KR0153454B1 - 마이크로 스트립 대역통과여파기 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

마이크로 스트립 대역통과 여파기

제1도는 대역통과 여파기의 기본회로도.

제2도는 종래의 마이크로 스트립 대역통과 여파기.

제3도는 본 발명의 마이크로 스트립 대역통과 여파기.

본 발명은 초고주파 및 위성통신장비의 수신 초단에 사용되는 대역통과 여파기에 관한 것으로, 특히 마이크로 스트립 선로를 이용한 대역통과 여파기에 관한 것이다.

통상적으로 마이크로파 통신에 있어서 수신초단에 장치된 대역통과 여파기(BPF)는 안테나로 수신된 RF신호를 원하는 RF신호만 통과시키고 잡음이나 간섭신호등을 제거하여 통신시스템의 신호 대 잡음비(S/N비)를 개선시키기 위해 저 잡음 증폭기의 앞단 및 뒷단에 설치될 수 있다.

이때 특히 저 잡은 증폭기에 이러한 BPF를 사용하였을 때 삽입손실은 수신기의 감도를 결정하는 잡음지수(Noises Figure)에 직접적인 영향을 주게된다.

그래서 상기 삽입손실을 최소로 하는 것이 필요한데 BPF를 분포 소자인 마이크로 스트립선로를 이용하여 설계하고자 할 때 마이크로 스트립선로가 가지는 구조 및 설계상의 특성을 고려하여야만 할 필요가 있는 것이다.

통상적으로 마이크로 스트립선로는 도체기판 상에 소정의 두께와 폭을 가지는 스트립 도체를 붙인 것이 표준적이며, 이러한 마이크로 스트립선로를 이용한 BPF에서는 그 통과주파수가 X-BAND(8기가 헤르쯔(㎓)) 이상일 경우에 파장이 매우 짧아지기 때문에 선로의 폭(W), 도체기판의 두께(h), 유전율(Er)이 관계하는 선로의 재질 및 선로사이의 간격(S)등과 설계 방식 등에 따라 이론적으로 설계한 것과 실제 제작상의 회로와는 많은 성능 차이가 남을 알 수 있다.

다시 말해서 마이크로 스트립 선로를 이용한 BPF에서는 상기한 선로의 기하학적인 구조에 의해 특성 임피던스(Zo), 결합 특성 및 통과 주파수의 대역폭 등이 제한을 받고 있는 것이다. 따라서 특별히 마이크로 스트립선로를 결합하여 BPF를 설계할 때에는 선로자체의 특성임피던스와 부하임피던스를 고려하여 결합할 필요가 있다. 그 이유는 부하임피던스와 특성임피던스가 같지 않을 때에는 반사파가 발생하여 부하에 공급될 전력이 감소되며, 이로 인해 전력이 감쇠함으로써 공진 Q값 (

) 도 저하되기 때문이다.

제1도는 집중 소자로 구성된 BPF의 기본 회로이며, 제2도는 상기 제1도의 기본 회로를 이용하여 구성한 종래의 병렬 결합 마이크로 스트립 대역통과 여파기로서 상기 제2도의 R2 부분은 상기 제1도의 트랜스포머 T1과 커패시터 C1, C2로 구성된 LC 공진기(R1)의 기본 회로와 등가이다.

상기 제2도에 도시한 바와 같이 병렬 결합 마이크로 스트립 대역통과 여파기는 입력단자(Ms)와 출력단자(MS)에 접속된 특성임피던스 Zo를 가지는 소정 선로폭 Ws를 갖는 스트립 선로 Ms와, 상기 스트립선로 Ms와 직렬 결합되어 소정 선로폭 W1 및 선로 길이 l1을 가지고 소정간격 S1로 반 분리된 제1스트립선로 M1과, 상기 제1스트립선로 M1과 직렬 결합되어 소정 선로폭 W2 및 선로 길이 l2를 가지고 소정간격 S2로 반 분리된 제2스트립선로 M2와, 상기 제2스트립선로 M2와 직렬 결합되어 소정 선로폭 W3 및 선로 길이 l3을 가지고 소정간격 S3으로 반 분리된 제3스트립선로 M3가 5개 부분으로 나뉘어져 연속적 연결을 이루고 P-P'면을 중심으로 대칭구조를 이루고 있다.

상기 종래의 병렬결합 마이크로 스트립선로 BPF에서는 전술한 바와 같이 수신기 초단에서 BPF를 사용했을 때 삽입손실 즉, 결합인자를 고려하여야 하며, 이는 특성 임피던스 등과 관계가 있으며 이 문제는 하기의 식(1)에서 그 관계를 알 수 있다.

