KR102603211B1 - 다층 구조 위상 천이기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 구조 위상 천이기에 관한 것으로서, 특히 다층 모델에 있어서 버랙터다이오드가 구조물 내부에 묻히지 않도록 상부 기판을 일정 크기로 에칭하여 구성함으로써 다층 모델을 컴팩트 하게 설계할 수 있고 외부에서 인입되는 전파에 대한 영향을 최소화할 수 있는 다층 구조 위상 천이기에 관한 것이다.

Description

다층 구조 위상 천이기{MULTI-LAYERED PHASE SHIFTER}

본 발명은 다층 구조 위상 천이기에 관한 것으로서, 특히 다층 모델에 있어서 버랙터다이오드가 구조물 내부에 묻히지 않도록 상부 기판을 일정 크기로 에칭하여 구성함으로써 다층 모델을 컴팩트 하게 설계할 수 있고 외부에서 인입되는 전파에 대한 영향을 최소화할 수 있는 다층 구조 위상 천이기에 관한 것이다.

통상 위상 천이기는 원하는 주파수 대역에서 통과 위상을 변화시키는 회로이다. 아날로그 위상 천이기는 주로 버렉터(Varactor) 다이오드를 이용하며, 연속적인 위상 천이를 가진다. 아날로그 위상 천이기는 배열 안테나의 빔 조향을 위한 송수신 시스템이나 발진주파수 조정을 위한 폐루프형 전압제어 발진기의 구성 부품으로 주로 응용되고 있다. 이러한 응용을 위한 위상 천이기는 위상 천이량이 360도 이상이 되어야 하며, 소형의 크기, 저손실의 특성이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1497018호(이하, 종래기술이라 함)에는 360도 반사형 아날로그 위상 천이기가 개시되어 있다. 이 360도 반사형 아날로그 위상 천이기는 입출력 포트와 가변 리액턴스 부하 연결을 위한 한 쌍의 부하 포트를 포함하는 4-포트 구조를 갖는 90도 브랜치 라인 커플러와, 상기 한 쌍의 부하 포트에 각각 연결되는 360도 가변 리액턴스 부하를 포함하되, 상기 360도 가변 리액턴스 부하는 전송선(L1)의 양단에 버렉터 다이오드와 전송선(L2)이 결합된 π형 부하를 구성하고, 상기 부하 포트와 상기 π형 부하 간에 전송선(L3)이 연결되는 것을 특징으로 한다.

그러나 종래의 기술은 4개의 버랙터다이오드, 90도 브랜치 라인 커플러 및 부하를 연결하는 다수의 전송선으로 이루어져 있으므로 다층 모델의 레이어 사이에 장착하여 사용하기가 용이하지 않고, 다층 모델에 사용하더라도 인입되는 전파에 의해 상당한 영향을 받으므로 방사 요소와의 통합에 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1497018호{발명의 명칭: 360도 반사형 아날로그 위상 천이기}

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 다층 모델 구성시 층 사이에 컴팩트하게 배치되기 용이하며, 외부에서 인입되는 전파에 대한 영향을 최소화할 수 있는 다층 구조 위상 천이기를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기는 하부기판에 장착되어 무선 신호가 입력되는 입력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 위상 천이된 무선 신호가 출력되는 출력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트를 통해 입력되는 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호의 위상을 천이시키도록 가변 커패시턴스를 제공하는 제1, 2버랙터; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트 및 출력 포트를 상기 제1,2버랙터와 커플링시키는 하이브리드 커플러; 및 상기 하부기판에 장착되어 상기 제1,2버랙터에 각각 역전압을 입력시키기 위해 일단은 직류전원 포트에 전기 접속되고 타단은 상기 제1,2버랙터에 전기 접속되는 바이어스 패드;를 포함하며, 상기 제1,2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부기판의 일부는 에칭되어있는 것을 특징으로 한다.

상기 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기에 있어서, 에칭된 상기 상부기판의 일부는 상기 직류전원 포트, 바이어스 패드 및 제1,2버랙터를 도출시킬 수 있는 면적을 가질 수 있다.

상기 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기에 있어서, 상기 하이브리드 커플러는 90도 분기 라인 커플러일 수 있다.

상기 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기에 있어서, 에칭된 상기 상부기판의 일부 면적은 15㎜ × 3㎜일 수 있다.

