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KR20130032172A - 버틀러 매트릭스 - Google Patents

버틀러 매트릭스 Download PDF

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KR20130032172A
KR20130032172A KR1020110095920A KR20110095920A KR20130032172A KR 20130032172 A KR20130032172 A KR 20130032172A KR 1020110095920 A KR1020110095920 A KR 1020110095920A KR 20110095920 A KR20110095920 A KR 20110095920A KR 20130032172 A KR20130032172 A KR 20130032172A
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KR
South Korea
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output
input
path
coupler
combiner
Prior art date
Application number
KR1020110095920A
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Inventor
이홍열
엄만석
윤소현
곽창수
최장섭
염인복
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Abstract

입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 적어도 하나의 입력 결합기와, 입력 결합기로부터 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력 신호로 출력하는 적어도 하나의 출력 결합기를 포함하는 버틀러 매트릭스에서, 신호가 전달되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 구간을 포함하는 교차 경로에 분리 결합기를 형성하여 신호를 분리시키고, 교차 경로를 제외한 다른 경로에 보상 결합기를 형성하여 위상 지연을 보상한다.

Description

버틀러 매트릭스{Butler matrix}
본 발명은 버틀러 매트릭스에 관한 것이다.
다중 단자 증폭기에는 한 개의 입력 신호를 N개의 신호로 분배하거나 N 개의 입력 신호를 한 개의 출력 단자로 결합해 주기 위한 수동 소자인 버틀러 매트릭스가 사용되기도 한다. 버틀러 매트릭스는 전송되는 신호의 크기에 따라 마이크로 스트립 선로(micro-strip line), 스트립 선로(strip line), 동축 선로(coaxial line) 또는 도파관 (wave guide) 등을 사용할 수 있다. 버틀러 매트릭스는 신호의 전력 분배 및 결합을 위해 3dB 결합기(coupler)가 사용되며 4x4 매트릭스의 경우 모두 4개의 3dB 결합기가, 8x8 매트릭스의 경우엔 12개의 3dB 결합기가 사용될 수 있다.
그런데 매트릭스의 차수가 커질수록 사용되는 3dB 결합기의 수가 많아지기 때문에 결합기들 사이를 연결해 주기 위한 경로가 복잡해지게 되며 필연적으로 전송선로가 교차되는 부분이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 교차되는 선로가 서로 공간적으로 또는 전기적으로 분리가 되는 구조로 설계가 되어야 한다.
이를 위하여, 마이크로 스트립선로 또는 스트립 선로와 같은 적층이 가능한 구조로 버틀러 매트릭스를 구현하는 방법이 있다. 하지만 이러한 전송선로는 높은 전력의 RF 신호를 전송할 수가 없다.
또한 동축 선로 또는 도파관과 같이 적층 구현이 어려운 전송선로를 사용할 경우에는 교차되는 선로를 구부려서 공간적으로 분리함으로써 3차원 형태의 버틀러 매트릭스를 구현할 수 있다. 하지만, 제작이 용이하지 않고 전기적인 손실 등이 발생할 수 있으며, 매트릭스의 차수가 커지게 되면 구조가 복잡해져서 부피가 커지고 제작이 용이하지 않게 된다.
또 다른 방법은 교차된 부분을 0dB 결합기를 사용하여 전기적으로 신호를 구분함으로써 평면 형태의 버틀러 매트릭스를 만들 수 있다. 이럴 경우 0dB 결합기를 사용하는 선로와 사용하지 않는 선로 사이에 위상 차이가 발생하기 때문에 별도의 가격이 비싼 위상 천이기를 사용하여 위상 차이를 보정해 주어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 교차되는 선호가 서로 공간적 또는 전기적으로 분리되는 버틀러 매트릭스를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 결합기를 사용하여 위상 지연을 보상하는 버틀러 매트릭스를 제공하는 것이다.
위의 과제를 위한 본 발명의 특징에 따른 버틀러 매트릭스는, 입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 적어도 하나의 입력 결합기; 상기 입력 결합기로부터 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력 신호로 출력하는 적어도 하나의 출력 결합기; 상기 입력 결합기와 출력 결합기 사이에 신호가 전달되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되어 서로 다른 전송 선로를 통하여 전달되는 신호들을 분리하는 분리 결합기; 및 상기 복수의 경로 중에서 상기 교차 경로를 제외한 경로에 형성되어 상기 교차 경로를 통하여 전송되는 신호와의 위상 차이를 보상하는 보상 결합기를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 버틀러 매트릭스는, 입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 복수의 입력 결합기; 상기 입력 결합기로부터 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력 신호로 출력하는 복수의 출력 결합기; 상기 복수의 입력 결합기와 상기 복수의 출력 결합기 사이에 형성되어, 상기 입력 결합기에서 출력되는 신호를 상기 출력 결합기로 전달하는 복수의 전달 결합기; 상기 결합기들 사이에서 신호가 전달되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되어 서로 다른 전송 선로를 통하여 전달되는 신호들을 분리하는 복수의 분리 결합기; 및 상기 분리 결합기가 형성되어 있는 경로를 통하여 전달되는 신호와의 위상 지연을 보상하는 복수의 보상 결합기를 포함한다.
