KR20120070484A - 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법 - Google Patents

순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120070484A
KR20120070484A KR1020110066956A KR20110066956A KR20120070484A KR 20120070484 A KR20120070484 A KR 20120070484A KR 1020110066956 A KR1020110066956 A KR 1020110066956A KR 20110066956 A KR20110066956 A KR 20110066956A KR 20120070484 A KR20120070484 A KR 20120070484A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transmission line
balun
plh
line
wilkins
Prior art date
Application number
KR1020110066956A
Other languages
English (en)
Inventor
홍주연
최재익
이정해
유영호
김동진
박재현
태흥식
Original Assignee
한국전자통신연구원
홍익대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원, 홍익대학교 산학협력단 filed Critical 한국전자통신연구원
Publication of KR20120070484A publication Critical patent/KR20120070484A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H01P5/022—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions
    • H01P5/028—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions between strip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices

Landscapes

  • Transmitters (AREA)

Abstract

본 발명은 광대역 발룬 구현 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 한계 주파수 설정이 용이하며, 설계의 복잡성을 줄일 수 있고, 넓은 대역에 사용할 수 있는 광대역 발룬 구현 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 순수한 왼손 법칙을 이용한 광대역 발룬 장치에 있어서, 입력단에 연결되며 상기 입력단을 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 마이크로 스트립 라인 전송선으로 분배하는 윌킨스 분배기와, 상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 1 출력단과, 상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 마이크로 스트립 라인 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 2 출력단을 포함한다.

Description

순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR WIDEBAND BALUN IMPLEMENTATION USING PURE LEFT-HANDED TRANSMISSION LINE}
본 발명은 광대역 발룬 구현 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법에 관한 것이다.
자연현상에서의 우리 주변의 물질들은 각각 고유의 유전율과 투자율을 가지고 있으며 유리와 물과 같이 모든 물질은 양(+)의 유전율과 투자율을 가진다. 메타물질(Meta-material)이란 인위적 가공을 통하여 자연에 존재하지 않는 유전율과 투자율을 갖는 물질을 의미한다. 이는 1968년에 동시에 음(-)의 유전율과 투자율을 갖는 물질에 대해 이론적으로 규명되었고 1996년과 1999년에 음의 유전율과 음의 투자율을 갖는 물질을 주기 구조를 이용해서 실제적으로 구현하였다. 특히 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 물질을 전자기파의 전계(electric field), 자계(magnetic field)와 포인팅 벡터(Poynting’s vector)가 일반적인 매질과는 달리 왼손 법칙을 따른다고 해서 왼손법칙 물질(left-handed material: 이하 “LHM”이라 칭함)이라고 하며 LHM에서의 전자기파는 후진파(backward wave), 음의 상 속력(negative phase velocity), 역 스넬의 법칙(reverse Snell's law), 역 도플러 효과(reverse Doppler effect) 등의 기존 전자기파의 성질과 상반되는 특성을 가진다. 이런 새로운 특징을 이용하여 이후 많은 과학자들에 의해 다양한 종류의 LHM이 구현 되었고, 많은 RF 소자에 응용되어 왔다. 특히 1-D형태의 LHM 전송선로는 구현과 분석이 간단하고 넓은 LH밴드를 갖게 되어 많은 응용분야에서 적용되고 있는 실정이다.
그리고 발룬(blaun)은 불평형 선로와 평형선로간의 변환을 목적으로 하는 회로 소자로서 안테나 및 주파수 혼합기, 고출력 증폭기 등과 같은 무선 통신 시스템에 있어서 두 출력간의 위상차가 180도가 되도록 전력을 분배하거나, 반대로 180도의 위상차를 가진 두 입력을 결합하는 용도로 널리 사용되고 있다. 두 출력 단의 180도 위상차를 얻기 위해 전력 분배기의 두 출력 선로의 서로 다른 전기적 길이를 이용하여 위상 반전 효과를 만드는 방법이 가장 일반적이다.
도 1a 와 도 1b는 일반적인 오른손 법칙 전송선들과 혼합 오른손 왼손 법칙(composite right/left handed : 이하 “CRLH”라 칭함) 전송선들의 분산 곡선과 위상차를 나타내는 개념도이다.