상기 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기에 있어서, 상기 하부기판은 유전율이 10.2이고, 손실 탄젠트가 0.0023이며, 상기 상부기판은 유전율이 3.5이고, 손실 탄젠트가 0.0018일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 의한 다층 구조 위상 천이기에 의하면, 하부기판에 장착되어 무선 신호가 입력되는 입력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 위상 천이된 무선 신호가 출력되는 출력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트를 통해 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호의 위상을 천이시키도록 가변 커패시턴스를 제공하는 제1, 2버랙터; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트 및 출력 포트를 상기 제1,2버랙터와 커플링시키는 하이브리드 커플러; 및 상기 하부기판에 장착되어 상기 제1,2버랙터에 각각 역전압을 입력시키기 위해 일단은 직류전원 포트에 전기 접속되고 타단은 상기 제1,2버랙터에 전기 접속되는 바이어스 패드;를 포함하며, 상기 제1,2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부기판의 일부가 에칭되도록 구성됨으로써, 다층 모델 구성시 층 사이에 컴팩트하게 배치되기 용이하며, 외부에서 인입되는 전파에 대한 영향을 최소화할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기의 상세 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기의 평면도이다.
도 3은 도 1의 등가회로도이다.

본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.

본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 자료 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 자료 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 자료 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기의 상세 회로도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기의 평면도이다.

본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하부기판(S1)에 입력 포트(I), 출력 포트(0), 제1,2버랙터(200, 200′), 하이브리드 커플러(100) 및 바이어스 패드(P, P)가 장착되고, 제1,2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부기판(S2)의 일부는 에칭되어있다. 에칭된 상부기판(S2)의 면적은 15㎜ × 3㎜일 수 있다.

입력 포트(I)는 하부기판(S1)에 "ㄷ"자 형태로 장착되어 안테나로부터 무선 신호가 입력되어 하이브리드 커플러(100)로 출력시키는 역할을 한다.

출력 포트(O)는 하부기판(S1)에 막대 형상으로 장착되어 하이브리드 커플러(100)로부터 입력된 위상 천이된 무선 신호를 출력하는 역할을 한다.

하이브리드 커플러(100)는 하부기판(S1)에 "ㅁ"자 형태로 장착되어 입력 포트(I) 및 출력 포트(O)를 제1,2버랙터(200, 200′)와 커플링시키는 역할을 한다. 하이브리드 커플러(100)는 90도 위상차를 갖는 무선 신호를 제1,2버랙터(200, 200′)에 입력시키고, 제1,2버랙터(200, 200′)에 의해 위상 천이된 무선 신호를 출력 포트(O)에 출력시킬 수 있다. 하이브리드 커플러(100)는 90도 분기 라인 커플러일 수 있다.

제1, 2버랙터(200, 200′)는 하부기판(S1)에 장착되고, 입력 포트(I)로부터 하이브리드 커플러(100)를 통해 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호를 위상 천이시키도록 가변 커패시턴스를 제공하는 역할을 한다. 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호는 하이브리드 커플러(100)에 의해 반사된다. 제1, 2버랙터(200, 200′)는 바이어스 패드(P)를 통해 인가되는 역 바이이스에 의해 공핍영역이 조절되어 통과되는 신호의 위상을 천이시킬 수 있다.

바이어스 패드(P, P)는 하부기판(S1)에 장착되고, 제1,2버랙터(200, 200′)에 각각 역전압을 입력시키기 위해 일단은 직류전원 포트(D)에 전기 접속되고 타단은 제1,2버랙터(200, 200′)에 전기 접속되어 있다.

하부기판(S1)은 유전율이 10.2이고, 손실 탄젠트가 0.0023일 수 있다. 하부기판(S1)의 면적은 15㎜ × 15㎜일 수 있다.

상부기판(S2)은 유전율이 3.5이고, 손실 탄젠트가 0.0018일 수 있다. 상부기판(S2)의 면적은 15㎜ × 12㎜일 수 있다.

도 3은 도 1의 등가회로도이다.

Lc의 특성 임피던스는 50Ω이고 La의 특성 임피던스는 35.7Ω일 수 있다. Ld의 특성 임피던스는 50Ω일 수 있다. 버랙터다이오드(200, 200′)는 역 바이어스된 상태로 연결되었으며 위상 천이 동작을 위한 가변 커패시턴스를 제공한다. Le의 폭은 1.2mm일 수 있다. 직류전원 포트(D)는 버랙터다이오드(200, 200′)에 연결된다.

본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기는 다음과 같은 분야에 적용될 수 있다.

첫째, 본 발명의 다층 구조 위상 천이기는 전송 어레이용으로 설계될 수 있다. 전송 어레이는 삽입 손실이 큰 기존의 위상 배열 대신 마이크로파 및 밀리미터파에서 빔 조정 및 편광 변환을 위한 유망한 후보 중 하나이다. 레이더, 5G 네트워크 및 일부 첨단 군사 장비에는 전자 스캐닝과 편광 변환 빔이 필요하다. 본 발명의 다층 구조 위상 천이기의 디자인은 전송 어레이의 빔 조정 요소로 작용할 수 있다.

둘째, 본 발명의 다층 구조 위상 천이기는 위상 배열 안테나에도 적합하다. 때때로, 기존의 위상 배열 안테나는 동일한 방사면에서 외부 위상 천이기 또는 내장형 위상 천이기를 사용한다. 방사면의 위상 천이기는 방사 성능을 약간 저하시킬 수 있다. 본 발명의 위상 천이기는 내장된 패턴을 얻을 수 있는 좋은 후보가 될 수 있다.

