[논문]공통 결함접지구조를 이용한 링 하이브리드 커플러의 소형화 설계

임종식; 이준; 권경훈; 정용채; 한상민; 안달

doi:10.5370/kiee.2012.61.11.1662

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This paper describes the design of size-reduced ring hybrid couplers (RHC) using a common defected ground structure (CDGS). The proposed RHC consists of double-sided microstrip line and the CDGS patterns which are placed in the common ground plane of the double-sided microstrip line. The effects of ...

This paper describes the design of size-reduced ring hybrid couplers (RHC) using a common defected ground structure (CDGS). The proposed RHC consists of double-sided microstrip line and the CDGS patterns which are placed in the common ground plane of the double-sided microstrip line. The effects of DGS as a periodic structure are imposed on both microstrip lines, so the advantages of the existing DGS are doubled. The normal RHC is designed first and folded by the half reference plane with the CDGS realized on the common ground plane. So another trial for size-reduction is performed by folding the RHC and inserting CDGS besides to the conventional DGS. In order to show a design example, a 2GHz RHC is designed and miniaturized using CDGS. The size of the miniaturized RHS is around 50% of the normal one, while the performances are well preserved even after the size-reduction.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 종래의 결함접지구조에 의한 평면형 마이크로스트립 선로 구조의 초고주파 회로를 보다 소형화하기 위하여, 양면 마이크로스트립 선로구조와 공통 DGS를 이용하여 회로를 더욱 소형화하는 방법을 설명하였다. 그리고 하나의 예를 제시하기 위하여 2GHz대의 링 하이브리도 커플러 회로를 소형화하여 설계하고, 제작 및 실제 측정한 결과를 제시하여 그 타당성을 검증하였다.
본 장에서는 공통 DGS의 구조에 대하여 간략한 고찰을 하고자 한다. 그림 1은 종래에 널리 알려진, 평면형 마이크로스트립 전송선로와 그 바닥접지면에 구현된 결함접지구조(DGS)를 보여주고 있다.
공통 DGS를 이용하면 상기 DGS의 단점을 해소하면서 동시에 초고주파 회로의 고집적화, 소형화를 도모하는 새로운 기술적 방법이 가능한다. 본고에서는 실제 회로 적용예로 무선 시스템에 널리 사용되는 초고주파 회로 가운데 하나인 180도 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler, RHC)를 소형화하여 설계하고 실제로 제작 및 측정한 결과를 제시하고자 한다.
이에 본 논문에서는 종래 평면형 DGS 구조의 단점을 극복하는 공통 결함접지구조(Common DGS, CDGS)에 대하여 소개한다. 공통 DGS는 양면 마이크로스트립 기판 구조와 이들의 공통 접지면에 삽입된 DGS로 이루어진다.
따라서 양면 마이크로스트립 선로 구조와 공통 DGS를 활용하기 위하여 이 회로를 대칭선을 기준으로 하여 절반으로 접을 수 있다. 이제 이에 대하여 자세하게 기술해보기로 하겠다.

가설 설정

이 때 DGS는 양면에 공통적으로 그 효과를 보여주게 된다. 이제 그림 1의 DGS를 지닌 마이크로스트립선로가 매우 길다고 가정하자. 만약에 이 선로의 중간을 기준으로 하여 접게 되면 신호선이 서로 연결되면서 접지면이 서로 맞닿는 그린 2의 구조가 된다.

제안 방법

본 논문에서는 종래의 결함접지구조에 의한 평면형 마이크로스트립 선로 구조의 초고주파 회로를 보다 소형화하기 위하여, 양면 마이크로스트립 선로구조와 공통 DGS를 이용하여 회로를 더욱 소형화하는 방법을 설명하였다. 그리고 하나의 예를 제시하기 위하여 2GHz대의 링 하이브리도 커플러 회로를 소형화하여 설계하고, 제작 및 실제 측정한 결과를 제시하여 그 타당성을 검증하였다. 양면 마이크로스트립 선로 및 공통 DGS에 의하여 회로의 크기가 처음보다 절반 정도로 줄었으며, 측정한 성능도, 이상적인 특성과 비교할 때 약간 미흡하나, RHC에 요구되는 전력분배 및 위상차 특성을 충분히 얻은 것으로 판단된다.
이처럼 공통 DGS를 갖는 양면 마이크로스트립 전송선로를 구현하면, 그림 1과 같은 종래의 DGS를 지니는 마이크로스트립 선로의 길이를 약 절반 가까이로 줄일 수 있어서 집적도의 증가 및 소형화 설계가 가능하다. 본고에서는 이런 원리를 이용하여 링 하이브리드 커플러를 소형화하여 설계하게 된다.
그림 5는 중심주파수 2GHz에서 설계한 표준형 RHC 회로의 레이아웃을 보여주고 있다. 설계과정의 편의상 정육각형의 레이아웃 구조를 갖도록 하였다. 본 연구에서 RHC 회로 설계에 사용한 유전체 기판의 비유전율(ε_r)과 두께(H)는 각각 2.
그림 8은 그림 7의 회로를 절반으로 접어서 대폭 소형화시킨 RHC 회로를 보여주고 있다. 회로를 접었을 때 출력단자들이 서로 겹치면 실제 측정과정에서 컨넥터 연결이 불가능하게 되므로 전기적 길이가 같되 서로 다른 방향으로 향하도록 단자들의 위치를 조정하였다. 신호선 비어홀에 의한 손실을 최소화하고 신호전달 특성을 개선하기 위하여, 2개의 신호선 비어홀을 사용하였다.

