KR101761300B1 - 저손실 소형 전력 분배기 - Google Patents

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임정택
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충남대학교산학협력단
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Abstract

저손실 소형 전력 분배기를 공개한다. 본 발명은 입력 포트와 접지 전원 사이에 연결되는 제1 트랜스미션 라인, 입렵 포트에 일단이 연결되고 타단이 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 연결되는 복수개의 인덕터 및 복수개의 출력포트 각각의 사이에 연결되는 격리부를 포함하고, 격리부는 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 각각 일단이 연결되는 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인 및 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인의 사이에 직렬로 연결되는 적어도 하나의 격리 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저손실 소형 전력 분배기{LOW INSERTION LOSS, WIDEBAND, AND COMPACT POWER DIVIDER}
본 발명은 전력 분배기에 관한 것으로, 특히 저손실 소형 전력 분배기에 관한 것이다.
전력 분배기는 입력된 신호의 전력을 소정의 비율로 나누어 출력 포트로 분배하는 회로로서, 전력 손실 없이 원하는 비율로 전력을 분배할 뿐만 아니라, 출력 포트 사이를 격리(isolation)시켜 양 포트 상호 영향에 의한 회로 특성 변화를 방지하는 것이 이상적이다. 또한, 전력 분배기는 입출력 포트를 전환하여 전력 결합기(Power Combiner)로 사용하는 것도 가능하다. 종래의 전력 분배기로서는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)가 널리 사용되어 왔다.
윌킨슨 전력 분배기는 간단한 구조와 정합 특성의 양호성 및 낮은 손실 특성을 갖는 전력 분배기로서, 전력 증폭기(power amplifier), 믹서(mixer), 주파수 체배기(frequency multiplier) 등의 다양한 전자 응용 분야에서 이용되고 있다.
도1 은 종래의 집중 소자 윌킨슨 전력 분배기의 일예를 나타낸다.
도1 에 도시된 윌킨슨 전력 분배기는 하나 입력 포트(P1)와 2개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 2분배기를 일예로 도시하였으나, 복수개의 출력 포트를 구비하도록 구성될 수도 있다.
도1 에 도시된 바와 같이, 종래의 윌킨슨 전력 분배기에서는 3개의 캐패시터(C1 ~ C3)와 2개의 인덕터(L1, L2) 및 1개의 저항(R)을 구비한다. 3개의 캐패시터(C1 ~ C3)와 2개의 인덕터(L1, L2)는 입력 포트(P1)로 인가된 전력을 2개의 출력 포트(P2, P3)로 분할하기 위해 구비되는 소자이며, 저항(R)은 2개의 출력 포트(P3, P3)를 격리(isolution)하기 위해 구비되는 소자이다.
그러나 종래의 윌킨슨 전력 분배기는 3개의 캐패시터(C1 ~ C3)를 집중 소자(lumped elemnet)로 구현되기 때문에 비용이 증가할 뿐만 아니라, 전력 분배기를 사용하고자 하는 전자 회로의 다양한 상황 조건에 적합하게 변경하기가 용이하지 않다.
또한 전력 분배 시에 3개의 캐패시터(C1 ~ C3)와 2개의 인덕터(L1, L2)가 모두 영향을 미치기 때문에, 삽입 손실이 발생하는 문제가 있다.
미국 등록 특허 US08130057호 (2012.03.06 등록)
본 발명의 목적은 저손실 소형 전력 분배기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 전력 분배기는 입력 포트와 접지 전원 사이에 연결되는 제1 트랜스미션 라인; 상기 입렵 포트에 일단이 연결되고 타단이 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 연결되는 복수개의 인덕터; 및 상기 복수개의 출력포트 각각의 사이에 연결되는 격리부; 를 포함하고, 상기 격리부는 상기 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 각각 일단이 연결되는 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인; 및 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인의 사이에 직렬로 연결되는 적어도 하나의 격리 저항; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 트랜스미션 라인과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인은 상기 전력 분배기가 전달할 신호의 주파수에 대응하여 미리 지정된 특성 임피던스를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 분배기는 상기 제1 트랜스미션 라인과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인의 상기 특성 임피던스에 따라 주파수 전달 특성이 가변되어 주파수 필터로서 동작하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 전력 분배기는 집중 소자인 캐패시터를 대체하여 3개의 트랜스미션 라인을 구비하여, 다양한 환경에도 용이하게 설치 가능하도록 한다. 뿐만 아니라, 3개의 트랜스미션 라인의 특성 임피던스를 가변함으로써, 전력 분배기가 주파수 필터로서의 기능하도록 할 수 있으며, 낮은 삽입 손실로 구동될 수 있도록 한다.
