KR102449254B1 - 전자기 펄스를 차단하기 위한 다이오드 리미터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이더 장치 또는 무선통신 장치에 적용 가능한 다이오드 리미터에 관한 것으로, 미리 결정된 형상을 갖는 도파관; 및 상기 도파관 내부에 설치되어, 상기 도파관으로 입력되는 전자기파 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작하는 금속 형상부를 포함하되, 상기 금속 형상부는, 다이오드/포스트 조립체와 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자기 펄스를 차단하기 위한 다이오드 리미터{DIODE LIMITER FOR PROTECING ELECTROMAGNETIC PULSE}

본 발명은 다이오드 리미터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이더 장치 또는 무선통신 장치를 전자기 펄스(EMP)로부터 안전하게 보호하기 위한 다이오드 리미터에 관한 것이다.

일반적으로 레이더/통신 안테나 보호용 소자는 과전압이나 서지로부터 저 잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)와 같은 능동 고주파 회로들을 보호할 목적으로 사용된다. 레이더/통신 안테나 보호용 소자는 크게 솔리드 스테이트(Solid-state), 페라이트(Ferrite) 및 플라즈마(Plasma) 타입으로 분류된다. 해당 타입의 보호용 소자들이 이상적으로 동작하는 경우, 특정 입력 전력 값 이하에서는 삽입손실이 매우 낮아야 되며, 특정 입력 전력 값 이상에서는 손실을 발생시켜 보호용 소자에서 출력되는 전력이 능동 고주파 회로의 동작범위 안에 있어야 한다. 이에 따라, 동작 주파수 영역, 대역폭 선택도, 임계 전력값, 선형성, 입력 전력 한계값 등이 레이더/통신 안테나 보호용 소자의 중요한 평가수치가 된다.

솔리드 스테이트 리미터 또는 반도체 기반 보호용 소자들은 PIN 다이오드, 쇼트키(Schottky) 다이오드 또는 FET(Field Effect Transistor) 소자로 구성된다. 가장 대표적인 반도체 리미터인 병렬 PIN 다이오드로 구성된 리미터는 낮은 전력의 입력 신호에서 작은 커패시턴스 값을 갖기 때문에, 낮은 삽입손실을 가지는 장점을 보인다. 하지만, 높은 입력 전력에 대해서는 낮은 반사 또는 흡수계수를 보여 취약성을 보인다. 반도체 소자의 특성에 따라 성능 및 동작주파수 대역이 결정되며, 낮은 전력에서도 쉽게 반응하여 송수신 시스템에 기생성분 및 비선형성을 증가시키는 경향이 있다.

페라이트 리미터는 입력 RF 전력에 따라 비선형적인 흡수도를 보이는 특성을 가진다. 이러한 자성 물질들은 임계 전력 이상의 전력을 열로 발생시켜 시스템을 보호한다. 높은 입력 전력에 대해서 협대역 반응 특성을 보여, 특정 주파수에만 반응하는 특성도 보이며, 사용자가 동작 주파수를 설계하기 어려운 단점을 가진다. 또한, 반사가 아닌 흡수를 통해 시스템을 보호하므로, 반도체 기반 리미터보다 최소 10dB 이상의 추가 삽입손실이 발생한다. 또한, 리미터의 크기가 대체로 큰 편이며, 임계 전력값을 조절할 수 없는 단점도 가진다.

플라즈마 리미터는 높은 입력 전력에 의한 가스 방전을 원리로 한다. 가스 방전에 의해 생성된 플라즈마는 입사된 고주파 신호를 반사시킨다. 일반적으로 플라즈마 리미터는 광대역에서 설계가 가능하며, 초고주파 대역에서와 높은 입력 전력에 대해서도 잘 동작하는 장점을 가진다. 하지만, 일반적으로 플라즈마를 기반으로 하는 리미터는 동작 주파수를 선택하기 어렵다는 단점을 가진다.