셋째, 본 발명의 다층 구조 위상 천이기는 콤팩트한 시스템을 위한 다층 설계에 적합하다. 일부 통신 장치에서는 소형화가 기본 요구 사항이다. 본 발명의 다층 구조 위상 천이기는 다층 모델 내부에 내장될 수 있으므로 콤팩트한 시스템을 설계하는 데 매우 적합하다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기의 동작에 대해서 설명하기로 한다.

먼저, 입력 포트(I)를 통해 무선 신호가 입력되면 하이브리드 커플러(100)에 의해 90도 위상차를 갖는 신호가 출력된다.

다음, 90도 위상차를 갖는 신호가 제1,2버렉터(200, 200′)에 의해 위상 천이되고, 위상 천이된 신호는 하이브리드 커플러(100)를 통해 출력되게 된다.

본 발명의 실시예에 의한 다층 구조 위상 천이기에 의하면, 하부기판에 장착되어 무선 신호가 입력되는 입력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 위상 천이된 무선 신호가 출력되는 출력 포트; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트를 통해 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호의 위상을 천이시키도록 가변 커패시턴스를 제공하는 제1, 2버랙터; 상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트 및 출력 포트를 상기 제1,2버랙터와 커플링시키는 하이브리드 커플러; 및 상기 하부기판에 장착되어 상기 제1,2버랙터에 각각 역전압을 입력시키기 위해 일단은 직류전원 포트에 전기 접속되고 타단은 상기 제1,2버랙터에 전기 접속되는 바이어스 패드;를 포함하며, 상기 제1,2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부 기판의 일부가 에칭되도록 구성됨으로써, 다층 모델 구성시 층 사이에 컴팩트하게 배치되기 용이하며, 외부에서 인입되는 전파에 대한 영향을 최소화할 수 있다.

특히, 상부기판의 제1,2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부기판의 일부가 에칭되도록 구성됨으로써, 다층 모델 구성시 제1,2버랙터가 기판에 묻히지 않고 기판 사이에 컴팩트하게 배치되기 용이하므로 다층 모델의 컴팩트화가 가능하며, 이로 인해 외부에서 전파가 인입될 때 매우 작은 영향을 받으므로 본 발명의 위상 천이기는 방사요소와의 통합에 적합하다.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

I: 입력 포트
O: 출력 포트
S1: 하부 기판
S2: 상부 기판
100: 하이브리드 커플러
200: 제1버랙터
200′: 제2버랙터

Claims (5)

1. 하부기판(S1)과 상부기판(S2) 사이에 배치된 다층 구조 위상 천이기로서,
   하부기판(S1)에 “ㄷ”자 형태로 장착되어 안테나로부터 무선 신호가 입력되는 입력 포트(I);
   상기 하부기판에 막대형상으로 장착되어 위상 천이된 무선 신호가 출력되는 출력 포트(O);
   상기 하부기판에 장착되어 상기 입력 포트를 통해 90도 위상차를 갖고 입력되는 무선 신호의 위상을 천이시키도록 가변 커패시턴스를 제공하는 제1, 2버랙터(200, 200′);
   상기 하부기판에 “ㅁ”자 형태로 장착되어 상기 입력 포트 및 출력 포트를 상기 제1, 2버랙터와 커플링시키며, 90도 위상차를 갖는 무선 신호를 상기 제1, 2버랙터에 입력시키고 상기 제1, 2버랙터에 의해 위상 천이된 무선 신호를 상기 출력 포트에 출력시키는 90도 분기라인 커플러인 하이브리드 커플러(100); 및
   상기 하부기판에 장착되어 상기 제1, 2버랙터에 각각 역전압을 입력시키기 위해 일단은 직류전원 포트(D)에 전기 접속되고 타단은 상기 제1, 2버랙터에 전기 접속되는 바이어스 패드(P, P);를 포함하며,
   상기 제1, 2버랙터 및 바이어스 패드와 대향하는 상부기판(S2)의 일부는 에칭되어있어, 다층모델 구성시 상기 제1, 2버랙터가 상기 상부기판에 묻히지 않고 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 컴팩트하게 배치되기 용이하며,
   에칭된 상기 상부기판의 일부는
   상기 직류전원 포트, 바이어스 패드 및 제1, 2버랙터를 도출시킬 수 있는 면적을 갖는 다층 구조 위상 천이기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   에칭된 상기 상부기판의 일부 면적은 15㎜ × 3㎜인 다층 구조 위상 천이기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 하부기판은 유전율이 10.2이고, 손실 탄젠트가 0.0023이며,
   상기 상부기판은 유전율이 3.5이고, 손실 탄젠트가 0.0018인 다층 구조 위상 천이기.