KR101604722B1 - 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러에 관한 것으로서, 입력 포트(Port1)와 트랜스미티드 포트(Transmitted Port)인 출력 포트(Port2)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제1브랜치라인과, 입력 포트(Port1)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제2브랜치라인과, 출력 포트(Port2)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제3브랜치라인을 포함하는 일측 링 파트(Ring Part); 커플드 포트(coupled port)인 출력 포트(Port3)와 아이솔레이티드 포트(Port4)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제4브랜치라인과, 출력 포트(Port3)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제5브랜치라인과, 아이솔레이티드 포트(Port4)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제6브랜치라인을 포함하는 타측 링 파트(Ring Part); 제2브랜치라인, 제3브랜치라인, 제5브랜치라인 및 제6브랜치라인의 단부를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제7브랜치라인을 포함한다. 본 발명에 따르면, 더블링 하이브리드(Double Ring Hybrid) 구조를 통해 출력단자들이 동일방향에 위치할 뿐만 아니라 위상 보상 요소들도 필요하지 않으므로, 출력단자들이 동일방향에 있도록 캐스케이드로 구현하여 시스템의 다른 소자들과의 연결이 용이할 뿐 아니라, 커플러의 크기를 소형화할 수 있다.
Description
본 발명은 하이브리드 커플러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 브랜치라인 결합기의 포트 임피던스를 다르게 하여 연결함으로써, 의도된 미스매칭을 통해 링 하이브리드(Ring Hybrid)의 특성을 갖는 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러에 관한 것이다.
커플링(Coupling)이란 독립된 공간 또는 선로 간에서 전자계적으로 교류 신호 에너지가 상호 전달되는 현상을 의미한다.
커플러(Coupler)는 이러한 커플링의 정도를 인위적으로 조절하는 것으로, 선로의 길이와 간격을 임의로 조절하여 원하는 전력이 전달되도록 하는 장치이다.
커플러는 무선 시스템에 많이 이용되고 있으며, 4-포트 링 하이브리드 커플러(4-Port Ring Hybrid Coupler)는 무선 시스템에 널리 쓰이는 마이크로파 기본 소자이다. 4-포트 링 하이브리드 커플러의 일례가 도 1에 잘 도시되어 있다.
기존 링 하이브리드 커플러는, 2개의 출력신호가 입력단자의 위치에 따라 동위상과 역위상을 갖는 특징이 있다[1]. 따라서, 기존 링 하이브리드 커플러는 안테나 배열(Antenna Aarrays), 믹서(Mixers), 평형 증폭기(Balancing Amplifier) 등의 적용에 있어서 위상 보상을 위한 요소가 필요 없는 장점이 있다.
그러나, 기존 링 하이브리드 커플러는 포트 방향이 모두 다르며 두 개의 출력포트가 같은 방향으로 구현이 어렵게 되어 있어 시스템의 다른 소자들과 연결 시 어려움이 따른다. 그러므로, 기존 링 하이브리드 커플러는 캐스케이드(Cascade) 평면 구조로 구현하는 데에 한계가 있다.
[1] H.-R. Ahn, Ingo Wolff, and I.-S. Chang, "Arbitrary Termination Impedances, Arbitrary Power Division, and Small-Sized Ring Hybrids," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.45, no.12, pp. 2241-2247, Dec. 1997.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 2개의 브랜치라인 하이브리드(Branch Line Hybrid) 구조를 이용하여 출력단자들이 동일방향에 있도록 캐스케이드로 구현하고, 두 개의 브랜치라인 결합기의 포트 임피던스를 다르게 하여 연결함으로써, 의도적으로 미스매칭한 더블링 하이브리드(Double Ring Hybrid) 구조를 통해, 링 하이브리드(Ring Hybrid)의 특성을 갖도록 하는 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러는, 입력 포트(Port1)와 트랜스미티드 포트(Transmitted Port)인 출력 포트(Port2)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제1브랜치라인과, 상기 입력 포트(Port1)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제2브랜치라인과, 상기 출력 포트(Port2)에서 연장되며, 상기 Z1 임피던스를 갖는 제3브랜치라인을 포함하는 일측 링 파트(Ring Part); 커플드 포트(coupled port)인 출력 포트(Port3)와 아이솔레이티드 포트(Port4)를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제4브랜치라인과, 상기 출력 포트(Port3)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제5브랜치라인과, 상기 아이솔레이티드 포트(Port4)에서 연장되며, 상기 Z3 임피던스를 갖는 제6브랜치라인을 포함하는 타측 링 파트(Ring Part); 및 상기 제2브랜치라인, 제3브랜치라인, 제5브랜치라인 및 제6브랜치라인의 단부를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제7브랜치라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러에 따르면, 더블링 하이브리드(Double Ring Hybrid) 구조를 통해 출력단자들이 동일방향에 위치할 뿐만 아니라 위상 보상 요소들도 필요하지 않다.
