KR20050082115A

KR20050082115A - 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기

Info

Publication number: KR20050082115A
Application number: KR1020040010494A
Authority: KR
Inventors: 윤진호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-08-22
Also published as: US7161445B2; US20050179507A1

Abstract

무선 주파수(Radio Frequence) 대역에서 별도의 RF 소자를 사용하지 않고도 입력 신호에 대한 가변적인 위상 천이가 가능한 가변 브래그 격자(Bragg Cell)를 이용한 RF 대역의 위상 제어기에 대한 것으로서, 이는 무선 주파수 대역의 입력 신호 위상을 천이 시켜 출력하는 위상 제어기에 있어서, 유전체층과, 상기 유전체층의 상부면에 길이 방향으로 형성되어 상기 입력 신호의 신호 경로를 제공하는 제1 도체층과, 상기 유전체층의 하부면 일측에서 길이 방향으로 브래그 격자를 형성하는 제2 도체층과, 상기 유전체층의 하부면 타측에서 상기 제2 도체층의 연장선 상을 따라 브래그 격자를 형성하는 제3 도체층과, 상기 제2 도체층과 상기 제3 도체층 사이의 간격을 소정 거리 범위 내에서 조정하는 이송 수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면 상기 제2 도체층과 제3 도체층 사이의 간격을 조정하여 별도의 RF 소자를 이용하지 않고도 무선 주파수 대역의 신호 위상을 가변시킬 수 있으며, 가변 위상 제어기 제작 비용을 대폭 절감할 수 있다.

Description

가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기{Phase shifter apparatus using turnable bragg cell}

본 발명은 가변 위상 제어기에 대한 것으로서, 특히 무선 주파수(Radio Frequence) 대역에서 별도의 RF 소자를 사용하지 않고도 입력 신호에 대한 가변적인 위상 천이가 가능한 가변 브래그 격자(Bragg Cell)를 이용한 RF 대역의 위상 제어기에 대한 것이다.

일반적으로 위상 제어기는 이동통신 시스템의 송수신단에 구비되는 증폭기의 선형 위상을 제어하거나, 기지국 안테나의 빔 스캔 각도를 조절하거나, 고주파 신호 처리를 위한 대역 통과 필터(Band Pass Filter) 또는 도파관을 이용한 듀플렉서(duplexer)의 출력 신호 위상을 조정하는 등 그 이용 분야가 광범위하다. 그리고 이동통신 시스템의 증폭기나 안테나와 같이 위상 변조를 수행하는 부분에서는 출력 신호의 위상을 원하는 위상으로 조정하여야 하므로 상기 위상 제어기에서는 위상 천이(Phase shift) 기능이 중요 시 된다. 또한 출력 신호의 위상에 오차가 발생되는 경우 이를 보정하거나 통신 시스템에서 각 장치간의 신호 동기를 일치시키는 경우에도 위상 천이 기능은 필수적이다.

상기 위상 천이 기능을 수행하는 위상 제어기는 입력 신호의 위상을 고정된 위상으로 천이 시켜 출력하는 고정 위상 제어기와 사용자가 원하는 위상으로 입력 신호의 위상을 천이 시키는 가변 위상 제어기로 구분된다. 상기 고정 위상 제어기의 경우 전송 선로의 길이 조정 등 간단한 형태로 구현될 수 있으나, 상기 가변 위상 제어기의 경우 입력 신호의 위상을 원하는 만큼 가변 시켜야 하므로 RF 소자로 구성된 별도의 위상 제어 회로가 요구된다.

도 1은 종래 위상 제어 회로가 구비된 가변 위상 제어기의 구성을 나타낸 회로도로서, 도 1의 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)(HC)는 그 입력단(A)에 신호 입력단(P_IN)이 연결되고, 그 출력단(D)에 신호 출력단(P_OUT)이 연결되어 신호 경로(A-D)를 통해 입력 신호(S_IN)의 위상이 90도 천이 된 제1 신호를 출력한다. 또한 하이브리드 커플러(HC)의 다른 신호 경로(A-B-C-D)를 통해서는 상기 입력 신호(S_IN)의 위상이 270도 천이 된 제2 신호가 출력된다. 따라서 상기 신호 출력단(P_OUT)을 통해서는 상기 제1 및 제2 신호가 합성된 신호(S_OUT)가 출력된다.

