KR20200065881A - 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기 - Google Patents

고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동일한 위상 신호를 위상배열안테나의 각 소자 안테나에 공급하되 결함 접지 구조를 활용하여 인위적 선로 길이 조정 없이도 선로의 삽입 손실을 낮추고 포트 간 격리도를 높이며 평면형 구현이 가능하도록 한 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기에 관한 것으로, 결함접지구조 위상지연 전송선로(DGS line)와 일반 마이크로스트립 전송선로(MS line)를 동일한 전기적 길이로 구성함으로써 회로에 구성되는 물리적인 선로 길이는 서로 다르더라도 실질적으로 동일한 위상의 전력을 복수의 서로 다른 안테나에 공급할 수 있는 국부발진기 신호 분배용 전력분배기를 완전 평면으로 구성할 수 있는 효과가 있으며, 평면형 기판에 구성되는 포크 타입 다분주 전력 분배기를 구성한 후 위상 차이가 발생되는 선로의 배면 접지 영역에 2단 결합접지 형상만 식각을 통해 제거하는 것으로 동위상 전력 공급이 가능하도록 하여 위상차 보상을 위해 공정이나 비용이 전혀 추가되지 않도록 하여 경제성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기{Equi-Phase IoT Microwave Power Divider Using Fixed Phase Shifters}
본 발명은 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기로서, 특히 동일한 위상 신호를 위상배열안테나의 각 소자 안테나에 공급하되 결함 접지 구조를 활용하여 인위적 선로 길이 조정 없이도 선로의 삽입 손실을 낮추고 포트 간 격리도를 높이며 평면형 구현이 가능하도록 한 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기에 관한 것이다.
이동통신 기술의 급격한 발전에 따라 2020년으로 예정된 5세대 이동통신 규격, 즉 3GPP LTE Release 16이 확정되기도 전에 전세계 주요 통신 사업자들은 2019년에 사전 규격을 이용한 상용 서비스를 시작할 예정에 있다.
이러한 5세대 이동통신의 주요 기술사항인 대량 다중 입출력(Massive MIMO)과 빔포밍(Beamforming)은 수많은 안테나 소자와 복잡한 급전 회로를 요구하게 되었다. 따라서, 각 안테나 소자에 동위상의 신호를 공급하기 위해 좁은 공간 내에 선로의 길이를 맞추는 방식으로 복잡한 급전선을 배치하는 문제가 존재하였으며, 이는 거대 배열안테나에서는 회로의 복잡도 증가와 성능 저하를 발생시키는 원인이 될 수 있다.
특히, 제한된 이동통신 단말기 내부에 물리적으로 이격된 복수의 안테나 포트에 전력을 분배해야 하는 전력분배기의 경우 전력 공급 포트와 전력을 공급받을 포트 간의 거리가 상이하므로 이러한 거리에 의한 위상차이가 발생하게 되는데, 이를 해결하기 위하여 급전선을 물리적으로 연장할 경우 배선이 복잡해지고 공간이 낭비되는 것은 물론이고 이러한 배선의 형상이나 구조에 의한 전류 흐름은 예상하지 못한 다양한 문제를 야기한다. 또한, 선로 연장이 아닌 인덕터를 구성하여 전기적 거리를 연장하는 방법도 고려해 볼 수 있으나 초고속 무선 통신에 적합하며 설계에 따라 필요한 거리가 제각각인 선로 연장 효과를 위한 인덕터를 구성하는 것도 어렵고 비용과 공간이 소요되는 문제도 발생한다.
한편, 신호 지연 효과를 유도하는 다른 종류의 구성들을 활용해 볼 수 있으나 이러한 구성에 의해 선로의 삽입 손실을 최소화해야 함은 물론이고 복수 안테나 포트에 대한 복수의 분배 선로를 가지며 안테나 주파수보다 높은 설계 대역폭을 가지는 전력분배기의 특성 상 포트간 격리도를 유지하면서 공진을 피해야 함과 아울러 현실적인 적용을 위해서 입체 구조가 아닌 평면형 구조를 가져야 한다는 제한이 있어 사물인터넷(IoT) 환경을 포함하여 다양한 환경에서 이를 만족할 수 있는 새로운 전력 분배기가 필요한 실정이다.
