KR20060120189A - 양방향 커플러 - Google Patents

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KR20060120189A
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앨런 에프. 포델
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Abstract

커플러는 유전체 기질의 대향측에 배치된, 상호결합되는 제1 및 제2나선을 포함한다. 상기 기질은 하나이상의 층으로 형성되고, 코일은 주어진 용도에 적합한 다수의 회전수를 갖는다. 나선을 형성하는 도전체는 기질상에서 서로 대향하며, 각각의 나선은 각각의 기질측에서 하나이상의 부분을 포함한다. 커플러의 각가의 도전체는 단부의 폭 보다 넓은 중간부를 포함한다. 연장부는 각각의 중간부로부터 연장되며, 2개의 연장부는 중첩되지 않는 상태로 연장된다.
유전체, 터미널, 중간부, 나선, 기질, 주파수, 파장, 접지층

Description

양방향 커플러{BI-LEVEL COUPLER}
한쌍의 도전성 라인은 이격되었을 때 결합되지만, 한쪽에 흐르는 에너지가 다른쪽에 유도되도록 밀착이격된다. 이러한 라인들 사이로 흐르는 에너지의 양은 도전체가 있는 유전 매체와 상기 라인들 사이의 이격거리와 관련되어 있다. 상기 라인들을 둘러싸고 있는 전자기장은 이론적으로는 무한하지만, 관련의 결합량에 따라 밀착되어 결합되거나, 느슨하게 결합되거나, 또는 결합되지 않는 것으로 언급된다.
커플러는 결합된 라인의 장점을 취하도록 형성된 전자기 장치로서, 결합된 2개의 라인의 각각의 단부와 관련되어 있는 4개의 포트를 갖는다. 주-라인은 입력 포트에 직간접으로 연결된 입력부를 갖는다. 또 다른 라인 또는 보조 라인은 결합된 포트와 절연된 포트 사이로 연장된다. 커플러는 역전될 수 있으며, 이 경우 상기 절연된 포트는 입력 포트가 되고, 입력 포트는 절연된 포트가 된다. 이와 마찬가지로, 결합된 포트 및 직접 포트는 뒤바뀐 명칭을 갖는다.
방향성 커플러는 모든 포트에서 동시에 임피던스 매칭되는 4포트 네트웍이다. 파워는 한쪽 포트 또는 다른쪽 포트로부터 대응의 출력 포트쌍으로 흐르며, 만일 출력 포트가 적절히 종료되었다면, 입력쌍의 포트는 절연된다. 2개의 출력 사이에서 그 출력 파워를 균일하게 분할하기 위해서는 일반적으로 하이브리드가 가정되는 반면에, 보다 일반적인 용어인 방향성 커플러는 균일하지 않은 출력을 갖는다. 간혹, 커플러는 결합된 출력과 매우 약한 결합을 가지며, 이것은 입력부로부터 주-출력부까지 삽입 손실을 감소시킨다. 방향성 커플러의 품질을 측정하는 한가지 방법은 그 지향성으로서, 이것은 절연된 포트 출력에 대한 원하는 결합된 출력의 비율을 의미한다.
인접한 평행한 송신라인은 전기적 및 자기적으로 결합된다. 이러한 결합은 본질적으로 주파수에 비례하며, 그 지향성은 자기 결합 및 전기 결합이 동일할 경우 높아질 수 있다. 긴 결합영역은 증량성 결합의 벡터 총합이 더 이상 증가하지 않을 때까지, 라인들 사이의 결합을 증가시키며; 결합은 증가하는 전기 길이와 함께 사인파 형태로 감소될 것이다. 여러 용도에 있어서, 광대역에 대해 일정한 결합을 갖는 것이 바람직하다. 대칭의 커플러는 결합된 출력 포트 사이에서 본질적으로 90°상 편차를 나타내는 반면에, 비대칭형 커플러는 각도가 제로 또는 180°에 접근하는 상 편차를 갖는다.
페라이트나 또는 기타 다른 고투자성 물질이 사용되지 않는다면, 일반적으로 캐스캐이딩 커플러를 통해 높은 주파수에서의 옥타브(octave) 대역폭이 달성된다. 균일한 긴 커플러에 있어서, 결합은 길이가 파장의 1/4을 초과할 때 롤링오프되며, 단지 옥타브 대역폭만 +/- 0.3dB 결합 리플에 대해 실질적이다. 만일 결합시 2개의 외측부는 결합시 동일하고 중앙 결합보다는 훨씬 약한, 길이가 같은 3개의 커플러가 하나의 긴 커플러로서 연결된다면, 광대역 디자인이 될 것이다. 저주파에서 는 모두 3개의 결합이 부가된다. 고주파수에서, 상기 3개의 부분은 조합되어 그 중앙 주파수에서 감소된 결합을 제공하며, 각각의 커플러는 1/4 파장을 갖는다. 이러한 디자인은 매우 큰 대역폭을 얻기 위해 많은 부분으로 연장된다.
캐스캐이드형 커플러 접근방식에는 2가지 특징이 존재한다. 한가지 특징으로는 그 조합된 길이가 최저 대역 엣지 보다 1/4 파장 보다 길기 때문에, 상기 커플러가 매우 길고 손실이 크다는 점이다. X:1 대역폭의 캐스캐이드형 커플러는 그 범위의 가장 높은 단부에서 X/4 파장 길이를 갖는다. 선택적으로, 일반적으로 손실이 큰 럼프형소자를 사용할 수도 있다.
