KR100653182B1 - 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬 - Google Patents

동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬 Download PDF

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임종식
윤재훈
박웅희
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한국전자통신연구원
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 코플래너 웨이브가이드(CPW: Coplanar waveguide, 이하 동평면 도파관이라 함) 전송선로를 이용하여 구성한 분배기의 일 출력 단자에 대하여 중심신호선로와 양옆의 접지선로를 서로 “X”자 형태로 크로스(cross) 교차시킴으로써, 180도 위상차를 갖는 두 신호(전력)를 출력하기 위한, 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 발룬에 있어서, 동평면 도파관 전송선로로 구현되어 입력단자를 통해 입력받은 신호를 소정의 분배비로 분배하여 각각의 출력단자를 통해 출력하기 위한 분배수단; 및 상기 분배수단의 일 출력단자에 위치한 동평면 도파관 전송선로의 중심신호선과 상기 중심신호선의 양옆 접지선로를 공간적인 격리상태를 유지하면서 서로“X”자 형태로 크로스(cross) 교차시켜 출력신호의 위상을 180도 변환하기 위한 위상 변환수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 각종 무선/이동 시스템, 고출력증폭기, 고출력증폭기용 선형화기, 안테나 소자, 안테나 측정 시스템 등에 이용됨.
동평면 도파관, 발룬, 에어 브릿지, 바닥 브릿지

Description

동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬{Balun using coplanar waveguide transmission line}
도 1a 는 일반적인 1단 윌킨슨 분배기의 기본 스케매틱(schematic) 회로도,
도 1b 는 일반적인 1단 윌킨슨 분배기를 고주파 회로 시뮬레이터(ADS : Advanced Design System)에서 정의한 회로로 변환한 회로도,
도 1c는 ADS로 시뮬레이션한 1단 윌킨스 분배기의 전기적 특성을 나타내는 특성도,
도 2a 는 종래의 윌킨스 발룬에 대한 일실시예 회로도,
도 2b 는 종래의 윌킨스 발룬에 대한 다른 실시예 회로도,
도 2c는 도 2b에 도시된 종래의 발룬 회로를 실제 구현한 일실시예 회로도,
도 3 은 마이크로스트립(Microstrip, MS) 전송선로를 구현하는데 사용되는 일반적인 평면형 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 측면도,
도 4 는 일반적인 평면형 인쇄회로기판상에 구현한 마이크로스트립 전송선로의 일실시예 설명도,
도 5 는 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로용 인쇄회로기판의 일실시예 측면도,
도 6 은 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로의 기본 구조를 나타내는 일실시예 설명도,
도 7 은 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로의 일실시예 평면도,
도 8 은 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로의 등가 구조를 나타내는 일예시도,
도 9a 는 본 발명에 따른 180도 위상 변환부의 일실시예 구조도,
도 9b 는 도 9a에 도시된 180도 위상 변환부를 확대한 도면,
도 10 은 본 발명에 따른 인쇄회로기판상의 두 도선을 3차원 점퍼선으로 연결하는 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 11a 는 도 9a의 두 개의“X”자 크로스 부분(Y)을 에어 브릿지로 구현한 일예시도,
도 11b 는 도 9a의 두 개의“X”자 크로스 부분(Y)을 바닥 브릿지로 구현한 일예시도,
도 12a 는 본 발명에 이용되는 다단 윌킨스 분배기를 고주파 회로 시뮬레이터(ADS : Advanced Design System)에서 정의한 회로로 변환한 회로도,
도 12b 는 본 발명에 이용되는 다단 윌킨스 분배기의 전기적 특성을 나타내는 일예시도,
도 13a 는 도 12a에 도시된 이상적인 전송선로 소자를 동평면 도파관 전송선로로 바꾸어 구현한 일실시예 분배 회로도,
도 13b 는 도 13a에 도시된 분배 회로도의 전기적 특성도,
도 14 는 본 발명에 따른 발룬의 일실시예 회로도,
도 15a 는 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 일실시예 회로도,
도 15b 는 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 일실시예 특성도,
도 16 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 다단 광대역 윌킨슨 분배기의 인쇄회로기판 상의 레이아웃(layout)에 대한 일예시도,
도 17 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 레이아웃에 대한 일예시도,
도 18 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 최종 레이아웃에 대한 일예시도,
도 19a 내지 도 19d 는 도 18에 도시된 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 최종 레이아웃에 대한 분해도,
도 20 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 일실시예 실제 구현도,
도 21a 및 도 21b 는 도 20에 도시된 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 특성도,
도 22 는 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 다단 광대역 분배기의 인쇄회로기판 상의 레이아웃(layout)에 대한 다른 예시도이다.
