KR20010007640A - 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 무선중계기는, Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용한 반사형 부성 저항 증폭기를 유전체 선로의 일측에 적용하여, 입력 신호가 입력 단자 유전체 선로를 통하여 입력되어 서큘레이터를 통하여 회전하여 Gunn 다이오드로 들어가고, Gunn 다이오드에서 증폭되어진 반사파가 서큘레이터에서 회전하여 출력 단자 유전체 선로로 나오는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 종래의 복잡한 구조의 무선중계기를 대신하여, 동일한 주파수를 받아서 그 주파수를 그대로 증폭하여, 증폭된 신호를 원하는 방향으로 재송신할 수 있는 비방사 유전체 선로에서의 무선 중계기 및 다층 스페이스 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기를 제공한다. 본 발명에 의한 무선중계기의 내부 회로는 단순히 Gunn 다이오드를 이용한 증폭기 구조로 되어 있으므로 회로가 간단하여 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 유전체 밴드를 넣어서 수신 및 송신 방향을 임의로 바꿀 수 있는 장점이 있다. 본 발명에 의한 무선중계기를 이용하면 저소비전력의 소형 무선중계기를 제작할 수 있고, 본 발명에 의한 무선중계기는 실내 밀리파 LAN 용 방향성 중계기에도 적용할 수 있다.

Description

비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기{Repeter Using Nonradiative Dielectric Guide}
본 발명은 무선중계기에 관한 것으로서, 특히 Gunn 다이오드를 이용한 반사형 증폭기를 비방사 유전체 선로(또는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로)에 적용하여 얻어지는 무선중계기에 관한 것이다.
종래의 무선중계기는 무선 신호를 수신하여 그 신호로부터 원신호를 복조하여 다시 다른 주파수로 변경하여 원신호를 변조하여 송신하는 복잡한 구조를 가진다. 따라서, 무선중계기의 회로가 복잡하여 또한 주파수의 간섭 때문에 동일한 주파수를 사용하지 못하고 다른 주파수를 사용하므로 공용 자원인 주파수를 남용하는 문제가 있었다. 또한, 종래의 무선중계기는 신호의 복조 및 변조 과정을 거치는 회로 및 송수신 장치를 포함하게 되므로 전력 소모가 많아서 무선중계기를 설치하려는 산의 정상이나 건물의 옥상과 같은 장소에 전원을 공급하는 발전기와 비상 전원 등의 복잡한 전원 장치가 설치되어야 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 무선중계기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 수신파를 그대로 증폭함으로써 복조, 변조, 수신, 송신의 과정이 필요없어서 회로가 간단하고 제작이 용이한 무선중계기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 회로가 간단하여 전력 소모가 적은 저소비전력의 무선중계기를 제공하는 것이다.
도1은 Gunn 다이오드가 있는 반사형 부성 저항 증폭기를 유전체 선로에 적용한 구조도,
도2는 반사형 증폭기를 다층 스페이스 비방사 유전체(ML-NRD) 선로에 적용한 구성도,
도3은 3체배 증폭기를 다층 스페이스 비방사 유전체(ML-NRD) 선로에 적용한 구성도,
도4는 외부 공진점을 하나 첨가한 경우의 주파수 특성을 도시한 것이고, 도5는 외부 공진점을 2개 첨가한 경우의 주파수 특성을 도시한 것,
도6은 유전체 선로의 절단 블록을 이용한 공진기의 구성도,
도7은 도6에 도시된 공진 회로의 등가 회로도,
도8은 임피던스 인버터 회로,
도9는 인버터를 이용한 도7의 등가 회로도,
도10은 Gunn 다이오드 증폭기와 1개의 외부 유전체 공진 회로를 이용하여 설계한 광대역 증폭 회로의 구성도와 그 주파수 특성,
도11은 비방사 유전체 선로(또는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로)에서의 Gunn 다이오드 증폭기를 이용한 무선중계기의 구조도,
도12는 방향을 임의로 바꾸기 위하여 입출력 유전체 선로에 무손실 밴드를 삽입한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도,
도13은 지향성을 예리하게 함과 동시에 이득을 높인 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도,
도14는 입출력방향이 270도인 무손실 밴드를 이용한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도,
도15는 무손실 밴드와 복수개의 증폭기를 사용한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기는, Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용한 반사형 부성 저항 증폭기를 유전체 선로의 일측에 적용하여, 입력 신호가 입력 단자 유전체 선로를 통하여 입력되어 서큘레이터를 통하여 회전하여 Gunn 다이오드로 들어가고, Gunn 다이오드에서 증폭되어진 반사파가 서큘레이터에서 회전하여 출력 단자 유전체 선로로 나오는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기를 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 무선중계기에서는 Gunn 다이오드를 이용한 증폭기를 이용한다. Gunn 다이오드를 이용한 증폭기는 Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용한 부성 저항 증폭기(Negative Resistance Amplifier)이다.
