KR930010678B1 - 광대역 교차 빔 집중 소자 서큘레이터용 공통 노드 리액턴스 네트웍 - Google Patents

광대역 교차 빔 집중 소자 서큘레이터용 공통 노드 리액턴스 네트웍 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

광대역 교차 빔 집중 소자 서큘레이터용 공통 노드 리액턴스 네트웍
제1도는 서큘레이터 회로의 동작을 도시하는 개략도.
제2도 및 제3도는 본 발명에 따른 서큘레이터 회로의 제1실시예를 도시한 도면.
제4, 5 및 제6도는 본 발명에 따른 서큘레이터 회로의 제2실시예를 도시한 도면.
제7도는 제2도 및 제3도에 도시한 서큘레이터 회로 및 제4, 5 및 6도의 서큘레이터 회로의 등가 회로를 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 3 : 포트 11 : 알루미늄 기판
10 : 서큘레이터 회로 15a, 15b, 15c : 마이크로스트립 라인 인덕턴스
17a, 17b, 17c : 접지핀 21 :지지 릿지
23 : 페라이트 디스크 25a, 25b, 25c : 마이크로스트립 도체
27a, 27b, 27c : 접지 스트립 28 : 금속화층
31a, 31b, 31c : 마이크로스트립
본 발명은 일반적으로 서큘레이터 회로로 공지된 다중 포트 전력 지향 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비교적 광대역인 집중소자 서큘레이터 회로 (broad band lumped-element circulator circuit)에 관한 것이다.
서큘레이터 회로는 통상적으로 마이크로파 시스템의 부품들 사이에 마이크로파 전력을 지향하기 위한 마이크로파 시스템에 사용된다. 예를 들어, 레이다 시스템에서, 서큘레이터는 방사형 안테나에 송신 신호를 결합시키고, 수신기에 동일한 안테나에 의해 수신된 소정의 신호들을 지향하도록 사용되며, 두 기능 사이에 분리를 유지한다. 마이크로파 주파수 동작을 위한 마이크로파 집적회로에 사용되는 현재의 서큘레이터는 페라이트 마이크로스트립 형태를 포함한다. 페라이트 마이크로스트립 형태에 대한 고려는 크기, 특히 위상 어레이 모듈을 포함한다.
공지된 서큘레이터는 또한 마이크로파 주파수에서, 페라이트 마이크로스트립 서큘레이터에 비해 감소된 크기를 갖을 수 있는 ＂지중 소자＂ 서큘레이터로 공지된 서큘레이터를 포함한다.그러나, 마이크로파 주파수에서 공지된 집중 소자 서큘레이터 형태의 동작 대역폭은 페라이트 마이크로스트립 서큘레이터의 대역폭보다 상당히 작을 수 있다.
다음의 참조 문헌들은 마이크로스트립 서큘레이터 및 집중 소자 서큘레이터를 기술하였다.
1. ＂On Stripline Y-Circulation at UHF,＂ H. Bosma, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-12, pp61-72, 1964. 1.
2. ＂Lumped Element Y Circulator,＂ Y. Konishi, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-13, pp852-865, 1965. 11.
3. ＂Resonance Isolator and Y-Circulator with Lumped-Elements at VHF,＂ J. Deutsch and B. Wiesser, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-2, pp278-282, 1966. 9.
4. A Compact Broad-Band Thin-Film Lumped-Element L-Band Circulator,＂ R.H. Knerr, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-18, pp1100-1108, 1970. 12.
5. ＂An Improved Equivalent Circuit for the Thin-film Lumped-Element Circulator,＂ R.H. Knerr, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-20, pp446-452, 1972. 7.
6. ＂A 4-GHz Lumped-Element Circulator,＂ R.H. Knerr, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-16, pp150-151, 1973. 3.
7. ＂Wideband Operation of Microstrip Circulators,＂ Y.S. Wu and F.J. Rosenbaum, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-22, pp849-856, 1974. 10.
