KR20140013248A - 4 포트로 구성된, 2-섹션 3-ｄＢ 하이브리드 커플러 - Google Patents

4 포트로 구성된, 2-섹션 3-ｄＢ 하이브리드 커플러 Download PDF

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KR20140013248A
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Abstract

본 발명은 2-섹션 3dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다. 특이적으로, 본 발명은 부하 탄력 ICRF 가열을 위한 고파워 및 광대역 2-섹션 3dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다. 더욱 특이적으로, 본 발명의 하이브리드 커플러는 메인 및 커플링된 라인의 임피던스에 특징을 부여하여, 광대역의 하이브리드 커플러를 제공한다.

Description

4 포트로 구성된, 2-섹션 3-ｄＢ 하이브리드 커플러{4 PORTS 2 SECTIONS 3-dB HYBRID COUPLER}
본 발명은 2-섹션 3dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다. 특이적으로, 본 발명은 부하 탄력 ICRF 가열을 위한 높은 출력 및 광대역 2-섹션 3dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다. 더욱 특이적으로, 본 발명의 하이브리드 커플러는 전송선(transmission line) 및 가지전송선(branch line)의 임피던스에 특징을 부여하여, 광대역의 하이브리드 커플러를 제공한다.
커플링(Coupling)이란 독립된 공간 또는 선로 간에서 전자계적으로 교류 신호 에너지가 상호 전달되는 현상을 의미한다. 커플러(Coupler)는 이러한 커플링의 정도를 인위적으로 조절하는 것으로, 선로의 길이와 간격을 임의로 조절하여 한쪽에 원하는 전력이 전달되도록 하는 장치이다.
특히 3dB 하이브리드 커플러는 두 개의 평행한 전송선과 상기 두 전송선 사이의 두 개 이상의 가지전송선으로 구성되며, 상기 전송선은 상기 가지전송선으로 물리적으로 커플링되어 있다. 제너레이터(generator)는 포트 1(입력 포트(input port))에 연결된다. 더미 로드(dummy load)는 포트 4(아이솔레이티드 포트(isolated port))에 연결된다. 포트 1에 인가된 신호는 포트 2(트랜스미티드 포트(transmitted port)) 및 포트 3(커플디드 포트(coupled port))에 균등하게 나뉜다. 하나의 출력 포트는 다른 출력 포트와 90°상 시프트(shift)를 보여준다. 포트 2 및 포트 3이 매칭 임피던스로 적절히 종결되면, 포트 1에 인가된 거의 모든 신호는 포트 2 및 포트 3에 연결된 로드에 전달된다.
도 1a-1c은 종래의 하이브리드 커플러를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 하이브리드 커플러는 4 포트로서, 입력 포트(input port)와 트랜스미티드 포트(transmitted port)를 연결하는 제 1 전송선; 아이솔레이티드 포트(isolated port)와 커플디드 포트(coupled port)를 연결하는, 상기 제 1 전송선과 평행한, 제 2 전송선; 상기 두 전송선을 수직으로 연결하고 있는, 가지전송선들로 이뤄진다.
하이브리드 커플러의 전송선 및 가지전송선의 전기적 길이가 각각 중심 주파수(f0)의 λ/4 길이로 이루어져 있다. 여기서, 트랜스미티드 포트와 커플디드 포트의 각 출력의 크기는 같고, 90°의 위상 차를 갖는 신호가 발생된다.
한편, 포트 4(이이솔레이트디 포트)는 격리되어 아무런 신호를 출력하지 못한다.
이러한 3 dB 하이브리드 커플러는 대역폭을 넓히기 위해 도 1b 및 1c에서 도시된 바와 같이, 2섹션 및 3섹션으로 넓히는 방법을 사용함이 당업계에 알려져 왔다.
종래에 알려진 3섹션(도 1c) 형태의 가지전송선의 임피던스는 1섹션(도 1a)의 가지전송선의 임피던스보다 커서 제작의 문제점이 있다.
