KR100771529B1 - 초광대역 발룬 및 그 응용 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 초광대역 발룬은, 불평형 선로와 평형 선로 사이에 연결되고, 기판의 일면에서 상기 불평형 선로의 전송 라인과 일단이 연결되고 상기 평형 선로의 하나의 전송 라인과 타단이 연결되어 형성되는 제 1 전송 라인; 상기 기판의 상기 일면에서 상기 불평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 1 전송 라인과 일정한 간격으로 평행하게 형성되고, 상기 평형 선로의 다른 하나의 전송라인과 연결되는 제 2 전송 라인; 및 상기 기판의 다른 면에서 상기 평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 2 전송 라인을 따라 형성되고, 상기 불평형 선로의 접지면과 연결되는 접지면을 포함하여 이루어지고, 상기 제 2 전송 라인은 상기 발룬의 접지면에 수직인 하나 이상의 비아를 개재하여 상기 발룬의 접지면과 연결되고, 상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 평형 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 초광대역의 주파수 영역에서 우수한 삽입손실 특성을 가지고 다양한 기판의 유전율에 제한되지 않고 최적의 발룬의 제공이 가능하다.

평형 선로, 불평형 선로, 발룬, 이중 평형, 초광대역

Description

초광대역 발룬 및 그 응용 모듈{Ultra-Wideband Balun and Application Module Thereof}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 발룬 구조의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 발룬 구조의 구체적인 구성을 도시하는 도면이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 초광대역 발룬 구조에서 발룬의 접지면 및 비아의 상세 구성을 나타내는 도면이다.

도 3 a 내지 도 3d는 도 2a에 도시된 초광대역 발룬 구조에서 선 A'A, B'B, C'C 및 D'D의 단면을 각각 도시하는 도면들이다.

도 4a 내지 도 4d는 도 3a 내지 도 3d의 각 단면에서의 전계의 분포를 나타내는 도면들이다.

도 5는 본 발명에 따른 초광대역 모듈의 평행 선로의 특성 임피던스를 구하기 위한 모델링 방법을 도시하는 도면이다.

도 6a 및 도 6d는 본 발명에 따른 초광대역 발룬의 성능을 설명하기 위하여 본 발명의 초광대역 발룬을 back-to-back 구조로 구성한 경우의 구현례 및 이의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 도시하는 도면들이다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대 역 안테나 모듈의 일례들을 도시하는 도면들이다.

도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 이중 평형 혼합기의 일례들을 도시하는 도면들이다.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 이중 평형 체배기 모듈의 일례들을 도시하는 도면들이다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 초고주파 신호 인버터 모듈의 일례를 도시하는 도면들이다.

본 발명은 불평형 선로로부터의 불평형 전압을 평형 선로로의 평형 전압으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 발룬(balun) 및 그 응용 모듈에 관한 것으로, 특히 초광대역의 주파수 영역에서 불평형 선로와 평형 선로 사이의 임피던스 정합과 전계 분포의 자연스러운 전이를 제공하기 위한 발룬 및 그 응용 모듈에 관한 것이다.

마이크로스트립 선로(microstrip line)는 유전체 기판의 일면에 하나의 신호라인과 반대면에 하나의 접지면을 가지는 구조의 전송 선로로서, 유닛 내의 회로와 부품을 연결시키기 위해 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 불평형 선로(unbalanced line)이다. 한편, 동일 평면 스트립라인(coplanar stripline)(이하 'CPS 선로'라고도 함)은 동일 평면에 평행하게 형성된 전송 라인들을 갖는 대표적인 평형 선로(balanced line)로써 평형된 신호의 입력이 필요한 안테나의 급전 선 로, 이중 평형 혼합기 및 이중 평형 체배기 등에 많이 사용된다.

한편, 여러 종류의 초고주파 회로에서 상술한 바와 같은 불평형 선로와 평형 선로를 연결시켜 위해서는 발룬이 주로 사용되고 있는데, 초고주파 회로의 전체 시스템의 주파수 특성의 한계는 일반적으로 발룬에 의해 결정되고 있다. 그러나, 종래에 개발되어 사용되고 있는 마이크로스트립 선로에서 CPS 선로로의 전이 구조로서의 발룬은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 동작하는 주파수 대역폭이 제한되어 있다. 종래 기술에 따른 발룬에서는 마이크로스트립 선로에서 CPS 선로로의 전이(transition)를 위해서 모드 변환, 커플링 방법 등을 이용하였으나, 마이크로스트립 선로와 CPS 선로 사이의 최적의 임피던스 정합과 전계 분포의 자연스러운 전이가 이루어지지 않아 주파수 대역폭이 좁아진다는 한계를 갖는다.