상기 식(1)에서 Zoe 및 Zoo는 다시 특성 임피던스 Zo로 나타낼 수 있는데, 즉

로 나타낼 수 있다.

또한 상기 스트립선로의 특성임피던스 Zo는,

로 표현이 가능하다.

결국 상기 식들 (1)(2)(3)을 통해서 마이크로 스트립선로 BPF의 수신기 초단의 삽입손실은 스트립선로 자체의 특성임피던스와 관계가 있으며 이는 선로의 유전율과 관계가 있음을 알 수 있다.

따라서 고주파 RF신호를 수신하는 마이크로 스트립 선로 여파기에서는 대역내의 삽입 손실을 줄이기 위해 상기 제2도의 입출력단의 병렬 결합선로 간격 S1을 줄여야 하는데 이 경우에 있어서 간격을 줄인다는 것은 회로 제작 상 문제점을 유발하게 되어 결국은 회로전체의 전기적 특성에 영향을 주게된다.

또한 마이크로 스트립선로는 그 구조적 특성에 따라 하기의 식(4),(5)에 의거 특성임피던스 Zo가 영향을 받게 되고 그에 따른 Q값 또한 영향을 받을 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 초고주파 마이크로 스트립 대역통과 여파기의 회로를 변경하여, 제작시 유발되는 오차로 인한 전체 회로상의 성능 저하를 최소화하고, BPF의 공진 Q값을 상승시키기 위한 마이크로 스트립 병렬 결합 대역통과 여파기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 마이크로 스트립선로들이 순차적으로 병렬 결합되어 있는 대역통과 여파기에 있어서, 단위 결합선로의 입력측과 출력측의 파장의 선로를 개방하여 새로운 공진기를 형성할 때 전체 회로의 공진 Q를 향상시키고 개방 주 선로의 한 부분에 분지를 내어 50Ω 이상의 높은 임피던스를 갖는 신호를 연결하여, 이를 입출력단에 동일하게 설계하였을 경우 기판 제작상 실현하기 어려운 결합선로 간격의 여유도를 갖도록 함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명일 실시 예에 따른 마이크로 스트립 대역통과 여파기의 구조를 도시한 도면이다.

상기 제3도에 도시한 대역통과 여파기(BPF)는 양측에 스트립선로 Ms로 구성한 제1주선로와 제2주선로를 두고, 직렬 결합 형태로 결합된 다수개의 단위 결합선로들이 상기 제1주선로와 제2주선로 사이에 연결되며, 상기 제1주선로와 제2주선로 각각으로부터 제1 및 제2분지선로가 분지된 구조를 가진다. 이때, 상기 두 개의 분지선로는 스트립선로로 구성하며, 상기 분지선로 중 하나는 입력단자에 다른 하나는 출력단자를 연결한다.

다시 말해, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로는 소정의 특성 임피던스 Zo와 소정의 선로길이 및 소정의 선로폭 Ws를 가지며, 일측을 개방하여 입력측과 출력측에 구비한 스트립선로 Ms로 각각 구성하여 공진기로 동작한다. 상기 제1 및 제2분지선로는 소정의 특성 임피던스와 소정의 결합길이를 가지며, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로 각각의 임의의 한 부위로부터 분지하여 입력단자와 출력단자를 연결하도록 형성한다. 상기 다수개의 단위 결합선로들은 각각 공진기로 동작하며, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로의 개방되지 않은 다른 일측 사이를 직렬 결합 형태로 연결하도록 구성한다.

한편, 상기 스트립선로 Ms들의 선로길이는 본 발명 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 대역통과 여파기의 대역폭에 해당하는 주파수 대역의 중심 주파수 파장의 1/4파장(λ)이 되도록 결정하며, 특성 임피던스는 50오옴(Ω)으로 결정한다. 상기 제1분지선로와 제2분지선로의 특성 임피던스는 상기 제1 및 제2주선로의 특성 임피던스, 즉 50오옴(Ω)보다 높은 특성 임피던스를 가지도록 한다.

또한, 상기 각 단위 결합선로들은 고유의 동일한 선로 폭 및 선로 길이를 가지는 두개의 스트립선로가 소정 간격으로 반 분리된 병렬 결합 구조로 이루어진다.

