KR20030091522A - 마이크로파 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

단일 유전체 보드 상에 결합선로를 형성하는 마이크로파 방향성 결합기에 있어서, 좌·우에 쌍을 이루며 형성된 4개의 입·출력 단자와; 상기 입·출력 단자로부터 평행을 이루며 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로(micro strip for connecting)와; 상기 결합선로 중 두 결합선로의 종단부 사이에 결합선로를 연결하기 위한 비결합선로가 추가된 구성을 이루며 입력단자를 통해 입력된 신호와 결합된 신호가 상기 비결합선로를 경과하면서 다중결합의 발생을 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.

Description

마이크로파 방향성 결합기{A microwave directional coupler}

본 발명은 무선통신 장비 및 전자기기에서 주파수 변환을 위해 사용되는 주파수 혼합기나 신호의 상태를 파악하기 위한 신호검출기, 전력증폭기, 안테나 급전선 등에 사용되는 방향성 결합기에 관한 것이다.

일반적으로 믹서(Mixer), 전력증폭기(Power Amplifier), 위상시프터(Phase Shifter) 등과 같이 무선주파수(RF: Radio Frequency) 및 마이크로파(Microwave) 신호를 처리하는 회로들에 있어서 전력 분배의 동작은 방향성 결합기(Directional Coupler)에 의해 수행될 수 있다. 일반적으로 방향성 결합기는 전기적 신호가 전달될 수 있는 전송선을 가까이 위치시켰을 때 발생하는 전자기적 결합현상을 이용하여 구성된다. 신호가 인가된 선로와 결합된 선로에 유기되는 신호의 크기는 결합기의 구조에 의해서 결정되며 신호가 인가된 선로의 신호크기를 단순히 검출하는 경우의 방향성 결합기는 결합량이 작아도 되는 구조의 방향성 결합기를 사용하지만 밸런스드 믹서나 전력증폭기와 같이 전력이 똑같이 배분되어야 하는 경우는 결합도가 큰 구조의 방향성 결합기를 사용한다.

도 1은 인쇄회로 기판 등에 사용되는 가장 대표적인 방향성 결합기의 구조로서 1/4파장 분포 결합형(quarter-wavelength distributed coupling type) 결합기의구성을 보여준다. 점무늬로 되어 있는 부분은 에칭이나 전극인쇄 방법에 의해 형성된 전기신호의 전송선로이다. 신호의 입출력 단자(101, 102, 103, 104)중 한곳에 신호를 인가시키고 나머지 단자는 임피던스 정합시켜 놓으면 결합선로(105, 106)를 통해 상대 선로에 신호가 유기되며 결합선로의 간격에 의해 결합도가 결정된다. 방향성 결합기를 이용해 높은 결합도(degree of coupling)를 얻기 위해서는 결합선로의 간격을 매우 작게 제작하여야 한다. 이 결합기를 설계함에 있어서 많은 제약이 따른다. 예를 들어, 유전체 상수(dielectric constant)가 2.2인 기판을 사용하기 위해서는 0.5밀(mil: 1/1000인치)의 기판이 사용되어야하나, 이는 매우 비현실적인 것이다. 따라서 제작이 어려워 주로 낮은 결합도를 필요로 하는 경우에 사용된다.

도 2는 도 1의 구조를 변경하여 높은 결합도를 얻을 수 있도록 고안된 것으로서 레인지형(Lange type) 결합기이다. 이 결합기는 Julius Lange에 의해 제안된 것으로,1969 International Microwave Symposium, Dallas, Texas, May 5-7, IEEE Cat. NO. 69 C 6, pp. 10-13에 개시된 바 있다. 결합선로(201, 202, 203, 204, 205)를 분기해 결합현상이 더 많이 발생하도록 되어 있으며 각 결합선로를 연결하기 위해 와이어본딩(206) 처리를 하고 있다.

이 결합기는 매우 양호한 특성을 제공하지만, 이를 구현하기 위한 기판의 재료가 매우 비싸며 이 결합기를 생산하기 위한 장비가 매우 복잡해진다는 단점이 있다. 예를 들어, 알루미나(Alumina)와 같이 고유전체 상수(high dielectric constant)를 가지는 재료의 기판을 사용하는 경우, 선로들 사이의 간격(gap width)은 20∼55마이크로미터(micrometer)의 범위 내에있도록 설계되어야 한다.

