KR100893683B1 - 하이브리드 커플러 - Google Patents

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KR100893683B1
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문원규
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Abstract

본 발명은 하이브리드 결합기에 관한 것으로서, 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로를 포함하는 4 단자망으로 이루어진 하이브리드 결합기에서, 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로를 각각 서로 대응하는 미앤더 라인(Meander Line) 형태로 구성하여 각 전송선로가 서로 결합(Coupling)되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 결합도를 향상시켜 스퓨리어스 통과 대역이 현재 통신 시스템에서 사용되는 주파수 대역에서 나타나도록 함으로써, 하이브리드 결합기를 이중 대역에서 사용할 수 있게 된다.
하이브리드, 결합기, 결합도, 이중 대역, 스퓨리어스 통과 대역, RFID

Description

하이브리드 커플러{ Hybrid Coupler }
본 발명은 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 대역에서 결합 특성을 갖는 하이브리드 커플러에 관한 것이다.
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.
일반적으로 결합 선로 커플러에 있어서, 결합 계수를 크게 하기 위해서는 선로 간의 간격이 매우 좁아야 하는데, 이 경우 일단 제작이 어렵고 두 선로 사이의 간격이 좁아 선로 간에 단락이 일어날 위험이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것이 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)로서, 특히 90도 하이브리드 커플러는 결합도(Coupling)가 3dB인 등분배 커플러로서 송수신 시스템에 자주 이용된다.
도 1은 종래의 하이브리드 커플러를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 하이브리드 커플러는 4 단자망으로서 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로(11)(12)와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로(21)(22)의 전기적 길이가 각각 중심 주파수(f0)의 λ/4 길이로 이루어져 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로(11)(12)와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로(21)(22)는 상하/좌우 대칭인 형태를 이루고 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로(11)(12)의 각 출력의 크기는 같고, 90°의 위상 차를 갖는 신호가 발생된다.
즉, 포트 2(Port 2 : Output of through arm) 및 포트 3(Port 3 : Output of coupled arm)에서 동일한 크기의 90° 위상 차를 갖는 신호가 출력된다.
한편, 포트 4(Port 4 : Isolation Port)는 격리되어 아무런 신호를 출력하지 못한다.
또한, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로(11)(12)와 제1 및 제2 션트 전송선로(21)(22)의 전기적 길이가 각각 중심 주파수(f0)의 λ/4 길이로 이루어져 있는 경우, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로(11)(12)는 35Ω의 특성임피던스를 갖고, 제1 및 제2 션트 전송선로(21)(22)는 50Ω의 특성임피던스를 갖도록 전송선로가 설정된다.
상기 하이브리드 커플러는 위상 차를 이용하여 전력을 분배 또는 합성시키는 동작을 할 뿐만 아니라 평형 증폭기(Balanced Amplifier)와 같이 신호 증폭용 비선 형 소자와 결합하여 신호를 인가하거나 출력 신호를 더해주는 역할로 이용되고 있다.
도 2는 종래의 하이브리드 커플러의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 하이브리드 커플러는 중심 주파수가 800MHz 인 것을 사용하였다.
이에 도시된 바와 같이, 종래의 하이브리드 커플러는 설계된 중심 주파수의 3배가 되는 주파수에서 스퓨리어스(Spurious) 통과 대역이 나타나게 된다.
따라서, 종래의 하이브리드 커플러는 중심 주파수인 800MHz에서 뿐만 아니라, 중심 주파수의 3배가 되는 주파수인 2.4GHz에서도 결합 특성을 나타내게 된다.
종래의 하이브리드 결합기는 중심 주파수뿐만 아니라 중심 주파수의 3배가 되는 주파수에서도 스퓨리어스 통과 대역으로 인해 결합 특성이 나타나게 되는데, 종전에는 이러한 스퓨리어스 통과 대역을 사용하지 못하고, 단일 주파수에서만 사용되었다.
따라서, 하이브리드 결합기의 중심 주파수뿐만 아니라, 스퓨리어스 통과 대역도 사용가능한 이중 대역의 하이브리드 결합기에 대한 필요가 요구된다.
본 발명의 하이브리드 결합기의 바람직한 실시예는, 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로를 포함하는 4 단자망으로 이루어진 하이브리드 결합기에 있어서, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 상기 제1 및 제2 션트 전송선로는 각각 서로 대응하는 미앤더 라인(Meander Line) 형태로 이루어져 각 전송선로가 서로 결합(Coupling)되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 임피던스는 43Ω이고, 상기 제1 및 제2 션트 전송선로의 임피던스는 60Ω이며, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 전기적 길이는 101도(Degree)이고, 상기 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이는 110도(Degree)인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로를 각각 서로 대응하는 미앤더 라인 형태로 구성하여 각 전송선로가 서로 결합되도록 함으로써, 결합도를 향상시켜 스퓨리어스 통과 대역이 중심 주파수의 3배보다 작은 주파수 대역에서 나타나도록 한다.
