KR100863409B1 - 마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 전력분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러 - Google Patents

마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 전력분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러 Download PDF

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dgs
transmission line
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ground
layer
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임종식
안달
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순천향대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로스트립(microstrip) 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기(unequal Wilkinson power divider) 및 브랜치 하이브리드 커플러(branch hybrid coupler)가 개시되어 있다. 이에 의하면, 제1 유전체 기판의 상면 상에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 제1 유전체 기판의 하면 상의 접지층에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상의 결함 접지 구조(DGS)가 형성되고, 제2 유전체 기판의 상면 상에 제1 접지층이 형성되고, 제2 유전체 기판의 하면 상에 제2 접지층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 제2 유전체 기판의 비아홀 내의 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하고, 상기 제1 접지층은 결함 접지 구조(DGS)를 포함하는 접지층과 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제2 유전체 기판의 상면의 일부 영역을 노출한다.
결함 접지 구조, 마이크로스트립 전송선로, 비대칭 전력 분배기, 브랜치 하이브리드 커플러, 제1 유전체 기판, 제2 유전체 기판, 접지층, 비아홀

Description

마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 전력 분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러{Microstrip Transmission Line Structure and Unequal Power Dividers and Branch Hybrid Couplers Using the same}
도 1a 및 도 1b는 표준형 마이크로스트립(microstrip) 전송선로 구조의 상면 사시도 및 저면 사시도이다.
도 2는 종래의 결함 접지 구조(defected ground structure: DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 저면 사시도이다.
도 3은 종래의 또 다른 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 저면 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 종래의 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5는 도 2의 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 에스-파라메터(S-parameter) 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시된 바와 같이 실제로 제작된 결함 접지 구조(DGS) 마이크로스트립 전송선로 구조에 대하여 에스-파라메터 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 결함 접지 구조(DGS)의 삽입에 의하여 변화된 전송선로의 특성 임피 던스를 계산하기 위한 결함 접지 구조(DGS) 전송 선로의 등가 모델(model)이다.
도 8은 일반적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 이론적인 회로도이다.
도 9는 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 실제적인 회로도로서, 도 8의 이론적인 회로를 실제로 측정 가능하도록 출력단자들을 원하는 특성 임피던스(Zo)로 변환한 실제적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로도이다.
도 10은 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 각 회로소자의 값을 N=1에서부터 N=6까지 증가함에 따라 나타낸 표이다.
도 11은 종래의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 12는 종래의 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 13은 종래의 또 다른 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 14a 및 도 14b는 도 11에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 상면 및 저면 구조를 각각 나타낸 평면도 및 저면도로서,
도 14a의 점선(A로 표시)부분은 사각형 결함 접지 구조(DGS)이고, 도 14b의 미앤더 모양의 결함 접지 구조(DGS)이다.
도 15a 및 도 15b는 도 12에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 상면 및 저면 구조를 각각 나타낸 평면도 및 저면도이고,
도 15c는 도 13에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃을 활 용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 저면 구조를 나타낸 저면도이다.
도 16a는 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송선로 구조를 가진 2중 마이크로스트립 유전체 기판의 일 예를 나타낸 단면 구조도이고,
도 16b는 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송선로 구조를 가진 2중 마이크로스트립 유전체 기판의 다른 예를 나타낸 단면 구조도이다.
도 17은 도 16a 및 도 16b에 도시된 유전체 기판의 구조에 대하여 초고주파 특성을 분석하기 위한 등가 모델이다.
도 18a는 본 발명에 의한 2중 유전체 기판을 이용한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 예를 보이기 위하여 제시한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 나타낸 평면도이고,
도 18b는 도 18a의 결함 접지 구조(DGS)와 일부 전송선로를 별도로 분리 정의한 부분을 나타낸, 즉 DGS Line의 평면도이다.
도 19는 도 18b에 도시된 부분에 대한 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 20은 도 18a의 마이크로스트립 전송선로 구조를 채택한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃이다.
도 21a 내지 도 21d는 각각 도 20의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃의 변형 예이다.
도 22a 및 도 22b는 도 20에 도시된 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기용 제1 유전체 기판을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이 고,
도 22c 및 도 22d는 도 22a 및 도 22b의 제1 유전체 기판에 대응하여 실제로 제작한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기용 제2 유전체 기판을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 23a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1:4 비대칭 전력 분배기의 이상적인 전기적 특성을 회로 시뮬레이터(circuit simulator)에 의해 시뮬레이션한 그래프이고,
도 23b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1:4 비대칭 전력 분배기의 이상적인 전기적 특성을 전자기적 시뮬레이터(electromagnetic(EM) simulator)에 의해 각각 시뮬레이션한 그래프이다.
도 24는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제로 제작하여 측정한 1:4 비대칭 전력 분배기의 비대칭 전력 분배 특성을 나타낸 그래프이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시예에 의한 브랜치 하이브리드 커플러를 나타낸 개략적인 회로도이다.
도 26은 본 발명의 제2 실시예에 적용된 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 레이아웃도로서, 1개의 큰 사각형 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴만이 있는 레이아웃도이다.
도 27a 및 도 27b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 측정하기 위하여 제작된 제1 유전체 기판의 상면 및 하면 패턴을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 28a 및 도 28b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 측정하기 위하여 제작된 제2 유전체 기판의 상면 및 하면 패턴을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 29a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 이상적인 전기적 특성을 회로 시뮬레이터에 의해 시뮬레이션한 그래프이고,
도 29b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 실제 제작하여 측정한 비대칭 전력 분배 특성 그래프이다.
도 30은 본 발명의 제2 실시예에 적용된 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 변형된 레이아웃도로서, 3개의 작은 사각형 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴이 이격하여 배열된 레이아웃도이다.
본 발명은 비대칭 윌킨슨 전력 분배기(unequal Wilkinson power dividers) 및 브랜치 하이브리드 커플러(branch hybrid couplers)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로스트립 전송선로(microstrip transmission line)와 결함 접지 구조(defected ground source: DGS)가 형성된 제1 유전체 기판과, 결함 패턴(pattern)이 없는 바닥 접지면이 형성된 제2 유전체 기판을 접합함으로써 높은 임피던스를 가지는 전송선로를 만들어내는 결함 접지 구조(DGS)의 우수한 특성을 유지하면서 금속 하우징(housing)에 삽입하더라도 결함 접지 구조의 금속 하우징 접지면 접촉 문제를 해소하도록 한 마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 전력 분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러에 관한 것이다.
일반적으로, 초고주파용 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(Zo)를 구현할 수 있는 한계 값은, 기판의 두께에 따라 다르지만, 100~120Ω 정도이다. 이 값은, 표준적이고 이론적인 구조에 의한 전송선로의 특성 임피던스를 구현 가능한 한계 값으로서, 양산성 및 양산에 따른 신뢰성이 확보될 수 있는 값이다(K.C. Gupta, et al., Microstrip Lines and Slotlines, 2nd edition, pp. 430 ~ 432, Artech House, Boston, 1996. 참조).
그런데 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider)에 있어서, 1:1 대칭 분배(equal division) 경우에는 전송선로의 임피던스 값이 구현 가능한 범위 내에 있으므로 상기 임피던스 값의 구현 가능성에 문제점이 없다.
그러나 1:N(N>1, N은 실수) 비대칭 분배 경우에는 N의 값이 커질수록 전송선로의 임피던스 특성이 매우 높아져야 하므로 상기 임피던스 특성의 구현 가능성에 문제점이 발생하게 된다.
예를 들어, 윌킨슨 전력 분배기에 있어서, N=2의 비대칭만 되더라도 1:2 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 요구되는 특성 임피던스가 103Ω이 되므로, 기판에 따라서 상기 특성 임피던스의 구현이 다소 어려워지는 문제점이 있다.
그러나 N이 증가하면, 가령 N=3이면, 1:3 비대칭 윌킨슨 전력 분배기가 132Ω의 특성 임피던스를 필요로 하기 때문에 상기 특성 임피던스의 구현이 더욱 어려 워진다.
