KR20020049390A - 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을갖는 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주전송선로와 커플링선로(및 50옴라인)의 직경/구조를 상호 불균형적으로 설계 제작함으로써 결합기의 길이축소 뿐만 아니라 결합기 성능(지향성, 반사손실 등)의 향상을 도모할 수 있는 방향성 결합기에 관한 것이다.

본 발명은 전자파를 입사시키기 위한 입력포트, 입사된 전자파를 전달시키는 주전송선로, 주전송선로를 통한 통과전력을 출력하는 출력포트, 주전송선로와 결합되고 입사 전자파에 대한 소정의 전력을 분기하기 위한 커플링선로, 커플링선로에 연결되어 결합전력을 출력하기 위한 결합포트, 및 커플링선로의 타측과 연결되는 격리포트를 포함하는 방향성 결합기에 있어서, 주전송선로와 커플링선로의 결합영역을 동작주파수대역에 대한 λ/4 보다 작은 길이로 구현하며; 결합기의 성능 저하를 보상하기 위하여, 커플링선로의 단면규모(직경)와 주전송선로의 단면규모(직경)는 상호 불균형적으로 설계하는 것을 특징으로 한다.

Description

불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기{Directional coupler having reduced-length and improved-directivity by unbalanced coupled-transmission-line structure}

본 발명은 방향성 결합기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주전송선로와 커플링선로(및 50옴라인)의 직경/구조를 상호 불균형적으로 설계 제작함으로써 결합기의 길이축소 뿐만 아니라 지향성 및 반사손실의 향상을 도모할 수 있는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기에 관한 것이다.

일반적으로 무선통신 네트워크 또는 시스템에서 사용되는 방향성 결합기는 마이크로 고주파 신호를 분리하거나 결합하는 특성을 갖는 소자로서, 혼합기(Mixer)내에서 고주파(RF) Power의 분기 또는 결합, Source로부터 시스템의 Level 제어를 위한 Power의 샘플링, 회로망 분석기에서 입력신호와 반사신호의 분리, 다수의 부하에 대한 RF Power의 분배 등을 위해 광범위하게 사용되는 소자이다.

이러한 방향성 결합기는 크게 도파관형, 브랜치라인(Branch-Line)형, 결합 전송선로(Coupled-Transmission-Line)형 등으로 분류할 수 있으며, 그 용도에 따라 다양한 형태로 구현되어 사용된다.

특히, 결합 전송선로형 방향성 결합기는 입력포트, 출력포트, 결합포트, 및 격리포트의 4단자 포트와, 상기 입력포트를 통해 입사하는 마이크로 전자파를 상기 출력포트를 통해 통과시키는 주전송선로와, 상기 주전송선로와의 결합 현상을 통해 전자파에 대한 소정의 전력을 분기하고 이를 상기 결합포트를 통해 출력하는 커플링선로로 구성되어 있으며, 이들 주전송선로와 커플링선로의 이격거리 및 그 단면규모(또는 구조)에 의해 결정되는 전자파의 결합계수에 따라 주전송선로와 커플링선로 사이에 일정한 결합량을 갖게 된다.

또한, 이론상으로는 상기 주전송선로와 커플링선로의 결합길이가 λ/4일 경우 최대의 결합이 발생하며, 그 이하로 설정될 경우 결합기 성능(지향성, 아이솔레이션, 반사손실 등)의 전반적인 저하가 나타나게된다.

또한, 지향성, 반사손실, 아이솔레이션 등의 특성을 최대로 얻기 위해서는 결합기의 입,출력단 임피던스를 무선기기 설계자간의 상호 규약에 따른 50Ω임피던스로 정합할 필요가 있다.

따라서, 종래의 방향성 결합기는 원하는 만큼의 결합량을 갖고 입,출력단 임피던스의 정합을 통해 결합기 특성(지향성, 반사손실, 삽입손실, 아이솔레이션 등)의 개선을 도모하기 위하여, 일반적으로 결합 Line의 길이를 λ/4로 설정하고 있으며, 주전송선로와 커플링선로에 대한 상호 이격거리를 조절하거나 그 단면규모(직경, 또는 선로폭, 등)를 동일치수로 하면서 이를 적절하게 조절하고 있다.

