KR101896188B1 - 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터 - Google Patents

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양종렬
유보윤
이하늘
손주희
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Abstract

비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터는 방향성 커플러의 각 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 기존 대칭형 방향성 커플러가 갖는 전송 신호 손실과 동일한 특성을 가지면서, 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 특성이 향상되도록 할 수 있다.

Description

비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터{CIRCULATOR USING ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLER}
본 발명은 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방향성 커플러의 각 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 기존 대칭형 방향성 커플러가 갖는 전송 신호 손실과 동일한 특성을 가지면서, 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 특성이 향상되도록 함으로써 높은 송수신 신호 분리 특성을 획득할 수 있도록 하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 관한 것이다.
최근 휴대 통신 장비 및 소형 레이더 시스템에서는 소형화를 위해서 단일 안테나 기반의 회로들이 주로 연구되고 있다.
기존 2개의 안테나를 사용하는 시스템에서는 송신 신호의 일부가 안테나 커플링을 통해 수신 신호 선로로 유입될 수 있으나, 두 안테나 사이를 멀리 이격시키거나, 안테나 사이에 신호 누설 특성을 높이는 구조물 등을 설치하여 송신 누설 신호에 의한 영향을 줄인다. 그러나 기존 2개의 안테나를 사용하는 시스템은 안테나 자체가 파장에 의해 정해지는 물리적 크기를 갖고 있어 시스템 소형화에 한계를 발생시키며, 송신 누설 신호를 줄이기 위한 구조의 추가로 시스템 크기를 줄이기 어려우므로, 최근의 전파 응용 시스템에서는 1개의 안테나를 사용하는 시스템이 활발하게 연구되고 있다.
1개의 안테나를 사용하는 통신, 레이더 시스템에서는 송신 신호의 일부가 서큘레이터를 통해 수신 신호 선로로 유입될 수 있으며, 이로 인해 최종 수신단의 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 입력 범위를 초과하여 해당 수신 신호를 인식하지 못하고 증폭기 자체가 포화되는 문제가 발생할 수 있으며, 또한 송신 누설 신호의 크기가 증가함에 따라서 시스템이 포화되거나 정보가 손실되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 1개의 안테나를 사용하는 시스템에서는 누설 송신 신호를 최소화하기 위해서는 서큘레이터가 가진 송신 누설 신호 특성이 매우 중요하다.
따라서, 소형화를 위한 단일의 안테나를 사용하는 통신, 레이더 시스템에서는 서큘레이터(circulator)의 송신 신호 선로와 수신 신호 선로 간의 분리(isolation)특성을 높여야 하며, 이는 시스템 성능은 물론 사용 가능한 응용분야를 결정하는 등 매우 중요한 시스템 사양이다.
즉, 서큘레이터는 기본적으로 입력 포트(또는 입력단)에서 바라보는 순방향의 위치에 있는 출력 포트(또는 출력단)로만 신호를 진행시키고, 역방향으로는 신호를 진행시키지 않기 때문에, 송신 신호 선로와 수신 신호 선로를 각각 분리(isolation)시킬 수 있다. 따라서, 서큘레이터의 성능에 의해서 송신 신호와 수신 신호의 분리 특성이 결정되는데, 일반적으로 페라이트 재료로 구성된 서큘레이터는 크기가 커서 집적이 어려우며, 가격 또한 고가로 유비쿼터스 개념으로 구현되는 초소형 시스템 구성에 적합하지 않다.
즉, 일반적인 서큘레이터 소자의 큰 크기로 인한 집적의 어려움으로 인해, 설계적 측면이나 효과적 측면에서 구조를 소형, 단순화하면서 좋은 광대역 특성의 서큘레이터를 제작하기 위해서, 방향성 커플러를 이용하여 서큘레이터 기능을 구현하는 것이 고려되고 있으며, 한국공개특허 "높은 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터"(10-2009-0047054)에서는 제1 방향성 커플러, 제2 방향성 커플러 및 비대칭 전력 결합기를 이용하여 높은 송수신 신호 분리 특성을 가지게 되는 준 서큘레이터 발명에 대하여 개시하고 있다.
즉, 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터는 하나의 송수신 안테나를 사용하는 무선시스템에서 송신 신호를 안테나로 전달하고 안테나에 수집된 수신 신호를 수신 단으로 전송하는 역할로 사용될 수 있는데, 단일의 송수신 안테나를 사용하게 되므로 높은 송수신 신호 분리 특성이 요구된다.