이에 의하면, 스퓨리어스 통과 대역이 현재 통신 시스템에서 사용되는 주파수 대역에서 나타나도록 함으로써, 하이브리드 결합기를 이중 대역에서 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로가 미앤더 라인 형태로 구성되기 때문에 하이브리드 결합기의 크기를 줄일 수 있으며, 그로 인해 통신 시스템을 소형화할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 하이브리드 결합기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 하이브리드 결합기에 있어서, 시리즈 전송 선로와 션트 전송 선로 간의 결합도를 향상시킴으로써, 종전의 중심 주파수의 3배가 되는 주파수에서 나타났던 스퓨리어스 통과 대역을 중심 주파수의 3배보다 적은 주파수 대역(예를 들면, 2.7 ~ 2.8배가 되는 주파수 대역)에서 나타나도록 조절하는데 그 특징이 있다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 결합기의 실시예를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 커플러는 4 단자망으로서 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로(210)(220)가 각각 서로 대응하며 미앤더 라인(Meander Line)의 형태를 가지고 있다.
본 발명에서는 하이브리드 커플러의 결합도를 향상시키기 위해, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트 전송선로(210)(220)를 각각 서로 대응하는 미앤더 라인 형태로 형성하여, 각 전송 선로가 서로 결합되는 구조를 갖도록 하였다.
즉, 기존의 하이브리드 커플러에서는 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로가 직선 라인으로 형성되어 각 선로가 서로 결합되지 못하였으나, 본 발명에서는 이들 전송선로를 미앤더 라인 형태로 구성함으로써, 각 전송선로가 서로 결합되도록 하여 하이브리드 커플러의 결합도를 향상시킨 것이다.
이와 같이, 본 발명은 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트 전송선로(210)(220)를 미앤더 라인 형태로 형성하여 결합도를 향상시킴으 로써, 스퓨리어스 통과 대역이 중심 주파수의 3배보다 작은 주파수 대역에서 나타나도록 한다.
한편, 이를 위해 본 발명은 제1 및 제2 시리즈 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트 전송선로(210)(220)의 선 폭과 전기적 길이(Electrical Length)를 조절하는데, 기존의 하이브리드 결합기와 본 발명의 하이브리드 결합기의 전송 선로 특성을 표 1에서 나타내었다.
Z1 (ohm) Z2 (ohm) θ1 (degree) θ2 (degree)
기존의 하이브리드 결합기 35 50 90 90
본 발명의 하이브리드 결합기 43 60 101 110
여기서, Z1은 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 임피던스를 나타내고, Z2는 제1 및 제2 션트 전송선로의 임피던스를 나타내며, θ1은 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 전기적 길이를 나타내고, θ2는 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이를 나타낸다.
표 1에서 보는 바와 같이, 기존의 하이브리드 결합기의 경우, 제1 및 제2 시리즈 전송선로는 35Ω의 임피던스를 가지고, 제1 및 제2 션트 전송선로는 50Ω의 임피던스를 갖는데 반하여, 본 발명의 하이브리드 결합기의 경우, 제1 및 제2 시리즈 전송선로는 43Ω의 임피던스를 가지고, 제1 및 제2 션트 전송선로는 60Ω의 임피던스를 갖는다.
이와 같이, 본 발명에서는 각 전송 선로의 임피던스가 기존의 전송 선로의 임피던스보다 큰 값을 갖는데, 이는 본 발명의 하이브리드 결합기의 전송 선로의 선 폭이 기존의 하이브리드 결합기의 전송 선로의 선 폭보다 좁아졌다는 것을 뜻한다.
또한, 기존의 하이브리드 결합기의 경우, 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이가 90도(Degree)인데 반하여, 본 발명의 하이브리드 결합기의 경우, 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 전기적 길이는 101도(Degree)이고, 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이는 110도(Degree)이다.
여기서, 본 발명의 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이가 기존의 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이보다 길어지는데, 이들 전송선로들의 전기적 길이가 기존의 전송선로보다 길어진다 하더라도, 이들 전송선로들이 미앤더 라인 형태로 구성되기 때문에 전체 하이브리드 결합기의 크기는 오히려 기존의 하이브리드 결합기보다 더 작게 형성된다.
한편, 본 발명의 하이브리드 결합기는 기존의 하이브리드 결합기와 그 전송 선로의 형태에 차이가 남에도 불구하고, 하이브리드 결합기로서 동일한 특성을 나타내는데, 즉 포트 2(Port 2 : Output of through arm) 및 포트 3(Port 3 : Output of coupled arm)에서 동일한 크기의 90°위상 차를 갖는 신호가 출력되며, 포트 4(Port 4 : Isolation Port)는 격리되어 아무런 신호를 출력하지 못한다.