도 2에 나타낸 종래의 방향성 결합기는 도 1의 방향성 결합기에 비해 높은 결합도를 얻을 수 있는데 결합선로의 간격은 다소 넓어지지만 선폭은 더 좁아지고 구조도 복잡하다. 특히 각 결합선로를 연결하기 위한 와이어본딩 작업이 수반되기 때문에 제작 공정이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 높은 결합도를 가지면서 결합선로의 폭과 간격이 넓은 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 이중결합현상을 이용함으로써 결합선로간의 간격을 넓혀도 높은 결합도를 유지할 수 있는 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 와이어본딩 부분을 표면실장형 칩으로 대체할 수 있는 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 결합선로 간의 간격을 넓힘으로써 제작이 용이하여 생산성을 향상시킬 수 있는 구조의 방향성 결합기를 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방향성 결합기는 단일 유전체 보드 상에 결합선로를 형성하는 마이크로파 방향성 결합기에 있어서, 좌·우에쌍을 이루며 형성된 4개의 입·출력 단자와; 상기 입·출력 단자로부터 평행을 이루며 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로(micro strip for connecting)와; 상기 결합선로 중 두 결합선로의 종단부 사이에 결합선로를 연결하기 위한 비결합선로가 추가된 구성을 이루는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 방향성 결합기 기본 구조도,

도 2는 큰 결합도를 갖는 종래의 방향성 결합기 구조도,

도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 방향성 결합기의 예시도,

도 4는 본 발명의 다른 실시에 따른 방향성 결합기의 예시도,

도 5 및 도 6은 결합선로의 구조가 좌우대칭이 되도록 구성한 예시도,

도 7과 8은 방향성 결합기의 비결합선로 부분을 변경한 예시도,

도 9는 시뮬레이션 결과의 산란계수 주파수 특성 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 방향성 결합기의 구성과 그에 따른 작용을 설명하기로 한다.

도 3은 종래의 큰 결합도를 갖는 방향성 결합기의 와이어본딩 방법을 그대로 사용하면서 결합선로의 폭과 간격을 제작에 유리하도록 개선한 구조의 방향성 결합기이다. 도 3에서 점무늬 부분은 전기신호의 전송선로이며 방향성 결합기는 입출력단자(301, 302, 303, 304)와 결합선로(305, 306, 307, 308), 각 결합선로를 연결하는 비결합선로(309, 310), 그리고 와이어본딩으로 구성되어 있다.

동작원리를 살펴보면, 단자(301)를 통해 신호가 인가되면 결합선로(305, 306)를 통해 전자기적 결합현상이 일차적으로 발생하며 입사된 신호와 결합된 신호는 각각 비결합선로(309, 310)를 진행한 후 결합선로(307, 308)에서 다시 한번 결합현상이 발생하게 된다. 이와 같이 결합현상이 이중으로 발생함에 따라 결합선로 간의 간격이 넓어도 높은 결합도를 얻을 수 있어 제작이 용이해진다. 결합선로의길이는 사용주파수의 4분의 1파장 길이이며 폭과 간격은 얻고자 하는 결합도에 따라 결합선로이론으로부터 쉽게 계산할 수 있다.

본 발명의 장점을 예를 들어 설명하면, 중심주파수 2.14 ㎓에서 3 dB 결합도를 갖도록 특성임피던스 50 Ω, 두께 0.8 ㎜, 상대유전율 4.8의 마이크로스트립 기판을 이용해 제작할 경우, 도 2의 종래 방향성 결합기 결합선로의 폭은 0.13 ㎜인 반면 본 발명의 방향성 결합기 구조의 결합선로 폭은 1.0 ㎜이다.

도 3의 방향성 결합기는 종래의 방향성 결합기에 비해 결합선로의 폭이 7.7배 정도 넓어져 제작이 쉽고 결합선로(305, 306, 307, 308)를 연결하기 위한 방법으로 와이어본딩 대신에 도 4와 같이 와이어본딩 부분을 표면실장형 칩(401)으로 대치할 수 있다는 장점이 있다.