8. ＂Bidirectional Thin-Film Lumped Element Circulator,＂ M. Kitlinski, Electronic Letters, Vol. 10, No. 6, 1974.
9. ＂The Frequency Behavior of Stripline circulator Junctions,＂ s. Ayter and U. Ayasli, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-26, pp197-202, 1978. 3.
10. ＂Broad-Band Stripline Circulators Based on YIG and Li-Ferrite Single Crystals,＂ E. Schloemann and R.E. Blight, IEEE Transactions on Microwave Theory ＆ Tech., Vol. MTT-34, pp1394-1400, 1986. 12.
11. ＂Circulator for Microwave and Millimeter Wave Integrated Circuits,＂ E.F. Schloemam, Proceedings of the IEEE, Vol. 76, pp188-200, 1988. 2.
12. ＂Multiport Lumped Element Circulators,＂ M. Kitlinski, Technical University of Gdansk, Telecommunications Institute 80-852 Gdansk, Majakowskiego 11/12, Poland.
그러므로, 감소된 크기 및 비교적 광대역을 갖고 있는 마이크로파 서큘레이터 회로를 제공하는 장점이 있다.
다른 장점은 공지된 집중-소자 서큘레이터 형태를 사용하는 비교적 광대역인 마이크로파 서큘레이터를 제공할 수 있다.
본 발명에 의해 마이크로파 회로의 공통 접지면에 집중 소자 서큘레이터를 결합하기 위해 집중 소자 서큘레이터 및 공통 노드 리액턴스 네트웍을 포함하는 마이크로파 회로에 사용하기 위한 서큘레이터 회로에 상술한 장점 및 그외의 다른 장점들이 제공된다.
기술된 본 발명의 장점들 및 특징들은 첨부된 도면을 읽으므로써 다음의 상세한 설명으로부터 본 분야에 숙련된 기술자들에게는 용이하게 될 것이다.
다음의 상세한 설명에서, 유사한 부분에는 유사한 참조 번호가 부여되었다.
제1도를 참조하면, 3개의 포트를 갖는 서큘레이터 회로(10)의 이상적인 동작의 개략도가 도시되어 있다. 이상적으로, 서큘레이터는 모든 포트에서 제로 반사율을 갖고 전방에서 제로 삽입 손실을 갖는다. 제1도에 도시한 바와 같이, 이러한 전방에는 포트(1)로부터 포트(2)까지, 포트(2)로부터 포트(3)까지, 및 포트(3)으로부터 포트(1)까지이다. 또한, 서큘레이터는 이상적으로 역방향으로 무한 격리를 제공한다. 제1도에 도시한 바와 같이, 역방향은 포트(1)로부터 포트(3)까지, 포트(2)로부터 포트(1)까지, 및 포트(3)으로부터 포트(2)까지이다.
제2도 및 제3도를 참조하면, 본 발명에 따른 서큘레이터 회로의 한 실시에를 도시하였다. 서큘레이터 회로는 공통 노드 리액턴스 회로를 지지하는 알루미나 기판(11) 및 직렬 공진 회로를 통해 접지에 결합되는 집중 소자 서큘레이터를 포함한다.
직렬 공통 노드 리액턴스 회로를 평행판 캐패시터 및 마이크로스트립 라인 인덕턴스를 포함한다. 알루미나 기판(11)에 형성된 등변 3각형 형태의 금속화 영역(13)은 캐패시터의 제1판을 형성한다. 캐패시터의 제2판은 집중 소자 서큘레이터를 포함하는 구조의 일부분이고 차후에 기술한다. 마이크로스트립 라인 인덕턴스(15a,15b 및 15c)는 금속화 영역(13)의 정점으로부터 방사상으로 연장되고금속화 영역(13) 둘레에 균일하게 배치된다. 인덕턴스의 단부들은 기판(11)의 통해 하향으로 연장되는 각각의 접지핀(17a,17b 및 17c)에 접속되고 기판(11)의 저부상의 금속화 영역(19)에 전기적으로 접속된다. 금속화 영역(19)는 기판(11)상에 배치된 마이크로스트립 회로용 접지판을 포함한다.
