KR101665589B1 - 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기 - Google Patents

인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인공전송선로(ATL)를 이용한 위상지연선로를 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입하여 3단 전송선로로 구현함에 의해 전체 크기를 소형화시킨 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기에 관한 것이다.
상기 방향성 결합기는 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 입력단 결합선로; 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 출력단 결합선로; 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입되며 인공전송선로(ATL) 방식으로 설계되어 위상 지연 기능을 갖는 제1 및 제2 위상지연선로를 포함하며, 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로는 결합량과 전기적 길이가 동일하며, 상기 제1 및 제2 위상지연선로는 결합량이 0인 것을 특징으로 한다.

Description

인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기{Coupled-line Directional Coupler Using Artificial Transmission Line}
본 발명은 인공전송선로(ATL)를 이용한 위상지연선로를 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입하여 3단 전송선로로 구현함에 의해 전체 크기를 소형화시킨 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기에 관한 것이다.
최근 정확하고 신속한 통신 서비스에 대한 수요가 급증하고 있고 시스템의 복잡성이 증가함에 따라 고성능뿐 아니라 소형화된 회로를 필요로 하고 있다.
마이크로파 및 RF 대역에서 신호를 분배하거나 결합하기 위해 결합기가 널리 이용되고 있다. 결합선로 결합기, 브랜치 라인 결합기, 링 하이브리드 결합기, Lange 결합기 등 여러 결합기 중 소량의 신호를 추출하여 분석할 필요가 있을 경우에 결합선로 방식의 방향성 결합기를 주로 사용한다.
여러 가지 방법이 있지만 결합선로 결합기는 주 신호 대비 적은 결합량으로 주 신호를 방해하지 않고 결합기 기능을 수행할 수 있다. 방향성 결합기는 도파관, 동축선, 스트립 선로, 마이크로스트립 선로를 이용하여 설계할 수 있다. 마이크로스트립 선로는 다른 소자를 쉽게 집적시킬 수 있고 제작이 간편하므로 많이 이용되고 있다. 마이크로스트립 선로에서 방향성 결합기는 평행 결합선로를 이용하여 구현된다.
일반적인 평행 결합선로는 결합량에 따라 기수모드(odd mode)와 우수모드(even mode)의 특성이 다르게 나타난다. 기수모드의 특성 임피던스와 우수모드의 특성 임피던스의 비율로 그 결합량을 조절할 수 있다.
무선통신 시스템의 발달로 마이크로파 회로 소자의 소형화 및 집적도의 요구가 증가함에 따라 최근 인공전송선로를 이용한 회로의 소형화를 위한 연구가 증가하고 있다. 인공전송선로란 다양한 구조로 구현되어 질 수 있지만 일반적인 전송선로가 가지는 전기적 길이와 특성 임피던스를 만족하는 선로들을 말한다. 임의의 형태로 인공전송선로를 구현해 마이크로파 회로 소자를 설계할 경우, 소자의 크기를 소형화시킬 수 있고, 여러가지 구조로 소자를 합성구현할 수 있다.
최근 우리나라는 TV 방송을 아날로그 방식에서 디지털 방식으로 바꾸면서 생긴 700MHz 대역 주파수의 용도를 HDTV 방송용 또는 이동통신용으로 지정할 예정이어서 이 대역에 대한 다양한 부품 및 시스템에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
일반적으로 방향성 결합기는 도 1에 도시된 바와 같은 입력단자(P1), 전송단자(P2), 결합단자(P3) 및 격리단자(P4)를 갖는 4 단자 수동회로이며, 도 2에 도시된 바와 같은 두 개의 평행한 결합선로(11,13)를 이용한 평행선로 결합기, 또는 두 개의 평행한 직렬선로를 사각형 모양으로 연결한 선로로 구성된 브랜치 라인 결합기로 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 일반적인 평행선로 방향성 결합기는 두 개의 λ/4 길이의 결합선로(11,13)를 이용하여 구현되며, 두 개의 출력 신호 사이의 위상차는 90도이다.
상기한 바와 같이, 일반적인 평행선로 방향성 결합기는 λ/4 길이의 결합선로(11,13)를 이용하여 구현되는 것이므로, 도 9에 도시된 샘플과 같이 전체적인 결합기의 크기가 큰 문제가 있다.
