KR100451434B1 - 분리도가 개선된 마이크로 스트립 슬롯결합형 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 관한 것이다. 본 발명은, 중앙에 장방형 슬롯을 가지는 접지판과, 상기 접지판의 상, 하측에 위치하는 상, 하부 마이크로스트립 전송선로와, 이들 사이에 채워지는 유전체층을 구비하는 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 있어서, 상기 장방형 슬롯에 보조 슬롯이 소정간격을 두고 다수 형성된 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기를 제공하는데 그 특징이 있다. 따라서 분리도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

분리도가 개선된 마이크로 스트립 슬롯결합형 방향성 결합기{MICRO STRIP SLOT-COUPLING TYPE DIRECTIONAL COUPLER FOR IMPROVING A SEPARATION CAPABILITY}

본 발명은 초고주파 회로 및 안테나 분야에서 사용되는 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 관한 것으로, 특히 슬롯의 구조를 개선함으로써 분리도를 개선시킨 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 관한 것이다.

종래의 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 장방형 슬롯(2)을 가지는 접지판(3)과, 이 접지판(3)의 상측과 하측에 소정 간격을 두고 위치하는 상, 하부 마이크로스트립 전송선로(4)(5)와, 상기 접지판(3)과 상, 하부 마이크로스트립 전송선로(4)(5) 사이에 채워지는 유전체층(6)을 구비한다.

그리고 상, 하부 마이크로스트립 전송선로(4)(5)는 각각 2개의 포트(4a)(4b)(5a)(5b)를 가지는 "ㄷ" 자형상으로 이루어지고, 접지판(3)의 중앙부에 형성된 장방형 슬롯(2)을 통하여 상부 마이크로스트립 전송선로(4)와 하부 마이크로스트립 전송선로(5)간의 전력이 상호 이동하는 형태로 이루어져 있다.

그러나 이와 같이 구성된 종래의 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기는, 슬롯(2)의 폭을 제어하여 전달되는 전력의 크기를 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면에, 기수모드와 우수모드의 위상속도 차이로 인하여 분리도가 저하되어 회로의 성능을 저하시키는 단점을 가지고 있다.

즉, 분리도는 방향성결합기의 성능을 나타내는 대표적인 지수로서 분리도가 저하되면, 통신시스템에서는 신호간의 누화로 인하여 통신 신호 품질이 저하되게 되고, 초고주파 계측시스템에서는 피측정 신호의 동작 범위가 제한되는 결과를 초래하게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분리도를 향상시킬 수 있도록 슬롯의 구조를 개선한 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중앙에 장방형 슬롯을 가지는 접지판과, 상기 접지판의 상, 하측에 위치하는 상, 하부 마이크로스트립 전송선로와, 이들 사이에 채워지는 유전체층을 구비하는 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 있어서, 상기 장방형 슬롯에 보조 슬롯이 소정간격을 두고 다수 형성된 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기를 제공하는데 그 특징이 있다.

도 1은 종래의 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 구조를 도시한 단면도.

도 2는 도 1의 요부발췌 분리사시도.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯 결합형 방향성 결합기의 일 실시예를 도시한 요부발췌 분리사시도.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 다른 실시예를 도시한 요부발췌 분리사시도.

도 5는 종래 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 특성도.

도 6은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 특성도.

도 7은 도 4에 도시된 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 특성도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

12 : 장방형 슬롯 13 : 접지판

14, 15 : 상, 하부 마이크로스트립 전송선로

18, 19 : 보조 슬롯

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 일 실시예는, 도 3에 도시된 바와 같이 접지판(13)의 상부와 하부에 "ㄷ" 형상의 상, 하부 마이크로스트립 전송선로(14)(15)이 위치된다.

그리고 본 발명의 특징에 따라 접지판(13)의 중앙부에 장방형 슬롯(12)이 형성되고, 이 장방형 슬롯(12)의 장변부 일측에 보조 슬롯(18)이 소정간격을 두고 다수 형성된다.

그리고 접지판(13)과 상, 하부 마이크로스트립 전송선로(14)(15) 사이에는 도 1에 도시된 바와 같은 형태로 유전체층(6)이 형성된다.

그리고 접지판(13)에 형성되는 장방형 슬롯(12)의 길이는 기수모드의 1/4 즉, λ_odd/4로 설계하고, 슬롯의 폭(G)은 방향성결합기의 결합지수로부터 얻어지는 이상적인 우수모드 특성 임피던스(Z_0ei)로부터 아래의 수학식 1에의 관계에 의하여 계산된 우수모드 특성 임피던스(Z_0ea)를 구현하기 위한 폭으로부터 결정한다.

위의 수학식에서 사용되는 기호의 정의는 다음과 같다.

: 우수모드의 설계 특성 임피던스

: 우수모드의 이상적인 특성 임피던스

: 우수모드의 위상

: 기수모드의 위상

n : 보조 슬롯의 개수

: 우수모드의 비유전율

: 기수모드의 비유전율

그리고 보조 슬롯(18)은 아래의 수학식 2에서 계산된 리액턴스(X)를 나타내도록 그 길이와 폭으로 조정한다.

위의 수학식에서 사용되는 수식의 기호에 대한 정의는 수학식 1에서 사용된 것과 동일하다. 수학식 2에서 계산된 리액턴스는 보조 슬롯(18)의 개수가 n개 일 때 다음의 수학식 3에 의하여 그 길이와 폭을 결정하여 구현한다.

