KR102244144B1 - 영도 복합 좌측 우측 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기 - Google Patents

Abstract

영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기가 개시된다. 영도 복합 좌-/우- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기(3대역 Gysel PD)는, 기판; 전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; 직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R; 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL; 상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 3개의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브; 직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot을 구비하는 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및 1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 전력 분배기를 포함한다.

Description

영도 복합 좌측 우측 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기{Compact Multi-Band Power Divider With Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines}

본 발명은 3대역 전력 분배기(Power Divider, PD)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH TL)을 사용하며, 마이크로스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transitions) 기반의 새로운 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)를 사용하고, 우수한 임피던스 매칭(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)을 가진 회로 크기가 축소된 3 대역 Gysel 전력 분배기를 제공하는, 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 Gysel 전력 분배기에 관한 것이다.

실시예2에서는, 0° 복합 좌측 우측 전송라인들(Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines)을 갖는 3대역 Gysel 전력분배기(Tri-Band Gysel Power Divider)를 설계 및 구현하고 검증하였다.

전력 분배기(Power Divider, PD)는 입력 포트에 입력된 전력을 1/2 전력씩 분배하여 각각의 출력 포트1,2로 각각 1/2 전력을 출력한다.

전력 분배기(PD)는 입력 신호를 둘 이상의 동일한 출력 신호로 변환한다. 특히, Wilkinson PD와 Gysel PD는 두 가지 레이더 시스템, 전력 증폭기 등과 같은 RF/Microwave 시스템의 PD 타입이 가장 널리 사용된다.

월킨슨 전력분배기(Wilkinson PD)와 비교하면, 가이젤 전력분배기(Gysel PD)는 격리 저항(isolation resistors)은 2 port에 사용되는 구성에 의해 고출력 처리 기능을 갖추고 있다.

윌킨슨 PD에서, 격리 저항은 네트워크에 내재되고, 격리 저항의 기생 위상 응답(parasitic phase response of the isolation resistor)은 거의 제로가 되어야 한다. 파장이 매우 짧기 때문에 고주파에서 무시할 수 없는 내재된 격리 저항의 기생 위상 응답 때문에 고주파 시스템에서 Wilkinson PD용 애플리케이션들을 제한할 수 있다.

Gysel PD는 벌크 크기(bulk size), 나쁜 선택도 특성(selectivity performance), 좁은 대역폭(narrow bandwidth) 등과 같이 아직도 일부 단점들이 존재하는 격리 저항에 의해 영향을 받는 것 없이 합리적인 위상 응답(reasonable phase response)을 갖는다.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허등록번호 10-2046408에서는 "선택도 특성이 향상된 전력 분배기"가 등록되어 있다.

선택도 특성이 향상된 전력 분배기는

기판; 및

전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; port 2 및 port 4가 개방되고, 각 port 1,2,3에 연결되며, 제1 전송 선로와 제2 전송 선로가 평행하게 갭(gap)을 갖는 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)로 구성되며, 입출력 임피던스가 정합된 커플링 된 전송 선로(Z1); 및

상기 커플링 된 전송 선로(Z1)와 연결되며, Z2와 Z3부분으로 구성되며, 상기 입력 port 1로 인가된 1 power를 출력 포트 port 2, port 3로 1/2 power씩 전력을 분배하는 전력 분배부;를 포함하는 전력 분배기(PD)를 구비하며,

상기 출력 포트 port 2, port 3 사이에 격리 저항(R)을 각각 더 포함하며,

상기 전력 분배기(PD)는 추가적인 럼프드 소자(additional lumped elements) 없이 상기 각각의 격리 저항(R) 사이에 단지 하나의 비어 홀(via hole)만이 사용된다.

그러나, 무선 통신의 급속한 발전과 마이크로파/밀리미터파 주파수들의 다른 상업적 응용, 향상된 성능을 갖는 기존 디바이스들에 관한 연구는 점점 더 요구된다. RF/마이크로파 회로(RF/ microwave circuits)의 필수 구성 요소 인 전력 분배기(PD)는 안테나 배열(antenna arrays), 변조기, 전력 증폭기 등에 광범위하게 사용된다.

그러므로, 많은 전력분배기(PD)의 연구는 대역 통과 특성(bandpass properties) [1],[2], 초-광대역(UWB) 애플리케이션(ultra-wideband (UWB) applications) [3],[4], 크기 축소 [5],[6], 광대역 성능(broadband performance) [7],[8], 향상된 격리(improved isolation) [9],[10], 그리고 임의의 분할 비율( arbitrary dividing ratios) [11],[12]가 제시되었다.

늦게나마, 최근 여러 표준 마이크로파 시스템의 폭발적인 개발 때문에, 다중 대역 PD( multi-band PDs)의 연구는 이득 중요성이 있다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해 다양한 듀얼-밴드 PD[13], [20]와 tri-band PD [21], [26]가 제안되었다.

[21]에서, 3 대역 윌킨슨 PD를 구현하기 위해 다중 섹션 구조가 사용된다; 그러나, 이는 처음 2 통과 대역에서 대역 외 불량(out-of-band rejection)이 되었다. [22]에서, 3 통과 대역은 단락 스텝핑 임피던스(short-circuited stepped impedance) 및 반 파장 공진기(half-wavelength resonators)를 통해 획득된다; 그럼에도 불구하고 커플링 구조를 사용하면 모든 대역에서 높은 손실(> 4.2 dB)이 발생된다. 한편, 입력/출력 포트들(input/output ports) 또는 위상 쉬프터(phase shifters)를 확장하기 위해 개방/단락 회로 스터브(open-/short-circuited stub)를 사용한 설계가 보고되었다[23] -[26]; 그러나, [23]과 [24]의 PD는 협대역폭( narrow bandwidth)이며 반면에, [25], [27]의 전력분배기(PD)의 성능은 기존 윌킨슨과 가이젤 PD(Wilkinson and Gysel PDs)의 통과 대역에 의해 제한된다. 또한, 커플링된 라인(coupled lines) [28], [29] 및 추가 럼프드 소자들(lumped elements) [18]는 다중 대역 전력분배기들(multi-band PDs)을 구현하는데 사용된다.