한편, 종래의 집중소자를 이용한 마이크로스트립 방향성 결합기의 방향성 향상 기술로 마이크로스트립 결합 선로 사이에 커패시터를 부착하는 방법이 있다. 이러한 커패시터 보상 기술의 경우에는 요구되는 커패시턴스 값이 매우 작아서 실용성이 떨어진다.
이러한 점을 고려하여 한국 공개특허공보 제10-2011-0008871호(특허문헌 1)에는 분로(shunt) 인덕터를 이용하여 방향성이 향상되고, 구현 및 설계가 용이한 마이크로스트립 방향성 결합기가 제안되어 있다. 특허문헌 1의 마이크로스트립 방향성 결합기는, 유전체 상에 소정 간격으로 이격되게 배치되며 소정의 폭 및 길이를 가지는 제1 및 제2 마이크로스트립 선로로 이루어지는 마이크로스트립 결합 선로, 상기 제1 마이크로스트립 선로의 중간 지점과 접지 사이에 연결되는 제1 인덕터, 및 상기 제2 마이크로스트립 선로의 중간 지점과 접지 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하고 있으며, 제1 및 제2 인덕터는 분로 접지 스터브를 이용하는 것이므로 전체 크기를 소형화하기 어려운 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2006-0020693호(특허문헌 2)에는 간격을 두고 떨어진 결합부를 대칭적으로 형성하는 제1 및 제2 전도성 라인 및 인접한 결합부 사이의 공간을 메우는 비결합부(지연부)를 포함하고, 상기 비결합부는 제1 및 제2 전도성 라인에서 동일한 비결합 고리로 형성되는 것을 특징으로 하는 결합기를 개시하고 있다.
또한, 특허문헌 2에서 결합부는 동일한 길이이며, 비결합부(지연부) 각각의 길이는 본질적으로 인접한 결합부 길이의 두 배보다 짧은 작동 주파수의 반파장과 본질적으로 동일하며, 비결합부(지연부)는 라인으로 형성된 개방 지연 고리 및 결합부 사이의 공간에 걸쳐있는 라인에서의 직선부를 포함하고 있어, 전체 크기를 소형화하기 어려운 문제가 있다.
: 한국 공개특허공보 제10-2011-0008871호 : 한국 공개특허공보 제10-2006-0020693호
따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 인공전송선로(ATL)를 이용한 위상지연선로를 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입하여 3단 전송선로로 구현함에 의해 전체 크기를 소형화시킨 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 인공전송선로 중 LUC(Low-pass filter unit cell) 구조를 이용한 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 HDTV 방송용 또는 이동통신용으로 지정될 중심주파수 700MHz에서 -10dB의 결합량 특성을 갖는 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 두 개의 결합선로와 두 개의 위상지연선로인 인공전송선로를 이용해서 전체적인 결합선로 길이를 감소시킬 수 있는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 절연성 재료로 이루어진 기판; 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 선로의 입구와 출구에 각각 입력포트와 출력포트가 연결되는 제1전송선로; 및 상기 제1전송선로와 간격을 두고 평행하게 배치되며 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 선로의 입구와 출구에 각각 결합포트와 격리포트가 연결되는 제2전송선로를 포함하며, 상기 제1 및 제2 전송선로는 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 3단 구조로 이루어지며, 일측에 입력포트와 결합포트가 연결되는 입력단 결합선로, 일측에 출력포트와 격리포트가 연결되는 출력단 결합선로 및 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입되며 인공전송선로 중 LUC(Low-pass filter unit cell) 구조를 이용한 제1 및 제2 위상지연선로를 형성하는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 제공한다.
상기 제1 및 제2 전송선로는 선대칭 구조이며, λ/8 보다 단축된 길이로 형성되고, 입력단 결합선로와 출력단 결합선로는 동일한 결합량과 전기적 길이를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 위상지연선로는 위상지연 기능을 갖는 체비세프(ChebyShev) 저역통과필터일 수 있다.
상기 위상지연선로는 일단이 각각 입력단 결합선로와 출력단 결합선로에 직각으로 절곡되어 연결되고 상호간에 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 위상지연 결합선로; 및 상기 한쌍의 위상지연 결합선로를 연결하며 입력단 결합선로 및 출력단 결합선로와 평행하게 배치된 개방 스터브를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 위상지연선로는 각각 "π"자 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 저역통과필터는 차단 주파수 2GHz, 리플 0.5dB의 3단 저역통과필터일 수 있다.
