KR100211963B1 - T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기 구조 - Google Patents

T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기 구조 Download PDF

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Abstract

기존의 (초)고주파 회로나 시스템에서 많이 이용되고 있는 90°하이브리드 브렌치라인 전력 분배기, 원형 하이브리드 전력 분배기 그리고 그것의 변형된 구조들은 일반적으로 두 종류 이상의 특성 임피이던스로 구성되어 고주파 대역에서 전송선로들간의 연결 부분에서 생기는 불연속 분산 효과가 있는 반면에, 본 발명의 전력 분배기는 한 종류의 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들로 구성할 수 있어서 단순한 구조가 될 수 있으므로 회로의 불연속 부분이 줄어들며, 기존의전력 분배기는 회로 매개변수가 정해진 반면에 본 발명의 전력 분배기는 8개의 회로 매개변수 중에서 4개의 매개변수가 선택되면 나머니 4개의 매개변수들은 피선택되므로 다양한 회로 설계를 할 수 있으며, 저주파 대역에서는 회로 크기도 줄이는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 밀리미터파 대역과 같은 고주파 대역에서 생길 수 있는 낮은 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들간의 상호 결합 현상을 줄일 수 있다.

Description

T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기 구조
본 발명은 위성통신, 이동통신, 개인통신 등의 RF 시스템을 구성하는 부품들인 위상 천이기, 평형 혼합기, 변조기, 평형 증폭기, 전력 분배기 등에 널리 이용될 수 있는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 분배기는 (초)고주파 회로나 시스템의 응용에 있어서 신호를 분배하고 역방향으로는 신호를 합성할 수 있는 (초)고주파 회로나 시스템에 있어서 매우 중요한 소자로서 E.J.Wilkison이 1960년 IRE Trans. Microwave Theory Tech.,vol. MTT-8호에 N-way 전력 분배기를 제시한 이래 지금까지 윌킨슨 N-way 전력 분배기를 변형한 전력 분배기, 90°하이브리드 브렌치 라인 전력 분배기, 원형 하이브리드 전력 분배기, 랜지 결합기 등 다양한 형태의 수많은 전력 분배기들에 대한 연구 결과가 발표되었으나 대칭형 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기 형태는 본 발명이 처음이다.
종래기술의 (초)고주파 회로나 시스템에서 많이 이용되고 있는 90°하이브리드 브랜치라인 전력 분배기, 원형 하이브리드 전력 분배기 그리고 그것의 변형된 구조들은 일반적으로 두 종류의 특성 임피이던스로 구성되어 전송선로들간의 연결 부분에서 생기는 불연속 분산 효과가 있으며, 노드 사이의 전송선로의 전기적 길이가 90°이므로 전체적으로 회로 크기가 주어진 사용 주파수에서 결정되게 된다. 또한, 밀리미터파 대역과 같은 고주파 대역에서는 낮은 특성 임피이던스를 갖는 서로 마주보는 전송선로들간의 상호 결합 현상이 생길 수 있다.
또한, 기존의 전력 분배기는 회로 매개변수가 정해져 있어 회로의 전체 크기는 한가지로 결정된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명을 이용하여 마이크로스트립 형태의 전력 합성 회로 구성시 생길 수 있는 출력 단자간의 미세한 위상차를 정합 스터브들의 미세한 튜닝으로 해결하고, 회로내 모든 전송선로의 특성임피던스들을 동일하게 함으로써, 선로 연결부분의 불연속 영향을 줄이며, 전체적인 회로 크기를 줄여 전력 합성 회로 구성에서 유용하게 사용하고자 한다.
구체적으로는 기존의 (초)고주파 회로나 시스템에서 많이 이용되고 있는 90°하이브리드 브랜치라인 전력 분배기, 원형 하이브리드 전력 분배기 그리고 그것의 변형된 구조들이 일반적으로 두 종류 이상의 특성 임피이던스로 구성되어, 고주파 대역에서 전송선로들간의 연결 부분에서 생기는 불연속 분산 효과가 있는 반면에, 본 발명의 전력 분배기는 한 종류의 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들로 구성할 수 있어서 단순한 구조가 될 수 있어서 회로의 불연속 부분이 줄어든다.
기존의 전력 분배기는 회로 매개변수가 정해진 반면에 본 발명의 전력 분배기는 8개의 회로 매개변수 중에서 4개의 매개변수가 선택되면 나머지 4개의 매개변수들은 피선택되므로 다양한 회로 설계를 할 수 있으며, 저주파 대역에서는 회로 크기도 줄이는 효과를 가져올 수 있다.
또한, 밀리미터파 대역과 같은 고주파 대역에서 생길 수 있는 낮은 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들간의 상호 결합 현상을 줄일 수 있다.
