KR100858968B1 - 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를이용한 링-하이브리드 방향성 결합기 - Google Patents

헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를이용한 링-하이브리드 방향성 결합기 Download PDF

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황희용
이홍섭
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 광대역 저지 특성이 향상되도록 다수의 결합 선로를 헤어핀 구조로 연결하여 전송 선로 사이에 삽입하여 링-하이브리드 방향성 결합기의 크기를 최소화함은 물론 부가적인 회로없이 고조파 특성을 차단할 수 있는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저역 통과 유닛은, 이웃하는 저역 통과 유닛과 상호 연결되는 제1 및 제2 전송 선로와, 각 전송 선로 사이에 위치하는 다수의 결합 선로를 포함하며, 각 결합 선로는, 제1 및 제2 결합 선로의 일단이 상호 연결되고, 제3 및 제4 결합 선로의 일단이 상호 연결되며, 제2 결합 선로의 타단과 상기 제3 결합 선로가 상호 연결되고, 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로가 대향 평행하게 헤어핀 구조로 배열되며, 제1 및 제2 결합 선로 사이에 상기 제1 전송 선로가 연결되고, 상기 제3 및 제4 결합 선로 사이에 제2 전송 선로가 연결된다.
링-하이브리드, 방향성 결합기, 결합 선로, 저역 통과 특성

Description

헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기{Low pass filter unit having coupling line structure hairpin and ring-hybrid type directional coupler using the same}
도 1은 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기를 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기의 특성을 나타낸 그래프.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기에 적용되는 저역 통과 유닛 셀(LUC)을 설명하기 위한 도면.
도 3b는 도 3a에 도시된 LUC의 등가 회로 도면.
도 4는 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 광대역 고조파 저지 특성을 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 5c는 본 발명의 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 설계 예시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기와 일반적인 방향성 결합기의 실물 비교 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 시뮬레이션 특성 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 EM 시뮬레이션 특성 그래프.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 성능 측정 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 2, 3, 4 : 포트 11, 12 : 전송 선로
21~24 : 결합 선로
30 : 저역 통과 유닛 셀(LUC : Low pass filter Unit Cell)
40 : 기판
본 발명은 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광대역 저지 특성이 우수하도록 헤어핀 구조로 결합 선로를 연결하여, 방향성 결합기의 크기를 최소화함은 물론 부가적인 회로없이 고조파 특성을 차단하는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기에 관한 것이다.
오늘날 정보 통신 및 이동통신 분야의 기술이 급격히 발전함과 더불어, 사용자들의 수준 높은 요구를 만족시키면서 편리성을 제공하기 위한 다양한 통신 서비 스 및 송/수신 통신 시스템이 개발되고 있다.
일반적으로 송/수신 통신 시스템에 적용되는 방향성 결합기는 위상차를 가지는 전력 분배기의 기능을 담당하며, 저역 통과 여파기(LPF : Low Pass Filter)를 다시 연결하여 고조파 성분을 제거하는 구조로 설계가 이루어지고 있다.
이와 같이, 고조파 성분을 제거하기 위해 저역 통과 여파기를 방향성 결합기에 다시금 연결하는 방식은, 저역 통과 여파기를 별도로 추가해야 하기 때문에 시스템의 크기가 증가하는 결과가 초래된다.
따라서, 현재 요구되고 있는 통신 시스템의 저가격화, 초소형화 및 복합 기능의 필요성에 만족하지 못하게 되어, 다양한 방안들이 연구/발표되고 있다.
그 중에서도 마이크로 스트립 라인을 이용한 방향성 결합기의 대표적인 예는 λ/4 평형 선로 결합기, λ/4 브랜치 라인형 결합기 및 링-하이브리드 방향성 결합기 등이 있다.
도 1은 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기를 간략하게 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기의 특성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, λ/4 선로를 기본으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기는 기본 λ/4 선로가 여섯 개가 합쳐져서 1.5λ의 링 길이를 가지게 되며, 커플링 대역에서 3dB의 양호한 커플링 대역을 나타낸다.
따라서, 도2에 도시된 바와 같이, 고차 주파수에서 통과 대역이 규칙적으로 반복되는 특성을 나타낸다.
즉, 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기의 주파수 특성은 홀수 체배 주파 수들에서 고조파 특성이 반복되고, 이러한 고조파 특성은 차단 주파수가 f0를 포함하는 통과 대역 이상이고, 2f0 이하인 LPF로 제거할 수 있다.
