RF Directional Coupler ( 방향성 커플러 )의 의미와 종류?

 

 

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안녕하세요, 기술 애호가 여러분! 오늘은 RF (Radio Frequency) 기술의 중요한 부품 중 하나인 Directional Coupler에 대해 깊이 있게 알아보는 시간을 갖겠습니다. RF 시스템에서 신호를 측정하고 분배하는 데 중요한 역할을 하는 이 부품이 어떻게 작동하는지, 그리고 왜 중요한지 알아보겠습니다.

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본문에 들어가기에 앞써 Coupler와 Power Splitter, Power Divider의 구분에 대해 알고 넘어가시는 걸 추천드립니다.
아래 링크 참조해주세요.

Coupler VS Power Splitter VS Power Divider 구분

 

 

※1. Directional Coupler란?

Directional Coupler는 RF 시스템에서 신호를 정밀하게 측정하고 분배하는 데 사용되는 부품입니다. 주로 통신 시스템, 방송 장비, 테스트 장비 등 다양한 분야에서 활용되며, 신호의 일부를 선택적으로 추출하고 나머지 신호는 계속 진행할 수 있도록 해줍니다. 

RF 소스(신호 발생기, 네트워크 분석기)와 부하 사이의 전송라인에 삽입되는 측정장치로
방향에 따라 삽입손실을 다르게 주어 용도별로 신호 전력을 차등 분배  

 

▶1. Directional[방향성]의 의미

입력되는 신호의 방향에 따라 어떤 port에서 커플링 된 신호가 출력 되는지 방향과 함께 결정되기 때문에 ‘방향성[directional]’인 특성을 가짐. 즉, 입력되는 포트에 따라 출력되는 신호의 방향성을 결정됨

( port 1에 입력된 전력은 port2에 대부분이고 port 4에는 커플링 된 만큼의 전력이 전달되지만, port 3에는 거의 전달되지 않음 )

 

 

▶2. Directional Coupelr의 원리 (도파관 커플러)

커플링이 발생하는 두 위치의 거리차에 따라 파형 감쇄 형태가 변화하므로 Port1의 입력에 따라 Port3과 Port4의 Port의 목적(Forward & Reverse)이 서로 바뀔 수 있다.

 

▶3. Bi-Directiona (양방향성)의 의미

 

▶4. Type of Direciotional Coupler ( 방향성 커플러의 종류 )

(1) (Single) Directional Coupler

- Reverse Coupled Signal의 절연
- 반사의 최소화를 위해 50[Ohm]으로 종단 처리
- 역방향 전환시 Coupled Port가 종단됨에 따라 전력 감소만 가능
- Reflection 측정 불가능

(2) Bi-Directional Coupler

- Reverse Coupled Signal의 사용
- Port4로 향하는 Loss에 관한 신호가  다시 포트단에서 반사되어 Port4에 영향을 줌
- 양방향으로 활용이 자유로움
- Reflection 측정 가능

 

 

(3) Dual-Directional Coupler

- 2개의 Directional Coupler를 연속 배치
- Bi- Dire에 비교 했을 때 Port4와 Port3 간 반사에 대한 영향 없음
- 양방향으로 활용이 자유로움
- Reflection 측정 가능

 

※2. Coupler Parameter

커플러 모듈을 구매 할 때 제품 선택의 조건이 되는 주요 파라미터에 대해 알아보겠습니다.

▶1. Coupler Parameter

1) 삽입손실[Insertion Loss]: Port1 대비 Port2

- 주요 신호 경로[Mainline Loss]에서의 신호 손실 양
- 커플링 되는 양이 크면 삽입손실도 증가

 

2) 결합도[Coupling]: Port1 대비 Port4

- 커플링 포트에서의 커플링된 양
- 사용자의 요구에 따라 결정되는 값

 

3) 격리도[Isolation]: Port1 대비 Port3

- Port3로 누설된 신호량
- Loss와 직결되는 특성이기에 적어야 하는 값

 

 

4) 방향성[Directivity]: Port4 대비 Port3

- 격리도에 대비한 커플링 레벨의 비율
- 커플링 레벨에 비해 격리도가 낮아야 높은 품질

(커플링된 신호를 사용한다는 관점에서 Mainline Signal을 Loss로 본다.)

 

▶2. 예시 

(1) (Single) Coupler Datasheet

Mini Circuit의 제품 중 "ADC-6-10-75+"의 DataSheet를 예시로 위에 소개한 파라미터를 다시 알아보겠습니다.

 

 

(2) Dual Coupler Datasheet

Mini Circuit의 제품 중 Dual Coupler의 DataSheet을 확인해 보겠습니다.

Dual-Coupler는 양방향성임에 따라 Return Loss의 Cpl이 Cpl Fwd와 Cpl Rev로 나뉘는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

 

※3. Coupler의 목적

Directional Coupler 뿐만아니라 더큰 범위의 Coupler의 목적에 대해 알아보겠습니다. 이 2개의 차이는 포스팅 최상단의 링크를 참조해주세요.

▶1. 목적1: Power Sampling [전력 추출]

원신호에 영향을 미치지 않을 정도의 극소 신호를 추출하여 해당 신호를 통해 원신호의 전력 크기 및 특징, 신호의 데이터 저오를 파악한다.

 

[측정 원리]

 

도파관의 사용된 Hole의 종류에 따른 출력 port가 port4 일때 전압(Vf)과 Port3 일때 전압(VR)을 아래 수식으로 구하고 

 

이 식들을 통해 VSWR과 Return Loss들을 구할 수 있습니다.

 

▶2. 목적2: Power Dividing [전력 배분]

특성 평가를 위한 목적인 전력 추출과 달리 신호로써 사용이 가능한 2개 이상의 신호로 배분하여 신호로써 사용하거나 배분된 신호의 증폭 후(Amp) Power Combiner를 통한 신호 합을 통해 Amp 출력에서도 큰 증폭을 얻는다.

 

 

 

Directional Coupler는 RF 시스템에서 신호를 효과적으로 측정하고 분배하는 데 필수적인 부품입니다. 신호의 일부를 선택적으로 추출하고, 나머지 신호는 원활하게 전달할 수 있도록 해주는 이 부품은 다양한 RF 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다. 올바른 Directional Coupler를 선택하고 적절히 사용하는 것이 RF 시스템의 성능을 극대화하는 데 중요한 요소입니다.

이상으로 RF 모듈중 Directional Coupelr에 대한 설명을 마치겠습니다.
감사합니다.