KR20070120281A - 가변 이상기 - Google Patents

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KR20070120281A
KR20070120281A KR1020060054836A KR20060054836A KR20070120281A KR 20070120281 A KR20070120281 A KR 20070120281A KR 1020060054836 A KR1020060054836 A KR 1020060054836A KR 20060054836 A KR20060054836 A KR 20060054836A KR 20070120281 A KR20070120281 A KR 20070120281A
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KR1020060054836A
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김덕용
문영찬
료치 마쯔바라
최의성
김남일
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주식회사 케이엠더블유
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    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines

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Abstract

본 발명은 가변 이상기에 있어서, 하우징과, 상기 하우징 내에 고정되게 설치되어 일면은 비아 홀을 가지는 입력 마이크로 스트립라인을 구비하여 입력신호를 제공받으며, 상기 입력 마이크로 스트립라인의 외측으로 원호 형태의 출력 마이크로 스트립라인을 적어도 하나 이상 구비하는 고정 기판부; 및 상기 고정 기판부의 일면과 맞닿으면서 상기 하우징 내에서 회전가능하게 설치되고, 상기 고정 기판부의 일면과 맞닿는 면에 전달 마이크로 스트립라인을 구비하는 회전 기판부로부터 회전 시에도 커플링이 이루어져 적어도 하나 이상의 출력신호를 제공받는다.
이상기, 마이크로 스트립라인, 유전체 기판, 안테나

Description

가변 이상기{VARIABLE PHASE SHIFTER}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 이상기의 개략적인 분해 사시도.
도 2는 도 1중 고정기판의 평면 구조도.
도 3은 도 1중 회전기판의 평면 구조도.
도 4는 도 1중 고정기판 및 회전기판의 상세 사시도.
도 5a 내지 도 5c는 도 1중 고정기판상에 회전기판이 설치된 상태의 일 예시 평면 구조도.
<도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명>
100 : 가변 이상기 110 : 하우징
120 : 고정기판 130 : 회전기판
140 : 회전체 150 : 체결홈
160 : 상측 커버 170 : 하측 커버
121 : 제 1 출력 마이크로 스트립라인
122 : 제 2 출력 마이크로 스트립라인
123 : 입력 마이크로 스트립라인
131 : 전달 마이크로 스트립라인
본 발명은 입력된 신호의 위상을 천이시켜 출력하는데 이용되는 이상기에 관한 것으로, 특히 입력신호의 분배 및 위상천이 정도의 가변이 가능한 가변 이상기에 관한 것이다.
일반적으로 통신신호를 선형 전송하는 통신장비에서는 입력된 신호의 위상을 변화시키고 시간지연을 발생시키는 이상기(Phase Shifter)와 입력된 신호의 세기를 소정 크기만큼 감쇄시키는 감쇄기 등과 같은 신호처리 장치가 필요하다. 이러한 이상기는 광범위한 응용분야를 갖는다. 예컨대 한가지 응용분야로서, 무선주파수 신호들에 이상기가 이를 전파하는 신호에 대하여 선택적 위상 천이를 제공하는 것이다. 공지된 바와 같이 이상기는 위상배열 안테나 시스템과 같은 다양한 무선주파수 응용분야에서 채용된다.
특히, 가변 이상기(Variable Phase Shifter)는 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna)의 빔 제어를 비롯하여, 위상변조 기능을 수행하기 위해 RF 아날로그 신호처리 장치와 같은 분야에서 사용된다. 가변 이상기의 원리는 입력신호를 적절히 지연시키므로 입력신호와 출력신호 간의 위상차가 발생하도록 하는 것으로서, 간단히 전송선로의 물리적인 길이를 달리하는 것과 다양한 방식으로 전송선로 내의 신호전달 속도를 달리하는 것 등으로 구현할 수 있다. 이러한 이상기는 예를 들어 길이 전송선로를 가변할 수 있도록 하는 것 등에 의해, 위상천이 정도의 변경이 가 능한 가변 이상기의 구조로 통상 사용된다.