결합된 영역의 단부에서 급작스럽게 종료되는 지속적으로 증가하는 결합을 갖는 비대칭형 커플러는 대칭형 커플러와는 상이하게 행동할 것이다. 출력 포트들 사이에서 일정한 90°상편차 대신에, 제로 또는 180°에 가까운 상편차가 실현될 수 있다. 만일 결합의 크기가 중요하다면, 이러한 커플러는 주어진 대역폭에 대해 대칭형 커플러 보다 2/3 또는 3/4 정도로 짧아질 수 있다.
럼프형 소자와는 달리 이러한 커플러는 스텝형 임피던스 커플러와 변압기 사이의 유사성을 이용하여 설계되었다. 그 결과, 상기 커플러에는 중앙 디자인 주파수의 1/4 파장의 길이를 각각 갖는 스텝형 부분이 제조되며, 여러개의 긴 부분이 형성된다. 커플러 부분은 부드럽게 변화되는 커플러와 조합된다. 이러한 디자인은 이론적으로 고주파 컷오프를 발생시키지만, 커플러의 길이를 감소시키지는 않는다.
유전체 기질의 대향측에 배치되는 상호결합되는 제1 및 제2나선을 포함하는 커플러가 서술된다. 상기 기질에는 하나이상의 층이 형성되며, 코일은 설정의 용도에 적합한 다수의 회전수를 갖는다. 나선을 형성하는 도전체는 기질상에서 서로 대향하고 있으며, 각각의 나선은 기질의 각각의 측부에 하나이상의 부분을 포함한다.
커플러는 결합된 부분을 형성하는 기질의 대향측에 형성되어 있는 제1 및 제2도전체를 포함하는 것으로 서술된다. 상기 결합된 부분은 단부의 폭 보다 넓은 폭을 갖는 중간부를 포함한다. 상기 제1 및 제2도전체는 각각의 중간부를 횡단하며 이로부터 연장되는 연장부를 부가로 포함한다. 2개의 연장부가 중첩되지 않은 상태로 연장된다.
도1은 나선계 커플러를 개략적으로 도시한 도면.
도2는 기질상에 형성된 커플러의 평면도.
도3은 도2의 커플러를 포함하는 커플러의 평면도.
도4는 도3의 선4-4를 따른 단면도.
도5는 도4의 선5-5를 따른 커플러의 제1도전체의 평면도.
도6은 도4의 선6-6을 따른 커플러의 제2도전체의 평면도.
도7은 도3의 커플러에 대응하는 커플러를 위한 주파수의 함수로서 시뮬레이트된 선택된 작동 변수를 도시한 도면.
2개의 결합된 라인은 증식의 홀수 및 짝수 모드에 기초하여 분석된다. 한쌍의 동일한 라인에 대하여, 짝수 모드는 라인의 입력부에 인가된 동일한 전압에 존재하며, 홀수 모드에 대해서는 상이탈 전압이 종재한다. 이러한 모델은 동일하지 않은 라인과 복합의 결합된 라인으로 연장된다. 50오옴 시스템에서 높은 지향성에 대해, 홀수 및 짝수 모드의 특징적인 임피던스의 산물 즉, Zoe*Zoo 는 Zo2 또는 2500 오옴이다. Zo, Zoe, 및 Zoo 는 커플러의 특징적인 임피던스이며, 짝수 모드 및 홀수 모드 각각에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 2개의 모드의 증식 속도가 동일할수록, 커플러의 지향성은 더 양호해진다.
결합된 라인 위아래의 유전체는 짝수 홀수 모드에는 거의 영향을 끼치지 않는 반면에, 짝수 모드 임피던스는 감소시킨다. 유전상수가 1인 유전체로서의 공기는 유전상수가 높은 기타 다른 유전체에 비해 짝수 모드 임피던스가 감소되는 양을 감소시킨다. 그러나, 커플러를 형성하는데 사용되는 제1도전체는 지지되어야만 한다.
나선은 두가지 이유로 인해 짝수 모드 임피던스를 증가시킨다. 한가지 이유는 접지에 대한 커패시턴스가 복수개의 도전체 부분 사이에 공유된다는 점이다. 또한, 인접한 도전체 사이의 자기 결합은 그 유효 인덕턴스를 상승시킨다. 나선형 라인은 직선형 라인 보다 작으며, 짝수 모드에 상당한 충격을 가하지 않고서도 지지하기가 용이하다. 그러나, 1 보다 큰 유전체를 갖는 물질상에서 나선을 지지하 면서 나선 위아래에서 유전체로서 공기를 사용하는 것은 속도 불균형을 생성할 수 있는데, 그 이유는 짝수 모드가 공기를 통해 다량으로 증식될동안, 결합된 라인들 사이에서 유전체를 통해 홀수 모드가 다량으로 증식되어 공기에서의 증식에 비해 느려지기 때문이다.
