KR101464930B1 - 광대역 특성을 갖는 소형 브랜치라인 커플러 - Google Patents

광대역 특성을 갖는 소형 브랜치라인 커플러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커플러(coupler)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하는 결합 선로(coupled line)와 상기 결합 선로의 하부에 근접하여 배치되는 근접 접지 패턴을 포함하여 구성되는 광대역 특성을 갖는 소형 브랜치라인 커플러에 관한 것이다.
본 발명은 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서, 제1 접지면; 상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1유전체층; 상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층; 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴; 상기 제2유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고, 상기 패턴층은, 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로; 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로; 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로; 제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(coupled line)를 포함하고, 상기 결합 선로는 상기 제1 단자와 제4단자에 각각 연결되고 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 근접 접지 패턴은 상기 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 180° 브랜치라인 커플러를 개시한다.

Description

광대역 특성을 갖는 소형 브랜치라인 커플러 {Compact Branchline Coupler with wideband characteristic}
본 발명은 커플러(coupler)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하는 결합 선로(coupled line)와 상기 결합 선로의 하부에 근접하여 배치되는 근접 접지 패턴을 포함하여 구성되는 광대역 특성을 갖는 소형 브랜치라인 커플러에 관한 것이다.
전자기 신호에 있어서 커플링(Coupling)이라 함은 독립된 전송선로 등의 사이에서 전자기적으로 교류 신호 에너지가 상호 전달되는 현상을 말하며, 커플러(Coupler)는 상기 전송선로 사이의 커플링 정도를 인위적으로 조절하여 소정의 원하는 특성을 가지는 신호를 출력해주는 소자를 말한다. 상기 커플러의 대표적인 예로서 전력 결합기(Power combiner), 전력 분배기(Power divider), 변복조기((de)modulator) 등 다양한 종류의 RF 시스템에서 사용되는 하이브리드 커플러(Hybrid coupler)를 들 수 있다.
도 1(a)에서는 종래 기술에 따른 통상의 하이브리드 커플러의 구조를 보여주고 있다. 도 1(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 통상의 하이브리드 커플러는 4단자망(4 port network)의 구조를 가지게 된다. 상기 하이브리드 커프러는 제1 및 제2의 시리즈(series) 전송선로와 제3 및 제4의 션트(shunt) 전송선로를 포함하여 구성되고, 각 전송선로의 전기적 길이는 상기 하이브리드 커플러에 인가하고자 하는 신호에 대한 중심 주파수(f 0 ) 파장의 λ/4길이를 가지게 되며, 이에 따라 제2단자(Port2)와 제3단자(Port3)에는 동일한 크기와 90° 위상차를 가지는 신호가 출력되게 된다.
나아가, 도 1(b)에서는 동일한 신호 크기와 180° 위상차를 가지는 신호를 출력할 수 있는 180° 하이브리드 링 커플러를 보여주고 있다. 도 1(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1단자(P1) 및 제4단자(P4) 간의 전송선로의 길이를 이용하여 각 단자간의 위상차를 조절하게 되므로, 상기 제1단자와 제4단자 사이의 전송선로의 길이가 3λ/4 정도까지 길어질 수 있게 된다. 특히, 180° 하이브리드 링 커플러는 부하의 임피던스 값에 상관없이 입력 포트 간의 신호 분리(isolation) 특성이 유지될 수 있어, 믹서(mixer), 변조기(modulator), 분리형 전력 분배기(isolated power splitter) 등에서 많이 사용된다.
그런데, 180° 하이브리드 링 커플러를 포함하는 하이브리드 커플러들은 통상 사용자고자 하는 주파수의 파장에 비례하여 각 전송선로의 길이가 정해지게 되므로 구조적으로 협대역(narrow band) 특성을 가지게 된다는 문제점이 있다. 또한, 현재 무선 통신 서비스에서 주로 사용되는 주파수 대역에서의 파장(예를 들어, 500MHz ~ 5GHz 주파수의 파장은 대략 60cm ~ 6cm)이 다소 길다는 점 등을 고려할 때, 하이브리드 커플러의 크기를 소형화하여야 하는 문제점을 가지게 된다.