도 1a는 두 개의 일반적인 오른손 법칙 전송선로의 분산 곡선과 위상차의 개념도이며, 도 1b는 균형조건을 만족하는 CRLH 전송선과 일반적인 전송선의 분산 곡선과 위상차의 개념도이다.
도 1a 는 서로 다른 길이를 가지는 일반적인 오른손 법칙 전송선의 주파수에 따른 위상(
Figure pat00001
)을 나타낸다.
Figure pat00002
과
Figure pat00003
는 각각 특정 주파수 (fa) 에서의 RH 전송선 1과 RH 전송선 2의 위상을 나타낸다. 발룬의 설계를 위해서는 두 전송선의 RH 전송선의 위상차 (
Figure pat00004
-
Figure pat00005
)가 180o 가 되어야 하지만, 일반적인 전송 선로의 경우 전파 상수가 주파수에 종속되므로 두 전송선의 위상 기울기는 서로 상이하며, 따라서 도 1a와 같이 두 전송 선로간의 위상차를 180o 유지하는 주파수 대역은 매우 좁다. 때문에 광대역 특성을 위해서 다단으로 구성된 발룬을 설계하게 되지만, 이 역시 상대적으로 동작 대역이 좁거나 그 크기가 매우 커지게 된다. 또한 집중 소자 (lumped element)를 이용한 발룬의 경우 소형화와 집적화에 유리하지만 이 역시 출력 단의 위상 천이를 만족하는 대역은 상대적으로 좁다. 최근 이러한 문제점을 극복하기 위하여 CRLH 전송로의 오른손 법칙 및 왼손법칙 분산 곡선을 동시에 이용하는 새로운 방법의 발룬이 제안되었다.
도 1b를 살펴보면, 도 1b의
Figure pat00006
과
Figure pat00007
는 각각 fb과 fc에서의 CRLH 전송선의 위상을 나타내고,
Figure pat00008
과
Figure pat00009
는 각각 fb과 fc에서의 RH 전송선의 위상을 의미한다. CRLH 전송선과 일반적인 RH 전송선을 이용한 발룬의 경우, 광대역 특성을 위해 주파수 fb과 fc 사이에서 동일한 위상 기울기를 가지며, 그때의 두 전송선의 위상차 (
Figure pat00010
-
Figure pat00011
과
Figure pat00012
-
Figure pat00013
) 가 180o 를 유지하여야 하므로 도 1b와 같이 CRLH 전송선은 왼손법칙 분산곡선과 오른손법칙 분산곡선 사이의 밴드 갭이 존재하지 않는 균형 조건 (balanced condition)을 만족하여야만 하는 설계의 어려움이 있다.
따라서 본 발명에서는 한계 주파수 설정이 용이한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 설계의 복잡성을 줄일 수 있는 광대역 발룬 구현 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 넓은 대역에 사용할 수 있는 광대역 발룬 구현 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 순수한 왼손 법칙을 이용한 광대역 발룬 장치에 있어서, 입력단에 연결되며 상기 입력단을 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 마이크로 스트립 라인 전송선으로 분배하는 윌킨스 분배기와, 상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 1 출력단과, 상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 마이크로 스트립 라인 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 2 출력단을 포함한다.
본 발명의 광대역 발룬 구현 장치 및 방법은 한계 주파수 설정이 용이하고, 설계의 복잡성을 줄일 수 있으며, 넓은 대역에 사용할 수 있다.
도 1a는 두 개의 일반적인 오른손 법칙 전송선로의 분산 곡선과 위상차의 개념도,
도 1b는 균형조건을 만족하는 CRLH 전송선과 일반적인 전송선의 분산 곡선과 위상차의 개념도,
도 2는 광대역 발룬에 적용된 PLH 전송선의 단위 셀 구조도,
도 3a는 교차회로로 표현된 PLH 전송선의 등가 회로,
도 3b는 T 등가회로로 변환된 PLH 전송선의 등가 회로,
도 4는 PLH 전송선과 일반적인 마이크로스트립 라인의 분산 곡선과 위상 차이를 나타내는 개념도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 윌킨슨 발룬의 계통도,
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제작된 광대역 윌킨슨 발룬의 구성도,
도 7은 광대역 발룬의 시뮬레이션 값과 측정된 삽입 손실의 측정도,
도 8은 광대역 발룬의 시뮬레이션 값과 측정된 격리 특성 및 통과 특성도,
도 9는 광대역 발룬의 두 출력 단의 위상차와 개선된 PLH 전송선을 이용한 설계 결과도.