더욱이 N>3인 경우, 즉 N=4,5,6,...과 같은 고비율 비대칭 윌킨슨 전력 분배기에서는, 상기 표준형 마이크로스트립 전송선로 구조로써 상기 고비율 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 특성 임피던스를 현실적으로 신뢰성 있게 구현하는 것이 불가능한 것으로 알려져 있다. 왜냐 하면, 150Ω 이상의 특성 임피던스를 구현하려면 마이크로스트립 전송선로를 극히 좁은 선폭으로 형성하여야 하는데, 상기 전송선로의 선폭이 구현 한계를 초과하여 상기 전송선로의 선폭 오차가 매우 커지므로 신뢰성 있는 구현 및 양산(量産)이 불가능하였기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안의 하나로서, 마이크로스트립 전송선로의 신호선 아래에 위치한 접지층에 미앤더(meander) 형태의 결함 접지 구조(DGS)를 형성하여 결함 접지 구조(DGS) 전송선로의 특성 임피던스를 150Ω까지 증가시킴으로써 1:4 비대칭 전력 분배기를 설계하는 방법이 개시되어 있다(Jong-Sik Lim et. al., "A 4:1 Unequal Wilkinson Power divider," IEEE Microwave and Wireless Compression Letters, vol. 11, no.3,pp 124-126, Mar.2001 참조).
또한, 구현 가능한 전송선로 특성 임피던스의 값을 더욱 높이기 위하여, 마이크로스트립 전송선로의 신호선 아래에 위치한 접지층에 사각형의 결함 접지 구조( DGS)를 1개 이상 형성하여 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 특성 임피던스를 207Ω까지 증가시킴으로써 1:N 비대칭 분배 비율을 갖는 윌킨슨 전력 분배기를 제작하는 방법이 대한민국 공개특허번호 10-2003-0069140에 개시되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 표준형 마이크로스트립 전송선로 구조를 가진 종래의 유전 체 기판을 나타낸 상면 사시도 및 저면 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 표준형 마이크로스트립 전송선로 구조는 일반적인 평면형 인쇄회로기판(printed circuit board: PCB)용 유전체층(1)을 구비한다. 또한, 유전체층(1)의 제1면 즉 상면에 제1 도전층으로 구성된 마이크로스트립 전송선로의 신호선 패턴(4)이 일정한 선폭으로 연장하여 형성되고, 유전체층(1)의 제2면 즉 하면의 전체에 제2 도전층(5)의 접지층이 형성되어 있다.
여기서, 유전체 기판의 일 예로서, 본 발명에서는 유전체층(1)의 비유전율(εr)이 2.2이고, 유전체층(1)의 두께(H)가 0.787mm이며, 제1 도전층의 신호선 패턴(4)과 제2 도전층(5)의 두께(T)가 0.036mm인 기판이 사용된다. 한편, 공기의 비유전율(εr)이 1이고, 기타 물질의 비유전율(εr)은 1보다 크다.
도 2는 종래의 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 저면 사시도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 마이크로스트립 전송선로 구조에 상기 유전체층(1)의 제2면 즉 하면에 결함 접지 구조(DGS)(6)를 가진 제2 도전층(5)이 형성된 것을 제외하면 도 1의 구조와 동일하다.
여기서, 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)는 1개의 단순한 사각형 홈으로서, 신호선 패턴(4)과 기본적으로는 동일 수직선 상에 위치한다. 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)의 가로와 세로의 치수는 각각 W1, W2이다. 물론, 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)는 도면에 도시하지 않았으나, 신호선 패턴(4)과 반드시 동일 수직선 상에 위치하지 않아도 좋다. Wm은 마이크로스트립 신호선 패턴의 선폭이다.
한편, 접지층에 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 마이크로스트립 전송선로는 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로이고, 접지층에 결함 접지 구조(DGS)가 형성되지 않은 마이크로스트립 전송선로는 표준형 마이크로스트립 전송선로이다.
도 3은 종래의 또 다른 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 저면 사시도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 또 다른 마이크로스트립 전송선로 구조는 결함 접지 구조(6a)가 복수개인 것을 제외하면 도 2의 마이크로스트립 전송선로 구조와 동일하다.
여기서, 결함 접지 구조(DGS)(6a)는 복수개, 예를 들어, 도 3의 경우에는, 3개의 사각형 패턴으로서, 가로 및 세로 치수가 각각 W11, W2이다. 인접한 결함 접지 구조(DGS)(6a)는 간격(G)을 두고 이격하여 배치된다.
한편, 각각의 결함 접지 구조(DGS)(6a)는 가로 및 세로 치수가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 각각의 결함 접지 구조(DGS)(6a)의 가로 및 세로 치수가 상이하여도 무방하다. 마찬가지로, 인접한 결함 접지 구조(DGS)(6a) 사이의 간격이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 인접한 결함 접지 구조(DGS)(6a) 사이의 간격이 상이하여도 무방하다.
도 4a 내지 도 4d는 종래의 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4a를 참조하면, 먼저, 유전체 기판, 예를 들어 일반적인 평면형 인쇄회로 기판(printed circuit board: PCB)을 준비한다. 상기 인쇄회로 기판은 유전체층(1)을 구비한다. 또한, 유전체층(1)의 제1면 즉 상면에 마이크로스트립 전송선로를 위한 제1 도전층(3)이 넓게 분포되어 있고, 유전체층(1)의 제2면 즉 하면에 접지층을 위한 제2 도전층(5)이 제1 도전층(3)과 등간격을 이루며 넓게 분포되어 있다. 여기서, 유전체 기판의 일 예로서, 본 발명에서는 유전체층(1)의 비유전율(εr)이 2.2이고, 유전체층(1)의 두께(H)가 0.787mm이며, 제1 도전층(3)과 제2 도전층(5)의 두께(T)가 0.036mm인 기판이 사용된다. 한편, 공기의 비유전율(εr)이 1이고, 기타 물질의 비유전율(εr)은 1보다 크다.
도 4b를 참조하면, 이어, 예를 들어 사진식각공정 등을 이용하여 제1 도전층(3)의 일부분, 즉 마이크로스트립 전송선로를 위한 부분만을 남기고 불필요한 부분의 제1 도전층(3)을 제거함으로써 상기 유전체층(1)의 상면 상에 일정한 선폭(Wm)의 마이크로스트립 전송선로의 신호선 패턴(4)을 형성한다. 이때, 상기 마이크로스트립 전송선로가 특정한 값의 특성 임피던스를 갖도록 상기 선폭(Wm)을 결정하는 것이 바람직하다.
가령, 유전체층(1)의 비유전율(εr), 유전체층(1)의 두께(H), 제1, 2 도전층(3),(5)의 두께(T)가 임의의 값으로 결정되었을 때, 특정한 값의 선폭(Wm)을 가진 신호선 패턴(4)의 특성 임피던스는 당 기술 분야에서 공지된 수식에 의해 결정될 수 있다. 따라서 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 4c를 참조하면, 이후, 예를 들어 사진식각공정 등을 이용하여 제2 도전층(5)의 일부분, 즉 결함 접지 구조(DGS)(6)를 위한 부분만을 제거하고 제2 도전 층(5)의 나머지 필요한 부분을 모두 남김으로써 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)를 통하여 유전체층(1)의 저면을 노출시킨다. 여기서, 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)는 1개의 사각형 패턴이며, 신호선 패턴(4)과 동일 수직선 상에 위치한다. 상기 결함 접지 구조(DGS)(6)의 가로와 세로의 치수가 각각 W1, W2이다. 물론, 상기 제2 도전층(5)에 1개의 결함 접지 구조(6)를 형성하는 대신에 도 3에 도시된 바와 같이, 복수개, 예를 들어 3개의 사각형 결함 접지 구조(6a)를 형성하는 것도 가능하다. 또한, 상기 결함 접지 구조(6)는 도면에 도시하지 않았으나, 신호선 패턴(4)과 동일 수직선 상에 위치하지 않아도 좋다.
도 5는 도 2의 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조의 에스-파라메터(S-parameter) 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 통상적인 전자기적 해석 도구를 이용하여 도 2의 DGS 마이크로스트립 전송선로 구조에 대하여 시뮬레이션하여 상기 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로의 전기적 전송특성을 대표적인 특성 지표인 에스-파라메터(S-parameter)로 나타내었다.