따라서, 레이더 장치 또는 무선통신 장치를 전자기 펄스(Electromagnetic Pulse, EMP)로부터 안전하게 보호하기 위하여 광대역에서 설계가 가능하며, 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터가 요구되는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 레이더 장치 또는 무선통신 장치에 설치된 고주파(RF) 회로들을 외부의 전자기 펄스(EMP)로부터 안전하게 보호할 수 있는 다이오드 리미터를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터를 용이하게 구현할 수 있는 다이오드 리미터를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 정상 신호에 대한 삽입손실 성능과 과도 신호에 대한 반사 성능을 효과적으로 개선할 수 있는 다이오드 리미터를 제공함에 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 미리 결정된 형상을 갖는 도파관; 및 상기 도파관 내부에 설치되어, 상기 도파관으로 입력되는 전자기파 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작하는 금속 형상부를 포함하되, 상기 금속 형상부는 다이오드/포스트 조립체와 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터를 제공한다. 여기서, 상기 다이오드/포스트 조립체는 원기둥 형상을 갖는 제1 및 제2 포스트와, 상기 제1 및 제2 포스트 사이에 배치되는 PIN 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 도파관으로 임계 전력 미만의 전자기파 신호가 입력되는 경우, PIN 다이오드는 턴 오프(turn off) 상태로 동작하고, 금속 형상부는 상기 전자기파 신호를 그대로 통과시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)로 동작하는 것을 특징으로 한다. 한편, 도파관으로 임계 전력 이상의 전자기파 신호가 입력되는 경우, PIN 다이오드는 턴 온(turn on) 상태로 동작하고, 금속 형상부는 상기 전자기파 신호를 반사시키는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)로 동작하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 스트립들은 도파관 내부에서 다이오드/포스트 조립체의 PIN 다이오드로 표면전류를 집중시키는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 복수의 스트립들은 서로 동일한 모양 및 크기를 갖도록 형성되고, 다이오드/포스트 조립체로부터 일정 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 다이오드 리미터의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다이오드/포스트 조립체와, 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 금속 형상부를 도파관 내부에 설치함으로써, 상기 다이오드/포스트 조립체의 일 지점, 즉 PIN 다이오드 설치 지점으로 표면전류를 집중시킬 수 있고, 이를 통해 다이오드 리미터의 삽입손실 성능 및 반사 성능을 효과적으로 개선할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다이오드/포스트 조립체와 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 금속 형상부를 도파관 내부에 설치함으로써, 상기 금속 형상부를 입력 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 다이오드 리미터가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 송수신 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 구성을 나타내는 사시도;
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 구성을 나타내는 정면도;
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 형상부의 구성을 나타내는 사시도;
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 형상부의 구성을 나타내는 정면도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터에서의 표면전류밀도를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터를 통과하는 정상 신호 및 과도 신호의 전달 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 주요 설계 파라미터들을 설명하기 위해 참조되는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 레이더 장치 또는 무선통신 장치에 설치된 고주파(RF) 회로들을 외부의 전자기 펄스(EMP)로부터 안전하게 보호할 수 있는 다이오드 리미터를 제안한다. 또한, 본 발명은 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터를 용이하게 구현할 수 있는 다이오드 리미터를 제안한다. 또한, 본 발명은 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 정상 신호에 대한 삽입손실 성능과 과도 신호에 대한 반사 성능을 효과적으로 개선할 수 있는 다이오드 리미터를 제안한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 송수신 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 송수신 시스템(100)은 안테나(110), 순환기(circulator, 120), 리미터(130), 송신기(140) 및 수신기(150)를 포함할 수 있다. 상기 RF 송수신 시스템(100)은 레이더 장치 또는 무선통신 장치에 적용될 수 있으며, 이하에서는 레이더 장치에 적용되는 것을 예시하여 설명하도록 한다.

