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KR101661011B1 - 스트립라인 방향성 커플러 - Google Patents

스트립라인 방향성 커플러 Download PDF

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Publication number
KR101661011B1
KR101661011B1 KR1020127033496A KR20127033496A KR101661011B1 KR 101661011 B1 KR101661011 B1 KR 101661011B1 KR 1020127033496 A KR1020127033496 A KR 1020127033496A KR 20127033496 A KR20127033496 A KR 20127033496A KR 101661011 B1 KR101661011 B1 KR 101661011B1
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KR
South Korea
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main arm
coupling
coupler
main
section
Prior art date
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KR1020127033496A
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KR20130111238A (ko
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양 리
수아낭 주
드미트리 프리호드코
Original Assignee
스카이워크스 솔루션즈, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of KR20130111238A publication Critical patent/KR20130111238A/ko
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  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)

Abstract

샌드위치 스트립 결합 커플러는 다층 인쇄 회로 기판과 같은 다층 기판에 구현된다. 일 예에서, 상기 샌드위치 스트립 결합 커플러는 제1 주 암 섹션 및 상기 제1 주 암 섹션 위에 배치된 제2 주 암 섹션을 갖는 주 암 - 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들은 서로 전기적으로 연결됨 -, 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들 사이에 배치된 결합 암을 포함하며, 상기 제1 주 암 섹션, 결합 암 및 제2 주 암 섹션은 샌드위치 구조체를 형성한다.

Description

방향성 커플러의 샌드위치 구조체{SANDWICH STRUCTURE FOR DIRECTIONAL COUPLER}
본 발명은 일반적으로 전자 전송 선로 소자의 분야에 관한 것으로, 특히, 방향성 커플러(directional coupler)에 관한 것이다.
방향성 커플러는, 예를 들어, 전력 증폭기 모듈을 포함하는 많은 무선 주파수(RF) 응용에서 사용되는 수동 소자이다. 방향성 커플러는 전송 선로에서 전송 전력의 일부를 다른 포트를 통해 출력된 공지의 양만큼 결합하는 것으로, 마이크로스트립 또는 스트립라인 커플러의 경우, 한쪽을 통과하는 에너지가 다른 쪽에 결합되도록 서로 충분히 가까이 놓여진 두 전송 선로들을 이용한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 방향성 커플러(100)는 네 개의 포트, 즉 입력 포트(input port)(P1), 전송 포트(transmitted port)(P2), 결합 포트(coupled port)(P3), 및 격리 포트(isolated port)(P4)를 갖는다. "주 선로(main line)"라는 용어는 포트들(P1 및 P2) 사이의 커플러의 전송 선로 섹션(110)을 말한다. "결합 선로(coupled line)"라는 용어는 주 선로(110)에 평행하면서 결합 포트(P3)와 격리 포트(P4) 사이에서 이어지는 전송 선로 섹션(120)을 말한다. 종종, 격리 포트(P4)는 내부 또는 외부의 정합 부하, 예를 들면, 50 옴 또는 70 옴 부하로 종단된다. 방향성 커플러는 선형 소자이기 때문에, 도 1에서 임의적으로 표시되어 있음이 인식될 것이다. 어떠한 포트라도 입력 포트가 될 수 있으며, 직접 연결된 포트는 전송 포트가 될 것이며, 인접한 포트는 결합 포트가 되며, 대각방향의 포트는 격리 포트가 된다(스트립라인 및 마이크로스트립 커플러의 경우).
마이크로스트립 및 스트립라인 커플러는 제조의 용이함과 저비용으로 인해 다층 적층 인쇄 회로 기판(PCBs)을 이용하여 전력 증폭기 모듈에서, 특히 통신 응용에서 사용되는 전력 증폭기 모듈에서 널리 구현된다. 통상적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 이들 커플러는 주 RF 선로(210) 및 결합 선로(220)를 수직방향으로 인접한 두 PCB 층에 배치하고 RF 커플링을 제공하도록 두 구조체의 중첩을 유지시킴으로써 실현된다.
