KR20110058936A - 기판 집적 도파관을 이용한 위상천이기 - Google Patents

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Abstract

기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 위상천이기는 기판과 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 도파관에는, 입출력 단자, 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열 및 입출력 단자 간 신호의 위상 천이를 위해 형성된 다수개의 천공, 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드 중 어느 하나가 배치될 수 있다.
기판 집적 도파관, 위상 천이기, 발룬, 방향성 결합기

Description

기판 집적 도파관을 이용한 위상천이기{PHASE SHIFTER USING SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE}
기판 집적 도파관을 이용한 위상천이기에 관한 것으로, 상세하게는 기판집적 도파관 내에 천공과 유전체 삽입을 통해서 구현된 위상천이기에 관한 것이다.
위상 천이기(Phase Shifter)는 전기적 신호의 위상을 변화시키거나 조절하는 장치로서 무선 통신, 레이더 및 측정 장비 등 마이크로파 대역의 시스템 응용에 널리 이용된다. 이러한 위상 천이기는 다양한 방식을 통해서 구현될 수 있는데, 최근에 다양한 방식들 중 기판 집적 도파관(Substrate Integrated Waveguide)을 이용하여 위상 천이기가 개발되었다.
이 기판 집적 도파관은 유전체 기판에 평행한 비아 열이 형성되어 구형 도파관과 유사한 기능을 가지며, 높은 품질계수(Q-factor), 고전력 수용, 소형화 및 기판 집적 가능성 등 기존의 구형 도파관과 마이크로스트립 형태의 전송선의 장점을 두루 갖고 있기 때문에 공진기, 필터, 안테나 등 마이크로파 및 밀리미터파 회로에 다양하게 활용되고 있다. 이러한 기판 집적 도판관을 이용하여 최근 개발된 위상 천이기는 기판 집적 도파관 내부에 페라이트 토로이드를 삽입하거나 도파관 중간에 금속기둥을 삽입하는 방식으로 구현되고 있다.
그러나 위상 천이기를 설계함에 있어 삽입 손실, 대역폭, 전력 수용 능력, 크기 및 무게, 위상 오차 등 다양한 성능을 충족시켜야 하지만, 페라이트 토로이드를 사용한 위상 천이기의 경우 제작이 복잡하며 크기가 커지고 무게 또한 증가하는 단점이 있다. 도파관 중간에 금속기둥을 삽입한 위상 천이기의 경우에는 금속 기둥의 위치를 이동시켜 위상 변화를 쉽게 조절할 수 있는 반면 위상 변화가 커질 경우 삽입 손실이 증가하여 위상 변화폭에 제한이 있는 단점이 있다.
기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 제작이 간단하며 천공의 크기, 간격 및 개수를 조절하여 요구되는 위상의 천이가 가능한 위상천이기를 제안한다.
또한 기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 제작이 간단하며 천공의 크기, 간격 및 개수를 조절하여 기판 집적 도파관에서의 불평형 신호와 평형 신호를 상호 변환하는 발룬(Balun)을 제안한다.
또한 기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 제작이 간단한 방향성 결합기를 제안한다.
또한 신호의 위상을 가변할 수 있는 기판 집적 도파관을 제안한다.
일 양상에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기는, 기판; 과 상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 입출력 단자, 상기 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열 및 상기 입출력 단자 간 신호의 위상 천이를 위해 형성된 다수개의 천공, 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드 중 어느 하나가 배치될 수 있다.
상기 입출력 단자 사이에 천이 되는 신호의 위상 크기는, 상기 다수개의 천공이 배치된 경우 천공의 직경, 천공 사이의 거리 및 천공 수 중 적어도 하나에 따라 달라지고, 상기 다수개의 로드가 배치된 경우 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라질 수 있다.
상기 천이 되는 신호의 위상의 크기는 천공 직경의 크기 증가에 비례하여 커질 수 있다.
상기 천이 되는 신호의 위상 크기는, 로드 직경의 크기 증가, 로드 수의 증가 중 적어도 어느 하나에 비례하여 커질 수 있다.
상기 다수개의 로드는, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가질 수 있다.
상기 입출력 단자 간 천이 되는 신호의 위상 크기는, 유전체가 로드에의 삽입 깊이 증가에 비례하여 커질 수 있다.