상기 방향성 결합기는 좌우 동형일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전송선로의 전기적 길이가 90°보다 작을 때 최대의 결합량을 가질 수 있다.
상기 제1전송선로는 주신호를 전송하는 선로로 이용되고, 제2전송선로는 주전송선로에 결합되어 분석을 위해 소량의 신호를 추출하기 위한 선로로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 입력단 결합선로; 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 출력단 결합선로; 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입되며 인공전송선로(ATL) 방식으로 설계되어 위상 지연 기능을 갖는 제1 및 제2 위상지연선로를 포함하며, 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로는 결합량과 전기적 길이가 동일하며, 상기 제1 및 제2 위상지연선로는 결합량이 0인 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 제공한다.
상기 제1 및 제2 위상지연선로는 각각 LUC(Low-pass filter unit cell) 구조를 가지며, 일단이 각각 입력단 결합선로와 출력단 결합선로에 직각으로 절곡되어 연결되고 상호간에 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 위상지연 결합선로; 및 상기 한쌍의 위상지연 결합선로를 연결하며 입력단 결합선로 및 출력단 결합선로와 평행하게 배치된 개방 스터브를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 인공전송선로(ATL)를 이용한 위상지연선로를 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입하여 3단 전송선로로 구현함에 의해 전체 크기를 종래의 약 45% 크기로 소형화시킬 수 있다.
즉, 종래의 일반적인 결합선로 결합기는 λ/4 길이의 전송 선로를 사용하므로 소형화에 한계가 있으나, 반면에 본 발명의 방향성 결합기는 90°보다 아주 작은 두개의 결합선로 사이에 인공전송선로 중 LUC(Low-pass filter unit cell)구조를 이용한 위상지연선로를 삽입하여 전체적으로 90°보다 작게 결합기를 구현했고, 일반적인 전송선로의 특성을 특정 주파수 내에서 만족하는 인공전송선로를 이용하여 결합기에 위상지연선로를 구성함으로써 물리적 크기를 감소시킬 수 있다.
본 발명에서는 중심주파수 700MHz에서 -10dB의 결합량 특성을 갖는 방향성 결합기를 설계 및 제작, 측정한 결과, 종래의 방향성 결합기와 비슷한 성능을 보였고, 반면에 본 발명에 따른 결합기는 기존 결합기의 1/2 이하의 크기로 소형화가 가능하다.
도 1은 일반적인 방향성 결합기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 일반적인 결합선로 방향성 결합기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 다단 결합선로 결합기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 4는 결합기의 소형화를 위해 특성임피던스 Z A 와 전기적 길이 θ A 를 갖는 인공전송선로(ATL)를 설계하는 방법을 나타낸 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 위상지연선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 모의실험 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 모의실험에서 두 출력 단자 사이의 위상 차이를 나타내는 그래프이다.
도 9는 일반적인 결합선로 결합기와 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 제작 샘플을 비교하여 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 모의실험 및 제작 샘플의 S-파라미터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 제작 샘플에서 두 출력 단자 사이의 위상 차이를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 구조를 나타낸 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
이하에 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기를 설계하는 방법을 설명한다.
일반적으로 방향성 결합기(1)는 도 1과 같이 입력단자(P1), 전송단자(P2), 결합단자(P3) 및 격리단자(P4)를 갖는 4 단자 수동회로로 표현될 수 있다.
방향성 결합기 중 결합선로 방향성 결합기는, 도 2에 도시된 바와 같은, 두 개의 평행한 결합선로(11,13)를 이용하여 간단하게 구성될 수 있으며, 중심주파수에서 일반적으로 90°의 전기적 길이(λ/4 길이)를 가지며, 두 개의 출력신호 사이의 위상차는 90도이다.