이에 대하여, 구불구불한 미앤더(meander) 형상의 전송선로를 이용하여 하이브리드 커플러를 구성하는 방법이 제안되었다. 대한민국 등록특허 제10-0893683호(2009년 4월 9일 등록)에서는 미앤더 형상의 전송선로를 사용하여 구성한 하이브리드 커플러를 개시하고 있고, 도 2(a)에서는 이에 따른 하이브리드 커플러의 형상을 도시하고 있다. 또한 도 2(b)에서는 구불구불한 미앤더 형상의 전송선로를 이용하여 3λ/4의 긴 선로를 줄여서 구성한 180° 하이브리드 링 커플러의 형상을 예시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 구조를 이용하여 하이브리드 커플러를 구성하는 경우 여전히 다양한 문제점이 나타날 수 있게 된다. 예를 들어, 도 2(b)와 같은 매앤더 형상의 전송선로를 이용하여 180° 하이브리드 커플러를 구성하는 경우 구조의 복잡도가 높아 설계에 어려움이 있을 수 있고, 종래 통상의 링 커플러에 비교하여 실제로 레이아웃에 필요한 전체 면적을 크게 줄이기는 힘들다고 보고되고 있다. 또한, 모노펄스 레이더(monopulse radar) 및 안테나 시스템 등을 포함하는 다양한 무선 통신 어플리케이션에서는 보다 넓은 광대역 특성을 요구하고 있는데, 상기한 종래의 구조를 이용하는 경우 충분한 대역폭을 확보하기 힘들다는 점도 해결되어야 할 문제점이라고 할 수 있다.
특히, 180° 하이브리드 커플러는 앞서 살핀 바와 같이, 제1단자 및 제4단자 사이에 사용되는 신호의 3λ/4에 해당하는 길이의 전송선로가 삽입되게 되므로, 그 크기가 더욱 커질 수 있고, 이를 소형화하기 위하여 상기 미앤더 형상의 전송선로 등을 이용하는 경우 설계의 복잡도가 더욱 증가할 수 있어, 이에 대한 해결책을 찾기 위한 노력이 지속되어 오고 있다.
이에 따라, 작은 면적에 구현이 가능하고, 복잡하지 않은 구조를 사용하여 설계 과정이 어렵지 않고, 충분한 동작 주파수 대역 특성을 가질 수 있는 180° 하이브리드 커플러가 요구되고 있으나, 이에 대한 적절한 해결책이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 작은 면적에 구현이 가능하고, 복잡하지 않은 구조를 사용하여 설계 과정이 어렵지 않고, 충분한 동작 주파수 대역 특성을 가질 수 있는 하이브리드 커플러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 180° 브랜치라인 커플러는 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서, 제1 접지면; 상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층; 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴; 상기 제2 유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고, 상기 패턴층은, 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로; 제2 단자와 제3 단자를 연결하는 제2 전송선로; 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로; 제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(coupled line)를 포함하고, 상기 결합 선로는 상기 제1 단자와 제4 단자에 각각 연결되고 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 근접 접지 패턴은 상기 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 패턴층의 상부에는 제3 유전체층 및 제2 접지면이 더 존재할 수 있다.