다른 양상에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 발룬은, 기판; 과 상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 상기 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열, 입력단자, 상기 입력단자에 입력된 신호의 전력을 분배하는 전력분배기, 상기 전력 분배기의 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치, 상기 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치에 각각 연결된 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자, 상기 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치 중 하나에는 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드가 형성되며, 다른 하나에는 천공이 형성되지 않거나 다수개의 천공이 형성될 수 있다.
또 다른 양상에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 방향성 결합기는, 기판; 과
상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치, 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치, 상기 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치 사이에 제 1 비아 열, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치 사이에 제 2 비아 열, 상기 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치 중 하나에는 입력단자가 연결되며 다른 하나에는 격리단자가 연결되고, 상기 입력단자로부터 입력된 신호의 전력을 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치로 분배하는 전력분배기, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치에 각각 연결된 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자가 형성되며, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치 중 어느 하나에만 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드가 형성되며, 다른 하나에는 천공되지 않는 구조를 가질 수 있다.
또 다른 양상에 따른 기판 집적 도파관은, 기판; 과 상기 기판 위에 집적되 는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열과, 신호의 위상을 가변적으로 천이하기 위해 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입된 구조의 다수개의 로드가 마련될 수 있다.
기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 제작을 간단하게 할 수 있으며, 천공의 크기, 간격 및 개수를 조절하여 요구되는 위상의 천이가 가능한 위상천이기를 구현할 수 있다.
또한 기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 간단하게 제작할 수 있으며 천공의 크기, 간격 및 개수를 조절하여 기판 집적 도파관에서의 불평형 신호와 평형 신호를 상호 변환하는 발룬(Balun)을 구현할 수 있다.
또한 기판 집적 도파관의 기판 천공과 이종 유전체 삽입을 통해 방향성 결합기를 간단하게 구현할 수 있다.
또한 기판 집적 도파관에 암수 나사 방식의 유전체 로드를 다수개 형성함으로써, 신호의 위상을 가변적으로 천이시킬 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용 어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집중 도파관을 이용한 위상 천이기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
기판 집적 도파관에는 TEm0 모드 만이 존재한다. TEm0 모드의 wave-number(k)는 유전율의 제곱근에 비례하며 전파상수(β)는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009073009653-PAT00001
관내파장(λg)은 전파상수에 반비례하기 때문에 도파관 내의 유효 유전율이 변하게 되면 전파의 위상속도(vp)가 변하게 되고 결과적으로 도시된 바와 같이 도파관의 삽입 위상의 천이가 일어나게 된다. 유효 유전율이 증가하여 위상속도가 줄어드는 것을 slow-wave 효과라 하며 그 반대의 경우를 fast-wave 효과라 한다.
기판 천공과 이종 유전체 삽입을 이용한 위상 천이기는 기본적으로 위의 두 원리(fast/slow-wave 효과)를 이용한 것이다. 비교적 높은 유전율을 갖는 기판을 천공하게 되면 천공된 공간이 유전율이 1인 공기로 채워지게 된다. 상대적으로 낮은 유전율의 물질로 천공된 공간이 채워지면 전체 기판의 유효 유전율이 낮아지게 되고 그에 따라 전파의 위상속도가 빨라지게 되므로 마이너스(-) 위상 천이 효과를 볼 수 있다. 반대로 상대적으로 낮은 유전율을 갖는 기판에 천공을 낸 다음 그 천공된 공간을 높은 유전율(high-k)을 갖는 이종의 물질로 채울 경우에는 slow-wave 효과가 나타나 플러스(+) 위상 천이를 만들 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 위상 천이기의 평면도이다.
도시된 바와 같이, 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기는 기판(1)과 기판(1) 위에 집적되는 도파관(2)으로 구성될 수 있다. 즉, 도파관(2)에 위상 천이기가 형성된다. 이러한 도파관(2)에는, 입출력 단자(4, 5), 도파관 폭(a)만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아(3) 열 및 입출력 단자(4, 5) 간 신호의 위상 천이를 위해 기판(2)을 관통한 다수개의 천공(6)이 형성될 수 있다. 이는 도 1의 설명에서 이루어진 바와 같이 도파관의 폭(a), 비아의 직경(dv), 비아 사이의 간격(pv) 등을 고려하여 설계된 결과이다. 입출력 단자(4, 5)는 측정을 위한 마이크로 스트립선로로의 전이구조를 가지며, 이러한 전이구조는 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 길이(lt)와 폭(wt)은 도체 손실 및 유전체 손실을 최소화하는 동시에 임피던스 매칭이 잘 이루어져 반사 손실이 줄일 수 있도록 설계될 수 있다.
