KR100517946B1 - 밸룬 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸룬 구조에 관한 것으로, 종래 밸룬 구조는 평면구조에서는 서로다른 임피던스를 제공할 수 없으며, 다층구조로 구성할 경우 그 구조가 복잡하고, 공정이 어려운 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판의 상부일부에 위치하는 일측방향으로 긴 형태를 가지며, 그 폭이 일정하고, 일측에 입력단이 구성되는 주전송선로와; 각각 상기 주전송선로와는 소정거리 이격되어 평행하게 위치하며, 그 폭과 길이가 일정한 복수의 유니폼 전송선로를 가지는 밸룬 구조에 있어서, 상기 복수의 유니폼 전송선로는 일부분이 상기 주전송선로와의 이격거리가 다른 부분과는 다른 멀티섹션 전송선로로 구성함과 아울러 그 멀티섹션 전송선로 일부의 규격을 조절하여, 밸룬의 전기적인 특성을 조절할 수 있도록 구성하여, 다수의 홀수 모드 및 짝수 모드를 제공하기 위해 종래와 같이 다층구조를 가지는 입체 구조의 밸룬을 사용하지 않고, 평면상에서 그 멀티섹션 전송선로의 형상을 변경하여 다수의 홀수 모드 및 짝수 모드를 제공함으로써, 그 밸룬의 제작이 용이하여, 수율의 저하를 방지함과 아울러 제조공정의 단순화를 이룰수 있는 효과가 있으며, 상기 멀티섹션 전송선로의 일부의 폭과 주전송선로와의 거리를 조절함으로써 최적의 전기적인 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

밸룬 구조{STRUCTURE FOR BALUN}

본 발명은 밸룬(BALUN) 구조에 관한 것으로, 특히 멀티 섹션 커플링 구조를 적용하여 전기적인 특성을 향상시키는데 적당하도록 한 밸룬 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 밸룬(BALUN, Balanced to unbalanced 또는 Unbalanced to balanced)은 대지에 대하여 평형한 회로를 한쪽 끝이 접지돼 있는 증폭 회로와 결합할 때, 평형 회로의 대지 평형이 무너지는 것을 방지하기 위해서, 또는 초단파대 전송 회로에서 접지에 대하여 평형하고 있는 회로와 동축 케이블과 같은 불평형 회로를 접속할 때 사용하는 정합용 트랜스를 칭한다.

상기 밸룬은 이동 및 무선 송수신 시스템의 고주파 송수신단을 구성하는 주요 핵심부품인 더블 밸런스드 믹서(double-balanced mixer), 푸시 풀 증폭기(push pull amplifier) 및 멀티플라이어(multiplier)의 구성요소가 된다.

상기의 실시예에서 하나의 라인이 접지를 기준으로 전압성분을 가지는 불평형 상태에서 180°의 위상차를 가지는 두 신호 라인이 공통 접지를 가지는 평형상태 또는 그 역으로 전환하는 수동회로의 역할을 한다.

특히, 높은 송신 출력을 얻기 위하여 바이폴라 트랜지스터나 갈륨비소 전계효과 트랜지스터를 여러개 연결할 경우 어느 한계점에 도달하면 비선형 특성을 가지게 되는데 이러한 비선형 특성은 하모닉스(harmonics)나 인터모듈레이션(intermodulation)의 원인이 된다. 이를 방지하기 위해 상기 밸룬을 사용하여 트랜지스터를 병렬로 연결하여 높은 송수신 출력을 얻을 수 있다.

상기 밸룬은 트랜스포머(transformer), 병렬 라인 밸룬(parallel line balun), marchand blalun, ring hybrid, 능동 소자를 이용한 것이 있다. 상기 트랜스포머를 사용하는 경우는 손실이 큰 문제점을 가지고 있으며, 능동소자를 이용한 것은 단가가 비싸고 잡음이나 왜곡특성이 저하되는 문제가 있다.

이와 같은 문제점을 감안하여 통신에 사용하는 밸룬은 하이브리드 형태로 구현하며, 그 일예인 marchand balun은 광대역 특성과 고유 증폭 및 위상 균형(inherent amplitude and phase balance) 특성을 나타내어 널리 사용되고 있다.