본 발명의 양태 및 실시예는 종래의 스트립 결합 커플러(strip coupled coupler) 디자인에 비해 크기가 줄어든 커플러를 이용하여 특정한 결합 계수(factor)가 성취될 수 있고, 또한 높은 방향성을 유지하는 스트립 결합 커플러 디자인과 관련된다. 일 실시예에 따르면, "샌드위치" 구조체는, 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이, 주 선로와 부(secondary)/결합 선로 간의 결합을 더 강하게 하는데 사용되며, 여기서 주 선로는 비아를 통해 연결된 두 층에서 구현되며 부 암(secondary arm)은 두 개의 주 선로 층들 사이에 위치한다.
일 실시예에 따르면, 다층 스트립 결합 커플러는 다층 기판의 제1 금속 층에 형성된 제1 주 암 섹션, 상기 다층 기판의 상기 제1 금속 층 위의 제2 금속 층에 형성되고 상기 제1 주 암 섹션과 수직방향으로 정렬되며, 상기 제1 주 암 섹션에 전기적으로 병렬로 연결된 제2 주 암 섹션, 및 상기 다층 기판의 제3 금속 층에 형성된 결합 암을 포함하며, 상기 결합 암은 상기 제1 주 암 섹션과 상기 제2 주 암 섹션 사이에 배치되고 제1 유전체 층에 의해 상기 제1 주 암 섹션으로부터 분리되고 제2 유전체 층에 의해 상기 제2 주 암 섹션으로부터 분리된다. 상기 제1 주 암 섹션, 상기 결합 암 및 상기 제2 주 암 섹션은 상기 다층 기판에서 수직방향으로 정렬되고 샌드위치 구조체를 형성한다. 상기 다층 스트립 결합 커플러는 제1 주 암 섹션의 입력에 가까이 배치되어 상기 제1 및 제2 주 암 섹션을 전기적으로 병렬로 연결하는 제1 비아, 및 상기 입력에 비해 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들의 원단부에 가까이 배치되어 상기 제1 및 제2 주 암 섹션을 전기적으로 병렬로 연결하는 제2 비아를 더 포함한다. 일 예에서, 상기 다층 기판은 다층 인쇄 회로 기판이다. 일 예에서, 상기 결합 암은 상기 제1 및 제2 비아들 사이에 배치된다. 다른 예에서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들에서 전류는 동일한 방향으로 흐른다. 또 다른 예에서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션 및 상기 결합 암은 구리 트레이스(copper trace)를 포함한다.
다층 인쇄 회로 기판에 형성된 스트립 결합 커플러의 일 실시예에 따르면, 상기 스트립 결합 커플러는 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제1 층에 형성된 제1 주 선로 섹션, 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제2 층에 형성된 제2 주 선로 섹션, 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제3 층에 형성된 결합 선로 - 상기 제3 층은 상기 제1 및 제2 층들 사이에 배치되고 상기 결합 선로는 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들 사이에 배치되며, 상기 결합 선로, 상기 제1 주 선로 섹션 및 상기 제2 주 선로 섹션은 수직방향으로 정렬됨 -, 및 상기 제1 주 선로 섹션을 상기 제2 주 선로 섹션에 전기적으로 병렬로 연결하는 적어도 하나의 비아를 포함한다.
상기 스트립 결합 커플러의 일 예에서, 상기 제1, 제2 및 제3 층들은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 금속 층들이다. 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션 및 상기 결합 선로는 예를 들면 인쇄된 구리 또는 금의 트레이스이다. 일 예에서, 상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 주 선로 섹션의 근단부에 가까이 배치된 제1 비아 및 상기 제1 주 선로 섹션의 원단부에 가까이 배치된 제2 비아를 포함한다. 일 예에서, 상기 결합 선로는 상기 제1 및 제2 비아들 사이에 배치된다. 상기 스트립 결합 커플러는 상기 제1 주 선로 섹션 및 상기 제2 주 선로 섹션의 각각의 근단부에 결합된 입력 포트, 및 상기 결합 선로의 근단부에 결합된 결합 포트를 더 포함할 수 있고, 상기 결합 선로의 상기 근단부는 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들의 상기 근단부와 동일한 상기 스트립 결합 커플러의 단부에 있다. 다른 실시예에서, 상기 스트립 결합 커플러는 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들의 원단부에 결합된 전송 포트, 및 상기 결합 선로의 원단부에 결합된 격리 포트를 더 포함한다. 상기 격리 포트는 정합 부하로 종단될 수 있다. 일 예에서, 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들에서 전류는 상기 입력 포트로부터 상기 전송 포트로 동일한 방향으로 흐른다.
