KR20020064405A - 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관혼합기 - Google Patents

링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관혼합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기를 개시한다. 이 혼합기는 대면하는 평행 도체판 하우징을 포함한다. 또한, 원형 링을 중심으로 그 외면으로부터 제1, 제2, 제3 및 제4 포트가 반지름방향으로 연장되는 링 하이브리드 결합기와, 제1 포트에 결합되어 국부발진신호를 제공하는 국부발진수단과, 제2 포트에 결합되어 무선신호를 송수신하는 로드 안테나와, 제3 포트에 결합되며 쇼트키 다이오드가 장착된 제1 밸런스드 믹서 마운트와, 제4 포트에 결합되며 쇼트키 다이오드가 장착된 제2 밸런스드 믹서 마운트를 포함하며, 이들 각 구성부는 평행도체판 하우징 안에 내장된다. 제1 포트와 제2 포트를 통해 인입되는 무선신호와 발진신호가 링 하이브리드 결합기에서 혼합되어 합신호와 차신호로 만들어져서 제3 포트 및 제4 포트로 전달된다. 이 신호에 의해 쇼트키 다이오드는 스위칭동작을 일으켜 중간주파수 신호를 추출할 수 있다. 소형 및 고성능의 밀리미터파 송수신기에 응용될 수 있다.

Description

링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기 {non-radiative dielectric waveguide mixer using a ring hybrid coupler}
본 발명은 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비방사 유전체 도파관(Non-Radiative Dielectric Waveguide)을 이용한 간단한 구성으로 된 링 하이브리드 결합기를 이용하여 구현된 밀리미터파대의 비방사 유전체 도파관 혼합기에 관한 것이다.
최근 이동통신 시스템과 통신의 디지털화가 가속됨에 따라 대용량 고속의 통신 시스템을 채용해야 할 필요성이 자주 발생한다. 이러한 통신 시스템을 통해 많은 정보량이 전달되어야 하므로 주파수 대역이 마이크로파 대에서 밀리미터파대 영역으로 확장되어 사용되고 있는 실정이다. 밀리미터파대에서 사용되는 무선 통신 시스템은 하이브리드 방식의 모듈로 제작되어 오다가 최근 반도체 기술 발전과 더불어 모놀리식인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)의 단일 칩으로 개발되고 있다. 하이브리드 방식은 고전적인 방식으로 대량 생산적인 면과 가격에 있어서는 MMIC보다는 떨어지지만 소량 생산의 경우 유리하다.
그런데 이 하이브리드 방식보다 더 구현하기가 쉽고 전송손실이 낮은 비방사 유전체 도파관(Non-Radiation Dielectric Waveguide)이 주목을 끌고 있다. 비방사 유전체 도파관은 LSM모드를 통해 저손실로 신호를 전달하게 된다.
도 1과 2는 종래의 다층 비방사 유전체 도파관을 이용한 수신장치의 구조를 입체로 나타내어 보여준다. 이 수신장치는 기본적으로 상부 도체판(1)과 하부도체판(2)으로 된 두 개의 평행 금속판 사이에 대상 주파수를 포함하는 유전체 선로(3, 4)를 배치하며 이 유전체 선로를 통하여 무선신호와 국부발진 신호가 입력이 된다. 즉, 송수신용 로드안테나(10)에는 혼 안테나(비도시)를 부착하여 무선신호가 들어오게 되는 반면, 다이오드 마운트(7) 속에 내장된 건 다이오드(비도시)에는 바이어스를 걸어 국부발진신호를 발생시키고 이 과정에서 생성되는 LSE모드는 모드 서프레서(8)를 통하여 억제한다. 이렇게 통과한 신호는 유전체공진기(9) 등을 통과하여 특정 주파수대의 전달이득이 커지고, 벤드 형태의 3-dB결합기를 통해 중간주파수(Intermediate Frequency) 신호가 양쪽 포트(16,17)로 추출된다. 그리고 포트(16, 17)에서 나온 신호는 발란스드 믹서 마운트(5, 6)의 쇼트키 다이오드로 인입되어 IF단(12)으로 넘어가게 된다. 여기서 쇼트키 다이오드에는 일정한 전압의 바이어스(13)가 들어가고 접지(14)를 하여 폐회로를 구성하게 된다.
