KR950003713B1 - 평행선로 대역통과여파기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

평행선로 대역통과여파기
제1도는 4단자 평행선로의 단면도.
제2도는 종래의 평행선로 대역통과여파기의 단면도.
제3a도는 제2도에 도시된 대역통과여파기중 i+1번째 2단자 평행선로의 등가회로도.
제3b도는 제2도에 도시된 대역통과여파기의 등가회로도.
제4도는 제2도에 도시된 대역통과여파기중 첫번째와 마지막 2단자 평행선로의 다중결합구조도.
제5도는 본 발명에 따른 평행선로 대역통과여파기의 단면도.
제6도는 제5도에 도시된 평행선로 대역통과여파기의 등가회로도.
제7도는 제4도에 도시된 평행선로 대역통과여파기의 삽입손실 및 입출력 반사계수특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
BL1~BLn+1: 2단자 평행라인 sl1~sl2n+2: 스트립라인
본 발명은 초고주파대역의 신호중 원하는 주파수대역의 신호만 통과시키고 그외의 모든 신호는 제거시키는 대역통과여파기에 관한 것이다.
일반적으로 초고주파대역용 대역통과여파기는 초고주파송신시스템의 출력단, 초고주파수신시스템의 입력단, 및 주파수변환기의 출력단에 사용되어 전송되는 신호의 삽입손실을 줄이면서 신호의 제거능력을 증대시킨다. 이러한 대역통과여파기는 지상초고주파시스템 및 위성통신시스템의 구성에 필요한 증폭김 및 주파수변환기에 유용하게 사용된다. 그리고 초고주파대역용 대역통과여파기는 최근 스트립라인(Strip Line)을 평행하게 배열하여 구성된다. 또한, 스트립라인을 이용한 평행선로 대역통과여파시는 처음 및 마지막 평행선로의 평행선로갭이 일정수치(0.1mm) 이하가 되어 선로의 불연속면을 갖게 된다. 이로 인하여, 설계자는 설계시 대역통과여파기의 삽입손실 및 대역폭을 정확하게 예측할 수 없는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
제1도는 통상의 4단자 평행선로의 구조를 나타내는 도면이다. 제1도에 있어서, 단자들(1,4)는 신호를 유입하기 위한 입력단자들이고, 단자들(2,3)는 신호를 출력하기 위한 출력단자들이며, 간격(d)을 두고 평행하게 배열된 길이(ℓ) 및 폭(W)을 갖는 스트립선로(5,6)로 이루어진다. 여기서 길이(ℓ)은 신호의 파장(λ)의 1/2에 해당하는 값을 갖는다.
제2도는 종래의 계단임피던스공진형 평행선로 대역통과여파기의 단면도이다. 제2도에 있어서, 제1도에 도시된 4단자 평행선로에서 단자들(3,4)이 오픈된 형태를 갖는 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)이 계단형태로 연속적으로 결합되어 있다. 그리고 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)은 각각 다른 크기의 평행선로갭(dl~dn+1)을 갖도록 배열된 스트립선로들(SL1~SLn+1)로 이루어져 있다. 또한, 임피던스 Z0는 입력라인 및 출력라인의 특성 임피던스를 나타낸다.
제3a도는 제2도에 평행선로 대역통과여파기중 임의의 i+1번째 2단자 평행선로(BLi+1)의 등가회로도이다. 제3a도에 있어서, 어드미턴스인버터(j(i,i+1))는 특성임피던스가 대역통과여파기의 입출력 라인의 특성임피던스(Z0)와 동일한 값을 갖고 λ/4길이의 입출력선로(30,31)를 갖는다.