또한, 상기 근접 접지 패턴은 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인의 형상에 대응하는 사각형 스트립의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2, 제3 전송선로 중 하나 이상은 제2 결합 선로(coupled line)로 이루어지며, 상기 제2 결합 선로는 종단이 접지되고 소정의 길이를 가지는 한쌍의 브랜치라인이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 제2 결합 선로(coupled line)의 하부에는 상기 제2 결합 선로에 대응하는 근접 접지 패턴이 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 90° 브랜치라인 커플러는 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서, 제1 접지면; 상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층; 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴; 상기 제2 유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고, 상기 패턴층은, 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로; 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로; 제3 단자와 제4 단자를 연결하는 제3 전송선로; 제1 단자와 제4 단자를 연결하는 제4 전송선로를 포함하고, 상기 제1, 제2, 제3, 제4 전송선로 중 하나 이상은 제2 결합 선로(coupled line)이며, 상기 제2 결합 선로는 종단이 접지되고 소정의 길이를 가지는 한쌍의 브랜치라인이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 근접 접지 패턴은 상기 제2 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하는 결합 선로(coupled line)와 상기 결합 선로의 하부에 근접하여 배치되는 근접 접지 패턴을 포함하여 브랜치라인 커플러를 구성함으로써, 작은 면적에 구현이 가능하고, 복잡하지 않은 구조를 사용하여 설계 과정이 어렵지 않으며, 보다 넓은 광대역 주파수 대역 특성을 가질 수 있는 하이브리드 커플러를 구현하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 커플러의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 미앤더(meander) 형상의 전송선로를 이용한 하이브리드 커플러의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 그라운드 스트립을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 등가 모델이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 그라운드 스트립을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 설계 모델이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 선로와 그라운드 스트립을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 적층 구조이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 그라운드 스트립을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 S-파라미터 측정 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 그라운드 스트립을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 출력 포트 간의 위상 차이 측정 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은, 종래 기술에 따라 180° 하이브리드 커플러를 구성하는 경우 구조의 복잡도로 인하여 설계에 어려움이 있을 수 있으며, 개선된 구조를 이용하더라도 종래의 경우와 비교하여 실제로 레이아웃에 필요한 전체 면적을 획기적으로 줄이기는 어려우며, 특히 주파수의 파장에 비례하는 전송선로를 사용함에 따라 협대역 특성을 개선하기 힘들다는 문제점에 착안하여, 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하는 결합 선로(coupled line)와 상기 결합 선로의 하부에 근접하여 배치되는 근접 접지 패턴을 포함하여 180° 브랜치라인 커플러를 구성함으로써, 작은 면적에 구현이 가능하고, 복잡하지 않은 구조를 사용하여 설계 과정이 어렵지 않으며, 보다 넓은 광대역 주파수 대역 특성을 가질 수 있는 180° 하이브리드 커플러를 개시하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 등가 모델을 보여주고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)는 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로(TL1)(410), 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로(TL2)(420), 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로(TL3)(430) 및 제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(coupled line)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 상기 제1 단자와 제4 단자 사이에는 3λ/4 길이의 등가 전송선로로 치환될 수 있는 상기 제1 단자와 제4단자에 각각 연결되고 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인 (quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하는 결합 선로(coupled line)가 위치하게 된다.
상기한 구조를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)를 구성하는 경우, 제1 단자(P1)를 입력 단자(input port)로 할당하고, 제2 및 제4 단자는 180°의 위상차를 가지면서 동일한 신호 크기를 가지는 출력 단자(output port)로 할당될 수 있으며, 이때 제3 단자는 분리 단자(isolation port)로 기능하게 된다. 그러나, 이러한 각 단자의 기능은 상대적인 것으로, 각 단자의 입출력 단자로의 할당은 필요에 따라 달라질 수 있으므로, 상기와 같은 경우에 한정되지 아니한다.
도 3에서 제시된 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 등가 모델은 다음의 수학식 1과 같은 반대칭(anti-symmetric) 형태의 4 단자망(4 port network) 스캐터링 행렬(scattering matrix)을 사용하여 쉽게 해석될 수 있다.
Figure 112014064413759-pat00001
하나의 단자로 신호가 입력되고, 나머지 단자들은 모두 임피던스 매칭(impedance matching)되어 있는 경우, 입력된 신호는 3개의 단자 중 2개 단자에 동일한 전력이 배분되게 된다(
Figure 112014064413759-pat00002
). 또한, 이때 출력 단자 간의 상대적인 위상차(relative phase difference)는 어느 단자를 입력 단자로 사용하느냐에 따라 달라지게 된다. 만약 제1단자(P1)가 입력 단자로 사용되는 경우에는 제2 단자(P2)로 출력되는 신호의 세기는 0이 될 것이며, 출력 단자인 제3 단자(P3)와 제4 단자(P4)에서의 출력 신호는 크기는 같지만 180°의 위상차를 가지게 될 것이다. 제1 단자(P1)이 입력 단자로 사용되는 경우의 제2, 제3, 제4 단자에서의 출력 신호는 상기 수학식 1로부터 다음의 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112014064413759-pat00003
Figure 112014064413759-pat00004
Figure 112014064413759-pat00005
도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 실제 구조 및 이에 대한 설계 파라미터를 도시하고 있다.
