메타 물질을 이용한 초소형, 광대역 90° 커플러

Abstract

메타 물질의 한 형태인 LHTL(Left-Handed Transmission Line)과 기존의 전송 선로 형태인 RHTL(Right-Handed Transmission Line)을 이용하여 광대역 I-Q 벡터 신호 생성을 위한 <TEX>$90^{\circ}$</TEX> 커플러를 설계, 제작하고 측정을 하였다. LHTL과 RHTL 모두 커패시터와 인덕터를 이용하여 합성 전송 선로 형태로 구성함으로써, 그 크기를 최소화 하였다. 또한, 제안된 커플러 제작에 필요한 Wilkinson 전력 분배기를 합성 RHTL을 이용하여 간단하게 구현함으로써 전체 회로의 크기를 <TEX>$11mm{\times}12mm$</TEX>로 만들 수 있었다. 주파수 범위 0.8~1.25 GHz에 대해 출력의 위상 차이가 <TEX>$90^{\circ}{\pm}5^{\circ}$</TEX>를 유지함으로써 광대역 <TEX>$90^{\circ}$</TEX> 커플러를 작은 크기로 만들 수 있었다. 동 주파수 범위에 대해 삽입 손실을 1.6 dB 이하로, 반사 손실을 10.1 dB 이상으로 유지 가능했다. 필자가 아는 한 이는 그 주파수 대에서 가장 작은 광대역 <TEX>$90^{\circ}$</TEX> 커플러이며, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 만들 경우 그 크기를 훨씬 더 줄일 수 있을 것이다. By using LHTL(Left-Handed Transmission Line) which is a form of a metamaterial and conventional RHTL (Right-Handed Transmission Line), we designed, fabricated and tested a broadband <TEX>$90^{\circ}$</TEX> coupler which is a basic circuit for I-Q vector signal generation. Synthetic LHTL and RHTL were implemented with capacitors and inductors only, that the size is minimized. Also, by implementing a Wilkinson power divider which is required for the suggested circuit using a synthetic RHTL, the size of whole circuit is only <TEX>$11mm{\times}12mm$</TEX>. For the frequency range 0.8~1.25 GHz, the phase difference at the outputs maintained <TEX>$90^{\circ}{\pm}5^{\circ}$</TEX> and thus, a broadband <TEX>$90^{\circ}$</TEX> coupler could be made in a compact form. for the same frequency range, the insertion loss is less than 1.6 dB and return loss is more than 10.1 dB. To the best of our knowledge, this is the smallest and broadband <TEX>$90^{\circ}$</TEX> coupler for the frequency range and if the circuit is made with MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) technology, the size will be reduced much further.