역을 사용하여야 하므로 각각의 서비스를 받기 위해서는 각각의 무선 이동 통신 단말기(MS : Mobile Station)가 있어야하며 또한 각각의 기지국(Base Transceiver Station)을 설치하여 한다.

또한 기지국과 멀리 떨어져 있는 지역이나 지하상가, 터널, 지하 주차장, 빌딩 등과 같은 전파 음영 지역들은 중계기를 설치하여 전파 음영 지역에 있는 서비스 이용자에게도 무선 통신 서비스가 가능하도록 한다. 즉, 각각의 중계기는 음영 지역이나 차폐된 공간에 설치되어 각각의 기지국 신호를 수신한 후 증폭하여 재방사하는 방식을 이용하여 전파 음영지역에서의 무선 통신 서비스의 이용을 가능하게 한다.

중계기를 이용한 인 빌딩(In-building) 서비스의 경우, 중계기는 링크 안테나를 통해 기지국 신호를 수신하여 증폭한 한 후 결합기와 건물의 서로 다른 층의 서비스 안테나를 통해 단말기로 송신하며, 서비스 안테나를 통해 수신한 단말기 신호를 증폭한 후 링크 안테나를 통해 기지국으로 송신하게 된다.

도 1은 협대역(Narrow Bandwidth) 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 결합선로 결합기(100)의 내부에 있는 2개의 평행한 선로(110, 120)은 서로 근접한 형태로 배치되어 있으며, 2개의 선로의 간격과 길이에 의해 결합기의 결합(Coupling) 양이 조절되는 구조로 되어 있다.

결합선로 결합기(100)의 주선로(Main Line, 110)에는 입력포트(Input Port)가 있고, 입력포트에 입력된 신호의 일부가 통과되어 출력되는 통과포트(Through Port)가 있으며, 결합선로(Coupled Line, 120)에는 주선로(110)의 입력포트로 입력된 신호의 일부가 결합되어 출력되는 결합포트(Coupled Port)가 있고, 입력 신호가 출력되지 않는 격리포트(Isolation Port)로 구성되어 있으며, 통상 격리포트는 선로 임피던스(Impedance)에 맞추어 저항(Resistor)으로 접지(Ground)시켜 놓아서 입출력용으로 사용하지 않는 포트가 된다.

기지국이나 중계기와 연결되는 급전 케이블(Feeder Cable)과 안테나와 연결되는 급전 케이블은 통상 50 Ohms의 특성임피던스(Characteristic Impedance)를 갖고 있으므로 결합선로 결합기의 내부에 있는 신호 선로(210, 220)도 입력과 출력 급전 케이블과의 임피던스 정합을 위해 50 Ohms의 특성임피던스를 갖도록 설계가 되어야 한다.

최근에는 800MHz CDMA/2.1GHz WCDMA/1.8GHz LTE의 출력 신호가 하나의 포트에 통합된 통합형 기지국 또는 중계기의 사용으로 인해 결합선로 결합기에 입력되는 기지국 또는 중계기의 출력 신호의 주파수 대역폭(Frequency Bandwidth)이 점점 더 넓어지고 있다.

도 1에 도시된 협대역(Narrow Bandwidth) 결합선로 결합기(100)의 내부에 있는 주선로(110)와 결합선로(120)는 λ/4 길이를 갖는 한단(Single-section)의 선로이므로, 결합선로 결합기(100)의 내부에 있는 신호 선로(110, 120)를 입력과 출력 급전 케이블과의 임피던스 정합(Matching)을 위해 50 Ohms의 특성임피던스를 갖도록 설계 및 제작이 용이하다. 여기서, λ는 파장(Wavelength) 이다.

그러나 주파수 대역폭이 넓은 광대역(Broadband) 결합선로 결합기의 내부에 있는 주선로와 결합선로는 λ/4 길이를 갖는 다단(Multi-section)의 선로들로 구성되어야 하므로, 결합기의 내부에 다단으로 결합된 신호 선로들을 입력과 출력 급전 케이블과의 광대역 임피던스 정합을 위해 정확히 50 Ohms의 특성임피던스를 갖도록 하기가 어렵다.

