Systematic Design of Wideband Single-Layer Microstrip 180° Hybrid Couplers Using a Novel Topology

기술 요약: 새로운 토폴로지를 이용한 광대역 단층 마이크로스트립 180° 하이브리드 결합기의 체계적 설계

문제 정의
180° 하이브리드 결합기는 마이크로파 및 RF 시스템에서 균형 잡힌 증폭기(balanced amplifiers), 반사계(reflectometers), 빔포밍 네트워크 등에 활용되는 필수적인 구성 요소로, 위상이 같은($\Sigma$) 신호와 위상이 반대인($\Delta$) 신호의 조합을 제공한다. 기존의 랫-레이스(rat-race) 결합기가 널리 사용되고 있으나, 고정된 1/4 파장 전송선로로 인한 협대역 특성과 큰 물리적 크기라는 본질적인 한계를 지닌다. 다중 섹션 구조, 프랙탈 기하학, 다층 구현을 포함한 다양한 대안들이 제안되어 왔으나, 많은 기존 솔루션들은 여전히 대역폭, 제작 복잡성, 비평면 기하학 또는 광범위한 비아(via) 상호 연결의 필요성 사이에서 트레이드오프(trade-off) 문제에 직면해 있다. 따라서 높은 격리도와 낮은 진폭/위상 불균형을 유지하면서도 단순한 단층 평면 마이크로스트립 기술을 사용하는 소형·광대역 180° 하이브리드에 대한 수요가 존재한다.

방법론
저자들은 위상이 같은 전력 분배기, 위상이 반대인 전력 분비기, 그리고 위상 변이 네트워크의 조합을 기반으로 광대역 180° 하이브리드를 구현하기 위한 새로운 체계적 토폴로지를 제안한다. 이론적 프레임워크는 4포트 180° 위상 변이기와 4개의 위상이 같은 전력 분배기로 구성된 일반화된 블록 다이어그램을 통해 확립된다. 동작 원리는 다음과 같은 신호 흐름 분석에 기초한다:

• $\Delta$ 포트가 여기(excitation)되면 신호가 분할되고, 180° 위상 변이된 후 재결합되어 포트 2와 3에서 위상이 반대인 출력을 생성하는 한편, 상쇄 간섭을 통해 $\Sigma$ 포트를 격리시킨다.
• $\Sigma$ 포트가 여기되면 위상이 같은 전력 분할 네트워크가 생성되어 포트 2와 3에 동일한 진폭과 위상의 신호를 전달하며, 동시에 상쇄 간섭을 통해 $\Delta$ 포트를 격리시킨다.

이 토폴로지를 검증하기 위해 두 가지 구별되는 단층 마이크로스트립 구현체가 설계, 제작 및 테스트되었으며, Rogers RO4003C 기판($\epsilon_r = 3.38$, $h = 0.508$ mm)을 사용하였다:

1. 연구 I (Wilkinson 기반): 이 설계는 컴팩트한 초광대역(UWB) 위상 반대 전력 분배기(마이크로스트립-슬롯라인 전이 활용), 새로운 컴팩트 UWB 위상 동일 전력 분배기(타원형 패치 및 직사각형 슬롯 사용), 그리고 두 개의 윌킨슨 전력 분배기(WPD)를 통합한다. 이 구성은 이전 버전에서 발견되었던 추가 기판 층의 필요성을 제거하여 완전한 평면 구조를 달eric한다.
2. 연구 II (5포트 기반): 컴팩트함과 대역폭을 더욱 향상시키기 위해, 첫 번째 설계의 윌킨슨 분배기를 직사각형 스터브를 가진 평행 마이크로스트립 라인 기반의 새로운 5포트 전력 분배기 구성으로 교체하였다. 이 구조는 $\Sigma$, 2, 3 포트 간의 전자기적 결합을 위해 접지 평면 슬롯을 활용한다.

두 설계 모두 Ansoft HFSS를 사용하여 최적화되었으며, 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 프로토타입이 제작 및 측정되었다.

주요 기여

• 새로운 토폴로지: 특정 전력 분배기와 위상 변이기를 체계적으로 결합하여 유연한 대역폭 및 성능 특성을 가진 1와 180° 하이브리드 제품군을 생성하는 일반화된 프레임워크를 도입하였다.
• 단층 구현: 다층 구조, 부유 기판(suspended substrates) 또는 광범위한 비아 사용의 복잡성을 제거한 완전한 평면 단층 마이크로스트립 결합기를 구현하였다.
• 구성 요소 혁신: 하이브리드 토폴로지에 특화된 컴팩트 UWB 위상 동일 전력 분배기 및 새로운 5포트 전력 분배기 구성을 개발하였다.
• 설계 유연성: 서로 다른 구성 빌딩 블록(예: WPD 대 5포트 분배기)을 선택함으로써 회로 크기와 분할 대역폭 사이의 트레이드오프를 조절할 수 있음을 입증하였다.

결과
제안된 두 결합기 모두 광대역 동작을 보여주었으며, 시뮬레이션과 측정 결과 간의 우수한 일치를 나타냈다:

• 주파수 범위: 두 설계 모두 4–9 GHz 범위에서 효과적으로 동작한다. 연구 II는 연구 I의 73%보다 개선된 87%(3.5–9.5 GHz)의 측정된 분할 대역폭을 달성하였다.
• 반사 손실: $\Sigma$ 및 $\Delta$ 포트에서의 입력 반사 손실은 동작 대역 전체에서 12 dB보다 우수하였다.
• 격리도: 입력 포트($\Sigma$ 및 $\Delta$) 간의 격리도는 30 dB를 초과하였으며, 출력 포트 간의 격리도는 전체 대역에서 15 dB보다 우수하게 유지되었다.
• 진폭 및 위상 균형: 진폭 불균형은 낮았으며($\pm 0.5$ dB ~ $\pm 1$ dB 이내), 위상 편차는 이상적인 0°(동위상) 및 180°(역위상) 응답으로부터 약 $\pm 5^\circ$ ~ $\pm 10^\circ$ 이내로 유지되었다.
• 소형화: 연구 II는 단층 구성을 유지하면서 37.6 mm $\times$ 37 mm의 치수로 연구 I 대비 약 34%의 풋프린트 감소를 달성하였다.

의의
본 논문은 제안된 토폴로지가 광대역, 소형 크기 및 제작 용이성의 유리한 조합을 제공한다고 주장한다. 다층 구조와 복잡한 비아 상호 연결을 피함으로써, 이 설계들은 현대의 마이크로파 및 RF 프런트엔드 시스템에 통합하기에 매력적인 후보로 제시된다. 본 연구는 특정 전력 분배 및 위상 변이 기술의 체계적인 결합이 기존의 고급 구조들이 가진 크기 및 복잡성의 단점 없이도 고성능 180° 하이브리를 생성할 수 있음을 검증한다. 또한, 이 토폴로지의 유연성은 맞춤형 성능 요구 사항을 가진 미래의 광대역 결합기를 개발하기 위한 실용적인 토대로서 강조된다.