KR20230029767A - 3dB 직교 혼합 결합기 및 무선 주파수 프런트엔드 모듈, 통신 단말기 - Google Patents

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반칩 (톈진) 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 3dB 직교 하이브리드 커플러, 무선 주파수 프런트 엔드 모듈 및 통신 단말기를 개시한다. 상기 3dB 직교하이브리드 커플러는 기판에 설정할 수 있으며, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 적층 구조, 코플레이너 구조, 또는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취함으로써, 상응하는 무선 주파수 신호 입력 포트와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결되고, 격리 포트와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결된다. 동시에, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수와 포트의 특징적인 임피던스 요구에 따라, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 횟수 및 층수를 조정하여, 커플러 삽입 손실을 줄이고, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 포트 반사 계수, 포트 격리도 등 무선 주파수 성능을 최적화한다. 본 발명을 이용하여, 칩 면적을 효과적으로 작게하고 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 줄일 수 있다.

Description

3dB 직교 혼합 결합기 및 무선 주파수 프런트엔드 모듈, 통신 단말기
본 발명은, 3dB 직교 하이브리드 커플러에 관련되는 동시에, 해당 3dB 직교 하이브리드 커플러를 포함한 무선 주파수 프런트엔드 모듈 및 상응하는 통신 단말기에 관한 것이다.
3dB 직교 하이브리드 커플러는 포트 사이의 높은 격리를 유지하면서 입력 신호를 균등하게 나누고, 두 개의 출력 신호 사이에서 90°의 위상 이동을 생성하거나, 포트 사이의 높은 격리를 유지하면서 두 개의 위상 차이가 90°인 입력 신호를 병합할 수 있는 일반적인 4포트 장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 3dB 직교 하이브리드 커플러는 두 가닥의 교차하는 4분의 1파장 전송선을 포함한다. 이상적인 경우, 무선 주파수 신호가 무선 주파수 신호 입력 포트에 입력될 경우, 무선 주파수 신호의 절반(3dB에 해당함)은 무선 주파수 신호 출력(1)(위상 0°) 포트로 직통하고, 무선 주파수 신호의 나머지 절반은 무선 주파수 신호 출력(2)(위상 90°) 포트에 결합된다. 3dB 직교 하이브리드 커플러의 포트 미스매칭에 의해 발생된 반사 에너지를 격리 포트로 유입하거나 무선 주파수 신호 입력 포트에서 상쇄함으로써, 구동 장치(전력 유닛)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
4G/5G 등 모바일 단말기에 사용되는 무선 주파수 프런트엔드 모듈은 공간이 비교적 제한되어 있다. 비교적 좋은 무선 주파수 성능을 구현하려면, 일반적으로 칩을 통해 3dB 직교 하이브리드 커플러가 구현되지만, 칩에 있는 무원부품의 Q값이 비교적 낮은 데 국하되어, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 삽입 손실이 커진다. 또한, 일부 공정으로 제조된 칩은 단일 층 또는 두 층의 다른 두께의 금속만 제공하기 때문에, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 포트에 임피던스 미스매매치와 격리도가 불량한 문제가 발생한다. 또한, 칩에 3dB 직교 하이브리드 커플러를 설계하면 칩 면적이 커지기 때문에, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용이 증가한다.
본 발명이 해결하고자 하는 우선적인 기술적 문제는 기판에서 구현되는 3dB 직교 하이브리드 커플러를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 문제는 상술한 3dB 직교 하이브리드 커플러를 포함하는 무선 주파수 프런트 엔드 모듈 및 통신 단말기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 구현하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 기술적 방안을 채택한다.
본 발명의 실시예의 제1 양태에 따라, 3dB 직교 하이브리드 커플러를 제공한다. 상기3dB 직교 하이브리드 커플러는 기판에 설정되며, 무선 주파수 신호 입력 포트, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트, 제2 무선 주파수 신호 출력 포트, 격리 포트, 상기 무선 주파수 신호 입력 포트와 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트 사이에 연결된 직통 금속 코일 및 상기 격리 포트와 상기 제2 무선 주파수 신호 출력 포트 사이에 연결된 결합 금속 코일을 포함하고, 상기 격리 포트는 격리 저항에 연결되어 접지된다.
상기 무선 주파수 신호 입력 포트에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 전자기 결합과 용량성 결합을 통해, 상기 무선 주파수입력 신호의 절반이 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트로 흐르고, 상기 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반이 상기 제2 무선 주파수 신호 출력 포트에 결합되게 하며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있다.
바람직하게는, 상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 적층 구조를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합된다.
바람직하게는, 상기 기판에서, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 교차적으로 배열된다.
바람직하게는, 상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 코플레이너 구조를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합된다.
바람직하게는, 상기 기판에서, 상기 직통 금속 코일의 각 층은 상기 결합 금속 코일과 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 상기 직통 금속 코일은 상기 결합 금속 코일과 같은 위치에 있다.
바람직하게는, 상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일 표면과 금속 코일의 가장자리가 조합된 형태를 통해 용량성 결합된다.
바람직하게는, 상기 기판에서, 각 층의 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 상기 직통 금속 코일은 상기 결합 금속 코일과 상반되는 위치에 있다.