여기서, 유전체 기판의 일 예로서, 본 발명에서는 유전체층(1)의 비유전율(εr), 유전체층(1)의 두께(H), 제1, 2 도전층(3),(5)의 두께(T)는 각각 2.2, 0.787mm, 0.036mm인 기판이 사용된다. 또한, 예로서, 신호선 패턴(4)의 선폭(Wm)은 0.4㎜이다. 결함 접지 구조(DGS)(6)의 가로(W1) 및 세로(W2)는 각각 22㎜, 12㎜이다.
상기 결함 접지 구조(DGS)(6)를 가진 마이크로스트립 전송선로는 207Ω의 특 성 임피던스를 갖는데, 상기 신호선 패턴(4)의 선폭(Wm) 0.4㎜는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 결함 접지 구조(DGS)가 형성되지 않은 표준형 마이크로스트립 전송라인의 특성 임피던스 120Ω에 해당하는 선폭 치수이다.
그러므로 상기 표준형 마이크로스트립 전송라인 구조에서 207Ω의 특성 임피던스를 구현하려면, 그 신호선 패턴의 선폭을 0.035㎜으로 대폭 축소하여야 한다. 그러나 0.035㎜의 선폭은, 기존의 초고주파용 하이브리드(hybrid) 인쇄회로기판 제조공정을 이용할 경우, 해당 선폭을 신뢰성 있게 구현하기 어려운 치수일 뿐만 아니라 양산성도 매우 좋지 않은 치수이다.
도 2에 도시된 마이크로스트립 전송선로는 신호의 원활한 흐름을 방해하는 결함 접지 구조(DGS)를 접지층인 제2 도전층(5)에 의도적으로 형성한 것이므로 도 5에 도시된 바와 같이, 설계하고자 하는 중심 주파수 예를 들어, 1.5㎓에서 S11은 전반사에 가까운 특성 즉, 0㏈에 가까운 값을 나타내고, S21도 매우 불량한 전달특성을 나타낸다.
이와 같은 불량한 특성은, 결함 접지 구조(DGS)로 인한 높은 특성 임피던스를 얻기 위하여 의도적으로 유도된 것이다. 즉, 결함 접지 구조(DGS)에 의하여 특성 임피던스가 207Ω의 매우 높은 값으로 증가한다. 이 값은 입력단자(input port)의 표준 특성 임피던스인 50Ω과 매우 심한 부정합(mismatching)을 이루므로 상기한 바와 같은 불량한 전달 특성이 나타난다.
마찬가지로, 통상적인 전자기적 해석 도구를 이용하여 도 3에 도시된 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조에 대하여 시뮬레이션하여 보 면, 도면에 도시하지 않았으나, 상기 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로의 전기적 전송특성은 도 5에 도시된 바와 같이 유사하게 나타난다.
도 6은 도 2에 도시된 바와 같이 실제로 제작된, 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로 구조에 대하여 에스-파라메터 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 도 2에 도시된 바와 같은, 207Ω의 특성 임피던스를 갖는, 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로를 실제로 제작한 후 그 전기적 특성인 에스 파라메터를 측정하였다.
도 6의 특성 측정 결과는 도 5에 도시된 바와 같은 전자기적 해석 도구(electromagnetic simulation tool)에 의한 특성과 매우 유사하며, 의도적으로 유도된 열악한 전달 특성(S21)과, 의도적으로 유도된 열악한 반사 계수 특성(S11)의 -1㏈ 정도의 값을 나타낸다. 참고로, 표준형 마이크로스트립 전송선로는, 손실이 거의 없다고 가정하면 S21이 0㏈에 매우 가까운 값이고 S11도 우수한 단자 정합특성을 나타내므로, 최고 -20㏈ 이하의 우수한 특성을 나타낸다.
마찬가지로, 도 3에 도시된 바와 같이 실제로 제작된, 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로의 그 전기적 특성을 측정하여 보면, 도면에 도시하지 않았으나, 상기 결함 접지 구조(DGS)를 가진 마이크로스트립 전송선로의 전기적 특성이 도 6에 도시된 바와 같이 유사하게 나타난다.
도 7은 결함 접지 구조(DGS)의 삽입에 의하여 변화된 전송선로의 특성 임피던스를 계산하기 위한 결함 접지 구조(DGS) 전송 선로의 등가 모델(model)이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)는 등가적으로 캐패시턴스(capacitance: C)보다 인덕턴스(inductance: L)를 크게 증가시키기 때문에 전송선로의 특성 임피던스 표현식 가운데 하나인
Figure 112007029031781-pat00001
의 관계에 의하여 특성 임피던스가 크게 증가한다. 이와 같은 증가한 특성 임피던스가 ZDGS이다. 있다. 여기서, Zo는 단자(port) 임피던스 또는 단락(termination) 임피던스로서, 일반적으로 50Ω이다. 상기 Zo로 단락된 결함 접지 구조(DGS) 마이크로스트립 전송선로가 특성 임피던스(ZDGS)를 가지고, 이때 입력단에서 바라본 임피던스는 Zin이다.
상기 결함 접지 구조(DGS)에 의하여 증가된 특성 임피던스를 계산하는 방법을 설명하면, 전송선로의 반사계수 특성을 나타내는 S11 값이 실제 반사계수의 크기(|G|)와 수학식 1의 관계에 있고, 반사계수의 크기와 Zin이 수학식 2의 관계에 있다. 따라서 수학식 3과 같은 매우 간단한 λ/4 변환기(transformer) 식을 이용함으로써 최종적으로 결함 접지 구조(DGS)가 구성된 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(ZDGS)를 계산할 수가 있다.
Figure 112007029031781-pat00002
Figure 112007029031781-pat00003
Figure 112007029031781-pat00004
상기한 도 5 또는 도 6을 참조하면, 중심 주파수 1.5㎓에서 S11이 -1㏈이므로 수학식 1을 이용하여 |G|를 계산하면, |G|의 값은 0.891이다. Zo가 50Ω이므로 최종적으로 계산된 ZDGS의 값은 약 207Ω이 된다. 여기서, 중요한 것은 앞서 언급한 바와 같이, 마이크로스트립 전송선로의 선폭이 0.4mm일 때, 표준형 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스가 120Ω이지만, 상기 결함 접지 구조(DGS)의 추가 형성에 의하여 특성 임피던스가 207Ω으로 증가하였다는 것이다. 표준형 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 특성 임피던스 207Ω을 구현하려면, 상기 전송선로의 선폭이 0.035㎜가 되어야 한다. 그러나 0.035㎜의 선폭은, 기존의 초고주파용 하이브리드 인쇄회로기판 제조공정을 이용할 경우, 해당 선폭을 신뢰성 있게 구현하기 어려운 치수일 뿐만 아니라 양산성도 매우 좋지 않은 치수이다.
도 8은 일반적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 이론적인 회로도이다. 도 9는 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 실제적인 회로도로서, 도 8의 이론적인 회로를 실제로 측정 가능하도록 출력단자들을 원하는 특성 임피던스(Zo)로 변환한 실제적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로도이다.
도 8을 참조하면, 일반적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기는 제1단자(P1)로 입사된 입력신호가 제3단자(P3)와 제2단자(P2)에 1:N의 비율로 분배하여 출력되도 록 구성되어 있다. 가장 기본적인 이등분 전력 분배기의 경우, N=1이다.
여기서, Zo는 제1단자(P1)의 특성 임피던스로서, 통상적으로 측정 표준값인 50Ω을 주로 사용한다. Z2는 제1단자(P1)에서 제2단자(P2)로 진행하는 전송선로 경로의 특성 임피던스이고, Z3은 제1단자(P1)에서 제3단자(P3)로 진행하는 전송선로 경로의 특성 임피던스이다. Rint는 제3단자(P3)와 제2단자(P2) 사이의 격리저항(isolation resistor)이고, R2 및 R3은 1:N의 전력 분배를 얻기 위한 제2단자(P2) 및 제3단자(P3)의 단락 임피던스(termination impedance) 값이다.
이와 같이 구성된 이론적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기에서는 N의 변화에 따라 출력단자의 단락 임피던스(R2),(R3)가 달라진다. 그러나 일반적인 계측기나 회로 및 시스템의 단자 특성 임피던스는 실제 사용이나 측정상의 편리함을 위하여 대부분 Zo=50Ω을 표준값으로 사용하고 있다.
따라서 임의의 값을 갖는 R2, R3을 아래의 수학식4와 수학식5에 의해 Zo=50Ω으로 λ/4 임피던스 변환(impedance transform)시키면, 출력 단자 임피던스가 모두 Zo=50Ω이 되는 실제적인 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기는 도 9에 도시된 바와 같이 설계될 수 있다.