즉, 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터는 방향성 커플러가 집적 가능한 크기로 제작 가능하다는 장점으로 인하여 소형화가 가능하나 누설 송신 신호가 작아지는 주파수 대역이 협소하다는 단점이 있으며 특히 높은 송수신 신호 이격 특성을 구현하기가 쉽지 않다는 문제점이 존재한다.
한국공개특허 10-2009-0047054 "높은 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터" (2009.05.12. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 방향성 커플러의 각 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 기존 대칭형 방향성 커플러가 갖는 전송 신호 손실과 동일한 특성을 가지면서, 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 특성이 향상되도록 함으로써 높은 송수신 신호 분리 특성을 획득할 수 있도록 하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 다른 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 방향성 커플러는 일측단에 송신단 연결단자가 형성되고, 타측단에 안테나 연결단자가 형성되는 제1전송 선로, 제1전송 선로와 소정의 간격을 두고 배치되며, 일측단에 수신단 연결단자가 형성되고, 타측단에 초고주파 저항 연결단자가 형성되는 제2전송 선로, 제1전송 선로 및 제2전송 선로와 수직으로 연결되며 송신단 연결단자로부터의 송신 신호가 수신단 연결단자로 일부 추출되어 커플링 되는 커플링(Coupling) 선로 및 제1전송 선로 및 제2전송 선로와 수직으로 연결되며 송신단 연결단자로부터의 송신 신호가 전기적으로 절연되는 아이솔레이션(Isolation) 선로를 포함하고, 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 송신 신호와 수신 신호를 분리할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스가 비대칭으로 배치되도록 하는 각각의 임피던스 값의 추정은 각각의 선로의 임피던스의 비율과 임피던스 설정 포트에 연결되는 소자 값을 조절하여 각각의 임피던스 값을 추정할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스가 비대칭으로 배치되도록 하는 각각의 임피던스 값의 추정은 디자인 파라미터 수식을 이용하여 각각의 임피던스 값을 추정할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 초고주파 저항 연결단자는 제1전송 선로의 송신단 연결단자에서 제2전송 선로의 수신단 연결단자로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하도록 하는 임피던스 값을 가진 초고주파 저항 소자를 포함할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 제1전송 선로의 임피던스는 40옴, 제2전송 선로의 임피던스는 35옴, 커플링 선로의 임피던스는 60옴 및 아이솔레이션 선로의 임피던스는 45옴으로 배치하고, 초고주파 저항 연결단자에 연결된 임피던스는 45옴으로 배치하여 방향성 커플러의 각각의 선로 임피던스를 비대칭으로 배치할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 디자인 파라미터 수식은
Figure 112017081668450-pat00001
을 이용하여 각각의 임피던스 값을 추정할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 송신단 연결단자의 선로, 안테나 연결단자의 선로 및 수신단 연결단자의 선로는 모두 50 옴의 특성 임피던스를 갖도록 구성되고, 초고주파 저항 연결단자는 송신 누설 신호를 상쇄시키는 반사 신호가 생성되도록 하는 임피던스 값을 가지도록 구성될 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 초고주파 저항 연결단자에 연결된 초고주파 저항은 기준 임피던스값(50옴)과 다른 값을 가지도록 구성될 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서, 초고주파 저항 연결단자의 연결 선로는 기준 임피던스값(50옴)과 다른 값을 가지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 따르면, 기존의 대칭형 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터와 동일한 크기로 구현 가능하므로, 기존 시스템 내 구현 면적과 동일하게 사용하면서도 높은 송수신 신호 이격 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 따르면, 송신 신호와 안테나, 수신 신호와 안테나 사이에 발생하는 경로 손실이 기존 대칭형 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터와 동일하므로 추가 손실없이 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 따르면, 비대칭 구조로 인하여 송신 및 수신 손실이 일정하게 발생하는 주파수 대역이 넓은 광대역 특성을 가지므로, 더 많은 주파수 대역폭을 포함해야 하는 차세대 무선 통신 및 전자기파 시스템에 유용하게 활용 가능하다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터를 S 파라미터를 이용하여 해석하기 위해서 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 기존의 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터의 S 파라미터 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 S 파라미터 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)는 4개의 포트(단자)를 포함하는 수동 가역 회로(Passive Reciprocal Network)로써, 예컨데, 좌상, 좌하, 우상, 우하의 단자를 포함하고 있다.