최근 들어 이동통신 시스템에서는 기지국의 위상 배열 안테나의 수직빔 각도를 조절하여 기지국의 커버리지를 조정하기 위하여 위상 배열 안테나의 각 방사소자의 위상을 서로 조화롭게 가변하는 기술을 요구하고 있으며, 이러한 요구에 부응하여 다양한 구조의 위상 가변기가 개발 및 보급되고 있다. 이러한 가변 이상기는 특히 입력신호를 다수의 출력신호로 분배하며 각 출력신호의 위상차를 적절히 조절하기 위한 구조를 가질 수 있다. 이러한 가변 이상기의 예로는 카트라인-베르케 카게, 두스벤트너 죠셉에 의해 국내 출원된 특허 출원번호 제2002-7001916호(명칭: 고주파-이상기 구성단위, 발명자 궷텔, 막스밀리안 외 2명) 및 국내 특허 출원등록번호 제10-392130호(명칭: 위상 천이 범위의 선택이 가능한 이상기, 발명자: 백락준, 이승철)에 개시된 바를 들 수 있다.
한편, 최근에는 이동통신 기술이 비약적으로 발전하고 있으며, 이에 따른 RF 신호의 처리 기술 또한 고도의 성능을 요구하고 있으므로, 가변 이상기의 성능 및 보다 효율적인 구성을 위해 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 보다 향상된 성능을 가지는 가변 이상기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전체적인 제품 사이즈를 작게 할 수 있으며, 보다 안정된 기구적 구조를 가지는 가변 이상기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가변 이상기에 있어서, 하우징과, 상기 하우징 내에 고정되게 설치되어 일면은 비아 홀을 가지는 입력 마이크로 스트립라인을 구비하여 입력신호를 제공받으며, 상기 입력 마이크로 스트립라인의 외측으로 원호 형태의 출력 마이크로 스트립라인을 적어도 하나 이상 구비하는 고정 기판부; 및 상기 고정 기판부의 일면과 맞닿으면서 상기 하우징 내에서 회전가능하게 설치되고, 상기 고정 기판부의 일면과 맞닿는 면에 전달 마이크로 스트립라인을 구비하는 회전 기판부로부터 회전 시에도 커플링이 이루어져 적어도 하나 이상의 출력신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 이상기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가변 이상기(100)는 적절한 수용공간이 형성된 원기둥 형태의 하우징(110)을 구비한다. 그리고 하우징(110)의 원통형의 수용공간에는 원판형태의 고정기판(120) 및 회전기판(130)이 맞닿은 형태로 장착된다. 즉, 고정기판(120)의 밑면과 회전기판(130)의 윗면이 서로 맞닿는 구조로서 장착되며, 또한 맞닿는 구조 사이에는 고정기판(120)과 회전기판(130) 각각의 형태에 따라 이루어지는 얕은 절연막이 예를 들어 통상적으로 인쇄회로기판 제작 시에 기판의 표면처리 방식으로 사용되고 있는 RSR(Photo Imageable Solder Mask) 마스크로 장착되어 고정기판(120)과 회전기판(130) 간의 직접적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고정기판(120)과 회전기판(130)은 서로 맞닿아 있을 뿐 서로 고정되게 결합되지 않는다. 이에 따라 결과적으로 고정기판(120)에 회전기판(130)이 밀착될 수 있도록 하며, 이후에 후술하는 구조에 의해 회전기판(130)이 회전할 경우에 회전기판(130)에서 고정기판(120)과 맞닿는 면은 미끄러지게 된다.
회전기판(130)의 하부에는 외부로부터 회전력을 제공받아 회전하는 회전체(140)가 구비되어 하우징(110) 내에 설치된다. 본 발명의 실시 예에서 회전체(140)의 하부에는 사각형 형태의 체결홈(150)이 형성되어 외부 모터(미도시)와 연동하므로 회전 가능하도록 구성할 수 있다.
고정기판(120)은 하우징(110)내에서 적절히 고정되게 장착됨에 비해, 회전기판(130)은 회전체(140)와 서로 결합되어, 회전체(140)의 회전에 따라 함께 회전하게 된다. 이때 회전체(140) 및 이와 결합된 회전기판(130)은 체결홈(150)을 중심축으로 외부 모터와 연동하여 회전하게 된다.
이러한 구조를 가지는 가변 이상기(100)는 하우징(110)내에 고정기판(120), 회전기판(130) 및 회전체(140) 등이 장착된 상태에서, 하우징(110)의 상, 하측에는 상측 커버(160) 및 하측 커버(170)가 각각 결합되어 내부 구조물들을 지지한다.