나아가, 입출력 단자(4, 5) 간 천이 되는 신호의 위상 크기는, 천공의 직경(dh), 천공 사이의 거리(phx ,y) 및 천공 수(m×n) 중 적어도 하나에 따라 달라질 수 있다. 이들 중 가장 기본이 되는 것은, 천이 되는 신호의 위상의 크기가 천공의 직경 크기 증가에 비례하여 커질 수 있다는 것이다. 나아가, 천이 되는 위상의 크기는 천공의 개수에 대체로 비례하고 천공 사이의 간격에 의해 조절가능하다. 따라서, 전체 천이 위상은 천공의 직경, 천공 사이의 간격(거리) 및 천공의 개수 중 적어도 하나를 이용하여 조절할 수 있게 된다.
이 실시예에 따른 위상천이기에 따른 실제 구현 예에 대해서 살펴보기로 한다. 중심 주파수 15 GHz에서 각각 11.25°, 22.5°, 45° 등 일반적인 천이 값을 갖는 위상 천이기를 설계하여 그 특성을 확인하였다. 기판은 두께가 0.635 mm인 Rogers사의 Duroid 6010(ετ= 10.2, tanδ = 0.0023)을 사용하였다. 기본적인 도파관의 각 설계 변수 값은 a= 5 mm, dv= 0.5 mm, pv = 1 mm, lt = 5 mm, wt = 2.1 mm, ws = 0.5 mm이다. 요구되는 만큼의 위상 천이를 구현하기 위한 천공의 직경(dh), 천공 사이의 간격(phx ,y), 천공의 개수(m×n) 등의 설계 변수를 아래의 표 1에 정리하였다. 설계 및 해석은 FEM(Finite Element Method) 방식의 상용 시뮬레이션 툴인 Ansoft사의 HFSS 10을 이용하였다.
Figure 112009073009653-PAT00002
시뮬레이션 툴을 이용하여 설계한 위상 천이기를 실제 제작한 모형이 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 (a)는 기준 도파관 이고, (b)는 11.25°비트를 갖는 위상 천이기, (c)22.5°비트를 갖는 위상 천이기, (d)는 45°비트를 갖는 위상 천이기를 나타낸다. 제작된 위상 천이기의 천이 위상 값을 측정한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 천공의 개수에 따라 각 주파수에서 그 위상 값이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 기판 천공으로 인해 기판의 유효 유전율이 낮아져 도파관 내에서 전파의 위상속도가 빨라지는 fast-wave 효과가 일어났기 때문이다. 위상 오차의 경우, 설계 주파수인 15 GHz에서 가장 큰 오차를 보인 22.5°위상 천이기의 오차가 0.64°일 정도로 비교적 정확한 위상 천이 결과를 보임을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기의 특성을 파악하기 위해서 제작된 위상 천이기의 삽입 손실과 반사 손실을 각각 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 위상 천이기는 천이 위상의 크기가 커질 경우 삽입 손실이 증가하는 기존의 기판 집적 도파관에서의 위상 천이기와 달리 도파관의 차단 주파수 이후의 통과 대역 전체에서 삽입 손실이 낮게 유지됨을 확인할 수 있으며, 특히 설계 주파수인 15 GHz에서는 -0.92 dB의 삽입 손실을 갖는 것을 확인할 수 있다. 위상 오차를 포함한 각 위상 천이기의 측정 결과가 표 2에 나타나 있다.
Figure 112009073009653-PAT00003
본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기는, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 따른 위상 천이기에서 다수개의 천공에 유전체를 삽입한 로드 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기는, 기판과 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성될 수 있다. 이때, 이 도파관에는, 입출력 단자, 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열 및 입출력 단자 간 신호의 위상 천이를 위해 기판에 형성된 다수개의 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드가 배치될 수 있다. 입출력 단자 간 천이 되는 신호의 위상 크기는, 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라질 수 있다. 또한 천이 되는 신호의 위상 크기는, 로드의 직경 크기 증가에 비례하여 커질 수 있다. 또한 천이 되는 신호의 위상 크기는, 로드 수가 증가할수록 커질 수 있다.
