KR101214913B1 - 다중도체 결합선로를 이용한 가변 임피던스 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중도체 결합선로를 이용한 가변 임피던스 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 다중도체 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치에 있어서, 입력 포트 및 출력 포트, 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트에 연결된 제1 전송선로 그룹 상기 제1 전송선로 그룹은 n 개의 전송선로를 포함함 -, 및 상기 n 개의 전송선로 각각마다 양측에 배열되어 상기 n 개의 전송선로와 커플링을 일으키는 전송선로를 포함하는 제2 전송선로 그룹 상기 제2 전송선로 그룹은 n+1 개의 전송선로를 포함하고 상기 n+1 개의 전송선로 각각은 스위치를 포함하며 상기 스위치는 각각 독립적으로 ON 또는 OFF 될 수 있음 -, 를 포함하는 임피던스 변환 장치가 제공된다. 본 발명에 의하면, (2n+1) 개의 결합선로에 포함된 (n+1) 개의 스위치의 ON/OFF를 적절한 조합으로 변동시킴으로써 전송선로의 특성 임피던스 값이 넓은 범위 내에서 변동될 수 있게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 스위치가 연결된 각각의 결합선로가 스위치가 연결되지 않은 각각의 결합선로와 바로 이웃하여 배치되도록 함으로써 이들 결합선로 사이에서 강한 커플링이 이루어지게 할 수 있다.

Description

다중도체 결합선로를 이용한 가변 임피던스 변환 장치{TUNABLE IMPEDANCE TRANSFORMER USING MULTI-CONDUCTOR COUPLED LINES}

본 발명은 다중도체 결합선로를 이용한 가변 임피던스 변환 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, (2n+1) 개의 λ/4 길이의 결합선로 및 스위치를 사용하여 임피던스를 변환시키는 장치에 관한 것이다.

임피던스 변환기는 마이크로웨이브 회로에 있어서 필수적인 구성요소라 할 수 있다. 가장 널리 사용되는 임피던스 변환기 중 하나는 λ/4 길이의 전송선로이며, 이러한 전송선로는 부하의 임피던스

를

로 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서,

는 전송선로의 특성 임피던스를 나타낸다.

하지만, 이러한 임피던스 변환기는 특정 비율의 임피던스 변환만을 수행하는 것이 일반적이었다. 이러한 비율은 튜닝 가능한 임피던스 변환기를 통하여 조절할 수 있는데, 이는 RF 전력 증폭기의 효율을 최적화시키거나, 안테나 임피던스를 매칭시키는데에 효과적으로 사용될 수 있었다.

이러한 가변 임피던스 변환기의 예로서, 튜닝 가능한 캐패시터 또는 바랙터(varactor)가 집중 LC소자 임피던스 변환기(lumped LC impedance transformer)에 사용할 수 있는데, 이에 따르면 다소 넓은 범위의 임피던스 변환을 가능하게 할 수 있었다(Jrad, A., Perrier, A.-L., Bourtoutian, R., Duchamp, J.-M. and Perrier, P.: ‘Design of an ultra compact electronically tunable microwave impedance transformer’. Electronics Letters, Vol. 41, No.12, pp.707-709, 2005 참조). 하지만, 바랙터를 이용하는 방법은, 임피던스의 변환범위가 제한적이며, 대전력 신호에 적용이 곤란하다는 단점이 있고, 특히, 바랙터는 아날로그 소자이므로 효율적으로 임피던스를 제어하는데 한계가 있는 것이 사실이었다.

이에 본 출원인은 상기 종래기술의 문제점을 극복하고 홀수 개의 결합선로 및 소정 개수의 스위치를 이용하여 특성 임피던스의 변화 범위가 큰 임피던스 변환기의 구조를 제안하기에 이르렀다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 (2n+1) 개의 결합선로와 여기에 부착된 스위치의 동작 모드를 적절하게 제어하여 특성 임피던스의 변동 범위를 크게 할 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 (2n+1) 개의 결합선로 중 스위치가 연결된 (n+1) 개의 전송선로를 제외한 나머지 전송선로를 병렬적으로 연결되도록 함으로써, 스위치가 연결된 각각의 결합선로가 이웃 결합선로와 강한 커플링이 이루어질 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 다중도체 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치에 있어서, 입력 포트 및 출력 포트, 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트에 연결된 제1 전송선로 그룹 - 상기 제1 전송선로 그룹은 n 개의 전송선로를 포함함 -, 및 상기 n 개의 전송선로 각각마다 양측에 배열되어 상기 n 개의 전송선로와 커플링을 일으키는 전송선로를 포함하는 제2 전송선로 그룹 - 상기 제2 전송선로 그룹은 n+1 개의 전송선로를 포함하고 상기 n+1 개의 전송선로 각각은 스위치를 포함하며 상기 스위치는 각각 독립적으로 ON 또는 OFF 될 수 있음 -, 를 포함하는 임피던스 변환 장치가 제공된다.