여기에서 기호 대한 정의는 다음과 같다.

: 슬롯 대 마이크로스트립 전송선로의 권수비(turn ratio)

: 보조 슬롯의 특성 임피던스

: 보조 슬롯의 전파계수

: 보조 슬롯의 길이

: 보조 슬롯의 잉여 길이

위의 수학식 1, 2, 3 에 의하여 장방형 슬롯(12)과 보조 슬롯(18)을 설계하면 우수모드와 기수모드의 위상속도가 동일하게 되고, 우수모드의 특성 임피던스는가 되어 원하는 커플링 지수를 구현하고, 또한 하부 마이크로스트립 전송선로(15)의 포트(15a)로 전달되는 전력이 0 가 되어 이상적인 방향성 결합기가 구현된다. 수학식 3에 있어서의 권수비(turn ratio)란 마이크로스트립 전송선로와 슬롯라인 전송선호가 다층회로의 상하에 위치할 때, 신호가 전달되는 정도를 나타내는 것으로, 이의 크기는 0과 1사이의 값을 가지며, 반사없이 완전전송의 경우 1이고, 전혀 전달되지 않는 경우가 0에 해당한다. 이러한 권수비는 일반적으로 다층구조의 형태, 즉 층의 두께및 구조, 유전율, 전송선로 상호간의 폭등에 따라 다양한 값을 갖는다. 참고로, 초고주파 전공자라면, "Microstrip Lines and Slotlines" 2 nd ed., K.C.Gupta, Ramesh Garg, lnder Bahl, and Prakash Bhartia, Artech House, Boston, USA, 1996 의 문헌에 상세히 기재되어 있음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 접지판(13)의 중앙부에 형성된 장방형 슬롯(12)의 장변부 양측에 보조 슬롯(19)이 소정간격을 두고 상호 대응되도록 다수 형성된다.

그리고 보조 슬롯(19)은 각 모드의 위상속도를 동일하게 맞추고 원하는 우수모드 특성 임피던스를 얻기 위하여 다음의 수학식 4, 5를 이용하여 결정한다.

위의 수학식에서 사용되는 기호의 정의는 다음과 같다.

: 슬롯 영역 1의 우수모드의 설계 임피던스

: 슬롯 영역 2의 우수모드의 설계 임피던스

:슬롯 영역 1의 우수모드 위상

: 슬롯 영역 2의 우수모드 위상

: 슬롯 영역 1의 우수모드 비유전율

: 슬롯 영역 2의 우수모드 비유전율

위의 수학식으로부터 얻은,의 값은 영역 1(D1) 및 영역 2(D2)의 슬롯의 폭을 변화시켜 구현한다. 위의 수학식 4, 5에 의하여 슬롯 폭 G1 및 G2를 결정하면, 우수모드와 기수모드의 위상속도가 동일하게 되고, 우수모드의 특성 임피던스는가 되어 원하는 커플링 지수를 구현하고, 또한 하부 마이크로스트립 전송선로(15)의 포트(15a)로 전달되는 전력이 0 가 되어 이상적인 분리도를 갖는 방향성 결합기가 구현된다.

도 5 내지 도 7은 종래 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기와 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 실시예들의 특성을 나타내는 특성도로서, 종래 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기는 도 5에 그래프로 나타낸 바와 같이 분리신호(△)가 -20 ∼ -30dB 사이에 분포되는 반면에, 본 발명의 일 실시예는 도 6에 그래프로 나타난 바와 같이 분리신호(△)가 -30 ∼ -70dB 사이에 분포되고, 본 발명의 다른 실시예는 도 7에 그래프로 나타난 바와 같이 분리신호(△)가 -40 ∼ -50dB 사이에 분포되는 것으로, 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기의 분리도가 종래 구조에 비하여 분리도 특성이 향상됨을 알 수 있다. 그래프에서 ○ 는 통과신호, □ 는 결합신호, ◇ 는 반사신호를 각각 나타낸다.

도 5 내지 도 7의 실시예에서는 도 1 내지 도 3의 유전체층의 유전율이 3.38 이고, 도 1의 상측 전송선로(4)와 접지판(3) 및 접지판(3)과 하측 전송선로(5)의 의 간격이 0.508mm 인 초고주파회로 설계용 기판 재료에서 1-2GHz 의 주파수 범위에서 1.5GHz 의 중심 주파수에서 실시예들을 비교한 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기는, 배열 안테나의 빔 형성 회로, 각종 능동회로의 입, 출력단 및 초고주파 계측시스템의 전력분배기나 센서회로 등에 사용된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 의하면, 종래 방식에 비하여 분리도가 향상된다.

Claims (3)

1. 중앙에 장방형 슬롯을 가지는 접지판과, 상기 접지판의 상, 하측에 위치하는 상, 하부 마이크로스트립 전송선로와, 이들 사이에 채워지는 유전체층을 구비하는 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기에 있어서,

   상기 장방형 슬롯에, 보조 슬롯이 소정간격을 두고 다수 형성된 것을 특징으로 하는 분리도가 개선된 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 슬롯은, 장방형 슬롯의 장변부 일측에 소정간격을 두고 다수 형성된 것을 특징으로 하는 분리도가 개선된 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 슬롯은, 장방형 슬롯의 장변부 양측에 상호 대응되도록 다수 형성된 것을 특징으로 하는 분리도가 개선된 마이크로스트립 슬롯결합형 방향성 결합기.