도1 은 종래의 집중 소자 윌킨슨 전력 분배기의 일예를 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기를 나타낸다.
도3 은 종래의 전력 분배기와 본 발명의 전력 분배기의 S 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도4 는 본 발명의 전력 분배기의 구조에서 트랜스미션 라인을 적용한 경우와 집중 소자를 적용한 경우를 비교하여 나타낸 도면이다.
도5 및 도6 은 본 발명의 전력 분배기에서 트랜스미션 라인의 특성 임피던스를 가변한 S 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도7 은 본 발명의 전력 분배기의 적용 예를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기를 나타낸다.
도2 를 참조하면, 본 발명의 전력 분배기는 종래의 전력 분배기와 마찬가지로 하나의 입력 포트(P1)과 2개의 출력 포트(P2, P3)를 구비하여, 입력 포트(P1)로 인가된 전력을 분배하여 2개의 출력 포트(P2, P3)로 전송한다.
그리고 본 발명의 전력 분배기는 입력 포트(P1)에 일단이 연결되고 타단이 개방(Open)되는 제1 트랜스미션 라인(TL1)과 입력 포트(P1)와 2개의 출력 포트(P2, P3) 사이에 각각 연결되는 2개의 인덕터(Lp) 및 2개의 출력 포트(P2, P3) 사이에 연결되는 격리부를 구비한다.
2개의 출력 포트(P2, P3) 사이에 연결되는 격리부는 각각 일단이 2개의 출력 포트(P2, P3) 중 대응하는 출력 포트에 연결되는 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)와 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)의 타단에 연결되는 격리 저항(Ri)을 구비한다. 즉 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)과 격리 저항(Ri)은 2개의 출력 포트(P2, P3) 사이에 직렬로 연결된다.
도2 에서 제1 내지 제3 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)은 도1 의 종래의 전력 분배기에서 캐패시터(C1 ~ C3)를 대체하는 구성이다. 도2의 전력 분배기 또한 종래의 전력분배기와 마찬가지로 집중 소자인 캐패시터를 구비하도록 구성될 수도 있으나, 집중 소자가 아닌 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)으로 캐패시턴스를 제공함으로서 전력 분배기의 제조 비용을 감소할 수 있다. 또한 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)은 다양한 형태로 구현될 수 있으므로, 전력 분배기를 구비하는 장치의 조건에 맞추어 최적화할 수 있다.
특히 본 발명의 전력 분배기에서는 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)가 격리 저항(Ri)과 함께 2개의 출력 포트(P2, P3) 사이에 직렬로 연결되어 격리부를 구성한다. 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)이 종래의 전력 분배기와 달리 격리부에 배치됨에 따라 입력 포트(P1)로 전력이 인가되어 2개의 출력 포트(P2, P3)로 전력을 분배하여 전송할 때, 격리 저항(Ri)과 함께 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)이 영향을 미치지 않도록 함으로써, 전력 분배기의 특성을 개선한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 전력 분배기에서는 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)을 이용하며, 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)은 집중 소자인 캐패시터에 비해 임피던스 값의 변경이 용이하기 때문에, 전력 분배기가 전력 분배시 또는 결합시에 전달되는 신호의 주파수를 필터링하는 필터의 역할을 수행할 수 있도록 한다. 즉 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)의 임피던스를 조절하여 전달하거나 차단하고자 하는 주파수 대역을 조절할 수 있으며, 2개의 출력 포트(P2, P3) 사이의 격리 특성을 향상 시킬 수도 있다. 특히 입력된 신호의 주파수가 더블링(doubling)될 때, 기본파 소거(fundamental rejection)에 유용하게 이용될 수 있으며, 직류 성분 및 불필요 주파수 성분의 노이즈를 소거할 수 있다.
본 발명에서 제1 트랜스미션 라인(TL1)은 3차 오더(3rd order)이상의 주파수 필터 특성을 제공한다. 그리고 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)는 기본 주파수(fundamental frequency) 필터 특성을 제공한다.
