RF 관점에서 보면 물리적으로 떨어진 도체와 도체 사이에 유전체가 있는 구조에는 모두 capacitance가 존재한다고 볼 수 있습니다. 그리고 capacitor는 인가되는 주파수가 높을수록 신호를 잘 통과시킵니다. 주파수가 일정하다면 도체와 도체 사이의 거리가 가까울수록 신호가 잘 전달됩니다.


아래 capacitance 수식을 보시기 바랍니다.


 


여기서 A는 도체의 면적이고, d는 도체 사이의 거리,€는 도체 사이 유전체의 유전율입니다.



위의 그림은 나란히 지나가는 두 선로를 그린 것입니다. 위의 capacitance 수식이 똑같이 적용됩니다. 따라서 이 그림에서 두 선로간의 커플링 역시 선로 사이의 거리 d 와 선로 길이 l 에 의해 선로간의 capacitance가 바뀝니다. 다시 말해 커플링되는 길이(면적)와 간격을 조절해서 원하는 만큼의 전력을 추출할 수 있다는 의미입니다. 


아래 그림을 보면서 coupler에 대해 좀 더 상세히 알아보겠습니다. -30dB coupler입니다.대부분의 coupler는 아래의 이미지와 같이 4port 구조를 가집니다. 그리고 입력 포트의 위치에 따라 나머지 포트의 특성이 결정되기 때문에 방향성 결합기(directional coupler)라고도 부릅니다. 아래 그림에서 1번 포트에 신호를 인가하면 2번 포트로 거의 대부분의 신호가 나옵니다. 그리고 4번 포트로는 커플링된 신호가 -30dB만큼 낮아져서 나옵니다. 3번 포트로는 신호가 나오지 않구요. 신호가 나오지 않는다고는 하지만 보통 3번 포트에는 50Ω termination 을 달아서 만에 하나라도 반사파가 생기지 않도록 합니다.



반대로 2번 포트에 신호를 입력시키면, 1번 포트로 대부분의 신호가 나오고 3번 포트로 커플링된 신호가 나오며 4번 포트로는 아무런 신호가 나오지 않을 것입니다. 이런 식으로 3번 포트에 신호를 입력하거나 4번 포트에 신호를 입력하는 경우를 예상할 수 있으실 겁니다. 이렇게 입력하는 포트의 방향에 따라서 나머지 포트의 특성이 달라집니다. 위에서 언급한 방향성 결합기라고 불리는 이유입니다.CouplerRF 송신기 시스템에서 출력하는 신호의 파형과 파워가 정상적으로 잘 출력되는지 모니터링하기 위한 용도로 주로 사용됩니다.예를 들어 +50dBm (100W)을 출력하는 power AMP의 출력 파형과 출력 파워가 정상적인지 궁금하다고 해서 출력쪽에 바로 spectrum analyzer를 연결해서 측정할 수는 없습니다. 수천만원 호가하는 고가의 장비가 바로 고장나는 사고가 일어날 수 있습니다. 이때는 power AMP 뒤에 -30dB coupler를 하나 추가합니다. 그리고 위 그림의 3 coupled 포트에 spectrum analyzer를 연결하여 출력되는 신호의 파형과 파워를 측정합니다.정상적인 경우라면 파형은 동일하게 나올 것이고 파워는 -30dB 떨어진 +10dBm이 측정될 것입니다. 이 정도 파워는 대부분의 spectrum analyzer에서 무리 없이 측정할 수 있습니다.-30dB 1/1000이므로 원래 신호에는 거의 영향이 없이 모니터링이라는 목적을 달성한 것이죠. 


