KR101471564B1 - 광대역 도허티 결합기 - Google Patents

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KR101471564B1
KR101471564B1 KR1020130088257A KR20130088257A KR101471564B1 KR 101471564 B1 KR101471564 B1 KR 101471564B1 KR 1020130088257 A KR1020130088257 A KR 1020130088257A KR 20130088257 A KR20130088257 A KR 20130088257A KR 101471564 B1 KR101471564 B1 KR 101471564B1
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박정훈
오성민
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알.에프 에이치아이씨 주식회사
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Abstract

본 발명에 따르면, 도허티 결합기에서 N개의 출력 신호가 결합되는 각 임피던스 변환선로의 임피던스 변경을 통해 입력 신호의 결합 손실을 감소시키고, 출력 신호의 결합 시 중심 주파수 이외의 대역에서 발생하는 총 결합 손실을 개선하여 동작 대역을 향상시킬 수 있다.

Description

광대역 도허티 결합기{WIDEBAND DOHERTY COMBINER}
본 발명은 도허티 결합기(doherty combiner)에 관한 것으로, 특히 도허티 결합기에서 N개의 출력 신호가 결합되는 각 임피던스(impedance) 변환선로의 임피던스 변경을 통해 입력 신호의 결합 손실(combine loss)을 감소시키고, 출력 신호의 결합 시 중심 주파수 이외의 대역에서 발생하는 총 결합 손실을 개선하여 동작 대역(operation band)을 향상시킬 수 있도록 하는 저손실(low loss) 광대역(wideband) 특성을 가지는 도허티 결합기에 관한 것이다.
최근 통신 시장의 발전과 다양한 개인용 통신 기기의 보급으로 인하여 증폭기 분야에서 고출력 신호와 넓은 신호 대역이 요구되고 있고, 세계적으로 저탄소 정책에 일환으로 고효율에 대한 관심이 크게 증가됨에 따라 증폭기 분야에서도 고효율을 위한 다양한 증폭기 구조가 제안되고 있다.
한편, 위와 같은 증폭기 분야에서는 다수의 증폭기의 입력 신호를 하나의 신호로 묶기 위해 도허티 결합기를 포함한 다양한 종류의 결합기가 사용되고 있으며, 이러한 결합기 중 도허티 결합기는 주 증폭기와 보조 증폭기의 입력을 받아 결합되며, 출력은 동일하면서 효율을 개선 시키는 이점이 있어 증폭기 신호 결합 분야에서 널리 사용되고 있다.
또한, 위와 같은 도허티 결합기에 있어서, 기본적인 도허티 결합기의 경우 결합에 따른 결합 손실이 10log(1/N)으로 중심 주파수를 기준으로 각 선로의 결합 손실은 2Way일 경우 약 -3.01dB 이며, 3Way의 경우 약 -4.77dB 정도로 알려져 있다.
그러나, 종래의 도허티 결합기에서의 결합 손실은 중심 주파수를 제외한 대역에서 중심 주파수를 기준으로 점점 증가하기 때문에 넓은 대역을 사용하기 위해서는 큰 결합 손실을 감수하여야 하는 문제점이 있었다.
(특허문헌)
대한민국 등록특허번호 10-1057736호(등록일자 2011년 08월 11일)에는 결합기-써큘레이터 일체형 통신소자 및 그를 포함하는 도허티 증폭기에 관한 기술이 개시되어 있다.
따라서, 본 발명에서는 N개의 출력 신호가 결합되는 각 임피던스 변환선로의 임피던스 변경을 통해 입력 신호의 결합 손실을 감소시키고, 출력 신호의 결합 시 중심 주파수 이외의 대역에서 발생하는 총 결합 손실을 개선하여 동작 대역을 향상시킬 수 있도록 하는 저손실 광대역 특성을 가지는 도허티 결합기를 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 광대역 도허티 결합기로서, 각 입력신호의 특성 임피던스를 가지는 신호 임피던스 선로와, 상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제1 임피던스로 변환하는 제1 임피던스 변환선로와, 상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제2 임피던스로 변환하는 제2 임피던스 변환선로와, 상기 제1, 제2 임피던스 변환선로로부터 변환된 제1, 제2 임피던스를 출력 부하와 정합시키는 제3 임피던스 변환선로를 포함한다.
