KR100386728B1

KR100386728B1 - Multi-section coupled line directional coupler

Info

Publication number: KR100386728B1
Application number: KR10-2000-0051394A
Authority: KR
Inventors: 지기만
Original assignee: 주식회사에스지테크놀러지; 박동철; 지기만; 김성완
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2003-06-09
Also published as: KR20000064228A

Abstract

본 발명은 전자제품에 사용되는 방향성결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 혼합기나 신호 검출기에 사용되는, 세라믹이나 유전체 기판을 적층하여 제작된 방향성결합기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a directional coupler for use in electronic products, and more particularly, to a directional coupler made by stacking ceramic or dielectric substrates used in frequency mixers and signal detectors.

본 발명은 축소된 방향성결합기를 발명하여 전자제품의 크기를 줄이기 위한 목적으로 고안되었으며 발명의 구성은 크기를 줄이기 위한 다중 결합 선로를 이용한 방향성결합기의 동작 원리, 구조로 되어있다. 다중 결합 선로를 이용해 단일 결합 선로를 이용한 종래의 방향성 결합기 보다 크기를 2분의 1로 감소시킬 수 있으며 제작하고자 하는 주파수에 따라 모양 변경의 자유도를 높일 수 있고 제작이 용이하다는 장점이 본 발명의 효과이다.The present invention has been devised for the purpose of reducing the size of electronic products by inventing a reduced directional coupler, the configuration of the invention is the operation principle, structure of the directional coupler using multiple coupling lines to reduce the size. The advantage of the present invention is that the size of the conventional directional coupler using a single combined line can be reduced to one-half using multiple coupling lines, the degree of freedom of shape change can be increased according to the desired frequency, and the manufacturing is easy. to be.

Description

Multi-section coupled line directional coupler

본 발명은 무선통신 설비에서 주파수 변환을 위해 사용되는 주파수 혼합기나 신호의 상태를 파악하기 위한 신호검출기에 사용되는 방향성결합기에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency mixer used for frequency conversion in a wireless communication facility or a directional coupler used for a signal detector for detecting a state of a signal.

일반적으로 방향성결합기는 전기적 신호가 전달될 수 있는 전송선을 가까이 위치시켰을 때 발생하는 전자기적 결합현상을 이용하여 구성된다. 특히 도 1은 세라믹이나 유전체 기판을 이용하여 구성된 종래의 방향성결합기를 나타낸 것이다. 도 1에서 전기적 신호의 입출력 단자(101, 102, 103, 104)와 빗금친 결합선로(107, 108)는 유전체 기판(106b, 106c) 위에 인쇄나 에칭 작업에 의해 형성된 전송선이다. 위치적으로 가까이 위치한 결합선로(107, 108)에 발생하는 전자기적 결합현상을 이용하는 종래의 방향성결합기는 큰 결합도를 얻기 위해 사용하고자 하는 주파수 파장의 4분의 1이 되는 결합길이를 사용하게 된다.In general, a directional coupler is constructed by using electromagnetic coupling that occurs when a transmission line through which an electrical signal can be transmitted is located close. In particular, Figure 1 shows a conventional directional coupler constructed using a ceramic or dielectric substrate. In FIG. 1, the input / output terminals 101, 102, 103, 104 of the electrical signal and the coupling lines 107, 108 hatched are transmission lines formed by printing or etching operations on the dielectric substrates 106b, 106c. Conventional directional couplers using electromagnetic coupling phenomena occurring in coupling lines 107 and 108 located close to each other use a coupling length equal to one fourth of the frequency wavelength to be used to obtain a large coupling degree. .