다수개의 천공에 삽입되는 유전체와 기판의 유전율은 상이할 수 있으며, 입출력 단자는, 측정을 위한 마이크로 스트립선로로의 전이구조를 가지며, 전이구조는 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상 천이기의 특성을 파악하기 위해서, 중심 주파수 15 GHz에서 각각 11.25°, 22.5°, 45° 등 일반적인 천이 값을 갖는 위상 천이기를 설계하여 그 특성을 확인하였다. 이때, 기판은 두께가 0.813 mm인 Rogers사의 Duroid 4003(ετ = 3.38, tanδ = 0.0027)을, 유전체 삽입을 위한 high-k 물질로는 Duroid 6010( ετ=10.2, tanδ = 0.0023)을 사용하였다. 기본적인 도파관의 각 설계 변수 값은 a = 8 mm, dv= 0.5 mm, pv = 1 mm, lt = 8 mm, wt = 3 mm, ws= 1.74 mm이다. 요구되는 만큼의 위상 천이를 구현하기 위한 로드의 직경(dr), 로드 사이의 간격(prx ,y), 로드의 개수(m×n) 등의 설계 변수가 표 3에 나타나 있다.
Figure 112009073009653-PAT00004
이러한 High-k 삽입을 통한 위상 천이기의 실제 제작된 모형이 도 7에 도시되어 있다. 도시된 7의 (a)는 a)는 기준 도파관 이고, (b)는 11.25°비트를 갖는 위상 천이기, (c)22.5°비트를 갖는 위상 천이기, (d)는 45°비트를 갖는 위상 천이기를 나타낸다. 도 7의 (b), (c), (d)는 천공된 공간에 유전체가 삽입된 구조이다.
천이 위상 값을 측정한 결과 제안된 위상 천이기는 도 8에 도시된 바와 같이 high-k 로드의 개수에 따라 각 주파수에서 그 위상 값이 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 기판 천공을 통한 위상 천이기의 경우와 반대로 high-k 삽입으로 인해 기판의 유효 유전율이 높아져 도파관 내에서의 전파의 위상속도가 느려지는 slow-wave 효과가 일어났기 때문이다.
이 위상 천이기는 도 9에 도시된 바와 같이 앞선 기판 천공을 통한 위상 천이기와 같이 위상 오차, 삽입 손실 및 반사 손실 등에서 우수한 특성이 있음을 확인할 수 있다. 표 4에 그 값이 나타나 있다.
Figure 112009073009653-PAT00005
한편, 다수개의 천공에 유전체는 암수 나사 방식으로 삽입될 수 있다. 이러한 실시예가 도 10에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 기판 집적 도파관의 기판을 천공하여 천공된 벽에 암나사 선을 만든 후 수나사 형태의 유전체 나사를 삽입한다. 기판 집적 도파관의 기판의 유전율과 다른 이종 유전체를 삽입함으로써 전송선의 유효 유전율 및 위상상수가 변화될 수 있다. 이를 통해 위상 천이가 가능하며, 유전체 나사의 삽입량(삽입 깊이)에 따라 가변적 위상 천이가 가능하게 된다. 이러한 위상 천이는 유전체가 천공에의 삽입 깊이 증가에 비례하여 커질 수 있다.
이를 확인하기 위해서 기판 집적 도파관이 도 11에 예시되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기판 집적 도파관은 기판(미도시) 위에 집적되는 도파관(50)으로 구성되며, 이 도파관(50)에는 도파관 폭 만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아(51) 열과, 신호의 위상을 가변적으로 천이하기 위해 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입된 구조의 다수개의 로드(52)가 마련될 수 있다. 이러한 다수개의 로드(52)가 암수 나사 방식으로 형성되므로, 암수 나사 방식의 유전체 나시를 조절함으로써, 신호의 위상을 가변할 수 있게 된다. 기판 집적 도파관의 적용주파수 대역은 X 밴드이며, 해석에 사용되는 기판은 Rogers 5880(εr=2.2), 유전체 나사는 알루미나(alumina)(εr=9.4)이다. 비아(Via Wall)의 직경과 간격은 0.6mm이며, 적용된 유전체 나사의 직경(d) 및 간격(s)은 각각 2mm이다.