또 다른 실시예에 따르면, 샌드위치 스트립 결합 커플러는 제1 주 암 섹션 및 상기 제1 주 암 섹션 위에 배치된 제2 주 암 섹션을 포함하는 주 암 - 상기 제1 및 제2 주 암 섹션은 서로 전기적으로 병렬로 연결됨 -, 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들 사이에 배치되는 결합 암을 포함하며, 상기 제1 주 암 섹션, 상기 결합 암 및 상기 제2 주 암 섹션은 서로 수직방향으로 정렬되고 샌드위치 구조체를 형성한다.
일 예에서, 상기 샌드위치 스트립 결합 커플러는 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 비아를 더 포함한다. 다른 예에서, 상기 샌드위치 스트립 결합 커플러는 다층 인쇄 회로 기판에서 구현되며, 상기 제1 주 암 섹션은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제1 금속 층에 배치되고, 상기 제2 주 암 섹션은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제2 금속 층에 배치되고, 상기 제2 금속 층은 상기 제1 금속 층 위에 배치되며, 상기 결합 암은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제3 금속 층에 배치되고, 상기 제3 금속 층은 상기 제1 금속 층 위와 상기 제2 금속 층 아래에 배치된다. 일 예에서, 상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들의 근단부에 가까이 배치된 제1 비아, 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들의 원단부에 가까이 배치된 제2 비아를 포함한다. 상기 샌드위치 스트립 결합 커플러는 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들의 상기 근단부에 결합된 입력 포트 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들의 상기 원단부에 결합된 전송 포트를 더 포함할 수 있다. 일 예에서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션들에서 전류는 상기 입력 포트로부터 상기 전송 포트로 동일한 방향으로 흐른다.
또 다른 양태, 실시예, 및 이들 예시적인 양태 및 실시예의 장점은 이하에서 상세히 설명된다. 본 명세서에서 개시된 모든 실시예는 본 명세서에서 개시된 목적, 목표, 및 요구 중 적어도 하나와 일치하는 어떤 방식으로든 어떤 다른 실시예와 조합될 수 있으며, "실시예", "몇몇 실시예", "대안의 실시예", "여러 실시예", 또는 "일 실시예" 등에 대한 언급은 반드시 상호 배타적인 것은 아니며 그 실시예와 관련하여 기술된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내고자 한다. 본 명세서에서 그러한 용어가 나온다고 반드시 모두가 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 첨부의 도면은 각종 양태 및 실시예의 예시 및 충분한 이해를 제공하고자 포함되어 있으며 본 명세서의 일부에 포함되고 그 일부를 구성한다. 이러한 도면은 명세서의 나머지 부분과 함께 기술되고 청구된 양태 및 실시예의 원리와 동작을 설명하는데 사용된다.
적어도 하나의 실시예의 여러 양태가 축척대로 그리려 하지 않은 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명된다. 도면, 상세한 설명 또는 어떤 청구항에서의 기술적인 특징부들에 참조 부호가 병기되는 경우, 그 참조 부호는 전적으로 도면, 상세한 설명, 및 청구항들의 명료성을 증진시키려는 목적으로만 포함된다. 따라서, 참조 부호나 참조 부호가 없는 것은 어떤 청구항의 구성 요소의 범주에 어떠한 제한적인 영향도 미치려고 하는 것은 아니다. 도면에서, 각종 도면에서 예시되는 동일 또는 거의 동일한 각각의 컴포넌트는 유사한 숫자로 나타낸다. 명료성을 기하기 위하여, 모든 도면에서 모든 컴포넌트에 번호를 부여하지 않을 수 있다. 도면은 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되며 본 발명의 한계를 규정하려는 것은 아니다.
도 1은 방향성 커플러의 일 예의 블록도이다.