일반적으로 결합선로의 폭과 간격에 의해 임피던스 50 Ohms에 정합을 하게 되고, 결합기의 결합도도 결정되나, 임피던스 정합을 위해 결합선로의 폭과 간격을 조절하면 결합기의 결합도가 특성이 나빠지고, 결합도 특성을 맞추기 위해 결합선로의 폭과 간격을 조절하면 임피던스 특성이 나빠지게 된다.

따라서 광대역 주파수 대역에서도 임피던스의 정합이 용이한 광대역(Broadband) 결합선로 결합기가 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광대역 주파수 특성을 얻기 위해 구성된 다단 결합선로에 오픈 스텁(Open Stub)을 연결하여 광대역 임피던스 정합이 용이한 광대역 결합선로 결합기의 성능을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광대역 결합선로 결합기는, 안테나 신호 입출력을 위한 2개의 입출력 포트와 기지국 또는 중계기의 신호 입출력을 위한 1개의 입출력 포트와 1개의 격리포트를 갖으며, 내부는 주선로와 결합선로가 좌우 또는 상하로 이격되어 쌍으로 배치되고, 주선로와 결합선로의 쌍이 수평적으로 2 이상의 다단 결합 구조를 갖고, 상기 주선로와 결합선로 각각에는 오픈 스텁(Open Stub)이 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 오픈 스텁은 상기 주선로 및 결합선로의 시작단 측면에 각각 연결되는 것이 결합기 결합도에 영향을 주지 않게 될 것이다.

여기서, 상기 오픈 스텁은 상기 주선로 및 결합선로의 시작단 측면에 각각 연결되고, 최후단 주선로 및 결합선로의 끝단 측면에 추가로 연결되어 단과 단 사이 및 90도 굴절된 부분에서의 임피던스 부정합을 개선하는 것이 가능하다.

여기서, 상기 오픈 스텁의 크기를 조절하여 선로의 임피던스 부정합을 개선할 수 있을 것이다.

여기서, 상기 주선로 및 결합선로는 각각 λ/4(λ는 파장)의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 광대역 결합선로 결합기는, 기지국 또는 중계기의 신호 입출력을 위한 입력포트와, 상기 입력포트로 입력된 신호의 일부가 통과되어 출력되는 통과포트와, 상기 입력포트로 입력된 신호의 일부가 결합되어 출력되는 결합포트와, 입력신호가 출력되지 않고 선로 임피던스에 맞추어 접지되는 격리포트로 구성되며, 내부는 상기 입력포트와 통과포트가 주선로에 의해 연결되고, 상기 결합포트와 격리포트가 결합선로에 의해 연결되며, 상기 주선로 및 결합선로는 각각 2 이상의 다단으로 결합된 구조를 이루고, 상기 결합된 주선로와 결합선로 각각에는 오픈 스텁(Open Stub)이 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.

상술한 본 발명의 해결 수단에 따르면, 기지국 또는 중계기 신호를 2개 이상의 안테나 포트로 연결시 사용되는 광대역 결합선로 결합기의 내부 구조를 오픈 스텁(Open Stub)이 연결된 결합선로 구조로 변경하여 광대역 임피던스 정합이 용이하도록 하고, 광대역 결합선로 결합기의 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio) 특성을 개선할 수 있게 되어 무선 통신 서비스의 품질을 개선할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 협대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광대역 결합선로 결합기 및 중계기를 이용한 인 빌딩 서비스 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 결합선로 결합기의 구조 및 적용된 구성 및 작용 효과를 살펴본다.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 결합선로 결합기 및 중계기를 이용한 인 빌딩 서비스 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중계기를 이용한 인 빌딩 서비스의 서비스 구성을 살펴보면, 중계기(210)는 링크 안테나(211)를 통해 기지국(200) 신호를 수신하여 증폭한 한 후 결합기(212)와 건물(230)의 서로 다른 층의 서비스 안테나(213, 214)를 통해 단말기(220, 221)로 송신하며, 서비스 안테나(213, 214)를 통해 수신한 단말기(220, 221) 신호를 증폭한 후 링크 안테나(211)를 통해 기지국(200)으로 송신한다.

여기서, 결합기(212)는 광대역 결합선로 결합기로서, 본 발명에 따른 결합기는 도 3 내지 도 5와 같이 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기지국 또는 중계기 신호는 광대역 결합선로의 결합기(300)의 입력포트(340)로 입력되고, 광대역 결합선로 결합기(300)의 통과포트(341)와 결합포트(342)로 분배된다. 여기서, 누설 신호(Leakage Signal)는 격리포트(343)에 50 Ohms 접지 저항을 연결하여 열(Heat)로 소모시킨다.

