방향성 커플러는 마이크로파 측정 및 기타 마이크로파 시스템에서 표준 마이크로파/밀리미터파 부품입니다. 전력 모니터링, 소스 출력 전력 안정화, 신호 소스 분리, 송수신 주파수 스위핑 테스트 등과 같은 신호 분리, 분할 및 혼합에 사용될 수 있습니다. 방향성 마이크로파 전력 분배기이며, 최신 스위핑 주파수 반사계에서 필수적인 부품입니다. 일반적으로 도파관형, 동축선형, 스트립선형, 마이크로스트립형 등 여러 유형이 있습니다.
그림 1은 구조의 개략도입니다. 이 구조는 주로 주선과 보조선 두 부분으로 구성되며, 다양한 형태의 작은 구멍, 슬릿, 틈새를 통해 서로 연결됩니다. 따라서 주선 끝단의 "1"에서 입력되는 전력의 일부는 보조선으로 연결됩니다. 파동의 간섭 또는 중첩으로 인해 전력은 보조선을 따라 한 방향(정방향)으로만 전달되고, 반대 방향(역방향)으로는 거의 전달되지 않습니다.
그림 2는 교차 방향 커플러이며, 커플러의 포트 중 하나는 내장된 정합 부하에 연결되어 있습니다.
방향성 커플러의 응용
1. 전력 합성 시스템의 경우
3dB 방향성 커플러(일반적으로 3dB 브리지라고 함)는 아래 그림과 같이 다중 반송파 주파수 합성 시스템에 주로 사용됩니다. 이러한 회로는 실내 분산 시스템에서 흔히 사용됩니다. 두 개의 전력 증폭기에서 출력된 신호 f1과 f2가 3dB 방향성 커플러를 통과하면 각 채널의 출력에는 두 개의 주파수 성분 f1과 f2가 포함되며, 각 주파수 성분의 진폭은 3dB 감소합니다. 출력 단자 중 하나를 흡수 부하에 연결하면 다른 출력 단자는 수동 상호 변조 측정 시스템의 전원으로 사용할 수 있습니다. 절연 성능을 더욱 향상시켜야 하는 경우 필터나 절연기 등의 부품을 추가할 수 있습니다. 잘 설계된 3dB 브리지의 절연 성능은 33dB 이상에 달할 수 있습니다.
방향성 커플러는 전력 결합 시스템 1에 사용됩니다.
전력 결합의 또 다른 응용 사례로 방향성 결합 회로가 아래 그림 (a)에 나타나 있습니다. 이 회로에서는 방향성 결합기의 방향성을 효과적으로 활용했습니다. 두 결합기의 결합 정도가 모두 10dB이고 방향성이 모두 25dB라고 가정하면, f1과 f2 단자 사이의 절연은 45dB입니다. f1과 f2의 입력이 모두 0dBm일 때, 결합된 출력은 모두 -10dBm입니다. 아래 그림 (b)의 윌킨슨 결합기(일반적인 절연 값은 20dB)와 비교하면, 동일한 0dBm 입력 신호에 대해 합성 후 출력은 -3dBm이 됩니다(삽입 손실은 고려하지 않음). 샘플 간 조건과 비교하여 그림 (a)의 입력 신호를 7dB 증가시켜 그림 (b)와 동일한 출력이 되도록 조정했습니다. 이때 그림 (a)에서 f1과 f2 사이의 절연은 38dB로 "감소"합니다. 최종 비교 결과, 방향성 커플러의 전력 합성 방식이 윌킨슨 커플러보다 18dB 더 높은 것으로 나타났습니다. 이 방식은 10개의 증폭기에 대한 상호변조 측정에 적합합니다.
방향성 커플러는 전력 결합 시스템 2에 사용됩니다.
2. 수신기 간섭 방지 측정 또는 스퓨리어스 측정에 사용됨
RF 테스트 및 측정 시스템에서 아래 그림과 같은 회로를 흔히 볼 수 있습니다. 테스트 대상 장치(DUT)가 수신기라고 가정해 보겠습니다. 이 경우, 방향성 커플러의 결합단을 통해 인접 채널 간섭 신호를 수신기에 주입할 수 있습니다. 그런 다음 방향성 커플러를 통해 연결된 통합 테스터를 사용하여 수신기의 저항과 수천 개의 간섭에 대한 성능을 테스트할 수 있습니다. DUT가 휴대전화인 경우, 방향성 커플러의 결합단에 연결된 통합 테스터를 통해 휴대전화의 송신기를 켤 수 있습니다. 그런 다음 스펙트럼 분석기를 사용하여 휴대전화에서 발생하는 스퓨리어스 출력을 측정할 수 있습니다. 물론 스펙트럼 분석기 앞에 필터 회로를 추가해야 합니다. 이 예시에서는 방향성 커플러의 응용만을 다루므로 필터 회로는 생략합니다.
