KR20130092647A - 방향성 커플러를 포함하는 고주파 전단 장치 - Google Patents

방향성 커플러를 포함하는 고주파 전단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 3개의 -3dB 하이브리드 커플러와 2개의 방향성 커플러가 포함되며, 송신신호 및 수신 신호는 개별 -3dB 하이브리드 커플러에서 각각 분배하고 분배된 신호는 방향성 커플러를 각각 통과한 후 다시 동 위상으로 결합시키고, 수신 경로로 누설되는 송신 신호는 180도 위상차이로 상쇠시켜, 송신장치와 수신장치 사의의 아이솔레이션 성능이 향상되고 과도한 송신 전력 유입으로 인한 수신장치의 파손을 막아주는 고주파 전단 장치가 제공된다

Description

방향성 커플러를 포함하는 고주파 전단 장치 {RF FFRONT-END COMPPRISING DIRECTIOANL COUPLER}
본 발명은 2개의 방향성 커플러와 3개의 3dB 90도 하이브리드 커플러를 포함하는 무선통신시스템의 고주파 전단(Front-End) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신장치로 누설되는 송신신호를 감쇠시켜 송신과 수신장치 사이의 아이솔레이션 성능이 향상된 고주파 전단장치에 관한 것이다.
필터를 이용하여 송수신 신호를 분리할 수 없는 동일한 송수신 주파수 대역을 사용하는 무선통신 시스템의 고주파 전단 장치로서 방향성 커플러, 서큘레이터(Circulator) 그리고 RF 스위치 등이 사용되는데, 특히 방향성 커플러는 써큘레이터(Circulator)에 비해 아주 좋은 광대역 특성을 가지고 있어 상대적으로 넓은 주파수 대역을 사용하는 무선통신 시스템에서 유용하며, RF 스위치는 송수신 동기에 따라 스위치의 경로를 정확히 제어해야 하고, 스위치를 구동하기 위한 전원과 제어회로가 필요하지만 방향성 커플러는 이러한 부가적인 제어 회로의 추가 없이 쉽게 사용이 가능하다.
방향성 커플러는 입력신호의 대부분이 출력으로 전달되는 주요 신호전력 경로(Through)와 주요 신호전력의 일부를 추출하는 커플링 경로(Coupling), 그리고 아이솔레이션 경로(Isolation)가 존재하는데 입력과 출력을 변경하여 사용하게 되면 커플링 경로(Coupling)와 아이솔레이션 경로(Isolation)도 또한 서로 상호 변경되는 대칭형 구조를 가지고 있다.
송신 신호는 주요 신호전력 경로(Through)를 이용하게 되고, 수신신호는 주요 신호전력경로(Through)의 출력포트로 입력되어 아이솔레이션 경로(Isolation)를 이용하게 되는데, 이때 아이솔레이션 경로는 수신신호의 입장에서는 커플링 경로(Coupling)가 된다.
그러나, 수신신호를 입력 받게 되는 아이솔레이션 경로를 통해 송신 신호가 누설되며 누설량의 비율은 일반적으로 -15~20dB 정도로서 통신장비의 수신감도에 영향을 줄 수 있는데, 특히 송신 출력이 크고 수신 감도가 민감할수록 이러한 영향은 커져서 방향성 커플러의 고주파 전단장치로서의 사용이 극히 일부에 제한되어 왔다.
한국특허공개공보 제 10-20050109889호 (공개일: 2005.11.25)
본 발명은 방향성 커플러의 송신 신호가 수신부로 누설되는 전력량을 감쇠시켜 송신과 수신경로 사이의 아이솔레이션 성능이 개선된, 방향성 커플러를 포함한 고주파 전단장치를 제공하는 것을 목적으로 하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신 신호 전력이 수신장치로 누설되는 전력을 감쇠하면서, 송신과 수신을 동시에 할 수 있으며 송신장치 및 안테나 또는 대역통과필터 및 수신장치에 연결되는 3개의 포트를 포함하는 고주파 전단장치가 제공된다.