도 1의 구조는 비방사 유전체 도파관을 이용한 수신기의 전형적인 구조이다. 여기서, 결합기는 평행 유전체 선로 결합기의 원리를 이용하여 유전체 선로를 구부려 벤드(Bend)로 만들어서 각 벤드각에 대한 적절한 유전체 선로의 선폭에 대한 데이터를 구축하여 설계하게 된다. 그런데, 이와 같은 구조의 유전체 결합기에서는 소형으로 설계하고자 할 때, 벤드를 줄일 수 없고, 벤드를 구부리게 되면 벤드 부분에 유전체 선로의 선폭을 해당 주파수에 따른 각마다 다른 폭으로 줄이지 않으면 손실이 발생하게 되므로 선폭을 줄여야 하는데 실제 가공에 적용할 때 큰 오차범위를 가지게 되며 구현하기가 어렵다. 나아가, 이러한 평행 유전체 선로 결합기는 양산에 적용될 경우 정확한 유전체 선로 간격이나 벤딩각을 얻기가 어려울 수가 있고, 포트간 격리도가 떨어지는 단점이 있다. 또한 소형경량화를 실현하기 위해서 크기를 더 줄이고자 할 때 벤딩각을 더 크게 하려면 벤드부분의 선폭을 줄여야 한다. 그러나 테프론 등으로 만들어지는 유전체 선로의 선폭을 정밀하게 줄이기는 어렵기 때문에 실제 구현에 있어서는 실현하기가 어렵다.
이러한 점을 감안하여 본 발명은 소형화에 유리하고 유전체 선로의 벤딩이 필요 없어 설계와 제작이 용이한 링 하이브리드 결합기를 채용하고, 포트간 격리도를 높일 수 있는 구조를 갖는 비방사 유전체 도파관 혼합기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 첨부되는 도면과 각 구성부를 나타내는 참조번호는 아래와 같다.
도 1은 종래의 평행 비방사 유전체 선로 결합기의 원리와 발란스드 믹서를 사용한 수신기의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 도 3의 정면도이다.
도 6은 도 3의 배면도이다.
도 7은 도 3의 우측면도이다.
도 8은 도 3의 좌측면도이다.
도 9는 발란스드 믹서에 사용된 다이오드 마운트의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 10은 비방사 유전체 도파관 링 하이브리드 결합기의 제1 실시예에 따른구조도이다.
도 11은 비방사 유전체 도파관 링 하이브리드 결합기의 제2 실시예에 따른 구조도이다.
도 12는 도 11의 링 하이브리드 결합기 회로 구조를 해석하기 위한 등가회로도이다.
도 13a와 13b는 링 하이브리드 결합기의 T형 접합부(T-junction)에 유도성 아이리스(Inductive Iris)를 부가한 구조도이다.
도 14는 링 하이브리드 결합기에 대한 전자파 해석 모델을 도시한 구조도이다.
도 15는 전자파 해석 모델을 통해 얻어진 전계의 크기와 방향을 도시한 도면이다.