보다 구체적으로 도4(a)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 패턴층(495)의 패턴 형상을 보여주고 있고, 도 4(b)에서는 상기 패턴층(495) 및 근접 접지 패턴(450)의 형상 및 배치를 보여주고 있으며, 도 4(c)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 적층 구조를 도시하고 있다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)는 제1접지면(470)과, 상기 제1접지면(470)의 상부에 위치하는 제1유전체층(482), 상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층(484), 상기 제1 유전체층(482)과 제2 유전체층(484)의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴(450), 상기 제2유전체층(484)의 상부에 형성되는 패턴층(495)을 포함하고, 상기 패턴층(495)은, 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로(410), 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로(420), 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로(430), 제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(coupled line)(440)를 포함하고, 상기 결합 선로(440)는 상기 제1 단자와 제4단자에 각각 연결되고 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 근접 접지 패턴(450)은 상기 결합 선로(440)에 대응하여 그 하부에 위치하게 된다.
여기서, 상기 제1, 제2, 제3 전송선로(410, 420, 430) 및 결합 선로(440)로서는 소정의 전자기 신호를 적절하게 전달할 수 있는 전송선로(wave guide)로서 상기와 같은 적층 구조에 적용될 수 있다면 특별한 제한없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로스트립라인(microstrip line), 스트립라인(strip line) 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 아니한다.
이때, 도 4(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 패턴층(450)의 상부에는 제3유전체층(490) 및 제2 접지면(475)이 더 포함될 수도 있다. 상기와 같이 제3유전체층(490) 및 제2 접지면(475)을 더 포함하여 외부로부터 소정의 신호가 유입되거나, 반대로 본 발명에 따른 커플러의 신호가 외부로 누설되어 노이즈로 작용하는 것을 방지할 수 있고, 또한 신호의 일부가 누설됨에 따라 나타날 수 있는 신호 전력의 약화를 다소 억제할 수 있게 된다.
또한, 상기 도4(c)에서와 같이 반드시 상기 패턴층(450)의 상부에는 제3유전체층(490) 및 제2 접지면(475)이 더 포함되어야 하는 것은 아니며, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제3유전체층(490) 및 제2 접지면(475)이 포함되지 않는 적층 구조로 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)를 구성하는 것도 물론 가능하다.
상기한 일련의 구조를 가지는 커플러를 구성함으로써 그 크기를 효과적으로 줄일 수 있는데, 예를 들어 종래 기술에 따른 통상의 링 하이브리드 커플러를 구성하는 경우 약 1.5 λg의 원주를 가지는 형상이 되지만, 본 발명에 따른 일 실시예로서 구현한 커플러의 경우 약 1.04λg의 둘레를 가지는 형상으로 커플러를 구현할 수 있었다. 즉, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인을 서로 교차하는 구조로 배치하여 결합 선로(coupled line)(440)로 구성하여 통상 3λ/4의 길이를 가지는 종래의 전송선로를 대치함으로써 효과적으로 180° 하이브리드 커플러의 크기를 줄일 수 있게 된다.
이때, 상기 근접 접지 패턴(450)을 구성하는 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인은 서로 근접하여 배치되는 것이 바람직하고, 나아가 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인에 대하여 그 사이의 간격을 조정함으로써 결합 선로(440)가 갖는 특성 임피던스를 제어하여 회로의 정합 특성을 크게 개선할 수 있게 된다. 여기서, 결합 선로(440)의 간격은 커플러의 동작 주파수에 따른 브랜치라인의 길이와 폭, 그리고, 결합 선로(440) 하단에 위치한 근접 접지 패턴(450)의 크기 및 거리 등의 세부 구조에 따라, 커플러의 전기적 특성을 최적화할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 상기 근접 접지 패턴(450)을 그 하부에 근접하여 배치함으로써, 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인에서의 정전 결합(capacitive coupling)을 개선할 수 있게 되어, 상기 커플러의 광대역 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다. 이때, 상기 근접 접지 패턴(450)은 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인의 형상에 대응하는 사각형 스트립의 형상을 가질 수 있으며, 또한 상기 근접 접지 패턴(450)은 비아(via) 등을 통하여 제1 접지면(470) 등의 접지면에 연결될 수 있다. 나아가, 상기 제2 유전체층(484)의 두께를 얇게 하여 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인과 상기 근접 접지 패턴(450)의 이격 거리를 줄여 줌으로써, 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인에서의 커플링(coupling)을 보다 개선하고, 커플러의 동작 주파수를 더욱 넓힐 수 있게 된다.
