[논문]가유전체 기판을 이용한 소형화된 링 하이브리드 커플러의 설계

임종식

doi:10.5762/kais.2014.15.5.3139

가유전체 기판을 이용한 소형화된 링 하이브리드 커플러의 설계
Design of a Size-reduced Ring Hybrid Coupler Using an Artificial Dielectric Substrate 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.5, 2014년, pp.3139 - 3145

초록
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본 논문에서는 가유전체 기판을 이용하여 소형화한 마이크로파 대역의 링 하이브리드 커플러 설계에 대하여 기술한다. 가유전체 기판은 다수의 비어홀을 제 2기판에 삽입하여 유효 커패시턴스를 크게 증가시킨 구조를 갖는다. 가유전체 기판의 유효유전율은 표준형 기판에 비하여 크게 증가하게 되는데, 이에 의하여 동일한 전기적 길이 대비 물리적 길이가 크게 감소하므로 마이크로파 전송선로를 소형화시킬 수 있다. 이런 원리를 마이크로파 무선회로 설계에 적용한 사례를 보이기 위하여 가유전체 기판을 이용하여 3GHz대 링 하이브리드 커플러를 설계하고 실제로 제작 및 측정한 결과를 제시한다. 설계된 소형화된 링 하이브리드 커플러는 표준형에 비하여 전기적 성능은 유사하면서도 65%의 크기를 가진다. 측정된 전력분배비는 각각 -3.05dB와 -3.135dB이며, 두 출력간의 위상차는 동위상일 때 3도, 역위상일 때 176도로 이상적인 값과 매우 유사하다. 이로써 가유전체 기판구조로 소형화된 링 하이브리드 커플러의 설계가 타당함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design of a size-reduced ring hybrid coupler for microwave band using an artificial dielectric substrate(ADS). ADS structure adopts the second substrate on which has lots of the metalized via-holes. The effective capacitance and effective dielectric constant per unit length of ADS increases compared to the normal substrate due to the via-holes. This enables the physical length of microstrip transmission line to be reduced by adopting ADS instead of the normal substrate. In order to present an example of size-reduction of microwave wireless circuit by ADS, a size-reduced 3GHz ring hybrid coupler is designed, fabricated and measured in this work. The designed coupler has the smaller size from the normal one by 65% due to the ADS, while no critical degradation from ideal performances is observed. The measured power division ratio at two output ports are -3.05dB and -3.135dB, respectively. In addition, the phase differences are 3o for in-phase division and 176o for out of phase split. The measured performances are so similar to ideal ones, and prove the design of size-reduced ring hybrid coupler using ADS is successful.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

네 개의 단자에 연결되는 50Ω 선로의 길이는 편의상 조절이 가능하므로 크기 비교에서 제외하고자 한다.
따라서 커플러 회로 그 자체로서보다는, 무선통신시스템이나 상위 레벨의 고주파 회로의 설계에 많이 사용된다[11]. 링 하이브리드 커플러 회로에 대한 구성 및 자세한 동작 원리는 참고 문헌들에 자세하게 밝혀져 있으므로 본 논문에서는 이에 대한 자세한 기술은 생략한다. 본 논문에서는 설계예로 3㎓대 회로를 가유전체 기판 구조로 소형화하여 설계한다.
이것은 무선회로의 설계가 전기적 길이를 기준으로 설계되기 때문에 얻을 수 있는 장점이라 할 수 있다. 본 논문에서 가유전체 기판 구조를 이용하여 링 하이브리드 커플러 회로를 소형화하여 설계하고자 하는 목표도 이런 기술적 배경을 토대로 한다.
본 연구에서는 가유전체 기판 구조의 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용하여 무선시스템용 초고주파 대역에서 널리 사용하는 링 하이브리드 커플러 회로를 소형화하여 설계하였다. 또한 설계한 회로를 실제로 제작 및 측정하여 그 결과를 제시하여 설계의 타당성을 검증하였다.
이런 내용을 바탕으로 하여 본 논문에서는 가유전체 기판 구조를 이용한 초고주파 대역 회로의 소형화 설계의 사례로서 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler)의 소형화 설계에 대하여 기술하고자 한다. 표준형 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용하여 설계한 커플러 회로와 가유전체 기판 구조를 이용하여 설계한 회로를 비교하고, 후자의 회로가 표준형에 비하여 훨씬 소형화됨을 보인다.
이제 Fig. 4를 이용하여 링 하이브리드 커플러의 이상 적인 위상차 특성에 대하여 간단하게 설명한 이후에 측정 결과를 제시하고자 한다. 단자 1로 입력된 신호를 절반씩 나뉘어 단자 2와 단자 3에서 출력된다.
이제 본 장에서는 링 하이브리드 커플러 회로에 필요한 마이크로스트립 전송선로의 설계에 대하여 기술하고자 한다. 우선 두 유전체층을 위하여 H1, H2가 각각 5mils(=0.
이제 본 장에서는 링 하이브리드 커플러를 가유전체 기판 구조로 소형화하여 설계한 결과에 대하여 기술하고자 한다. 링 하이브리드 커플러는 놓은 주파수 대역의 통신 및 무선시스템에 널리 사용되는 회로중 하나인데, 입력 단자에 따라서 두 출력간의 위상차가 동위상이 되기도 하고 역위상이 되기도 하는 특성을 가지고 있다.