바람직하게는, 각 층 사이의 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일의 연결 관계는 다음과 같다. 첫 번째 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단은 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트에 연결되고, 제5 관통홀을 통해 홀수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단에 각각 연결되고, 첫 번째 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 제6 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단에 각각 연결되며, 제2 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 제7 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단에 각각 연결되고, 마지막 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 상기 격리 포트에 추가로 연결된다.
첫 번째 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단은 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트에 연결되고, 제8 관통홀을 통해 홀수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단에 각각 연결되며, 첫 번째 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단은 제9 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결되고, 제2 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단은 상기 무선 주파수 신호 입력 포트에 연결되며, 제10 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결된다.
본 발명의 실시예의 제2 양태에 따라, 상기 3dB 직교하이브리드 커플러를 포함하는 무선 주파수 프런트 엔드 모듈이 제공된다.
본 발명의 실시예의 제3 양태에 따라, 상기 3dB 직교하이브리드 커플러를 포함하는 통신 단말기가 제공된다.
본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교하이브리드 커플러는 기판에서 구현될 수 있다. 이를 위해, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일은 적층 구조, 코플레이너 구조, 또는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취함으로써, 상응하는 무선 주파수 신호 입력 포트와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결되고, 격리 포트와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결된다. 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수와 포트의 특징적인 임피던스 요구에 따라, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 횟수 및 층수를 조정하여, 커플러의 삽입 손실을 줄이고, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 포트 반사 계수, 포트 격리도 등 무선 주파수 성능을 최적화한다. 본 발명을 이용하여, 칩 면적을 효과적으로 작게하고 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에서 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조를 나타내는 도이다.
도 2는 라인 커플러가 결합된 구조를 나타내는 개략도 및 짝수 모드 용량 등가회로이다.
도 3은 라인 커플러가 결합된 구조를 나타내는 개략도 및 홀수 모드 용량 등가회로이다.
도 4는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 적층 구조를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 단층 금속 코일의 코플레이너 구조를 나타내는 개략도이다.
도 6는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 다층 금속 코일의 코플레이너 구조를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 층의 금속 코일이 적층된 코플레이너의 혼합 구조를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 다층 금속 코일이 적층된 코플레이너의 혼합 구조를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 3포트 발사 계수에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 삽입 손실에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 전력차에 대한 시뮬레이션 결과를 나태내는 개략도이다.
도 12는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 위상차에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 포트 격리도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 개략도이다.
아래에 첨부된 도면과 구체적인 실시예를 결합하여 본 발명의 기술적 내용에 대해 더 자세히 설명한다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 효과적으로 줄이기 위해, 기판에서 구현될 수 있는 3dB 직교 하이브리드 커플러를 제공한다. 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러는 무선 주파수 신호 입력 포트(1), 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2), 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3), 격리 포트(4), 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결된 직통 금속 코일 및 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이에 연결된 결합 금속 코일을 포함하고, 격리 포트(4)는 격리 저항에 연결되어 접지된다.
무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 전자기 결합을 통해 용량성 결합되며, 무선 주파수 입력 신호의 절반은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)로 흐르고, 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반은 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 결합되며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있다.
여기서, 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결된 직통 금속 코일은 유도 코일을 형성하고, 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력포트(3) 사이에 연결된 결합 금속 코일은 유도 코일을 형성하며, 직통 금속 코일로 형성된 유도 코일과 결합 금속 코일로 형성된 유도 코일을 이용하여 전자기 결합된다. 또한, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일은 기판에 설정되며, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일은 적층 구조, 코플레이너 구조, 또는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취함으로써, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 금속 코일 표면, 금속 코일의 가장자리, 또는 금속 코일 표면과 금속 코일 가장자리가 조합된 형태를 통해 용량성 결합을 구현한다.
구체적으로, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 적층 구조를 취할 경우, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합되고, 금속 코일 표면은 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 상호 중첩면이다. 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 코플레이너 구조를 취할 경우, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합되고, 금속 코일의 가장자리는 직통 금속 코일의 가장자리와 이와 인접한 결합 금속 코일의 가장자리이다. 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취할 경우, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 금속 코일 표면과 금속 코일의 가장자리가 조합된 형태를 통해 용량성 결합된다.
직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 상응하는 금속선으로 둘러싸인 단일 권선 또는 다중 권선 금속 코일이다. 여기서, 직통 금속 코일은 결합 금속 코일의 모양과 같으며, 또한, 원형 또는 사각형의 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일인 것이 바람직하다. 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조 및 원리에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 아래 사각형의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일을 예로 들어, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 각각 적층 구조, 코플레이너 구조, 또는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취할 경우에 대해 상세하게 설명한다.
