KR100261039B1 - 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 시스템에서 신호를 분배, 또는 결합하는 수동소자로 사용되는 방향성 결합기에 관한 것으로서 특히 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기에 관한 것이다.

본 발명은 종속선로밴드의 불연속에 기인한 임피던스 비정합이 방향성 결합기의 지향성에 영향을 미치는 것을 개선하기 위하여 밴드를 적절하게 절단하고, 전송선로와 만나는 접합부분의 밴드에서 야기되는 불연속으로 인한 리액턴스 성분을 줄이기 위하여 결합회로를 구성하지 않는 주선로와 종속선로 사이에 접지면을 대칭으로 두어 기존의 높은 지향성의 기준이 되는 25dB 이상의 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기이다.

Description

높은 지향성을 갖는 방향성 결합기

제1도는 2-포트 회로망을 나타낸 도.

제2(a)도는 평행결합선로 단면도.

제2(b),(c)도는 평행결합선로의 우, 기모드 여기를 나타낸 도.

제3(a),(b)도는 우, 기모드 여기 4-포트 회로망을 나타낸 도.

제4(a)도는 방향성 결합기의 기본 구조도.

제4(b)도는 방향성 결합기의 등가회로도.

제5(a),(b)도는 방향성 결합기의 우, 기모드 해석을 위한 등가회로도.

제6도는 종래의 일반적인 방향성 결합기의 패턴도.

제7(a),(b)도는 종속선로의 밴드를 45°절단한 방향성 결합기의 특성도.

제8도는 본 발명의 분해 사시도.

제9(a),(b)도는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 패턴도.

제10(a),(b),(c)도는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 특성도.

제11(a),(b)도는 접지면이 없는 20dB, 30dB 방향성 결합기의 특성도.

제12(a),(b),(c)도는 본 발명의 일실시예에 따른 10dB, 20dB, 30dB 방향성 결합기의 특성도.

제13도는 방향성 결합기의 성능 결과표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 몸체 20 : 스트립밑기판

21 : 주선로 22 : 종속선로

23 : 접지면 24 : 홀

30 : 스트립윗기판 40 : 개스킷

50 : 뚜껑 60 : 커넥터

본 발명은 마이크로웨이브 시스템에서 신호를 분배, 또는 결합하는 수동소자로 사용되는 방향성 결합기에 관한 것으로서 특히 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기에 관한 것이다.

방향성 결합기의 주요 기준 파라미터는 크게 결합도와 지향성 그리고 반사손실 등이 있으며 이는 결합기의 성능을 평가하는데 기준이 된다. 그 중 넓은 대역폭과 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기는 통신 시스템과 계측기와 같은 측정 장비의 주요 부품으로 쓰여지기 때문에 높은 지향성을 얻기 위해 다양한 구조가 제시되었고, 지향성과 관련한 분석 및 연구가 있었다. 마이크로웨이브 시스템에서 주로 쓰이는 방향성 결합기는 크게 하이브리드형 방향성 결합기와 평행결합 선로 방향성 결합기등으로 나뉠 수 있다. 하이브리드 방향성 결합기는 강한 결합도에 적합한 이점이 있으나 주파수 범위에 대한 지향성 특성이 좁다는 단점이 있다. 이에 반하여 평행결합 선로 방향성 결합기는 주파수에 대한 지향성의 대역폭이 넓다. 그러나 3dB와 같은 강한 결합도를 구현하는데는 어려움이 있다.

임의의 N-포트 회로망에서 회로망 내의 성질을 파악하고 표현하기 위하여 여러가지의 파라미터가 쓰인다. 그 중 임피던스 계수, 어드미턴스 계수 그리고 하이브리드 계수의 경우 초고주파와 같은 높은 주파수에서 적합하지 않을 뿐더러, 대부분 전력의 진폭과 위상특성을 관찰하는 초고주파에서 앞의 계수를 이용하여 전압과 전류를 측정한다는 것은 어려운 일이다.