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삭제
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* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
51 : 유전체 52 : 상위 도체면
61 : 중심신호선 62, 63 : 접지도체면
본 발명은 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코플래너 웨이브가이드(CPW: Coplanar waveguide, 이하 동평면 도파관이라 함) 전송선로를 이용하여 구성한 분배기의 일 출력 단자에 대하여 중심신호선로와 양옆의 접지선로를 서로 “X”자 형태로 크로스(cross) 교차시킴으로써, 180도 위상차를 갖는 두 신호(전력)를 출력하기 위한, 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬에 관한 것이다.
일반적으로, 발룬 회로(Balun, Balanced-unbalanced circuits)는 한 입력 단 자에 입력된 전력이 두 개의 출력단자에서 서로 반대의 위상(180도 차이)을 갖도록 하는 회로로서, 각종 무선/이동 시스템, 고출력증폭기, 고출력증폭기용 선형화기, 안테나 소자, 안테나 측정 시스템 등에 널리 사용되는 초고주파 회로 소자이다. 특히, 다이폴 안테나에서와 같이 서로 반대의 위상을 지닌 급전(feeding)이 필요하거나, 고출력증폭기에서의 푸쉬풀(push-pull) 정합 구조에서 널리 사용되는 소자이다.
발룬에는 여러 가지 형태가 있으나, 기본적으로 두 출력단자의 전력 분배비가 1:1인 경우가 선호되므로, 일반적으로 널리 쓰이는 윌킨슨 분배기의 출력 단자에 180도 위상차 발생부(발생회로)를 부가하여 최종적으로 두 출력단자에서의 전력의 크기는 같고, 위상차가 180도를 갖는 종래의 윌킨슨 분배기형 발룬(이하“윌킨슨 발룬”)이 주로 사용되고 있다.
여기서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 일반적으로 널리 쓰이는 1단 윌킨스 분배기의 회로 및 성능에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 도 1a는 일반적인 1단 윌킨슨 분배기의 기본 스케매틱(schematic) 회로를 나타내고, 도 1b는 일반적인 1단 윌킨슨 분배기의 전기적 특성을 시뮬레이션(simulation)하기 위하여 고주파 회로 시뮬레이터인 ADS(Advanced Design System)에서 정의한 회로로 변환한 회로를 나타낸다. 그리고, 도 1c는 ADS로 시뮬레이션한 1단 윌킨스 분배기의 전기적 특성을 나타낸다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 일반적인 1단 윌킨슨 분배기는 두 출력단자에서 동일한 분배특성(S21=S31)을 가지며, 두 출력단자에서의 정합특성도 같다 (S22=S33). 그리고, 입력단자에서의 정합특성(S11)과 두 출력단자 사이의 격리특성(isolation, S32)도 매우 우수하다. 아울러, 두 출력단자에서 동일한 위상차를 가지며 구조적으로도 두 출력단자가 인-라인(in-line) 형태이므로 입-출력의 배열이 매우 편리하다.
상기와 같은 일반적인 1단 윌킨슨 분배기를 이용하여, 두 출력 단자에서 서로 반대의 위상차(180도)를 갖는 윌킨슨 발룬을 설계하기 위해서 도 2a에 도시된 바와 같이, 일 단자(여기에서는 Port3을 의미하는 P3으로 표시함)에 180도의 전기적 길이를 갖는 추가적인 전송선로를 삽입하였다.
