KR101018627B1 - 다중 대역 발룬 - Google Patents

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Abstract

입력 단자와 두 개의 출력 단자를 포함하는 발룬에 있어서, 상기 입력 단자와 어느 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 저주파 대역에서 LH(left-handed) 특성을 갖고, 고주파 대역에서 RH(right-handed) 특성을 갖는 제 1 전송선로와, 상기 입력 단자와 다른 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 상기 저주파 대역에서 RH 특성을 갖고, 상기 고주파 대역에서 LH 특성을 갖는 제 2 전송선로를 포함하는 발룬이 개시된다.
발룬의 전송선의 구조를 메타머티리얼 구조인 CRLH와 DCRLH 형태를 사용함으로써, 이중 대역 및 RF 소자 크기를 소형화시킬 수 있다. 또한, 발룬의 출력 단자 사이에 전송 라인을 삽입함으로써, 두 단자간의 고립도를 향상시킬 수 있다.
메타머티리얼, 이중대역, 발룬, CLRH, 전력 분배기

Description

다중 대역 발룬{MULTIBAND BALUN}
본 발명은 발룬(balun)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고립도가 향상되고 이중대역 특성을 갖는 발룬에 관한 것이다.
이동 통신 서비스에 적용되는 RF 회로에서 믹서(Mixer), 소우 필터(saw filter)와 같이 밸런스드(balanced) 라인으로 만들어진 부품들이 포함되는 경우가 많은데, 이런 경우 언밸런스드(unbalanced) 라인으로 되어 있는 앰프류와 연결하려면 밸런스드 신호를 언밸런스드 신호로 변환해주거나 그 반대의 변환 기능을 수행하는 발룬(balun) 회로가 필요하다. 이러한 발룬에서 나오는 2개의 출력 신호는 그 크기는 동일하지만 180˚의 위상차를 갖는다. 발룬은 다이폴 안테나에서와 같은 피딩(feeding) 네트워크에서 언밸런스드 신호를 밸런스드 신호로 변환해줌으로써, 대칭적인 방사 패턴을 갖는 안테나의 성능을 향상시키기도 한다.
이러한 발룬으로서는 전력 분배기가 이용될 수 있다. 전력 분배기는 입력된 전력을 소정의 비율로 나누어 출력 포트로 분배하는 회로로서, 전력 손실 없이 원 하는 비율로 전력을 분배할 뿐만 아니라, 단자 간을 격리시켜 양 포트 상호 영향에 의한 회로 특성 변화를 방지하는 것이 이상적이다.
종래, 전력 분배기로서는 윌킨스 전력 분배기가 널리 사용되어 왔다. 일반적으로 윌킨스 전력 분배기는 전송 선로를 이용하여 설계자가 원하는 주파수 대역을 갖도록 설계되는 것을 기본으로 한다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, 윌킨슨 전력 분배기(100)는 입력 단자(101)와 2개의 출력 단자(102, 103)를 포함하며, 입력 단자(101)로 입력된 전력은 동일한 비율로 출력 단자(102, 103)로 분배된다. 전송선로(104, 105)의 특성 임피던스 Zot는 70.7(= Zo X
Figure 112009011792913-pat00001
)Ω 을 갖는다. 이때, Z0은 출력 단자(102, 103)의 종단 임피던스로서, 일반적으로 50Ω의 값을 갖는다. 이러한 윌킨슨 분배기는 전송선로서 RF (Right-handed) 구조를 갖는 선로를 이용하므로, 전송 선로(104, 105)의 길이는 회로의 동작 파장이 λ인 경우 λ/4로 정해진다. 또한, 저항(106)은 종단 임피던스의 2배, 즉 2Z0로서 100Ω을 가진다. 이러한 윌킨슨 전력 분배기는 구성이 간단하고 전력 분배 효율 및 고립도가 우수하여 널리 사용되어 왔다.