따라서 보다 직접적인 측정과 초고주파 회로망 해석을 위해 새로운 회로망 계수가 필요하게 되는데, 입사파, 반사파 그리고 투과파의 개념을 지닌 산란계수(Scattering parameter)가 초고주파 해석에 용이하게 사용된다. 제1도는 산란파라미터를 구하기 위한 기본적인 2-포트 회로망을 나타낸 것으로 각 포트에서 출력되는 b₁과 b₂는 다음과 같이 표현할 수 있고 이들로 부터 산란계수를 나타내면 다음과 같다.

b₁= a₁에 의한 반사파 + a₂에 의한 전달파 = S₁₁a₁+ S₁₂a₂

b₂= a₁에 의한 전달파 + a₂에 의한 반사파 = S₂₁a₁+ S₂₂a₂

이때 산란계수는,

가 되고, 입출력에 대한 행렬식으로 표현하면,

의 행렬식이 된다. 수동 회로망에서의 산란계수는 두가지 주요 성질을 가지는데, 하나는 가역성으로 S_ij= S_ji의 관계가 성립한다는 것이고, 또 한가지는 무손실 회로망에서 산란계수 행렬의 단일성이 존재한다는 것이다.

즉 [S_ij][S_ij ^*]=[I]가 성립하게 된다.

마찬가지로 n-포트 회로망의 산란 계수행렬식은

와 같고, 정규화된 임피던스와 어드미턴스 행렬과의 관계식은 다음과 같이 구할 수 있다.

산란계수와 그 밖의 계수와의 상호변환을 위하여 정규화된 임피던스와 어드미턴스 행렬과의 관계식을 유도하면

이 된다. 그리고 전송파라미터와의 변환식은 다음의

와 같다.

일반적인 4-포트 회로망을 구성하는 평행결합 스트립선로의 단면도는 제2도와 같다. 여기서 선로 가장자리에 전자계 결합이 생기는데, 이의 관한 해석은 다음 두가지 모드로 해석할 수 있다. 한 가지는 두 선로 양쪽에 동상의 진폭으로 신호를 인가하는 기모드 여기(even-mode exitation)이고(제2(b)도 참조), 또 하나는 두 선로에 반대 위상의 진폭으로 신호를 인가하는 우모드 여기(odd-mode exitation)로 생각할 수 있다(제2(c)도 참조).

Cohn이 전개한 모드임피던스와 제2(a)도에 나타나 있는 스트립선로의 물리적인 치수와의 관계식은 다음과 같다.

먼저 타원적분(elliptic integral)으로 표현된 우, 기모드의 특성임피던스는

가 된다. 이때 K는 1종 타원 적분이며, 내부변수는,

와 같다.

타원 적분 전개의 어려움 때문에 모드임피던스를 가장자리 즉, 프린징 커패시턴스로 표현하기도 하는데, 프린징 커패시턴스와 모드 임피던스와의 관계식은 다음과 같다.

이때 ε=ε_οε_γ(ε_ο=8.854×10^-12)가 되고 C_f′(0)는 단일 스트립선로의 가장자리와 접지간의 프린징 커패시턴스이고, C_fo′(0, s/b)와 C_fe′(0, s/b)는 결합선로 사이에서 생기는 스트립과 접지간의 커패시턴스와 스트립 상호간의 프린징 커패시턴스 값이다. 이런 프린징 커패시턴스를 스트립 치수와의 관계식으로 나타내면.

가 된다.

제3도와 같이 우, 기모드로 여기 시킨 회로망에서 각 포트에서의 출력을 모드 반사계수및 투과계수를 살펴보면, 우모드로 여기 시켰을때 포트 1과 3 사이에 전압이 최대가 되면서 전류 I = 0인 자계벽이 생긴다. 그리고 기모드로 여기 시켰을때는 전압 V = 0가 되고, 전류가 최대가 되는 전기벽이 발생된다. 제3도에서 각 포트의 출력을 모드 반사계수와 투과계수로 표현할 수 있는데

로 표현된다.