전술한 모든 다중 대역 PD는 고정된 3번의 고조파 응답 및 부피가 큰 크기를 가지는 기존의 마이크로 스트립 라인를 사용하여 구현된다.

기존 전송라인들(TLs)과 달리, 복합 우측-/좌측-전송라인들(composite right-/ left-handed(CRLH) TLs)은 좌측-전송라인 LH-TL(위상 리드, phase lead)의 비선형 포지티브 위상 응답(nonlinear positive phase response) 및 우측-전송라인 RH-TL(위상 지연, phase lag)의 선형 네거티브 위상 응답(linear negative phase response)에 의해 2 개의 임의 주파수에서 1/4 파장을 달성할 수 있다; 이 특성은 다중 대역 PD의 설계를 위해 상당한 관심을 받았다[30]-[33]. 그러나, 이전 다중 대역에서 CRLH-TL 기능은 1/4 파장 임피던스 변환기로 제한된다. 복합 우측-/좌측 전송라인들(RH-/LH-TL)의 특성 임피던스와 위상 응답은 정확하게 요구된다. 한편, 시장에서 럼프드 소자들(lumped elements)의 사용가능한 값들로써, 제한적이며 실현가능한 주파수 비율은 연속적이지 않다. 이러한 단점은 직렬 커패시터들, 병렬 인덕터들(capacitors in series, inductors in parallel) [31] 또는 인터 디지털 커패시터 및 스터브(interdigital capacitors and stubs) [32],[33]를 사용하여 해결할 수 있다. 이러한 방법들은 상당한 기생 효과(parasitic effects)를 야기할 것이며, 인터 디지털 구조(interdigital structure)의 좁은 간격(narrow gap)에 의해 더 높은 제조 어려움을 겪게 된다.

또한, 기존 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)는 2 임피던스 매칭라인

, 50Ω 트렁크 라인 및 3 특정 위치에서 분산된 3 개의 100Ω 개방 회로 스터브 1-3으로 구성된다. 단일 대역 또는 3대역 바이어싱 네트워크를 위한 설계 파라미터들은 모든 위상 응답 (

,

및

)은 각각 해당 중심 주파수(f1, f2 및 f3)의 90°의 위상 응답과 동일하다.

기존 3 대역 바이어싱 네트워크는 세 개의 180° 개방 회로 스터브의 조합으로 형성된다. 그러나, 이 구조는 RH-TL 위상 응답(RH-TL phase response)의 고주파수 의존성에 의해 좁은 대역폭(narrow bandwidth)으로 부피가 크다.

특허 등록번호 10-2046408 (등록일자 2019년 11월 13일), "선택도 특성이 향상된 전력 분배기". 광운대학교 산합협력단

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상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH TL)을 사용하며, 마이크로스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transitions) 기반의 새로운 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)를 사용하고, 우수한 임피던스 매칭(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)을 가진 회로 크기가 축소된 3 대역 Gysel 전력 분배기를 제공하는, 0도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기를 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 실시예2에 따른 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는, 기판; port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; 직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R; 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL;

상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 3개의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브; 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및 1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 전력 분배기를 포함한다.

또한, 본 발명의 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는, 기판; port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; 직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R; 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL; 상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 복수의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브; 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및 1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 멀티 대역 전력 분배기(PD)를 포함하며,
상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는 3 대역 전력분배기(PD)로써, 3 통과 대역(passband)을 위해 중심 주파수

= 3.5 GHz,

= 2.5 GHz 및

= 1.5 GHz가 설정되었으며, 3대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)가 설계되었으며, 라인 임피던스

은 임피던스 매칭을 위한

(50Ω)이 되어야 하며, 공통 라인의 임피던스

및 sub-CRLH 라인은 각각 50 Ω과 100 Ω으로 자유롭게 선택되며, LH-TL의 모든 위상 응답(phase responses)들은 해당 주파수들에서 60°로 설정된다.

본 발명에 따른 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH TL)을 사용하며, 마이크로스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transitions) 기반의 새로운 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)를 사용하고, 우수한 임피던스 정합(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)을 가지며 회로 크기를 줄인 단일 대역 Gysel 전력 분배기를 설계 및 제작하였다.

1/4 파장 CRLH-TLs를 갖는 기존 임피던스 변압기(impedance transformers)를 다음과 같이 대체하여 다중 통과대역들(multiple passbands)을 구현하는 일반적인 설계 방법과 비교하면, 전개된 0° CRLH-TL은 3 개의 통과 대역(passbands)의 대역폭을 개별적으로 제어하는데 사용되는 좌측 및 우측 전송라인(TL)의 특성 임피던스 및 위상 응답을 위해 높은 설계 유연성이 필요하다.

또한, 마이크로 스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transition)는 기존의 180° TL을 대체하는데 사용되며, 이를 확장하면, 3대역 전력분배기(Tri-band Power Divider)의 3개의 중심주파수를 구현하고 회로 크기를 줄이게 되었다.

두 가지 설계를 사용하여 전력분배기(PD)를 제작하여 검증되었다.

i) 하나는 중심 주파수가 2.5 GHz 인 단일 대역 광대역 전력분배기(PD),

ii) 다른 하나는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력분배기(PD)를 제공한다. 시뮬레이션 된 결과와 측정된 결과가 잘 일치한다.