따라서 이와 같은 구조의 방향성결합기는 크기가 사용 주파수 파장의 4분의 1 이상으로 크며 낮은 주파수에 적용할 경우 방향성결합기의 구조가 폭에 비해 길이가 상대적으로 너무 길어져 회로의 집적도에 불리하다. 또한 높은 결합도를 얻기 위해서는 유전체 기판(106b)의 두께가 너무 작아져 제작하기 어려운 단점이 있다.도 2는 다른 종래 기술에 따른 방향성 결합기의 구조를 도시화한 도면이다. 도체 패턴에서 검은색 부분과 빗금친 부분은 같은 전극이지만 결합 부분(빗금)과 비결합 부분(검은색)을 구분하기 위해 다르게 표시하였다.바닥면이 도체막으로 입혀진 유전체 기판(206c) 위에 도체 전극(201, 202, 207, 208, 211)을 형성하고 그 위의 유전체 기판(206b)에 도체 전극(203, 204, 209, 210, 212)을 형성한다. 또한 윗면이 도체막으로 입혀진 유전체 기판(206a)을 덮어 전체를 하나로 붙여 구성된 스트립라인 구조로 되어 있다. 입력단자(201)에 인가된 신호는 결합선로(207)와 결합선로(208)를 통해 출력단자(202)로 출력된다. 신호가 결합선로(207)를 지날 때 전자기적결합 현상에 의해 위에 위치한 결합선로(209)에 일부의 신호가 1차적으로 결합되며 결합선로(207)를 통과한 신호는 비결합선로(211)와 결합선로(208)를 지나면서 다시 위에 위치한 결합선로(210)에 일부의 신호가 2차적으로 결합된다. 결합선로(209)와 결합선로(210)에 결합된 신호는 출력단자(203)에서는 합해지고 출력단자(204)에서는 서로 상쇄되어 결국 신호는 출력단자(202)와 출력단자(203)에서만 출력된다. 방향성결합기의 바닥면과 최상면(205)은 내부 신호의 누설과 외부 잡음의 영향을 차폐하기 위해 도체막으로 처리한다. 비결합 선로(211, 212)는 특성을 위해 꼭 필요하지만 같은 길이일 때 길이에 따른 특성 변화는 없기 때문에 제작시 각 입출력 단자(201, 202, 203, 204)의 상호 영향이 적도록 일정한 간격만 이격시켜 놓으면 된다. 원하는 출력특성을 얻기 위해서는 입출력 단자와 결합선로 그리고 비결합선로의 폭을 외부 임피던스에 정합되도록 결정하여야 하는데 이는 전송선로의 우모드, 기모드 임피던스 해석 방법을 적용하여 구할 수 있고 결합선로 이론으로부터 결합 길이를 결정할 수 있다.이러한 방향성 결합기도 여전히 사용 주파수 파장에 따라 결합선로의 길이가 늘어나게 되고, 고집적도가 요구되고 있는 실정이다.Therefore, the size of the directional coupler of such a structure is larger than one fourth of the wavelength used, and when applied to a low frequency, the structure of the directional coupler is too long compared to the width, which is disadvantageous to the integration of the circuit. In addition, the thickness of the dielectric substrate 106b is too small to obtain a high degree of bonding, which is difficult to manufacture. FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a directional coupler according to another conventional technology. In the conductor pattern, the black and hatched portions are the same electrode, but they are marked differently to distinguish the bonding portion (hatched) and the non-bonding portion (black). The conductor electrode on the dielectric substrate 206c coated with a conductor film on the bottom surface thereof. 201, 202, 207, 208, and 211 are formed, and conductor electrodes 203, 204, 209, 210, and 212 are formed on the dielectric substrate 206b thereon. In addition, the upper surface has a stripline structure formed by covering the dielectric substrate 206a coated with a conductor film and putting the whole together. The signal applied to the input terminal 201 is output to the output terminal 202 through the coupling line 207 and the coupling line 208. When the signal passes through the coupling line 207, some signals are primarily coupled to the coupling line 209 positioned above by the electromagnetic coupling phenomenon, and the signal passing through the coupling line 207 is connected to the non-coupling line 211. Some signals are secondarily coupled to the coupling line 210 again above the coupling line 208. The signal coupled to the coupling line 209 and the coupling line 210 is summed at the output terminal 203 and canceled with each other at the output terminal 204 so that the signal is output only at the output terminal 202 and the output terminal 203. . The bottom and top surfaces 205 of the directional coupler are treated with a conductor film to shield the leakage of internal signals and the effects of external noise. The uncoupled lines 211 and 212 are necessary for the characteristics, but since there is no characteristic change according to the length when they are the same length, only a predetermined interval is required so that the mutual influence of each input / output terminal 201, 202, 203, and 204 is small in manufacturing. You can leave it apart. In order to obtain the desired output characteristics, the widths of the input / output terminals, the coupling line and the non-coupling line must be determined to match the external impedance, which can be obtained by applying the right mode and pre-mode impedance analysis methods of the transmission line, Such a directional coupler is still required to increase the length of the coupling line according to the wavelength used, and high integration is required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 결합선로를 다단으로 결합시켜 결합선로의 길이를 사용 주파수 파장의 8분의 1 정도 크기로 줄일 수 있는 방향성 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.본 발명의 다른 목적은 집적도를 높일 수 있는 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것이다.본 발명의 또 다른 목적은 결합선로 간의 간격을 넓혀 높은 결합도를 얻을 수 있는 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a directional coupler that can reduce the length of the coupling line to about one-eighth of the frequency of use by combining the coupling lines in multiple stages. Another object of the present invention is to provide a directional coupler of a structure that can increase the degree of integration. Another object of the present invention is to provide a directional coupler of a structure that can obtain a high degree of coupling by widening the distance between the coupling lines.