평행결합선로 방향성 결합기의 해석을 위한 기본 구조 및 등가회로는 제4도와 같이 우, 기모드 해석을 위한 등가회로는 제5도와 같다.

제4(b)도 등가회로는 제5도의 모드 등가회로로 나타낼 수 있는데 이때의 전압과 전류는

로 계산된다. 즉 포트 3과 포트 4의 전압과 전류는 단지 포트 1과 포트 2의 전압과 전류만을 구함으로서 쉽게 얻을 수 있다. 이는 평행한 두 선으로 된 4-포트 회로망 해석을 단순히 2-포트 회로망 해석만으로도 할 수 있음을 보여 준다.

특성 임피던스와 전기적 길이를 갖는 전송선로에서의 전송계수는

A = cosθ, B = jZosinθ, C = j1/Zo sinθ, D = cosθ

가 된다. 이로 부터 각 모드에서의 입출력 대 전송계수와의 관계행렬식을 구할 수 있다.

또한 산란계수의 S₁₁은 모드 반사계수와 같고, S₂₁은 모드 투과계수와 같기 때문에 식(5-a 내지 5-d)에 전송계수를 대입하여 모드 반사계수와 투과계수를 구할 수 있다.

가 되고, 이때

이다.

균일한 매질내의 평행결합 스트립선로의 경우 모드의 위상속도가 같다는 것(θ_e= θ₀= θ)과 포트와 결합선로와의 완전정합을 위한 조건식인을 이용하여 모드 반사계수를 구한 결과식은 다음과 같다.

이 식을 식(10-a 내지 10-d)에 대입하여 각각의 포트에서의 출력값을 모드 입피던스와의 관계식으로 구하면

가 된다.

식(17-a 내지 17-d)로부터 방향성 결합기의 기본 동작을 설명할 수 있는데, B₁의 값이 0이 됨은 포트 1에서 완전정합이 일어남을 의미하고 B₄의 값이 0이 됨은 포트 4로 아무런 신호도 나오지 않는다는 것인데 이는 이상적으로 격리되었음을 의미한다. 식(17-a 내지 17-d)에서 보면 sinθ의 값이 1일때 최대의 결합이 생긴다. 다시 말해서 θ=90°일때 최대의 결합이 일어나고 그때의 결합포트에서의 최대 전압 결합식은 다음과 같은 모드임피던스만의 식으로 나타내어 진다.

여기서 모드임피던스는 모드위상속도와 모드커패시턴스로 나타낼수 있다.

λ/4 평행결합 스트립선로 결합기를 설계하고자 할 때, 결합도를 정하면 모드임피던스는 다음 식으로부터 구할 수 있다.

또한 아래의 Richardson의 근사식에 의해 스트립 결합선로의 물리적 치수를 구하면 식(21-a 내지 21-d)와 같다.

제4(a)도의 평행결합선로 방향성 결합기에서 결합도와 격리도는 결합포트와 격리포트에서의 입력에 대한 출력의 값으로 나타낼 수 있는데,

와 같이 나타낼 수 있고, 여기서 C는 결합도이고, I는 격리도이다.

방향성 결합기의 성능 기준 중에서 가장 중요한 기준이라 할 수 있는 지향성은 격리포트에서의 전력량으로 정의되어지며, 상대적인 값으로 나타낸다. 즉 격리도에서 결합도를 뺀 상대적인 량[dB]인

로 표현된다. 식(23)에서 알 수 있듯이 결합기 설계에 있어서 결합도는 이미 주어진 상태이므로 이상적인 지향성의 구현을 위해서는 주어진 주파수 범위내에서 격리포트 출력이 제로(zero)전력이어야 한다. 그러나 일반적인 결합선로 결합기의 경우 전송선로의 물리적인 변화로 인해 생기는 불연속이 지향성의 저하를 가져온다. 그 외에도 결합기의 중요한 성능 파라미터인 지향성에 밀접하게 영향을 미치는 몇개의 요인들이 있는데,

1) 결합기내 우, 기모드의 전파속도 (ν_e=ν_o=ν)

2) 결합선로 양끝단에서 전송선로로 가기 위한 선로분리로 기인한 접합부의 비정합 (스텝, 밴드).

