본 논문에서는 초광대역 CPW(Coplanar Waveguide) 발룬을 제안한다. 제 안된 발룬에는 초광대역을 위한 다단윌킨슨 전력 분배기 구조와 CPW의 "X"-형태의 $180^{\circ}$의 위상차 생성 구조를 갖는다. 또한 CPW 선로에 필요한 접지간 연결을 위하여 bottom-bridge와 via-hole을 사용하는 방법을 제안하여 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) 제작 공정에서 CPW 회로 제작을 편리하게 하였다. 제안된 발룬은 이론적으로 3 또는 10의 초광대역 주파수 대역폭$(=F_{high}/F_{low})$을 갖는데, 윌킨슨 분배기의 초광대역 주파수 특성 과 S-파라미터 특성을 그대로 발룬의 특성으로 전환된다. 제안된 발룬은 $180^{\circ}$ 위상차 생성을 위한 별도의 추가적인 면적을 요구하지 않으므로, 설계의 바탕이 되는 전력 분배기와 같은 크기를 갖는다. 예로써 제작한 3단과 7단 분배기 구조의 발룬은 각각 $1\sim3GHz,\;0.8\sim5GHz$의 주파수 대역에서 우수한 정합 특성, 출력 단자+간 격리 특성, ${\pm}0.5dB$과 ${\pm}0.45dB$의 전력분배 비 에러를 보여주고 있다. 또한 출력 단자간 위상차 에러는 각각 ${\pm}5^{\circ}$와 ${\pm}10^{\circ}$이다.
본 논문에서는 초광대역 CPW(Coplanar Waveguide) 발룬을 제안한다. 제 안된 발룬에는 초광대역을 위한 다단윌킨슨 전력 분배기 구조와 CPW의 "X"-형태의 $180^{\circ}$의 위상차 생성 구조를 갖는다. 또한 CPW 선로에 필요한 접지간 연결을 위하여 bottom-bridge와 via-hole을 사용하는 방법을 제안하여 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) 제작 공정에서 CPW 회로 제작을 편리하게 하였다. 제안된 발룬은 이론적으로 3 또는 10의 초광대역 주파수 대역폭$(=F_{high}/F_{low})$을 갖는데, 윌킨슨 분배기의 초광대역 주파수 특성 과 S-파라미터 특성을 그대로 발룬의 특성으로 전환된다. 제안된 발룬은 $180^{\circ}$ 위상차 생성을 위한 별도의 추가적인 면적을 요구하지 않으므로, 설계의 바탕이 되는 전력 분배기와 같은 크기를 갖는다. 예로써 제작한 3단과 7단 분배기 구조의 발룬은 각각 $1\sim3GHz,\;0.8\sim5GHz$의 주파수 대역에서 우수한 정합 특성, 출력 단자+간 격리 특성, ${\pm}0.5dB$과 ${\pm}0.45dB$의 전력분배 비 에러를 보여주고 있다. 또한 출력 단자간 위상차 에러는 각각 ${\pm}5^{\circ}$와 ${\pm}10^{\circ}$이다.
Ultra wideband CPW batons are proposed in this paper. The proposed talons are consisted of ultra wideband multi-stage Wilkinson dividers and 'X'-shaped $180^{\circ}$ out-of-phase generator. Bottom-bridges and via-holes are used to connect CPW ground lines instead of the conventional air-b...
Ultra wideband CPW batons are proposed in this paper. The proposed talons are consisted of ultra wideband multi-stage Wilkinson dividers and 'X'-shaped $180^{\circ}$ out-of-phase generator. Bottom-bridges and via-holes are used to connect CPW ground lines instead of the conventional air-bridges which require troublesome manual working in fabrication with HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) substrates. The proposed CPW batons have ultra wideband of 3 or $10(=F_{figh}/F_{low})$ theoretically, the wideband characteristics and S-parameters of the basis Wilkinson divider are directly converted to those of the proposed batons. The proposed batons are so compact and small compared to the conventional Wilkinson batons because no additional area for out-of-phase section is required. So the size of the proposed batons is exactly the same as that of the basis Wilkinson dividers. As examples, 3-stage and 7-stage wideband Wilkinson dividers are converted to the proposed batons. Their measured operating bandwidth are $1\sim3GHz$ and $0.8\sim5GHz$, respectively, with excellent matching, isolation and power division performances. The measured magnitude and phase balance errors are ${\pm}0.5dB\;and\;0.45\;dB,\;and\;{\pm}5^{\circ}\;and\;{\pm}10^{\circ}C$ over $1\sim3GHz\;and\;0.8\sim5GHz$, respectively.