상기 도 1에 예시된 링-하이브리드 방향성 결합기의 신호 입출력 관계를 살펴보면, 동위상(in-phase)인 경우에는 예를 들어, 제1 포트(1)가 입력포트, 제2 및 제3 포트(2, 3)가 출력포트가 되어, 제1 포트(1)로 입력되는 신호가 제2 및 제3 포트(2, 3)로 동위상 성분이 양분되어 출력되며, 제4 포트(4)는 격리된다.
한편, 역위상(out of-phase)인 경우에는 제4 포트(4)가 입력포트, 제2 및 3 포트(2, 3)가 출력포트가 되어, 제4 포트(4)로 입력되는 신호가 제2 및 제3 포트(2, 3)에서 180도의 위상차로 양분시키고, 제1 포트(1)는 격리된다.
그러나, 낮은 주파수 대역에서 3dB의 특성을 가지는 방향성 결합기는 물리적인 크기가 너무 큰 단점을 가지고 있기 때문에 전송 선로를 접거나 개방 스터브를 추가하여 크기를 줄이기 위한 방법들이 제안되었으나, 이와 같이 전송 선로를 접거나 개방 스터브를 추가하는 방식은 링-하이브리드 방향성 결합기의 물리적인 크기만을 감소하기 위한 방법으로, 고조파 성분을 제거하기 위해서는 별도의 LPF가 부가되어야 한다.
한편, 통신 시스템의 성능을 결정하는 요소 중 능동 소자들의 비선형성에 의해 발생되는 신호들 중 원치 않는 고조파 신호(불요파 신호 : unwanted signal)를 효과적으로 제거하는 능력이 중요한 요소이며, 대부분 고주파의 통신 시스템에서는 다양한 종류의 다수 여파기(예를 들어, LPF, BPF 등)로 구현되는 부가적인 회로를 추가하여 불요파 신호를 제거 또는 억제하고 있다.
그러나, 불요파 신호를 제거 또는 억제하기 위한 부가적인 회로는 다수의 소자로 인하여 크기가 커지고, 신호의 손실의 증가하게 되는 문제가 있으며, 동시에 다수 감쇠극을 만들기에 어렵기 때문에 넓은 저지 대역을 가지도록 하기에는 제한적이다.
이에 불요파 신호를 제거 또는 억제하는 부가적인 회로가 없는 DGS(Defected Ground Structure)를 이용한 방법이 연구되고 있으나, 이러한 방법은 크기를 소형화하는 데 한계가 있고, 접지면이 회로의 일부로 사용되어 시스템에의 적용상에 추가적인 설계상 주의를 요구하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 광대역 저지 특성이 우수한 헤어핀 구조의 결합 선로를 이용하여 별도의 부가 회로 없이 고조파 신호를 차단하여 불요파 신호를 제거 또는 억제할 수 있는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은, 링-하이브리드 방향성 결합기의 전기적 길이가 동일하면서 링 부분의 면적을 최소화하여 크기를 최소화할 수 있는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기에 적용되는 저역 통과 유닛은, 이웃하는 저역 통과 유닛과 상호 연결되는 제1 및 제2 전송 선로와, 상기 각 전송 선로 사이에 위치하는 다수의 결합 선로를 포함하며, 상기 각 결합 선로는, 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로의 일단이 각각 연결되고, 상기 제2 및 제3 결합 선로의 타단이 연결되고, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로 각각이 대향하여 평행하게 헤어핀 구조로 배열되며, 상기 제1 및 제2 결합 선로 사이에 상기 제1 전송 선로의 일단이 연결되고, 상기 제3 및 제4 결합 선로 사이에 상기 제2 전송 선로의 일단이 연결된다.
상기 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛에서 상기 제1 및 제2 전송 선로와 상기 제1 내지 제4 결합 선로의 전체 전기적 길이가 λ/4를 이룬다.
상기 각 결합 선로는, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로는 등가 회로적으로 인덕터를 형성하고, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로가 대향하여 형성되는 감쇠극은 등가 회로적으로 캐패시터를 형성한다.
상기 저역 통과 유닛은, 상기 등가 회로적으로 형성되는 상기 캐패시터 및 각 인덕터에 의해 3체배 고조파를 포함한 12GHz까지의 고조파 신호를 －20dB 이하로 차단하는 저역 통과 특성을 가진다.
