KR101260710B1 - 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입력단자(100), 복수의 출력단자(110) 및 복수의 하이브리드 결합기를 포함하고, 복수의 하이브리드 결합기는 순차적으로 연결되며, 각 하이브리드 결합기를 연결하는 연결부에 복수의 출력단자(110)를 통해 출력되는 신호의 비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)를 포함하는 전력분배기에 관한 발명이다.
본 발명에 의하는 경우 전력 분배기의 전력 분배 비율을 조정할 수 있으므로, 하나의 전력 분배기를 이용하여 다양한 전력비를 갖는 신호를 선택적으로 생성하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하는 경우 전력 분배기의 전력 분배 비율을 조정할 수 있으므로, 하나의 전력 분배기를 이용하여 다양한 전력비를 갖는 신호를 선택적으로 생성하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력단자, 복수의 출력단자 및 복수의 하이브리드 결합기를 포함하고, 복수의 하이브리드 결합기는 순차적으로 연결되며, 각 하이브리드 결합기를 연결하는 연결부에 복수의 출력단자를 통해 출력되는 신호의 비율을 조정하기 위한 비율 조정부를 포함하는 전력 분배기에 관한 발명이다.
전력 분배기는 고주파 회로나 시스템의 응용에 있어서 신호를 분배하고 역방향으로는 신호를 합성할 수 있는 소자로서 E.J. Wilkinson이 1960년 IRE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-8호에 N-way 전력 분배기를 제시한 이래 지금까지 윌킨스 N-way 전력 분배기를 변형한 전력 분배기, 90°하이브리드 브랜치 라인 전력 분배기, 원형 하이브리드 전력 분배기, 랜지 결합기 등 다양한 형태의 수많은 전력 분배기들에 대한 연구결과가 발표되었다.
브랜치 라인 전력 분배기는 입력 신호를 두 출력 경로로 나누면서 일정한 위상차(90°)를 갖게 하는 회로로써, 두 출력 간에 위상 차를 발생시키는 전력 분배기로 사용된다. 이 경우, 두 출력간 전력의 분배 비율은 1:1이고 90°의 위상차를 지닌 대칭 형태로 전력을 분배한다.
종래의 브랜치 라인 전력 분배기의 일례를 도 9에 도시하였다. 입력단자로 입력되는 신호는 브랜치 라인 하이브리드 결합기를 거쳐 복수의 출력단자로 출력되는 데 각 출력단자로 전달되는 경로가 상이하므로 경로차에 의해 각각의 출력 신호간에 위상차가 발생한다. 브랜치 라인 하이브리드 결합기의 결합길이를 조절하면, 90° 위상차를 가지며, 크기가 동일한 1:1 전력 분배기로 동작한다.
한편, 위와 같은 종래기술의 경우 전력 분배비가 1:1이나, 전력 분배비가 다르게 요구되는 경우가 생겨났고, 이를 개선하기 위해 1:2 등의 전력분배를 가능하게 하는 비대칭형 전력 분배기가 개발되었다.
그러나, 이러한 비대칭형 전력 분배기는 전력 분배 비율이 고정되어 있어, 하나의 전력 분배기로는 하나로 정해진 비율로만 전력 분배를 할 수 있을 뿐이며, 여러가지 비율로 전력을 분배하기 위해서는 여러 개의 전력분배기를 구비해야 하는 등 많은 불편을 초래하였다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 하나의 전력 분배기 안에서 분배되는 전력비를 선택적으로 조정 가능한 것을 목적으로 한다.
또한, 출력되는 신호의 전력을 조정하여 분배함으로써, 다양한 형태의 신호를 생성 및 이용할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 분배기는 입력단자(100), 복수의 출력단자(110), 복수의 하이브리드 결합기를 포함하고, 상기 하이브리드 결합기는 제 1 및 제 2 하이브리드 결합기(210)를 포함하고 각 하이브리드 결합기는 제 1 내지 제 4 단자를 구비하며 사분파 파장 길이를 가지고, 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 2 단자는 제 1 연결부(300)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 1 단자와 연결되고 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 3 단자는 제 2 연결부(310)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 4 단자와 연결되며, 상기 입력단자(100)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고, 상기 복수의 출력단자(110)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4 단자 및 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 3 단자이며, 상기 제 1 연결부(300) 및 상기 제 2 연결부(310)에 각각 연결되고 상기 복수의 출력단자(110)의 출력 비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)를 포함하며, 상기 제 2 하이브리드의 제 2 단자는 격리단자(120)인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 전력 분배기에서 상기 하이브리드 결합기는 브랜치 선로 하이브리드 회로 또는 3dB 방향성 결합기인 것을 포함하고, 상기 비율 조정부(400)는 가변 임피던스 회로인 것을 포함하며, 상기 가변 임피던스 회로는 일대다(one-to-many) 스위치 회로 및 상기 일대다 스위치 회로의 다측선에 각각 연결된 복수의 임피던스 회로를 포함하고, 각 임피던스 회로는 각각 상이한 임피던스를 가지는 소자가 연결되는 것 또한 포함한다.
