KR100440730B1 - 가변형 전력 스플리터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변형 전력 스플리터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로을 포함하고 신호의 분배 또는 결합을 수행하는 전력 스플리터에 있어서, 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로이 교차하는 접합부에 길이 조절 및 착탈이 가능한 오픈 스터브(open stub)를 구비한 것을 특징으로 하는 가변형 전력 스플리터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 가변형 전력 스플리터는 사용 주파수 범위를 손쉽게 변경할 수 있으므로, 사용 주파수가 이미 결정되고 제작된 스플리터라 하더라도 가용할 수 있는 주파수 범위를 넓힐 수 있고, 약간의 사용 주파수 차이가 있는 다른 사용처에도 별도의 설계나 제작 없이 기존의 제품을 간단한 조작만 행한 후 적용하는 것이 가능하다. 이는 스플리터 구성 부품들의 통일성 및 생산 효율성을 극대화할 수 있는 장점도 가져온다.

Description

가변형 전력 스플리터{TUNABLE POWER SPLITTER}

본 발명은 가변형 전력 스플리터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 길이 조절 및 착탈이 가능한 오픈 스터브를 구비한 가변형 전력 스플리터에 관한 것이다.

근래의 정보화 시대를 맞이하여 정보에 대한 저장 및 전달이 일상생활에서 큰 비중을 차지하게 되었고, 이에 따라 정보의 전달에 있어서 정확성도 매우 필요해지게 되었다. 최근 급속히 발전하고 있는 이동 통신 분야는 말할 것도 없고, 무수한 신호 처리가 이루어지는 여러 하드웨어 시스템에서는 정확한 동작과 안정성이 필수적이라 할 수 있다. 한편, 전력이 큰 디바이스(device)를 구현해야 할 용도가다양하게 존재하는데, 증폭기나 안테나 등을 포함하는 시스템에서는 이러한 고전력을 단일 소자만으로는 얻기가 어려운 경우가 많으며, 역으로 입력 전력이 단일 소자 용량의 한계보다 훨씬 높은 경우 또한 존재한다. 결국, 이와 같이 정확한 동작 및 안정성과 함께 여러 소자에 의한 전력의 결합 또는 분배를 고려하여야 할 때는, 전력 결합기(power combiner) 또는 전력 분배기(power divider)가 사용되어져 왔다. 보다 구체적 예로서, 여러 개의 동일한 안테나에서 수신된 미약한 신호들을 합쳐 보다 세기가 큰 신호로 만들어 시스템에 전송할 때, 여러 채널에서 발생된 신호들을 하나의 안테나로 전송할 때, 하나의 신호를 여러 채널에 분배할 때 등에 전력 결합기 또는 전력 분배기가 사용된다.

수동적 전기소자의 일종인 전력 결합기와 전력 분배기는 총칭하여 스플리터(splitter)로 표현할 수 있는데, 이러한 스플리터는 초고주파 에너지를 이동시키는 전달 매체인 전송선로의 일종으로 파악할 수 있다. 초고주파는 전송선로를 구성하는 도체로 둘러싸인 유전체 내부에서 전계 및 자계의 상호교류를 통해 그 에너지가 전달되는데, 이러한 초고주파는 전송선로상에서의 위치에 따라 그 크기와 위상이 변하므로, 전송선로의 크기 및 길이에 따라 사용될 수 있는 주파수 대역이 상이하다.

이러한 초고주파 전송선로의 특성상, 현재 본 기술분야에서 사용하는 스플리터들은 그 개발시 정확한 사용 주파수 대역을 맞추기 위해 여러 번의 제작 시행착오가 필요하며, 따라서 상당한 제작 기간과 비용이 낭비된다.

또한, 스플리터들을 실제 제작할 때 가공의 용이성을 위해 실제 시뮬레이션설계한 형상과 다소 차이가 나게 제작될 수 있으며, 또한 가공 오차도 허용 범위보다 클 위험성도 존재한다. 상기의 경우는 제품의 사용 주파수 대역 특성이 변하여 반드시 피해야 할 것들이므로, 애초에 시뮬레이션 설계시 회로 설계자가 가공 장비 및 가공의 문제점들을 숙지해서 제작 설계에 반영해야 하는 어려운 점 또한 발생한다. 이외에도, 입력 전송 선로과 출력 전송 선로이 결합되는 접합부는 기생 성분들이 많이 발생되는데 이를 예측하여 시뮬레이션 설계에 반영한다는 것도 기술적으로 어려운 것이 사실이고, 이렇듯 기생 성분으로 발생되는 시뮬레이션 특성과 실제 제품 특성간의 편차는 여러 번의 제작 변경을 필요로 하므로 오랜 개발 기간과 여러 번의 기구 가공으로 많은 노력과 개발비가 소요된다.

