KR100317276B1 - 집중 정수형 아이솔레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집중 정수형 아이솔레이터 구성시 필수 구성요소인 캐패시터와 저항을 PCB를 매개로 접속하여 작업성을 용이하게 하는 한편 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 감쇄량, 즉 입출력 임피이던스의 조정이 용이하도록 된 집중 정수형 아이솔레이터에 관한 것이다.

즉, 발명은 하부 실드 케이스에 안착되는 페라이트를 감싸고 있는 콘덕터가 내입되도록 중앙에 관통공이 형성되고, 상면에는 콘덕터의 3단자가 접속되는 패턴이 인쇄되어 있는 PCB와, 상기 PCB의 패턴에 부착되어 아이솔레이터의 입출력 임피이던스와 그 특성을 조정하는 칩 캐패시터 및 저항을 구비한 것이다.

따라서, 본 발명은 집중 정수형 아이솔레이터의 중요특성을 좌우하게 되는 입출력 임피이던스와 병렬 캐패시턴스를 보다 용이하게 조절할 수 있을뿐만 아니라, 아이솔레이터를 조립하는 작업성을 높일 수 있는 것이다.

Description

집중 정수형 아이솔레이터{Lumped element isolator}

본 발명은 이동 통신시스템의 단말기 또는 기지국 등에 적용되는 집중 정수형 아이솔레이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집중 정수형 아이솔레이터 구성시 필수구성요소인 캐패시터와 저항을 PCB(printed circuit board)를 매개로 접속하여 작업성을 용이하게 하는 한편 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 감쇄량, 즉 입출력 임피이던스의 조정이 용이하도록 된 집중 정수형 아이솔레이터에 관한 것이다.

이동통신의 발달로 통신서비스 수요자가 점점 늘어나면서 단말기와 기지국의 숫자도 증가추세에 있는 데, 이 중 이동통신 단말기는 도1에서와 같이, 안테나(110)와, 듀플렉서(111), 저잡음 증폭기(112), 주파수 변환기(113), 모뎀(114), 콘트롤러 및 주변장치(115), 국부 발진기(116), 주파수 변환기(117), 전력 증폭기(118), 아이솔레이터(119) 등으로 구성되어 있다.

여기서, 기지국의 송신단의 경우 파워 앰프(power amplifier)를 통하여 고전력의 신호를 안테나로 전송하게 되는 데 부적합한 회로설계 및 외부환경의 변화로 인해 부정합이 일어나면 반사전력이 발생하여 기지국 시스템이 파손되거나 시스템 성능을 저하시키는 경우가 있다.

이를 방지하기 위해서 종래에는 도1에서와 같이 아이솔레이터(isolator)를 반드시 구비하게 되는데, 아이솔레이터로는 자성체를 이용한서큘레이터(circulator)를 널리 사용하고 있다.

또 단말기의 경우 송수신할 때 하나의 안테나(101)를 사용하므로 듀플렉서(111:duplexer)를 사용하고 듀플렉서(111)와 전력 증폭기(118) 사이의 반사전력을 방지하기 위하여 아이솔레이터(119)를 사용하여야 한다. 이렇게 기지국과 단말기 등에 사용되는 아이솔레이터(119)는 자성체와 도체기판 그리고 외부 직류자계용 자석으로 구성된다. 자화된 자성체의 특성은 고주파 대역에서 텐서(tensor)로 표시되는 투자율을 갖는 데, 이 때 자성체 매질 내에서의 맥스월 방정식은 텐서 투자율을 포함하여 전개되고, 텐서 투자율에 존재하는 오프 다이어그널(off-diagonal)성분은 비가역성인 성질을 만들어 낸다.

또한, 서큘레이터는 도파관(waveguide), 스트립라인(stripline), 동축 케이블(coaxial) 등으로 구현할 수 있는 데, 이 중 스트립라인에서 자성체 사이에 들어가는 도체기판 형태는 분산형(distributed type)인 경우 원이나 삼각형 모양의 공진기를 사용하며, 이러한 공진기의 물리적인 크기는 파장에 일정하게 비례한다.

현재 사용되고 있는 이동통신 주파수 대역은 3GHz미만의 UHF 대역이므로 분산회로 형태로 구현할 경우 그 크기가 커져 장착하기 어렵고, 또 단말기에 장착할 경우 중량을 상당히 줄여야 함으로 분산형으로 구현하기가 어렵다.