이하 첨부도면을 참조하여 고정기판(120) 및 회전기판(130)의 구조 및 동작 을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2와 도 3은 도 1중 고정기판 및 회전기판의 평면 구조가 도시되며, 도 4는 도 1중 고정기판 및 회전기판의 상세 사시도이다.
도 2에서 도 4를 참조하면, 먼저 고정기판(120)은 적절히 설정된 유전율을 가지는 유전체로 구성된다. 그리고 고정기판(120)의 윗면에는 원호 형태를 가지는 출력 마이크로 스트립라인들(121, 122)을 구비한다. 내측의 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)과 외측의 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)은 고정기판(120)의 중심을 기준으로 동심으로 배열된다. 그리고 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)과 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)은 원호 형태의 양단에 제 1 ~제 4 출력포트(125, 126, 127, 128)를 각각 형성한다. 이때 제 1 ~제 4 출력포트(125, 126, 127, 128)들은 도 1에 도시된 하우징(110)의 대응되는 위치에 마련된 관통홀들(115) 중 하나에 각각 삽입되어 결합되는 커넥터(미도시)에 연결되며, 이러한 커넥터를 통해 최종적으로 안테나의 각 방사소자(미도시)와 연결된다.
또한, 고정기판(120)의 윗면에는 하우징(110)에 미리 마련된 관통홀들(115) 중 하나에 삽입되어 결합되는 커넥터에 연결되어 입력신호를 제공받아 이를 고정기판(120)의 중심부에 형성된 비아 홀(124)로 전달하기 위하여 입력 마이크로 스트립라인(123)을 구비한다.
여기서 입력 마이크로 스트립라인(123)의 타단은 외부로부터 신호를 제공받기 위한 입력포트를 형성하며, 형성된 입력포트로 입력된 신호는 비아 홀(124)을 거쳐 커플링되어 회전기판(130)으로 제공된다. 본 발명의 실시 예에서 고정기 판(120)의 입력 마이크로 스트림라인(123)은 입력포트로부터 미앤더 라인(Meander Line) 형태인 것으로 도시되었으나, 보다 다양한 형태를 가질 수 있음은 물론이다.
한편, 도 3에서 도 4를 참조하면, 회전기판(130)은 전달 마이크로 스트립라인(Micro Stripline)로 구성된다. 이러한 구조를 가지는 회전기판(130)은 회전체(140)의 회전시 회전체(140)에 부착되는 구조를 가진다.
회전기판(130)의 전달 마이크로 스트립라인(131)은 제 1 개방부(133)와 제 2 개방부(134) 사이가 미앤더 라인(Meander Line) 형태의 마이크로 스트립라인(Micro Stripline) 구조로 구성된다. 즉, 원판형태로 이루어져 고정기판(120)의 밑면과 맞닿으면서, 중심부를 기준으로 삼면에 관통 홀이 형성된다.
이러한 회전기판(130)의 윗면에는 고정기판(120)의 비아 홀(124)을 거쳐 커플링되어 입력신호를 전달받기 위한 회전기판의 비아 홀(132)과 고정기판(120)의 출력 마이크로 스트립라인들(121, 122)과 커패시턴스 커플링 되는 제 1 개방부(133) 및 제 2 개방부(134)를 구비한다. 그리고 제 1 개방부(133) 및 제 2 개방부(134) 사이의 마이크로 스트립라인은 미앤더 라인(Meander Line) 형태로 이루어지며, 이러한 미앤더 라인(Meander Line) 형태의 길이는 소정의 주파수에 따른 길이로 배열된다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1중 회전기판상에 고정기판이 설치된 상태의 일 예시 평면 구조도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 고정기판(120)은 유전체 기판 밑면에 제 1, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(121, 122)이 형성된 구조를 가지며, 회전기판(130)의 윗 면은 고정기판(120)의 밑면에 제 1, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(121, 122)과 대응되는 적정 위치에 전달 마이크로 스트립라인(131)이 형성되어 맞닿아 있는 구조이므로, 이들 구조는 마이크로 스트립라인(Micro Stripline) 간의 커패시턴스 커플링 구조임을 알 수 있다.
또한, 회전기판(130)의 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 1, 제 2 개방부(133, 134)는 고정기판(120)의 제 1, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(121, 122) 간에 맞닿아 있는 구조로 회전가능하게 구성된다.