이와 같은 종래 marchand balun의 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 종래 marchand balun의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 특정방향으로 긴형태로 위치하며, 일측이 입력단(IN)으로 이용되는 주전송선로(2)와; 상기 주전송선로(2)와는 일정한 이격거리(d) 만큼 이격되는 위치에서 상호 소정거리 이격되도록 그 주전송선로(2)와는 평행하게 위치하며, 일측단이 접지되고, 타측단이 출력단(OUT)으로 이용되는 두 유니폼 전송선로(3,4)로 구성된다.

상기 두 유니폼 전송선로(3, 4)는 λ/4의 길이를 가진다.

상기 두 유니폼 전송전로(3,4)는 주전송선로(2)와 커플링되며, 그 커플링양은 선로의 짝수모드 및 홀수모드 임피던스에 의해 표현될 수 있다.

상기 짝수모드 및 홀수모드의 임피던스는 선로의 폭(w), 기판(1)의 두께(t), 접지와의 거리에 의한 특성 임피던스와 상기 주전송선로(2)와 유니폼 전송선로(3,4)의 이격거리(d)에 의해 결정된다.

상기 도1에 도시한 종래의 일예에서, 선로간에는 균일한 짝수모드와 홀스모드 임피던스 만이 결정되어져 최적의 증폭 및 위상 균형 특성을 얻을 수 있도록 선로를 여러개의 짝수모드 및 홀수모드로 나눌수 없다.

즉, 상기 커플링된 선로를 여러개의 모드로 나눌수 없어 최적의 특성을 가지도록 선로를 조절하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하고자, 종래에는 적층형 구조의 밸룬이 제안되었다.

그 적층형 구조의 밸룬의 예로는 칩타입 멀티 섹션 결합 라인(chip-type multi-section coupled line)이 제안되었으며, 이를 분해한 사시도를 도2에 도시하였다.

도2는 상기 적층형 구조 밸룬의 분해 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 다수의 접지전극(5)을 두고, 그 접지전극(5)과 유니폼 전송선로(3,4)와의 이격거리를 다르게 설정하도록 구성한다.

즉, 상하부에 기판(1)을 두고, 그 기판(1)들과 전송선로(2, 3, 4)의 사이에 단차가 다른 다수의 접지전극(5)을 두어 그 접지전극(5)과의 거리에 따른 임피던스의 변화를 이룰수 있게 된다.

다시 말해서, 다수의 짝수모드 및 홀수모드 임피던스가 존재하도록 접지전극(5)의 위치에 따른 임피던스의 변화를 준다.

이와 같이 짝수모드 및 홀수모드 임피던스의 변화는 더 넓은 대역폭을 달성할 수 있으며, 우수한 증폭과 위상의 균일성을 얻을 수 있게 된다.

그러나, 상기의 칩형 구조는 복잡한 구조를 가지며, 특히 박막화를 실현하기에는 적당하지 않다. 즉, 평면형구조로는 그 구조를 형성할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 각 모드에서 다른 임피던스를 제공하며, 박막구조로 구현할 수 있는 단순한 구조의 밸룬 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 전송선로의 규격을 조절하여 밸룬의 전기적인 특성을 개선할 수 있는 밸룬 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은 기판의 상부일부에 위치하는 일측방향으로 긴 형태를 가지며, 그 폭이 일정하고, 일측에 입력단이 구성되는 주전송선로와; 각각 상기 주전송선로와는 소정거리 이격되어 평행하게 위치하며, 그 폭과 길이가 일정한 복수의 유니폼 전송선로를 가지는 밸룬(BALUN) 구조에 있어서, 상기 복수의 유니폼 전송선로는 일부분이 상기 주전송선로와의 이격거리가 다른 부분과는 다른 멀티섹션 전송선로로 구성하고, 그 멀티섹션 전송선로의 일부의 폭과 주전송선로의 이격거리를 조절하여, 전기적인 특성을 조절함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3a 내지 도3c는 각각 λ/4 전송선로의 일실시예도로서, 주전송선로전체에서 균일한 임피던스를 가지는 유니폼 전송선로(도3a)와, 두개의 서로다른 임피던스를 나타내는 스텝 임피던스 전송선로(도3b)와, 3개의 서로다른 임피던스를 나타내는 이중축 스텝 임피던스(DOUBLE-COAXIAL STEP IMPEDANCE) 전송선로(도3c)의 형태를 가진다.