이를 극복하기 위해서는 60년대 중반에 집중정수형(lumped element type)의서큘레이터가 제안되었으며, 그 후로 지속적으로 개선되고 있다.

이동 통신시스템 단말기 및 기지국 등에 적용되는 m-포트 집중 정수형 아이솔레이터(lumped element isolator)는 도2에서와 같이, 마그네트(102:magnet)와, 페라이트(103:ferrite)를 감싸고 있는 콘덕터(104:conductor), 소정의 캐패시턴스(capacitance)와 임피이던스(impedance)값을 갖는 판형 캐패시터(106), 하우징(105:housing) 그리고 상하로 결합되며 상호 전기적으로 연결되어 내부를 실드(shield)하게 되는 상/하부 실드 케이스(101)(107) 등으로 이루어진다.

여기서, 종래에는 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 임피이던스 정합과 특성을 맞추어 주거나 부가되는 캐패시턴스를 생성하기 위하여 도3에서와 같은 판형 캐패시터(106)가 사용되고 있다. 이러한, 판형 캐패시터(106)는 소정 두께와 유전율을 갖는 세라믹판으로 된 것으로서, 판형 캐패시터(106)의 상면에는 콘덕터(104)의 3단자가 접속되는 패턴(109)이 형성되어 있으며, 이 패턴(109)은 미도시된 하우징(105)의 각 접점에 접속되어 있으며, 이 하우징(106)의 접점은 이동통신 단말기 내의 PCB에 접속되어서 신호가 입력 또는 출력되는 외부라인에 연결된다.

그리고, 판형 캐패시터(106)의 저면의 전면에는 접지와 연결되는 패턴이 인쇄되어 있기 때문에 판형 캐패시터(106)의 상면에 인쇄된 패턴(109)과 저면에 인쇄된 패턴 사이의 세라믹의 유전율과, 세라믹의 두께 그리고 패턴(109)의 넓이에 의해 판형 캐패시터의 임피이던스가 결정된다.

그러나, 세라믹에 인쇄된 패턴에 의해 결정되는 임피이던스가 세라믹의 유전율과 두께 그리고 세라믹에 인쇄된 패턴에 의해 결정된 후 완제품으로 조립되기 때문에 집중 정수형 아이솔레이터의 특성변화에 적극적으로 대처하지 못하는 결점이 있다. 다시 말하면, 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 임피이던스를 조절하여 입출력신호의 감쇄특성과 서큘레이션 특성을 조절하고자 하는 경우 이에 상응하는 임피이던스를 갖는 판형 캐패시터를 사용해야 한다는 결점이 있다. 즉, 적절한 임피이던스를 얻을 수 있도록 세라믹의 유전율과 두께 그리고 PCB 패턴 등을 재설계해야 하는 번거로움이 있는 것이다.

또한, 판형 세라믹의 상부와 저부에 각각 패턴을 인쇄해야 하는 번거로움이 있을뿐만 아니라, 판형 캐패시터에 콘덕터의 3단자를 접속한 후 하우징의 접점과 접속되도록 이를 다시 하우징 내에 장착해야 함으로써, 아이솔레이터를 조립하는 작업성이 현저하게 떨어진다는 결점을 가지고 있다.

아울러 완제품 상태에서 낙하 등의 기계적 충격이 인가될 경우 판형 캐페시터는 쉽게 파손될 가능성이 있어 신뢰성이 떨어진다는 결점을 가지고 있다.

상기한 바와 같은 결점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 콘덕터의 3단자를 PCB 패턴에 접속한 후 PCB 패턴에 캐패시터와 저항을 콘덕터에 병렬로 접속하여 집중 정수형 아이솔레이터를 조립하는 작업성 향상과 더불어 제품의 신뢰성을 높일 수 있도록 하는 한편 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 감쇄특성에 상응되게 집중 정수형 아이솔레이터의 입출력 임피이던스를 용이하게 조정할 수 있도록 하는 집중 정수형 아이솔레이터를 제공함에 있다.

도1은 일반적인 이동통신 단말기를 나타내는 구성도이다.

도2는 종래 집중 정수형 아이솔레이터를 나타내는 분리사시도이다.

