KR101032297B1 - 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기 - Google Patents

메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기에 관한 것으로서, 35.36 옴(Ω) 정합을 위해 입력단 및 출력단의 세로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C11, 커패시터 C12 및 커패시터 C13와, 상기 커패시터 C11 및 상기 커패시터 C12의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L11과, 상기 커패시터 C12 및 상기 커패시터 C13의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L12로 구성되는 제1 임피던스 매칭부와, 50 옴 정합을 위해 입력단 및 출력단의 가로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C21, 커패시터 C22 및 커패시터 C23와, 상기 커패시터 C21 및 상기 커패시터 C22의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L21과, 상기 커패시터 C22 및 상기 커패시터 C23의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L22로 구성되는 제2 임피던스 매칭부를 구성한다. 상기와 같은 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기는, 상용화된 소형의 LC 소자로 구성되는 메타물질 구조를 이용하여 임피던스 매칭을 구현함으로써, 평형 증폭기의 크기와 무게를 저가에 현저하게 줄이는 효과가 있다.

Description

메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기{BROADBAND BALANCED AMPLIFIER USING METAMATERIAL}
본 발명은 평형 증폭기에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기에 관한 것이다.
이하, 도 1a 내지 도 1b를 참조하여 종래의 3 dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기를 설명한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 3 dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기의 개념도이다. 그리고 도 1b는 종래 기술에 따른 3dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기의 예시 회로도이다.
도 1a를 참조하면, 3 dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기(balanced amplifier)의 입력단과 출력단은 반사 계수를 낮추기 위해 50 옴(Ω)으로 정합되고, 전송 선로(transmission line)은 전력 전송율을 높이기 위해 35.36 옴(Ω)으로 정합되는 것이 개념적으로 나타나 있다.
도 1b를 참조하면, 평형 증폭기의 회로가 예시적으로 도시되어 있는데, 2 단의 FET(field effect transistor) 증폭단으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이에, 입력 신호는 3 dB 하이브리드 구조를 거쳐 두 갈래로 분배되고, 분배된 신호는 각각 FET 증폭단을 거쳐 다시 증폭된 후 3 dB 하이브리드를 거쳐 합성되어 출력됨을 알 수 있다.
이처럼 3 dB 하이브리드(hybrid) 구조의 평형 증폭기(balanced amplifier)는 증폭단이 병렬로 구성되는데, 회로 설계에 따라 10 단 또는 그 이상의 증폭단이 병렬로 구성될 수도 있다. 이에, 평형 증폭기는 어느 한 모듈의 고장에도 운용이 중단되지 않을 수 있으므로, 지속적인 유지 및 관리가 곤란한 인공 위성의 중계기(transponder)나 기타 다른 RF 장비에 많이 이용되고 있다.
종래의 고주파용 평형 증폭기에서는 임피던스 매칭(impedance matching)을 위해 주로 마이크로스트립라인(microstripline)이 이용되고 있다. 마이크로스트립라인을 이용한 임피던스 매칭의 경우, 알루미나(alumina) 기판 또는 FR4 기판이 이용된다. 알루미나 기판의 경우에는 유전율이 9.6 내지 10.0에 이르므로 그 크기와 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만, 그 가격이 매우 고가이므로 널리 이용되고 있지는 못하다. 한편, FR4의 경우에는 유전율이 4.6 정도이어서 그 크기가 비교적 큰 편이지만, 상대적으로 적정한 가격에 구현 가능하므로 주로 많이 이용되고 있는 편이다.
이처럼 중계기 등에 이용되는 평형 증폭기는 가격뿐만 아니라 그 크기가 중요한 고려 사항이 된다. 인공 위성의 경우에는 그 발사 비용이 막대한데, 인공 위성의 무게가 1 kg 증가 시마다 발사 비용도 대략 1억씩 증가할 정도로 그 크기나 무게가 많은 영향을 미치기 때문이다.
한편, 기존에는 메타물질(metamaterial)을 이용한 다양한 회로들이 개시되어 있으나, 평형 증폭기에 메타물질을 적용한 예는 없다.