** 도면의 각 부분에 대한 설명 **
101 : 상부 도체판102 : 하부 도체판
105 : 건 다이오드(Gunn Diode)106 : 바이어스쵸크
107 : 다이오드 마운트
108 : 유전체 선로
118 : 무선신호 공급라인(RF Feed line)
119 : 모드 서프레서(Mode Suppressor)
120 : 송·수신용 로드 안테나(Rod Antenna)
121 : 제1 믹서 마운트122 : 제1 IF단 인입홀
123 : 직류바이어스 인입홀124 : 제2 믹서 마운트
125 : 제2 IF단 인입홀 126 : 접지홀
127 : 링 하이브리드 결합기
128, 129 : 유전체 선로
130 : IF단자 연결용 커넥터 131 : 접지 핀
132 : 바이어스 공급용 EMI 필터
133 : 고유전율 시트(Sheet)
134 : 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)
135 : 원형 링
P2 : 제2포트(RF 신호 입ㆍ출력포트)
P1 : 제1포트(LO 신호 입ㆍ출력포트)
P3 : 제3포트(IF 입ㆍ출력포트)
P4 : 제4포트(IF 입ㆍ출력포트)
137a, 137b, 138a, 138b : 리드선
139a : 유전체 기판139b : 패치안테나
140A, 140B : 유도성 아이리스(Inductive Iris) 또는 포스트(Post)
141 : 해석을 위한 Vacuum공간142A, 142B : 스터브(Stub)
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 대면하는 평행도체판 하우징; 및 상기 평행도체판 하우징 안에 장착되는 것으로서, 원형 링을 중심으로 그 외면으로부터 제1, 제2, 제3 및 제4 포트가 반지름방향으로 연장되는 링 하이브리드 결합기; 상기 제1 포트에 결합되어 국부발진신호를 제공하는 국부발진수단; 상기 제2 포트에 결합되어 무선신호를 송수신하는 로드 안테나; 상기 제3 포트에 결합되며, 쇼트키 다이오드가 장착된 제1 밸런스드 믹서 마운트; 및 상기 제4 포트에 결합되며, 쇼트키 다이오드가 장착된 제2 밸런스드 믹서 마운트를 구비하며,
상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 인입되는 무선신호와 발진신호가 상기 링 하이브리드 결합기에서 혼합되어 합신호와 차신호로 만들어져서 상기 제3 포트 및 제4 포트로 전달되어 상기 쇼트키 다이오드를 스위칭 하여 중간주파수 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기가 제공된다.
바람직하게는 상기 제1포트와 제2포트가 상기 원형 링과 만나는 T형접합부(T-Junction)에는 임피던스 매칭을 위해 도체 박판인 유도성 아이리스(Inductive Iris)를 부착하거나 도체 포스트(post)가 내설된다.
바람직하게는, 상기 제1포트와 상기 제2포트의 반대방향의 상기 원형 링의 내면에 임피던스 매칭을 위한 스터브(Stub)를 부가한다.
바람직하게는, 상기 네 개의 포트는 각각 동일한 특성임피던스 Zo를 가지며, 상기 원형 링은 Zo/의 특성임피던스를 가지며, 상기 원형 링의 가운데부분의 지름이 대략 λ이고, 상기 네 개의 포트는 상기 원형 링의 원주를 4등분하여 λ/4 간격으로 배치된다.
바람직하게는, 상기 네 개의 포트는 각각 동일한 특성임피던스 Zo를 가지며, 상기 원형 링은 Zo/의 특성임피던스를 가지며, 상기 원형 링을 중심으로 시계방향으로 돌아가면서 순차 배치하고 상기 원형 링의 원주가 6λ/4라 할 때, 상기 제1포트와 상기 제3포트는 3λ/4, 상기 제3포트와 상기 제2포트는 λ/4, 상기 제2포트와 상기 제4포트도 λ/4, 그리고 상기 제4포트와 상기 제1포트도 λ/4 만큼 이격시켜 이격된 거리만큼의 위상차를 갖도록 각각 배치된다.
본 발명의 다른 특징과 잇점은 아래의 상세한 설명과 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 예시하는 첨부하는 도면을 참조하면 보다 명확해질 것이다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비방사 유전체 도파관 혼합기의 구조를도시하는 사시도로서, 상부도체판(101)을 하부도체판(102)으로부터 분리한 상태를 보여준다. 또한 도 4는 도 3의 비방사 유전체 도파관 혼합기의 상부도체판(101)을 제거한 상태의 평면도이다.
본 발명의 혼합기 구성에 있어서 주요한 특징은 링 하이브리드 결합기(127)를 채용한다는 점이다. 이 링 하이브리드 결합기(127)는 일정한 폭을 가지는 원형 링을 중심으로 그 외면으로부터 반지름 방향으로 4개의 포트(P1, P2, P3, P4)가 각각 연장되는 구조를 갖는다. 제1포트(P1)에는 모드 서프레서(mode suppressor)(119)를 내장한 유전체 선로(108)가 접속되고, 제2 포트(P2)에는 송수신용 로드 안테나(120)가 접속된다. 또한, 제3포트(P3)에는 제1 믹서마운트(mixer mount)(121)를 개재시켜 유전체 선로(128)가 접속되고, 제4포트(P4)에는 제2믹서마운트(124)를 개재시켜 유전체 선로(129)가 접속된다. 실제 제작에 있어서는 제1포트(P1)와 유전체 선로(108), 그리고 제2포트(P2)와 로드안테나(120)를 각각 일체적으로 만들 수도 있다.
