I-Laboratory 고주파회로교실 [ IV. Passive Circuit Part 1 ] 3. 방향성 결합기 (3) 특성

I-Laboratory 고주파회로교실 ~ RFDH version ~
[ IV. Passive Circuit Part 1 ]

목차
1. Open Stub＆Short Stub
2. 분배기/합성기
3. 방향성 결합기 (1) 결합선로 (Coupled Line)
(2) 방향성

3. 방향성 결합기(Directional Coupler)

(3) 특성

방향성 결합기란게 어떤 놈인지 알았으니, 방향성 결합기의 특성/성능을 나타내는 지표들이 어떤 것이 있는지 정의해보도록 하겠습니다. 방향성 결합기를 나타내는 4 port 회로를 <그림 4-17>에 나타내었습니다.

이전 절에서 설명한 도파관 방향성 결합기처럼, port 1에 입력된 전력은 port2에 대부분이, 그리고 port 4에는 커플링된 만큼의 전력이 전달되지만, port 3에는 거의 전달되지 않게 됩니다.

<그림 4－17> 방향성 결합기

방향성 결합기의 성능을 나타내는 주요 지표는 아래와 같이 a ~ d 의 4가지가 있습니다.

a. 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 (4.5)

b. 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 (4.6)

c. 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 (4.7)

d. 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 (4.8)
D = I - C (4.9)

여기서 잠깐! 문제를 하나 내보도록 하겠습니다.

지금 여러분이 방향성 결합기를 사려고 카탈로그를 보고 있다고 가정해보도록 합니다. 카탈로그 안에 큼지막한 글씨로 "Sale!!!!" 이라고 적혀있는 매우 저렴한 방향성 결합기를 찾았습니다. 그런데 카탈로그에는 C = -20dB, I = -20dB 라고만 적혀있습니다. 자, 여러분은 어떻게 생각하시나요? 이 저렴한 세일품을 사실 건가요, 아니면 다른 물건을 찾아봐야 할까요?

만약 이것을 선택하지 않고 다른 제품을 찾아봐야겠다고 생각하셨다면, 그 이유는 무엇이었나요?
그렇습니다. 여러분이 지금 사려고 하는 물건은 '방향성 결합기'입니다. 카탈로그에 적혀있는 C, I 의 값을 상식적 수식 (4.9)에 대입하여 계산해보면 방향성 D 는 0 dB가 되어버립니다. 이런 것은 방향성 결합기라고 부를 수가 없습니다.

격리 포트로는 신호가 최소화되어 나가고 (즉 격리도가 높고), 커플링 포트로는 원하는 수준만큼만의 신호량이 검출되어야 하기 때문입니다. 그런데 이 세일품목은 커플링 선로의 양쪽 포트(port 3, port 4)로 모두 똑같은 레벨의 신호가 분기되므로, 격리 포트로 불필요한 신호가 커플링된 양만큼 손실이 발생한다는 의미이니까요.

만약 다른 예로, C = -20 dB, D = -20 dB 인 방향성 결합기의 성능은 매우 뛰어난 것이라고 할 수 있습니다. 계산식에 의하면 격리도가 -40 dB나 되기 때문입니다. (I = D + C = -40dB) 이렇게 방향성(D)값을 이용하면 커플링 레벨에 대비한 격리도의 수준이 평가됨으로써, 방향성 결합기의 품질이 쉽게 평가됩니다.

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