KR20010062275A - 비가역 회로장치 및 이를 사용하는 통신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정의 주파수 대역에서 큰 감쇠량을 제공하는 소형으로 저가의 비가역 회로장치 및 이를 사용하는 통신장치를 제공한다.

중심도체의 제 1 포트부와 접지 사이에 인덕터와 커패시터가 서로 직렬 접속된 직렬 공진 회로가 접속되고, 다른 중심도체들의 제 2 및 제 3 포트부와 접지 사이에 커패시터들이 접속되며, 제 3 포트부에 종단 저항이 접속된다.

Description

비가역 회로장치 및 이를 사용하는 통신장치{Nonreciprocal Circuit Device and Communication Device Using Same}

본 발명은 비가역 회로장치 및 통신장치에 관한 것이다. 보다 상세히하면, 본 발명은 마이크로파 대역 등의 고주파 대역에서 사용하는, 예를 들어 아이솔레이터(isolator), 서큘레이터(circulator) 등의 비가역 회로장치 및 이를 사용하는 통신장치에 관한 것이다.

집중 정수형 아이솔레이터와 집중 정수형 서큘레이터 등의 비가역 회로장치는, 신호의 전송 방향에 대해서 감쇠량이 매우 작고, 역방향에 대해서 감쇠량이 매우 큰 특성을 이용하는 휴대전화 등의 통신장치에 사용된다.

도 8의 등가 회로에 나타난 바와 같이, 집중 정수형 아이솔레이터는 일반적으로 자성체(페라이트)에 서로 교차하도록 배치된 3개의 중심도체(L), 각 중심도체(L)의 각 포트(port) (P1, P2, P3)와 접지와의 사이에서 접속되는 정합 커패시터(Co), 및 1개의 포트(P3)에 접속되는 종단저항(R)을 포함하고 있으며, 자성체 및 각 중심도체에 직류 자계(Hex)가 인가된다. 도 8에서는, 자성체를 파선으로 나타내고 있다.

일반적인 통신장치에서, 회로에 사용되는 증폭기에는 필연적으로 약간의 왜곡(distortion)이 발생하여, 기본파의 제 2 고조 성분(second harmonic component)과 제 3 고조 성분 등의 스퓨리어스 방사(spurious radiations)의 원인이 된다. 기준과 규격이 마련되어, 스퓨리어스 방사가 특정 수준 이하를 유지하도록 지시된다. 스퓨리어스 방사는 직선성(linearity)이 양호한 증폭기에 의해 방지될 수 있지만, 이러한 증폭기는 상당히 고가이다. 불필요한 주파수 성분을 감쇠시키도록, 필터 등을 제공하는 것이 일반적인 대안 방법이다. 그러나, 이러한 필터의 사용으로, 통신장치의 비용 상승 및 대형화, 또한 손실을 초래한다.

더욱이, 통신장치에서는, 증폭기의 안정한 작동 및 보호를 위해 회로에 아이솔레이터와 서큘레이터가 사용된다. 특히, 집중 정수형 아이솔레이터와 집중 정수형 서큘레이터는 전방(forward) 방향으로 대역 통과 필터의 특성을 나타내고, 통과대역으로부터 떨어진 주파수 대역에서 전방 방향으로도 신호를 감쇠시키는 특성을 가지고 있다. 그러나, 도 8에 도시된 기본적인 구성을 가지고 있는 종래의 비가역 회로장치는 불필요한 주파수 대역 내에서 충분한 감쇠량을 제공하지 못했다.

일본 공개공보 제 10-93308호 및 제 10-79607호는, 각각 스퓨리어스 방사의 주파수 대역에서, 특히 기본파의 제 2 고조 성분과 제 3 고조 성분에서 큰 감쇠량을 제공하는 비가역 회로장치를 기재하고 있다. 이 비가역 회로장치에서는, 도 8에 나타낸 구성에 부가하여, 입력 포트 또는 출력 포트에 인덕터가 제공되고, 외부에 커패시터가 접속되며, 이에 의해 저역 통과 필터를 구성한다. 따라서, 불필요한 주파수 대역의 성분들은 스퓨리어스 방사를 저하시키도록 감쇠되므로, 개별의 커패시터를 외부에 제공하는 구성과 비교하여 전체적으로 보다 소형의 통신장치를 구성할 수 있다.