둘째, CPS 선로의 특성 임피던스를 줄이기 위하여 높은 유전율의 기판을 사용하여야 하였다. 즉, 마이크로스트립 선로와 CPS 선로의 임피던스 차이를 줄이기 위하여 대부분 높은 유전율의 기판을 사용하여야 하였기 때문에, 발룬 구현을 위한 기판 선택에 제약이 있었다.

셋째, 마이크로스트립 선로와 CPS 선로 사이의 전계 분포가 자연스러운 전이가 이루어지지 못하였다. 즉, 마이크로스트립 선로에서는 주로 신호 라인과 접지면에 수직하게 전계가 분포되어 있는 반면, CPS 선로에서는 두 전송 라인 사이에 수평하게 전계가 형성되므로, 이러한 전계 분포에 있어 두 선로 사이에 자연스러운 전이가 필수적임에도 종래 기술에 따른 발룬 구조에서는 만족스러울 정도의 자연스 러운 전계 분포의 전이를 이루지 못하였다.

넷째, 초광대역 안테나 혹은 초광대역 이중 평형 혼합기 등에 사용되었던 종래의 초광대역 발룬은, 유전체 기판의 윗면과 아랫면을 사용하는 평행 판 스트립라인 발룬(parallel plate stripline baluns)의 구조를 채택하였다. 그러나, 특히 이러한 평행 판 스트립라인 발룬을 사용하여 초광대역 이중 평형 혼합기 등을 구현하기 위해서는, 다이오드의 각 포트가 기판의 윗면과 아랫면에 연결되어야 하기 때문에, 소자 장착에 있어서 어려움이 있으므로 혼합기의 구현 비용이 증가하게 된다는 문제점이 있었다. 또한 평형 신호를 요구하는 안테나의 경우에는 안테나의 한쪽 부분은 기판의 윗면에 위치하고, 다른 쪽은 밑면에 위치하게 되어 시각적으로 바람직하지 못하고 그 구현에 있어서도 불편하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 발룬의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로스트립 선로와 같은 불평형 선로와 CPS 선로와 같은 평형 선로 사이에 접지면을 규칙적으로 변형시킨 비아(via)를 포함하는 평행 선로로서 발룬을 구성함으로써, 불평형 선로와 평형 선로 사이의 최적의 임피던스 정합과 자연스러운 전계 분포의 전이가 가능하도록 하는 초광대역 발룬을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초광대역으로 동작하고 우수한 삽입손실 특성을 가지며, 또한 종래의 발룬 구조에서 높은 유전율의 기판을 사용하여야 하였던 제약을 극복하여 어떠한 유전율을 가진 기판에서도 최적의 발룬을 구현할 수 있는 구조를 설계하 는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 초광대역 발룬은, 불평형 선로와 평형 선로 사이에 연결되고, 기판의 일면에서 상기 불평형 선로의 전송 라인과 일단이 연결되고 상기 평형 선로의 하나의 전송 라인과 타단이 연결되어 형성되는 제 1 전송 라인; 상기 기판의 상기 일면에서 상기 불평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 1 전송 라인과 일정한 간격으로 평행하게 형성되고, 상기 평형 선로의 다른 하나의 전송라인과 연결되는 제 2 전송 라인; 및 상기 기판의 다른 면에서 상기 평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 2 전송 라인을 따라 형성되고, 상기 불평형 선로의 접지면과 연결되는 접지면을 포함하여 이루어지고, 상기 제 2 전송 라인은 상기 발룬의 접지면에 수직인 하나 이상의 비아를 개재하여 상기 발룬의 접지면과 연결되고, 상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 평형 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로와 상기 평형 선로 사이에서 자연스러운 전계 분포의 전이를 달성하기 위하여 상기 불평형 선로에서 상기 평형 선로로 갈수록 상기 제 2 전송 라인 쪽으로 그 폭이 감소하는 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 불평형 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 평형 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 테이퍼형으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 발룬의 접지면은 상기 발룬의 임피던스 변화가 클로펜스타인(Klopfenstein) 테이퍼형이 되도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 상술한 목적을 달성하기 위한 상술한 초광대역 발룬을 이용하는 본 발명의 제 2 특징에 따른 응용 모듈은, 상술한 초광대역 발룬을 급전 선로로 사용하고 상기 평형 선로가 평형 신호의 인가를 필요로 하는 안테나 요소의 일부인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나 모듈이거나, 상술한 초광대역 발룬에 연결된 상기 평형 선로가 이중 평형 혼합기의 입력단 또는 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 이중 평형 혼합기 모듈이거나, 상술한 초광대역 발룬에 연결된 상기 평형 선로가 이중 평형 체배기의 입력단 또는 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 이중 평형 체배기 모듈이거나, 하나의 평형 선로를 개재하여 상술한 초광대역 발룬이 연속하여 상호 연결되도록 배열된 것을 특징으로 하는 초광대역 신호 인버터 모듈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 특징에 따른 초광대역 발룬구조는, 기판의 양면에 제 1 전송라인 및 제 1 접지면을 포함하는 마이크로스트립 선로; 및 상기 제 1 전송 라인이 형성된 상기 기판의 일면에 상기 제 1 전송 라인이 연장됨과 동시에 상기 마이크로스트립 선로의 일단으로부터 상기 제 1 전송 라인과 일정한 간격으로 평행하게 형성된 제 2 전송 라인을 포함하고, 상기 제 1 접지면이 형성된 상기 기판의 타면에 상기 마이크로스트립 선로의 상기 일단으로부터 상기 제 2 전송 라인을 따라 형성된 제 2 접지면을 포함하는 발룬; 및 상기 발룬의 상기 제 1 전송 라인 및 상기 제 2 전송 라인이 각각 계속하여 연장됨으로써 형성되는 CPS 선로를 포함하여 이루어지고, 상기 발룬에 형성된 상기 제 2 전송 라 인은 상기 제 2 접지면에 수직인 하나 이상의 비아를 개재하여 상기 제 2 접지면에 연결되고, 상기 제 2 접지면은 상기 마이크로스트립 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 CPS 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 테이퍼형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 발룬 구조의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발룬 구조는, 불평형 선로인 마이크로스트립 선로(1)와 평형 선로인 CPS 선로(3) 사이에 발룬(2)이 위치하는 구조를 채택하고 있다. 도 1에서 점선으로 표현된 부분은 기판의 아랫면에 형성된 접지면을 나타내며, 상기 발룬(2)에서는 후술하는 바와 같이 평행인 2개의 전송라인 중 하나가 비아(4)를 통하여 접지면과 연결되어 있다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 발룬 구조의 구체적인 구성을 도시하는 도면이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 초광대역 발룬 구조에서 발룬의 접지면 및 비아의 상세 구성을 나타내는 도면이며, 도 3 a 내지 도 3d는 도 2a에 도시된 초광대역 발룬 구조에서 A'A, B'B, C'C 및 D'D의 단면을 도시하는 도면들이다.