본 발명의 다른 측면에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기는, 절연성 재료로 형성되는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 환형 배열되며, 다수의 결합 선로와 한쌍의 전송 선로로 이루어지는 다수의 저역 통과 유닛과, 상기 각 저역 통과 유닛이 상호 연결되는 사이에 일단이 연결되고, 타단이 방사상으로 신장되는 제1 내지 제4 포트를 포함하며, 상기 각 저역 통과 유닛은, 상기 제1 전송 선로는 이웃하는 저역 통과 유닛의 제2 전송 선로와 연결되고, 상기 제1 내지 제4 결합 선로가 순차적으로 연결되고, 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로가 대향 평행하게 헤어핀 구조로 배열되며, 상기 제1 및 제2 전송 선로가 상기 제1 및 제2 결합 선로와, 제3 및 제4 결합 선로 사이에 연결된다.
상기 각 저역 통과 유닛은, 제1 내지 제6 저역 통과 유닛이 상기 기판의 중심점을 기준으로 60도 각도로 순차적으로 배열된다.
상기 각 포트는, 상기 제1 및 제2 저역 통과 유닛 사이와 제3 및 제4 저역 통과 유닛 사이에 출력 포트인 제2 및 제3 포트의 일단이 연결되고, 제2 및 제3 저역 통과 유닛 사이에 입력 포트인 제1 포트의 일단이 연결되고, 제4 및 제5 저역 통과 유닛 사이에 격리 포트인 제4 포트의 일단이 연결되고, 상기 각 포트의 타단은 방사상으로 신장된다.
상기 각 포트는, 상기 기판을 중심점을 기준으로 상기 제1 내지 제4 포트가 이웃하는 포트와의 사이각이 60도가 되도록 배열되고, 상기 제2 포트와 상기 제4 포트의 사이각이 180도가 되도록 배열된다.
상기 링-하이브리드 방향성 결합기에서 상기 각 저역 통과 유닛은 전체적으로 전기적 길이가 λ/4로 이루며, 상기 제2 포트와 제4 포트 사이에는 3개의 저역 통과 유닛을 배열하여 전기적 길이가 3λ/4를 이루도록 한다.
상기 링-하이브리드 방향성 결합기는, 상기 각 결합 선로는 일측이 상기 기판의 중심으로 절곡되고, 타측이 방사상으로 절곡되어 형성되며, 대향하는 상기 제1 및 제2 결합 선로와, 제3 및 제 4 결합 선로 사이에 감쇠극이 형성된다.
상기 기판은, 오각형으로 형성되며, 4변의 중간 부분에 상기 각 포트가 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기는, 절연성 재료로 오각형으로 형성되는 기판과, 상기 기판 상에 중심점을 기준으로 60도 각도로 배열되며, 저역 통과 특성을 가지는 제1 내지 제6 저역 통과 유닛과, 상기 각 저역 통과 유닛 사이에 배치되는 제1 내지 제4 포트를 포함하며, 상기 각 저역 통과 유닛은, 일측이 상기 기판의 중심으로 절곡되고, 타측이 방사상으로 절곡되어 헤어핀 구조로 연결되는 제1 내지 제4 결합 선로와, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 사이에 연결되어 이웃하는 저역 통과 유닛과 연결되는 제1 및 제2 전송 선로로 구성되어, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 각각이 등가 회로적으로 인덕터를 형성하고, 대향하는 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 사이에 형성되는 감쇠극에 의해 등가 회로적으로 캐패시터를 형성한다.
상기 링-하이브리드 방향성 결합기는, 상기 각 결합 선로 및 상기 각 전송 선로는 마이크로스트립 선로로 이루어진다.
상술한 본 발명에 따르면, 헤어핀 구조로 연결되는 다수의 결합 선로를 전송 선로 사이에 삽입하여, 광대역 저지 특성이 우수해지도록 함에 의해 별도의 부가 회로 없이 고조파 신호를 차단하여 불요파 신호를 제거 또는 억제할 수 있으며, 링 -하이브리드 방향성 결합기의 링 부분 면적을 최소화하여 크기를 감소시킬 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명에 따른 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛 및 이를 이용한 링-하이브리드 방향성 결합기를 첨부한 도면을 참조하여 상세 설명한다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기에 적용되는 저역 통과 유닛 셀(LUC)을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 LUC의 등가 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기에 적용되는 LUC(Low pass filter Unit Cell)(30)는 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 다수의 결합 선로(21~24)가 헤어핀 구조로 연결된다.
LUC(30)내의 예를 들어, 4개의 결합 선로(21~24)는 헤어핀 구조, 즉, 제1 및 제2 결합 선로(21, 22)가 상호 연결되고, 제1 결합 선로(21)와 제2 결합 선로(22)가 연결된 사이에 제1 전송 선로(11)가 연결되며, 제3 결합 선로(23)와 제4 결합 선로(24)가 상호 연결된 사이에 제2 전송 선로(12)가 연결되며, 제1 및 제2 결합 선로(21, 22)와 제3 및 제4 결합 선로(23, 24)는 서로 대향하며 평행하게 배열되는 구조를 가진다.