본 발명은 이와 같이 하이브리드 결합기에서, 기존의 중심 주파수의 3배에 해당하는 주파수 영역에서 나타났던 스퓨리어스 통과 대역이 중심 주파수의 3배보다 작은 주파수 대역에서 나타나도록 하기 위해, 제1 및 제2 시리즈 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트 전송선로(210)(220)의 임피던스 및 전기적 길이가 표 1에서 도시한 바를 만족하도록 미앤더 라인 형태로 구성한 것에 그 특징이 있다.
도 4는 기존의 하이브리드 결합기의 결합 특성과 본 발명의 하이브리드 결합기의 결합 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기서, 빨간색 굵은 선으로 나타낸 것이 본 발명의 하이브리드 결합기의 결합 특성 그래프이고, 파란색 점선으로 나타낸 것이 기존의 하이브리드 결합기의 결합 특성 그래프이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 결합기의 중심 주파수는 800MHz로 기존의 하이브리드 결합기의 중심 주파수와 거의 동일하다.
그러나, 기존의 하이브리드 결합기의 경우 스퓨리어스 통과 대역(즉, 중심 주파수 이외에 결합 특성을 나타내는 주파수 대역)이 중심 주파수의 3배인 2.4GHz에서 나타나는데 반하여, 본 발명의 하이브리드 결합기의 경우 스퓨리어스 통과 대역이 중심 주파수의 3배보다 작은 주파수인 2.3GHz에서 나타나는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 하이브리드 결합기를 이용하면, 다양한 통신 시스템 특히, 이중 대역을 요구하는 통신 시스템에서 원하는 두 가지 대역에서 결합 특성을 자유롭게 얻을 수 있다.
예를 들어, RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 125/134㎑, 13.56㎒, 433㎒, 900㎒, 2.45㎓ 등 사용 주파수에 따라 분류할 수 있으며, 사용 주파수에 따라 태그의 인식 거리 및 응용 분야가 달라지는데, 본 발명의 하이브리드 결합기를 이용하면 RFID 시스템 중 900㎒와 2.45㎓의 주파수에서 모두 사용할 수 있다.
즉, 기존의 중심 주파수가 900㎒인 하이브리드 결합기를 사용하면, 스퓨리어스 통과 대역이 중심 주파수의 3배인 2.7㎓에서 나타나기 때문에, 900㎒에서 밖에 사용할 수 없었다.
그러나, 본 발명의 하이브리드 결합기를 사용하면, 중심 주파수로 900㎒를 사용한다 하더라도, 스퓨리어스 통과 대역을 중심 주파수의 3배보다 작은 주파수 대역 특히 2.45㎓의 주파수 대역에서 나타나게 할 수 있기 때문에 900㎒와 2.45㎓에서 모두 사용할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 중심 주파수가 900MHz인 하이브리드 결합기를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 표 1에 나타낸 전송선로의 특성(임피던스 및 전기적 길이)을 만족시키도록, 제1 및 제2 시리즈 전송선로(110)(120)와 제1 및 제2 션트 전송선로(210)(220)에 있어서, 각 전송선로들의 길이 및 선 폭을 수치로 표시하였다.
이러한 구성의 하이브리드 결합기는 중심 주파수인 900MHz뿐만 아니라 2.45㎓에서도 결합 특성을 나타내기 때문에 RFID 시스템에서 이중 대역 하이브리드 결합기로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 하이브리드 결합기에 의하면, 하이브리드 결합기 자체의 크기를 크게 줄일 수 있어 RFID 시스템을 소형화할 수 있다.
즉, 중심 주파수가 900MHz인 하이브리드 결합기를 FR-4 기판상에 형성하는 경우, 본 발명의 하이브리드 결합기 구조에 의하면 기존의 하이브리드 결합기의 1/2 정도의 크기로 형성할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 하이브리드 커플러를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 하이브리드 커플러의 전기적 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 하이브리드 결합기의 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 기존의 하이브리드 결합기의 결합 특성과 본 발명의 하이브리드 결합기의 결합 특성을 비교하여 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 중심 주파수가 900MHz인 하이브리드 결합기를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 제1 시리즈 전송 선로 120 : 제2 시리즈 전송 선로
210 : 제1 션트 전송 선로 220 : 제2 션트 전송 선로

Claims (2)

  1. 제1 및 제2 시리즈(Series) 전송선로와 제1 및 제2 션트(Shunt) 전송선로를 포함하는 4 단자망으로 이루어진 하이브리드 결합기에 있어서,
    상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로와 상기 제1 및 제2 션트 전송선로는 각각서로 대응하는 미앤더 라인(Meander Line) 형태로 이루어져 각 전송선로가 서로 결합(Coupling)되고,
    상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 임피던스는 43Ω이고, 상기 제1 및 제2 션트 전송선로의 임피던스는 60Ω이며, 상기 제1 및 제2 시리즈 전송선로의 전기적 길이는 101도(Degree)이고, 상기 제1 및 제2 션트 전송선로의 전기적 길이는 110도(Degree)인 것을 특징으로 하는 하이브리드 결합기.
  2. 삭제
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