대상 데이터

그림 8은 또한 비어홀과 윈도우의 확대 그림을 보여주고 있다. 마이크로스트립 선폭에 따라서 신호선 비어홀의 개수를 조절할 수 있는데 여기에서는 2개를 사용하였다. 확대 그림을 통하여 양면 마이크로스트립 선로의 접지면에 삽입된 공통 DGS와 신호선 비어홀, 윈도우의 기하학적 위치관계를 쉽게 이해할 수 있다.
본 연구에서 RHC 회로 설계에 사용한 유전체 기판의 비유전율(εr)과 두께(H)는 각각 2.2와 31mils이다.
그림 5의 회로에 종래의 방법처럼 DGS를 결합시킬 경우에 그림 7과 같은 소형화된 RHC를 얻을 수 있다. 사용된 아령형 DGS는 3mm x 3mm의 정사각형 결함 면적과 폭이 0.5mm인 연결슬롯을 갖는다. DGS 삽입에 따른 전기적인 길이의 증가로 인하여, 유효한 전기적인 길이를 1/4파장에 맞추기 위하여 물리적 길이를 21mm로 줄였다.
회로를 접었을 때 출력단자들이 서로 겹치면 실제 측정과정에서 컨넥터 연결이 불가능하게 되므로 전기적 길이가 같되 서로 다른 방향으로 향하도록 단자들의 위치를 조정하였다. 신호선 비어홀에 의한 손실을 최소화하고 신호전달 특성을 개선하기 위하여, 2개의 신호선 비어홀을 사용하였다. 그림 8에 보인 회로는 그림 7에 보인 회로에 이은 2차적인 소형화의 효과를 보여주고 있다.
2와 31mils이다. 중심주파수에서 유효한 1/4파장의 길이에 해당하는 한 변의 길이는 27mm로 설계되었다.

성능/효과

5mm인 연결슬롯을 갖는다. DGS 삽입에 따른 전기적인 길이의 증가로 인하여, 유효한 전기적인 길이를 1/4파장에 맞추기 위하여 물리적 길이를 21mm로 줄였다. 따라서 DGS의 삽입으로 인하여 1차적인 소형화의 효과가 나타나고 있다.
첫째, 단면 마이크로스트립 회로를 접어서 양면으로 구성하는 과정에서 발생한 기판의 정렬 오차(alignment error)를 들 수 있다. 둘째, 두 접지면이 하나인 듯이 완벽하게 접착되어야 하나, PCB 기판의 유전체 물질이 부드러운(soft) 특성이 있어 유동성(flexibility) 문제가 있어서 오차의 원인을 제공한다는 점을 들 수 있다. 이와 같은 문제는 제작 과정에서 발생하는 문제로 추가적인 정밀 설계 및 정밀도 높은 제작공정의 개발로 해결될 수 있는 문제로 판단된다.
그리고 하나의 예를 제시하기 위하여 2GHz대의 링 하이브리도 커플러 회로를 소형화하여 설계하고, 제작 및 실제 측정한 결과를 제시하여 그 타당성을 검증하였다. 양면 마이크로스트립 선로 및 공통 DGS에 의하여 회로의 크기가 처음보다 절반 정도로 줄었으며, 측정한 성능도, 이상적인 특성과 비교할 때 약간 미흡하나, RHC에 요구되는 전력분배 및 위상차 특성을 충분히 얻은 것으로 판단된다. 본 논문에서 기술된 방법은 현재 초기의 연구단계에 있으며, 향후 다양한 분야의 초고주파 회로 및 무선 시스템에서 폭넓게 응용되리라 기대 된다.