여기서, 상기 복수의 분리 결합기는 상기 입력 결합기와 상기 전달 결합기 사이에 형성되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 교차 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되는 복수의 제1 분리 결합기; 및 상기 전달 결합기와 상기 출력 결합기 사이에 형성되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 교차 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되는 복수의 제2 분리 결합기를 포함할 수 있다.
그리고 상기 복수의 경로는 상기 교차 구간이 복수개 형성되는 교차 경로를 포함하며, 상기 교차 경로에는 형성되는 교차 구간의 수만큼의 분리 결합기가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 복수의 경로는 상기 교차 구간이 최대 개수 형성되는 제1 경로, 상기 교차 구간이 최대 개수보다 적게 형성되어 있는 제2 경로, 그리고 교차 구간이 형성되어 있지 않은 제3 경로를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 경로와 상기 제3 경로에는 해당 경로에 형성된 교차 구간의 수와 상기 제1 경로에 형성된 교차 구간의 최대 개수와의 차이에 해당하는 수의 보상 결합기가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 버틀러 매트릭스에서 교차되는 전송 선로를 분리 결합기로 대체하여 사용함으로써, 보다 간단한 구조로 버틀러 매트릭스를 구현할 수 있다. 또한 전송 선로가 교차되는 경로와 다른 경로와의 위상 변화를 보정하기 위하여, 교차 경로를 제외한 다른 경로에 보상 결합기를 형성하여 전송 선로 간의 위상 변화를 보정할 수 있다. 따라서, 전송선로 사이의 진폭 및 위상 특성을 매우 안정적으로 유지할 수 있다.
도 1은 일반적인 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 버틀러 매트릭스에서 신호가 전송되는 경로를 나타낸 예시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 평면형 버틀러 매트릭스에 대하여 설명한다.
도 1은 일반적인 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이다.
여기서는 4×4 버틀러 매트릭스의 구조를 나타내었으며, 모두 4개의 결합기(11, 12, 13, 14)가 사용된다. 각 결합기는 입력되는 신호를 해당 전력의 절반 크기를 가지는 두 개의 경로로 분기하여 출력하는 3dB 결합기가 사용되며, 두 개의 경로로 출력되는 신호들은 서로 90°의 위상 차이를 가진다.
이러한 4×4 버틀러 매트릭스에서의 신호 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1에서, 4개의 입력 단자 중에서 ①번 단자로 입력 신호가 여기(feeding) 된다고 가정한다.
여기 된 입력 신호는 결합기(11)에 의해서 입력 신호 전력의 절반 크기와 90도의 위상 차이를 갖는 두 개의 경로로 분기되어 출력 단자에 연결되어 있는 다른 2개의 결합기(13, 14)의 입력 단자로 각각 입사된다.
결합기(11)의 출력 단자에 연결되어 있는 결합기(13, 14)의 입력 단자로 입사된 두 개의 신호는 각각 입사된 전력의 절반의 크기와 90도의 위상 차이를 갖는 두 개의 경로로 분기된다. 즉, 결합기(13)로 입력된 신호는 각각 ⑤의 단자와 ⑥의 단자를 통하여 출력되고, 결합기(14)로 입력된 신호는 각각 ⑦의 단자와 ⑧의 단자를 통하여 출력됨으로써, 총 4개의 출력 단자를 통하여 신호가 출력된다.
이 때 전송 선로에 의한 경로 손실과 3dB 결합기에 의한 손실이 없다고 가정하면, 출력되는 신호의 크기는 입력 단자에서 입사된 전력 크기 대비 -6dB가 된다. 또한, 전송 선로 간의 위상 차이와 3dB 결합기의 단자간 위상 불평형 정도가 아주 작다면. 입력 신호 대비 출력 신호의 위상 지연은 다음 표 1과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00001
위의 표 1에서와 같이, 예를 들어, 기준점(입력 단자)이 ①인 경우, 출력단자 ⑤~⑧의 위상 지연은 각각 0도, 90도, 90도, 180도가 된다.