도 2a 내지 도 3d를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발룬은, 유전체 기판의 일면에 제 1 전송 라인(21)이 마이크로스트립 선로(1)의 전송 라인(21')과 CPS 선로(3)의 2개의 평행한 전송 라인 중 하나(21'')와 연결되도록 구성되고, 제 2 전송 라인(22)이 마이크로스트립 선로(1)의 일단에서부터 시작하여 CPS 선로(3)의 2개의 평행한 전송 라인 중 다른 하나(22'')와 연결되도록 구성된다. 또한, 상기 제 2 전송 라인(22)은 비아(4)를 통하여 수직으로 유전체 기판의 반대면의 음영으로 표시된 접지면(6)과 연결되도록 구성되고, 상기 접지면(6)은 마이크로스트립 선로와의 임피던스 정합을 고려하여 마이크로스트립 선로(1)의 접지면(6')으로부터 연결하고 CPS 선로(3)로 갈수록 그 폭이 작아지다가 CPS 선로(3)와 만나는 지점에서 종단되도록 형성된다. 상기 접지면(6)의 폭이 점점 작아지는 정도를 나타내는 곡선(7)은, 후술하는 바와 같이 각 전송 선로 사이의 전계 분포의 전이와 임피던스 정합을 고려하여 테이퍼 형상을 따르는 것이 바람직하다.

본 발명의 상술한 구성에 따른 효과는 각 전송 선로 사이의 자연스러운 전계 분포의 전이와 임피던스 정합 측면에서 설명될 수 있다.

먼저, 전계 분포 측면에 대해서는, 도 3a 내지 도 3d의 각 단면에서의 전계의 분포를 나타내는 도면들인 4a 내지 도 4d를 참조하여 이하에 설명한다.

도 2a의 선 A'A에서의 단면을 나타내는 도 4a에 도시된 바와 같이, 불평형 선로인 마이크로스트립 선로(1)에서는 일부 전계가 유전체 기판의 외부에 존재하기는 하지만 대부분 유전체 기판 내부에서 수직으로 분포하게 된다. 그러나, 도 2a의 선 B'B에서의 단면을 나타내는 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 접지면(6)이 변형 된 발룬(2) 중 접지면(6)의 폭이 큰 부분에서는 제 2 전송 라인(22)에 의해 수평 성분이 존재하게 되도록 전계 분포가 전이되고 있음을 알 수 있다. 그리고 도 4c에서 도시된 바와 같이, 제 2 전송 라인(22)과 연결된 접지면(6)이 제 2 전송라인(22)쪽으로 점점 감소되면서 수직 방향의 전계를 줄이면서 수평방향의 전계로 전이됨을 알 수 있다. 또한 도 4d에 도시된 바와 같이, CPS 선로에서는 CPS 선로의 전형적인 수평방향의 전계분포가 된다.