3섹션은 2섹션이나 1섹션보다 크기가 커서 공간의 제약이 많이 따르는 문제점도 있다.
본 발명자는 이러한 문제점을 해결하고, 광대역이면서, 3dB로 커플링 되는, 아래 소개된 커플링을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은, 입력 포트(input port)와 트랜스미티드 포트(transmitted port)를 연결하는 제 1 전송선; 아이솔레이티드 포트(isolated port)와 커플디드 포트(coupled port)를 연결하는, 상기 제 1 전송선과 평행한, 제 2 전송선; 상기 두 전송선을 수직으로 연결하고 있는, 상기 입력포트로부터 상기 트랜스미티드 포트로 순차적으로 제 1, 제 2 및 제 3 가지전송선으로 이뤄진, 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다.
이러한 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러의 각 라인들의 임피던스 값은, 당업계에 알려진 바에 따라, 아래 식을 활용하여 구해진다.
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
Zp는 가지전송선의 임피던스 값이고, Z0은 포트의 임피던스 값이며, Zr은 전송선의 임피던스 값이다.
3-dB 커플러의 경우, 식(1)에서 P2=P3이므로, Z0=Zp가 된다. 따라서, 식 (2)의 우변은 2가 되어, Zr은
Figure pat00003
이 된다.
따라서, 이상적 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러의 각 라인들의 임피던스 값은 아래와 같은 식으로 구해진다.
전송선의 임피던스 값(Z2) = 포트의 임피던스 값(Z0)/√2
제 2 가지전송선 임피던스 값(Z2) = 포트의 임피던스 값(Z0)/√2
제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1) = 포트의 임피던스 값(Z0)/(√2-1)
50옴 기준 커플러의 경우 Z2은 35.4옴이 된다. 이러한 방식으로 각 전송선과 가지전송선의 임피던스 값을 구하면, 1-섹션 3-dB 커플러의 각 임피던스 값은 도 1a와 같고, 2-섹션 3-dB 커플러의 각 임피던스 값은 도 1b와 같으며, 3-섹션 3-dB 커플러의 각 임피던스 값은 도 1c와 같다.
본 발명의 발명자는 이러한 당업계에 알려진 이상적인 커플러의 임피던스 값을 변경시켰다. 이러한 변경이, amplitude balance, 대역폭, 위상 차의 개선을 가져옴을 발견하였다. 본 발명은, S11이 -15dB보다 좋고, 트랜스미티드 포트(transmitted port) 및 아이솔레이티드 포트(isolated port)의 amplitude의 차이가 ±0.5dB, 바람직하게는 ±0.4dB이며, 트랜스미티드 포트(transmitted port) 및 아이솔레이티드 포트(isolated port)의 위상차가 ±0.5, 바람직하게는 ±0.3을 만족시키는 대역폭이, 이러한 당업계에 알려진 이상적인 커플러가 가진 대역폭보다 더 큰 커플러를 제공한다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 작으며, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작으며, 상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)은 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 같음에 특징이 있다. 본 발명의 발명자는 전송선과 제 1 및 제 3 가지전송선의 당업계에 알려진 이상적 임피던스 값보다 작은 임피던스 값을 가진 커플러가 대역폭이 넒어짐을 발견하였다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 최대 30% 작으며, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 최대 30% 작음에 특징이 있다. 30% 이상으로 작아지면, amplitude balance에 좋지 않다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율과, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율이 같다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)보다 더 작다. 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)보다 더 작아짐에 따라, 대역폭에는 변화없이, amplitude balance가 향상된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율이, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율보다 최대 50% 더 큰, 바람직하게는 최대 20% 더 크다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2) 및 상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 30% 작고, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 25% 작다.