그러나, 일본 공개공보 제 10-93308호 및 제 10-79607호에 기재된 비가역 회로장치에서는, 저역 통과 필터의 구성에 1개의 인덕터와 1개 또는 2개의 커패시터를 필요로 하고, 이에 의해 부품의 수가 증가하며 인덕턴스 값과 커패시턴스 값의 설정이 어려우며, 아울러 소형화, 저가격화도 어렵다. 즉, 별개의 커패시터를 부가하는 것은 부품 수를 증가시켜 가격을 상승시킨다. 한편, 실장 기판과 정합 커패시터를 이용하는 것은 각 부품의 특성 값에 대해서 제약을 수반하므로, 설계에 어려움이 따른다. 아울러, 정합 커패시터에 평행하게 제공된 필터링 목적의 커패시터는 대형화를 초래한다. 부가하여, 저역 통과 필터의 구성에 비교적 큰 인덕턴스 값을 가지고 있는 인덕터를 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 특정의 주파수 대역에서 큰 감쇠량을 제공하는 소형으로 저가의 비가역 회로장치 및 이를 사용하는 통신장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 아이솔레이터의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 아이솔레이터로부터 상부 요크가 제거된 상태에서의 상부 평면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 아이솔레이터의 등가 회로도이다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 아이솔레이터와 종래 아이솔레이터의 감쇠량-주파수의 특성을 도시하는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 아이솔레이터의 등가 회로도이다.

도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 아이솔레이터와 종래 아이솔레이터의 감쇠량-주파수의 특성을 도시하는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 통신장치의 블록 선도이다.

도 8은 종래 아이솔레이터의 등가 회로도이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

2 ... 상부 요크 3 ... 영구자석

5 ... 자성 조립체 7 ... 수지 케이스

8 ... 하부 요크 51∼53 ... 중심도체

55 ... 자성체 71, 72 ... 입출력 단자

73 ... 접지 단자 C1∼C3 ... 커패시터

L1, L2 ... 인덕터 R ... 종단 저항

P2∼P3 ... 포트부

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 비가역 회로장치는, 직류 자계가 인가되고, 상호 교차하도록 배치된 복수개의 중심도체를 가지고 있는 자성체; 및 상기 복수개의 중심도체들 중의 한 중심도체의 입력 포트 또는 출력 포트로서 사용되는 포트부와 접지 사이에서 접속되고, 비가역 회로장치의 작동 주파수보다 높은 공진 주파수를 가지고 있으며, 인덕터와 커패시터로 구성되는 직렬 공진회로를 포함하고 있다. 보다 상세히하면, 종래의 정합 커패시터에 인덕터를 직렬로 접속시켜, 입력 포트 또는 출력 포트로서 사용되는 1개의 중심도체의 포트부에 직렬 공진 회로를 형성한다. 직렬 공진 회로를 입력 포트 또는 출력 포트의 한쪽에, 또는 입력 포트와 출력 포트 양쪽에 접속시키는 것은, 원하는 형상(크기), 감쇠량 등에 따라서 결정된다.

상술한 구성에서, 인덕터와 커패시터로 구성되는 직렬 공진 회로는 비가역 회로장치의 작동 주파수보다 높은 고역측에서 극(pole)을 가지고 있는 트랩(trap)을 형성하여, 이 트랩은 작동 주파수보다 높은 고주파 대역에서 큰 감쇠량을 제공하고, 기본파(작동 중심 주파수)의 제 2 고조 성분과 제 3 고조 성분의 불필요한 방사를 감쇠시킨다.