결국, 본 발명에 따르면 출력단자들이 동일방향에 있도록 캐스케이드로 구현함으로써 시스템의 다른 소자들과의 연결이 용이하게 할 수 있다.
도 1은 기존의 4-포트 링 하이브리드 커플러의 제작도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 구조이다.
도 3은 도 2의 등가회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 제작도이다.
도 5는 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 동위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 역위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드의 위상 차이의 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 구조이다.
도 3은 도 2의 등가회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 제작도이다.
도 5는 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 동위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 역위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드의 위상 차이의 측정값을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 구조이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러는,
입력 포트(Port1)와 트랜스미티드 포트(Transmitted Port)인 출력 포트(Port2)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제1브랜치라인(1)과, 입력 포트(Port1)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제2브랜치라인(2)과, 출력 포트(Port2)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제3브랜치라인(3)을 포함하는 일측 링 파트(Ring Part)와;
커플드 포트(coupled port)인 출력 포트(Port3)와 아이솔레이티드 포트(Port4)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제4브랜치라인(4)과, 출력 포트(Port3)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제5브랜치라인(5)과, 아이솔레이티드 포트(Port4)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제6브랜치라인(6)을 포함하는 타측 링 파트(Ring Part)와;
제2브랜치라인(2), 제3브랜치라인(3), 제5브랜치라인(5) 및 제6브랜치라인(6)의 단부를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제7브랜치라인(7)을 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 브랜치라인의 특성 임피던스를 Z1 또는 Z3로 의도적으로 미스매칭시키고 있다.
여기서, 입력 포트(Port1), 출력 포트(Port2), 출력 포트(Port3), 아이솔레이티드 포트(Port4)는 Z0 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서는 브랜치라인의 임피던스를 일례로서 예시한 것이며, 요구사항의 특성에 맞도록 변경될 수 있으며, 다만, 제2브랜치라인(2) 및 제3브랜치라인(3)은 동일한 임피던스를 갖는 것이 바람직하며, 제5브랜치라인(5) 및 제6브랜치라인(6)은 동일한 임피던스를 갖는 것이 바람직하며, 제1브랜치라인(1), 제4브랜치라인(4) 및 제7브랜치라인(7)은 동일한 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 입력 포트, 출력 포트, 아이솔레이티드 포트는 설명의 편의를 위해 일례로서 예시한 것일 뿐, 각 포트의 기능을 상호 변경될 수 있다.
그리고, 본 발명에서 일측 링 파트(Ring Part)와 타측 링 파트(Ring Part)로 정의하고 있는 "링(Ring)"은 형상으로서 정의한 것이 아니며, 기존의 링 하이브리드의 기능에 대응한 기능으로서 정의한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러는, 제7브랜치라인(7)을 중심으로 일측 링 파트(Ring Part)와 타측 링 파트(Ring Part)로 구성한다. 이에, 2개의 브랜치라인 하이브리드(Branch Line Hybrid) 구조를 통해 출력단자들이 동일방향에 있도록 캐스케이드로 구현될 수 있다. 즉, 입력신호가 입력포트(Port1)로 입력되면 신호는 출력 포트(Port2)와 출력 포트(Port3)로 동위상으로 나누어지며, 아이솔레이티드 포트(Port4)는 아이솔레이트(isolate)된다. 한편, 아이솔레이티드 포트(Port4)가 입력포트일 경우, 신호는 180ㅀ의 위상차를 가지고 나누어지며 나머지 포트는 아이솔레이트된다.
