KR20040022686A - 직접 변환 수신기용 6포트 - Google Patents

Abstract

평행을 이루는 두 유전체층에 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로들(micro strips for connecting)과; 결합선로 중 두 결합선로를 연결하기 위해 두 결합선로의 종단부 사이에 형성된 비결합선로들과; RF 신호와 국부발진신호를 각각 입력받는 두 입력단자와; 상기 두 입력단자를 통해 입력된 두 신호와 동일한 크기의 출력 신호들이 0°, 90°, 180° 및 270°의 위상차를 가지고 나타나는 4개의 출력단자를 포함하여 이루어진 직접변환 수신기용 6포트.

Description

직접 변환 수신기용 6포트 {A 6-port for a direct conversion receiver}

본 발명은 무선통신 송수신기에서 직접 변환(Direct conversion) 방식에 사용되는 프론트엔드의 6포트(6-port)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 링하이브리드나 쿼드러쳐 하이브리드를 사용하지 않고 마이크로 방향성결합기 4개를 조합하여동일한 기능을 수행할 수 있는 직접변환 수신기용 6포트에 관한 것이다.

현대의 통신 장치에서 가장 통상적인 형태의 수신기는 수퍼헤테로다인 (superheterodyne) 수신기이다. 이 수신기는 집, 사무실 또는 자동차 내에 텔레비젼 세트, 전화와 라디오 안에서 발견될 수 있다.

수퍼헤테로다인 수신기는 널리 사용되지만, 그 수신기는 영상 제거 필터와 중간주파수(Intermediate Frequency: IF)를 사용한다. 결과적으로, 수퍼헤테로다인 수신기는 셀룰라 전화기, 페이저, 무선전화기 등과 같은 작고 저가의 이동 통신시스템에 적용하는데 이상적이지 않다.

무선 송·수신기의 소형, 경량, 저가격, 저전력 소비 등에 대한 요구가 증가하면서 이를 충족시키기 위해 새로운 무선 시스템 구조 및 RF 부품에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 가장 대표적인 것이 바로 RF단에 대한 구조를 기존 슈퍼헤테로다인(Superheterodyne) 방식에서 호모다인(Homodyne), 즉 직접변환방식으로 전환하려는 것이다.

직접 변환 수신기는 수퍼헤테로다인 수신기에 비하여 상당한 이점을 제공한다. 직접 변환 수신기는입력신호를 자신의 기저대역(baseband) 신호로 직접적으로 변환하여 초기에 RF 신호를 IF 신호로 변환하는 단계를 제거한다. 그러므로, 모든 중간의 필터, 혼합기 및 증폭기가 생략될 수 있어서 회로는 간단해진다. 다음으로, 사전선택기 필터를 제외하면, 직접 변환 수신기는 대역 통과 필터(band passfilter)보다는 차라리 저역 통과 필터(low pass filter)만을 사용한다. 통상적으로, 대역 통과 필터보다 저역통과 필터를 하나의 칩(chip)위에 집적하는 것이 더 용이하다. 그러므로, 직접 변환 수신기는 주로 수퍼헤테로다인 수신기보다 더 작고 더 값싸게하는 하나의 집적회로 상에서 구성될 수 있다.

도 1은 6포트 직접변환 수신기 프론트엔드(6-port direct conversion receiver front-end)의 구조로서 듀플렉서(101), 저잡음증폭기(102), 6포트(103), 검출회로(104), 저역통과 필터(105)로 구성되어 있다. 미설명부호 106은 송신포트, 107은 국부발진기 입력포트, 108은 I 채널 출력포트, 109는 Q 채널 출력포트 이다. 여기서 6-포트의 개념은 마이크로웨이브 신호의 위상을 검출하기 위해 1964년 Cohn과 Weinhouse에 의해 "An automatic microwave phase measurement system," Microwave Journal, vol. 7, no. 2, pp. 49-56,에 제재된 바 있다.

6포트는 두 개의 입력과 네 개의 출력을 가진 회로이며 출력 포트는 전력 검출회로로 종단되어 있다. 입력과 출력 포트의 전기적 관계를 알면 두 입력 신호(phase, amplitude)의 상관관계를 알 수 있는데 이 때 6포트는 선형적이며 출력신호는 서로 선형적으로 종속되어 있지 않아야 한다. 따라서 6포트는 회로망분석기에 주로 사용되어 왔으며 Hoer와 Roe가 1975년에 구조를 해석하여 "Using an arbitrary six-port junction to measure complex voltage ratios," IEEE Trans. Microwave Theory and Techiques., vol. MTT-23, pp. 978-984 에 게재 하였다.

직접변환 방식이 관심을 모으면서 6포트가 적용되었는데 그 구조는 각각 도 2와 도 3에 나타나 있다.

