V-band CPW 3-dB Directional Coupler using Tandem Structure

We design and fabricate 3-dB tandem directional coupler using the coplanar waveguide structure which is applicable to balanced amplifiers and mixers for 60 GHz wireless local area network system. The coupler comprises the multiple-sectional parallel-coupled lines to facilitate the fabrication process, and enable smaller device size and higher directivity than those of the conventional 3-dB coupler employing the edge-coupled line. In this study, we adopt the structure of two-sectional parallel-coupled lines of which each single-coupled line has a coupling coefficient of -8.34 dB and airbridge structure to monolithically materialize the uniplanar coupler structure instead of using the conventional multilayer or bonded structure. The airbridge structure also supports to minimize the parasitic components and maintain desirable device performance in V-band (50$\~$75 GHz). The measured results from the fabricated couplers show couplings of 3.S$\~$4 dB and phase differences of 87.5$^{\circ}{\pm}1^{\circ}$ in V-band range and show directivities higher than 30 dB at a frequency of 60 GHz.

Tandem구조를 이용한 V-band용 CPW 3-dB 방향성 결합기

본 연구에서는 60 GHz 대역의 무선 LAN(Wireless Local Area Network) 시스템에서 Balanced 구조를 갖는 증폭기나 믹서에 응용이 가능한 CPW(Coplanar Waveguide)구조의 Tandem 형 3-dB 방향성 결합기를 설계하고 제작하였다. 이는 기존의 edge-coupled 선로를 이용한 3 dB 결합기가 가지는 제작의 어려움과 방향성의 문제를 개선하기 위해 단일 결합선로를 다단으로 평행하게 연결한 구조이다. 우리는 소자의 크기와 제작의 용이함을 고려해, 결합계수가 -8.34 dB를 갖는 단일 결합선로를 2단으로 평행하게 연결한 구조를 채택하였다. 그리고 기존의 Tandem 결합기 제작에서 사용되어왔던 다층 기판 구조나 본딩 구조가 아닌 에어브리지 구조를 이용하여 단일 평면으로 쉽게 구현할 수 있도록 하였고, V-band(50 $\~$75 GHz)내에서 동작할 수 있도록 기생성분을 줄이고 소자 특성을 유지시켰다. 측정결과 V-band에서 완만한 3.5 $\~$4 dB의 결합도와 87.5$^{\circ}{\pm}1^{\circ}$ 의 위상차를, 60 GHz 에서는 30 dB 이상의 방향성을 확인하였다.