KR101636880B1

KR101636880B1 - 비대칭 전송선을 가진 4 포트로 구성된, 2-섹션 3-ｄＢ 하이브리드 커플러

Info

Publication number: KR101636880B1
Application number: KR1020150081289A
Authority: KR
Inventors: 김해진; 김재학
Original assignee: 한국기초과학지원연구원; (주)에이스안테나
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-07-06

Abstract

본 발명은 2-섹션 3dB 하이브리드 커플러에 관한 것이다. 특이적으로, 본 발명의 하이브리드 커플러는 전송선(transmission line) 및 가지전송선(branch line)의 임피던스에 특징을 부여하여, 대역폭 확장, 진폭 평행 및 아이솔레이션 특성 향상을 제공하는 하이브리드 커플러를 제공한다.

Description

비대칭 전송선을 가진 4 포트로 구성된, 2-섹션 3-ｄＢ 하이브리드 커플러{4 PORTS 2 SECTIONS 3-dB HYBRID COUPLER WITH ASYMMETRICAL TRANSMISSION LINES}

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 커플링 되어 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 발생한다.

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 개발하였고, 등록특허 10-1371627의 특허를 개발하였다. 이 특허는 각 전송선의 임피던스를 다음과 같이 튜닝한 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러를 제공하였다. 이 특허의 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러는 상기 전송선들의 임피던스 값(Z₂)은 0보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 √2를 나눈 값보다 작으며, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z₁)은 0보다 크고 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 같음을 특징으로 한다. 본 발명자는 이 특허에서 제 1 및 제 2 전송선의 임피던스 값을 비대칭으로 함이 대역폭 확장, 진폭 평행 및 아이솔레이션 특성 향상을 제공함을 발견하였다.

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.

(1)

(2)

Z_p는 가지전송선의 임피던스 값이고, Z₀은 포트의 임피던스 값이며, Zr은 전송선의 임피던스 값이다.

3-dB 커플러의 경우, 식(1)에서 P2=P3이므로, Z₀=Z_p가 된다. 따라서, 식 (2)의 우변은 2가 되어, Zr은

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 발명의 일 측면으로서, 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 제 1 전송선의 임피던스 값은 0보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 √2를 나눈 값보다 작으며, 상기 제 2 전송선의 임피던스 값은 상기 제 1 전송선의 임피던스 값보다 크고, 제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z₁)은 0보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작은, 비대칭 전송선의 4포트로 구성된, 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러를 제공하며, 본 발명의 발명자는 전송선과 제 1 및 제 3 가지전송선의 당업계에 알려진 이상적 임피던스 값보다 작은 임피던스 값을 가진 커플러에, 제 1 및 제 2 전송선의 임피던스 값을 비대칭으로 함이 진폭 평행 및 아이솔레이션이 좋아짐을 발견하였다.

상기 제 2 가지전송선 임피던스 값(Z₃)은 이상적인 커플러와 같이 제1 전송선과 같을 수 있거나, 상기 제 1 전송선의 임피던스 값(Z₂)과 클 수 있거나 이보다 작을 수 있다.

바람직하게는 제 2 전송선의 임피던스 값은 상기 제 1 전송선의 임피던스 값보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 √2를 나눈 값과 같거나 작을 수 있다.

특히, 상기 제 1 전송선의 임피던스 값은 상기 제 2 전송선의 임피던스 값보다 최대 20% 작음을 특징으로 한다. 20% 이상으로 작아지면, 진폭 평행에 좋지 않다.

도 1은 다양한 형태의 3 dB 하이브리드 커플러 및 이의 이상적 임피던스 값을 보여준다.
도 2a는 3 dB 하이브리드 커플러의 이상적 임피던스 값을 보여준다. 도 2b는 등록특허 10-1371627에서 제시한 방식의 일 예로서의 임피던스 값을 보여준다. 도 2c는 본 발명의 일 예로서의 임피던스 값을 보여준다.
도 3은 3-차원 전자기 시뮬레이션 코드, HFSS를 사용하여, 도 2에 예시된 3가지 타입의 커플러를 평가한 그래프로서 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.
도 4는 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 모델을 적용한 마이크로스트립의 사진이다.
도 5는 도 4의 모델을 이용해서, 제2 전송선의 폭을 줄이면서 측정한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.
도 6은 도 4의 모델을 이용해서, 제1 및 제2 전송선의 임피던스 값을 비대칭으로 한 본 발명의 모델에서, 제2 가지전송선의 폭을 줄이면서 측정한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2a는 3 dB 하이브리드 커플러의 이상적 임피던스 값을 보여준다. 도 2b는 등록특허 제 10-1371627호에서 제시한 방식의 일 예로서의 임피던스 값을 보여준다. 도 2c는 본 발명의 일 예로서의 임피던스 값을 보여준다.

도 3은 3-차원 전자기 시뮬레이션 코드, HFSS를 사용하여, 도 2에 예시된 3가지 타입의 커플러를 평가한 그래프로서 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.