제3b도는 제2도에 도시된 평행선로 대역통과여파기의 등가회로도이다. 제3b도에 있어서, n+1개의 어드미턴스인버터들(J(0,1)~j(x,n+1))은 각각 λ/4길이의 입출력선로들(L1~L2n+2)을 통해 직렬로 접속된다. 그리고 λ/4길이의 입출력선로들(L1~L2n+2)은 대역통과여파기의 입출력임피던스 Z0와 동일한 값을 갖는다. 그러므로 제2도에 도시된 각 2단자 평형선로들(BL~BLn+1)의 이븐모드(EVENMODE:입력) 및 오드모드(ODD MODE; 출력) 임피던스(Zoe,Zoo)는 다음과 같이 된다.
Zoe(i,i+1)=Zo(1+(Zo·J(i,i+1))+(Zo·J(i,i+1)2)………………식(1)
Zoo(i,i+1)=Zo(1-(Zo·J(i,i+1))+(Zo·J(i,i+1)2)………………식(2)
상기 식(1)과 식(2)에 의하여 제2도에 도시된 대역통과여파기중 첫번째 평행선로(BL1) 및 마지막 평행선로(BLn+1)의 이븐모드 및 오드모드 임피던스를 산출하면, 첫번째 평행선로의 이븐모드 및 오드모드 임피던스(Zoe(0,1), Zoo(0,1))는 각각 마지막 평행선로의 이븐모드 및 오드모드 임피던스(Zoe(x,x+1), Zoo(x,x+1))와 동일하게 된다. 그리고 실제로 이븐모드 및 오드모드 임피던스의 값을 가지고 제2도에 도시된 첫번째 및 마지막 평행선로(BL1,BLn+1)를 구성하는 스트립 라인들(SL1,SL2,SL2n+1,SL2n+2)의 폭(W) 및 스트립선로들간의 간격(d)을 구하면, 스트립라인들간의 간격(d)의 값은 통상의 프린트회로기판(Print Circuit Board; 예를들면 테프론, 에폭시기판등)에서 구현하기 어려운 값인 0.1mm 이하가 된다.
상기 스트립선로간의 간격이 통상의 프린트회로기판에서 구현될 수 없는 값인 0.1mm 이하가 되어 스트립선로 대역통과여파기를 구현할 수 없는 문제점을 해결하기 위하여 일본의 미쯔오 마키모트(MITSUO MAKIMOTO) 및 사다히코 야마시타(Sadahiko Yamashita)가 "Strip-Lineresonator Filters Having Multi-coupled Sections(IEEE MTT-S DICEST. pp 92~94, 1983)이란 논문에 제2도에 도시된 대역통과 여파기중 처음과 마지막 2단자 평행선로(BL1,BLn+1)를 제4도에 도시된 바와 같이 다중결합시켰다. 하지만 제4도에 도시된 다중결합구조의 평행선로를 포함하는 대역통과여파기는 제4도중 다중결합부분(30,31)에서 스트립선로들이 불연속을 이루기 때문에 해석상 오차가 발생한다. 그리고 상기 해석상의 오차로 인하여, 설계시 설계자는 설계된 대역통과여파기의 삽입손실 및 대역폭을 정확하게 예측할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 여파기 양끝단에 위치한 스트립 평행선로들간의 간격을 넓히면서 스트립선로의 불연속면이 없는 계단임피던스공진형 평행선로 대역통과여파기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 계단형태로 연속적으로 배열된 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로를 포함하는 평행선로 대역통과여파기에 있어서; 상기 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로들의 선로폭이 교번적으로 증감되도록 평행선로를 배열하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
제5도는 본 발명에 따른 평행선로 대역통과여파기의 단면도이다. 제5도에 있어서, n+1개의 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)이 계단형태를 갖도록 연속적으로 배열되어 있다. n+1개의 평행선로들(BL1~BLn+1)를 구성하기 위하여 각각 정해진 간격(d1~dn+1)를 두고 나란히 배열된 n+1쌍의 스트립선로들(SL1~SL2n+2)은 인접하는 스트립선로의 폭보다 현저히 크거나 작은 폭(W)을 갖고 처리할 신호의 파장λ)의 1/4이 되는 값의 길이를 갖는다.