본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명은, 입력 포트(input port)와 트랜스미티드 포트(transmitted port)를 연결하는 제 1 전송선; 아이솔레이티드 포트(isolated port)와 커플디드 포트(coupled port)를 연결하는, 상기 제 1 전송선과 평행한, 제 2 전송선; 상기 두 전송선을 수직으로 연결하고 있는, 상기 입력포트로부터 상기 트랜스미티드 포트로 순차적으로 제 1, 제 2 및 제 3 가지전송선으로 이뤄진, 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러에 있어서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 작으며, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작으며, 상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)은 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)보다 작은, 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러를 제공한다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 최대 20% 작으며, 상기 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 최대 20% 작다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율과, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율이 같다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 제 2 가지전송선의 임피던스 값(Z3)은 상기 Z2의 임피던스 값보다 최대 20% 작다.
본 발명의 다른 측면으로서, 포트의 임피던스 값이 50옴인 경우에, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 24.5옴이고, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 96.2옴이며, 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z2)은 22.2옴이다.
도 1a-c는 다양한 형태의 3 dB 하이브리드 커플러 및 이의 이상적 임피던스 값을 보여준다. 도 1d는 본 발명에서 제시하는 일 예로서의 3 dB 하이브리드 커플러의 형태 및 이의 임피던스 값을 보여준다.
도 2는, 도 5에서 예시한 바와 같은, 3-차원 전자기 시뮬레이션 코드, HFSS를 사용하여, 도 1a-1d에 예시된 4가지 형태의 커플러를 평가한 그래프이다.
도 3은, Z1 및 Z2가 각각의 이상적인 임피던스보다 작은 임피던스를 갖도록 설정한 후(예를 들어, Z1은 96.2옴이고 Z2는 24.5옴이다), 제 2 가지전송선의 임피던스(Z3)의 값을 Z2의 임피던스보다 작게 다양한 변화를 주어 amplitude 및 phase balance를 비교한 데이터이다.
도 4는 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 S-파라미터를 보여준다.
도 5는 3-차원 전자기 시뮬레이션 코드, HFSS를 예시한다.
도 6은 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 모델을 적용한 마이크로스트립의 사진이다.
도 7은 도 6에서 제시한 마이크로스트립 버전의 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 각각 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값(전송선의 이상적 임피던스 값)과, 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)(가지전송선의 이상적 임피던스 값)보다 일정한 비율로 줄였을 때의 결과를 보여준다.
도 9는 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 amplitude imbalance를 보여주는 그래프이다.
도 10은 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 S11에 대한 S 파라미터를 보여주는 그래프이다.
도 11는 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 위상 차이를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 제안된 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러의 가지전송선 및 가지전송선들의 임피던스 값이 우수한 효과를 보임을 아래와 같은 실험을 통해 증명하였다. 본 발명의 제안된 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러는 이상적 2-섹션 하이브리드 커플러보다도 2배 이상의 대역폭을 가지며, 3-섹션 3-dB 하이브리드 커플러와 거의 비슷한 대역폭을 가짐에도 amplitude balance 및 phase difference가 매우 우수함을 입증한다. 이의 크기는 이상적 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러와 동일하여 이의 적용의 우수성이 있다.
도 5에서 예시한 바와 같은 3-차원 전자기 시뮬레이션 코드인 HFSS로, 동축 하이브리드 커플러로 디자인하였으며, 그 결과, 아래와 같이 나타내었다.
도 8a은 본 발명의 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 각각 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값(전송선의 이상적 임피던스 값)과, 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)(가지전송선의 이상적 임피던스 값)보다 일정한 비율로 줄였을 때의 S11에 대한 S파라미터이다.