이러한 종래의 윌킨스 발룬은 P3에 추가된 180도 전송선로에 의하여 동일한 크기로 전력이 분배되더라도 P3에만 추가적인 손실이 발생하므로 1:1로 전력을 분배할 수 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 "J. Rogers and R. Bhatia"에 의해 1991년 6월, "1991 IEEE MTT-S Digest, pp. 865-868"에 "A 6 to 20 GHz Planar Balun Using a Wilkinson Divider and Lange Couplers"라는 명칭으로 게재된 내용을 살펴보면, 일반적인 1단 윌킨슨 분배기의 두 출력에 각각 -90도와 +90도의 위상차를 갖는 회로를 추가하여 180도의 위상차를 얻는 방법이 제시되었다. 이는 도 2b에 도시되어 있다.
한편, 도 2c는 도 2b에 도시된 종래의 발룬 회로를 실제 구현한 일실시예 회로도로서, 하이브리드 결합기 종단 단자를 한쪽은 단락(short), 다른 한쪽은 개방(open)시켜서 180도의 위상차를 만들어 내는 회로를 나타낸다.
이러한 종래의 윌킨스 발룬은 P2와 P3에 -90도와 +90도의 위상차 발생 회로가 추가되어야 하므로 전체 발룬 회로의 크기가 매우 커지고, 또한 추가된 위상차 발생 회로에서 발생하는 전송손실이 무시할 수 없을 만큼 크므로 발룬의 성능을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
아울러, 상기 언급한 도 2a 내지 도 2c에 도시된 종래의 윌킨스 발룬은, 비록 윌킨슨 분배기가 광대역으로 설계되었다고 하더라도 180도 위상차 발생 회로가 갖는 주파수 대역 제한성에 의하여, 윌킨슨 분배기의 초기 광대역 특성이 협대역으로 줄어드는 문제점이 있었다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 P3에 연결한 180도의 추가적인 전기적 길이가 광대역에 걸쳐서 일정하게 180도 차이를 가지는 것이 아니며, 또한 도 2b 및 도 2c에서도 -90도, +90도의 위상차 발생 회로가 광대역에 걸쳐서 일정하게 -90도, +90도의 위상차를 일정하게 유지하지 못하는 문제점이 있었다.
결국, 종래의 윌킨스 발룬은 180도 위상차가 유지되는 주파수 대역이 광대역 윌킨슨 분배기보다 좁아져서 주파수 대역폭을 제한시키는 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 코플래너 웨이브가이드(CPW: Coplanar waveguide, 이하 동평면 도파관이라 함) 전송선로를 이용하여 구성한 분배기의 일 출력 단자에 대하여 중심신호선로와 양옆의 접지선로를 서로 “X”자 형태로 크로스(cross) 교차시킴으로써, 180도 위상차를 갖는 두 신호( 전력)를 출력하기 위한, 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 발룬에 있어서, 동평면 도파관 전송선로로 구현되어 입력단자를 통해 입력받은 신호를 소정의 분배비로 분배하여 각각의 출력단자를 통해 출력하기 위한 분배수단; 및 상기 분배수단의 일 출력단자에 위치한 동평면 도파관 전송선로의 중심신호선과 상기 중심신호선의 양옆 접지선로를 공간적인 격리상태를 유지하면서 서로“X”자 형태로 크로스(cross) 교차시켜 출력신호의 위상을 180도 변환하기 위한 위상 변환수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 유전체 PCB 기판 위에 중심 신호선로와 그 중심 신호선로의 양 옆에 두 접지선로가 나란히 존재하는 구조의 동평면 도파관 전송선로를 따라서 진행하는 전자파 에너지가 중심 신호선로와 양 옆의 접지선로가 “X”자 형태로 크로스(cross) 교차할 경우에 급격하게 180도의 위상차를 갖는 특성을 이용한다.
또한, 본 발명은 동평면 도파관 전송선로로 구현되어 입력단자를 통해 입력 받은 신호를 소정의 분배비로 분배하여 각각의 출력단자를 통해 출력하기 위한 분배기를 이용한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3 은 마이크로스트립(Microstrip, MS) 전송선로를 구현하는데 사용되는 일반적인 평면형 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 측면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 평면형 인쇄회로기판은 유전체(31)를 사이에 두고 상위 도체면(32)과 하위 도체면(33)이 평행하게 분포하고 있다. 이때, 상위 도체면(32)에 마이크로스트립 전송선로의 신호선이 구현되는데, 특정값의 전송선로 임피던스를 갖는 신호선이 특정한 선폭을 갖도록 구현된다.
