디렉셔널 커플러: 동작 원리 및 응용

Urvashi Sengal
Mini-Circuits

Kit Cox
Mini-Circuits Japan

디렉셔널 커플러는 중요한 유형의 신호 처리 장치입니다. 기본 기능은 미리 정해진 결합도로 RF 신호를 샘플링하면서, 신호 포트와 샘플링 포트 사이에 높은 격리도를 제공하는 것입니다. 이는 다양한 응용 분야에서 분석, 측정 및 처리를 지원합니다. 수동 소자이므로 역방향으로도 사용할 수 있습니다. 결합 포트에 신호를 입력하면 메인라인에 주입되며, 결합 계수와 방향성에 따라 주입 신호가 분배됩니다. 디렉셔널 커플러는 여러 구성으로 제공되며, 각 구성은 아래에 설명되어 있습니다.

정의

이상적인 커플러는 무손실이고, 정합되어 있으며, 상반성을 갖습니다. 3포트 및 4포트 회로망의 기본 특성은 격리도, 결합도 및 방향성이며, 이 값들로 커플러를 특성화합니다. 이상적인 커플러는 무한대의 방향성과 격리도를 가지며, 의도한 응용에 맞게 선택된 결합 계수를 갖습니다.

그림 1의 기능 다이어그램은 디렉셔널 커플러의 동작을 보여주며, 관련 성능 파라미터에 대한 설명이 뒤따릅니다. 상단 다이어그램은 결합(순방향) 포트와 격리(역방향 또는 반사) 포트를 모두 포함하는 4포트 커플러입니다. 하단 다이어그램은 격리 포트를 제거한 3포트 구조입니다. 이는 단일 순방향 결합 출력만 필요한 응용에 사용됩니다. 3포트 커플러는 역방향으로 연결할 수 있으며, 이전에 결합 포트였던 포트가 격리 포트가 됩니다:

입력 포트(P1), 전송 포트(P2), 결합 포트(P3), 격리 포트(P4)를 보여주는 4포트 디렉셔널 커플러의 기능 블록 다이어그램. 메인라인과 결합 라인 간의 신호 결합을 나타내는 화살표가 표시되어 있습니다.

입력 포트(P1)에서 전송 포트(P2)로의 신호 흐름을 보여주는 디렉셔널 커플러의 간략화된 다이어그램. -10 dB의 결합 신호가 결합 포트(P3)로 전달됩니다. — 그림 1: 기본 디렉셔널 커플러 구성

성능 특성

결합 계수: 입력 전력(P1)에서 결합 포트(P3)로 전달되는 전력의 비율
방향성: 결합(P3) 포트와 격리(P4) 포트에서 관측되는 순방향 및 역방향 전파파를 분리하는 커플러의 능력에 대한 척도
격리도: 입력 전력(P1)과 격리 포트(P4)에 전달되는 전력의 비율을 나타냅니다.
삽입 손실: 입력 전력(P1)과 통과 포트(P2)에 전달되는 전력의 비율을 나타냅니다. 여기에는 결합 및 격리 포트로 분기된 전력뿐만 아니라 커플러 내부의 소산 손실도 포함됩니다.

위 특성의 값은 dB 단위로 다음과 같이 수학적으로 표현됩니다:

Coupling\,Factor = C = 10 \log \left( \frac{P_1}{P_3} \right)

Directivity = D = 10 \log \left( \frac{P_3}{P_4} \right)

Isolation= I = 10 \log \left( \frac{P_1}{P_4} \right)

Insertion\, Loss = L = 10 \log \left( \frac{P_1}{P_2} \right)

커플러의 유형

디렉셔널 커플러

이 유형의 커플러는 그림 2와 같이 접근 가능한 3개의 포트를 가지며, 네 번째 포트는 최대 방향성을 제공하기 위해 내부적으로 종단 처리되어 있습니다. 역방향으로 연결할 수 있지만, 역방향 연결 시 동일한 성능을 발휘하지는 않습니다. 결합 포트 중 하나가 내부적으로 종단 처리되어 있으므로 하나의 결합 신호만 사용할 수 있습니다.

순방향(그림 2에 표시된 방향)에서 결합 포트는 결합 계수만큼 감쇠된 순방향파를 샘플링합니다. 이는 출력 신호의 일부를 피드백 회로에 전달하거나 출력 전력 모니터링에 사용될 수 있습니다.