제1도는 본 발명의 대칭형 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기의 구조도.
제2도는 제1도의 실시예에 따른 본 발명의 전력 분배기의 구조도.
제3도는 출력전력 분배비가 1:1일 때, 전력 분배기의 각 출력단에 예상되는 모든 전기적인 성능의 시뮬레이션 결과들을 나타낸 것으로서,
제3(a)도는 각 입출력 단자에서의 정합(또는 입출력 반사손실) 특성.
제3(b)도는 입출력 삽입손실(또는 변환 손실) 특성.
제3(c)도는 각 단자간의 격리(또는 분리도) 특성을 각각 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
TL-1 ∼ TL-8 : 회로의 페루프를 구성하는 전송선로(전송선로의 전기적 길이는 90°보다 작음)
SL-1 ∼ SL-4 : 정합 스터브
R-1 ∼ R-4 : 입출력 단자쪽으로 관측된 등가 특성 임피이던스
Z1∼ Z8: 전송 선로의 특성 임피이던스
θ1∼ θ8: 전송 선로의 전기적 길이
ZS1∼ ZS4: 정합 스터브의 특성 임피이던스
θS1∼ θS4: 정합 스터브의 전기적 길이
M,N : 출력 단자쪽의 출력 전력 분배비
1 ∼ 8 : 회로내 노드점
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대칭형 T-브랜치라인 전력 분배기는, 입력단자쪽으로 관측된 제1 등가 특성 임피던스(R-1), M:N 전력 분배기를 갖는 M 전력 출력단자와 N 전력 출력단자쪽으로 관측된 제2, 제3 등가특성 임피던스(R-2,R-3), 및 종단(격리) 단자쪽으로 관측된 제4 등가 특성 임피던스(R-4)와; 상기 등가 특성 임피던스들과 노드 사이에 임의의 모양의 페루프로 형성되어 연결되고, 전송선로들간의 연결 부분의 불연속 분산효과를 줄이기 위해 한 종류의 동일한 전송선로 특성 임피던스(Z1∼ Z8)를 갖고, 좌우(상하)대칭인 전송선로의 전기적 길이(θ1∼ θ8)를 갖는 제1 내지 제 8 전송선로(TL-1∼TL-8)와; 그리고 각 정합 스터브의 특성 임피던스(ZS1∼ ZS4)와 정합 스터브의 전기적 길이(θS1∼ θS4)를 갖고,
상기 제1 전송선로와 제2 전송선로, 제3 전송선로와 제4 전송선로, 제5 전송선로와, 제6 전송선로, 제7 전송선로와 제8 전송선로의 각 사이에 브랜치라인의 중앙부분에 삽입되는 제1 내지 제4 임피던스 정합용 스터브(SL-1∼SL-4)로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기의 일반적인 구조도이다.
이 구조는 평면형 구조로서, 중심 주파수에서 이론적으로 모든 입출력 단자에서의 정합 성능(또는 입출력 반사손실 성능)과 단자간의 분리도 성능(또는 격리도 성능)이 완벽하다.
제1도에 도시된 전력 분배기 구조에서, 입력단자는 1번 노드점에 연결된 부분으로, 두 개의 출력단자는 2와 3번 노드점에 연결 부분으로 그리고 종단단자(또는 격리단자)는 4번 노드점에 연결된 부분으로 가정하여 임의로 도시하였다. 여기서, 전력 분배기 구현시 1∼4번 노드점에는 특성 임피이던스(characteristic impedance)가 50 ohm이며 전기적 길이(electrical length)는 임의로 설정된 전송선로(transmission line)들을 덧붙일 수 있는데, 이때 임의로 설정된 전송선로의 전기적 길이는 중심 주파수에서 입출격 신호의 위상차만 달라질 뿐 주요 성능(입출력 반사손실, 삽입손실, 단자간 격리도등)에는 변합이 없다.
제1도에서 도시된 각 부분들에 대한 부호들을 설명하면 다음과 같다.
(R-1)∼(R-4)는, 입출력 단자쪽으로 관측된 등가 특성 임피이던스들로서, 일반적으로 50 Ohm을 사용한다. (TL-1)∼(TL-8)은 전력 분배기 회로의 폐루프를 구성하는 전송선로들을 나타낸다. (Z1) ∼ (Z8D)은 전송선로의 특성 임피이던스들을 나타내며, 모두 동일한 특성 임피이던스를 갖는 값으로 설정될 수 있으므로, 전송선로들간의 연결 부분의 불연속 분산 효과를 줄일 수 있다. θ1∼ θ8은 전송선로의 전기적 길이들을 나타내며 각 전송선로의 전기적 길이는 좌우(상하) 대칭으로 90°보다 작은 값을 갖는다. (SL-1)∼(SL-4)는 각 브랜치라인의 중앙 부분에 삽입되는 임피이던스 정합용 스터브들을 표시한다.
ZS1∼ ZS4는 정합 스터브의 특성 임피이던스, θS1∼ θS4는 정합 스터브의 전기적 길이들을 나타내며, 스터브의 특성 임피이던스 및 전기적 길이는 서로 상관적인 관계를 가지므로 임의로 설정될 수 있다.
M 및 N은 각 출력단자쪽의 출력 전력 분배비를 나타낸다.
상기 제1도과 같은 전력 분배기가 출력 단자간에 90°위상차를 갖는 M:N 전력 분배기로 동작하기 위해서는 도면부호 1,5,2,6,3,7,4로 구성되는 폐루프와 도면부호 5,6,7,8에 붙는 정합용 스터브들은 아래와 같은 전기적 특성을 가져야만 한다.
(TL-1),(TL-2),(TL-5),(TL-6)의 전기적 특성:
(TL-3),(TL-4),(TL-7),(TL-8)의 전기적 특성:
(SL-1), (SL-3)의 전기적 특성:
(SL-2), (SL-4)의 전기적 특성:
여기서 Z0는 부호 (R-1)∼(R-4)에 도시된 등가 특성 임피이던스와 동일한 특성 임피이던스를 의미한다. (TL-1),(TL-2),(TL-5),(TL-6)은 동일한 전기적 특성을 갖으며, 특성 임피이던스 Za와 전기적 길이 θa는 서로 종속적이므로 두 변수 중에서 임의로 한 변수가 선택될 경우 나머지 한 변수는 자동적으로 결정된다. 비슷하게, (TL-3),(TL-4),(TL-7),(TL-8)은 동일한 전기적 특성을 갖으며, 특성 임피이던스 Zb와 전기적 길이 θb도 서로 종속적이므로 두 변수 중에서 임의로 한 변수를 선택하면 나머지 한 변수는 자동적으로 결정된다. 또한, (SL-1)과 (SL-3)은 동일하며, 특성 임피이던스 Zsa와 전기적 길이 θsa도 서로 종속적이므로 두 변수 중에서 임의로 한 변수가 선택될 경우 나머지 한 변수는 자동적으로 결정된다. 비슷하게, (SL-2)와 (SL-4)는 동일하며, 특성 임피이던스 Zsb와 전기적 길이 θsb도 서로 종속적이므로 두 변수 중에서 임의로 한 변수가 선택될 경우 나머지 한 변수는 자동적으로 결정된다. 이와 같이 본 발명은 기존의 전력 분배기에서는 볼 수 없는 4개의 선택 설계 변수들을 갖으므로 보다 융통성 있는 회로 설계를 할 수 있다.
예를 들어, 각 입출력단의 임피이던스 Zo가 50 ohm이고 각 출력단에서의 전력 분배기(M:N)가 1:1 일 때, 전력 분배기 회로의 구성하는 폐루프내 모든 전송선로들을 50 ohm 으로 만들기 위해, 8개의 설계 변수들(Za,Zb,Zsa,Zsb,θa,θb,θsa,θsb)은 아래와 같이 결정된다.
제2도는 상기 설계값들을 갖는 전력 분배기의 예시도이다.
제2도에 표시된 1:1 전력 분배기의 이론적인 전기적 성능들에 대해 컴퓨터 시뮬레이션 한 결과는 제3도과 같다.
제3(a)도는 각 입출력 단자에서의 정합(또는 입출력 반사손실) 특성을 보여주며, 제3(b)도는 입출력 삽입손실(또는 변환손실) 특성을 그리고 제3(c)도는 각 단자간의 격리(또는 분리도) 특성을 보여준다. 시뮬레이션 결과들은 중심 주파수는 물론 일정한 주파수 대역에서 만족할만한 출력 특성을 보여줌을 알 수 있다.
위와 같은 전력 분배기는 원형 구조로 구현할 경우 전송선로들간의 연결 부분에서의불연속 분산 효과가 작아지므로 전송 특성은 물론 회로 크기도 줄이는 효과를 가져올 수 있다. T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기는 구현시 사각형은 구조는 물론 원형 구조로 구현하더라도 유용하며, 또한 저주파 대역 응용에서는 회로 크기를 줄이기 위하여 정합 스터브들을 폐루프 안쪽으로 삽입할 수도 있다.
본 발명에서는 회로내 모든 전송선로들의특성 임피이던스를 한 종류로 통일할 수 있으므로 전송선로들간의 연결부분에서 생기는 불연속 분산 효과를 없앨 수 있으며, 낮은 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들간의 상호 결합 현상을 해결할 수 있으므로 밀리미터파 대역과 같은 높은 고주파 대역에 유용한 전력 분배기로 사용될 수 있다. 또한, UHF나 L 대역과 같은 비교적 낮은 주파수 대역에서 발명된 전력 분배기는 상대적으로 전체적인 회로 크기를 줄일 수 있으므로 기존의 전통적인 전력 분배기가 갖는 회로 크기 문제를 해결할 수 있다. 특히, 낮은 주파수 대역에 사용될 경우에는 정합 스터브 대신 적절한 집중소자 캐패시터를 사용할 수 있다.
다시 정리하면, 본 발명의 주 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 높은 주파수 대역 응용에서 전송선로간의 불연속 분산효과를 줄이고, 둘째로, 높은 주파수 대역 응용에서 낮은 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들간의 상호 결합 현상을 줄이며, 세째로 낮은 주파수 대역 응용에서 회로 크기를 줄일 수가 있다.
또한 본 발명의 보조효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 낮은 주파수 대역 응용에서 정합 스터브 대신 적절한 집중소자 캐패시터를 사용하여 할 수 있고, 둘째로 출력단의 전기적인 성능을 향상시키기 위해 정합 스터브를 미세하게 튜닝할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명은 회로내 모든 전송선로들의 특성 임피이던스를 한 종류로 통일 할 수 있으므로 전송선로들간의 연결 부분에서 생기는 불연속 분산 효과를 없애고, 고주파 대역에서 생길 수 있는 낮은 특성 임피이던스를 갖는 전송선로들간의 상호 결합 현상을 해결하며, 회로내 전송선로의 전기적 길이를 90°보다 작게 가변적으로 설계가 가능하여 전체적으로 회로 크기를 줄이고, 전송선로들 사이에 정합 스터브들을 갖는 구조이므로 전력 합성시 생길 수 있는 미세 위상차를 튜닝 조정하여 출력 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