한국 등록특허 제10-1051911호 [메타머티리얼을 이용하여 구성되는 격리부 포함하는 MIMO 안테나 시스템] 한국 등록특허 제10-1400898호 [4x4 MIMO 채널 원형편파 급전 네트워크 시스템]
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 공액위상변위(Phase Conjugation) 방식의 역지향성 배열안테나 (Retro- directive Array)에 공급되는 국부발진기 신호 분배용 전력분배기를 제공하되, 완전 평면형 포크 타입 전력 분배기로서 결함접지구조 위상지연 전송선로(DGS line)와 일반 마이크로스트립 전송선로(MS line)를 동일한 길이로 구성함으로써 회로에 구성되는 물리적인 선로 길이는 서로 다르더라도 실질적으로 동일한 위상으로 복수의 서로 다른 안테나에 전력을 공급할 수 있도록 한 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기를 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 다른 목적은 마이크로스트립 전송선로가 구성된 기판의 배면 접지면에 덤벨형 식각 구조를 구성하여 결함접지구조를 적용하되, 결함접지구조 자체의 공진 특성에 의한 삽입손실 발생을 방지하기 위하여 2단 결함접지구조를 구성하도록 하여 삽입 손실과 반사손실 및 격리도의 특성이 우수한 평면형 다분주 전력 분배가 가능한 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기를 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 다른 목적은 평면형 기판에 구성되는 포크 타입 다분주 전력 분배기를 구성한 후 위상 차이가 발생되는 선로의 배면 접지 영역에 2단 결합접지 형상만 식각을 통해 제거하는 것으로 동위상 전력 공급이 가능하도록 하여 위상차 보상을 위해 공정이나 비용이 전혀 추가되지 않도록 함으로써 경제성을 극대화할 수 있는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기를 제공하는 것이다.
안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트와 단일 전력 공급 포트가 구성되는 기판과; 기판의 일측에 구성되며 전력 공급 포트와 연결되는 분배기 선로와; 기판의 일측에 구성되며 분배기 선로와 각 출력 포트 간을 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로와; 기판의 타측에 구성되는 접지면과; 마이크로스트립 전송선로들 중 물리적 길이가 짧은 마이크로스트립 전송선로의 하부 접지면에 형성되는 결함접지구조 식각 패턴을 포함한다.
일례로서, 결함접지구조 식각 패턴은 사용 대역에서의 공진을 피하기 위하여 단위 결함접지 구조 식각 패턴이 복수로 연속 구성될 수 있다. 한편, 단위 결함접지 구조 식각 패턴은 대응면에 구성된 마이크로스트립 전송선로의 양측면에 각각 구성되는 동일한 크기의 사각형 패턴과 이들을 연결하는 연결 패턴으로 구성될 수 있고, 사각형 패턴은 정사각형일 수 있으며, 이들을 연결하는 연결 패턴은 정사각형 한 변의 길이의 1/3 이하의 선폭을 가질 수 있다.
일례로서, 상기 평면형 신호 분배기는 공액위상변위(Phase Conjugation) 방식의 역지향성 배열안테나 (Retro- directive Array)에 공급되는 국부발진기 신호 분배용일 수 있으며, 포크 타입 전력 분배기일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기는, 안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트와 단일 전력 공급 포트가 구성되는 기판과; 상기 기판의 타측에 구성되는 접지면과; 상기 기판의 일측에 구성되며 전력 공급 포트와 연결되는 분배기 선로와; 상기 기판의 일측에 구성되며 상기 분배기 선로와 상기 복수의 출력 포트들 중 선로 길이의 전기적 변화가 필요하지 않은 출력 포트 사이를 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로와; 상기 분배기 선로와 상기 복수의 출력 포트들 중 선로 길이의 전기적 연장이 필요한 출력 포트 사이를 전기적으로 연결하는 결합접지 위상지연 전송선로를 포함하되, 결합접지 위상지연 전송선로는 분배기 선로와 출력 포트 사이를 기판의 일측에서 연결하는 전송선로와 기판의 타측 하부 접지면 중 상기 전송선로에 대응되는 영역에 형성되는 한 쌍의 결함접지구조 식각 패턴을 포함한다.
