KR101138304B1 - 이중대역 비대칭 전력 분배기 - Google Patents

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Abstract

입력 연결 전송 라인의 길이를 변화시킴으로써 비대칭 전력 분배가 가능하고 메타 재질의 이중대역 CRLH 전송 선로를 이용하여 서로 다른 두 개의 주파수 대역에서 사용할 수 있는 이중대역 비대칭 전력 분배기가 제공된다. 상기 이중대역 비대칭 전력 분배기는 이중대역 CRLH 전송 선로; 및 상기 이중대역 CRLH 전송 선로의 출력단에 각각 연결되는 2개의 입력 연결 전송 라인을 구비하고, 상기 2개의 입력 연결 전송 라인 중의 하나의 길이를 변화시킴으로써 비대칭 전력 분배를 가능하도록 하는 브랜치 라인 결합기를 포함한다.

Description

이중대역 비대칭 전력 분배기{Dual band unequal power divider}
본 발명은 전력 분배기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 출력 단자에서 전력 분배 비율을 가변할 수 있으며 서로 다른 주파수 대역에서 사용할 수 있는 이중대역 비대칭 전력 분배기에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 분배기는 RF 회로에서 입력된 전력을 소정의 비율로 분배하여 출력 포트로 분배하는 회로로서, 전력 손실 없이 원하는 비율로 전력을 분배할 뿐 아니라, 출력 포트 사이를 격리시켜 양 포트 상호 영향에 의한 회로 특성 변화를 방지하는 것이 이상적이다. 또한, 전력 분배기는 입출력 포트를 전환하여 전력 합성기로 사용하는 것도 가능하다. 이러한 전력 분배기는 정보 통신 신호 처리 분야에 속한 기술로써 신호의 송수신 단에서 동작하는 회로에서 사용되는 것으로, 통신 분야에서 중요한 기술적 회로이며, 그 용도는 통신 신호의 분배, 예를 들면 안테나 어레이의 전력 공급 회로, 평형 혼합기, 평형 증폭기, 그리고 검사 장비 등에 필수적으로 사용되는 부품이다.
종래 전력 분배기/합성기로서 윌킨슨 전력 분배기가 널리 사용되어 왔다. 일반적으로 윌킨슨 전력 분배기는 Right-Handed(RH) 특성이 있는 전송 선로를 이용하여 설계자가 원하는 주파수 대역을 갖도록 설계되는 것을 기본으로 하며, 두 신호의 합 또는 분배 이용되는 마이크로 소자이다.
이와 같은 종래의 기술은 하나의 회로가 하나의 주파수 대역에서만 동작할 수 있는 한계가 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 입력 연결 전송 라인의 길이를 변화시킴으로써 비대칭 전력 분배가 가능하고 메타 재질의 이중대역 Composite Right/Left-Handed (CRLH) 전송 선로를 이용하여 서로 다른 두 개의 주파수 대역에서 사용할 수 있는 이중대역 비대칭 전력 분배기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적으로 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중대역 비대칭 전력 분배기는 이중대역 CRLH 전송 선로; 및 상기 이중대역 CRLH 전송 선로의 출력단에 각각 연결되는 2개의 입력 연결 전송 라인을 구비하고, 상기 2개의 입력 연결 전송 라인 중의 하나의 길이를 변화시킴으로써 비대칭 전력 분배를 가능하도록 하는 브랜치 라인 결합기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 추구하는 기술적 문제 해결은 기존의 전력 분배기에 비선형 위상 특성을 갖는 CRLH 전송선로를 이용하여 이중대역 효과와 비대칭 분배를 추가하였다. 또한, 본 발명의 기술이 적용되는 분야에서 사용회로의 감소로 소요 비용 감소의 효과와 전체적인 면적 감소의 효과를 볼 수 있다. 