Figure 112007029031781-pat00005
Figure 112007029031781-pat00006
여기서, Z4는 R2와 Zo=50Ω 사이의 λ/4 임피던스 변환 값이고, Z5는 R3과 Zo=50Ω 사이의 λ/4 임피던스 변환 값이다.
이와 같은 구조를 가진 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 각 회로소자의 값은 N=1에서부터 N=6까지 증가함에 따라 도 10의 표에 도시된 바와 같이 나타난다. 한편, 상기한 방법으로 N의 값을 6보다 더 크게 계속 증가시킬 수 있으나, 본 발명에서는 발명의 이해를 돕기 위하여 처음의 고정 비대칭 분배 비율을 6으로 정하기로 한다.
도 11은 종래의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 11을 참조하면, 종래의 1:4 비대칭 전력 분배기에 사용된 결함 접지 구조(DGS)는 미앤더 형태의 구조를 가진다. 즉, 종래의 1:4 비대칭 전력 분배기의 회로 레이아웃에서는 신호선 패턴(114)과, 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴(116)이 서로 겹쳐져 배치되고, 상기 패턴(116)이 예를 들어 2개이며, 서로 이격하여 배치된다. Rint는 격리저항을 배치하기 위한 영역이다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 결함 접지 구조(DGS)의 모양은 반드시 사각형에 한정되지 아니 하고 상기한 바와 같은 다양한 형태의 기하학적 모양이 가능함은 자명하다. (Jong-Sik Lim et. al., "A 4:1 Unequal Wilkinson Power divider," IEEE Microwave and Wireless Compression Letters, vol. 11, no.3,pp 124-126, Mar.2001 참조).
도 12는 종래의 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 12를 참조하면, 종래의 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃 도에서는 신호선 패턴(124)과, 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴, 예를 들어 사각형 패턴(126)이 서로 겹쳐져 배치된다. 상기 사각형 패턴(126)은 예를 들어 1개이고, Rint는 격리저항을 배치하기 위한 영역이다.
즉, 상기 사각형 패턴(126)은 도 2에 도시된 바와 같이 유전체층(1)의 저면 상의 접지층인 제2 도전층(5)에 1개의 사각형 결함 접지 구조(DGS)(6)를 형성하기 위한 패턴이다. 상기 신호선 패턴(124)은 도 2에 도시된 바와 같이 유전체층(1)의 상면 상에 신호선 패턴(4)을 형성하기 위한 패턴이다.
도 13은 종래의 또 다른 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도이다.
도 13을 참조하면, 종래의 또 다른 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃도에서는 신호선 패턴(134)과, 복수개의 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴, 예를 들어 사각형 패턴(136)이 서로 겹쳐져 배치되고, 상기 사각형 패턴(136)이 예를 들어 3개이며 서로 이격하여 배치된다. Rint는 격리저항을 배치하기 위한 영역이다.
즉, 상기 사각형 패턴(136)은 도 3에 도시된 바와 같이 유전체층(1)의 저면 상의 접지층인 제2 도전층(5)에 3개의 이격된 사각형 결함 접지 구조(DGS)(6a)를 형성하기 위한 패턴이다. 상기 신호선 패턴(134)은 도 3에 도시된 바와 같이 유전체층(1)의 상면 상에 신호선 패턴(4)을 형성하기 위한 패턴이다.
도 12 및 도 13에서는, 결함 접지 구조(DGS)에 의한 등가의 인덕턴스를 등가의 커패시턴스보다 상대적으로 훨씬 더 증가시켜 결과적으로 그 이전에 공지된 미 앤더형 결함 접지 구조(DGS)가 갖는 높은 임피던스의 구현 한계(약 160Ω)를 200Ω 이상으로 훨씬 더 높게 증가시키는 기술적 사상을 구현하기 위하여, 단순한 사각형 형태의 결함 접지 구조(DGS)가 사용되었다.
한편, 도 12 및 도 13에 도시된 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 레이아웃은 예를 들어 1:6 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 레이아웃으로서, 1:6 비대칭 윌킨슨 전력 분배기에 해당한다. 본 발명에서는 주파수의 예를 제시하기 위하여 상기 1:6 비대칭 윌킨슨 전력 분배기 회로의 중심주파수를 1.5㎓로 선택한다. 상기 회로의 각 전송선로의 특성 임피던스가 도 10에 도시된 바와 같이 구현된다.
도 14a 및 도 14b는 도 11에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 상면 및 저면 구조를 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 14a를 참조하면, 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 마이크로스트립 전송선로는, 기판의 제1면, 예를 들어 상면 상에 도 11의 신호선 패턴(114)과 같이 형성된다. 또한, 각 단자(port)와 Rint가 상기 기판의 상면 상에 형성된다. Rint는 격리저항 또는 내부저항(internal resistor)이다.
도 14b를 참조하면, 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 결함 접지 구조(DGS)는, 도 14a의 기판 상면의 점선 사각형 표시 영역(A) 아래에 위치하는 기판의 저면 접지층에 도 11에 도시된 미앤더 형태의 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴(116)과 같이 형성된다.
도 15a 및 도 15b는 도 12에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이 아웃을 활용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 상면 및 저면 구조를 각각 나타낸 평면도 및 저면도이고, 도 15c는 도 13에 도시된 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 저면 구조를 나타낸 저면도이다.
도 15a를 참조하면, 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 마이크로스트립 전송선로는, 기판의 제1면, 예를 들어 상면 상에 도 12의 신호선 패턴(124)과 같이 형성된다. 또한. 각 단자와 Rint가 상기 기판의 상면 상에 형성된다.
도 15b를 참조하면, 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 결함 접지 구조(DGS)는, 도 15a의 기판 상면의 점선 사각형 표시 영역(B) 아래에 위치하는 기판의 저면 접지층에 도 12의 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴과 같이 1개의 사각형으로 형성된다.
한편, 도 15c를 참조하면, 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 결함 접지 구조(DGS)는, 도 15a의 기판 상면의 점선 사각형 표시 영역(B) 아래에 위치하는 기판의 저면 접지층에 도 13의 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴과 같이 3개의 작은 이격된 사각형으로 형성될 수도 있다.
그러나 이상과 같은 종래의 방법을 이용하여 설계 및 제작한, 결함 접지 구조(DGS)를 가진 비대칭 전력 분배기의 경우에는, 마이크로스트립 기판(microstrip substrate)을 구성하기 위하여 단일의 유전체 기판이 사용된다. 그러므로 단일의 유전체 기판의 바닥 접지층에 결함 접지 구조(DGS)를 이용한 마이크로스트립 선로 및 상기 마이크로스트립 선로를 포함한 마이크로스트립 회로를 하우징에 실장하면, 상기 기판의 바닥 접지층이 상기 금속 하우징의 바닥면에 접촉한다. 통상적으로, 상기 하우징은 도전성 금속재질의 구조물이므로 기계적으로는 외부 충격이나 파손 요인으로부터 상기 마이크로스트립 회로를 보호할 수 있으나, 전기적으로는 강력한 접지수단이 되므로 상기 하우징의 바닥면이 접지면이 된다. 따라서 상기 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 기판의 접지층이 상기 하우징의 바닥면에 접촉한 상태에서는, 상기 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 마이크로스트립 전송선로는 기판의 바닥면 전체에 금속 접지층이 형성된 종래의 마이크로스트립 전송선로, 즉 상기 결함 접지 구조(DGS)가 형성되지 않은 마이크로스트립 전송선로 구조와 동일하다. 그 결과, 종래의 기판은, 상기 결함 접지 구조(DGS)를 포함한 마이크로스트립 회로가 갖는 고유의 특성 및 그 장점을 전혀 활용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 높은 임피던스의 전송선로를 구현하는 결함 접지 구조(DGS)의 우수한 특성을 유지하면서도 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 접지층이 금속 하우징에 접촉하지 않은 채 실장할 수 있도록 한 마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 윌킨슨 전력분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송선로 구조는, 마이크로스트립 전송선로 구조에 있어서, 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며, 상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 마이크로스트립 전송선로는 2개 이상의 마이크로스트립 선로가 조합된 결합 마이크로스트립 선로로 구성될 수 있다.