한편 상기 하이브리드 커플러(HC)의 두 단자(B, D) 사이에는 가변 공진소자인 바랙터 다이오드(VD1, VD2)와 저항(R1, R2) 및 커패시터(C1)로 이루어진 위상 제어 회로가 연결되어 하이브리드 커플러(HC)의 다른 신호 경로(A-B-C-D)를 통해 흐르는 제2 신호의 위상을 가변 시키게 된다. 이때 상기 제2 신호의 위상은 직류 바이어스 전압(Vbias)을 조절하여 바랙터 바이오드(VD1, VD2)의 커패시턴스를 조정하는 방식으로 변화시킨다. 따라서 하이브리드 커플러(HC)의 신호 출력단(P_OUT)을 통해 원하는 위상의 신호를 얻게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 가변 위상 제어기의 실물 구조도를 나타낸 것으로서, 도 2에서 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조부호를 붙이기로 한다. 아울러 도 2에 도시된 가변 위상 제어기의 동작 설명은 도 1의 설명과 동일하므로 생략하기로 한다. 상기와 같은 구조의 종래 가변 위상 제어기는 바렉터 바이오드(VD1, VD2)의 커패시턴스를 조절하여 출력단(P_OUT)을 통해 위상이 변화된 신호를 얻을 수 있으나 도 2에 도시된 것처럼 RF 소자로 이루어진 다수의 부품이 요구되므로 생산 단가가 올라가는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 별도의 RF 소자를 사용하지 않고도 입력 신호에 대한 가변적인 위상 천이가 가능한 가변 브래그 격자를 이용한 RF 대역의 위상 제어기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 브래그 격자를 이용한 RF 대역의 위상 제어기는 무선 주파수 대역의 입력 신호 위상을 천이 시켜 출력하는 위상 제어기에 있어서, 유전체층과, 상기 유전체층의 상부면에 길이 방향으로 형성되어 상기 입력 신호의 신호 경로를 제공하는 제1 도체층과, 상기 유전체층의 하부면 일측에서 길이 방향으로 브래그 격자를 형성하는 제2 도체층과, 상기 유전체층의 하부면 타측에서 상기 제2 도체층의 연장선 상을 따라 브래그 격자를 형성하는 제3 도체층과, 상기 제2 도체층과 상기 제3 도체층 사이의 간격을 소정 거리 범위 내에서 조정하는 이송 수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의하면, 상기 제2 도체층과 제3 도체층 사이의 간격을 조정하여 별도의 RF 소자를 이용하지 않고도 무선 주파수 대역의 신호 위상을 가변시키게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기의 내부 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 그 폭이 좁은 방향의 단면 구조를 나타낸 측단면도이다.

먼저 PCB 기판에 일정 간격으로 형성되는 브래그 격자는 특정 파장의 진행파를 차단하여 입력 신호의 진행파 위상을 천이(지연) 시키는 성질이 있는 것으로 잘 알려져 있다. 본 발명은 상기 브래그 격자를 이용하여 입력 신호의 위상을 지연시키되 브래그 격자의 간격을 조정할 수 있도록 장치를 구성하여 입력 신호의 위상을 가변적으로 조정하도록 된 것이다.

도 3 및 도 4에서 유전체층(120)의 상부면 일측에는 길이 방향으로 폭이 좁은 제1 도체층(110)이 식각되어 있고, 유전체층(120)의 하부면 일측에는 일정 간격으로 브래그 격자(130)를 형성하는 제2 도체층(130a)이 식각되어 PCB 기판을 구성한다. 또한 본 발명에서 상기 유전체층(120)의 하부면 타측에는 상기 브래극 격자(130)를 형성함과 더불어 상기 제2 도체층(130a)과의 연장선 상에서 간격 L을 최대 범위로 수평 이동되는 제3 도체층(130b)이 유전체층(120)의 하부에 밀착된 구조로 설치되어 PCB 기판을 구성한다.