따라서, 직렬 공진 회로가 정합 회로와 대역 소거 필터(band stop filter)의 기능을 겸용함으로써, 불필요한 방사를 방지하는 개별 필터, 필터의 구성 부품, LC 직렬 공진 회로 등을 외부에 제공할 필요가 없다. 따라서, 부품의 수를 줄일 수 있고, 비가역 회로장치 및 통신장치의 소형화 및 저가격화를 도모할 수 있다.

또한, 이러한 구성에 따르면, 일본 공개공보 제 10-93308호에 기재된 저역 통과 필터의 인덕턴스 값과 커패시턴스 값과 비교해서, 인덕턴스 값과 커패시턴스 값을 저하시킬 수 있고, 비가역 회로장치를 보다 소형화시키는 것이 가능하다.

일반적으로, 비가역 회로장치에서, 제 2 고조 성분의 감쇠량이 제 3 고조 성분의 감쇠량보다 작고, 따라서, 직렬 공진 회로의 공진 주파수가 제 2 고조 성분의 주파수 근방으로 설정될 때에, 불필요한 방사가 가장 효과적으로 억제된다. 이 공진 주파수는 기본파의 주파수와 제 3 고조 성분의 주파수 사이에 있는 것이 바람직하다.

직렬 공진 회로를 구성하는 인덕터를 중심도체와 일체로 형성함으로써, 부품의 수를 증가시키지 않고 직렬 공진 회로를 형성할 수 있고, 부가하여 저가격화가 가능하다.

본 발명의 통신장치는 상술한 특성을 가지고 있는 비가역 회로장치를 포함하고 있다. 따라서, 바람직한 특성을 제공하는 소형으로 저가의 통신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 아이솔레이터의 구성을 도 1 내지 도 3을 참조하여 기술할 것이다. 도 1은 아이솔레이터의 분해 사시도이고, 도 2는 아이솔레이터로부터 상부 요크가 제거된 상태에서의 상부 평면도이며, 도 3은 아이솔레이터의 등가 회로도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 아이솔레이터는 자성 금속으로 형성된 상자 형상의 상부 요크(2), 이 상부 요크(2)의 내면에 배치된 디스크 형상의 영구자석(3), 상부 요크와 유사한 자성 금속으로 형성된 대략 U자 형상의 하부 요크(8), 하부 요크(8)의 바닥면(8a)에 배치된 수지 케이스(7), 영구자석(3)에 의해 직류 자계가 인가되는 자성 조립체(5), 정합 커패시터(C1, C2, C3), 및 종단 저항(R)을 포함하고 있으며, 상부 요크(2)와 하부 요크(8)는 자기 폐회로를 구성한다.

자성 조립체(5)는 디스크 형상의 자성체(55) 및 3개의 중심도체(51, 52, 53)를 가지고 있다. 3개의 중심도체(51, 52, 53)의 공통 접지부는 자성체(55)의 바닥면과 접해 있다. 또한, 자성체(55)의 상면에는, 중심도체(51∼53)가 절연 시트(도시되지 않음)를 사이에 두고 서로에 대해서 120。의 각도를 형성하도록 구부러져서 배치되어 있다. 중심도체(51∼53)의 선단측(forward end side)의 포트부(P1, P2, P3)는 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 중심도체(51∼53)는, 예를 들어, 구리 등으로 형성된 금속 도체 시트를 펀칭(punching) 가공하여 형성되고, 공통 접지단으로서 원형의 접지부를 가지고 있으며, 이 접지부로부터 서로들간에 소정의 각도 간격(120。 간격)으로 바깥쪽으로 돌출되어 있다.

아이솔레이터에서, 중심도체(51)의 선단부는 꼬불꼬불한 형상으로 협소하게 형성되고, 특정한 인덕턴스 값을 가지고 있는 인덕터(L1)는 중심도체(51)의 포트부(P1)와 일체로 형성된다.