그러나, 최근 이동 통신 서비스의 다양화에 따라 고속의 데이터 전송과 함께 이동 통신에 적합한 소형화, 다중대역 서비스에 대한 요구가 커지고 있다. 종래의 윌킨슨 분배기는 동작 파장에 따라 전송 선로의 길이가 변화되는 것으로, 2 개 이상의 대역에서 동작하도록 구성하는 것이 불가능하였다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 인식한 것으로서, 고립도가 높으면서도 및 이중대역 특성을 갖는 발룬을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 포함하는 발룬에 있어서, 상기 입력 단자와 어느 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 저주파 대역에서 LH(left-handed) 특성을 갖고, 고주파 대역에서 RH(right-handed) 특성을 갖는 제 1 전송선로와, 상기 입력 단자와 다른 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 상기 저주파 대역에서 RH 특성을 갖고, 상기 고주파 대역에서 LH 특성을 갖는 제 2 전송선로와, 상기 두 개의 출력 단자 사이에 연결되어 상기 제 1 및 제 2 전송선로와 병렬로 연결되는 제 3 전송선로를 포함하는하는 발룬이 제공된다.
상기 제 1 전송선로는, 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 직렬 결합으로 등가화될 수 있는 적어도 하나의 셀을 포함할 수 있다.
상기 제 2 전송선로는, 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 병렬 결합으로 등가화될 수 있는 적어도 하나의 셀을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전송선로와 상기 제 2 전송선로는 서로 듀얼(dual) 회로인 것이 바람직하다.
상기 제 3 전송선로는, ±λ/2 라인일 수 있다. 발룬은 상기 제 3 전송선로와 상기 두 개의 출력 단자 사이에 각각 직렬로 연결되는 저항을 더 포함할 수도 있다.
본 발명은 발룬의 전송선의 구조를 메타머티리얼 구조인 CRLH와 DCRLH 형태를 사용함으로써, 이중 대역 특성을 구현하고 발룬 크기를 소형화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 발룬의 출력 단자 사이에 전송 라인을 삽입함으로써, 두 단자간의 고립도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시 예에서는 출력 단자 사이에 전송선로를 추가로 구성하고, λ/4 길이의 전송선을 메타머티리얼 구조인 CRLH와 DCRLH 형태로 구성함으로써, 고립도 및 이중대역 특성을 향상시킬 수 있는 발룬에 대해 설명한다.
본 명세서에서, 그리고 본 기술 분야에서 일반적으로, 메타머티리얼이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 구성된 물질 또는 구조를 지칭하는 용어로서, DNG(Doubly Negative material), 음의 굴절률(NRI : Negative Refractive Index) 혹은 LHM(Left-Handed Material) 등으로 표현되는 특징을 갖는 물질 또는 구조를 지칭한다. 메타머티리얼은 어떤 특정 조건 하에서 그 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지게 되며, 이에 따라 일반적인 구조와는 매우 상이한 전자파 전파 특성을 나타낸다.
이하의 설명에서, 특정 주파수 대역에서 회로가 소정의 위상 지연 또는 특성을 나타낸다는 설명은, 그 주파수 대역의 모든 주파수값에서 회로가 소정의 위상 지연 또는 특성을 나타냄을 의미하는 것이 아니라, 그 대역의 중심 주파수에서 회로가 소정의 위상 지연 또는 특성을 나타냄을 의미하는 것임을 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 발룬을 도시한 회로도이다.
본 발명에 따른 발룬은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 입력 단자(200), 제 1, 2, 3 전송 선로(210, 220, 230) 및 두개의 출력 단자(240, 242)를 포함한다.
제 1, 2 전송 선로(210, 22)는 입력 단자(200)와 두 개의 출력 단자(240, 242)간의 고립도와 위상 특성을 확보하기 위해 특성 임피던스가
Figure 112009011792913-pat00002
이고, 전기적 길이가 ±λ/4인 전송선로를 이용한다. 여기서 Zo는 출력 단자에서의 종단 임피던스를 의미한다.