여기서, "T"는 상위 도체면(32) 및 하위 도체면(33)의 두께를 나타내고, "H"는 유전체(31)의 두께를 나타낸다. 이때, 유전체(31)는 전파되는 신호 에너지를 자기 자신을 향하여 끌어당겨 신호의 진행 방향으로 전달해 주는 경로 역할을 한다. 또한, 유전체(31)의 유전상수(유전율, dielectric constant)는
Figure 112005040862403-pat00001
로 표현하며, 공 기에서는 크기가 1이고 기타 물질에서는 모두 1보다 큰 값을 갖는다.
도 4 는 일반적인 평면형 인쇄회로기판상에 구현한 마이크로스트립 전송선로의 일실시예 설명도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 평면형 인쇄회로기판의 상위 도체면(32)이 일정한 값의 특성 임피던스를 갖도록 선폭을 결정한 후, 원하는 선폭의 신호선 패턴(41)만 남기고 나머지는 제거함으로써 마이크로스트립 전송선로을 구현한다. 즉, 상위 도체면(32)에서 특정 선폭을 갖는 신호선(41)만 남기고 나머지는 제거한다. 이때, 하위 접지 도체면(33)은 접지면으로 존재한다.
한편, 마이크로스트립 전송선로는 저주파 회로는 물론 고주파 회로에서도 기본적인 인쇄회로기판(PCB) 구조를 취한다.
도 5 는 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로를 구현하는데 사용되는 인쇄회로기판의 일실시예 측면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로용 인쇄회로기판은, 도 3에 도시된 기본적인 인쇄회로기판(PCB) 구조에서 하위 도체면(33)이 존재하지 않고, 상위 도체면(52)만을 이용하여 같은 평면상에 신호선과 접지면을 동시에 구현하는 구조를 갖는다. 이때, 유전체(51)의 유전상수(유전율, dielectric constant)는
Figure 112005040862403-pat00002
로 표현하며, 공기에서는 크기가 1이고 기타 물질에서는 모두 1보다 큰 값을 갖는다.
도 6 은 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로의 기본 구조를 나타내 는 일실시예 설명도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로는, 하위 도체면이 없으며 상위 도체면(52)이 3개의 도체면(61, 62, 63)으로 나뉘어져 있다. 여기서, 가운데 도체면(61)이 동평면 도파관 전송선로의 중심신호선(61)이 되고, 중심신호선(61)의 양 옆에 있는 두 개의 넓은 도체면이 접지도체면(62, 63)이 된다.
이때, 두 접지도체면(62, 63)은 물리적으로는 서로 떨어져 있으나 전기적으로는 서로 같은 접지 포텐셜(ground potential)을 유지해야 하므로, 실제로 사용할 때는 3차원적인 구조로 연결된 브릿지(bridge) 선로나 입출력 커넥터의 접지단자를 통해 연결된다.
도 7 은 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로의 일실시예 평면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 동평면 도파관 전송선로는 특성 임피던스를 갖는데, 이때 특성 임피던스는 중심신호선(71)의 선폭(W)과 접지도체면(72, 73)과의 간격(S)의 함수로 표현된다.
예를 들어,
Figure 112005040862403-pat00003
의 특성 임피던스를 위한 선폭(W)과 간격(S)의 값은 주어진 인쇄회로기판의 두께(H), 도체면의 두께(T), 그리고 유전율(
Figure 112005040862403-pat00004
)에 따라 결정된다.
한편, 마이크로스트립 전송선로와 동평면 도파관 전송선로의 이론에 의하면, 도 4에 도시된 평면형 인쇄회로기판의 유전체(31)와 하위 도체면(33), 그리고 도 6에 도시된 동평면 도파관용 인쇄회로기판의 유전체(61)와 상위 두 접지도체면(62, 63)은 무한대의 넓이를 가져야 한다.