국부발진신호를 생성하기 위한 수단으로서 국부발진신호를 발생하는 건 다이오드(Gunn diode)(105)를 채용하고, 이를 다이오드마운트(107) 안에 내장한다. 생성된 국부발진신호는 무선신호 공급라인(118)을 거쳐 유전체 선로(108)에 인입된다. 무선신호(RF) 공급라인(118)은 모드서프레서(119)와 동일평면상에서 수직되게 배치된다.
이상에서 언급한 링 하이브리드 결합기(27)와 이에 접속되는 각 구성요소들은 하부도체판(102)에 장착한다. 상부도체판(101)과 하부도체판(102) 각각의 대응되는 네 모퉁이에는 나사결합을 위한 결합공(104a, 104b, 104c, 104d)과 (104a', 104b', 104c', 104d')가 각각 형성되어 나사(103a, 103b, 103c, 103d)로 조립된다. 상부도체판(101)과 하부도체판(102)은 링 하이브리드 결합기(27)를 내장하면서 서로 대면하면서 평행을 이루는 평행평판 하우징을 구성한다. 평행평판 하우징의 크기는 임의로 정할 수 있고, 송신기, 수신기 또는 송수신기의 주파수 대역이나 적용에 따라 변할 수 있을 것이다. 상부 및 하부 도체판(101, 102)은 금속으로 만들어지는데, 예컨대 알루미늄으로 만들어서 도전율과 경량화 두 가지를 모두 만족하도록 하는 것이 바람직하다. 아울러, 링 하이브리드 결합기(127)와 유전체 선로(108, 128, 129), 로드안테나(120) 등은 동일한 유전율을 가진 유전체로 만든다.
또한, 하부도체판(102)에는 제1믹서마운트(121)의 양측에 제1 IF단 인입홀(122)과 직류바이어스 인입홀(123)을 형성하고, 제2믹서마운트(124) 양단에 제2 IF단 인입홀(125)과 믹서마운트 접지홀(126)을 각각 형성한다. 그리고, 제1믹서마운트(121)의 양측에는 리드선(137a, 137b)을 연결하여 제1 IF단 인입홀(122)과 직류바이어스 인입홀(123)을 통과하여 IF회로(비도시)와 바이어스공급회로(비도시) 등을 거쳐 IF단자 연결용 커넥터(130)와 바이어스 공급용 EMI 필터(132)의 중앙단자에 연결되도록 한다. 그리고, 제2믹서마운트(124)의 양측에는 다른 리드선(138a, 138b)을 연결하여, 제2 IF단 인입홀(125)과 믹서마운트 접지홀(126)을 통과하여 IF회로(비도시)와 바이어스공급회로(비도시) 등을 거쳐 IF단자 연결용 커넥터(130)와 접지핀(131)에 각각 연결된다.
도 5는 도 3의 정면도를, 도 6은 도 3의 배면도를 나타내며, 도 7과 8은 각각 도 3의 우측면도와 좌측면도를 나타낸다. 하부도체판(102)의 배면에 IF회로와 바이어스 공급 회로가 구성될 수 있고, 필요에 따라 변경할 수 있을 것이다. 도면에서는 IF회로기판과 도체판 밑뚜껑을 생략하여 나타내었다. 도 7은 상부도체판(101)을 하부도체판(102)과 연결하지 않고 띄워진 상태로 나타내었으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 송수신을 위한 다른 장치와 연결할 수 있도록 하부도체판(102)의 일 측면에는 커넥터(130)가 연결되어 있다.