또한, LUC(30)은 저역 통과 여파기(LPF)의 특성을 갖는 λ/4의 단위 구조와 같이, 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 3f0에서λg(=4×θc) 길이의 다수 결합 선로(21~24)가 헤어핀 구조로 연결되고, 각 결합 선로(21~24)에 상응하는 등가 회로적으로 f0에서 전기적 길이(θ2)와, 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)의 전기적 길이(θ1)가 연결되어, f0의 방향성 결합기로 사용하기 위한 전기적 길이(θLUC)가 λ/4(=2×θ1+θ2)가 형성된다.
아울러, LUC(30)는 등가 회로적으로 다수, 예를 들어, 한쌍의 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구현되는 여파기가 형성되도록 하여, 저역 통과 특성이 커플링 대역의 주파수보다 높은 차단 주파수(fc)를 가지도록 설계할 수 있다.
제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 다수의 결합 선로(21~24)가 헤어핀 구조로 연결된 LUC(30)은 광대역 저지 특성을 가진다. 즉, LUC(30)는 전기적 길이가 λ/4를 가지는 라인에 헤어핀 구조로 결합되는 다수의 결합 선로(21~24)를 삽입되므로, 두 선로가 가까워짐에 따라 선로간의 커플링에 의해 3개의 감쇠극이 생겨 넓은 저지 대역 특성을 가진다.
즉, 대향하는 상기 제1 및 제2 결합 선로(21, 22)와, 제3 및 제 4 결합 선로(23, 24)는 감쇠극을 형성한다.
상기 LUC(30)의 각 결합 선로(21~24)와 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)는 마이크로스트립 선로로 구현될 수 있다.
한편, 상기 도 3b에 도시된 LUC(30)에 대한 T-형 등가 회로의 각 파라미터들을 정리하면, 다음 수학식 1 과 같이 정의 할 수 있다.
Figure 112007029808413-pat00001
Figure 112007029808413-pat00002
단,
Figure 112007029808413-pat00003
이다.
상기 수학식 1에서 Zoe, Zoo는 결합 선로의 우수-모드, 기수-모드일 때의 임피던스, θc는 각 결합 선로(21~24)의 전기적 길이, Lp와 Cp는 결합 선로(21~24)의 T-형 등가 회로의 파라미터이다.
제1 및 제2 전송 선로(11, 12)의 임피던스(
Figure 112007029808413-pat00004
) 및 결합 선로(21~24)의 등가 회로 임피던스는 방향성 결합기에 바로 적용할 수 있게 70.7Ω을 사용할 수 있으며, 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)의 전기적 길이(
Figure 112007029808413-pat00005
)를 포함하여, λ/4의 전기적 길이를 가지는 LUC(30)의 설계가 가능하다.
상기 LUC(30)을 설계할 때에는 커플링 대역의 주파수보다 높은 차단주파수(fc)를 가지는 저역 통과 특성을 가지도록 설계하여 커플링 주파수에 영향이 미치지 않도록 해야 하므로, 원형 소자를 이용한 차단 주파수(fc)를 가지는 T-형 등가 회로의 구조와 일반적인 분산 소자와의 관계를 이용하여 결합 선로(21~24)의 물 리적인 파라미터를 유도할 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 2.45 GHz의 커플링 주파수보다 높은 －3dB 차단 주파수(fc=4GHz)를 가져 광대역의 고조파 저지 특성이 개선된 저역 통과 특성을 얻을 수 있다.
상기 도 4는 본 발명에 따른 LUC(30)의 주파수에 따른 차단 특성(등급 : magnitude)을 도시한 것으로, 광대역의 고조파 저지 특성을 시뮬레이션을 통해 확인하기 위한 LUC(30)의 물리적 변수는 다음 표 1과 같다.
70.7 Ω 선로(mm)[Z TL (θ1)] 결합 선로 θC(mm)
Width: 0.75 Length: 3.30 - Width: 0.30 Space: 0.10 Length: 5.40
기판제원 ε r : 4.4, h: 0.762 mm, t: 38 μm, anδ: 0.025
상기 표 1에서 상기 기판은 절연성 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 기판 상에 상기 LUC(30)를 배열 구현하여 방향성 결합기를 제작할 수 있다.
상기 수학식 1을 기반으로 각 전송 선로(11, 12)의 ABCD-행렬은 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112007029808413-pat00006
상기 수학식 2에서 직렬 인덕터(series L) 및 병렬 커패시터(shunt C)의 ABCD-행렬은 참조 문헌(David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc. 2005.)의 기준에 의해 다음 수학식 3 및 수학식 4와 같이 정의될 수 있 다.