나아가, 상기 제1, 제2, 제3 전송선로 중 하나 이상에는 임피던스 매칭을 위한 스터브(stub)가 연결될 수 있다. 이를 통하여, 시뮬레이션 등을 통한 설계치와 실제 제작된 커플러의 오차를 튜닝할 수 있고, 또한 제품에 따른 특성 편차를 보정할 수도 있게 된다.
아래의 표1에서는 앞서 살핀 도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 설계 모델을 이용하여 설계된 각 치수의 값을 예시하고 있다.
Symbol Value[mm] Symbol Value[mm] Symbol Value[mm]
L1 32.81 W1 1.90 t1 1.52
L2 30.05 W2 0.90 t2 0.25
L3 1.80 W3 1.20 t3 1.52
L4 1.45 W4 1.20 G1 0.35
L5 27.00 W5 2.75
이때, 상기 제1, 제3 유전체층의 각 유전체로서 Taconic사의 RF-35 (εr=3.5, tanδ=0.018)를 사용하였다.
도 5와 도6에서는 상기 표 1의 각 치수에 따라 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 측정 결과 그래프를 도시하고 있다.
먼저, 도 5에서는 출력 단자인 제2단자(P2)와 제4단자(P4)에 대한 삽입 손실(insertion loss)과 제1단자(P1)과 제3단자(P3)의 분리 특성(isolation) 측정치를 확인할 수 있다. 여기서 출력 단자의 전력 배분 오차가 ±0.5dB 이내인 범위의 주파수 대역폭(bandwidth)은 0.9 ~ 1.8GHz 정도로 1.33GHz 중심 주파수를 기준으로 약 67%의 대역폭을 가짐을 알 수 있고, 또한 상기 주파수 대역에서 입력 및 출력 단자의 반사 계수(reflection coefficient)도 -10dB 미만인 것을 확인할 수 있다. 이러한 대역폭은 종래의 통상적인 링 하이브리드 커플러 및 다른 180° 하이브리드 커플러가 대략 33% 정도의 대역폭을 가지는 것과 비교할 때, 크게 개선된 광대역 특성을 가질 수 있다는 점을 확인시켜 준다.
도 6에서는 제2단자(P2)와 제4단자(P4)에서의 위상차(phase difference) 측정 그래프를 확인할 수 있는데, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)에서의 위상차 측정치는 상기 도 5의 동작 주파수를 기준으로 할 때 약 189° 내지 177°의 범위에 있음을 확인할 수 있다. 이러한 위상차 측정치는 종래의 통상적인 링 하이브리드 커플러 및 다른 180° 하이브리드 커플러가 대략 ±10°의 오차를 가지는 것과 비교할 때, 다소 개선된 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 표 1의 설계 수치를 기준으로 볼 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)의 크기는 종래 통상적으로 1.5 λg의 원주를 가지는 링 하이브리드 커플러와 비교할 때, 그 크기를 약 62% 이상 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
나아가, 도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러(400)에 있어서, 상기 제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(440) 외에 상기 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로(410), 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로(420), 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로(430) 중 하나 이상을 제2 결합 선로로 구성하고, 또한 상기 제2 결합 선로의 하부에 각 제2 결합 선로에 대응하는 근접 접지 패턴을 위치시켜 나머지 전송 선로의 길이로 함께 줄임으로써, 커플러의 크기를 더욱 크게 줄이는 것도 가능하다. 여기서, 제2 결합 선로라 함은, 도 4의 결합 선로(440)와 유사하게 종단이 접지된 한쌍의 브랜치라인이 교차하는 구조를 포함하나, 상기 제1, 제2, 제3 전송 선로는 각각 λ/4 정도의 길이를 가지는데 불과하므로, 이를 제2 결합 선로를 이용하여 그 길이를 축소하는 경우에는 그 길이가 더욱 줄어들게 되며, 보다 정확한 길이는 구체적인 설계 환경에 따라 달라질 수 있다.