본 발명에 의하면, (2n+1) 개의 결합선로에 포함된 (n+1) 개의 스위치의 ON/OFF를 적절한 조합으로 변동시킴으로써 전송선로의 특성 임피던스 값이 넓은 범위 내에서 변동될 수 있게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 스위치가 연결된 각각의 결합선로가 스위치가 연결되지 않은 각각의 결합선로와 바로 이웃하여 배치되도록 함으로써 이들 결합선로 사이에서 강한 커플링이 이루어지게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로의 길이당 캐패시턴스를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 5중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치를 테스트하기 위해 실험적으로 구현한 사진 및 이를 등가회로적으로 간략하게 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 실험 장치를 이용하여 부하 저항을 바꿔가면서 측정한 입력반사손실의 변동을 나타내는 그래프이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 해당 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항들에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 장치는 다수의 전송선로(100) 및 다수의 스위치(S)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 본 발명에서는 마이크로웨이브 회로에서 사용되는 마이크로스트립 선로 등에 의해 구현되어 전송선로(100) 사이의 전자기적 커플링(coupling)이 존재하는 결합선로를 상정할 수 있다. 이때, 다수의 전송선로(100)는 인접하는 다른 전송선로(100)와 실질적으로 평행하게 구성될 수 있고 각각의 전송선로(100)는 동일한 너비와 간격을 가지는 균일한 결합선로로 전기적 길이는 λ/4 인 것을 상정한다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치(S)는 전송선로(100) 중 입출력 단자(P1, P2)와 연결된 제1 결합선로(1)에는 위치하지 않고 제1 결합선로(1)와 이웃하는 제2, 제3 결합선로(2, 3) 각각의 양단에 위치할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 이러한 제2 결합선로(2)의 양단에는 제1 스위치(S1)가 위치하고, 제3 결합선로(3)의 양단에는 제2 스위치(S2)가 위치할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 스위치(S)의 온/오프를 제어함에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로(100)의 단위 길이당 접지와의 캐패시턴스가 변하게 된다. 이에 따르면 입력단자(P1)와 출력단자(P2) 사이의 전송선로의 특성 임피던스가 변하게 되는 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이러한 스위치(S)의 온/오프 제어 모드는 총 3가지일 수 있는데, 구체적으로 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 모두 오프(OFF)인 경우(A 모드), 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2) 중 어느 하나만 온(ON)인 경우(B 모드), 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 모두 온(ON)인 경우(C 모드)가 있을 수 있다. 이때, 전송선로(100)의 양단에서의 전류와 전압 사이의 관계는 하기 수학식을 만족한다.

[수학식]

여기서,

은 어드미턴스(admittances) 로

,

,

,

(결합선로와 인접하지 않는 도체는 무시함)의 관계를 만족한다(

는 위상 속도임). 또한, 결합선로의 단위 길이당 캐패시턴스는

을 만족한다(Ou, W.P.: ‘Design equations for an interdigitated directional coupler’. IEEETrans.Microw.TheoryTech.,23,2,1975,pp.253-255참조).

이때, 상기에서 언급한 스위치 모드(즉, A, B, C 모드)마다 상기 수학식을 적용하면, A 모드의 경우

,B모드의 경우

,C모드의 경우

와 같이 단위 길이당 그라운드(G)까지의 총 캐패시턴스가 구해질 수 있다.

따라서, 스위치 모드가 변함에 따라 특성 임피던스(Characteristic Impedance)가 다양하게 변할 수 있다. 또한, 결합선로인 도체 수는 다양한 특성 임피던스 및 높은 임피던스 전송률을 구현하기 위해 증가될 수 있다.

다시, 도 1의 구조를 살펴보면, 스위치가 연결된 제2 및 제3 결합선로(2, 3)가 스위치가 연결되지 않은 제1 결합선로(1)와 바로 이웃하여 배치되도록 함으로써 이들 결합선로 사이에서 강한 커플링이 이루어지도록 하고 있음을 알 수 있다.