3) 출력포트에 부하를 달았을때의 전압 정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio)

4) 모드임피던스 균형함수인 결합기의 내부정합등으로 간추릴 수 있다.

일반적인 구조의 마이크로스트립 방향성 결합기의 지향성 특성은 모드의 전파속도가 다르므로 균일한 유전체내에 평행한 정송선로가 있어 모드의 전파속도가 같은 스트립 결합선로로 구현된 방향성 결합기의 경우 보다 월등히 낮다.

때문에 지향성 특성이 중요한 경우에는 스트립 결합선로 방향성 결합기를 많이 이용하는데 일반적인 스트립 결합선로 구조로 구현된 방향성 결합기의 패턴도는 제6도에 나타낸 바와 같고, 종속선로의 밴드는 적절하게 절단된다.

높는 지향성이라 함은 적어도 25dB이상의 지향성을 의미하는데 상기와 같이 종속선로(22)의 밴드를 적절하게 절단함으로써 지향성을 개선시킬수 있는데는 한계가 있으므로 25dB 이상의 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기를 구현하기 위 해서는 새로운 구조와 기술이 요구된다.

따라서 본 발명은 신호원으로부터 신호를 공급하여 결합선호까지 전달하는 과정에서 선로의 특성 임피던스가 달라짐에 의해 지향성이 크게 저하되는 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 스트립 결합선로 구조를 갖는 방향성 결합기에 있어서, 종속선로의 밴드를 적절히 절단하고, 종속선로의 밴드가 위치한 부분에서 전송선로 사이에 접지면을 대칭으로 두어 지향성 특성을 개선함으로써 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 일실시예는 제8도에 나타낸 바와 같이 몸체(10)와 방향성 결합기의 패턴도가 그려져 있는 스트립밑기판(20)과, 상기 스트립밑기판(20)과 함께 스트립구조를 이루는 스트립윗기판(30)과, 개스킷(40)과, 뚜껑(50)과 신호의 입출력을 연결하는 커넥터(60)로 구성된다.

본 발명의 일실시예에 따른 작용 및 효과를 제8도 내지 제10도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일실시예에서는 40dB 결합도와 25dB의 지향성 특성을 갖는 방향성 결합기를 목표로 하여 이에 따라 설계하였으며, 방향성 결합기의 패턴도는 제9(a)도에 나타낸 바와 같다.

스트립 구조를 이루기 위하여 같은 유전제 매질인 두개의 기판, 즉, 스트립밑기판(20), 스트립윗기판(30)을 사용하였는데 스트립밑기판(20)에는 패턴을 만들고, 스트립윗기판(30)은 한면 전체의 구리면을 완전히 없앤 다음 이를 스트립밑기 판(20) 위에 포개어 구성하는 방법을 사용하였으며, 두 기판(20),(30)간에 공간이 생기지 않도록 몸체(10), 개스킷(40), 뚜껑(50)으로 충분히 밀착되어 있다.

스트립밑기판(20)의 패턴은 제 9(a)도에 나타낸 것처럼 결합선로와 포트접속간에 전송선에서의 신호결합을 방지하기 위 하여 주선로(21)는 직접 접속포트로 향하게 하였고 종속선로(22)는 90°의 각도를 주어 커넥터(60)와 연결되는 접속포트로 향하게 하였다.