증식의 홀수 모드는 평형화된 전달 라인이다. 동일한 짝수 및 홀수 모드 속도를 얻기 위하여, 짝수 모드는 홀수 모드의 유전체 로딩에 의해 유도된 속도 감속과 동일한 양으로 감속된다. 이것은 짝수 모드에 약간의 럼프형 지연을 형성하므로써 달성된다. 나선형 부분의 중앙에서 접지부에 커패시턴스를 부가하면 L-C-L 로우 패스 필터를 생성한다. 이것은 나선의 중앙부나 중간부에 도전체를 넓게 하므로써 달성된다. 나선의 절단부들 사이의 결합은 로우 패스 필터를 거의 올-패스 "T" 부분으로 변형시킨다. 나선의 전기 길이가 디자인 센터 주파수의 1/9 정도로 충분히 길 때, 나선은 럼프형 소자로서 작용하는 것으로 간주되지 않는다. 그 결과, 거의 올-패스가 된다. 거의 올 패스 짝수 모드의 지연과 평형화된 유전체 로딩된 홀수 모드의 지연은 10개 대역폭에 대해 거의 동일하게 된다.
디자인 센터 주파수가 감소됨에 따라, 훨씬 럼프형으로 또한 올-패스로 하기 위해 나선에서 더 많은 회전수를 사용할 수 있게 되어, 가장 높은 주파수에서 양호한 행동을 갖게 된다. 물리적 스캘링 다운(scaling down)은 높은 주파수에서 더 많은 회전수를 사용할 수 있게 하지만, 궤적의 칫수와 유전체 층은 실현하기가 어려워진다.
도1은 이러한 개념에 기초하여, 제1나선(14)를 갖는 제1도전체(12)와 제2나 선(18)을 갖는 제2도전체(16)를 포함하는 커플러(10)를 도시하고 있다. 다양한 나선 형태가 실현될 수 있지만, 도시된 실시예에서 서로 유도가능하게 결합된 나선(14, 18)은 제1 및 제2레벨(20, 22)로 배치되며, 이러한 두 레벨 사이에 유전층(24)이 배치된다. 나선(14)은 레벨(20)상에 제1부분 또는 단부(14a)를, 레벨(22)상에 제2부분 또는 중간부(14b)를, 레벨(20)상에 제3부분 또는 단부(14c)를 갖는다. 이와 마찬가지로, 나선(18)은 레벨(22)상에 제1부분 또는 단부(18a)를, 레벨(20)상에 제2부분 또는 중간부(18b)를, 레벨(22)상에 제3부분 또는 단부(18c)를 갖는다. 따라서, 도전체(12)는 단부(12a, 12b)를 가지며, 상기 나선(14)은 중간 도전체 부분(12c)인 것으로 간주되고; 도전체(16)는 단부(16a, 16b)를 가지며, 상기 나선(18)은 중간 도전체 부분(16c)인 것으로 간주된다. 단부(12a, 12b, 16a, 16b)는 관련의 나선을 위한 각각의 입력 및 출력 터미널인 것으로 간주된다.
상기 나선(14)은 레벨(20)상의 부분(14a)과 레벨(22)상의 부분(14b)을 상호연결하는 상호연결부(26)와, 레벨(22)상의 부분(14b)과 레벨(20)상의 부분(14c)을 상호연결하는 상호연결부(28)와, 레벨(22)상의 부분(18a)과 레벨(20)상의 부분(18b)을 상호연결하는 상호연결부(30)와, 레벨(20)상의 부분(18b)과 레벨(22)상의 부분(18c)을 상호연결하는 상호연결부(32)를 포함한다. 커플러의 결합 레벨은 층(24)을 포함하는 나선을 둘러싸는 유전체의 효과 유전상수 뿐만 아니라, 유전체층(24)의 두께에 대응하는 레벨(20, 22) 사이의 이격거리(D1)에 의해 영향을 받는다. 나선 위아래 사이의 이러한 유전체층은 공기와 여러 고형 유전체를 포함하여, 적절한 물질이나 이러한 물질이나 층의 조합으로 이루어진다.
동일면의 커플러 부분(14a, 18b) 등과 같이, 일반적으로 서로에 대해 연장되어 그 엣지를 따라 결합되는 커플러 부분 또는 도전체는 엣지 결합을 갖는 것으로 언급된다. 이와 마찬가지로, 대향의 커플러 부분(14a, 18a) 등과 같이, 일반적으로 평행하게 연장되며 서로 대면하며 그 표면을 따라 결합되는 커플러 부분 또는 도전체는 넓게 결합된 것으로 언급된다.
상술한 바와 같은 특징을 실현시키는, 커플러(10)와 유사한 특수한 커플러(40)의 평면도가 도2에 도시되어 있다. 커플러(40)는 제1나선(44)을 형성하는 제1도전체(42)와, 제2나선(48)을 형성하는 제2도전체(46)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 나선(44, 48)은 두 레벨 사이에서 유전체 기질(54)의 제1표면(50) 및 제2표면(52)에 배치된다. 감춰진 표면(52)상의 도전체는 점선으로 도시된 도전체를 제외하고는, 투시가능한 표면(50)상의 (중첩된)도전체 아래에 직접 놓인 것과 동일하다. 나선(44)은 표면(50)상에 제1부분 또는 단부(44a)를, 표면(52)상에 제2부분 또는 중간부(44b)를, 표면(50)상에 제3부분 또는 단부(44c)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 나선(48)은 표면(52)상에 제1부분 또는 단부(48a)를, 표면(50)상에 제2부분 또는 중간부(48b)를, 표면(52)상에 제3부분 또는 단부(48c)를 포함한다. 따라서, 도전체(42)는 단부(42, 42b)를 가지며, 상기 나선(44)은 중간 도전체 부분(42c)인 것으로 간주되며; 도전체(46)는 단부(46a, 46b)를 가지며, 상기 나선(48)은 중간 도전체 부분(46c)인 것으로 간주된다. 단부(42a, 42b; 46a, 46b)는 각각의 관련 나선을 위한 각각의 입력 및 출력 터미널인 것으로 간주된다.