또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비대칭 전력 분배기는, 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용한 비대칭 전력 분배기에 있어서, 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며, 상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것이 가능하다. 또한, 바람직하게는, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 다양한 기하학적 모양의 패턴이 1개 이상인 것이 가능하다.
또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 브랜치 하이브리드 커플러는, 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용한 브랜치 하이브리드 커플러에 있어서, 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며, 상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것이 가능하다. 또한, 바람직하게는, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 다양한 기하학적 모양의 패턴이 1개 이상인 것이 가능하다.
이하, 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송선로 구조 및 이를 이용한 비대칭 윌킨슨 전력분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 16a는 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송선로 구조를 가진 2중 마이크로스트립 유전체 기판의 일 예를 나타낸 단면 구조도이고, 도 16b는 본 발명에 의한 마이크로스트립 전송라인 구조를 가진 2중 마이크로스트립 유전체 기판의 다른 예를 나타낸 단면 구조도이다.
도 16a를 참조하면, 본 발명에 의한 2중 유전체 기판은 제1 유전체 기판과 제2 유전체 기판이 접합된 구조를 가진다.
즉, 상기 제1 유전체 기판에서, 제1 유전체층(160)의 제1 면, 예를 들어 상면 상에, 종래와 같이 마이크로스트립 전송선로 및 상기 마이크로스트립 전송선로를 포함한 마이크로스트립 회로를 위한 제1 도전층(161)이 형성된다. 제1 유전체층(160)의 제2 면, 예를 들어 하면, 즉 바닥 접지면에 1개의 제1 결함 접지 구 조(DGS)(164)를 가진 바닥 접지층을 위한 제2 도전층(163)이 형성된다. 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(164)는 예를 들어 제1 폭(W1)을 가진 단순한 사각형으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(164)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
또한 제2 유전체 기판에서, 제2 유전체층(170)의 제1면, 예를 들어 상면 상에 1개의 제2 결함 접지 구조(DGS)(174)를 가진 제1 도전층(171)이 형성되고, 제2 유전체층(170)의 제2 면, 예를 들어 하면의 전역 상에 제2 도전층(173)이 종래의 단일 유전체 기판의 마이크로스트립 선로의 경우처럼 접지층으로서 형성된다. 상기 제2 결함 접지 구조(DGS)(174)는 예를 들어 사각형으로 형성될 수 있다. 상기 제2 결함 접지 구조(DGS)(174)의 폭(W2)은 상기 제1 결함 접지 구조(164)의 폭(W1)보다 크다. 물론, 상기 제2 결함 접지 구조(DGS)(174)도 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
또한, 상기 제1 유전체층(160)의 하면은, 상기 제2 결함 접지 구조(DGS)(174)가 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(164)를 완전히 둘러싸도록 상기 제2 유전체층(170)의 상면과 접착된다. 그러므로 상기 제1 유전체층(160)의 제2 도전층(163)이 상기 제2 유전체층(170)의 제1 도전층(171)과 전기적으로 연결된다.
더욱이, 상기 제1, 2 도전층(171),(173)의 전기적 연결을 위하여, 상기 제2 유전체층(170)의 제1 면에서부터 제2 면까지 관통하는 복수개의 관통홀(via hole) 내에 제3 도전층(175)이 채워진다. 따라서 본 발명의 다중 유전체 기판의 전체적인 접지층은 상기 제1 유전체 기판의 제2 도전층(163), 상기 제2 유전체 기판의 제1 도전층(171) 및 제2 도전층(173)으로 구성된다.
한편, 본 발명의 다중 유전체 기판은 도 16b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유전체 기판의 제2 도전층(163)과 상기 비아홀 내의 제3 도전층(175)을 전기적으로 연결하기 위한 제1 도전층의 소형 패드들(pad)(미도시)만이 상기 제2 유전체층(170)의 상면 상에 형성되고, 상기 제1 유전체 기판의 하면이 상기 제2 유전체 기판의 상면에 접착된 것을 제외하면, 도 16a의 다중 유전체 기판과 동일한 구조를 가진다.
따라서 상기 제1, 2 유전체 기판의 제1, 2 도전층(161),(163),(173)이 두께(T)를 가지면, 도 16a에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이의 영역(A1),(B1)에는 각각 상이한 두께(2T),(T)의 도전층이 존재하나, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이의 영역(C)에는 도전층이 전혀 존재하지 않는다. 이와 마찬가지로, 도 16b에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이의 영역(D)에는 두께(T)의 도전층이 존재하나, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이의 영역(E)에는 도전층이 전혀 존재하지 않는다. 여기서, H1, H2는 각각 제1, 2 유전체층(160),(170)의 두께이고, Htot는 상기 접합된 제1, 2 유전체 기판(160),(170)의 총 두께이다.
한편, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이에 존재하는 금속층이 두께(2T) 또는 두께(T)로 상이할 수 있지만, 실제적으로, 마이크로스트립 선로에서 전송선로의 특성 임피던스를 결정하는 요인들 중에서 상기 금속층 두께가 차지하는 비중이 매우 작으므로 상기 금속층의 두께에 대한 고려는 그다지 중요하지 않다. 또한, 실제적으로, 상기 금속층의 두께가 상기 제1, 2 유전체 기판의 두께에 비하여 매우 얇기 때문에, 상기 제1, 2 유전체 기판 사이에 존재하는 금속층의 두께는 두께(2T) 또는 두께(T)이든 그다지 중요하지 않다.
본 발명의 경우, 예를 들어, 상기 제1, 2 유전체층의 두께(H1),(H2)가 0.787mm이고, 제1, 2 금속층의 두께(T)가 0.035㎜이면, 두께(T)가 두께(H1),(H2)에 비하여 극히 얇다. 일반적으로, 마이크로스트립 전송선로를 구현하는 마이크로스트립 기판의 금속층이 0.017~0.035㎜의 두께를 가지므로 상기 금속층의 두께가 아무리 두꺼워도 상기 유전체층의 두께에 비하여 1/20 이하로 매우 얇다.
도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이 구성된 유전체 기판을, 초고주파 회로 설계 이론에 근거한 분석을 위하여 도 17에 도시된 바와 같은 모델, 즉 등가의 유전체 기판으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 등가의 유전체 기판은 제1, 2 유전체층이 접합된 구조를 갖는다. 또한, 상기 유전체 기판은, 상기 제1, 2 유전체층 사이의 일부 영역에 도전층이 존재하는 제1 영역과, 상기 제1, 2 유전체층 사이의 다른 일부 영역에 결함 접지 구조(DGS)가 존재하는 제2 영역을 갖는다. 따라서 상기 제1 영역의 마이크로스트립 전송선로 부분에서는, 유전체층의 두께가 H1인 제1 마이크로스트립 기판(Msub1)으로 분석이 가능하다. 상기 제2 영역에서는, 제1 유전체층과 제2 유전체층이 맞닿으므로 상기 제2 영역의 마이크로스트립 전송선로 부분에서는, 유전체층의 총 두께가 Htotal인 제2 마이크로스트립 전송선로 기판(Msub2)으로 분석이 가능하다. 여기서, Htotal은 제1 유전체 기판의 두께(H1)와 제2 유전체 기판 의 두께(H2)의 합과 대략적으로 동일하다.
한편, 편의상, 등가의 유전체 기판에는 3개의 도전층(M1),(M2),(M3)이 존재하는 것처럼 도시되어 있다. 도전층(M1)은 제1 유전체 기판의 상면 상에 형성된 도전층이고, 도전층(M2)은 제2 유전체 기판의 하면 상에 형성된 도전층이고, 도전층(M3)은 제1 유전체 기판의 하면과 제2 유전체 기판의 상면이 접합되었을 때 제1 유전체 기판의 하면과 제2 유전체 기판의 상면 사이에 1개의 도전층으로서 존재하는 것처럼 간주한 도전층이다. 제1 유전체 기판의 두께는 H1이고, 제2 유전체 기판의 두께는 H2이고, 그러므로 기판(Msub1)의 두께가 H1이지만, 기판(Msub2)의 두께(Htotal)는 두께(H1)와 두께(H2)의 합이다. 엄밀히 말하면, 두께(H2)에 도전층의 두께(T 또는 2T)가 포함되어야 하지만 앞서 언급한 바와 같이 두께(T 또는 2T)가 두께(Htotal)에 비하여 매우 작으므로 두께(Htotal)는 두께(T 또는 2T)를 포함하지 않아도 좋다. 두께(H1),(H2)는 서로 동일하거나 동일하지 않아도 좋다. 제1 유전체 기판의 비유전율(εr1)과 제2 유전체 기판의 비유전율(εr2)은 서로 동일하거나 동일하지 않아도 좋다. 하지만 본 발명은 제1 실시예에서, 기판 제작의 편의상, 제1, 2 유전체 기판의 두께와 비유전율을 모두 동일한 값을 선택하였다.