제 1 전송선로(210)는 입력 단자(200)와 어느 하나의 출력 단자(240)에 연결되며, 저주파 대역에서 -90도, 고주파 대역에서 +90도 위상 지연을 일으킨다.
이러한 제 1 전송 선로(210)는 CRLH(Composite Right/Left Handed, 이하, 'CLRH'라고 한다.) 구조를 가질 수 있으며, 저주파대역 및 고주파 대역의 이중 대역 특성을 갖도록 설계될 수 있고, 이를 위해 N개의 셀로 구성될 수 있다. 각각의 셀은 서로 동일한 전자기적 특성을 갖는다. 구체적으로 CRLH 구조를 갖는 제 1 전송 선로(210)는 저주파 대역에서는 -90˚, 고주파 대역에서는 +90˚의 위상 지연을 갖도록 설계될 수 있다. 즉, 저주파 대역에서는 CRLH 회로에서 의해 위상이 90˚ 전진되고, 고주파 대역에서는 CRLH 회로에 의해 위상이 90˚ 지연되도록 설계된다. 각각의 셀의 위상 특성 및 전송 선로를 구성하는 셀의 개수(N)는 이러한 위상 지연을 실현하도록 설정될 수 있으며, 그 구조에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 제 1 전송선로의 구성을 설명하기 위한 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명에 따른 CRLH 회로의 셀을 도시한 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, CRLH 회로는 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선(310)과 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선(320)의 직렬 결합으로 구성되는 것으로 이해할 수 있다. 이에 의해, CRLH 회로는 LH 선로의 특성과 RH 선로의 특성을 모두 가지게 되며, 이에 의해 저주파 대역에서 -90도의 위상 지연을 구현함과 동시에, 고주파 대역에서 +90도의 위상 지연을 구현할 수 있게 된다.
CRLH 회로의 셀은, 도 4에 도시된 바와 같이, LH 전송선(310)의 직렬 커패시터와 RH 전송선(320)의 직렬 인덕터가 직렬 연결되고, LH 전송선(310)의 병렬 인덕 터와 RH 전송선(320)의 병렬 커패시터가 병렬로 연결된다.
이와 같은 CRLH 회로는 인덕너, 커패시터 등의 소자를 이용하여 집중 정수 회로로 구현될 수도 있고, 전송 선로를 이용하여 분포 정수 회로로 구현될 수도 있다.
이러한 CRLH 회로로 이루어진 제 1 전송선로(210)는 주파수가 낮은 경우(저주파) LH 전송선(310)의 인덕터와 커패시터가 주성분이 되고, 주파수가 높은 경우(고주파)에는 RH 전송선(320)의 인덕터와 커패시터가 주성분이 된다. 따라서, 낮은 주파수(저주파)에서는 LH 전송선(310)에 의해 LH 특성을 갖고, 높은 주파수(고주파)에서는 RH 전송선(320)에 의해 RH 특성을 갖는다.
제 2 전송선로(220)는 입력 단자(200)와 다른 하나의 출력 단자(242)에 연결되며, 제 1 전송선로(210)와는 반대로 저주파 대역에서 +90도, 고주파 대역에서 -90도 위상 지연을 일으킨다.
이러한 제 2 전송선로(220)는 D-CRLH(Dual Composite Right/Left Handed, 이하, 'D-CLRH'라고 한다.) 구조를 가질 수 있으며, 제 1 전송선로(210)와 마찬가지로 저주파대역 및 고주파 대역의 이중 대역 특성을 갖도록 설계될 수 있고, 이를 위해 N개의 셀로 구성될 수 있다. 이와 같은 셀은 서로 동일한 전자기적 특성을 갖는다. 구체적으로 D-CRLH 구조를 갖는 제 2 전송 선로(220)는 저주파 대역에서는 +90˚, 고주파 대역에서는 -90˚의 위상 지연을 갖도록 설계될 수 있다. 즉, 고주파 대역에서는 D-CRLH 전송 선로에서 의해 위상이 90˚ 전진되고, 저주파 대역에서는 D-CRLH 전송 선로에 의해 위상이 90˚ 지연되도록 설계된다.