RF 송수신 시스템(100)은 먼 거리의 표적(target)을 탐지하기 위해서 고출력 송신기(140)를 사용하며, 동일 안테나(110)를 이용하여 송신 신호를 전송하고, 상기 송신 신호에 대응하는 표적 신호를 수신한다. 그런데, RF 송수신 시스템(100)은 송신기(140)와 안테나(110) 사이의 부 정합 때문에 고출력 송신 신호가 안테나(110)에 반사되어 수신기(150)에 들어오게 되며, 순환기(120)의 완벽하지 않은 격리도 때문에 송신 신호의 일부가 수신기(150)에 들어오게 된다. 이러한 누설 전력은 안테나(110)의 정합 정도에 따라 보통 송신 전력의 1/10 레벨을 가지며, 민감한 수신기(150)의 손상을 야기할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 외부의 전자기 펄스(EMP)가 안테나(110)와 순환기(120)를 통해 입력되어 민감한 수신기(150)의 손상을 야기할 수 있다.

이러한 수신기(150)의 손상을 보호하기 위하여 튜브, 페라이트 및 다이오드 등을 이용하여 낮은 입력 전력은 통과시키고, 높은 입력 전력은 제한하는 리미터(130)가 사용될 수 있다. 상기 리미터(130)는 RF 송수신 시스템(100)의 특성에 영향을 주는 첨두 전력, 평균 전력 및 회복 시간(recovery time) 등을 고려하여 한 가지 이상의 형태를 사용하며, 특히 구조적으로 간단하고, 비교적 높은 전력과 빠른 회복 시간을 갖는 다이오드 리미터가 주로 사용된다.

다이오드 리미터(130)는 입력 신호의 전력 세기에 따라 임피던스가 변화하는 PIN 다이오드를 주로 사용하며, 수신기(150) 앞 단에 병렬로 PIN 다이오드를 연결하는 간단한 구조를 가진다. 상기 PIN 다이오드는 높은 전력을 갖는 입력 신호(즉, 과도 신호)에 대해서는 낮은 임피던스로 동작하여 대부분의 입력 신호를 반사하며, 낮은 전력을 갖는 입력 신호(즉, 정상 신호)에 대해서는 높은 임피던스로 동작하여 대부분의 입력 신호를 수신기(150)로 전달하는 역할을 수행한다. 한편, 실시 형태에 따라, 다이오드 리미터(130)는 PIN 다이오드 대신 쇼트키(Schottky) 다이오드를 사용할 수도 있다.

다이오드 리미터(130)는 레이더 장치 또는 무선통신 장치가 수신하고자 하는 낮은 전력의 입력 신호에 대해서는 손실 없이 통과시키되, 해당 장치의 고주파 회로들에 장애를 일으킬 수 있는 높은 전력의 입력 신호에 대해서는 반사하여 도파관을 통과하지 못하도록 차단하는 역할을 수행할 수 있다.

이하에서는, 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작 가능한 다이오드 리미터에 대해 좀 더 자세히 설명하도록 한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 구성을 나타내는 정면도이고, 도 3a는 도 2a 및 도 2b에 도시된 금속 형상부의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 도시된 금속 형상부의 구성을 나타내는 정면도이다.

도 2a 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터(200)는 미리 결정된 형상을 갖는 도파관(210)과, 상기 도파관(210) 내부에 설치되는 금속 형상부(220)를 포함할 수 있다.

도파관(210)은 동축선로(coaxial line)의 유전체 손실을 극복하기 위해 절연체를 공기로 하고, 도체 손실의 원인이 되는　중심 도체를 없앤 전송선로(transmission line)이다. 이러한 도파관(210)은 일반적으로 마이크로파(microwave)를 전송하기 위한 전송선로로 사용될 수 있다.

