KR101329611B1 - 방향성 결합기 - Google Patents

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Abstract

큰 결합도와 양호한 방향성을 갖는 방향성 결합기를 얻는다. 주선로(1)가 입력 단자 IN1과 출력 단자 OUT1 사이에 접속되어 있다. 이 주선로(1)는 고주파 신호를 전파한다. 부선로(2)가 입력 단자 IN2과 출력 단자 OUT2 사이에 접속되어 있다. 이 부선로(2)는, 주선로(1)에 대해 평행하게 배치되고, 주선로(1)에 전자기적으로 결합되어 있다. 부선로(2)에 대해 병렬로 커패시터 C1이 접속되어 있다. 주선로(1) 및 부선로(2)가 갖는 인덕턴스 L과 커패시터 C1이 갖는 커패시턴스 C에 의해 LC 공진회로가 구성된다. 이 LC 공진회로는, 입력 단자 IN1로부터 출력 단자 OUT2에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진한다.

Description

방향성 결합기{DIRECTIONAL COUPLER}
본 발명은, 고주파 신호를 전파하는 주선로와, 주선로에 대해 평행하게 배치되고 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로를 구비한 방향성 결합기에 관한 것이다.
방향성 결합기는, 고주파 신호를 전파하는 주선로와, 주선로에 대해 평행하게 배치되고 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로를 구비한다. 이 방향성 결합기는, 주선로와 부선로의 전자기적인 결합을 이용하여, 주선로의 각 단자로부터 입력된 고주파 신호의 일부를 부선로의 각 단자에 출력한다.
주선로와 부선로에서는, 짝 모드(even mode) 또는 홀 모드(odd mode)로 불리는 고주파 신호의 전파가 발생한다. 짝 모드란 주선로와 부선로가 동전위 즉 동위상 등 진폭에서 여진한 경우이다. 홀 모드란 주선로와 부선로가 역전위 즉 역상 등 진폭에서 여진한 경우이다. 각 모드의 임피던스는 선로 단면 형상으로 결정된다.
짝 모드에 있어서의 특성 임피던스를 Z0e, 홀 모드에 있어서의 특성 임피던스를 Z0o로 하면, 주선로와 부선로의 특성 임피던스 Z0은, Z0=(Z0e·Z0o)/2로 주어진다.
각 모드의 위상 속도를 같게 하고, 주선로와 부선로의 길이를 고주파 신호의 파장의 1/4배로 함으로써, 주선로의 입력 단자로부터 입력된 고주파 신호는 부선로의 출력 단자밖에 나타나지 않아, 양호한 아이솔레이션 특성을 얻을 수 있다. 예를 들면 2.5GHz의 고주파 신호의 경우, 그것의 선로 길이는 30mm 정도가 된다.
이때, 주선로에 대해 병렬로 커패시터를 접속하고, 주선로와 커패시터에 의해 LC 공진회로를 구성하여, 주선로의 입력 단자로부터 주선로의 출력 단자에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진시킴으로써, 손실 저감을 도모하는 방향성 결합기가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본국 특개평 10-290108호 공보
주선로와 부선로의 결합도 k는, k=(Z0e-Z0o)/(Z0e+Z0o)로 주어진다. 따라서, 결합도를 크게 하기 위해서는, 홀 모드의 특성 임피던스 Z0o를 작게 할 필요가 있다. 그것을 위해서는, 결합 선로 사이의 단위 길이당의 커패시턴스(결합 용량)를 크게 해야만 한다. 그러나, 결합 용량을 크게 하기 위해 선로 간격을 작게 하면, 짝 홀 모드의 각 위상 속도에 차이가 생겨 방향성이 열화한다. 한편, 짝 홀 모드의 각 위상속도에 차이를 일으키지 않는 조건에서는, 선로 간격을 그다지 작게 할 수 없기 때문에, 큰 결합도를 얻을 수 없다.
본 발명은, 전술한 것과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 큰 결합도와 양호한 방향성을 갖는 방향성 결합기를 얻는 것이다.