예를 들어, 좌상의 단자는 신호 송신단과 연결되는 송신단 연결단자(10)이고, 우상의 단자는 안테나와 연결되는 안테나 연결단자(20)이고, 좌하의 단자는 신호 수신단과 연결되는 수신단 연결단자(30)이고, 우하의 단자는 초고주파 저항 연결단자(40)를 나타낸다. 여기에서 초고주파 저항 연결단자(40)는 종단 저항이 연결된 단자로 아이솔레이션(Isolation) 단자(포트)로 표현될 수 있다.
즉, 이상적인 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)에서, 신호 송신단에서 입력되는 RF 신호는 송신단 연결단자(10)를 통하여 안테나 연결단자(20) 방향으로 전달되어 전체 신호의 절반에 해당하는 전력이 안테나로 전달되고, 절반의 에너지는 초고주파 저항 연결단자(40)으로 전달되나, 기준 임피던스로 연결된 저항 단자를 통해 거의 대부분 소진된다. 일부 아주 작은 신호가 수신단 연결단자(30) 방향으로 커플링되는데 이 신호가 송신 누설 신호이다.
따라서, 송신단에서 입력된 신호의 절반에 해당하는 RF 신호가 출력단자로 전달되어 내부적으로 -3dB의 이상 신호 손실이 발생하며, 주요 신호전력 경로가 되는 제1전송 선로(50)는 일측단에는 송신단 연결단자(10)가 형성되고, 타측단에는 안테나 연결단자(20)가 형성된 선로가 된다.
또한, 송신단에서 입력된 RF 신호는 수신단까지 바로 연결되는 커플링 선로(70)와 커플러 구조를 지나쳐서 제1전송 선로(50)-아이솔레이션 선로(80)-제2 전송선로(60)을 통과하는 2개의 신호 경로를 갖는다. 각 선로의 파장에 따른 길이가 1/4가 되므로, 각 선로를 통과한 신호는 90도의 위상변화를 갖게 되고, 따라서 위의 두 경로로 인한 위상차가 180도가 되어 송신단에서 수신단으로 연결되는 신호는 이상적으로 상쇄된다.
또한, 송신단에서 입력된 RF 신호 중 초고주파 저항 연결단자(40)로 전달되는 신호는 이상적으로 초고주파 저항(90)에서 모두 흡수되어 반사되지 않는다고 할 수 있으므로, 안테나 연결단자(20) 방향에서 초고주파 저항 연결단자(40) 방향으로 형성된 선로를 아이솔레이션(Isolation) 선로(80)로 표현될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 안테나를 통해 수신되는 RF 신호는 안테나 연결단자(20)를 통해서 아이솔레이션(Isolation) 선로(80) 및 제2전송 선로(60)로 전달되고, 수신단 연결단자(30)를 통하여 수신단으로 전달된다.
여기에서, 기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)는 제1전송 선로(50) 및 제2전송 선로(60)의 임피던스 값을 동일하게 Z1 값으로, 커플링 선로(70) 및 아이솔레이션 선로(80)의 임피던스 값을 동일하게 Z2 값을 갖도록 배치함으로써, 방향성 커플러(100)의 구조를 대칭 구조로 형성하고 있으며, 초고주파 저항 소자(90)를 사용하여 3개의 포트를 사용한 형태로 이용하여 서큘레이터 기능으로 활용한다. 또한, 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)에서 각 단자는 50옴 기준 임피던스에 맞도록 임피던스 매칭 특성을 가지도록 구성된다.
기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)는 대칭적인 형태를 가진 방향성 커플러로서, 우(even) 모드와 기(odd) 모드로 구분되는 매트릭스 해석이 가능하며, 수학적으로 쉽게 나타낼 수 있다.
즉, 기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)는 전송선로의 우(even) 모드와 기(odd) 모드 사이의 전송선 손실과 위상 속도의 불일치로 인하여 분리(isolation) 특성이 저하되는 문제점이 존재하므로, 높은 송수신 신호 분리 특성을 갖는 서큘레이터로 구현하기 어렵다.
