KR20170084397A

KR20170084397A - 광대역 특성을 갖는 소형 rf 신호 결합기

Info

Publication number: KR20170084397A
Application number: KR1020160003215A
Authority: KR
Inventors: 박주덕; 최병철
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2017-07-20

Abstract

RF 신호 결합기가 제공된다. 이 RF 신호 결합기는 적층된 브랜치 선로과 접지 스트립 선로를 포함하고, 상기 브랜치 선로는, 제1 포트와 제3 포트를 연결하는 제1 전송 선로; 제2 포트와 제3 포트를 연결하는 제2 전송 선로; 제2 포트와 제4 포트를 연결하는 제3 전송 선로; 및 한쪽 끝단이 상기 제1 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제1 브랜치 라인과 한쪽 끝단이 상기 상기 제2 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제2 브랜치 라인을 포함하는 커플링 선로를 포함한다. 그리고 상기 커플링 선로와 상기 접지 스트립 선로는 상하 방향으로 서로 중첩된다.

Description

광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기{COMPACT COUPLER WITH WIDEBAND CHARACTERISTIC}

본 발명은 RF 신호 결합기에 관한 것으로, 통신 시스템에 사용되는 RF 신호 결합기에 관한 것이다.

RF 입력 신호를 분리하거나 결합하기 위한 소자로 4-port를 갖는 RF 신호 결합기(coupler)가 널리 사용되고 있다.

RF 신호 결합기는 두 개의 신호를 180°로 위상 천이(phase shift)된 신호로 분리 또는 병합하는 역할을 하며, 통신 시스템의 구성요소로서 부품으로 제작되거나 회로기판에 집적되어 설계되고 있다.

RF 결합기는 입력 신호를 분리하여 전달할 때 손실이 적고 통신 장치에 실장할 때 다른 RF 요소들과 간섭이 없게 설계 제작되어야 한다. 따라서 인덕턴스 코일, 캐패시터 등의 RF 부품을 이용하지 않고 PCB에 선로(transmission line)로 설계되는 것이 일반적이다.

도 1은 종래 기술에 따른 RF 신호 결합기의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 RF 신호 결합기는 180° 병합식 링 결합기(180° Hybrid ring coupler)의 구조를 갖는다.

도 1에서 P1은 입력 포트, P2는 신호의 분리를 목적으로 설계된 출력 포트, P3, P4는 결합을 목적으로 설계된 출력 포트이다.

링 형태의 선로에서 3l/4 길이에 해당하는 부분이 표시되어 있다. 다시 말해 파장(l)의 3/4에 해당하는 길이의 선로 부분이 필요하다. 이러한 부분이 결합기의 크기를 크게 만드는 요인이 된다.

크기의 제약성은 동작하는 주파수 대역폭의 한계를 갖게 만드는 요인이기도 하다. 또한, PCB 상에 다른 신호 선로와 함께 위치하는 부분이 간섭의 주요 원인이 된다.

RF 결합기는 통신 시스템의 소형화 추세에 따라 점차 소형화되고 있는 추세이다. RF 결합기는 일반적으로 다양한 주파수 대역의 입력 신호를 위상 분리 또는 병합하여 출력으로 전달하는 역할을 하므로 광대역 주파수 특성을 요구한다. RF 결합기의 소형화 과정에서 동작 주파수가 협소해 지는 문제가 발생된다.

즉, RF 결합기의 설계에서 동작 주파수(파장)에 비해 소형이면서 광대역 특성을 나타내고 통신 장치 내에 실장이 편리한 구조로 설계하는 것이 중요한 과제이다.

따라서, 본 발명의 목적은 광대역 특성을 가지며, 소형의 RF 신호 결합기를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 RF 신호 결합기는 적층된 브랜치 선로와 접지 스트립 선로를 포함하고, 상기 브랜치 선로는, 제1 포트와 제3 포트를 연결하는 제1 전송 선로; 제2 포트와 제3 포트를 연결하는 제2 전송 선로; 제2 포트와 제4 포트를 연결하는 제3 전송 선로; 및 한쪽 끝단이 상기 제1 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제1 브랜치 라인과 한쪽 끝단이 상기 상기 제2 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제2 브랜치 라인을 포함하는 커플링 선로를 포함한다. 그리고 상기 커플링 선로와 상기 접지 스트립 선로는 상하 방향으로 서로 중첩된다.