도 2에 도시된 일반적인 결합선로 방향성 결합기에서 결합계수(
Figure 112015091121015-pat00001
), 결합량(
Figure 112015091121015-pat00002
), 전송량(
Figure 112015091121015-pat00003
), 특성 임피던스(
Figure 112015091121015-pat00004
)는 하기 수학식 1 내지 수학식 4과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015091121015-pat00005
Figure 112015091121015-pat00006
Figure 112015091121015-pat00007
Figure 112015091121015-pat00008
여기서
Figure 112015091121015-pat00009
는 결합계수,
Figure 112015091121015-pat00010
는 결합량,
Figure 112015091121015-pat00011
는 결합선로의 전기적 길이,
Figure 112015091121015-pat00012
는 전송량,
Figure 112015091121015-pat00013
와
Figure 112015091121015-pat00014
는 결합선로의 우수모드와 기수모드의 임피던스를 각각 나타낸다. 위 식들은 임의의 전기적 길이에서도 성립한다.
상기 수학식 1 내지 수학식 4에서 보듯이 결합량은 우수 모드 임피던스와 기수 모드 임피던스의 차이에 비례하고, 결합선로의 특성 임피던스(
Figure 112015091121015-pat00015
)는 우수 모드 임피던스(
Figure 112015091121015-pat00016
)와 기수 모드 임피던스(
Figure 112015091121015-pat00017
)의 기하평균으로 나타난다. 기본적으로 격리도는 만족된다. 무손실 조건에서 출력 전력의 합은 입력 전력과 같다. 결합량이 작을 때(C≤-10 dB 또는 C<<1), 수학식 2의 세 번째 항처럼 나타낼 수 있다.
위 내용을 바탕으로 도 3과 같이 다단 결합기를 재설계할 수 있다. 전기적 길이와 우수모드, 기수모드의 임피던스를 각각 갖는 3단 결합선로(21-26)로 구성되어 있다. 도 3의 다단 결합기 또한 각 단이 임의의 전기적 길이를 갖는 경우에도 성립한다. 결합량이 작을 때(C≤-10 dB 또는 C<<1), 하기 수학식 5 및 수학식 6은 성립하고, 무손실 조건에서 수학식 6은 성립한다.
Figure 112015091121015-pat00018
Figure 112015091121015-pat00019
이와 같은 결합선로 이론을 바탕으로 소형화된 결합선로 방향성 결합기를 재설계하기 위해 먼저 특성임피던스(Z A )와 전기적 길이(θ A )를 갖는 인공전송선로(ATL)를 설계한다.
인공전송선로의 설계법은 다음과 같다. 커패시터와 인덕터를 이용한 표준적인 설계법으로 설계한 체비세프(ChebyShev) 저역통과필터로, 차단 주파수 2GHz, 리플 0.5dB의 3단 저역통과필터를 설계한 후, 정확한 LUC(Low-pass filter unit cell) 설계법을 이용하여 위상지연선로(30)로서 역할을 하는 저역통과필터를 도 4와 같이 개방 스터브(open stub)(33)가 추가된 한쌍의 위상지연 결합선로(31,32)로 등가화시킨다.
이어서, 도 4의 위상지연선로(30)로서 역할을 하는 인공전송선로 양단에 짧은 전송선로를 추가하여 3단 전송선로로 만든 후, 이 3단 전송선로 두 개를 이용하여 도 5에 도시된 결합선로 방향성 결합기를 만들었다.
결과적으로 도 5에 도시된 결합선로 방향성 결합기는 전체적으로 보면 90°보다 아주 작은 길이의 두 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44) 사이에 각각 인공전송선로를 이용한 위상지연선로(30a,30b)를 추가한 것으로 볼 수 있다.
또한, 도 5의 결합선로 방향성 결합기는 전기적 길이와 우수모드, 기수모드 임피던스를 각각 갖는 3단의 결합선로로 볼 수 있으므로 다단 결합기 이론에 따라 해석할 수 있다. 방향성 결합기의 두 번째 단은 인공전송선로(ATL)를 등가화한 것이므로 결합선로가 아닌 일반적인 전송선로 두 개로 나타낼 수 있고 결합량은 없으므로 특성 임피던스로 나타낼 수 있다.
입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)로 구성된 첫 번째 단과 세 번째 단은 대칭적인 구조이므로 전기적 길이와 우수모드 임피던스, 기수모드 임피던스는 각각 같다. 또한, 인공전송선로를 이용한 위상지연선로(30a,30b)로 구성된 두 번째 단의 결합량은 없기 때문에 전체적인 방향성 결합기의 전기적 길이(2θ1+θ2)가 90°보다 작게 되기 때문에 크기를 줄일 수 있다. 그리고 인공전송선로를 사용함에 따라 위상지연선로(30a,30b)의 전기적 길이(θ2)의 물리적 길이를 줄였다. 그러므로 전체 방향성 결합기의 크기를 줄일 수 있다.
