KR101363251B1 - 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기 - Google Patents

광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기 Download PDF

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KR101363251B1
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magnetic
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양영구
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함정현
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머는 제1 대역에서 평탄 특성을 가지는 제1 자성물질 코어, 제1 대역과 일치하지 않은 제2 대역에서 평탄 특성을 가지는 제2 자성물질 코어 및 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 각각 또는 한꺼번에 감싸도록 권선되는 적어도 하나의 전송선을 포함할 수 있다.

Description

광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기{BALUN TRANSFORMER WITH WIDE BANDWIDTH AND POWER AMPLIFIER USING THE SAME}
본 발명은 무선 통신 전력 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발룬 트랜스포머에 관한 것이다.
오늘날의 무선 통신에서는 광대역 고출력 전력 증폭기가 널리 사용되고 있는데, 안테나를 통해 송출 또는 수신되는 무선 마이크로웨이브 신호는 언밸런스(unbalanced) 신호인 반면에, 전력 증폭기가 내부적으로 다루는 전기 신호는 밸런스(balanced) 신호인 경우가 대부분이다. 따라서 전력 증폭기가 입력단에서 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 변환하거나 또는 출력단에서 밸런스 신호를 언밸런스 신호로 변환하는 발룬(balun) 회로가 적어도 하나 이상 필수적으로 사용된다. 발룬 회로는 동시에 임피던스 매칭 기능도 제공하기 때문에 그 중요성은 더욱 커진다.
따라서 발룬 회로의 광대역 특성은 무선 전력 증폭기의 광대역 특성에 큰 영향을 미친다.
무선 전력 증폭기에서 발룬 회로는 예를 들어 DC 절연이 필요한 경우에는 통상적인 변압용 트랜스포머와 유사한 구조의 자속 커플링 발룬 트랜스포머를 예로 들 수 있고, 더 넓고 높은 주파수 대역에서 사용하기 위해서는 동축 케이블과 같은 전송선을 이용한 전송선 발룬 트랜스포머를 이용할 수 있다.
통상적으로 전송선 발룬 트랜스포머는 넓고 높은 주파수 대역에 적합하지만, 전송선을 권선하는 자성물질 코어의 투자율의 주파수 특성에 영향을 받을 수 밖에 없다. 자성물질 코어의 투자율은 대체로 어느 정도의 주파수 대역까지는 유지되나 주파수가 높아지면 떨어지게 된다. 더 높은 수준의 주파수 대역까지 투자율이 유지되는 고성능의 자성물질 코어는 상업적으로 고가에 획득할 수 밖에 없다.
자성물질 코어의 투자율을 높이는 대신에 정합 회로를 추가할 수도 있지만, 이 경우 복잡도가 높아지고, 오히려 기존에 양호한 특성을 보였던 다른 주파수 대역의 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저렴하고 복잡하지 않은 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머는,
제1 대역에서 평탄 특성을 가지는 제1 자성물질 코어;
상기 제1 대역과 일치하지 않은 제2 대역에서 평탄 특성을 가지는 제2 자성물질 코어; 및
상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 각각 또는 한꺼번에 감싸도록 권선되는 적어도 하나의 전송선을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어의 형상은 토로이드, 토러스, U자, C자, D자, 또는 E자 중에서 선택될 수 있다.
일 실시예에 따라,상기 제1 및 제2 자성물질 코어의 형상은, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어를 접합한 형상이 토로이드, 토러스, U자, C자, D자, 또는 E자 중 어느 하나의 형상이 되도록 선택될 수 있다.
일 실시예에 따라,상기 제1 자성물질 코어는 소정의 내경을 가지는 토로이드 또는 토러스 형상이고, 상기 제2 자성물질 코어는 상기 제1 자성물질 코어의 소정의 내경보다 작은 외경을 가지는 형상으로 선택할 수 있다.
일 실시예에 따라, 하나의 전송선이 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 한꺼번에 감싸도록 권선됨으로써 1:1 임피던스 변환비를 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 두 개의 전송선들이 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 각각 감싸도록 권선됨으로써 4:1 임피던스 변환비를 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들이 서로 마주하는 위치에서 제1 전송선의 내부 도체와 제2 전송선의 내부 도체가 연결되고 상기 제1 전송선의 외부 도체와 상기 제2 전송선의 외부 도체가 연결되며,
상기 제1 및 제2 자성물질 코어들이 서로 외향하는 위치에서 상기 제1 전송선의 외부 도체와 상기 제2 전송선의 내부 도체가 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 무선 전력 증폭기는, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 전력 증폭 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기에 따르면, 원하는 모든 대역에서 원하는 성능을 가진 단일하지만 상업적으로 획득 비용이 높은 자성물질 코어 대신에, 저렴하지만 제한적인 대역에서 제한된 성능을 제공하는 다수의 자성물질 코어들을 결합함으로써, 원하는 모든 대역에서 원하는 성능을 제공하는 발룬 트랜스포머를 저렴한 비용과 낮은 복잡도로 구현할 수 있다.