본 발명에 관한 방향성 결합기는, 제1 입력 단자와 제1 출력 단자 사이에 접속되어, 고주파 신호를 전파하는 주선로와, 제2 입력 단자와 제2 출력 단자 사이에 접속되고, 상기 주선로에 대해 평행하게 배치되고, 상기 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로와, 상기 주선로 또는 상기 부선로에 대해 병렬로 접속된 제1 커패시터를 구비하고, 상기 주선로 및 상기 부선로가 갖는 인덕턴스와 상기 제1 커패시터가 갖는 커패시턴스에 의해 LC 공진회로가 구성되고, 상기 LC 공진회로는, 상기 제1 입력 단자로부터 상기 제2 출력 단자에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진한다.
본 발명에 의해, 큰 결합도와 양호한 방향성을 갖는 방향성 결합기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 S 파라미터의 계산 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 방향성의 계산 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 비교예에 관한 방향성 결합기의 방향성의 계산 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 1을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 2를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 3을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 3에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 3에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 4에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 4에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 5에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 5에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 6에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 6에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 7에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시형태 7에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시형태 8에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 8에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시형태 9에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시형태 9에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시형태에 관련되는 방향성 결합기에 대해 도면을 참조해서 설명한다. 동일 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 주선로(1)가 입력 단자 IN1과 출력 단자 OUT1 사이에 접속되어 있다. 이 주선로(1)는 고주파 신호를 전파한다. 부선로(2)가 입력 단자 IN2과 출력 단자 OUT2 사이에 접속되어 있다. 이 부선로(2)는, 주선로(1)에 대해 평행하게 배치되고, 주선로(1)에 전자기적으로 결합되어 있다.
본 실시형태에서는, 부선로(2)에 대해 병렬로 커패시터 C1이 접속되어 있다. 주선로(1) 및 부선로(2)가 갖는 인덕턴스 L과 커패시터 C1이 갖는 커패시턴스 C에 의해 LC 공진회로가 구성된다. 이 LC 공진회로는, 입력 단자 IN1로부터 출력 단자 OUT2에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진한다. 입력 단자 IN1로부터 출력 단자 OUT2에 전파하는 고주파 신호의 주파수를 f로 하면, 커패시턴스 C는 f=1/2π(LC)1/2의 LC 공진의 관계를 만족하는 값으로 설정되어 있다. 또한, LC 공진회로의 공진의 피크의 가파름을 표시하는 Q값은, LC 공진회로의 저항값 R, 인덕턴스 L, 커패시턴스 C를 사용해서 Q=(L/C)1/2/R로 주어진다.
도 2는, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 S 파라미터의 계산 결과를 도시한 도면이다. S(2,1)는 주선로(1)를 전파하는 고주파 신호이며, 주파수는 약 4.5GHz이다. S(4,1)는 주선로(1)의 입력 단자 IN1로부터 부선로(2)의 출력 단자 OUT2에 전파하는 고주파 신호이며, 주파수는 약 2GHz이다. 따라서, 본 실시형태에서는, LC 공진회로가 약 2GHz에서 공진하도록 커패시턴스 C가 설정되어 있다.
이어서, 본 실시형태의 효과에 대해 비교예와 비교해서 설명한다. 비교예는 본 실시의 구성으로부터 커패시터 C1을 생략한 것이다. 도 3은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 방향성의 계산 결과를 도시한 도면이다. 도 4는, 비교예에 관한 방향성 결합기의 방향성의 계산 결과를 도시한 도면이다. 종축은 방향성(directivity), 결합도(coupling), 아이솔레이션(isolation)이며, 횡축은 주파수이다. 이 계산 결과에서, 실시형태 1에서는 비교예에 비해, 주파수 1.95GHz를 중심으로 1.1GHz로부터 2.4GHz의 주파수 범위에서 방향성이 개선하는 것을 알 수 있다.
비교예에서는, 결합도를 크게 하기 위해 선로 간격을 작게 하면, 짝 홀 모드의 각 위상속도에 차이가 생겨 방향성이 열화한다. 이에 대해 본 실시형태에서는, 커패시터 C1을 설치하여, 그것의 커패시턴스 C를 상기한 공진 조건을 만족하도록 설정함으로써, 큰 결합도를 얻으면서, 양호한 방향성도 얻을 수 있다.