본 발명 실시예에 따른 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기는 결함접지구조 위상지연 전송선로(DGS line)와 일반 마이크로스트립 전송선로(MS line)를 동일한 전기적 길이로 구성함으로써 회로에 구성되는 물리적인 선로 길이는 서로 다르더라도 실질적으로 동일한 위상의 전력을 복수의 서로 다른 안테나에 공급할 수 있는 국부발진기 신호 분배용 전력분배기를 완전 평면으로 구성할 수 있는 효과가 있다.
특히, 마이크로스트립 전송선로가 구성된 기판의 배면 접지면에 덤벨형 식각 구조를 구성하여 결함접지구조를 적용하되, 결함접지구조 자체의 공진 특성에 의한 삽입손실 발생을 방지하기 위하여 2단 결함접지구조를 구성하도록 하여 삽입 손실과 반사손실 및 격리도의 특성이 우수한 평면형 다분주 전력 분배기를 구성할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 평면형 기판에 구성되는 포크 타입 다분주 전력 분배기를 구성한 후 위상 차이가 발생되는 선로의 배면 접지 영역에 2단 결합접지 형상만 식각을 통해 제거하는 것으로 동위상 전력 공급이 가능하도록 하여 위상차 보상을 위해 공정이나 비용이 전혀 추가되지 않도록 하여 경제성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 평면형 4분주 전력분배기 구성도를 보인 것이다.
도 2는 평면형 4분주전력 분배기의 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프이다.
도 3은 평면형 4분주전력 분배기의 격리도를 보인 그래프이다.
도 4는 평면형 4분주전력 분배기의 위상을 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상지연 전송선로와 마이크로스트립 전송선로를 대비하여 설명하기위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상지연 전송선로 사용 여부에 따른 전송선로 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상지연 전송선로 사용 여부에 따른 전송선로 위상을 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상천이기를 구비한 평면형 4분주 전력분배기 구조를 보인 것이다.
도 9는 도 8의 구성에 대한 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프이다.
도 10은 도 8의 구성에 대한 위상을 보인 그래프이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상천이기를 구비한 평면형 4분주 전력분배기의 구현예를 보인 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 평면형 4분주 전력분배기 구성도를 보인 것이다.
5세대 이동통신 및 Iot 환경을 비롯한 다양한 응용에서 사용되는 대량 다중 입출력과 빔포밍을 소형 단말장치에 구현하기 위해서 배열안테나에 공급되는 국부발진기 신호 분배를 위한 전력분배기가 차지하는 면적과 공정 난이도를 무시할 수 없게 되었다. 따라서 윌킨슨 전력분배기와 같이 출력 포트간 격리도 특성이 좋은 구성은 격리 저항이 입체적으로 연결되어야 한다는 점에서 적용이 어렵기 때문에 본 발명의 실시예에서는 격리도 특성이 다소 낮더라도 완전 평면형 구현이 가능한 포크 타입(Fork-Type) 전력 분배기를 이용한다.
도 1에 도시된 구성은 완전 평면형 포크 타입 전력 분배기로서, 공액위상변위(Phase Conjugation) 방식의 역지향성 배열안테나(Retro-directive Array)에 공급되는 국부발진기 신호 분배용으로 사용할 수 있다. 도시된 바와 같이 구성 회로는 평면형 구조를 유지하면서 각 포트간의 격리도(Isolation)를 갖고, 주파수는 안테나 주파수의 2배인 신호를 분배한다.