Figure 112007029808413-pat00007
Figure 112007029808413-pat00008
따라서, 상기 도 3b에 도시된 LUC(30)의 T-형 등가 회로에 대한 ABCD-행렬은 상기 수학식 3 및 수학식 4를 기반으로 다음 수학식 5와 같이 유도될 수 있다.
Figure 112007029808413-pat00009
상기 수학식1 내지 수학식 5를 기반으로 상기 도 3a에 도시된 λ/4 길이의 저역 통과 특성을 가지는 LUC(30)의 전체 ABCD-행렬(T)은 다음 수학식 6과 같이 정의할 수 있다
Figure 112007029808413-pat00010
상기 수학식 6에서 조건은 다음과 같다.
Figure 112007029808413-pat00011
Figure 112007029808413-pat00012
그러므로, 전기적 길이가 λ/4의 저역 통과 특성을 가지는 LUC(30)에 대한 ABCD 파라미터와 기존의 방향성 결합기의 λ/4 선로에 대한 ABCD 파라미터는 동일한 값을 가진다.
결과적으로, 본 발명에 따른 LUC(30)와 기존 방향성 결합기의 λ/4 선로와 동일한 파라미터 값을 가지므로, LUC(30)를 이용하여 링-하이브리드 방향성 결합기를 설계 구현 가능하다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 5b는 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기는, 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)와, 헤어핀 구조로 연결되는 다수의 결합 선로(21~24)로 구성되는 제1 내지 제5 LUC(30-1 ~ 30-6)가 환형으로 배열되고, 제1 내지 제5 LUC(30-1 ~ 30-5)가 상호 연결되는 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 일단이 접속되는 제1 내지 제4 포트(1, 2, 3, 4)가 위치한다.
상기 각 LUC(30)는 전체적으로 전기적 길이가 λ/4로 이루어지고, 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 4개의 결합 선로(21~24)가 헤어핀 구조, 즉, 제1 및 제2 결합 선로(21, 22)가 상호 연결되고, 제2 결합 선로(22)가 제3 결합 선로(23)에 일단이 연결되고, 제4 결합 선로(24)가 제3 결합 선로(23)에 일단이 연결되며, 제1 및 제2 결합 선로(21, 22)와, 제3 및 제4 결합 선로(23, 24) 사이에 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)의 일단이 연결된다.
또한, 각 LUC(30)의 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)의 타단은 이웃한 LUC(30)의 제2 및 제1 전송 선로(12, 11)의 일단과 연결된다.
상기 제1 포트(1)는 입력포트, 제2 및 제3 포트(2, 3)는 출력포트, 제4 포트(4)는 격리포트에 해당할 수 있다.
아울러, 제1 포트 내지 제4 포트(1~4) 사이에는 전기적 길이가 λ/4인 제2 내지 제4 LUC(30-2~30-4)가 하나씩 배치되고, 제2 포트(2) 및 제4 포트(4) 사이에는 전기적 길이가 3λ/4이 되도록 3개의 LUC, 즉 제1, 제5 및 제6 LUC(30-1, 30-5, 30-6)가 배치된다.
또한, 각 LUC(30)는 상기 도 3a에 도시된 바와 같이, 4개의 결합 선로(21~24)가 헤어핀 구조로 연결되고, 각 결합 선로(21~24) 사이에 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)가 연결된 구조를 가지며, 각 전송 선로(11, 12)를 인접한 LUC(30)의 전송 선로(12, 11)와 연결된다. 즉, 제1 전송 선로(11)를 인접한 LUC(30)의 제2 전송 선로(12)와 연결된다.
예를 들어, 제1 LUC(30-1)의 제1 전송 선로(11)와 제2 LUC(30-1)의 제2 전송 선로(12) 사이에 제2 포트(2)가 연결되고, 제2 LUC(30-2)의 제1 전송 선로(11)와 제3 LUC(30-3)의 제2 전송 선로(12) 사이에 제1 포트(1)가 연결되고, 제3 LUC(30-3)의 제1 전송 선로(11)와 제4 LUC(30-4)의 제2 전송 선로(12) 사이에 제3 포트(3)가 연결되며, 제4 LUC(30-4)의 제1 전송 선로(11)와 제5 LUC(30-5)의 제2 전송 선로(12) 사이에 제4 포트(4)가 연결된다.
도 5c는 본 발명의 따른 링-하이브리드 방향성 결합기를 구현하기 위한 설계 예시도이다.