수지 케이스(7)는 전기적 절연성 재료로 형성된다. 수지 케이스의 바닥벽(7b)은 직사각-프레임(rectangular-frame) 형상의 측벽(7a)과 일체로 형성되고, 입출력 단자(71, 72) 및 접지 단자(73)는 수지 케이스 내에 부분적으로 내장되도록 형성된다. 바닥벽(7b)의 대략 중앙부에는 관통홀(through hole) (7c)이 형성되고, 관통홀(7c)에는 자성 조립체(5)가 삽입된다. 이 자성 조립체(5)의 바닥면의 중심도체(51, 52, 53)의 접지부는, 예를 들어 솔더링(soldering)에 의해 하부 요크(8)의 바닥면(8a)에 접속된다. 입출력 단자(71, 72) 및 접지 단자(73) 각각의 한 단부는 바닥벽(7b)의 상면에 노출되고, 이들 각각의 다른 단부는 바닥벽(7b)의 바닥면 및 측벽(7a)의 외면에 노출된다.

관통홀(7c)의 주위 가장자리에는, 칩형 정합 커패시터(C1, C2, C3) 및 칩형 종단 저항(R)이 배치되어 있다. 중심도체(51, 52)의 포트부(P1, P2)는 입출력 단자(71, 72)에 접속되어 있다. 커패시터(C1, C2, C3)의 하부 전극 및 종단 저항(R)의 한 측면 상의 전극은 접지 단자 전극(73)에 각각 접속된다. 커패시터(C1)의 상부 전극은 중심도체(51)의 포트부(P1) 상에 형성된 인덕터(L1)의 선단부에 접속된다. 커패시터(C1, C2)의 상부 전극은 중심도체(52, 53)의 포트부(P2, P3)에 접속되고, 종단 저항(R)의 다른 단은 포트부(P3)에 접속된다.

따라서, 이 아이솔레이터에서, 도 3의 등가 회로도에 도시된 바와 같이, 중심도체(51)의 포트부(P1)와 접지 사이에, 인덕터(L1)와 커패시터(C1)를 직렬 접속시킨 직렬 공진 회로가 접속되고, 포트부(P2, P3)와 접지 사이에 커패시터(C2, C3)가 접속되며, 포트부(P3)에 종단 저항(R)이 접속되어 있다. 도 3에서는, 자성체를 파선으로 나타내고, 직류 자계를 Hex로 나타내며, 중심도체(51∼53)를 등가(equivalent) 인덕터(L)로 나타내고, 그 외의 부호는 도 1 및 도 2에 사용된 부호에 대응한다.

인덕터(L1)와 커패시터(C1)로 구성된 직렬 공진 회로는 트랩으로서의 기능이 있고, 기본파의 제 2 고조 성분과 제 3 고조 성분의 불필요한 방사를 억제한다. 인덕터(L1)의 인덕턴스와 커패시터(C1)의 커패시턴스는, 공진 주파수가 아이솔레이터의 작동 주파수보다 높도록 설정된다. 일반적으로, 제 2 고조 성분의 감쇠량은 제 3 고조 성분보다 작다. 그러므로, 제 2 고조 성분을 위한 큰 감쇠량을 제공하기 위해서, 공진 주파수는 통과대역 폭과 절연 특성을 포함하는 다른 특성들을 고려하여, 기본파의 주파수와 제 3 고조 성분의 주파수 사이의 범위 내로 설정된다.