상기 수학식 2를 바탕으로 다단 결합기의 결합량이 작을 때(C≤-10 dB 또는 C<<1), 각 단의 전기적 길이와 결합계수를 고려한 다단 결합기의 결합량(
Figure 112015091121015-pat00020
)과 전송량(
Figure 112015091121015-pat00021
)은 하기 수학식 7 및 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112015091121015-pat00022
Figure 112015091121015-pat00023
여기서 C1는 첫 번째 단(즉, 입력단 결합선로(41,42))의 결합량, C2는 두 번째 단(즉, 위상지연선로(30a,30b))의 결합량, C3는 세 번째 단(즉, 출력단 결합선로(43,44))의 결합량, θ1는 첫 번째 단의 전기적 길이, θ2는 두 번째 단의 전기적 길이, θ3는 세 번째 단의 전기적 길이를 나타낸다.
본 발명의 방향성 결합기는 좌/우 대칭 구조이기 때문에 첫 번째 단(즉, 입력단 결합선로(41,42))과 세 번째 단(즉, 출력단 결합선로(43,44))의 결합량와 전기적 길이는 동일하고, 도 4에서 알 수 있듯이 두 번째 단(즉, 위상지연선로(30a,30b))의 결합량은 0으로 볼 수 있기 때문에 하기 수학식 7을 수학식 9와 같이 간략화할 수 있다.
Figure 112015091121015-pat00024
여기서 kθ는 두 번째 단의 결합선로의 전기적 길이를 나타낸다.
수학식 9의 결합량과 전기적 길이의 그래프에서 수학식 10과 같이 전기적 길이로 결합량을 미분했을 때 그 값이 0이 되는 부분(즉, 수학식 10=0)이 최대의 결합량이 된다. 즉, 결합량이 최대가 되는 중심주파수에서 하기 수학식 10이 성립한다.
Figure 112015091121015-pat00025
상기와 같이 설계된 방향성 결합기는 인공전송선로를 이용한 3단 구조의 결합기로서 큰 결합량보다 작은 결합량에 적합한 구조이지만 설계된 구조에서 최대로 얻을 수 있는 결합량인 -10dB 결합량을 선택하여 설계 방법과 다단 결합기의 이론을 바탕으로 방향성 결합기의 성능을 확인하기 위하여 모의실험 및 샘플을 제작하고 성능을 측정하였다.
상기와 같이 저역통과필터를 설계한 후 인공전송선로(ATL) 중 하나인 LUC 구조로 변환할 때, 위상지연선로 역할을 하는 둘째 단의 전기적 길이(θ2)는 얻어진다. 또한, 모의실험에서는 결합기 전체의 전기적 길이를 90°인 것으로 가정하며, 첫째 단과 셋째 단의 구조가 동일하게 구성한 것이므로, 첫째 단과 셋째 단의 전기적 길이(θ1,θ3)도 쉽게 구해진다.
수학식 9에서 결합량(
Figure 112015091121015-pat00026
)을 -10dB로 가정하면, 첫째 단과 둘째 단의 전기적 길이(θ1,θ2)를 알기 때문에 첫째 단과 셋째 단의 결합계수를 알 수 있고, 얻어진 결합계수를 수학식 1에 적용하면 우수모드 임피던스(Z0e1)와 기수모드 임피던스(Z0o1)를 알 수 있으며, 우수모드 임피던스(Z0e1)와 기수모드 임피던스(Z0o1)를 수학식 4에 적용하면 둘째 단인 위상지연선로(30a,30b)의 특성 임피던스(ZA)를 알 수 있다.
상기한 방식으로 모의실험(Simulation)에 사용할 S-파라미터 값들을 정리하면 하기 표 1과 같다.
θ1 θ2 Z0e1 Z0o1 ZA
25.0° 23.0° 92.8 ohm 27 ohm 49.7 ohm
또한, 샘플을 제작을 위해 Agilent 社의 ADSTM에 포함된 라인 계산기(Line Calculator) 기능을 이용하면 표 1의 파라미터 값들로부터 하기 표 2의 방향성 결합기 샘플 제작에 필요한 파라미터 값들을 도출할 수 있다.