도 9는 혼합기를 구성하는 다이오드 믹서마운트의 구조를 보여준다. 포트(P3 또는 P4)에는 고유전율 시트(133)가 덧붙여지고 그 위에 믹서마운트(121 또는 124)와 유전체 선로(128 또는 129)가 부가된다. 유전체 선로(128 또는 129)는 특별한 역할 없이 단지 쇼트키 다이오드(134)의 부착상태를 보호하는 역할만을 위해 설치된다. 믹서마운트(121 또는 124)는 예컨대 테프론으로 만들어진 유전체기판(139a)위에 적층된 동박을 에칭하여 λ/4 쵸크회로를 갖는 패치 안테나(139b)를 만들고 쇼트키 다이오드(134)를 상기 패치안테나(139b)의 갭을 가로질러 결합하여 만든다.
이와 같은 구성을 갖는 혼합기는 무선통신기기의 수신기 또는 송신기로 작용할 수 있다.
먼저, 수신기로 작용하는 경우를 설명한다. 바이어스공급용 EMI 필터(132)로부터 제공된 직류바이어스 전원은 바이어스쵸크(106)에 의해 고조파 성분이 제거된 다음 건 다이오드(105)로 공급되어 발진신호를 생성하게 된다. 생성된 발진신호는 무선신호 공급라인(118)의 길이에 의해 발진주파수와 발진전력이 튜닝(tuning)되어 유전체 선로(108)에 전달되면서 대표적인 모드인 LSM모드와 LSE모드가 인입된다.이때, 모드 서프레서(119)에 의해 LSE 모드는 차단되고 전달손실이 적은 LSM모드만 통과하여 링 하이브리드 결합기(127)의 제1포트(P1)에 전해진다.
한편, 수신된 무선신호는 혼 안테나(비도시) 등을 통하여 로드 안테나(120)로 들어와서 국부발진신호와는 반대편에서 링 하이브리드 결합기(127)의 제2포트(P2)로 전달된다.
제1포트(P1)와 제2포트(P2)로 전달된 국부발진신호와 수신신호는 각각 원형 링에서 제3포트(P3)와 제4포트(P4) 쪽으로 나뉘어져 전달되어 다시 제3포트(P3)와 제4포트(P4)에서 혼합된다. 제3포트(P3)와 제4포트(P4)는 λ/4 또는 (4n+1)λ/4 (단, n=정수) 등의 위상차를 가지므로 국부발진신호와 수신신호의 혼합에 의해 이들 두 신호의 합신호와 차신호인 중간주파수신호 또는 기저대역주파수신호를 만들어진다. 예컨대, 59GHz의 국부발진신호가 제1포트(P1)로 전달되고 60~61GHz의 수신신호가 제2포트(P2)로 인입되어 오면 제3포트(P3)와 제4포트(P4)로는 각각 1~2GHz와 119~120GHz 주파수를 갖는 신호가 도출된다. 이때, 고주파수대역의 신호는 무시하고 1~2GHz의 신호를 유효하게 활용한다.
도 10은 링 하이브리드 결합기(127)에 대한 회로적인 특성을 나타내고 있다. 각 포트(P1, P2, P3, P4)의 특성 임피던스는 동일하게 Zo로 설정하고, 원형 링(135)에서의 특성 임피던스는 Zo/로 설정하여, 원하는 결합비가 확보되도록 한다. 따라서, 각 포트는 임피던스 정합이 되었고, 제1포트(P1)와 제2포트(P2)는 분리되어 신호를 서로 상쇄할 수 있는 구조를 갖는다. 또한 제1포트(P1)와 제2포트(P2)로 입사된 파의 입력전력은 제3포트(P3)와 제4포트(P4)로 각각 동일하게 분배되어 전달된다.
그리고, 링 하이브리드 결합기(127)는 원형 링(135)의 가운데부분의 원주가 대략 λ이고, 4개의 포트(P1, P2, P3, P4)는 이 원주 λ를 4등분하여 λ/4 간격으로 배치된다. 따라서, 국부발진신호가 인입되는 제1포트(P1)와 무선신호가 인입되는 제2포트(P2)는 2λ/4의 위상차를 가지므로 이들 두 포트를 통해 인입된 신호는 180도의 위상차를 가지면서 혼합되어 각각 상쇄 또는 혼합신호를 발생하여 다른 두 포트(P3, P4)에 전달된다.