본 실시형태의 이점은 하기에서 기술한다. 도 4는 본 실시형태(도 3의 구성)에 따른 아이솔레이터와 종래(도 8의 기본 구성) 아이솔레이터에서 전송 방향에 대한 감쇠 특성을 도시한다. 도 4에서, 실선은 본 실시형태의 특성을 나타내고, 파선은 종래 아이솔레이터의 특성을 나타낸다. 전체 치수는 실질적으로 폭 7.0㎜, 깊이 7.0㎜, 높이 2.0㎜이고, 기본파의 주파수(작동 중심 주파수)는 900㎒로 설정되고, 인덕터(L1)의 인덕턴스는, 예를 들어 대략 1.1nH로 설정되고, 커패시터(C1)의 커패시턴스는 대략 6.7pF로 설정된다. 따라서, 직렬 공진 회로의 공진 주파수는 대략 1.9㎓ 이다. 종래 아이솔레이터의 커패시터(C2)의 커패시턴스와 커패시터(C0)의 커패시턴스는 대략 9.0pF 이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 직렬 공진 회로의 공진 주파수에 감쇠극이 형성되고, 기본파의 주파수보다 높은 고역측 범위에서의 감쇠가 종래 아이솔레이터와 비교하여 높다. 보다 상세히하면, 종래 아이솔레이터에서는, 제 2 고조 성분의 감쇠량은 대략 19㏈ 이고, 제 3 고조 성분의 감쇠량은 대략 28㏈ 이다. 반면에, 본 실시형태에서는, 제 2 고조 성분의 감쇠량은 대략 30㏈ 이고, 제 3 고조 성분의 감쇠량은 대략 39㏈로, 2개의 고조 성분 모두가 대략 11㏈의 향상을 이루었다.

도 5는 제 2 실시형태에 따른 비가역 회로장치를 도시한다. 상술한 제 1 실시형태에서는, 인덕터와 커패시터로 구성된 직렬 공진 회로가 아이솔레이터의 입력 포트 또는 출력 포트의 한쪽에, 또는 입력 포트와 출력 포트 양쪽에 접속되지만;반면에, 도 5에 도시된 아이솔레이터에서는, 인덕터(L1)와 커패시터(C1)로 구성된 직렬 공진 회로가 입력 포트부(P1)와 접지 사이에서 접속되고, 인덕터(L2)와 커패시터(C2)로 구성된 직렬 공진 회로가 입력 포트부(P2)와 접지 사이에서 접속된다. 이 2개의 직렬 공진 회로의 공진 주파수는 아이솔레이터의 작동 주파수보다 높게 설정된다.

본 실시형태의 이점은 하기에서 기술한다. 도 6은 본 실시형태(도 5의 구성)에 따른 아이솔레이터와 종래(도 8의 기본 구성) 아이솔레이터에서 전송 방향에 대한 감쇠 특성을 도시한다. 인덕터(L1, L2)의 인덕턴스는 대략 1.1nH로 설정되고, 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스는 대략 6.7pF로 설정되며, 그 외의 값은 상기 제 1 실시형태와 동일하게 설정된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 기본파의 주파수보다 높은 고역측 범위에서의 감쇠량은 상기 제 1 실시형태에서의 감쇠량보다도 크다. 보다 상세히하면, 종래 아이솔레이터에서의 감솨량과 비교하여, 제 2 고조 성분의 감쇠량은 대략 33㏈ 이고, 제 3 고조 성분의 감쇠량은 대략 50㏈로, 대략 14㏈과 22㏈의 향상을 이루었다. 입력 포트와 출력 포트 모두에 직렬 공진 회로를 접속시킴으로써, 작동 주파수보다 높은 고주파 대역에서의 감쇠량이 보다 증가한다.

도 6의 설정에서, 입력 포트와 출력 포트에는 동일한 값의 인덕턴스와 커패시턴스를 가지고 있는 인덕터와 커패시터가 사용된다. 대안으로, 직렬 공진 회로의 공진 주파수가 서로 다르도록, 다른 값의 인덕턴스와 커패시턴스를 가지고 있는 인덕터와 커패시터를 사용하여도 된다. 이 경우에, 2개의 감쇠극은 작동 주파수보다높은 고역측 범위에서 형성되어, 필요에 따라 다양한 감쇠 특성을 제공한다.

상술한 실시형태에서, 본 발명은 종단 저항(R)을 포트부(P3)에 접속시키지 않은 서큘레이터에도 적용될 수 있다.