상기한 단위 결합선로들의 구조를 보다 상세히 살펴보면, 상기 제1주선로를 구성하는 스트립선로 Ms와 직렬 결합되어 소정 선로폭 W1 및 선로 길이 l1을 가지는 제1스트립선로와 제2스트립선로가 소정 간격 S1로 반 분리된 제1단위 결합선로 M1과, 상기 제1단위 결합선로 M1과 직렬 결합되어 소정 선로폭 W2 및 선로 길이 l2를 가지는 제3스트립선로와 제4스트립선로가 소정 간격 S2로 반 분리된 제2단위 결합선로 M2와, 상기 제2단위 결합선로 M2와 직렬 결합되어 소정 선로폭 W3 및 선로길이 l3을 가지는 제5스트립선로와 제6스트립선로가 소정 간격 S3으로 반 분리된 제3단위 결합선로 M3이 P-P'면을 중심으로 대칭구조를 이루고 있는 구조이다. 상기 P-P'면은 상기 제3단위 결합선로 M3의 중심을 양분하는 면이다. 또한 상기 제1단위 결합선로 M1과 대칭되는 단위 결합선로 M1에는 상기 제2주선로를 구성하는 스트립선로 Ms가 연결된다. 즉, 상기한 단위 결합선로들 중 양측 끝단에 위치한 두 단위 결합선로에 상기 제1 및 제2주선로를 구성하는 두개의 스트립선로 Ms를 각각 연결한 구조이다.

상기한 바와 같이 단위 결합선로의 끝단에 1/4λ의 선로길이를 가지며, 일측이 개방된 주선로를 구성하고, 상기 주선로의 한 부위에 50오옴(Ω)보다 큰 특성 임피던스를 가지는 분지 스트립선로로 분지를 내며, 이러한 구조를 입력측과 출력측에 동일하게 설계함으로써 본 발명에 따른 마이크로 스트립 대역통과 여파기를 구현한다. 따라서 상기와 같이 마이크로 스트립 대역통과 여파기를 구현함으로써 상기 대역통과 여파기의 공진 Q값이 증가하여 입력측과 출력측의 단위 결합선로를 구성하는 반 분리된 두 스트립선로 간격 S₂가 증가한다.

이때 상기 대역통과 여파기에서 단위 결합선로의 결합 특성은 선로길이 l₁과 선로간 간격 S₁에 따라 정해지며, 상기 l₁뿐 아니라l₂, l₃이 파장의 1/4(90°)일때 최대 전력 결합이 이루어진다. 또한 상기 분지선로를 분지시키는 위치, 특성 임피던스 및 결합길이는 설계하고자 하는 여파기의 성능에 따라 결정된다.

본 발명이 바람직하기로는 분지 스트립선로를 제1 및 제2주선로가 단위 결합선로와 연결되는 면에서부터 개방된 측으로 58.3° 이격된 지점에 연결하고, 96Ω의 특성 임피던스를 가지도록 하며, 결합길이는 82.48°를 부여함으로써 공진 Q값을 증가시키기 위한 최대 전력을 얻을 수 있음이 컴퓨터 시뮬레이션 결과로서 얻어질 수 있다.

상기 바람직한 일 실시예에 의해 얻어지는 결과로 입력측과 출력측의 단위 결합선로를 구성하는 반 분리된 두 스트립선로 간의 간격 S₁은 0.8㎜ 정도로서 종래기술에 의한 전형적인 간격 0.15㎜ 보다 훨씬 넓은 간격을 갖게 되어 PCB등의 제조상에 용이하도록 하였다.

상술한 바와 같이 본 발명은 입출력단의 50Ω 주 선로를 파장의 1/4로 구성하고 선로의 일부를 분지시켜, 새로이 입출력단을 구성함으로서 여파기의 공진 Q값을 상승시켜 회로의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 병렬결합선로의 간격을 늘림으로써 실제 회로상의 여유도를 증대시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 마이크로 스트립 대역통과 여파기에 있어서, 일측이 개방된 제1주선로 및 제2주선로와, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로의 다른 일측 사이에 직렬 결합 상태로 연결되는 다수개의 단일 결합선로들과, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로 각각의 임의의 한 부위로부터 분지되어 입력단자와 출력단자로 각각 연결되는 제1분지선로 및 제2분지선로로 구성함을 특징으로 하는 마이크로 스트립 대역통과 여파기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1주선로와 상기 제2주선로가 50오옴의 특성 임피던스와 대역폭 중심 주파수 1/4파장의 선로길이를 가짐을 특징으로 하는 마이크로 스트립 대역통과 여파기.
3. 제2항에 있어서, 상기 단위 결합선로가 상기 대역폭 중심주파수 1/4 파장의 선로길이를 가지는 두 개의 스트립선로가 소정 간격으로 반 분리되어 병렬 결합된 구조를 가짐을 특징으로 하는 마이크로 스트립 대역통과 여파기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2분지선로는 상기 제1 및 제2주선로의 특성 임피던스 보다 높은 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 대역통과 여파기.

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