도시된 바와 같이 안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트(42 내지 25)와 단일 전력 공급 포트(41)가 구성되는 기판(10)과, 기판(10)의 일측에 구성되며 전력 공급 포트와 연결되는 분배기 선로(30)와, 기판(10)의 일측에 구성되며 분배기 선로(30)와 각 출력 포트(42 내지 45) 간을 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로(20)와, 도시되지는 않았으나 기판(10)의 타측에 구성되는 접지면을 포함하여 구성된다.
도시된 실시예는 안테나 주파수로서 가장 널리 사용되는 ISM 대역(2.4-2.485GHz)으로 할 경우에 맞추어 설계 대역폭은 4.8GHz-4.97GHz로 한 것이다. 도시된 예시의 나타난 4개의 전송 선로(20) 길이는 통상적인 단말기 배치를 고려하여 통일되지 않는 상황에 맞추어 구성한 것이다.
도시된 바와 같이 출력 포트(42 내지 45) 간의 간격은 배열안테나의 안테나 소자 간 간격을 고려하여 2.4 GHz에서 λo/2인 62.5 mm로 설정하였고, 급전 선로의 선폭은 50Ω인 1.854 mm, 분배기 선로는
Figure pat00001
=100Ω인 0.313 mm로 설계되었다.
이론적 격리 저항(R1 내지 R3)은 70.7Ω이나 각 포트의 균형 유지와 포트별 일정한 격리도를 가질 수 있는 200Ω으로 설정하였다.
사용된 기판의 유전율εr = 4.3이고, 두께가 1.0mm인 FR4 기판이다.
도시된 바와 같이 P1으로부터 P2/P5로의 선로 길이와 P3/P4로의 선로 길이가 상이하기 때문에 이로 인한 위상 지연이 발생하게 된다. P1에서 P2/P5로의 선로 길이는 99.23mm로 1052°의 전기적 길이를 갖고, P3/P4로의 선로 길이는 39.00mm로 413°의 전기적 길이를 갖는다. 따라서 P3/P4로의 선로가 P2/P5로의 선로보다 81° 큰 값을 나타내게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 평면형 4분주전력 분배기의 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프이다. 도시된 바와 같이 4개의 출력 포트에서의 일정한 삽입손실을 갖게 되는데, 측정 결과 약 10dB의 일정한 삽입손실과 15dB 이상의 반사손실을 나타내었다. 손실 저항값을 사용하여 삽입손실이 다소 증가한 결과를 나타내었고, 도 3에 나타낸 바와 같이 각 출력 포트 간의 격리도는 19dB 이상을 나타내었다.
도 4는 평면형 4분주전력 분배기의 위상을 보인 그래프로서, 도시된 바와 같이 입출력 포트간의 위상차는 4.8GHz에서 선로 길이의 차이로 인해 4.8GHz에서 ∠S21과 ∠S51이 약 -96°로 동일하고, ∠S31과 ∠S41이 약 -15°로 동일한 특성을 나타내었다. 따라서 두 선로 그룹의 전달 위상은 출력 포트 3(43)과 4(44)로의 선로 위상이 포트 2(41)과 5(45)로의 위상보다 약 +81°차이가 남을 알 수 있다. 설계 대역인 4.8GHz-4.97GHz에서의 위상 오차는 최소 52.1°에서 최대 81.7°까지 발생하였으며, 이는 각 선로 전체의 위상속도 차이에 의해 관찰되었다.
이러한 선로 길이 차이에 의한 위상 속도 차이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 결함접지구조 위상지연 전송선로를 상대적으로 선로의 물리적 길이가 짧은 출력 포트에 적용한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상지연 전송선로와 마이크로스트립 전송선로를 대비하여 설명하기위한 개념도이다.
위에서 설명한 평면형 4분주 전력분배기는 전송선로의 물리적 길이의 차이로 인해 각 출력 단의 위상차가 발생하게 되는데, 이를 극복하기 위해 결함접지구조 전송선로의 위상지연 특성을 이용하여 동일 위상 출력을 갖는 전력분배회로를 설계한다.