본 발명은 하나의 회로를 이용하여 두 가지 주파수 대역에서 사용할 수 있다는 장점이 있어 본 발명이 속한 기술에서 사용 빈도가 높다. 전력 분배기 회로는 기본적으로 입력신호가 인가되면 임피던스가 정합된 두 선로로 동일한 전력으로 분배하여 전력 분배기로 동작하게 된다. 본 발명은 이중대역에서 출력 임피던스는 동일하게 두고, 입력 연결 전송 라인의 길이만을 변화시켜 비대칭 전력 분배할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 CRLH 전송선로의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 2는 RH, LH 및 CRLH 전송선로의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 이중대역 CRLH 전송선로 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 선로를 이용한 이중대역 비대칭 전력분배기를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 이중대역 비대칭 전력분배기의 구현 예를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 비선형적인 위상 특성이 있는 CRLH 전송선로를 이용하여 이중대역 특성을 갖는 전송선로를 설계하여, 이것을 바탕으로 설계된 이중대역 전력 분배기와 이 분배기의 입력 전송선로의 길이를 변화시킴으로써 임의의 비대칭 전력 분배기를 설계하였다. 본 발명서 상기에서 설명하고 있는 CRLH 전송선로의 등가회로는 직렬 커패시터와 이것에 의한 기생 직렬 인덕터 그리고 병렬 인덕터와 이것에 의한 기생 병렬 커패시터로 표현되며, 본 발명에서는 이러한 CRLH 전송선로의 비선형 위상 특성을 이용하여 비대칭 전력 분배기에 활용 폭을 넓힘으로서 효율적 이용이 가능함을 제시하였다.
본 발명은 종래의 전력 분배기에 기능을 추가한 형태로 구성하고 있으며, 그 방법은 메타 재질을 이용하여 적용시킨다. 본 발명에서 제안한 구조의 전력분배기는 하나의 회로로 이중대역특성 그리고 비대칭 특성을 이용하여 비용절감의 장점을 얻고자 한다. 본 발명에서는 이중대역 특성을 얻고자 CRLH 전송선로의 비선형 위상 특성을 이용하여 메타 재질을 입력 전송선로 그리고 브랜치 라인 결합기에 이용하였다. 따라서 본 발명의 과제는 CRLH 전송선로를 이용하여 이중대역을 갖는 비대칭 전력분배기 설계이다.
본 발명의 기본적인 구조를 유지하며 기술적 과제를 해결하기 위해 현재 본 발명이 속해 있는 기술에서 응용되는 메타 재질의 CRLH 전송선로를 이용한다. 사용된 기술은 메타 재질의 CRLH 전송선로를 이중대역이 되도록 하는 것이다.
따라서 본 발명은 기존 분배기에 이중대역 기술을 추가함과 현재 본 발명이 속한 기술에서 일반적으로 사용되는 전력분배기를 대체하게 된다.
도 1은 CRLH 전송선로의 등가회로를 나타낸 것으로 직렬 커패시터(CL)와 이것의 기생성분인 직렬 인덕턴스(LR) 그리고 병렬 인덕턴스(LL)와 이것의 기생성분인 병렬 커패시턴스(CR)로 구성되어 있다.
도 2에서는 RH라고 표기된 것은 Right-Handed 전송선로를 나타내며, 이것은 현재 자연계에 존재하는 기본 물질의 특성이 있는 전송선로를 의미하며, 또 LH라고 표기되는 것은 Left-Handed 전송선로 즉, 자연계에서는 존재하지 않은 전송선로를 등가화한 것이다. 도 1의 CRLH 전송선로의 위상 값을 아래 수학식 1 에서 수학식 5를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112010065760380-pat00001
Figure 112010065760380-pat00002
Figure 112010065760380-pat00003
Figure 112010065760380-pat00004
Figure 112010065760380-pat00005