D-CRLH의 셀(300)은 LH 전송선(310)과 RH 전송선(320)을 병렬로 연결함으로써 형성되는 것으로 이해할 수 있는데, 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, LH 전송선(310)의 직렬 커패시터와 RH 전송선(320)의 직렬 인덕터가 병렬로 연결되고, LH 전송선(310)의 병렬 인덕터와 RH 전송선(320)의 병렬 커패시터가 직렬로 연결된다.
이러한 D-CRLH로 이루어진 제 2 전송선로(220)는 주파수가 낮은 경우(저주파) RH 전송선(320)의 직렬 인덕터와 병렬 커패시터가 우세한 영향을 주어 RH 특성을 나타내고, 주파수가 높은 경우(고주파)에는 LH 전송선(310)의 병렬 인덕터와 직렬 커패시터가 우세한 영향을 주어 LH 특성을 갖는다.
이처럼, 제 1 및 제 2 전송선로가, 저주파 대역에서는 각각 -90도와 +90도의 위상 지연을 일으키고, 고주파 대역에서는 +90도와 -90도의 위상 지연을 일으키므로, 저주파와 고주파 대역에서 항상 2개의 출력 단자 간의 위상차는 180도가 되고, 전체 회로가 발룬으로 동작할 수 있게 된다.
이와 같이 제 1, 2 전송선로(210, 220)가 2개의 사용 주파수에서 위상 지연을 90도 또는 -90도로 하기 위해, 인덕턴스(LL), 커패시턴스(CL), 전송선로의 길이(즉, 그에 의한 LR, CR) 및 셀의 개수(N)를 결정할 수 있다. 특히, 도 4와 같이 구성된 제 1 전송선로(210)의 전파 상수(β)와 특성 임피던스(Zc)는 아래의 수학식1, 2와 같이 LH 전송선(310)의 커패시턴스(CL)와 인덕턴스(LL) 및 RH 전송선(320)의 커패시턴스(CR)와 인덕턴스(LR)에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112009011792913-pat00003
Figure 112009011792913-pat00004
제 1 전송선로(210)가 임피던스 Zt로 정합되고, w1과 w2의 이중대역에서 각각 전송 상수 β1과 β2를 갖는 조건은 아래의 수학식 3, 4와 같다.
Figure 112009011792913-pat00005
Figure 112009011792913-pat00006
상기의 수학식 4의 매칭 조건은 2개의 방정식으로 나누어지기 때문에 상기 수학식 1에 대입하면 2개의 식을 얻게 되어 총 4개의 방정식을 얻을 수 있다. 이러한 4개의 방정식에 의해 4개의 미지수인 제 1 전송선로(210)의 파라미터값, 즉 LH 전송선(310)의 커패시턴스(CL)와 인덕턴스(LL) 및 RH 전송선(320)의 커패시턴스(CR)와 인덕턴스(LR)를 구할 수 있으며, 그 값은 아래의 수학식 5에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112009011792913-pat00007
또한 상기와 같이 구해진 각 소자 값에 기초하여, 제 1 전송선로(210)와 듀얼 회로 관계에 있는 제 2 전송선로(220)의 소자 값도 구할 수 있게 된다.
제 1, 2 전송선로(210, 220)는 대칭성과 고립도를 위해 출력 단자(240, 242) 사이에 추가된 R1 저항 및 제 3 전송선로(230)와 병렬로 연결된다. 즉, 출력 단자(240, 242) 사이에 삽입된 전기적 길이가 ±λ/2인 제 3 전송선로(230)에 의해 두 개의 출력 단자(240, 242) 간의 고립도를 개선할 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 전송선로(210, 220)에 의한 위상 지연의 합은 0 이 되고, 제 3 전송선로(230)에 의한 위산 지연은 180이므로, 제 1 및 제 2 전송선로(210, 220)를 통과한 신호는 제 3 전송선로(230)를 통과한 신호와 상쇄된다. 따라서, 하나의 출력 단자에서의 신호가 다른 출력 단자에서의 신호에 영향을 미치지 않게 되며, 그에 의해 고립도가 개선된다. 이와 같은 제 3 전송선로는 CRLH, D-CRLH 뿐만 아니라 종래의 전송 선로를 이용하여 구성할 수 있다. 또한, 출력 단자(240, 242)간의 대칭성을 위해 제 3 전송선로(230)의 양측에 저항 R1, R2가 삽입되어 있다. 이때, R1과 R2의 저항값은 출력 단자(240, 242)간의 대칭성을 위해 같은 값을 가지며, 그 예로서 50Ω일 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 발룬의 특성에 대해 도 6을 참조하여 설명하면 아래와 같다.