실시예 1
본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 적층 구조를 취한다. 여기서, 각 층의 직통 금속 코일의 길이가 비슷하고, 각 층의 결합 금속 코일의 길이가 비슷하다. 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 층수와 코일 횟수가 같고, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 중합되며, 각 층의 인접일 권선의 직통 금속 코일 및 인접일 권선의 결합 금속 코일의 간격은 같다. 또한, 기판에서, 위에서 아래로, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 교차적으로 배열된다. 즉, 기판에서, 위에서 아래로, 한 층의 직통 금속 코일과 한 층의 결합 금속 코일이 교차적으로 배열되거나, 한 층의 결합 금속 코일과 한 층의 직통 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다. 각 층의 직통 금속 코일은 제1 관통홀을 통해 연결되고, 각 층의 결합 금속 코일은 제2 관통홀을 통해 연결된다. 본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는 기판에서 구현됨으로써, 칩 위에 3dB 직교 하이브리드 커플러를 설계하면 칩 면적을 많이 점용하고, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용이 증가하는 종래 기술에 존재하는 문제를 해결한다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에서, 금속 코일의 마지막 층은 기준 접지이며, 기준 접지가 있는 금속 코일층으로부터 높이는 먼 곳에서 가까운 곳이고, 금속 코일의 층 순서는 위로부터 아래로의 순서로 정의하였다.
실제 응용에서, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역 및 출력 포트의 특징적인 임피던스 요구에 근거하고, 아래의 공식과 결합하여, 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계할 때 참조하는 데이터를 초보적으로 확정한다. 상기 데이터는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 코일 너비, 지면에 대한 높이, 층수, 횟수 및 코일 사이의 간격이다. 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계한 후, 상기 판도를 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하고, 나아가 설계된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도에 참조된 데이터가 정확한지 검증한다. 또한, 검증 결과에 근거하여, 3dB 직교 하이브리드 커플러 판도의 설계에서 참조하는 데이터를 조정한다. 또한, 새로운 3dB 직교 하이브리드 커플러의 판도를 끊임없이 생성하고, 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D 전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하여 검증을 진행한다. 검증 결과, 출력된 금속선의 특징적인 임피던스 값과 동작 주파수 대역이 가능한 한 3dB 직교 하이브리드 커플러 동작 주파수 대역을 설계된 주파수 범위 내로 이동할 때까지 검증한다. 이리 하여, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 특징적인 임피던스를 가능한 한 일치시키는 동시에, 커플러 각 포트의 임피던스와 격리도가 설계 지표를 만족시킬 수 있도록 한다. 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 적층 구조를 취할 경우, 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계할 때 참조할 데이터를 초보적으로 확정하는 방법에 대해 아래에서 상세히 설명한다.
3dB 직교 하이브리드 커플러는 TEM(횡전자기 모드) 모델을 이용하여 분석하였다. 짝수 모드와 홀수 모드의 경우, 전기마당은 중심선에 관하여 짝수 대칭이며, 띠 모양의 두 도체 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 이때 도출된 등가회로는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)의 전압은 다음과 같다.
Figure pct00001
여기서,
Figure pct00002
는 무선 주파수 신호 입력 포트(1)의 전압이고,
Figure pct00003
는 허수 부분이며,
Figure pct00004
는 전송선의 위상이고,
Figure pct00005
는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 결합 계수이다.
제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 전압은 다음과 같다.
Figure pct00006
여기서,
Figure pct00007
은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)의 전압이고,
Figure pct00008
는 위상의 허수 부분이며,
Figure pct00009
는 전송선 위상이고,
Figure pct00010
는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 결합 계수이다. 3dB 직교 하이브리드 커플러의 결합 계수는 다음과 같다.
Figure pct00011
여기서,
Figure pct00012
은 3dB 직교 하이브리드 커플러의 짝수 모드의 특징적인 임피던스이고,
Figure pct00013
은 3dB 직교 하이브리드 커플러의 홀수 모드의 특징적인 임피던스이며, 각각 다음과 같다.
Figure pct00014
여기서,
Figure pct00015
는 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 지면에 대한 높이이다.
Figure pct00016
는 광속이고,
Figure pct00017
은 기판 매체 층의 유전율이며,
Figure pct00018
은 기준 유전율이고,
Figure pct00019
는 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일의 코일 너비이다.
Figure pct00020
여기서,
Figure pct00021
는 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 지면에 대한 높이이다.
Figure pct00022
는 코일 사이의 간격이고,
Figure pct00023
는 광속이며,
Figure pct00024
은 기판 매체 층의 유전율이고,
Figure pct00025
은 기준 유전율이며,
Figure pct00026
는 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일의 코일 너비이다.
3dB 직교 하이브리드 커플러의 두 무선 주파수 신호 출력 포트의 전압이 같기 때문에, 위상 차이는 90°이며, 이 두 조건에 따라 다음을 얻을 수 있다.
Figure pct00027
여기서,
Figure pct00028
은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)의 전압 폭이고,
Figure pct00029
은 제2무선 주파수 신호 출력 포트(3) 전압 폭이며,
Figure pct00030
은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)의 전압 폭이다.