또한, 상기 제1, 제2 임피던스 변환선로는, 하나의 노드에서 결합되어 상기 제3 임피던스 변환선로에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 임피던스 변환선로는, 상기 제1, 제2 임피던스 변환선로가 하나의 노드에서 결합되어 상기 노드로부터 생성되는 임피던스를 상기 출력 부하의 출력 임피던스와 서로 정합시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 임피던스 변환선로에서 출력되는 제2 임피던스는, 상기 출력 부하의 임피던스를
Figure 112013067530313-pat00001
으로 나눈 값보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 임피던스 변환선로는 입력신호의 위상에 따라 길이가 변화하며, 상기 제2 임피던스 변환선로와 제3 임피던스 변환선로는 위상값이 90°이상의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호 임피던스 선로와 상기 출력 부하는, 동일한 임피던스를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 입력신호 중, 주신호는 상기 제1 임피던스 변환선로 인가되고, 상기 각 입력신호 중 상기 주신호를 제외한 나머지 입력신호는 상기 제2 임피던스 변환선로로 인가되며, 상기 제2 임피던스 변환선로에는 상기 주신호의 이득 및 이득 평탄도를 개선하기 위한 기설정된 임피던스 개선 지수(Ω)가 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 입력신호는, 2개 이상의 신호인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 도허티 결합기에서 N개의 출력 신호가 결합되는 각 임피던스 변환선로의 임피던스 변경을 통해 입력 신호의 결합 손실을 감소시키고, 출력 신호의 결합 시 중심 주파수 이외의 대역에서 발생하는 총 결합 손실을 개선하여 동작 대역을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 저손실 광대역 특성을 가지는 도허티 결합기에서는 주신호에 대한 결합손실을 크게 감소시켜 총 결합 손실을 개선함으로써 결합된 출력을 높임과 동시에 손실 개선으로 인한 효율이 증가되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 저손실 광대역 특성을 가지는 도허티 결합기를 증폭기 분야에 적용시키는 경우 증폭기에서 가장 중요한 특성인 출력 특성 및 효율이 개선되는 이점이 있다.
또한, 통신 시스템에서 가장 큰 전력을 소모하는 증폭기의 경우 동일 출력을 기준으로 효율이 개선되면 증폭기 자체로 볼 때 출력에 소모되는 전력 외에 나머지 전력은 열로 방출되기 때문에 방출되는 열이 적어져 증폭기의 신뢰도가 향상되는 이점이 있다. 또한, 기구적인 면에서 방열에 필요한 기구물의 축소로 인하여 제작 비용이 감소되고, 전력적인 면에서 전체 소비 전력이 감소하기 때문에 운용 유지 측면에서도 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저손실 광대역 도허티 결합기의 상세 회로 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 3가지 입력 신호원에 의한 도허티 결합기의 특성 그래프 예시도,
도 3은 종래 3가지 입력 신호원에 따른 도허티 결합기의 특성 그래프 예시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저손실 광대역 도허티 결합기의 상세 회로 구조도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저손실 광대역 도허티 결합기의 상세 회로 구조를 도시한 것이다.
위 도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 도허티 결합기(100)는 신호원(
Figure 112013067530313-pat00002
,
Figure 112013067530313-pat00003
,
Figure 112013067530313-pat00004
) 및 신호의 특성 임피던스를 갖는 신호 임피던스 선로(101, 102, 103)와 Ze의 임피던스를 갖는 제1 임피던스 변환선로(104), Zf의 임피던스를 갖는 제 2 임피던스 변환선로(105), Zg의 임피던스를 갖는 제 3 임피던스 변환선로(106) 및 Z0의 임피던스를 갖는 출력 부하(301)를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 1에 도시된 도허티 결합기(100) 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 신호원(
Figure 112013067530313-pat00005
,
Figure 112013067530313-pat00006
,
Figure 112013067530313-pat00007
)의 임피던스 선로(101,102,103)와 출력 부하(301)는 동일한 임피던스를 가진다. 신호원
Figure 112013067530313-pat00008
을 제외한 다른 신호원
Figure 112013067530313-pat00009
,
Figure 112013067530313-pat00010
은 각 신호원의 임피던스 선로(102, 103)를 통해 노드(Node) A(201)를 통하여 결합되고, 노드 A(201)에서 결합된 신호는 제 2 임피던스 변환선로(105)를 통하여 노드 B(202)에서
Figure 112013067530313-pat00011
신호와 결합되어 제 3 임피던스 변환선로(106)을 통해 출력 부하(301)로 출력된다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 노드 A는 P1, 노드 B는 P2로 명명하기로 한다.
위와 같은 본 발명의 도허티 결합기(100)에서는 Ze의 임피던스를 갖는 제1 임피던스 변환선로(104)와 Zf의 임피던스를 갖는 제 2임피던스 변환선로(105)를 이용하여 입력 신호원(
Figure 112013067530313-pat00012
,
Figure 112013067530313-pat00013
,
Figure 112013067530313-pat00014
)의 임피던스에 대한 부하 임피던스를 형성하고, Zg의 임피던스를 갖는 제 3 임피던스 변환선로(106)는 제1 임피던스 변환선로(104)와 제 2임피던스 변환선로(105)의 부하 임피던스를 형성한다. 이렇게 생성된 부하 임피던스는 출력 부하(301)의 출력 임피던스와 정합된다.