지지 릿지(21)은 집중 소자 서큘레이터를 포함하는 구조의 저부상에 형성된 금속화 층(28)을 포함하는 결합 캐패시터의 제2판으로부터 이러한 금속화 영역을 분리하기 위한 금속화 영역(13)의 각각의 측면들 주위에 배치된다.
예를 들어, 결합 캐패시터의 제1판 및 마이크로스트립 라인 인덕턴스(15)를 포함하는 금속화 영역(13)은 박막 사진석판 인쇄 기술에 따라 형성되고,지지 릿지(21)은 현상된 포토레지스트의 영역들을 포함한다.
집중 소자 서큘레이터는 페라이트 디스크(23) 및 페라이트 디스크(28)상에 대칭으로 배치된 3개의 마이크로스트립 도체(25a,25b 및25c)를 포함한다. 각각의 마이크로스트립 도체는 각각의 단부에 공통으로 접속된 제1 및 제2병렬 스트립을 포함한다. 대칭으로 유지하기 위해, 마이크로스트립 도체의 스트립들은 페라이트 디스크의 중앙 영역에서 합쳐진다.
마이크로스트립 도체의 제1단부는 페라이트 디스크(23)의 저부상에 형성된 금속화 층(28)에 페라이트 디스크(23)의 측면을 하향으로 연장하는 각각의 접지 스트립(27a,27b 및 27c)에 접속된다. 마이크로스트립 도체의 제2단부들은 각각의 본딩 스트립(33a,33b 및 33c)를 통해 각각 50오옴의 마이크로스트비(31a,31b 및 31c)에 전기적으로 접속되는 각각의 종단형 금속화 영역(29a,29b 및 29c)에 접속된다. 합쳐진 마이크로스트립 소자들은 적합한 유전층(도시안함)에 의해 서로 분리되고, 도체들의 교차 부분들은 각각의 교차 마이크로스트립 라인들 사이의 결합 캐패시턴스를 포함한다.
페라이트 디스크(23) 및 이에 배치된 소자들을 포함하는 어셈블리는 기판(11)상에 배치된 금속화 영역(13) 및 페라이트 디스크(23)의 저부상에 배치된 금속화 층(28)을 포함하는 평행판 결합 캐패시터의 판들 사이에 유전체로서 작용하는 접착층(35)에 의해 기판(11)로 본드된다. 상술한 바와 같이, 지지 릿지(21)은 기판 (11)상에 형성된 금속화 영역(13) 및 페라이트 디스크(23)의 저부에 형성된 금속화 층(28)을 포함하는 캐패시터 판들 사이에 분리를 유지한다.
집중 소자 회로는 또한 바이어싱 자계(Hdc)를 제공하기 위해 바이어싱 마그네트를 포함한다.
페라이트 디스크(23)의 상부 측면상의 도체 및 유전층은 박막 사진석판 인쇄 기술로 제조되고, 여러 단계들은 유전체 및 도체 교체 영역을 달성하기 위해 사용된다. 페라이트 디스크(23)의 저부면은 또한 박막 사진석판 인쇄 기술을 사용하여 금속화된다.
제4, 5 및 6도를 참조하면, 본 발명에 따른 서큘레이터 회로의 실시에를 도시하였다. 공통 노드 리액턴스 회로 및 집중 소자 서큘레이터를 포함하는 서큘레이터 어셈블리는 기판(111)내에 형성된 보어(bore)에 삽입되고 금속 캐리어(136)에 의해 지지된다.