또한, 본 발명의 전력 분배기는 제 3 내지 제 n 하이브리드 결합기를 더 포함하고, 제 1 내지 제 n 하이브리드 결합기는 순차적으로 연결되며, 입력단자(100)는 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고, 복수의 출력단자(110)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4단자 및 상기 제 n하이브리드 결합기의 제 3단자이며, 연속하는 하이브리드 결합기를 연결하는 연결부에 출력비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)가 연결되는 것을 포함한다.
본 발명에 의하는 경우 전력 분배기의 전력 분배 비율을 조정할 수 있으므로, 하나의 전력 분배기를 이용하여 다양한 전력비를 갖는 신호를 선택적으로 생성하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 전력 분배기를 안테나 피더(antenna feeder)로 이용하는 경우, 다양한 극성(polarization)을 가지는 신호를 처리할 수 있는 안테나 급전 선로로 동작하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기를 블록단위로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 우수모드 등가회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 기수모드 등가회로의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 일 실시예를 구현한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 무한대인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 0인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 j25 Ω인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 - j25 Ω인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 9는 종래의 브랜치 라인 전력 분배기의 일례를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 우수모드 등가회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 기수모드 등가회로의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 일 실시예를 구현한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 무한대인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 0인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 j25 Ω인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기의 비율 조정부의 임피던스가 - j25 Ω인 경우 입출력 신호를 분석한 그래프이다.
도 9는 종래의 브랜치 라인 전력 분배기의 일례를 나타낸 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기를 블록단위로 나타낸 구성도이다.
본 발명의 전력 분배기는 입력단자(100), 복수의 출력단자(110), 복수의 하이브리드 결합기를 포함하며, 상기 하이브리드 결합기는 제 1 및 제 2 하이브리드 결합기(200, 210)를 포함하고 각 하이브리드 결합기는 제 1 내지 제 4 단자를 구비하며 사분파 파장 길이를 가지고, 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 2 단자는 제 1 연결부(300)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 1 단자와 연결되고 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 3 단자는 제 2 연결부(310)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 4 단자와 연결되며, 상기 입력단자(100)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고, 상기 복수의 출력단자(110)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4 단자 및 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 3 단자이며, 상기 제 1 연결부(300) 및 상기 제 2 연결부(310)에 각각 연결되고 상기 복수의 출력단자(110)의 출력 비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)를 포함한다.
상기 연결부(300, 310)는 제 1 하이브리드 결합기(200)와 제 2 하이브리드 결합기(210)를 연결하기 위한 것으로 특정 장치가 이용되는 경우뿐만 아니라 특정 연결장치가 이용되지 않는 경우도 포함하며, 상기 하이브리드 결합기가 연결되는 지점을 통칭한다.
상기 제 2 하이브리드의 제 2 단자는 격리단자(120)이다. 격리단자(120)는 전력이 전달되지는 않지만 누설 전력이 발생하는 경우에도 입력단자(100)로 반사되어 돌아오지 않도록 격리단자(120)에 연결된 저항을 통해 누설 전력을 소모시키는 역할을 한다. 이로써 본 발명의 전력 분배기의 전력을 안정화시킬 수 있다.
상기 하이브리드 결합기는 브랜치 선로 하이브리드 결합기, 3dB 방향성 결합기뿐만 아니라 입력 신호를 2개 이상의 소자에 일정한 비율로 분배할 수 있는 다양한 장치를 포함한다.
비율 조정부(400)는 가변 임피던스 회로를 포함한다. 출력단자(110)를 통해 출력되는 신호의 전력비를 분배하기 위해서는 비율 조정부(400)의 기능이 중요한데, 가변 임피던스 회로를 이용하여 제 1 하이브리드 결합기(200)와 제 2 하이브리드 결합기(210) 사이에서 임피던스를 조절하는 경우 출력되는 신호의 비율을 선택적으로 조절할 수 있다.
가변 임피던스 회로는 다양한 방식으로 구현할 수 있으며, 일 실시예로써, 일대다(one-to-many) 스위치 회로를 연결부에 연결하고 상기 일대다 스위치 회로의 다측선에 각각 상이한 임피던스를 가지는 소자 또는 회로를 연결한다. 일대다 스위치 회로를 제어하여 특정 임피던스를 가지는 소자를 연결부에 전기적으로 연결시키는 경우, 연결되는 소자의 임피던스에 따라 출력 신호의 전력 분배비가 달라지므로, 스위치의 제어를 통해 출력되는 전력 분배비를 선택할 수 있다.