고정기판(120)의 입력 마이크로 스트립라인(123)은 입력포트를 통해 신호를 입력받아, 입력 마이크로 스트립라인(123)의 전자기 에너지와 전달 마이크로 스트립라인(131)이 만나는 지점, 즉 제 1 전이지점(140)으로 입력신호가 커플링되어 회전기판(130)의 전달 마이크로 스트립라인(131)으로 전달한다.
그리고 제 1 전이지점(140)과 회전기판(130)의 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 1, 제 2 개방부(133, 134) 간의 거리는 전달 신호의 주파수 대비에 따른 길이의 파장으로 형성하여, 제 1 전이지점(140)에서 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 1, 제 2 개방부(133, 134)로 전달되도록 한다.
이러한 과정을 통해 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 1, 제 2 개방부(133, 134)로 전달된 입력신호는 각각 제 2 전이지점(141)과 제 3 전이지점(142)에서 동시에 커플링된다.
여기서, 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 1, 제 2 개방부(133, 134)는 회로적으로 개방(open end)을 이루므로, 전달 마이크로 스트립라인(131)의 전자기 에너지와 출력 마이크로 스트립라인(121, 122)이 만나는 지점, 즉 제 1, 제 2 개방부(133, 134)의 위치는 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121) 및 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)의 원호 부분과 각각 대응되는 위치에 오도록 형성되며, 도 5a에 도시된 제 2 전이지점(141) 및 제 3 전이지점(142)에서 방사된다.
이러한 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 2 전이지점(141)에서 전달된 신호는 물리적으로 오픈이나 전기적으로 쇼트가 되어 고정기판(120)의 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)으로 전이된다. 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)으로 전이된 신호는 양쪽으로 분배된다. 이렇게 분배된 신호는 제 2 출력포트(126)와 제 3 출력포트(127)로 각각 출력되어 안테나의 각 방사소자(미도시)로 제공된다.
또한, 전달 마이크로 스트립라인(131)의 제 3 전이지점(142)에서 전달된 신호는 물리적으로 오픈이나 전기적으로 쇼트가 되어 고정기판(120)의 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)으로 전이된다. 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)으로 전이된 신호는 양쪽으로 분배된다. 이렇게 분배된 신호는 제 1 출력포트(125)와 제 4 출력포트(128)로 각각 출력되어 안테나의 각 방사소자(미도시)로 제공된다.
이때, 회전체(140)에 결합된 회전기판(130)의 회전 상태, 즉 회전기판(130)의 회전에 따른 회전기판(140) 윗면에 있는 제 1 개방부(133)와 제 2 개방부(134)의 전이지점의 위치에 의해 제 1 ~제 4 출력포트(125, 126, 127, 128)를 통해 출력되는 신호의 위상차가 결정된다.
도 5b를 참조하면, 제 2 전이지점(141)이 제 3 출력포트(127)보다 제 2 출력포트(126)에 가까운 위치에 있을 경우, 제 2 전이지점(141)에서 전이된 신호가 제 2, 제 3 출력포트(126, 127) 방향으로 분배되므로, 제 3 출력포트(127)를 통해 출력되는 신호의 전송라인 길이가 제 2 출력포트(126)를 통해 출력되는 신호의 전송라인 길이보다 길어지게 된다.
이와 같이, 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)에서 각각 제 2, 제 3 출력포트(126, 127)로 분배된 신호들의 전송라인의 길이가 서로 달라짐으로써 제 2, 제 3 출력포트(126, 127)를 통해 출력되는 신호들간의 위상차가 발생하게 된다.
마찬가지로 도 5c를 참조하면, 제 3 전이지점(142)에서 전이된 신호가 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)의 제 1, 제 4 출력포트(125, 128)를 통해 위상차를 가지고 분배되어 출력된다. 제 3 전이지점(142)이 제 1 출력포트(125)보다 제 4 출력포트(128)에 가까운 위치에 있을 경우, 제 3 전이지점(142)에서 전이된 신호가 제 1, 제 4 출력포트(125, 128) 방향으로 분배되므로, 제 1 출력포트(125)를 통해 출력되는 신호의 전송라인 길이가 제 4 출력포트(128)를 통해 출력되는 신호의 전송라인 길이보다 길어지게 된다.