도 2는 다층 인쇄 회로 기판 상에서 구현된 종래의 스트립 결합 방향성 커플러의 일 예의 도면이다.
도 3은 본 발명의 양태에 따라서, 다층 인쇄 회로 기판 상에서 구현된 샌드위치 스트립 결합 방향성 커플러의 일 예의 도면이다.
도 4는 종래의 스트립 결합 커플러의 일 예의 모의실험 도면이다.
도 5a는 도 4의 모의실험한 종래의 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 결합 계수(coupling factor)의 그래프이다.
도 5b는 도 4의 모의실험한 종래의 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 방향성의 그래프이다.
도 5c는 도 4의 모의실험한 종래의 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 반사 손실(return loss)의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 샌드위치 스트립 결합 커플러의 일 예의 모의실험 도면이다.
도 7a는 도 6의 모의실험한 샌드위치 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 결합 계수의 그래프이다.
도 7b는 도 6의 모의실험한 샌드위치 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 방향성의 그래프이다.
도 7c는 도 6의 모의실험한 샌드위치 스트립 결합 커플러의 주파수의 함수로서 반사 손실의 그래프이다.
다중 대역 및 다중 모드 응용을 지원하기 위하여, "데이지 체인방식(daisy-chained)" 방향성 커플러를 이용하여 다수의 주파수 대역에 걸쳐 전력 검출이 분담되는 무선 기기의 아키텍처, 이를테면, 셀룰러 전화 핸드셋이 제안되어 있다. 이로 인해 높은 방향성을 가질 뿐만 아니라 상이한 주파수 대역들에서 동일한 결합 계수를 갖는 커플러가 필연적으로 필요하다. (dB 단위의) 결합 계수는 아래와 같이 정의된다.
Figure 112012106573717-pct00001
수학식 1에서, P2는 전송 포트에서의 전력이며 P3는 결합 포트로부터의 출력 전력이다(도 1 참조). (dB 단위의) 결합 계수는 또한 다음과 같이 커플러의 S 파라미터로 표현될 수 있다.
Figure 112012106573717-pct00002
수학식 2에서, S(3,1)은 입력 포트로부터 결합 포트로의 전송 파라미터이며 S(2,1)은 입력 포트로부터 전송 포트로의 전송 파라미터이다. 따라서, 결합 계수는 입력 포트에서 인가된 신호에 대하여, 결합 포트에서의 신호 대 전송 포트에서의 신호의 비를 나타낸다. 결합 계수는 방향성 커플러의 기본 특성을 나타낸다. 결합은 일정하지 않고, 주파수에 따라 변화한다.
소형 전력 증폭기 모듈 응용에서 사용된 스트립 결합 커플러의 경우, 결합 계수는 대략적으로 커플러의 전기 길이(electrical length)에 비례한다. 따라서, 많은 응용에서 결합 계수 사양을 맞추기 위해 전기 길이가 더 긴 커플러가 사용된다. 그러나, 전력 증폭기 모듈의 크기가 줄어듦에 따라, 몇몇 통신 표준에서 사용되는 특히 낮은 주파수 대역, 예를 들면, 700 메가헤르츠(MHz) 부근의 대역에서 지정된/원하는 결합 계수를 얻기에 충분히 긴 커플러를 구현하는 것이 도전적인 문제가 되고 있다. 몇몇 구현예는 커플러 선로를 구부림으로써 커플러 길이를 증가시키고 있지만, 이것은 커플러의 방향성의 저하를 초래할 수 있으며 또한 출력 정합 네트워크의 라우팅 유연성(routing flexibility)을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 양태 및 실시예는 커플러 크기를 줄이면서 동일한 결합 계수를 성취하고 또한 높은 방향성을 유지하는 스트립 결합 커플러 디자인과 관련된다. 특히, 일 실시예에 따르면, 주 선로와 부/결합 선로 간의 결합을 더 강하게 하기 위하여 샌드위치 구조가 사용되며, 여기서 주 선로는 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이 비아를 통해 연결된 두 층에서 구현되며 부 암(secondary arm)은 두 개의 주 선로 층들 사이에 배치된다.