그러나, 현실적으로 무한한 넓이를 가질 수 없으므로 얻고자 하는 전송선로의 특성 임피던스 값이 거의 변하지 않는 범위 내에서 유한한 넓이로 제한한다. 동평면 도파관 전송선로의 경우에 도 8에 도시된 바와 같이, 두 접지도체면(82, 83)을 유한한 폭(G)으로 제한할 수 있는데, 이렇게 제한하더라도 전송선로의 특성 임피던스가 목표값으로부터 무시할 만큼 소량만 변하면 도 7의 동평면 도파관 전송선로로 근사하여 사용할 수 있다. 이때, 도 8에 도시된 동평면 도파관 전송선로의 구조를 FG(Finite Ground) 동평면 도파관 전송선로라고 부르기도 한다.
한편, 중심신호선(81)을 중심으로 양쪽의 두 접지도체면(82, 83)으로 전기장(electrical field, 電氣場)이 형성되고, 이에 상응하는 자기장(magnetic field, 磁氣場)이 생성되면서 신호의 전송이 이루어진다는 동평면 도파관 전송선로의 이론을 이용하여 도 9a에 도시된 바와 같이, 중심신호선과 양옆의 접지선을 서로“X”형태로 교차시키면 순간적으로 위상이 180도가 된다.
즉, 초고주파 대역에서 접지면은 직류전류 포텐셜(DC potential)이 0이라는 의미도 있지만, 교류전류 포텐셜(AC potential) 관점에서는 0이거나 또는 경우에 따라서는 같은 크기의 신호에 대한 역위상 신호의 출발점이라는 의미도 지니고 있다. 따라서, 중심신호선에서 두 접지도체면으로 형성되는 전기장과, 반대로 두 접지도체면에서 중심신호선으로 형성되는 전기장이 순간적으로 교차하므로 정확하게 같은 세기를 가지면서 180도 위상차를 갖는 신호가 생성되는 것이다.
이를 정리하면, 도 8과 도 9a의 동평면 도파관 전송선로는 물리적 길이가 같으므로 신호의 세기가 그대로 유지되면서(즉, 손실이 없는 상태) 도달하는 위상은 서로 180도의 차이를 갖는 중요한 차이점이 있다.
도 9b 는 도 9a에 도시된 Y를 확대한 도면이다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 일정 간격(D) 만큼 중심신호선과 접지선을 절단한 후에 한쪽 중심신호선에서 반대편의 두 접지선으로 “V”자 형태의 도체선을 이용하여 연결한다. 그러면 두 개의 “X”자 크로스 구조가 존재한다.
여기서, 중심신호선(91)과 접지선(92)의 연결폭(A)의 범위와 위치는 접지선(92)의 폭(G)의 범위 이내에서 임의 값 및 임의 위치가 가능하고, 중심신호선(91)의 분기폭(B1과 B2)의 범위와 연결위치도 중심신호선(91)의 폭(W)의 범위 이내에서 임의 값 및 임의 위치가 가능하다. 또한, 도 9c에 도시된 바와 같은 연결 구조도 가능하다.
결국, 두 개의 도체면(91, 92)이 서로 직류(DC)적으로는 연결되지 않은 상태로 존재해야 한다. 따라서, 두 개의“X”자 크로스 구조에서 두 개의 도체면(91, 92)이 서로 겹치지 않도록 상하위치를 조절해 주어야 한다. 즉, “X”자 크로스 부분에서 두체면을 서로 공간적인 격리상태로 교차시켜야 한다.
도 10 은 본 발명에 따른 인쇄회로기판상의 두 도선을 3차원 점퍼선으로 연결하는 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
인쇄회로기판상의 두 도선(또는 도체면) A, B를 3차원적 점퍼선(jumper wire) 구조로 연결하는 방법에는 하기의 두 가지 방법이 있다.
먼저, (b)에 도시된 바와 같이 A, B가 위치한 평면보다 윗면 공간상에 에어 브릿지(air-bridge) 구조로 연결하는 방법이다. 여기서, HA는 에어 브릿지(air-bridge)의 높이를 나타낸다. 이때, (b)와 같이 이상적으로“ㄷ”자 형태인 직각구조보다는 반원 형태, 또는 반원과“ㄷ”자의 중간 형태의 공간구조를 취하는 에어 브릿지(air-bridge)가 바람직하다.
