KR20060016123A - Circulator using ferrite disk on non-radiative microstrip line - Google Patents
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Abstract
본 발명의 밀리미터파 대역에서 사용가능한 페라이트디스크를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a non-radiative microstrip line using a ferrite disk in the millimeter wave band of the present invention.
바람직하게는 사용주파수의 반파장 이하의 간격을 가진 상하도체판 사이에 유전체기판을 삽입하고, 유전체기판 위에 입력포트, 출력포트 및 차단포트의 마이크로스트십선로가 120°간격으로 각각 배치되고, 각 포트가 공통으로 만나는 동박의 원형패드를 기준으로 유전체기판 상부면과 하부면에 각각 페라이트자성체인 원형디스크를 각각 부착하고, 이의 페라이트디스크의 포화자화를 얻기 위해 상하도체판 상하면에 강자성의 영구자석을 배치하여 외부자력변화의 영향을 받지 않도록 한 구조이다.Preferably, a dielectric substrate is inserted between the upper and lower conductor plates having a spacing of less than half the wavelength of the use frequency, and microstrip lines of the input port, the output port, and the blocking port are disposed at 120 ° intervals, respectively. Based on the circular pads of the copper foil where the ports meet in common, ferrite magnetic circular disks are attached to the upper and lower surfaces of the dielectric substrate, respectively, and ferromagnetic permanent magnets are placed on the upper and lower conductive plates to obtain saturation magnetization of the ferrite disk. It is arranged so that it is not affected by external magnetic change.
상기 구조는 기존의 도파관 형태보다, 스트립선로 위에 페라이트디스크를 유전체기판 상하에 부착하는 간단한 구조이기에 손실이 적고, 제작이 간편용이하여 염가로 대량생산이 가능하다.Since the structure is a simple structure that attaches a ferrite disk to the top and bottom of the dielectric substrate on the strip line than the conventional waveguide form, the loss is small, and the production is simple, so that mass production is possible at low cost.
이러한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터는 밀리미터파 대역에서 사용가능한 듀플렉서(duplexer) 또는 트랜시버(transceiver)에 적용가능하여 고용량 광대역 양방향 통신에 적합한 회로이다.Such a non-radial microstrip line shuffler is applicable to duplexers or transceivers that can be used in the millimeter wave band, and is a circuit suitable for high capacity wideband bidirectional communication.
셔큘레이터, 페라이트디스크, 비방사마이크로스트립선로,트랜시버, 듀플렉스 Shuffler, Ferrite Disc, Non-Radiated Microstrip Line, Transceiver, Duplex
Description
도 1: 페라이트디스크를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조의 사시도1: Perspective view of the structure of a circulator for a non-radiating microstrip line using a ferrite disk
도 2: 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조의 평면도Fig. 2: Top view of the shuffler structure for the non-radiative microstrip line
도 3: 페라이트디스크의 두께변화에 따른 삽입손실 특성 데이터Figure 3: Insertion loss characteristic data according to the thickness change of the ferrite disk
도 4: 입력포트대 출력포트에 대한 전자기파 시뮬레이션Figure 4: Electromagnetic wave simulation for input port to output port
도 5: 입력포트대 출력포트에 대한 전송특성 데이터Fig. 5: Transmission characteristic data for input port to output port
도 6: 출력포트대 차단포트에 대한 전자기파 시뮬레이션Fig. 6: Electromagnetic wave simulation for output port vs. blocking port
도 7: 출력포트대 차단포트에 대한 전송특성 데이터Fig. 7: Transmission characteristic data for output port to blocking port
도 8: 차단포트대 입력포트에 대한 전자기파 시뮬레이션Fig. 8: Electromagnetic wave simulation for blocking port versus input port
도 9: 차단포트대 입력포트에 대한 전송특성 데이터Fig. 9: Transmission characteristic data for blocking port to input port
<도면의 주요부분에 상세설명><Detailed explanation on main part of drawing>
1: 상부도체판, 2: 하부도체판, 3: 유전체기판, 4: 공진기용 페라이트디스크(Ferrite Disk), 5, 6, 7: 마이크로스트립선로(입력포트, 출력포트 및 차단포트), 8: 원형패드, 9: 영구자석1: upper conductor plate, 2: lower conductor plate, 3: dielectric substrate, 4: ferrite disk for resonator, 5, 6, 7: microstrip lines (input port, output port and blocking port), 8: Round pad, 9: permanent magnet
본 발명은 밀리미터파 대역에서 동작하는 비방사마이크로스트립선로(Non- Radiative Microstrip Strip Line)용 페라이트디스크를 이용한 셔큘레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a shuffler using a ferrite disk for a non-radiative microstrip strip line operating in the millimeter wave band.