표 1과 같은 위상 지연이 발생하도록 하기 위해서는 하이브리드 단자간 위상 불평형이 작아야 하며 이것은 설계 및 정밀 제작을 통해 가능하다. 또한, 표 1과 같이 되도록 하기 위한 중요한 요소 중 하나는 입력단의 결합기(11, 12)와 출력단의 결합기(13, 14)를 연결해 주는 전송 선로 사이에 위상 차이가 없어야 한다는 것이다. 하지만, 도 1에서와 같이, 입력단의 결합기(11, 12)와 출력단의 결합기(13, 14)의 사이에 서로 교차된 구간(A)이 존재하기 때문에 위상 차이가 발생하게 된다.
본 발명의 실시 예에서는 이러한 위상 차이를 없애기 위해서, 전송 선로가 교차된 구간에 결합기를 사용하고 위상 보정을 위한 경로에도 결합기를 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스는 도 2에서와 같이, 입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 결합기(21, 22)와, 출력단에 위치되어 있으며, 복수의 경로 중 하나의 경로를 통하여 입력되는 신호를 분기하여 복수의 경로로 분기하여 출력하는 결합기(23, 24)를 포함한다. 여기서는 설명의 편의를 위하여 입력단에 위치되는 결합기를 "입력 결합기"라고 명명하고, 출력단에 위치되는 결합기를 "출력 결합기"라고 명명한다.
이러한 입력 결합기(21,22)와 출력 결합기(23, 24) 사이에 신호가 전달되는 복수의 경로가 형성되며, 복수의 경로 중에서 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 경로가 있다. 이러한 경로에서 전송 선로가 교차하는 부분에 결합기(31)가 위치된다. 그리고 전송 선로가 교차하는 경로 이외의 다른 경로에 위상 지연을 보상하기 위한 결합기(32, 33)가 위치된다. 여기서는 설명의 편의를 위하여, 복수의 경로 중에서 소정의 전송 선로들이 교차하는 경로를 "교차 경로"라고 명명하며, 교차 경로에 위치되는 결합기를 "분리 결합기"라고 명명한다. 그리고 교차 경로를 제외한 다른 경로들을 통하여 전송되는 신호들과 교차 경로를 통하여 전송되는 신호들간의 위상 지연을 보상하기 위하여, 교차 경로를 제외한 다른 경로에 위치되는 결합기를 "보상 결합기"라고 명명한다.
이러한 구조로 이루어지는 버틀러 매트릭스는 기본적으로 2n개의 입력 결합기와 출력 결합기를 포함하며, 2n 개와 같거나 적은 정수로 이루어지는 M개의 입력 신호와 M개의 단자가 입력단과 출력단에 존재한다. 즉, 2개 입력 단자와 2개의 출력 단자, 또는 4개의 입력 단자와 4개의 출력 단자, 또는 8개의 입력 단자와 8개의 출력 단자 등이 존재할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스가 항상 2n개의 입력 결합기를 포함하는 것에 한정되지 않으며, 예를 들어 3×3이나 6×6의 구조로 이루어질 수도 있다. 여기서는 4×4 구조를 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스에 대하여 설명한다.
4×4 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스(1)는 도 2에서와 같이, 두 개의 입력 결합기(21,22)와 두 개의 출력 결합기(23,24)를 포함하며, 각각의 결합기들은 2개의 입력 단자와 2개의 출력 단자를 포함하는 형태로 이루어진다.
입력 결합기(21,22)와 출력 결합기(23,24) 사이에 출력 단자와 입력 단자들을 연결하는 복수의 전송 경로 중에서 교차 경로에 분리 결합기(31)가 위치되어 있다. 그리고 교차 경로를 제외한 입력 결합기(21)와 출력 결합기(23) 사이의 경로에 위상 지연을 보상하기 위한 보상 결합기(32)가 위치되어 있고, 입력 결합기(22)와 출력 결합기(24) 사이의 경로에 다른 보상 결합기(33)가 위치되어 있다.
보다 구체적으로, 입력 결합기(21)의 하나의 출력 단자에서 출력 결합기(24)의 입력 단자로 신호가 전송되는 경로와 입력 결합기(22)의 하나의 출력 단자에서 출력 결합기(23)의 입력 단자로 신호가 전송되는 경로가 서로 교차하며, 이러한 교차 경로에 분리 결합기(31)가 위치되어 있다. 그리고 입력 결합기(21)의 다른 출력 단자에서 출력 결합기(23)의 입력 단자로 신호가 전송되는 경로에, 교차 경로와의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 결합기(32)가 위치되어 있다. 또한 입력 결합기(22)의 다른 출력 단자에서 출력 결합기(23)의 입력 단자로 신호가 전송되는 경로에 교차 경로와의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 결합기(33)가 위치되어 있다.