첫 번째 단일 대역 PD의 경우 최대 116 %의 분수 3dB 대역폭이 달성되는 반면, 두 번째 3 대역 PD의 경우 크기는 우수한 임피던스 정합(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)으로 80 % 회로의 크기가 감소되었다.

본 발명의 실시예2는, 0° 복합 좌측 우측 전송라인들(Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines)을 갖는 3대역 Gysel 전력분배기(Tri-Band Gysel Power Divider)를 설계 및 구현하고 검증하였다.

멀티 대역 전력 분배기는 3대역 전력 분배기(Gysel PD)를 예시로 설명하였지만, 4,5,6,7 대역 전력 분배기로 구현될 수 있다.

0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들(TLs)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는 Kw 이상의 고전력 응용에 사용되며, 멀티 대역 전력 분배기는 3G 이동통신, LTE 4G/5G 이동통신 기지국의 전력증폭기의 전력 분배기(Power Divider, PD)로 사용된다.

도 1은 본 발명에서 제안된 3 대역 동일-분리된 Gysel PD의 구조이다.
도 2는 (a) 기존 및 (b) 제안된 3 대역 바이어싱 네트워크 구조이다.
도 3은 (a) 기존 및 (b) 사용된 2-셀 CRLH-TL 구조를 보인 그림이다.
도 4는 6 가지 case들에 대한 시뮬레이션 된 반사 손실(return loss,

)이다.
도 5는 CRLH-TL 및 RH-TL 위상 응답(phase response)을 나타낸다.
도 6은 (a) 제안된 180° 위상 쉬프터의 구조, (b) 제안된 180° 위상 쉬프터의 마이크로 스트립-슬롯 라인 전이 AB와 CD 사이의 전계 변화, 및 (c) 시뮬레이션 된 삽입 손실(insertion loss,

) 및 위상 응답(phase reponse, 전기적인 길이)을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 2.5GHz 주파수에서 작동하는 단일 대역 전력분배기(광대역 Gysel PD)의 (a) 개념도, (b) 사진 및 (c) 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 주파수에서 작동하는 3 대역 전력분배기(Gysel PD)의 (a) 개념도, (b) 사진을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예2에 따른 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 주파수에서 작동하는 3 대역 전력분배기(Gysel PD)의 (a) 시뮬레이션 및 측정된 S 파라미터(dB)- 입력 포트 반사 손실(return loss,

), 삽입 손실(insertion loss,

), (b) 출력 포트 반사 손실(

) 및 격리도(

), (c) 제작된 3 대역 Gysel PD를 위한 위상(phase) 및 진폭 불균형(amplitude imbalance)를 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.

0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 단일 대역 Gysel 전력분배기 또는 3대역 Gysel 전력 분배기(single-band Gysel power divider)가 제공된다.

본 발명의 실시예2는, 0° 복합 좌측 우측 전송라인들(Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines)을 갖는 3대역 Gysel 전력분배기(Tri-Band Gysel Power Divider)를 설계 및 구현하고 검증하였으며, 이에 대해 기술한다.

먼저, 실시예1의 2.5 GHz 중심주파수를 갖는 단일 대역 전력분배기(PD, Power Divider)부터 설명한다.

1/4 파장 CRLH-TLs을 갖는 기존 임피던스 변압기(impedance transformers)를 다음과 같이 대체하여 다중 통과대역들(multiple passbands)을 구현하는 일반화 된 설계 방법과 비교하면, 전개된 0° CRLH-TL은 3 개의 통과 대역(passbands)의 대역폭을 개별적으로 제어하는데 사용되는 좌측 전송라인 및 우측 전송라인(transmission line, TL)의 특성 임피던스 및 위상 응답(phase response)을 위해 높은 설계 유연성이 필요하다.

또한, 마이크로 스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transition)는 기존의 180° TL을 대체하는데 사용되며, 이는 3개의 중심주파수를 갖는 전력 분배기(PD)를 구현하고 회로 크기를 줄이는 구현가능한 범위를 확장할 수 있다.

제안된 이론은 두 가지 설계(실시예1, 실시예2)를 사용하여 전력분배기(PD)를 제작하여 검증된다.

i) [실시예1] 하나는 중심 주파수가 2.5 GHz 인 광대역 PD,

ii) [실시예2] 다른 하나는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력분배기(PD)를 제공한다. 시뮬레이션 된 결과와 측정된 결과가 잘 일치한다.

실시예1의 단일 대역 Gysel PD의 경우 최대 116%의 분수 3dB 대역폭이 달성되는 반면,

실시예2의 3 대역 Gysel PD의 경우 크기는 우수한 임피던스 정합(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)으로 80 % 회로의 크기가 감소되었다.

본 발명의 실시예는 [실시예1] 단일 대역 새로운 Gysel PD 구조를 기재하였으며, 후속 특허에서 [실시예2] 3 대역 동일-분할된 Gysel PD 구조를 제출하였다.

본 발명은 새로운 단일 대역 또는 3 대역 동일-분할된 Gysel PD 구조를 제안한다. 이전의 연구 [27]와 비교하여, 부피가 큰 크기 및 불량 격리와 같은 기존의 단점들은 구조를 다시 설계하고 다중 대역 바이어싱 네트워크의 위치를 재정렬하여 해결된다. 회로 크기를 줄이고 실현가능한 중심 주파수의 범위가 증가되도록 마이크로 스트립-슬롯 라인(microstrip-to-slotline transitions) 기반의 새로운 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)를 사용한다. 또한, 제안된 구조의 특징은 고전력 처리 용량(high-power handling capability)과 높은 설계 유연성을 제공한다. 3 대역 네트워크들에서 대부분의 파라미터들은 자유롭게 선택될 수 있다; 이 특징은 또한 3 통과 대역(passbands) 중 개별적으로 대역폭(bandwidths)을 제어하기 위해 사용할 수 있다.