도파관(210)은 외부로부터 유입되는 전자기파를 미리 결정된 방향으로 안내하는 역할을 수행한다. 도파관(210)은 안테나를 통해 유입되는 전자기파가 수신기 방향으로 전파할 수 있도록 양 단이 개방되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 전자기파는 도파관(210)의 내부 공간을 따라 TE(Transverse Electric) 모드 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 전파하여 통과하게 된다.

도파관(210)은 단면이 직사각형으로 형성된 구형 도파관(Rectangular Waveguide)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 즉, 다이오드 리미터(200)의 실시 형태에 따라, 단면이 원형으로 형성된 원형 도파관(Circular Waveguide)이 사용될 수도 있다.

도파관(210)은 금형을 이용한 사출 성형 등을 통해 일체로 형성될 수 있다. 또한, 도파관(210)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등과 같은 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다.

도파관(210)의 상부 중앙 영역에는 금속 형상부(220)의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 제1 관통 홀(215)이 해당 도파관(210)의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 관통 홀(215)의 내 측면에는 금속 형상부(220)의 일 부분과 결합하기 위한 나사산이 형성될 수 있다.

도파관(210)의 하부 중앙 영역에는 금속 형상부(220)의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 제2 관통 홀(미도시)이 해당 도파관(210)의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 관통 홀의 내 측면에는 금속 형상부(220)의 일 부분과 결합하기 위한 나사산이 형성될 수 있다.

금속 형상부(220)는, 도파관(210) 내부에 미리 결정된 구조적 형상을 갖도록 설치되어, 외부 입력 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 금속 형상부(220)는 높은 전력을 갖는 입력 신호에 대해서는 대부분의 입력 신호를 반사시키는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)로 동작할 수 있고, 낮은 전력을 갖는 입력 신호에 대해서는 대부분의 입력 신호를 그대로 통과시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)로 동작할 수 있다.

금속 형상부(220)는 제1 포스트(221), 제2 포스트(222), 절연 부재(223), PIN 다이오드(224) 및 제1 내지 제4 스트립(225~228)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 포스트(221), 제2 포스트(222), 절연 부재(223) 및 PIN 다이오드(224)는 일체로 형성되어 다이오드/포스트 조립체를 구성할 수 있다.

금속 형상부(220)를 구성하는 포스트들(221, 222) 및 스트립들(225~228)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등과 같은 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 포스트들(221, 222) 및 스트립들(225~228)은 도파관(210)과 동일한 금속 재질로 형성될 수 있다.

제1 포스트(또는 상부 포스트, 221)는 도파관(210)의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 길게 연장되어 해당 도파관(210)의 내부 공간을 가로지르도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 포스트(221)의 일 단은 도파관(210)의 상부 영역에 형성된 제1 관통 홀(215)에 삽입되도록 형성될 수 있고, 타 단은 해당 도파관(210)의 하부 영역에 형성된 제2 관통 홀에 삽입되도록 형성될 수 있다.

제1 포스트(221)는 제1 반경을 갖는 원기둥 형상의 제1 서브 포스트(221a)와, 제2 반경을 갖는 원기둥 형상의 제2 서브 포스트(221b)와, 제3 반경을 갖는 원기둥 형상의 제3 서브 포스트(221c)로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 내지 제3 서브 포스트(221a~221c)는 일체로 형성될 수 있다.

제1 서브 포스트(221a)의 상당 부분은 도파관(210)의 내부 공간에 노출되도록 형성될 수 있고, 해당 서브 포스트(221a)의 적어도 일 부분은 도파관(210)의 제2 관통 홀에 삽입되도록 형성될 수 있다. 제2 및 제3 서브 포스트(221b, 221c)는 도파관(210)의 제1 관통 홀(215)에 삽입되도록 형성될 수 있다.

제1 서브 포스트(221a)의 반경은 제2 서브 포스트(221b)의 반경보다 작게 형성될 수 있고, 제2 서브 포스트(221b)의 반경은 제3 서브 포스트(221c)의 반경보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 제1 서브 포스트(221a)의 높이는 제2 서브 포스트(221b)의 높이보다 크게 형성될 수 있고, 제2 서브 포스트(221b)의 높이는 제3 서브 포스트(221c)의 높이보다 크게 형성될 수 있다.