Claims (6)

  1. 대칭형 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기에 있어서, 입력단자쪽으로 관측된 제1등가 특성 임피던스(R-1), M:N 전력 분배비를 갖는 M 전력 출력단자와 N 전력 출력단자쪽으로 관측된 제2, 제3 등가 특성 임피던스(R-2, R-3), 및 종단(격리) 단자쪽으로 관측된 제4 등가 특성 임피던스(R-4)와; 상기 등가 특성 임피던스들과 노드 사이에 임의의 모양의 폐루프로 형성되어 연결되고, 전송선로들간의 연결 부분의 불연속 분산효과를 줄이기 위해 한 종류의 동일한 전송선로 특성 임피던스(Z1∼ Z8)를 갖고, 좌우(상하)대칭인 전송선로의 전기적 길이(θ1∼ θ8)를 갖는 제 1 내지 제 8 전송선로(TL-1∼TL-8)와; 그리고 각 정합 스터브의 특성 임피던스(ZS1∼ ZS4)와 정합 스터브의 전기적 길이(θS1∼ θS4)를 갖고, 상기 제1 전송선로와 제2 전송선로, 제3 전송선로와 제4 전송선로, 제5 전송선로와 제6 전송선로, 제7 전송선로와 제8 전송선로의 각 사이에 브랜치라인의 중앙부분에 삽입되는 제1 내지 제4 임피던스 정합용 스터브(SL-1∼SL-4)로 구성된 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전송선로들은 원형 또는 사각형 구조의 폐루프로 구성된 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전송선로들은 전송선로의 전기적 길이가 좌우(상하) 대칭으로 90°보다 작은 값을 갖게 구성된 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 임피던스 정합용 스터브는 저주파 대역에서 응용하기 위해 폐푸프 안쪽으로 삽입한 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 임피던스 정합용 스터브는 고주파 대역에서 응용하기 위해 폐루프 바깥쪽으로 삽입한 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기를 역방향으로 동작시켜 전력합성기로 사용하는 것을 특징으로 하는 T-브랜치라인 하이브리드 전력 분배기.
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