도3은 종래 집중 정수형 아이솔레이터에서 판형 캐패시터를 나타내는 평면도이다.

도4는 본 발명에 따른 집중 정수형 아이솔레이터를 나타내는 분리사시도이다.

도5는 본 발명에 따른 집중 정수형 아이솔레이터에서 캐패시터나 저항이 부착되는 PCB를 보인 평면도이다.

도6은 본 발명에 따른 집중 정수형 아이솔레이터의 콘덕터를 보인 평면도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 상부 실드 케이스 2 : 마그네트

3 : 페라이트 4 : 콘덕터

5 : 하우징 6 : PCB

7 : 하부 실드 케이스 8 : 칩 캐패시터

9 : 패턴 10 : 관통공

11 : 스트립라인

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 집중 정수형 아이솔레이터는, 페라이트를 감싸고 있는 콘덕터가 평판 캐패시터에 연결되어 하우징 저부에 부착되고, 상기 페라이트 위에 마그네트가 안착되며, 상기 마그네트와 콘덕터 그리고 하우징을 감싸면서 상/하부 실드 케이스가 상하로 결합되어 실드하도록 된 집중 정수형 아이솔레이터에 있어서, 하부 실드 케이스에 안착되는 페라이트를 감싸고 있는 콘덕터가 내입되도록 중앙에 관통공이 형성되고, 상면에는 콘덕터의 3단자가 접속되는 패턴이 형성되어 있는 PCB; 상기 PCB의 패턴에 부착되어 아이솔레이터의 입출력 임피이던스와 그 특성을 조절하는 칩 캐패시터 및 저항을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 콘덕터의 입출력 임피이던스는 칩 캐패시터와 PCB 위의 패턴에 의해 조절될 수 있으며, 상기 캐패시터로는 온도 보상용 NPO(negative positive zero) 캐패시터를 사용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들에 의거하여 본 발명에 따른 집중 정수형 아이솔레이터에 대한 동작을 상세히 서술한다.

아이솔레이터로 사용되는 서큘레이터는 m개의 단으로 구성된 비가역적 수동소자로서, 한 개의 입력단으로 들어온 신호는 인접한 다른 한쪽단으로 결합되나 또 다른 단으로는 분리되는 성질을 갖는다.

통상적으로 쓰이는 서큘레이터는 3-포트가 정합된 부하로 종단된 경우로서, 이는 단방향성을 가진 2-포트 전송선로로 나타내어지며 전달방향의 역방향으로 들어온 신호는 감쇄없이 부하로 흡수된다.

여기서, 서큘레이터의 회전방향은 페라이트를 자화시키기 위해 인가해 주는 직류자계에 의해서 결정되므로, 직류자계의 N극과 S극을 바꾸어 줌으로써 입력단의 신호를 인접한 두 단중에서 하나를 선택하여 전송할 수 있다. 이러한 회전방향의 전환은 페라이트에 인가해주는 자계를 영구자석을 사용하지 않고 전자석을 사용하고 전자석에 흐르는 전류의 흐름을 전환함으로써 이루어질 수 있다.

여기서, 페라이트는 XO·Fe₂O₃로 이루어진 준강자성체(ferrimagnetics)로서, 강자성체(ferromagnetics)와 유사한 자기적 성질을 가지나, 전기 전도도가 낮아 높은 주파수에서 와류전류(eddy current)에 의한 손실을 제한한다.

UHF대역에서 분산형 소자로 설계되는 아이솔레이터는 디스크 공진기나 삼각형 공진기 등을 쓰는 데, 이 때 존재하는 전자계가 TM₁₁모드라고 하면 경계조건에 의하여 베셀함수 J₁(ka)=0을 만족시켜 주어야 한다. 여기서, k는 주파수에 비례하고 a는 크기에 비례하므로 UHF대역에서는 아이솔레이터의 크기가 커지게 된다. 따라서, 주파수가 낮아짐에 따라 페라이트 공진기가 비례하여 커진다는 점을 감안하여 제안된 집중정수형 소자를 이용해서 소형화된 집중 정수형 아이솔레이터는 페라이트 디스크 위에 3개의 코일이 감겨져 있다.