이때, 제 2 임피던스 변환 선로(105)의 임피던스 Zf와 제 3 임피던스 변환선로(106)의 임피던스 Zg, 노드 B인 P2(202)에서의 임피던스 Z(P2) 등의 구체적인 값은 아래의 [수학식 1]에서와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013067530313-pat00015
위 [수학식 1]에서 N은 입력되는 신호원의 개수, Ω은 신호원
Figure 112013067530313-pat00016
의 손실(loss)을 개선하기 위한 임피던스 개선 지수이다. 이러한 임피던스 개선 지수(Ω)는 주신호인 신호원
Figure 112013067530313-pat00017
의 이득(gain) 및 이득 평탄도(gain flatness)를 개선하기 위한 것으로, 제2 임피던스 변환선로(105)에 설정될 수 있다.
이때, 신호원
Figure 112013067530313-pat00018
의 손실 개선 지수를 2, 각 신호원 및 부하의 임피던스를 50옴(Ω)이라 가정하고, 기본적인 3Way에 적용하면 임피던스 Zf와 제 3 임피던스 변환선로(106)의 임피던스 Zg, 노드 B인 P2(202)에서의 임피던스 Z(P2) 값은 아래의 [수학식 2]에서와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013067530313-pat00019
위 [수학식 2]에서와 같이 계산된 각 임피던스값을 적용하여 본 발명의 도허티 결합기(100)에 대해 중심 주파수 1기가헤르츠(GHz)를 갖도록 설계할 경우 도 2와 같은 결과를 도출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 3가지 입력 신호원에 의한 도허티 결합기의 특성을 도시한 것이다.
위 도 2를 참조하면, 참조번호 402는 본 발명의 실시예에 따라 결합 손실이 계산된 신호원
Figure 112013067530313-pat00020
의 결합 손실 그래프이고, 참조번호 403은 신호원
Figure 112013067530313-pat00021
을 제외한 다른 신호원
Figure 112013067530313-pat00022
,
Figure 112013067530313-pat00023
의 결합 손실 그래프를 도시한 것이며, 참조 번호 401은 신호원
Figure 112013067530313-pat00024
에 대해 중심 주파수에서의 결합 손실을 기준으로 약 -0.1dB의 추가 손실이 발생하는 구간을 도시한 것이다.
중심 주파수 대역이 가지는 손실(loss)을 기준으로 약 -0.1dB의 loss가 추가적으로 발생되는 지점까지를 신호원
Figure 112013067530313-pat00025
의 주파수 개선 대역으로 정할 경우, 도 3에 도시된 기존의 도허티 결합기에 비해 동작 주파수 대역이 2배 이상 개선되었음을 알 수 있다.
도 3은 기존에 사용되고 있는 3가지 입력 신호원에 따른 도허티 결합기의 특성을 도시한 것이다.
위 도 3을 참조하면, 기존의 도허티 결합기에서는 예를 들어
Figure 112013067530313-pat00026
,
Figure 112013067530313-pat00027
,
Figure 112013067530313-pat00028
의 신호원을 가진 경우, 참조번호 405에서와 같은 결합 손실 특성을 가지며, 신호원
Figure 112013067530313-pat00029
,
Figure 112013067530313-pat00030
,
Figure 112013067530313-pat00031
의 결합 손실은 모두 동일하게 되는 것을 알 수 있다. 이때, 참조번호 404는 신호원
Figure 112013067530313-pat00032
,
Figure 112013067530313-pat00033
,
Figure 112013067530313-pat00034
에 대해 중심 주파수에서의 결합 손실을 기준으로 약 0.1dB의 추가 손실이 발생하는 구간을 도시한 것으로, 도 2에서 도시된 본 발명의 추가 손실 발생 구간과 비교하여 주파수 대역이 상당히 협소한 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저손실 광대역 도허티 결합기의 상세 회로 구조를 도시한 것이다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 도허티 결합기(500)는 두 개의 입력되는 신호원(
Figure 112013067530313-pat00035
,
Figure 112013067530313-pat00036
) 및 신호의 특성 임피던스를 갖는 신호 임피던스 선로(501, 503)와 Zj의 임피던스를 갖는 제1 임피던스 변환선로(502), Zk의 임피던스를 갖는 제 2임피던스 변환선로(504), Zl의 임피던스를 갖는 제 3 임피던스 변환선로(506) 및 Z0의 임피던스를 갖는 출력 부하(701)를 포함할 수 있다.
이하, 도 4에 도시된 도허티 결합기(500)의 각 구성요소에서의 동작을 살펴보기로 한다.