상기 고주파 전단 장치의 송신 장치에 연결되는 3개의 포트는 -3dB 90도 하이브리드 커플러의 입력 또는 출력에 연결되어 있고, -3dB 90도 하이브리드 커플러는 2개의 출력 또는 입력을 가지며 각각은 방향성 결합기의 입력 또는 출력 포트에 연결 될 수 있다.
상기 -3dB 90도 하이브리드 커플러는 90도 차이의 균등한 전력 레벨로 분배하여 출력하는 2개의 출력 포트를 가지고 있고, 역으로 2개의 출력 포트로 90도 위상차이의 동일 레벨의 전력이 입력될 때 결합된 출력신호가 1개의 입력 포트로 출력되는 회로 구조를 가질 수 있다.
이 회로 구조는 송신 포트로 입력된 송신 신호를 송신 포트에 연결되어 있는 -3dB 90도 하이브리드 커플러에서 90 위상 차이의 균등 전력레벨을 갖는 신호로 분리하고, 분리된 신호는 각각 방향성 커플러의 주요신호전력 경로(Through)를 거쳐 안테나 또는 필터와 방향성 커플러 사이에 연결되어 있는 -3dB 90도 하이브리드 커플러에서 동 위상으로 결합하여 안테나 또는 필터로 출력시키며, 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 경로로 유입된 송신 신호는 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 포트와 수신장치사이의 -3dB 90도 하이브리드에서 180도의 위상차이로 결합시켜 서로 상쇠시킨다.
-3dB 90도 하이브리드 커플러는 브랜치-라인 커플러(Branch-Line Coupler) 또는 90도 위상 지연회로를 포함한 윌킨슨 분배기(Wilkinson divider)중 적어도 하나로 구성 할 수 있다.
-3dB 90도 하이브리드 커플러는 마이크로 스트립 선로(Micro-strip line), 스트립 선로(Strip line), 럼프드 소자(Lumped Element)중 적어도 하나의 방법으로 구현 할 수 있다
본 발명에 따르면, 방향성 결합기를 RF 송수신 전력을 분리하기 위해 사용하는 고주파 전단 장치에 있어서 송신과 수신경로의 아이솔레이션 성능이 향상됨으로써 송신 전력이 수신 경로로의 누설로 인한 수신 감도 저하가 개선되는 동신에 높은 RF 출력 전력에서의 수신장치 회로의 파손 현상이 방지 될 수 있다.
도 1은 일반적인 방향성 커플러를 사용한 고주파 전단장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 커플러를 사용한 고주파 전단장치의 구성을 나타내는 회로도 이다.
도 3은 도2에 도시된 -3dB 90도 하이브리드 커플러 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 방향성 커플러 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
도 1은 일반적인 방향성 커플러(130)를 포함한 고주파 전단장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면 송신장치(110)의 출력포트에 방향성 커플러(130)의 입력포트가 연결되고 수신장치(120)의 입력포트에 방향성 커플러(130)의 아이솔레이션 포트가 연결된다. 방향성 커플러(130)와 안테나 사이에는 필터(140)가 연결된다. 상기 필터(140)는 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링(Filtering) 하는 기능을 수행하며 필요에 따라 사용하지 않을 수 있다.
방향성 커플러(130)는 송신장치(110)로부터 RF신호를 입력 받아 대부분의 전력은 주요신호전력경로(Through)를 통해 출력하고, 출력된 RF송신 전력은 필터(140)를 거쳐 안테나를 통해 송신된다. 안테나로부터 수신된 RF수신신호는 필터(140)를 거친 후 방향성 커플러(130)의 출력 포트로 입력된 후 아이솔레이션(Isolation) 경로를 통해 수신장치로 입력된다. 방향성 커플러는 상호 대칭형 구조를 가지고 있어서 출력 포트로 RF신호가 입력될 경우 입력된 신호의 관점에서는 아이솔레이션(Isolation) 포트가 커플링(Coupling) 포트로, 커플링(Coupling) 포트가 아이솔레이션(Isolation) 포트의 기능을 한다.