가설 설정

만약에 주어진 두 기판을 이용하여 유전체 두께가 36mils(0.9144㎜)이고 εr이 2.2인 기판이라 가정하고 50Ω 표준형 마이크로스트립 전송선로를 설계할 경우에, 1㎓에서 선폭은 2.77㎜이고 λg/4의 길이는 54.74㎜이다.

제안 방법

본 연구에서는 가유전체 기판 구조의 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용하여 무선시스템용 초고주파 대역에서 널리 사용하는 링 하이브리드 커플러 회로를 소형화하여 설계하였다. 또한 설계한 회로를 실제로 제작 및 측정하여 그 결과를 제시하여 설계의 타당성을 검증하였다. 예로써 설계된 3㎓대 가유전체 기판 링 하이브리드 커플러는 표준형 설계의 65%의 면적을 가졌다.
링 하이브리드 커플러 회로에 대한 구성 및 자세한 동작 원리는 참고 문헌들에 자세하게 밝혀져 있으므로 본 논문에서는 이에 대한 자세한 기술은 생략한다. 본 논문에서는 설계예로 3㎓대 회로를 가유전체 기판 구조로 소형화하여 설계한다.
위와 같이 가유전체 기판 구조로 소형화하여 설계한 3㎓대 링 하이브리드 커플러 회로의 성능을 측정하고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하여 보았다.
7은 단자 1로 입력 신호를 넣었을 때 단자 2와 단자 3에 각각 1/2씩 전력이 분배되어 나타나고(S21과 S31이 –3dB 근처), 동시에 단자 4에는 신호가 격리(isolation, 즉 S41이 –20dB이하)되어 나타나지 않음을 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 이러한 특성은 네 개의 단자 가운데 어느 단자에 입력신호를 넣어도 동일하게 나타나기 때문에 본 논문에서는 대표적으로 단자 1에 입사한 경우에 대한 그림만을 제시한다. 이처럼 링 하이브리드 커플러는 입력신호를 두 출력단자로 나눠주는 전력 분배기의 기능을 갖는다.

대상 데이터

5㎜이다. 두께가 31mils이고 비유전율이 2.2인 기판 원판을 이용하여 제작하였다. 면적은 50㎜×50㎜인데, 이렇게 크기를 결정한 이유는 다수의 비어홀을 가진 제 2기판층의 제작 과정에서, 어떤 정형화된 크기를 가지고 있어야 제작이 용이 하였기 때문이다.
두께가 36mils이고 비유전율이 2.2인 유전체 기판으로 회로를 설계한 결과 길이가 1.5λg에 해당하는 원형 레이아웃에서 외부원의 반지름이 18.01㎜이었다.
우선 두 유전체층을 위하여 H1, H2가 각각 5mils(=0.127㎜), 31mils(=0.7874㎜)이고 εr이 2.2인 두 기판을 선택하였다.
이제 Table 1에 제시한 것처럼 가유전체 기판 구조로 설계한 50Ω과 70.7Ω의 전송선로를 이용하여 소형화된 커플러 회로를 설계할 수 있다.

이론/모형

Table 1은 링 하이브리드 커플러에 사용되는 두 가지 임피던스 선로에 대한 설계 결과를 비교한 것이다. 한편 마이크로스트립 전송선로를 설계하기 위하여 Ansoft社의 HFSS(high frequency structure simulator)를 사용하였다.