본 발명의 목적은 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기는, 35.36 옴(Ω) 정합을 위해 입력단 및 출력단의 세로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C11, 커패시터 C12 및 커패시터 C13와, 상기 커패시터 C11 및 상기 커패시터 C12의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L11과, 상기 커패시터 C12 및 상기 커패시터 C13의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L12로 구성되는 제1 임피던스 매칭부와, 50 옴 정합을 위해 입력단 및 출력단의 가로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 제4 커패시터 C21, 제5 커패시터 C22 및 제6 커패시터 C23와, 상기 제4 커패시터 C21 및 상기 제5 커패시터 C22의 연결점과 접지 간에 연결되는 제3 인덕터 L21과, 상기 제5 커패시터 C22 및 상기 제6 커패시터 C23의 연결점과 접지 간에 연결되는 제4 인덕터 L22로 구성되는 제2 임피던스 매칭부를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 커패시터 C11은 6 pF, 상기 커패시터 C12는 10 pF, 상기 커패시터 C13는 16 pF, 상기 인덕터 L11은 36 nH, 상기 인덕터 L12는 36 nH인 것이 바람직하다. 그리고 상기 커패시터 C21은 12 pF, 상기 제4 커패시터 C22는 6 pF, 상기 제5 커패시터 C23는 9 pF, 상기 제3 인덕터 L21은 10 nH, 상기 제4 인덕터 L22는 10 nH인 것이 바람직하다. 그리고 상기 제1 임피던스 매칭부 및 상기 제2 임피던스 매칭부는, 1.25 mm 폭과 1.1 mm 두께의 선로로 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기는, 상용화된 소형의 LC 소자로 구성되는 메타물질 구조를 이용하여 임피던스 매칭을 구현함으로써, 평형 증폭기의 크기와 무게를 저가에 현저하게 줄이는 효과가 있다. 한편, LC 소자의 소자값만 달리 적용하면 공진점이 변경되어 다양한 주파수의 광대역 평형 증폭기가 용이하게 구현된다. 다른 한편, 대략 7 GHz 내지 9 GHz의 주파수 대역에서는 위상 오차가 거의 없으므로, 위상 보정할 필요가 없으며 주파수 이득(gain)도 종래의 평균값인 8 dB 정도가 되므로 전기적 특성 또한 매우 우수하다.
도 1a는 종래 기술에 따른 3 dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기의 개념도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 3dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기의 예시 회로도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기의 회로도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 임피던스 매칭부의 회로도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 임피던스 매칭부의 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기의 위상 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도 2a 내지 도 3b를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질(metamaterial)을 이용한 광대역 평형 증폭기(broadband balanced amplifier)의 회로도이다. 그리고 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 임피던스 매칭부의 회로도이다. 그리고 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 임피던스 매칭부의 회로도이다.
도 2a를 참조하면, 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기(100)(이하, '광대역 평형 증폭기'라 함)는, 제1 임피던스 매칭부(110), 증폭단(120) 및 제2 임피던스 매칭부(130)를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기에서, 광대역 평형 증폭기(100)는 종래의 3 dB 하이브리드 구조의 평형 증폭기를 이용한 것으로서, LH(left-handed) 메타물질을 이용하여 임피던스 매칭을 구현한다. 이때, 임피던스 매칭을 위한 LH 메타물질은 인덕터와 커패시터의 조합으로 구현되는데, 상용화된 소형의 LC 소자에 의해 그 크기와 무게를 줄이고 저가의 구현 비용이 소모된다는 장점이 있다. 한편, LH 메타물질의 임피던스 매칭부는 필터 형태의 구조를 가짐으로써, 광대역의 주파수 선택적 특성을 가진다. 종래의 협대역 평형 증폭기에 비해 주파수 대역이 훨씬 넓어진다. 한편, 위상 오차나 주파수 이득 등의 전기적 특성도 우수하다. 한편, 메타물질은 그 구조에 의해 유효 유전율(effective permittivity)과 유효 투자율(effective permeability)이 모두 음의 값을 가지며, 플레밍의 왼손법칙이 적용되는 LH(left-handed) 특성을 갖는다. LH 메타물질에서는 전송 선로 내에서 위상의 흐름이 역방향으로 전개되며 여러 가지 물리적 현상이 RH(right handed) 물질과는 다르게 나타난다. 한편, 도 2a의 광대역 평형 증폭기(100)는 λ/4 전송 선로 또는 3λ/4 전송 선로로 설계 되도록 구성될 수 있다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
제1 임피던스 매칭부(110)는 35.36 옴(Ω) 정합을 위해 입력단 및 출력단의 세로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C11, 커패시터 C12 및 커패시터 C13와, 상기 커패시터 C11 및 상기 커패시터 C12의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L11과, 상기 커패시터 C12 및 상기 커패시터 C13의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L12로 구성된다.
