[논문]Metamaterial 전송선로를 이용한 4출력 90° 위상 분배기

조학래; 김정표; 구경헌

doi:10.12673/jant.2018.22.2.141

Metamaterial 전송선로를 이용한 4출력 90° 위상 분배기
4 Way Quadrature Divider Using Metamaterial Transmission Lines 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.2 = no.89, 2018년, pp.141 - 147

조학래 (인천대학교 전자공학과) , 김정표 ((주)에이티코디) , 구경헌 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 $90^{\circ}$ 위상차를 갖는 GNSS (global navigation satellite system)용 광대역 4출력 분배 회로를 제안한다. 제안하는 분배회로는 1개의 발룬과 2개의 $90^{\circ}$ 위상 분배기로 이루어진다. 발룬은 wilkinson 분배기와 두 출력단에 각각 ${\pm}90^{\circ}$ metamaterial 전송선 위상 천이기를 이용하여 구현된다. $90^{\circ}$ 위상 분배기의 경우, 발룬과 구조는 같으나, 두 개의 출력단에 각각 ${\pm}45^{\circ}$ metamaterial 전송선 위상천이기가 적용된다. Metamaterial 전송선은 LCL-TL (LC loaded transmission line) 단위 셀을 이용하여 구현하였으며, 요구되는 위상 천이 특성을 구현하기 위해 5셀을 갖도록 하였다. 구현된 4출력 $90^{\circ}$ 위상 분배기는 GNSS 대역인 1.165 -1.61 GHz의 넓은 대역에서 각 포트별 $90^{\circ}{\pm}10^{\circ}$의 위상차를 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a wideband 4-way quadrature divider for global navigation satellite system (GNSS). The proposed divider consists of one balun and two 2-way quadrature dividers. In the balun, the input power is divided by a wilkinson divider and the out of phase characteristic is achieved by ${\pm}90^{\circ}$ metamaterial transmission line phase shifters applied two output ports. The structures of two quadrature dividers is similar to that of the balun, but the phase shifters of two output ports are exchanged by ${\pm}90^{\circ}$ metamaterial transmission line. Metamaterial transmission lines are designed by using five LC loaded transmission line (LCL-TL) unit cells. The fabricated 4 way quadrature divider has the phase characteristic of $90^{\circ}{\pm}10^{\circ}$ in 1.165 - 1.61 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 손실은 LCL-TL 구성에 사용되는 다수의 인덕터와 커패시터에서 발생하는 것으로 특히 큰 L 값의 인덕터에서 발생한다. 삽입 손실은 각 포트 사이의 격리 특성을 향상시키는 것처럼 보이지만, 전송 효율 개선을 위해 갠선되어야 한다. 이를 위해 높은 Q 값을 갖는 인덕터를 사용하여야 하며 본 논문에서는 칩 인덕터 대신 코일 인덕터를 사용하였다.

제안 방법

LCL-TL의 적정한 단 수를 확인하기 위해 그림 2의 90° 위상 분배기와 발룬에 3차부터 5차까지의 LCL-TL을 각 위상 값을 갖도록 설계하여 위상차를 비교하였다.
두 개의 90° 위상 분배기는 발룬의 두 출력에 연결되며, 구현을 위해 wilkinson 분배기에서 전력을 분배하고, 두 출력 단에 ±45° 위상 천이 특성을 갖는 LCL-TL 전송선로를 연결하여 90° 위상차를 구현하였다.
발룬은 wilkinson 분배기로 입력 전력을 분배시키고, 두 출력단에 ±90° 위상 천이 특성을 갖는 LCL-TL 전송선로를 연결하여 180° 위상차를 구현하였다.
본 논문에서는 5단 LCL-TL을 이용하여 90° 위상 분배기와 발룬을 설계하며, 5단 LCL-TL 위상천이기 구조는 그림4와 같다.
본 논문에서는 90° 위상차를 갖는 4 출력 분배기를 구현하였다.
본 논문에서는 GNSS (global navigation satellite system) 대역(1.165 – 1.295 GHz / 1.525 – 1.61 GHz)에서 동작 가능한 위상 분배기를 구현하기 위해 LCL-TL 구조의 metamaterial 전송선로를 이용한다.
반면 참고문헌 [7]에서는 Wilkinson 전력분배기의 두 λ/4 부분은 각각 ±90° LCL-TL 위상 천이기, 저항 100Ω은 180° LCL-TL 위상 천이기와 함께 구현함으로써 소형 발룬을 구현하였다. 본 논문에서는 보다 넓은 대역 특성을 갖는 [6] 구조를 이용하여 발룬을 구현한다. 또한 90° 위상차를 구현하기 위해 [6] 구조에 출력단 위상 천이기를 ±45° LCL-TL 위상 천이기로 대체한다.
삽입 손실은 각 포트 사이의 격리 특성을 향상시키는 것처럼 보이지만, 전송 효율 개선을 위해 갠선되어야 한다. 이를 위해 높은 Q 값을 갖는 인덕터를 사용하여야 하며 본 논문에서는 칩 인덕터 대신 코일 인덕터를 사용하였다. 그 외 다수의 인덕터와 커패시터를 납땜 방식으로 연결할 때 손실이 있다.

대상 데이터

제작된 위상 분배기는 그림 8과 같으며, 100 mm × 100 mm 크기로 두께가 0.8 mm인 FR4 기판에 구현하였다.

데이터처리

설계된 90° 위상 분배기와 발룬의 결과는 기존 metamaterial 전송선 구조를 이용한 연구 결과와를 표.2에서 비교하였다.

