KR101665237B1 - 평면형 매직-티 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평면형 매직-티(Magic-Tee)에 관한 것으로서, 제1커플링부와, 제2커플링부와, 제1커플링부 및 제2커플링부를 캐스케이드로 연결하며, 서로 다른 특성 임피던스를 갖는 전송선로를 포함한다. 본 발명에 따르면, 기존의 링 하이브리드 커플러의 본질적인 밴드폭의 제한으로 인한 단점을 극복할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 링 하이브리드 커플러가 가지고 있는 서로 다른 출력 포트의 방향으로 인해 다른 디바이스와의 연결이 어려움을 해결할 수 있다.

Description

평면형 매직-티{Planar Type Magic-Tee}
본 발명은 평면형 매직-티(Magic-Tee)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3dB 방향성 결합기와 전송선로를 이용한 평면형 매직-티에 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 원하는 전력이 전달되도록 하는 장치이다.
커플러는 무선 시스템에 많이 이용되고 있으며, 4-포트 링 하이브리드 커플러(4-Port Ring Hybrid Coupler)는 무선 시스템에 널리 쓰이는 마이크로파 기본 소자이다. 4-포트 링 하이브리드 커플러의 일례가 도 1에 잘 도시되어 있다.
기존 링 하이브리드 커플러는, 2개의 출력신호가 입력단자의 위치에 따라 동위상과 역위상을 갖는 특징이 있다[1]. 즉, 링 하이브리드 커플러는 높은 아이솔레이션(Isolation) 특성과 2개 출력간의 위상차가 0° 및 180°의 특성을 가지며, 동일한 비율로 전력을 분배한다. 이에 안테나 어레이(Antenna Arrays), 믹서(Mixers), 평형 증폭기(Balancing Amplifier) 등의 적용에 있어서 위상 보상을 위한 요소가 필요 없는 장점이 있다.
그런데, 기존 링 하이브리드 커플러는 포트 방향이 모두 다를 뿐 아니라, 2개의 출력 포트를 같은 방향으로 구현하기 어려움에 따라, 시스템의 다른 디바이스들과 연결하는 데 어려움이 있다. 그러므로, 기존 링 하이브리드 커플러는 캐스케이드 평면(Cascade Planar) 구조를 구현하는 데 한계가 있다. 이에 기존 링 하이브리드 커플러를 포함하는 시스템의 사이즈가 커질 수밖에 없다.
한편, 기존 링 하이브리드 커플러는 공진형(Resonant Type) 구조이기 때문에, 설계주파수에서 최적의 성능을 얻을 수 있다.
그러나, 설계 이외의 주파수 선택 시, 출력 포트들 간의 진폭 및 위상이 원하는 값(Desired Values)으로부터 편차가 발생하게 되고, 이는 밴드폭(Bandwidth)을 제한하는 요소(Factor)가 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0013248호(공개일 2014.02.05.)
[1] H.-R. Ahn, Ingo Wolff, and I.-S. Chang, "Arbitrary Termination Impedances, Arbitrary Power Division, and Small-Sized Ring Hybrids," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.45, no.12, pp. 2241-2247, Dec. 1997.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 2개의 방향성 커플러를 캐스케이드로 연결한 구조에 있어 서로 다른 특성 임피던스를 갖는 전송선로를 형성시킨 평면형 매직-티를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평면형 매직-티는, 제1커플링부; 제2커플링부; 및 상기 제1커플링부 및 제2커플링부를 캐스케이드로 연결하며, 서로 다른 특성 임피던스를 갖는 전송선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 전송선로는, 상기 제1커플링부에 형성된 임피던스 ZA를 갖는 제1도전체; 및 상기 제2커플링부에 형성된 임피던스 ZB를 갖는 제2도전체를 포함하며, 상기 제1도전체와 상기 제2도전체가 각각 연결된다.
여기서, 상기 제1커플링부 및 제2커플링부에 형성된 각각의 포트는 동일한 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 평면형 매직-티에 따르면, 기존의 링 하이브리드 커플러의 본질적인 밴드폭의 제한으로 인한 단점을 극복할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 링 하이브리드 커플러가 가지고 있는 서로 다른 출력 포트의 방향으로 인해 다른 디바이스와의 연결이 어려움을 해결할 수 있다.
즉, 본 발명의 평면형 매직-티는 링 하이브리드 커플러의 특성인 동위상과 역위상을 가질 뿐 아니라, 기존의 링 하이브리드 커플러에 대비하여 97% 이상의 밴드폭을 확보함으로써 발룬(Balun)같은 어플리케이션에 유용하게 응용할 수 있다.
도 1은 4-포트 링 하이브리드 커플러의 제작도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 평면형 매직-티의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 평면형 매직-티와 링 하이브리드 커플러에 대한 동위상 및 역위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 평면형 매직-티와 링 하이브리드 커플러에 대한 위상 차이 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 평면형 매직-티의 제작도이다.
본 발명은 3dB 방향성 결합기와 전송선로를 이용한 평면형 매직-티(Planar Type Magic-Tee using 3dB Directional Coupler and Transmission Lines)에 관한 것이다.
본 발명의 평면형 매직-티는, 2개의 방향성 커플러를 캐스케이드로 연결한 구조에, 추가적인 전송선로를 삽입한 구조이다. 이때의 2개 출력 포트의 전력은 3[dB]를 갖고, 위상차는 동위상 혹은 역위상으로 나타난다. 기존의 링 하이브리드 커플러에 대비하여 97% 이상의 넓은 대역폭을 가진다.
한편, 본 발명의 평면형 매직-티에 대하여, 2개의 3[dB] 방향성 커플러와 연결된 전기적 길이 90°를 갖는 4개의 전송선로의 특성 임피던스를 변화시킬 때 마다 출력간의 위상차이 변화에 대해 설명한다. 아울러, 본 발명의 평면형 매직-티의 반사계수의 크기를 변화시킴으로 인한 출력 파워 분배비(Power Division Ratio) 및 원하는 출력값에 대해서도 설명한다.
이하, 본 발명의 평면형 매직-티에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 평면형 매직-티의 등가회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 평면형 매직-티는, 4개 포트를 갖는 제1커플링부(1)와, 4개 포트를 갖는 제2커플링부(2)와, 제1커플링부(1) 및 제2커플링부(2)의 2개의 포트를 캐스케이드로 연결한 구조에 추가적으로 삽입한 전송선로(3)를 포함한다.