먼저, 신호원의 임피던스 선로(501, 503)와 출력 부하(701)는 동일한 임피던스를 가진다. 임피던스 선로(501, 503)를 통해 들어온 두 신호원
Figure 112013067530313-pat00037
,
Figure 112013067530313-pat00038
은 제 1임피던스 변환선로(502)와 제 2 임피던스 변환선로(504)를 통해 노드 C(601)에서 결합되고, 결합된 신호는 제 3 임피던스 변환선로(506)를 통하여 출력 부하(701)로 출력된다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 노드 C를 P3로 명명하기로 한다.
위와 같은 본 발명의 도허티 결합기(500)에서는 Zj의 임피던스를 갖는 제1 임피던스 변환선로(502)와 Zk의 임피던스를 갖는 제 2임피던스 변환선로(504)를 이용하여 입력 신호원(
Figure 112013067530313-pat00039
,
Figure 112013067530313-pat00040
)의 임피던스에 대한 부하 임피던스를 형성하고, Zl의 임피던스를 갖는 제 3 임피던스 변환선로(506)는 제1 임피던스 변환선로(502)와 제 2임피던스 변환선로(504)의 부하 임피던스를 형성한다. 이렇게 생성된 부하 임피던스는 출력 부하(701)의 출력 임피던스와 정합된다.
이때, 제 2 임피던스 변환 선로(504)의 임피던스 Zk와 제 3 임피던스 변환선로(506)의 임피던스 Zl, 노드 C인 P3(601)에서의 임피던스 Z(P3) 등의 구체적인 값은 아래의 [수학식 3]에서와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013067530313-pat00041
위 [수학식 3]에서 N은 입력되는 신호원의 개수, Ω은 신호원
Figure 112013067530313-pat00042
의 손실(loss) 개선 지수이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 도허티 결합기에서 N개의 출력 신호가 결합되는 각 임피던스 변환선로의 임피던스 변경을 통해 입력 신호의 결합 손실을 감소시키고, 출력 신호의 결합 시 중심 주파수 이외의 대역에서 발생하는 총 결합 손실을 개선하여 동작 대역을 향상시킬 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
100 : 도허티 결합기 101, 102, 103 : 신호 임피던스 선로
104 : 제1 임피던스 선로 105 : 제2 임피던스 선로
106 : 제3 임피던스 선로 301 : 출력부하

Claims (8)

  1. 각 입력신호의 특성 임피던스를 가지는 신호 임피던스 선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제1 임피던스로 변환하는 제1 임피던스 변환선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제2 임피던스로 변환하는 제2 임피던스 변환선로와,
    상기 제1, 제2 임피던스 변환선로로부터 변환된 제1, 제2 임피던스를 출력 부하와 정합시키는 제3 임피던스 변환선로를 포함하며,
    상기 각 입력신호 중, 주신호는 상기 제1 임피던스 변환선로 인가되고, 상기 각 입력신호 중 상기 주신호를 제외한 나머지 입력신호는 상기 제2 임피던스 변환선로로 인가되며, 상기 제2 임피던스 변환선로에는 상기 주신호의 이득 및 이득 평탄도를 개선하기 위한 기설정된 임피던스 개선 지수(Ω)가 설정되는 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 임피던스 변환선로는,
    하나의 노드에서 결합되어 상기 제3 임피던스 변환선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 임피던스 변환선로는,
    상기 제1, 제2 임피던스 변환선로가 하나의 노드에서 결합되어 상기 노드로부터 생성되는 임피던스를 상기 출력 부하의 출력 임피던스와 서로 정합시키는 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 임피던스 변환선로에서 출력되는 제2 임피던스는,
    상기 출력 부하의 임피던스를
    Figure 112013067530313-pat00043
    으로 나눈 값보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  5. 각 입력신호의 특성 임피던스를 가지는 신호 임피던스 선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제1 임피던스로 변환하는 제1 임피던스 변환선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제2 임피던스로 변환하는 제2 임피던스 변환선로와,
    상기 제1, 제2 임피던스 변환선로로부터 변환된 제1, 제2 임피던스를 출력 부하와 정합시키는 제3 임피던스 변환선로를 포함하며,
    상기 제1 임피던스 변환선로는 입력신호의 위상에 따라 길이가 변화하며, 상기 제2 임피던스 변환선로와 제3 임피던스 변환선로는 위상값이 90°이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  6. 각 입력신호의 특성 임피던스를 가지는 신호 임피던스 선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제1 임피던스로 변환하는 제1 임피던스 변환선로와,
    상기 신호 임피던스 선로로부터 출력되는 상기 각 입력신호의 특성 임피던스를 기설정된 제2 임피던스로 변환하는 제2 임피던스 변환선로와,
    상기 제1, 제2 임피던스 변환선로로부터 변환된 제1, 제2 임피던스를 출력 부하와 정합시키는 제3 임피던스 변환선로를 포함하며,
    상기 신호 임피던스 선로와 상기 출력 부하는,
    동일한 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 입력신호는,
    2개 이상의 신호인 것을 특징으로 하는 도허티 결합기.
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