Ultra wideband CPW batons are proposed in this paper. The proposed talons are consisted of ultra wideband multi-stage Wilkinson dividers and 'X'-shaped $180^{\circ}$ out-of-phase generator. Bottom-bridges and via-holes are used to connect CPW ground lines instead of the conventional air-bridges which require troublesome manual working in fabrication with HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) substrates. The proposed CPW batons have ultra wideband of 3 or $10(=F_{figh}/F_{low})$ theoretically, the wideband characteristics and S-parameters of the basis Wilkinson divider are directly converted to those of the proposed batons. The proposed batons are so compact and small compared to the conventional Wilkinson batons because no additional area for out-of-phase section is required. So the size of the proposed batons is exactly the same as that of the basis Wilkinson dividers. As examples, 3-stage and 7-stage wideband Wilkinson dividers are converted to the proposed batons. Their measured operating bandwidth are $1\sim3GHz$ and $0.8\sim5GHz$, respectively, with excellent matching, isolation and power division performances. The measured magnitude and phase balance errors are ${\pm}0.5dB\;and\;0.45\;dB,\;and\;{\pm}5^{\circ}\;and\;{\pm}10^{\circ}C$ over $1\sim3GHz\;and\;0.8\sim5GHz$, respectively.
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문제 정의
설령 윌킨슨 분배기가 다단으로 구성되어 광대역의 특성을 갖는다 하더라도, 일반적으로 결합기 자체의 주파수대역이 광대역 윌킨슨 분배기보다 더 넓지 못한다는 점이 문제가 된다. 따라서 180° 위상차 생성부 회로의 주파수 대역폭이 다단 윌킨슨 분배기의 광대역 특성보다 좁으므로 결합기 특성이 최종적인 발룬의대역폭을 제한하는 문제점으로 작용하는 것이다. 결론적으로 윌킨슨 분배기의 광대역 특성을 그대로 발룬의 광대역으로 옮겨가기 위해서는 180° 위상차 생성 부의 주파수 특성이 윌킨슨 분배기의 대역폭을 제한하지 않아야 한다.
본 논문에서는 초광대역 다단 윌킨슨 전력 분배기 구조, CPW 선로의 신호선과 접지선의 교차에 의한 180° 위상 생성부, 복잡하고 어려운 air-bridge 작업을 피하기 위하여 HMIC 공정의 장점을 활용한 bottom-bridge오+ via-hole 제작 기법 등을 이용하여 초광대역 CPW 발룬의 설계와 측정 결과에 대하여 언급하였다.
제안 방법
7단 발룬의 전기적 특성 비교 데이터 확보를 위하여 먼저 7단 윌킨슨 분배기의 주파수 대역과 S-파라미터 특성을 측정하였다. 그림 13(a)는 측정된 전력분배 성능, 각 단자에서의 정합, 그리고 출력 단자간격리 특성을 보이고 있다.
초광대역 윌킨슨 분배기를 CPW로 구현했을 경우에, CPW의 구조적인 특성을 잘 활용하여 180° 위 상반 전부를 전송 선로에 삽입해 주면, 윌킨슨 분배기에 비하여 크기나 주파수 대역, S-파라미터 특성에 손해(degradation)가 없는 초광대 역 윌킨슨 분배기 구조의 발룬을 설계할 수 있다. 본 논문에서 제안하는발룬은 윌킨슨 분배기의 초광대역 특성이 그대로 유지되며, 발룬 회로를 위한 별도의 추가적인 면적이 불필요하여 윌킨슨 분배기와 동일한 크기를 갖는다. 한편, HMIC 제작 기법으로 CPW 회로를 구현할 경우에, 접지 선로 간에 다수의 air-bridge를 번거로운 수작업으로 구현하여야 하는 어려움이 생긴다.
