Metamaterial 전송선로를 이용한 4출력 90°위상 분배기
4 Way Quadrature Divider Using Metamaterial Transmission Lines
조 학 래
1,2· 김 정 표
3· 구 경 헌
1*1인천대학교 전자공학과
2(주)이너트론
3(주)에이티코디
Hak-Rae Cho
1,2, Jeong-pyo Kim
3, Kyung-Heon Koo
1*1Department of Electronic Engineering, Incheon National University, Incheon 123-456, Korea
2Innertron, Inc., Incheon, 22014, Korea
3ATcoti, Co., Ltd, Seoul, 07282, Korea
[요 약]
본 논문에서는 90° 위상차를 갖는 GNSS (global navigation satellite system)용 광대역 4출력 분배 회로를 제안한다. 제안하는 분 배회로는 1개의 발룬과 2개의 90° 위상 분배기로 이루어진다. 발룬은 wilkinson 분배기와 두 출력단에 각각 ±90° metamaterial 전송 선 위상 천이기를 이용하여 구현된다. 90° 위상 분배기의 경우, 발룬과 구조는 같으나, 두 개의 출력단에 각각 ±45° metamaterial 전 송선 위상 천이기가 적용된다. Metamaterial 전송선은 LCL-TL (LC loaded transmission line) 단위 셀을 이용하여 구현하였으며, 요 구되는 위상 천이 특성을 구현하기 위해 5셀을 갖도록 하였다. 구현된 4출력 90° 위상 분배기는 GNSS 대역인 1.165 – 1.61 GHz의 넓은 대역에서 각 포트별 90° ± 10°의 위상차를 갖는다.
[Abstract]
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 ±90° 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 ±90°
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° ± 10° in 1.165 – 1.61 GHz.
Key word : Quadrature, Phase divider, Metamaterial, Wilkinson divider, Phase shifter.
https://doi.org/10.12673/jant.2018.22.2.141
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons .org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Received 19 February 2018; Revised 1 March 2018 Accepted (Publication) 26 April 2018 (30 April 2018)
*Corresponding Author; Kyung-Heon Koo Tel: +82-32-835-8446
E-mail: [email protected]
Ⅰ. 서 론
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]와 LCL-TL (LC loaded transmission line) 구조[3]-[7]가 있 다. CRLH-TL의 경우 등가회로를 구성하는 LR, CR, LL, CL 등의 값을 결정하는 성분들이 파장과 비례하는 크기를 갖기 때문에 UHF 대역 및 이동 통신 대역과 같은 비교적 낮은 주파수 대역 에는 적합하지 않으며, 대부분의 연구결과 또한 주로 3GHz 이 상의 대역에 집중되고 있다. 한편 LCL-TL의 경우, 일정한 단위 셀 길이 d0와 집중정수소자인 C0와 L0값이 필요한데, 이 경우 대역폭이 협해지고, 손실이 커진다.
본 논문에서는 GNSS (global navigation satellite system) 대역 (1.165 – 1.295 GHz / 1.525 – 1.61 GHz)에서 동작 가능한 위상 분 배기를 구현하기 위해 LCL-TL 구조의 metamaterial 전송선로를 이용한다. LCL-TL을 이용한 발룬 구조는 Wilkinson 전력분배기 와 함께 구현되어 왔다[6],[7]. 참고문헌 [6]에서는Wilkinson 전력 분배기를 이용하여 전력을 분배한 후, 두 개의 출련단에 각각
±90° LCL-TL 위상 천이기를 이용하여 광대역 발룬을 구현하였 다. 반면 참고문헌 [7]에서는 Wilkinson 전력분배기의 두 λ/4 부분 은 각각 ±90° LCL-TL 위상 천이기, 저항 100Ω은 180° LCL-TL 위 상 천이기와 함께 구현함으로써 소형 발룬을 구현하였다. 본 논 문에서는 보다 넓은 대역 특성을 갖는 [6] 구조를 이용하여 발룬 을 구현한다. 또한 90° 위상차를 구현하기 위해 [6] 구조에 출력 단 위상 천이기를 ±45° LCL-TL 위상 천이기로 대체한다. 본 논 문에서 제안하는 위상 분배기를 설계하기 위하여 NI사의 상용 시뮬레이션 툴을 이용하여 연구를 진행하였다 [8].