이와 같이, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)에서 각각 제 1, 제 4 출력포트(125, 128)로 분배된 신호들의 전송라인의 길이가 서로 달라짐으로써 제 1, 제 4 출력포트(125, 128)를 통해 출력되는 신호들간의 위상차가 발생하게 된다.
한편, 상기에서 고정기판(120)의 제 1, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(121, 122)들은 라인 길이가 서로 다르게 구성되어 있기 때문에, 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)의 제 2, 제 3 출력포트(126, 127)와 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)의 제 1, 제 4 출력포트(125, 128)를 통해 출력되는 신호들간의 위상 차는 각기 서로 다르게 된다.
예를 들어, 제 1 출력 마이크로 스트립라인(121)의 제 2 출력포트(126), 제 3 출력포트(127)에서 출력되는 신호 간의 위상차가 +1에서 -1까지 가능하도록 설계할 경우에, 제 2 출력 마이크로 스트립라인(122)의 제 1, 제 4 출력포트(125, 128)에서 출력되는 신호 간의 위상차는 +2에서 -2까지 가능하도록 설계할 수 있으며, 이에 따라, 각 출력포트(125, 126, 127, 128)의 위상차를 +2, +1, (0), -1, -2가 되도록 함으로써 안테나를 통해 방사되는 빔의 틸트각을 가변시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 이상기의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 이상기는 고정기판 및 회전기판을 이용한 마이크로 스트립라인 커플링 구조를 통해 입력 신호를 분배하며 다수의 전송선로 간에 길이 차가 발생토록 하여 위상을 가변하므로, 전체적인 제품 사이즈를 작게 할 수 있으며, 스트립라인간의 기구적 접촉에 의한 기계적 마모를 줄일 수 있으며, 보다 향상된 성능의 구현이 가능할 수 있다.

Claims (8)

  1. 가변 이상기에 있어서,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 고정되게 설치되어 일면은 비아 홀을 가지는 입력 마이크로 스트립라인을 구비하여 입력신호를 제공받으며,
    상기 입력 마이크로 스트립라인의 외측으로 원호 형태의 출력 마이크로 스트립라인을 적어도 하나 이상 구비하는 고정 기판부; 및
    상기 고정 기판부의 일면과 맞닿으면서 상기 하우징 내에서 회전가능하게 설치되고, 상기 고정 기판부의 일면과 맞닿는 면에 전달 마이크로 스트립라인을 구비하는 회전 기판부로부터 회전 시에도 커플링이 이루어져 적어도 하나 이상의 출력신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 마이크로 스트립라인은 상기 입력 마이크로 스트립라인의 비아 홀로부터 커플링 되는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전달 마이크로 스트립라인은 개방부를 구비하며, 주파수에 따라 다른 길이로 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전달 마이크로 스트립라인의 개방부로부터 커플링이 이루어지는 출력 마이크로 스트립라인은 적어도 하나 이상의 출력신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 기판부와 회전 기판부 간의 맞닿는 면에는 각각의 형태에 따라 이루어지는 절연막이 장착되는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  6. 가변 이상기에 있어서,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 고정되게 설치되어 일면은 비아 홀을 가지는 입력 마이크로 스트립라인을 구비하며,
    상기 입력 마이크로 스트립라인의 외측으로 원호 형태를 가지며 대면하는 두 개의 출력 마이크로 스트립라인을 구비하는 유전체 기판으로 구성되는 고정기판과;
    상기 고정기판의 일면과 맞닿으면서 상기 하우징 내에서 회전가능하게 설치되며, 상기 고정기판의 일면과 맞닿는 면에 전달 마이크로 스트립라인을 구비하는 회전기판; 및
    상기 고정기판과 회전기판 간의 맞닿는 면에는 각각의 형태에 따라 이루어지는 절연막이 장착되며,
    상기 회전기판과 결합되어 외부로부터 제공되는 회전력에 의해 상기 회전기판을 회전시키는 회전체를 포함하여 회전 시에도 상기 전달 마이크로 스트립라인으로부터 커플링이 이루어지는 두 개의 출력 마이크로 스트립 라인은 각각의 출력신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전달 마이크로 스트립라인은 상기 입력 마이크로 스트립라인의 비아 홀로부터 커플링 되는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전달 마이크로 스트립라인은 일단에 개방부를 구비하며, 주파수에 따라 다른 길이로 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 이상기.
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