상술한 실시형태에서, 직렬 공진 회로를 구성하는 인덕터(L1)는 중심도체(51∼53)와 동일한 재료로 일체적으로 형성된다. 그러나, 여기에는 제한이 없고, 칩 인덕터와 솔레노이드 코일(solenoid coil) 등의 다양한 형태의 인덕터 소자를 사용하여도 되고, 인덕터는 유전체 기판의 표면 또는 내부에 전극 패턴을 제작하도록 형성되어도 된다. 특히, 구성 부품을 안정하게 지지하는데에 스페이서(spacer)를 사용하는 구조에서, 인덕터가 스페이서 표면에 또는 내부에 형성되는 경우에 부품의 수를 증가시키지 않고 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다.

비가역 회로장치의 구조는 제 1 실시형태로만 제한되지 않고, 중심도체가 유전체 또는 자성체의 표면 또는 내부에서 전극막으로 형성되는 구조이어도 된다. 이 경우에 적층 기판의 표면 또는 내부에 인덕터를 형성하더라도, 부품 수를 증가시킬 필요가 없다.

도 7은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 통신장치의 구성을 도시한다. 이 통신장치에서, 안테나(ANT)는 송신 필터(TX) 및 수신 필터(RX)를 가지고 있는 듀플렉서(DPX)의 안테나 단자에 접속되고, 아이솔레이터(ISO)는 송신 필터(TX)의 입력단과 송신 회로와의 사이에 접속되며, 수신 회로는 수신 필터(RX)의 출력단에 접속된다. 송신 회로로부터의 송신 신호는 아이솔레이터(ISO)와 송신 필터(TX)를 통해서 안테나(ANT)에 전송된다. 안테나(ANT)에 의해 수신된 수신 신호는 수신 필터(RX)를통해서 수신 회로에 공급된다.

상술한 실시형태의 아이솔레이터를 아이솔레이터(ISO)로서 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 비가역 회로장치를 사용함으로써 바람직한 특성을 제공하는 저가의 통신장치를 얻게 된다.

이제까지 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 인덕터와 커패시터로 구성되는 직렬 공진 회로는 비가역 회로장치의 작동 주파수보다 높은 고역측에서 극을 가지고 있는 트랩을 형성하여, 이 트랩은 작동 주파수보다 높은 고주파 대역에서 큰 감쇠량을 제공하고, 기본파(작동 중심 주파수)의 제 2 고조 성분과 제 3 고조 성분의 불필요한 방사를 감쇠시킨다.

따라서, 직렬 공진 회로가 정합 회로와 대역 소거 필터의 기능을 겸용함으로써, 불필요한 방사를 방지하는 개별 필터, 필터의 구성 부품, LC 직렬 공진 회로 등을 외부에 제공할 필요가 없다. 따라서, 부품의 수를 줄일 수 있고, 비가역 회로장치 및 통신장치의 소형화 및 저가격화를 도모할 수 있다.

또한, 직렬 공진 회로를 구성하는 인덕터를 중심도체와 일체로 형성함으로써, 부품의 수를 증가시키지 않고 직렬 공진 회로를 형성할 수 있고, 부가하여 저가격화가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 비가역 회로장치를 포함하는 통신 장치를 제공함으로써, 바람직한 특성을 제공하는 소형으로 저가의 통신장치를 얻는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. 직류 자계가 인가되고, 상호 교차하도록 배치된 복수개의 중심도체를 가지고 있는 자성 유닛(magnetic unit); 및

   상기 복수개의 중심도체들 중의 한 중심도체의 입력 포트 또는 출력 포트로서 사용되는 포트부와 접지 사이에서 접속되고, 비가역 회로장치의 작동 주파수보다 높은 공진 주파수를 가지고 있으며, 인덕터와 커패시터로 구성되는 직렬 공진 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 비가역 회로장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수가 상기 비가역 회로장치의 작동 주파수의 제 3 고조 성분의 주파수보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 비가역 회로장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 직렬 공진 회로를 구성하는 상기 인덕터는 상기 복수개의 중심도체와 동일한 재료로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 비가역 회로장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 기재된 비가역 회로장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 통신장치.