좀 더 상세하게는 각 코일의 자계가 서로 120。의 각을 이루는 스트립라인인 경우 3쌍의 갈라진 도선의 꼬임으로써 코일을 대신하는 데, 서로 절연이 되도록 꼬는 3쌍의 도체선 한쪽을 접지시켜 페라이트 디스크 내의 강한 RF자계를 만들어 준다.

페라이트의 직경을 파장보다 훨씬 작게 하면 페라이트 내에는 RF자계만 존재하는 것으로 근사시킬 수 있다. 아이솔레이터는 실제로 실수 저항값에서 동작하므로 페라이트 내에 저장된 자계 에너지는 같은 양의 전계 에어지로 상쇄시키게 된다. 저장된 자계 에너지를 공진시키기 위해서는 페라이트 디스크 외부에 캐패시터를 달아준다.

집중정수형 소자를 이용한 경우에는 전압, 전류, 임피이던스 관계로 표시할수 있어 KVL(kirchhoff voltage low), KCL(kirchhoff current low)을 직접 적용할 수 있으므로 해석이 용이하나, 상대적으로 작은 공진회로를 사용하므로 Q가 낮아 삽입손실은 정합형태의 아이솔레이터보다 크다.

집중정수형 아이솔레이터에서 공진기는 직렬 혹은 병렬형태로 구성할 수 있으며, 비가역 결합은 도체선으로 이루어진 인덕터의 상호결합에 의해서 생긴다. 즉, 페라이트 디스크면에 수직방향으로 자화된 경우 도체선들이페라이트 공진기에 놓이게 되면 비가역 결합이 이루어진다.

여기서, 효과적인 서큐레이션이 이루어지려면 LC공진기들의 회전적결합이 커야 한다. 즉, 회전적 결합된 도체선이 큰 인덕턴스를 가져야 한다.

집중정수형 아이솔레이터는 서로 교차되는 라인의 넓이를 아주 가늘게 해주어 크로스 오버 캐패시턴스(cross over capacitance)를 없애 주어야 하나, 대전력용의 아이솔레이터는 도체의 두께 및 넓이를 어느 정도 크게 해주어야 하므로 크로스 오버 캐패시턴스를 무시할 수 없어 입력단에 병렬 캐패시턴스가 달린 것으로 생각할 수 있다.

이러한 집중 정수형 아이솔레이터의 일 실시예는 도4에서와 같이, 마그네트(2)와, 페라이트(3)를 감싸고 있는 콘덕터(4), 소정의 임피이던스값을 갖는 칩 캐패시터(8)와 저항이 부착되는 패턴(9)이 형성되어 있는 PCB(6), 이 PCB(6)의 패턴(9)에 부착되는 칩 저항 및 칩 캐패시터(8), 하우징(5) 그리고 상하로 결합된 후 전기적으로 연결되어 내부를 실드하게 되는 상/하부 실드 케이스(1)(7) 등으로 이루어진다.

보다 상세하게는 이동통신 단말기 및 기지국 등에 내장된 PCB에 부착시키기 위한 솔더 패드(solder pad)가 저면에 형성된 하우징(5)의 저부에 PCB(6)가 부착되는 데, 이 때 도5에서와 같이 PCB(6) 상면에 인쇄된 패턴(9)은 하우징에 형성된 솔더 패드에 접속된 접점에 접속되어서 아이솔레이터의 입력과 출력 그리고 접지가 단말기 등에 내장된 PCB에 각각 접속된다. 다시 말하면, 하우징(5) 사출시 내부에는 사출과 동시에 터미널이형성되고, 하우징(5)에 PCB(6)가 결합되면서 터미널에 PCB(6)이 입출력단이 접속되도록 한다.

그리고, 하우징(5)의 중앙에 형성된 관통공(10)에는 인덕턴스를 구현하기 위해서 콘덕터(4)에 의해 감싸여진 페라이트(3)가 내입되는 데, 이 콘덕터(4)의 각 스트립라인(11)은 PCB(6)에 형성된 패턴(9)에 접속된다. 즉, 위에서 설명한 바와 같이 이동통신 단말기 등에 내장된 PCB에 콘덕터(4)의 입력과 출력 그리고 접지를 접속할 수 있도록 각 스트립라인(11)을 PCB(6)의 패턴에 각각 접속하는 것이다.