링크 안테나(211)를 통해 수신된 신호는 광대역 결합선로 결합기(300)의 통과포트(341)와 결합포트(342)로 입력되고, 서비스 안테나(213, 214) 입력 신호들은 광대역 결합선로 결합기(300)의 입력포트(340)로 출력된다.

내부의 주선로(310, 311)에 대하여 결합선로(320, 321)는 각각 소정 간격으로 이격된 채 상하 배치되거나 좌우 배치될 수 있다.

일반적으로 협대역 결합선로 결합기의 내부 구성은 도 1과 같이 λ/4 길이를 갖는 한단(Single-section)의 결합선로로 구성되나, 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성은 도 3과 같이 λ/4 길이를 갖는 결합선로가 여러 쌍(Pair)인 다단(Multi-section)의 결합선로로 구성되어 있으므로, 결합선로의 단(Section)과 단 사이에서 임피던스의 부정합(Mismatching)이 발생한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 광대역 결합선로 결합기(300)의 각 포트에는 급전선 케이블과 연결하기 위해 입력포트(340), 통과포트(341), 결합포트(342) 및 격리포트(343)에는 커넥터(Connector)가 연결되고, 내부 결합선로(310, 311, 320, 321)를 커넥터와 연결시키기 위해 선로의 전단과 후단은 90도 굴절(Bending)되며, 90도 굴절된 부분에서 임피던스 부정합이 또 발생된다.

이러한 임피던스 부정합을 개선시키기 위해, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 광대역 결합선로 결합기(300)의 전단 주선로(310)와 전단 결합선로(320), 후단 주선로(311)와 후단 결합선로(321) 각각에 오픈 스텁(Open Stub, 330, 331, 332, 333)을 연결하여 결합선로의 단과 단 사이에서와 외부 커넥터와의 연결을 위해 90도 굴절된 부분에서 발생하는 임피던스 부정합을 개선한다.

오픈 스텁은 무선 통신(Wireless Communication)과 같이, 고주파(High Frequency) 대역에서는 병렬 커패시터(Shunt Capacitor)로 동작하기 때문에 저주파(Low Frequency) 대역에서 Capacitor를 병렬로 연결하여 임피던스 부정합을 개선하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

고주파 대역에서 오픈 스텁은 크기(Size)에 따라 커패시턴스(Capacitance)가 변화하기 때문에, 오픈 스텁을 다단으로 결합된 선로에 연결하면 광대역 결합선로 결합기의 임피던스 정합이 용이하게 된다.

오픈 스텁의 크기, 갯수 및 연결 위치의 조절에 따라 입력 포트에서의 입력 임피던스를 50 Ohms으로 임피던스 정합을 시키는 것이 가능하다.

도 3의 경우는, 주선로와 결합선로가 각각 λ/4 길이를 갖는 2 단의 선로들로 구성된 경우이다.

이 경우 전단 주선로(310) 및 전단 결합선로(320)가 90도 굴절된 부분(A 부분)과, 후단 주선로(311) 및 후단 결합선로(321)가 90도 굴절된 부분(C 부분), 그리고 전단 주선로(310, 320)와 후단 주선로(311)의 단과 단 사이 및 전단 결합선로(320)와 후단 결합선로(321)의 단과 단 사이(B 부분)에서 임피던스 부정합이 발생된다.

따라서, 각 부분에서 발생되는 임피던스 부정합 특성을 개선시키기 위해 전단 주선로(310)의 측면, 전단 결합선로(320)의 측면, 후단 주선로(311)의 측면 및 후단 결합선로(321)의 측면 각각에 오픈 스텁(330, 311, 332, 333)을 연결하여 각 부분에서 발생되는 임피던스 부정합을 개선시킬 수 있다.

특히, 오픈 스텁(330, 311, 332, 333)은 주선로와 결합선로 사이에 결합도(Coupling Factor)에 영향을 주지 않도록 주선로와 결합선로 각각의 최외측 측면에 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 전단 및 후단 주선로와 전단 및 후단 결합선로의 시작단 부분에 각각 연결되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.