이하에서 설명되는 본 발명에서는 위의 문제점들을 해결하고, 기술적 과제를 달성하기 위한 것이다. 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시 예는 당 업계의 평균적인 지식을 갖는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된 것이다.
본 발명에서는 일반적인 마이크로스트립 전송선과 순수한 왼손 법칙(Pure Left Handed : 이하 “PLH”라 칭함) 전송선을 이용한 광대역 윌킨슨 발룬 설계에 관한 내용을 기재한다.
도 2는 광대역 발룬에 적용된 PLH 전송선의 단위 셀 구조도이다.
도 2에서는 PLH 전송선을 구현하기 위하여 신호의 입력 및 접지를 위한 두 개의 포트(Port 1, Port 2)가 존재한다. 기판의 윗면에는 일정한 길이의 넓이의의 신호선과 신호선의 중심을 기준으로 대칭되게 구성되는 도체 비아(1)가 존재한다. 아랫면에는 윗면과 대응되는 도체 비아와 메탈 물질로 구성된 기판을 식각한 결함그라운드 식각 구조(Defected Ground Structure : 이하 “DGS”라 칭함)(3), 유전체를 식각한 구조 중 일정하게 반복되는 즉 교차로 식각된 부분을 접합해주는 접합선(2), 그리고 메탈물질과 공백이 주기적으로 구성되는 인터 디지털 커패시터(Inter-Digital Capacitor : 이하 "IDC"라 칭함)(4)로 구성된다.
도 2의 단위 셀은 보는 바와 같이 교차회로를 만들기 위해 IDC 형태를 갖는 DGS로 접지 면을 구성하고 비아를 통해 교차회로를 구현한다. DGS 구조는 금속 접지면이 식각된 구조이다. 이는 접지면의 식각 구조가 접지면에 흐르는 전류의 분산을 방해하여 전송선의 유효 임피던스를 증가시킴으로써 특정 주파수 대역에서 저지대역을 발생시킨다. 이러한 특성을 활용하여 전송선로의 커패시턴스와 인덕턴스를 변화시켜 전송선의 특성을 변화시킬 수 있는 구조이다. 이때 비아의 위치가 도 2에서와 같이 교차 형태로 구현되어야만 포트 1에 입력된 신호는 비아를 통해서 신호선과 포트 2로 이어지는 접지 면으로 동시에 전류가 흐르게 된다. 다중 도체구조인 IDC에 의해 발생하는 기생 모드들을 제거하고 넓은 LH동작 영역을 얻기 위해 IDC의 첨두부와 하부에 접합선 (wire-bonding)처리한다. 첨두부는 요철형태에서 식각되지 않은 도체부분의 포트 1(Port 1)방향의 끝부분을 의미하여 하단은 요철형태의 식각되지 않는 도체부분의 포트 2(Port 2)방향의 끝부분을 의미한다.
도 3의 전송선로의 구성을 살펴보면 전송선로 기판의 상부와 하부의 넓이(d)는 5.2mm이며 상부의 가운데 신호선이 존재하며 신호선의 넓이(w)는 1.1mm로 구성한다. 신호선은 기판의 하부에 존재하는 하나이상의 식각되지 않은 요철 라인을 포함하며, 포함한다는 것은 기판을 위에서 내려봤을 경우 하나 이상의 요철라인은 신호선이 덮을 수 있다는 의미이다. 또한 신호선의 양 가장 자리 즉, 양 끝단에 신호를 입력받는 두 개의 포트(Port 1, Port 2)가 존재하며 포트를 통해 신호를 입력 받는 비아가 신호선의 중심으로부터 대칭적으로 존재한다.
전송선의 아랫면은 메탈로 덮혀 있는 기판에서 PLH를 구현하기 위하여 식각하여 구성하며, 기판의 가장자리에 일정한 공간을 두고 좌우로 5mm*5mm의 정사각형으로 식각하고, 정사각형 사이에 요철형태로 식각한다. 또한 요철형태는 메탈이 존재하는 영역과 메탈이 존재하지 않는 영역으로 구분할 수 있으며, 식각된 부분이 연결될 수 있도록 공간(fg=0.1mm)을 주어 사각형의 톱니 형태로 구성한다. 즉 아래쪽 방향(Port 1에서 Port 2방향)과 위쪽 방향(Port 2에서 Port 1 방향)으로 번갈아가며 메탈물질이 존재하도록 식각하며 아래쪽 방향과 위쪽방향으로 구성된 한 쌍을 하나의 핑거 묶음(finger pair)로 정의하며 도 2에서는 6개로 구성한다. 요철모양의 메탈의 넓이(fw)는 0.5mm로 구성한다.