제3 서브 포스트(221c)의 외 측면에는 제1 관통 홀(215)에 형성된 나사산의 형상에 대응하는 형상을 갖는 나사산이 형성될 수 있다. 이는 제3 서브 포스트(221c)와 제1 관통 홀(215) 간의 나사 결합을 통해 다이오드/포스트 조립체를 도파관(210)의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 이동하기 위함이다.

한편, 실시 형태에 따라, 제1 포스트(221)의 제1 및 제2 서브 포스트(221a, 221b)는 서로 동일한 크기의 반경을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 포스트는 두 개의 서브 포스트로 구성될 수 있다.

제2 포스트(또는 하부 포스트, 222)는 제1 포스트(221)와 일정 거리만큼 이격되어 배치되며, 도파관(210)의 제2 관통 홀에 삽입되도록 형성될 수 있다. 또한, 제2 포스트(222)는 제1 포스트(221)의 길이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.

제2 포스트(222)는 제1 반경을 갖는 원기둥 형상의 제1 서브 포스트(222a)와 제2 반경을 갖는 원기둥 형상의 제2 서브 포스트(222b)로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 서브 포스트(222a, 222b)는 일체로 형성될 수 있다.

제1 서브 포스트(222a)의 반경은 제2 서브 포스트(222b)의 반경보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 제1 서브 포스트(222a)의 높이는 제2 서브 포스트(222b)의 높이보다 크게 형성될 수 있다.

제2 서브 포스트(222b)의 외 측면에는 제2 관통 홀에 형성된 나사산의 형상에 대응하는 형상을 갖는 나사산이 형성될 수 있다. 이는 제2 서브 포스트(222b)와 제2 관통 홀 간의 나사 결합을 통해 다이오드/포스트 조립체를 도파관(210)의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 이동하기 위함이다.

한편, 실시 형태에 따라, 제2 포스트(222)의 제1 및 제2 서브 포스트(222a, 222b)는 서로 동일한 크기의 반경을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 포스트는 하나의 서브 포스트로 구성될 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라, 도파관(210) 내부에 설치된 제2 포스트(222)를 생략 가능하도록 구성할 수 있다. 이 경우, PIN 다이오드(224)는 제1 포스트(221)와 도파관(210) 사이에 배치될 수 있다.

절연 부재(223)는, 제1 포스트(221)의 일 단에 배치되며, 상기 제1 포스트(221)의 일 단에 위치한 외주면을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 절연 부재(223)에는 제1 포스트(221)의 일 단을 삽입하기 위한 관통 홀이 형성될 수 있다. 이러한 절연 부재(223)를 통해 제1 포스트(221)의 일 단이 도파관(210)의 내부 벽면에 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 실시 형태에 따라, 상기 절연 부재(223)는 생략 가능하도록 구성될 수 있다.

PIN 다이오드(224)는 제1 포스트(221)와 제2 포스트(222) 사이에 배치되어, 상기 제1 포스트(221)와 제2 포스트(222) 사이를 전기적으로 연결하거나 차단하는 역할을 수행할 수 있다.

PIN 다이오드(224)는, 제2 포스트(222)와 함께, 도파관(210)의 제2 관통 홀에 삽입되도록 형성될 수 있다. 또한, PIN 다이오드(224)의 일 전극은 제1 포스트(221)의 일 단에 접촉되도록 형성될 수 있고, 타 전극은 제2 포스트(222)의 일 단에 접촉되도록 형성될 수 있다.

PIN 다이오드(224)는 P-N 접합 사이에 전성 영역(Intrinsic region)을 삽입한 형태의 다이오드 소자로 전성 영역에 유입되는 전자 및 전공의 양에 따라 저항 값이 변하는 가변 저항으로 동작한다.