일례로서, 제1커플링부(1)는 입력 포트, 출력 포트, P11 포트, P12 포트를 갖고 있고, 제2커플링부(2)는 아이솔레이션 포트, 출력 포트, P21 포트, P22 포트를 갖고 있다. 본 실시예에서는 제1커플링부(1)가 입력 포트로 되는 경우에 대해 설명하고 있으나, 기능상 제2커플링부(2)가 입력 포트로 될 수 있으며, 즉 기능이 역전될 수 있다.
P11 포트 및 P12 포트 측에는 각각 임피던스 ZA를 갖는 도전체(31, 31′)가 형성되어 있으며, P21 포트 및 P22 포트 측에는 각각 임피던스 ZB를 갖는 도전체(32, 32′)가 형성되어 있으며, 도전체간 연결에 의해 전송선로가 형성된다.
여기서, 입력 포트, 아이솔레이션 포트, 출력 포트, P11 포트, P12 포트, P21 포트, P22 포트에 형성된 도전체는 임피던스 Z0를 갖는다.
이와 같이, 본 발명의 평면형 매직-티는, 2개의 3[dB] 방향성 커플러가 캐스케이드 구조로 연결되어 있으며, λ/4를 갖는 특성임피던스 ZA 혹은 ZB의 전송선로 4개가 삽입되어 있다. 포트1이 입력 포트(Input port)가 될 때, 포트2가 아이솔레이션 포트(Isolation port)가 되고, 포트3와 포트4는 동위상의 출력 포트(Output port)가 된다. 역위상의 경우에는 포트2가 입력 포트가 될 때, 포트1이 아이솔레이션 포트가 되고, 포트3과 포트4는 출력 포트가 된다.
입력신호의 절반이 반사되려면 반사계수는 (식 1)과 같이 표현된다.
Figure 112015015151092-pat00001
--- (식 1)
임피던스 Z1 및 Z2(Z1,2)은 (식 2)와 같이 표현된다.
Figure 112015015151092-pat00002
--- (식 2)
여기서, j는 순허수, β는 전송선로의 위상 정수, l은 선로의 길이를 나타낸다.
(식 2)에서 매칭(matching) 회로의 전기적 길이가 λ/4일 때, ZA와 ZB는 (식 3), (식 4)와 같이 표현된다.
Figure 112015015151092-pat00003
--- (식 3)
Figure 112015015151092-pat00004
--- (식 4)
여기서, 도 2의 θ=90°이다.
도 3은 본 발명의 평면형 매직-티와 링 하이브리드 커플러에 대한 동위상 및 역위상에서의 S-parameter 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, ANSYS Designer 7.0을 사용하여 2[GHz]에서 본 발명의 평면형 매직-티와 기존 링 하이브리드 커플러의 동위상과 역위상일때의 측정값(Magnitude)에 관한 시뮬레이션 결과이다. 도 3의 (a)에서 본 발명의 평면형 매직-티인 경우 S31과 S41이 출력 포트이고, 기존 링 하이브리드 커플러의 출력 포트는 S21과 S31이다. 동위상의 경우 2[GHz]에서 본 발명의 평면형 매직-티와 기존 링 하이브리드 커플러 모두 출력이 3.01[dB]로 동일한 값을 가진다. 도 3의 (b)에서 역위상인 경우 또한, 출력이 3.01[dB]로 동일한 값을 갖는다. 한편, 동위상인 경우, 20[dB]의 프랙셔널 밴드폭(Fractional Bandwidth)이 기존 링 하이브리드 커플러인 경우, 27.8%에서 본 발명의 평면형 매직-티인 경우 74%로 2배 이상의 밴드폭이 증가함을 알 수 있다. 역위상인 경우, 20[dB]의 프랙셔널 밴드폭이 기존 링 하이브리드 커플러인 경우, 32.2%에서 본 발명의 평면형 매직-티인 경우, 63.4%로 97%의 밴드폭이 증가한 것을 알 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 평면형 매직-티와 링 하이브리드 커플러에 대한 위상 차이 측정값을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 평면형 매직-티와 기존 링 하이브리드 커플러의 각 출력 포트들간의 위상 차이에 관한 시뮬레이션 결과로서, 동위상과 역위상일 때의 그래프 특성을 나타내고 있다.
먼저 도 4를 참조하면, 도 4의 (a)의 동위상 시뮬레이션 결과에서 기존 링 하이브리드 커플러는 2[GHz]에서만 동위상의 특성을 갖지만, 본 발명의 평면형 매직-티는 1[GHz]에서 3[GHz]까지 전범위에서 동위상의 특성을 갖는다. 도 4의 (b)의 역위상 시뮬레이션 결과, 또한 기존 링 하이브리드 커플러는 2[GHz]에서만 역위상의 특성을 갖지만, 본 발명의 평면형 매직-티의 경우, 전범위에서 역위상 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명의 평면형 매직-티는 기존 링 하이브리드 커플러의 기능을 가지고 있을 뿐만 아니라, 더 넓은 밴드폭을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 5의 (a)와 (b)는 Z1값에 따른 출력간의 위상차이를 나타내고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, Z1=5[Ω]을 기준으로, Z1이 증가할수록 그래프의 기울기가 변하는 것을 확인할 수 있다. 도 5의 (a)와 (b) 모두 Z1이 20.71[Ω] 을 기준으로 Z1<20.71[Ω]인 경우, 그래프의 기울기가 0 보다 크고, Z1>20.71[Ω]인 경우, 그래프의 기울기가 0보다 작다.
이와 같이, 본 발명의 평면형 매직-티는, 2개의 3[dB] 방향성 커플러를 캐스케이드로 연결한 구조에 추가적인 전송선로를 삽입한 구조이다. 본 발명의 평면형 매직-티는 같은 방향의 출력 포트를 가지고 있기 때문에, 이는 캐스케이드 평면(Cascade Planar) 구조로 구현될 수 있다. 측정값(Magnitude)과 위상(Phase) 특성은 기존 링 하이브리드 커플러 특성과 이론적으로 동일한 결과를 얻었다. 뿐만 아니라, 20[dB]의 프랙셔널 밴드폭은 동위상인 경우 2배 이상 증가하였고, 역위상인 경우 97%로 증가된 밴드폭을 얻을 수 있었다. Z1의 임피던스 변화에 따라서 출력 포트간의 위상차이 또한 규칙적으로 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 반사계수를 변화시킴에 따라서 출력 파워 분배비(power division ratio)변화도 가능하므로, 원하는 출력 값 또한 얻을 수 있다. 그러므로 본 발명의 평면형 매직-티는 완벽하게 기존 링 하이브리드 커플러의 기능을 갖출 뿐만 아니라, 기존 링 하이브리드 커플러가 가지고 있는 제한된 밴드폭을 넓히고 캐스케이드 평면 구조도 가능하기 때문에, 발룬 같은 다양한 어플리케이션에 유용하게 응용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 평면형 매직-티의 제작도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 평면형 매직-티는, 2개의 방향성 커플러에 형성되는 임피던스(Z1, Z2)를 서로 다르게 형성시키고 있다. 즉, 2개의 방향성 커플러에 형성되는 임피던스를 비대칭으로 형성하고 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 제1커플러
2 : 제2커플러
3 : 전송선로