시장의 측면에서 볼 때는, 현재 이동 통신 시장은 많은 부품 업체들의 경쟁으로 인해 제품의 특성보다 오히려 시스템 업체의 요구에 대한 신속한 대응과 최저의 비용이 요구되는 것이 현실이며, 따라서 부품 업체의 오랜 경험으로 얻은 기술력으로 제작의 시행 착오를 줄이는 것이 현재 부품 업체들의 가장 중요한 경쟁력이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제작 기간과 비용의 낭비를 줄이고 부가적인 생산 효율성을 가져올 수 있는 가변형 전력 스플리터를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 사용 주파수의 오차를 손쉽게 보정하여 시뮬레이션 설계와 실제 제품 사이의 사용 주파수 편차를 없애므로, 제작의 시행착오에 따른 설계 기간과 제작 비용을 줄일 수 있는 가변형 전력 스플리터를 제공하기 위한 것이다.

그리고, 사용 주파수가 근접한 다른 제품을 별도로 개발하지 않고도, 간단한 조작 변경만으로 원하는 제품 특성을 얻을 수 있어 생산 부품들의 통일성 및 생산 효율성을 극대화할 수 있는 가변형 전력 스플리터를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 T-정션 전력 분배기의 모형도(a), 이의 등가 회로도(b), N-출력 단자를 갖는 전력 분배기의 등가 회로도(c),

도 2는 본 발명의 일 실시형태인 T-정션 전력 분배기의 모형 평면도(a) 및 이의 등가 회로도(b),

도 3은 종래의 T-정션 전력 분배기의 주파수에 따른 출력 특성 그래프(a) 및 본 발명의 일 실시형태인 분배기의 출력 특성 그래프(b)를 도시한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로을 포함하고 신호의 분배 또는 결합을 수행하는 전력 스플리터에 있어서, 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로이 교차하는 접합부에 길이 조절 및 착탈이 가능한 오픈 스터브(open stub)를 구비한 것을 특징으로 하는 가변형 전력 스플리터을 제공한다.

본 발명의 가변형 전력 스플리터를 사용하게 되면, 사용 주파수를 일정 범위내에서 손쉽게 조정할 수 있으므로, 스플리터의 제작시 발생될 수 있는 기기의 오차를 신속하고 간편하게 보정할 수 있고, 제조 공정상에서 허용되는 오차의 폭이 넓어져 제작의 편의성이 증대될 수 있으며, 잦은 설계의 변경 없이도 기존의 제품 중에서 간단한 가변을 통해 사용 주파수를 변경하여 사용하는 것이 가능해진다.

본 발명의 가변형 전력 스플리터는 고주파 신호의 전송이 가능한 전송선로의 일종으로서, 기본적으로는 한 개의 입력 단자 및 다수 개의 출력 단자로 구성된 분배기(divider)이면서, 또한 가역적으로 작동할 수도 있으므로 다수 개의 입력 단자 및 한 개의 출력 단자로 구성된 결합기(combiner)로 활용될 수도 있다.

본 발명의 가변형 전력 스플리터에 있어서 접합부란, 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로이 교차하면서 연결된 부분으로서, 보다 정확하게 말하면 입력 전송 선로부분 및 출력 전송 선로부분을 각각의 축방향으로 공간적으로 확장시켰을 때 서로 공유하는 공간이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 스플리터가 T-정션(T-junction) 전력 분배기라면, 상기 접합부는 출력 전송 선로을 이루는 코리니어 암(collinear arm)과 입력 전송 선로을 이루는 사이드 암(side arm)이 서로 교차되는 영역이다.