이론/모형

또한 90° 위상차를 구현하기 위해 [6] 구조에 출력단 위상 천이기를 ±45° LCL-TL 위상 천이기로 대체한다. 본 논문에서 제안하는 위상 분배기를 설계하기 위하여 NI사의 상용 시뮬레이션 툴을 이용하여 연구를 진행하였다 [8].

성능/효과

90° 위상 분배기가 발룬에 비해 비교적 넓은 대역폭 특성을 갖고 있기 때문에 4출력 90° 위상 분배기의 위상 편차 대역폭은 발룬에 의해 제한 받게 됨을 확인하였다.
관심 주파수 대역인 1.165 – 1.61 GHz에서 위상차 특성을 비교하면 단 수가 증가할수록 위상차의 평탄도 또한 함께 개선됨을 확인할 수 있다.
구현된 4출력 90° 위상 분배기는 GNSS 전대역(1.165 ~ 1.61 GHz)에서 16dB 이상의 반사특성을 나타내었으며 8dB 이하의 삽입 손실을 갖고, 각 포트별 출력 신호 크기 편차가 매우 작으며 양호한 90° 위상차 특성을 갖는다.
따라서 단위 셀 길이 d₀, 추가되는 인덕터 L₀와 커패스터 C₀의 값을 조정함으로써 단위 셀의 위상 천이 값을 얻을 수 있고, 단위 셀의 단 수를 n을 증가시키면 보다 큰 값의 위상 천이 특성을 얻을 수 있다.
6°로 설계와 같이 90° ± 10° 를 만족한다. 설계 주파수 대역에서 각 포트별 삽입손실은 8 dB 이하로 시뮬레이션에 비해 약 1.2 dB 증가하였다. 이 손실은 LCL-TL 구성에 사용되는 다수의 인덕터와 커패시터에서 발생하는 것으로 특히 큰 L 값의 인덕터에서 발생한다.

후속연구

또한 보다 높은 주파수 대역에서는 보다 낮은 삽입 손실 특성을 갖도록 구현가능하기에, 다양한 주파수 대역에서의 광대역 원형 편파 안테나 구현에 적합한 급전 구조로 적용가능하리라 판단된다.
제안된 4출력 90° 위상 분배기는 GNSS용 광대역 원형 편파 안테나 등에 적용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Metamaterials의 특징은?	Metamaterials은 공진형 구조와 전송선로 구조로 구분할 수 있으며, RF 회로 설계는 주로 전송선로 구조를 이용한다. Metamaterials 전송선로의 대표적인 단위 셀은 그림 1과 같이 CRLH-TL (composite right/left handed transmission line) 구조 [1],[2]와LCL-TL (LC loaded transmission line) 구조[3]-[7]가 있다.
	각 출력 포트의 위상 특성은 90° ± 10° 범위를 만족하는 이유는?	그림 7은 제안된 위상 분배기 설계특성을 보여준다. 포트 2 출력 신호를 기준으로 위상차를 확인하면 포트 3는 –90.2° ~ –92.7 포트4는 173.2° ~ 185.1°, 포트5는 83.0° ~ 92.4°의 위상 특성을 갖는다. 따라서 각 출력 포트의 위상 특성은 90° ± 10° 범위를 만족한다.
	발룬은 무엇을 이용하여 구현되는가?	제안하는 분배회로는 1개의 발룬과 2개의 $90^{\circ}$ 위상 분배기로 이루어진다. 발룬은 wilkinson 분배기와 두 출력단에 각각 ${\pm}90^{\circ}$ metamaterial 전송선 위상 천이기를 이용하여 구현된다. $90^{\circ}$ 위상 분배기의 경우, 발룬과 구조는 같으나, 두 개의 출력단에 각각 ${\pm}45^{\circ}$ metamaterial 전송선 위상천이기가 적용된다.

참고문헌 (10)

S. Lim, C. Caloz, and T. Itoh, “Composite right/left-handed transmission line metamaterials,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 5, No. 3, pp. 34-50, Sep. 2004.

상세보기
C. Caolz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission line Theory and Microwave Applications, Wiley-IEEE Press, 2005.
G. V. Elftheriads, A. K. Iyer, and P. C. Kremer, “Planar negative refractive index media using periodically L-C loaded transmission lines,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 50, No. 12, pp. 2702-2712, Dec. 2002.

상세보기
M. A. Antoniades and G. V. Eleftheriades, "Compact linear lead/lag metamaterials phase shifters for broad band applications," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 2, pp. 103-106, 2003.

상세보기
J. P. Kim, G. H. Kim, M. G. Yang, W.M. Seong, “Design of compact wilkinson power divider using meta-material lines,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 17, No. 10, pp. 953-958, Oct. 2006.
M. A. Antoniades and G. V. Eleftheriades, "A broadband wilkinson balun using microstrip metamaterial lines," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 4, pp. 209-212, 2005.

상세보기
J. Kim, H. Chung, and J. Choi, “Design of compact and broadband wilkinson baluns using metamaterial phase shifting transmission lines,” IEICE Electronicx Express, Vol. 6, No. 18, pp. 1332-1336, Sep. 2009.

상세보기
NI AWR Design Environment, Microwave Office. ver.11
C. H. Tseng and C. L. Chang, "A broadband quadrature power splitter using metamaterial line," IEEE Microwave Wireless Components Letters, vol.18, no.1, pp.25-27, 2008.

상세보기
K. L. Chung, "High-performance circular polarized antenna array using metamaterial-line based feed network," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 61 no.12, pp.6233-6237, 2013.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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