비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터에서는 비대칭 특성으로 인하여 대칭 구조에서만 적용 가능한 기존 수학적 해석 방법을 사용할 수 없으며, 따라서 단순한 수학식으로 표현하기 어려운 문제점이 존재한다. 즉, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터를 우(even) 모드와 기(odd) 모드로 표현하기 위해서는 대칭면을 중심으로 구조를 나뉘어 해석해야 하나 구조적 특성으로 인해 불가하며, 정확한 수식은 각 구성 요소에 따른 신호의 전송과 반사 등의 특성을 표현할 수 있는 매트릭스 구조의 반복적인 형태로 표현되며, 다중 전송과 반사에 의해 나타내어 지므로 신호의 반사에 대한 차수를 증가시키면서 수렴된 결과를 유추하는 방식으로 추정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 구조로서, 방향성 커플러(200)에서 좌상의 단자는 신호 송신단과 연결되는 송신단 연결단자(110)이고, 우상의 단자는 안테나와 연결되는 안테나 연결단자(120)이고, 좌하의 단자는 신호 수신단과 연결되는 수신단 연결단자(130)이고, 우하의 단자는 초고주파 저항 연결단자(140)를 나타낸다. 여기에서 초고주파 저항 연결단자(140)는 종단 저항이 연결된 단자로 아이솔레이션(Isolation) 단자(포트)로 표현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 일측단에 송신단 연결단자(110)가 형성되고, 타측단에 안테나 연결단자(120)가 형성되는 제1전송 선로(150)를 포함하고, 제1전송 선로(150)와 소정의 간격을 두고 배치되며, 일측단에 수신단 연결단자(130)가 형성되고, 타측단에 초고주파 저항 연결단자(140)가 형성될 수 있는 제2전송 선로(160)를 포함할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러(200)는 제1전송 선로(150) 및 제2전송 선로(160)와 수직으로 연결되며 송신단 연결단자(110)로부터의 송신 신호가 수신단 연결단자(130)로 일부 추출되어 커플링되는 커플링(Coupling) 선로(170)를 포함하고, 제1전송 선로(150) 및 제2전송 선로(160)와 수직으로 연결되며 송신단 연결단자(110)로부터의 송신 신호가 전기적으로 절연되는 아이솔레이션(Isolation) 선로(180)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)는 비대칭 구조를 형성하므로, 제1전송 선로(150), 제2전송 선로(160), 커플링 선로(170) 및 아이솔레이션 선로(180)의 임피던스를 비대칭으로 배치할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1전송 선로(150)의 임피던스 값은 Z1값을 가지도록 배치하고, 제2전송 선로(160)의 임피던스 값은 Z3값을 가지도록 배치하고, 커플링 선로(170)의 임피던스 값은 Z4값을 가지도록 배치하며, 아이솔레이션 선로(180)의 임피던스 값은 Z2값을 가지도록 배치하여 각 선로의 임피던스 값을 다르게 비대칭으로 배치할 수 있다.
또한, 초고주파 저항 연결단자(140)의 선로 임피던스와 이에 연결된 초고주파 저항을 기준 임피던스가 아닌 임의의 임피던스로 설정하여, 해당 단자(포트)에서 신호를 고의로 반사시킴으로써, 이 반사 신호가 송신 누설 신호를 상쇄할 수 있도록 설계될 수 있다. 초고주파 저항 연결단자(140)의 선로 임피던스와 연결된 초고주파 저항(190)은 동일하게 구성할 수 있다.
또한, 비대칭 방향성 커플러(200)의 각 선로의 길이는 기존 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)와 동일하게 0.25λ로 제작될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터를 S 파라미터를 이용하여 해석하기 위해서 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 S 파라미터를 이용한 해석은 각 전송선로가 갖는 임피던스와 입력 단자로부터 출력단자까지 전송하는 신호 선로의 경우의 수 조합으로 표현할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 3의 포트 1(Port 1)은 도 2의 송신단 연결단자(110)와 대응되고, 도 3의 포트 2(Port 2)는 도 2의 안테나 연결단자(120)와 대응되고, 도 3의 포트 3(Port 3)은 도 2의 수신단 연결단자(130)와 대응되고, 도 3의 포트 4(Port 4)는 도 2의 초고주파 저항 연결단자(140)와 대응된다.