분리 결합기(31)는 입력 결합기(21)와 입력 결합기(22)의 출력을 각각 입력으로 하는 제1 결합기(311)와, 제1 결합기(311)의 두 개의 출력을 각각 입력으로 하는 제2 결합기(312)를 포함한다. 제2 결합기(312)의 하나의 출력은 출력 결합기(23)의 입력 단자로 입력되며, 제2 결합기(312)의 다른 출력은 출력 결합기(24)의 입력 단자로 입력된다. 이러한 제1 및 제2 결합기(311,312)는 3dB 결합기로 이루어지며, 제1 결합기(311)로 입력된 신호를 손실 없이 제2 결합기(312)를 통하여 입력된 단자에 대하여 대각선 방향으로 출력하는 "0dB 결합기"를 형성한다. 0dB 결합이란 입력 신호의 크기를 "1"로 정규화(normalize)한 크기를 결합한다는 것을 나타낸다. 즉, 입력 신호 전부를 결합한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 10*log10(1)=0dB 가 된다. 이를 위하여, 3 dB 결합기 2개를 연달아 연결하여 0dB 결합을 구현할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 3dB 결합기(311)가 입력 신호 크기의 반(1/2)을 결합시켜서 두 개의 출력단으로 전송하며, 3dB 결합기(312)는 이 두 개의 출력단을 통하여 전송된 두 개의 신호들을 입력으로 받는다. 이 경우 180°위상차에 의해 3dB 결합기(312)의 하나의 출력단을 통해서 출력되는 신호가 없으며, 나머지 하나의 출력단을 통하여 "1" 또는 "0"의 신호가 출력된다. 이 때 0dB 결합기의 전송 손실만큼 손실이 발생되어 출력될 수 있다.
이러한 분리 결합기(31)에 의하여 입력 결합기(21)에서 출력되는 신호가 출력 결합기(24)로 입력되며, 입력 결합기(22)에서 출력되는 신호가 출력 결합기(23)로 입력된다. 그러므로 본 발명의 실시 예에 따르면 입력 결합기(21, 22)와 출력 결합기(23, 24)의 교차 경로에서 신호를 전달하는 전송 선로를 구부리지 않고도, 분리 결합기(31)에 의하여 신호들을 전기적으로 분리시킬 수 있다.
한편 보상 결합기(32, 33)들도 위의 분리 결합기(31)와 동일하게 제1 및 제2 결합기를 포함하는 0dB 결합기를 형성한다. 이를 위하여 보상 결합기(32)는 입력 결합기(21)의 출력을 각각 입력으로 하는 제1 결합기(321)와, 제1 결합기(321)의 두 개의 출력을 각각 입력으로 하는 제2 결합기(322)를 포함한다. 또한 보상 결합기(33)는 입력 결합기(22)의 출력을 입력으로 하는 제1 결합기(331)와, 제1 결합기(331)의 두 개의 출력을 각각 입력으로 하는 제2 결합기(332)를 포함한다.
보상 결합기(32, 33)는 교차 경로에 설치된 분리 결합기(31)에 의하여 전달되는 신호들과 교차 경로를 제외한 다른 경로들을 통하여 전달되는 신호들 사이의 위상 차이를 보상하기 위한 것이므로, 분리 결합기(31)와 같이 두 개의 입력을 받아서 두 개의 출력 단자로 각각 출력하지 않고, 하나의 입력을 받아서 하나의 출력 단자를 통하여 출력한다. 따라서 보상 결합기(32, 33)를 각각 구성하는 제1 결합기(321, 331)의 두 개의 입력 단자 중에서 하나의 입력 단자가 신호 입력이 이루어지지 않는 종단(termination) 단자로 구성되며, 다른 하나의 입력 단자만이 신호 입력이 이루어지는 전송 단자로 구성된다. 또한 제2 결합기(322, 332)의 두 개의 출력 단자 중에서 하나의 출력 단자가 신호 출력이 이루어지지 않는 종단 단자로 구성되며, 다른 하나의 출력 단자만이 신호 출력이 이루어지는 전송 단자로 구성된다. 도 2에서, 종단 단자는 검게 음영 표시되었으며, 신호 입출력이 이루어지는 전송 단자는 검게 음영으로 표시되었다.