도 12는 도 11에 도시된 기판 집적 도파관에서 전체 유전체 나사의 삽입 비율에 따른 주파수 별 위상 천이량의 해석 결과를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 유전체 나사가 천공된 기판에 삽입되는 비율(깊이)이 높아질수록 천공 및 유전체 나사가 삽입되지 않은 기판 집적 도파관의 위상 천이기에 비해 위상 천이량이 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 유전체 나사가 삽입되지 않고 단지 천공된 경우는 유효 유전율이 낮아져 위상 천이량이 감소함을 확인할 수 있다. 나사방식의 유전체를 천공된 기판 집적 도파관에 삽입함으로써 삽입량에 따라 가변적으로 위상을 조절할 수 있게 된다. 이러한 유전체 나사를 이용한 가변 기판 집적 도파관은 가변 및 고정 위상 천이기뿐만 아니라 위상 배열 시스템의 대형 전력분배 네트워크의 위상 보정 등에 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기는 발룬(Balun)의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 이때 발룬은 balance-unbalance의 준말로서 평형 신호(balanced signal)를 불평형 신호(unbalanced signal)로 변환시켜 주거나 반대로 동작하는 회로나 구조물을 의미한다.
발룬을 이해하기 위해서는 먼저 평형 신호, 불평형 신호에 대하여 이해할 필요가 있다. 이 평형신호와 불평형 신호에 대한 예시가 도 13에 도시되어 있다. 평형 신호는 도 13의 (a) 같이 두 개의 선로를 조합하여 신호를 전송하는 전송선에서 각 선로에 크기는 같고 위상이 180° 차이가 나는 신호를 입력하고 두 신호의 차를 전송하는 방법이다. 평형 신호는 불평형 신호에 비해 신호 선이 하나 더 필요하다는 단점이 있지만 common-mode noise 제거, 귀환 전류 경로 보장, 신호의 skew 감소 등 여러 가지 장점이 있는 신호 전송 기법이다.
이와는 다르게 불평형 신호는 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이 전송선의 선로 하나를 그라운드(GND)로 나머지 하나를 신호 선으로 이용하는 방식이다. 고주파에서는 두 금속선 모두를 신호 선으로 활용하는 평형 신호가 유리한 특성을 보이지만, 평형 신호는 매칭과 측정이 까다롭고 회로가 복잡해지는 단점이 있기 때문에 불평형 신호를 사용하는 것이 편할 때도 있다.
RF 회로에는 Mixer, SAW filter와 같이 평형 신호를 사용하는 부품과 안테나와 같이 불평형 신호를 사용하는 부품이 함께 존재하기 때문에 이러한 부품들을 연결하기 위해서는 매칭단 자체를 발룬처럼 동작시켜야 할 경우가 있다. 즉, 발룬은 특정한 소자의 이름이 아니라 도 14에 도시된 바와 같이, 평형 신호와 불평형 신호 사이의 변환을 위한 모든 것을 지칭한다.
일반적으로 발룬은 3-단자 수동 소자로서 1개의 입력단과 2개의 출력단으로 이루어진다. 1개의 입력단에 신호가 인가되면 다른 2개의 출력단으로 위상은 180°(±90°) 차이가 나고 진폭은 같은 신호가 출력된다. 따라서 발룬의 전기적 특성을 평가는 삽입손실(입력 대비 출력은 손실은 얼마나 작은가의 여부), 위상 차이(출력단의 두 신호의 위상 차가 180°에 얼마나 근접하는가), 삽입 손실 차이(출력단의 두 신호의 진폭은 얼마나 동일한가) 등의 항목으로 이루어질 수 있다.
이러한 발룬에 대한 개념 구성도가 도 15에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 발룬은 3 dB 전력 분배기와 전력 분배기의 브랜치에 연결된 ±90°위상 천이기를 포함한다. 따라서, 출력단의 두 신호 사이에 180°위상 차이가 나게 된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용하여 발룬을 도면이고, 도 17은 도 16에 따른 발룬의 설계를 위한 구조도이다.
