KR100760193B1 - 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러에 관한 것으로, 다층형 브로드사이드 커플러를 설계할 때 쓰루 선로 및 커플링 선로의 종단에 분기 선로를 각각 추가하여 구조적으로 간단하면서도 격리도와 정합특성이 향상된 브로드사이드 커플러를 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 격리도와 정합특성이 향상된 브로드사이드 커플러를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 커패시터를 사용하는 종래의 커플러 구조에 비하여 기생소자의 영향을 받지 않으므로 높은 주파수에서의 보상 특성이 우수한 브로드사이드 커플러를 구현할 수 있다.

다층기판, 브로드사이드 커플러, 분기 선로

Description

분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러{Multilayered Broadside Coupler having Branch Lines}

도 1은 종래의 브로드사이드 커플러의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 브로드사이드 커플러의 격리도 및 정합특성을 나타낸 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러의 격리도 및 정합특성을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101, 301 : 쓰루 선로

102, 302 : 커플링 선로

103, 303 : 커플링 선로 연결용 비아

104, 304 : 접지용 비아

105, 305 : 그라운드 평면

BL1, BL2 : 분기 선로

본 발명은 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러에 관한 것으로, 더 자세하게는 다층형 브로드사이드 커플러에 있어서 쓰루 선로 및 커플링 선로의 종단에 분기 선로를 각각 추가하여 격리도와 정합 특성을 향상시키는 것에 관한 것이다.

일반적으로 큰 결합도를 갖는 커플러를 설계하기 위하여 마이크로스트립(Microstrip) 커플드 선로를 널리 이용하고 있다. 이와 같은 마이크로스트립 회로에서 사용되어지는 커플러는 3dB 커플러이다. 3dB 커플러를 만들기 위해서는 결합(coupling)을 강하게 시켜야하며, 이는 마이크로스트립 전송선을 아주 가깝게 위치시켜는 것으로는 부족하기 때문에 여러 개의 마이크로스트립 전송선이 상호 결합된 구조를 사용한다.

그러나, 주파수 대역이 높아지면, 전자기파의 방사손실(radiation loss)을 줄이기 위해서, 기판의 두께를 얇게 만들어야 하며, 기판의 두께가 얇으면, 50 Ω 전송선을 구현할 때, 폭도 함께 작아지게 된다. 한편, 기판이 얇아졌을 때에도 두꺼운 때와 같은 정도의 커플링을 얻기 위해서는 커플링된 전송선 사이의 간격도 상대적으로 더 좁아져야 한다. 예를 들어, 유전률이 12.9이고 두께가 75 μm인 GaAs 기판 위에 커플러를 만들기 위해서는 도선의 폭이 7 μm, 도선 사이의 간격은 4 μm 정도일 때 3 dB 커플링이 얻어진다. 이는 LTCC 공정으로 얻을 수 있는 최소 선폭 및 도선간 간격의 한계에 해당한다. 그러므로 제조하기도 어려울 뿐 아니라, 재현 성의 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공정상의 한계를 벗어나지 않는 범위 내에서 좀 더 강한 커플링을 얻기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 브로드사이드 커플러 구조가 제안되었다.

하지만, 이와 같은 브로드사이드 커플러 구조는 다층으로 적층이 가능한 LTCC 공정을 이용하는 경우 두개의 직교된 적층의 선로에서의 강력한 커플링을 제공해주기 때문에 큰 결합도를 갖는 커플러를 설계할 수 있다는 장점이 있지만, 우수모드의 위상 속도가 기수모드의 위상 속도보다 빠르므로 이로 인해 도 2에서와 같이 3.4GHz 대역의 중심주파수에서 약 -19dB의 격리도(Isolation)와 반사손실(Return Loss: R.L.)을 갖게 되어 격리도와 정합특성이 우수하지 못하다는 단점을 갖고 있다.

이를 보완하기 위한 방법으로, 'Design of High Directivity Directional Couplers in Multilayer Ceramic Technologies(IEEE MTT-S Digest, pp.51-54, 2001)'에는 커플러의 4개의 포트 끝단에 커패시터를 추가하여 우수모드의 위상 속도와 기수모드의 위상 속도를 동일하게 함으로써 격리도와 정합특성을 개선시킨 커플러가 개시되어 있지만, 이와 같이 커플러에 캐패시터를 추가하는 경우 고주파수 대역에서 캐패시터로부터 기생성분이 발생될 우려가 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다층형 브로드사이드 커플러를 설계할 때 쓰루 선로 및 커플링 선로의 종단에 분기 선로를 각각 추가하여 구조적으로 간단하면서도 격리도와 정합특성이 향상된 다층형 브로드사이드 커플러를 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다층형 브로드사이드 커플러는, 종단에 분기 선로가 형성된 쓰루 선로; 및 상기 쓰루 선로의 아래층에 위치하며 종단에 분기 선로가 형성된 커플링 선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층형 브로드사이드 커플러는 3dB 코플라나(Coplanar) 브로드사이드 커플러를 적층형으로 구성한 것으로, 윗층의 선로를 쓰루 선로(301)로 사용하고 아래층의 선로를 커플링 선로(302)로 사용하는 4-포트 구조로 이루어져 있다.