도 3은 도 2의 등가회로도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 입력 포트(Port1), 출력 포트(Port2), 출력 포트(Port3), 아이솔레이티드 포트(Port4)는 예를 들어 50 Ω으로 매칭될 수 있다.
Z1의 어드미턴스는 아이솔레이티드 포트(Port4)가 아이솔레이트되므로 (식 1)과 같이 구할 수 있다.
그러면, Z1은 (식 2)와 같다.
마찬가지로, Z3은 (식 3), (식 4)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Z2와 Z4는 병렬로 연결된다. 다만 실시예에 나타난 Z0 는 (식 5)의 관계식을 만족하는 것을 통해 구현할 수 있다.
특성 임피던스와 부하 임피던스가 각각 Z0, ZL일 때, 부하 쪽을 바라보는 반사계수는 (식 6), (식 7)로 표현된다.
입력신호의 절반이 반사되려면 반사계수는 (식 8), (식 9)와 같이 표현된다.
Z2와 Z4는 (식 5)와 (식 10)으로부터 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러의 제작도이다.
도 4를 참조하면, 유전율이 2.2, 두께는 31mil인 기판(ROGERS5880 기판)으로 제작된 경우를 예시하고 있다.
이에, 본 발명의 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러는, 입력 포트(Port1), 출력 포트(Port2), 출력 포트(Port3), 아이솔레이티드 포트(Port4) 사이에 제7브랜치라인(7)을 중심으로 일측 링 파트(Ring Part)와 타측 링 파트(Ring Part)로 구성되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 동위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, S11은 return loss, S21과 S31은 power division outputs, S41은 isolation이다. 동위상일 경우, 제안된 더블링 하이브리드는 링 하이브리드와 비교하여 0.66 dB보다 작은 오차를 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드에 대한 역위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, S14는 return loss, S24와 S34는 power division outputs, S44는 isolation이다. 역위상일 경우, 제안된 더블링 하이브리드는 링 하이브리드와 비교하여 0.33 dB보다 작은 오차값을 갖는다.
도 7은 본 발명에 따른 더블링 하이브리드와 링 하이브리드의 위상 차이의 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 동위상의 경우 1.5 GHz에서 더블링 하이브리드와 링 하이브리드의 위상차는 각각 -2.812ㅀ, -3.971ㅀ이며, 역위상일 경우에는 각각 177.638ㅀ, 177.588ㅀ이다. 따라서, 제안된 더블링 하이브리드는 동위상과 역위상일 때, 기존 링 하이브리드와 비교하여 1.16ㅀ의 차이가 있다. 그러므로 본 발명의 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러는 기존 링 하이브리드 커플러와 같은 동작을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 링 하이브리드의 단점을 개선하기 위해 더블링 하이브리드를 제시하고 있다. 즉, 2개의 브랜치라인 하이브리드(Branch Line Hybrid)를 특성 임피던스와 부하 임피던스의 의도적 미스매칭을 통해 캐스케이드하여 구현한 더블링 하이브리드이다. 시스템의 크기를 줄이기 위해, 제시된 더블링 하이브리드는 아이솔레이티드 포트(Port4)를 출력 포트(Port2, Port3)의 반대편에 위치시킴으로써 출력포트(Port2, Port3)가 동일방향을 향하도록 할 수 있다. 따라서, 더블링 하이브리드는 캐스케이드 평면 구조로 구현될 수 있다. 더블링 하이브리드의 측정된 데이터의 S-parameter와 위상차는 동위상과 역위상일 때, 기존의 링 하이브리드와 비교하여 1.5 GHz에서 각각 0.66 dB와 ㅁ1.16ㅀ보다 낮은 오차를 갖는다. 결국, 제시된 더블링 하이브리드의 이론적 특성과 링 하이브리드의 특성은 제작상의 오차를 제외하면 일치한다. 그러므로, 본 발명의 더블링 하이브리드는 기존의 링 하이브리드와 같은 특성을 갖는다. 또한, 더블링 하이브리드는 평형 증폭기와 같이 더 많은 소자에 적용할 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
Port1 : 입력 포트
Port2 : 출력 포트
Port3 : 출력 포트
Port4 : 아이솔레이티드 포트
1,2,3,4,5,6,7 : 브랜치라인
Port2 : 출력 포트
Port3 : 출력 포트
Port4 : 아이솔레이티드 포트