도시된 바와 같이, 발룬은, 기판(10)과, 기판(10) 위에 집적되는 도파관(11)으로 구성될 수 있다. 도파관(11)에는, 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아(12) 열, 입력단자(13), 입력단자(13)에 입력된 신호의 전력을 분배하는 전력분배기(14), 전력 분배기(14)의 제 1 브랜치(15) 및 제 2 브랜치(16), 제 1 브랜치(15) 및 제 2 브랜치(16)에 각각 연결된 제 1 출력단자(17) 및 제 2 출력단자(18), 제 1 브랜치(15) 및 제 2 브랜치(16) 중 하나에는 천공에 유전체가 삽입된 구조의 다수개의 로드가 형성되며, 다른 하나에는 천공이 형성되지 않거나 다수개의 천공이 형성될 수 있다. 도 16에는 제 1 브랜치(15)에 유전체가 삽입되지 않은 다수개의 천공이 형성되어 있다. 제 2 브랜치(16)에 다수개의 로드가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 실시예에 불과하며 이와 반대의 경우도 가능하다.
이때, 다수개의 로드를 통과하는, 전력분배기(14)에서 분배된 신호의 위상 크기는, 천공 또는 로드의 직경(dh, dr), 천공 또는 로드 사이의 간격(phx ,y, prx ,y) 천공 수 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 천이될 수 있다. 천이 되는 신호의 위상 크기는, 천공의 직경 크기 증가에 비례하여 커질 수 있다. 또한 천이 되는 신호의 위상 크기는, 로드 수가 증가할수록 커질 수 있다. 다수개의 로드는, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가질 수 있으며, 이때 천이 되는 신호의 위상 크기는 유전체가 천공에 삽입되는 깊이 증가에 비례하여 커질 수 있다. 기판(10)의 유전율과 다수개의 천공에 삽입된 유전체의 유전율은 서로 상이할 수 있다. 입력단자(13), 제 1 출력단자(17) 및 제 2 출력단자(18)는, 측정을 위한 마이크로 스트립선로로의 전이구조를 가지며, 전이구조는 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
도 16에 도시된 발룬은 기판 집적 도파관 3 dB 전력 분배기의 두 브랜치에, 각 ±90°의 위상 천이를 구현함으로써 출력단의 두 신호 사이에 180° 위상 차이가 나게 설계되었다. 위상 천이기는 기판 천공을 통해 fast-wave 효과가 발생하여 -90°의 위상 천이가 나는 것과 천공 후 유전체 삽입을 통해 slow-wave 효과를 나게 하여 +90°의 위상 천이가 나는 것 두 가지를 각각 구현하였다. 요구되는 위상의 천이는 천공(유전체 로드)의 크기 및 간격, 그리고 개수를 조절하여 얻을 수 있으며, 유전율 변화에 따른 임피던스 부정합 효과를 줄이기 위하여 도시된 바와 같이 천공의 개수를 점진적으로 늘려 설계하였다. 기판은 두께가 0.635 mm인 Taconic사의 RF-60(εr = 6.15)을 이용하였고, 고유전율 삽입을 위한 물질로는 CER-10(εr = 10)을 이용하였다. 각 설계 변수는 a = 6 mm, l1= 10 mm, l2 = 30.5 mm, l3 = 3.5 mm, dv = 0.5 mm, dh = 0.55 mm, dr = 0.8 mm, pv = 1 mm, phx = prx = pry = 1.1 mm, phy = 0.9 mm이다. 측정을 위한 급전선로는 마이크로스트립 전이 구조를 이용하였다
HFSS를 이용해 설계한 발룬에 대한 측정한 결과에 대해서 살펴보기로 한다. 도 18은 삽입 손실과 반사 손실을, 도 19는 삽입 위상을, 도 20은 삽입 손실차이와 위상 차이를 각각 나타낸다. 도시된 바와 같이, 입력단에서의 반사 손실이 -15dB 이하인 부분을 가용 주파수 대역으로 정의하였을 경우, 대역폭은 약 3.6GHz(14.1 GHz ~ 17.7GHz, Ku-band)이며 중심 주파수가 15.9GHz인 것을 감안하면 약 22.6%의 비대역폭(fractional bandwidth)을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 가용 주파수 범위 내에서의 최대 삽입 손실 차이는 1 dB 이내로 나타났으며, 최대 위상 차이는 ±12˚ 이내임을 확인할 수 있다.
도 21은 또 다른 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 방향성 결합기를 나타낸 도면이다.