Figure pct00031
여기서,
Figure pct00032
은 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 전압 위상이고,
Figure pct00033
는 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)의 전압 위상이다. 상술한 두 가지 조건을 통해, 공식 (1) 내지 (7)을 결합하여, 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계할 때 참조하는 데이터를 확정할 수 있다. 상술한 공식은 아래 코플레이너 구조에도 적용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 2층의 적층 구조를 취하는 경우를 예로 들어, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조에 대해 상세히 설명한다. 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 기판의 제1 금속 코일은 직통 금속 코일(111)이고, 기판의 제2 금속 코일은 결합 금속 코일(112)이다. 직통 금속 코일(111)은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결되며, 결합 금속 코일(112)은 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이에 연결되고, 격리 포트(4)는 격리 저항에 연결되어 접지된다. 여기서, 기판은 매질층과 전도층으로 구성되며, 상기 기판은 미형화된 인쇄회로 기판과 유사한 종래의 전력 증폭기에 사용되는 기초 부품인 매체층과 전도층으로 구성될 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명한다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에서, 금속 코일의 마지막 층은 기준 접지이고, 기준 접지가 있는 금속 코일층에서 가장 높은 높이의 금속 코일층을 제1층 직통 금속 코일로 정의하며, 기준 접지가 있는 금속 코일층로부터 높이는 먼 곳에서 가까운 순서에 따라 금속 코일의 층 순서를 정렬한다.
이상적인 경우, 무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 직통 금속 코일(111)로 형성된 유도 코일과 결합 금속 코일(112)로 형성된 유도 코일을 이용하여 전자기 결합되고, 직통 금속 코일(111)과 결합 금속 코일(112)은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합된다. 이로 하여, 무선 주파수 입력 신호의 절반은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)로 흐르고, 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반은 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 결합되며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있다.
실시예 2
본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일은 코플레이너 구조를 취한다. 여기서, 각 층의 직통 금속 코일의 길이는 비슷하고, 각 층의 결합 금속 코일의 길이가 비슷하다. 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 층수와 코일 횟수는 같고, 각 권선의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일 사이의 간격은 같다. 또한, 기판에서, 동일한 횟수를 가진 각 층의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 직통 금속 코일은 결합 금속 코일과 같은 위치에 있다. 즉, 기판에서, 동일한 층에 있는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일에 관하여, 일 권선의 직통 금속 코일과 일 권선의 결합 금속 코일이 교차적으로 배열되거나, 일 권선의 결합 금속 코일과 일 권선의 직통 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다. 각 층의 직통 금속 코일은 제3 관통홀을 통해 병렬 연결되고, 각 층의 결합 금속 코일은 제4 관통홀을 통해 병렬 연결된다.
본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는, 주로 일부 기판 속성 중, 예를 들어, 금속 코일의 층수가 적고, 저부 층의 금속 코일과 지면 평면 거리가 너무 가깝거나 금속 코일 층의 두께 차이가 너무 커서 적층 구조에 적합하지 않은 3dB 직교 하이브리드 커플러에 대하여 설계한다. 본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는 여전히 기판에서 구현됨으로써, 칩에 종래의 3dB 직교 하이브리드 커플러를 설계할 경우 칩 면적을 비교적 많이 점유하고, 나아가 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 증가시키는 문제를 해결한다.
코플레이너 구조의 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 두께가 10um 내지 40um 사이이기 때문에, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역이 고주파에 편향된다. 따라서, 실제 응용에서, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역 및 출력 포트의 특징적인 임피던스 요구에 근거하여, 공식(1) 내지 (7)를 결합하여, 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계할 때 참조하는 데이터를 초보적으로 확정한다. 상기 데이터는 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일의 코일 폭, 지면에 대한 높이, 층수, 횟수 및 코일 사이의 간격이다. 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계한 후, 상기 판도를 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D 전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하고, 나아가 설계된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도에 참조된 데이터가 정확한지를 검증한다. 또한, 검증 결과에 따라 3dB 직교 하이브리드 커플러의 판도 설계에 참조된 데이터를 조정하며, 끊임없이 새로운 3dB 직교 하이브리드 커플러의 판도를 생성하여, 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D 전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하여 검증한다. 검증 결과, 출력된 금속선의 특징적인 임피던스 값과 동작 주파수 대역이 가능한 한 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역을 설계된 주파수 범위 내로 이동할 때까지 검증한다. 이리 하여, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 특징적인 임피던스를 가능한 한 일치시키는 동시에, 커플러의 각 포트의 임피던스와 격리도가 설계 지표를 만족시킬 수 있도록 한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 각각 단층과 3층의 코플레이너 구조를 취하는 경우를 예로 들어, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조에 대해 상세하게 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 기판에 있는 직통 금속 코일(141)과 결합 금속 코일(142)은 교차적으로 배열되고, 또한 직통 금속 코일(141)과 결합 금속 코일(142)의 횟수는 각각 1.5권선이다. 직통 금속 코일(141)은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결되고, 결합 금속 코일(142)은 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이에 연결되며, 격리 포트(4)는 격리 저항에 연결되어 접지된다.