본 발명의 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기에 따르면, 서로 다른 대역에서 서로 다른 성능을 가진 발룬 트랜스포머를 매번 새로 개발하는 대신에, 서로 다른 대역에서 알려진 성능을 가진 발룬 트랜스포머들을 조합하여 최종적으로 원하는 대역에서 원하는 성능을 나타내는 발룬 회로를 쉽게 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머에 채택된 두 개의 자성물질 코어들의 주파수 특성을 예시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1:n2 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도들이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 무선 전력 증폭기를 예시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전형적인 무선 전력 증폭기(10)는 도시되지 않은 소정의 주파수 변조 회로에서 변조된 무선 입력 신호(RFin)을 입력받아 고전력 증폭하여 무선 출력 신호(RFout)를 안테나로 송출한다.
이를 위해, 먼저 제1 발룬 회로(11)가 싱글엔디드 신호 즉 언밸런스드 신호로 입력되는 무선 입력 신호(RFin)를 밸런스드 신호로 변환하며 경우에 따라서는 임피던스 매칭도 함께 수행할 수 있다.
고전력 증폭부(12)는 밸런스드 신호로 변환된 무선 입력 신호(RFinb)를 설계된 이득에 따라 증폭하거나 필터링하여, 밸런스드 무선 출력 신호(RFoutb)로 출력한다.
모노폴 안테나로 전달되기 전에 먼저 밸런스드 무선 출력 신호(RFoutb)는 제2 발룬 회로(13)에 인가되며, 제2 발룬 회로(13)는 밸런스드 무선 출력 신호(RFoutb)를 언밸런스드 무선 출력 신호(RFout)로 변환하며, 경우에 따라서는 임피던스 매칭도 동시에 수행할 수 있다.
증폭된 언밸런스 무선 출력 신호(RFout)는 모노폴 안테나(14)에서 전자기파 형태로 방사된다.
설계에 따라 안테나(14)가 만약 모노폴 안테나가 아닌 다이폴 안테나 등으로 구현되는 경우에는 제2 발룬 회로(13)가 불필요할 수도 있다.
이렇듯, 실질적으로 거의 대부분의 경우에, 발룬 회로는 적어도 하나 이상의 위치에서 중요한 역할을 수행하며, 발룬 회로의 주파수 영역의 특성은 전체적인 무선 증폭기(10)의 성능과 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(20)는 서로 다른 주파수 특성을 가지며 적어도 두 개의 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)을 나란히 겹쳐놓고 하나의 전송선(23)으로 권선하여 구성된다. 달리 말하면, 서로 다른 주파수 특성을 가지는 적어도 두 개의 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22) 내에 형성되는 자속은 전송선(23)이 이루는 폐루프가 이루는 면을 통과한다고 정의할 수 있다.
제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)은 바람직하게는 동일한 외형을 가질 수 있다.
구체적으로 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)은 동일한 외경 및 내경을 가지는 납작한 O-링, 다시 말해 토로이드(toroid) 형상을 가질 수 있다. 이 경우에, 실시예에 따라, 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)의 두께는 서로 다를 수 있다.
실시예에 따라, 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)은 각각 도넛 모양, 다시 말해 토러스(torus) 형상을 가질 수도 있고, U자 또는 C자, D자, E자 형상을 가질 수도 있다.
또는 실시예에 따라, 서로 다른 형상을 가진 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)이 접합하여 하나의 토러스 형상, U자, C자, D자 내지 E자 형상을 가지도록 성형될 수도 있다.
도 2에서 하나의 전송선(23)이 권선되는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(20)는 임피던스 비가 1:1인 발룬 트랜스포머를 제공한다.
제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)의 주파수 특성은 도 3에서 예시될 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머에 채택된 두 개의 자성물질 코어들의 주파수 특성을 예시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제1 자성물질 코어(21)의 투자율은 상대적으로 낮은 VHF 주파수 대역에서 높은 성능을 보이지만, 피크 대역보다 높은 UHF 주파수 대역에서는 감쇄하며 UHF 대역 내에 깊이 들어서기도 전에 투자율이 상자성체 수준으로 추락하는 주파수 특성을 가진다. 이러한 제1 자성물질 코어(21)를 단독으로 이용한 발룬 트랜스포머는 약 300 MHz 이하 VHF 대역에서는 바람직한 주파수 특성을 보이지만 300 MHz 이상 3 GHz 대역의 UHF 대역에서는 자성물질 코어(21)에서 심각한 자속 누설과 포화가 일어나면서 발룬 트랜스포머나 임피던스 매칭 회로로서의 주파수 특성이 급격히 나빠질 수 있다.