도시된 기판 집적 도파관을 이용한 방향성 결합기는 기판(20)과 기판(20) 위에 집적되는 도파관(21)으로 구성될 수 있다. 이 도파관(21)에는, 제 1 입력 브랜치(32) 및 제 2 입력 브랜치(33), 제 1 출력 브랜치(25) 및 제 2 출력 브랜치(26), 제 1 입력 브랜치(32) 및 제 2 입력 브랜치(33) 사이에 제 1 비아 열(31), 제 1 출력 브랜치(25) 및 제 2 출력 브랜치(26) 사이에 제 2 비아 열(30), 제 1 입력 브랜치(32) 및 제 2 입력 브랜치(33) 중 하나에는 입력단자(22)가 연결되며 다른 하나에는 격리단자(23)가 연결되고, 입력단자(22)로부터 입력된 신호의 전력을 제 1 출력 브랜치(25) 및 제 2 출력 브랜치(26)로 분배하는 전력분배기, 제 1 출력 브랜치(25) 및 제 2 출력 브랜치(26)에 각각 연결된 제 1 출력단자(27) 및 제 2 출력단자(28)가 형성되며, 제 1 출력 브랜치(25) 및 제 2 출력 브랜치(26) 중 어느 하나에만 천공에 유전체가 삽입된 구조의 다수개의 로드(29)가 형성되며, 다른 하나에는 천공되지 않는 구조를 가질 수 있다. 이때 다수개의 로드를 통과하는 전력분배기(24)에서 분배된 신호의 위상 크기는, 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라질 수 있다.
한편 다수개의 로드(29)는, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조를 가지는 다수개의 로드(29)를 통과하는 신호의 위상 크기는, 유전체가 로드에 삽입되는 깊이 증가에 비례하여 증가할 수 있다. 나아가 기판(20)의 유전율과 다수개의 로드(29)의 유전율은 서로 상이하다.
나아가 입력단자(22), 제 1 출력단자(27) 및 제 2 출력단자(28)는, 측정을 위한 마이크로 스트립선로로의 전이구조를 가지며, 전이구조는 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
이러한 위상 결합기의 특성을 확인하기 위해서, 두께가 0.508 mm이고 비유전율은 2.2인 Duroid 5880 기판을 사용하였다. 위상 속도를 감소시키기 위해서 기판 천공 후, 고 비유전율(10.2)을 갖는 유전체를 삽입하여 유효 유전율을 증가시켰고, 임피던스 정합을 위해서 천공의 개수를 다르게 하였다. 이러한 구조를 갖는 방향성 결합기의 시뮬레이션 결과가 도 22에 도시되어 있다. 시뮬레이션 결과를 보면 방향성 결합기의 반사손실(S11)은 13.35 GHz에서 16.71 GHz까지 15 dB 이하이고 격리도(S41)는 13.95 GHz에서 16.02 GHz까지 20 dB 보다 우수하다. 또한 삽입손실(S21, S31)은 14.67 ~ 16.62 GHz 주파수 범위에서 3.9 dB ±0.5 dB이고 두 단자 사이에 위상 차이는 13.63 ~ 16.7 GHz 사이에서 180±10이다. 따라서 기판 천공 후 비유전율이 높은 이종의 유전체를 삽입함으로써 180˚ 위상 차이를 구현할 수 있으며, 넓은 대역에서 우수한 위상 특성을 얻을 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집중 도파관을 이용한 위상 천이기의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기의 사시도이고.
도 3은 도 2에 도시된 위상 천이기의 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기를 실제 제작한 모형을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시에에 따른 삽입 위상 측정값의 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기의 특성을 파악하기 위해서 제작된 위상 천이기의 삽입 손실과 반사 손실을 각각 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 High-k 삽입을 통한 위상 천이기의 실제 제작된 모형을 나타낸 도면.
도 8은 천이 위상 값을 측정한 결과에 대한 그래프.
도 9는 위상 오차, 삽입 손실 및 반사 손실을 나타낸 그래프.
도 10은 유전체가 천공에의 암수 나사 방식 결합구조를 나타낸 도면.
도 11은 암수 나사 방식 결합구조를 가진 로드가 배치된 위상 천이기를 나타낸 도면.
도 12는 도 11에 도시된 기판 집적 도파관에서 전체 유전체 나사의 삽입 비율에 따른 주파수 별 위상 천이량의 해석 결과를 나타낸 도면.
도 13은 평형신호와 불평형 신호를 예시한 도면.
도 14는 발룬의 개념을 설명하기 위한 도면.