여기서, 콘덕터(4)는 도6에서와 같이, 각 스트립라인(11)이 서로 120。의 사이각을 가지며, 페라이트(3)에 감겨질 때에도 각각 120。 방향으로 겹쳐져 감긴 후 PCB(6)의 패턴(9)에 접속된다.

여기서, 콘덕터(4)의 인덕턴스는 콘덕터(4)의 구조, 즉 스트립라인(11)의 길이(L)와 폭(W) 그리고 평행한 두 라인의 간격에 따라 결정된다.

또한, PCB(6) 패턴(9)에는 동작주파수에서 필드 서큘레이션(field circulation) 및 아이솔레이션(isolation)이 가능하도록 온도 보상용 NPO 칩 캐패시터(8)와 칩 저항이 부착되며, PCB(6)의 입력과 출력 패턴 및 접지 패턴은 하우징(5) 내의 위치한 접점을 통하여 이동통신 단말기 등에 내장된 PCB에 접속된다.

그리고, 페라이트(3)를 감싸면서 PCB(6) 관통공(10)과 하우징(5) 내에 내입된 콘덕터(4)의 상부에는 자계 인가용 마그네트(2)가 안착되고, 하우징(5)의 상부와 하부에는 마그네트(2)로부터 발생되는 자계를 실드하기 위한 상부 실드 케이스(1)와 하부 실드 케이스(7)가 결합되어 서로 전기적으로 연결되어 있다.

이상에서와 같이 구성된 집중 정수형 아이솔레이터에서 입출력 감쇄특성을 결정하는 입력과 출력 그리고 접지의 임피이던스값 중 인덕턴스값은 콘덕터(4) 스트립라인(11)의 길이(L)와 폭(W) 그리고 평행한 두 라인의 간격에 의해 결정되고, 캐패시턴스값은 PCB(6)에 부착된 칩 캐패시터(8)의 캐패시턴스와 PCB(6) 패턴(9)의 자체 캐패시턴스에 의해 결정되어진다.

특히, 집중 정수형 아이솔레이터의 입력과 출력 그리고 접지의 캐패시턴스와 임피이던스를 PCB(6) 패턴(9)의 자체 캐패시턴스값에 칩 캐패시터와 칩 저항의 임피이던스값을 가산하여 설정함으로써, 아이솔레이터의 입출력 임피이던스를 용이하게 설정할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면 콘덕터의 3단자를 PCB에 접속한 후 PCB에 부착된 캐패시터와 저항을 콘덕터에 병렬로 접속하여 아이솔레이터를 조립하는 작업성을 높일 수 있으며, 외부의 기구적 충격에 강한 고신뢰성 아이솔레이터를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 칩 캐패시터와 칩 저항을 이용하여 임피이던스를 조정함으로써, 아이솔레이터의 입력과 출력 감쇄특성에 상응되는 입출력 임피이던스를 용이하게 조정할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

1. 비가역성 성질을 나타내기 위한 페라이트와, 상기 페라이트 위에 안착되며 외부 자계를 인가하기 위한 마그네트와, 공진기로 사용되어지는 중심도체로서 상기 페라이트를 감싸고 있으며 캐패시터에 연결되어 하우징의 저부에 부착되어 있는 콘덕터와, 상기 페라이트와 마그네트, 콘덕터, 하우징을 감싸면서 상하로 결합된 한쌍의 상부ㆍ하부 실드 케이스를 포함하는 집중 정수형 아이솔레이터에 있어서,

   상기 하부 실드 케이스에 안착되는 페라이트를 감싸고 있는 콘덕터가 내입되도록 중앙에 관통공이 형성되고, 상면에는 콘덕터의 3단자와 접속되며 입출력 캐패시턴스의 조절을 위한 패턴이 인쇄되어 있는 인쇄회로기판 (printed circuit board); 및 상기 인쇄회로기판의 패턴에 부착되어 아이솔레이터의 입출력 임피이던스와 그 특성을 조정하기 위한 칩 캐패시터 및 저항;

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 집중 정수형 아이솔레이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 콘덕터의 입출력 캐패시턴스는 칩 캐패시터와 인쇄회로기판 위의 패턴에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 상기 집중 정수형 아이솔레이터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 캐패시터는 온도 보상용 네가티브 포지티브 제로(negative positive zero) 캐패시터인 것을 특징으로 하는 상기 집중 정수형 아이솔레이터.