상기 나선(44)은 표면(50)상의 부분(44a)과 표면(52)상의 부분(44b)를 상호 연결하는 연결로(56)와, 표면(52)상의 부분(44b)과 표면(50)상의 부분(44c)을 상호연결하는 연결로(58)와, 표면(52)상의 부분(48a)과 표면(50)상의 부분(48b)을 상호연결하는 연결로(60)와, 표면(50)상의 부분(48b)과 표면(52)상의 부분(48c)을 상호연결하는 연결로(62)를 부가로 포함한다.
나선의 중간부(44b, 48b)는 폭(D2)을 가지며, 단부(44a, 44c, 48a, 48c)는 폭(D3)을 갖는다. 상기 폭(D3)은 공칭적으로 폭(D2)의 절반임을 알 수 있다. 나선의 중간부에서 도전체의 증가된 크기는 나선의 단부를 따른 커패시턴스에 비해 증가된 커패시턴스를 제공한다. 상술한 바와 같이, 이것은 커플러를 더욱 L-C-L 로우 패스 필터이게 한다. 또한, 각각의 나선은 약 7/4 회전수를 갖는다. 상술한 바와 같이 1회전 나선에 대해 증가된 회전수는 나선 기능을 더욱 럼프형 소자이게 하므로, 이에 따라 더욱 올 패스 커플러이게 한다.
따라서, 커플러(40)는 50오옴 커플러를 형성한다. 대칭의 광대역 커플러는 3부분, 5부분, 7부분, 또는 9부분으로 형성될 수 있으며; 나선형 커플러 부분은 중앙부를 형성한다. 상기 중앙부 결합은 주로 연장된 커플러의 대역폭을 결정한다. 이러한 커플러(70)의 실시예가 도3 내지 도6에 도시되어 있다. 도3은 중앙 커플러 부분(72)으로서 도2의 커플러를 포함하는 커플러(70)의 평면도이다. 커플러(40)에 대한 도면부호는 부분(72)의 동일한 부분을 위해 사용된다. 도4는 커플러의 부가층의 실시예를 도시하는, 도3의 선4-4를 따른 단면도이다. 도5는 도4에 선5-5를 따라 도시된 바와 같이, 도3의 커플러의 제1도전층(74)의 평면도이다. 도6은 2개의 도전층 사이의 기질과 도전층 사이의 천이부에서, 도4의 선6-6을 따라 도시한, 도3의 커플러의 제2도전층(76)의 평면도이다.
도3에 있어서, 커플러(70)는 하이브리드 구적(qudrature) 커플러이며, 중앙부(72)와 함께 4개의 커플러 부분을 포함한다. 상기 부가적인 4개의 커플러 부분은 따 다른 커플러 부분(78, 80)과, 중간 커플러 부분(82, 84)을 포함한다. 외측부(78)는 제1및 제2포트(86, 88)에 연결된다. 외측부(80)는 제3 및 제4포트(90, 92)에 연결된다. 주어진 용도에 있어서, 상기 포트(86, 88)는 입력부이고, 결합된 포트이며; 포트(90, 92)는 직접적이고 절연된 포트이다. 커플러에 대한 연결과 그 사용에 따라, 이러한 포트 표시는 측부-측부 또는 단부-단부로부터 역전될 수 있다. 즉, 포트(86, 88)는 결합된 포트 및 입력 포트이고;, 포트(90, 92) 또는 포트(92, 90)는 입력 포트 및 결합된 포트이다. 출력 포트의 위치를 변화시키기 위하여, 도전층은 변화될 수 있다. 예를 들어, 포트(90, 92)의 자화를 플립핑하고 하나이상의 인접한 커플러 부분을 선택적으로 포함하므로써, 결합된 직접 포트(88, 90)는 커플러의 동일측에 있게 된다.
도4에 도시된 바와 같이, 커플러(70)는 제1의 중앙 유전체 기질(94)을 포함한다. 상기 기질(94)은 단일층이거나, 또는 유전상수가 동일하거나 상이한 층의 조합일 수 있다. 일실시예에서, 중앙의 유전체의 두께는 10mil 이며, 상표명 TEFLONTM 등과 같은 폴리플론 물질로 형성된다. 선택적으로, 상기 유전체는 6mil 이하의 두께를 가질 수도 있며, 4.5mil 등과 같이 약 5mil 이하의 두께가 실현될 수도 있다. 약 200MHz 내지 2GHz 범위의 주파수에서 작동되는 회로가 실현된다. 제조 공차에 따라 100MHz 내지 10GHz 사이 또는 1GHz 이상의 주파수 등과 같이, 기타 다른 주파수도 사용될 수 있다.