따라서, 본 발명에 따른 초광대역 발룬(2)에 따르면, 전계 분포가 대부분 수직방향으로 구성되는 불평형 선로인 마이크로스트립 선로(1)와 전계 분포가 대부분 수평방향으로 구성되는 평형 선로인 CPS 선로(3) 사이에 자연스러운 전계 분포의 전이가 이루어질 수 있게 된다. 즉, 비아(4)를 개재하여 제 2 전송 라인(22)과 연결되는 접지면의 폭은 CPS 선로(3) 쪽으로 갈수록 계속 감소하면서, CPS 선로(3)에서와 같은 수평 방향으로의 전계 분포로 전이하게 될 뿐만 아니라, 마이크로스트립 선로(1)와 발룬(2) 사이의 접지면 신호의 연속성도 보장할 수 있게 된다. 이 때 접지면(6)이 변형된 비아를 포함하는 발룬(2)의 평행 선로의 위상 속도 또는 유효 유전율(effective dielectric constant)은 접지면(6)의 폭이 변하면 달라지므로, 전송 선로 사이의 위상이 중요한 응용에서는 이를 고려하여 설계하여야 한다.

한편, 각 전송 선로 사이의 임피던스 정합 측면에서 본 발명에 따른 발룬 구조의 효과에 대해서는, 이하에서 유전율이 낮은 기판일 경우와 유전율이 높은 기판의 경우로 나누어서 설명한다.

먼저, 예를 들어 상대 유전율(εr)이 2 내지 4 정도로 유전체 기판의 유전율 이 낮은 경우에는 CPS 선로(3)의 특성 임피던스가 마이크로스트립 선로(1)의 특성 임피던스에 비해 상당히 크다. 따라서, 이러한 경우에는 마이크로스트립 선로(1)에서 CPS 선로(3)로의 발룬의 역할뿐만 아니라, 두 전송 선로 사이의 최적의 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환이 필요하다.

도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발룬의 경우에는 비아(4)를 통하여 연결되는 발룬(2)의 접지면(6)의 폭을 변화시키면 전이구조의 특성 임피던스가 변화할 것이라는 점을 알 수 있다. 즉, 접지면(6)의 폭이 비아(4)가 형성된 제 2 전송 라인(22) 쪽으로 점점 줄어들면 특성 임피던스가 증가하게 될 것이다. 따라서 이러한 특성을 이용하여 최적의 임피던스 테이퍼링(impedance tapering; 연속적인 임피던스 변화)을 구현하는 접지면(6)의 폭의 변화를 결정할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 임피던스 정합의 원리에 대해서는 도 5를 참조하여 이하에 보다 자세히 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 변형된 접지면을 갖는 발룬(2)의 평행 선로의 특성 임피던스를 구하기 위한 모델링 방법을 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 전송 라인(21)과 접지면(6) 사이의 커패시턴스 값을 C₂라고 하고, 비아(4)를 포함하지 않는 제 1 전송 라인(21)과 비아(4)를 포함하는 제 2 전송 라인(22) 사이의 커패시턴스 값을 C₁이라고 하자. 비아(4)를 포함하는 제 2 전송 라인(22)으로부터의 접지면(6)의 폭(W_g)이 작아지면, 제 1 전송 라인(21)과 접지면(6) 사이의 C₂값은 작아지게 되며, 이에 따라 임피던스의 값은 높아 지게 된다. 또한 제 1 전송 라인(21)과 제 2 전송 라인(22) 사이의 커패시턴스 C₁값을 조절함으로써, 제 1 전송 라인(21) 및 제 2 전송 라인으로 이루어진 평행 선로의 전체 임피던스 값을 적절히 조절할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 상대적으로 낮은 마이크로스트립 선로(1)의 특성 임피던스로부터 상대적으로 높은 특성 임피던스를 가지는 CPS 선로(3)로의 임피던스 정합을 위해서는 접지면의 폭을 조절함으로써 최적의 정합을 이룰 수 있게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 발룬이 초광대역에서 최소의 리플을 가지고 동작하도록 하기 위하여, 비아(4)를 개재하여 제 2 전송 라인(22)에 연결되는 접지면(6)의 임피던스 테이퍼링을 클로펜스타인 테이퍼링(Klopfenstein tapering)으로 구현할 수 있다. 물론 그 외에도 원하는 주파수 특성을 얻기 위하여, 헤켄 테이퍼링(Hecken tapering) 등과 같은 여러 가지 임피던스 테이퍼링으로 접지면의 형태를 결정할 수도 있다.