포트 1에서 포트 3까지 각각의 S파라미터가 매칭되면, 다음의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 제시된 S파라미터는 비대칭 구조의 방향성 커플러(200)의 입출력단간의 전력비를 나타낸다.
Figure 112017081668450-pat00002
또한, 도 3을 참조하면 각 단자와 연결된 Z50은 임피던스가 50옴이라는 의미로 레퍼런스 임피던스와 동일하여
Figure 112017081668450-pat00003
이므로, 정규화(Normalization) 할 수 있으므로, 다음의 <수학식 2>와 같이 m을 정의할 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00004
비대칭 방향성 커플러는 수동 소자로 구성되어 입력과 출력이 서로 바뀌어도 동일한 특성을 나타내므로, 각 포트의 S 파라미터는 다음과 같은 매트릭스 형태로 <수학식 1>을 이용하여 다음의 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00005
비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터가 신호 전송에 따른 손실이 없다고 가정하면, <수학식 3>의 S 파라미터는 다음의 <수학식 4> 내지 <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00006
Figure 112017081668450-pat00007
Figure 112017081668450-pat00008
<수학식 6>의 결과를 <수학식 5>에 대입하면 다음의 <수학식 7>로 나타낼 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00009
<수학식 7>에서, S21을
Figure 112017081668450-pat00010
로 정의하면, 다음의 <수학식 8>과 같이 S21, S43을 정의할 수 있으며 실수(Real number)로 표현할 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00011
<수학식 8>을 이용하여 S21의 정의된 값(
Figure 112017081668450-pat00012
), S43의 정의된 값(
Figure 112017081668450-pat00013
)을 <수학식 7>에 대입하면 다음의 <수학식 9>로 나타낼 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00014
<수학식 4>에서 ⓔ 수식을 이용하여 복소공액(복소켤레)을 계산한 후에 <수학식 8>의 S21의 복소공액값(
Figure 112017081668450-pat00015
), S43의 정의된 값(
Figure 112017081668450-pat00016
)을 대입하면,
Figure 112017081668450-pat00017
을 다음 <수학식 10>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00018
<수학식 9> 및 <수학식 10>을 이용하면,
Figure 112017081668450-pat00019
을 다음의 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00020
즉, <수학식 11>을 이용하여 다음 <수학식 12>와 같이 디자인 파라미터(Design Parameter)를 결정할 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00021
즉, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 송신단과 수신단에서 완벽한 분리(isolation)가 나타나도록
Figure 112017081668450-pat00022
값을 0으로 만들기 위해서 디자인 파라미터인
Figure 112017081668450-pat00023
을 만족시키도록 각 선로의 임피던스 값 및/또는 초고주파 저항 임피던스 값을 추정하여 설계하는 것이 가능하다. 즉, 임피던스의 비율과 임피던스 설정 포트에 연결되는 소자 값을 조절하면, 송수신 분리신호 특성이 향상된 서큘레이터의 구현이 가능하다.
비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 포트 1에서 포트 3로 완벽한 신호 분리(isolation)를 가정하면, <수학식 12>와 같이 S31=0 을 만족하므로, S 파라미터는 다음의 <수학식 13>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00024
<수학식 13>의 각각의 식들을 더하고 정리하면, <수학식 14> 및 <수학식 15> 로 표현될 수 있다.
Figure 112017081668450-pat00025
Figure 112017081668450-pat00026
즉, <수학식 15>를 이용하면, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터에서
Figure 112017081668450-pat00027
과
Figure 112017081668450-pat00028
를 증가시키도록 설계함으로써, 송신 시 더 많은 출력을 내보내고 수신 시 발생하는 손실을 최소화하는 형태로 설계하면서도, 높은 송수신 분리신호 특성을 유지할 수 있기에 서큘레이터의 동작에 적합한 특성으로 설계할 수 있다.
기존의 4포트 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터의 경우에는 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터보다 낮은 송수신 분리 신호 특성을 가지며,
Figure 112017081668450-pat00029
정도만을 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 제1전송 선로(150), 제2전송 선로(160), 커플링 선로(170) 및 아이솔레이션 선로(180)의 임피던스가 비대칭으로 배치하여 높은 송수신 분리신호 특성을 유지할 수 있다. 여기에서, 각 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치되도록 하는 각각의 임피던스 값은 각각의 선로의 임피던스의 비율과 임피던스 설정 포트에 연결되는 소자 값을 조절하여 각각의 임피던스 값을 추정할 수 있다. 여기에서, 임피던스 설정 포트는 비대칭 방향성 커플러(200)의 4개의 연결단자(110, 120, 130, 140) 모두를 포함하는 의미로, 비대칭 방향성 커플러(200)에서는 초고주파 저항 연결단자(140)(아이솔레이션 포트)만을 임의의 임피던스 값으로 설정하여 반사 신호를 생성시킴으로써, 이 반사 신호가 송신 누설 신호를 상쇄시키도록 설계할 수 있다.