따라서, 입력 결합기(21)에서 출력되어 출력 결합기(23)로 전달되는 신호는, 보상 결합기(32)의 제1 결합기(321)의 전송 단자(T1)를 통하여 입력된 다음에 손실 없이 제2 결합기(322)의 전송 단자(T2)를 통하여 출력되어, 출력 결합기(23)로 입력된다. 또한 입력 결합기(22)에서 출력되어 출력 결합기(24)로 전달되는 신호는, 보상 결합기(33)의 제1 결합기(331)의 전송 단자(T3)를 통하여 입력된 다음에 손실 없이 제2 결합기(332)의 전송 단자(T4)를 통하여 출력되어, 출력 결합기(24)로 입력된다.
이러한 과정을 통하여, 교차 경로에도 0dB 결합기인 분리 결합기(31)를 사용하여 신호들을 전기적으로 분리하면서, 교차 경로를 제외한 다른 경로에 각각 0dB 결합기인 보상 결합기(32, 33)을 재사용하여, 교차 경로를 통하여 분리되는 신호들과 교차 경로를 통하지 않는 신호들과의 위상 차이를 보상할 수 있으므로, 동일한 위상을 가지는 전송 선로의 구현이 가능하다.
위에 기술된 바와 같은 구조로 이루어지면서 동작하는 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3은 도 2와 같은 버틀러 매트릭스에서, 입력 결합기(21)의 입력 단자 중 ①의 단자로 신호가 입력되는 경우, 출력 결합기(23, 24)의 출력 단자들 즉, ⑤~⑧의 단자들을 통하여 출력되는 신호들의 위상 차이를 나타낸 도이다.
이러한 도 3에서 입력 결합기(21)의 ①의 단자로 입력되어 출력 결합기(23)의 ⑤ 단자를 통하여 출력되는 신호의 위상(Phase(S(5,1))이 기준 경로의 위상이 되며, 도 3을 통하여, 이러한 기준 경로를 제외한 나머지 경로를 통하여 출력되는 신호의 위상들이 기준 경로의 위상과 동일한 값을 가짐을 알 수 있다.
기존에 교차 구간에 0dB 결합기를 사용하면서 다른 경로에 위상 천이기를 사용하여 위상을 보상하거나 전송 선로의 길이를 길게 하는 경우에 비하여, 본 발명의 실시 예에 따르면, 보다 저렴하면서 간단한 구조로 이루어지는 0dB 결합기를 보상 경로에 사용하여 신호들간의 위상 차이를 보다 용이하게 보상할 수 있다. 또한 버틀러 매트릭스의 차수가 커질 경우에는 전송 선로의 경로들이 더욱 복잡해져서 교차되는 전송 선로의 개수가 증가하게 된다. 기존에는 이러한 교차 구간에 사용되는 여러 개의 0dB 결합기를 사용함에 따라 다양한 위상 값을 갖는 위상 천이기를 사용하여 전송 선로 사이의 위상 차이를 보정해 주어야 한다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따르면 교차 구간을 제외한 다른 전송 선로 구간에 각각 0dB 결합기를 사용하여 위상 차이를 보다 용이하게 보정할 수 있다.
다음에는 도 2에 도시된 버틀러 매트릭스보다 높은 차수를 가지는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸 도이며, 도 5는 도 4에 도시된 버틀러 매트릭스에서 신호가 전송되는 경로를 나타낸 예시도이다.
첨부한 도 4 및 도 5에 도시되어 있듯이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스(2)는 8×8 구조를 가지며, 이에 따라 입력단의 8개의 입력 단자를 통하여 신호가 입력되며, 입력된 신호들은 버틀러 매트릭스를 통하여 출력단의 8개의 출력 단자를 통하여 각각 출력된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스(2)는 도 4 및 도 5에 도시되어 있듯이, 입력단에 위치되어 신호를 입력받는 복수의 입력 결합기(41, 42, 43, 44)와 출력단에 위치되어 신호를 출력하는 복수의 출력 결합기(45,46,47,48)를 포함하며, 특히 복수의 입력 결합기(41~44)에 연결되어 있는 입력 단자(I1~I8)로 각각 입력되는 신호가 출력 결합기(45~48)에 연결되어 있는 출력 단자(O1~O8)로 각각 출력되도록 하기 위하여, 입력 결합기와 출력 결합기 사이에 위치되어 있는 전달 결합기(51, 52,53,54)를 더 포함한다. 이러한 전달 결합기는 버틀러 매트릭스의 차수가 증가함에 따라 단계적으로 더 증가될 수 있다. 예를 들어, 전달 결합기(51~54)와 출력 결합기(45~48) 사이에 복수의 전달 결합기가 더 추가적으로 사용될 수 있다.