그런데 커플링하는 파워를 1/10000, 1/100 이 아닌 1/2로 하는 경우도 있습니다.이 경우엔 coupled 포트로 1/2의 파워를 빼앗겼기 때문에 through 포트로 출력되는 파워도 1/2만 나오게 됩니다. 이때 coupler는 두 개의 출력 포트에 각각 절반씩 전력이 나뉘어서 출력되는 분배기(divider)와 같은 동작을 하게 됩니다. 분배기(divider)와 다른 점은 두 출력 포트의 신호가 90˚의 위상차이를 가진다는 점입니다. coupler1번 입력 포트에 들어간 신호는 2번 포트로 나올 때 90˚의 위상차를 가지지만 3번 포트로 나오는 신호는 180˚의 위상차를 가집니다. 이것은 λ/4 전송선로에 대해서 알아야 이해가 가능한 부분입니다. 본 책자의 뒷 부분에 λ/4 전송선로에 대해 설명했으니 꼭 읽어보시길 권합니다.모니터링용으로 사용한 coupler와 개념은 똑같은 coupler지만 커플링하는 파워의 양에서 차이가 있는 것입니다.하지만 이 경우 두 선로간의 거리 d를 아무리 줄여도 1/2에 달하는 파워를 추출하기 힘들 수가 있습니다. 그래서 이 경우엔 두 선로 사이를 선로(branch line)로 직접 연결시켜 줍니다.



위 그림을 보면 입출력 각 포트의 특성 임피던스가 50Ω일 때 branch line의 임피던스는 동일한 50Ω이고 branch line 사이 선로의 임피던스는 Z0/√2 이고 이 값은 대략 35.4Ω으로 선로 폭이 다소 굵어집니다. 이런 형태의 coupler Branch Line Coupler, Hybrid Coupler, 3dB Quadrature Coupler라고 부르며 두 포트의 출력 파워는 입력 대비 1/2 (-3dB)로 동일하게 분배되어 나옵니다., 입력으로 100W (50dBm)이 들어가면 두 개의 출력으로 50W (47dBm)이 나오는 것입니다. 


여기서 Hybrid coupler divider와 같은 동작을 하기 때문에 다소 헷갈릴 수 있습니다.두 회로 모두 입력신호를 두 개의 포트로 1/2씩 나누어서 출력시킨다는 점에서는 같습니다.그러나 Divider는 두 출력 포트로 나오는 신호가 똑같이 입력 신호 대비 90˚의 위상 차를 가지는 반면 hybrid coupler두 출력 포트로 나오는 신호가 입력 신호 대비 각각 90˚, 180˚ 위상 차를 가집니다. , 두 출력 포트 사이에서도 90˚의 위상 차가 생기는 것입니다. Divider는 최종 출력 단에서 여러 개의 안테나로 똑 같은 신호를 인가할 때 사용될 수 있습니다. 위상이 동일하기 때문에 각각의 안테나에서 출력되는 신호도 똑같습니다.Hybrid coupler는 출력이 90˚의 위상 차를 가지므로 balanced 구조의 AMP단을 구성할 때 AMP단의 입력과 출력 쪽에 하나씩 들어가 divider combiner로 동작합니다. 


coupler도 다른 제품과 마찬가지로 반사손실(S11, VSWR)과 삽입손실(S21)이 중요한 스펙입니다. 그러나 여기에 하나를 더해서 커플링 되는 파워도 중요하게 살펴야 합니다.처음 coupler를 설명할 때 보여준 그림을 다시 보시지요. S-parameter에 대해서 알아두어야 하므로 잘 모른다면 본 책자의 뒷 부분 S-parameter를 참조하시기 바랍니다.


  


이 그림에서 반사손실은 S11, VSWR 값이고 삽입손실은 S21값입니다. 반사손실은 -20dB, VSWR 1.3:1 이하여야 합니다. 삽입손실은 커플링에 따라 조금 다르긴 하지만 적으면 적을수록 좋습니다. 사용 주파수 대역에서 최대 -1dB이내여야 합니다.커플링 파워의 비는 S41으로 표현합니다. 1번 포트로 입력한 파워 대비 4번 포트 (coupled) 로 출력되는 파워의 비입니다. -30dB, -40dB coupler라고 하는 말은 바로 이 S41값을 말하는 것이죠. Coupler의 커플링 값은 원래 신호보다 작기 때문에 당연히 값을 가집니다. 보통은 숫자 앞의 –(minus)를 빼고 “30dB coupler, 40dB coupler”라고 말하기도 합니다. 그리고 커플링은 사용 하고자 하는 주파수 대역에서 S41값이 균일하게 나와야 합니다. 중심주파수2GHz, 대역폭 200MHz, -30dB coupler라면 1.9GHz ~ 2.1GHz 사이의 S41값이 -30±1dB 이내로 측정되어야 합니다.



  
Product Image
SMA Hybrid coupler
Product Image
N Hybrid coupler
Product Image
N Hybrid coupler
   
First  1  End

SRT