본 논문에서는 가격이 저렴한 HMIC 공정을 활용하면서도 CPW 접지 선로간의 균일한 연결과 편리한 제작을 위하여 그림 6과 같은 bottom-bridge 구조를 사용하였다. 그림 6에 보인 바와 같이 bottom- bridge에 의한 접지 선로간 연결을 위해서는 via-hole 이 필요하다.
한편, HMIC 제작 기법으로 CPW 회로를 구현할 경우에, 접지 선로 간에 다수의 air-bridge를 번거로운 수작업으로 구현하여야 하는 어려움이 생긴다. 본 논문에서는 이 문제를 해 결하고자 air-bridge 대신 bottom bridge와 via-hole을 사용하여, 자동화된 PCB 제작 공정으로 CPW 회로를 제작하는 방법을 사용하였다
예로서 3단 및 7단 광대역 윌킨슨 전력 분배기와발룬을 설계하고 제작하였다. 제작된 발룬 특성은 분배기의 특성을 그대로 유지하였으며 주파수 대역폭도 동일하였다.
제안한 방법으로 600-6, 000 MHz 대역을 목표로 하여 7단 윌킨슨 구조를 이용하여 1:10 발룬을 설계, 제작하였다. 그림 12는 7단 CPW 윌킨슨 분배기와발룬을 보여주고 있다.
대상 데이터
이로부터 HMIC 공정에 의한 CPW 회로 제작시 각종 불연속 소자에 의한 주파수 대역폭의 제한 현상이 본 논문에서 사용한 기판에 대하여는 5 GHz 바로 아래에서부터 시작되는 것으로 판단된다. 만약에 극히-정밀한 제작이 가능한 MMIC나 LTCC 제작 기술을 활용하여 via-hole이 없는 air-bridge로 제작하면 주파수대역폭이 보다 확장될 것으로 기대된다.
성능/효과
따라서 180° 위상차 생성부 회로의 주파수 대역폭이 다단 윌킨슨 분배기의 광대역 특성보다 좁으므로 결합기 특성이 최종적인 발룬의대역폭을 제한하는 문제점으로 작용하는 것이다. 결론적으로 윌킨슨 분배기의 광대역 특성을 그대로 발룬의 광대역으로 옮겨가기 위해서는 180° 위상차 생성 부의 주파수 특성이 윌킨슨 분배기의 대역폭을 제한하지 않아야 한다.
광대역 주파수 특성의 경우, 이미 (a)에서 분배기의 주파수 대역이 5 GHz로 제한되었음을 고려한다면, 발룬에서도 거의 같은 주파수 제한이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 따라서 윌킨슨 분배기에서 얻을 수 있는 주파수 대역폭과 S-파라미터 성능들이 그대로발룬으로 전환되었다는 것을 증명하고 있다.
그림 6에 보인 바와 같이 bottom- bridge에 의한 접지 선로간 연결을 위해서는 via-hole 이 필요하다. 제안한 방법을 통하여 다수의 bridge 연결과 via-hole을 자동화된 PCB 제작 공정으로 해결할 수 있다.
후속연구
그러나 현재 측정된 성능만으로도 제안된 발룬은초광대역의 특성을 보이고 있으므로 광대역 특성이 요구되는 각종 무선 통신 시스템이나 안테나 측정시스템 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
만약에 MMIC나 LTCC 공정과 같은 정밀 제작이 가능한 기술을 활용하면, via・hole과 bottom-bridge 대신에 air-bridge를 정밀하게 구현하여 주파수 대역폭 제한 현상을 제거하여 지금보다 더 넓은 광대역 특성을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
참고문헌 (9)
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M. H. Murgulescu, E. Moisan, P. Leguad, E. Penard, and I. Zaquine, 'New wideband 0.67 ${\lambda}_g$ circumferences $180^{\circ}$ hybrid ring coupler', Electronics Letters, vol. 30, no. 4, pp. 299-300, Feb. 1994
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