X-band Compact Digital Phase Shifter Design

In this paper, a compact digital phase shifter to be used an active phased array antenna system for satellite communications was proposed. The even and odd mode analysis for a given reflection-type phase shifter, which uses a folded hybrid coupler as a base element, was performed and the design parameters were derived. Also, to verify experimentally the electrical performances of the proposed structure, X-band 4-bit digital phase shifter was designed and fabricated using Teflon soft substrate $({\varepsilon}_r; =\;2.17)$. Its circuit size was less than 3.5 cm $\times$ 3.0 cm, and it exhibited at least 50 % size reduction as compared with the conventional unfolded configuration. The experimental results of the fabricated phase shifter showed that the average insertion loss and insertion loss variation were less than 3.5 dB, $\pm$ 0.6 dB within the operating band, 7.9 ~ 8.4 GHz, respectively. And, input and output return loss were more than 10 dB, respectively. Also, the phase response of the phase shifter showed 4-bit operation with $\pm$3$^{\circ}$ rms phase error.

X 대역 소형 디지털 위상 천이기 설계

본 논문에서는 위성 통신용 능동 위상 배열 안테나 시스템에 적용할 소형 디지털 위상 천이기 구조를 제안하였다. 포개진 브랜치라인 하이브리드를 기본 소자로 사용하는 반사형 위상 천이기 구조로서 우모드 및 기모드 해석 방법을 사용하여 이론적인 해석 및 설계 변수들을 유도하였다. 또한, 제안한 구조의 전기적인 성능을 실험적으로 확인하기 위하여, 유전율이 2.17인 테프론 기판을 사용하여 X 대역 4비트 위상 천이기를 설계, 제작하였다. 제작된 회로의 크기는 3.5 cm $\times$ 3.0 cm보다 작았으며, 기존의 비결합 구조에 비하여 적어도 50 % 이상의 크기 절감을 가져왔다. 제작된 위상 천이기의 실험 결과는 7.9 - 8.4 GHz 동작 대역내에서 평균 삽입 손실 및 삽입 손실 변화가 각각 3.5 dB, $\pm$ 0.6 dB이하였으며, 입출력 반사 손실은 10 dB 이상이었다. 또한, $\pm$3$^{\circ}$의 rms 위상오차 범위 내에서 원하는 4비트 위상 특성 변화를 보여주었다.