즉, 비대칭 방향성 커플러(200)에서 송신단과 수신단, 안테나와 연결되는 단자(포트)는 모두 기준 임피던스와의 임피던스 정합을 고려하여 설계해야 하며, 따라서 임피던스 설정은 50 옴을 기준으로 구성된다. 따라서 송신단 연결단자(110)의 선로, 안테나 연결단자(120)의 선로, 수신단 연결단자(130)의 선로는 모두 50 옴의 특성 임피던스를 갖도록 구성할 수 있다. 초고주파 저항 연결단자(140)(아이솔레이션 포트)는 임의의 반사 특성을 갖도록 구성하므로 초고주파 저항 연결단자(140)의 연결 선로는 초고주파 저항(190)과 동일한 임피던스 값으로 설계된다. 따라서 초고주파 저항 연결단자(140)의 연결 선로와 초고주파 저항(190)을 비대칭 방향성 커플러(200)를 서큘레이터로 최적 설계하기 위한 임피던스 설정 포트로 나타낼 수 있다.
예를 들어, 송신단 연결단자(110)의 선로, 안테나 연결단자(120)의 선로 및 수신단 연결단자(130)의 선로는 모두 50 옴의 특성 임피던스를 갖도록 구성되고, 초고주파 저항 연결단자(140)는 송신 누설 신호를 상쇄시키는 반사 신호가 생성되도록 하는 임피던스 값을 갖도록 구성될 수 있다.
즉, 초고주파 저항 연결단자(140)에 연결된 초고주파 저항(190) 및 초고주파 저항 연결단자(140)의 연결 선로를 기준 임피던스값(50옴)과 다른 값을 갖도록 구성함으로써, 비대칭 방향성 커플러(200)를 최적의 서큘레이터로 설계할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 디자인 파라미터인
Figure 112017081668450-pat00030
을 만족시키도록 각 선로의 임피던스 값을 추정하여 설계할 수 있다.
도 4의 (a)는 기존의 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터의 S 파라미터 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터의 S 파라미터 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
여기에서, S 파라미터 시뮬레이션 결과는 초고주파 특성이 우수한 Rogers사의 RO3003기판에서 구현되는 서큘레이터 기능의 24-GHz의 방향성 커플러를 설계하여 전자기파 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 즉, 도 4의 (a)는 기존의 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용하여 서큘레이터 기능의 24-GHz의 방향성 커플러를 설계하여 시뮬레이션을 수행한 결과이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용하여 서큘레이터 기능의 24-GHz의 방향성 커플러를 설계하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 기존의 대칭형 방향성 커플러(100) 구조로서 제1전송 선로(50) 및 제2전송 선로(60)의 임피던스 값은 35옴이고, 커플링 선로(70) 및 아이솔레이션 선로(80)의 임피던스 값은 50옴이고, 초고주파 저항 연결단자(40)에 연결된 임피던스는 50옴으로 결정하여 시뮬레이션 결과를 획득한 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 4의 (a)를 참조하면, 24-GHz 대역에서 송신 S21 파라미터와 수신 S42 파라미터에서 각각 -3.5dB의 신호 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 송수신 누설신호는 -14.3dB로 확인할 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터 구조로서, 방향성 커플러의 각 선로의 임피던스가 비대칭 구조가 되도록 제1전송 선로(150)의 임피던스 값은 40옴이고, 제2전송 선로(160)의 임피던스 값은 35옴이고, 커플링 선로(170)의 임피던스 값은 60옴 및 아이솔레이션 선로(180)의 임피던스 값은 45옴이고, 초고주파 저항 연결단자(140)에 연결된 임피던스는 45옴으로 결정하여 시뮬레이션 결과를 획득한 것을 확인할 수 있다.