결합선로 ATL의 결합선로 ATL의 오픈 스터브
폭[mm] 1.0 2.4 7.4
길이[mm] 13.3 4.3 4.2
간격[mm] 0.1 0.2 -
샘플 제작에 사용된 파라미터 값들은 좋은 특성을 얻기 위해 약간 조절하였다. 즉, 결합기의 전체 길이를 축소시키기 위해 둘째 단인 위상지연선로(30a,30b)의 전단과 후단에 결합되는 첫째 단과 셋째 단의 전기적 길이는 표 2와 같이 90°보다 아주 작은 길이로 정하였다.
샘플 제작에는 유전율 4.4, 기판 두께 1.524 mm, 손실탄젠트 0.025를 갖는 FR4 기판을 사용하였고, 모의실험에는 Agilent 社의 ADSTM를 이용하였고, 성능 측정에는 Agilent 社의 8753D와 N9912A를 사용하였다.
또한, 본 발명의 결합기 샘플과 크기 비교를 위해 90°의 결합선로를 사용하는 일반적인 λ/4 결합기 샘플을 제작하여 크기를 비교하였다.
모의실험 S-파라미터를 도 7에 나타내었다. 도 7을 참고하면, 중심주파수 700MHz에서 -10dB의 결합량(S31)을 볼 수 있다. 도 8은 두 출력단자 사이의 위상차를 나타낸 그래프이다. 위상차는 700MHz에서 -90°인 것으로 나타났다.
도 9를 참고하면, 일반적인 λ/4 결합기는 67mm로 구현되고, 본 발명의 샘플 제작된 결합기는 30mm로 구현되는 것으로 나타났다.
일반적인 λ/4 결합기는 90°의 결합선로를 사용함에 있어 소형화에 한계가 있지만, 본 발명의 샘플 제작된 결합기는 90°보다 아주 작은 두 입력단 및 출력단 결합선로 사이에 위상지연선로를 삽입함으로써 결합기의 길이(2θ1+θ2)가 90°보다 작을 때 최대의 결합량을 가지게 되며, 그 결과 본 발명의 방향성 결합기는 일반적인 λ/4 결합기와 비교할 때 결합기의 물리적 크기를 약 55% 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
도 10은 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기의 모의실험(Simulation) 및 제작 샘플의 S-파라미터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 10에서 볼 수 있듯이 샘플 제작된 결합기는 중심주파수 700MHz에서 -10.68dB의 결합량(S31)을 나타냈고, 10%의 대역폭 내(630 ~ 770MHz)에서 약 ±0.5dB의 결합량 변화를 보였다. 또한, 10%의 대역폭 내에서 -28dB보다 작은 반사손실(S11)과 -18dB보다 작은 격리도(S41)가 나타났으며, 모의실험과 측정치는 도 10과 같이 유사함을 나타냈다.
도 11은 본 발명의 샘플 제작된 결합기에서 두 출력단자(P2,P4) 간의 위상차를 나타낸 그래프로서, 중심주파수(700MHz)와 대역폭 40% 내(560 ~ 840 MHz)에서 약 89.7°의 위상차 특성을 나타냈다.
이하에 상기와 같은 설계방법에 따라 얻어진 결합선로 방향성 결합기의 구성을 도 12를 참고하여 설명한다.
도 12를 참고하면, 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기는 유전체 기판과 같은 절연성 재료로 이루어진 기판(50)과, 상기 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 선로의 입구와 출구에 각각 입력포트(P1)와 출력포트(P2)가 연결되는 제1전송선로(51)와, 상기 제1전송선로(51)와 동일한 평면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 각각 일력단과 출력단에 소정의 간격과 결합길이를 갖고 대향 배치되고, 선로의 입구와 출구에 각각 결합포트(P3)와 격리포트(P4)가 연결되는 제2전송선로(53)를 포함한다.
본 발명의 결합선로 방향성 결합기는 제1 및 제2 전송선로(51,53)가 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되어 전자기적으로 결합되어 있으며, 선대칭 및 좌우 동형으로 형성되어 있으며, 3단 구조를 이루고 있다.
2개의 전송선로 중 제1전송선로(51)는 주신호를 전송하는 선로로 이용되고, 제2전송선로(53)는 주전송선로(51)에 결합되어 분석을 위해 소량의 신호를 추출하기 위한 선로로 이용될 수 있다.