반면에, 제2 자성물질 코어(22)의 투자율은 VHF 대역뿐 아니라 UHF 주파수 대역에서도 충분히 양호한 주파수 특성을 가진다. 이러한 제2 자성물질 코어(22)를 단독으로 이용한다면 그 발룬 트랜스포머는 VHF 대역에서 대단히 좋은 주파수 특성을 보이지는 않겠지만, UHF 대역에서 그 주파수 특성이 저하되지 않고 양호하게 유지되는 장점이 있다.
만약, 도 3과 같이 서로 다른 성격의 주파수 특성을 가지는 제1 및 제2 자성물질 코어들(21, 22)을 나란히 붙이고 하나의 전송선(23)을 권선하면, VHF 대역에서는 제1 자성물질 코어(21)의 높은 투자율에 의해 자속이 누설되지 않고 전송선(23) 루프 안쪽을 통과할 것이며, 발룬 트랜스포머(20)가 정상적인 발룬 변환 및 임피던스 매칭 기능을 제공할 것이다. 또한 UHF 대역에서는, 제1 자성물질 코어(21)는 자성체 코어로서의 기능을 상실하겠지만, 제2 자성물질 코어(22)의 비교적 높은 투자율에 의해 제2 자성물질 코어(22) 내부에서 자속이 충분히 밀집하면서 전송선(23) 루프 안쪽을 통과할 것이며, 발룬 트랜스포머(20)는 여전히 정상적인 발룬 변환 및 임피던스 매칭 기능을 제공할 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1:n2 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 두 개의 루프를 제공하는 두 개의 전송선들로써 임피던스 비 1:4를 나타내는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(40)가 예시된다.
광대역 전송선 발룬 트랜스포머(40)는 서로 다른 주파수 특성을 가지는 제1 및 제2 자성물질 코어들(41, 42)의 각각에 제1 전송선(43)과 제2 전송선(44)이 각각 권선되어 형성된다.
제1 및 제2 자성물질 코어들(41, 42)이 마주하는 면에서 제1 전송선(43) 및 제2 전송선(44)의 내부 도체들끼리 그리고 외부 도체들끼리 연결되며, 또한 제1 및 제2 자성물질 코어들(41, 42)이 서로 외향하는 면에서 제1 전송선(43)의 내부 도체와 제2 전송선(44)의 외부 도체가 연결된다.
이때, 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(40)의 밸런스드 포트들(pb+, pb-, pbg)은 각각, 도트가 있는 쪽의 제1 전송선(43)의 내부 도체, 제2 전송선(44)의 외부 도체, 그리고 제1 전송선(43)의 외부 도체와 제2 전송선(44)의 내부 도체가 만나는 탭에 각각 연결된다.
또한 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(40)의 언밸런스드 포트들(pu+, pug)은 각각 제1 전송선(43)의 내부 도체와 도트가 있는 쪽의 제2 전송선(44)의 내부 도체가 만나는 탭과, 제1 전송선(43)의 외부 도체와 제2 전송선(44)의 외부 도체가 만나는 탭에 각각 연결될 수 있다.
이 경우에, 광대역 전송선 발룬 트랜스포머(40)의 임피던스 변환 비율은 1:4이다.
만약, 도 4에서, 예를 들어 도 2와 같이 제1 자성물질 코어(41)는 VHF 대역에서 주파수 특성이 상대적으로 매우 좋은 반면에 UHF 대역에서 주파수 특성이 저하되고, 제2 자성물질 코어(42)는 VHF 대역에서 상대적으로 주파수 특성이 나쁜 반면에 UHF 대역에서는 상대적으로 좋은 주파수 특성을 유지한다고 가정하자.
이 경우에, 서로 다른 성격의 주파수 특성을 가지는 제1 및 제2 자성물질 코어들(41, 42)에 각각 제1 전송선(43)과 제2 전송선(44)으로 권선하고 제1 및 제2 자성물질 코어들(41, 42)이 마주하는 위치에서 제1 전송선(43)과 제2 전송선(44)의 내부 도체끼리와 외부 도체끼리 각각 연결한다면, VHF 대역에서는 제1 자성물질 코어(41)의 높은 투자율에 의해 자속이 누설되지 않고 제1 전송선(43) 루프 안쪽을 통과할 것이므로 발룬 트랜스포머(40)가 정상적인 발룬 변환 및 임피던스 매칭 기능을 제공할 것이다. 또한 UHF 대역에서는, 제1 자성물질 코어(41)는 자성체 코어로서의 기능을 상실하겠지만, 제2 자성물질 코어(42)의 비교적 높은 투자율에 의해 제2 자성물질 코어(42) 내부에서 자속이 충분히 밀집하면서 제2 전송선(44) 루프 안쪽을 통과할 것이며, 발룬 트랜스포머(40)는 여전히 정상적인 발룬 변환 및 임피던스 매칭 기능을 제공할 것을 기대할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광대역 전송선 발룬 트랜스포머를 예시한 개념도들이다.
도 5를 참조하면, 토로이드 형상 또는 토러스 형상의 제1 자성물질 코어(51)의 내경이 이루는 공간에 마찬가지로 토로이드 형상 또는 토러스 형상의 제2 자성물질 코어(52)를 위치시킴으로써 합성 코어(50)를 조합할 수 있다.
합성 코어(50)는 제2 자성물질 코어(52)에 의해 제1 자성물질 코어(51)의 주파수 특성을 보완할 수 있으면서 실질적으로 제1 자성물질 코어(51)의 크기만 차지한다.
합성 코어(50)에 관하여 권선의 방법에 따라 발룬 트랜스포머가 1:1 또는 1:4의 임피던스 변환비를 가지도록 할 수 있다.
한편 도 6을 참조하면, 토로이드 형상 또는 토러스 형상의 제1 자성물질 코어(61)의 내경이 이루는 공간에 관통 개구가 두 개인 8자 형상의 제2 자성물질 코어(62)를 위치시킴으로써 합성 코어(60)가 조합된다.
합성 코어(60)는 제2 자성물질 코어(62)에 의해 제1 자성물질 코어(61)의 주파수 특성을 보완할 수 있고, 좀더 큰 비율의 임피던스 변환 비율을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 실질적으로 제1 자성물질 코어(61)의 크기만 차지한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
10 무선 전력 증폭기 11 제1 발룬 회로
12 고전력 증폭부 13 제2 발룬 회로
14 모노폴 안테나 20, 40 광대역 전송선 발룬 트랜스포머
21, 22, 41, 42, 51, 52, 61, 62 자성물질 코어
23, 43, 44 전송선
50, 60 합성 코어

