[논문]메타 물질을 이용한 초소형, 광대역 90° 커플러

김홍준

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.7.844

초록
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메타 물질의 한 형태인 LHTL(Left-Handed Transmission Line)과 기존의 전송 선로 형태인 RHTL(Right-Handed Transmission Line)을 이용하여 광대역 I-Q 벡터 신호 생성을 위한 $90^{\circ}$ 커플러를 설계, 제작하고 측정을 하였다. LHTL과 RHTL 모두 커패시터와 인덕터를 이용하여 합성 전송 선로 형태로 구성함으로써, 그 크기를 최소화 하였다. 또한, 제안된 커플러 제작에 필요한 Wilkinson 전력 분배기를 합성 RHTL을 이용하여 간단하게 구현함으로써 전체 회로의 크기를 $11mm{\times}12mm$로 만들 수 있었다. 주파수 범위 0.8~1.25 GHz에 대해 출력의 위상 차이가 $90^{\circ}{\pm}5^{\circ}$를 유지함으로써 광대역 $90^{\circ}$ 커플러를 작은 크기로 만들 수 있었다. 동 주파수 범위에 대해 삽입 손실을 1.6 dB 이하로, 반사 손실을 10.1 dB 이상으로 유지 가능했다. 필자가 아는 한 이는 그 주파수 대에서 가장 작은 광대역 $90^{\circ}$ 커플러이며, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 만들 경우 그 크기를 훨씬 더 줄일 수 있을 것이다.

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By using LHTL(Left-Handed Transmission Line) which is a form of a metamaterial and conventional RHTL (Right-Handed Transmission Line), we designed, fabricated and tested a broadband $90^{\circ}$ coupler which is a basic circuit for I-Q vector signal generation. Synthetic LHTL and RHTL wer...

By using LHTL(Left-Handed Transmission Line) which is a form of a metamaterial and conventional RHTL (Right-Handed Transmission Line), we designed, fabricated and tested a broadband $90^{\circ}$ coupler which is a basic circuit for I-Q vector signal generation. Synthetic LHTL and RHTL were implemented with capacitors and inductors only, that the size is minimized. Also, by implementing a Wilkinson power divider which is required for the suggested circuit using a synthetic RHTL, the size of whole circuit is only $11mm{\times}12mm$. For the frequency range 0.8~1.25 GHz, the phase difference at the outputs maintained $90^{\circ}{\pm}5^{\circ}$ and thus, a broadband $90^{\circ}$ coupler could be made in a compact form. for the same frequency range, the insertion loss is less than 1.6 dB and return loss is more than 10.1 dB. To the best of our knowledge, this is the smallest and broadband $90^{\circ}$ coupler for the frequency range and if the circuit is made with MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) technology, the size will be reduced much further.

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문제 정의

합성 RHTL과 LHTL에 대한 이론은 참고문헌 [7]에서 자세하게 소개되어 있으므로 여기서는 광대역 90° 커플러를 이해하기 위한 간단한 이론만을 제시한다.

제안 방법

본 논문에서는 기존의 LHTL과 RHTL의 특성을 이용한 광대역 발룬을 응용하여 광대역 90° 커플러를 설계 제작하였으며, 회로 구성에 필요한 Wilkinson분배기를 비롯한 모든 TL(Transmission Line)을 커패시터와 인덕터로 조합된 합성 TL로 대체함으로써 그 크기를 획기적으로 줄였다.
따라서, 1 GHz 근처에서 90°정도 위상이 전파되어 최고의 성능을 가질 수 있도록 설계하였다.
2-3절에서 설명한 값의 인덕터와 커패시터를 이용하여 Wilkinson 디바이더를 합성 RHTL로 구성하였으며, 또한 2-2절에서 제시한 값들로 한 유닛의 RHTL과 LHTL을 Wilkinson 디바이더의 출력에 각각 연결하여 두 포트 사이에서(포트 2와 3) 광대역, 90°위상차를 가지도록 하였다.
메타 물질의 한 형태인 LHTL의 특이한 위상 전파 특성을 이용하여 광대역 I-Q 벡터 변조기의 필수 회로인 광대역 90° 커플러를 제작하고 테스트 하였다.
광대역 90° 위상 차이를 가지기 위해, 합성 RHTL과 LHTL 회로에 관한 이론을 설명하였으며, 또한 제안된 커플러의 기본이 되는 Wilkinson 디바이더를 합성 RHTL로 소형화 할 수 있는 이론도 함께 제시하였다.