본 발명의 초광대역 발룬의 구현을 위한 구현례는 다음과 같다. 상대 유전율이 2.2이고 두께가 10 mil인 RT-Duroid 5880의 기판을 사용할 경우에 있어서, 50 Ohm의 마이크로스트립 선로의 전송 라인의 폭은 30 mil이며, 같은 라인 폭과 라인들 사이의 간격이 5 mil인 CPS 선로의 임피던스는 129 Ohm가 될 것이다. 따라서 본 발명과 같은 발룬의 경우 특성 임피던스를 50 Ohm으로부터 129 Ohm까지 최적의 임피던스 정합이 이루어지도록 접지면의 폭을 조절하여야 한다. 최적의 임피던스 정합을 위하여 클로펜스타인 테이퍼링을 사용하였고, 이에 따른 접지면의 변형은 도 2b에 도시되었다.

반면, 유전율이 높은 기판의 경우에는 마이크로스트립 선로와 CPS 선로 간에 특성 임피던스 차이가 많이 나지 않기 때문에, 접지면의 변형은 적절한 전계분포의 전이만을 고려하여도 무방하다. 즉, 유전율이 높은 기판을 사용하는 경우 비아를 포함한 평행 선로의 접지면의 변형은 유전율이 낮은 기판의 경우와 유사하게 도 2(b)에 도시된 바와 같이 설계할 수도 있으나, 낮은 유전율의 경우에 비해 전체 발룬 구조의 특성은 접지면의 변형된 형상에 상대적으로 덜 민감하다. 따라서 전송선사이에 자연스러운 전계 분포의 전이과정만 이루어 주면, 매우 넓은 주파수 대역의 발룬 특성을 얻을 수 있게 된다.

도 6a 내지 도 6d는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 초광대역 발룬의 구현례를 back-to-back 구조로 구성한 경우의 시뮬레이션 및 측정 결과를 설명하기 위한 도면들이다.

도 6a는 본 발명의 초광대역 발룬의 back-to-back 구조의 윗면을 도시하고 있으며, 도 6(b)는 본 발명의 초광대역 발룬의 back-to-back 구조의 아랫면을 도시하고 있다. 또한 도 6c는 6a 및 도 6b에 구현된 본 발명의 초광대역 발룬 구조에 따른 S-파라미터를 시뮬레이션 한 결과와 측정의 결과를 비교하여 보여주고 있는데, 굵은 곡선은 측정 결과로서의 입력 반사 계수 및 순방향 전달 계수(S11, S21), 가는 선은 시뮬레이션 결과로서의 입력 반사 계수 및 순방향 전달 계수(S11', S21')를 나타낸다. 또한 도 6d는 도 6a 및 도 6b에 구현된 본 발명의 초광대역 발룬 구조에 따른 S-파라미터를 시뮬레이션한 결과를 나타내며, 이를 참조하면 통과 대역에 있어서 저손실의 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 거의 100 GHz에 이르는 초광대역 특성을 보임을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 초광대역 발룬은 여러가지로 응용될 수 있는데, 그 예로서 초광대역 안테나, 초광대역 이중 평형 혼합기, 초광대역 이중 평형 체배기, 초고주파 신호 인버터 등을 들 수 있다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 안테나 모듈의 일례들을 도시하는 도면들이다. 현재 사용되고 있는 평면 안테나의 경우 각 구성요소가 기판에 실장되는 것을 고려해 안테나의 입력 포트에는 불평형(unbalanced) 포트가 사용되는 것이 일반적이다. 이 때문에 다이폴 안테나 등과 같은 평형 안테나 요소를 채택하는 경우에는 평형과 불평형을 변환하는 모듈이 별도로 필요하다.

도 7a는 본 발명의 초광대역 발룬을 평형 안테나의 급전 부분에 사용하는 초광대역 안테나 모듈의 구성을 도시하고 있다. 도 7a를 참조하면, 안테나 모듈의 입력 포트는 마이크로스트립 선로(71)로 도시되고 있으며, 본 발명의 초광대역 발룬(72)이 평형 신호 입력이 요구되는 안테나 요소(73)의 급전부의 역할을 담당하고 있다.