도 18a는 본 발명에 의한 2중 유전체 기판을 이용한 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 예를 보이기 위하여 제시한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 나타낸 평면도이고, 도 18b는 도 18a의 결함 접지 구조(DGS)와 일부 전송선로를 별도로 분리 정의한 부분을 나타낸, 즉 결함 접지 구조 라인(DGS Line)의 평면도이다.
도 18a를 참조하면, 본 발명의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기는, 입력단자(1로 표시함)로 입사된 전력이 두개의 제1, 2 출력단자(3,2로 표시함)에 1:4의 비대칭으로 분배되어 출력되도록, 제1 유전체 기판(180)의 상면 상에 마이크로스트립 전송선로가 형성된다. 또한, 제1 유전체 기판(180)의 하면 상의 접지층(미도시)에 1개의 제1 결함 접지 구조(DGS)(184)가 점선으로 도시된 바와 같이, 예를 들어 단순한 사각형 패턴으로 형성된다. 물론, 제1 결함 접지 구조(DGS)(184)가 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
또한, 도면에 도시되지 않았으나, 도 16a, 도 16b 또는 도 17에 도시된 바와 같이 제1 유전체 기판(180)의 하면에 제2 유전체 기판의 상면이 접착된다. 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(184)의 단순한 사각형 패턴은 길이(L)와 폭(W)으로 이루어진 면적을 가진다. 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(184)와 중첩된 마이크로스트립 선로의 선폭은 Wm이다.
이와 같이 구성되는 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 경우, 입력단자 1에서 출력단자 2에 이르는 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스는 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, Z2의 값인 39.5Ω이고, 입력단자 1에서 출력단자 3에 이르는, 제1 결함 접지 구조(DGS)(184)를 구성한 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스는 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, Z3의 값인 158.1이다.
한편, 도 18a에 도시된 결함 접지 구조(DGS)(184)를 구성한 마이크로스트립 전송선로의 부분이 1:4 비대칭 전력 분배기에 적합한 특성 임피던스를 갖는지 여부를 확인하기 위하여, 2중 유전체 기판(미도시)에 상기 부분을 도 18b에 도시된 바와 같이 별도로 분리하여 정의하고, 상기 부분의 전기적 특성을 분석하였다. 여기서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는, 길이(L)가 30㎜이고 폭(W)이 5㎜인 면적을 가지고, 마이크로스트립 전송선로의 선폭(Wm)이 0.26㎜이고, 제1,2 유전체 기판의 두께(H1),(H2)가 0.787㎜이고, 마이크로스트립 전송선로를 위한 도전층의 두께(T)가 0.035㎜이다.
상기 부분의 전기적 특성은 도 19에 도시된 바와 같다. 즉, 1.5㎓의 주파수에서 S11은 -1.74㏈로서, 결함 접지 구조가 구성된 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(ZDGS)는 수학식1, 수학식2, 수학식3에 의하여 158.25Ω으로 계산되었다. 이 값은 이론적으로 정확한 값, 즉 이상적인 값인 158.1Ω에 상당히 근접한 값이다. 따라서 상기 결함 접지 구조가 구성된 마이크로스트립 전송선로는 1:4 비대칭 전력 분배기를 구현할 수 있는 최적의 특성 임피던스를 가진 마이크로스트립 전송선로로서 사용이 가능하다.
도 20은 도 18a의 마이크로스트립 전송선로 구조를 채택한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃에서는, 입력단자 1로 입사된 전력이 3과 2로 표시한 두개의 제1, 2 출력단자에 1:4의 비대칭으로 분배되어 출력되도록 마이크로스트립 전송선로가 배치된다. 또한, 1개의 결함 접지 구조(DGS)(211)가 마이크로스트립 전송선로(210)와 오버랩되도록 배치되며, 예를 들어, 단순한 사각형의 패턴을 가진다. 물론, 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(211)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
또한, 상기 마이크로스트립 전송선로와 결함 접지 구조(DGS) 이외의 영역에 복수개의 비아홀이 배치되며, 예를 들어 원형의 패턴을 가진다. 또한, Rint는 내부 격리저항이 배치될 영역이다.
도 21a 내지 도 21d는 각각 도 20의 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기의 회로 레이아웃의 변형 예이다.
도 21a 내지 도 21d를 참조하면, 본 발명의 또 다른 레이아웃은 도 20의 레이아웃과 다르게 변형될 수 있다. 즉, 본 발명의 레이아웃은, 도 21a에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)(213)가 일부 이동한 상태에서 마이크로스트립 전송선로(210)와 오버랩되는 것을 제외하면 도 20의 레이아웃과 동일하거나, 도 21b에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)(215)가 도 20의 결함 접지 구조(DGS)(211)보다 큰 사이즈를 가진 것을 제외하면 도 20의 레이아웃과 동일하거나, 도 21c에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)(217)가 단순 사각형이 아닌 다른 기하학적 패턴을 가지는 것을 제외하면 도 20의 레이아웃과 동일하거나, 도 21d에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)(219)가 복수개의 단순 사각형의 패턴을 가지는 것을 제외하면 도 20의 레이아웃과 동일하다. 물론, 결함 접지 구조(DGS)(213),(215),(217),(219)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
하지만 이와 같이 결함 접지 구조(DGS)의 패턴이 변형되더라도 본 발명의 범위를 벗어남 없이 결함 접지 구조(DGS)를 포함한 회로를 하우징에 실장하더라도 제2 유전체 기판에 의해 결함 접지 구조(DGS)가 하우징 바닥면에 접촉하는 것을 방지하는 것이 가능하다.
도 22a 및 도 22b는 도 20에 도시된 레이아웃을 활용하여 실제로 제작한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기용 제1 유전체 기판을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이고, 도 22c 및 도 22d는 도 22a 및 도 22b의 제1 유전체 기판에 대응하여 실제로 제작한 1:4 비대칭 윌킨슨 전력 분배기용 제2 유전체 기판을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 22a 및 도 22b를 참조하면, 마이크로스트립 전송선로가 도 20에 도시된 레이아웃의 패턴과 같이, 제1 유전체 기판(220)의 제1 면, 예를 들어 상면 상에 형성된다. 또한, 제1 결함 접지 구조(DGS)(224)는 제1 유전체 기판(221)의 상면에 표시된 점선 사각형 표시 영역(A2) 아래에 위치하는, 제1 유전체 기판(220)의 저면 접지층(223)의 일부분에 단순한 사각형으로 형성된다. 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(224) 내의 제1 유전체 기판(220)의 저면은 노출된다.
여기서, Rint는 격리저항으로서, 상기 마이크로스트립 전송선로가 형성된 후 임의의 정해진 영역에 설치된다. 1은 입력단자이고, 2 및 3은 각각 출력단자이다. 물론, 상기 제1 결함 접지 구조(DGS)(224)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
도 22c 및 도 22d를 참조하면, 제2 유전체 기판(230)의 제1 면, 예를 들어 상면의 전역 상에 제1 도전층(231)이 형성되고, 제2 결함 접지 구조(DGS)(234)가 제1 도전층(231)에 단순한 사각형 패턴으로 형성된다. 또한, 제2 결함 접지 구조(DGS)(234)는 도 22b의 제1 결함 접지 구조(DGS)(224)와 오버랩함과 아울러 제1 결함 접지 구조(DGS)(224)를 완전히 둘러싸도록 제1 결함 접지 구조(DGS)(224)보다 큰 사이즈를 가진다. 제2 결함 접지 구조(DGS)(234) 내의 제2 유전체 기판(230)의 상면이 노출된다. 제2 유전체 기판(230)의 제2 면, 예를 들어 하면의 전역 상에 접지층인 제2 도전층(233)이 형성된다. 또한 도시되지 않았지만 제2 유전체 기판(230)의 상면과 하면 사이에 복수개의 관통홀이 이격하여 형성되고, 상기 관통홀 내에 도전층이 채워진다. 그러므로 제2 유전체 기판(230)의 제1 도전층(231)과 제2 도전층(233)이 전기적으로 연결된다. 물론, 결함 접지 구조(DGS)(234)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
이와 같이 구성된 제1 유전체 기판(220)과 제2 유전체 기판(230)을 도 16a에 도시된 바와 같이 접촉한 채 금속 하우징(미도시) 내에 실장함으로써 1:4 비대칭 전력 분배기를 완성한다.