또한 종속선로(22) 패턴은 지향성을 높이기 위하여 밴드는 적절히 절단되고, 밴드가 위치한 부분에서 주선로(21)와 종속선로(22) 사이에 도넛(donut) 형태를 한 접지면(23)이 대칭을 이루어 구성되며, 상기 접지면(23)은 도선으로 전체 가 접지면인 뒷면(미도시)과 연결한 구조로 된것이 특징이다.

상기 종속선로(22)의 밴드를 절단함으로써 지향성을 개선시키는 경우, 본 발명에서의 실험 결과에 의하면 45°밴드 절단한 경우에 약 20dB 정도의 가장 좋은 지향성 특성을 가지는 것이 확인되었으며, 그 결과는 제7도에 나타내었다.

즉, 제7도는 일반적인 스트립 결합선로 구조에서 종속선로(22)를 45°밴드 절단한 경우의 방향성 결합기의 특성을 나타낸 것으로 제 7(a)도는 결합포트에서의 반사손실과 삽입 손실을 나타낸 것인데 이로부터 -39.7dB의 결합이 발생되었음을 알 수 있다.

제7(b)도는 격리포트에서의 측정값으로 59dB의 격리도를 갖음을 보이고 있다. 상기 특성도에서는 방향성 결합기의 통과포트에 서 0.068dB의 삽입손실과 모든 포트에서 -40db의 반사손실이 나타나고 있음이 측정되었다.

본 발명의 다른 실시예에서는 40dB 결합도와 30dB의 지향성 특성을 갖는 방향성 결합기를 목표로 하여 이에 따라 설계하였으며, 방향성 결합기의 패턴도는 제9(b)도에 나타낸 바와 다수의 홀(hole : 24)을 포함하는 접지면(23)을 대칭 이루어 구성하고, 상기 접지면을 다수의 홀(24)을 통하여 도선으로 전체가 접지면인 뒷면과 연결한 구조로 된 것이 특징이다.

또한 상기 접지면(23)은 다양한 크기와 형태로 수정을 가할 수 있으며 주선로(21)와 종속선로(22) 사이의 적절하게 위치할 수 있다.

상기의 실시예에 따라 주선로(21)와 종속선로(22) 사이에 접지면(23)을 두어 도선으로 전체가 접지면이 뒷면(미도시)과 연결한 구조는 전송선로간의 결합을 방지하여 결합포트에서의 신호의 량을 축소시키고자 한 것이나 불연속으로 생긴 리액턴스 성분으로 인한 임피던스 비정합을 선로와 접지면간에 생긴 커패시턴스로 보상시켜 주는 결과를 가져와 방향성 결합기의 지향성 특성을 획기적으로 개선시킨 것이다.

상기 제9(a)도와 같은 패턴구조의 방향성 결합기 특성은 제10(a),(b)도에 나타낸 바와 같이, 결합포트에서의 39.7dB의 결합도와 격리포트에서 67.36dB의 격리도를 갖고 있음을 알 수 있다. 이것으로 부터 접지면을 위치시킨 방향성 결 합기는 최소 26dB의 지향성을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있다. 통과포트에서의 삽입손실은 0.07dB이며, 모든 포트에서의 -30dB의 반사손실 특성을 갖고 있다.

한편,상기 제9(b)도의 패턴구조를 갖는 방향성 결합기 특성은 제10(c)도와 같이 격리포트에서의 주파수 특성으로 삽입손실(S₂₁)이 잡음레벨로 떨어짐을 볼 수 있다. 즉 격리현상이 매우 우수하게 일어남을 의미하고 있는 것이다.

측정된 격리도는 76.8dB로 약 36dB의 매우 높은 지항성을 얻었다. 이 때 모든 포트에서의 반사손실은 -40dB이하로 매우 낮은 값으로 나타나고, 통과포트에서는 0.09dB의 삽입손실을 얻었다.