최근 밀리미터파 대역의 전송선로로써 사용주파수의 반파장이하의 상하도체판 사이에 유전체기판상부면에 마이크로스트립선로가 배치되어 있는 구조가 제안되었다(특허출원 10-2005-077635). 특히 비방사마이크로스트립선로는 종래의 마이크로스트립선로에서 문제가 되었던 고차모드 발생과 누설파손실을 통한 방사손실이 거의 없는 것으로 알려져 있으며, 이에 관련하여 각종 RF 회로구조에 대해 보고 되고 있다.Recently, a structure has been proposed in which a microstrip line is disposed on the upper surface of a dielectric substrate between upper and lower conductor plates of less than half the wavelength of a use frequency as a transmission line in a millimeter wave band (Patent application 10-2005-077635). In particular, the non-radiated microstrip line is known to have little radiation loss through high-order mode generation and leakage wave loss, which has been a problem in the conventional microstrip line, and has been reported for various RF circuit structures.
최근 밀리미터파대역에서 사용되는 무선통신송수신기에 있어서, 서큘레이터(ciculator)는 안테나를 통한 송수신 신호전력을 손실 및 상호간섭없이 통과시켜 원하는 특성을 갖추는 데, 무선통신송수신기를 제작하는 데 필수적인 요소가 되고 있다.In the wireless communication transceiver used in the millimeter wave band, a ciculator passes through the antenna and transmits the signal power without loss and interference to have desired characteristics, which becomes an essential element in manufacturing a wireless communication transceiver. have.
종래의 밀리미터파 대역용 셔큘레이터(circulator)는 도파관(waveguide) 형태를 많이 이용한다. 그러나 도파관내에 페라이트공진기(Ferrite Resonator)를 장착해야 하는 데, 이는 제작의 번거로움이 수반되고, 이로 인해 제작단가가 높아지며, 또한 특성조절이 용이하지 않다.Conventional millimeter wave band circulators use a waveguide type. However, the ferrite resonator must be mounted in the waveguide, which is cumbersome to manufacture, resulting in high manufacturing cost and inability to adjust characteristics.
또한 NRD가이드용 페라이트공진기는 페라이트자성체와 테프론튜브를 이용하여 별도로 정밀하게 가공해야 하는 노력이 따르고, 이와 같이 복합재료에 의해 제조되기 때문에 페라이트공진기의 공진특성을 조절하기가 상당히 까다로운 문제점을 안고 있다.In addition, the ferrite resonator for NRD guide has to be processed separately precisely using a ferrite magnetic material and Teflon tube, and since it is manufactured by a composite material, there is a problem that it is very difficult to control the resonance characteristics of the ferrite resonator.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 구조 및 방법으로,The present invention is a structure and method for solving the above problems,
바람직하게는 유전체기판위에 입력포트, 출력포트 및 차단포트의 마이크로스트십선로가 120°간격으로 각각 배치되고, 이의 각 포트가 공통으로 만나는 원형패드를 기준으로 유전체기판 상부면과 하부면에 페라이트공진기용 페라이트디스크를 각각 부착하고, 상하도체판 상하면에 강자성의 영구자석을 배치하여 외부자력변화에 영향을 받지 않는 구조를 제안한다.Preferably, ferrite resonators are disposed on the top and bottom surfaces of the dielectric substrate based on circular pads each having 120 ° intervals of the input ports, the output ports, and the blocking ports on the dielectric substrate. We propose a structure in which the ferrite discs are attached to each other and ferromagnetic permanent magnets are placed on the upper and lower conductive plates, so as not to be affected by external magnetic changes.