이러한 일반적인 방향성 커플러를 사용하는 고주파 전단장치는 송신 신호가 아이솔레이션(Isolation) 경로를 통해 누설되어 수신 신호에 간섭을 주고 수신을 방해 할 수 있다.
이하에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 고주파 전단장치에 대해 설명하기로 한다.
제1 실시예
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 전단장치 (200)의 구성을 나타내는 회로도이다.
도2을 참조하면, 실시예에 따른 고주파 전단장치는 2개의 방향성 커플러(240, 250), 3개의 -3dB 90도 하이브리드 커플러(240, 250, 270)를 포함한다. 상기 3개의 -3dB 90도 하이브리드 커플러는 브랜치 라인 커플러(Branch line Coupler), 윌킨슨 분배기(Wilkinson divider)와 90도 지연회로의 조합등으로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 입력 신호 레벨을 90도 차이를 가지고 -3dB씩 균등하게 분배하는 회로이면 얼마든지 본 발명의 -3dB 90도 하이브리드 커플러(260, 280, 270)로 이용될 수 있다.
실시예에 따른 고주파 전단장치(200)는 송신장치(210)로부터 송신 신호를 입력받는 -3dB 90도 하이브리드 커플러(260)가 포함된다. 이 -3dB 90도 하이브리드 커플러(260)는 입력된 RF 신호를 90도 위상차이를 갖는 균등한 전력레벨로 분배하여 출력한다. 상기 -3dB 90도 하이브리드 커플러(260)에서 분배된 신호는 각각 방향성 커플러(240, 250)의 주요신호전력경로(Through)를 통과한 후 필터(230)와 연결되어 있는 두번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러(280)로 각각 입력되고 이 입력된 신호는 두번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러(280)에서 동일한 위상으로 합쳐져 출력되어 필터(230)로 입력된다. 따라서 한 개의 방향성 결합기를 사용할 때 와 비교하여 송신 신호 출력 레벨의 손실은 거의 없다.
안테나로부터 필터(230)을 거쳐 수신된 RF신호는 두 번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러로 입력되고 각각 90도 위상차이를 갖는 균등한 전력으로 분배되어 2개의 방향성 결합기(240, 250)의 출력 포트로 입력된다. 방향성 결합기는 출력 포트로 입력된 수신 신호를 아이솔레이션 포트를 통해 커플링(Coupling) 하여 세 번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러(270)으로 입력 시킨다. 세 번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러(270)로 입력된 수신 신호는 동일한 위상으로 합쳐져 출력되어 수신장치로 입력된다. 따라서 한 개의 방향성 결합기를 사용할 경우와 비교하여 수신 신호 전력 레벨의 손실은 거의 없다.
송신 신호가 2개의 방향성 결합기(240, 250)를 통과할 때 송신 신호의 전력의 일부가 누설되어 방향성 결합기(240, 250)의 아이솔레이션(Isolation) 포트를 통해 3번째 -3dB 90도 하이브리드 커플러(270)로 입력된다. 입력된 누설 송신 전력은 동일한 전력레벨 및 180도 위상차이로 합쳐져 서로 상쇠되어 수신장치(220)으로는 유입되지 않는다. 따라서 송신 신호의 전력 일부가 두개의 방향성 커플러를 통해 누설되지만 최종적으로 수신장치로는 유입되지 않기 때문에 수신신호에 대한 간섭을 줄이고 수신 감도를 향상 시킬 수 있다.
도 3은 도2의 고주파 전단 장치에 포함되는 -3dB 90도 하이브리드 커플러(3010)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
RF 입력 포트로 입력된 RF 신호는 -3dB씩 균등한 전력 레벨로 90도의 위상차이를 가지고 출력되다.
도 4는 도 2의 고주파 전단 장치에 포함되는 방향성 커플러의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
입력 포트에 RF 신호가 입력되면 주요 신호전력 경로(Through)를 거쳐 대부분의 신호 전력를 주요신호전력 포트(Through Port)로 출력시키며, 일부 전력은 커플링(Coupling) 경로를 거쳐 커플링 포트(Coupling Port)로 출력시킨다.