대상 데이터

, λ/4라인이 필요한데, 이를 앞절에서 제시한 RHTL의 이론을 이용하여 합성 RHTL로 바꾸면 합성 RHTL 로 만든 초소형 Wilkinson 디바이더를 만들 수 있다. 실제 실험에서는 L_R=8.2 nH, C_R=1.8 pF을 사용하였고, 두 개의 동일한 RHTL 유닛을 직렬 연결하여 만들었다. 따라서, 1 GHz 근처에서 90°정도 위상이 전파되어 최고의 성능을 가질 수 있도록 설계하였다.
그림 4는 제작된 광대역, 초소형 90° 커플러를 보여준다. FR4 보드 위에, AVX Corporation의 ACCUL0603KITL2킷 인덕터와 ACCU-P0603KITL1킷 커패시터를 사용하여 제작하였다.

성능/효과

그림 5는 제작된 광대역, 초소형 90° 커플러의 성능을 보여준다. 0.5 GHz에서 1.3 GHz까지 반사 계수는 10.1 dB 이상으로 유지할 수가 있었고, 삽입 손실은 0.7 dB에서 1.6 dB 사이였다. 하지만 위상차가 90°±5°인 주파수가 0.

후속연구

광대역 90° 위상 차이를 가지기 위해, 합성 RHTL과 LHTL 회로에 관한 이론을 설명하였으며, 또한 제안된 커플러의 기본이 되는 Wilkinson 디바이더를 합성 RHTL로 소형화 할 수 있는 이론도 함께 제시하였다. 작은 크기와 뛰어난 성능으로 인해 무선 통신이나 레이더 시스템에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LHTL의 위상 전파 방향은?	최근 메타 물질의 한 형태인 LHTL(Left-Handed Transmission Line)의 특성을 이용하여 광대역 180° 위상차를 가지는 발룬(balun)을 소개하는 연구들이 진행되었다[1]～[4]. 이 LHTL은 기존의 RHTL(Right-Handed Transmission Line)과 달리, 위상의 전파 방향이 poynting 벡터의 반대방향으로 일어난다. 이러한 발 룬들은 대부분의 경우, 많은 면적을 차지하는 Wilkinson분배기를 이용하였고, 긴 마이크로스트립(microstrip)라인을 이용하여서[1]～[3] 회로의 크기가 너무 커지는 단점들이 있었다.
	LHTL 특성을 이용한 광대역 180° 위상차를 가지는 발룬의 단점은?	이 LHTL은 기존의 RHTL(Right-Handed Transmission Line)과 달리, 위상의 전파 방향이 poynting 벡터의 반대방향으로 일어난다. 이러한 발 룬들은 대부분의 경우, 많은 면적을 차지하는 Wilkinson분배기를 이용하였고, 긴 마이크로스트립(microstrip)라인을 이용하여서[1]～[3] 회로의 크기가 너무 커지는 단점들이 있었다. 참고문헌 [4]에서는 이러한 광대역 발룬을 Lumped 소자로 구성하여 회로 크기를 줄이려 하였다.
	3 dB 동등 전력분배기 중 출력 위상이 같은 경우 어떤 것을 사용하는가?	3 dB 동등 전력분배기 종류 중에서 출력의 위상이 같은 경우, Wilkinson 분배기를, 90° 위상차를 위해서는 Quadrature Hybrid를, 180° 위상차를 가지기 위해서는 Ring Hybrid 회로를 많이 이용해 왔다.

참고문헌 (7)

M. Antoniades, G. Eleftheriades, "A broadband Wilkinson balun using microstrip metamaterial lines", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 4, pp. 209-212, 2005.

상세보기
Y. Ryu, J. Park, J. Lee, and H. Tae, "Broadband Wilkinson balun using pure left-handed transmission line", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, pp. 1665-1668, Apr. 2010.

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C. Tseng, C. Chang, "Wide-band balun using composite right/left-handed transmission line", Electronics Letters, vol. 43, no. 21, pp. 1154-1155, Oct. 2007.

상세보기
H. Yoo, S. Lee, and H. Kim, "Broadband balun for monolithic microwave integrated circuit application", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 54, pp. 203-206, Nov. 2011.
D. Andrews, C. Aitchison, "Wide-band lumped-element quadrature 3-dB couplers in microstrip", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 48, no. 12, pp. 2424-2431, Dec. 2000.

상세보기
Z. Liu, R. Weikle II, "A compact quadrature coupler based on coupled artificial transmission lines", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 15, no. 12, pp. 889-891, Dec. 2005.

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H. Kim, S. Ho, M. Choi, A. Kozyrev, and D. van der Weide, "Combined left- and right-handed tunable transmission lines with tunable passband and 0 phase shift", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 12, pp. 4178- 4184, Dec. 2006.

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