제6도는 제5도에 도시된 평행선로 대역통과여파기의 등가회로도이다. 제6도에 있어서, n+1개의 어드미턴스인버터(J(0,1)~J(n,n+1))는 입출력단자폭에 λ/4길이의 입출력선로들(L1~L2n+1)을 포함한다. 그리고 각 어드미턴스인버터(J(0,1)~j(n,n+1)의 λ/4길이의 입출력선로들(L1~L2n+2)의 특성 임피던스는 다른 어드미턴스인버터는 λ/4길이의 선로들의 특성임피던스와 다른 값인 Zo(i+1)으로 설정된다.
제6도에 도시된 1/4λ 길이의 입출력선로들(L1~Ln+1)의 특성임피던스 Zo(i+1)에 의해서 제5도에 도시된 각 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)의 이븐모드 및 오드모드 임피던스(Zoe,Zoo)는 다음과 같이 된다.
Zoe(i,i+1)=Zo(i+1)(1+(Zo(i+1)·J(i,i+1))+(Zo(i+1)·J(i,i+1)2)………식(3)
Zoo(i,i+1)=Zo(i+1)(1-(Zo(i+1)·J(i,i+1))+(Zo(i+1)·J(i,i+1)2)………식(4)
상기 식(3) 및 식(4)에 의하여, 제5도에 도시된 평행선로 대역통과 여파기중 양끝의 2단자 평행선로(BL1,BL2)의 이븐모드 및 오드모드 임피던스를 연산하면, 첫번째의 2단자 평행선로(BL1)의 이븐모드 및 오드모드 임피던스(Zoe(0,1),(Zoo(0,1))는 마지막의 2단자 평행선로(BLn+1)의 이븐모드 및 오드모드임피던스(Zoe(n,n+1), Zoo(n,n+1))은 동일한 값을 갖지 않는다. 그렇지만 회로의 대칭성을 위하여, 제5도에 도시된 대역통과여파기를 구성하는 2단자평행선로들(BL1~BLn+1)들중 중앙에 위치하는 i번째의 평행선로(BLi)의 1/4λ길이의 입출력선로(L2i_,L2i)의 특성임피던스(Zo(i))를 동일하게 설정하면, 첫번째 2단자평행선로(BL1)의 이븐모드 및 오드모드 임피던스(Zod(0,1), Zoo(0,1))는 각 n++1, 번째 2단자평행선로(BLn+1)의 이븐모드 및 오드모드임피던스(Zoe(n,n+1), Zoo(n,n+1)와 같은 값을 갖게 된다. 또한, 실제로 구한 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)의 이븐모드 및 오드모드임피던스들(Zoe(0,1)~Zoe(n,n+1), Zoo(0,1)~Zoo(n,n+1)에 의하여 2단자 평행선로들(BL1~BLn+1)의 스트립선로들(SL1~SL2n+2)의 폭과 간격을 구하면, 스트립선로간의 간격들(d1~dn+1)의 값이 모두 일반 프린트회로기판에서 구현하기 손쉬운 값인 0.15mm 이상이 된다.
제5도에 도시된 평행선도 대역통과여파기가 7개의 2단자 평행선로를 갖는다고 가정했을 경우, 7개의 2단자평행선로(BL1~BL7)를 구성하는 스트립선로들(SL1~SL14)의 폭(W)과 스트립선로간의 간격(d)의 값이 아래의 표에 기재되어 있다.
그리고 제7도는 상기 표에 기재된 내용에 따라 제작된 평행선로 대역통과여파기의 삽입손실 및 입출력반사계수 특성이다. 제7도에 있어서, 70은 삽입손실특성을 나타내고, 71은 입출력반사계수특성을 나타낸다.
본 발명은 여파기의 공진기 길이를 λ/2로 유지시켜주고 여파기의 양끝단에 위치한 평행선로 갭의 수치를 불연속면의 증가없이 일반 PCB(테프론, 에폭시,…) 기판에 구현 가능한 수치(0.15mm이상)로 증가시켜 줄 수 있는 해석방법 및 구조의 제공에 있는 것이다.