이상적인 경우, 무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 직통 금속 코일(141)로 형성된 유도 코일과 결합 금속 코일(142)로 형성된 유도 코일을 이용하여 전자기 결합하고, 직통 금속 코일(111)과 결합 금속 코일(112)은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합된다. 이로 하여, 무선 주파수 입력 신호의 절반은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)로 흐르고, 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반은 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 결합되며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 기판에 3층 코플레이너 구조로 형성된 직통 금속 코일(151)과 결합 금속 코일(152)에서, 각 층의 직통 금속 코일(151)과 결합 금속 코일(152)이 교차적으로 배열되고, 직통 금속 코일(151)과 결합 금속 코일(152)의 횟수는 각각 3.75권선이다. 3층의 직통 금속 코일은 제3 관통홀을 통해 병렬 연결되고, 3층의 결합 금속 코일은 제4 관통홀을 통해 병렬 연결되며, 3층의 직통 금속 코일과 3층의 결합 금속 코일을 이용하여 병렬 형태의 코플레이너 구조를 구성함으로써, 동일한 신호를 전송할 수 있다. 여기서, 직통 금속 코일(151)은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결되고, 결합 금속 코일(152)은 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이에 연결되며, 격리 포트(4)는 격리 저항에 연결되어 접지된다.
실시예 3
본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 직통 금속 코일 및 결합금속 코일은 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취함으로써, 무선 주파수 신호 입력 포트(1), 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 및 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이의 임피던스 대칭성을 더욱 최적화하여, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 성능을 향상시키고, 3dB 직교 하이브리드 커플러를 설계하는 데 필요한 칩 면적을 작게하며, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 줄인다.
여기서, 각 층의 직통 금속 코일의 길이가 비슷하고, 각 층의 결합 금속 코일의 길이가비슷하다. 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 층수와 코일 횟수가 같다. 또한, 기판에서, 동일한 횟수를 가진 각 층의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 직통 금속 코일은 결합 금속 코일와 상반되는 위치에 있다. 즉, 기판에서, 동일한 층에 있는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일에 관하여, 일 권선의 직통 금속 코일과 일 권선의 결합 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다. 이때, 인접한 층의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은, 일 권선의 결합 금속 코일과 일 권선의 직통 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다. 대안적으로, 동일한 층에 있는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은, 일 권선의 결합 금속 코일과 일 권선의 직통 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다. 이때, 인접한 층의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은, 일 권선의 직통 금속 코일과 일 권선의 결합 금속 코일이 교차적으로 배열된 것일 수 있다.
구체적으로, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 층 수가 4층 이상일 때, 각 층 사이의직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 연결 관계는 다음과 같다. 첫 번째 층에 있는 결합 금속 코일의 일단은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)에 연결되고, 제5 관통홀을 통해 홀수층에 있는 결합 금속 코일의 일단에 각각 연결되고, 첫 번째 층에 있는 결합 금속 코일의 타단은 제6 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 결합 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 결합 금속 코일의 타단에 연결된다. 제2층에 있는 결합 금속 코일의 타단은 제7 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 결합 금속 코일의 타단에 연결되고, 마지막 층에 있는 결합 금속 코일의 타단은 격리 포트(4)에 추가로 연결된다. 첫 번째 층에 있는 직통 금속 코일의 일단은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 연결되고, 제8 관통홀을 통해 홀수 층에 있는 직통 금속 코일의 일단에 연결되고, 첫 번째 층에 있는 직통 금속 코일의 타단은 제9 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 직통 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결된다. 제2층에 있는 직통 금속 코일의 타단은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 연결되고, 제10 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 직통 금속 코일의 타단에 연결된다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에서, 금속 코일의 마지막 층은 기준 접지이고, 기준 접지가 있는 금속 코일층에서 가장 높은 높이의 금속 코일층을 각각 제1층 직통 금속 코일과 제1층 결합 금속 코일로 정의하고, 기준 접지가 있는 금속 코일층로부터 높이는 먼 곳으로부터 가까운 순서에 따라 금속 코일의 층 순서를 정열한다.
실제 응용에서, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역 및 출력 포트의 특징적인 임피던스 요구에 근거하여, 공식 (1) 내지 (7)을 결합하여, 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계할 때 참조하는 데이터를 초보적으로 확정한다. 상기 데이터는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 코일 너비, 지면에 대한 높이, 층수, 횟수 및 코일 사이의 간격이다. 기판에 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도를 설계한 후, 상기 판도를 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D 전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하고, 나아가 설계된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 초기 판도에 참조된 데이터가 정확한지 검증한다. 또한 검증 결과에 따라, 3dB 직교 하이브리드 커플러 판도의 설계에 참조하는 데이터를 조정하며, 끊임없이 새로운 3dB 직교 하이브리드 커플러 판도를 생성하여, 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여 3D 전자기학 시뮬레이션 모델을 구축하여 검증을 진행한다. 검증 결과, 출력된 금속선의 특징적인 임피던스 값과 동작 주파수 대역이 가능한 한 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수 대역을 설계된 주파수 범위 내로 이동할 때까지 검증을 진행한다. 이리 하여, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 특징적인 임피던스를 가능한 한 일치시키는 동시에, 커플러의 각 포트의 임피던스와 격리도가 설계 지표를 만족시킬 수 있도록 한다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일이 각각 2층과 4층의 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취하는 것을 예로 들어, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조에 대해 상세하게 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 횟수는 각각 1.75권선이다. 직통 금속 코일(121) 및 직통 금속 코일(122)이 무선 주파수 신호 입력 포트(1)와 제1무선 주파수 신호 출력 포트(2) 사이에 연결되고, 결합 금속 코일(123) 및 결합 금속 코일(124)이 격리 포트(4)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3) 사이에 연결된다. 관통홀(125)이 직통 금속 코일(121)과 직통 금속 코일(122) 사이에 연결되고, 관통홀(126)이 결합 금속 코일(123)과 결합 금속 코일(124) 사이에 연결된다. 직통 금속 코일(121)과 결합 금속 코일(123)은 코플레이너 구조를 형성하고, 직통 금속 코일(121)과 결합 금속 코일(124)은 적층 구조를 형성하며, 직통 금속 코일(122)과 결합 금속 코일(123)은 적층 구조를 형성하고, 직통 금속 코일(122)과 결합 금속 코일(124)은 코플레이너 구조를 형성한다.