Gunn 다이오드는 두 개의 전도대의 밸리(valley)가 있는데, 하나는 가전자대에 가까운 곳에서 낮은 밸리(L 밸리), 다른 하나는 이것보다는 0.36 eV 높은 밸리(U 밸리)이다. L 밸리의 전자의 이동도는 U 밸리의 전자보다 약 60배 크다. 전계가 낮은 경우, 전도 전자는 모두 L 밸리에 존재하지만, 전계가 높아지면 전자의 에너지가 높아져 U 밸리로 들어가는 전가가 존재하기 때문에 이동도가 달라서 번칭이 생기고, 평균 전자 속도가 저하된다. 이때 이동도의 변화분이 부의 값이 되고, Gunn 다이오드의 부성 저항 상태가 된다.
도1은 Gunn 다이오드가 있는 반사형 부성 저항 증폭기를 유전체 선로에 적용한 구조도이다. 도1에서 입력 신호가 서큘레이터를 통하여 회전하여 Gunn 다이오드로 들어가고, Gunn 다이오드에서는 부성 저항 특성에 의하여 입력파보다 반사파가 커져 증폭된다. 증폭되어진 반사파는 서큘레이터에서 회전하여 출력 단자로 나오게 된다.
도1에서 전송로의 특성 임피던스에서 규격화한 Gunn 다이오드의 임피던스를 ZD로 한다. 여기에서 Gunn 다이오드의 임피던스는 부성저항 r과 리액턴스 x의 직렬회로로서 나타낸다. 이때 반사계수는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
간소하게 하기 위하여 리액턴스 x의 값을 0으로 하면, 증폭기의 중심 주파수에 있어서 반사계수는 다음의 수학식 2와 같이 나타나게 된다.
상기 수학식 2에서 반사계수가 1보다 커지면, 입사파보다 반사파가 커져서 증폭 동작을 한다는 것을 알 수 있다. 이 반사계수는 입력전력에 대한 반사전력의 비이기 때문에 이득의 정의와 같다. 따라서, 전력이득은 다음의 수학식 3으로 정의된다.
상기 수학식 2에서 Gunn 다이오드의 부성저항의 값이 전송로의 특성 임피던스에 가까울수록 종폭기의 이득이 증가한다는 것을 나타내고 있다. 또 부성저항의 값이 1이될 경우, 반사계수가 무한대가 되어 입사파가 없는 경우에도 출력파가 존재하는 즉, 발진 동작을 한다는 것이다. 상기 수학식 1에서, 증폭기가 가진 이득의 주파수 특성은 Gunn 다이오드의 리액턴스가 0이 되도록 주파수에서 최대로되는 간단한 봉우리 모양의 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
도2는 반사형 증폭기를 다층 스페이스 비방사 유전체(ML-NRD) 선로에 적용한 구성도이다. 도2에서 입력파는 입력측 유전체 선로를 통과하여 서큘레이터에서 회전하여 Gunn 다이오드로 들어간다. Gunn 다이오드에서는 부성 저항 특성에 의하여 입력파보다 반사되는 출력파의 세기가 더 크게 되어 반사되므로, 이 출력파와 입력파와의 비가 증폭도라고 할 수 있다.