Claims (4)

  1. 제1커플링부;
    제2커플링부; 및
    상기 제1커플링부 및 제2커플링부를 캐스케이드로 연결하며, 서로 다른 특성 임피던스를 갖는 전송선로
    를 포함하고,
    상기 전송선로는,
    상기 제1커플링부에 형성된 임피던스 ZA를 갖는 제1도전체; 및
    상기 제2커플링부에 형성된 임피던스 ZB를 갖는 제2도전체
    를 포함하며,
    상기 제1도전체와 상기 제2도전체가 각각 연결되어 있는
    평면형 매직-티.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1커플링부 및 제2커플링부에 형성된 각각의 포트는 임피던스 Z0를 갖는 평면형 매직-티.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 임피던스 ZA 및 임피던스 ZB는 아래 (식)으로 구하는 평면형 매직-티.
    Figure 112015015151092-pat00005
    ,
    Figure 112015015151092-pat00006
    --- (식)
    여기서, Z1은 상기 제1커플링부의 임피던스이고, Z2는 상기 제2커플링부의 임피던스이며, 상기 Z1, Z2는 다음과 같이 구한다.
    Figure 112015015151092-pat00007

    여기서, j는 순허수, β는 전송선로의 위상 정수, l은 선로의 길이를 나타낸다.
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