도2 에서는 일예로 제1 트랜스미션 라인(TL1)의 타단이 개방된 것으로 도시하였으나, 경우에 따라서는 제1 트랜스미션 라인(TL1)의 타단을 접지 전원에 연결함으로써, 본 발명의 전력 분배기의 특성을 상이하게 조절할 수도 있다.도2 에서는 일 예로서, 하나의 입력 포트(P1)과 2개의 출력 포트(P2, P3)를 구비하는 전력 분배기를 도시하였으나, 본 발명의 전력 분배기는 복수개의 출력 포트를 구비하여도 무방하다.
도3 은 종래의 전력 분배기와 본 발명의 전력 분배기의 S 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이고, 도4 는 본 발명의 전력 분배기의 구조에서 트랜스미션 라인을 적용한 경우와 집중 소자를 적용한 경우를 비교하여 나타낸 도면이다.
먼저 도3 에서 CS 는 도1 에 도시된 종래의 전력 분배기의 S 파라미터를 나타내고, Standard는 도2 에 도시된 본 발명의 전력 분배기의 S 파라미터를 나타낸다. 그리고 본 발명의 전력 분배기에서 제1 트랜스미션 라인(TL1)은 특성 임피던스가 50Ω이고, 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)의 특성 임피던스는 200Ω인 것으로 가정한다.
도3 에서 (a)는 S11 파라미터를 시뮬레이션한 결과로서, 입력 포트(P1)에서의 반사 특성을 나타내고, (b)는 S22 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과로서, 제1 출력 포트(P2)에서의 반사특성을 나타내며, (c)는 S21 파라미터의 시뮬레이션 결과로, 입력 포트(P1)로부터 제1 출력 포트(P2)로의 전달 특성을 나타낸다. 마지막으로 (d)는 S32 파라미터의 시뮬레이션 결과이며, 2개의 출력포트(P2, P3) 사이의 격리 특성을 나타낸다.
도3 에 도시된 바와 같이, 종래의 전력 분배기과 비교하여 본 발명의 전력 분배기(Standard)는 입력 포트(P1)에서의 반사 특성은 유사하지만, 출력 포트(P2)에서의 반사 특성과 전달 특성 및 격리 특성은 주파수에 따라 매우 큰 차이를 나타내며, 이는 본 발명의 전력 분배기가 단순히 전력을 분배하거나 결합할 뿐만 아니라 필터로서 기능을 수행할 수 있음을 나타낸다. 또한 (c)에 도시된 바와 같이, 전력 손실을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다.
한편 도4 에서 NS는 본 발명의 전력 분배기의 구조에서 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)을 집중 소자인 캐패시터로 대체하여 구성한 경우를 나타내고, Standard는 도3 에서와 동일하게 제1 트랜스미션 라인(TL1)의 특성 임피던스가 50Ω이고, 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)의 특성 임피던스가 200Ω인 경우를 도시하였다.
도4 에서도 (a) 내지 (d)는 각각 S11, S22, S21 및 S32 파라미터를 나타낸다. 도4 를 도3 과 비교할 때, 도1 및 도2 의 전력 분배기의 구조에 차이가 있음에도, 집중 소자인 캐패시터로 구성된 전력 분배기는 도1 에 도시된 종래의 전력 분배기와 유사한 주파수 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 그에 반해, 본 발명은 집중 소자 대신 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)을 이용함으로써, 완전히 상이한 주파수 특성을 획득할 수 있으며, 이를 이용하여 필터로 동작할 수 있으며, 전력 손실을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
도5 및 도6 은 본 발명의 전력 분배기에서 트랜스미션 라인의 특성 임피던스를 가변한 S 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도5 및 도6 에서도 (a) 내지 (d)는 각각 S11, S22, S21 및 S32 파라미터를 나타내고, Standard는 제1 트랜스미션 라인(TL1)의 특성 임피던스가 50Ω이고, 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)의 특성 임피던스가 200Ω인 경우를 나타낸다.
그러나 도5 에서 T1CI200T2CI200은 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)의 특성 임피던스를 모두 200Ω으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 도6 에서 T1CI50T2CI75는 제1 트랜스미션 라인(TL1)의 특성 임피던스는 50Ω으로 Standard와 동일하게 설정한 반면, 제2 및 제3 트랜스미션 라인(TL2, TL3)의 특성 임피던스는 75Ω으로 가변하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도5 를 참조하면, (a), (b) 및 (d)의 특성, 즉 반사 특성과 격리 특성은 Standard와 T1CI200T2CI200가 대체로 유사하게 유지되지만, (c)의 전달 특성에서 낮은 손실을 발생하는 주파수가 크게 변동하였음을 알 수 있다.