Gunn 다이오드에서 나온 반사파는 서큘레이터를 통과하여 부하측의 유전체 선로를 타고 흘러가서 출력된다. 이때, Gunn 다이오드의 마운트의 크기는 유전체 선로가 위치하는 두 금속판 사이의 간격과 일치하여야 한다. 그러나, 실제 사용하는 주파수는 사용 용도나 목적에 따라서 달라지고, 주파수가 달라진다는 것은 두 금속판 사이의 간격이 달라진다는 것을 의미한다. 실제로 사용 주파수의 간격에 맞는 사이즈의 다이오드를 구하는 것은 불가능한 일이므로 본 발명에서는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로에서 회로를 구성함으로써, 사용 목적에 따라서 여러 주파수를 발생하는 동일 사이즈의 다이오드를 이용하여도 증폭 회로를 구성할 수 있게 된다.
유전체 선로는 사용 주파수에 맞게 구해지고, 유전체 선로의 사이즈에 해당하는 간격이 결정되나, 다이오드 마운트의 크기가 제조 회사에 따라서 다르므로, 본 발명에서는 다층 스페이스 구조로 각 부품의 크기에 해당하는 스페이스로 제작하여 회로를 만들 수 있게 된다.
본 발명에서 Gunn 다이오드와 유전체 선로와의 연결은 스트립 공진기로 하고, 이 스트립 공전기의 금속 부분의 길이가 사용 주파수를 결정하게 한다. 금속 부분의 길이는 사용 주파수의 약 반파장에서 길게 되면 공진 주파수가 낮게 되고, 짧게 되면 공진 주파수가 높게 된다.
도2와 같은 증폭 회로 구성에서 바이어스 전압을 넣어서 증폭기로서 작동시킨다.
한편, 저주파용 Gunn 다이오드를 이용하여 고주파용 증폭기를 제작할 수 있다. 이를 체배식 증폭기라고 하는데, 체배식 증폭기는 전송 데이터가 점차 많아져서 사용 주파수가 점차 고주파로 되는데, 고주파용 Gunn 다이오드의 입수가 곤란할 때에 유용하게 적용할 수 있다.
도3은 3체배 증폭기를 다층 스페이스 비방사 유전체(ML-NRD) 선로에 적용한 구성도이다.
다층 스페이스 비방사 유전체 선로에서 간격이 큰, 즉 낮은 주파수 층에서 낮은 주파수의 Gunn 다이오드를 이용하여 부성 저항이 일어나게 바이어스 전압을 공급하고, 두 금속판의 간격이 작은 층에 Gunn 다이오드 발진 주파수보다 높은 2체배 또는 3체배 주파수의 유전체 전송 선로를 배치하여 그 사이에 높은 주파수(체배 주파수)에 공진이 되는 스트립 공진기나 리드형 공진기를 연결하여 고조파를 이용하고 부성 저항 특성을 이용하여 반사파를 크게하여 증폭을 할 수가 있다.
또한, 대용량의 정보 전달을 위하여, 사용 주파수의 고주파화 및 사용 대역폭의 광대역화가 필요해지고 있으며, 이로 인하여 증폭기도 고주파 처리 및 광대역화가 필요하다. 즉, 본 발명에서는 유전체 선로에서의 증폭 기술 뿐만 아니라, 처리 주파수의 대역폭을 높이는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에서는 원래의 설계한 공진점 이외에 또 하나의 공진점을 구현하여 복수개의 공진점을 주변에 배치함으로 인하여 전체적으로 증폭 주파수의 대역폭을 넓힌다. 도4는 외부 공진점을 하나 첨가한 경우의 주파수 특성을 도시한 것이고, 도5는 외부 공진점을 2개 첨가한 경우의 주파수 특성을 도시한 것이다. 도4와 도5에서 보이는 바와 같이, 외부 공진점을 넣되, 각각의 공진점을 넓게 배치함으로써 결과적으로 대역폭이 넓은 회로를 만들 수 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 외부 공진 회로는 유전체 선로의 절단 블록으로 만들 수 있다.