도 5 및 도 6은 결합선로의 위치를 좌우 대칭의 구조를 갖도록 구성한 경우의 구조도이다. 도 5는 비결합선로가 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 다수회 절곡된 선로(micro strip)의 형태로 구성되며, 타 결합선로의 종단부 사이에는 각각 표면실장형 칩(chip)이 형성된다. 도 6은 비결합선로의 형상이 도 5와 동일하게 다수회 절곡된 선로로 이루어지지만 타 결합선로의 형상이 다르다. 즉, 타 결합선로의 종단부에는 결합선로의 선폭보다 넓은 선폭을 갖는 비결합선로가 형성되어 "U"자형을 이루고 있다.

도 7 및 도 8은 비결합선로 부분을 전기적으로 같은 역할을 하는 구조의 선로로 변경한 경우의 구조도이다. 도 7에서는 상기 결합선로 중 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 상기 결합선로의 선폭보다 얇은 선폭을 갖는 직선(直線) 및 그 직선의 중간부분을 중심으로 대칭된 부채꼴 형상의 비결합선로가 형성되며, 나머지 결합선로의 종단부 사이에 표면실장형 칩(chip)이 형성된 실시 예를 나타낸다.

도 8은 결합선로의 종단부에 형성된 비결합선로 부분은 도 7에서와 유사하나, 각 타단부와 출력 단자가 표면실장형 칩으로 연결되고, 타 결합선로의 종단부에는 결합선로의 선폭보다 넓은 선폭을 갖는 비결합선로가 형성되어 "U"자형을 이루는 점이 특이하다.

도 9는 본 발명의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 산란계수 주파수 특성 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 중심 주파수 2.14 ㎓ 대역에서 3dB의 결합도를 갖게 됨을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 단일면 상에 형성된 전송선로의 전자기적 결합현상을 이용하는 방향성 결합기에서 결합선로와 비결합선로를 형성하여 결합현상이 이중으로 발생하도록 함으로써 결합선로의 폭을 종래의 구조보다 넓게 제작할 수 있도록 하여 제작을 용이하게 하는데 효과가 있다. 또한 결합선로간의간격을 넓혀 와이어본딩 부분을 표면실장 방법으로 변경할 수 있도록 함으로써 제작 비용과 시간을 줄일 수 있고 제품의 신뢰도를 높일 수 있다.

Claims (8)

1. 단일 유전체 보드 상에 결합선로를 형성하는 마이크로파 방향성 결합기에 있어서,

   좌·우에 쌍을 이루며 형성된 4개의 입·출력 단자와;

   상기 입·출력 단자로부터 평행을 이루며 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로(micro strip for connecting)와;

   상기 결합선로 중 두 결합선로의 종단부 사이에 결합선로를 연결하기 위한 비결합선로가 추가된 구성을 이루며 입력단자를 통해 입력된 신호와 결합된 신호가 상기 비결합선로를 경과하면서 다중결합의 발생을 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비결합선로와 결합선로의 종단부가 와이어본딩으로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 비결합선로와 결합선로의 종단부가 표면실장형 칩(chip)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비결합선로는 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 다수회 절곡된 선로(micro strip)의 형태로 구성되며, 타 결합선로의 종단부 사이에 표면실장형 칩(chip)이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
5. 제 1 항에 있어서; 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 상기 결합선로의 선폭보다 얇은 선폭을 갖는 직선(直線) 및 그 직선의 중간부분을 중심으로 대칭된 부채꼴 형상의 비결합선로가 구성되며, 나머지 결합선로의 종단부 사이에 표면실장형 칩(chip)이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
6. 단일 유전체 보드 상에 결합선로를 형성하는 마이크로파 방향성 결합기에 있어서,

   좌·우에 쌍을 이루며 형성된 4개의 입·출력 단자와;

   평행을 이루며 서로 엇갈리도록 연장된 4개의 결합선로(micro strip for connecting)와;

   상기 결합선로 중 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 비결합선로가 형성되며 각 타단부와 출력 단자가 표면실장형 칩으로 연결되고, 타 결합선로의 종단부에는 결합선로의 선폭보다 넓은 선폭을 갖는 비결합선로가 형성되어 "U"자형을 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 비결합선로는 다수회 절곡된 선로(micro strip)의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 비결합선로는 내측에 연접된 두 결합선로의 종단부 사이에 상기 결합선로의 선폭보다 얇은 선폭을 갖는 직선(直線) 및 그 직선의 중간부분을 중심으로 대칭된 부채꼴 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 방향성 결합기.