도 2는 네 개의 패턴 즉, 두 개의 링 하이브리드(ring hybrid)(201)와 쿼드러쳐 하이브리드(quadrature hybrid)(202), 그리고 전력분배기(203)로 구성되어 있다. 도면에서 빗살무늬로 표시된 부분은 유전체 상에 구현된 각 패턴의 도체 부분이며 실선은 패턴들을 연결한 도선이다. 204 포트(port)와 205 또는 206 포트에 각각 RF 신호와 국부발진기 신호가 인가되며 신호는 각각의 경로를 지나 출력포트 207, 208, 209, 210 으로 출력된다. 이 때, 6포트 다음 단의 검출회로에서 DC 전압을 검출할 수 있도록 네 개의 출력포트에서 출력된 신호의 위상차는 0도 90도 180도 270도가 된다. 도 2에 나타낸 6포트는 도 3에 나타낸 구조에 비해 사이즈가 크고 연결 도선이 서로 교차되는 단점이 있다.

도 3에 나타나 있는 구조를 갖는 6포트의 동작 특성은 도 2의 특성과 같으며 세 개의 쿼드러쳐 하이브리드(quadrature hybrid)(301)와 한 개의 전력분배기(302)로 구성되어 있다.

도 2와 도 3에서 사용된 6포트의 구조는 링 하이브리드와 쿼드러쳐 하이브리드의 크기로 인해 낮은 주파수에서의 구현에 제약이 따른다. 특히 3GHz ~ 10 GHz에서 집적회로로 구현하기가 어렵다. 또한 두 입력 포트와 출력 포트가 서로 엇갈려 있어 외부회로와 연결시 유연성이 떨어진다.

본 발명은 전력분배기, 링하이브리드, 쿼드러쳐 하이브리드를 쓰지 않고 기존의 6포트와 같은 동작을 하는 새로운 구조의 6포트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 링하이브리드나 쿼드러쳐 하이브리드 보다 크기가 작아 제품을 소형화하고 집적회로로 구현하기가 유리한 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 입력 포트와 출력 포트의 위치를 임의의 위치에 놓을 수 있어 외부회로와의 연결을 자유롭게 하는데 있다.

도 1은 직접변환 수신기 프론트엔드의 구조도,

도 2는 종래의 6포트 일 실시 구조도,

도 3은 종래의 6포트 다른 실시 구조도,

도 4는 방향성결합기의 구조도,

도 5는 본 발명에 따른 6포트의 구성을 나타낸 사시도,

도 6은 도 5의 6포트 구조에서 아래 층 금속 패턴의 구조도,

도 7은 도 5의 6포트 구조에서 위 층 금속 패턴의 구조도,

도 8은 도 6과 도 7의 결합 투영도,

도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6포트의 사시도,

도 10은 도 9의 결합 투영도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 6포트의 구성과 그에 따른 작용을 설명하기로 한다.

종래의 6포트에 사용되었던 전력분배기, 링 하이브리드, 그리고 쿼드러쳐 하이브리드는 방향성결합기로 대체될 수 있다. 도 4는 방향성 결합기의 구조를 나타낸 분해사시도로서, 금속 패턴이 평행한 두 유전체층에 위치하고 있다. 빗살무니 부분(405, 406)은 금속 패턴이며 점무늬 부분(407)은 유전체이다.

동작원리를 살펴보면 입력포트 401에 신호를 인가하면 포트402와 403에서 크기는 동일하며 위상은 90도 차이가 나는 신호가 출력되고 포트 404로는 아무런 신호가 출력되지 않도록 설계할 수 있는데 이러한 현상은 박동철에 의해 2000년에 IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 10, no. 2, pp.58-60에 게재된 바 있다. 이 방향성 결합기의 전기적 특성은 링 하이브리드나 쿼드러쳐 하이브리드와특정 주파수 범위에서 같은 동작을 할 수 있으며 차지하는 면적은 이론적으로 16분의1에서 2분의 1정도로 작게 할 수 있어 집적회로에 유리하다.

도 5는 방향성결합기의 원리를 이용하여 구성한 본 발명에 따른 6포트의 구성을 나타낸 사시도이다. 두 유전체 층(51, 52) 위에 금속 패턴(501 ∼ 508)을 형성하고 나머지 유전체 층(53)과 함께 적층결합하는 구조를 이룬다.

그 중 아래 유전체층(51)은 도 6에 나타난 바와 같이 이루어진다. 다수의 결합선로들(501, 503, 505, 507)과 각 결합선로의 종단부들(501a와 505a , 503a와 507a)를 각각 연결하는 비결합선로(b)로 이루어진다.

도 7은 도 5에서의 중간 유전체층(52)를 나타낸 것으로 도 6과 유사한 구조로서 다수의 결합선로들(502, 504, 506, 508)과 각 결합선로의 종단부들(502a와 508a , 504a와 506a)를 각각 연결하는 비결합선로(b)로 이루어진다.

도 8은 도 6과 도 7의 금속패턴을 겹치게 하여 그린 구조의 평면 투영도이다. 포트 501, 502, 503, 504는 RF 신호와 국부발진기 신호의 입력포트로서 501과 503 또는 502와 504에 신호를 인가하고 나머지 포트는 정합 종단 처리한다. 포트 505, 506, 507, 508은 출력포트로서 두 개의 입력 포트로부터 도달된 신호의 위상차(差)는 각각 0°, 90°, 180°, 270°가 된다.