무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 직통 금속 코일(121)과 직통 금속 코일(122)로 형성된 유도 코일을 이용하여, 결합 금속 코일(123)과 결합 금속 코일(124)로 형성된 유도 코일과 전자기 결합된다. 직통 금속 코일(121)과 결합 금속 코일(123)은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합되고, 직통 금속 코일(121)과 결합 금속 코일(124)은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합된다. 직통 금속 코일(122)과 결합 금속 코일(123)은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합되고, 직통 금속 코일(122)과 결합 금속 코일(124)은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합되어, 무선 주파수 입력 신호의 절반이 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)로 흐르고, 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반이 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 결합되며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 동일한 횟수를 가진 각 층의 직통 금속 코일과 결합 금속 코일은 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 직통 금속 코일은 결합 금속 코일과 상반되는 위치에 있다.
여기서, 상기 4층의 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 가진 3dB 직교 하이브리드 커플러에 관하여, 그 각 부분의 연결 관계는 다음과 같다. 첫 번째 층에 있는 결합 금속 코일(131)의 일단은 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)에 연결되고, 제5 관통홀을 통해 제3층에 있는 결합 금속 코일(133)의 일단에 연결된다. 첫 번째 층에 있는 결합 금속 코일(131)의 타단은 제6 관통홀을 통해 제2층에 있는 결합 금속 코일(132), 제4층에 있는 결합 금속 코일(134)의 일단 및 제3층에 있는 결합 금속 코일(133)의 타단에 각각 연결된다. 제2층에 있는 결합 금속 코일(132)의 타단은 제7 관통홀을 통해 제4층에 있는 결합 금속 코일(134)의 타단에 연결되고, 제4층에 있는 결합 금속 코일(134)의 타단은 격리 포트(4)에 추가로 연결된다. 첫 번째 층에 있는 직통 금속 코일의 일단은 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)에 연결되고, 제8 관통홀을 통해 제3층에 있는 직통 금속 코일의 일단에 연결된다. 첫 번째 층에 있는 직통 금속 코일의 타단은 제9 관통홀을 통해 제2층에 있는 직통 금속 코일의 일단, 제2층에 있는 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결되고, 제2층에 있는 직통 금속 코일의 타단은 무선 주파수 신호 입력 포트(1)에 연결되며, 제10 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결된다.
아래, 상술한 3dB 직교 하이브리드 커플러의 성능 특징에 대해 진일보 설명한다. 앞에서 서술한 공식 (1) 내지 (5)로부터 다음과 같은 세 가지 결론을 얻을 수 있다. 1)적층 구조의 층 간격이 클수록, 유전율이 낮아지고, 금속층과 지평면 거리가 작을 수록 결합 계수가 낮아진다. 2)금속층의 두께가 두꺼울 수록 유도 값이 낮아져 3dB 직교 하이브리드 커플러를 구현하는 데 필요한 면적이 커진다. 3)직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 기생 매개변수는 서로 다르면, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 직교 포트의 출력 전압 폭, 위상 및 임피던스 미스매치를 초래하여 전체적인 성능이 악화될 수 있다.
또한, 기판 재료의 매개변수는 칩 재료의 매개변수와 차이가 크다. 3dB 직교 하이브리드 커플러를 구현하려면, 세 가지 어려움을 극복해야 한다. 첫째는 결합 계수가 너무 작은 것이고, 둘째는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 면적이 너무 크다는 것이며, 셋째는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 기생 매개변수가 다르기 때문에, 직교 포트의 출력 전압 폭, 위상 및 임피던스 미스매치를 초래하는 것이다. 이를 위해, 도 7 및 도 8에 도시된 실시예에서는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취한다.
적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태는 임의로 교차적으로 배열되는 것이 아니라, 세 가지 원칙을 따라야 함을 설명해야 한다. 첫째는 결합 계수를 최대화하고, 둘째는 커플러 면적을 줄이며, 셋째는 직통 금속 코일과 결합 금속 코일 사이의 기생 용량을 균등하게 하고, 가능한 한 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 지평면에 이르는 기생 용량을 균등하게 해야 한다.