결함접지구조(DGS; Defected Ground Structure)는 저역통과여파기 설계를 위한 공진기 타입으로 최초 제안된 이래 다양한 분야에 응용되어 왔는데, 기판 접지면에 설계된 슬롯은 느린 접지전류를 생성하고 이로 인해 마이크로스트립 선로의 유효 파장을 짧게 만들어 회로의 소형화에 기여해 왔으며 이를 이용한 새로운 마이크로파 회로 설계, 회로면의 전류 제어, 안테나 간 격리도 향상, 평면형 공진기 회로 등의 설계에 응용되어왔다.
본 발명에서는 이러한 결함접지구조의 공진 특성을 고정형 위상 조절 회로에 적용하여 물리적 전송선로의 길이가 다른 전력 분배기의 위상 출력을 동일하게 조절하는데 이용한다.
특히, 본 발명에서는 설계와 적용의 편의성을 위하여 도시된 바와 같이 결함접지구조 위상지연 전송선로(DGS line)(120)와 일반 마이크로스트립 전송선로(MS line)(20)를 동일한 길이(L)와 폭(W)으로 설계하고, 결함접지구조의 위상 지연 특성 차이를 앞서 도시한 전력분배기의 위상차를 조정하는 위상천이 선로로 활용한다.
도시된 결함접지구조 위상지연 전송선로(120)는 결함접지구조(150)를 가진 것으로 기판의 타측 접지면에 형성되는 결함접지구조 식각 패턴(151, 152)을 포함한다.
결함접지구조는 전송선로 하부 접지면에 구성하는 식각 패턴 크기에 따라 그라운드 전류의 흐름이 길어지므로 위상 지연을 늘리기 위해 가급적 큰 결함접지구조 식각 패턴을 만들어야 한다. 그러나 애초에 결함접지구조 자체가 공진기의 특성을 가지고 있으므로 사용 대역인 4.8GHz 대역에서 공진이 발생할 경우 큰 위상 변위 값을 얻을 수는 있으나 삽입 손실이 발생하게 되므로 이를 고려해야만 한다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 결함접지구조의 공진 주파수를 피하면서 원하는 위상 천이 값을 얻기 위해 2단의 결함접지구조를 적용한다. 단위 결함접지구조(151, 152)는 그 면적을 최대화하기 위해 덤벨형 구조를 채택하였다. 이러한 덤벨형 구조는 대응면에 구성된 전송선로의 양측면에 각각 구성되는 동일한 크기의 사각형 패턴과 이들을 연결하는 연결 패턴으로 구성된다. 이 때 사각형 패턴은 정사각형일 수 있고, 이들을 연결하는 연결 패턴은 정사각형 한 변의 길이의 1/3 수준 이하의 선폭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 덤벨형 구조의 크기는 a = 3 mm, b = 3 mm, n = 1 mm로 하였다.
덤벨 양측과 동일 간격인 마이크로스트립 전송선로의 선폭 w = 1.854 mm이고, 예시로 적용한 선로의 길이 L = 17.3 mm이다.
2단의 결함접지구조 배열을 위해 동일한 크기의 단위 결함접지구조를 직렬로 연결하였으며 본 발명의 실시예에서 두 단위 결함접지구조 간의 간격 s = 2 mm로 하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 결함접지구조 위상지연 전송선로 사용 여부에 따른 전송선로 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프이다.
도시된 바와 같이 결함접지구조 위상지연 전송선로와 일반 마이크로스트립 전송선로의 삽입손실과 반사 손실을 비교한 것으로, 결함접지구조 위상지연 전송선로는 복수의 단위 결합접지구조를 적용함에 따라 사용 대역인 4.8GHz－4.97GHz에서 결함접지구조의 공진에 의한 삽입손실을 피한 것을 알 수 있다. 두 선로 모두 1 dB이내의 삽입손실을 나타내며, 반사손실은 결함접지구조 전송선로는 10 dB 내외, 기존 마이크로스트립 전송선로는 20 dB 내외를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 결함접지구조 위상지연 전송선로 사용 여부에 따른 전송선로 위상을 보인 그래프로서, 두 선로의 사용 대역에서의 전송 위상을 비교한 결과이며, 4.8GHz에서 결함접지구조 전송선로의 위상은 약 -41.5°, 마이크로스트립 전송선로의 위상은 약 38°를 나타내어 두 전송선로의 위상차가 약 79.5°의 차이가 생기는 것을 확인하였고 이는 앞서 도 1의 평면형 4분주 전력분배기 출력단의 위상차인 약 81°를 상쇄할 수 있는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 고정 위상 천이기 전체 대역에서의 위상은 79.5°에서 81.5°로 거의 일정한 위상을 나타내었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상천이기를 구비한 평면형 4분주 전력분배기 구조를 보인 것이다.
