[논문]이층 기판용 3 dB 커플러

이동호

doi:10.7471/ikeee.2014.18.4.559

이층 기판용 3 dB 커플러
A 3 dB Coupler for Double Sided Printed Circuit Boards 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.18 no.4, 2014년, pp.559 - 565

이동호 (Dept. of Information and Communication Engineering, Hanbat National University)

초록
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가장 많이 쓰이는 FR4 이층 기판을 사용하여 3 dB 커플러를 설계하고 제작하였다. 커플러 일부의 겹치는 면적을 키워서 커플링을 증가시키고 대역폭을 증가시키는 구조를 제안하였다. 설계를 위한 주요 파라미터 값들을 여러 조건에 따라 도시하였고, 시뮬레이션과 측정을 통해 검증하였다. 제작된 커플러의 크기는 $30{\times}14mm^2$이고, 중심 주파수 2.5 GHz 에서 0.6 dB의 삽입 손실과 $90.5^{\circ}$의 위상차를 측정으로부터 얻었다. 측정된 삽입 손실 $3.6{\pm}0.5dB$에 대한 주파수 범위는 1.72 GHz에서 3.08 GHz이다. 제안한 커플러는 기존의 랭 커플러와 유사한 성능을 보였고, 와이어 본딩 공정이 필요 없어 추가 비용이 들지 않고 도선의 폭과 간격이 넓어서 제작이 용이하다.

Abstract ▼ AI-Helper

A 3 dB coupler has been designed and implemented using the most commonly used double-sided FR4 boards. The coupling and the bandwidth of the coupler are enhanced with the enlarged overlapped area of the coupler. Major design parameters are plotted as a design guide and the parameters are verified by simulation and measurement. The size of the manufactured coupler is $30{\times}14mm^2$. Its measured insertion loss and phase difference are 0.6 dB and $90.5^{\circ}$ at center frequency of 2.5 GHz, respectively. The operating frequency range is 1.72 GHz to 3.08 GHz for $3.6{\pm}0.5dB$ insertion loss. The coupler has the performance similar to that of conventional Lange coupler, and implementation of the coupler is easy and cheap with wide metal width and spacing and no additional wire bonding process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 그림 6의 일반적인 2층 기판을 사용 하여 3 dB 커플러를 만들고자 한다. Bedair의 일반식을 유전체가 하나인 양면 기판에 적용하기 위해서 유전체 1의 비유전율을 1로 놓고, 유전체의 높이 h₁을 무한대로 놓으면 유전체 1 영역의 커패시턴스 식이 간단해진다.

제안 방법

8×10⁷ S/m이다. CPW 도선과 접지 사이의 간격(s)을 고정하고 도선의 폭(w)을 0.1 mm부터 5 mm까지 변화시키면서 Z_0o와 Z_0e를 구하였다. 도선과 접지 간격(s)은 0.
Coplanar Waveguide)를 적용하여 특성임피던스 50Ω로 설계하였다.
Coplanar Waveguide)를 적용하여 특성임피던스 50Ω로 설계하였다. Keysight ADS(Advanced Design System)의 2.5D EM(electro-magnetic) 시뮬레이터인 Momentum을 활용하여 3 dB 커플러의 전기적 특성을 예측했고, Keysight사의 2-포트 네트워크 분석기인 E5071C을 사용하여 S-파라미터를 측정하였다. 커플러의 포트가 4개라서 한 번에 두 포트를 측정하고, 연결되지 않은 다른 두 포트는 50 Ω 종단기(Mini-Circuits사 ANNE-50+)로 종단하여 정상동작하도록 하였다.
본 논문에서는 랭 커플러와 동등한 성능의 커플러를 본드 와이어와 다층 기판을 쓰지 않고 저렴한 양면 기판에서 브로드사이드 커플드 라인(broadside coupled lines)을 이용해 구성하였고 제작하였다. 커플링을 증가시키기 위해 커플러 중앙의 겹치는 면적을 넓힌 커플러도 제작하였고, 다른 성능 저하는 없음을 확인하였다.
본 논문에서는 랭 커플러와 유사한 특성을 갖으나 본드 와이어 공정이 필요 없는 양면 기판용 3 dB 커플러를 브로드사이드 커플드 코플래너 도파로를 사용하여 구현하였다. 일반 브로드사이드 커플드 코플래너 도파로의 식으로부터 접지면을 생략하였을 때의 수식을 제시하였고, 계산된 값을 이용하여 FR4 기판에 3 dB 커플러를 구현하고 제작하였다.
본 논문에서는 랭 커플러와 유사한 특성을 갖으나 본드 와이어 공정이 필요 없는 양면 기판용 3 dB 커플러를 브로드사이드 커플드 코플래너 도파로를 사용하여 구현하였다. 일반 브로드사이드 커플드 코플래너 도파로의 식으로부터 접지면을 생략하였을 때의 수식을 제시하였고, 계산된 값을 이용하여 FR4 기판에 3 dB 커플러를 구현하고 제작하였다. 커플링을 증가시키기 위해 커플러 중간의 겹치는 면적을 증가시킨 커플러도 제작하여 그 특성을 살펴보았다.
커플러의 포트가 4개라서 한 번에 두 포트를 측정하고, 연결되지 않은 다른 두 포트는 50 Ω 종단기(Mini-Circuits사 ANNE-50+)로 종단하여 정상동작하도록 하였다.
일반 브로드사이드 커플드 코플래너 도파로의 식으로부터 접지면을 생략하였을 때의 수식을 제시하였고, 계산된 값을 이용하여 FR4 기판에 3 dB 커플러를 구현하고 제작하였다. 커플링을 증가시키기 위해 커플러 중간의 겹치는 면적을 증가시킨 커플러도 제작하여 그 특성을 살펴보았다. 중심 주파수 2.