이를 위해, 발명자는 여러 차례의 최적화를 통해 도 7 및 도 8에 도시된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조를 제시한다. 여기서, 직통 금속 코일은 상하층의 용량성 결합 외에, 기판 금속층이 비교적 두꺼운 특징도 이용하여, 측벽 결합을 통해 결합도를 향상시킨다. 동시에, 턴비(turn ratio)를 제어하여, 직통 금속 코일과 결합 금속 코일의 자기장 방향이 일치하도록 함으로써 결합 계수를 진일보 증가시킨다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 가능한 한 기판 재료의 금속층과 코일 모양을 많이 이용하여, 커플러 면적을 줄이지만, 지평면과 가까운 금속층은 비교적 큰 기생 용량과 자기장 유출을 초래하기 때문에, 설계 과정에서 주파수와 기판의 적층 구조에 따라 각각 최적화하여, 성능과 면적을 동시에 만족시킬 필요가 있다. 각 층의 금속 코일을 어긋나게 함으로써 가능한 한 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 서로 기생 용량을 균등하게 한다. 다층 금속의 교차 결합을 통해 직통 금속 코일과 결합 금속 코일이 지면에 닿는 용량을 같게 하고, 나아가 직교 포트의 출력 전압 폭, 위상 및 임피던스가 정합된다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판 재료의 금속층 두께는 약 14um 내지 21um이고, 적층 구조의 층 간격은 약 25um 내지 60um이며, 매체층 재료의 유전율은 약 3이고, 금속층과 지평면의 거리는 약 40um 내지 60um이다. 실험을 통해, 도 7 및 도 8에 도시된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 구조는 기판 재료에서 소형화를 구현할 수 있고 가장 우수한 성능을 얻을 수 있으며, 그 수렴성과 제품 성능은 칩급 설계보다 현저히 우수하다는 것을 증명하였다.
본 발명은 도 8에 도시된 3dB 직교 하이브리드 커플러 구조를 이용하여, 6층 금속을 가진 기판에 n77주파수 대역(3.3GHz 내지 4.2GHz)의 3dB 직교 하이브리드 커플러를 설계하였으며, 도 9 내지 도 13은 상기 3dB 직교 하이브리드 커플러의 전자기 시뮬레이션 성능 지표를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 세 개 포트(무선 주파수 신호 입력 포트(1), 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2) 및 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)) 반사 계수에 대한 시뮬레이션 결과이다. 포트 임피던스는 500hm이고, 세 개 포트의 반사 계수는 모두 -20dBc이하이다. 상기 지표 수치가 작을수록 포트의 임피던스 정합이 좋아진다 3dB 직교 하이브리드 커플러는 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 성능을 향상시키고, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 반사 계수는 -20dBc이하로 시스템의 설계 지표를 만족시킨다.
도 10은, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 삽입 손실에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 칩 내부에 설계하여 구현된 종래의 3dB 직교 하이브리드 커플러의 삽입 손실은 일반적으로 -0.5dBc이다. 본 발명에서, 기판의 금속층을 이용하여 설계함으로써, 더 큰 금속선 너비, 더 두꺼운 금속층, 더 많은 금속 층차를 얻기 때문에, 전체 동작 주파수 대역 내에서, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 삽입 손실은 -0.2dBc이상으로, 칩 내부에 설계하여 구현된 3dB 직교 하이브리드 커플러의 설계 값보다 0.3dBc크다. 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 반사 계수는 -15dBc이하로 시스템 설계 지표를 만족시킨다.
도 11은, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 출력 전력 차이에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 전력 차이가 작을수록 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 대칭성이 좋아진다. 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 개의 무선 주파수 신호 출력의 전력 차이의 절대치는 0.4dBc이하로 시스템의 설계 지표를 만족시킨다.
도 12는 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 무선 주파수 출력 신호의 위상차에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 위상차가 90도에 가까울수록, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 직교 특성이 좋아진다. 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서 두 개의 무선 주파수 출력 신호의 위상차는 90도에 매우 가까우며, 시스템의 설계 지표를 만족시킨다.
도 13은, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러의 제1 무선 주파수 신호 출력 포트(2)와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트(3)의 격리도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 두 개의 무선 주파수 출력 포트의 격리도가 작을수록, 두 개의 무선 주파수 출력 포트의 발사 에너지가 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 성능에 대한 영향이 작아진다. 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러에서, 두 개의 무선 주파수 출력 포트의 격리도는 -20dBc이하로 시스템의 설계 지표를 만족시킨다.
도 9 내지 도 13의 시뮬레이션 지표에서 알수 있듯이, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는, 삽입 손실의 지표를 비교적 잘 최적화할 수 있는 동시에, 포트의 임피던스 발사 계수, 포트의 격리도, 무선 주파수 출력 신호의 전력 차이 및 위상차와 같은 지표에서 모두 시스템의 설계 지표를 만족시켜, 회로 성능을 최적화하고, 칩 면적을 작게하며, 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 비용을 줄이는 목적을 달성한다.
본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는 다양한 무선 주파수 프런트엔드 모듈에 응용할 수 있고, 상기 무선 주파수 프런트엔드 모듈은 무선 주파수 프런트엔드의 수신 링크, 무선 주파수 프런트엔드의 발사 링크, 균형식 전력 증폭기 구조 등 다른 기존의 상용 부품을 포함하며, 여기서 자세히 설명하지 않는다.