제1도전층(74)은 중앙 기질(94)의 상부면에 배치되고, 제2도전체(76)는 중앙 기질의 하부면에 배치된다. 선택적으로, 상기 도전층은 자체지지되거나, 또는 층(74)의 위 또는 층(76)의 아래에 지지용 유전체층이 배치될 수도 있다.
도시된 바와 같이, 제2유전체층(96)은 도전층(74) 위에 배치되고, 제3유전체층(98)은 도전층(76)의 아래에 배치된다. 층(96)은 제1 및 제2나선(44, 48) 위에 배치된 공기층(102)의 일부와 고형의 유전체 기질(100)을 포함한다. 기질(100)과 함께 상기 공기층(102)은 유전체를 통과하여 연장되는 개구(104)에 의해 형성된다. 제3유전체층(98)은 공기층(110)을 위한 개구(108)를 갖는 고형의 유전체 기질(106)을 포함하는, 유전체층(96)과 실질적으로 동일하다. 유전체 기질(100, 106)은 적절한 유전체 물질일 수 있다. 높은 파워를 위한 용도에서는 나선의 협소한 궤적에서의 가열이 중요하다. 커패시턴스 중간부에서 나선을 지지하기 위하여 또한 커패시턴스를 부가할 동안 열분류기로서 작용하기 위하여, 유전체 기질(100, 106)을 위해 알루미나 또는 기타 다른 전열성 도전 물질이 사용될 수 있다.
각각의 도전성 기질(112, 114)에 의해 제2 및 제3유전체층의 양측에는 회로접지 또는 기준 포텐셜이 제공된다. 기질(112, 114)은 유전체 기질(100, 106)과 각각 접촉된다. 도전성 기질(112, 114)은 공기층(102, 110)이 연장되는 오목한 영역 또는 공동(116, 118)을 포함한다. 그 결과, 접지면으로 작용하며, 각각의 도전층(74, 76)으로부터 각각의 도전성 기질(122, 114)까지의 거리(D4)는 공기층(102, 110)의 거리(D5) 보다 적다. 커플러(70)의 일실시예에서, 거리(D4)는 0.062mil 또는 1/16 이고, 거리(D5)는 0.125mil 또는 1/8 이다.
도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 연장부 또는 태브(120, 122)는 커플러 부분(78, 80)의 중간 나선부(44b, 48b)로부터 연장된다. 상기 태브(120, 122)는 나선의 상이한 위치로부터 연장되므로, 서로 중첩되지 않는다. 그 결과, 이들은 나선 사이의 결합에 영향을 끼치지 않으며, 접지로의 커패시턴스를 증가시킨다. 이것은 나선의 인덕턴스와 함께 짝수 모드를 위한 올패스 네트웍을 형성한다.
외측 커플러 부분(78, 80)은 서로의 거울상이다. 따라서, 단지 커플러 부분(78)만 설명될 것이며, 이러한 설명은 커플러 부분(80)에도 동일하게 적용될 수 있음을 인식해야 한다. 커플러 부분(78)은 밀착결합된 부분(124)과 비결합된 부분(126)을 포함한다. 이러한 일반적인 디자인은 본 발명에 참조인용된 본 출원인에 의해 계류중인 2003년 6월 25일자 출원된 미국 특허출원 제10/607,189호에 개시되어 있다. 상기 비결합된 부분(126)은 도전층(74, 76)의 일부로서 반대방향으로 연장되는 딜레이 라인(128, 130)을 포함한다. 결합된 부분(124)은 포트(86)와 딜레이 라인(128) 사이와 포트(88)와 딜레이 라인(130) 사이에 연결되어 있는 중첩된 도전성 라인(132, 134)을 포함한다. 라인(132)은 협소한 단부(132a, 132b)과 넓은 중간부(132c)를 포함한다. 라인(134)은 유사한 단부(134a, 134b)와 중간부(134c)를 포함한다.
단부(132a, 134a)와 그 관련의 포트(86, 88) 사이에서 결합된 라인의 분기영역에서, 결합된 라인(132, 134) 등과 같이 넓게 결합된 평행한 라인을 갖는 커플러 는 중간 라인 커패시턴스를 나타낸다. 라인이 분기될 때, 커패시턴스는 단순히 감소되고, 이격거리는 증가된다. 따라서, 라인-라인 커패시틴스는 결합된 영역의 단부에서 매우 높다.
이것은 결합된 영역의 단부에서 중앙 유전체를 통해 구멍을 천공하는 행위 등과 같이, 이러한 영역에서 중앙 유전체의 유전상수를 감소시키므로써 보상될 수 있다. 그러나, 이것은 제한된 효과를 갖는다. 짧은 커플러에 있어서, 이러한 과잉 "단부-효과" 커패시턴스는 커플러 자체의 일부로 간주되므로써, 낮은 홀수 모드 커패시턴스를 유발하여, 유효 유전상수를 효과적으로 상승시키므로써 홀수 모드 증식을 느리게 한다.