상기 도3a의 유니폼 전송선로는 도1 또는 도2에 도시한 유니폼 전송선로(3,4)와 같이 전체에서 균일한 임피던스(Z0)를 가진다.

그 구조의 일실시예로서 공기층(air) 내에서 'ㄷ자'형의 구조를 가지는 두 구조물을 금속패턴(metal)을 사용하여 연결한 구조를 가진다. 이와 같은 구조를 주전송선로와 커플링시키면 하나의 균일한 임피던스를 나타낸다.

도3b의 예는 상기 도3a의 구조에서 'ㄷ자' 구조의 일측 패턴이 절곡부를 가지는 특징이 있다.

상기 구조의 특징은 그 선로의 길이를 줄이기 위한 것이며, 상기 구조에서 절곡된 영역을 기준으로 두 영역의 길이를 각각 λ1, λ2라고 하면 그 두 합은 공진기의 길이 λ보다 짧다.

이는 선로의 Q값이 줄어드는 결과를 초래한다.

이러한 원리를 이용하여 전체적인 길이를 줄이면서, Q값을 보상할 수 있는 구조가 도3c에 도시한 이중축 스텝 임피던스 전송선로이다.

아래의 수학식1은 개방면에서 바라본 전송선로의 어드미턴스(ADMITTANCE)를 표현한 것이며, 이 수학식1을 이용하여 전송선로의 길이를 결정할 수 있게 된다.

상기 수학식1에서 Yi가 0인 조건에서 아래의 수학식2를 얻을 수 있다.

상기 Rz는 Y₁/Y₂의 임피던스 비이다.

상기 도3c의 구조에서는 각 부분의 임피던스 Z₁, Z₂, Z₃는 서로다른 임피던스의 비를 나타내며, 그 임피던스의 변화율은 선로의 짝수모드와 홀수 모드의 양을 변화시켜 최적 특성을 가지는 변수로써 제시될 수 있다.

이와 같은 이중축 스텝 임피던스 전송라인을 이용한 본 발명 밸룬 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도4는 본 발명 밸룬의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부일부에서 일측방향으로 길게 위치하며 그 폭(w)이 일정하고, 일측에 입력단(IN)이 마련된 주전송선로(2)와; 각각 상기 주전송선로(2)와는 그 중심이 평행하며, 일측이 접지되고, 그 접지되는 일측보다 넓은 폭을 가지는 출력단(OUT)과, 상기 출력단(OUT)으로 부터 돌출되어 상기 주전송선로(2)와 평행하며, 그 길이가 전체 길이보다 짧은 돌출부를 가지는 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)로 구성된다.

상기 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)의 구조는 접지에 연결되며, 상기 주전송선로(2)와는 제1 이격거리(d1)만큼 평행하게 이격되어 위치하는 제1영역(a1)과, 상기 제1영역(a1)이 연장되어 출력단(OUT)에 연결되는 형상을 가지며, 그 연장된 형상보다 소정거리 넓은 폭을 가지고 상기 주전송선로(2)와 상기 제1 이격거리(d1)보다 짧은 제2 이격거리(d2) 만큼 평행하게 이격되는 제2영역(a2)과, 상기 제2영역(a2)의 상하면으로부터 상기 제1영역(a1)의 상하에 평행하고 그 제1영역(a1)의 길이보다 짧게 연장되어, 상기 주전송선로(2)와 상기 제2 이격거리(d2) 만큼 이격되는 제3영역(a3)으로 구성된다.

상기 제1 내지 제3영역(a1~a3)의 임피던스(Z0~Z2)는 각기 다른 값이다.

이하, 상기와 같은 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 주전송선로(2)는 일측에 입력단(IN)이 구성되며, 그 폭(w)은 일정하다.

또한, 상기 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)의 제1영역(a1)은 그 길이 및 주전송선로(2)와의 이격거리(d1)가 결합후 위상차가 180°가 되도록 설계된다.

그 다음, 상기 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)의 제2영역(a2)은 슬롯인 제3영역(a3)을 형성하기 위한 것이며, 그 제3영역(a3)은 상기 제1영역(a1)에 비하여 주전송선로(2)와의 이격거리(d2)가 더 짧게 된다.