이러한 도 1의 결합선로의 구조는 보다 큰 규모로 확장될 수 있는데, 가령 도 3과 같은 결합선로의 구조로 확장될 수 있을 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 5중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 일례를 나타낸다.

도 3의 5중 결합선로 구조에서 도출될 수 있는 스위치 모드는 크게 5가지로 볼 수 있는데, 제1, 제2, 제3 스위치(S1, S2, S3)가 모두 오프(OFF)인 경우(A 모드), 제1 스위치(S1) 또는 제3 스위치(S3) 중 어느 하나만 온(ON)인 경우(B 모드), 제2 스위치(S2)만 온(ON)인 경우(C 모드), 제3 스위치(S3)가 온(ON)이며 제2 스위치(S2) 및 제1 스위치(S1) 중 어느 하나가 온(ON)인 경우(D 모드), 모든 스위치가 온(ON)인 경우(E 모드)가 그것이다.

이때, 도 3의 구조를 살펴보면, 스위치가 연결된 제1, 제4 및 제5 결합선로(1, 4, 5)가 스위치가 연결되지 않은 제2 및 제3 결합선로(2, 3)와 바로 이웃하여 배치되도록 함으로써 이들 결합선로 사이에서 강한 커플링이 이루어지도록 하고 있음을 알 수 있다. 여기서, 이웃하지 않는 도체들은 커플링 효과가 무시할 정도로 작기 마련이므로, 실제 입력포트(P1)과 출력포트(P2) 사이에 연결되는 전송선로를 두 개의 전송선로(2, 3)로 쪼개어 이를 병렬로 연결함으로써, 전송선로(2, 3)의 양측에 스위치가 연결된 제1, 제4 및 제5 결합선로(1, 4, 5)가 위치하도록 하여 커플링 효과가 배가될 수 있도록 하고 있음을 알 수 있다.

즉, 도 3의 구조에 따르면, 본 발명에 의한 다중 임피던스 변환 장치는 양단에 입/출력 단자가 연결되는 제1 도체 그룹 및 제1 도체 그룹과 평행하도록 배열되되 제1 도체 그룹과 인접하여 커플링 효과를 일으키고 스위치(S)에 의해 온/오프(ON/OFF) 제어되는 제2 도체 그룹으로 구성될 수 있다. 이를 일반화하면, 제1 도체 그룹에 포함된 전송선로의 개수가 n(n은 자연수)개이면, 제2 도체 그룹에 포함된 전송선로의 개수는 n+1개가 되고, 제2 도체 그룹에 포함된 n+1 개의 전송선로를 온/오프 제어함으로써 보다 큰 폭으로 특성 임피던스가 변동될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 일반화된 구조에 따르면, 전체 전송선로의 개수는 제1 도체 그룹에 포함된 전송선로의 개수인 n 및 제2 도체 그룹에 포함된 전송선로의 개수인 n+1를 합하여 2n+1 개가 됨을 알 수 있다.

본 발명에 따른 다중도체 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 이해를 돕기 위해 다음과 같은 실험예를 개시한다.

먼저, λ/4 길이의 임피던스 변환기를 1.9 GHz 주파수의 3중 및 5중 도체로 구성하였는데, MoM (method of moment)을 이용한 전파장 전자기 해석은 결합선로의 실제 치수를 결정하기 위해 수행될 수 있다.