도 7b 내지 도 7d는 본 발명의 초광대역 발룬을 이용하는 초광대역 안테나 모듈의 구현예를 나타내는 도면들로서, 모두 180°의 위상차를 가진 평형 신호의 인가를 필요로 하는 대표적인 단일 평면형 안테나인 bow-tie type 안테나(74) 모 듈, quasi-Yagi 안테나(75) 모듈 및 tapered-slot 안테나(76) 모듈을 각각 도시하고 있으며, 음영 부분은 접지면의 형태를 나타낸다.

평형 신호입력이 요구되는 안테나 모듈의 경우 발룬에 의해 주파수 대역폭의 한계가 정해지는 것이 대부분인데, 본 발명에 따른 초광대역 발룬(72)을 사용하면 안테나 요소(73) 자체의 주파수 특성을 그대로 얻을 수 있을 뿐 아니라, 안테나의 설계가 매우 간단해지는 장점이 있다. 즉, 안테나의 급전부로서 사용되는 발룬이 매우 광대역이기 때문에, 안테나 요소의 구조만 최적화하여 본 발명에 따른 초광대역 발룬을 연결시키기만 하면 되기 때문에, 급전부를 포함한 평면 안테나 시스템의 특성향상은 물론 안테나 설계 시간을 매우 단축할 수 있게 된다. 또한 종래의 발룬의 경우에는 발룬의 특성상 기판의 윗면과 아랫면을 모두 사용하여야 하였으나, 본 발명에 따른 초광대역 발룬을 사용하는 경우에는 단일 평면에서 평형 선로를 이용할 수 있기 때문에 안테나 구현 측면에서도 큰 이점을 가지게 된다.

도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 이중 평형 혼합기(double balanced mixer)의 일례들을 도시하는 도면들이다.

일반적으로 RF 시스템의 혼합기는 2개의 입력 신호를 승산하여 하나의 신호로 주파수 변환하여 출력하는 주파수 변환기를 말한다. 송신용 RF(radio frequency) 시스템에 사용되는 상향 변환용 혼합기는 중간 주파수(IF: intermediate frequency) 신호에 국부 발진(LO: local oscillation) 신호를 승산하여 RF 신호로 출력하고, 수신용 RF 시스템에 사용되는 하향 변환용 혼합기는 RF 신 호와 LO 신호를 승산하여 IF 신호를 출력하게 된다.

그리고 이러한 상향 또는 하향 변환 혼합기는 IF, LO 신호 또는 RF, LO 신호의 입력 형태에 따라 해당 신호를 단일로 입력 받는(single ended) 불평형 혼합기와, 하나의 신호는 차동으로 입력받고 다른 하나는 단일로 입력받는 단일 평형 혼합기와, 양 신호를 모두 차동으로 입력받는 이중 평형 혼합기로 구분될 수 있다. 도 8a는 이중 평형 혼합기의 일반적인 구조를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 발룬(81, 82)은 먼저 도 8b에 도시된 바와 같이, RF와 LO의 두 포트에 사용되어 이중 평형 혼합기 모듈을 구성하는데 사용될 수 있다. 또한, 도 8c는 양면 평행 판 스트립라인 발룬(84)을 LO 또는 RF 포트로 사용하고 비아를 통해서 밑면의 신호선을 기판 위로 올려서 다이오드 장착에 편의를 주게 함과 동시에 본 발명에 따른 초광대역 발룬(83)을 RF 또는 LO 포트로서 사용하여 구성한 이중 평형 혼합기 모듈을 구성할 수도 있다. 또한 도 8d에 도시된 바와 같이 본 발명의 초광대역 발룬(86)을 LO 포트로 사용하고 동일 평면 도파관(coplanar waveguide; CPW)(85) 선로를 RF 포트로 사용하여 이중 평형 혼합기 모듈을 구성할 수도 있다. 도 8e 내지 도 8g는 도 8b 내지 도 8d의 이중 평형 혼합기 모듈을 실제로 구현한 실시예를 각각 도시한다.

일반적으로 상술한 바와 같은 이중 평형 혼합기 모듈의 성능은 일반적으로 발룬에 의해서 결정되는데, 본 발명에 따른 이중 평형 혼합기 모듈의 경우에는 초광대역에서 동작하는 발룬을 사용하기 때문에 매우 넓은 주파수 대역에서 동작하고 혼합기의 변환 손실 및 RF-LO 격리도(isolation) 측면에서도 매우 우수한 특성을 가지는 이중 평형 혼합기를 제공할 수 있게 된다. 또한, 평행 판 스트립라인 발룬을 RF와 LO 포트 입력으로 사용한 종래의 혼합기 모듈에서는 다이오드의 장착을 위하여 기판에 홈을 내고 다이오드의 포트를 기판의 윗면과 아랫면에 연결하여야 하였으나, 도 8e 내지 도 8g에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발룬을 사용하면 기판의 윗면 상에서 다이오드와 커패시터를 장착할 수 있으므로 제작이 매우 간단할 수 있어 제조 비용이 절감될 수 있다는 장점도 가지게 된다.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초광대역 이중 평형 체배기 모듈의 일례들을 도시하는 도면들이다. 이러한 이중 평형 체배기(Double Balanced Multiplier)는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 다이오드의 배열을 제외하고는 도 8a에 도시된 바와 같은 이중 평형 혼합기의 구성과 유사하다.