(a) CRLH-TL
(b) LCL-TL
그림 1. Metamaterial 전송선 단위셀 구조
Fig. 1.Metamaterial transmission line unit cell structures for (a) CRLH-TL and (b) LCL-TL.
Ⅱ. 4출력 90°위상 분배기 설계
2-1 LCL-TL 위상 천이기 설계
LCL-TL을 구현하기 위해서는 RH (right handed) 영역을 담 당하는 전통적인 전송선로인 마이크로스트립 선로의 특성임피 던스 Z0와 LH (left handed) 영역을 담당하는 집중 정수 소자 C0
와 L0의 특성임피던스가 식(1)의 조건을 만족해야 한다. 단위 셀이 임피던스 정합 조건을 만족하여 평형 상태가 유지되면, 단 위 셀의 위상 천이는 식(2)과 같고, n개의 단위 셀이 배열되었을 경우 식(3)과 같이 n배의 위상 천이가 발생한다.
(1)
(2)
(3)따라서 단위 셀 길이 d0, 추가되는 인덕터 L0와 커패스터 C0
의 값을 조정함으로써 단위 셀의 위상 천이 값을 얻을 수 있고, 단위 셀의 단 수를 n을 증가시키면 보다 큰 값의 위상 천이 특성 을 얻을 수 있다.
2-2 Wilkinson 전력분배기를 이용한 위상 분배기
그림 2는 제안된 90° 위상 분배기와 발룬 구조를 보여준다.
90° 위상 분배기와 발룬 모두 Wilkinson 분배기를 기반으로 하 고 있다. 90° 위상 분배기는 Wilkinson 분배기 출력단에 ±45°
위상 특성을 갖는 LCL-TL 위상 천이기를 추가하여 구성되고, 발룬의 경우 ±90° 위상 특성을 갖는 LCL-TL 위상 천이기를 추 가한다.
LCL-TL의 적정한 단 수를 확인하기 위해 그림 2의 90° 위상 분배기와 발룬에 3차부터 5차까지의 LCL-TL을 각 위상 값을 갖도록 설계하여 위상차를 비교하였다. 이때, 위상 천이기 간의 위상차의 평탄도는 설계 주파수보다 높은 주파수 대역에서 보 다 우수하게 나타나기 때문에 설계 주파수는 중심 주파수 1.387GHz 보다 낮은 1.30 GHz로 설정하였다. 각 단수에 해당하 는 위상 천이 특성을 갖는 LCL-TL의 파라미터 값은 표. 1에 정 리하였다.
그림 3은 설계된 90° 위상 분배기와 발룬의 출력 위상차 특 성을 보여준다. 관심 주파수 대역인 1.165 – 1.61 GHz에서 위 상차 특성을 비교하면 단 수가 증가할수록 위상차의 평탄도 또 한 함께 개선됨을 확인할 수 있다.
(a) quadrature divider
(b) balun
그림 2. 90° 위상 분배기와 발룬 구조
Fig. 2.The structure of (a) quadrature divider and (b) balun.
표 1. LCL-TL 위상 천이기 설계 파라미터
Table 1.Design parameters of LCL-TL phase shifters.
n Phase d0[mm] L0[nH] C0[pF]
3
+45° 3.68 13.8 5.52
-45° 6.9 76 30.4
+90° 3.95 8.5 3.4
-90° 11 270 108
4
+45° 3.68 16 6.4
-45° 6.9 42 16.8
+90° 3.95 10.4 4.16
-90° 9 120 48
5
+45° 3.68 18 7.2
-45° 6.9 33 13.2
+90° 3.95 12 4.8
-90° 8.53 56 22.4
(a) quadrature divider
(b) balun
그림 3. LTL-TL 단 수에 따른 위상차 비교
Fig. 3.Phase difference characteristics by the cell numbers of (a) quadrature divider and (b) balun.
일반적으로 LCL-TL의 위상 변화는 단위 셀 수의 증가와 함 께 위상 변화 기울기 또한 함께 커진다. 이는 특정 위상 값의 범 위에 해당하는 대역폭은 단위 셀의 수가 증가할수록 감소하며, 협대역 특성을 가짐을 의미한다. 하지만 둘 이상의 위상 특성을 비교함에 있어서는, 셀 수가 증가할수록 LCL-TL 간의 위상 기 울기 차가 감소하기 때문에 광대역 특성을 얻기 쉽다[3].