다음으로, (c)에 도시된 바와 같이 인쇄회로기판의 바닥면에 바닥 브릿지(bottom-bridge)를 두고 유전체 사이에 금속기둥(metallic via-hole)을 이용하여 연결하는 방법이 있다. 이때, H는 편의상 인쇄회로기판의 유전체 면의 두께를 의미한다.
도 11a 는 도 9a의 두 개의“X”자 크로스 부분(Y)을 에어 브릿지로 구현한 일예시도이다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 도체면 '111'이 인쇄회로기판 윗면에 존재하고, 세 조각의 도체면(121, 122, 123)과 공간적으로 떠 있는 도체인 에어 브릿지(124)를 통해 연결되어 있음을 알 수 있다.
따라서, 도체면(121, 122, 123)과 에어 브릿지(124)가 서로 연결되어 하나의 도체면(92)를 이룬다. 이때, 상기 에어 브릿지(124)는 반드시 한 조각일 필요는 없고, 두 개의 직선 도체가 서로“V”를 형성하듯이 만나서 도체끼리의 접속을 형성해도 된다.
도 11b 는 도 9a의 두 개의“X”자 크로스 부분(Y)을 바닥 브릿지로 구현한 일예시도이다.
도 11b에 도시된 바와 같이, 도체면(92)이 세 조각의 도체면(121, 122, 123)과 인쇄회로기판 바닥면에 있는 도체인 바닥 브릿지(134)로 나누어져 있고, 이들을 서로 상하로 연결하는 다수의 금속기둥(metallic via-hole)들이 사용되고 있음을 알 수 있다.
따라서, 도체면(121, 122, 123)과 바닥 브릿지(134)가 서로 연결되어 하나의 도체면(92)을 이룬다. 이때, 상기 바닥 브릿지(134)는 반드시 한 조각일 필요는 없고, 두 개의 직선 도체가 서로“V”를 형성하듯이 만나서 도체끼리의 접속을 형성해도 된다.
이상으로 동평면 도파관 전송선로의 180도 위상차 발생부의 구조에 대한 설명을 마치고, 이제 본 발명에서 제시하는 주요 내용인 동평면 도파관 전송선로를 이용하여 구성하는 180도 윌킨슨 발룬에 대하여 설명하고자 한다. 우선, 일예로 광대역 발룬을 설계하기 위한 광대역 윌킨슨 분배기에 대하여 설명하도록 한다.
도 12a 는 본 발명에 이용되는 다단 윌킨스 분배기의 전기적 특성을 시뮬레이션(simulation)하기 위하여 고주파 회로 시뮬레이터인 ADS(Advanced Design System)에서 정의한 회로로 변환한 회로도이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 다단 윌킨스 분배기는, 도 1b에 도시된 1단 윌킨스 분배기의 정규화된 중심주파수(1GHz)를 중심으로 주파수 대역폭이 넓지 않은 문제점을 해결하기 위해 다단(일예로 N=3)으로 구현되었다. 이때, 3단 윌킨슨 분배기를 구성하는 각 전송선로 회로소자들은 ADS가 제공하는 이상 적인 전송선로 소자(ideal transmission elements)들이다.
한편, 도 12b 는 본 발명에 이용되는 다단 윌킨스 분배기의 전기적 특성을 나타내는 일예시도로서, 중심주파수를 2GHz로 하였음에도 불구하고, 도 1c에 도시된 1GHz로 정규화한 1단 윌킨스 분배기의 전기적 특성도에 비하여 현저하게 대역폭이 넓어지고 전기적 특성도 개선되었음을 알 수 있다.
도 13a 는 도 12a에 도시된 이상적인 전송선로 소자를 동평면 도파관 전송선로로 바꾸어 구현한 일실시예 분배 회로도이다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 동평면 도파관 전송선로를 구현하기 위하여 유전체의 두께(H)가 0.78mm이고 유전율(
Figure 112005040862403-pat00005
)이 2.2인 인쇄회로기판을 예로 들어 설명하기로 한다.