디렉셔널 커플러의 일반적인 사용 방법 중 하나는 반사 신호(또는 간접적으로 VSWR)를 샘플링하는 것입니다. 이를 위해 커플러를 역방향으로 연결할 수 있습니다 — 입력 포트가 소스 대신 부하를 향하도록 합니다(아래 그림 8 참조). 소스의 순방향 신호는 결합 포트에 결합되지 않고 메인라인을 통과합니다(결합 에너지는 내부 종단에서 소산됩니다). 반면 부하에서 반사된 파는 커플러의 순방향으로 커플러의 입력 포트에 들어갑니다. 결합 포트는 결합 계수만큼 감쇠된 이 반사파의 샘플을 제공합니다. 이 구성은 역방향 전력 측정이나 VSWR 모니터링에 사용될 수 있습니다.

3포트 디렉셔널 커플러의 다이어그램. RF 입력, RF 출력, 결합 포트를 보여주며, 네 번째 포트(격리 포트)는 50Ω으로 내부 종단 처리되어 있습니다. 화살표는 순방향 신호 흐름과 결합 포트로의 결합을 나타냅니다. — 그림 2: 50Ω 디렉셔널 커플러

장점

커플러 성능이 한 방향에 대해서만 최적화됨
높은 방향성 및 격리도
커플러의 방향성은 격리 포트의 임피던스 정합에 크게 영향을 받으므로, 해당 종단을 내부적으로 제공하면 일관되게 높은 성능을 보장합니다.

단점

한 방향에서만 결합 가능
결합 포트에 인가된 전력이 거의 전부 내부 종단에서 소산되기 때문에, 결합 포트의 전력 정격은 입력 포트보다 낮습니다.

예시

Mini-Circuits ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 사진. IN, OUT, CPL(결합), TERM(내장 에폭시 종단기로 종단 처리됨)의 4개 포트가 표시된 파란색 동축 장치입니다.

Mini-Circuits ZCDC20-E18653+는 18~65 GHz 주파수 범위에서 공칭 결합도 20 dB를 갖는 동축 디렉셔널 커플러입니다. 이 모델은 최대 12W의 RF 입력 전력을 처리하며 최대 0.48A의 DC 전류를 통과시킵니다.

ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 삽입 손실 대 주파수 그래프. 삽입 손실이 5000 MHz에서 약 0.25 dB에서 65000 MHz에서 1.2 dB까지 점진적으로 증가하는 것을 보여줍니다.

ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 결합도 대 주파수 그래프. 5000~65000 MHz 주파수 범위에서 결합도가 약 20 dB로 평탄하게 유지되며, 상단 끝에서 약간 감소하는 것을 보여줍니다.

ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 방향성 대 주파수 그래프. 5000~65000 MHz 주파수 범위에서 방향성이 약 15~32 dB 사이에서 변동하며, 5000, 35000, 40000 MHz 부근에서 피크를 보여줍니다.

ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 반사 손실 대 주파수 그래프. 반사 손실 IN(주황색), 반사 손실 OUT(파란색), 반사 손실 CPL(녹색 점선)의 3개 트레이스가 표시되어 있습니다. 세 포트 모두 5000~65000 MHz 주파수 범위에서 대체로 15~35 dB 사이에 있습니다.

그림 3: Mini-Circuits ZCDC20-E18653+ 디렉셔널 커플러의 성능 곡선

바이디렉셔널 커플러

이 유형의 커플러는 4개의 포트를 가지며, 모두 사용자가 접근하여 사용할 수 있습니다. 대칭 설계로 되어 있어 순방향 및 역방향 신호를 동시에 샘플링할 수 있습니다. 두 결합 포트를 적절히 정합하거나 종단 처리하는 것은 사용자의 책임입니다.

장점

대칭 설계
입력 포트와 출력 포트를 서로 교환하여 사용 가능
두 개의 전송 라인이 있으며, 결합 라인은 메인라인과 동일하게 동작
순방향 및 역방향 결합 가능

단점

양방향 모두에서 좋은 성능을 유지하려면 설계가 매우 중요
커플러의 방향성은 격리 포트가 얼마나 잘 종단 처리되었는지에 따라 달라짐

예시

Mini-Circuits ZGBDC35-93HP+는 900~9000 MHz 주파수 범위에서 공칭 결합도 35 dB를 갖는 동축 바이디렉셔널 커플러입니다. 이 모델은 250W의 RF 입력 전력을 처리하며 최대 3A의 DC 전류를 통과시킵니다.