즉, 원형 링(135)에서 결합된 신호는 제3 및 제4포트(P3, P4)를 통해 제1 및 제2 믹서마운트(121, 124)에 전달되고, 기저대의 주파수로 변환된다. 즉, 제3포트와 제4포트(P3, P4)로 전달된 신호는 유전체 선로(128, 129)로 넘어 가면서 믹서마운트(121,24)에 장착된 쇼트키 다이오드(134)를 통과하고, 쇼트키 다이오드(134)는 리드선(137b, 138b)을 통해 바이어스가 인가된 상태에서 스위칭 동작을 하여 리드선(137a, 137b)을 통해 IF 신호로 변환한다. 변환된 IF신호는 IF회로를 거쳐 증폭 등의 처리를 거쳐 커넥터(130)를 통해 외부로 출력된다. 쇼트키 다이오드(134)에 제공되는 바이어스신호는 EMI 필터(132)를 통하여 인가된다.
송신기로 작용하는 경우는 수신기로 작용하는 경우와는 반대가 된다. 즉, 제3포트(P3)와 제4포트(P4)를 통해 중간주파수 신호가 전달되어 원형 링(135)으로 인입되고, 제1포트(P1)를 통해서는 국부발진신호가 원형 링(135)으로 인입되어 혼합되고, 이들 두 신호의 합신호가 로드 안테나(120)를 통해 방사된다.
도 11은 다른 실시예에 따른 링 하이브리드 결합기(127')의 구조를 도시한다. 도면에서, 국부발진신호가 인입되는 포트가 제1포트(P1)라면 로드안테나(120)에 연결되어 무선신호가 인입되는 포트는 제2포트(P2)가 되며, 그 반대의 경우도 가능하다. 네 개의 포트(P1, P2, P3, P4)는 위와 마찬가지로 각각 동일한 특성임피던스 Zo를 가지며, 원형 링(135) 역시 Zo/의 특성임피던스를 갖는다. 원형 링(135)을 중심으로 시계방향으로 돌아가면서 순차 배치하고 원형 링(135)의 원주가 6λ/4라 할 때, 제1포트(P1)와 제3포트(P3)는 3λ/4, 제3포트(P3)와 제2포트(P2)는 λ/4, 제2포트(P2)와 제4포트(P4)도 λ/4, 그리고 제4포트(P4)와 제1포트(P1)는 λ/4 만큼 이격시켜 이격된 거리만큼의 위상차를 갖도록 각각 배치한다. 따라서, 제2포트(P2)에서 보는 제1포트(P1)의 위상은 각각 2λ/4와 4λ/4가 되어서 양방향으로 180도의 위상차를 갖게 되므로 동일하게 좋은 격리도를 나타내게 된다. 도 12와 같은 방식에서도 파장에 따라 제작하기 어려운 치수가 나올 땐 λ/4, 3λ/4 대신 (4n+1)λ/4, (4n+3)λ/4로 각각 대체하여 설계할 수 있다. 이와 같은 링 하이브리드 결합기는 포트에 대한 산란행렬로서 해석될 수 있다.
도 12는 출력포트의 정합이 종단으로 될 때 원형 링의 입력 임피던스에 대한 해석방법을 구조도와 등가회로로 나타낸 것이다. 제4포트(P4)가 종단되었을 때 제1포트(P1)에서 바라본 임피던스는 우측의 등가회로와 같이 된다. 제1포트(P1)에서 바라 본 입력 임피던스는 제3포트(P3)와 제4포트(P4)의 특성 임피던스값과 원형 링 부분의 특성 임피던스를 합한 값이 되며, 원형 링 부분의 특성임피던스 값은 λ/4와 3λ/4를 합한 것으로 2Zo로 보이게 된다.