바람직하게는 상기 구조는 사용주파수에 따른 마이크로스트립선로의 폭의 길이변화, 공진조건 및 광대역성을 만족시키기 위한 페라이트디스크의 직경 및 두께 폭의 변화에 따라 구성하도록 하였다.Preferably, the structure is configured in accordance with the change in the width and the width of the ferrite disk in order to satisfy the change in the length of the width of the microstrip line, the resonance condition and the broadband performance according to the use frequency.
바람직하게는 상기 구조는 마이크로스트립선로 연장선을 이용하여 셔큘레이터를 구성하기 때문에 회로와 연결시 프린트 기판을 이용하기 때문에 제작이 단순, 간편, 용이하고, 제작 단가가 저렴하고, 결합손실이 없고, 선로손실이 적어 특성이 우수하다.Preferably, since the structure uses a printed circuit board to connect the circuit with the microstrip line extension line, the fabrication is simple, simple, easy, low manufacturing cost, no coupling loss, and no line loss. Excellent loss due to low loss.
본 발명의 밀리미터파 대역에서 사용가능한 페라이트디스크(4)를 이용한 비 방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터(circulator)에 있어서, 그 구조 및 방법은 다음과 같다.In a circulator for a non-radiating microstrip line using a
바람직하게는 사용주파수의 반파장 이하의 간격을 가진 상하도체판(1, 2) 사이에 유전체기판(3)을 삽입하고, 유전체기판(3) 상부면과 하부면에 각각 페라이트공진기용 페라이트디스크(4)를 배치되고, 페라이트디스크(4)를 중심으로 120°간격으로 마이크로스트립선로(5, 6, 7)가 배치되어 있는 구조이고, 마이크로스트립선로(5, 6, 7)는 각각 입력포트(5), 출력포트(6) 및 차단포트(7)로 구분하도록 하였다.Preferably, the
바람직하게는 상기 페라이트디스크(4)의 상하에 위치하는 상하도체판(1, 2)의 상부면과 하부면에 영구자석용 홀을 가공하고, 홀에 영구자석(9)으로 삽입하며, 이는 페라이트디스크(4)가 포화자화가 되도록 강자성의 영구자석(9)의 자력을 이용하여 외부자력변화에 무관하게 셔큘레이터 특성을 얻도록 한다.Preferably, the permanent magnet holes are processed in the upper and lower surfaces of the upper and lower
바람직하게는 상기 유전체기판(3)은 유전율 ε= 2.2인 로저스(Rogerscoporation)사의 RT/Duroid5880(0.15T,ε= 2.2) 재료의 물성파라메터(parameter)를 도입하여 참고하였다.Preferably, the
바람직하게는 상기 페라이트공진기용 페라이트디스크(4)는 두께가 t이고, 직경은 d로 둔다. 두께는 상하도체판(1, 2)의 간격(λ/4)보다 낮은 높이로 배치하도록 한다.Preferably, the
도 1은 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조의 사시도를 나타낸 것이다. FIG. 1 shows a perspective view of a shuffler structure for a non-radiating microstrip line using the
도 1에 의하면, 사용주파수의 반파장 이하의 간격을 가진 상하도체판(1, 2) 사이에 유전체기판(3)을 삽입하고, 유전체기판위에 입력포트, 출력포트 및 차단포트의 마이크로스트십선로(5, 6, 7)가 120°간격으로 각각 배치되고,According to Fig. 1, the
바람직하게는 상기 마이크로스트립선로 각 포트(5, 6, 7)가 공통으로 만나는 동박의 원형패드(8)를 기준으로 유전체기판 상부면과 하부면에 페라이트디스크(4)를 각각 안착하는 구조를 가지고 있다.Preferably, the microstrip line has a structure in which
바람직하게는 상기 페라이트디스크(4)의 상하에 위치하는 상하도체판(1, 2)의 상부면과 하부면에 영구자석용 홀을 구비하고, 홀에 영구자석(9)으로 삽입하며, 이는 페라이트디스크(4)가 포화자화가 되도록 강자성의 영구자석(9)의 자력을 이용하여 외부자력변화에 무관하게 셔큘레이터 특성을 얻도록 한다.Preferably, the upper and lower surfaces of the upper and
도 2는 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조의 평면도를 나타낸 것이다. 도 2에 의하면, 페라이트디스크의 공진조건 및 광대역성 특성을 위해 두께(t) 및 직경(d)의 크기를 조절하고, 입력포트(5), 출력포트(6) 및 차단포트(7)로 구성된 마이크로스트립선로의 폭(w)의 길이는 사용주파수에 따라 달라지게 한다.FIG. 2 shows a plan view of a shroudler structure for a non-radioactive microstrip line using the
