KR20150057673A - 격리 특성이 높은 방향성 결합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기의 구조에 관한 것이다. 제1 주선로 및 제1 부선로를 포함하는 제1 방향성 결합기; 및 제2 주선로 및 제2 부선로를 포함하는 제2 방향성 결합기를 포함하고, 상기 제1 방향성 결합기 및 상기 제2 방향성 결합기는 직렬로 연결되는 방향성 결합기가 제공될 수 있다.

Description

격리 특성이 높은 방향성 결합기{DIRECTIONAL COUPLER DEVICE WITH HIGH ISOLATION CHARACTERISTICS}
본 발명의 실시예는 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기의 구조에 관한 것이다.
방향성 결합기는 고주파 신호를 전파하는 주선로와 주선로에 대해 평행하게 배치되고 주선로에 전자기적으로 결합된 부선로를 구비한다.
도 1은 이러한 방향성 결합기의 구조를 도시한 것으로, 주선로(101)와 부선로(102)의 전자기적인 결합을 이용하여 주선로(101)의 각 단자로부터 입력된 고주파 신호의 일부를 부선로(102)의 각 단자에 출력한다.
주선로(101)와 부선로(102)에는 짝 모드 또는 홀 모드로 불리는 고주파 신호의 전파가 발생하고 이로 인하여 주선로(101)와 부선로(102)의 임피던스가 결정된다. 각 모드의 위상속도를 같게 하고, 주선로(101)와 부선로(102)의 길이를 고주파신호 파장의 1/4배로 결정함으로 주선로(101)의 입력 단자로부터 입력된 고주파 신호는 부선로(102)의 출력 단자밖에 나타나지 않아 양호한 격리 특성을 얻는다.
도 1에서 IN 단자에 고주파가 입사되었을 때 신호는 OUT 단자와 결합도에 상응하는 신호가 CUP 단자로 출력하게 되며 TERM은 임피던스 정합을 통해 단락 시킨다. 이때, 방향성 결합기의 격리 특성은 OUT 단자에서 CUP 단자로 흘러 들어오는 신호를 말한다.
예를 들어 비교적 결합도가 강한 -3dB, 격리 특성 30dB의 방향성 결합기의 경우와 결합도가 약한 결합도 -30dB, 격리 특성 -30dB의 방향성 결합기를 비교해 볼 때, 전자는 충분한 격리 특성을 가지고 있지만 후자인 결합도 낮은 경우에 격리 특성을 충분히 확보하지 못한다.
이는 마이크로 스트립의 전송선의 물리적 특성상 두 개의 서로 다른 매질 특성을 가짐으로 생기는 현상이다.
본 발명의 실시예는 마이크로 스트립 전송선의 물리적 특성상 두 개의 서로 다른 매질을 지날 때 충분한 격리 특성을 가지지 못하는 현상을 해결하기 위한 것으로, 이에 간단한 결합으로 마이크로 스트립 방향성 결합기의 낮은 격리 특성을 확보하도록 한다.
제1 주선로 및 제1 부선로를 포함하는 제1 방향성 결합기; 및 제2 주선로 및 제2 부선로를 포함하는 제2 방향성 결합기를 포함하고, 상기 제1 방향성 결합기 및 상기 제2 방향성 결합기는 직렬로 연결되는 방향성 결합기가 제공될 수 있다.
일측에 있어서, 상기 제1 주선로 및 상기 제2 주선로는 마이크로 스트립을 통하여 연결되고, 상기 제1 부선로 및 상기 제2 부선로는 커패시터 및 인덕터를 통하여 연결될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 상기 제1 부선로의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고, 상기 제2 부선로의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결되고, 상기 인덕터의 제1 단은 상기 제1 커패시터의 제2 단 및 상기 제2 커패시터의 제2 단과 연결되고, 상기 인덕터의 제2 단은 그라운드와 연결될 수 있다.
방향성 결합기에 있어서, 제1 마이크로 스트립; 제2 마이크로 스트립; 제3 마이크로 스트립; 제4 마이크로 스트립; 및 제1 마이크로 스트립 및 제2 마이크로 스트립 사이에 위치하고 상기 제1 마이크로 스트립 및 상기 제2 마이크로 스트립을 연결하는 제5 마이크로 스트립을 포함하고, 상기 제3 마이크로 스트립 및 상기 제4 마이크로 스트립은 직렬로 연결되는 방향성 결합기가 제공될 수 있다.
일측에 있어서, 상기 제3 마이크로 스트립 및 상기 제4 마이크로 스트립은 커패시터 및 인덕터를 통하여 연결될 수 있다.