제1 임피던스 매칭부(110)는 전력 전송의 효율성 제고를 위해 35.36 옴(Ω)으로 정합하기 위한 스텁(stub)으로서, 일종의 직렬 전송선로 역할을 한다. 제1 임피던스 매칭부(110)는 커패시터 소자와 인덕터 소자로 구성되며, 각각 입력단과 출력단의 세로 방향에 하나의 쌍으로 구비될 수 있다.
한편, 각 커패시터 소자와 인덕터 소자는 필터 형태의 구조로 구성되는데, 이는 각 소자값들을 변경하면 주파수 선택 특성이 달라짐을 의미한다. 즉, 종래의 협대역 특성을 갖는 3 dB 하이브리드 평형 증폭기와 달리 임의로 광대역의 주파수 대역을 선택할 수 있음을 의미한다.
여기에서, 도 2b를 참조하면 커패시터 C11은 6 pF, 상기 커패시터 C12는 10 pF, 상기 커패시터 C13는 16 pF, 상기 인덕터 L11은 36 nH, 상기 인덕터 L12는 36 nH의 값을 가지도록 구성될 수 있다. 한편, 제1 임피던스 매칭부(110)는 약 1.25 mm 폭과 1.1 mm 두께의 선로로 구성될 수 있다.
이러한 제1 임피던스 매칭부(110)는 상용화된 LC 소자를 이용하여 메타물질 구조로 구성되기 때문에, 광대역 평형 증폭기(100)는 기존에 비하여 저가의 소형 및 경량 평형 증폭기로 구현된다. 대략 그 크기는 기존에 비해 1/3로 구현될 수 있다. 특히, 인공위성과 같인 무게에 민감하게 발사 비용이 소요되는 경우에는, 더욱 그 효용 가치가 높다.
증폭단(120)은 입력단으로부터 하이브리드 구조를 통해 분배된 두 개의 신호를 각각 증폭하기 위한 구성이다. 증폭단(120)은 기존의 평형 증폭기의 증폭단과 거의 동일한 구성이다.
제2 임피던스 매칭부(130)는 50 옴(Ω) 정합을 위해 입력단 및 출력단의 가로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 제4 커패시터 C21, 제5 커패시터 C22 및 제6 커패시터 C23와, 상기 제4 커패시터 C21 및 상기 제5 커패시터 C22의 연결점과 접지 간에 연결되는 제3 인덕터 L21과, 상기 제5 커패시터 C22 및 상기 제6 커패시터 C23의 연결점과 접지 간에 연결되는 제4 인덕터 L22로 구성된다.
제2 임피던스 매칭부(130)는 반사 계수를 줄이기 위해 50 옴(Ω)으로 정합하기 위한 일종의 병렬 스텁(shunt stub)이라고 볼 수 있다. 제2 임피던스 매칭부(130) 역시 커패시터 소자와 인덕터 소자로 구성되며, 각각 입력단과 출력단의 가로 방향에 하나의 쌍으로 구비될 수 있다.
제2 임피던스 매칭부(130)의 각 커패시터 소자와 인덕터 소자는 필터 형태의 구조로 구성되며, 역시 임의로 광대역의 주파수 대역 선택이 가능하다.
여기에서, 도 2c를 참조하면 커패시터 C21은 12 pF, 제4 커패시터 C22는 6 pF, 제5 커패시터 C23는 9 pF, 제3 인덕터 L21은 10 nH, 제4 인덕터 L22는 10 nH의 값을 가지도록 구성될 수 있다. 한편, 제2 임피던스 매칭부(130)는 약 1.25 mm 폭과 1.1 mm 두께의 선로로 구성될 수 있다.