도 8a에서, "double"에 해당하는 그래프는 2섹션 하이브리드 커플러의 당업계에 알려진 이상적 임피던스를 가진 커플러의 그래프이다. 10%에 해당하는 그래프는 상기 이상적인 임피던스 값보다 본 발명의 Z1 및 Z2를 동시에 10%만큼 임피던스 값을 줄였을 때의 그래프이며, 20%에 해당하는 그래프는 상기 이상적인 임피던스 값보다 Z1 및 Z2를 동시에 20%만큼 임피던스 값을 줄였을 때의 그래프이고, 30%에 해당하는 그래프는 상기 이상적인 임피던스 값보다 Z1 및 Z2를 동시에 30%만큼 임피던스 값을 줄였을 때의 그래프이며, 20%30%에 해당하는 그래프는 상기 이상적인 임피던스 값보다 Z1 및 Z2를 각각 20% 및 30%만큼 임피던스 값을 줄였을 때의 그래프이고, 25%30%에 해당하는 그래프는 상기 이상적인 임피던스 값보다 Z1 및 Z2를 각각 25% 및 30%만큼 임피던스 값을 줄였을 때의 그래프이다. 아래에 있는 그래프들도 이러한 방식으로 구성되어 있다.
Z1 및 Z2의 임피던스 값을 이상적인 임피던스 값보다 줄일수록, 대역폭은 늘어남을 확인할 수 있다. -15 dB 이상의 S11 값을 갖는 범위는 Z1 및 Z2의 임피던스를 이상적인 임피던스의 최대 30%로 줄이는 것임을 확인할 수 있었다.
도 8b는 본 발명의 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 각각 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값(전송선의 이상적 임피던스 값)과, 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)(가지전송선의 이상적 임피던스 값)에서 일정한 비율로 줄였을 때의 amplitude balance를 보여주는 그래프이다.
Z1 및 Z2의 임피던스를 이상적인 임피던스의 최대 30%까지 줄였을 때, ±0.5의 amplitude balance 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
특별하게는, Z2의 임피던스 값의 이상적 임피던스로부터의 감소 비율이 Z1에 대한 것보다 더 큰 경우, 예를 들어, 25%30% 그래프의 경우, amplitude balance가 0에 더욱 근접함을 확인하였다.
다른 측면으로서, Z2의 임피던스 값의 이상적 임피던스로부터의 감소비율이 Z1에 대한 것보다 더 큰 경우, 예를 들어, 20%30% 그래프의 경우, amplitude balance가 +0.5에 더욱 근접함을 확인하였다.
도 8c은 본 발명의 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 각각 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값(전송선의 이상적 임피던스 값)과, 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)(가지전송선의 이상적 임피던스 값)으로부터 일정한 비율로 줄였을 때의 위상 차이에 대한 그래프를 보여준다.
바람직한 형태로서, Z1이 25% 줄어들고, Z2 및 Z3가 30%가 줄어든, 예를 들어, 50옴 기준에서, Z1=90.6ohm, Z2=Z3=24.8ohm인 경우이다. 이는, S11이 -15dB 이내에서 24.7~39.0 MHz를 보이며, 트랜스미티드 포트(transmitted port)와 커플디드 포트(coupled port)의 amplitude 차이가 +/-0.4 dB에서, 26.1~39.1MHz이며, 위상차이 90도+/-3도에서 25~38.9MHz를 보인다.
이는, 이상적인 임피던스 값을 가진 커플러의 거의 두 배에 달하는 대역폭이다.
도 8d는 25%30%에 해당하는 커플러의 S파라미터를 보여준다.
도 9는 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 amplitude imbalance를 보여주는 그래프이다.
도 10은 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 S11에 대한 S 파라미터를 보여주는 그래프이다.
도 11는 Z1의 임피던스 값보다 Z2의 임피던스 값을 더욱 작게 하는 비율을 다양하게 한 경우의 위상 차이를 보여주는 그래프이다.
도 9에서 보는 바와 같이, amplitude imbalance가 음의 방향으로 불균형 되는 경우는 Z1과 Z2의 임피던스가 동일하게 커지는 경우, Z1의 임피던스가 Z2의 임피던스보다 더 작은 경우이다.
반대로 amplitude imbalance가 양의 방향으로 불균형 되는 경우는 Z2의 임피던스가 Z1의 임피던스보다 일정 범위 이상 커지는 경우이다.