PIN 다이오드(224)는 도파관(210) 내부로 입력되는 전자기파 신호(또는 RF 신호)의 전력 세기에 따라 턴 온(turn on) 동작 또는 턴 오프(turn off) 동작을 수행할 수 있다. 즉, 도파관(210) 내부로 임계 전력 이상의 전자기파 신호가 입력되는 경우, PIN 다이오드(224)는 턴 온 동작을 수행하여 제1 포스트(221)와 제2 포스트(222) 사이를 전기적으로 연결하게 된다. 반면, 도파관(210) 내부로 임계 전력 미만의 전자기파 신호가 입력되는 경우, PIN 다이오드(224)는 턴 오프 동작을 수행하여 제1 포스트(221)와 제2 포스트(222) 사이의 전기적 연결을 차단하게 된다. 이러한 PIN 다이오드(224)의 스위칭 동작에 따라, 금속 형상부(220)의 주파수 응답 특성 및 전달 특성이 가변하게 된다.

제1 내지 제4 스트립(225~228)은, 도파관(210) 내부에 설치된 다이오드/포스트 조립체의 인접 영역에 배치되어, 상기 다이오드/포스트 조립체의 일 지점, 즉 PIN 다이오드 설치 지점으로 표면전류를 집중시키는 역할을 수행할 수 있다.

제1 내지 제4 스트립(225~228)은 다이오드/포스트 조립체의 길이 방향에 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 스트립(225~228)은 서로 동일한 모양 및 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 일 예로, 각 스트립(225~228)은 직사각형 모양의 얇은 플레이트 형상으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

제1 및 제2 스트립(225, 226)은 도파관(210)의 내 측면 중 상부면에 장착 및 고정되도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 스트립(225, 226)은 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 스트립(225, 226)은 다이오드/포스트 조립체로부터 일정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다.

제3 및 제4 스트립(227, 228)은 도파관(210)의 내 측면 중 하부면에 장착 및 고정되도록 형성될 수 있다. 또한, 제3 및 제4 스트립(227, 228)은 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 또한, 제3 및 제4 스트립(227, 228)은 다이오드/포스트 조립체로부터 일정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다.

제1 및 제3 스트립(225, 227)은 서로 일정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2 및 제4 스트립(226, 228)은 서로 일정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는, 4개의 스트립이 도파관 내부에 설치되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 그 보다 더 많거나 혹은 더 적은 개수의 스트립이 도파관 내부에 설치될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

또한, 본 실시 예에서는, 4개의 스트립이 서로 동일한 모양 및 크기를 갖도록 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 서로 다른 모양 및/또는 크기를 갖도록 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