도 9b는 본 발명의 초광대역 발룬(91, 92)을 이중 평형 체배기(90)의 입력단과 출력단에 모두 사용한 경우이고, 도 9c는 본 발명의 초광대역 발룬(93)을 이중 평형 채배기(90)의 입력으로 하고, 양면 평행 판 스트립라인 발룬(94)을 이중 평형 체배기(90)의 출력으로 한 경우이다. 또한 도 9d는 본 발명의 초광대역 발룬(95)을 이중 평형 체배기(90)의 입력으로 하고 CPW 선로(96)를 이중 평형 체배기(90)의 출력으로 하는 구성을 나타낸다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 이중 평형 체배기 모듈 또한 그 성능이 발룬에 의해서 결정되는데, 상술한 이중 평형 혼합기 모듈과 마찬가지로 본 발명에 따른 초광대역 발룬을 사용하는 경우에는 다이오드를 단일 평면으로 장착할 수 있기 때문에 제작이 매우 간단하다는 장점 외에 초광대역 동작 주파수 영역에서 우수한 변환 손실을 얻을 수 있는 이중 평형 혼합기 모듈을 제공할 수 있게 된다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 초광대역 발룬이 사용될 수 있는 초고주파 신호 인버터 모듈의 일례를 도시하는 도면들이다.

초광대역 신호 인버터는 입력된 초고주파 신호에 대해 출력인 두 포트에서 서로 180도의 위상차를 가지는 신호를 발생시키게 되는 구성을 갖는다. 따라서, 도 10a와 같이 하나의 마이크로스트립 선로(101)로부터 광대역 전력 분배기(102)를 사용하여 초고주파 신호를 두 신호로 분배하고, 각각의 경로에 본 발명에 따른 초광대역 발룬(103, 107)을 적용하여 각각 CPS 선로(104, 108)로 전이하게 하고, 이후 마이크로스트립 선로(106, 110)로 전이하는 과정에서 본 발명에 따른 초광대역 발룬 구조의 평행 선로의 위치를 도면 부호 105 및 109로 도시된 바와 같이 두 신호 경로에서 반대로 구성하면, 출력 단에 광대역으로 180도의 위상을 가지는 신호를 얻을 수 있게 된다.

도 10b는 입력단의 신호를 분배하기 위해서는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider)(102)를 사용하여 실제로 구현된 초광대역 신호 인버터 모듈을 도시한다. 보다 넓은 대역의 성능을 위해서 여러 단의 윌킨슨 전력 분배기를 사용하거나 다른 종류의 광대역 전력 분배기를 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 초광대역 발룬을 사용한 초고주파 신호 인버터 모듈의 경우에는, 주어진 입력에 대하여 두 개의 출력 단에는 180°의 위상차가 나는 신호가 출력되는 경우에도, 본 발명에 따른 초광대역 발룬의 특성에 따라 180도 위상차가 나는 신호의 출력을 광대역으로 쉽게 얻을 수 있으며, 우수한 삽입 손실 특성을 갖는 초고주파 신호 인버터를 제공할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이들은 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 이와 같은 변형과 응용들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 초광대역 발룬에 따르면 다양한 기판의 유전율에 제한되지 않고 최적의 발룬 설계가 가능하다. 즉, 불평형 선로와 평형 선로 사이의 최적의 임피던스 정합과 자연스러운 전계 분포의 전이를 통하여 임피던스 변환기의 역할 뿐만 아니라 발룬의 역할을 이룰 수 있다. 시뮬레이션 결과 본 발명에 따른 초광대역 발룬의 경우 거의 100 GHz에 이르는 초광대역의 특성을 보일 뿐 아니라, 통과대역에 있어서 저손실의 특성을 나타냄을 알 수 있었다(도 6c 및 도 6d 참조).