본 발명의 방향성 결합기는 인공전송선로(ATL) 방식으로 설계된 2개의 위상지연선로(30a,30b)의 전단과 후단에 각각 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)가 연결되어 있다.
입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)는 결합량과 전기적 길이가 동일한 한쌍의 선형 전송선로가 소정의 간격(G1)을 두고 평행하게 배치되어 있고, 90°보다 아주 작은 전기적 길이를 가지고 있다.
상기 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44) 사이에 배치된 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)는 일단이 각각 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)에 직각으로 절곡되어 연결되고 상호간에 소정의 간격(G2)을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 위상지연 결합선로(31a,32a; 31b,32b)와, 상기 한쌍의 위상지연 결합선로(31a,32a; 31b,32b)를 연결하며 입력단 결합선로(41,42) 및 출력단 결합선로(43,44)와 평행하게 배치된 개방 스터브(open stub)(33a,33b)로 구성되어 있다.
그 결과, 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)는 각각 전체적으로 "π"자 형상으로 이루어진다. 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)는 위상지연 기능을 갖는 체비세프(ChebyShev) 저역통과필터로서, 차단 주파수 2GHz, 리플 0.5dB의 3단 저역통과필터이다.
제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)는 저역통과필터를 LUC(Low-pass filter unit cell) 설계법을 이용하여 구현된 인공전송선로로서 결합량은 0으로 된다.
도 12의 실시예에서는 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)가 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44) 사이에 연결될 때, 내부에 직사각형의 공간(슬롯)(S)이 형성되어 있는 데 이 공간(슬롯)(S)의 크기는 본 발명의 방향성 결합기의 특성에 크게 영향을 미치지 않는다.
한쌍의 위상지연 결합선로(31a,32a; 31b,32b)의 폭은 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)의 전송선로보다 넓게 설정되고, 개방 스터브(open stub)(33a,33b)의 폭보다 좁게 설정되며, 위상지연 결합선로(31a,32a; 31b,32b)와 개방 스터브(open stub)(33a,33b)의 길이는 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44)의 전송선로보다 짧게 설정된다.
입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44) 사이의 간격(G1)은 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)의 한쌍의 위상지연 결합선로(31a,32a; 31b,32b) 사이의 간격(G2) 보다 더 좁게 설정되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 방향성 결합기는 중심주파수 700MHz에서 -10.68dB의 결합량(S31)을 나타내고, 10%의 대역폭 내(630 ~ 770MHz)에서 약 ±0.5dB의 결합량 변화를 보이며, 10%의 대역폭 내에서 -28dB보다 작은 반사손실(S11)과 -18dB보다 작은 격리도(S41) 특성을 가지며, 두 출력단자(P2,P4) 사이에 중심주파수(700MHz)와 대역폭 40% 내(560 ~ 840 MHz)에서 약 89.7°의 위상차 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 방향성 결합기는 90°보다 아주 작은 입력단 결합선로(41,42)와 출력단 결합선로(43,44) 사이에 제1 및 제2 위상지연선로(30a,30b)를 삽입함으로써 결합기의 길이(2θ1+θ2)가 90°보다 작을 때 최대의 결합량을 가지게 되며, 그 결과 본 발명의 방향성 결합기는 λ/8 보다 단축된 길이의 30mm로 초소형으로 구현될 수 있어 일반적인 λ/4 결합기와 비교할 때 결합기의 물리적 크기를 약 55% 줄일 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 인공전송선로를 이용한 방향성 결합기의 설계방법을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 커패시터와 인덕터를 이용해 표준적인 설계법으로 저역통과필터를 설계한다.
둘째, 저역통과필터를 LUC 구조로 변환한다.
셋째, LUC 양단에 짧은 입력단 및 출력단 전송선로를 추가하여 3단 전송선로를 설계한다(선로의 전기적 길이는 첫째 단, 둘째 단, 셋째 단 모두 합쳐 90도, 첫째 단과 셋째 단은 동일하게).
넷째, 수학식 10이 성립하도록 둘째 단의 전기적 길이를 튜닝한다.