본 연구는 다음과 같이 구성된다. 실시예1에서 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network), 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 위상 쉬프터(microstrip-to-slotline type phase shifter) 및 3 대역 Gysel PD(tri-band Gysel PD)가 설명된다. 그만큼

제안된 설계 방법은 실시예를 구현하여 광대역 PD를 검증하였다.

실시예1) 2.5GHz 중심주파수에서 작동하는 단일 대역 전력분배기(PD),

실시예2) 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수에서 작동하는 3 대역 PD

II. 설계 이론

도 1은 제안된 단일 대역 동일-분리된 Gysel PD의 구조이며, 단일 대역 또는 3 대역 전력 분배기의 등가 회로의 구조를 보여준다.

실시예1의 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들(zero-degree composite right-/left-handed CRLH)을 갖는 단일 대역 전력 분배기는,

기판;

전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트;

port 2, port 3를 구비하는 출력 포트;

출력 포트 port2의 좌측-전송라인 LH-TL에 구비되는 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 우측-전송라인 RH-TL에 구비되는 럼프드 격리 저항 R;

직사각형 구조의 좌측과 우측 전송라인을 포함하는 하나의 전송라인(TL);

좌측-전송라인 TL과 우측-전송라인 TL 사이에 구비되며, 회로 크기를 줄이기 위해 2개의 비아 홀(via hole)을 구비하며, 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및

1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 단일 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 전력 분배기를 포함하며,

상기 180° 위상 쉬프터 내에 2개의 비아 홀(작은 하얀 원)이 존재하며, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot(큰 검은 원)을 구비한다.

단일 대역 전력 분배기(Gysel PD)는 동일한 1/4 파장, 3 대역 바이어싱 네트워크, 입력 포트 port 1, 출력 포트 port 2,3, 2개의 럼프드 격리 저항(lumped isolation resistors) R, 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)가 구비되며,

상기 180° 위상 쉬프터 내에 2개의 비아 홀(작은 하얀 원)이 존재하며, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot(큰 검은 원)을 구비한다.

실시예1에서 제안된 단일 대역 동일-분리된 Gysel PD는 동일한 1/4 파장, 1 대역 바이어싱 네트워크, 2 럼프드 격리 저항(lumped isolation resistors) R 및 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 180° 위상 쉬프터 기반 0° CRLH-TL(복합 우측-/좌측-전송라인들, composite right-/ left-handed(CRLH) TLs)로 커플드되는 우측-전송라인 RH-TL (Z1 및 Z2)로 구성된다.

실시예2에서 제안된 3 대역 동일-분리된 Gysel PD는 동일한 1/4 파장, 3 대역 바이어싱 네트워크, 2 럼프드 격리 저항(lumped isolation resistors) R 및 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 180° 위상 쉬프터 기반 0° CRLH-TL(복합 우측-/좌측-전송라인들, composite right-/ left-handed(CRLH) TLs)로 커플드되는 우측-전송라인 RH-TL (Z1 및 Z2)로 구성된다.

180° 위상 쉬프터(phase shifter)는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 다른 회로의 간섭을 차단하며, 좌측-전송라인 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL은 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 간섭 없이 전력이 출력된다.

제안된 전력 분배기(PD)의 단일 대역(실시예1) 바이어싱 네트워크; 또는 3 대역 바이어싱 네트워크(실시예2)의 구조와 광대역 및 3 대역 전력분배기(PD)의 설계가 설명된다.

A. 제안된 3 대역 바이어싱 네트워크

도 2는 (a) 기존 및 (b) 제안된 3 대역 바이어싱 네트워크 구조이다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 기존 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)는 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인

, 50Ω 트렁크 라인 및 3 특정 위치에서 분산된 3 개의 100Ω 개방 회로 스터브 1-3으로 구성된다.

은 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 특성 임피던스,

은 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)이다.

은 개방 회로 스터브1의 위상 응답(전기적인 길이),

는 개방 회로 스터브2의 위상 응답(전기적인 길이), 그리고

은 개방 회로 스터브3의 위상 응답(전기적인 길이)이다.

전력 분배기(PD)의 바이어싱 네트워크를 위한 설계 파라미터들은 모든 위상 응답 (

,

및

)은 각각 해당 중심 주파수(f1, f2 및 f3)의 90°의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)과 동일하다.

그런 다음, 식 (1)에 따라 1-3 위치들은 해당하는 1/4 파장 개방 회로 스터브에 의해 먼저 단락되고, 식 (2)와 같이, point 0에서 열리도록 전달된다.

여기서,

은 전력 분배기(PD)의 입력 임피던스,

는 입출력 port1,2,3의 포트 임피던스이다.

따라서, 기존 3 대역 바이어싱 네트워크는 3 개의 180° 개방 회로 스터브(180° open circuited stubs)의 조합으로 형성된다. 그러나, 이 구조는 RH-TL 위상 응답(RH-TL phase response)의 고주파수 의존성에 의해 좁은 대역폭(narrow bandwidth)으로 부피가 크다.

식 (1)로부터, 개방 회로 스터브(open-circuit stub)의 임피던스(impedance)는 180° 사이클의 홀수 함수(odd function) 인 cot θ와 관련된다.

그러므로, 세 개의 0° TLs을 각각 사용하여, 각각 180° TLs을 이론적으로 교체할 수 있다.

도 2(b)는 전력 분배기(PD)의 2개의 임피던스 정합 라인의 특성 임피던스

, 전력 분배기(PD)의 회로 크기 축소를 위한 공통 라인(common line)의 특성 임피던스

, 및 3 개의 서브-CRLH-TL(

및

)으로 구성된, 제안된 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)의 구조를 보여준다.