또한 본 발명의 초광대역 발룬을 이용하는 초광대역 평면 안테나 모듈의 경우, 본 발명의 발룬의 동작 주파수 대역이 대부분의 평면안테나에 비해 매우 넓으므로, 안테나의 주파수 대역이 급전하는 발룬에 의해 좌우되지 않고 안테나 요소 자체의 주파수 대역에 의해 결정이 되므로, 초광대역의 평면 안테나 구현이 가능하고, 또한 안테나 설계가 매우 간단해지는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 초광대역 발룬을 이용하는 초광대역 이중 평형 혼합기 모듈의 경우, 본 발명의 발룬을 사용함으로써 종래의 발룬을 사용하는 혼합기와는 달리 단일 평면에서 다이오드와 커패시터의 장착이 가능하게 하여, 제작비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명의 초광대역 발룬을 이용하는 초광대역 이중 평형 혼합기 모듈은 초광대역에서 동작하고, 혼합기 변환손실 및 RF-LO 격리도 측면에서도 매우 우수한 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 초광대역 발룬을 이용한 초광대역 이중 평형 체배기 모듈의 경우에도, 다이오드를 단일평면에서 장착하기 때문에 제작이 매우 간단하다는 장점이 있고, 초광대역 동작 주파수에서 우수한 변환손실을 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 초광대역 발룬을 이용한 초고주파 신호 인버터 모듈의 경우, 본 발명의 초광대역 발룬 구조 두 개를 연속으로 연결하면서 평행 선로의 방향을 바꾸어 연결함으로써 180° 위상의 차이를 갖는 두 신호를 출력으로 손쉽게 얻을 수 있으며, 매우 넓은 대역에서 우수한 삽입손실 특성을 나타내도록 구현할 수 있다.

Claims (10)

1. 불평형 선로와 평형 선로 사이에 연결되는 초광대역 발룬에 있어서,

   기판의 일면에서 상기 불평형 선로의 전송 라인과 일단이 연결되고 상기 평형 선로의 하나의 전송 라인과 타단이 연결되어 형성되는 제 1 전송 라인;

   상기 기판의 상기 일면에서 상기 불평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 1 전송 라인과 일정한 간격으로 평행하게 형성되고, 상기 평형 선로의 다른 하나의 전송라인과 연결되는 제 2 전송 라인; 및

   상기 기판의 다른 면에서 상기 평형 선로 쪽 일단에서부터 상기 제 2 전송 라인을 따라 형성되고, 상기 불평형 선로의 접지면과 연결되는 접지면을 포함하여 이루어지고,

   상기 제 2 전송 라인은 상기 발룬의 접지면에 수직인 하나 이상의 비아를 개재하여 상기 발룬의 접지면과 연결되고, 상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 평형 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 초광대역 발룬.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로와 상기 평형 선로 사이에서 자연스러운 전계 분포의 전이를 달성하기 위해 상기 불평형 선로에서 상기 평형 선로로 갈수록 상기 제 2 전송 라인 쪽으로 그 폭이 감소하는 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모듈.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 발룬의 접지면은 상기 불평형 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 평형 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 테이퍼형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 발룬.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 발룬의 접지면은 상기 발룬의 임피던스 변화가 클로펜스타인(Klopfenstein) 테이퍼형이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 발룬.
6. 제 1 항에 따른 발룬은 급전 선로로 사용되고 상기 평형 선로는 평형 신호의 인가를 필요로 하는 안테나 요소의 일부인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나 모듈.
7. 제 1 항에 따른 발룬에 연결된 상기 평형 선로가 이중 평형 혼합기의 입력단 또는 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 이중 평형 혼합기 모듈.
8. 제 1 항에 따른 발룬에 연결된 상기 평형 선로가 이중 평형 체배기의 입력단 또는 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 이중 평형 체배기 모듈.
9. 삭제
10. 기판의 양면에 제 1 전송라인 및 제 1 접지면을 포함하는 마이크로스트립 선로; 및

    상기 제 1 전송 라인이 형성된 상기 기판의 일면에 상기 제 1 전송 라인이 연장됨과 동시에 상기 마이크로스트립 선로의 일단으로부터 상기 제 1 전송 라인과 일정한 간격으로 평행하게 형성된 제 2 전송 라인을 포함하고, 상기 제 1 접지면이 형성된 상기 기판의 타면에 상기 마이크로스트립 선로의 상기 일단으로부터 상기 제 2 전송 라인을 따라 형성된 제 2 접지면을 포함하는 발룬; 및

    상기 발룬의 상기 제 1 전송 라인 및 상기 제 2 전송 라인이 각각 계속하여 연장됨으로써 형성되는 CPS 선로를 포함하여 이루어지고,

    상기 발룬에 형성된 상기 제 2 전송 라인은 상기 제 2 접지면에 수직인 하나 이상의 비아를 개재하여 상기 제 2 접지면에 연결되고, 상기 제 2 접지면은 상기 마이크로스트립 선로에 인접하는 부분의 폭이 상기 CPS 선로에 인접하는 부분의 폭보다 큰 테이퍼형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 발룬 구조.

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