KR100386729B1 - 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자제품에 사용되는 방향성결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 혼합기나 신호 검출기에 사용되는, 세라믹이나 유전체 기판을 적층하여 제작된 방향성결합기에 관한 것이다.

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 약 30% 감소시킬 수 있으며 제작하고자 하는 주파수에 따라 모양 변경의 자유도를 높일 수 있고 제작이 용이하다는 장점이 본 발명의 효과이다.

Description

방향성 결합기 {A directional coupler}

본 발명은 무선통신 설비에서 주파수 변환을 위해 사용되는 주파수 혼합기나 신호의 상태를 파악하기 위한 신호검출기에 사용되는 방향성결합기에 관한 것이다.

일반적으로 방향성결합기는 전기적 신호가 전달될 수 있는 전송선을 가까이위치시켰을 때 발생하는 전자기적 결합현상을 이용하여 구성된다. 특히 도1은 세라믹이나 유전체 기판을 이용하여 구성된 종래의 방향성결합기를 나타낸 것이다. 도1에서 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.

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.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위해 결합선로를 다중으로 결합시켜 결합선로의 길이를 감소시켜 전체적인 방향성결합기의 크기를 줄이고, 낮은 주파수의 경우 결합선로를 여러 단으로 구성하여 집적도를 높일 수 있는 구조로 제작할 수 있으며, 높은 결합도를 얻기 위한 결합선로 간의 간격도 넓혀 도 1에 나타낸 종래 구조에 비해 제작이 용이하도록 하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 다층 구조를 갖는 종래의 일반적인 방향성 결합기의 구조도

도 2는 본 발명의 일예에 따른 방향성 결합기의 구조를 나타낸 예시도

도 3은 길이가 다른 비결합선로와 다중 결합선로를 갖는 방향성결합기의 일반도

도 4는 도 1의 그림에서 길이가 긴 비결합선로의 길이를 짧은 비결합선로와 같게 하고 양 끝에 전극을 추가한 방향성결합기

도 5는 도 2의 2중 결합선로를 이용한 방향성결합기의 특성 그래프

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명인 다층 구조의 다단 결합선로를 이용한 방향성결합기 중 2단결합을 이용한 구조를 도시화한 도면이다. 도체 패턴에서 검은색 부분과 빗금친 부분은 같은 전극이지만 결합 부분(빗금)과 비결합 부분(검은색)을 구분하기 위해 다르게 표시하였다.

도 2를 살펴보면 본 발명의 방향성결합기는 다음과 같은 구조로 되어 있다. 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 전자기적 결합 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. 그러나 도 2에서와 같이 비결합선로의 길이를 다르게 하면 방향성결합기의 광대역 특성을 얻을 수 있어 응용분야에 따라 유용하게 적용할 수 있다. 원하는 출력특성을 얻기 위해서는 입출력 단자와 결합선로 그리고 비결합선로의 폭과 길이를 외부 임피던스에 정합되도록 결정하여야 하는데 이는 전송선로의 우모드, 기모드 임피던스 해석 방법을 적용하여 구할 수 있고 결합선로 이론으로부터 결합 길이를 결정할 수 있다. 결합선로의 우모드 임피던스와 기모드 임피던스를 각각Zoe,Zoo라 하면 결합선로의 결합계수 C는 다음과 같다

도 2의 방향성결합기에서 전기적은 특성은 비결합선로의 절대적인 길이보다 상대적인 길이 차에 의해 결정되므로 위 식으로부터 결합계수 C를 결정하면 제작하고자 하는 사용주파수에서의 결합선로와 비결합선로의 길이 차는 다음 식으로부터 구할 수 있다.

여기서 D는 비결합선로(211)와 비결합선로(212)의 전기적인 길이차이며 L은 단위 결합선로(207)의 전기적인 길이이다. 위 식에서 알 수 있듯이 단위 결합길이와 비결합선로의 길이 차는 여러 값을 가질 수 있으므로 최적화 기법등을 통해 최적의 값을 찾으면 된다.

이상에서 설명한 마찬가지 방법으로 여러 단으로 구성된 방향성결합기를 제작할 수 있는데 도 3은 유전체 기판(306c)과 유전체 기판(306b) 위에 서로 교차되면서 여러 단의 다중 결합이 발생하도록 구성된 다단 결합 방향성결합기의 일반구조를 나타낸 그림이다. 낮은 주파수에 적용될 방향성결합기의 경우 종래의 구조는 횡방향과 종방향의 크기가 너무 달라 회로 집적시 위치를 많이 차지하게 된다. 이러한 구조를 도 3과 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.

도 4는 도 2의 방향성결합기 구조에서 긴 비결합선로(211)를 짧은 비결합선로(212)의 길이와 같도록 구현된 구조이다. 이 때 긴 비결합선로의 짧아진 영향을 보상해 주기 위해 비결합선로(411)의 폭을 임피던스가 커지도록 가늘게 하였으며 양쪽 끝단에 용량기(capacitor) 역할을 하는 전극을 형성하여 주었다. 이와 같은 방법으로 사용주파수에서 도 2의 구조와 비슷한 동작을 하는 방향성 결합기를 제작할 수 있다.

도 5는 본 발명의 이론과 특성을 검증하기 위해 사용 주파수 1 GHz, 결합도 3 dB의 특성을 갖는 도 2에 나타낸 구조의 방향성결합기를 제작하고 측정한 결과이다.

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 칩구조로 할 수 있으며 무선통신 장비나 많은MMIC 응용 제품에 적용될 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 동일면 상의 두 단자(port)를 연결하기 위한 도체(導體) 전극선로가 각각 형성된 두 유전체 기판을 적층시켜, 상·하 중첩되는 부분인 결합선로 사이에서 발생하는 전자기적 결합현상을 이용하는 방향성 결합기에 있어서,

   두 유전체 기판의 도체 전극 선로 중 비결합 선로의 길이가 서로 다른 것을 특징으로 하는 방향성결합기.
2. 제 1 항에 있어서,

   두 단자 사이의 결합선로를 다단으로 형성하여 다중 결합이 발생하도록 구성하고, 대향되는 방향의 비결합선로의 길이가 서로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
3. 제 1 항에 있어서,

   두 유전체 기판 중 어느 한 기판에 형성된 비결합선로의 양단부에 용량성 전극을 형성하고 비결합선로의 폭을 가늘게 형성한 것을 특징으로 하는 방향성결합기.