이를 구성하기 위한 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
본원의 제5도는 본 발명의 구성도를 보인 것이다. 본 발명에 의한 대역통과여파기는 제5도에 나타난 바와 같이, n+1개의 2단자 평행선로의 연속적인 결합으로 구성되어져 있는 것이다.
종래 기술에 의한 제2도의 대역통과여파기에서는 임의의 i+1번째 2단자 평행선로의 등가적인 모델을 제3a도에 나타난 바와 같이 어드미턴스 인버터 J(i,i+1)와 인버터 좌우에 특성임피던스가 Zo인 λ/4의 선로가 연결되어 있는 상태로 보았다.
본 발명에서 특징적인 사실은 제3b도에 나타난 바와 같이 n+1개의 2단자 평행선로에서 n+1개의 어드미턴스 인버터 좌우에 위치한 2n+2개의 λ/4선로 임피던스를 Zo의 동일한 값으로 설정한 사실이다. 이러한 방법에 의하여 대역통과여파기를 구성하는 n+1개의 2단자 평행선로의 even mode, odd mode 임피던스는 다음과 같다.
Zoe(i,i+1)=Zo*[1+(Zo*J(i,i+1))+(Zo*J(i,i+1)**2)]……………식(1)
Zoo(i,i+1)=Zo*[1-(Zo*J(i,i+1))+(Zo*J(i,i+1)**2)]……………식(2)
위에서 나타난 식(1)과 식(2)에서 의하여 평행선로 대역통과여파기의 양끝단 even mode, odd mode 임피던스를 구하여 보면 양끝단의 even mode, odd mode 임피던스값 [Zoe(0,1), Zoo(0,1)]과 [Zoe(n,n+1), Zoo(n,n+1)]은 동일한 값으로 얻어지는 사실을 알 수가 있으며, 또한 실제 구한 값을 가지고 평행선로의 제1도의 폭과 갭을 구하여 보면 평행선로의 갭의 수치가 일반 PCB(테프론, 에폭시,…)에서 구현하기 어려운 값이라는 사실(0.1mm이하)을 알 수가 있다. 이러한 사실이 종래 기술인 제2도에 나타난 방법의 문제점이며, n+1개의 어드미턴스 인버터 좌우에 위치한 λ/4 선로의 특성임피던스를 동일한 값인 Zo로 설정한 사실이 본 발명과의 중요한 차이점인 것이다.
본 발명에서 종래의 방법과 다르게 적용한 내용을 기술하면 다음과 같다.
본 발명에서는 제6도에 나타낸 바와 같이 i+1번째 위치한 2단자 평행선로의 등가모델을 어드미턴스 인버터 좌우에 위치한 λ/4 길이선로의 특성 임피던스를 동일한 값이 아닌 Zo(i+1)으로 설정하였다.
본 발명의 방법에 의하여 대역통과여파기를 구성하는 n+1개의 2단자 평행선로의 even mode, odd mode 임피던스는 다음과 같다.
Zoe(i,i+1)=Zo(i+1)*[1+(Zo(i+1)*J(i,i+1)]+[Zo(i+1)*J(i,i+1)**2)]……식(3)
Zoo(i,i+1)=Zo(i+1)*[1-(Zo(i+1)*J(i,i+1)]+[Zo(i+1)*J(i,i+1)**2)]……식(4)
본 발명에 의한 방법으로 구한 식(3)과 식(4)에 의하여 평행선로 대역통과여파기의 양끝단 even mode, odd mode 임피던스를 구하여 보면 처음단의 even mode, odd, mode 임피던스값 [Zoe(0,1),Zoo(0,1)]과 마지막단의 even mode, odd mode 임피던스값 [Zoe(n,n+1), Zoo(n,n+1)]은 일반적으로 동일한 값은 아니다. 그렇지만 회로 설계의 대칭성을 위하여 본 발명에 의한 대역통과여파기의 중간단을 기준으로 좌우에 있는 2단자 평행선로의 특성임피던스 Zo(i)값을 동일한 값으로 설정하면, 양끝단의 even mode, odd mode 임피던스값 [Zoe(0,1), Zoo(0,10)]과 [Zoe(i,i+1), Zoo(i,i+1)]를 동일한 값으로 얻어낼 수가 있다.