도 2 및 3에서 확인되는 바와 같이, 제1 전송선 및 제2 전송선의 임피던스 값이 이상적인 임피던스 값(도2a)보다 줄어든 경우(도2b) 및 도 2b의 제1 전송선의 임피던스 값보다 제2 전송선의 임피던스 값을 크게 한 경우(도2c), 대역폭은 증가 됨을 확인할 수 있었다. 도 3에서 진폭 평행(amplitude imbalance)의 일정 값 내(예를 들어, 1 내지 -1)에서, 도2b 또는 도2c의 경우가 이상적인 값(도2a)에 비해 대역폭이 증가 됨을 확인할 수 있고, 아이솔레이션의 경우도 일정 값 내(예를 들어, -15 이하)에 도2b 또는 도2c의 경우가 이상적인 값(도2a)에 비해 대역폭이 증가됨을 확인할 수 있었다.

이렇게 대역폭이 증가함에도, 도2c와 같이 제2 전송선의 임피던스를 제1 전송선의 임피던스 값보다 크게 한 경우, 진폭 평행 및 아이솔레이션 값을 향상되었음을 확인할 수 있다.

진폭 평행의 경우, 도2b보다 도2c는 그 값이 작아져 0 값에 수렴함 확인할 수 있었다. 도 2b는 이상적인 커플러(도2a)에 비해 진폭 평행이 증가하였으나, 도 2c는 이 증가된 진폭 평행 값을 작게 하면서 0 값에 맞출 수 있다.

아이솔레이션의 경우, 도2b보다 도2c는 값을 더 낮춤을 확인할 수 있었다.

도 2b는 2.25 GHz에서 1dB의 진폭 평행 및 17dB의 아이솔레이션을 보여주었다. 그러나 도 2c에서 예시한 본 발명의 커플러는 중심 주파수에서 0dB 근처로 진폭 평행이 도 2b의 커플러의 것보다 감소되었고 그럼에도 여전히 이상적 커플러에 비해 넓은 대역을 가지고 18 dB의 낮아진 아이솔레이션을 보여주었다.

도 4는 본 발명의 제안된 2-섹션 하이브리드 커플러의 모델을 적용한 마이크로스트립의 사진이다.

도 5는 도 4의 모델을 이용해서, 제2 전송선의 폭을 줄이면서 측정한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다. 도 5에서 Cut=0mm는 도 2b의 임피던스를 가진 도 4와 같은 모델을 이용한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여주고, Cut=0.2mm는 도 2b의 임피던스를 가진 도 4와 같은 모델에서 제2 전송선의 폭을 0.2mm 만큼 줄인 모델을 이용한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여주고, Cut=0.4mm는 도 2b의 임피던스를 가진 도 4와 같은 모델에서 제2 전송선의 폭을 0.4mm 만큼 줄인 모델을 이용한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여주고, Cut=0.6mm는 도 2b의 임피던스를 가진 도 4와 같은 모델에서 제2 전송선의 폭을 0.6mm 만큼 줄인 모델을 이용한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.

제2 전송선의 폭을 줄이면서, 임피던스의 값을 20%까지 늘린 경우, 진폭 평행은 2dB에서 0dB 근처로 감소 됨을 볼 수 있고, 아이솔레이션(S₄₁)의 특성도 좋아짐을 확인할 수 있다. 또한, 진폭 평행의 개선량을 고려할 때 전체적으로 대역폭 감소량은 거의 없었다. 20% 이상으로 늘리는 경우 진폭 평행이 0을 벗어날 것으로 예측되며, 따라서 제1 전송선과 제2 전송선의 임피던스의 차이는 20%임이 바람직할 것으로 예측된다.

도 6은 도 4의 모델을 이용해서, 제1 및 제2 전송선의 임피던스 값을 비대칭으로 한 본 발명의 모델에서, 제2 가지전송선의 폭을 늘리면서 측정한 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다. 도 6에서 W=1.8mm, W=1.7mm, W=1.6mm, W=1.5mm는 각각 제2 가지전송선의 두께로서 폭을 줄이면서 임피던스의 값을 늘림에 따른 진폭 평행 및 아이솔레이션을 보여준다.

Claims

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 제 1 전송선의 임피던스 값은 0보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 √2를 나눈 값보다 작으며,
상기 제 2 전송선의 임피던스 값은 상기 제 1 전송선의 임피던스 값보다 크고,
제 1 및 제 3 가지전송선 임피던스 값(Z₁)은 0보다 크고 상기 포트의 임피던스 값(Z₀)에 (√2-1)을 나눈 값보다 작은,
비대칭 4포트로 구성된 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 전송선의 임피던스 값은 상기 제 2 전송선의 임피던스 값보다 최대 20% 작은,
비대칭 4포트로 구성된 2-섹션 3-dB 하이브리드 커플러.