설명의 편의상 상기 쓰루 선로(301)의 각 포트를 P1과 P2로 명명하고, 상기 커플링 선로(302)의 각 포트를 P3와 P4로 명명한다.

본 발명에 따른 다층형 브로드사이드 커플러는 총 6층으로 구성되어 있으며(미도시), 상기 쓰루 선로(301)는 맨 윗층인 여섯번째 층에 위치하며, 상기 커플링 선로(302)는 그 아래층인 다섯번째 층에 위치한다.

상기 커플링 선로(302)는 RF 신호의 상호 연결을 위하여 비아(303)를 통해 윗층의 쓰루 선로(301)에 연결되어 있으며, LTCC 공정과 같이 층간 높이가 결정된 3dB 브로드사이드 커플러의 경우 동작주파수가 결정되면 쓰루 선로(301)와 커플링 선로(302)의 폭과 길이가 결정된다.

모든 선로는 선로 주위에 그라운드 평면(305)이 존재하는 코플라나 선로이며, 그라운드 평면(305)은 비아(304)를 통해 맨 아래에 위치한 그라운드 평면(미도시)까지 접촉하게 된다.

한편, 상기 쓰루 선로(301)와 커플링 선로(302)의 종단에는 각각 분기 선로(BL1, BL2)가 추가되어 있으며, 상기 쓰루 선로(301)의 종단에서 추가된 분기 선로(BL1)는 브로드사이드 커플러의 여섯 번째 층에 위치하고, 상기 커플링 선로(302)의 종단에서 추가된 분기 선로(BL2)는 브로드사이드 커플러의 다섯 번째 층에 위치한다.

상기 분기 선로(BL1, BL2)에 의해 상기 쓰루 선로(301)와 커플링 선로(302)의 종단에서의 임피던스가 변화되어 임피던스 부정합을 보상할 수 있으며, 이에 따라 원하는 중심 주파수 대역에서 격리도와 정합특성이 향상된 브로드사이드 커플러를 얻을 수 있는데, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

상기 쓰루 선로(301)와 커플링 선로(302)의 폭은 타이트 커플링을 위하여 일반적으로 임피던스가 높은 지점에서 선폭이 결정되는데, 도 3a 및 도 3b에서와 같이 분기 선로(BL1, BL2)를 추가하는 경우 상기 쓰루 선로(301)와 커플링 선로(302)의 종단에서의 임피던스가 보다 낮아지게 되며, 이에 따라 격리도와 정합특성(반사 손실)이 향상된다.

여기에서, 상기 분기 선로(BL1, BL2)의 위치 및 형상은 다층형 브로드사이드 커플러의 동작주파수, 정합 및 임피던스 특성에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 실시 과정에서 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명에 따른 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러의 격리도 및 정합특성을 나타낸 도면이다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 다층형 브로드사이드 커플러는 3.4GHz 대역의 중심주파수에서 약 -24dB의 값의 격리도(Isolation)와 반사손실(Return Loss: R.L.)을 가지며, 이는 3.4GHz 대역의 중심주파수에서 약 -19dB의 격리도와 반사손실을 갖는 종래의 브로드사이드 커플러에 비해 약 5dB씩의 격리도와 반사손실이 개선된 것임을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 쓰루 선로 및 커플링 선로의 종단에 분기 선로를 각각 추가하여 구조적으로 간단하면서도 격리도와 정합특성이 향상된 브로드사이드 커플러를 구현할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 커패시터를 사용하는 종래의 커플러 구조에 비하여 기생소자의 영향을 받지 않으므로 높은 주파수에서의 보상 특성이 우수한 브로드사이드 커플러를 구현할 수 있게 되는 효과도 있다.

Claims (7)

1. 종단에 분기 선로가 형성된 쓰루 선로; 및

   상기 쓰루 선로의 아래층에 위치하며 종단에 분기 선로가 형성된 커플링 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분기 선로에 의해 상기 쓰루 선로 및 커플링 선로의 종단에서의 임피던스가 낮아져 격리도와 정합특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 쓰루 선로와 그 종단의 분기 선로는 6층으로 구성된 다층형 브로드사이드 커플러의 여섯번째 층에 위치하는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 커플링 선로와 그 종단의 분기 선로는 6층으로 구성된 다층형 브로드사이드 커플러의 다섯번째 층에 위치하는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 커플링 선로는 비아를 통해 상기 쓰루 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 쓰루 선로와 커플링 선로 주위에 그라운드 평면이 위치하는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 쓰루 선로와 커플링 선로의 폭과 길이는 동작 주파수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 분기 선로가 구비된 다층형 브로드사이드 커플러.

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