도 3은 PLH 전송선의 등가 회로를 나타낸다.
도 3a는 교차회로로 표현된 PLH 전송선의 등가 회로이고, 도 3b는 T 등가회로로 변환된 PLH 전송선의 등가 회로이다.
도 3a에서는 인덕턴스 a(
Figure pat00014
)와 제 1 임피던스(
Figure pat00015
) 사이의 접점을 a라 하고, 제 1 임피던스(
Figure pat00016
)와 인덕턴스 c(
Figure pat00017
)사이의 접점을 c라고 가정하여 설명하기로 한다. 또한 인덕턴스 b(
Figure pat00018
)와 제 2 임피던스(
Figure pat00019
) 사이의 접점을 b라고 하고, 제 2 임피던스(
Figure pat00020
)와 인덕턴스 d(
Figure pat00021
) 사이의 접점을 d라고 가정하여 설명하기로 한다.
도 3a의 구성을 살펴보면 1번 종단(Port1(Signal))과 3번 종단(Port2(Signal))사이에는 인덕턴스 a(
Figure pat00022
)와 제 1 임피던스(
Figure pat00023
)와 인덕턴스 c(
Figure pat00024
)가 직렬로 연결되어 있다. 또한 2번 종단(Port 1(Ground))와 4번 종단(Port 2(Ground)) 사이에는 인덕턴스 b(
Figure pat00025
)와 제 2 임피던스(
Figure pat00026
)와 인덕턴스 d(
Figure pat00027
)가 직렬로 연결되어 있다. 접점 a와 접점 b 사이에는 커패시턴스 a(
Figure pat00028
)가 연결되며, 접점 c와 접점 d에는 커패시턴스 b(
Figure pat00029
)가 연결된다. 또한 교차회로를 구성하기 위하여 접점 a와 접점 d는 서로 연결되고, 접점 b와 접점 c는 서로 연결된다.
도 3a에서 제 1 임피던스(
Figure pat00030
)는 임피던스 1(
Figure pat00031
)으로 구성되며, 제 2 임피던스(
Figure pat00032
)는 DSG의 커패시턴스 구성요소(
Figure pat00033
)와 인덕턴스 구성요소(
Figure pat00034
)의 병렬연결로 구성된다. 일반적으로 DGS는 병렬 공진형태의 회로로써 도 3a에서
Figure pat00035
와
Figure pat00036
로 나타낼 수 있다.
또한 인덕턴스
Figure pat00037
와
Figure pat00038
와
Figure pat00039
와
Figure pat00040
는 모두 동일한 성분이고, 커패시턴스
Figure pat00041
와
Figure pat00042
도 동일한 성분이다. 또한
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
는 일반적인 마이크로 스트립이 고유하게 지니고 있는 성분으로 PLH 전송선의 기생성분이 된다.
Figure pat00050
,
Figure pat00051
,
Figure pat00052
,
Figure pat00053
값은 포트와 비아사이의 인덕턴스 값이며 전송선의 형태에 의존한다. 또한
Figure pat00054
은 비아와 비아 사이의 인덕턴스 값이며 사이의 전송선 형태에 의존한다.
도 3b는 도 3a를 r-파라미터에 의해 변환된 PLH 전송선로의 등가회로이다.
각 1, 2, 3, 4번 종단은 도 3a의 1, 2, 3, 4 번 종단과 동일한 의미를 가진다. 제 1 인덕턴스(
Figure pat00055
)와 제 1 임피던스(
Figure pat00056
) 사이의 접점을 a라 하고, 제 1 임피던스(
Figure pat00057
)와 제 2 임피던스(
Figure pat00058
) 사이의 접점을 b라고 하고, 제 2 임피던스(
Figure pat00059
)와 제 2 인덕턴스(
Figure pat00060
) 사이의 접점을 c라고 가정하여 설명하기로 한다.