본 발명에 따르면, RF 신호 병합 결합기를 다층의 PCB 구조로 외곽면은 금속 접지면을, 안쪽 계층의 면에는 branch strip과 ground strip으로 구성하여 ground strip과 branch line 스트립의 결합 효과(coupling effect)에 따라 광대역 설계가 가능하고 소형화시킬 수 있다.

또한, 양쪽 접지면 안쪽에 신호 선로가 존재하게 설계함으로써 외부의 선로 및 소자에 의한 전자기적 간섭을 효과적으로 차폐할 수 있는 구조로서 통신장치 회로에 실장이 용이하고 고른 특성을 나타내는 부품으로 제작할 수 있게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 RF 신호 결합기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 그라운드 스트립 선로의 폭 변화에 따른 주파수 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 4는 도 2에 도시한 그라운드 스트립 선로의 길이 변화에 따른 주파수 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5는 본 발명에 일 실시 예에 따라 실제 제작된 RF 신호 결합기의 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시 예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명의 RF 신호 결합기는 180°병합식 결합기의 구조를 가질 수 있다.

이러한 180°병합식 결합기의 구조에서, 다층 기판의 외관 면에는 금속 평면의 Ground 층이 존재하고, 안쪽 층에는 접지 스트립 라인(ground strip line)과 사각 모양의 브랜치 선로(branch line)가 존재한다. 접지 스트립 라인은 외곽의 접지면과 비아홀(Via hole)로 연결된 구조이다. Branch line의 길이는 1/4 파장(l) 정도로 설계가 가능하여 소형화가 가능하다. 그리고 양쪽 외곽면에 존재하는 접지면은 결합기를 통신 장치의 회로기판에 실장할 때 외부의 다른 전자기적 요소와 결합을 차폐하는 효과가 있어 회로 구성을 간편하게 만드는 효과가 있고 결합기를 하나의 부품으로 제작 가능하게 만드는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기에 대해 상세히 기술한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, RF 신호 결합기의 구조 및 이에 대한 설계 파라미터를 도시하고 있다.

구체적으로, 도 2의 (a), (b)에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 패턴 형상이 도시되고, 도 2의 (c)에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 단면 구조가 도시된다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기는 제1 접지면(170)과, 상기 제1 접지면(170)의 상부에 위치하는 제1유전체층(182), 상기 제1 유전체층(182)의 상부에 위치하는 제2 유전체층(184), 상기 제1 유전체층(182)과 제2 유전체층(184)의 사이에 존재하는 접지 스트립 라인(150), 상기 제2 유전체층(184)의 상부에 형성되는 브랜치 선로 패턴층(195)을 포함한다.

상기 브랜치 선로 패턴층(195)은, 제1 포트(P1)와 제3 포트(P3)를 전기적으로 연결하는 제1 전송 선로(110), 제2 포트(P2)와 제3 포트(P3)를 전기적으로 연결하는 제2 전송 선로(120), 제2 포트(P2)와 제4 포트(P4)를 전기적으로 연결하는 제3 전송 선로(130), 제1 포트(P1)와 제4 포트(P4) 사이에 위치하는 커플링 선로(coupled line)(140, TL₂)를 포함한다.

상기 제1, 제2, 제3 전송선로(110, 120, 130) 및 커플링 선로(140)는 전송 선로(wave guide)로서, 마이크로스트립 라인(microstrip line), 스트립라인(strip line) 등일 수 있다.

상기 커플링 선로(140)는 상기 제1 포트와 제4 포트에 각각 연결되고 종단이 접지되어, λ/4 길이를 갖는 한 쌍의 브랜치 라인(quarter-wavelength short-circuited branchline)이 일정 간격을 두고 서로 나란히 배치된 구조로 구성될 수 있다. 이때, 상기 접지 스트립 라인(150)은 상기 커플링 선로(140)의 하부에 위치하게 된다. 즉, 상기 접지 스트립 라인(150)과 상기 커플링 선로(140)는 상하 방향으로 서로 중첩되게 배치된다.

상기 브랜치 선로 패턴층(195)의 상부에는 제3 유전체층(190) 및 제2 접지면(175)이 더 형성될 수 있다.

상기와 같이 제3 유전체층(190) 및 제2 접지면(175)을 더 포함하여 외부로부터 소정의 신호가 유입되거나, 반대로 본 발명에 따른 RF 신호 결합기의 신호가 외부로 누설되어 노이즈로 작용하는 것을 방지한다.