이상, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이오드 리미터(200)는 다이오드/포스트 조립체와 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 금속 형상부를 도파관 내부에 설치함으로써, 상기 다이오드/포스트 조립체의 일 지점, 즉 PIN 다이오드 설치 지점으로 표면전류를 집중시킬 수 있고, 이를 통해 해당 리미터의 삽입손실 성능 및 반사 성능을 효과적으로 개선할 수 있다. 즉, 다이오드 리미터(200)는 임계 전력 미만의 정상 신호에 대해서는 낮은 삽입손실을 가지면서 도파관을 통과시킬 수 있고, 임계 전력 이상의 과도 신호에 대해서는 높은 반사계수를 가지면서 도파관을 통과하지 못하도록 차단할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다이오드 리미터(200)는 다이오드/포스트 조립체와 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되는 복수의 스트립들을 포함하는 금속 형상부를 도파관 내부에 설치함으로써, 상기 금속 형상부를 입력 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 대역통과 특성을 갖는 필터로 동작시킬 수 있다. 즉, 다이오드 리미터(200)는 동작 주파수 대역에서 낮은 전력의 입력 신호에 대해서는 대부분의 입력 신호를 그대로 통과시키는 대역 통과 필터(BPF)로 동작할 수 있고, 높은 전력의 입력 신호에 대해서는 대부분의 입력 신호를 반사시키는 대역 저지 필터(BSF)로 동작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터에서의 표면전류밀도를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 구현된 다이오드 리미터의 표면전류밀도를 동작 주파수 대역에서 시뮬레이션한 결과, 해당 도파관(210)의 내 측면을 따라 순환하는 표면전류와 복수의 스트립들에 존재하는 표면전류가 다이오드/포스트 조립체로 이동하여 해당 표면전류들이 PIN 다이오드에 집중되는 현상을 확인할 수 있다. 이에 따라, 낮은 입력 전력 값에도 PIN 다이오드가 동작하게 되어, 다이오드 리미터의 과도 신호 감쇄 성능을 향상시키게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도파관 내부의 구조적 형상 설계를 통해 구현된 다이오드 리미터의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션한 결과, 해당 다이오드 리미터는 외부로부터 입력된 정상 신호(EMP off)에 대해서는 미리 결정된 동작 주파수(가령, 3.03 GHz)를 갖는 대역 통과 필터(BPF)로 동작하고, 외부로부터 입력된 과도 신호(EMP on)에 대해서는 동일한 동작 주파수를 갖는 대역 저지 필터(BSF)로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다이오드 리미터(200)는 외부에서 입력되는 전자기 펄스(EMP)에 대한 선택적 필터링을 통해 레이더 장치 또는 무선통신 장치에 설치된 고주파(RF) 회로들을 안전하게 보호하기 위한 용도로 사용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터를 통과하는 정상 신호 및 과도 신호의 전달 특성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 즉, 도 6의 (a)는 본 발명에 따른 다이오드 리미터를 통과하는 정상 신호의 전달 특성을 예시하는 도면이고, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 다이오드 리미터를 통과하는 과도 신호의 전달 특성을 예시하는 도면이다.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 낮은 전력 세기를 갖는 정상 신호가 다이오드 리미터를 통과하는 경우, 시간 변화에 따라 해당 리미터로 입력되는 펄스, 해당 리미터를 투과하는 펄스 및 해당 리미터로부터 반사되는 펄스의 세기를 확인할 수 있다. 상기 측정 결과, 입력 펄스와 투과 펄스 사이의 차이가 작을수록 다이오드 리미터의 삽입손실이 작아지게 되고, 그에 따라 해당 리미터의 삽입손실 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 높은 전력 세기를 갖는 과도 신호가 다이오드 리미터를 통과하는 경우, 시간 변화에 따라 해당 리미터로 입력되는 펄스, 해당 리미터를 투과하는 펄스 및 해당 리미터로부터 반사되는 펄스의 세기를 확인할 수 있다. 상기 측정 결과, 입력 펄스와 반사 펄스의 차이가 작을수록 다이오드 리미터의 반사계수가 증가하게 되고, 그에 따라 해당 리미터의 반사 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이오드 리미터의 주요 설계 파라미터들을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 다이오드 리미터 설계 시, 도파관 내부에 설치되는 금속 형상부(220)의 주요 설계 파라미터들을 정의할 수 있다. 상기 금속 형상부(220)의 주요 설계 파라미터들은 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수(즉, 공진 주파수) 및 반사 계수 등을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 스트립(225~228)의 두께는 A 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 A 파라미터의 값이 커질수록, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

제2 포스트(222)를 구성하는 제1 서브 포스트(222a)의 높이는 B 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 B 파라미터의 값이 작아질수록, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 스트립(225~228)의 높이는 C 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 C 파라미터의 값이 커질수록, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

제1 포스트(221)를 구성하는 제1 서브 포스트(221a)와 제1 내지 제4 스트립(225~228) 사이의 이격 거리는 E 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 E 파라미터의 값이 작아질수록, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