또한, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는, 무선 주파수 집적 회로의 중요한 구성 부분으로 통신 단말기에 사용될 수 있다. 여기서 언급하는 통신 단말기는 모바일 환경에서 사용할 수 있는 GSM, EDGE, TD_SCDMA, TDD_LTE, FDD_LTE, 5G 등 다양한 통신 방식을 지원하는 컴퓨터 설비를 가리키며, 여기에는 이동 전화, 노트북 컴퓨터, 태블릿, 자동차용 컴퓨터 등이 포함된다. 또한, 본 발명에 의해 제공되는 기술 방안은 통신 기지국과 같은 다른 무선 주파수 집적 회로가 응용되는 장소에도 적용된다.
본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러는 기판에서 구현될 수 있다. 이를 위해, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일은 적층 구조, 코플레이너 구조, 또는 적층 구조와 코플레이너 구조가 조합된 형태를 취하여, 상응하는 무선 주파수 신호 입력 포트와 제1 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결되고, 격리 포트와 제2 무선 주파수 신호 출력 포트가 연결되게 한다. 3dB 직교 하이브리드 커플러의 동작 주파수와 포트의 특징적인 임피던스의 요구에 따라, 직통 금속 코일 및 결합 금속 코일의 횟수 및 층수를 조정하여, 커플러의 삽입 손실을 낮추고, 3dB 직교 하이브리드 커플러의 포트 반사 계수, 포트 격리도 등 무선 주파수성능을 최적화한다. 본 발명을 이용하여, 칩 면적을 효과적으로 작게하고 무선 주파수 프런트엔드 모듈의 설계 비용을 줄일 수 있다.
이상에서, 본 발명에 의해 제공되는 3dB 직교 하이브리드 커플러, 무선 주파수 프런트 엔드 모듈 및 통신 단말기에 대해 자세히 설명하였다. 본 분야의 일반 기술자가 본 발명의 실질적인 내용을 벗어나지 않는 전제하에서 본 발명에 대한 어떠한 명백한 변경은 모두 본 발명의 특허권의 보호 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 3dB 직교 하이브리드 커플러로서,
    기판에 설정되며, 무선 주파수 신호 입력 포트, 제1 무선 주파수 신호 출력 포트, 제2 무선 주파수 신호 출력 포트, 격리 포트, 상기 무선 주파수 신호 입력 포트와 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트 사이에 연결된 직통 금속 코일 및 상기 격리 포트와 상기 제2 무선 주파수 신호 출력 포트 사이에 연결된 결합 금속 코일을 포함하고, 상기 격리 포트는 격리 저항에 연결되어 접지되고;
    상기 무선 주파수 신호 입력 포트에 무선 주파수 입력 신호가 입력될 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 전자기 결합과 용량성 결합을 통해, 상기 무선 주파수입력 신호의 절반이 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트로 흐르고, 상기 무선 주파수 입력 신호의 나머지 절반이 상기 제2 무선 주파수 신호 출력 포트에 결합되게 하며, 두 개의 무선 주파수 출력 신호는 90도의 위상 차이가 있는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 적층 구조를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일 표면을 통해 용량성 결합되는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판에서, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 교차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 코플레이너 구조를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일의 가장자리를 통해 용량성 결합되는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판에서, 상기 직통 금속 코일의 각 층은 상기 결합 금속 코일과 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 상기 직통 금속 코일은 상기 결합 금속 코일과 같은 위치에 있는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 직통 금속 코일 및 상기 결합 금속 코일이 적층 구조와 코플레이너 구조의 조합 형태를 취할 경우, 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 금속 코일 표면과 금속 코일의 가장자리가 조합된 형태를 통해 용량성 결합되는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판에서, 각 층의 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일은 등간격으로 교차적으로 배열되고, 인접한 층 사이의 상기 직통 금속 코일은 상기 결합 금속 코일과 상반되는 위치에 있는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  8. 제7항에 있어서,
    각 층 사이의 상기 직통 금속 코일과 상기 결합 금속 코일의 연결 관계는 다음과 같이,
    첫 번째 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단이 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트에 연결되고, 제5 관통홀을 통해 홀수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단에 각각 연결되고, 첫 번째 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 제6 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단에 각각 연결되며, 제2 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 제7 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단에 각각 연결되고, 마지막 층에 있는 상기 결합 금속 코일의 타단은 상기 격리 포트에 추가로 연결되며;
    첫 번째 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단은 상기 제1 무선 주파수 신호 출력 포트에 연결되고, 제8 관통홀을 통해 홀수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단에 각각 연결되며, 첫 번째 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단은 제9 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 일단 및 홀수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결되고, 제2 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단은 상기 무선 주파수 신호 입력 포트에 연결되며, 제10 관통홀을 통해 짝수 층에 있는 상기 직통 금속 코일의 타단에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는, 3dB 직교 하이브리드 커플러.
  9. 제1항 내지 제8항 중 임의의 한 항에 따른 3dB 직교 하이브리드 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 주파수 프런트 엔드 모듈.
  10. 제1항 내지 제8항 중 임의의 한 항에 따른 3dB 직교 하이브리드 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는, 통신 단말기.
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