도 5c를 참조하면, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기는 절연성 재료로 이루어지는 기판(40) 상에 제1 내지 제6 LUC(20-1~20-6)는 중심점을 기준으로 일정 각도, 예컨대 60도의 각도로 방사상으로 배열된다.
상기 절연성 재료의 기판(40)은 전체적으로 다각, 예를 들어, 오각형으로 이루어지며, 오각형의 4변에 제1 내지 제4 포트(1~4)가 배치된다.
또한, 각 LUC(20)의 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)는 전체적으로 환원형을 이루면서 이웃하는 각 LUC(20)의 제2 및 제1 전송 선로(12, 11)와 연결된다.
여기서, 상기 도 5a 내지 도 5b에 도시된 각 LUC(30)의 제1 내지 제4 결합 선로(21~24) 및 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)에 대응하는 마이크로스트립 선로를 도 5c에 도시된 바와 같이 절곡시켜 배열하여 링-하이브리드 방향성 결합기를 구현할 수 있다.
즉, 도 5c에 도시된 바와 같이, 마이크로스트림 선로의 일측을 기판(40)의 중심으로 절곡시키고 타측을 방사상으로 절곡시켜 제1 및 제2 겹합 선로(21, 22) 및 제3 및 제4 결합 선로(23, 24)를 형성하고, 제2 및 제3 결합 선로(22, 23)를 연결하여 헤어핀 구조를 형성하고, 각 LUC(30)의 제1 및 제2 전송 선로(11, 12)를 환원형으로 연결한다.
또한, 환원형으로 연결되는 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 사이에 각 포트(1~4)의 일단을 연결하고, 타단을 방사상으로 신장시킨다.
아울러, 각 포트(1~4)는 제1 내지 제 5 LUC(30-1~30-5)간 상호 연결되는 제1 및 제2 전송 선로(11, 12) 중간 부분에 연결된다. 예를 들어, 제1 LUC(30-1)의 제1 전송 선로(11)와 제2 LUC(30-2)의 제2 전송 선로(12)가 환형으로 연결되는 중간 부분에 제2 포트(2)가 연결되고, 제2 LUC(30-2)의 제1 전송 선로(11)와 제3 LUC(30-3)의 제2 전송 선로(12)가 환형으로 연결되는 중간 부분에 제1 포트(1)가 연결되고, 제3 LUC(30-3)의 제1 전송 선로(11)와 제4 LUC(30-4)의 제2 전송 선로(12)가 환형으로 연결되는 중간 부분에 제3 포트(3)가 연결되며, 제4 LUC(30-4)의 제1 전송 선로(11)와 제5 LUC(30-5)의 제2 전송 선로(12)가 환형으로 연결되는 중간 부분에 제4 포트(4)가 연결될 수 있다.
제1 내지 제6 LUC(20)는 기판(40) 상에 중심점을 기준으로 60도 각도로 배열되며, 제1 내지 제4 포트(1~4)는 기판(40)을 중심점을 기준으로 사이각이 60도가 되도록 배열되고, 제1 포트(2)와 제4 포트(4)는 180도의 사이각이 이루도록 배열된다.
또한, 각 포트(1, 2, 3, 4)는 제1 내지 제5 LUC(20-1~20-5)가 순차적으로 연 결된 사이에 일단이 연결되고, 타단이 기판(40)의 중심에서 방사상으로 신장되어 형성될 수 있으며, 각 포트(1, 2, 3, 4) 사이에 전기적 길이가 λ/4를 이루는 하나의 LUC(30)가 위치하고, 상기 제2 포트(2)와 제4 포트(4) 사이에는 3개의 LUC(30-1, 30-5, 30-6)가 위치하여 전기적 길이가 3λ/4를 이루도록 배열된다.
아울러, 각 결합 선로(21~24)는 일측이 기판(40)의 중심으로 절곡되고, 타측이 중심에서 방사상으로 절곡되어 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기와 일반적인 방향성 결합기의 실물 비교 예시도이다.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 링-하이브리드 방향성 결합기이고, 도 6의 (b)는 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기로서, 본 발명에 따른 전기적 길이 λ/4인 LUC(30)를 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기의 λ/4 선로에 각각 대응시켜 (a)와 같은 방향성 결합기를 얻을 수 있다.
따라서, 도 6의 (a)에 도시된 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기와, 도 6의 (b)에 도시된 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기와 비교하면, 물리적 크기를 줄이면서 동일한 저역 통과 특성을 동시에 만족시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 LUC(30)는 기존의 링-하이브리드 방향성 결합기의 λ/4 선로와 동일한 파라미터 값을 가지므로, 동일한 저역 통과 특성을 가지면서 크기가 감소되는 링-하이브리드 방향성 결합기를 얻을 수 있다.