각 결합기들 사이에 형성되어 있는 신호가 전달되는 경로를 살펴보면, 도 5와 같다. 도 5와 같이 형성되는 경로에서, 전송 선로에 의한 경로 손실과 3dB 결합기에 의한 손실과 위상 변화가 없다고 가정하였을 때, 입력단의 각각의 입력 단자를 기준으로 출력단의 각각의 출력 단자에서의 위상을 살펴보면 다음 표 2와 같다.
Figure pat00002
이러한 위상 특성을 가지는 버틀러 매트릭스에서도 도 5와 같이 전송 선로들이 교차하는 교차 경로가 있으므로, 본 발명의 실시 예에서는 입력단과 출력단 사이의 복수의 경로 중에서 교차 경로에 분리 결합기를 사용하고, 교차 경로를 제외한 다른 경로에는 보상 결합기를 사용하여, 교차 경로에서 전기적으로 신호를 분리하면서 교차 경로와 다른 경로와의 위상 차이를 보상한다.
도 4 및 도 5에서와 같은 8×8 구조의 버틀러 매트릭스에서, 입력 결합기(41~44)와 전달 결합기(51~54) 사이에는 하나의 전송 경로가 다른 하나의 전송 경로와 교차되는 교차 경로와, 전송 선로가 교차되지 않는 경로들이 존재한다. 그러나 전달 결합기(51~54)와 출력 결합기(44~48) 사이에는 하나의 전송 경로가 다른 복수의 전송 경로와 교차되는 교차 경로가 존재한다.
예를 들어, 전달 결합기(51)와 출력 결합기(47) 사이의 전송 경로가 전달 결합기(52)와 출력 결합기(46) 사이의 전송 경로, 전달 결합기(53)와 출력 결합기(45) 사이의 전송 경로, 전달 결합기(54)와 출력 결합기(46) 사이의 전송 경로와 각각 교차된다. 따라서, 전달 결합기(51)의 하나의 입력 단자에서 출력되는 신호가 출력 결합기(47)의 하나의 단자로 입력되기 위해서는, 3개의 분리 결합기를 통과하면서 다른 전송 선로를 통하여 출력되는 신호와 전기적으로 분리되어야 한다. 또한 분리 결합기를 하나도 통과하지 않고 전달 결합기에서 출력 결합기로 전달되는 전송 경로에는 위와 같은 분리 결합기들과의 위상 지연을 보상하기 위하여, 3개의 보상 결합기가 필요하게 된다.
한편 전달 결합기(52)와 출력 결합기(46) 사이의 전송 경로는 전달 결합기(51)와 출력 결합기(47) 사이의 전송 경로, 그리고 전달 결합기(53)와 출력 결합기(45) 사이의 전송 경로와 각각 교차된다. 따라서 전달 결합기(52)의 하나의 입력 단자에서 출력되는 신호가 출력 결합기(46)의 하나의 단자로 입력되기 위해서는, 2개의 분리 결합기를 통과하면서 다른 전송 선로를 통하여 출력되는 신호와 전기적으로 분리되어야 한다.
이와 같이 전송 경로가 3개의 다른 전송 경로와 교차하거나 2개의 전송 경로와 교차함으로써, 3개의 분리 결합기가 위치되는 전송 경로와 2개의 분리 결합기가 위치되는 전송 경로 사이에도 위상 지연이 발생하게 되어, 상기 두 개의 전송 경로 사이의 위상 지연을 보상하기 위한 보상 결합기가 필요하게 된다. 그러므로 전달 결합기(52)와 출력 결합기(46)의 사이의 전송 경로에 보상 결합기가 사용된다. 이와 같이 전송 선로가 교차되는 교차 구간이 없는 경로에는 최대수의 교차 구간이 형성되는 경로와의 위상 지연을 보상하기 위한 보상 결합기가 교차 구간의 최대수만큼 형성된다. 그리고 교차 구간이 형성되어 있는 경로에는 교차 구간의 수만큼의 분리 결합기가 형성되며, 최대수의 교차 구간이 형성되는 경로와의 위상 지연을 보상하기 위하여, 최대수와의 차이만큼의 수에 해당하는 보상 결합기가 형성된다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스(2)에서, 입력 결합기(41~44)와 전달 결합기(51~54) 사이의 교차 경로에는 각각 분리 결합기(62, 62, 63)가 각각 형성된다. 그리고 입력 결합기(41~44)와 전달 결합기(51~54) 사이의 교차 경로를 제외한 다른 경로에는 교차 경로와의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 결합기(63, 64, 65, 66)이 각각 형성된다.