도시된 바와 같이 안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트(P2, P3, P4, P5)(142 내지 145)와 단일 전력 공급 포트(P1)(141)가 구성되는 기판(100)과, 기판(100)의 일측에 구성되며 전력 공급 포트(141)와 연결되는 분배기 선로(130)와, 기판(100)의 일측에 구성되며 분배기 선로(130)와 각 출력 포트(142 내지 145) 간을 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로(120)와, 기판(100)의 타측에 구성되는 접지면(미도시)과, 마이크로스트립 전송선로(120)들 중 물리적 길이가 짧은 마이크로스트립 전송선로의 하부 접지면에 형성되는 결함접지구조(결함접지구조 식각 패턴)(150)를 포함한다.
이러한 결함접지구조(150)는 사용 대역에서의 공진을 피하기 위하여 단위 결함접지 구조 식각 패턴(151, 152)이 복수로 연속 구성된다.
이러한 단위 결함접지 구조 식각 패턴(151, 152)은 대응면에 구성된 마이크로스트립 전송선로의 양측면에 각각 구성되는 동일한 크기의 사각형 패턴과 이들을 연결하는 연결 패턴으로 구성되는 덤벨형 구조를 가질 수 있다.
여기서, 단위 결함접지 구조 식각 패턴(151, 152)을 구성하는 사각형 패턴은 정사각형일 수 있고, 이들을 연결하는 연결 패턴은 정사각형 한 변의 길이의 1/3 이하의 선폭을 가질 수 있다.
도시된 본 발명의 실시예에 따른 평면형 신호 분배기는 공액위상변위 방식의 역지향성 배열안테나에 공급되는 국부발진기 신호 분배용이며, 완전 평면인 포크 타입 전력 분배기이다.
도시된 실시예에서, 분배 전력 주파수는 4.8GHz-4.97GHz이고, 출력 포트간 간격은 각각 안테나 사용 주파수 대역의 λo/2(도시된 예에서 62.5mm)이며, 마이크로스트립 전송선로의 선폭은 50Ω에 해당하는 폭(도시된 예에서 1.854mm)이며, 분배기 선로의 선폭은 100Ω에 해당하는 폭(0.313mm)이며, 분배기 선로에는 이론적 격리 저항의 2배 이상의 저항이 구성될 수 있다. 도시된 예에서, 격리 저항(R1 내지 R3)은 각 포트의 균형 유지와 포트별 일정한 격리도를 가질 수 있는 200Ω이고, 도시된 기판(100)의 유전율εr = 4.3이고, 두께는 1.0mm인 FR4 기판이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따라 구성한 결함접지구조 위상천이기를 실장한 평면형 4분주 전력분배기의 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 9는 도 8의 구성에 대한 삽입 손실 및 반사 손실을 보인 그래프로서, 도시된 바와 같이 사용 전 대역에서 15dB 이상의 반사손실과 전 대역 거의 일정하게 10dB 이하의 삽입손실을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 결함접지구조 전송선로가 삽입된 포트 3과 4에도 동일한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 10은 도 8의 구성에 대한 위상을 보인 그래프로서, 평면형 전력분배기의 선로 길이 차에 의한 위상 오차를 결함접지구조 위상 천이기에 의해 보정하였으며, 위상지연 전송선로를 4.8GHz에서 설계하여 동일한 위상 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 결함접지구조 위상천이기를 구비한 평면형 4분주 전력분배기의 구현예를 보인 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이 전면부의 회로는 일반 마이크로스트립 전력분배기와 동일한 회로 구조를 보이고 있으며, 도 12에 도시된 후면부에 결함접지구조 식각 패턴이 존재하는 차이점을 보이고 있다. 도 11에서 결함접지구조 식각패턴이 보이는 것은 1mm의 얇은 기판을 사용함에 따라 후면 접지면의 유무에 따라 결함접지구조 식각패턴이 비친 것이다.