본 발명에 있어서 오픈 스터브란 상기 스플리터의 접합부에 전기적으로 연결되어 일정한 반경 및 길이를 갖고 공간적으로 돌출되어 있는 부재로서, 기타 신호소스 또는 부하에는 연결되지 않고 개방되어 있다. 본 발명의 오픈 스터브의 재질은 본 기술분야에서 전송선로로서 사용될 수 있는 재질이면 어느 것이나 무방한데, 바람직하게는 상기 오픈 스터브의 재질은 스플리터의 가이드의 구성 재질과 동일한 것이다.

본 발명에 따른 스플리터에 있어서, 상기 오픈 스터브는 길이 조절 및 스플리터로부터의 착탈이 가능한 것을 특징으로 한다. 본 기술분야에서 공지된 바와 같이, 스플리터에 있어 사용 주파수는 스플리터를 이루는 단면적 및 길이에 따라서 달라지는 바, 본 발명의 오픈 스터브는 길이 조절이 가능하고 착탈에 의해 다양한 단면적의 오픈 스터브를 교환 사용할 수 있도록 고안함으로써, 스플리터의 사용 주파수를 넓은 범위에서 가변하도록 할 수 있다. 본 발명의 오픈 스터브는 상기와 같이 길이 조절 및 착탈이 가능하도록 고안된 수단이라면 본 기술분야에서 공지된 어떠한 형태라도 가능한데, 바람직하게는 스플리터의 접합부에 형성된 홈에 맞추어고정할 수 있는 삽입부재이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 상기 오픈 스터브는 원통형 핀일 수 있고, 더욱 바람직한 다른 실시예에서는 길이 조절이 용이한 나사못 형태의 삽입부재일 수 있으며, 이를 위해 스플리터의 접합부에는 암나사부가 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서 상기 오픈 스터브의 형상은 구형(Rectangular Shape)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 원형(Circular Shape)일 수 있다. 본 발명의 오픈 스터브가 원형일 경우, 오픈 스터브의 사양 중 단면적은 직경(φ)에 의해 표현될 수 있다. 본 발명의 오픈 스터브의 길이 및 단면적은 보정하려는 사용 주파수에 따라 제작자 및 사용자가 다양하게 취사선택할 수 있다.

본 발명의 오픈 스터브는 특별한 제한은 없으나, 그 중심축이 스플리터를 구성하는 입력 및 출력 전송 선로들을 포함하는 평면에 포함되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전력이 출력 포트들에 동일 출력으로 균분되는 전력 분배기일 경우, 이러한 등가의 분배를 계속 유지하기 위하여 상기 오픈 스터브는 각 출력 전송 선로의 정중앙에 위치하도록 설계되는 것이 바람직하다. 즉, 대칭형의 T-정션 전력 분배기의 경우, 본 발명의 오픈 스터브의 축은 입력 전송 선로을 이루는 사이드 암(side arm)의 중심축과 공유되도록 설계되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래기술의 전력 분배기의 모형도 및 등가 회로도를 도시한 것으로,도 1a의 일반적인 T-정션 전력 분배기는 입력 전송 선로(11)과 이와 직교하는 출력 전송 선로(12) 및 외장부(15)로 구성된다. 이러한 T-정션 전력 분배기는 동일한 출력을 갖는 2-출력 단자 전력 분배기라 할 수 있다. 이의 등가 회로도인 도 1b을 참조하면 특성 임피던스 Z₀의 입력 전송 선로(11')에는 소스 저항(Rs)이 연결되고, 각각 길이 λ/4길이, 임피던스의 출력 전송 선로(12')에는 부하 저항(R _L )이 연결되어 있으며, 입력 전송 선로(11')와 양 출력 전송 선로(12')은 서로 교차하며 접합부(13')를 이룬다.

3-포트의 상기 T-정션 전력 분배기 이외에도, 출력 단자가 다수개인 N-출력 단자의 전력 분배기도 생각할 수 있으며 이 경우 각각 λ/4 길이의 출력 전송 선로이의 임피던스를 갖는다(도 1c). 즉, 출력 전송 선로 임피던스는 출력 단자의 개수와 관계가 있고, 사용 주파수 대역의 중심 주파수는 출력 단자의 개수에 관계없이 출력 전송 선로의 길이로 결정된다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태인 T-정션 전력 분배기의 모형 평면도(2a) 및 이의 등가 회로도(2b)를 도시한 것이다. 상기 본 발명에 따른 전력 분배기는 입력 전송 선로(21), 출력 전송 선로(22), 접합부(23), 외장부(25) 이외에 입력 전송 선로(21)과 그 중심축을 공유하는 나사형 오픈 스터브(24)를 구비하고 있으며, 상기 오픈 스터브(24)의 삽입 고정을 위해 접합부(23)에 암나사 홈이 구비되어 있다. 파워 스플리터의 사용 주파수를 제외한 다른 특성들은 출력 전송 선로 임피던스와관계하고 사용 주파수는 출력 전송 선로 길이와 오픈 스터브로 결정된다. 오픈 스터브가 스플리터에 미치는 영향은 오로지 사용 주파수만을 가변할 수 있도록 하는 기능이 있으므로 오픈 스터브(24')의 길이(L)와 직경(φ)을 임의의 크기로 제작하더라도 사용 주파수 특성을 제외한 다른 특성들에게는 영향을 미치지 않는다.