한편 전달 결합기(51~54)와 출력 결합기(45~48) 사이에는 각 경로별로 형성되는 교차 구간의 수에 따라 복수의 분리 결합기가 사용되고, 해당 경로에 형성된 교차 구간의 수와 상기 교차 구간의 최대수와의 차이에 따라 보상 결합기가 사용된다.
구체적으로, 전달 결합기(51)의 하나의 출력 단자(a)와 출력 결합기(45)의 하나의 입력 단자(c) 사이에 형성되는 경로에는 전송 선로가 교차되는 구간이 없으므로 3개의 보상 결합기(71, 72, 73)가 형성되어 있다. 또한 전달 결합기(51)의 하나의 출력 단자(b)와 출력 결합기(47)의 하나의 입력 단자(c) 사이에 형성되는 경로에는 3개의 분리 결합기(81, 82, 83)가 형성되어 있다.
전달 결합기(52)의 하나의 출력 단자(a)와 출력 결합기(46)의 하나의 입력 단자(c) 사이에 형성되는 경로에는 분리 결합기(81), 보상 결합기(74), 그리고 하나의 분리 결합기(84)가 위치된다. 그리고 전달 결합기(51)의 하나의 출력 단자(b)와 출력 결합기(48)의 하나의 입력 단자(c) 사이에 형성되는 경로에는 3개의 분리 결합기(85, 86, 87)가 위치된다.
또한 전달 결합기(53)의 하나의 출력 단자(a)와 출력 결합기(45)의 하나의 입력 단자(d) 사이에 형성되는 경로에는 3개의 분리 결합기(85, 82, 84)가 위치된다. 전달 결합기(53)의 하나의 출력 단자(b)와 출력 결합기(47)의 하나의 입력 단자(c) 사이에 형성되는 경로에는 분리 결합기(88), 보상 결합기(75), 그리고 하나의 분리 결합기(87)가 위치된다.
또한 전달 결합기(54)의 하나의 출력 단자(a)와 출력 결합기(46)의 하나의 입력 단자(d) 사이에 형성되는 경로에는 3개의 분리 결합기(88, 86, 83)이 위치된다. 전달 결합기(54)의 하나의 출력 단자(b)와 출력 결합기(48)의 하나의 입력 단자(d) 사이에 형성되는 경로에는 3개의 보상 결합기(76,77,78)가 위치된다.
도 4에서, 분리 결합기(61, 62, 81~88)와 보상 결합기(63~66, 71~78)는 도 2에 따른 실시 예와 동일하게, 두 개의 결합기를 포함하는 형태로 이루어지는 0dB 결합기들이다. 또한 보상 결합기(63~66, 71~78)의 각 결합기는 신호 입출력이 이루어지지 않는 종단 단자와 신호 입출력이 이루어지는 전송 단자를 포함한다.
이러한 구조의 버틀러 매트릭스를 통하여, 입력단의 어느 하나의 입력 단자를 통하여 입력된 신호는 분리 결합기를 통과하면서 다른 전송 선로의 신호와 분리되면서 위상 지연 없이 출력단의 어느 하나의 출력 단자를 통하여 출력될 수 있다.
위에 기술된 바와 같은 구조로 이루어지면서 동작하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 버틀러 매트릭스의 위상 특성을 나타낸 그래프이다. 도 6은 도 4와 같은 버틀러 매트릭스에서, 입력 결합기(41)의 입력 단자(I1)로 신호가 입력되는 경우, 출력 결합기(45~48)의 출력 단자(O1~I8)들을 통하여 출력되는 신호들의 위상 차이를 나타낸 도이다.
이러한 도 6에서 입력 결합기(21)의 입력 단자(I1)으로 입력되어 출력 결합기(45)의 출력 단자(O1)을 통하여 출력되는 신호의 위상(Phase(S(O1, I1))이 기준 경로의 위상이 되며, 도 6을 통하여, 이러한 기준 경로를 제외한 나머지 경로를 통하여 출력되는 신호의 위상들이 기준 경로의 위상과 동일한 값을 가짐을 알 수 있다.
위에 기술된 바와 같은 실시 예들에 따른 본 발명의 실시 예들에 따른 버틀러 매트릭스는 평면형으로 이루어지거나 복수의 층이 적층되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예들에 따른 버틀러 매트릭스는 다중 단자 증폭기나 위상 배열 안테나 등에서 사용될 수 있다. 그리고 신호가 전달되는 전송 선로는 마이크로 스트립 선로, 스트립 선호, 동축 선로, 도파관 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 적어도 하나의 입력 결합기;
    상기 입력 결합기로부터 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력 신호로 출력하는 적어도 하나의 출력 결합기;
    상기 입력 결합기와 출력 결합기 사이에 신호가 전달되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되어 서로 다른 전송 선로를 통하여 전달되는 신호들을 분리하는 분리 결합기; 및
    상기 복수의 경로 중에서 상기 교차 경로를 제외한 경로에 형성되어 상기 교차 경로를 통하여 전송되는 신호와의 위상 차이를 보상하는 보상 결합기
    를 포함하는, 버틀러 매트릭스.