Mini-Circuits ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 사진. 양쪽 끝에 두 개의 N형 메인라인 커넥터와 측면에 두 개의 SMA 결합 포트 커넥터가 있는 은색 가공 금속 하우징입니다.

ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 삽입 손실(IN-OUT) 대 주파수 그래프. 500~12500 MHz 범위에서 저주파에서 약 0.01 dB에서 고주파에서 약 0.1~0.19 dB로 매우 낮은 삽입 손실이 점진적으로 증가하는 것을 보여줍니다.

ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 결합도 대 주파수 그래프. 결합 IN-FWD(주황색)와 결합 OUT-REV(파란색 점선)의 두 트레이스가 표시되어 있습니다. 두 트레이스 모두 5000~12500 MHz 범위에서 약 35 dB로 밀접하게 겹치며, 저주파 끝에서 약간 상승합니다.

ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 방향성 대 주파수 그래프. 방향성 IN-REV(주황색)와 방향성 OUT-FWD(파란색 점선)의 두 트레이스가 표시되어 있습니다. 두 트레이스 모두 500~12500 MHz 범위에서 약 12~34 dB 사이에서 변동하며, 고주파에서 전반적으로 하강하는 경향을 보입니다.

ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 반사 손실 대 주파수 그래프. 반사 손실 IN(주황색), 반사 손실 OUT(파란색 점선), 반사 손실 FWD(녹색 점선), 반사 손실 REV(보라색)의 4개 트레이스가 표시되어 있습니다. 메인라인 포트(IN, OUT)는 40~55 dB에 이르는 높은 피크를 보이고, 결합 포트(FWD, REV)는 500~12500 MHz 범위에서 약 20~25 dB로 더 안정적으로 유지됩니다.

그림 5: Mini-Circuits ZGBDC35-93HP+ 바이디렉셔널 커플러의 성능 곡선

듀얼 디렉셔널 커플러

이 세 번째 유형의 커플러는 두 개의 3포트 커플러를 배면 결합(백투백)으로 배치한 조합입니다. 이 구성은 바이디렉셔널 커플러 기능은 물론 독립적인 순방향 및 역방향 결합 포트를 제공합니다. 주요 장점은 각 결합 포트가 자체 종단을 가진 별도의 내부 커플러에 속하기 때문에, 한 결합 포트의 부정합이 다른 포트에 영향을 미치지 않는다는 것입니다.

장점

순방향 및 역방향 경로 모두에 대해 성능 최적화 가능
더 높은 방향성과 격리도 달성 가능
순방향 및 역방향 결합 제공
한 경로의 방향성이 다른 경로의 부정합에 영향을 받지 않음
시스템의 순방향 및 역방향 전력을 동시에 모니터링하는 데 사용 가능

단점

디렉셔널 커플러 및 바이디렉셔널 커플러에 비해 크기가 더 큼
순방향 및 역방향 결합 포트 사이에 통과 경로가 없음
단일 디렉셔널 커플러 및 바이디렉셔널 커플러보다 삽입 손실이 더 높음

예시

Mini-Circuits DDCH-50-13+ 스트립라인 기반 표면 실장 듀얼 디렉셔널 커플러의 사진. 캐스텔레이트 에지 마운트 패드와 녹색 방향 표시가 있는 소형 금도금 패키지입니다.

Mini-Circuits DDCH-50-13+는 20~1000 MHz 주파수 범위에서 공칭 결합비 50 dB를 갖는 스트립라인 기반 표면 실장 듀얼 디렉셔널 커플러입니다. 이 모델은 최대 120W의 RF 입력 전력을 처리하며 최대 4A의 DC 전류를 통과시킵니다.

DDCH-50-13+ 듀얼 디렉셔널 커플러의 삽입 손실 대 주파수 그래프. -55°C(빨간색), +25°C(파란색), +105°C(녹색 점선)의 세 온도에서 측정되었습니다. 세 트레이스 모두 밀접하게 겹치며, 저주파에서 약 0.03 dB에서 1500 MHz에서 0.38 dB로 점진적으로 증가하여 온도 의존성이 최소임을 나타냅니다.

DDCH-50-13+ 듀얼 디렉셔널 커플러의 결합도 대 주파수 그래프. In-Cpl Fwd(빨간색)와 Out-Cpl Rev(파란색 점선)의 두 트레이스가 표시되어 있습니다. 두 트레이스 모두 0~1200 MHz에서 약 49~50 dB로 평탄하게 유지되다가 1500 MHz에서 약 43~44 dB로 급격히 감소합니다.