이하에서는 도 1의 회로 해석을 통해 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기가 어떠한 원리에 의하여 본 발명의 과제를 해결하는 지에 대해서 살펴본다.
다만, 본 발명의 전력 분배기는 상하 대칭회로의 구조로 되어 있으므로 회로 해석의 편의를 위해 우수모드(even mode) 및 기수모드(odd mode)로 각각 구분하여 해석한다. 우수모드 및 기수모드 등가회로를 각각 도 2 및 도 3에 각각 도시하였다.
도 2는 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 우수모드 등가회로이며, 50Ω으로 정규화한 것이다. 도 2의 회로는 우수 모드의 브랜치 선로 하이브리드와 부하단 Z(= jx )가 다단으로 연결된 형태이므로 ABCD-parameter를 이용하여 구하면 하기 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
상기 ABCD parameter를 이용하여 반사계수(Γe) 및 전달계수(Τe)를 구하면 아래 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같다.
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 2] 및 [수학식 3]의 정규화된 값을 다시 50Ω의 값으로 바꾸어 표현하면 아래와 같다.
[수학식 4]
[수학식 5]
도 3은 본 발명의 전력 분배기의 동작을 해석하기 위한 기수모드 등가회로의 구성도이며, 50Ω으로 정규화한 것이다. 도 3의 회로는 기수 모드의 브랜치 선로 하이브리드와 부하단 Z(= jx )가 다단으로 연결된 형태이므로 ABCD-parameter를 이용하여 구하면 하기 [수학식 6]과 같다.
[수학식 6]
상기 ABCD parameter를 이용하여 반사계수(Γo) 및 전달계수(Τo)를 구하면 아래 [수학식 7] 및 [수학식 8]과 같다.
[수학식 7]
[수학식 8]
[수학식 7] 및 [수학식 8]의 정규화된 값을 다시 50Ω의 값으로 바꾸어 표현하면 아래와 같다.
[수학식 9]
[수학식 10]
우수모드 해석 결과와 기수모드 해석 결과를 이용하여 구한 반사파와 진행파의 값을 이용하여 S-parameter의 값으로 구하면 아래의 [수학식 11]과 같이 4단자 S-parameter의 값으로 표현할 수 있다.
[수학식 11]
상기 [수학식 11]을 통해 계산한 값을 이용하고, 회로의 대칭성을 고려하여 4*4의 S-parameter로 구하면 하기 [수학식 12]와 같다.
[수학식 12]
위 [수학식 12]에서 볼 수 있듯이 비율 조정부(400)의 X를 조정하는 경우 가변 임피턴스 값 jX에 따라 회로의 출력이 바뀌므로, 출력되는 전력비를 선택적으로 조정가능하다.
예를 들어, 비율 조정부(400)의 jX가 무한대(open)인 경우에는 출력이 모두 제 3단자로만 출력되고 s31=j가 되는 것을 볼 수 있다. jX가 0(short)인 경우에는 출력이 모두 제 4단자로 출력되고 s41=j가 된다. s31/s41=1 또는 -1이 되도록 jX를 조정하는 경우 제 3단자와 제 4단자가 정확히 반으로 출력을 나누어 가지며, 위상만 차이가 난다.
도 4는 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기를 실제로 구현한 회로의 일 실시예이다.
도 4에 도시된 실시예에서는 제 1, 2 하이브리드 결합기로 3dB 방향성 결합기를 이용하였으며, 비율 조정부(400)는 1 대 4 스위치의 4단자 상에 각각 open, short, 캐패시터, 인덕터를 연결하여 구성하였다. 이 경우, 스위치의 조작에 따라 4단자 상의 소자 중 어느 하나가 제 1, 2 연결부를 통해 제 1, 2 하이브리드 결합기 사이에 전기적으로 연결되므로, 각 소자의 연결에 따라 출력단자(110)의 전력 분배를 조절할 수 있다.
한편 도 5 내지 8은 상기 실시 예에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5는 스위치가 open단자(jX=∞)에 연결된 경우이고, 도 6은 스위치가 short단자(jX=0)에 연결된 경우이며, 도 7은 jX = j25 Ω인 경우, 도 8은 jX =- j25 Ω인 경우의 입출력 신호를 측정하여 분석한 그래프이다.
입력신호의 주파수는 917MHz였으며, 이론상 4단자 상에 연결되어야 하는 소자의 값은 open, short, 6.94pF과 4.339nH여야 하나, 스위치 연결선의 전기적 길이를 반영하여 부하의 값을 조정하여 신호를 측정하였다.
open회로는 10nH, short회로는 4pF, j25 Ω회로는 12pF, - j25 Ω회로는 1.5pF을 이용하여 구현하였으며 이를 이용한 입출력 신호의 측정결과를 그래프로 도시한 것이 도 5 내지 도 8이다.