이와 같이 기판 제조시 선로 외의 금속을 식각하는 과정에서 결함접지구조 식각 패턴만 적용하면 되기 때문에 별도로 공정이 추가되거나 비용이 증가하지 않으며 실질적인 회로 복잡도나 필요 공간이 증가하지도 않으므로 경제적이고 효과적으로 동일 위상의 마이크로파 전력분배기를 제공할 수 있게 되며, 이는 궁극적으로 거대 배열안테나의 부피 감소와 성능 개선에 기여할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
10: 기판 20: 마이크로 스트립 전송선로
30: 분배기 선로 41: 전력 공급 포트
42~45: 출력 포트 100: 기판
120: 마이크로 스트립 전송선로 130: 분배기 선로
141: 전력 공급 포트 142~145: 출력 포트
150: 결함접지구조 식각 패턴 151, 152: 단위 결함접지 구조 식각 패턴

Claims (7)

  1. 안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트와 단일 전력 공급 포트가 구성되는 기판과;
    상기 기판의 일측에 구성되며 전력 공급 포트와 연결되는 분배기 선로와;
    상기 기판의 일측에 구성되며 상기 분배기 선로와 상기 각 출력 포트 간을 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로와;
    상기 기판의 타측에 구성되는 접지면과;
    상기 마이크로스트립 전송선로들 중 물리적 길이가 짧은 마이크로스트립 전송선로의 하부 접지면에 형성되는 결함접지구조 식각 패턴을 포함하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 결함접지구조 식각 패턴은 사용 대역에서의 공진을 피하기 위하여 단위 결함접지 구조 식각 패턴이 복수로 연속 구성되는 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 단위 결함접지 구조 식각 패턴은 대응면에 구성된 마이크로스트립 전송선로의 양측면에 각각 구성되는 동일한 크기의 사각형 패턴과 이들을 연결하는 연결 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 사각형 패턴은 정사각형이며, 이들을 연결하는 연결 패턴은 정사각형 한 변의 길이의 1/3 이하의 선폭을 가지는 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 평면형 신호 분배기는 공액위상변위(Phase Conjugation) 방식의 역지향성 배열안테나 (Retro- directive Array)에 공급되는 국부발진기 신호 분배용인 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 평면형 신호 분배기는 포크 타입 전력 분배기인 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
  7. 배열안테나에 안테나 주파수 대역의 2배인 신호를 분배하는 평면형 전력 분배기로서,
    안테나 연결을 위한 복수의 출력 포트와 단일 전력 공급 포트가 구성되는 기판과;
    상기 기판의 타측에 구성되는 접지면과;
    상기 기판의 일측에 구성되며 전력 공급 포트와 연결되는 분배기 선로와;
    상기 기판의 일측에 구성되며 상기 분배기 선로와 상기 복수의 출력 포트들 중 선로 길이의 전기적 변화가 필요하지 않은 출력 포트 사이를 전기적으로 연결하는 마이크로스트립 전송선로와;
    상기 분배기 선로와 상기 복수의 출력 포트들 중 선로 길이의 전기적 연장이 필요한 출력 포트 사이를 전기적으로 연결하는 결합접지 위상지연 전송선로를 포함하되,
    결합접지 위상지연 전송선로는 분배기 선로와 출력 포트 사이를 기판의 일측에서 연결하는 전송선로와 기판의 타측 하부 접지면 중 상기 전송선로에 대응되는 영역에 형성되는 한 쌍의 결함접지구조 식각 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정형 위상 천이기를 이용한 동일 위상 IoT 마이크로파 전력분배기.
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