여기에서, 위상속도는 L이나 C에 의존(1/(LC)1/2에 비례)하므로, L이나 C를 바꾸는 것으로 위상속도를 조정할 수 있다. 그리고, 방향성이 개선하는 주파수에서는, 짝 홀 모드의 위상속도가 일치하고 있다고 추측된다. 따라서, 본 실시형태에서는, LC 공진에 의해 짝 홀 모드의 위상속도의 차이를 보상할 수 있다고 생각된다.
도 5는, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 1을 도시한 도면이다. 커패시터 C1이 주선로(1)에 대해 병렬로 접속되어 있는 점이 실시형태 1과는 다르다. 이 경우에도, 입력 단자 IN1로부터 출력 단자 OUT2에 전파하는 고주파 신호에 대해 LC 공진회로가 공진하는 조건을 만족시키는 한, 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 6은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 2를 도시한 도면이다. 주선로(1)의 폭에 대해 부선로(2)의 폭을 좁게 한다. 이에 따라, 방향성 결합기를 소형화할 수 있다. 또한, 만약 가령 주선로(1)를 좁게 하면 주선로(1)의 손실이 증가해 버리지만, 변형예 2에서는 주선로(1)의 손실은 증가하지 않는다.
도 7은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 방향성 결합기의 변형예 3을 도시한 도면이다. 이와 같이 선로 간격을 좁게 해서 커패시터 C1을 구성해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 커패시터 C1으로서 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터를 사용해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, MIM 커패시터의 사이즈를 작게 하기 위해, 커패시터 C1에 대해 직렬로 접속된 인덕터를 부가해도 된다.
실시형태 2.
도 8은, 본 발명의 실시형태 2에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 구성에, 커패시터 C1에 대해 직렬로 접속된 저항 R1이 부가되어 있다. 이에 따라, Q값을 작게 하여, 방향성 결합기와 커패시터 C1의 LC 공진의 피크를 둔하게 할 수 있다. 따라서, 개선할 방향성의 주파수 범위를 실시형태 1보다도 넓힐 수 있다.
도 9는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 변형예 1의 구성에, 커패시터 C1에 대해 직렬로 접속된 저항 R1이 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 2와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 3.
도 10은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 구성에, 커패시터 C1에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L1이 부가되어 있다. 이에 따라, Q값을 크게 하여, 방향성 결합기와 커패시터 C1의 LC 공진의 피크를 가파르게 할 수 있다. 따라서, 실시형태 1과 비교하여, 좁은 주파수 범위에서 개선할 방향성의 절대값을 크게 할 수 있다. 더구나, 실시형태 1과 비교하여, 커패시터 C1의 커패시턴스를 작게 할 수도 있다.
도 11은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 변형예 1의 구성에, 커패시터 C1에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L1이 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 4.
도 12는, 본 발명의 실시형태 4에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 구성에, 주선로(1)에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 방향성 결합기의 인덕턴스를 바꿀 수 있다. 따라서, 실시형태 1과 비교하여, 개선할 방향성의 주파수의 중심값, 주파수 범위, 및 공진의 피크의 날카로움을 조정할 수 있다.
도 13은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 변형예 1의 구성에, 주선로(1)에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 4와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 5.
도 14는, 본 발명의 실시형태 5에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 구성에, 주선로(1)에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L2와 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 방향성 결합기의 인덕턴스와 커패시턴스를 바꿀 수 있다. 따라서, 실시형태 1과 비교하여, 개선할 방향성의 주파수의 중심값, 주파수 범위, 및 공진의 피크의 가파름을 조정할 수 있다.
도 15는, 본 발명의 실시형태 5에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 1의 변형예 1의 구성에, 주선로(1)에 대해 직렬로 접속된 인덕터 L2와 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 5와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 6.
도 16은, 본 발명의 실시형태 6에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 2의 구성에, 실시형태 4의 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 2와 실시형태 4의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 방향성 결합기의 인덕턴스를 바꾸어 Q값을 조정하면서, 방향성의 주파수 범위를 넓힐 수 있다.