여기에서 비대칭 방향성 커플러(200)의 각 선로의 임피던스 값은 전송선 임피던스를 조절하여 송신 누설신호가 최소가 되도록 추정된 값으로, 비대칭 구조의 방향성 커플러(200)를 형성하게 된다. 예를 들어, 도 4의 (b)의 각 선로의 임피던스 값은 송수신 이격 특성이 최소화 되는 주파수 대역과 송신에서 안테나까지 신호 손실 감쇄 및 안테나에서 수신까지 신호 손실 감쇄가 최소가 되는 주파수 대역을 서로 일치시켜 각 선로의 임피던스 값을 추정한 한 예이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터에서 이외의 다른 연결단자에는 기준 임피던스인 50옴을 연결할 수 있다. 즉, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 기준 임피던스가 기존의 다른 소자와 동일하므로, 기존의 대칭형 방향성 커플러(100)를 이용한 서큘레이터를 직접 대체할 수 있으며 주파수 정합을 위해서 추가적인 소자를 사용할 필요가 없다.
즉, 도 4의 (b)를 참조하면, 송신 S21 파라미터와 수신 S42 파라미터에서 발생하는 신호 손실은 기존 대칭형 방향성 커플러(100) 구조에서 발생하는 신호 손실과 거의 동일한 값을 가지므로, 신호 손실에서는 기존 대칭형 방향성 커플러(100) 구조와 거의 유사한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4의 (b)를 참조하면, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터에서 송수신간의 누설신호는 -33dB로 송수신 분리 특성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한 누설 신호가 나타나는 주파수 대역이 기존 방향성 커플러 대비하여 넓게 나타나는 것으로 광대역 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 비대칭 방향성 커플러 해석에서도 알 수 있듯이 다중 전송과 반사에 의해 특성이 정해지는 비대칭 방향성 커플러 동작에 의해, 파장에 대한 영향이 기존 구조 대비 둔감하여 보다 넓은 영역에서 서큘레이터로 동작하는데 우수한 특성을 갖는다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 각 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 특성이 향상되도록 할 수 있다.
예를 들어, 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 특성이 향상되도록, 방향성 커플러(200)의 각 선로의 임피던스 값은 각각의 선로의 임피던스의 비율과 임피던스 설정 포트에 연결되는 소자 값을 조절하여 각각의 임피던스 값 및/또는 초고주파 저항 임피던스 값을 추정할 수 있다.
즉, 전술한 <수학식 12>의 내용과 같이, 서큘레이터의 송신단과 수신단에서 완벽한 분리(isolation)가 나타나도록
Figure 112017081668450-pat00031
값을 0으로 만들기 위해서 디자인 파라미터인
Figure 112017081668450-pat00032
을 만족시키도록 각 선로의 임피던스 값 및/또는 초고주파 저항 임피던스 값을 추정하여 설계할 수 있다.
또한, 전술한 <수학식 15>를 이용하여 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터에서
Figure 112017081668450-pat00033
과
Figure 112017081668450-pat00034
를 증가시키도록 설계함으로써, 송신시 더 많은 출력을 내보내고 수신시 발생하는 손실을 최소화하는 할 수 있도록 하는 각 선로의 임피던스 값 및/또는 초고주파 저항 임피던스 값을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 초고주파 저항 연결단자(140)에 연결된 초고주파 저항을 기준 임피던스가 아닌 임의의 임피던스로 설정하여, 해당 단자(포트)에서 신호를 고의로 반사시킴으로써, 이 반사 신호가 송신 누설 신호를 상쇄할 수 있도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 비대칭 방향성 커플러(200)의 초고주파 저항 연결단자(140)는 제1전송 선로(150)의 송신단 연결단자(100)에서 제2전송 선로(160)의 수신단 연결단자(130)로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하도록 하는 임피던스 값을 가진 소자를 포함하여, 초고주파 저항 연결단자(140)에서 신호를 고의로 반사시킴으로써, 이 반사 신호가 송신 누설 신호를 상쇄할 수 있도록 설계될 수 있다.