1,2,3,4,5,6,7 : 브랜치라인
Claims (4)
- 입력 포트(Port1)와 트랜스미티드 포트(Transmitted Port)인 출력 포트(Port2)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제1브랜치라인과,
상기 입력 포트(Port1)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제2브랜치라인과,
상기 출력 포트(Port2)에서 연장되며, 상기 Z1 임피던스를 갖는 제3브랜치라인을 포함하는 일측 링 파트(Ring Part);
커플드 포트(coupled port)인 출력 포트(Port3)와 아이솔레이티드 포트(Port4)를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제4브랜치라인과,
상기 출력 포트(Port3)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제5브랜치라인과,
상기 아이솔레이티드 포트(Port4)에서 연장되며, 상기 Z3 임피던스를 갖는 제6브랜치라인을 포함하는 타측 링 파트(Ring Part);
상기 제2브랜치라인, 제3브랜치라인, 제5브랜치라인 및 제6브랜치라인의 단부를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제7브랜치라인을 포함하며,
상기 제7브랜치라인의 Z0 임피던스는,
아래 식의 일측 링 파트(Ring Part)의 Z2 임피던스와 타측 링 파트(Ring Part)의 Z4 임피던스로 정의되고,
--- (식)
일측 링 파트(Ring Part)의 반사계수 를 이용하여 Z2 임피던스와 Z4 임피던스를 구하는 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러.
- 입력 포트(Port1)와 트랜스미티드 포트(Transmitted Port)인 출력 포트(Port2)를 연결하는 Z0 임피던스를 갖는 제1브랜치라인과,
상기 입력 포트(Port1)에서 연장되며, Z1 임피던스를 갖는 제2브랜치라인과,
상기 출력 포트(Port2)에서 연장되며, 상기 Z1 임피던스를 갖는 제3브랜치라인을 포함하는 일측 링 파트(Ring Part);
커플드 포트(coupled port)인 출력 포트(Port3)와 아이솔레이티드 포트(Port4)를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제4브랜치라인과,
상기 출력 포트(Port3)에서 연장되며, Z3 임피던스를 갖는 제5브랜치라인과,
상기 아이솔레이티드 포트(Port4)에서 연장되며, 상기 Z3 임피던스를 갖는 제6브랜치라인을 포함하는 타측 링 파트(Ring Part);
상기 제2브랜치라인, 제3브랜치라인, 제5브랜치라인 및 제6브랜치라인의 단부를 연결하는 상기 Z0 임피던스를 갖는 제7브랜치라인을 포함하며,
특성 임피던스와 부하 임피던스가 각각 Z0, ZL일 때, 반사계수(S11)는 아래 식으로 정의되는 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러.
--- (식)
--- (식)
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 입력 포트(Port1), 출력 포트(Port2), 출력 포트(Port3) 및 아이솔레이티드 포트(Port4)는 상기 Z0 임피던스를 갖는 의도된 미스매칭을 이용한 하이브리드 커플러. - 삭제
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Carlos외 2인, "Dual-band planar quadrature hybrid with enhanced bandwidth response", IEEE MTT Vol-54, No-1, 2006년1월, 페이지180-188. |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2024035985A1 (en) * | 2022-08-08 | 2024-02-15 | Commscope Technologies Llc | Hybrid coupler and method for manufacturing hybrid coupler |
US12027745B2 (en) | 2022-08-08 | 2024-07-02 | Commscope Technologies Llc | Hybrid coupler and method for manufacturing hybrid couplers |
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Publication number | Publication date |
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WO2016076478A1 (ko) | 2016-05-19 |
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