바람직하게는 페라이트공진기용 페라이트디스크(4)를 유전체 기판 상하면에 각각 배치하고, 이때 페라이트디스크의 직경(d)은 약 3.0mm에서 3.5mm로 조정하여 사용하였다. 또한 두께(t)는 0.1mm에서 1.0mm까지 조정하여 사용하였다.Preferably, the
실시 예에 따라 사용주파수는 Q밴드, 즉 30GHz에서 45GHz까지 사용하였다. 바람직하게는 비방사마이크로스트립선로의 상하도체판(1, 2) 사이의 간격 a는 2.0mm에서 3.5mm까지 조정하여 가장 우수한 조건인 a는 2.5mm로 결정하였다.According to the embodiment, the frequency used was Q band, that is, from 30 GHz to 45 GHz. Preferably, the distance a between the upper and
바람직하게는 비방사마이크로스트립선로의 마이크로스트립선로(5, 6, 7)의 폭 w는 0.2mm로 결정하였다.Preferably, the width w of the
바람직하게는 페라이트디스크(4)의 공진주파수는 38GHz로 조정하였으며, 이때의 페라이트디스크(4)의 직경 d는 2.5mm로 결정하였다.Preferably, the resonant frequency of the
바람직하게는 페라이트디스크(4)의 두께(t)변화는 0.3mm에서 0.5mm까지 변화시켜 그 중에 가장 우수한 조건인 0.42mm의 결과를 얻었다.Preferably, the thickness t of the
상기 기술한 셔큘레이터의 페라이트디스크(4)의 두께변화에 따른 삽입손실(S21)과 역방향 삽입손실(S31)을 확인하기 위해 시뮬레이션을 통해 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 의하면, 순방향 삽입손실(S21)은 1dB이내로 38GHz에서 양호한 특성을 가지고 있다. 그리고 역방향 삽입손실(S31), 즉 차단성은 1.5GHz이상의 대역에 걸쳐 -25dB이하의 삽입손실이 생겨서 역방향으로 전파가 전달되지 않는 것을 확인할 수 있다.3 shows the results of analysis through simulation to determine the insertion loss (S21) and the reverse insertion loss (S31) according to the thickness change of the
실시 예에 따라 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조에 있어서, 각 포트별(5, 6, 7) 입출력신호의 전자기파의 흐름을 살펴볼 기 위해 회로 시뮬레이션을 실시하였다.According to the embodiment, in the structure of the non-radiating microstrip line using the
도 4는 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조에 있어서, 신호입력이 입력포트(5)로 인가할 경우, 나머지 포트에서 전자기파 흐름을 나타낸 것이다. 도 4에 의하면, 전계입력 또는 자계입력신호에 대해서 전자계 모드가 입력포트(5)에서 출력포트(6)로 그대로 통과하고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows the electromagnetic wave flow in the remaining ports when a signal input is applied to the
도 5는 상기 도 4에 대한 전송특성을 나타낸 것이다. 도 5에 의하면, 입력포트(5)에 대한 출력포트(6)의 삽입손실(S21)은 약 1dB이내이고, 반사손실(S11)은 -30dB로 나타내고 있으므로 양호한 전송특성을 보이고 있다. 이때의 공진주파수는 37.11GHz였다.5 shows transmission characteristics with respect to FIG. According to Fig. 5, the insertion loss S21 of the
도 6은 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조에 있어서, 신호입력이 출력포트(6)로 인가할 경우, 나머지 포트에서 전자기파 흐름을 나타낸 것이다. 도 6에 의하면, 전계입력 또는 자계입력신호에 대해서 전자계 모드가 출력포트(6)에서 차단포트(7)로 그대로 통과하고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 6 shows the electromagnetic wave flow in the remaining ports when the signal input is applied to the
도 7은 상기 도 6에 대한 전송특성을 나타낸 것이다. 도 7에 의하면, 출력포트(6)에 대한 차단포트(7)의 삽입손실(S32)은 약 1dB이내이고, 반사손실(S22)은 -30dB로 나타내고 있으므로 양호한 전송특성을 보이고 있다. 이때의 공진주파수는 37.17GHz였다.FIG. 7 shows transmission characteristics of FIG. 6. According to Fig. 7, the insertion loss S32 of the blocking port 7 with respect to the