이때, 상기 하우징의 몸체도 접지가 되므로 상기 제1, 2 유전체 기판의 접지층끼리 서로 양호하게 접촉하도록 복수개의 고정 나사(미도시) 등과 같은 체결수단을 이용하여 제1, 2 유전체 기판의 복수개의 비아홀(미도시)을 통하여 제1,2 유전 체 기판을 상기 하우징의 내측 저면에 고정할 수가 있다.
도 23a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1:4 비대칭 전력 분배기의 이상적인 전기적 특성을 회로 시뮬레이터(circuit simulator)에 의해 시뮬레이션한 그래프이고, 도 23b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1:4 비대칭 전력 분배기의 이상적인 전기적 특성을 전자기적 시뮬레이터(electromagnetic(EM) simulator)에 의해 각각 시뮬레이션한 그래프이다.
도 23a 및 도 23b를 참조하면, 1:4 비대칭 전력 분배기로서의 특성, 즉 S31=-7㏈, S21=-0.97㏈의 특성이 양호하게 나타난다. 또한, 중심주파수에서 각 단자의 정합(matching)(S11),(S22),(S33)과 2개의 출력단자간 격리(isolation)(S32)도 양호하게 나타난다.
도 24는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제로 제작하여 측정한 1:4 비대칭 전력 분배기의 비대칭 전력 분배 특성을 나타낸 그래프이다.
도 24를 참조하면, 상기한 바와 같이 1:4 비대칭 전력 분배기를 실제로 제작한 후 금속 하우징에 실장한 상태에서 측정한 비대칭 전력 분배 특성은 도 23a 및 도 23b에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과와 매우 양호하게 일치한다.
한편, 편의상, 본 발명의 제1 실시예는 도 20에 도시된 레이아웃에 해당하는 회로를 이용하여 1:4 비대칭 전력 분배기를 제작하고, 그 특성을 측정하였다. 하지만 도 21a 내지 도 21d에 도시된 바와 같이, 결함 접지 구조(DGS)의 형태 및 위치의 변형이나 그 외의 실시 가능한 다른 형태 및 위치의 변형이 있더라도 본 발명의 1:4 비대칭 전력 분배기를 금속 하우징에 실장하였을 때, 제2 유전체 기판을 이용 하여 결함 접지 구조(DGS)가 상기 금속 하우징의 내측 저면에 직접 접촉하는 것을 방지할 수가 있다. 따라서 상기 결함 접지 구조(DGS) 고유의 특성 및 장점이 보장될 수가 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 의한 브랜치 하이브리드 커플러를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 25는 본 발명의 제2 실시예에 의한 브랜치 하이브리드 커플러를 나타낸 개략적인 회로도이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 브랜치 하이브리드 커플러를 위한 회로는, 제1 입력단자(251)에 1의 크기를 갖는 입력 전력이 입사되면, 제1 출력단자(253)와 제2 출력단자(255)에 m:n의 비율로 비대칭으로 출력 전력이 분배되고, 격리단자(isolation port)(257)에서 검출되는 입력 전력의 크기는 0으로 되도록 구성된다.
즉, 제1입력단자(251)와 제1 출력단자(253) 사이에 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(Z1)가 존재하고, 제1 출력단자(253)와 제2 출력단자(255) 사이에 및 제1 입력단자(251)와 격리단자(257) 사이에 각각 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(Z2)가 각각 존재하고, 제2 출력단자(255)와 격리단자(257) 사이에 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(Z1)가 존재하도록 구성된다. 여기서, 상기 제1 출력단자(253)는 통과단자(through port)이고, 제2 출력단자(255)는 커플링단자(coupling port 또는 coupled port)이고, 격리단자(257)는 제1 입력단자(251)에 대한 격리단자(isolation port 또는 isolated port)이다.
이와 같이 구성된 브랜치 하이브리드 커플러의 경우, 상기 제1 출력단자(253)와 제2 출력단자(255)의 출력 전력의 비율이 m:n이면, 상기 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스(Z1),(Z2)는 각각 수학식 6 및 수학식 7에 의하여 결정된다.
Figure 112007029031781-pat00007
Figure 112007029031781-pat00008
한편, 가장 일반적인 브랜치 하이브리드 커플러는 2개의 출력단자인 제1, 2 출력 단자(253),(255)에서 1:1의 대칭 분배로 출력 전력이 1/2씩 분배되는 형태를 갖는 커플러 즉, -3㏈의 양이 커플링 단자로 분배되는 커플러이다. 이러한 커플러를 일반적으로 -3㏈ 브랜치 하이브리드 커플러라고 부른다. 그러면, m=n=1이므로 Z1은 Zo를 1.414로 나눈 값이 된다. 통상적으로, Zo = 50Ω이므로 3㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 경우에 Z1 = 35.35Ω이다. 또한, Z2 = Zo = 50Ω이다.
그러나 가령 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 구성하려면, 커플링 단자인 제2 출력 단자(255)에 -10㏈의 크기, 즉 상기 제1 입력단자(251)의 1/10 크기의 전력이 제2 출력 단자(255)에 나타나므로 통과단자(또는 다이렉트(direct) 단자 라고 도 함)인 제1 출력 단자(253)에 9/10의 전력이 출력되어야 한다. 결과적으로, 상기 전력 분배기는 m:n = 9:1의 비대칭 전력 분배기가 된다. 그러면, 수학식 6 및 수학식 7에 의하여 Z1 = 47.4Ω이고, Z2 = 150Ω이다. Z2가 150Ω의 높은 값을 가지므로 결함 접지 구조(DGS)를 이용하여 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스를 증가시키는 과정이 필요하다.
이제, Z2 = 150Ω의 특성 임피던스를 가지는 마이크로스트립을 구성하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이, 적절한 면적 크기의 단순한 사각형 결함 접지 구조(DGS)를 제1 유전체 기판의 하면 접지층에 형성한다. 이를 이용하여 도 26에 도시된 바와 같이, 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 레이아웃도를 설계할 수 있다. 즉, 제1 유전체 기판의 상면에 마이크로스트립 전송선로로 구성되는 마이크로스트립 회로의 패턴이 표시되어 있고, 또한 제1 유전체 기판의 하면 접지층에 형성될 1개의 단순한 사각형 결함 접지 구조(DGS)의 패턴이 표시되어 있다. 한편, 편의상, 제2 유전체 기판의 패턴은 표시되어 있지 않다. 여기서, 예로서 사용한 유전체 기판은 본 발명의 제1 실시예에서 사용된 유전체 기판과 동일하다. 상기 결함 접지 구조(DGS)는 길이(L)와 폭(W)이 각각 20㎜, 6㎜인 면적을 갖고, 결함 접지 구조(DGS)와 오버랩되는 마이크로스트립 전송선로의 선폭(Wm)이 0.20㎜이다.
물론, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
도 27a 및 도 27b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 측정하기 위하여 제작된 제1 유전체 기판의 상면 및 하면 패턴을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 27a를 참조하면, 제1 유전체 기판(270)의 제1면인 상면에 마이크로스트립 전송선로로 구성된 마이크로스트립 회로가 형성된다. 점선 사각형으로 표시된 영역(A3)은 도 27b에 도시된 바와 같이, 제1 유전체 기판(270)의 제2면인 하면의 접지층의 일부 영역에 단순 사각형의 결함 접지 구조(DGS)가 형성되는 영역을 나타낸다. 상기 결함 접지 구조(DGS)를 제외한 제1 유전체 기판(270)의 하면 영역에 접지층(273)이 형성된다.
한편, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
도 28a 및 도 28b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 측정하기 위하여 제작된 제2 유전체 기판의 상면 및 하면 패턴을 각각 나타낸 평면도 및 저면도이다.