상기 제3영역(a3)의 이격거리(d2)와 그 폭은 전압과 위상을 조절하기 위한 것이며, 그 이격거리(d2)와 폭을 조절하여 원하는 전압 및 위상의 조절이 가능해진다.

도5의 (a)와 (b)는 각각 슬롯이 없는 경우의 스텝 임피던스를 사용한 전압특성과 위상특성을 나타낸 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 중심주파수 대역인 4~6GHz를 기준으로 좌우의 밸런스가 이루어지지 않는 특성을 보인다.

즉, 밸룬의 규격화된 길이의 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)를 사용한 경우에는 스텝 임피던스의 특성의 크기가 일치하지 않음을 알 수 있다.

도6의 (a)와 (b)는 각각 상기 도4에서 제1 및 제2멀티섹션 전송선로(3,4)의 경우와 같이 슬롯인 제3영역(a3)의 폭과 주전송선로(2)와의 이격거리(d2)를 조절한 경우의 주파수에 대한 전압 및 위상특성을 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 중심주파수인 5GHz에 대하여 좌우측의 균형이 맞으며, 이는 스텝임피던스의 크기가 잘 일치하고 있음을 나타낸다.

이처럼 본 발명은 종래와 같이 다수의 서로다른 임피던스를 제공하기 위하여 3차원 적인 구조를 형성하지 않고, 평면 구조의 멀티섹션 전송선로에 슬롯을 부가하여 다수의 서로다른 임피던스를 제공할 수 있게 된다.

상기와 같은 구조는 CBCPW(CONDUCTOR-BACKED COPLANAR WAVEGUIDE)의 형태를 가지는 것이며, 이와 동일한 효과를 얻기 위해 CPW(COPLANAR WAVEGUIDE)의 형태의 전송선로를 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 밸룬 구조는 다수의 홀수 모드 및 짝수 모드를 제공하기 위해 종래와 같이 다층구조를 가지는 입체 구조의 밸룬을 사용하지 않고, 평면상에서 그 멀티섹션 전송선로의 형상을 변경하여 다수의 홀수 모드 및 짝수 모드를 제공함으로써, 그 밸룬의 제작이 용이하여, 수율의 저하를 방지함과 아울러 제조공정의 단순화를 이룰수 있게 된다.

또한, 상기 멀티섹션 전송선로의 일부의 폭과 주전송선로와의 거리를 조절함으로써 최적의 전기적인 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 밸룬 구조의 일실시 사시도.

도2는 종래 밸룬 구조의 다른 실시 분해 사시도.

도3a 내지 도3c는 각각 λ/4 전송선로의 일실시예도.

도4는 본 발명 밸룬 구조의 일실시 사시도.

도5는 스텝 임피던스를 적용한 일반적인 밸룬 구조의 전기특성 그래프.

도6은 본 발명 밸룬 구조에 스텝 임피던스를 적용한 경우의 전기특성 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:기판 2:주전송선로

3,4:제1 및 제2멀티섹션 전송선로

Claims (3)

1. 기판의 상부일부에 위치하는 일측방향으로 긴 형태를 가지며, 그 폭이 일정하고, 일측에 입력단이 구성되는 주전송선로와; 각각 상기 주전송선로와는 소정거리 이격되어 평행하게 위치하며, 그 폭과 길이가 일정한 복수의 유니폼 전송선로를 가지는 밸룬(BALUN) 구조에 있어서, 상기 복수의 유니폼 전송선로는 일부분이 상기 주전송선로와의 이격거리가 다른 부분과는 다른 멀티섹션 전송선로인 것을 특징으로 하는 밸룬 구조.
2. 제 1항에 있어서, 멀티섹션 전송선로는 상기 주전송선로와 소정거리 이격되며, λ/4의 길이를 가지며, 결합의 결과 180°의 위상차를 발생시키는 제1영역과, 상기 제1영역의 출력단측에서 그 폭이 제1영역보다 넓은 제2영역과; 상기 제1영역의 길이보다는 짧으며, 그 제1영역과는 소정거리 이격되어 평행하며, 일측단이 상기 제2영역에 연결되는 제3영역으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 밸룬 구조.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제3영역은 그 폭과, 주전송선로와의 이격거리의 변화를 통해 중심주파수를 기준으로 전압과 위상이 대칭되도록 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 밸룬 구조.