또한, 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기에서 2.45 GHz 70.7Ω의 λ/4 선로의 길이는 17.355mm이지만 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 직 선 길이는 7.3 mm로 약 58%가 감소되고, 2.45 GHz의 링-하이브리드 방향성 결합기의 크기는 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기와 비교할 때, 링 부분의 면적이 기존의 면적보다 25% 정도 감소됨을 알 수 있다.
후술하는 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 시뮬레이션은 비유전율(εr) 4.4 이고, 두께(H)가 0.762 mm인 FR-4 기판(40) 상에 구현하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 시뮬레이션 특성 그래프로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기는 전기적 길이가 λ/4를 가지는 LUC(30)의 저지 대역과 일치하는 광대역 고조파 저지 특성을 가지는 방향성 결합기의 회로 시뮬레이션 특성을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 2.45 GHz에서 커플링 대역은 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기와 동일한 전력 분배, 임피던스 정합 및 격리 특성을 보이며, 고조파 저지 대역이 12GHz까지 약 －16dB이하의 차단 특성을 가진다.
도 8은 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 EM 시뮬레이션 특성 그래프로서, 본 발명에 따른 링-하이브리드 방향성 결합기의 EM 시뮬레이션 결과에서 나타나는 것과 같이, 커플링 구간의 특징은 일반적인 링-하이브리드 방향성 결합기와 동일한 특성을 보이며, 고조파 저지 특성은 회로 시뮬레이션보다 개선된 －20dB 이하의 저지 특성을 가진다.
이때, 링-하이브리드 방향성 결합기의 설계 변수는 다음 표 2와 같이 설정하 였으며, 이는 실험을 통한 최적화 과정을 통해 제작된 물리적인 변수이다.
원의 반지름(mm) 70.7Ω 선로 (mm)[Z TL (θ1)] 결합 선로 θC(mm)
7.6 - - Width: 0.75 Length: 3.30 - Width: 0.30 Space: 0.10 Length: 5.40
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안된 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 링-하이브리드 방향성 결합기의 성능에 대한 측정 결과를 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 설명한다.
도 9a는 커플링 구간의 전력 분배, 임피던스 정합 및 격리 특성을 나타내고, 도 9b 및 도 9c는 동위상 및 역위상 특성을 나타내고, 도 9d는 고조파 영역의 3체배 고조파를 포함한 12GHz까지 －20dB이하의 광대역 차단 특성을 나타내는 것이다.
상기 도 9d에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 방향성 결합기를 실제 구현 제작 및 성능 측정 상에 오차가 발생하였으며, 실제 구현상에서 방향성 결합기를 원형으로 변환하는 과정에서 미세하게 호의 길이가 감소하여 중심 주파수가 2.45GHz에서 2.55GHz로 상승했음을 알 수 있다.
이와 같은 이유로 인하여 출력 포트간의 위상 특성에도 영향을 미침은 물론, 차단 구간은 약 12 GHz까지 －20 dB 이하의 양호한 차단 특성이 나타나고 있다.
상술한 본 발명에 따른 방향성 결합기는 각 포트(1~4)간에 헤어핀 구조의 결합 선로(21~24)를 전기적 길이 λ/4의 LUC(30)를 조합하여, 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광대역의 고조파 차단 특성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 방향성 결합기는 중심 주파수에서 완전 정합 및 완전 분리가 가능하며, 링 부분의 면적은 일반적인 방향성 결합기의 링 부분의 면적보다 대략 1/4로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 3체배 고조파를 포함한 12GHz까지 －20dB 이하로 고조파를 차단할 수 있는 우수한 특성을 가진다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광대역 저지 특성이 우수한 헤어핀 구조의 결합 선로를 이용하여 저역 통과 특성을 가지는 저역 통과 유닛과 링-하이브리드 방향성 결합기를 구현하므로 별도의 부가 회로 없이 고조파 신호를 차단하여 불요파 신호를 제거 또는 억제할 수 있다.