즉, 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 기존의 대칭형 방향성 커플러(100)가 갖는 전송 손실과 동일한 신호 전송 손실을 가지므로 추가 손실없이 신호를 전송할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 방향성 커플러(200)를 이용한 서큘레이터는 비대칭 구조로 인해 넓은 주파수 대역폭을 가지며, 주파수 종속성이 낮기에 공정 오차 영향이 적으며, 광대역 응용에 활용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 대칭형 방향성 커플러의 송신단 연결단자
20: 대칭형 방향성 커플러의 안테나 연결단자
30: 대칭형 방향성 커플러의 수신단 연결단자
40: 대칭형 방향성 커플러의 초고주파 저항 연결단자
50: 대칭형 방향성 커플러의 제1전송 선로
60: 대칭형 방향성 커플러의 제2전송 선로
70: 대칭형 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 선로
80: 대칭형 방향성 커플러의 아이솔레이션(Isolation) 선로
90: 초고주파 저항
100: 대칭형 방향성 커플러
110: 비대칭 방향성 커플러의 송신단 연결단자
120: 비대칭 방향성 커플러의 안테나 연결단자
130: 비대칭 방향성 커플러의 수신단 연결단자
140: 비대칭 방향성 커플러의 초고주파 저항 연결단자
150: 비대칭 방향성 커플러의 제1전송 선로
160: 비대칭 방향성 커플러의 제2전송 선로
170: 비대칭 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 선로
180: 비대칭 방향성 커플러의 아이솔레이션(Isolation) 선로
190: 초고주파 저항
200: 비대칭 방향성 커플러

Claims (9)

  1. 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터에 있어서,
    상기 방향성 커플러는,
    일측단에 송신단 연결단자가 형성되고, 타측단에 안테나 연결단자가 형성되는 제1전송 선로;
    상기 제1전송 선로와 소정의 간격을 두고 배치되며, 일측단에 수신단 연결단자가 형성되고, 타측단에 초고주파 저항 연결단자가 형성되는 제2전송 선로;
    상기 제1전송 선로 및 상기 제2전송 선로와 수직으로 연결되며 상기 송신단 연결단자로부터의 송신 신호가 상기 수신단 연결단자로 일부 추출되어 커플링 되는 커플링(Coupling) 선로; 및
    상기 제1전송 선로 및 상기 제2전송 선로와 수직으로 연결되며 상기 송신단 연결단자로부터의 상기 송신 신호가 전기적으로 절연되는 아이솔레이션(Isolation) 선로를 포함하고,
    상기 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스를 비대칭으로 배치하여 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 서큘레이터 기능을 구현하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스가 비대칭으로 배치되도록 하는 각각의 임피던스 값의 추정은
    상기 각각의 선로의 임피던스의 비율과 임피던스 설정 포트에 연결되는 소자 값을 조절하여 상기 각각의 임피던스 값을 추정하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전송 선로, 제2전송 선로, 커플링 선로 및 아이솔레이션 선로의 임피던스가 비대칭으로 배치되도록 하는 각각의 임피던스 값의 추정은,
    디자인 파라미터 수식을 이용하여 상기 각각의 임피던스 값을 추정하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초고주파 저항 연결단자는,
    상기 제1전송 선로의 송신단 연결단자에서 상기 제2전송 선로의 수신단 연결단자로 누설된 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 생성하도록 하는 임피던스 값을 가진 초고주파 저항 소자를 포함하는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전송 선로의 임피던스는 40옴, 상기 제2전송 선로의 임피던스는 35옴, 상기 커플링 선로의 임피던스는 60옴 및 상기 아이솔레이션 선로의 임피던스는 45옴으로 배치하고,
    상기 초고주파 저항 연결단자에 연결된 임피던스는 45옴으로 배치하여 상기 방향성 커플러의 각각의 선로 임피던스를 비대칭으로 배치한 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 디자인 파라미터 수식은
    Figure 112017081668450-pat00035
    인 것인 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 연결단자의 선로, 상기 안테나 연결단자의 선로 및 상기 수신단 연결단자의 선로는 모두 50 옴의 특성 임피던스를 갖도록 구성되고,
    상기 초고주파 저항 연결단자는 송신 누설 신호를 상쇄시키는 반사 신호가 생성되도록 하는 임피던스 값을 가지도록 구성되는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초고주파 저항 연결단자에 연결된 초고주파 저항은 기준 임피던스값(50옴)과 다른 값을 가지도록 구성되는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 초고주파 저항 연결단자의 연결 선로는 기준 임피던스값(50옴)과 다른 값을 가지도록 구성되는 비대칭 방향성 커플러를 이용한 서큘레이터.
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