이때 원하지 않는 일부 전력 신호가 아이솔레이션 포트(Isolation)로 누설된다. 방향성 커플러는 대칭 소자이며 입력과 출력을 서로 바꾸어 사용가능하고, 입력과 출력 즉 입력 포트(Input Port)와 주요신호전력포트(Through Port)를 서로 용도를 바꾸어 사용할 경우 커플링 포트(Coupling Port)와 아이솔레이션 포트(Isolation Prot)의 역할도 서로 바뀌어 동작하게 된다.
이상에서는 방향성 결합기와 -3dB 90도 하이브리드 커플러 만을 사용한 예를 설명하였으나, 방향성을 갖는 3 포트 장치를 연결하고 90도 차이의 균등한 전력레벨을 분배하여 출력하는 장치를 연결하여 본 발명과 동일한 원리를 가지는 다른 실시예의 고주파 전단장치도 구현할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다
100: 일반적인 고주파 전단장치
110,210: 송신장치
120, 220: 수신장치
130, 240, 250: 방향성 커플러
140, 230: 대역 통과 필터
200: 본 발명의 실시예에 따른 고주파 전단장치
260, 270, 280, 310: -3dB 90도 하이브리드 커플러
410: 방향성 커플러

Claims (5)

  1. 송신 신호 전력이 수신장치로 누설되는 전력을 감쇠하면서, 송신과 수신을 동시에 할 수 있는 고주파 전단장치;
    송신장치 및 안테나 또는 대역통과필터 및 수신장치에 연결되는 3개의 포트를 포함하는 고주파 전단장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 전단 장치의 송신 장치에 연결되는 3개의 포트는 -3dB 90도 하이브리드 커플러의 입력 또는 출력에 연결되어 있고, -3dB 90도 하이브리드는 2개의 출력 또는 입력을 가지며 각각은 방향성 결합기의 입력 또는 출력 포트에 연결되어 있는 고주파 전단 장치
  3. 상기 제2항에 있어서
    상기 -3dB 90도 하이브리드 커플러는 90도 차이의 균등한 전력 레벨로 분배하여 출력하는 2개의 출력 포트를 가지고 있고, 역으로 2개의 출력 포트로 90도 위상차이의 동일 레벨의 전력이 입력될 때 결합된 출력신호가 1개의 입력 포트로 출력되는 회로 구조를 가지고 있다
    이 회로 구조는 송신 포트로 입력된 송신 신호를 송신 포트에 연결되어 있는 -3dB 90도 하이브리드 커플러에서 90 위상 차이의 균등 전력레벨를 갖는 신호로 분리하고, 분리된 신호는 각각 방향성 커플러의 주요전력통과 경로(Through)를 거쳐 안테나 또는 필터와 방향성 커플러 사이에 연결되어 있는 -3dB 90도 하이브리드 커플러에서 동 위상으로 결합시켜 안테나 또는 필터로 출력하며, 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 경로로 유입된 송신 신호는 방향성 커플러의 커플링(Coupling) 포트와 수신장치 사이의 -3dB 90도 하이브리드에서 180도의 위상차이로 결합시켜 서로 상쇠시킨다.
  4. 상기 제2항에 있어서
    상기 제 2항에 있어서
    -3dB 90도 하이브리드 커플러는 브랜치-라인 커플러(Branch-Line Coupler) 또는 90도 위상 지연회로를 포함한 윌킨슨 분배기(Wilkinson divider)중 적어도 하나를 포함하는 고주파 전단 장치
  5. 상기 제 2항에 있어서,
    90도 하이브리드 커플러는 마이크로 스트림 선로(Micro-strip line), 스트립 선로(Strip line), 럼프드 소자(Lumped Element)중 적어도 하나의 방법으로 구현한 고주파 전단 장치
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102195235B1 (ko) * 2019-06-17 2020-12-24 주식회사 아이솔루션 스마트 잼머
KR102388847B1 (ko) * 2021-08-30 2022-04-19 국방과학연구소 360도 위상 천이기 및 다기능 메타 안테나 장치

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