도6은 유전체 선로의 절단 블록을 이용한 공진기의 구성도이다. 도6과 같은 유전체 블록을 이용하면 다단 공진기를 만들 수 있다. 도6에 도시된 기본적인 구조에서 lj와 dj를 설계 인자로 하여 복수개의 공진 회로를 설계 제작할 수 있다. 도6의 공진 회로를 등가 회로로 변환하여 해석하면 설계 공식을 유도할 수 있고, 설계 공식을 이용하면 유전체 블록을 이용하여 복수개의 공진 회로를 설계 제작할 수 있다.
도6에 도시된 기본적인 구조에서 l1, d1, l2 등을 구하기 위하여, 도6에 도시된 공진 회로를 도7에 도시된 바와 같은 등가 회로로 변환하여 해석한다.
도7은 도6에 도시된 공진 회로의 등가 회로도이다. 도7에서 대칭 T형 회로는 감쇠영역을 나타내고, 선로의 특성 임피던스, xpj, xsj(j=1∼n+1)는 감쇠영역의 직렬 Arm, 병렬 Arm의 임피던스로 감쇠영역 길이 lj의 함수로 나타낸다.
이 T형 회로의 부분을 도8과 같은 임피던스 인버터 회로로 바꾸면, 도7과 같은 회로가 도9와 같이 나타낼 수가 있다. 여기에서 dj(j=1∼n)는 이것을 삽입한 양쪽 임피던스의 xpj, xsj, xpj+1, xsj+1로 선로의 위상정수 β로 표현된다. 따라서, 도7에서 다음의 수학식 4와 수학식 5와 같은 설계 공식에 의하여 공진 회로를 설계할 수 있다.
도10은 Gunn 다이오드 증폭기와 1개의 외부 유전체 공진 회로를 이용하여 설계한 광대역 증폭 회로의 구성도와 그 주파수 특성이다. 도10을 보면, Gunn 다이오드만으로 제작된 증폭기에서는 통과 대역폭이 약 300MHz정도였으나, 외부 공진 회로를 첨가한 후 약 750MHz 정도로 넓어진 것을 알 수 있다.
이하에서는 상기에서 설명한 비방사 유전체 선로(또는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로)에서의 Gunn 다이오드 증폭기를 이용한 무선 중계기를 상세하게 설명한다.
도11은 비방사 유전체 선로(또는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로)에서의 Gunn 다이오드 증폭기를 이용한 무선중계기의 구조도이다. 도11에서 보이는 바와 같이, 비방사 유전체 선로(또는 다층 스페이스 비방사 유전체 선로)에서의 Gunn 다이오드 증폭기를 이용한 무선중계기의 경우, 입력파가 바로 Gunn 다이오드에서 증폭되어 서큘레이터에서 분리되어 출력되므로 저전력으로 증폭 효율을 높이는 고효율 고주파 증폭 무선중계기를 만들 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의한 무선중계기는 기존의 무선중계기와는 달리, 수신파를 Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용하여 그대로 증폭함으로써 복조, 변조, 수신, 송신의 과정이 필요없어서 회로가 간단하고 제작이 용이할 뿐만 아니라, 소형으로 효율이 높은 무선중계기를 만들 수 있다.
도11에 도시된 바와 같은 무선중계기에서 입사되는 저레벨의 입력파는 서큘레이터를 통하여 Gunn 다이오드로 들어가게 되고, Gunn 다이오드에서 증폭된 신호는 서큘레이터를 통하여 회전하는 관계로 120도씩 방향성을 가지는 각도로 구성된다. 한편, 무선중계기가 설치되는 곳은 건물의 옥상이나 산의 정상에서 원하는 임의의 방향으로 신호를 증폭하여 출력하여야 하므로, 도11에 도시된 바와 같이, 입력과 출력을 항상 120도 각도를 유지하여야 하는 경우, 원하는 방향으로 출력 신호를 보낼 수가 없게 되어 밀리파와 같이 지향성이 높은 주파수에는 사용할 수가 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 신호가 입력, 출력되는 유전체 선로에 무손실 밴드를 넣어서 신호의 손실이 없으면서도 방향을 임의로 바꿀 수 있는 무선중계기를 제시한다.
