KR102302423B1 - 마이크로스트립 방향성 결합기 - Google Patents

마이크로스트립 방향성 결합기 Download PDF

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김성진
이문규
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Abstract

마이크로스트립 방향성 결합기에 대한 것이다.
절연성 기판; 상기 절연성 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되는 주선로; 상기 주선로가 형성된 면에 상기 주선로와 동일한 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되며, 상기 주선로를 중심에 두고 상기 주선로와 각각 평행하게 형성되되, 양단부는 각각 바깥 방향으로 직각 절곡되어 일정 길이만큼 연장되어 있는 제1, 2부선로;를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

마이크로스트립 방향성 결합기{Microstrip Directional Coupler}
본 발명은 마이크로스트립 방향성 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세 개의 전송 선로가 전자기적으로 연결되어 있는 마이크로스트립 방향성 결합기에 관한 것이다.
결합기는 두 개의 전송 선로가 서로 가까이 있을 때, 전송 선로들의 전자기장 상호 작용으로 방향성을 갖는 전력이 서로 결합된 수동 소자이다.
이러한 결합기의 특징은 다양한 RF 회로와 시스템에서 기본 구조로 이용된다. 또한, 특정한 방향으로 전력이 전송되지 않는 결합기를 방향성 결합기라 한다.
방향성 결합기 중에서 마이크로스트립 선로를 사용한 방향성 결합기의 경우, 전자계가 유전체에 대부분 존재하지만, 공기에도 존재하기 때문에 TM-TE 모드의 복합된 파가 형성된다.
따라서 공기와 유전체 사이 경계 조건이 복잡하게 이루어져 우 모드(even mode)와 기 모드(add mode) 간의 유효 유전율이 달라지고, 위상 속도가 달라져 방향성 특성이 악화된다.
그 결과, 입력 전력이 가해졌을 때, 누설 전력이 발생한다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기는 유전체 상에 주선로(102)와 제1, 2부선로(101, 103)를 포함하여 구성되고, 소정 간격으로 이격되어 배치되며, 주선로(102)와 제1, 2부선로(101, 103)의 길이는 최대 결합도를 얻기 위해 일반적으로 입력 신호의 파장(λ)/4 배로 결정한다.
예를 들어, 도 1의 (b)에서 주선로(102)의 두께(W1)와 제1, 2부선로(101, 103)의 두께(W2)는 각각 0.85mm, 0.6mm로 구현될 수 있으며, 각 선로들 간의 간격(S1)은 0.3mm로 구현될 수 있고, 방향성 결합기의 길이(L)은 7.642mm로 구현될 수 있다.
도 1에서 ①, ③은 결합 포트, ②는 입력 포트, ④, ⑥은 격리 포트, ⑤는 출력 포트이다.
종래 마이크로스트립 방향성 결합기의 방향성 특성은 격리 특성이 작을수록 나빠진다. 이때, 격리 특성은 OUT 단자에서 CUP 단자로 흘러 들어오는 신호이며, 이 신호로 인해 누설 전력이 발생한다.
즉, 도 1의 (a)에서 입력 포트(②)에 전력이 가해지면, (1) 방향으로 누설 전력이 발생하게 된다. 여기서 (1) 방향으로 발생하는 누설 전력은 서로 다른 우 모드와 기 모드의 위상 속도에 따른 것이다.
이러한 누설 전력을 식으로 구현하기 위해 삽입 손실 특성, 결합 특성, 격리 특성을 각각 T, C, I로 명시하고, 누설 전력을 Lisol이라고 명시하는 경우, 수설 전력은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020114804059-pat00001
이상에서 살펴본 바와 같이 종래 마이크로스트립 방향성 결합기는 공기와 유전체 사이 경계 조건이 복잡하게 이루어져 우 모드와 기 모드 간의 유효 유전율이 달라지고, 위상 속도가 달라져 방향성 특성이 악화됨에 따라, 입력 포트에 전력이 가해지면, 누설 전력이 발생하게 된다.
이와 같이 마이크로스트립 방향성 결합기에서 발생하는 우 모드와 기 모드 간의 위상 속도 문제를 해결하기 위해서 등방성 특징으로 인한 우 모드와 기 모드의 위상속도가 같은 스트립라인을 사용할 수 있다.
하지만 이는 마이크로스트립 구조에 비해 제작이 어렵고, 비용이 크다는 단점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2005-0104124호(공개일 2005.11.20.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 주선로와 제1, 2부선로 사이의 이격 거리를 서로 다르게 구현하여 삽입 손실의 증가를 방지할 수 있도록 하는 마이크로스트립 방향성 결합기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 제1, 2부선로의 일단에 특정 반사 계수를 가지는 부하 임피던스를 형성하여 낮은 격리 특성을 보상할 수 있도록 하는 마이크로스트립 방향성 결합기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제작이 편리하고, 재현성이 우수한 마이크로스트립 방향성 결합기를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기는, 절연성 기판; 상기 절연성 