각각의 제 1, 2 전송선로(210, 220)는 주파수 f1, f2에서 CLRH인 제 1 전송선로(210)를 통해 각각 90, -90도로 위상 변화를 유도하고, DCLRH인 제 2 전송선로(220)에 의해 각각 -90, 90도의 위상 변화를 유도함으로써, 각 출력 단자(240, 242)에 180도 위상차와 1:1의 전력을 유도한다. 이에 따른 결과는, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, f1=195MHz에서의 전력 분배는 -3.35dB, -3.43dB이며, 위상 변화는 -114.4도, 64.8도임을 확인할 수 있다. 또한, f2=670MHz에서의 전력 분배는 -3.32dB, -3.29dB이며, 위상 변화는 27.9도, -142.9도임을 확인할 수 있다. 따라서 모의 실험을 통해, 본 발명의 회로가 이상적인 이중 대역 발룬으로 동작할 수 있음을 확인하였다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에서 별개인 것으로 설명된 수단 등의 구성요소는 단순히 기능상 구별된 것으로 물리적으로는 하나의 수단으로 구현될 수 있으며, 단일한 것으 로 설명된 수단 등의 구성요소도 수개의 구성요소의 결합으로 이루어질 수 있다. 또한 본 명세서에서 설명된 각 방법 단계들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 순서가 변경될 수 있고, 다른 단계가 부가될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태들은 각각 독립하여서뿐만 아니라 적절하게 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 전력 분배기를 도시한 회로도이며,
도 2는 본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 발룬을 도시한 회로도이며,
도 3은 본 발명에 적용되는 전송 선로를 구성하는 셀 구조를 설명하기 위한 회로도이며,
도 4는 본 발명에 적용되는 CRLH 구조를 도시한 회로도이며,
도 5는 본 발명에 적용되는 DCRLH 구조를 도시한 회로도이며,
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 모의 실험 결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 입력 단자 210 : 제 1 전송선로
220 : 제 2 전송선로 230 : 제 3 전송선로
240, 242 : 출력 단자

Claims (7)

  1. 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 포함하는 발룬에 있어서,
    상기 입력 단자와 어느 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 저주파 대역에서 LH(left-handed) 특성을 갖고, 고주파 대역에서 RH(right-handed) 특성을 갖는 제 1 전송선로와,
    상기 입력 단자와 다른 하나의 상기 출력 단자에 연결되어 상기 저주파 대역에서 RH 특성을 갖고, 상기 고주파 대역에서 LH 특성을 갖는 제 2 전송선로와,
    상기 두 개의 출력 단자 사이에 연결되어 상기 제 1 및 제 2 전송선로와 병렬로 연결되는 제 3 전송선로
    를 포함하는 발룬.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전송선로는, 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 직렬 결합으로 등가화될 수 있는 적어도 하나의 셀을 포함하는
    발룬.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전송선로는, 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 병렬 결합으로 등가화될 수 있는 적어도 하나의 셀을 포함하는
    발룬.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전송선로와 상기 제 2 전송선로는 서로 듀얼(dual) 회로인
    발룬.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전송선로는, ±λ/2 라인인
    발룬.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전송선로와 상기 두 개의 출력 단자 사이에 각각 직렬로 연결되는 저항
    을 더 포함하는 발룬.
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