공통 노드 리액턴스 회로는 마이크로스트립 평행 판 캐패시터 및 마이크로스트립 라인 인덕턴스를 포함한다. 캐패시터의 제1판을 포함하는 금속화 노치 순환 영역(113)은 유전체 디스크(211)의 저부면에 형성된다. 마이크로스트립 라인 인덕턴스(115)는 유전체 디스크(211)의 연부에 금속화 노치 회전 영역(113)의 노치로부터 방사상 외향으로 연장된다. 유전체 디스크(211)의 상부면은 공통 노드 리액턴스 회로의 캐패시터의 제2판을 포함하는 금속화 층(116)을 포함한다.
유전체 디스크(211)의 상부면은 박막 금속화 기술을 사용하여 금속화되고, 유전체 디스크(211)의 저부면상의 금속화 패턴은 박막 사진석판 인쇄 기술로 형성된다.
집중 소자 서큘레이터는 페라이트 디스크(123) 및 페라이트 디스크(123) 상에 대칭으로 배치된 3개의 마이크로스트립 도체(125)를 포함한다. 각각의 마이크로스트립 도체들은 각각의 단부에 공통적으로 접속된 제1 및 제2병렬 스트립을 포함한다. 대칭으로 유지하기 위해, 마이크로스트립 도체의 스트립들은 페라이트 디스크의 중심 영역에서 합쳐진다. 마이크로스트립 도체들의 제1단부는 페라이트 디스크(123)의 저부상에 형성된 금속화 층(128)에 페라이트 디스크(123)의 측면을 하향 연장시키는 각각의 접지 스트립들(127)에 결합된다. 마이크로스트립 도체의 제2단부는 각각의 본딩 스트립(133)을 통해 각각 50오옴의 마이크로스트립(131)에 전기적으로 접속되는 각각의 종단 금속화 영역(129)에 접속된다. 합쳐진 마이크로스트립 소자들은 적합한 유전층(도시안함)에 의해 서로 분리되고, 도체들의 교차 부분은 각각 교차하는 마이크로스트립 라인들 사이에 결합 캐패시턴스를 포함한다.
페라이트 디스크(123)의 상부면상의 도체 및 유전층은 박막 사진석판 인쇄 기술에 의해 제조되고, 여러 단계들은 유전체 및 도체 교차 영역을 달성하는데 사용된다. 페라이트 디스크(123)의 저부면은 박막 사진석판 인쇄 기술을 사용하여 금속화된다.
집중 소자 서큘레이터 회로 및 공통 노드 리액턴스 회로는 도전성 에폭시를 사용하여 접합된다. 특히, 페라이트 디스크(123)의 금속층(128)은 도전성 에폭시 층(130)을 갖는 유전체 디스크(211)의 상부면 금속화층(116)에 부착된다. 공통 노드 리액턴스 회로 및 집중 소자 서큘레이터 회로를 포함하는 어셈블리는 알루미나 기판(111)의 보어 내에 배열되고 공정 땜납(eutectic solder)층(137)을 사용하는 금속 캐리어(136)에 부착된다. 금속 캐리어내의 보어(138)의 직경은 금속화 탭(135) 및 유전체 디스크(211)의 저부면상의 마이크로스트립 라인 인덕턴스 (115)가 땜납 층(137)에 의해 금속 캐리어(136)에 부착되게 한다. 이러한 부착은 공통 접지 판(119)에 마이크로스트립 라인 인덕턴스(115)를 전기적으로 접속시킨다.
또한, 집중 소자 서큘레이터는 바이어싱 자계(Hdc)를 제공하기 위해 바이어싱 마그네트를 포함한다.
제7도를 참조하면, 본 발명의 광대역 서큘레이터 회로의 등가 회로의 개략 회로도가 도시되어 있다. 집중 소자 서큘는 집중 소자 서큘레이터 등가 회로 소자(57,58,59 및 60)으로 표시하였다. 인덕턴스(57)은 병렬 스플리트 마이크로스트립의 유효하게 모드된 인덕턴스를 나타내고, 캐패시터(58)은 중앙 마이크로스트립 교차에 의해 형성된 등가 결합 캐패시턴스이다. 인덕턴스(60)은 등가 마이크로스트립 저항 손실을 나타낸다.