후속연구

양면 마이크로스트립 선로 및 공통 DGS에 의하여 회로의 크기가 처음보다 절반 정도로 줄었으며, 측정한 성능도, 이상적인 특성과 비교할 때 약간 미흡하나, RHC에 요구되는 전력분배 및 위상차 특성을 충분히 얻은 것으로 판단된다. 본 논문에서 기술된 방법은 현재 초기의 연구단계에 있으며, 향후 다양한 분야의 초고주파 회로 및 무선 시스템에서 폭넓게 응용되리라 기대 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기통신 및 방송 시스템 및 서비스 분야의 급격한 발달로 인하여 중요한 이슈가 된 지 오래된 것은 무엇인가?	전기통신 및 방송 시스템 및 서비스 분야의 급격한 발달로 인하여, 무선시스템의 고성능화, 고집적화, 경량 및 소형화 등이 중요한 이슈가 된 지 오래되었다. 무선시스템을 위한 초고주파 회로 및 부품 분야에 있어서도 한편으로는 성능개선이, 또 한편으로는 집적도 증가나 소형화가 경쟁력 향상에 항상 중요한 요인이 되고 있다.
	무선시스템을 위한 초고주파 회로 및 부품 분야에 있어 중요한 요인이 되고 있는 것은 무엇인가?	전기통신 및 방송 시스템 및 서비스 분야의 급격한 발달로 인하여, 무선시스템의 고성능화, 고집적화, 경량 및 소형화 등이 중요한 이슈가 된 지 오래되었다. 무선시스템을 위한 초고주파 회로 및 부품 분야에 있어서도 한편으로는 성능개선이, 또 한편으로는 집적도 증가나 소형화가 경쟁력 향상에 항상 중요한 요인이 되고 있다.
	주기적인 패턴을 평면형 회로에 삽입하여 유사한 성능을 유지하면서도 회로를 소형화하여 설계하는 방법 중 종래에 널리 사용된 방법은 무엇인가?	지난 수년 간 초고주파 회로 분야에 있어서 고집적화, 소형화의 기술로 많이 사용된 것 중 하나가, 일정한 주기적인 패턴을 평면형 회로에 삽입하여 유사한 성능을 유지하면서도 회로를 소형화하여 설계하는 방법이었다. 종래에 널리 사용된 평면형 주기구조 패턴으로 PBG(phogonic bandgap) 나 결함접지구조(defected ground structure, DGS)가 대표적이다[1-5]. 각 주기구조의 특징이나 장단점은 많이 연구되고 이미 널리 발표되었으므로 여기에서 길게 언급하지는 않으나, 본고에서 제시하고자 하는 논점과 관련이 있는 DGS의 주요 특징에 대하여만 간략히 살펴보면 다음과 같다.

참고문헌 (14)

V. Radisic, Y. Qian, R. Coccioli, and T. Itoh, "Novel 2-D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines", IEEE Microw. Guide Wave Lett., Vol. 8, No. 2. pp. 69-71, Feb. 1998.

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I. Rumsey, M. Piket-May, and P. K. Kelly, "Photonic Bandgap Structures Used as Filters in Microstrip Circuits", IEEE Microw. Guide Wave Lett., Vol. 8, No. 10, pp. 336-338, Oct. 1998.

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F. R. Yang, K. P. Ma, Y. Qian, and T. Itoh, "A Uniplanar Compact Photonic-bandgap (UC-PBG) Structure and its Applications for Microwave Circuits," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 8, pp. 1509-1514, Aug. 1999.

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C. S. Kim, J. S. Park, D. Ahn, and J. B. Lim, "A Novel 1-D Periodic Defected Ground Structure for Planar Circuits," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 10, no. 4, pp. 131-133, Apr. 2000.
K. M. Shum, Q. Xue, and C. H. Chan, "A Novel Microstrip Ring Hybrid Incorporating a PBG Cell," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 11, no. 6, pp. 258-260, Jun. 2001.

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D. Ahn, J. S. Park, C. S. Kim, J. Kim, Y. Qian, and T. Itoh, "A Design of the Low-Pass Filter Using the Novel Microstrip Defected Ground Structure," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, no. 1, pp. 86-93, Jan. 2001.

상세보기
J. Lim, J. Park, Y. Lee, D. Ahn, and S. Nam, "Application of Defected Ground Structure in Reducing the Size of Amplifiers", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., Vol. 12, No. 7, pp. 261- 263, July 2002.

상세보기
J. Lim, C. Kim, J. Park, D. Ahn, and S. Nam, "Design of 10dB $90^{\circ}$ branch line coupler using microstrip line with defected ground structure", IEE Electronics Lett., Vol. 36, No. 21, pp. 1784-1785, Oct. 2000.

상세보기
J. Lim, S. Lee, C. Kim, J. Park, D. Ahn, and S. Nam, "A 4:1 Unequal Wilkinson Power Divider," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 11, no. 3, pp. 124 - 126, Mar. 2001.

상세보기
Y. Jeong, S. Jeong, J. Lim, and S. Nam, "A New Method to Suppress Harmonics Using λ/4 Bias Line Combined by Defected Ground Structure in Power Amplifiers," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 13, no. 12, pp. 538-540, Dec. 2003.

상세보기
J. Koo, S. Oh, M. Hwang, C. Park, Y. Jeong, J. Lim, K. Choi, and D. Ahn, "A New DGS Unequal Power Divider," Proceedings of the 37th European Microwave Conference, Munchen, Oct. 2007, pp. 556-559.
F. Casares-Miranda, C. Viereck, C. Camacho-Penalosa, and C. Caloz, "Vertical Microstrip Transition for Multilayer Microwave Circuits With Decoupled Passive and Active Layers", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., Vol. 16, No. 7, pp. 401-403, July 2006.

상세보기
D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3/e, John Wiley and Sons, Inc., New York, pp. 352-357, 2005.
K. C. Gupta, et al., Microstrip Lines and Slotlines, 2/e, Artech House, Boston, 1996.

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