상기 제3 마이크로 스트립의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고, 상기 제4 마이크로 스트립의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결되고, 상기 인덕터의 제1 단은 상기 제1 커패시터의 제2 단 및 상기 제2 커패시터의 제2 단과 연결되고, 상기 인덕터의 제2 단은 그라운드와 연결될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 상기 제1 마이크로 스트립, 상기 제2 마이크로 스트립, 및 상기 제5 마이크로 스트립은 주선로를 구성하고, 상기 제3 마이크로 스트립, 상기 제4 마이크로 스트립, 상기 커패시터 및 상기 인덕터는 부선로를 구성할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 상기 방향성 결합기의 격리 특성은 -40dB 이하로 나타날 수 있다.
본 발명의 실시예를 통해 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기를 설계함으로써 결합 계수가 매우 낮은 방향성 결합기에서도 높은 격리 특성을 유지하도록 하여 상기 기재한 현상을 해결할 수 있으며, 그 설계 방법이 매우 간단하여 설계에 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 방향성 결합기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 제안되는 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 방향성 결합기의 설계와 해당 방향성 결합기에 대한 모의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 제안되는 방향성 결합기의 설계 구조와 이에 대한 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
이하, 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기의 구조에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
본 발명에서는 방향성 결합기를 이루는 전자기적으로 연결되어 있는 두 전송선로에 관해 설계하는 방법에 대해서 설명한다. 이를 위해서 마이크로 스트립 구조로 방향성 결합도가 낮은 방향성 결합기를 설계하거나 격리 특성이 열화되는 현상을 극복하기 위해서 적절한 전기적 길이를 가지는 전송선을 삽입하는 방식으로 설계할 수 있다.
두 개의 방향성 결합기를 연결할 때에, 전송선 및 커패시터(Capacitor)와 인덕터(Inductor)를 이용하여 결합하여 낮은 결합도의 방향성 결합기의 격리 특성을 극복하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 제안되는 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기(200)의 구조를 도시한 도면이다. 실시예에 있어서, 도 1과 같은 일반적인 방향성 결합기 두 개를 연결한 구조를 가지며, 제1 방향성 결합기(210) 및 제2 방향성 결합기(220)의 내부 특성은 같거나 다를 수 있다.
제1 방향성 결합기(210)는 제1 주선로(201)와 제1 부선로(203)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 방향성 결합기(210)와 연결되는 제2 방향성 결합기(220)는 제2 주선로(202)와 제2 부선로(204)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 방향성 결합기(210)와 제2 방향성 결합기(220)를 연결하는데 있어서, 제1 주선로(201)와 제2 주선로(202)를 직렬로 연결하고, 제1 부선로(203)와 제2 부선로(204)를 직렬로 연결할 수 있다. 제1 주선로(201)와 제2 주선로(202) 및 제1 부선로(203)와 제2 부선로(204)는 마이크로 스트립으로 구성될 수 있다.
이때, 제1 주선로(201)와 제2 주선로(202) 사이를 마이크로 스트립(205)을 통해서 연결될 수 있으며, 제1 부선로(203)와 제2 부선로(204) 사이는 커패시터 및 인덕터(230)를 통해 연결될 수 있다.
실시예에 따른 연결 형태는 도 2의 구조를 따를 수 있다. 제1 주선로(201)와 제2 주선로(202)에 대한 설명은 앞서 설명한 바에 따르며, 제1 부선로(203) 및 제2 부선로(204) 그리고 커패시터 및 인덕터(230)의 연결 구조에 대해서 설명한다.
제1 부선로(203)의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고, 제2 부선로(204)의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결될 수 있다. 그리고 두 커패시터 사이에 인덕터가 연결될 수 있는데, 인덕터의 제1 단은 제1 커패시터의 제2 단 및 제2 커패시터의 제2 단의 사이에 연결될 수 있으며, 인덕터의 제2 단은 그라운드와 연결될 수 있다.
도 2의 방향성 결합기(200)의 구조에 대해서 각 선로에 대해 개별적으로 설명하게 되면, 각 선로는 마이크로 스트립 선로로 구성될 수 있으므로, 제1 마이크로 스트립(201), 제2 마이크로 스트립(202), 제3 마이크로 스트립(203), 제4 마이크로 스트립(204)이 제5 마이크로 스트립(205)과 커패시터 및 인덕터(230)로 연결되는 구조를 가질 수 있다.
제1 마이크로 스트립(201)과 제2 마이크로 스트립(202), 그리고 제3 마이크로 스트립(203) 제4 마이크로 스트립(204)은 각각 직렬로 연결될 수 있다.
이때, 제1 마이크로 스트립(201)과 제2 마이크로 스트립(202)은 제5 마이크로 스트립(205)를 통해서 연결될 수 있으며, 제3 마이크로 스트립(203) 제4 마이크로 스트립(204)은 커패시터 및 인덕터(230)로 직렬 연결될 수 있다.
자세하게는, 제3 마이크로 스트립(203)의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고, 제4 마이크로 스트립(204)의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결될 수 있다. 그리고 두 커패시터 사이에 인덕터가 연결될 수 있는데, 인덕터의 제1 단은 제1 커패시터의 제2 단 및 제2 커패시터의 제2 단의 사이에 연결될 수 있으며, 인덕터의 제2 단은 그라운드로 접지될 수 있다.