도 1은 다층 구조를 갖는 종래의 일반적인 방향성 결합기의 구조도1 is a structural diagram of a conventional general directional coupler having a multi-layer structure

도 2는 종래 기술에 따른 방향성 결합기의 구조2 is a structure of a directional coupler according to the prior art

도 3은 본 발명에 따른 다중 결합선로를 갖는 방향성결합기의 일반도,3 is a general view of a directional coupler having multiple coupling lines according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 다단 결합선로를 이용한 방향성결합기의 특성 그래프4 is a characteristic graph of the directional coupler using a multi-stage coupling line according to the present invention

이하 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 따른 방향성결합기의 구성과 그에 따른 동작에 대하여 상세히 설명하기로 한다.도 3은 본 발명에 따른 방향성 결합기의 구성을 나타낸 사시도이다. 유전체 기판(306c)과 유전체 기판(306b) 위에 서로 교차되면서 여러 단의 다단 결합이 발생하도록 구성된 다단 결합 방향성결합기의 일반구조를 나타내고 있다. 낮은 주파수에 적용될 방향성결합기의 경우 종래의 구조는 횡방향과 종방향의 크기가 너무 달라 회로 집적시 위치를 많이 차지하는 반면, 본 발명에서와 같이 여러 결합단을 갖는 구조로 제작하면 횡방향과 종방향의 크기를 회로 집적에 유리하도록 적절하게 결정할 수 있을 뿐만 아니라 결합선로의 전체적인 결합길이도 작아져 전체적인 크기를 줄일 수 있다.Hereinafter, the configuration and operation of the directional coupler according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the directional coupler according to the present invention. The general structure of a multi-stage coupling directional coupler configured to generate multiple stages of multi-stage coupling while crossing each other on the dielectric substrate 306c and the dielectric substrate 306b is shown. In the case of a directional coupler to be applied at a low frequency, the conventional structure occupies a lot of positions when the circuit integration is so different in the size of the transverse direction and the longitudinal direction. Not only can the size of the circuit be properly determined to favor the circuit integration, but the overall coupling length of the coupling line can be reduced to reduce the overall size.

본 발명의 장점을 예를 들어 설명하면, 3dB 결합을 기준으로 할 때 도 1에 따른 방향성 결합기의 경우 전기적인 결합길이가 1.5708이고, 도 2와 같이 결합단이 2단으로 구성된 방향성결합기의 경우 요구되는 전기적인 결합길이의 합은 0.8542로 약 반으로 축소되며, 본 발명에서와 같이 결합단의 수가 3, 4, 5로 변화될 때 요구되는 전기적 결합 길이의 합은 각각 0.8139, 0.8012, 0.7955 이다.To illustrate the advantages of the present invention, for the directional coupler according to Figure 1 based on 3dB coupling, the electrical coupling length is 1.5708, as shown in Figure 2 is required for a directional coupler having a two-stage coupling stage The sum of the electrical bond lengths is reduced to about half by 0.8542, and the sum of the electrical bond lengths required when the number of coupling ends is changed to 3, 4, and 5 is 0.8139, 0.8012, and 0.7955, respectively, as in the present invention.

도 4는 본 발명의 이론과 특성을 검증하기 위해 사용 주파수 1 GHz, 결합도 3 dB의 특성을 갖는 방향성결합기를 제작하고 유한차분법(FEM) 수치해석 기법으로 해석한 결과와 제작된 방향성결합기의 산란계수 측정 결과를 함께 나타낸 그림이다.FIG. 4 shows the results of a directional coupler having a frequency of 1 GHz and a coupling degree of 3 dB to verify the theory and the characteristics of the present invention, and the results of the analysis using the finite difference method (FEM) numerical analysis technique. The figure shows the result of scattering coefficient measurement.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 방향성결합기의 결합선로를 이중 또는 그 이상의 단으로 결합시켜 구조의 자유도를 높임으로서 회로의 집적도를 유리하게 할 수 있을 뿐만 아니라 크기를 감소시킬 수 있고 높은 결합을 얻기에 제작이 용이한 구조로 되어 있다. 본 발명의 방향성결합기는 고유전율의 유전체 기판을 이용하여 제작되면 구조를 칩 구조로 할 수 있으며 무선통신 장비나 많은MMIC 응용 제품에 적용될 수 있을 것이다.As described above, the present invention can increase the degree of freedom of the structure by combining the coupling line of the directional coupler in two or more stages, which can not only advantageously integrate the circuit but also reduce the size and provide high coupling. The structure is easy to manufacture. When the directional coupler of the present invention is fabricated using a high dielectric constant dielectric substrate, the structure may be a chip structure and may be applied to wireless communication equipment or many MMIC applications.

Claims

In a directional coupler using electromagnetic coupling phenomena generated between coupling lines, which are overlapping portions of upper and lower layers, by stacking two dielectric substrates each having conductor electrode lines for connecting two terminals on the same plane. ,

A directional coupler using a multistage coupling line, characterized in that the coupling line between two terminals is formed in multiple stages so that multiple coupling occurs.