도 3b의 구성을 살펴보면 1번 종단과 3번 종단 사이에는 제 1 인덕턴스(
Figure pat00061
)와 제 1 임피던스(
Figure pat00062
)와 제 2 임피던스(
Figure pat00063
)와 제 2 인덕턴스(
Figure pat00064
)가 직렬로 연결되어 있다. 또한 제 1 커패시턴스(
Figure pat00065
)와 어드미턴스(Y), 제 2 커패시턴스(
Figure pat00066
)는 접점 a, b, c를 기준으로 병렬로 연결된다. 이때 각 인덕턴스 값은 동일하며 즉, 이며, 각 커패시턴스 값도 동일(
Figure pat00067
=
Figure pat00068
)하다. 또한 제 1 임피던스(
Figure pat00069
)과 제 2 임피던스(
Figure pat00070
)의 값도 대칭적으로 동일한 값을 가진다.
도 4는 PLH 전송선과 일반적인 마이크로스트립 라인의 분산 곡선과 위상 차이를 나타내는 개념도이다.
이러한 PLH 전송선은 일반적인 전송선과 반대되는 위상 특성을 나타내게 됨에 따라 도 4와 같이 일반적인 전송선과의 180도 위상차를 유지하는 주파수 대역이 넓어지게 되어 광대역 특성의 발룬을 설계할 수 있다. 기존의 CRLH 전송선을 이용한 발룬의 경우 위상의 연속성을 위해 왼손 법칙(Left Handed : 이하 “LH”라 칭함) 전송대역과 오른손 법칙(RIGHT Handed : "RH")전송대역이 연결되는 균형 조건을 만족하여야 한다. 그러나 본 발명에서 제안된 PLH TL 발룬의 경우 광대역에서 왼손법칙 분산 곡선을 가짐에 따라 균형 조건으로부터 자유롭다. 또한 PLH 전송선은 RH 대역 없이 왼손 법칙 분산 곡선만을 가짐으로써 LH 전송대역의 한계 주파수를 쉽게 조절할 수 있으므로 기존의 CRLH 전송선에 비해 광대역 발룬의 설계에 용이하다.
도 4는 주파수에 따른 PLH 전송선의 위상 (
Figure pat00071
)과 일반적인 RH 전송선의 위상(
Figure pat00072
)을 도시한 것으로, PLH 전송선은 일반적인 마이크로스트립 라인과 서로 반대되는 위상 특성을 가지게 되며 <수학식 1>과 같이 계산된다.
Figure pat00073
여기서
Figure pat00074
와
Figure pat00075
은 각각 PLH 전송선와 일반적인 마이크로스트립 라인의 전파상수를 나타내며, L1 과 L2는 두 전송선로의 물리적 길이를 의미한다. 또한 도 4의
Figure pat00076
과
Figure pat00077
는 각각
Figure pat00078
과
Figure pat00079
에서의 순수 왼손법칙(PLH) 전송선의 위상을 나타내고,
Figure pat00080
과
Figure pat00081
는 각각
Figure pat00082
과
Figure pat00083
에서의 RH 전송선의 위상을 의미한다. PLH 전송선과 일반적인 RH 전송선을 이용한 발룬의 경우, 도 4와 같이 두 전송선이 주파수
Figure pat00084
과
Figure pat00085
사이의 넓은 대역에서 동일한 위상 기울기를 가지므로 광대역의 동작 주파수를 만족할 수 있고, 이때의 두 전송선의 위상 기울기는 <수학식 2>로 표현된다.
Figure pat00086
<수학식 2>를 만족하기 위해 PLH 전송선과 마이크로스트립 라인의 길이는 각각 L1=10.4mm와 L2=41mm로 결정된다. PLH 전송선은 두 개의 단위구조로 구현되며 그 크기는 도 2와 같다. 설정된 두 전송선로는 도 4에서와 같이
Figure pat00087
과
Figure pat00088
사이의 넓은 주파수 대역에서 동일한 위상 기울기를 가지며, 설계될 발룬의 ± 10도의 대역폭을 고려하여 다음의 <수학식 3>을 만족한다.
Figure pat00089
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 윌킨슨 발룬의 계통도이다.