한편 도6 을 참조하면, (a)내지 (d)가 모두 변동되었음을 알 수 있다. 즉 반사 특성과 격리 특성과 전달 특성이 모두 변경되었다.
따라서 본 발명의 전력 분배기는 트랜스미션 라인(TL1 ~ TL3)의 특성 임피던스를 가변함으로써, 필터링할 주파수 대역을 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전력 손실을 줄일 수 있다.
도7 은 본 발명의 전력 분배기의 적용 예를 나타낸다.
도7 에서는 본 발명의 전력 분배기(PD)가 적용된 레이더 모듈을 도시하였으며, 레이더 모듈은 송신 모듈(TM)과 수신 모듈(RM)을 구비한다. 그리고 본 발명의 전력 분배기(PD)는 송신 모듈(TM)에 포함되어 RF 신호 발생기(RFG)에서 생성된 주파수 신호를 전력 분배하여 송신 안테나(TA)와 수신 모듈(RM)로 전송한다.
도7 에서 (a)와 (b)는 송신 모듈(TM)의 세부 구성을 종래의 전력 분배기(PD)를 사용하는 경우와 본 발명의 전력 분배기(PD)를 사용하는 경우를 비교하기 위해 나타내었다. (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 전력 분배기가 이용되는 경우에는 RF 신호 발생기(RFG)와 전력 분배기(PD) 사이에 주파수 필터(FT)가 구비되어 불필요한 주파수 대역의 신호를 필터링해야 하지만, 상기한 바와 같이, (b)와 같이 본 발명의 전력 분배기(PD)를 이용하는 경우, 전 력분배기(PD)가 전력 분배와 동시에 주파수 필터로서의 기능을 수행할 수 있으므로, 주피수 필터를 생략할 수 있다. 따라서 송신 모듈(TM)의 제작 비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 소형화 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 입력 포트와 접지 전원 사이에 연결되는 제1 트랜스미션 라인;
    상기 입력 포트에 일단이 연결되고 타단이 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 연결되는 복수개의 인덕터; 및
    상기 복수개의 출력포트 각각의 사이에 연결되는 격리부; 를 포함하고,
    상기 격리부는 상기 복수개의 출력 포트 중 대응하는 출력 포트에 각각 일단이 연결되는 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인; 및
    상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인의 사이에 직렬로 연결되는 적어도 하나의 격리 저항; 을 포함하고,
    상기 제1 트랜스미션 라인과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인은
    전력분배기가 전달할 신호의 주파수에 대응하여 미리 지정된 특성 임피던스를 갖도록 설계되며,
    상기 전력 분배기는
    상기 제1 트랜스미션 라인과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인의 상기 특성 임피던스에 따라 주파수 전달 특성이 가변 되어 주파수 필터로서 동작하고,
    상기 특성 임피던스의 변경에 따른 필터링할 상기 주파수의 대역을 설정하여 복수 타입의 주파수 필터로서 구현되며,
    상기 필터링할 대역은 상기 주파수의 통과 대역을 중심으로 하는 인접 대역이고,
    상기 제1 트랜스미션 라인, 제2 트랜스미션 라인 및 제3 트랜스미션 라인은 삽입에 따른 상기 신호의 손실 전력을 낮게 유지하며,
    상기 제1 트랜스미션 라인은 상기 주파수의 대역에서 상기 제1 트랜스미션 라인 삽입에 따른 상기 신호의 이득 감쇠율이 기 설정된 범위 이상인 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 상기 복수개의 인덕터 각각의 인덕턴스(Lp) 각각과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인 각각의 상기 특성 임피던스 각각은 상기 복수개의 출력 포트로 동일하게 전력을 분배하기 위해 서로 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 복수개의 인덕터 각각의 인덕턴스(Lp) 각각과 상기 적어도 하나의 제2 및 제3 트랜스미션 라인 각각의 상기 특성 임피던스 각각은 상기 복수개의 출력 포트로 상이하게 전력을 분배하기 위해 서로 상이하게 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
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