데이터처리

본 논문의 커플러를 랭 커플러와 참고문헌[8]과 비교하였다. 랭 커플러(그림 2)는 본 논문에서 사용한 기판과 동일한 기판을 사용하여 설계하였고 시뮬레이션결과이다.

성능/효과

또한, 설계식을 통해 3 dB 커플러를 설계할 수 있으며, 커플러 중간의 겹치는 부분 면적을 키워서 커플링을 손쉽게 증가시킬 수 있다. 표 1에서 비교한 다른 두 경우는 커플링 증가를 위한 구조 변경이 쉽지 않다.
측정 결과는 일반적인 랭 커플러의 특성과 유사하고[1], 본드 와이어 공정이 필요 없도록 접지면을 제거한 양면 기판용 3 dB 커플러[8]의 결과와도 비슷한 결과이다. 제안된 커플러의 전기적인 특성은 사용하는데 문제가 없으며 커플러의 손실은 손실이 적은 고급 PCB를 사용하면 개선이 가능하다. 표 1을 통해
본 논문에서는 랭 커플러와 동등한 성능의 커플러를 본드 와이어와 다층 기판을 쓰지 않고 저렴한 양면 기판에서 브로드사이드 커플드 라인(broadside coupled lines)을 이용해 구성하였고 제작하였다. 커플링을 증가시키기 위해 커플러 중앙의 겹치는 면적을 넓힌 커플러도 제작하였고, 다른 성능 저하는 없음을 확인하였다.

후속연구

커플러의 크기는 세 가지 경우가 모두 유사하고 본 커플러는 랭 커플러와 달리 본드 와이어가 필요 없다. 본 논문의 커플링을 증가시킨 3 dB 커플러의 장점을 정리하면, 가장 일반적이고 저렴한 양면 기판 PCB 공정으로 제작이 가능하며, 추가 와이어 본딩 공정이 필요 없다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	랭 커플러의 장점은?	랭 커플러는 양면 기판에 엣지 커플드 라인(edge coupled lines)을 이용하여 구현할 수 있으나, 일반적인 PCB 에서는 3 dB 커플링을 얻기 위해 인터디지털(interdigital) 구조를 쓰기 때문에 본드 와이 (bond wire)를 추가로 쓰거나 다층 기판을 쓸 수밖에 없다(그림 2). 랭 커플러는 대역폭이 브랜치라인 커플러보다 넓고 λ/4 전송선 네 개를 나란히 배치하기 때문에 크기도 훨씬 작다는 장점이 있어 다층 기판 PCB와 IC 공정에서 많이 사용된다.
	브랜치라인 커플러의 단점은?	브랜치라인 커플러는 양면 기판의 한 면에 λ/4 전송선 네 개를 사각형으로 배치하여 구성하며, 한 면만 가공하여 만들 수 있어 PCB(Printed Circuit Board)에서 가장 가공이 쉽고 많이 쓰이는 3 dB 커플러이다(그림 1). 그러나, 사각형으로 구성하여 면적이 크고 다른 커플러와 비교하여 대역폭이 좁은 단점이 있다. 랭 커플러는 양면 기판에 엣지 커플드 라인(edge coupled lines)을 이용하여 구현할 수 있으나, 일반적인 PCB 에서는 3 dB 커플링을 얻기 위해 인터디지털(interdigital) 구조를 쓰기 때문에 본드 와이 (bond wire)를 추가로 쓰거나 다층 기판을 쓸 수밖에 없다(그림 2).
	3 dB 커플러가 부품으로 사용되는 곳은?	3 dB 커플러(coupler)는 전력 분배와 전력 결합뿐만 아니라, 원형 편파, 도허티 증폭기(Doherty amplifier), 밸런스트 증폭기(Balanced amplifier) 등의 다양한 마이크로웨이브 블록에 널리 사용되는 부품이다. 가장 널리 쓰이는 3 dB 커플러는 브랜치라인 커플러 (Branchline coupler)와 랭 커플러(Lange coupler)이다[1].

참고문헌 (8)

R. K. Mongia, I. J. Bahl, P. Bhartia, J. Hong, RF and Microwave Coupled-Line Circuits, 2nd ed., Artech House, pp. 219-268, 2007.
I. Wolff, Coplanar Microwave Integrated Circuits, John Wiley & Sons, Inc., pp. 109-120, 2006.
S. S. Bedair, I. Wolff, "Fast and accurate analytic formulas for calculating the parameters of a general broadside-coupled coplanar waveguide for (M)MIC applications," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 37, no. 5, pp. 843-850, May 1989.

상세보기
W. Hilberg, "From approximations to exact relations for characteristic impedances," IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, vol. 13, no. 5, pp. 29-38, May 1965.
J. Stewart, Calculus, 7th ed., Brooks/Cole, pp. 469-477, 2010.
R. K. Mongia, I. J. Bahl, P. Bhartia, J. Hong, RF and Microwave Coupled-Line Circuits, 2nd ed., Artech House, pp. 167-195, 2007.
A. M. Abbosh, M. E. Bialkowski, "Design of compact directional couplers for UWB applications," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 55, no. 2, pp. 189-194, February 2007.

상세보기
J.-C. Chiu, C.-M. Lin, Y.-H. Wang, "A 3-dB quadrature coupler suitable for PCB circuit design," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 9, pp. 3521-3525, September 2006.

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