은 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 특성 임피던스,

은 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)이다.

은 전력 분배기(PD)의 회로 크기 축소를 위한 공통 라인(common line)의 특성 임피던스,

은 전력 분배기(PD)의 회로 크기 축소를 위한 공통 라인의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)이다.

전력 분배기(PD)의 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network) 설계시에 3 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스(

및

), 3 개의 서브-CRLH-TL의 위상 응답(전기적인 길이,

및

)를 갖는다.

해당 주파수에서 port-0부터 서브-CRLH 스터브의 종단까지의 모든 위상 응답은 0°에서 위상 응답과 동일하다.

이전 CRLH-TL 기반 PD 연구(CRLH-TL-based PD)[30]-[33]와 달리, 이 구조에서, 도 (3)에 도시된 바와 같이, 0°는 위상 응답(phase response)이 정확하게 요구된다.

여기서,

및

는 전력 분배기(PD)의 3 중심 주파수에서 각각 공통 라인의 임피던스

및 서브-CRLH 스터브(sub-CRLH stub)의 해당하는 위상 응답(전기적인 길이)을 나타낸다.

도 3 (a)는 커패시터와 인턱터의 럼프드 소자(lumped elements)를 기반으로 모든 우측 전송라인 RH-TL 및 좌측 전송라인 LH-TL이 있는 기존의 2 셀 CRLH-TL (two-celled CRLH-TL)의 구조를 보여준다; (4-7)은 설계 방정식이다.

2 셀 CRLH-TL은 C, L 럼프드소자와 좌측 전송라인 LH TL, 그리고 C, L 럼프드소자와 우측 전송라인 RH TL을 포함한다.

여기서,

,

,

, 및

는 각각 위상 응답, 럼프드 인덕터 및 커패시터의 값, 우측-(좌측-)전송라인 단위 셀(RH- (LH-) TL unit cell)의 임피던스이다.

이러한 구성에서 회로 크기는 작다; 그러나, 여러개의 럼프드 소자들(lumped elements)의 사용은 복잡한 수학적 계산 뿐만아니라 기생 효과(parasitic effects)가 유도된다. 또한, 시장에서 럼프드 소자들(lumped elements)의 제한된 이용가능한 값들 때문에, 실제 응용 분야에서 정확한 0°(zero-degree)를 달성하기 어렵다.

그러므로, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 마이크로 팁형 RH-TL (microtip-type RH-TL)을 이용하여 단점들을 극복하는데 사용된다; 이 구조는 0°위상 응답(0° phase response)을 달성하기 위해 우측-전송라인 RH-TL의 길이를 변경하여 럼프드 소자 분산 값들(lumped-element dispersive values)의 한계를 극복할 수 있다.

여기서,

는 우측 전송라인의 전기적인 길이,

는 좌측 전송라인의 전기적인 길이,

는 우측 전송라인의 특성 임피던스,

는 좌측 전송 라인의 특성 임피던스이다.

제안된 3대역 바이어싱 네트워크에서, 2 개의 임피던스 정합 라인

은 다른 네트워크와 결합될 때 임피던스 매칭을 위한 다른 중요한 파라미터이다. 이 구조에 ABCD matrix를 적용한 후, 다음 방정식을 얻을 수 있다.

은 각각의 각 sub-CRLH stub의 port 0에서 종단까지의 어드미턴스이며,

, 및

은 각각 단일 대역 또는 3 대역 바이어싱 네트워크의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이) 및 등가 임피던스이다.

위의 분석에 따르면, 3 중심 주파수들에서

= 무한대; 이후, (8)의 대수 계산은 다음과 같이 확대될 수 있다.

3 대역 바이어싱 네트워크의 설계의 다른 파라미터들은 대역폭(bandwidth)을 고려하여 공통 라인의 특성 임피던스

, 셀 번호 n 및 좌측-전송라인 LH-TL의 위상을 자유롭게 선택할 수 있다. 정확한 비교를 위해, 6개의 다른 case들을 위한 단지 하나의 통과 대역(passband) 만 AWR simulator를 사용하여 시뮬레이션했다.

도 4(b)에 보인 바와 같이, 사용된 1 셀(n D 1) 회로 모델이 제공된다.

기존의 우측-전송라인 RH-TL 기반 case-1 외에, 다른 case의 설계 파라미터들은 표 1에 나열되어 있다. 도 4는 2 GHz를 중심으로 6 가지 case들에 대한 입력 포트의 반사 손실(

, return loss)을 보여준다. 도 4(a)를 참조하면, case 1,2,3,4는 2 GHz 주파수에서 반사 없이 전달된다.

은 입력 포트의 반사 손실(return loss)이며,

은 위상 쉬프터 양측의 삽입 손실(insertion loss)이다.

도 5는 2GHz 단일 대역 전력 분배기(PD)에서 CRLH-TL 및 우측-전송라인 RH-TL의 주파수(GHz)에 대한 위상 응답(phase response)을 나타낸다. 180° 위상 쉬프터(phase shifter)는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL과 간섭 없이 전력이 출력된다.

다음 6 가지 결과들이 얻었다: 1) 제안된 구조는 기존 구조의 대역폭보다 더 넓은 대역폭을 가지며, 특성은 사용된 0° CRLH-TL이 도 5와 같이 위상 응답의 온화한 주파수 의존성을 나타내는 사실에 의한 것이다. 0°와 -180°의 두 전송라인의 2GHz에서 위상 응답이 제공된다. 2) 제안된 바이어싱 네트워크의 대역폭은 셀 번호 n가 증가하고 및 공통 라인의 임피던스(

) 및 sub-CRLH-TL (Zsub-CRLH)의 임피던스, 또는 좌측-전송라인 LH-TL (

)의 위상 응답이 감소하여 향상될 수 있다. 이 특성은 3 대역 설계(tri-band design)에서 3 통과 대역들의 대역폭을 제어하기 위해 사용할 수 있는 점에 유의한다.