도 8은 상기 페라이트디스크(4)를 이용한 비방사마이크로스트립선로용 셔큘레이터 구조에 있어서, 신호입력이 차단포트(7)로 인가할 경우, 나머지 포트에서 전자기파 흐름을 나타낸 것이다. 도 8에 의하면, 전계입력 또는 자계입력신호에 대해서 전자계 모드가 차단포트(7)에서 입력포트(5)로 그대로 통과하고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 8 shows the electromagnetic wave flow in the remaining ports when the signal input is applied to the blocking port 7 in the shuffler structure for the non-radiating microstrip line using the
도 9는 상기 도 8에 대한 전송특성을 나타낸 것이다. 도 9에 의하면, 차단포트(7)에 대한 입력포트(7)의 삽입손실(S13)은 약 1dB이내이고, 반사손실(S33)은 -30dB로 나타내고 있으므로 양호한 전송특성을 보이고 있다. 이때의 공진주파수는 37.05GHz였다.9 shows transmission characteristics with respect to FIG. According to Fig. 9, the insertion loss S13 of the input port 7 to the blocking port 7 is within about 1 dB, and the reflection loss S33 is represented by -30 dB, which shows good transmission characteristics. The resonance frequency at this time was 37.05 GHz.
상기 구조는 기존의 도파관 형태의 셔큘레이터 제조의 단점으로 극복하고, 특성이 우수한 밀리미터파 대역용 셔큘레이터를 제안하였다.The structure overcomes the drawbacks of the conventional waveguide-type shuffler manufacturing and proposes a millimeter wave band having excellent characteristics.
또한 기존의 도파관 형태에 의한 셔큘레이터 구조보다 스트립선로위에 페라이트디스크를 유전체기판 상하면에 부착하는 간단한 방법이므로 밀리미터파 대역에서 손실이 적고, 제작이 간편용이하며, 생산시 대량생산이 가능한 장점이 있다.In addition, since the ferrite disk is attached to the upper and lower surfaces of the dielectric substrate on the strip line rather than the conventional waveguide structure, it has the advantage of low loss in the millimeter wave band, easy production, and mass production.
또한 페라이트디스크의 상하에 위치한 상하도체판 상부면과 하부면의 홀에 강자성의 영구자석을 삽입하여, 페라이트디스크의 포화자화를 유도하여, 외부자력변화에 영향을 받지 않도록 하는 장점이 있다.In addition, by inserting a ferromagnetic permanent magnet in the upper and lower holes of the upper and lower conductor plates located above and below the ferrite disk, inducing saturation magnetization of the ferrite disk, there is an advantage not to be affected by external magnetic change.
또한 회로에 부착된 스트립선로 연장선를 이용하여 셔큘레이터를 구성함으로, 결합손실이 없고, 선로 손실이 적어 특성이 우수하다.In addition, since the shuffler is constructed by using the strip line extension line attached to the circuit, there is no coupling loss and the line loss is low, so the characteristics are excellent.
본 발명에 의해 밀리미터파 대역의 집적회로 구성이 가능성이 증명되었다. 또한 RF 핵심소자 중 듀플렉서(Duplexer) 또는 트랜시버(transceiver)회로에 도입함으로써 소형화가 가능하고, 양방향 통신을 가능하게 한다. The invention has proved the possibility of integrated circuit construction in the millimeter wave band. In addition, by adopting a duplexer or transceiver circuit among the RF core elements, it can be miniaturized and bidirectional communication is possible.
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KR100809753B1 (en) * | 2006-06-27 | 2008-03-04 | 김성수 | Ferrite Disk for Circulator |
CN116995389A (en) * | 2023-09-25 | 2023-11-03 | 西南应用磁学研究所(中国电子科技集团公司第九研究所) | Unsaturated magnetization microstrip circuit and microstrip circulator composed of same |
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