하지만, 이와 같은 종래의 방향성 결합기는 λ/4의 결합길이에 따른 크기상의 많은 문제점을 갖고 있으며, 주전송선로와 커플링선로의 직경(또는 선로폭)이 관행적으로 동일하게 설계됨으로써 지향성 및 반사손실 등의 특성이 일정한 한계를 갖게 되는 문제점이 있다.

특히, CDMA 무선통신 장치에 사용되는 800MHz대 10dB(결합량) 방향성 결합기의 경우 λ/4의 결합영역을 갖게 되면, 전송라인의 길이는 대략 87mm정도이며, 여기에 외함, 커넥터 등을 고려하면 방향성 결합기의 전체적인 길이는 대략 10cm이상이 됨으로써, 설치상의 불편함 뿐만 아니라 전반적인 관련장치의 소형화에 제한요인이 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 800MHz대 10dB 방향성 결합기들은, λ/4의 결합영역을 가짐에도 불구하고, 그 지향성이 20~22dB정도로 한계를 갖고, 반사손실 또한 25~30dB정도의 특성을 나타내고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 방향성 결합기의 결합영역을 λ/4 이하( λ/8)로 축소함과 동시에 주전송선로와 결합선로(및 50옴라인)의 단면규모를 상호 불균형적으로 조절하면서 결합영역의 축소에 따른 결합기성능(지향성, 반사손실 등)의 저하를 보상하고 입,출력단 임피던스를 50옴으로 최대 정합시킴으로써, 결합기크기의 축소 뿐만 아니라 높은 지향성 및 기타 성능의 향상을 함께 도모할 수 있는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방향성 결합기를 도시한 분해 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 방향성 결합기의 주선로 및 커플링선로에 대한 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 방향성 결합기의 반사손실 및 삽입손실에 대한 특성도.

도 4는 본 발명에 따른 방향성 결합기의 결합도에 대한 특성도.

도 5는 본 발명에 따른 방향성 결합기의 아이솔레이션에 대한 특성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

103. 입력포트104. 주전송선로

105. 출력포트106. 결합단 50Ω라인

107. 결합포트108. 커플링선로

109. 격리단 50Ω라인110. 격리포트

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기는 전자파를 입사시키기 위한 입력포트, 일단이 상기 입력포트와 연결되고 입사된 전자파를 전달시키는 주전송선로, 상기 주전송선로의 타단에 연결되어 통과 전력을 출력하는 출력포트, 상기 주전송선로와 결합되고 입사 전자파에 대한 소정의 전력을 분기하기 위한 커플링선로, 상기 커플링선로의 일측과 연결되어 결합전력을 출력하기 위한 결합포트, 및상기 커플링선로의 타측과 연결되는 격리포트를 포함하여 이뤄지는 방향성 결합기에 있어서, 상기 주전송선로와 상기 커플링선로의 결합영역이 동작주파수대역에 대한 λ/4 보다 작은 길이로 구현되며; 결합기의 성능저하를 보상하기 위하여, 상기 커플링선로의 단면규모와 상기 주전송선로의 단면규모는 상호 불균형적인 결합구조로 설계되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 방향성 결합기는 일단이 상기 커플링선로의 일측과 연결되고 타단은 상기 결합포트와 연결되며 그 단면규모가 상기 커플링선로와 동일한 결합단 50옴 라인과, 일단이 상기 커플링선로의 타측과 연결되고 타단은 상기 격리포트와 연결되며 그 단면규모가 상기 커플링선로와 동일한 격리단 50옴 라인을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 주전송선로와 상기 커플링선로의 결합영역은 동작주파수대역의 λ/8로 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방향성 결합기가 동작주파수 대역이 800MHz대인 10dB 에어라인형 방향성 결합기일 경우, 상기 주전송선로의 단면 직경이 2.6mm이고, 상기 커플링선로, 상기 결합단 50옴라인, 및 상기 격리단 50옴라인의 단면 직경은 2.5mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 1은 본 발명에 따른 불균형 결합구조를 갖는 방향성 결합기에 대한 일실시예를 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 주전송선로 및 커플링선로의일실시예에 대한 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방향성 결합기는 접지체 역할을 하는 외함덮개(102) 및 외함본체(101)와, 입력포트(103)와, 출력포트(105)와, 일단이 상기 입력포트(103)에 연결되고 타단은 상기 출력포트(105)에 연결되는 주전송선로(104)와, 상기 주전송선로(104)와 평행하게 배치되는 커플링선로(108)와, 결합포트(107)와, 일단이 상기 커플링선로(108)의 일측에 연결되고 타단은 상기 결합포트(107)에 연결되는 결합단 50Ω라인(106)과, 격리포트(110)와, 일단이 상기 커플링선로(108)의 타측에 연결되고 타단은 상기 격리포트(110)에 연결되는 격리단 50Ω라인(109)으로 구성되는 것으로서, 상기 주전송선로(104)와 상기 커플링선로(108)의 결합길이는 동작주파수대역에 대한 λ/4 이하(λ/8)로 구현되며, 길이 축소에 따른 결합기의 특성저하를 보상하기 위하여 상기 커플링선로(108)의 단면규모(직경)와 상기 주전송선로(104)의 단면규모(직경)는 상호 불균형적인 결합구조로 설계된다.