성능/효과

두 출력단자에서의 전력분배 특성과 격리 특성을 측정한 결과, 예측된 성능과 유사하게 S21과 S31이 3GHz에서 각각 –3.05dB와 –3.135dB였다.
상기와 같은 측정 결과를 통하여 가유전체 기판구조로 소형화되어 설계 및 제작된 링 하이브리드 커플러의 성능이 이상적인 특성과 유사함을 알 수 있다. 따라서 35% 가량의 소형화에도 불구하고 성능상의 현저한 열화(degradation)가 발생하지 않고 성공적으로 설계 및 제작이 이루어졌다고 말할 수 있다.
5㎟이다. 따라서 표준형 회로에 비하여 65%의 크기를 가지는데, 가유전체 기판 구조를 적용함으로써 35%의 면적 소형화를 이룩했음을 알 수 있다.
또한 설계한 회로를 실제로 제작 및 측정하여 그 결과를 제시하여 설계의 타당성을 검증하였다. 예로써 설계된 3㎓대 가유전체 기판 링 하이브리드 커플러는 표준형 설계의 65%의 면적을 가졌다. 제작된 회로의 측정 결과 이상적인 특성에 근접하였으며, 이로써 성능상의 큰 열화없이 소형화 설계가 성공적으로 이루어졌다고 말할 수 있다.
예로써 설계된 3㎓대 가유전체 기판 링 하이브리드 커플러는 표준형 설계의 65%의 면적을 가졌다. 제작된 회로의 측정 결과 이상적인 특성에 근접하였으며, 이로써 성능상의 큰 열화없이 소형화 설계가 성공적으로 이루어졌다고 말할 수 있다. 본 연구에서 기술된 가유전체 구조를 이용한 무선시스템용 회로의 소형화 설계는 다양한 회로 및 안테나의 소형화 설계에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대되는데, 추후에 지속적인 연구를 통하여 응용 사례를 확장할 예정이다.
이런 내용을 바탕으로 하여 본 논문에서는 가유전체 기판 구조를 이용한 초고주파 대역 회로의 소형화 설계의 사례로서 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler)의 소형화 설계에 대하여 기술하고자 한다. 표준형 마이크로스트립 전송선로 구조를 이용하여 설계한 커플러 회로와 가유전체 기판 구조를 이용하여 설계한 회로를 비교하고, 후자의 회로가 표준형에 비하여 훨씬 소형화됨을 보인다. 또한 소형화 이후에도 표준형 회로와 비교하여 동일한 전기적 성능이 유지됨을 설명한다.

후속연구

제작된 회로의 측정 결과 이상적인 특성에 근접하였으며, 이로써 성능상의 큰 열화없이 소형화 설계가 성공적으로 이루어졌다고 말할 수 있다. 본 연구에서 기술된 가유전체 구조를 이용한 무선시스템용 회로의 소형화 설계는 다양한 회로 및 안테나의 소형화 설계에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대되는데, 추후에 지속적인 연구를 통하여 응용 사례를 확장할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가유전체 기판은 어떤 구조를 갖는가?	본 논문에서는 가유전체 기판을 이용하여 소형화한 마이크로파 대역의 링 하이브리드 커플러 설계에 대하여 기술한다. 가유전체 기판은 다수의 비어홀을 제 2기판에 삽입하여 유효 커패시턴스를 크게 증가시킨 구조를 갖는다. 가유전체 기판의 유효유전율은 표준형 기판에 비하여 크게 증가하게 되는데, 이에 의하여 동일한 전기적 길이 대비 물리적 길이가 크게 감소하므로 마이크로파 전송선로를 소형화시킬 수 있다.
	특정한 Zo에서의 선폭과 이때의 유효유전율 값이 서로 관련이 있는 이유는?	어떤 유전체 기판이든지 그것이 갖는 고유한 비유전율(relativedielectricconstant, εr)값이 존재하게 되는데, 이를 기반으로 하여 전송선로의 특성 임피던스(Zo)에 따른 선폭과 길이가 결정된다[5-7]. 따라서 어떤 특정한 Zo에서의 선폭과 이때의 유효유전율(effectivedielectric constant, εeff)값이 서로 관련을 가지고 있다.
	가유전체 기판의 유효 유전율이 표준형 기판에 비하여 크게 증가하게 되는데 이로 인해 어떤 특징을 가지고 있는가?	가유전체 기판은 다수의 비어홀을 제 2기판에 삽입하여 유효 커패시턴스를 크게 증가시킨 구조를 갖는다. 가유전체 기판의 유효유전율은 표준형 기판에 비하여 크게 증가하게 되는데, 이에 의하여 동일한 전기적 길이 대비 물리적 길이가 크게 감소하므로 마이크로파 전송선로를 소형화시킬 수 있다. 이런 원리를 마이크로파 무선회로 설계에 적용한 사례를 보이기 위하여 가유전체 기판을 이용하여 3GHz대 링 하이브리드 커플러를 설계하고 실제로 제작 및 측정한 결과를 제시한다.

참고문헌 (11)

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K. Kwon and J. Lim, "Design of a Transmission Line using Defected Ground Structure and Artificial Dielectric Substrate", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 14, no. 7, pp. 3474-3481, Jul 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.7.3474

원문보기 상세보기
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D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd ed., John Wiely and Sons, Inc., New York, 2005.

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