도 15는 발룬의 구조를 나타낸 도면.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발룬을 나타낸 도면.
도 17은 도 16에 도시된 발룬의 설계를 위한 구조도.
도 18은 삽입 손실과 반사 손실에 대한 그래프.
도 19는 삽입 이상에 대한 그래프.
도 20은 삽입 손실차이와 위상 차이를 나타낸 그래프.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향성 결합기를 나타낸 도면.
도 22는 방향성 결합기에 대한 시뮬레이션 결과 그래프.

Claims (13)

  1. 기판; 과
    상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 입출력 단자, 상기 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열 및 상기 입출력 단자 간 신호의 위상 천이를 위해 형성된 다수개의 천공, 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드 중 어느 하나가 배치된, 기판 집적 도파관을 이용한 위상 천이기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입출력 단자 사이에 천이 되는 신호의 위상 크기는, 상기 다수개의 천공이 배치된 경우 천공의 직경, 천공 사이의 거리 및 천공 수 중 적어도 하나에 따라 달라지는, 기판 직접 도파관을 이용한 위상 천이기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입출력 단자 사이에 천이 되는 신호의 위상 크기는, 상기 다수개의 로드가 배치된 경우 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라지는, 기판 직접 도파관을 이용한 위상 천이기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수개의 로드는, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가지는, 기판 직접 도파관을 이용한 위상 천이기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 천이 되는 신호의 위상 크기는, 유전체가 로드에의 삽입 깊이 증가에 비례하여 커지는, 기판 직접 도파관을 이용한 위상 천이기.
  6. 기판; 과
    상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 상기 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열, 입력단자, 상기 입력단자에 입력된 신호의 전력을 분배하는 전력분배기, 상기 전력 분배기의 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치, 상기 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치에 각각 연결된 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자, 상기 제 1 브랜치 및 제 2 브랜치 중 하나에는 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드가 형성되며, 다른 하나에는 천공이 형성되지 않거나 다수개의 천공이 형성된, 기판 집적 도파관을 이용한 발룬.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수개의 천공을 통과하는 신호의 위상 크기는, 천공의 직경, 천공 사이의 거리 및 천공 수 중 적어도 하나에 따라 달라지는, 기판 직접 도파관을 이용한 발룬.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수개의 로드를 통과하는 경우 신호의 위상 크기는, 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라지는, 기판 직접 도파관을 이용한 발룬.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수개의 로드는, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가지되, 상기 다수개의 로드를 통과하는 신호의 위상 크기는, 유전체가 로드에의 삽입 깊이 증가에 비례하여 증가하는, 기판 직접 도파관을 이용한 발룬.
  10. 기판; 과
    상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는, 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치, 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치, 상기 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치 사이에 제 1 비아 열, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치 사이에 제 2 비아 열, 상기 제 1 입력 브랜치 및 제 2 입력 브랜치 중 하나에는 입력단자가 연결되며 다른 하나에는 격리단자가 연결되고, 상기 입력단자로부터 입력된 신호의 전력을 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치로 분배하는 전력분배기, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치에 각각 연결된 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자가 형성되며, 상기 제 1 출력 브랜치 및 제 2 출력 브랜치 중 어느 하나에만 천공에 유전체가 삽입된 다수개의 로드가 형성되며, 다른 하나에는 천공되지 않는 구조를 가진, 기판 집적 도파관을 이용한 방향성 결합기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수개의 로드를 통과하는 신호의 위상 크기는, 로드의 직경, 로드 사이의 거리 및 로드 수 중 적어도 하나에 따라 달라지는, 기판 직접 도파관을 이용한 방향성 결합기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수개의 로드가, 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입되는 구조를 가지되, 상기 다수개의 로드를 통과하는 신호의 위상 크기는, 유전체가 로드에의 삽입 깊이 증가에 비례하여 증가하는, 기판 직접 도파관을 이용한 방향성 결합기.
  13. 기판; 과
    상기 기판 위에 집적되는 도파관으로 구성되되, 상기 도파관에는 도파관 폭만큼 떨어져 서로 평행하게 배치된 두 개의 비아 열과, 신호의 위상을 가변적으로 천이하기 위해 천공에 유전체가 암수 나사 방식으로 삽입된 구조의 다수개의 로드가 마련된, 기판 집적 도파관.
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