상기와 같은 구조를 가지는 RF 신호 결합기를 구성함으로써 그 크기를 효과적으로 줄일 수 있는데, 예를 들어 도 1에 도시된 종래의 180° 병합식 링 결합기(180° Hybrid ring coupler)를 구성하는 경우, 약 1.5 λ_g의 원주를 가지는 형상이 되지만, 본 발명에 따른 일 실시 예로서 구현한 RF 신호 결합기의 경우, 약 1.04λ_g의 둘레를 가지는 형상으로 결합기를 구현할 수 있었다.

즉, 도 1에 도시한 3λ/4의 길이를 가지는 전송 선로 구간을 도 2에서 도시한 바와 같이 종단이 접지된 한 쌍의 브랜치 라인을 일정 간격을 두고 서로 나란히 배치하는 구조를 갖는 커플링 선로(coupled line)(140)로 대체함으로써, 효과적으로 180°하이브리드 커플러의 크기를 줄일 수 있게 된다.

이때, 상기 커플링 선로(coupled line)(140)를 구성하는 한 쌍의 브랜치 라인은 서로 근접하여 배치되는 것이 바람직하고, 나아가 한 쌍의 λ/4 브랜치 라인 사이의 간격을 조정함으로써, 커플링 선로(140)가 갖는 특성 임피던스를 제어하여 회로의 정합 특성을 크게 개선할 수 있게 된다.

여기서, 커플링 선로(140)의 간격은 RF 신호 결합기의 동작 주파수에 따른 브랜치 라인의 길이와 폭, 그리고, 커플링 선로(140) 하부에 위치한 접지 스트립 라인(150)의 크기 및 거리 등의 세부 구조에 따라, RF 신호 결합기의 전기적 특성을 최적화할 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 상기 접지 스트립 라인(150)을 그 하부에 근접하여 배치함으로써, 상기 한 쌍의 λ /4 브랜치 라인에서의 정전 결합(capacitive coupling)을 개선할 수 있게 되어, 상기 RF 신호 결합기의 광대역 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다. 이때, 상기 접지 스트립 라인(150)는 상기 한 쌍의 λ /4 브랜치 라인의 형상에 대응하는 사각형 스트립의 형상을 가질 수 있으며, 또한 상기 접지 스트립 라인(150)는 비아(via) 등을 통하여 제1 접지면(170)에 전기적으로 연결될 수 있다.

나아가, 상기 제2 유전체층(184)의 두께를 얇게 하여 상기 한 쌍의 λ/4 브랜치 라인과 상기 접지 스트립 라인(150)의 이격 거리를 줄여 줌으로써, 상기 한 쌍의 λ /4 브랜치 라인에서의 커플링(coupling)을 보다 개선하고, RF 신호 결합기의 동작 주파수를 더욱 넓힐 수 있게 된다.

나아가, 상기 제1, 제2, 제3 전송선로 중 하나 이상에는 임피던스 매칭을 위한 스터브(stub)(160)가 연결될 수 있다. 이를 통하여, 시뮬레이션 등을 통한 설계치와 실제 제작된 결합기의 오차를 튜닝할 수 있고, 또한 제품에 따른 특성 편차를 보정할 수도 있게 된다.

도 3은 도 2에 도시한 접지 스트립 라인의 폭 변화에 따른 주파수 특성을 나타내는 그래프들이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 접지 스트립 라인(150)의 폭을 조정하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 신호 결합기의 소형화에 따른 동작 주파수가 협대역(narrow band)으로 나타나는 특성을 해결할 수 있다.

구체적으로, 도 3의 (a)는 접지 스트립 라인(150)의 폭(Ws)이 0.0 mm~0.4mm 사이의 변화에 따라 선로의 반사 계수를 나타낸 것인 데, 폭이 증가함에 따라 반사 계수가 줄어드는 특성(선로의 전달 효율이 좋아지는 특성)을 나타내었다.

도 3의 (b)는 폭(Ws)의 변화에 따라 포트 1과 포트 2 사이의 분리 특성(isolation performance)를 나타낸 것인데, 폭(Ws)가 2mm 이상일 때 대부분의 구간에서 -25dB 이하의 매우 좋은 분리 특성을 나타내고 있다.