최종적으로, 제안된 전력 분배기(PD)의 3대역 바이어싱 네트워크 설계 절차는 해당 주파수 f1, f2 및 f3에서 (3)을 만족시키기 위해 (5)와 (7)을 사용하여 좌측-전송라인 LH-TL의 럼프드 인덕터 및 커패시터(lumped inductors and capacitors) 및 RH-TL의 전기적 길이의 요구된 값을 계산하여 요약될 수 있다.

예를 들면 (5), (7), (3) 및 f1을 사용하면 분기 1의 요구된 파라미터를 얻을 수 있다. 상기 분석에 의하면, LH-cell의 위상 응답 및 임피던스는 럼프드 소자들(lumped elements)의 사용가능한 값들에 따라 자유롭게 선택할 수 있다.

공통 라인의 전기적인 길이, 해당 응답에서 좌측-전송라인 LH-TL의 위상 응답 보다 작아야 하며, 긴 공통 라인

은 sub-CRLH 부분에서 짧은 각각의 우측-전송라인 RH-TL을 만들수 있고, 상대적으로 작은 회로 크기가 되는 점을 주목해야 한다. 게다가,

라인은 임베디드 네트워크의 임피던스 매칭 조건에 기초하여 설계된다.

제안된 3 대역 전력 분배기(PD)에 관해서,

은 포트 임피던스

와 동일해야 하며, 반면에 그 전기적 길이

을 자유롭게 선택될 수 있다. 이 특성은 완전하게 이전 연구의 설계와 다르며[27], 여기서, 전송 라인(TL)의 특성 임피던스와 위상 응답은 둘 다 전체 네트워크에서 임피던스 정합(impedance matching)에서 중요한 역할을 한다.

B. 제안된 3-대역 Gysel 전력분배기

도 1에 도시된 바와 같이, 제안된 3 대역 전력 분배기(PD)의 구조는 3대역 바이어싱 네트워크와 광대역 Gysel PD의 통합으로 간주될 수 있다.

이전 연구 [27]와 달리, 본 연구의 3 대역 바이어싱 네트워크는 전력 분배기(PD)가 [27]에 있는 동안에, 출력 포트들(port 2,3)을 통해 흐르는 제안된 구성의 모든 신호들이 제안된 바이어싱 네트워크에 의해 처리될 수 있고, 사실 때문에 좋은 대역 외 거부 성능(good out-of-band rejection performance)을 결과적으로 가질 수 있다. 또한, 바이어싱 네트워크(biasing network)는 전체 네트워크 임피던스 매칭의 중요한 역할을 한다. 그러나, 임피던스 매칭되지 않는 조건(under unmatched condition)에서도, 광대역 구조는 여전히 출력 포트로 직접 일부 전력을 공급할 수 있다

이전 서브-섹션의 분석에 따르면, 이미 분석된 대역 구조 [19], [34]를 가지며, 라인

이 포트 임피던스

와 같을 때 넓은 범위의 임피던스 매칭에 아무런 영향을 주지 않는다.

설계 방정식은 식(11), (12)에 표시된다.

여기서, R은 격리 저항, Zo는 입출력 port 1,2,3의 포트 임피던스이다.

제안된 광대역 구조에서, 기존 협 대역 파장 RH-TL은 하이브리드 커플러(hybrid couplers)의 설계 이론 [35]-[40]과 유사한 새로운 180°위상 쉬프터로 대체되었다.

도 6은 (a) 제안된 180° 위상 쉬프터의 구조, (b) 제안된 180° 위상 쉬프터의 마이크로 스트립-슬롯 라인 전이 AB와 CD 사이의 전계 변화, 및 (c) 시뮬레이션 된 삽입 손실(insertion loss,

) 및 위상 응답(phase reponse, 전기적인 길이)을 나타낸다.

본 연구에서, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 2 개의 마이크로스트립 라인(microstrip lines), 2 개의 수직 금속 비아(vertical metallic via hole), 및 하나의 원형 단부를 갖는 개방 회로 슬롯 라인(open-circuited slotline with one circular end)으로 구성되는, 마이크로스트립-슬롯 라인 타입 180° 위상 쉬프터(microstrip-to-slotline type 180°　phase shifter)가 사용된다. 상기 180° 위상 쉬프터에서 슬롯 라인(slotline)은 넓은 주파수 대역 상에서 개방 회로(open-circuit)가 제공됨을 유의해야 한다; 만약에 연속된 접지가 있으면, 슬롯 라인의 양쪽 끝단이 추가 원형 스터브(circular stub)와 연결되어야 한다.

도 6(b)는 AB 및 CD en microstrip-to-slotline 변환 사이의 전계 변화(electric field variation)를 나타낸다.

전계의 방향은 수직으로부터 수평으로 첫번째로 먼저 전달되고, 다음 수직으로 피드백되어 되돌아가며, 결과적으로 추가적인 지연 라인들(delay lines) 없이 180°위상 천이(180°phase shift)가 된다.

microstrip-to-slot 라인 구조를 위한 자세한 설계 절차는 [41]의 가이드라인을 통해 연구되었다.

이 작업에서는, 상대 유전율(비유전율, relative dielectric constant)

= 2.54, 두께 h = 0.54 mm, 도체 높이 T = 0.018 mm를 갖는 테프론 기판상에 기초하여, 전력 분배기(PD)의 180° 위상 쉬프터가 시뮬레이션되었다.