공통 노드 리액턴스의 결합 캐패시터 및 직렬 인덕턴스는 인덕터(55)와 직렬인 캐패시터(53)으로 표시되었다. 인덕터(55)와 직렬인 캐패시터(56)은 직렬 캐패시턴스를 표시한다.
본 발명의 동작을 이해하기 위해, 집중 소자 서큘레이터를 간단히 설명한다. 어떻게 순환되는가를 이해하기 위해, 전향 결합 및 역 격리는 집중 소자 서큘레이터에서 달성되고, 페라이트 특성을 고려할 필요가 있다. DC 바이어싱 자계(Hdc) 및 페라이트내의 전자의 정전 유도하에서 각 회전축이 바이어싱 자계의 방향으로 배열되는 경향이 있다. 외란 자계가 바이어싱 자계의 방향의 수직으로 인가되는 경우, 전자는 페라이트의 댐핑 메카니즘이 평형 세차 궤도를 달성할때까지 배열 축 둘레를 세차한다. 대향된 2개의 순환 편광자계의 경우에, 세차 각도의 방향내의 편광된 자계는 페라이트 물질 특성과 상호작용하고, 반대로 편광된 자계는 상호작용이 작거나 없게된다. 물질 상호작용은 대향된 2개의 순환 편광 자계용의 별개의 공진 주파수를 발생한다. 별개의 공진 주파수는 선형 자계의 회전이 2개의 역회전 순환 편광 자계의 조합을 발생하게 한다.
자기적으로 바이어스된 페라이트 코어는 자계선이 집중 소자 서큘레이터 마이크로스트립들중 한개의 마이크로스트립과 평행(즉, 격리)하고 나머지 마이크로스트립을 교차(즉, 결합)하도록 인입(즉, 평형) 자계를 회전시킨다. 집중 소자 순환 서큘레이션은 마이크로스트립 코일의 자기적으로 바이어스된 페라이트 코어에 의해 비가역 유도성 결합에 의해 달성된다. 예를 들어, 포트(1)에서 발생하는 자계는 페라이트 코어에 의해 회전되고, 포트(1 및 2)에 접속된 전도성 마이크로스트립 코일들 사이에 최대 자기 유도를 제공하여, 포트(3)에 접속된 전도성 마이크로스트립 코일에 최소 자기 유도를 유지한다. 또한, 집중 소자 서큘레이터 형태에 근접한 교차 도체가 각각의 도전성 마이크로스트립 코일들 사이에 견고한 자기 결합을 허용한다는 것을 알 수 있다.
상술한 배경 부분에 참조된 참조 문헌에서, 3포트 집중 소자 서큘레이터의 성능은 등가 집중 소자 모델의 특정 고유값(eigen values)에 의해 분석될 수 있다는 것을 나타낸다. 정방향 및 부방향 회전 고유값들은 페라이트 특성 및 합쳐진 스플리트 도체들의 공진 구조에 의존하는 것을 도시하였다. 비회전 고유값, 대역폭 제한 요소는 집중 소자 서큘레이터의 모든 3개의 도전성 코일에 공통인 결합 네트웍에 의해 균일하게 제어되는 것을 도시하였다. 본 발명에 의하여, 공진 공통 노드 리액턴스 네트웍의 증가된 제어는 비회전 고유값을 허용한다.
제7도의 등가 회로에 비교하여 후술한 것은 3125 가우스의 자기 포화(4IIMs), 150oe의 라인 폭(△H) 및 2325oe의 바이어싱 내부 자계를 갖고 있는 페라이트 디스크의 경우에 본 발명에 따른 서큘레이터 회로의 예시적인 실시예의 회로값들이다.