도12는 방향을 임의로 바꾸기 위하여 입출력 유전체 선로에 무손실 밴드를 삽입한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도이다. 도12에서 보이는 바와 같이, 서큘레이터를 통하여 입력되는 유전체 선로와 안테나 사이에 무손실 밴드를 삽입하여 입력되는 선로의 방향을 지그와 직각으로 하였으며, 출력측에도 출력 선로와 안테나 사이에 무손실 밴드를 삽입하여 출력 안테나가 지그와 직각이 되도록 하였다.
도13은 지향성을 예리하게 함과 동시에 이득을 높인 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도이다. 도13에서 무선중계기에서는 유전체 안테나보다 이득을 높이기 위하여, 유전체 안테나를 대신하여 유전체 안테나와 혼 안테나를 연결한 안테나를 사용한다.
또한, 임의의 방향으로 신호를 보내고 받기 위하여 여러 각도의 밴드를 제작하고, 이 밴드들을 조합하여 송수신 신호의 방향을 임의로 바꿀 수도 있다. 도14는 입출력방향이 270도인 무손실 밴드를 이용한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도이다.
또한, 하나의 증폭기로는 증폭도가 낮은 경우에 복수개의 증폭기를 이용하여 증폭도를 높여 출력할 수 있다. 예를 들면, 수신된 신호의 레벨이 -80dbm일 경우 증폭기 하나의 이득이 최대 30db인 증폭기를 3개를 연속으로 연결하면 90db의 이득을 가지는 증폭기를 제작할 수 있다. 최종적으로 -80dbm으로 입력된 신호는 90db 증폭되어 +10dbm의 신호 레벨이 되고 이것을 안테나를 통하여 다시 출력하면 고출력의 무선중계기가 된다. 도15는 무손실 밴드와 복수개의 증폭기를 사용한 본 발명에 의한 무선중계기의 구성도이다.
또한, 최종 출력을 증폭하는 부분에서는 전력 증폭을 해야 하므로 Gunn 다이오드 특성상 고출력이 나오지 않을 경우가 발생할 수 있다. 이 때에는 복수개의 Gunn 다이오드를 병렬로 연결하면 고출력회로에 대응할 수 있다.
본 발명에서는 종래의 복잡한 구조의 무선중계기를 대신하여, 동일한 주파수를 받아서 그 주파수를 그대로 증폭하여, 증폭된 신호를 원하는 방향으로 재송신할 수 있는 비방사 유전체 선로상의 무선중계기 및 다층 스페이스 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기를 제공한다. 본 발명에 의한 무선중계기의 내부 회로는 단순히 Gunn 다이오드를 이용한 증폭기 구조로 되어 있으므로 회로가 간단하여 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 유전체 밴드를 넣어서 수신 및 송신 방향을 임의로 바꿀 수 있는 장점이 있다. 본 발명에 의한 무선중계기를 이용하면 저소비전력의 소형 무선중계기를 제작할 수 있고, 본 발명에 의한 무선중계기는 실내 밀리파 LAN 용 방향성 중계기에도 적용할 수 있다.

Claims (5)

  1. Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용한 반사형 부성 저항 증폭기를 유전체 선로의 일측에 적용하여, 입력 신호가 입력 단자 유전체 선로를 통하여 입력되어 서큘레이터를 통하여 회전하여 Gunn 다이오드로 들어가고, Gunn 다이오드에서 증폭되어진 반사파가 서큘레이터에서 회전하여 출력 단자 유전체 선로로 나오는 것을 특징으로 하는 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Gunn 다이오드와 유전체 선로와의 연결은 스트립 공진기로 하여, 스트립 공진기의 금속 부분의 길이가 사용 주파수를 결정하게 하는 것임을 특징으로 하는 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기.
  3. 제1항에 있어서, 유전체 선로 절단 블록을 이용하여 무선중계기의 공진점 이외에 복수개의 공진점을 설계하는 것임을 특징으로 하는 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유전체 선로에 무손실 밴드를 넣어서 입력 신호의 방향과 출력 신호의 방향을 조절하는 것임을 특징으로 하는 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Gunn 다이오드의 부성 저항 특성을 이용한 반사형 부성 저항 증폭기를 복수개로 직렬로 연결하여 증폭도를 높인 것을 특징으로 하는 비방사 유전체 선로를 이용한 무선중계기.
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