본 명세서에서 설명되는 방법 및 장치의 실시예들은 응용에서 다음의 설명에서 기술된 또는 첨부의 도면에서 예시된 컴포넌트들의 세부적인 구성 및 배열로 제한되지 않는다는 것이 인식될 것이다. 이러한 방법 및 장치는 다른 실시예에서 구현 가능하고 여러 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 특정한 구현예들의 예는 본 명세서에서 단지 예시적인 목적으로만 제공되며 제한하려는 것은 아니다. 특히, 하나 이상의 어떤 실시예와 관련하여 기술되는 행위, 구성 요소 및 특징들은 어떤 다른 실시예들에서의 유사한 역할을 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐이며 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 본 명세서에서 단수로 언급되는 시스템 및 방법의 실시예 또는 구성 요소 또는 행위에 관한 모든 언급은 복수의 이들 구성 요소들을 포함하는 실시예를 또한 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 어떤 실시예 또는 구성 요소 또는 행위에 대한 모든 복수의 언급은 단일의 구성 요소만을 포함하는 실시예들을 또한 포함할 수 있다. 단수 형태 또는 복수 형태의 언급은 현재 개시된 시스템 또는 방법, 이들의 컴포넌트, 행위 또는 구성 요소를 제한하려는 것은 아니다. 본 명세서에서, "구비하는, 포함하는, 갖는, 내포하는, 수반하는(including, comprising, having, containing, involving)" 및 이들의 변형은 그 뒤에 열거된 항목 및 그의 등가물뿐만 아니라 부가적인 항목들을 망라하는 것을 의미한다. "또는"이라는 언급은 "또는"을 사용하여 기술된 모든 용어가 단일의, 둘 이상의, 및 모든 기술된 용어들 중 어떤 것이라도 나타낼 수 있도록 포괄하는 것으로 해석될 수 있다. 앞 및 뒤, 좌 및 우, 상부 및 하부, 상단 및 하단, 및 수직 및 수평에 대한 모든 언급은 설명의 편의를 위한 것이지 본 시스템 및 방법 또는 이들의 컴포넌트들을 어떤 하나의 위치적 또는 공간적 방위로 제한하려는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 샌드위치 아키텍처를 갖는 스트립 결합 커플러의 일 예가 예시된다. 커플러(300)는 절연 기판, 이를테면, 예를 들어, 당업자에게 알려진 바와 같이, 유전체 층에 의해 서로 분리되는 적어도 수직방향으로 인접한 세 개의 금속 층들을 포함하는 다층 PCB(미도시됨) 상에서 패턴된 금속 전송 선로로서 구현된다. 커플러(300)의 주 암은 다층 기판 구조체의 두 개의 금속 층들에서 구성되며 결합 암(coupled arm)(330)의 위와 아래에 각기 배치된 제1 섹션(310) 및 제2 섹션(320)을 포함한다. 결합 암(330), 제1 주 암 섹션(310) 및 제2 주 암 섹션(320)은 실질적으로 수직으로 정렬되어 샌드위치 구조체를 형성한다. 주 암의 두 섹션들(310, 320)은 비아(340)를 매개로 하여 서로 병렬로 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 및 제2 주 암 섹션들에서 전류는 주 암의 일 단에 있는 입력 포트로부터 주 암의 타 단에 있는 전송 포트로 동일한 방향으로 흐른다. 예시된 실시예에서, 결합 암(330)은 비아들(340) 사이에 배치되어서, 두 개의 주 암 섹션들(310, 320)이 결합 암(330)의 "바깥"에서 서로 결합되도록 한다. 일 예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 비아(340)는 주 암 섹션들(310, 320)의 양 단에 배치된다. 비록 도 3에서 단일의 비아(340)가 주 암 섹션들(310, 320)의 어느 한 단에 예시되어 있을지라도, 각각의 비아(340)는 하나 이상의 물리적인 관통 홀 도금 비아(through-hole plated vias)로서 구현될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 게다가, 대안의 연결 메커니즘, 이를테면, 예를 들어, 본드 와이어가 비아를 대신하여 두 개의 주 선로 섹션들(310, 320)을 서로 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있다. 따라서, 결합 암(330)은 부 암의 상부 및 하부 양측에서 전자기장을 통해 주 암과의 더 강한 결합을 성취한다. 그 결과, 길이가 짧아진 커플러라도 종래의 스트립 결합 커플러에 비해 동일한 결합 계수를 가질 수 있거나, 또는 그와 달리, 동일한 길이의 커플러라면, 샌드위치 구조체가 더 높은 결합 계수를 성취할 수 있다.