즉 상기 제2 도체층(130a)은 유전체층(120)의 하부에 식각된 구조로 고정되어 있으나, 상기 제3 도체층(130b)은 유전체층(120)의 하부에 밀착된 상태에서 수평 이동을 지지하도록 그 하부면에 지지판(130c)이 고정되게 부착되고, 지지판(130c)의 측면 일측에는 지지판(130c)에 축 고정된 톱니(141)가 다수의 홈(143a)이 형성된 가이드 레일(143)을 통해 수평 이동되도록 설치된다.

상기 톱니(141)에는 손잡이(142)가 고정되어 이용자가 손잡이(142)를 좌,우 방향으로 회전시키게 되면, 톱니(141)에 축 고정된 제3 도체층(130b)의 지지판(130c)은 톱니(141)의 이동 방향에 따라 함께 이송된다. 상기 홈(143a)은 손잡이(142)에 가해진 외력에 따라 톱니(141)를 일정 간격으로 수평 이동시키도록 일정 간격으로 형성되어 있으며, 인접된 홈(143a) 사이의 간격은 입력 신호의 위상이 조정되는 단위 각도를 고려하여 설정된다.

한편 본 발명에서는 제3 도체층(130b)의 수평 이송 수단으로 톱니(141)와 가이드 레일(143)을 이용하였으나, 이는 일예를 든 것으로 제3 도체층(130b)을 간격 L의 범위 내에서 수평 이동시킬 수 있는 공지된 이송 수단은 것이든 사용할 수 있을 것이다.

그리고 도 3 및 도 4에서 상기 제1 내지 제3 도체층(110, 130a, 130b)과 유전체층(120)으로 구성된 PCB 기판과, 상기 톱니(141)와 가이드 레일(143)로 구성된 제3 도체층(130b)의 이송 수단은 하우징(H1) 내부 일측에 밀착된 구조로 설치된다. 상기 하우징(H1)의 내부에는 상기 이송 수단이 수납되는 공간부(S1)가 형성되며, 하우징(H1)의 측면 일측에는 톱니(141)와 연결된 손잡이(142)의 이동 방향을 따라 가이드 홈(144)이 형성된다.

그리고 도 3에는 생략되어 있으나, 상기 제2 및 제3 도체층(130a, 130b)의 하부에는 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 각각 지지대(150a, 150b)가 설치되어 하우징(H1) 내부에 설치된 PCB 기판을 안정되게 지지하게 된다.

상기 하우징(H1)의 내부에는 도전성 물질/부재가 도포/부착되어 제2 및 제3 도체층(130b, 130b)의 공통 접지로 이용된다. 상기 제1 도체층(110)은 신호 경로로 이용되며, 제1 도체층(110)의 일측 종단에는 신호 입력단(P_IN)이 연결되고, 타측 종단에는 신호 출력단(P_OUT)이 연결되어 신호 경로로 이용되며, 신호 입력단(P_IN)으로 인가된 입력 신호는 제2 및 제3 도체층(130a, 130b)이 형성하는 브래그 격자(130)를 통해 진행파의 신호 위상이 변화된다. 이때 변화되는 신호 위상은 제2 도체층(130a)과 제3 도체층(130b) 사이의 거리 L을 조정하여 가변(제어)된다.

도 5는 도 3에 도시된 위상 제어기의 길이 방향의 단면 구조를 나타낸 측단면도로서, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 위상 제어기의 동작 원리를 설명하기로 한다.

먼저 제2 및 제3 도체층(130a, 130b)이 형성하는 브래그 격자(130)의 제1 간격(D1)은 등간격으로 설정되며, 바람직하게는 ( 는 입력 신호의 파장)로 설정된다. 그리고 제2 도체층(130a)과 제3 도체층(130b) 사이의 제2 간격(L)은 바람직하게는 범위 내에서 설정된다.