먼저, 도 12a에 도시된 각 전송선로들의 특성 임피던스(Z)값들을 동평면 도파관 전송선로로 구현하기 위하여, 적합한 중심신호선의 폭(W)와 중심신호선과 접지도체면 사이의 간격(S)을 결정한다. 이때, 도파관 전송선로를 이용하여 구현한 회로는 광대역 윌킨슨 분배기이므로 도 13b에 도시된 바와 같은 전기적 특성도를 갖는다.
도 14 는 본 발명에 따른 발룬의 일실시예 회로도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발룬은 P3에 연결된 180도 위상차 발생부의 물리적 길이가 P2에 연결된 기준 전송선로(0도 위상차)의 물리적 길이와 같아, P1로 입사된 입력전력이 P2와 P3으로 1:1 분배되면서 동일한 물리적 길이 에 대하여 P2에서의 기준 위상 0도에 비하여 P3에서 180도의 위상차를 발생시킨다.
따라서, 도 2a에 도시된 종래의 발룬 회로와는 분명한 차이점이 있다. 즉, 종래의 발룬은 P2에 없는 별도의 전송선로가 180 길이만큼 P3에 물리적으로(실제로) 더 추가되어 있으나, 본 발명에 따른 발룬은 P2와 P3에 연결된 물리적 길이가 동일하면서도 P2에 이르는 기준 위상(0도)에 비하여 180도의 위상차를 부분이 삽입되어 있다는 것이다.
이러한 구조는 상기 언급한 종래의 발룬들의 문제점, 즉 도 2a에 도시된 종래의 발룬의 180도 위상차 발생부의 별도 삽입에 따른 P3에서의 추가적인 전송손실 발생, 및 구조적으로 크기가 커지는 문제와 도 2b에 도시된 종래의 발룬의 -90도와 90도 위상차 발생회로의 삽입에 따른 전체 발룬 회로의 대형화, 및 위상차 발생 회로에 의한 추가적인 전송손실 발생을 해결할 수 있다.
도 15a 는 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 일실시예 회로도이다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬은, P1로 입사된 입력전력이 P2와 P3으로 1:1 분배되면서 동일한 물리적 길이에 대하여 P2에서의 기준 위상 0도에 비하여 P3에서 180도의 위상차를 발생시킨다.
이러한 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬은, 도 15b에 도시된 바와 같이 정확한 1:1 전력 분배기능 및 두 출력단자에서 정확히 180도의 위상차를 갖는다. 또한, 상기 발룬의 주파수 특성은 윌킨슨 분배기의 광대역 특성을 그대로 반영 하고 있으므로 역시 광대역이며, 180도 발생부에 의한 대역폭의 제한현상도 없다.
도 16 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 다단 광대역 윌킨슨 분배기의 인쇄회로기판 상의 레이아웃(layout)에 대한 일예시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 다단 광대역 윌킨슨 분배기의 인쇄회로기판 상의 레이아웃은, 도 13a에 도시된 회로도를 실제로 구현한 도면으로서, 원형으로 레이아웃을 배치하기가 까다로울 경우에는 도 22에 도시된 바와 같이 직선형으로 구현할 수도 있다.
도 17 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 레이아웃에 대한 일예시도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, (a)는 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 레이아웃으로서, 광대역 동평면 도파관 전송선로를 이용한 윌킨슨 분배기의 출력단자(3)에 180도 위상차 발생부를 바닥 브릿지(bottom-bridge) 형태로 추가하였다. 이때, (b)는 바닥 브릿지(bottom-bridge)를 나타낸다.
또한, 두 출력단자 P2와 P3의 물리적인 길이는 동일하다. 즉, 180도 위상차 발생부를 위한 별도의 물리적 길이가 필요하지 않다.
도 18 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 최종 레이아웃에 대한 일예시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 최종 레이아웃은, 도 19a에 도시된 인쇄회로기판 상의 도체면으로 동평면 도파관 전송선로, 도 19b에 도시된 바닥 브릿지 선로의 패턴(pattern), 도 19c 에 도시된 동평면 도파관 전송선로와 바닥 브릿지 선로와의 연결을 위한 다수의 비아홀(via-hole), 및 도 19d에 도시된 격리저항(isolation resistors)을 포함한다. 이때, 도 19a 내지 도 19d는 도 18의 분해도이다.