도시된 실시예에서, 결합된 영역의 중앙에는 태브(136, 138)에 의해 접지로의 부가 커패시턴스가 제공되며, 이러한 커패시턴스는 각각의 중간 결합 라인부(132c, 134c)의 중앙으로부터 대향 방향으로 연장된다. 이러한 커패시턴스는 짝수 모드 임피던스를 낮추며, 홀스 모드 웨이브 증식을 느리게 한다. 만일 짝수 및 홀드 모드 속도가 동일하다면, 커플러는 높은 지향성을 가질 수 있다. 결합된 라인 단부(132a, 132b, 134a, 134b)의 감소된 폭은 짝수 모드 임피던스를 적절한 값으로 상승시킨다. 이것은 홀수 모드 임피던스로 상승시키므로써, 속도 균일화를 위해 커플러의 중앙에 용량성 로딩이 사용될 때 결합되지 않은 천이부로의 결합부의 보정 형태에 도달하는데 필요한 일부 최적화가 있다.
태브(136)는 넓은 단부(136a)와 협소한 목부(136b)를 포함하며, 태브(138)는 넓은 단부(138a, 138b)를 포함한다. 상기 협소한 목부에 의해 태브는 결합된 부분 을 둘러싸는 자장에 거의 영향을 끼치지 않는다. 따라서, 커플러 중앙으로의 용량성 연결의 형태는 풍선, 플래그 형태를 취하며; 상기 플래그는 결합된 영역의 중앙에서 중앙 회로보드의 한쪽 도전체와 제1플래그와는 정반대인 다른쪽 회로보드의 다른쪽 도전체에 부착된 얇은 플래그 포올(협소한 목부)을 갖는다. 상기 플래그는 결합되지 않는 것이 중요하며, 따라서 이들은 다른쪽의 상부가 아니라, 결합된 라인의 대향 엣지에 연결된다.
중간 커플러 부분(82, 84)도 서로의 거울상이므로, 커플러 부분(84)은 상기 부분(82)이 동일한 특징을 갖는 것으로 설명된다. 커플러 부분(78)은 밀착결합된 부분(140)과, 비결합된 부분(142)을 포함한다. 도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 밀착결합된 부분(140)은 도전층(74)에서 결합된 라인(74)을, 도전층(76)에서 결합된 라인(146)을 갖는다. 중간 커플러 부분에서 각각 결합된 라인은 한쌍의 신장된 구멍과, 넓은 구멍과, 작은 구멍을 갖는다. 특히, 결합된 라인(144)은 비결합된 부분(142) 근처에 넓은 구멍(148)과, 결합된 라인의 다른쪽 단부에 작은 구멍(150)을 포함한다. 상기 결합된 라인(146)은 일반적으로 구멍(148)과 정렬되는 작은 구멍(152)과, 구멍(150)과 정렬되는 넓은 구멍(154)을 갖는다. 또한, 각각의 결합된 라인의 폭은 구멍들 사이의 중간 영역에서 감소된다. 이러한 구멍은 홀수 모드에서 결합된 라인에 의해 생성된 커패시턴스를 감소시키고, 인덕턴스를 기본적으로 동일하게 남긴다. 커플러 부분(78)과 마찬가지로, 이것은 결합된 부분에서 홀수 및 짝수 모드 속도를 동일하게 하려는 경향을 띈다.
제1 및 제2도전층(74, 76)은 도전층(74)상의 태브(156, 158)와 도전층(76)상 의 태브(160, 162) 등과 같이, 이들로부터 연장되는 다양한 태브를 부가로 포함한다. 이러한 다양한 태브는 커플러의 튜닝을 제공하므로써, 원하는 홀수 및 짝수 모드 임피던스 및 홀수 및 짝수 모드의 동일한 증식 속도를 제공하게 된다.
125mil 두께 및 5mil 두께의 유전체 기질(94)을 갖는 커플러(70) 및 공기층(102, 110)을 위해 도7에는 0.2GHz 내지 2.0GHz 주파수 범위에 대한 다양한 작동변수가 도시되어 있다. 수직축에는 3가지 크기(A, B, C)의 다양한 곡선이 도시되어 있다. 곡선(170)은 직접 포트상에서의 이득을 나타내며, 곡선(172)은 결합된 포트상에서의 이득을 나타낸다. 크기(B)는 이러한 두 곡선에 적용된다. 곡선은 약 -3dB의 평균값에 대해 약 +/- 0.5dB 의 리플을 갖는 것을 알 수 있다. 구적 커플러로서, 모든 주파수에 대해 직접 포트와 결합된 포트 사이에는 이상적으로 약 90°의 상편차가 존재한다. 스케일(A)이 적용된 곡선(174)은 90°로부터의 가변성이 약 1.64GHz에 대해 약 2.8°의 최대값에 도달하는 것을 알 수 있다. 마지막으로, 곡선(176)의 일부는 도면의 바닥에서 투시할 수 있다. 스케일(C)은 곡선(176)에 적용되며, 이러한 곡선은 입력 포트와 절연된 포트 사이에 절연을 나타낸다. 대부분의 주파수 범위에 대해 -30dB 이하인 것을 알 수 있으며, 전체 주파수 범위에 대해서는 -25dB 아래인 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 하나이상의 다양한 특징을 포함하는 커플러의 디자인에서는 여러가지 변형이 가능하다. 특히, 3dB 구적 커플러에 대해, 외측 커플러 부분(78, 80)의 디자인에 대응하는 디자인을 갖는 커플러 부분은 중간 커플러 부분(82, 84)을 대체할 수 있다. 이러한 디자인 대체는 상기 커플러 부분에 대해 다 소 감소된 길이와 증가된 폭으로 나타날 수 있으며, 비교가능한 작동 특성을 갖는다. 또 다른 커플러 부분은 디자인 주파수 파장의 약 1/4의 길이를 갖는 종래의 밀착결합된 부분이나 느슨하게 결합된 부분 등과 같은 커플러(70)에 사용될 수 있다. 특별한 용도로 기타 다른 변형이 사용될 수 있으며, 대칭 또는 비대칭형 커플러와 하이브리드 또는 방향성 커플러의 형태를 취할 수도 있다.