커플러가 구현된 절연 기판 구조체는 커플러가 사용되는 응용에 적합한 어떤 형태의 기판 재료라도 포함할 수 있다(예를 들어, FR4 또는 LTCC를 포함). 커플러의 주 선로(310, 320) 및 결합 선로(330)는 인쇄된 금속 트레이스(metal trace), 예를 들면, 구리 또는 금 트레이스일 수 있다.
샌드위치 스트립 결합 커플러의 실시예의 상대적인 성능 및 특징을 예시하기 위해 종래의 스트립 결합 커플러 및 샌드위치 스트립 결합 커플러의 예들을 모의실험하였다.
도 4를 참조하면, 모의실험한 종래의 스트립 결합 커플러(200)의 도면이 예시된다. 커플러(200)는 입력 포트(P1), 전송 포트(P2), 결합 포트(P3) 및 격리 포트(P4)를 갖는다. 모의실험은 애질런트 테크놀로지(Agilent Technologies)로부터 구입 가능한 모의실험 프로그램인 애질런트 모멘텀(Agilent Momentum)을 이용하여 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 수행하였다. 모의실험에서, 커플러(200)는 주 암 길이(410)가 3.0 밀리미터(mm)이고 결합 암 길이(420)가 2.5 mm인 것으로 지정되었다.
도 5a는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수 함수로서 커플러(200)의 dB 단위의 결합 계수(Cpout)의 그래프를 예시한다. 도 5a를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 커플러(200)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 대략 -20 dB의 결합 계수를 갖는다. 구체적으로, 커플러(200)는 표시자(510)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서 -20.3 dB의 결합 계수를 갖는다. 도 5b는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수의 함수로서 커플러(200)의 dB 단위의 방향성(D)의 그래프를 예시한다. 커플러의 (dB 단위의) 방향성은 다음과 같이 커플러의 S 파라미터로 규정될 수 있다.
Figure 112012106573717-pct00003
도 5b를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 커플러(200)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 대략 -30 dB의 방향성을 갖는다. 구체적으로, 커플러(200)는 표시자(520)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서 -30.431 dB의 방향성을 갖는다. 도 5c는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수의 함수로서 커플러(200)의 dB 단위의 반사 손실(S(2,2))의 그래프를 예시한다. 도 5c를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 커플러(200)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 대략 -45 dB의 반사 손실을 갖는다. 구체적으로, 커플러(200)는 표시자(530)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서 -45.752 dB의 반사 손실을 갖는다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 샌드위치 스트립 결합 커플러(300)의 모의실험 도면이 예시된다. 커플러(300)는 입력 포트(P1), 전송 포트(P2), 결합 포트(P3) 및 격리 포트(P4)를 갖는다. 격리 포트(P4)는 정합 부하(matched load)로 종단될 수 있다. 모의실험은 전술한 바와 동일한 주파수 범위 700 MHz 내지 800 MHz에 걸쳐 수행하였으며, 그 결과는 도 7a 내지 도 7c에 제시된다. 모의실험에서, 커플러(300)는 주 암 길이(610)가 2.3 밀리미터(mm)이고 결합 암 길이(620)가 2.1 mm인 것으로 지정되었다. 도 7a는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수 함수로서 모의실험한 샌드위치 커플러(300)의 dB 단위의 결합 계수(Cpout)의 그래프를 예시한다. 도 7a를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 샌드위치 커플러(300)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 대략 -20 dB의 결합 계수를 갖는다. 구체적으로, 샌드위치 커플러(300)는 표시자(710)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서 -20.266 dB의 결합 계수를 갖는다. 도 7b는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수의 함수로서 샌드위치 커플러(300)의 dB 단위의 방향성(D)의 그래프를 예시한다. 도 7b를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 샌드위치 커플러(300)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 -29 dB보다 나은 방향성을 가지며, 표시자(720)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서는 -29.185 dB의 방향성을 갖는다. 도 7c는 모의실험한 주파수 범위에 걸쳐 (MHz 단위의) 주파수의 함수로서 샌드위치 커플러(300)의 dB 단위의 반사 손실(S(2,2))의 그래프를 예시한다. 도 7c를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 샌드위치 커플러(300)는 700 MHz 내지 800 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 대략 -43 내지 -44 dB의 반사 손실을 가지며, 표시자(730)로 표시된 바와 같이 707 MHz에서는 -43.955 dB의 반사 손실을 갖는다.