도 3의 (c)와 (d)는 포트 3과 포트 4 의 전력 분리(Power dividing) 특성을 나타낸 것으로서 구조의 비대칭성 때문에 같은 특성을 나타내지 않고 포트 4에서 더 큰 변화가 있는 것을 알 수 있다.

도 4는 도 2에 도시한 그라운드 스트립 선로의 길이 변화에 따른 주파수 특성을 나타낸 그래프들로서, 길이 변화에 따라 전력 분리 특성이 개선됨을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 일 실시 예에 따라 시험용 시작품으로 제작된 RF 신호 결합기의 사진이다. 시험 결과 대역폭이 0.73GHz~3.1GHz 사이로 매우 광대역이면서, 크기는 48mm X 52 mm인 소형의 RF 신호 결합기를 제작할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 RF 신호 결합기를 다층의 PCB 구조로 외곽면은 금속 접지면을, 안쪽 계층의 면에는 branch strip과 ground strip으로 구성하여 ground strip과 branch line 스트립의 결합 효과(coupling effect)에 따라 광대역 설계가 가능하고 소형화 시킬 수 있다. 그리고 양쪽 접지면 안쪽에 신호선로가 존재하게 설계함으로써 외부의 선로 및 소자에 의한 전자기적 간섭을 효과적으로 차폐할 수 있는 구조로서 통신장치 회로에 실장이 용이하고 고른 특성을 나타내는 부품으로 제작이 가능하게 한다.

이상, 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

4 포트(4-port)를 갖는 RF 신호 결합기에서,
적층된 브랜치 선로과 접지 스트립 선로를 포함하고,
상기 브랜치 선로는,
제1 포트와 제3 포트를 연결하는 제1 전송 선로;
제2 포트와 제3 포트를 연결하는 제2 전송 선로;
제2 포트와 제4 포트를 연결하는 제3 전송 선로; 및
한쪽 끝단이 상기 제1 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제1 브랜치 라인과 한쪽 끝단이 상기 제2 포트에 연결되고 다른 쪽 끝단이 접지되는 제2 브랜치 라인을 포함하는 커플링 선로를 포함하고,
상기 커플링 선로와 상기 접지 스트립 선로는 상하 방향으로 서로 중첩됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 제1 접지면과 제2 접지면을 더 포함하고,
상기 적층된 브랜치 선로과 접지 스트립 선로는 상기 제1 접지면과 제2 접지면 사이에 위치함을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제2항에서, 상기 제1 브랜치 라인의 다른 쪽 끝단과 상기 제2 브랜치 라인의 다른 쪽 끝단은 비아(via)를 통해 상기 제1 접지면과 제2 접지면 중 어느 하나의 접지면에 접지됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 상기 제1 브랜치 라인과 상기 제2 브랜치 라인은 일정 간격으로 서로 나란히 배치됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 상기 제1 내지 제3 전송선로와 상기 커플링 선로는 사각 형태로 배치됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 상기 접지 스트립 선로의 폭이 증가할수록 상기 브랜치 선로의 반사계수는 작아짐을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 상기 접지 스트립 선로의 폭이 증가할수록 상기 제1 포트와 제2 포트 사이의 분리 특성(isolation performance)이 증가함을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서, 상기 접지 스트립 선로의 폭이 증가할수록 상기 제3 포트와 제4 포트 사이의 전력 분리(power dividing) 특성이 증가함을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서,
제1 접지면;
상기 제1 접지면 상에 배치되는 제1 유전체층; 및
상기 제1 유전체층 상에 배치되는 제2 유전체층을 더 포함하고,
상기 제2 유전체층 상에 상기 브랜치 선로가 배치됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제9항에서, 상기 접지 스트립 선로는,
상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층 사이에 배치됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제9항에서,
상기 제1 브랜치 라인의 다른 쪽 끝단과 상기 제2 브랜치 라인의 다른 쪽 끝단은 상기 제1 접지면에 접지됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.
제1항에서,
상기 브랜치 선로 상에 배치되는 제3 유전체층;
상기 제3 유전체층 상에 배치되는 제2 접지면을 더 포함하고,
상기 제1 브랜치 라인의 다른쪽 끝단과 상기 제2 브랜치 라인의 다른쪽 끝단은 상기 제1 접지면에 접지됨을 특징으로 하는 광대역 특성을 갖는 소형 RF 신호 결합기.