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되는 주선로; 상기 주선로가 형성된 면에 상기 주선로와 동일한 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되며, 상기 주선로를 중심에 두고 상기 주선로와 각각 평행하게 형성되되, 양단부는 각각 바깥 방향으로 직각 절곡되어 일정 길이만큼 연장되어 있는 제1, 2부선로;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1, 2부선로는, 각각 그 중심부에 단차가 형성되도록 절곡되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1, 2부선로의 각 중심부에 형성되는 단차는, 상기 제1, 2부선로가 기판에 배치되었을 때 같은 방향으로 절곡되어 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1, 2부선로는 각각, 일단에 기설정된 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00002
를 갖는 부하 임피던스가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 마이크로스트립 방향성 결합기는, 주선로와 제1, 2부선로 사이의 이격 거리를 서로 다르게 구현하여 삽입 손실의 증가를 방지할 수 있게 된다.
또한 제1, 2부선로의 일단에 특정 반사 계수를 가지는 부하 임피던스를 형성하여 낮은 격리 특성을 보상할 수 있게 된다.
또한 제작이 편리하고, 재현성이 우수한 마이크로스트립 방향성 결합기를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 모의 실험 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 실제 측정 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기(200)는 절연성 기판(도시하지 않음), 절연성 기판(도시하지 않음)의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되는 주선로(202), 주선로(202)가 형성된 면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되는 제1, 2부선로(201, 203)을 포함하여 이루어질 수 있다.
주선로(202)의 입구와 출구에는 각각 입력 포트(①)와 출력 포트(②)가 연결될 수 있다.
제1, 2부선로(201, 203)의 주선로(202)와 각각 평행하게 형성되되, 양단부는 각각 바깥 방향으로 직각 절곡되어 일정 길이만큼 연장되어 있다.
제1, 2부선로(201, 203)는 각각 그 중심부에 단차가 형성되도록 절곡되어, 주선로(202)와 제1부선로(201) 사이의 이격 거리와 주선로(202)와 제2부선로(203) 사이의 이격 거리가 서로 달라지도록 할 수 있다.
구체적으로 제1, 2부선로(201, 203)는 도 2에 도시하는 바와 같이 그 중심부에서 S자형으로 절곡되어 단차를 형성시킨다.
이와 같이 형성된 단차에 의해, 단차가 형성된 중심부를 기준으로 우측의 주선로(202)와 제1부선로(201) 사이의 이격 거리와 좌측의 주선로(202)와 제1부선로(201) 사이의 이격 거리가 서로 달라지도록 할 수 있다.
제1, 2부선로(201, 203)의 각 중심부에서 S자형으로 절곡되어 형성되는 단차는, 도 2에 도시하는 바와 같이 제1, 2부선로(201, 203)가 기판에 배치되었을 때 같은 방향으로 절곡되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1, 2부선로(201, 203)의 중심부에는 각각 같은 방향으로 절곡된 S자형 단차가 형성됨에 따라, 그 중심부를 기준으로 같은 방향의 주선로(202)와 제1부선로(201) 사이의 이격 거리와 주선로(202)와 제2부선로(203) 사이의 이격 거리가 서로 달라지도록 할 수 있다. 이때 주선로(202)와 제1부선로(201)의 결합 길이와 주선로(202)와 제2부선로(203)의 결합 길이는 같을 수 있다.
전술한 바와 같이 주선로(202)와 제1부선로(201) 사이의 이격 거리와 주선로(202)와 제2부선로(203) 사이의 이격 거리를 서로 달라지게 형성함으로써, 더 큰 이격 거리를 갖는 부분에서 약한 결합 계수를 가지게 하여 삽입 손실의 증가를 방지할 수 있게 된다.
또한 제1, 2부선로(201, 203)의 일단에는 기설정된 특정 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00003
를 갖는 부하 임피던스가 포함될 수 있다.
여기서 기설정된 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00004
를 갖는 부하 임피던스는 그 중심부에서 절곡되어 있는 제1, 2부선로(201, 203)의 양단 중에서 주선로(202)와 더 큰 이격 간격을 갖는 쪽에 구현되는 것이 바람직하다.
도 2에서 제1부선로(201)의 양단 중에서 좌측을 일단이라 하고 우측을 타단이라 칭하는 경우, 주선로(202)와 더 큰 이격 간격을 형성하는 타단에 기설정된 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00005
를 갖는 부하 임피던스가 연결되고, 일단에는 결합 포트(③)가 연결될 수 있다.
