목차
1. Open Stub＆Short Stub
2. 분배기/합성기

3. 방향성 결합기(Directional Coupler)

(1) 결합선로 (Coupled Line)

여러분들 중에서도, 아날로그 혹은 디지털 회로에서 어떤 선로의 신호가 다른 신호선으로 전달되 버리는 현상 때문에 고생해 보신 분들도 많으리라 생각됩니다. 이렇듯 기판상의 선로패턴간에는 많건 적건 전자적 결합(coupling)이 존재합니다. 저주파회로와 디지털 회로에서는 이 전자적 커플링  자체를 적극적으로 검토하는 경우가 드문 편입니다. 그저 불필요한 방해물이나 제거 대상정도로 다루어지는 기생효과이죠. 하지만 고주파 회로에서는 이러한 커플링을 적극적으로 이용하여 여러 가지 기능을 하는 회로를 만들어냅니다.

그렇다면 평행하게 배치된 마이크로스트립 선로간에는 얼마만큼 커플링이 일어나는지, 평행배치 선로의 간격을 바꾸어가면서 시뮬레이션해보았습니다. 시뮬레이션에 응용된 각 파라미터값은 아래와 같습니다. 각 선로는 1GHz에 대해 특성임피던스가 거의 50Ω 정도이며, 길이는 λ/4 으로 되어 있습니다.

[ 기판 조건　：　유전율 εr=2.6, 두께 h=0.6 mm, 도체두께 t = 18μm ]
[ 패턴　：　폭w=1.6 mm, 길이 L=50 mm ]

아래 <그림 4-11>에 시뮬레이션 회로를 나타내었습니다.

<그림 4－11> 결합선로 (Coupled Line)

Port 1을 입력으로 했을 때에, 다른 port에는 어느정도 레벨의 신호가 검출되는지를 선로간격(s)을 바꾸어가며 해석한 결과를 아래 그림 <4-12>에 나타내었습니다.

<그림 4－12> 선로간격와 커플링의 관계를 해석한 결과

Port 1 에 들어온 신호는 선로 그 자체를 타고 대부분의 전력이 port 4로 전달되기 때문에 S41은 거의 0dB에 가까운 값을 보이며, port 3으로는 적은량의 신호만 큰 변화없이 전달되고 있습니다. 그런데 잘 관찰해보면, port 2로 전달되는 커플링 전력은 선로 간격에 따라 중심주파수를 기준으로 많이 변화하고 있다는 것을 S21의 변동을 통해 알 수 있습니다.

이것은 결국 어떤 의미일까요?? 이것은 port 1 에 신호를 입력했을 경우, port 2에서 나오는 출력신호를 이용하는 것이 쓸모있을 것이란 것을  보여줍니다. 사용자의 설계에 따라 커플링되는 레벨이 잘 조절되고, 그 출력 레벨도 port 3에 비해 더 큰 값을 얻을 수 있기 때문입니다. 또한 시뮬레이션 결과를 보면, 선로 간격을 점점 좁혀가도 한쪽 선로에서 다른쪽 선로로 전달할 수 있는 커플링양에는 한계가 있다는 점을 알 수 있습니다.

다시 자세히 그 특성을 보면, port 1 으로부터 신호를 입력했을 경우에 port 2와 port 3의 출력 레벨의 차이가 매우 큽니다. 레벨 차이가 10dB이상 벌어지고 있기 때문에, "port 2 에는 출력이 나오지만 port 3에는 출력이 거의 나타나지 않는다" 라고 말해도 될 듯 합니다. 그렇다면 만약에 방향을 바꾸어 port 4 에서 신호를 입력하면 어떻게 될까요? 그렇습니다. port 3 에는 결합출력이 나타나지만, port 2에는 출력이 거의 나타나지 않는 정 반대의 현상이 나타납니다. 이렇듯 어느 한방향으로는 특정 port에 결합출력이 전해지지만, 거꾸로 연결한 경우에는 반대로 그 특정 port에 전력이 전해지지 않는 방향성(directional) 특성을 다음 절에서 좀더 자세히 다루도록 하겠습니다.

그전에 결합선로 (Coupled Line) 의 위상특성을 <그림 4-13>에서,  좀더 넓은 대역에서 바라본 결합선로의 특성을 <그림 4-14>에 나타내었습니다.

<그림 4－13> 결합선로의 위상특성

<그림 4－14> 광대역에서의 결합선로 특성

위상특성에서 두드러지는 사실은, 1GHz에 대해 port 4 의 출력이 위상이 90° 늦어지고 ( λ/4  의 선로길이를 가지고 있으니 당근..) 커플링된 출력인 port 2의 출력신호의 위상지연은  0° 라는 것입니다. 더군다나 커플링양이 적은 경우 (즉 선로 간격이 넓은 경우)에는, port 3의 출력은 위상지연이 180° 으로 나타납니다.

광대역의 주파수영역 특성을 보면, port2의 커플링 특성이 주기적으로  '반복성'되고 있음을 보여주고 있습니다. (이것은 이전에 언급했던, 분포정수 회로의 가장 큰 특징이기도 합니다)

다음 >> 3. 분배기/합성기    (2) 방향성

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