또한, 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛을 이용하여 링-하이브리드 방향성 결합기를 구현하여, 방향성 결합기의 링 부분 면적을 최소화하여 크기를 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (13)

  1. 링-하이브리드 방향성 결합기에 적용되는 저역 통과 유닛에 있어서,
    이웃하는 저역 통과 유닛과 상호 연결되는 제1 및 제2 전송 선로와,
    상기 각 전송 선로 사이에 위치하는 다수의 결합 선로를 포함하며,
    상기 각 결합 선로는,
    제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로의 일단이 각각 연결되고, 상기 제2 및 제3 결합 선로의 타단이 연결되고, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로 각각이 대향하여 평행하게 헤어핀 구조로 배열되며, 상기 제1 및 제2 결합 선로 사이에 상기 제1 전송 선로의 일단이 연결되고, 상기 제3 및 제4 결합 선로 사이에 상기 제2 전송 선로의 일단이 연결되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 선로와 상기 제1 내지 제4 결합 선로의 전체 전기적 길이가 λ/4를 이루는 것을 특징으로 하는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 각 결합 선로는,
    상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로는 등가 회로적으로 인덕터를 형성하고, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 제3 및 제4 결합 선로가 대향하여 형성되는 감쇠극은 등가 회로적으로 캐패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 헤어핀 구조의 결합 선로를 가지는 저역 통과 유닛.
  4. 삭제
  5. 링-하이브리드 방향성 결합기에 있어서,
    절연성 재료로 형성되는 기판과,
    상기 기판 상에 순차적으로 환형 배열되며, 다수의 결합 선로와 한쌍의 전송 선로로 이루어지는 다수의 저역 통과 유닛과,
    상기 각 저역 통과 유닛이 상호 연결되는 사이에 일단이 연결되고, 타단이 방사상으로 신장되는 제1 내지 제4 포트를 포함하며,
    상기 각 저역 통과 유닛은,
    상기 제1 전송 선로는 이웃하는 저역 통과 유닛의 제2 전송 선로와 연결되고, 상기 제1 내지 제4 결합 선로가 순차적으로 연결되고, 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로가 대향 평행하게 헤어핀 구조로 배열되며, 상기 제1 및 제2 전송 선로가 상기 제1 및 제2 결합 선로와, 제3 및 제4 결합 선로 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 각 저역 통과 유닛은,
    제1 내지 제6 저역 통과 유닛이 상기 기판의 중심점을 기준으로 60도 각도로 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 각 포트는,
    상기 제1 및 제2 저역 통과 유닛 사이와 제3 및 제4 저역 통과 유닛 사이에 출력 포트인 제2 및 제3 포트의 일단이 연결되고, 제2 및 제3 저역 통과 유닛 사이에 입력 포트인 제1 포트의 일단이 연결되고, 제4 및 제5 저역 통과 유닛 사이에 격리 포트인 제4 포트의 일단이 연결되고, 상기 각 포트의 타단은 방사상으로 신장되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 각 포트는,
    상기 기판을 중심점을 기준으로 상기 제1 내지 제4 포트가 이웃하는 포트와의 사이각이 60도가 되도록 배열되고, 상기 제2 포트와 상기 제4 포트의 사이각이 180도가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 각 저역 통과 유닛은 전체적으로 전기적 길이가 λ/4로 이루며, 상기 제2 포트와 제4 포트 사이에는 3개의 저역 통과 유닛을 배열하여 전기적 길이가 3λ/4를 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 각 결합 선로는 일측이 상기 기판의 중심으로 절곡되고, 타측이 방사상으로 절곡되어 형성되며, 대향하는 상기 제1 및 제2 결합 선로와, 제3 및 제 4 결합 선로 사이에 감쇠극이 형성되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  11. 제6 항에 있어서, 상기 기판은,
    오각형으로 형성되며, 4변의 중간 부분에 상기 각 포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  12. 링-하이브리드 방향성 결합기에 있어서,
    절연성 재료로 오각형으로 형성되는 기판과,
    상기 기판 상에 중심점을 기준으로 60도 각도로 배열되며, 저역 통과 특성을 가지는 제1 내지 제6 저역 통과 유닛과,
    상기 각 저역 통과 유닛 사이에 배치되는 제1 내지 제4 포트를 포함하며,
    상기 각 저역 통과 유닛은,
    일측이 상기 기판의 중심으로 절곡되고, 타측이 방사상으로 절곡되어 헤어핀 구조로 연결되는 제1 내지 제4 결합 선로와, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 사이에 연결되어 이웃하는 저역 통과 유닛과 연결되는 제1 및 제2 전송 선로로 구성되어, 상기 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 각각이 등가 회로적으로 인덕터를 형성하고, 대향하는 제1 및 제2 결합 선로와 제3 및 제4 결합 선로 사이에 형성되는 감쇠극에 의해 등가 회로적으로 캐패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 각 결합 선로 및 상기 각 전송 선로는 마이크로스트립 선로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 링-하이브리드 방향성 결합기.
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