본 논문에서는 5단 LCL-TL을 이용하여 90° 위상 분배기와 발룬을 설계하며, 5단 LCL-TL 위상 천이기 구조는 그림 4와 같 다. 그림 5는 설계된 90° 위상 분배기와 발룬의 위상 특성을 보 여준다. 90° 위상 분배기의 두 출력 포트에서의 위상차는 설계 주파수인 1.165 – 1.61 GHz 대역에서 90.21° – 92.65°를 유지한 다. 발룬의 경우 동일한 주파수 대역에서 173.3° - 185.4°의 위 상차를 갖는다.
그림 4. 5단 LCL-TL 위상 천이기 Fig. 4. Five cells LCL-TL phase shifter.
그림 5. 90° 위상 분배기와 발룬의 위상 특성
Fig. 5.The phase difference of the designed quadratue divider and the balun.
Goal Ref. Frequency
[GHz] Bandwidth
[%] phase error 90°
[9] 1.10~3.50 104 ±5°
[10] 1.40~2.60 88 ±5°
This
work 0.92~1.76 62.7 ±5°
180°
[6] 1.17~2.33 66.3 ±10°
[7] 0.445~0.785 55 ±10°
This
work 1.15~1.98 53 ±5°
표 2. LCL-TL 위상 천이기 설계 파라미터
Table 2. Design parameters of LCL-TL phase shifters.
설계된 90° 위상 분배기와 발룬의 결과는 기존 metamaterial 전송선 구조를 이용한 연구 결과와를 표.2에서 비교하였다.
90° 위상 분배기가 발룬에 비해 비교적 넓은 대역폭 특성을 갖 고 있기 때문에 4출력 90° 위상 분배기의 위상 편차 대역폭은 발룬에 의해 제한 받게 됨을 확인하였다.
2-3 4출력 90°위상 분배기
그림 6은 제안된 4출력 90° 위상 분배기 구조를 보여준다. 입
그림 6. 제안된 4출력 90° 위상 분배기 구조
Fig. 6.The proposed 4way quadrature divider structure.
port Balun 90° phase shifter
#2 +90° +45°
#3 -45°
#4 -90° +45°
#5 -45°
표 3. 출력 포트별 위상 천이기 Table 3. phase shifters of output ports.
(a)
(b)
(c)
그림 7. 제안된 4출력 90° 위상 분배기 설계 특성
Fig. 7. The designed 4way quadrature divider characteristics of (a) phase, (b) magnitude and (c) isolation.
력된 신호는 그림 2(b)의 발룬을 통해 180° 위상차(+90°와 –90°) 를 갖고 출력되고, 두 신호는 그림 2(a)의 90° 위상 분배기를 통 해 90°의 위상차(+45°와 –45°)를 갖게 함으로써 4개의 출력 신 호는 90°의 위상차를 갖게 된다. 출력 포트별 LCL-TL 위상 천 이기 조합을 정리하면 표 3과 같다.
그림 7은 제안된 위상 분배기 설계특성을 보여준다. 포트 2 출력 신호를 기준으로 위상차를 확인하면 포트 3는 –90.2° ~ – 92.7 포트 4는 173.2° ~ 185.1°, 포트 5는 83.0° ~ 92.4°의 위상 특 성을 갖는다. 따라서 각 출력 포트의 위상 특성은 90° ± 10° 범 위를 만족한다. 설계 주파수 대역에서 각 포트별 삽입손실은 6.8 dB 이하이며, 반사 손실은 16 dB 이상이다. 격리 특성의 경 우, 90° 위상 분배기의 격리 특성을 나타내는 S23은 약 –16 dB 이하 값을 가지며, 90° 위상 분배기와 180° 발룬을 거쳐 나타나 는 격리 특성인 S24, S34, S35등은 –23 dB 이하의 특성을 갖는다.
Ⅲ. 제작 및 측정
제작된 위상 분배기는 그림 8과 같으며, 100 mm × 100 mm 크기로 두께가 0.8 mm인 FR4 기판에 구현하였다. 그 측정 결 과는 그림 9와 같이 포트 2 출력 기준으로 위상차는 포트 3는 – 91.5° ~ –93.9°, 포트 4는 171.9° ~ 183.3°, 포트 5는 80.6° ~ 89.6°
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 인 덕터와 커패시터에서 발생하는 것으로 특히 큰 L 값의 인덕터 에서 발생한다. 삽입 손실은 각 포트 사이의 격리 특성을 향상 시키는 것처럼 보이지만, 전송 효율 개선을 위해 갠선되어야 한 다. 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. 측정된 반사 손실은 16 dB 이상으로 비교적 양호한 특성 을 갖는다.