테프론 기판의 상부 층과 하부 층 사이에 비아홀(via hole)이 존재하며, 하부 층의 AB와 DC 간격(gap)이 존재한다.

도 6(a)의 파라미터들은 원형 종단의 지름 :

= 4 mm, 슬롯 라인의 너비(width) :

= 0.2 mm, 슬롯 라인의 길이 :

= 2.5 mm, 비아홀 직경 :

= 0.6 mm, AB 및 CD의 간격(gap):

= 0.2 mm 및 마이크로스트립 라인의 너비:

= 1mm 이다.

은 위상 쉬프터 양측의 삽입 손실(insertion loss)이다.

도 6(c)는 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 위상 시프터의 삽입 손실(S21)과 위상 응답을 보여준다.

또한, 2.7GHz에서 동일한 180°위상 응답을 기존 마이크로스트립 라인 비교를 위해 표시된다. 사용된 위상 쉬프터는 기존 마이크로스트립 라인 보다 더 완만한 곡선을 가지는 것이 명백하다. -170° -(-200°) 위상 응답 대역은 2.1 - 4 GHz의 주파수 범위를 커버할 수 있다. 1 dB 미만의 삽입 손실(insertion loss)이 감지으로써, 결과적으로 위상 시프터 기반 가이젤 전력분배기(phase shifter-based Gysel PD)의 통과 대역(passband)이 더 넓어진다.

제안된 3대역 가이젤 전력분배기(Gysel PD)의 설계 절차는 다음과 같이 요약된다:

1) 비특허문헌 (11) 및 (12)를 사용하여 Z1과 Z2의 길이는 중심 주파수 fb에서의 1/4 파장과 동일한 광대역 PD를 설계한다.

2) 처리 정밀도에 기초하여 위상 쉬프터의 라인(line)의 각각의 값들과 간격(gap)들을 선택한다. 작은

및

는 슬롯 라인의 방사 손실(radiation loss)과 추가 위상 지연(extra phase delay)을 최소화할 수 있다.

그러므로, 설계에서는

=

= 0.2 mm로 설정한다. 그후, 180° 위상 쉬프트의 범위가 중심 주파수 fb를 커버할 수 있도록, 원형 스터브(circular stub)의 직경 인

및 슬롯 라인의 길이

를 선택한다.

3) 광대역 PD의 통과 대역을 기반으로 f1, f2 및 f3의 3개의 작동 주파수들을 지정한다. 그후, 상기 요약된 설계 절차에 따라 3대역 바이어싱 네트워크를 설계한다. 또한, 각 지점(branch)의 파라미터들을 선택시에 해당 대역폭은 고려할 가치는 없다. 예를 들면, 만약 두 번째 통과 대역이 더 넓은 대역폭이 요구되면, 도 2(a)의 branch2에서 더 큰 셀 번호 n, 높은

, 또는 더 낮은 LH-TL의 위상 응답을 사용할 수 있다.

4) 위에서 계산된 전력분배기의 초기 파라미터들에 기초하여, 값들을 최적화하고 기생 효과를 고려하여 설계하기 위해 EM simulator를 사용하였다.

III. 실험

이 섹션에서는, 제제안된 3대역 PD의 실현가능한 주파수 범위를 결정하고 설계 방법을 검증하기 위해 2개의 실시예의 Gysel PD가 설계, 시뮬레이션 및 제작하였다.

[실시예1] 하나는 사용될 수 있는 2.5GHz 주파수에서 작동하는 단일 대역- 1대역 광대역 PD(실시예1)이다.

[실시예2] 다른 하나는 1.5GHz, 2.5GHz 및 3.5GHz 주파수에서 작동하는 3 대역 PD(실시예)이다. 실시예2는 후속 특허에 설명하여 제출하였다.

도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 2.5GHz 주파수에서 작동하는 단일 대역 전력분배기(광대역 Gysel PD)의 (a) 개념도, (b) 사진 및 (c) 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸다.

상대 유전율(비유전율, relative dielectric constant)

= 2.54, 두께 h = 0.54mm, loss tangent = 0.002, 도체 높이 T = 0.018mm을 갖는 테프론 기판상에 기초하여,

[실시예 1] 단일 대역 전력 분배기, [실시예 2] 3대역 전력 분배기가 설계 및 제작되었다.

Ansoft 고주파 구조 시뮬레이터(high frequency structure simulator, HFSS) 및 Agilent 8719ES S-parameter 벡터 네트워크 분석기(S-parameter vector network analyzer)를 사용하여 시뮬레이션 및 측정 결과가 각각 획득되었다.

A. 광대역 동일-분할된 전력 분배기

광대역 설계에서 위상 쉬프터(phase shifter)는 섹션 II B에서 하나의 제안된 바와 같이 동일한 파라미터를 갖는다. 전력 분배기(PD)의 다른 파라미터들은 포트 임피던스

= 50Ω,

=

= 70.7Ω, 및 격리 저항 R = 100Ω과 함께, (11)과 (12)를 사용하여 계산할 수 있다.

실시예1에 따른 2.5GHz 주파수에서 작동하는 단일 대역 전력 분배기(PD)는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 2개의 격리 저항은 1005 chip resistors, 라인 너비(line width)는 W1 = 1.49 mm, 및 W2 = W3 = 0.83 mm, 및 라인 길이는 L1 = 20.0 mm 및 L2 = 18 mm 인 전력 분배기를 설계하고 제작하였다.