이러한 방향성 결합기(200)의 구성을 통해서 높은 격리 특성을 가질 수 있으며, 결합 계수가 낮은 방향성 결합기를 연결할 때에도 높은 격리 특성을 유지하도록 할 수 있다.
도 3은 일반적인 방향성 결합기의 설계와 해당 방향성 결합기에 대한 모의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 제안되는 방향성 결합기의 설계 구조와 이에 대한 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 3의 (a)와 같이 선로의 두께가 9.861um, 두 선로간의 간격이 29.85um이며 선로의 길이가 14.78um인 방향성 결합기의 특성은 도 3의 (b)와 같이 나타날 수 있다. S(4,1)은 결합 계수를 의미하며 S(2,4)는 격리 특성을 나타내고, 도 3의 (b)는 이러한 특성을 dB 스케일로 도시하고 있다. dB 스케일로 그래프를 도시하였기 때문에 마이너스(-) 단위로 도시될 수 있다.
도 3의 (b)의 특성은 유전율 9.6 기판두께 10um의 이상적인 기판 위에 20GHz 대역의 격리 특성을 도식하기 위한 모의 실험 결과를 도식한 것이다. 도시된 바와 같이, 20GHz 대역에서 격리 특성과 결합 계수의 차이가 약 2dB 밖에 나지 않는다.
방향성 결합기는 입사파와 반사파의 분리 등을 위해 주로 쓰이기 때문에 격리 특성이 높게 유지되어야 할 필요성이 있다. 따라서, 도 4의 (a)와 같이 두 방향성 결합기를 커패시터와 인덕터를 통해 연결하는 구성을 통해서 도 4의 (b)와 같은 격리 특성 및 결합 계수를 획득할 수 있다.
도 4의 (b)는 마찬가지로 S(4,1)의 결합 계수 및S(2,4)의 격리 특성을 dB 스케일로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 20GHz 대역에서 -30dB의 결합 계수를 가지고 격리 특성 또한 -40dB 이하로 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기를 설계할 수 있다.
본 발명의 실시예를 통해 높은 격리 특성을 가지는 방향성 결합기를 설계함으로써 결합 계수가 매우 낮은 방향성 결합기에서도 높은 격리 특성을 유지하도록 하여 상기 기재한 현상을 해결할 수 있으며, 그 설계 방법이 매우 간단하여 설계에 용이하다는 장점이 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
200: 방향성 결합기
210: 제1 방향성 결합기
220: 제2 방향성 결합기

Claims (8)

  1. 제1 주선로 및 제1 부선로를 포함하는 제1 방향성 결합기; 및
    제2 주선로 및 제2 부선로를 포함하는 제2 방향성 결합기
    를 포함하고,
    상기 제1 방향성 결합기 및 상기 제2 방향성 결합기는 직렬로 연결되는
    방향성 결합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주선로 및 상기 제2 주선로는 마이크로 스트립을 통하여 연결되고,
    상기 제1 부선로 및 상기 제2 부선로는 커패시터 및 인덕터를 통하여 연결되는
    방향성 결합기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 부선로의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고,
    상기 제2 부선로의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결되고,
    상기 인덕터의 제1 단은 상기 제1 커패시터의 제2 단 및 상기 제2 커패시터의 제2 단과 연결되고,
    상기 인덕터의 제2 단은 그라운드와 연결되는
    방향성 결합기.
  4. 방향성 결합기에 있어서,
    제1 마이크로 스트립;
    제2 마이크로 스트립;
    제3 마이크로 스트립;
    제4 마이크로 스트립; 및
    제1 마이크로 스트립 및 제2 마이크로 스트립 사이에 위치하고 상기 제1 마이크로 스트립 및 상기 제2 마이크로 스트립을 연결하는 제5 마이크로 스트립
    을 포함하고,
    상기 제3 마이크로 스트립 및 상기 제4 마이크로 스트립은 직렬로 연결되는
    방향성 결합기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 마이크로 스트립 및 상기 제4 마이크로 스트립은 커패시터 및 인덕터를 통하여 연결되는
    방향성 결합기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 마이크로 스트립의 제1 단은 제1 커패시터의 제1 단과 연결되고,
    상기 제4 마이크로 스트립의 제1 단은 제2 커패시터의 제1 단과 연결되고,
    상기 인덕터의 제1 단은 상기 제1 커패시터의 제2 단 및 상기 제2 커패시터의 제2 단과 연결되고,
    상기 인덕터의 제2 단은 그라운드와 연결되는
    방향성 결합기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 스트립, 상기 제2 마이크로 스트립, 및 상기 제5 마이크로 스트립은 주선로를 구성하고,
    상기 제3 마이크로 스트립, 상기 제4 마이크로 스트립, 상기 커패시터 및 상기 인덕터는 부선로를 구성하는
    방향성 결합기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 방향성 결합기의 격리 특성은 -40dB 이하인
    방향성 결합기.
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