도 5 내지 도 8에서 확인할 수 있듯이 사용 주파수 917MHz에서 입력 반사계수는 모두 20dB 이상이고, 비율 조정부(400)를 ±j25Ω로 한 경우 위상이 각각 ±90°로 변하며, 위상오차가 3°미만으로써, 비율 조정부(400)를 제어함으로써 출력단자(110)로 출력되는 신호의 전력을 선택적으로 분배할 수 있음이 확인되었다.
한편, 본 발명의 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기는 상기 실시예 이외에 제 3 내지 n 하이브리드 결합기를 더 포함하고, 제 1 내지 제 n 하이브리드 결합기는 순차적으로 연결되며, 상기 입력단자(100)는 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고, 상기 복수의 출력단자(110)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4단자 및 상기 제 n 하이브리드 결합기의 제 3단자이며, 연속하는 하이브리드 결합기를 연결하는 연결부에 출력비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)가 각각 연결되는 것을 포함한다.
즉 본 발명의 전력 분배기는 하이브리드 결합기의 개수가 2개에 한정되는 것이 아니며, 상기 실시예의 제 1, 2 하이브리드 결합기가 연결된 방식과 동일하게 제 3 내지 제 n 하이브리드 결합기가 연결되고, 입력단자(100), 격리단자(120), 복수의 출력단자(110)를 구비하는 것이 가능하며, 비율 조정부(400) 또한 상기 실시 예에서 기술한 것과 같이 각 하이브리드 결합기가 연결되는 지점에 전기적으로 연결될 수 있다.
100 입력단자 110 출력단자
120 격리단자 200 제 1 하이브리드 결합기
210 제 2 하이브리드 결합기 300 제 1 연결부
310 제 2 연결부 400 비율 조정부
120 격리단자 200 제 1 하이브리드 결합기
210 제 2 하이브리드 결합기 300 제 1 연결부
310 제 2 연결부 400 비율 조정부
Claims (6)
- 입력단자(100), 복수의 출력단자(110), 복수의 하이브리드 결합기를 포함하는 전력 분배기에 있어서,
상기 하이브리드 결합기는 제 1 및 제 2 하이브리드 결합기(200, 210)를 포함하고 각 하이브리드 결합기는 제 1 내지 제 4 단자를 구비하며 사분파 파장 길이를 가지고,
상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 2 단자는 제 1 연결부(300)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 1 단자와 연결되고 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 3 단자는 제 2 연결부(310)를 통해 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 4 단자와 연결되며,
상기 입력단자(100)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고,
상기 복수의 출력단자(110)는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4 단자 및 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 3 단자이며,
상기 제 1 연결부(300) 및 상기 제 2 연결부(310)에 각각 연결되고 상기 복수의 출력단자(110)의 출력 비율을 조정하기 위한 비율 조정부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 하이브리드 결합기(210)의 제 2 단자는 격리단자(120)인 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
- 청구항 1에 있어서, 상기 하이브리드 결합기는 브랜치 선로 하이브리드 회로 또는 3dB 방향성 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
- 청구항 1에 있어서, 상기 비율 조정부(400)는 가변 임피던스 회로인 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
- 청구항 4에 있어서, 상기 가변 임피던스 회로는 일대다(one-to-many) 스위치 회로 및 상기 일대다 스위치 회로의 다측선에 각각 연결된 복수의 임피던스 회로를 포함하며, 각 임피던스 회로는 각각 상이한 임피던스를 가지는 소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
- 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 하이브리드 결합기는 제 3 내지 제 n 하이브리드 결합기를 더 포함하고,
제 1 내지 제 n 하이브리드 결합기는 순차적으로 연결되며,
상기 입력단자는 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 1 단자이고,
상기 복수의 출력단자는 상기 제 1 하이브리드 결합기(200)의 제 4단자 및 상기 제 n 하이브리드 결합기의 제 3단자이며,
연속하는 하이브리드 결합기를 연결하는 연결부에 출력비율을 조정하기 위한 비율 조정부가 연결되는 것을 특징으로 하는 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110111142A KR101260710B1 (ko) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110111142A KR101260710B1 (ko) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | 선택적 전력 분배 기능을 갖는 전력 분배기 |
Publications (2)
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|---|---|
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Citations (2)
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| JPH1051211A (ja) | 1996-08-01 | 1998-02-20 | Nec Corp | 電力切換回路 |
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-
2011
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 박동훈 외6인, "송수신 격리특성을 개선한 RFID안테나 모듈", 2010년 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 2010년7월. |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20130046636A (ko) | 2013-05-08 |
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