다섯째, 알고 있는 첫째 단과 둘째 단의 전기적 길이를 수학식 9에 적용하여 첫째 단과 셋째 단의 결합량과 결합계수를 구하고, 얻어진 결합계수를 수학식 1에 적용하여 우수모드와 기수모드 임피던스를 구하며, 우수모드와 기수모드 임피던스를 이용하여 수학식 4에 의해 인공전송선로의 특성 임피던스를 구한다.
여섯째, 얻어진 S-파라미터를 이용하여 모의실험을 실시하여 특성을 확인하고, 상용 프로그램(ADS의 Line Calculator)에 의해 얻어진 S-파라미터를 이용하여 실물 제품의 제작에 사용될 파라미터를 구한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 방향성 결합기는 중심주파수 700MHz에서 -10 dB의 결합량을 갖는 방향성 결합기로서 HDTV 방송 또는 이동통신 분야에 주파수가 낮은 대역에서 결합량이 낮은 다양한 결합기를 만드는데 유용할 것이다.
21-26: 결합선로 30,30a,30b: 위상지연선로
31-31b,32-32b: 위상지연 결합선로 33-33b: 개방 스터브
41,42: 입력단 결합선로 43,44: 출력단 결합선로
50: 기판 51: 제1전송선로
53: 제2전송선로

Claims (12)

  1. 절연성 재료로 이루어진 기판;
    상기 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 선로의 입구와 출구에 각각 입력포트와 출력포트가 연결되는 제1전송선로; 및
    상기 제1전송선로와 간격을 두고 평행하게 배치되며 도전성 마이크로스트립 라인으로 이루어지며, 선로의 입구와 출구에 각각 결합포트와 격리포트가 연결되는 제2전송선로를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 전송선로는 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 3단 구조로 이루어지며, 일측에 입력포트와 결합포트가 연결되는 입력단 결합선로, 일측에 출력포트와 격리포트가 연결되는 출력단 결합선로 및 상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입되며 인공전송선로 중 LUC(Low-pass filter unit cell) 구조를 이용한 제1 및 제2 위상지연선로를 형성하는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송선로는 λ/8 보다 단축된 길이로 형성되고,
    상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로는 동일한 결합량과 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상지연선로는 위상지연 기능을 갖는 체비세프(ChebyShev) 저역통과필터인 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상지연선로는
    일단이 각각 입력단 결합선로와 출력단 결합선로에 직각으로 절곡되어 연결되고 상호간에 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 위상지연 결합선로; 및
    상기 한쌍의 위상지연 결합선로를 연결하며 입력단 결합선로 및 출력단 결합선로와 평행하게 배치된 개방 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한쌍의 위상지연 결합선로의 폭은 입력단 결합선로와 출력단 결합선로의 전송선로보다 넓게 설정되고, 개방 스터브의 폭보다 좁게 설정되며,
    상기 위상지연 결합선로와 개방 스터브의 길이는 입력단 결합선로와 출력단 결합선로의 전송선로보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상지연선로는 각각 "π"자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송선로는 선대칭 구조이며, 좌우 동형인 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송선로의 전기적 길이가 90°보다 작을 때 최대의 결합량을 가지는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1전송선로는 주신호를 전송하는 선로로 이용되고, 제2전송선로는 주전송선로에 결합되어 분석을 위해 소량의 신호를 추출하기 위한 선로로 이용되는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상지연선로가 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 연결될 때, 내부에 직사각형의 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  11. 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 입력단 결합선로;
    서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 전송선로를 포함하는 출력단 결합선로;
    상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로 사이에 삽입되며 인공전송선로(ATL) 방식으로 설계되어 위상 지연 기능을 갖는 제1 및 제2 위상지연선로를 포함하며,
    상기 입력단 결합선로와 출력단 결합선로는 결합량과 전기적 길이가 동일하며,
    상기 제1 및 제2 위상지연선로는 결합량이 0인 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상지연선로는 각각 LUC(Low-pass filter unit cell) 구조를 가지며,
    일단이 각각 입력단 결합선로와 출력단 결합선로에 직각으로 절곡되어 연결되고 상호간에 간격을 두고 평행하게 배치되는 한쌍의 위상지연 결합선로; 및
    상기 한쌍의 위상지연 결합선로를 연결하며 입력단 결합선로 및 출력단 결합선로와 평행하게 배치된 개방 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공전송선로를 이용한 결합선로 방향성 결합기.
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