그리고 제2부선로(203)의 양단 중에서 좌측을 일단이라 하고 우측을 타단이라 칭하는 경우, 주선로(202)와 더 큰 이격 간격을 형성하는 일단에 기설정된 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00006
를 갖는 부하 임피던스가 연결되고, 타단에는 격리 포트(④)가 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이 제1, 2부선로(201, 203)를 그 중심부에서 같은 방향으로 S자형 단차가 형성되도록 구현하고, 제1, 2부선로(201, 203)의 일단(또는 타단)에 기설정된 특정 반사 계수
Figure 112020114804059-pat00007
를 갖는 부하 임피던스를 구비시킴으로써, 마이크로스트립 방향성 결합기(200)는 높은 격리 특성을 가지게 되며, 그로 인해 삽입 손실 특성이 증가되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 2의 (a)에서 입력 포트(①)에 전력이 가해지게 되면, 제1, 2부선로(201, 203)의 일단에 형성되어 있는 부하 임피던스에 의해 (2) 방향으로 전력이 발생하게 된다. 여기서 (2) 방향으로 발생하는 전력은 제1, 2부선로(201, 203)의 일단(또는 타단)에 형성되어 있는 부하 임피던스에 의해 반사되고, 종래 (1) 방향으로 발생하는 누설 전력을 상쇄시킬 수 있는 전력이다.
(2) 방향으로 발생하는 전력에 의한 누설 전력은 수학식 2로 나타낼 수 있고, 전체 누설 전력은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020114804059-pat00008
Figure 112020114804059-pat00009
수학식 2 및 수학식 3에서 T는 삽입 손실 특성, C는 결합 특성, I는 격리 특성이며,
Figure 112020114804059-pat00010
은 부하 임피던스의 반사 계수이다. 수학식 3에서 H.O.T는 Higher-Order Terms로서 부하에 의한 수많은 반사 전력을 포함하지만 그 크기가 매우 작아 전체 누설 전력에 영향을 끼치지 않는다. 따라서 부하 임피던스의 반사 계수는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112020114804059-pat00011
본 발명의 실시예에서
Figure 112020114804059-pat00012
값을 가지는 부하 임피던스는 매칭 회로를 통해 구현될 수 있고, 이 매칭 회로는 분포 소자(distributed elements)인 전송 선로와 50Ω의 SMD(Surface Mount Device) 저항으로 구현될 수 있다.
도 2의 (b)에서 주선로(202)의 두께(W1)와 제1, 2부선로의 두께(W2)는 각각 0.85 mm, 0.6 mm로 구현될 수 있으며, 각 선로들 간 간격들(S1, S2)은 각각 0.3 mm, 0.6 mm로 구현될 수 있다. 그리고 방향성 결합기(200)의 길이(L)은 7.642 mm로 구현될 수 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 모의 실험 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
도 3에서 마이크로스트립 방향성 결합기의 결합 계수, 격리 특성, 삽입 손실 특성을 dB 스케일로 도시한다.
도 3은 도 1의 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기 각각에 대해 유전율 4.4, 기판두께 0.6mm, tanδ=0.002인 FR4 기판 위에 U-NII-3(5.725~5.850 GHz), U-NII-4(5.850~5.925 GHz) 대역에서 방향성 결합기의 특성을 나타내는 모의 실험 결과이다. 상기한 대역에서 0.5 dB의 오차로 14 dB의 결합 계수를 가지고, 0.9 dB의 삽입 손실 특성을 가진다. 또한 47 dB이상의 격리 특성을 가져, 결과적으로 33 dB이상의 방향성 특성을 가진다.
도 4는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기의 실제 측정 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
도 4에서 마이크로스트립 방향성 결합기의 결합 계수, 격리 특성, 삽입 손실 특성을 dB 스케일로 도시한다.
도 4는 도 1의 종래 기술에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기와 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 방향성 결합기 각각에 대해 유전율 4.4, 기판두께 0.6mm, tanδ=0.002인 FR4 기판 위에 U-NII-3(5.725~5.850 GHz), U-NII-4(5.850~5.925 GHz) 대역에서 방향성 결합기의 특성을 나타내는 실제 측정 결과이다. 상기한 대역에서 0.5 dB의 오차로 14 dB의 결합 계수를 가지고, 0.9 dB의 삽입 손실 특성을 가진다. 또한 47 dB이상의 격리 특성을 가져, 결과적으로 33 dB이상의 방향성 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예를 통해 높은 격리 특성과 방향성 특성을 가지고, 설계 방법이 매우 간단한 마이크로스트립 방향성 결합기를 설계할 수 있게 된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
201. 제1부선로,
202. 주선로,
203. 제2부선로