또한, 앞서 살핀 결합 선로(440)를 이용한 브랜치라인 커플러 구조는 반드시 180° 브랜치라인 커플러에 한정되어야 하는 것은 아니다. 앞서 살핀 바와 같이 결합 선로를 사용하여 전송 선로의 길이를 줄일 수 있다는 원리는 유사하게 90° 브랜치라인 커플러에도 적용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 90° 브랜치라인 커플러는 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서, 제1 접지면; 상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1유전체층; 상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층; 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴; 상기 제2유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고, 상기 패턴층은, 제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로; 제2 단자와 제3단자를 연결하는 제2 전송선로; 제3 단자와 제4단자를 연결하는 제3 전송선로; 제1 단자와 제4단자를 연결하는 제4 전송선로를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2, 제3, 제4 전송선로 중 하나 이상은 제2 결합 선로(coupled line)이며, 상기 제2 결합 선로는 종단이 접지되고 소정의 길이를 가지는 한쌍의 브랜치라인이 서로 교차하는 구조를 포함하며, 상기 근접 접지 패턴은 상기 제2 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하게 된다.
이에 따라, 앞서 살핀 바와 유사하게, 90° 브랜치라인 커플러의 각 전송 선로 중 하나 이상을 제2 결합 선로로 대체함으로써, 90° 브랜치라인 커플러의 크기를 줄이고, 나아가 커플러의 주파수 특성을 광대역으로 개선할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
400 : 결합 선로와 근접 접지 패턴을 이용한 180° 브랜치라인 커플러
410 : 제1 전송선로
420 : 제2 전송선로
430 : 제3 전송선로
440 : 결합 선로
450 : 근접 접지 패턴
460 : 매칭 스터브
470 : 제1 접지면
475 : 제2 접지면
482 : 제1 유전체층
484 : 제2 유전체층
490 : 제3 유전체층
495 : 패턴층

Claims (5)

  1. 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서,
    제1 접지면;
    상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1 유전체층;
    상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층;
    상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴;
    상기 제2 유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고,
    상기 패턴층은,
    제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로;
    제2 단자와 제3 단자를 연결하는 제2 전송선로;
    제3 단자와 제4 단자를 연결하는 제3 전송선로;
    제1 단자와 제4 단자 사이에 위치하는 결합 선로(coupled line)를 포함하고,
    상기 결합 선로는 상기 제1 단자와 제4 단자에 각각 연결되고 종단이 접지된 한쌍의 λ/4 브랜치라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 서로 교차하는 구조를 포함하며,
    상기 근접 접지 패턴은 상기 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 180° 브랜치라인 커플러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴층의 상부에는 제3 유전체층 및 제2 접지면이 더 존재하는 것을 특징으로 하는 180° 브랜치라인 커플러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 근접 접지 패턴은 상기 한쌍의 접지된 λ/4 브랜치라인의 형상에 대응하는 사각형 스트립의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 180° 브랜치라인 커플러.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 전송선로 중 하나 이상은 제2 결합 선로(coupled line)로 이루어지며,
    상기 제2 결합 선로는 종단이 접지되고 소정의 길이를 가지는 한쌍의 브랜치라인이 서로 교차하는 구조를 포함하며,
    상기 제2 결합 선로(coupled line)의 하부에는 상기 제2 결합 선로에 대응하는 근접 접지 패턴이 위치하는 것을 특징으로 하는 180° 브랜치라인 커플러.
  5. 4 단자망(4 port network) 구조의 결합기(coupler)에 있어서,
    제1 접지면;
    상기 제1 접지면의 상부에 위치하는 제1 유전체층;
    상기 제1 유전체층의 상부에 위치하는 제2 유전체층;
    상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 사이에 존재하는 근접 접지 패턴;
    상기 제2 유전체층의 상부에 형성되는 패턴층을 포함하고,
    상기 패턴층은,
    제1 단자와 제2 단자를 연결하는 제1 전송선로;
    제2 단자와 제3 단자를 연결하는 제2 전송선로;
    제3 단자와 제4 단자를 연결하는 제3 전송선로;
    제1 단자와 제4 단자를 연결하는 제4 전송선로를 포함하고,
    상기 제1, 제2, 제3, 제4 전송선로 중 하나 이상은 제2 결합 선로(coupled line)이며,
    상기 제2 결합 선로는 종단이 접지되고 소정의 길이를 가지는 한쌍의 브랜치라인이 서로 교차하는 구조를 포함하며,
    상기 근접 접지 패턴은 상기 제2 결합 선로에 대응하여 그 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 90° 브랜치라인 커플러.
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