비결합선로(b) 509와 510의 상관관계는 509의 전기적 길이(electrical length)는 510의 전기적 길이와 비교하여 볼때 90°의 홀수 배 차이가 난다.

여기에서 전기적 길이를 설명하면 다음과 같다. 5M의 전송선이 있다고 가정하면 30㎒의 주파수에서 보면 0.5파장(λ)길이가 되고, 300㎒ 주파수 기준으로는 5λ길이가 된다.

이므로,

30㎒일때의 파장은이다. 즉, 30㎒에서의 1λ를 만족하기 위해서는 10m의 물리적 전송선이 필요하므로 5m의 전송선은 상대적으로 0.5λ가 되며,

300㎒일때의 파장은이다. 즉, 300㎒에서의 1λ를 만족하기 위해서는 1m의 물리적 전송선이 필요하므로 5m의 전송선은 상대적으로 5λ가 된다.

즉, 물리적 길이는 사용주파수 관점에서 볼 때 주파수에 따라 그 전기적 길이가 다르게 보이므로, 주파수에 관계없이 같은 길이가 되는 새로운 개념의 길이정의를 전기적 길이(electrical length)라고 한다. 즉, 한 파장(각 주파수에 대하여)의 길이가 전기적 길이로 2π가 되며 단위는 라디안(radian)이다. 또는 각도(°)로도 표기한다.

……(1)

ⅰ) 30㎒의 전기적 길이가 90°라고 할때, 물리적 길이는 위 (1)식을 적용하여 구하면,

따라서, 물리적 길이가 된다.

ⅱ) 300㎒의 전기적 길이가 90°일때는,

즉, 전기적길이가 90°라는 것은 ¼파장 길이이며 주파수에 따라 물리적 길이는 달라진다는 뜻이다. 510의 전기적 길이를 60°라고 한다면, 509의 전기적 길이는 510과 90°의 홀수배만큼 차(差)를 가지므로,

60°+ 90°=150° 즉, 60°+ 1×90°,

60°+ 270°=330° 즉, 60°+ 3×90°,

60°+ 450°=510° 즉, 60°+ 5×90°등과 같이 된다는 것이다.

도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6포트의 사시도이고, 도 10은 도 9의 사시도이다.

도 5의 입력포트 방향(503, 504)을 변경하여 입력포트와 출력포트가 엇갈려있지 않도록 구현한 경우의 구조이다. 연결 도선 601과 602, 603과 604가 서로 교차하고 있으나 위치하고 있는 층이 달라 제작에는 전혀 문제가 되지 않는다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 3층 구조의 방향성결합기를 6포트에 적용하여 전체적인 크기를 줄이고 입출력 포트의 방향을 변경할 수 있도록 함으로써 외부 회로와의 연결 특성을 유연하게 하였다. 따라서 직접변환 수신기 프론트엔드를 단일칩화 하여 제작하는데 유리하며 제작비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. RF 신호와 국부발진신호를 각각 입력받는 두 입력단자와, 상기 두 입력단자를 통해 입력된 두 신호와 동일한 크기의 출력 신호들이 0°, 90°, 180° 및 270°의 위상차를 가지고 나타나는 출력단자를 갖는 직접변환 수신기용 6포트에 있어서;

   각 종단부가 비결합선로에 의해 연결된 두 쌍의 금속패턴 결합선로가 배치된 제 1 유전체층과, 상기 제 1 유전체층에 형성된 각 결합선로와 서로 엇갈리는 위치에 형성되어 다중결합의 발생을 유도하기 위한 두 쌍의 금속패턴 결합선로가 배치된 제 2 유전체층이 상·하에 서로 평행하게 적층된 방향성 결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 직접변환 수신기용 6포트.
2. RF 신호와 국부발진신호를 각각 입력받는 두 입력단자와, 상기 두 입력단자를 통해 입력된 두 신호와 동일한 크기의 출력 신호들이 0°, 90°, 180° 및 270°의 위상차를 가지고 나타나는 출력단자를 갖는 직접변환 수신기용 6포트에 있어서;

   평행을 이루는 두 유전체층에, 각 종단부가 비결합선로에 의해 연결된 두 쌍의 결합선로가 각각 형성되어 적층된 마이크로파 방향성 결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 직접변환 수신기용 6포트.
3. 평행을 이루는 두 유전체층에 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로들(micro strips for connecting)과;

   상기 결합선로 중 두 결합선로를 연결하기 위해 두 결합선로의 종단부 사이에 형성된 비결합선로들과;

   RF 신호와 국부발진신호를 각각 입력받는 두 입력단자와;

   상기 두 입력단자를 통해 입력된 두 신호와 동일한 크기의 출력 신호들이 0°, 90°, 180° 및 270°의 위상차를 가지고 나타나는 4개의 출력단자를 포함하여 이루어지는 직접변환 수신기용 6포트.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력단자들이 동일 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 직접변환 수신기용 6포트.
5. 제 4 항에 있어서, 입력단자들이 상기 출력단자들의 형성방향과 엇갈려 있지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 직접변환 수신기용 6포트.