Claims (8)

  1. 제1 대역에서 평탄 특성을 가지는 제1 자성물질 코어;
    상기 제1 대역과 일치하지 않은 제2 대역에서 평탄 특성을 가지는 제2 자성물질 코어; 및
    상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 각각 또는 한꺼번에 감싸도록 권선되는 적어도 하나의 전송선을 포함하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어의 형상은 토로이드, 토러스, U자, C자, D자, 또는 E자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어의 형상은, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어를 접합한 형상이 토로이드, 토러스, U자, C자, D자, 또는 E자 중 어느 하나의 형상이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 자성물질 코어는 소정의 내경을 가지는 토로이드 또는 토러스 형상이고, 상기 제2 자성물질 코어는 상기 제1 자성물질 코어의 소정의 내경보다 작은 외경을 가지는 형상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  5. 청구항 1에 있어서, 하나의 전송선이 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 한꺼번에 감싸도록 권선됨으로써 1:1 임피던스 변환비를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  6. 청구항 1에 있어서, 두 개의 전송선들이 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들 각각의 자속 단면들을 각각 감싸도록 권선됨으로써 4:1 임피던스 변환비를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성물질 코어들이 서로 마주하는 위치에서 제1 전송선의 내부 도체와 제2 전송선의 내부 도체가 연결되고 상기 제1 전송선의 외부 도체와 상기 제2 전송선의 외부 도체가 연결되며,
    상기 제1 및 제2 자성물질 코어들이 서로 외향하는 위치에서 상기 제1 전송선의 외부 도체와 상기 제2 전송선의 내부 도체가 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전송선 발룬 트랜스포머.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항의 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 전력 증폭 회로를 포함하는 무선 전력 증폭기.
KR1020120154825A 2012-12-27 2012-12-27 광대역 전송선 발룬 트랜스포머 및 이를 이용한 전력 증폭기 KR101363251B1 (ko)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990044630A (ko) * 1995-09-14 1999-06-25 데이비드 셔먼 고임피던스 비 광대역 트랜스포머 회로
KR20000068364A (ko) * 1997-07-03 2000-11-25 후루까와 준노스께 분리형 트랜스포머 및 분리형 트랜스포머를 이용한전송제어장치
KR20060042290A (ko) * 2004-11-09 2006-05-12 한국전자통신연구원 광대역 마이크로스트립 발룬

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Title
김경원 외8인,"1:4 전송선로 트랜스포머를 이용한 고추력 고효율 광대역 전력증폭기의 설계",한국전자파학회,2010년2월. *

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