상기 입력포트(103)를 통해 입사되는 마이크로전자파는 상기 주전송선로(104)를 통해 전달되면서, 그 중 소정의 전력(결합량에 따라)은 커플링선로(108)로 분기되고, 그 나머지 전력은 상기 출력포트(105)를 통해 통과된다.

상기 커플링선로(108)로 분기되는 전자파의 대부분은 상기 결합단 50Ω라인(106)을 통해 상기 결합포트(107)로 출력되고 그 일부는 상기 격리단 50Ω라인(109)을 통해 상기 격리포트(110)로 출력되는 것으로서, 결합기의 지향성은 격리포트에 대한 출력포트의 출력비로서 산출된다.

이때, 본 발명은 상기 커플링선로(108)와 주전송선로(104)의 결합길이를 λ/4 이하, 바람직하게는 λ/8로 설정하고, 결합길이의 축소에 따른 결합량, 지향성, 기타 특성의 저하를 커플링선로(108) 및 50옴 라인(106,109)의 단면규모에 대한 실험적 조정을 통해서 보상하게 된다.

또한, 상기 50Ω라인(106,109)은 결합포트(107) 및 격리포트(110)와 상기 커플링선로(108)간에 교각역활을 할 뿐만 아니라 지향성, 반사손실, 아이솔레이션 등의 특성 개선과 임피던스 정합에 있어 중요한 역할을 하는 것으로서, 그 단면규모(직경)를 상기 주전송선로(104)의 단면규모(직경)와 서로 다른값으로 실험적으로 조정함으로써 결합기가 최대의 특성을 나타내게 되는 값으로 설계된다.

특히, 도 1에 도시된 바와 같은 공기 유전체를 사용하는 에어라인형(Air Line Type) 방향성 결합기의 경우, 본 발명에 따른 불균형 결합구조 및 λ/8를 적용함으로써, 종래의 에어라인형 방향성 결합기에 비해, 결합기 전체적 길이의 대폭적인 축소 뿐만 아니라 지향성 및 반사손실 등에 있어 오히려 그 성능의 향상을 얻을 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 상기 주전송선로(104)와 상기 커플링선로(108)의 결합영역 길이(ℓ)를 일반적인 λ/4에 비해 그 절반인 λ/8로 설정함으로써, 방향성 결합기의 전체적인 길이축소를 도모한다.

그리고, 방향성 결합기가 원하는 결합량을 갖도록, 선로간의 이격거리(S)와 주전송선로(104), 커플링선로(108), 및 50Ω라인(106,109)의 단면직경을 대략적인 길이(d)로 일단 설계한다.

그리고, 상기 커플링선로(108) 및 50Ω라인(106,109)의 단면직경을 상기 주전송선로(104)의 직경(d)과 다른 길이(C)로 실험적으로 조절하면서, 입,출력단의 임피던스정합과 최대의 지향성 및 기타 특성들을 갖도록 그 단면직경(C)를 설계하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 방향성 결합기에 대한 보다 구체적인 실시예로서, 동작주파수 대역이 800MHz대인 CDMA시스템에 사용되는 10dB 결합량의 방향성 결합기의 경우, λ/8를 적용하여 결합영역의 길이를 44mm정도로 설계하고, 상기 주전송선로(104)의 단면직경(d)은 2.6mm, 상기 커플링선로(108) 및 50Ω라인(106,109)의 단면직경(C)은 2.5mm로 설계함으로써, 결합기의 전체적인 길이축소와 함께 그 특성(지향성, 반사손실, 아이솔레이션 등)들의 개선을 도모할 수 있다. 또한, 상기 이격거리(S)는 대략 3.1~3.3mm정도, 바람직하게는 3.13mm로 설계한다.