본 출원인의 실험에 의하면, 톱니(142)가 가이드 레일(143)을 따라 좌측으로 이동되어 제3 도체판(130b)이 제2 도체판(130a)에 밀착된 경우 상기 제2 간격(L)은 0에 근접되며, 입력 신호의 위상은 약 +40도 천이된다. 그리고 톱니(142)가 가이드 레일(143)을 따라 우측으로 이동되어 제2 및 제3 도체판(130a, 130b)이 도 5와 같이 위치된 경우 상기 제2 간격(L)은 에 근접되며, 입력 신호의 위상은 약 -50도 천이된다.

따라서 상기한 구조의 위상 제어기를 이용하게 되면, RF 소자로 구성된 별도의 위상 제어 회로를 구성하지 않고도 간단한 물리적 조작만으로 입력 신호의 위상을 총 90도 범위 내에서 가변시킬 수 있으며, 조절되는 위상의 단위는 상술한 것처럼 톱니(142)와 물리는 홈(143a)의 개수를 적절하게 설정하여 조정할 수 있다. 그리고 본 실시예에서는 상기 제1 간격(D1)은 입력 신호 파장의 로 설정하고, 상기 제2 간격(L)은 입력 신호 파장의 범위로 설정하여 90도 범위의 위상 천이를 수행하였으나, 상기 제1 및 제2 간격(D1, L)을 조정하여 천이되는 위상의 범위를 증감시키는 것도 가능하다.

아울러 상기한 구조로 된 가변 위상 제어기는 도 1의 종래 가변 위상 제어기와 같이 이동통신 시스템에서 증폭기의 선형 위상 제어나, 기지국 안테나의 빔 스캔 각도 조절 그리고 고주파 신호 처리를 위한 대역 통과 필터의 신호 위상 조정 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, PCB 기판의 하부면에 브래그 격자를 식각하여 구성하고, 브래그 격자의 간격을 물리적으로 조정할 수 있도록 하여 별도의 RF 소자를 이용하지 않고도 무선 주파수 대역의 신호 위상을 가변시킬 수 있으며, 가변 위상 제어기 제작 비용을 대폭 절감할 수 있다.

도 1은 종래 위상 제어 회로가 구비된 가변 위상 제어기의 구성을 나타낸 회로도

도 2는 도 1에 도시된 가변 위상 제어기의 실물 구조도를 나타낸 도면

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기의 내부 구조를 나타낸 사시도

도 4는 도 3에 도시된 위상 제어기의 폭이 좁은 방향의 단면 구조를 나타낸 측단면도

도 5는 도 3에 도시된 위상 제어기의 길이 방향의 단면 구조를 나타낸 측단면도

Claims

무선 주파수 대역의 입력 신호 위상을 천이 시켜 출력하는 위상 제어기에 있어서,

유전체층과,

상기 유전체층의 상부면에 길이 방향으로 형성되어 상기 입력 신호의 신호 경로를 제공하는 제1 도체층과,

상기 유전체층의 하부면 일측에서 길이 방향으로 브래그 격자를 형성하는 제2 도체층과,

상기 유전체층의 하부면 타측에서 상기 제2 도체층의 연장선 상을 따라 브래그 격자를 형성하는 제3 도체층과,

상기 제2 도체층과 상기 제3 도체층 사이의 간격을 소정 거리 범위 내에서 조정하는 이송 수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 브래그 격자의 간격은 입력 신호의 파장이 인 경우 로 설정됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 제2 및 제3 도체층 사이의 간격 L은 입력 신호의 파장이 인 경우 상기 이송 수단을 통해 범위에서 조정됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 도체층은 각각 상기 유전체층의 상부면과 하부면에 밀착된 도체판을 식각하여 형성됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 도체층은 상기 유전체층에 고정되며,

상기 제3 도체층은 상기 유전체층에 밀착된 상태에서 상기 이송 수단을 통해 수평 이동되도록 설치됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 이송 수단은 상기 제3 도체층과 소정 지지부재를 통해 연결된 톱니와,

상기 톱니의 수평 이동을 안내하도록 다수의 홈이 형성된 가이드 레일을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.
제 1 항에 있어서,

상기 가이드 레일의 홈의 개수는 천이되는 위상의 단위 각도를 고려하여 설정됨을 특징으로 하는 가변 브래그 격자를 이용한 무선 주파수 대역의 위상 제어기.