따라서, 하기의 청구범위에 개시된 발명은 상술한 바와 같은 실시예를 참조로 도시 및 서술되었으며, 본 기술분야의 숙련자라면 청구범위의 범주로부터 일탈없이 많은 변형이 가능함을 인식해야 한다. 본 발명이나 관련의 출원서에서 본 발명의 청구범위의 보정이나 새로운 청구범위의 제공을 통해 특징, 기능, 소자 및/또는 특성의 기타 다른 조합 및 서브조합이 청구된다. 이러한 보정된 청구범위나 새로운 청구범위는 상이한 조합이나 동일한 조합을 지향한다 하더라도, 본래의 청구범위 보다 넓거나 좁거나 동일하거나 상이하더라도, 본 발명의 청구요지내에 포함되는 것으로 간주된다. 상술한 바와 같은 실시예는 단지 예시적인 것이며, 하나의 특징이나 소자는 본 발명이나 차후 발명에서 청구하는 가능한 모든 조합에 기본적인 것은 아니다. 청구범위에서 "하나의" 또는 "제1" 소자 또는 이와 등가의 것을 언급하는 경우, 이러한 청구범위는 이러한 소자를 하나이상 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 이러한 소자를 2개 이상 포함하는 것을 배제할 것을 요구하지 않는다. 또한, 특정화된 요소에 대해 제1, 또는 제2, 또는 제3 등과 같은 기본적인 표시는 이러한 소자의 요구된 또는 한정된 갯수를 표시하는 것은 아니며, 이러한 소자의 특정한 위치나 순서를 나타내는 것도 아니다.
본 발명에 서술된 무선 주파수 커플러, 커플러 소자 및 부품들은 원격통신, 컴퓨터, 신호처리와, 이러한 커플러들이 사용되는 기타 다른 산업에도 적용될 수 있다.

Claims (43)

  1. 제1표면 및 제2표면을 갖는 유전체 기질과,
    제1나선 및 제2나선을 갖는 적어도 하나의 제1커플러를 포함하며,
    상기 제1나선은 제1표면상에 제1나선부를, 제2표면상에 제2나선부를 포함하며; 상기 제2나선은 제1표면상에 제3나선부를, 제2표면상에 제4나선부를 포함하며; 상기 제1나선과 제2나선은 서로 유도가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 커플러,
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1나선은 제1표면상에 입력 및 출력 터미널을 포함하며, 상기 제2나선은 제2표면상에 입력 및 출력 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나선은 중간부와 단부를 각각 포함하며, 상기 나선의 폭은 단부 보다 중간부에서 상이한 것을 특징으로 하는 커플러.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나선의 폭은 단부 보다 중간부에서 넓은 것을 특징으로 하는 커플러.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1나선은 제1표면상에 제5나선부를 포함하며, 상기 제5나선부는 제2나선부에 의해 제1나선부로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  6. 제1항에 있어서, 제1 및 제4나선부의 부분은 넓게 결합되고, 제2 및 제3나선부의 부분은 넓게 결합되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  7. 제1항에 있어서, 유전체 기질은 10mil 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유전체 기질은 6mil 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2나선은 디자인 주파수의 N/4 파장의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  10. 제9항에 있어서, 디자인 주파수는 100MHz 내지 10GHz 사이에 속하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  11. 제9항에 있어서, 디자인 주파수는 1GHz 이상인 것을 특징으로 하는 커플러.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1나선 및 제2나선은 유전체 기질의 제1표면 및 제2표면상에 장착되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  13. 제1항에 있어서, 제1나선의 제1부분의 적어도 일부로부터 이격되고 이에 평행한 제1접지층과, 제1나선의 제1부분의 일부를 상기 제1접지층으로부터 분리시키는 제1공기층을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  14. 제13항에 있어서, 제2나선의 제2부분의 적어도 일부로부터 이격되고 이에 평행한 제2접지층과, 제1나선의 제2부분의 일부를 상기 제1접지층으로부터 분리시키는 제2공기층을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1접지층은 제1나선의 제1부분의 일부로부터 제1거리만큼 이격되며; 상기 커플러는 유전체 기질의 제1표면상에 장착되고 제1나선에 연결되는 제1도전체와, 유전체 기질의 제2표면상에 장착되고 제2나선에 연결되는 제2도전체를 부가로 포함하며; 상기 제1접지층은 상기 제1거리 보다 적은 제2거리만큼, 제2커플러 부분으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  16. 제15항에 있어서, 제2커플러 부분과 제1접지층 사이에서 연장되는 제2유전체 기질을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  17. 제15항에 있어서, 제2커플러 부분의 제1 및 제2도전체는 평행하게 연장되고, 제2커플러 부분에서 각각의 제1 및 제2도전체는 중간부와 단부를 포함하며, 상기 단부는 중간부 보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  18. 제17항에 있어서, 제2커플러 부분의 제1 및 제2도전체는 각각의 중간부를 횡단하며 이로부터 연장되는 연장부를 부가로 포함하며, 2개의 연장부가 대향 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  19. 제1항에 있어서, 제1 및 제2나선의 각각의 중간부를 횡단하며 이로부터 연장되는 연장부를 부가로 포함하며, 상기 연장부는 서로 중첩되지 않는 상태로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  20. 제19항에 있어서, 낮은 유전상수를 가지며 제1 및 제2나선의 적어도 일부에 인접하여 배치되며 기질과는 대향하는 제1층과, 각각의 연장부에 인접하여 배치되며 상기 기질과는 대향하는 전열성의 제2층을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  21. 제20항에 있어서, 제1층은 공기인 것을 특징으로 하는 커플러.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2나선은 유전체 기질에 대해 대향하는 관계인 것을 특징으로 하는 커플러.