제1 포스트(221)를 구성하는 제1 서브 포스트(221a)의 지름은 F 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 F 파라미터의 값이 작아질수록, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

제1 내지 제4 스트립(225~228)의 너비는 D 파라미터로 정의될 수 있다. 상기 D 파라미터는 과도 신호 입력 시 다이오드 리미터(200)의 반사 계수를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 도 7c에 도시된 바와 같이, 다이오드/포스트 조립체의 양단에 형성된 나사산(미도시)과 도파관(210)의 제1 및 제2 관통 홀에 형성된 나사산이 서로 결합됨에 따라, 상기 다이오드/포스트 조립체는 해당 도파관의 높이 방향, 즉 전자기파의 진행 방향에 수직한 방향으로 이동할 수 있다. 상기 다이오드/포스트 조립체의 이동 방향은 G 파라미터로 정의될 수 있다. 다이오드/포스트 조립체를 상부 방향으로 이동하면, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 올라가는 특성을 갖고, 다이오드/포스트 조립체를 하부 방향으로 이동하면, 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수는 내려가는 특성을 갖는다.

이처럼, 금속 형상부(220)의 주요 설계 파라미터들(A~G)을 정의하고, 상기 정의된 파라미터들을 기반으로 다이오드 리미터(200)의 동작 주파수 및 반사 계수 등을 결정 및 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: RF 송수신 시스템 110: 안테나
120: 순환기 130: 리미터
140: 송신기 150: 수신기
200: 다이오드 리미터 210: 도파관
220: 금속 형상부

Claims (6)

1. 전자기파 신호를 통과시키기 위한 미리 결정된 형상의 개구를 갖는 도파관; 및
   상기 도파관 내부에 설치되어, 상기 도파관으로 입력되는 전자기파 신호의 전력 세기에 따라 선택적 주파수 응답 특성을 갖는 필터로 동작하는 금속 형상부를 포함하되,
   상기 금속 형상부는, 상기 전자기파 신호의 진행 방향에 수직한 방향으로 배치되는 다이오드/포스트 조립체와,
   상기 전자기파 신호가 진행하는 상기 개구 상에 위치하며, 상기 다이오드/포스트 조립체를 기준으로 대향하여 배치되고, 상기 다이오드/포스트 조립체의 길이 방향에 수직한 방향으로 배치되며, 상기 다이오드/포스트 조립체로부터 일정 거리만큼 이격되도록 배치되는 복수의 스트립들을 포함하고,
   상기 다이오드/포스트 조립체는 상기 전자기파 신호의 진행 방향에 수직한 방향으로 이동 가능하도록 형성되며,
   상기 복수의 스트립들은, 상기 다이오드/포스트 조립체와의 상대적 배치 구조를 통해 상기 도파관의 내 측면에 흐르는 표면전류를 상기 다이오드/포스트 조립체의 다이오드 설치 지점으로 집중시키는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다이오드/포스트 조립체는, 원기둥 형상을 갖는 제1 및 제2 포스트와, 상기 제1 및 제2 포스트 사이에 배치되는 PIN 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터.
3. 제2항에 있어서, 상기 도파관으로 임계 전력 미만의 전자기파 신호가 입력되는 경우,
   상기 PIN 다이오드는 턴 오프(turn off) 상태로 동작하고,
   상기 금속 형상부는 상기 전자기파 신호를 그대로 통과시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)로 동작하는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터.
4. 제2항에 있어서, 상기 도파관으로 임계 전력 이상의 전자기파 신호가 입력되는 경우,
   상기 PIN 다이오드는 턴 온(turn on) 상태로 동작하고,
   상기 금속 형상부는 상기 전자기파 신호를 반사시키는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)로 동작하는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 스트립들은, 서로 동일한 모양 및 크기를 갖도록 형성되고, 상기 다이오드/포스트 조립체로부터 일정 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 다이오드 리미터.

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