방향성 커플러는 수신기의 간섭 방지 측정이나 휴대폰의 스퓨리어스 신호 측정에 사용됩니다.
이 테스트 회로에서 방향성 커플러의 방향성은 매우 중요합니다. 스루단에 연결된 스펙트럼 분석기는 DUT에서 나오는 신호만 수신하고 커플링단에서 나오는 비밀번호는 수신하지 않아야 합니다.
3. 신호 샘플링 및 모니터링용
송신기 온라인 측정 및 모니터링은 방향성 커플러의 가장 널리 사용되는 응용 분야 중 하나입니다. 다음 그림은 셀룰러 기지국 측정에 방향성 커플러를 적용한 일반적인 예입니다. 송신기의 출력 전력이 43dBm(20mW)이고 방향성 커플러의 결합 용량이 30dB, 삽입 손실(선로 손실 + 결합 손실)이 0.15dB라고 가정해 보겠습니다. 결합단에 13dBm(20mW)의 신호를 기지국 테스터로 전송하면 방향성 커플러의 직접 출력은 42.85dBm(19.3W)이 되고, 절연측의 누설 전력은 부하에 흡수됩니다.
방향성 커플러는 기지국 측정에 사용됩니다.
거의 모든 송신기는 온라인 샘플링 및 모니터링을 위해 이 방법을 사용하며, 아마도 이 방법만이 정상 작동 조건에서 송신기의 성능 테스트를 보장할 수 있을 것입니다. 그러나 송신기 테스트는 동일하더라도 테스트 담당자마다 고려 사항이 다를 수 있다는 점에 유의해야 합니다. WCDMA 기지국을 예로 들면, 운영자는 신호 품질, 채널 내 전력, 인접 채널 전력 등 작동 주파수 대역(2110~2170MHz) 내의 지표에 특히 주의를 기울여야 합니다. 이러한 전제 하에, 제조업체는 송신기의 대역 내 작동 상태를 모니터링하고 이를 제어 센터로 언제든지 전송할 수 있도록 기지국 출력단에 협대역(예: 2110~2170MHz) 지향성 커플러를 설치합니다.
무선 주파수 대역을 규제하는 무선 감시 기관이 기지국 소프트웨어 지표를 테스트하는 경우, 그 초점은 완전히 다릅니다. 무선 관리 규격 요구 사항에 따라 테스트 주파수 범위는 9kHz~12.75GHz까지 확장되었으며, 테스트 대상 기지국은 이처럼 광범위한 주파수 대역을 커버해야 합니다. 이 주파수 대역에서 얼마나 많은 스퓨리어스 방사가 발생하여 다른 기지국의 정상적인 작동을 방해할 것인가가 무선 감시 기관의 주요 관심사입니다. 이때 신호 샘플링을 위해 동일한 대역폭을 가진 방향성 커플러가 필요하지만, 9kHz~12.75GHz 대역을 모두 커버할 수 있는 방향성 커플러는 존재하지 않는 것으로 보입니다. 방향성 커플러의 커플링 암 길이는 중심 주파수와 관련이 있다는 것을 알고 있습니다. 초광대역 방향성 커플러는 0.5~18GHz와 같은 5~6옥타브 대역을 커버할 수 있지만, 500MHz 이하의 주파수 대역은 커버할 수 없습니다.
4. 온라인 전력 측정
관통형 전력 측정 기술에서 방향성 커플러는 매우 중요한 소자입니다. 다음 그림은 일반적인 관통형 고출력 측정 시스템의 개략도를 보여줍니다. 측정 대상 증폭기에서 나오는 순방향 전력은 방향성 커플러의 순방향 커플링 단자(단자 3)에서 샘플링되어 전력계로 전송됩니다. 반사된 전력은 역방향 커플링 단자(단자 4)에서 샘플링되어 전력계로 전송됩니다.
방향성 커플러는 고출력 측정에 사용됩니다.
주의 사항: 역방향 커플링 단자(단자 4)는 부하에서 반사된 전력 외에도 방향성 커플러의 방향성으로 인해 순방향(단자 1)에서 발생하는 누설 전력도 수신합니다. 테스터는 반사된 에너지를 측정하고자 하며, 누설 전력은 반사 전력 측정 오차의 주요 원인입니다. 반사 전력과 누설 전력은 역방향 커플링 단자(4개 단자)에서 중첩되어 전력계로 전송됩니다. 두 신호의 전송 경로가 다르기 때문에 벡터 중첩이 발생합니다. 따라서 전력계에 입력되는 누설 전력을 반사 전력과 직접 비교하면 상당한 측정 오차가 발생합니다.
물론 부하(2번 단자)에서 반사된 전력도 전방 결합 단자(1번 단자, 위 그림에는 표시되지 않음)로 누출됩니다. 하지만 그 크기는 전방 강도를 측정하는 전방 전력에 비해 매우 작으므로, 이로 인한 오차는 무시할 수 있습니다.
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게시 시간: 2023년 4월 20일