  23. 제1항에 있어서, 제1도전체와 제2도전체를 갖는 제2커플러 부분을 부가로 포함하며, 상기 제1도전체는 유전체 기질의 제1표면에 장착되고 제1나선에 연결되며, 상기 제2도전체는 유전체 기질의 제2표면에 장착되고 제2나선에 연결되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  24. 제23항에 있어서, 제2커플러 부분과 제1접지층 사이에서 연장되는 제2유전체 기질을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  25. 제23항에 있어서, 제2커플러 부분의 제1 및 제2도전체는 넓게 결합되고, 각각의 제1 및 제2도전체는 중간부와 단부를 포함하며, 상기 단부는 중간부 보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  26. 제25항에 있어서, 제2커플러 부분의 제1 및 제2도전체는 각각의 중간부를 횡단하며 이로부터 연장되는 연장부를 부가로 포함하며, 2개의 연장부가 상이한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  27. 대향하는 제1표면 및 제2표면을 갖는 유전체 기질과,
    제1단부 및 제2단부를 가지며 상기 제1단부와 제2단부 사이에 제1나선을 형성하는 제1도전체와,
    제3단부 및 제4단부를 가지며 상기 제3단부와 제4단부 사이에 제2나선을 형성하는 제2도전체를 포함하며,
    상기 제1 및 제2도전체는 기질의 대향면에 배치되고, 상기 제1 및 제2나선은 제1 및 제2표면상에 제1나선부를, 또 다른 제1 및 제2표면상에 제2나선부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2단부는 제1표면상에 있고, 제3 및 제4단부는 제2표면상에 있는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2나선은 각각의 한쪽면상에 제3나선부를 포함하며, 각각의 제2나선부는 제1 및 제3나선부를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  30. 제29항에 있어서, 도전체는 폭을 가지며, 제2나선부에서 제1 및 제2도전체의 폭은 제1 및 제3나선부에서 제1 및 제2도전체의 폭 보다 넓은 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  31. 제29항에 있어서, 상기 제1 및 제2도전체는 제2나선부를 형성하는 관련의 도전체의 부분을 횡단하고 이로부터 연장되는 연장부를 포함하며, 상기 연장부는 서로 중첩되지 않는 상태로 연장되는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  32. 제27항에 있어서, 유전체 기질은 10mil 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  33. 제32항에 있어서, 유전체 기질은 6mil 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  34. 제32항에 있어서, 제1 및 제2나선은 디자인 주파수의 N/4 파장의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  35. 제34항에 있어서, 디자인 주파수는 100MHz 내지 10GHz 사이에 속하는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  36. 제35항에 있어서, 디자인 주파수는 1GHz 이상인 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  37. 제27항에 있어서, 제1나선의 제1부분의 적어도 일부로부터 이격되고 이에 평행한 제1접지층과, 제1나선의 제1부분의 일부를 상기 제1접지층으로부터 분리시키는 공기층을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 하이브리드 커플러.
  38. 대향하는 제1표면 및 제2표면을 갖는 유전체 기질과,
    제1단부 및 제2단부를 갖는 제1도전체와,
    제3단부 및 제4단부를 갖는 제2도전체를 포함하며,
    상기 제1 및 제2도전체는 중간부와 단부를 포함하는 결합된 제1부분을 형성하며, 상기 단부는 중간부보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 커플러.
  39. 제38항에 있어서, 제2커플러 부분의 제1 및 제2도전체는 각각의 중간부를 횡단하며 이로부터 연장되는 연장부를 부가로 포함하며, 2개의 연장부가 중첩되지 않는 상태로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  40. 제39항에 있어서, 상기 2개의 연장부는 대향 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  41. 제39항에 있어서, 상기 2개의 연장부는 협소한 중앙부와, 넓은 말단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러.
  42. 제39항에 있어서, 제1 및 제2도전체는 상기 결합된 부분에 인접하여 비결합된 부분을 부가로 포함하며, 제1 및 제2도전체는 결합되지 않은 방향으로 대향 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 커플러.
  43. 제42항에 있어서, 제1 및 제2도전체는 결합된 제2부분을 부가로 형성하며, 상기 비결합된 부분은 결합된 제1부분과 결합된 제2부분 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 커플러.
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