실습-06 Quadrature Hybrid Coupler

I. 이론

1. 산란계수(scattering parameter)

그림: 산란계수 개념도

a1, a2: 포트 1, 포트 2에 입사되는 전압

b1, b2: 포트 1, 포트 2에서 반사되어 되돌아 오는 전압

포트: 장치/부품에 연결된 전송선

산란행렬: 산란계수를 행렬로 표현

2. Hybrid Coupler

Coupler: 결합기. 전송선(또는 장치)에서 전력을 일정비율로 추출해내는 장치

Directional coupler: 방향성 결합기. 전송선의 두 개 방향 중 한 방향으로 진행하는 전파만 일정비율로 추출

Hybrid coupler: 입력 단자 2개, 출력 단자 2개. 각 입력단자는 서로 격리됨. 각 입력단자의 전력이 1/2로 분할하면서 분할된 출력의 상대적 위상차 90º, 180º

Quadrature hybrid coupler: 전력이 1/2로 분할. 출력 간 위상차 90º. 동의어 hybrid coupler, 3dB quadrature coupler, branch line coupler. 용도: 안테나 원편파 급전, 전력증폭기 전력 합성, 2개 안테나에 2개 송신기 연결, image rejection mixer

180º hybrid coupler: 전력이 1/2로 분할. 출력 간 위상차 180º. 동의어 ring hybrid coupler, rat race coupler. 용도: 혼합기, 모노펄스 안테나 비교기

3. Quadrature Hybrid Coupler

1) 구조

그림: Quadrature hybrid coupler 개념도

그림: 마이크로스트립 quadrature hybrid coupler 구조

2) 동작이론

ㅇ Even and odd mode analysis

ㅇ 입력 임피던스 계산

ㅇ 전달계수 계산

II. 설계사례

- Rectangualar waveguide QHC: Olambe(16)

- Coaxial cable QHC: api

- Microstrip hybrid coupler: Kakoyiannis

II. 실습

1. QHC(quadrature hybrid coupler) 형상 생성

아래 그림의 QHC 구조를 Microwave Stuio로 생성: 주의 = Branch 선로는 main 선로의 중심선 간의 간격이 아니라 선로 테두리 사이의 간격임. 90º = 1/4 선로파장, 45º = 1/8 선로파장

기판: 유전상수 2.5, 손실탄젠트 0.002, 두께 0.787mm

접지면, 스트립 도체: 완전도체, 두께 0.034mm

설계주파수: 2.4GHz

선로 폭과 길이 계산: http://mcalc.sourceforge.net/ 의 MCalc 온라인 프로그램 사용

포트번호: 아래 그림과 같이 설정

그림: QHC 실습 구조

Port 1, 2, 3, 4: 50Ω, 2.2mm/10.8mm

Horizontal: 35Ω, 3.7mm/21.3mm

Vertical: 50Ω, 2.2mm/21.6mm

(a) QHC 형상 3차원도 제시

(b) QHC 형상 평면도 제시

(c) QHC 형상 포트 1번, 포트 4번의 wave port 형상 정면에서 본 그림 제시: 포트크기 설정 적정성 확인

2. 해석

위 구조를 산란계수를 1.8-3.0GHz에서 계산

(a) S11, S41 크기 도시: 수직축 -40dB to 0dB

(b) S21, S31 크기 도시: 수직축 -10dB to 0dB

(c) |S2|(dB)-|S31|(dB) 도시: 수직축 -5dB to 0dB

(d) arg(S21), arg(S31) 도시: 수직축 -180º to 180º

(e) arg((S21)-arg(S31) 도시: 수직축 -30º to 30º