또한, 실제 구한 even mode, odd mode 임피던스값을 가지고 평행선로의 폭과 갭을 구하여 보면 갭의 수치가 일반 PCB에서 구현하기 쉬운 값(0.15mm 이상)으로 얻어질 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 특징으로서 제2도의 종래 기술에 의해 설계된 대역통과여파기와 본 발명에 의한 대역통과여파기의 설계된 2단자 평행선로 폭을 설명하겠다.
종래 기술에서는 최종적으로 구현된 2단자 평행선로의 폭이 제2도에 나타난 바와 같이 양끝단을 제외하고 보면 대역통과여파기의 중간단을 기준으로 약간씩 줄어든다. 그러나, 이러한 2단자를 평행선로의 폭 감소는 크게 차이가 발생하지 않기 때문에 육안으로는 심한 차이가 발생하지 않는다.
본 발명에 의한 최종적으로 구현된 대역통과여파기에서는 제5도에 나타난 바와 같이 대역통과여파기의 처음단에서 마지막까지 2단자 평행선로 폭의 길이가 증감을 반복하는 구조로 나타난다.
상술한 상항은 본 발명이 갖는 대역통과여파기의 구조적 특징이다.
본 발명이 종래의 방법에 의하여 구한 2단자 평행선로의 갭보다 일반 PCB에서 구현하기 쉬운 값으로 얻어지는 이유는 다음과 같다.
일반적으로, 평행선로의 폭과 갭은 even mode, odd mode 임피던스에 의해 결정되는 데 이러한 even mode, odd mode 임피던스의 차가 크면클수록 평행선로의 갭이 넓어지게 된다. 본 발명에서는 제6도의 λ/4선로의 특성임피던스를 Zo보다 큰 Zo(i) 값으로 설정하기 때문에 상기에서 기술한 결과가 된다.
상술한 바와 같이 구성한 본 발명은 계단형 임피던스 공진기 구조를 이용한 대역통과여파기는 처음단과 마지막단의 평행선로 갭 수치를 일반 PCB(테프론, 에폭시, …)에서도 쉽게 구현할 수 있는 값으로 만들어 주는 제작상의 장점을 제공하며, 이로 인하여 대역통과여파기의 특성치에 따른 설계폭을 넓혀주며 설계치와 측정치의 일치도를 높혀준다. 또한, 대역통과여파기는 평행선로 갭의 수치에 있어서, 구현할 수 있는 폭이 넓어지기 때문에 대역통과여파기의 삽입손실을 줄이고 대역폭을 넓힐 수 있다. 상기 본 발명에 의해 제작된 대역통과여파기는 평행선로 갭의 수치에 있어서 구현할 수 있는 폭이 넓어지기 때문에 대역통과여파기의 제거손실을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 계단형태로 연속적으로 배열된 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로를 포함하는 평행선로 대역통과여파기에 있어서; 상기 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로들의 선로폭이 교번적으로 증감되도록 평행선로를 배열하는 것을 특징으로 하는 평행선로 대역통과여파기.
  2. 제1항에 있어서; 상기 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로들의 특성임피던스의 값이 서로 다르게 설정됨을 특징으로 하는 평행선로 대역통과여파기.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 2개 이상의 2단자 평행선로의 배열형태가 여파기의 중앙을 기준으로 대칭특성을 갖도록 중앙위치 좌우에 있는 2단자 평행선로의 특성임피던스의 값이 동일하게 설정됨을 특징으로 하는 평행선로 대역통과여파기.
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