지금 이 순간

1. 개요

2. 커플러의 용도

3. 방향성 결합기 구조 및 용도

  가. 방향성 결합기 구조

  나. 방향성 결합기 특성

1. 개요

  - 커플링이란 독립된 공간 또는 선로간에서 전/자계적으로 교류신호에너지가 상호 전달되는 현상

  - 공간적으로 떨어진 경우에도 선로간의 Capacitance 성분에 의해 고주파 RF 신호가 조금씩 전달되는 경우를 Cupling이라고 함

  - 커플링 현상을 이용하여 원하는 만큼의 전력을 추출해서 따올 수 있음

  - 이러한 커플러들은 많은 경우 4포트 대칭구조로서, 입력포트 위치에 따라 나머지 포트들의 용도와 특성들이 결정되기 때문에 directional coupler(방향성 결합기)라고도 불리워짐

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2. 커플러의 용도

 1) Power sampling(전력 추출)

   - 원래 신호보다 아주 작은 신호를 추출, 신호의 특성 체크

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 2) Power Dividing

   - 커플링되는 양을 반으로 전력 배분용으로 사용 가능

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3. 방향성 결합기 구조 및 용도

 1) 방향성 결합기 구조

    - port 1에 입력된 대부분의 신호는 port 2 로 그대로 흘러감

    - 이때, 입력신호의 일부는 도파관 사이에 뚤린 2개의 구멍을 통해 건너편 도파관으로 빠져나오려고 함

    - 여기서 port 4 방향으로 흘러가는 신호를 관찰해보면, 구멍 1을 통과한 신호(①)와 구멍 2를 통과한 신호(②)의 경로길이가 똑같습니다. 고로 구멍을 통과해서 건너간 두 신호 ①과 ②의 위상이 같기 때문에 합산되어 port 4로 출력됩니다. 한편 port 3방향으로 흘러가는 신호를 관찰해보면, 구멍 1을 통과한 신호(③)와 구멍 2를 통과한 신호(④) 의 경로길이는  λ/4 + λ/4 = λ/2 의 차이가 있습니다. 따라서 ③과 ④는 역상이되어 서로 상쇄시키므로, port 3에는 출력신호가 전혀 검출되지 않게 됩니다.

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 2) 방향성 결합기 특성

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     가) 삽입손실 (Insertion Loss) : port 1 에서 port 2 로 전달된 전력
          - 주요 신호 경로에서의 신호 손실양
          - 일반적으로 손실은 적을수록 좋지만, 커플링 되는 양이 크면 삽입손실은 그만큼 늘어날 수밖에 없다.

IL = 10 log (P2/P1)  dB           

     나) 결합도 (Coupling) : port 1 에서 port 4 로 전달된 전력
         - 커플링 포트에서의 커플링된 양
         - 어느정도 양의 커플링 신호레벨이 필요한지에 따라 사용자가 결정하는 값이다.

C = 10 log (P4/P1)  dB             

     다) 격리도 (Isolation) : port 1 과 port 3 간의 전력차
         - port 3 으로 누설된 신호량
         - 원래 아무 신호도 전달되지 않아야 하는 포트이기 때문에, 양이 적을수록 좋다.

I = 10 log (P3/P1)  dB             

     라) 방향성 (Directivity) : port 3 과 port 4 간의전력차
         - 격리도에 대비한 커플링 레벨의 비율.
         - 커플링 레벨에 비해 격리도가 낮아야 좋은 품질의 방향성 결합이 이루어진다.

                                                                          D = 10 log (P3/P4)  dB             
                                                                          D = I - C                                 

<참조>

http://www.rfdh.com/

http://www.rfdh.com/invite/ilab/k4_3c.htm

http://www.srt.kr/kr/products2/products_total.php?category1=1&mclass1_num=19&pcategory1=19

1. 산란계수(S-parameter)

2. 고주파에서 S-Parameter를 사용하는 이유

3. S-parameter 응용 및 예

4. 삽입 손실(Insertion loss)

5. 반사 손실(Return loss)

6. 맺음말

1. 산란계수(S-parameter)

  - 특정주파수에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다.(주파수 영역에서 바라보는 파라미터) 

  - 2 port 네트워크에서 S-parameter는 S11, S12, S21, S22로 표현함

  - 예를 들어 S21 이라하면, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미한다.즉 1번으로 입력된 전력이 2번포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다.

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm

  - a2=0인 경우

          S11=b1/a1, S21=b2/a1

  - a1=0인 경우

          S22=b2/a2, S12=b1/a2

2. 고주파에서 S-Parameter를 사용하는 이유

  - 고주파(높은주파수)에서는 신호의 변화가 너무 빨라, 전압과 전류를 측정하기 어려움 이를 극복하기 위해 입력전압 대 출력전압 의 비로 측정합

  - 주파수영역에서 신호에너지분포 확인이 용이함

  - 고주파신호에 대한 측정/평가 하기가 용이함

<참조>

  -  주파수가 올라갈수록 파형변화가 너무 빨라서 어떤 시점의 절대적인 전압, 전류값을 잡아내기 어려움, 즉 전압 전류를 측정하기가 곤란함

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   -  해결법은 바로 상대적인 값을 잡아 버리는 것입니다! 입력 전압파형이 들어갔을 때 출력 전압파형을 잡고, 그것을 실시간으로 측정하고 그 신호값을 서로 나누게 만드는 것, 그럼 최대값의 비와 두 신호의 위상차를 구할 수 있음

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    - 이러한 계산을 해주는 것이 네트워크 아날라이져(Network Analyser)