상기 일정범위 이상 커지는 경우는 amplitude imbalance가 0에 근접하는 경우를 확인하면 추정가능한데, 0에 근접하는 경우는, Z2가 30%인 경우에서 Z1은 25%인 경우가 23%인 경우와 27%인 경우와 비교했을 때 0에 근접하였다. 도 9d 및 9f가 참조된다. 또한, Z2가 25%인 경우에는 Z1은 20%인 경우가 0에 근접하였다.
이러한 추론에 따라 Z2의 이상적 임피던스 값에 대한 감소비율이 Z1의 감소비율보다 최대 약 50%, 바람직하게는 최대 약 20% 클 경우가 amplitude가 0에 근접함을 확인하였다.
도 3은, Z1 및 Z2가 각각의 이상적인 임피던스보다 작은 임피던스를 갖도록 설정한 후(예를 들어, Z1은 96.2옴이고 Z2는 24.5옴이다), 제 2 가지전송선의 임피던스(Z3)의 값을 Z2의 임피던스보다 작게 다양한 변화를 주어 amplitude 및 phase balance를 비교한 데이터이다.
도 3a는 리턴 로스(return loss)를 보여주며, 도 3b는 phase difference를 보여주고, 도 3c는 amplitude imbalance를 보여준다.
phase difference 및 리턴 로스는 제 2 가지전송선의 임피던스 값이 줄어듦에 따라 향상됨을 보여준다. 그러나 amplitude imbalance는 22.2옴을 기준으로 향상되다가 다시 악화됨을 볼 수 있다. amplitude imbalance에 대해, 제 2 가지전송선의 바람직한 임피던스 값은 20 ~ 24 옴이며, 더욱 바람직하게는 21 ~ 23이며, 가장 바람직하게는 22.2 옴이다.
도 2는 도 1a-1d에 예시된 4가지 형태의 커플러를 평가한 그래프이다.
도 2a는 상기 도 1에 예시된 4가지 형태의 커플러의 리턴 로스(return loss)를 보여준다. 도 2a에서 (i)는 도 1a에 예시된 이상적 1-섹션 하이브리드 커플러에 해당하고, (ii)는 도 1b에 예시된 이상적 2-섹션 하이브리드 커플러에 해당하며, (iii)은 도 1c에 예시된 이상적 3-섹션 하이브리드 커플러에 해당하고, (iv)는 본 발명에서 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러에 해당한다. 본 발명의 제안된 커플러는, -10dB보다 우수한, 바람직하게는 -15dB보다 우수한, 리턴 로스를 제공하는 대역폭이, 이상적 2-섹션 커플러보다 넓어졌음을 확인할 수 있다.
도 2b는 상기 도 1에 예시된 4가지 형태의 커플러의 인서션(insertion)과 커플링(coupling)의 값을 보여준다. 이 또한, 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러는, 허용되는 주파수 대역에서 출력 포트들 사이의 파워 밸런스가 매우 좋음 확인할 수 있다.
또한, 도 2c는 도 1에 예시된 4가지 형태의 커플러의 amplitude imbalance와 phase difference의 값을 보여준다. 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 인서션 로스 및 커플링은 각각 -3.20 dB 및 -3.21 dB이며, 32.5MHz의 주파수에서 출력 상 불균형 값이 0.4°아래 였다.
도 2c에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러는 거의 균등한 amplitude balance와 phase difference를 가지는 주파수 대역폭이, 이상적 2-섹션 하이브리드 커플러의 대역폭에 거의 두 배에 달하고, 3-섹션 하이브리드 커플러의 대역폭과 유사함을 확인할 수 있다. 32.5 MHz의 중심 주파수에서 37.6%의 주파수 대역에 걸친 리턴 로스와 아이솔레이션이 -15dB보다 우수한 영역에서 파워 밸런스가 0.3 dB를 보여준다. HFSS 시뮬레이션은 26.88 ~ 38.55 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 -3.1±0.15 dB의 amplitude balance를 보여주고, 90°±2°의 phase difference를 보여주며, 매우 우수한 커플링 편평도(flatness)를 보여줌을 증명하였다. 포트 2 및 3에서 출력 amplitude imbalance 및 phase difference는 각각 0.3 dB 이고 88°였다.