도 5에서의 광대역 발룬은 윌킨슨 전력 분배기에 PLH 전송선과 일반적인 마이크로스트립 라인을 결합하게 된다. 포트 1 즉 입력단에서 윌킨스 분배기를 통해 한쪽 방향은 PHL 전송선으로 연결되며, 나머지 한쪽은 일반적인 마이크로 스트립 라인으로 연결된다. 그리하여 각각 포트 2와 포트 3으로 연결된다. 제안하는 발룬의 중심 주파수는 2.5GHz로 설정되었고 입력 단의 feed line은 너비 0.6mm, 길이 3mm의 50Ω 마이크로스트립 라인으로 구현된다. 윌킨스 분배기의 두 l/4마이크로스트립 라인은 70.7 Ω(
Figure pat00090
) 의 특성 임피던스를 가지며 그 너비와 길이는 각각 0.26mm, 11.8mm이고 매칭을 위해 100 Ω 의 저항 (R)이 연결되었다. 또한 PLH 전송선의 매칭을 위해 PLH 양끝 단에 λ/4정합 트랜스포머가 결합되었고 그 matching section의 특성 임피던스 (Z1)는 <수학식 4>로 계산된다.
Figure pat00091
이때 Zp 는 PLH 전송선의 특성 임피던스로, 실제 구현된 PLH 전송선의 특성 임피던스는 12.5Ω 으로 λ/4 정합 트랜스포머의 특성 임피던스는 25Ω으로 결정되며 그 크기는 너비 1.9mm와 길이 10.8mm이다. 일반적인 마이크로스트립의 역시 λ/4 정합 트랜스포머가 인가되어야 하며 그 특성 임피던스는 50Ω이고 길이는 11.5mm이다. 따라서 윌킨스 분배기와 port 3 사이의 마이크로스트립 라인의 총 길이는 64mm (L2 + 2x11.5mm)로 설계된다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제작된 광대역 윌킨슨 발룬의 구성도이다.
도 6a와 도 6b는 실제 제작된 광대역 윌킨슨 발룬을 나타낸 것으로 도 6a는 윗면 도 6b는 아랫면을 나타내고 있다. 도 6a와 도 6b에서는 유전율(er)은 10.2이며 높이 0.64mm의 Rogers RO 3010기판을 사용하였다.
도 6a에서는 도 5의 구성과 동일하게 포트 1에서 윌킨슨 분배기를 통하여 PHL 전송선과 마이크로 스트립 라인의 전송선으로 구분하여 구성되고 있으며 각각은 정합섹션으로 구성되어 있다. 도 6b에서 아랫면은 일반적인 마이크로 스트립 라인과 PLH 전송선의 하부가 표현되어 있으며 PLH 전송선의 하부는 도 2의 구성과 동일하게 구성된다.
도 7은 광대역 발룬의 시뮬레이션 값과 측정된 삽입 손실의 측정도이다.
도 7에서는 설계된 PLH 발룬의 반사 손실에 대한 시뮬레이션과 측정된 결과를 보여준다. 측정된 값은 동일한 수치를 이용하여 가상의 환경에서 시뮬레이션을 수행한 시뮬레이션 결과와 잘 일치하며, 동작 주파수인 1.47GHz~3.09GHz 에서 -11.5dB이하로 전체 구조의 정합이 잘 이루어짐을 확인 할 수 있다.
도 8은 광대역 발룬의 시뮬레이션 값과 측정된 격리 특성 및 통과 특성도이다.
도 8에서는 설계된 발룬의 격리 특성 (S23 또는 S32)과 통과 특성(S21 과 S31)을 나타낸 것으로 동작 주파수 대역에서 두 출력단의 동일한 전력 분배가 잘 이루어지고 있음을 알 수 있고, -13.8dB이하의 격리 특성을 나타내고 있으며, 특히 중심 주파수에서 -29.4dB의 우수한 격리 특성을 확인할 수 있다.
도 9는 광대역 발룬의 두 출력단의 위상차와 개선된 PLH 전송선을 이용한 설계 결과도이다.
도 9에서는 두 출력 단의 위상차를 나타낸 것으로, PLH 전송선 발룬의 경우 동작 주파수 대역에서 위상 차가 180도에 유사한 수준으로 유지되고 있음을 알 수 있고, 위상 차 180±10도 범위의 비대역폭이 71%로 일반적인 마이크로스트립 라인 2개로 구현된 발룬 (10.8%)에 비해 매우 향상됨을 확인할 수 있다.