또한 제3포트(P3)와 제4포트(P4)로 동일하게 입력전력이 분배되므로 b3= ja1/, b4= -ja1/ 가 된다. 여기서 a1은 제1포트(P1)에서의 입사파이며 b3과 b4는 각각 제3포트(P3)와 제4포트(P4)에서의 반사파이다. 대칭적으로 제3포트(P3)에 신호가 인가되면 제1포트(P1)와 제2포트(P2)가 출력포트가 된다. 즉, b1=0, b3= ja2/, 그리고 b4= -ja2/ 가 되며 b3과 b4는 동위상이 된다. 이러한 특성에 근거하여 하이브리드 링의 산란행렬은 다음과 같이 표현되어 진다.
링 하이브리드 결합기는 E-평면 T형 접합부로 링 모양으로 연결된 것이며 정합조건은 링에서의 특성임피던스가 Zo/가 된다.
한편, 포트가 원형링과 접합하는 부분은 T형 접합부와 동일한 구조인데 T형 접합부와 같이 포트가 3개인 소자는 포트의 임피던스 매칭(Impedance Matching)이 까다로워 양호한 특성을 얻기가 힘들게 되며 이를 개선하기 위해 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1포트(P1)와 제2포트(P2)를 통해 인입되는 전자파 신호가 제3포트(P3)와 제4포트(P4) 양측으로 갈라지는 원형 링(135)의 T형 접합부 부분에 반사손실을 줄여 전달이득을 높이기 위해 얇은 도체판인 유도성 아이리스(Inductive Iris)를 부착하거나 또는 도체로 된 포스트(Post) 부재(140A, 140B)를 내장하는 것이 바람직하다.
또한, 제1포트(P1)와 제2포트(P2)의 T형 접합부에는 상기에서 언급된 유도성 아이리스 이외에 스터브를 사용하여 제1포트(P1)와 제2포트(P2)간의 신호격리도를 향상시키고, 또 제1포트(P1) 및 제2포트에서 인입된 신호가 제3포트(P3)와 제4포트(P4)로 잘 분배되도록 할 수 있다. 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이, 스터브(Stub)(142A, 142B) 등을 사용하여 제1포트(P1)와 제2포트(P2)를 종단시킴으로써 포트간 격리도를 더 높이는 것이 바람직하다. 스터브(142A, 142B)는 원형 링(135)과 동일한 재질의 유전체로 만드는 것이 바람직하다.
도 14는 전자파 해석 프로그램에서 해석을 위한 모델구조로 설계된 도면이다. 네 개의 포트(P1, P2, P3, P4)가 모두 대칭구조로 그려졌고, 링 하이브리드 결합기와 그 결합기를 둘러싸고 있는 대기공간(141)이 나타나 있으며, 그 나머지 공간은 완전도체로 인식된다. 두개의 입력포트(P1, P2)로 들어오는 신호의 결합은 원형 링(135)에서 이루어지며 파장과의 비례에 따라 위상을 조절하여 파를 전달 또는 감쇄시킬 수 있다.
도 15는 본 발명을 해석하는 과정에서 도 14의 구조를 전자계 해석을 통하여 전계의 크기를 나타낸 그림으로서, 각 포트는 모두 대칭이 되어 있고 제1포트(P1)와 제2포트(P2)에서 각각 동일한 크기의 파가 입사된다고 가정했을 때 양쪽의 제3포트(P3)와 제4포트(P4)로 파가 전달되어 나가는 것을 볼 수 있었으며, 동시에 제1포트(P1)와 제2포트(P2) 사이의 격리도는 우수하게 나타났다. 또한 제1포트(P1)와 제2포트(P2)에서 LSM모드로 인입된 것이 제3포트(P3)와 제4포트(P4)에서 모드가 변하지 않고 그대로 LSM모드로 전달된 점이 발란스드 믹서뿐만 아니라 단순한 유전체 도파관 결합기(Coupler)나 분배기(Divider)에도 적용할 수 있다는 점을 보여준다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 비방사 유전체 선로 결합기는 소형화에 여러 가지 어려움이 있는 구조를 갖는다. 이에 비해, 본 발명은 링 하이브리드 결합기 구조를 채택함으로써 평행 유전체 선로 결합기를 응용한 구부러진 벤드(Bend) 결합기보다 적은 공간을 차지해 혼합기의 소형경량화를 실현할 수 있다.