그림 8. 제작된 4출력 90° 위상 분배기 Fig. 8. The fabricated 4 way quadrature divider.
(a)
(b)
(c)
그림 9. 구현된 4출력 90° 위상 분배기 설계 특성
Fig. 9.The fabricated 4way quadrature divider characteristics of (a) phase, (b) magnitude and (c) isolation.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 90° 위상차를 갖는 4 출력 분배기를 구현하였 다. 구현된 분배기는 한 개의 발룬과 두 개의 90° 위상 분배기 로 구성되어 있다. 발룬은 wilkinson 분배기로 입력 전력을 분
배시키고, 두 출력단에 ±90° 위상 천이 특성을 갖는 LCL-TL 전 송선로를 연결하여 180° 위상차를 구현하였다. 두 개의 90° 위 상 분배기는 발룬의 두 출력에 연결되며, 구현을 위해 wilkinson 분배기에서 전력을 분배하고, 두 출력 단에 ±45° 위상 천이 특 성을 갖는 LCL-TL 전송선로를 연결하여 90° 위상차를 구현하 였다. 구현된 4출력 90° 위상분배기는 GNSS 전대역(1.165 ~ 1.61 GHz)에서 16dB 이상의 반사특성을 나타내었으며 8dB 이 하의 삽입 손실을 갖고, 각 포트별 출력 신호 크기 편차가 매우 작으며 양호한 90° 위상차 특성을 갖는다.
제안된 4출력 90° 위상 분배기는 GNSS용 광대역 원형 편파 안테나 등에 적용 가능하다. 또한 보다 높은 주파수 대역에서는 보다 낮은 삽입 손실 특성을 갖도록 구현가능하기에, 다양한 주 파수 대역에서의 광대역 원형 편파 안테나 구현에 적합한 급전 구조로 적용가능하리라 판단된다.
References
[1] 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.
[2] C. Caolz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials:
Transmission line Theory and Microwave Applications, Wiley-IEEE Press, 2005.
[3] 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.
[4] 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.
[5] 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.
[6] 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.
[7] 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.
[8] NI AWR Design Environment, Microwave Office. ver.11 [9] 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.
[10] 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.
조 학 래 (Hak-Rae Cho)
1999년 2월: 경남대학교 재료공학과 (공학사) 2000년 3월～2000년 12월: 에이스테크놀로지 대리 2001년 1월～2002년 2월: 이노웨이브 이사 2002년 2월～현재: ㈜이너트론 대표이사
2015년 9월～현재: 인천대학교 전자공학과 석박사통합 과정
※ 관심분야 : 무선중계기 및 기지국시스템, 정보경영
김 정 표 (jeong-Pyo Kim)
2000년 2월: 제주대학교 통신공학과 (공학사), 2002년 2월: 한양대학교 전자통신전파공학과 (공학석사) 2007년 8월: 한양대학교 전자통신전파공학과 (공학박사), 2004년 2월～2007년 7월: ㈜EMW 선임연구원 2007년 9월～2010년 2월: 한양대학교 박사후 연구원, 2010년 3월～2011년 7월: ㈜EMW 책임연구원 2011년 8월～2016년 7월: RFIS 대표, 2016년 2월～현재: ㈜에이티코디 대표
※ 관심분야 : 안테나, 마이크로파 능수동 소자, 레이더, metamaterials 등
구 경 헌 (Kyung-Heon Koo)
1981년 2월: 서울대학교 전자공학과 (공학사), 1983년 2월: 서울대학교 전자공학과 (공학석사) 1991년 2월: 서울대학교 전자공학과 (공학박사), 1987년 3월～현재: 인천대학교 전자공학과 교수
1999년 7월～2000년 8월: UC Sna Diego 방문학자, 2001년 1월～2002년 12월: 마이크로파 및 전파전파연구회 위원장 2008년 1월～2009년 12월: 대한전자공학회 부회장, 통신소사이어티 회장
1997년 1월～현재 : 한국전자파학회 논문지편집/학술/총무/재무 이사, 부회장, 학회장, 명예회장 1998년 1월~ 현재 : 한국항행학회 학술이사, 연구회 위원장, 부회장, 학회장
※ 관심분야 : 마이크로파 회로 및 안테나 설계, 전파 신호처리, 항행 시스템 설계 등