그 밖의 결합도를 갖는 방향성결합기로는 상기 실시예의 40dB 방향성 결합기를 토대로 접지면(23)이 없는 구조의 20dB, 30dB 방향성 결합기와 접지면(23)이 있는 10dB, 20dB, 30dB 방향성 결합기의 특성을 측정하였다.

먼저 접지면(23)을 위치시키지 않았을때의 측정된 출력 값을 제11도에 나타내었다. 여기서 최대 0.5dB의 편차를 갖는 결합도를 얻을 수 있었으며, 출력 결과는 격리포트에서의 결과를 나타내었다.

제11(a)도는 20dB의 접지면을 고려하지 않은 결과로 42.3dB의 격리도를 갖고 있으므로 22.3dB의 지향성을 갖고 있다. 제11(b)도는 30dB의 격리포트의 결과로 51dB의 격리도이므로 21dB의 지향성을 갖고 있음을 알 수 있다.

다음으로 방향성 결합기에 접지면(23)을 위치시키고 그 특성을 측정하였다. 그 결과값을 제12도에 나타내었다. 제12(a)도는 10dB방향성 결합기의 격리 포트에서의 출력결과로 48dB의 격리도를 갖게 되어 38dB라는 매우 높은 지향성을 얻었다. 제12(b)도는 20dB 방향성 결합기의 격리포트에서의 출력 결과로 53.3dB의 격리도를 갖는 33dB의 지향성을 얻었다. 제12(c)도는 30dB 방향성 결합기의 출력결과로 62.9dB의 격리도를 갖고 있으므로 약 33dB의 지향성을 얻고 있음을 나타내고 있다.

상기 방향성 결합기를 설계하여 얻은 결과 값들을 제13도에 요약하여 나타내었다. 제13도를 통해서 본 발명의 구조로된 방향성 결합기가 높은 지향성을 갖는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 종속선로 밴드의 불연속에 기인한 임피던스 비정합이 방향성 결합기의 지향성에 영향을 미 치는 것을 방지하기 위하여 밴드를 적절하게 절단하고, 전송선과 만나는 접합부분의 밴드에서 야기되는 불연속으로 인한 리액턴스 성분을 줄이기 위하여 결합회로를 구성하지 않는 주선로와 종속선로 사이에 접지면을 대칭으로 둠으로써 기존의 높은 지향성의 기준이 되는 25dB보다 훨씬 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기를 구현할 수 있는 것이다.

따라서, 현재 외국에서 수입되고 있는 방향성 결합기의 지향성 특성은 최소 25dB 인데 반하여 본 발명 방향성 결합기의 경우 계측용 방향성 결합기의 성능 범위에 들어가는 35dB 이상의 높은 지향성도 얻을 수 있으므로 향후 제품화 할 경 우 수입대체 효과는 물론 여타의 마이크로파 시스템 설계와 제작에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 방향성 결합기의 주선로(21) 및 종속선로(22)의 패턴이 그려져 있으며 주선로(21)와 종속선로(22) 사이에 위치하는 접지면(23)을 갖는 스트립밑기판(20)과, 상기 스트립밑기판(20)과 함께 스트립구조를 이루는 스트립윗기판(30)과, 상기 두 기판(20),(30)간에 공간이 생기지 않도록 밀착시켜주는 몸체(10), 개스킷(40) 및 뚜껑(50)과, 신호의 입출력을 연결하는 커넥터(60)로 구성되는 스트립 결합선로 구조를 갖는 방향성 결합기에 있어서, 상기 접지면(23)이 신호원과 결합선로 사이의 선로 특성 임피던스를 보상하기 위해 결합회로를 구성하지 않는 종속선로(22)의 밴드가 위치한 부분에 대칭을 이루며, 홀(24)을 구비하여 전체가 접지면인 스트립밑기판(20)의 뒷면과 도선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.
2. 제1항에 있어서, 상기 스트립밑기판(20)의 종속선로(22)의 밴드가 45°로 절단되는 것을 특징으로 하는 높은 지향성을 갖는 방향성 결합기.