예를 들면, 좁은 주파수 범위에서 개선할 방향성의 절대값을 크게 하는 경우에는, Q값을 크게 할 필요가 있으므로, 커패시턴스를 작게 하고, 인덕턴스를 크게 하고, 저항값을 작게 하면 된다. 한편, 넓은 주파수 범위에서 방향성을 개선하고 싶은 경우에는, Q값을 작게 할 필요가 있기 때문에, 반대의 조정을 하면 된다. 단, LC 공진회로의 공진 주파수의 중심값이, 방향성을 개선하는 주파수의 중심값과 같아지도록 할 필요가 있다.
도 17은, 본 발명의 실시형태 6에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 2의 변형예의 구성에, 실시형태 4의 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3의 변형예와 실시형태 4의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 7.
도 18은, 본 발명의 실시형태 7에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 3의 구성에, 실시형태 4의 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3과 실시형태 4의 효과를 얻을 수 있다.
도 19는, 본 발명의 실시형태 7에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 3의 변형예의 구성에, 실시형태 4의 인덕터 L2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3의 변형예와 실시형태 4의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 8.
도 20은, 본 발명의 실시형태 8에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 2의 구성에, 실시형태 5의 인덕터 L2과 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 2와 실시형태 5의 효과를 얻을 수 있다.
도 21은, 본 발명의 실시형태 8에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 2의 변형예의 구성에, 실시형태 5의 인덕터 L2와 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 2의 변형예와 실시형태 5의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 9.
도 22는, 본 발명의 실시형태 9에 관한 방향성 결합기를 도시한 도면이다. 실시형태 3의 구성에, 실시형태 5의 인덕터 L2와 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3과 실시형태 5의 효과를 얻을 수 있다.
도 23은, 본 발명의 실시형태 9에 관한 방향성 결합기의 변형예를 도시한 도면이다. 실시형태 3의 변형예의 구성에, 실시형태 5의 인덕터 L2와 커패시터 C2가 부가되어 있다. 이에 따라, 실시형태 3의 변형예와 실시형태 5의 효과를 얻을 수 있다.
1 주선로
2 부선로
C1 커패시터(제1 커패시터)
C2 커패시터(제2 커패시터)
IN1 입력 단자(제1 입력 단자)
IN2 입력 단자(제2 입력 단자)
L1 인덕터(제1 인덕터)
L2 인덕터(제2 인덕터)
OUT1 출력 단자(제1 출력 단자)
OUT2 출력 단자(제2 출력 단자)
R1 저항

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 제1 입력 단자와 제1 출력 단자 사이에 접속되어, 고주파 신호를 전파하는 주선로와,
    제2 입력 단자와 제2 출력 단자 사이에 접속되고, 상기 주선로에 대해 평행하게 배치되고, 상기 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로와,
    상기 주선로 또는 상기 부선로에 대해 병렬로 접속된 제1 커패시터를 구비하고,
    상기 주선로 및 상기 부선로가 갖는 인덕턴스와 상기 제1 커패시터가 갖는 커패시턴스에 의해 LC 공진회로가 구성되고,
    상기 LC 공진회로는, 상기 제1 입력 단자로부터 상기 제2 출력 단자에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진하며,
    상기 제1 커패시터에 대해 직렬로 접속된 저항을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
  3. 제1 입력 단자와 제1 출력 단자 사이에 접속되어, 고주파 신호를 전파하는 주선로와,
    제2 입력 단자와 제2 출력 단자 사이에 접속되고, 상기 주선로에 대해 평행하게 배치되고, 상기 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로와,
    상기 주선로 또는 상기 부선로에 대해 병렬로 접속된 제1 커패시터를 구비하고,
    상기 주선로 및 상기 부선로가 갖는 인덕턴스와 상기 제1 커패시터가 갖는 커패시턴스에 의해 LC 공진회로가 구성되고,
    상기 LC 공진회로는, 상기 제1 입력 단자로부터 상기 제2 출력 단자에 전파하는 고주파 신호에 대해 공진하며,
    상기 제1 커패시터에 대해 직렬로 접속된 제1 인덕터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 주선로에 대해 직렬로 접속된 제2 인덕터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 주선로에 대해 직렬로 접속된 제2 커패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
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