상기 실험은 유전 상수 4.5의 30 밀리 두께의 테플론(Teflon) 기판 상에서 수행되었고, 상기와 같은 발명 아이디어를 확인하기 위해 실제 스위치를 사용하지는 않았는데, 그 이유는 실제 스위치를 사용하면 기생 효과(parasitic effect)가 생기기 때문이다. 그 대신, 동일한 금속 패턴을 가지는 여러 개의 PCB가 사용되었고 스위치 ON 상태는 비아홀(via hole) 그라운드에 의해 구현하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3중 도체 임피던스 변환 장치는 도체의 치수를 폭 1.0 mm, 간격 0.07 mm, 길이 21.8 mm(1.9GHz의 1/4 파장에 해당)로 하였다. 또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 5중 도체 임피던스 변환 장치의 도체의 치수는 폭 0.4 mm, 간격 0.07 mm 길이 21.8 mm로 하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 결합선로를 이용한 임피던스 변환 장치의 기능에 대해 테스트하기 위해 제작한 실험 장치를 나타내는 사진 및 이에 대한 등가회로를 간략하게 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 출력포트(P2)의 끝단에 측정용 부하 저항 Rt가 위치한다. 특성 임피던스는 해당 주파수에 최적의 입력반사손실을 제공하도록 부하 레지스턴스를 조절해 가면서 측정될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 도 4의 실험 장치를 이용하여 부하 저항을 바꿔가면서 측정한 입력반사손실의 변동을 나타내는 그래프이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, A 모드인 경우 Rt=62 ohm, B 모드인 경우 Rt=39 ohm, C 모드인 경우 Rt=33 ohm을 가지는 3중 도체의 임피던스 변환 장치의 측정된 입력반사손실을 알 수 있다. 이와 같이 디자인된 주파수에서 측정된 입력반사손실은 상기 모든 모드에서 충분히 좋았는데, 이에 따라 상기 변환기가 잘 작동하고 있음을 확인할 수 있었다. 이상적인 부하 및 실제 부하를 사용한 경우의 입력반사손실의 시뮬레이션 값이 각각의 도면에 역시 나타나 있는데, 이에 따르면 측정에 사용된 실제 저항에 기생 요소가 있기 때문에 주파수 변이(frequency shift)가 일어나고 있음을 알 수 있다. 이러한 측정에 의해 임피던스 변환 장치의 특성 임피던스는 A 모드인 경우 55.7, B 모드인 경우 44.2, C 모드인 경우 40.6 ohm으로 측정되었다.

또한, 상기 과정은 5중 임피던스 변환 장치에서도 수행될 수 있는데, 이에 따르면 측정된 특성 임피던스 값은 각각 A 모드인 경우 56.5 ohm, B 모드인 경우 46.8 ohm, C 모드인 경우 37.2 ohm, D 모드인 경우 33.0 ohm, E 모드인 경우 29.5 ohm 임을 알 수 있다. 따라서, 5중 도체 임피던스 변환 장치는 보다 넓은 범위와 다양한 모드의 특성 임피던스를 제공할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 다중 임피던스 변환 장치는 2n+1 개의 다중 도체 결합선로 및 n+1 개의 스위치를 제공하며, 상기 실험예는 특성 임피던스가 스위치의 온/오프 조건에 따라 다양하게 변동될 수 있음을 증명함을 보여주고 있다.

특히, 측정된 5중 임피던스 변환 장치의 스위치에 따른 5개 모드의 특성 임피던스는 최소값이 29.5 ohm 이고 최대값이 56.5 ohm 이므로 56.5/29.5 = 1.9에 해당되는바, 그 변동 폭이 아주 크다는 것을 보여준다. 이러한 성능은 결합선로인 도체 수를 증가시키면 더욱 향상될 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 제1 전송선로
2: 제2 전송선로
3: 제3 전송선로
100: 도체(결합선로)
S: 스위치
P: 입출력단자

Claims (5)

1. 다중도체 결합선로를 이용한 가변 임피던스 변환 장치에 있어서,
   입력 포트 및 출력 포트,
   상기 입력 포트 및 상기 출력 포트에 연결된 제1 전송선로 그룹 - 상기 제1 전송선로 그룹은 n 개의 전송선로를 포함함 -, 및
   상기 n 개의 전송선로 각각마다 양측에 배열되어 상기 n 개의 전송선로와 커플링을 일으키는 전송선로를 포함하는 제2 전송선로 그룹 - 상기 제2 전송선로 그룹은 n+1 개의 전송선로를 포함하고 상기 n+1 개의 전송선로 각각은 스위치를 포함하며 상기 스위치는 각각 독립적으로 ON 또는 OFF 될 수 있음 -,
   를 포함하는 임피던스 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전송선로 그룹에 포함되어 있는 상기 n 개의 전송선로는 서로 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 전송선로 그룹에 포함되어 있는 상기 n 개의 전송선로 각각은, 상기 제2 전송선로 그룹에 포함되어 있는 상기 n+1 개의 전송선로 중, 자신에 가장 인접한 한 쌍의 전송선로와 커플링을 일으키는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전송선로 그룹에 포함되어 있는 전송선로 및 상기 제2 전송선로 그룹에 포함되어 있는 전송선로는 서로 동일한 치수와 전기적 파라미터를 가지는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 전송선로 그룹에 포함되어 있는 전송선로 및 상기 제2 전송선로 그룹에 포함되어 있는 전송선로는 각각 λ/4 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.

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