아래 표는 도 1에 예시된 4가지 타입의 하이브리드 3-dB 커플러의 허용 amplitude imbalance 및 phase difference에서의 주파수 대역폭을 비교하는 표이다.
Amplitude
Imbalance
( dB ) 		Phase
Difference (degree) 		B.W. Remarks
(a) 3.02 ± 0.1 90°± 0.5° 18% 이상적 1-섹션 하이브리드 커플러
(b) 3.02 ± 0.1 90°± 0.5° 22% 이상적 2-섹션 하이브리드 커플러
(c) 3.02 ± 0.17 90°± 0.5° 30% 이상적 3-섹션 하이브리드 커플러
(d) 3.10 ± 0.15 90°± 2° 37% 본 발명의 2-섹션 하이브리드 커플러
도 4는 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 S-파라미터를 보여준다. 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러가 광대역 폭을 가지면서 amplitude와 phase balance가 향상됨을 보여준다. 11.67 MHz까지의 대역폭에서 -15 dB 보다 좋은 아이솔레이션을 보여주고, -3.1±0.15 dB의 커플링을 보여주었다.
도 6은 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 모델을 적용한 마이크로스트립의 사진이다. 본 발명에서 제안한 임피던스 값의 적용이 마이크로스트립에서도 적용됨을 확인하기 위해 제조하였다. 그 결과는 도 7에 도시된 바와 같다. HFSS 모델에서 나타난 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 출력 포트 2 및 3 사이의 파워 밸런스는 3 GHz에 대해 32.6%의 주파수 대역폭에 걸쳐 16 dB 보다 우수한 리턴 로스 및 아이솔레이션을 보여주면서 -3.3 ± 0.15 dB 였다.

Claims (12)

  1. 입력 포트(input port)와 트랜스미티드 포트(transmitted port)를 연결하는 제 1 전송선;
    아이솔레이티드 포트(isolated port)와 커플디드 포트(coupled port)를 연결하는, 상기 제 1 전송선과 평행한, 제 2 전송선;
    상기 두 전송선을 수직으로 연결하고 있는, 상기 입력포트로부터 상기 트랜스미티드 포트로 순차적으로 제 1, 제 2 및 제 3 가지전송선으로 이뤄진, 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 작으며,
    제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작으며,
    상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)은 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)과 같은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 최대 30% 작으며,
    제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 최대 30% 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율과, 제 1 및 제 3 가지전송선의 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율이 같은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)보다 더 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율이, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율보다 최대 50% 더 큰,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율이, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율보다 최대 20% 더 큰,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2) 및 상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 30% 작고,
    제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 25% 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  8. 입력 포트(input port)와 트랜스미티드 포트(transmitted port)를 연결하는 제 1 전송선;
    아이솔레이티드 포트(isolated port)와 커플디드 포트(coupled port)를 연결하는, 상기 제 1 전송선과 평행한, 제 2 전송선;
    상기 두 전송선을 수직으로 연결하고 있는, 상기 입력포트로부터 상기 트랜스미티드 포트로 순차적으로 제 1, 제 2 및 제 3 가지전송선으로 이뤄진, 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 작으며,
    제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작으며,
    상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z3)은 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)보다 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값보다 최대 20% 작으며,
    상기 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값보다 최대 20% 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 √2를 나눈 값에서 줄어든 비율과, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)이 상기 포트의 임피던스 값(Z0)에 (√2-1)을 나눈 값에서 줄어든 비율이 같은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 가지전송선의 임피던스 값(Z3)은 상기 Z2의 임피던스 값보다 최대 20% 작은,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    포트의 임피던스 값이 50옴인 경우에, 상기 전송선들의 임피던스 값(Z2)은 24.5옴이고, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z1)은 96.2옴이며, 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z2)은 22.2옴인,
    4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
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