모의실험 결과는 실질적으로 크기가 줄어든 샌드위치 스트립 결합 커플러가 종래의 스트립 결합 커플러와 매우 유사한 결합 계수, 방향성 및 반사 손실을 성취할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 커플러 크기가 줄어듦으로써 낮은 주파수에서도 고성능 커플러를 작은 전력 증폭기 모듈에 통합하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 현재 바람직한 전력 증폭기 모듈의 크기는 대략 3 mm x 3 mm 이다. 샌드위치 스트립 결합 커플러(600)의 실시예는 이러한 크기의 전력 증폭기 모듈 내에서 구현될 수 있는데, 그 이유는 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이 샌드위치 스트립 결합 커플러의 전송 선로는 실질적으로 3 mm보다 짧게 만들어질 수 있으며 이 커플러는 여전히 700 내지 800 MHz 주파수 대역에서 양호한 성능을 제공하기 때문이다. 게다가, 커플러(300)의 주 암은 두 금속 층에서 구현되기 때문에, 유사한 금속화 손실을 성취하기 위하여, 도 4 및 도 6을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 동일한 성능 사양을 고려할 때, 선로 폭(630)은 단층의 주 암을 갖는 종래의 커플러의 대응하는 주 선로 폭(430)보다 상당히 작을 수 있다. 선로 폭(630)이 더 좁아지면 커플러(300)의 크기 및 이 커플러가 기판 또는 인쇄 회로 기판 패키지에서 사용하는 공간이 더 줄어든다.
이와 같이 적어도 일 실시예의 여러 양태가 기술되었지만, 당업자에게는 다양한 변경, 변형 및 개선에 대한 생각이 쉽게 떠오를 것이라고 인식된다. 그러한 변경, 변형, 및 개선은 본 개시 내용의 일부라고 생각되며 또한 본 발명의 범주에 속하는 것이라고 생각된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이며, 본 발명의 범주는 첨부의 특허청구범위의 적절한 구성 및 이들의 등가물로부터 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 샌드위치 스트립 결합 커플러(sandwich strip coupled coupler)로서,
    제1 주 암 섹션 및 상기 제1 주 암 섹션 위에 배치된 제2 주 암 섹션을 포함하는 주 암(main arm) - 상기 제1 및 제2 주 암 섹션은 서로 전기적으로 병렬로 연결됨 -; 및
    상기 제1 및 제2 주 암 섹션 사이에 배치되는 결합 암(coupled arm)을 포함하며,
    상기 제1 주 암 섹션, 상기 결합 암 및 상기 제2 주 암 섹션은 서로 수직방향으로 정렬되고 샌드위치 구조체를 형성하는 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 비아를 더 포함하는 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샌드위치 스트립 결합 커플러는 다층 인쇄 회로 기판에서 구현되며,
    상기 제1 주 암 섹션은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제1 금속 층에 배치되고,
    상기 제2 주 암 섹션은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제2 금속 층에 배치되고, 상기 제2 금속 층은 상기 제1 금속 층 위에 배치되며,
    상기 결합 암은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 제3 금속 층에 배치되고, 상기 제3 금속 층은 상기 제1 금속 층의 위와 상기 제2 금속 층의 아래에 배치된 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 및 제2 주 암 섹션의 근단부(proximal end)에 가까이 배치된 제1 비아 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션의 원단부(distal end)에 가까이 배치된 제2 비아를 포함하는 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션의 상기 근단부에 결합된 입력 포트 및 상기 제1 및 제2 주 암 섹션의 상기 원단부에 결합된 전송 포트를 더 포함하는 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션에서 전류는 동일한 방향으로 흐르는 샌드위치 스트립 결합 커플러.