Claims (4)

  1. 절연성 기판;
    상기 절연성 기판의 일면에 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되는 주선로; 및
    상기 주선로가 형성된 면에 상기 주선로와 동일한 도전성 마이크로스트립 라인으로 형성되며, 상기 주선로를 중심에 두고 상기 주선로와 각각 평행하게 형성되되, 양단부는 각각 바깥 방향으로 직각 절곡되어 일정 길이만큼 연장되어 있는 제1, 2부선로를 포함하고,
    상기 제1, 2부선로는, 상기 제1, 2부선로의 중심부에 단차가 각각 형성되도록 절곡되며,
    상기 단차는, 상기 제1, 2부선로가 상기 절연성 기판에 배치될 때 동일한 각도 및 동일한 방향으로 절곡되며,
    상기 제1, 2부선로 각각은, 양 끝단 중에서 상기 주선로와 이격 거리가 더 큰 일단에 기설정된 반사 계수를 가지는 부하 임피던스가 형성되는, 마이크로스트립 방향성 결합기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주선로와 상기 제1부선로 간의 제1이격 거리는 상기 중심부를 기준으로 상기 주선로와 상기 제2부선로 간의 제2이격 거리와 다르고,
    상기 제1이격 거리와 상기 제2이격 거리 간의 차이는 2배인, 마이크로스트립 방향성 결합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부하 임피던스는 다음과 같은 수학식으로 나타나는, 마이크로스트립 방향성 결합기.
    <수학식 x>
    Figure 112021068599879-pat00018

    상기 T는 삽입 손실 특성을 나타내며, 상기 C는 결합 특성을 나타내며, 상기 I는 격리 특성을 나타내고, 상기
    Figure 112021068599879-pat00019
    은 상기 부하 임피던스의 반사 계수를 나타냄.
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