여기서, 상기 바닥 브릿지는 180도 위상차 발생부 뿐만 아니라, 동평면 도파관 선로의 불연속 위치에서도 다수 사용되었는데, 이는 동일한 접지전위를 유지하기 위해서이다. 이때, 바닥 브릿지 대신 에어 브릿지로 구성할 수도 있다.
도 20 은 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬의 일실시예 실제 구현도이다.
도 20의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬은, 인쇄회로기판 바닥면에 바닥 브릿지를 사용하여 두 개의“X”자 크로스를 구현하였다. 이때, 에어 브릿지를 이용할 경우에는 (b)에 도시된 바와 같이 유전체를 관통하는 금속기둥은 불필요하다.
이러한 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬은, 도 21a에 도시된 바와 같은 전기적 특성을 갖는다. 즉, 750MHz ~ 3200MHz에 이르는 초광대역 주파수에서 두 출력단자에 정확하게 1:1의 전력분배(-3dB)가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한, 각 단자에서의 정합도(S11,S22,S33)도 -15dB 이하로 매우 우수하며, P2와 P3 사이의 격리도(S32)도 -15~-40dB 정도로 매우 우수함을 알 수 있다.
한편, 상기 발룬은 도 21b에 도시된 바와 같이, 두 출력단자에서 측정한 위상차가 광대역에 걸쳐서 180도의 위상차가 발생하고 있음을 쉽게 알 수 있다.
이러한 특성을 가지는 동평면 도파관 전송선로는 180도 발생부가 윌킨슨 분 배기의 주파수 대역을 제한하지 않는다. 즉, 윌킨슨 분배기가 초광대역 특성을 갖는다면 이것이 그대로 발룬의 초광대역 특성으로 보장된다.
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결론적으로, 동평면 도파관 전송선로를 이용한 윌킨슨 분배기의 대역폭이 얼마나 되는지에도 제한받지 않고, 분배기로서의 성능과 주파수 대역 특성을 해치지 않은 채 그대로 소형의 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬을 제작할 수 있다.
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이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 코플래너 웨이브가이드(CPW: Coplanar waveguide, 이하 동평면 도파관이라 함) 전송선로를 이용하여 구성한 분배기의 일 출력 단자에 대하여 중심신호선로와 양옆의 접지선로를 서로 “X”자 형태로 크로스(cross) 교차시킴으로써, 180도 위상차를 갖는 두 신호(전력)를 출력할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 발룬에 있어서,
    동평면 도파관 전송선로로 구현되어 입력단자를 통해 입력받은 신호를 소정의 분배비로 분배하여 각각의 출력단자를 통해 출력하기 위한 다단 구조의 분배수단; 및
    상기 분배수단의 일 출력단자에 위치한 동평면 도파관 전송선로의 중심신호선과 상기 중심신호선의 양옆 접지선로를 공간적인 격리상태를 유지하면서 서로“X”자 형태로 크로스(cross) 교차시켜 출력신호의 위상을 180도 변환하기 위한 위상 변환수단
    을 포함하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환수단은,
    에어 브릿지를 통해 공간적인 격리상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환수단은,
    바닥 브릿지(bottom-bridge)와 금속기둥(metallic via-hole)을 통해 공간적인 격리상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분배수단은,
    원형의 동평면 도파관 전송선로가 두 개 이상 연결되어 있는 레이아웃을 갖는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분배수단은,
    마름모 형태의 동평면 도파관 전송선로가 두 개 이상 연결되어 있는 레이아웃을 갖는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 다단 구조의 분배수단은
    단의 수가 적을수록 협대역의 주파수 특성을 갖고, 많을수록 광대역의 주파수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 다단 구조의 분배수단은,
    단의 수가 적을수록 협대역의 주파수 특성을 갖고, 많을수록 광대역의 주파수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 동평면 도파관 전송선로를 이용한 발룬.
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