인덕턴스 57 : 0.46nH
저항기 59 : 1Ω
캐패시턴스 58 : 0.03pF
캐패시턴스 53 : 2.13pF
인덕턴스 55 : 0.214nH
캐패시턴스 56 : 0.0pF
인덕턴스 60 : 0.03nH
상술한 예에 의해, 9.75GHz의 중심 주파수에서, 20dB와 동일하거나 초과인 격리 및 0.5dB와 동일하거나 미만인 삽입 손실에 의해 7.5GHz의 대역폭이 달성된다. 공지된 집중 소자 서큘레이터들의 성능에 비해, 본 발명에 따른 서큘레이터의 이 실시예는 성능에서 5배 개선된다.
상술한 설명은 상당히 감소된 크기에서 옥타브 동작 대역폭을 초과한 마이크로파 주파수에서 유리하게 동작하는 서큘레이터 회로를 기술하였다.
본 발명의 특정 실시예를 설명 및 예시하였으나, 다음의 특허청구의 범위에 의해 한정된 본 발명의 범위 및 원리에서 벗어남이 없이 본 기술분야에 숙련된 기술자들은 다수의 변형 및 변화를 가할 수 있다.

Claims (7)

  1. 공통 접지판을 갖고 있는 마이크로파 회로에 사용하기 위한 서큘레이터 회로에 있어서, 페라이트 디스크를 포함하고, 포트들 사이에 순환 방향의 에너지를 결합하고 순환 방향에 반대 방향으로 포트들 사이에 격리를 제공하도록 구성된 다중 포트들을 갖고 있는 집중 소자 서큘레이터, 및 공통 접지판에 상기 집중 서큘레이터를 공진형으로 결합시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진형 결합 수단이 상기 서큘레이터 수단과 접지판 사이에 직렬로 접속된 평행판 캐패시터 및 마이크로스트립 라인 인덕턴스 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평행판 캐패시터가 페라이트 디스크상의 제1판 및 상기 페라이트 디스크를 지지하는 기판상의 제2판을 포함하고, 상기 마이크로스트립 라인 인덕턴스 수단이 상기 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  4. 제2항에 있어서, 평행판 캐패시터가 페라이트 디스크상의 제1판 및 상기 페라이트 디스크를 지지하는 기판상의 제2판을 포함하고, 상기 마이크로스트립 라인 인덕턴스 수단이 상기 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  5. 공통 접지판을 갖고 있는 마이크로파 회로에 사용하기 위한 서큘레이터 회로에 있어서, 제1 및 제2평행 측면을 갖고 있는 페라이트 디스크, 상기 페라이트 디스크의 상 기 제1평행 면들에 배치되고, 상기 각각의 도체가 제1단부 및 제2단부를 갖고 있으며, 상기 도체의 제1단부가 서큘레이터 회로의 포트들을 포함하는 다수의 마이크로스트립 도체, 상기 페라이트 디스크의 상기 제2평행 측면들에 배치된 제1도전층, 상기 도체의 상기 제2단부들을 상기 도전층에 전기적으로 접속시키기 위한 수단, 상기 제1도전층으로부터 절연성으로 분리되고, 상기 제1도전층으로 캐패시터를 형성하는 제2도전층, 및 상기 제2도전층 사이 및 공통 접지판에 전기적으로 접속되는 스트립 라인 인덕턴스 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2도전층 및 상기 스트립 라인 인덕턴스 수단이 상기 페라이트 디스크를 지지하는 기판상에 배치되는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2도전층 및 상기 스트립 라인 인덕턴스 수단이 상기 제1도전층에 고정되는 유전체 디스크상에 배치되는 것을 특징으로 하는 서큘레이터 회로.
KR1019910014014A 1990-08-15 1991-08-14 광대역 교차 빔 집중 소자 서큘레이터용 공통 노드 리액턴스 네트웍 KR930010678B1 (ko)

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