여기서 CL, LR, LL, 및 CR은 CRLH 전송선로를 이루는 소자 값이며, Z0R은 RH 전송선로의 특성 임피던스 그리고 Z0L은 LH 전송선로의 특성 임피던스를 나타내며, ω는 CRLH 전송선로의 설계 주파수를 나타낸다.
상기 수학식들을 통해 도 2와 같은 RH, LH 그리고 CRLH 전송선로의 위상 특성을 도시화할 수 있게 된다. 도 2는 0 ~ 2.5GHz의 주파수 범위에서 위상 특성을 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 이중대역에서 동작하는 CRLH 전송 선로를 나타낸 것이다. 각 소자의 값은 사용하고자 하는 주파수에 맞도록 소자 값을 구할 수 있다. 임의 주파수 f1, f2에서 위상이 φ1 = - β1ℓ 및 φ2 = - β2ℓ이며, 여기서 ℓ은 전송선로의 물리적 길이를 의미한다.
Figure 112010065760380-pat00006
상기 수학식 6에서 정의한 것 같이 사용하고자 하는 두 개의 주파수 f1, f2에 해당되는 전달상수를 정한다. 그리고 이렇게 정해진 값들로 수학식 7 및 8을 이용하여 소자 값들을 구할 수 있다.
Figure 112010065760380-pat00007
Figure 112010065760380-pat00008
상기 수학식 7 및 8을 정리하여 인덕터(L)와 커패시터(C)의 방정식으로 정리하면 다음과 같은 수학식 9 내지 12로 표현할 수 있다.
Figure 112010065760380-pat00009
Figure 112010065760380-pat00010
Figure 112010065760380-pat00011
Figure 112010065760380-pat00012
여기서 Zt는 특성 임피던스, φ1, φ2는 전체 위상 변화, N은 단위 셀의 수를 나타낸다. 위의 식들로부터 구해진 소자의 값들을 사용하여 전송 선로를 설계하고 LR, CR 값들은 수학식 13 및 14로 RH 전송 선로로 구현하였다.
Figure 112010065760380-pat00013
Figure 112010065760380-pat00014
또, LH 전송선로는 소자 CL과 LL을 이용하여 구현하였고 도면 3은 2단으로 구현한 이중대역 CRLH 전송선로이다.
본 발명의 전력 분배기는 비대칭 전력 분배를 할 수 있다. 도 4는 CRLH 전송선로를 이용한 이중대역 전력 분배기를 나타내고 도 5는 이중대역 비대칭 전력분배기의 구현 예를 나타낸 낸 것으로 2개의 입력 연결 전송 라인 중의 하나, a의 길이를 변화시킴으로써 출력 포트 2와 3 사이의 전력 분배율을 다음 수학식 15로 설계할 수 있다.
Figure 112010065760380-pat00015
여기서 a는 x와 z 사이의 연결 거리이고 b는 y와 z 사이의 거리를 나타낸다.
도 4의 전력 분배기는 입력과 출력에 동일한 임피던스를 두고 전력 분배가 가능하며, 또한 2a=b 가 성립하게 되면 P3/P2 = 1이 되게 되어 균등 전력분배기가 된다.
410: CRLH 전송선로
420: 브랜치 라인 결합기

Claims (3)

  1. 직렬 커패시터, 직렬 인덕턴스 ,병렬 인덕턴스 및 병렬 커패시터를 포함하는 메타 재질의 CRLH 전송선로; 및
    상기 메타 재질의 CRLH 전송 선로의 출력단에 각각 연결되는 2개의 입력 연결 전송 라인을 구비하고, 상기 2개의 입력 연결 전송 라인 중의 하나의 길이를 변화시킴으로써 비대칭 전력 분배를 가능하도록 하는 브랜치 라인 결합기를 포함하는 이중대역 비대칭 전력 분배기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개의 입력 연결 전송 라인이 동일한 길이를 갖지 않은 경우 상기 이중대역 비대칭 전력 분배기는 서로 다른 두 개의 주파수 대역에서 비대칭 전력 분배기로 동작하는 이중대역 비대칭 전력 분배기.
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