도 3 내지 도 5은 본 발명에 따른 불균형 결합구조를 갖는 방향성 결합기가 상기된 바와 같은 결합구조로 설계될 경우, 이에 따른 결합기의 각 특성들을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 800MHz대(중심주파수 860MHz)에서 동작하는 10dB 방향성 결합기의 반사손실 및 삽입손실에 대한 특성도로서, CH1은 반사손실에 대한 특성을 나타내며, CH2는 삽입손실에 대한 특성을 보여준다. 도 3에서, 반사손실은 약 45dB 정도이며, 삽입손실은 0.5dB 이하임을 알 수 있다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 800MHz대(중심주파수 860MHz)에서 동작하는 10dB 방향성 결합기의 결합도에 대한 특성도로서, CH1은 반사손실에 대한 특성이고, CH2는 결합도에 대한 특성이다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 800MHz대(중심주파수 860MHz)에서 동작하는 10dB 방향성 결합기의 아이솔레이션(Isolation)에 대한 특성도로서, CH1은 반사손실에 대한 특성이고, CH2는 아이솔레이션에 대한 특성이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이이솔레이션은 약 39dB 정도로 향상되어지는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방향성 결합기의 지향성 특성은 아이솔레이션(약 39dB)- 결합도(10dB)로부터 약 29dB정도로 되어, 종래의 방향성 결합기(20~22dB)에 비해 약 7~8dB가량 향상됨을 알수 있다.

한편, 본 발명에 따른 결합기의 전송선로는 상기와 같은 도체봉 형태 뿐만 아니라 그 사용 용도 또는 필요에 따라 스트립선로 등으로 용이하게 구현할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 방향성 결합기의 결합영역을 일반적인 λ/4에 비해 그 이하 또는 절반(λ/8)로 구현함으로써, 결합기의 전체적인 규모의 축소와 그에 따른 설치상의 용이성 및 관련장치의 소형화 등을 도모할 수 있다.

또한, 결합전송선로의 직경/구조 등을 설계함에 있어 커플링선로 및 50옴라인을 주전송선로와 불균형적으로 조정함으로써, 결합영역을 λ/4 이하로 함에도 불구하고 오히려 종래의 방향성 결합기에 비해 향상된 지향성, 반사손실, 아이솔레이션 등을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 전자파를 입사시키기 위한 입력포트, 일단이 상기 입력포트와 연결되고 입사된 전자파를 전달시키는 주전송선로, 상기 주전송선로의 타단에 연결되어 통과 전력을 출력하는 출력포트, 상기 주전송선로와 커플링되고 입사 전자파에 대한 소정의 전력을 분기하기 위한 커플링선로, 상기 커플링선로의 일측과 연결되어 결합전력을 출력하기 위한 결합포트, 및 상기 커플링선로의 타측과 연결되는 격리포트를 포함하는 방향성 결합기에 있어서,

   상기 주전송선로와 상기 커플링선로의 결합영역이 동작주파수대역에 대한 λ/4 보다 작은 길이로 구현되며;

   결합기의 성능저하를 보상하기 위하여, 상기 커플링선로의 단면규모와 상기 주전송선로의 단면규모는 상호 불균형적인 결합구조로 설계되는 것을 특징으로 하는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.
2. 제 1항에 있어서, 일단이 상기 커플링선로의 일측과 연결되고 타단은 상기 결합포트와 연결되며 그 단면규모가 상기 커플링선로와 동일한 결합단 50옴라인과, 일단이 상기 커플링선로의 타측과 연결되고 타단은 상기 격리포트와 연결되며 그 단면규모가 상기 커플링선로와 동일한 격리단 50옴라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 주전송선로와 상기 커플링선로의 결합영역이 동작주파수대역의 λ/8로 설계되는 것을 특징으로 하는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.
4. 제 3항에 있어서, 동작주파수 대역이 800MHz대인 10dB 에어라인형 방향성 결합기일 경우, 상기 주전송선로의 단면 직경은 2.6mm이고, 상기 커플링선로, 상기 결합단 50옴라인, 및 상기 격리단 50옴라인의 단면 직경은 2.5mm로 설계되는 것을 특징으로 하는 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.