본 기술분야에서는 종래, 본 발명의 오픈 스터브와 같이 미소한 돌출부가 있다하더라도 그것이 대칭 구조라면 그 돌출부가 존재하지 않는 것처럼 이상적인 모델로 단순화하여 그 주파수 출력 특성을 계산하였지만, 본 발명의 발명자는 반복하여 수행된 실험 끝에 출력 전송 선로 사이에 존재하는 돌출부는 스플리터의 삽입 손실, 반사 손실, 격리도에는 영향을 주지 않으면서 스플리터의 중심 주파수 특성만을 변화시킬 수 있다는 사실을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.

이러한 결과는 도 3에서 확인할 수 있는데, 도 3은 종래의 T-정션 전력 분배기의 주파수에 따른 출력 특성(3a) 및 본 발명의 일 실시형태인 분배기의 출력 특성(3b)을 나타낸 것으로서, 3 GHz의 사용 주파수를 갖는 T-정션 전력 분배기에 3 mm의 오픈 스터브를 사용한 결과 사용 주파수만이 490 MHz 정도 변경되는 것을 확인하였다.

이상에서 서술한 본 발명의 일 실시형태는 본 발명의 다양한 구현형태들 중 하나일 뿐이고, 본 발명의 권리범위가 이에만 한정되는 것은 아니다. 즉, 3-포트가 아닌 다수개의 출력 단자를 갖는 전력 분배기라도 오픈 스터브를 구비한 것이면 본 발명의 범위내에 해당하며, 윌킨슨(Wilkinson)방식의 스플리터에도 적용된다. 또한 스플리터의 가역적 특성상, 오픈 스터브를 구비하여 그 사용 주파수가 변경될수 있는 전력 결합기도 본 발명의 범위내에 포함된다.

본 발명의 가변형 전력 스플리터는 사용 주파수 범위를 손쉽게 변경할 수 있으므로, 사용 주파수가 이미 결정되고 제작된 스플리터라 하더라도 가용할 수 있는 주파수 범위를 넓힐 수 있고, 약간의 사용 주파수 차이가 있는 다른 사용처에도 별도의 설계나 제작 없이 기존의 제품을 간단한 조작만 행한 후 적용하는 것이 가능하다. 이는 스플리터 구성 부품들의 통일성 및 생산 효율성을 극대화할 수 있는 장점도 가져온다.

또한, 본 발명의 가변형 전력 스플리터는 제작 이전에 시뮬레이션 시행과 실제 제품 제작시의 치수 오류 때문에 발생하는 사용 주파수의 오차를 신속하고 편리하게 보정할 수 있는 장점을 갖는다.

그리고, 본 발명의 가변형 전력 스플리터는 나사형의 오픈 스터브를 채택하여 사용 주파수의 조절이 용이하므로, 제조시 사용 주파수 오차의 허용 범위가 늘어나므로 제작 공정을 보다 용이하게 할 수 있다.

Claims (3)

1. 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로을 포함하고 신호의 분배 또는 결합을 수행하는 전력 스플리터에 있어서, 입력 전송 선로 및 출력 전송 선로가 교차하는 접합부 상 출력단들의 사이에 길이 조절 및 착탈이 가능한 오픈 스터브를 구비한 것을 특징으로 하는 가변형 전력 스플리터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 오픈 스터브는 나사형의 삽입부재인 것을 특징으로 하는 가변형 전력 스플리터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 오픈 스터브는 사이드 암과 중심축을 공유하는 것을 특징으로 하는 가변형 전력 스플리터.