제2 임피던스 매칭부(130) 역시 메타물질 구조로 구성되어 소형 및 경량의 평형 증폭기를 저가로 구현하는데 기여한다. 물론, 그 전기적 특성도 기존에 비하여 우수하다. 특히, LH 메타물질은 전송 선로 내에서 위상의 흐름이 역방향으로 전개되는 특성으로 인해, 위상의 조절이나 다중 대역에서의 동위상 확보 측면에서 유리하게 응용될 수 있다. 본 발명에 제1 임피던스 매칭부(110) 및 제2 임피던스 매칭부(130) 역시 그러하다. 이하, 도 3a 및 도 3b를 통해 설명한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다. 그리고 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기의 위상 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 광대역 평형 증폭기(100)의 출력 신호 m3의 주파수 대역이 대략 7.3 GHz와 8.2 GHz에서 공진하는 특성을 나타나 있음을 알 수 있다. 종래에 비하면, 대역폭을 광대역으로 임의로 설정할 수 있음을 알 수 있다. 즉, LC 소자값의 변경으로 광대역 주파수 대역의 설정이 가능하므로, 매우 편리하게 설계할 수 있다. 이는 기존의 전송선로 매칭에 비하면 매우 간단한 것이다. 한편, 증폭단(120)의 출력 신호인 m1, m2의 각 주파수 이득은 8 dB 정도임을 알 수 있는데, 이는 기존의 평형 증폭기에서 얻어지는 주파수 이득과 거의 차이가 없다. 즉, 본 발명에 의한 광대역 평형 증폭기(100)에서는 주파수 이득에 있어서 손실이 없음을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 광대역 평형 증폭기(100)의 경우 증폭단(120)의 출력 신호 m1 및 m2의 위상차가 대략 6 ° 이내로 나오는 것을 알 수 있다. 기존의 경우에는 위상차가 180 °가 나오지만, 대략 7 GHz 내지 9 GHz에서는 위상 오차가 거의 없으므로, 위상차 보정이 필요하지 않다. 한편, 대략 10 GHz 이하의 주파수 대역에서는 기생 성분에 있어서도 종래와 거의 차이가 없다.
이와 같이, 광대역 평형 증폭기(100)에서는 전기적 특성까지도 기존의 평형 증폭기에 비하여 매우 우수하다는 장점이 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 제1 임피던스 매칭부
120: 증폭단
130: 제2 임피던스 매칭부

Claims (4)

  1. 35.36 옴(Ω) 정합을 위해 입력단 및 출력단의 세로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C11, 커패시터 C12 및 커패시터 C13와, 상기 커패시터 C11 및 상기 커패시터 C12의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L11과, 상기 커패시터 C12 및 상기 커패시터 C13의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L12로 구성되는 제1 임피던스 매칭부 및
    50 옴 정합을 위해 입력단 및 출력단의 가로 방향에 하나의 쌍으로 구비되며, 상기 입력단 및 출력단에 각각 직렬로 연결되는 커패시터 C21, 커패시터 C22 및 커패시터 C23와, 상기 커패시터 C21 및 상기 커패시터 C22의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L21과, 상기 커패시터 C22 및 상기 커패시터 C23의 연결점과 접지 간에 연결되는 인덕터 L22로 구성되는 제2 임피던스 매칭부를 포함하고,
    상기 커패시터 C11은 6 pF, 상기 커패시터 C12는 10 pF, 상기 커패시터 C13는 16 pF, 상기 인덕터 L11은 36 nH, 상기 인덕터 L12는 36 nH이고, 상기 커패시터 C21은 12 pF, 제4 커패시터 C22는 6 pF, 상기 커패시터 C23는 9 pF, 상기 인덕터 L21은 10 nH, 상기 인덕터 L22는 10 nH인 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 임피던스 매칭부 및 상기 제2 임피던스 매칭부는,
    1.25 mm 폭과 1.1 mm 두께의 선로로 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광대역 평형 증폭기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060009767A (ko) * 2004-07-26 2006-02-01 주식회사 에이텔시스텍 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기설계방법 및 그 저잡음증폭기
WO2007136983A2 (en) 2006-05-18 2007-11-29 The Regents Of The University Of California Power combiners using meta-material composite right/left hand transmission line at infinite wavelength frequency
JP2009535942A (ja) 2006-04-27 2009-10-01 レイスパン コーポレーション メタマテリアル構造に基づくアンテナ、デバイス、及びシステム
KR20100034302A (ko) * 2008-09-23 2010-04-01 금오공과대학교 산학협력단 메타 재질과 병렬 캐패시터를 이용한 광대역 특성을 갖는 소형 링 하이브리드

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