CPW 결합기에서 방향성 개선을 위한 보상구조 연구

Abstract

본 논문에서는 결합도를 향상시키기 위해 뒷면 도체가 부가된 CPW(coplanar waveguide) 방향성 결합 구조에서 각 모드간의 위상 속도의 차이로 인해 발생하는 낮은 방향성 특성을 개선하기 위한 보상구조를 제안하였다. 보상구조로는 뒷면 도체를 변형하는 방법과 T자형 슬롯을 접지면에 부가하는 방법, 적절한 길이의 확장된 슬롯 폭을 이용하는 방법 등이 있다. 뒷면 도체의 모양을 변형하여 방향성을 개선하는 구조는 CPW 방향성 결합기를 구성하는 뒷면 도체의 가운데 부분을 일부 제거함으로써 두 모드간의 전기적 길이의 변화를 통하여 위상속도 차이를 줄여 방향성을 향상시키는 구조다. 이러한 방법은 방향성의 개선과 함께 정합 특성의 개선을 함께 가져올 수 있지만 결합도 1.2 dB 정도 감소되는 단점이 있었다. 또한 결합영역의 가운데 부분에서 접지면에 T자형 슬롯을 삽입하여 인덕턴스의 보상을 통한 각 모드간의 위상속도 차이를 극복하는 구조를 제시하였다. 이때 T자형 슬롯은 결합도의 감소의 특성을 갖지 않기 때문에 유용한 구조다. 그러나, 이러한 T자형 슬롯을 사용할 경우 뒷면 도체 일부를 제거하는 방식과 비교하면 정합특성이나 방향성 특성의 개선정도가 미약하므로, 뒷면 도체의 개선과 함께 T자형 슬롯을 사용하여 뒷면 도체의 제거를 적게 하여 결합도의 감소를 0.5 dB 이하로 줄이면서도 우수한 정합특성과 방향성 특성을 갖는 결합기를 만들 수 있음을 보였다. 마지막으로 접지면에 확장된 슬롯 구조를 제시하여 결합도의 감소 없이 우수한 정합특성과 방향성 특성을 가진 결합기를 구현할 수 있음을 보였다. 이러한 확장된 슬롯 구조는 결합도의 증가 특성도 있기 때문에 요구되는 결합도를 가지면서 기존구조보다 정합 특성은 30 dB이상, 방향성 특성은 40 dB이상 우수한 보상구조임을 확인하였다. 제안된 보상구조들을 사용하여 1㎓의 중심 주파수를 갖는 6 ㏈ 결합기를 설계하여 정합 특성은 물론 방향성 특성이 개선됨을 보였다. 제안된 구조들은 MoM(Method of Moments) 방식의 EM solver를 이용하여 모의실험 하였고, 제작 및 측정을 통하여 두 결과가 일치함을 확인하였다. 특히 확장된 슬롯 구조를 이용한 보상구조의 경우 높은 결합도를 필요로 하는 3 ㏈ 결합기에서도 정합 특성과 방향성 특성이 우수함을 확인하였다. 또한 주어진 주파수에서 확장된 슬롯의 너비 및 깊이에 대한 최적의 설계변수를 결정할 수 있는 설계 식을 제시하였다.