  7. 다층 스트립 결합 커플러로서,
    다층 기판의 제1 금속 층에 형성된 제1 주 암 섹션;
    상기 다층 기판의 상기 제1 금속 층 위의 제2 금속 층에 형성되고, 상기 제1 주 암 섹션과 수직방향으로 정렬되고 상기 제1 주 암 섹션에 전기적으로 연결된 제2 주 암 섹션;
    상기 다층 기판의 제3 금속 층에 형성되고, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션 사이에 배치되며, 제1 유전체 층에 의해 상기 제1 주 암 섹션으로부터 분리되고 제2 유전체 층에 의해 상기 제2 주 암 섹션으로부터 분리되는 결합 암;
    상기 제1 주 암 섹션의 입력에 가까이 배치되어 상기 제1 및 제2 주 암 섹션을 전기적으로 병렬로 연결하는 제1 비아; 및
    상기 입력에 비해 상기 제1 및 제2 주 암 섹션의 원단부에 가까이 배치되어 상기 제1 및 제2 주 암 섹션을 전기적으로 병렬로 연결하는 제2 비아
    를 포함하는 다층 스트립 결합 커플러.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다층 기판은 다층 인쇄 회로 기판인 다층 스트립 결합 커플러.
  9. 제7항에 있어서, 상기 결합 암은 상기 제1 및 제2 비아들 사이에 배치된 다층 스트립 결합 커플러.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션에서 전류는 동일한 방향으로 흐르는 다층 스트립 결합 커플러.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 암 섹션 및 상기 결합 암은 구리 트레이스들(copper traces)인 다층 스트립 결합 커플러.
  12. 다층 인쇄 회로 기판에 형성된 스트립 결합 커플러로서,
    상기 다층 인쇄 회로 기판의 제1 층에 형성된 제1 주 선로 섹션;
    상기 다층 인쇄 회로 기판의 제2 층에 형성된 제2 주 선로 섹션;
    상기 다층 인쇄 회로 기판의 제3 층에 형성된 결합 선로 - 상기 제3 층은 상기 제1 및 제2 층들 사이에 배치되고 상기 결합 선로는 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들 사이에 배치되며, 상기 결합 선로, 상기 제1 주 선로 섹션 및 상기 제2 주 선로 섹션은 수직방향으로 정렬됨 -; 및
    상기 제1 주 선로 섹션을 상기 제2 주 선로 섹션에 전기적으로 병렬로 연결하는 적어도 하나의 비아
    를 포함하는 스트립 결합 커플러.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 층들은 상기 다층 인쇄 회로 기판의 금속 층들인 스트립 결합 커플러.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들 및 상기 결합 선로는 인쇄 구리 트레이스들(printed copper traces)인 스트립 결합 커플러.
  15. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 주 선로 섹션의 근단부에 가까이 배치된 제1 비아 및 상기 제1 주 선로 섹션의 원단부에 가까이 배치된 제2 비아를 포함하는 스트립 결합 커플러.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 주 선로 섹션 및 상기 제2 주 선로 섹션의 각각의 근단부에 결합된 입력 포트; 및
    상기 결합 선로의 근단부에 결합된 결합 포트를 더 포함하며,
    상기 결합 선로의 상기 근단부는 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들의 상기 근단부와 동일한 상기 스트립 결합 커플러의 단부에 있는 스트립 결합 커플러.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들의 원단부에 결합된 전송 포트, 및
    상기 결합 선로의 원단부에 결합된 격리 포트를 더 포함하는 스트립 결합 커플러.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주 선로 섹션들에서 전류는 상기 입력 포트로부터 상기 전송 포트로 동일한 방향으로 흐르는 스트립 결합 커플러.
  19. 제17항에 있어서, 상기 격리 포트에 결합된 정합 부하를 더 포함하는 스트립 결합 커플러.
  20. 제15항에 있어서, 상기 결합 선로는 상기 제1 및 제2 비아들 사이에 배치된 스트립 결합 커플러.
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