도 4의 경우는 도 3의 변형예로서, 임피던스 부정합이 발생되는 A, B, C 부분에서 각각의 부정합을 개선시키기 위해 각각의 위치에 오픈 스텁을 추가 연결한 예이다.

즉, 오픈 스텁(430, 433) 각각은 전단 주선로(410)와 전단 결합선로(420)의 90도 굴절된 부분의 임피던스 부정합을 개선시키는 역할을 하고, 오픈 스텁(431, 434) 각각은 전단 주선로(410)와 후단 주선로(411)의 단 사이에서, 전단 결합선로(420)와 후단 결합선로(421)의 단 사이에서 발생되는 임피던스 부정합을 개선시키게 되며, 오픈 스텁(432, 435) 각각은 후단 주선로(411)와 후단 결합선로(421)의 90도 굴절된 부분의 임피던스 부정합을 개선시키는 역할을 한다.

도 3과 마찬가지로, 주선로와 결합선로 사이에 결합도에 영향을 최대한 주지 않도록 오픈 스텁(430, 433)은 전단 주선로(410)와 전단 결합선로(420)의 시작단 측면에 연결되는 것이 바람직하고, 오픈 스텁(431, 434)는 후단 주선로(411)와 후단 결합선로(421)의 시작단 측면에 연결되며 오픈 스텁(432, 435)는 후단 주선로(411)와 후단 결합선로(421)의 끝단 측면에 연결되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광대역 결합선로 결합기의 내부 구성도이다.

도 3 및 도 4의 경우는 주선로 및 결합선로의 구성이 2단인 경우이고, 도 5의 경우는 주선로 및 결합선로의 구성이 3단이 경우의 예를 도시한 것이다. 바람직한 실시예로서 첨부되지 않는 주선로 및 결합선로가 4단 이상의 다단으로 이루어지는 경우에도 도 3 및 도 5와 같이 오픈 스텁을 연결시킴으로써 각 부분에서 발생되는 임피던스 부정합을 개선시킬 수 있을 것이다.

도 5에서도 도 3과 마찬가지로, 제1단 주선로(510) 및 제1단 결합선로(520)의 시작단 측면에 오픈 스텁(530, 533)이 각각 연결되며, 제2단 주선로(511) 및 제2단 결합선로(521)의 시작단 측면에 오픈 스텁(531, 534)이 각각 연결되고, 제3단 주선로(512) 및 제3단 결합선로(522)의 시작단 측면에 오픈 스텁(532, 535)이 각각 연결된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

200 ; 기지국 210 : 중계기
211 : 링크 안테나 213, 214 : 서비스 안테나
212 : 결합선로 결합기 220, 221 : 단말기
300 : 광대역 결합선로 결합기 340, 440, 540 : 입력포트
341, 441, 541 : 통과포트 342, 442, 542 : 결합포트
343, 443, 543 : 격리포트
330, 331, 332, 333, 430, 431, 432, 433, 434, 435, 530, 531, 532, 533, 534, 535 : 오픈 스텁
310, 410 : 전단 주선로 311, 411 : 후단 주선로
320, 420 : 전단 결합선로 321, 421 : 후단 결합선로
510 : 제1단 주선로 511 : 제2단 주선로
512 : 제3단 주선로 520 : 제1단 결합선로
521 : 제2단 결합선로 522 : 제3단 결합선로

Claims (6)

1. 안테나 신호 입출력을 위한 2개의 입출력 포트(입력포트, 통과포트)와 기지국 또는 중계기의 신호 입출력을 위한 1개의 입출력 포트(결합포트)와 1개의 격리포트를 갖으며,
   내부는 주선로와 결합선로가 좌우 또는 상하로 이격되어 쌍으로 배치되고, 주선로와 결합선로의 쌍이 수평적으로 2 이상의 다단 결합 구조를 갖고,
   상기 입력포트, 통과포트, 결합포트 및 격리포트 각각은 커넥터와 연결되도록 90도 굴절되며 90도 굴절된 부분 및 상기 주선로와 결합선로가 연결된 부분에 오픈 스텁(Open Stub)이 연결되는, 광대역 결합선로 결합기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 주선로 및 결합선로는 각각 λ/4(λ는 파장)의 길이를 갖는, 광대역 결합선로 결합기.
6. 삭제

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