또한 종래의 비방사 유전체 선로 결합기는 두 개의 벤드를 정확한 거리만큼 이격시켜 제작해야 하는데, 2개의 벤드를 정확한 각도로 구부리는 것도 어렵지만 두 벤드간의 간격이 일정하도록 배치하는 것 또한 용이하지 않아 실제 제작이 어려웠다. 이에 비해 본 발명의 링 하이브리드 결합기는 한 몸체로 형성되어 있어 사출성형의 과정을 통해 대량생산이 용이하다는 장점을 지니고 있다.
아울러 종래의 평행 유전체 선로 결합기는 임피던스 매칭을 정확하게 맞출 수 있는 수단을 특별히 갖고 있지 않았고, 포트간 격리도가 떨어지는 단점이 있었으나, 본 발명의 링 하이브리드 결합기는 유도성 아이리스나 포스트를 이용하여 임피던스 매칭의 정확성을 향상시킬 수 있고, 나아가 스터브를 부가하여 포트간 격리도 및 전달특성 또한 크게 개선할 수 있다. 아울러, 다양한 위상차를 갖는 종단 포트도 설계 할 수 있으며, 포트의 수도 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명의 링 하이브리드 결합기의 또 다른 잇점은 T형 접합부를 이용하여 LSM모드에서 LSE모드로 혹은 LSE모드에서 LSM모드로 신호의 전파 모드를 임의로 조절할 수 있으므로 혼합기 이외에 모드 변환을 필요로 하는 모드 변환기나 전력분배기 등에도 다양하게 적용할 수 있다. 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서, 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위안에 속함을 밝혀둔다.

Claims (5)

  1. 대면하는 평행도체판 하우징; 및
    상기 평행도체판 하우징 안에 장착되는,
    원형 링을 중심으로 그 외면으로부터 제1, 제2, 제3 및 제4 포트가 반지름방향으로 연장되는 링 하이브리드 결합기;
    상기 제1 포트에 결합되어 국부발진신호를 제공하는 국부발진수단;
    상기 제2 포트에 결합되어 무선신호를 송수신하는 로드 안테나;
    상기 제3 포트에 결합되며, 쇼트키 다이오드가 장착된 제1 밸런스드 믹서 마운트; 및
    상기 제4 포트에 결합되며, 쇼트키 다이오드가 장착된 제2 밸런스드 믹서 마운트를
    구비하며,
    상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 인입되는 무선신호와 발진신호가 상기 링 하이브리드 결합기에서 혼합되어 합신호와 차신호로 만들어져서 상기 제3 포트 및 제4 포트로 전달되어 상기 쇼트키 다이오드를 스위칭 하여 중간주파수 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1포트와 제2포트가 상기 원형 링과 만나는 T형 접합부(T-Junction)에는 임피던스 매칭을 위해 도체 박판인 유도성 아이리스(Inductive Iris)를 부착하거나 도체 포스트(post)가 내설된 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1포트와 상기 제2포트의 반대방향의 상기 원형 링의 내면에 임피던스 매칭을 위한 스터브(Stub)가 부가된 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포트는 각각 동일한 특성임피던스 Zo를 가지며, 상기 원형 링은 Zo/의 특성임피던스를 가지며, 상기 원형 링의 가운데부분의 원주가 대략 λ이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포트는 상기 원형 링의 지름을 4등분하여 λ/4 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포트는 각각 동일한 특성임피던스 Zo를 가지며, 상기 원형 링은 Zo/의 특성임피던스를 가지며, 상기 원형 링을 중심으로 시계방향으로 돌아가면서 순차 배치하고 상기 원형 링의 지름이 6λ/4라 할 때, 상기 제1포트와 상기 제3포트는 3λ/4, 상기 제3포트와 상기 제2포트는 λ/4, 상기 제2포트와 상기 제4포트도 λ/4, 그리고 상기 제4포트와 상기 제1포트도 λ/4 만큼 이격시켜 이격된 거리만큼의 위상차를 갖도록 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관 혼합기.
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