    - 내부에 Freq. synthesizer가 있어서 원하는 주파수대역에 설정한 만큼의 number of point수만큼의 주파수를 생성해서 일일이 각 주파수마다 그 S파라미터 값의 크기와 위상을 체크하고, 그것들을 연결해서 도표로 보여주는 것

3. S-parameter 응용 및 예

  - 필터해석에 응용

  - 증폭기해석에 응용

  - 임피던스매칭에 응용

 가. 전형적인 필터의 S-parameter의 형상

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  나. 안테나의 S-parameter의 형상

     - 안테나의 경우 multi-port를 제외하고 일반적으로 입력포트만 존재하기 때문에 S11만 출력된다. 보통 특정 주파수대역에서 S11이 뚝 떨어지는 형상을 취하게 되는데, 방사주파수에서 S11이 크게 떨어진다는 의미는 그 주파수에서 입력전압이 반사되지 않고 최대한 외부로 방출된다는 의미이다. S11이 크게 떨어질수록 SWR도 작아져서 안테나의 방사특성이 좋다는 의미가 되며, 떨어지는 그래프의 폭이 넓으냐 좁으냐에 따라 협대역이냐 광대역이냐가 구분된다

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  다. 전송선로

   -  전송선로의 전송성능을 해석한 경우이다. 이 경우 1번포트에서 2번포트로 전송하는 구조인데, 나머지 포트로 가는 S파라미터들은 불필요한 coupling coefficient를 의미한다. 이를통해 각 선로의 삽입손실, 전달능력, 선로 커플링 등을 체크해볼 수 있다.

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4. 삽입 손실(Insertion loss)

 - S-parameter에서 S21과 S12는 전달계수임

 - S21은 포트 1에서 포트 2로 전달되는 전달계수이며, S12는 포트 2에서 포트 1으로 전달되는 전달계수임

 - 전달계수는 입력전압 대비 수신전압의 비로 나타냄, T=Vt/Vi

 - 삽입 손실은 전달계수를 dB로 표시한 값으로 삽입손실(dB)=-20log|T|

 - 삽입 손실은 BPF 전달 특성의 통과대역 최대레벨과 0 레벨간의 gap을 의미하며, 삽입 손실의 간격이 좁을수록 소자의 특성은 우수함

 - S12, S21 등의 S파라미터를 통해 필터의 삽입 손실을 파악할 수 있음

5. 반사 손실(Return loss)

  - S-parameter에서 S11, S22는 반사계수임

  - 반사계수는 입력전압 대비 반사전압 비로 나타내며, Γ=Vr/Vi, 0<Γ<1

  - 반사손실은 반사계수를 dB로 표시한 값으로 반사손실(dB)=-20*log|Γ|

  - 반사손실은 Γ=0이면, ∞dB가 되며, Γ=1이면 0dB가 됨

  - 임피던스 정합이 잘 되어 있으면 반사손실은 -40dB 정도가 됨

6. 맺음말

  - 고주파수 영역에서는 전압, 전류의 측정이 어려워 진행파나 또는 정재파의 전력과 위상을 측정하는 S-parameter를 사용함

  - S11, S12 등의 S-parameter를 통해 필터의 삽입손실을 파악할 수 있으며, S11과 S22등의 S-parameter를 통해 반사손실을 파악할 수 있음

  - S-parameter 등을 통해 반사파의 특성, 통과대역의 특성 등 고주파 회로의 특성을 정의할 수 있음

<References>

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

1. 전송선로의 해석

  2.2 전파 정수

  2.3 전파속도

3. 무손실 전송

4. 무왜곡 전송

1. 전송선로의 해석

  - 전송선로는 선로의 한 지점에 R,L, C,G 성분이 집중되어 있는 등가회로로 취급할 수 있음

  - 전류가 도선을 타고 흐르면 열손실이 발생해 전압이 줄어들므로 이 성분을 R로 표현, 전류가 흐르면 자기장이 생기므로 이 성분을 L로 표현, (+)극과 (-)극 사이는 아무리 잘 차폐를 해도 누설전류가 생기므로 이 성분을 G로 표현, 전압을 걸어주면 전하가 모이므로 이 성분을 C로 표현

  - 그림 (a)에서 R은 도선에 의한 저항 성분으로 인한 손실이며 G는 두 도선간의 절연 불량으로 발생하는 손실임

  - 그림 (b)는 무손실 선로인 경우로 R=G=0이 된다. 도선상을 통과하는 전류는 L, C 성분에 의해서만 영향을 받음

2. 전송 선로의 특성

  2.1 특성 임피던스

      - 직렬 임피던스: Z=R+jwL

      - 병렬 임피던스: Y=G+jwC

      - 특성 임피던스

  2.2 전파 정수

     - 급전선의 전파 시 거리에 따라 크기가 감소하게 되는데 이것을 감쇄정수(α)라 한다

     - 급전선의 전파 시 거리에 따라 위상이 변하게 되는데 이것을 위상정수(β)라 한다

     - 감쇄정수(α)와 위상정수(β)의 합을 전파정수(γ, Gamma)라 한다

  2.3 전파속도

(위상 정수 β=2π/λ)

3. 무손실 전송

  - 손실이 없는 전송, 전압 및 전류가 항상 일정한 회로

  - 무손실 전송의 조건 R=G=0

  - 특성임피던스

  - 전파정수

 - 전파속도

(위상 정수 β=2π/λ)

4. 무왜곡 전송

  - 송신측에서 보낸 정현파 입력이 수전단에 일그러짐이 없이 도달되는 회로

  - 무왜곡 선로의 조건  LG=RC, 전파정수, 특성임피던스, 전파속도가 모두 주파수에 무관하게 됨

  - 특성임피던스

  - 전파정수

 - 전파속도

(위상 정수 β=2π/λ)