  2. 제1항에 있어서
    상기 교차 경로에 형성되는 교차 구간의 수에 따라 해당 교차 경로에 사용되는 분리 결합기의 수가 결정되는, 버틀러 매트릭스.
  3. 제2항에 있어서
    상기 교차 경로에 사용되는 분리 결합기의 수에 따라 교차 경로를 제외한 경로에 형성되는 보상 결합기의 수가 결정되는, 버틀러 매트릭스.
  4. 입력단에 위치되어 입력 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력하는 복수의 입력 결합기;
    상기 입력 결합기로부터 신호를 입력받아 복수의 경로로 분기하여 출력 신호로 출력하는 복수의 출력 결합기;
    상기 복수의 입력 결합기와 상기 복수의 출력 결합기 사이에 형성되어, 상기 입력 결합기에서 출력되는 신호를 상기 출력 결합기로 전달하는 복수의 전달 결합기;
    상기 결합기들 사이에서 신호가 전달되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되어 서로 다른 전송 선로를 통하여 전달되는 신호들을 분리하는 복수의 분리 결합기; 및
    상기 분리 결합기가 형성되어 있는 경로를 통하여 전달되는 신호와의 위상 지연을 보상하는 복수의 보상 결합기
    를 포함하는, 버틀러 매트릭스.
  5. 제4항에 있어서
    상기 복수의 분리 결합기는
    상기 입력 결합기와 상기 전달 결합기 사이에 형성되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 교차 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되는 복수의 제1 분리 결합기; 및
    상기 전달 결합기와 상기 출력 결합기 사이에 형성되는 복수의 경로 중에서, 신호를 전송하는 전송 선로들이 교차하는 교차 구간을 포함하는 교차 경로에 형성되는 복수의 제2 분리 결합기
    를 포함하는, 버틀러 매트릭스.
  6. 제5항에 있어서
    상기 복수의 경로는 상기 교차 구간이 복수개 형성되는 교차 경로를 포함하며, 상기 교차 경로에는 형성되는 교차 구간의 수만큼의 분리 결합기가 형성되어 있는, 버틀러 매트릭스.
  7. 제6항에 있어서
    상기 복수의 경로는 상기 교차 구간이 최대 개수 형성되는 제1 경로, 상기 교차 구간이 최대 개수보다 적게 형성되어 있는 제2 경로, 그리고 교차 구간이 형성되어 있지 않은 제3 경로를 포함하며,
    상기 제2 경로와 상기 제3 경로에는 해당 경로에 형성된 교차 구간의 수와 상기 제1 경로에 형성된 교차 구간의 최대 개수와의 차이에 해당하는 수의 보상 결합기가 형성되어 있는, 버틀러 매트릭스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 분리 결합기는 복수의 입력 단자와 복수의 출력 단자를 가지는 제1 결합기와, 상기 제1 결합기의 출력 단자에 각각 연결되는 복수의 입력 단자와 복수의 출력 단자를 가지는 제2 결합기를 포함하는, 버틀러 매트릭스.
  9. 제8항에 있어서
    상기 분리 결합기는 0dB 결합기로 이루어지며, 상기 입력 결합기 및 출력 결합기는 3dB 결합기로 이루어지는, 버틀러 매트릭스.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 보상 결합기는 복수의 입력 단자와 복수의 출력 단자를 가지는 제1 결합기와, 상기 제1 결합기의 출력 단자에 각각 연결되는 복수의 입력 단자와 복수의 출력 단자를 가지는 제2 결합기를 포함하며,
    상기 제1 결합기의 복수의 입력 단자 중 하나가 신호 입력이 이루어지지 않는 종단 단자이고, 상기 제2 결합기의 복수의 출력 단자 중 하나가 신호 출력이 이루어지지 않는 종단 단자인, 버틀러 매트릭스.
  11. 제10항에 있어서
    상기 보상 결합기는 0dB 결합기로 이루어지고, 상기 입력 결합기 및 출력 결합기는 3dB 결합기로 이루어지는, 버틀러 매트릭스.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 버틀러 매트릭스는 평면형 구조로 이루어지는, 버틀러 매트릭스.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 버틀러 매트릭스는 다중 단자 증폭기에 사용되는, 버틀러 매트릭스.















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