더욱 향상된 대역폭을 가지는 발룬의 설계를 위해 LH 전송대역이 개선된 PLH 전송선을 이용한 발룬이 설계되었다. 개선된 PLH 전송선은 도 9에 나타난 구조로 LH 전송대역을 향상시키기 위해 기존의 PLH 전송의 신호선이 meander line으로 대체된다.
포트와 비아 사이의 전송선의 형태에 의존하는 인덕턴스 값을 작게 하기 위해서 전송선의 넓이를 넓히고 비아 사이의 전송선 형태에 의존하는 인덕턴스 값을 크게 하기 위해서 구불구불한 신호선 형태 (meander line type)를 적용한다. 도 9에서 신호선은 도 2의 일정한 넓이를 가지는 신호선 대신 구불구불한 신호선의 형태를 가진다. 개선된 PLH 전송선 발룬의 동작 주파수는 1.12GH~3.74GHz 의 107.8% 대역폭을 가짐을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. 이러한 왼손법칙 분산 곡선만을 가지는 PLH 전송선은 기존의 일반적인 마이크로스트립 라인으로 설계된 발룬 뿐만 아니라 일반적인 왼손 법칙 전송선으로 구현된 발룬의 협대역 또는 설계의 제한성을 극복함으로써 우수한 성능의 광대역 발룬 설계 활용을 극대화 할 수 있다.

Claims (1)

  1. 순수한 왼손 법칙을 이용한 광대역 발룬 장치에 있어서,
    입력단에 연결되며 상기 입력단을 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 마이크로 스트립 라인 전송선으로 분배하는 윌킨스 분배기와,
    상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 순수한 왼손 법칙을 따르는 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 1 출력단과,
    상기 윌킨스 분배기에서 분배된 상기 마이크로 스트립 라인 전송선과 미리 결정된 값을 가지는 트랜스포머를 이용하여 정합하는 제 2 출력단을 포함하는 광대역 발룬 장치.
KR1020110066956A 2010-12-21 2011-07-06 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법 KR20120070484A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100131542 2010-12-21
KR20100131542 2010-12-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120070484A true KR20120070484A (ko) 2012-06-29

Family

ID=46688330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110066956A KR20120070484A (ko) 2010-12-21 2011-07-06 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20120070484A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI394314B (zh) 基於複合右及左手超材料結構的電源結合器及分割器
KR102046408B1 (ko) 선택도 특성이 향상된 전력 분배기
CN108172958B (zh) 一种基于共面波导的周期性慢波传输线单元
US20070159268A1 (en) Multi-section coupler assembly
WO2020071956A1 (ru) Спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель
Dong et al. Application of composite right/left-handed half-mode substrate integrated waveguide to the design of a dual-band rat-race coupler
CN109066039A (zh) 一种新型的微带功分双工器
Mao et al. A novel 3-dB directional coupler with broad bandwidth and compact size using composite right/left-handed coplanar waveguides
CN105226367A (zh) 加载延时线的高方向性微带线定向耦合器
CN105720345B (zh) 高选择性的宽带十字型耦合器
CN107196033B (zh) 一种不等分功率的定向耦合器
Abdelaziz et al. Realization of composite right/left-handed transmission line using coupled lines
KR101529749B1 (ko) 광대역 발룬
Zhang et al. Compact branch-line coupler using uniplanar spiral based CRLH-TL
CN108028450B (zh) 一种滤波单元及滤波器
Ali et al. Design of low-pass filter using meander inductor and U-form Hi-Lo topology with high compactness factor for L-band applications
KR20120070484A (ko) 순수한 왼손 법칙 전송선을 이용한 광대역 발룬 구현 장치 및 방법
CN108736117B (zh) 一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器
Tayel et al. A high directivity-wideband metamaterial multisection directional coupler
KR101215885B1 (ko) 왼손 법칙을 가지는 전송 선로 구현 장치 및 방법
JP2018531560A6 (ja) フィルタリング装置およびフィルタ
Sun et al. Compact multilayer CPW MMIC spiral directional couplers and bandpass filters
Kumar et al. Review on various issues and design topologies of edge coupled coplanar waveguide filters
Chang et al. Design of slot-coupled diamond-shape microstrip wideband bandpass filter
Javadzadeh et al. An ultra-wideband 3-db quadrature hybrid with multisection broadside stripline tandem structure

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination