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단락 스터브를 이용한 이중대역용 브랜치 라인 커플러의 설계
Dual-Band Branch-Line Coupler Using Shorted Stubs 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.2, 2013년, pp.54 - 59  

김종성 (경성대학교 정보통신공학과)

초록
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이중대역에서 동작하는 브랜치 라인 커플러를 나타낸다. 새로운 설계 구조에서는 단락 스터브가 병렬로 추가된 전송선로가 2개의 주파수에서 $90^{\circ}$의 위상 천이를 구현하기 위하여 사용된다. 제안하는 브랜치 라인의 특성 임피던스와 전기적 길이는 종래의 구조와 비교하여 조정된다. ABCD 행렬 파라미터를 이용하여 설계 방정식을 유도하였다. 설계 개념을 검증하기 위하여 0.8 GHz 및 1.85 GHz에서 동작하는 마이크로스트립 커플러를 제작하고 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This letter presents a shorted-stub tapped branch-line coupler for dual-band applications. In the new design, a shorted stub is used to realize 90 phase change at two frequencies. Closed-form design equations are derived to find the characteristic impedance and electrical length of the proposed bran...

주제어

#Branch-line coupler   #Dual-band  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 이 설계 방법을 검증하기 위하여 마이크로스트립 구조를 이용하여 구현하였다. 0.8 GHz 와 1.85 GHz에서 작동하도록 설계하였다. 측정결과는 제안구조가 이중대역에서 동작함을 확인하였다.
  • 또한 커플러의 설계방법을 구하기 위해서 제안한 브랜치 라인 커플러의 전송(ABCD) 행렬을 해석하여 설계 공식을 구한다. 2중대역의 주파수비에 따른 설계 파라미터의 경향을 구하였다. 또한 개방형 스터브와 단락 스터브에 의한 설계의 특성, 그 중에서 대역폭에 대한 특성 비교를 해보았다.
  • 기존 커플러의 4개의 브랜치 라인을 제안하는 구조로 대치하여 설계하는 방안을 제시하였으며, [5]와의 차이점을 서로 비교하여 보았다. 이론적인 해석을 검증하기 위하여 마이크로스트립 커플러를 이 방식으로 설계하였다.
  • 단락 스터브를 브랜치 라인의 중앙에 연결하고 이중대역에서 동작하는 브랜치 라인 커플러를 설계하였다. 설계 방정식은 ABCD 행렬을 이용하여 유도하였다.
  • 2중대역의 주파수비에 따른 설계 파라미터의 경향을 구하였다. 또한 개방형 스터브와 단락 스터브에 의한 설계의 특성, 그 중에서 대역폭에 대한 특성 비교를 해보았다.
  • 이 논문에서는 이중대역 브랜치 라인 커플러로서 [5]의 개방형 스터브와 달리 단락 스터브를 추가에 의하여 이루어진다. 또한 커플러의 설계방법을 구하기 위해서 제안한 브랜치 라인 커플러의 전송(ABCD) 행렬을 해석하여 설계 공식을 구한다. 2중대역의 주파수비에 따른 설계 파라미터의 경향을 구하였다.
  • 설계 방정식은 ABCD 행렬을 이용하여 유도하였다. 마이크로스트립 구조를 이용하여 주파수비에 따른 전송선로와 스터브의 특성 임피던스를 구하고 이를 개방형 스터브를 이용하는 경우와 비교하였다. [5]에서 제시한 개방형 스터브에 비하여 단락 스터브를 이용하는 경우, 스터브의 길이가 1/2로 감소하고 또한 대역폭이 증가하는 장점을 갖는다.
  • 단락 스터브를 브랜치 라인의 중앙에 연결하고 이중대역에서 동작하는 브랜치 라인 커플러를 설계하였다. 설계 방정식은 ABCD 행렬을 이용하여 유도하였다. 마이크로스트립 구조를 이용하여 주파수비에 따른 전송선로와 스터브의 특성 임피던스를 구하고 이를 개방형 스터브를 이용하는 경우와 비교하였다.
  • [5] 에서는 브랜치 라인의 중앙에 스터브를 추가하여 이중대역 동작을 구현하는 방법을 나타내었다. 여기에서는 개방형 스터브를 브랜치 라인의 중앙에 부착하고 이중대역을 만족하기 위한 설계 파라미터를 구하였다. 그러나 이를 만족하기 위한 개방형 스터브의 길이가 길어서 상용화의 제한을 갖는다.
  • 이 논문에서는 이중대역 브랜치 라인 커플러로서 [5]의 개방형 스터브와 달리 단락 스터브를 추가에 의하여 이루어진다. 또한 커플러의 설계방법을 구하기 위해서 제안한 브랜치 라인 커플러의 전송(ABCD) 행렬을 해석하여 설계 공식을 구한다.

대상 데이터

  • 85 GHz의 2개의 주파수에서 동작하는 브랜치 라인 커플러의 구현된 형태를 나타내었다. FR 기판을 이용하였으며 유전율은 4.4 이고 두께는 0.8 mm 이다.
  • [5]에서 제시한 개방형 스터브에 비하여 단락 스터브를 이용하는 경우, 스터브의 길이가 1/2로 감소하고 또한 대역폭이 증가하는 장점을 갖는다. 검증을 위하여 0.8 GHz 와 1.85 GHz에서 동작하는 마이크로스트립 구조의 브랜치 라인 커플러를 제작하였다. 측정결과는 제안하는 구조가 이중대역에서 정상적으로 동작함을 나타내었다.

이론/모형

  • 이 설계 방법을 검증하기 위하여 마이크로스트립 구조를 이용하여 구현하였다. 0.
  • 기존 커플러의 4개의 브랜치 라인을 제안하는 구조로 대치하여 설계하는 방안을 제시하였으며, [5]와의 차이점을 서로 비교하여 보았다. 이론적인 해석을 검증하기 위하여 마이크로스트립 커플러를 이 방식으로 설계하였다. 이 커플러의 초기 파라미터는 앞장에서 유도한 방정식에 의하여 구한다.
  • 이는 Za 의 특성 임피던스와 2θa 길이의 전송선로의 중앙에 Zb 및 θb 의 특성 임피던스와 전기적 길이를 갖는 단락 스터브가 병렬로 연결되어 있다. 이를 이중대역에서 동작하기 위한 설계 방정식을 구하기 위하여 ABCD 행렬식을 사용한다. 그림 2의 구조는 3개의 다른 섹션이 T 구조로 연결된 형태이며 이의 전체적인 특성은 다음의 ABCD 행렬로 나타낼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근의 통신 시스템은 수동소자에 대하여 어떤 새로운 조건을 요구하는가? 최근의 통신 시스템은 수동소자에 대하여 소형, 광대역 및 다중 대역과 같은 새로운 요구조건을 요구하고 있다. 수동소자 중에서 브랜치라인 커플러는 초고주파 시스템에서 가장 기본적인 회로 요소중의 하나이다.
이중 대역을 만족하기 위하여 브랜치 라인에 스터브를 추가하는 대표적인 위치는 어디인가? [3]에서는 브랜치 라인의 길이비가 정수배인 경우에 대한 이중대역 동작에 대한 설계방법을 제시하였다. 브랜치 라인에 스터브를 추가하는 방식이 많이 연구되었는데 추가되는 위치는 입력과 브랜치 라인의 중앙이 대표적이다. [4]에서는 브랜치 라인의 포트측에 스터브를 추가하여 이중대역 특성을 구현하였다.
브랜치라인 커플러는 어떤 소자이며, 어떤 주파수에 동작하는가? 수동소자 중에서 브랜치라인 커플러는 초고주파 시스템에서 가장 기본적인 회로 요소중의 하나이다. 이는 1/4 파장 길이의 전송선로를 이용한 4-포트 소자로서 이의 동작은 단일 주파수에 국한된다[1]. 이를 이중대역 그 동작 특성을 만족하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
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참고문헌 (5)

  1. D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd ed. New York: Wiley, 1998. 

  2. M.-J. Park and B. Lee, "Dual-band, cross coupled branch line coupler," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett, vol. 15, no. 10, pp. 655-657, Oct. 2005. 

    상세보기 crossref

  3. F.-L. Wong and K.-K. M. Cheng, "A novel planar branch-line coupler design for dual-band applications," in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig, vol. 2, pp. 903-906, Jun. 2004,. 

  4. K. K. M. Cheng and F. L. Wong, "A Novel Approach to the Design and Implementation of Dual-Band Compact $90^{\circ}$ Branch-Line Coupler," IEEE Trans. Microwave Theroy Tech., Vol. 52, no. 11, pp. 2458-2463, Nov., 2004. 

    상세보기 crossref

  5. H. Hualiang and K. J. Chen, "A Stub Tapped Branch-Line Coupler for Dual-Band Operations," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 17, No. 2, pp. 106-108, Feb., 2007. 

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