도 28a를 참조하면, 제2 유전체 기판(280)의 제1면인 상면에 제1 접지층(281)이 형성된다. 제2 유전체 기판(280)의 제1 접지층(281)의 일부 영역은 그 아래의 제2 유전체 기판(280)의 상면이 노출되도록 해당 영역의 제1 접지층(281)이 제거된 홈부(283)가 형성된다. 홈부(283)는 도 27b에 도시된 제1 유전체 기판(270)의 결함 접지 구조(DGS)보다 넓은 면적을 가진 단순한 사각형 홈부로서, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하는 위치에 형성된다. 제2 유전체 기판(280)의 하면 전체에 제2 접지층(285)이 형성된다.
한편, 상기 홈부(283)는 단순한 사각형 패턴 대신에 다양한 형태의 패턴, 예를 들어 타원형, 원형, 삼각형, 오각형, 맴돌이형, 또는 기타 기하학적으로 가능한 패턴을 채택하여도 좋다.
이와 같이 구성된 제1 유전체 기판(270)과 제2 유전체 기판(280)을 도 16a에 도시된 방식으로 접촉한 상태로 금속 하우징(미도시) 내에 실장함으로써 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 제작 완료 한다. 이때, 상기 하우징의 몸체도 접지가 되므로 제1, 2 유전체 기판의 접지층끼리 서로 양호하게 접촉하도록 복수개의 고정 나사(미도시) 등과 같은 체결수단을 이용하여 제1, 2 유전체 기판의 복수개의 비아홀(미도시)을 통하여 제1,2 유전체 기판을 상기 하우징의 내측 저면에 고정할 수가 있다.
도 29a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 이상적인 전기적 특성을 회로 시뮬레이터에 의해 시뮬레이션한 그래프이고, 도 29b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 실제 제작하여 측정한 비대칭 전력 분배 특성 그래프이다.
도 29a를 참조하면, 중심주파수에서 실제로는 10㏈에 가까운 약 11㏈의 커플링 값이 나타난다. 이것은 시뮬레이션 과정과 이상적인 개략적인 회로 사이에서 발생하는 사소한 에러에 기인하기 때문이다. 그러나 이와 같은 사소한 에러가 본 발명의 기술적 사상을 저해하지는 않는다.
도 29b를 참조하면, 상기한 바와 같이 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 실제로 제작한 후 금속 하우징에 실장한 상태에서 측정한 비대칭 전력 분배 특성은 도 29a에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과와 매우 양호하게 일치한다.
따라서 본 발명의 제2 실시예도 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 제1, 2 유전체 기판을 상기 금속 하우징에 실장하더라도 상기 결함 접지 구조(DGS)가 상기 금속 하우징의 내측 저면에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있으면서도 상기 결함 접지 구조(DGS) 고유의 특징과 장점을 확보할 수 있다.
도 30은 본 발명의 제2 실시예에 적용된 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 변형된 레이아웃도로서, 3개의 작은 사각형 결함 접지 구조(DGS)를 위한 패턴이 이격하여 배열된 레이아웃도이다.
도 30을 참조하면, 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러의 레이아웃도는, 결함 접지 구조(DGS)가 1개의 큰 사각형 대신에 복수개, 예를 들어 3개의 작은 사각형 패턴이 이격하여 배열된 것을 제외하고 도 26의 레이아웃도와 동일하다.
이와 같은 레이아웃도에 해당하는 3개의 작은 사각형 결함 접지 구조(DGS)가 이격한 제1 유전체 기판을 이용하여 상기한 바와 같은 방식으로 제작, 실장한 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러는 도 26의 레이아웃도에 해당하는 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러와 같은 전기적 성능을 얻을 수가 있다.
마찬가지로, 본 발명은 결함 접지 구조(DGS)의 형태, 위치의 변형이나, 그 외의 실시 가능한 다른 형태 및 위치의 변형이 있더라도 본 발명의 10㏈ 브랜치 하이브리드 커플러를 금속 하우징에 실장하였을 때, 제2 유전체 기판을 이용하여 할 경우, 결함 접지 구조(DGS)가 직접 상기 금속 하우징의 내측 저면에 접촉하는 것을 방지할 수가 있다. 따라서 상기 결함 접지 구조(DGS) 고유의 특성 및 장점이 여전히 보장될 수가 있다.
한편, 본 발명의 제1,2 실시예에서 제1 유전체 기판의 결함 접지 구조(DGS) 아래에 접촉되는 유전체 기판으로서 제2 유전체 기판만을 이용하는 것을 설명하였으나, 본 발명은 어떠한 형태의 마이크로스트립 회로라고 하더라도 마이크로스트립 선로와 결함 접지 구조(DGS)를 결합하는 형태의 전송선로를 이용하는 경우에 있어서 제2 유전체 기판뿐만 아니라 제3 유전체 기판 또는 복수개의 유전체 기판을 추가로 이용하여 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 면이 금속 하우징의 내측 저면에 직접 접촉하는 것을 방지할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1, 2 실시예에서 마이크로스트립 선로가 1개만 있는 경우에 대해서만 설명하였으나, 본 발명은 마이크로스트립 선로가 2개 이상의 복수개가 조합되어 임의의 전송 특성을 나타내는 결합 마이크로스트립 선로 구조가 제1 유전체 기판의 상면에 형성된 구성에서도 동일하게 적용 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 1:N 비대칭 윌킨슨 전력 분배기 및 브랜치 하이브리드 커플러 분배기는 2중 마이크로스트립 유전체 기판 구성을 이용하여 결함 접지 구조(DGS) 고유의 전기적 특성 및 장점을 활용함으로써 저비대칭 비율(1:N, N<3)은 물론 고비대칭 비율(1:N, N≥3)의 가변 분배 비율을 가질 수 있 고, 또한 금속 하우징에 실장하더라도 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 면이 금속 하우징의 내측 저면에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
따라서 본 발명은 각종 RF/마이크로파/밀리미터파 대역 통신, 방송용 송수신 시스템, 고주파 이동통신 시스템, 고출력 증폭기의 선형화 시스템 등에서 매우 요긴하게 사용될 수가 있다.
한편, 본 발명은 상기 언급된 바람직한 실시예들과 관련하여 설명하였지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (9)

  1. 마이크로스트립 전송선로 구조에 있어서,
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며,
    상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 전송선로 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 전송선로 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로스트립 전송선로는 2개 이상의 마이크로스트립 선로가 조합된 결합 마이크로스트립 선로로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 전송선로 구조.
  4. 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용한 비대칭 전력 분배기에 있어서,
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며,
    상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비대칭 전력 분배기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것을 특징으로 하는 비대칭 전력 분배기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 다양한 기하학적 모양의 패턴이 1개 이상인 것을 특징으로 하는 비대칭 전력 분배기.
  7. 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용한 브랜치 하이브리드 커플러에 있어서,
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제1 면에 마이크로스트립 전송선로가 형성되고, 상기 제2 면에 접지층이 형성되고, 상기 접지층의 일부 영역에, 최적의 특성 임피던스를 갖도록 해당하는 면적 및 형상을 가진 결함 접지 구조(DGS)가 형성된 제1 유전체 기판; 및
    제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 본체를 가지며, 상기 제2 면에 제2 접지층이 형성되고, 상기 본체를 관통하는 비아홀 내에 도전층이 형성되고, 상기 제2 접지층이 상기 도전층에 의하여 상기 제1 유전체 기판의 접지층에 전기적으로 접촉하는 제2 유전체 기판을 포함하며,
    상기 제2 유전체 기판의 제1 면은, 상기 비아홀을 제외한 영역이 모두 노출된 면과, 상기 결함 접지 구조(DGS)와 중첩하며 상기 결함 접지 구조(DGS)보다 큰 면적으로 상기 제1 면의 일부 영역이 노출되도록 상기 일부 영역을 제외한 영역 상에 제1 접지층이 형성된 면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 브랜치 하이브리드 커플러.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 1개 이상의 결함 접지 구조인 것을 특징으로 하는 브랜치 하이브리드 커플러.
  9. 제8항에 있어서, 상기 결함 접지 구조(DGS)는 다양한 기하학적 모양의 패턴이 1개 이상인 것을 특징으로 하는 브랜치 하이브리드 커플러.
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