DDCH-50-13+ 듀얼 디렉셔널 커플러의 방향성 대 주파수 그래프. 세 온도(-55°C, +25°C, +105°C)에서 두 결합 포트에 대한 6개 트레이스가 표시되어 있습니다: In-Cpl Rev(빨간색, 파란색, 녹색 점선)와 Out-Cpl Fwd(보라색, 검정 점선, 빨간 점선). 방향성은 일반적으로 0~1200 MHz 범위에서 22~30 dB이며, 1500 MHz에서 약 15~17 dB로 급격히 감소합니다.

DDCH-50-13+ 듀얼 디렉셔널 커플러의 반사 손실 대 주파수 그래프. In(빨간색), Out(보라색), Cpl Fwd(파란색), Cpl Rev(검정 점선)의 4개 트레이스가 표시되어 있습니다. 메인라인 포트(In, Out)는 약 32~50 dB의 높은 반사 손실을 보이고, 결합 포트(Cpl Fwd, Cpl Rev)는 0~1500 MHz 범위에서 7~14 dB로 상당히 낮게 밀접하게 겹칩니다.

그림 7: Mini-Circuits DDCH-50-13+ 듀얼 디렉셔널 커플러의 성능 곡선

디렉셔널 커플러 응용

리플렉토미터

그림 8과 같이 연결하면 결합 포트는 부하에 의해 반사된 파의 샘플을 제공합니다. 이를 통해 부하의 부정합 정도를 나타내는 반사 전력을 측정할 수 있습니다. 송신기 출력에 배치하면 이 구성으로 안테나 시스템의 VSWR을 측정 및 모니터링할 수 있습니다. 많은 RF 시스템에는 최소 VSWR 조정이 포함되어 있으며, 일부는 회로 보호를 위해 과도한 VSWR을 감지하여 일반적으로 전력을 줄이거나 시스템을 종료합니다.

순방향 샘플링

입사 전력이 입력 포트에 인가되면, 결합 포트는 결합 계수만큼 감쇠된 출력(순방향 신호)의 샘플을 제공합니다. 이 샘플은 파형 모니터링, 스펙트럼 분석 및 기타 시험 측정 기능에 사용될 수 있습니다.

레벨링된 제너레이터

샘플은 피드백 회로를 구동하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 유형의 중요한 응용 중 하나는 시그널 제너레이터의 진폭을 레벨링하여 시험 시스템에 일정한 신호 소스를 제공하는 것입니다.

수신기 상호변조 시험 구성

2톤 시험을 위한 시험 신호는 디렉셔널 커플러 또는 파워 컴바이너에서 합성할 수 있습니다. 두 방법 모두 신호 소스 간에 필요한 격리를 제공합니다.

바이디렉셔널 커플러 응용

순방향 및 역방향 샘플링

반사 전력/VSWR 측정은 중요하지만, 순방향 및 반사 신호를 동시에 샘플링하는 것이 더 유용할 수 있습니다. 이 기능은 바이디렉셔널 커플러를 사용하여 구현할 수 있으며, 출력(순방향) 전력과 반사(역방향) 전력의 모니터링 및 측정이 가능합니다. 내장 시험(BIT) 시스템, 생산 시험 및 일상적인 운용 모니터링 모두 양방향 결합의 이점을 누릴 수 있습니다.

듀얼 디렉셔널 커플러 응용

순방향 및 역방향 샘플링

위에서 설명하고 그림 6에서 보여준 바와 같이, 듀얼 디렉셔널 커플러는 바이디렉셔널 커플러로 동작하지만, 별도의 순방향 및 역방향 결합 경로를 가집니다. 이는 한 경로의 부정합이 다른 경로에 미치는 영향을 제거하는 격리를 제공합니다. 따라서 특히 한쪽 결합 포트에 상당한 부정합 부하가 있는 조건에서 정확도가 향상됩니다.

요약

디렉셔널 커플러는 RF 시스템에서 중요한 장치입니다. 신호 전파의 순방향 및/또는 역방향을 샘플링하는 기능을 통해 시험, 측정, 모니터링, 피드백 및 제어 분야에서 광범위한 응용이 가능합니다. 이 노트는 시스템 설계자가 커플러의 기능, 구조 및 성능을 이해하고 특정 응용에 적합한 유형을 선택하는 데 도움이 될 것입니다.

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