도 7(b)는 제조된 광대역 PD의 설계도와 사진을 나타낸다. 전력 분배기(PD)의 하단부에 입력 포트 port1, 좌측부에 출력 포트 port2, 우측부에 출력 포트 port3, 직사각형 둘레 상측부에 180° 위상 쉬프터를 구비하며, 180° 위상 쉬프터 내에 2개의 비아 홀(via hole)과 slot이 존재하여 Gysel PD의 회로 크기를 줄였다.

기존 전송 라인(TL)의 제거 때문에,

가 2.5GHz 주파수에서 파장일때, 전력 분배기(PD)의 회로 크기는 0.39

x 0.30

으로 줄었다.

시뮬레이션 및 측정 결과는 도 7(c)에 도시하였다.

금속 비아(metal via hole)의 길이는 항상 기판의 높이 보다 더 길기 때문에 테프론 기판의 상부층과 하부층의 두 층의 경미한 불일치, 슬롯 라인(slot line)의 부정확한 너비(width) 등의 EM simulator와 회로 모델 사이의 작은 차이가 제한된 제조 정밀도 때문에 존재하였으며, 또한 추가적인 기생 효과들이 존재하였다.

이 그림을 관찰하면, 1.1 - 4GHz로부터 광대역 3-dB 삽입손실 통과대역(broad 3-dB insertion loss (

) passband)이 모든 대역들에서 14 dB 이상의 좋은 격리(isolation)가 이루어졌다. 통과 대역(passband)에서, 측정된 최대 반사 손실(return loss,

) 및 격리도(isolation,

)는 각각 28.4 dB 및 20.1 dB이였으며, 반면에 최소 삽입 손실은 3.10 dB 이였다.

전통적인 Gysel PD과 비교하여, 제안된 멀티 대역 전력 분배기(tri-band Gysel power divider)는 5G 이동 통신에 사용되는 Wilkinson PD보다 고출력 처리 기능을 제공한다.

실시예1에서는, 2.5 GHz 중심 주파수를 갖는 단일 대역 Gysel PD(single-band Gysel Power Divider)를 설계하고 제작하여 검증하였다.

실시예2에서는, 2.0 GHz, 2.5 GHz 및 3.0 GHz 동작 주파수에서 작동하는 3대역 Gysel 전력분배기(tri-band Gysel Power Divider)를 설계하고 제작하여 검증하였으며, 기존 Gysel PD의 회로 크기보다 80% 정도로 회로 크기를 축소하였다.

본 발명에 따른 0° 복합 좌-/우- 전송라인들을 갖는 단일 대역 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH TL)을 사용하며, 마이크로스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transitions) 기반의 새로운 180° 위상 쉬프터(180° phase shifter)를 사용하고, 우수한 임피던스 정합(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)을 가지며 회로 크기를 줄인 단일 대역 Gysel 전력 분배기(실시예1)를 설계 및 제작하였다.

1/4 파장 CRLH-TLs를 갖는 기존 임피던스 변압기(impedance transformers)를 다음과 같이 대체하여 다중 통과대역들(multiple passbands)을 구현하는 일반적인 설계 방법과 비교하면, 전개된 0° CRLH-TL은 3 개의 통과 대역(passbands)의 대역폭(bandwidth)을 개별적으로 제어하는데 사용되는 좌측 및 우측 전송라인(TL)의 특성 임피던스 및 위상 응답을 위해 높은 설계 유연성이 필요하다.

또한, 마이크로 스트립-슬롯 라인 전이(microstrip-to-slotline transition)는 기존의 180° TL을 대체하는데 사용되며, 이를 확장하면, 3대역 전력분배기(Tri-band Power Divider)의 3개의 중심주파수를 갖는 전력분배기(PD)를 구현하고 PD의 회로 크기를 줄였다.

i) [실시예1] 하나는 2.5 GHz 중심 주파수를 갖는 단일 대역- 1대역 광대역 PD를 포함하고,

ii) [실시예2] 다른 하나는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력분배기(PD)를 제공한다. 시뮬레이션 된 결과와 측정된 결과가 잘 일치한다.

실시예1의 2.5 GHz 중심 주파수를 갖는 단일 대역 Gysel PD는 최대 116%의 분수 3dB 대역폭이 달성되는 반면,

실시예2의 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 Gysel PD는 우수한 임피던스 정합(impedance matching) 및 격리 성능(isolation performance)으로 80 % 회로 크기가 감소되었다.

[실시예2]

본 발명의 실시예2는, 0° 복합 좌측 우측 전송라인들(Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines)을 갖는 3대역 Gysel 전력분배기(Tri-Band Gysel Power Divider)를 설계 및 구현하고 검증하였다.

도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 주파수에서 작동하는 3 대역 전력분배기(Gysel PD)의 (a) 개념도, (b) 사진을 나타낸다.

본 발명의 실시예2에 따른 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는,

기판;

전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트;

좌측에 구비된 출력포트 port 2, 우측에 구비된 출력포트 port 3를 구비하는 출력 포트;

직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R;

직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL;

상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 3개의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 가늘고 긴 개방 스터브(open stub);

직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 접지(ground)로 연결되는 slot을 구비하는 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및

1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크(3대역 바이어싱 네트워크)를 갖는 멀티 대역 전력 분배기(PD)를 포함하며,
상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는 3 대역 전력분배기(PD)로써, 3 통과 대역(passband)을 위해 중심 주파수

= 3.5 GHz,

= 2.5 GHz 및

= 1.5 GHz가 설정되었으며, 3대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)가 설계되었으며, 라인 임피던스

은 임피던스 매칭을 위한

(50Ω)이 되어야 하며, 공통 라인의 임피던스

및 sub-CRLH 라인은 각각 50 Ω과 100 Ω으로 자유롭게 선택되며, LH-TL의 모든 위상 응답(phase responses)들은 해당 주파수들에서 60°로 설정된다.

상기 기판은 테프론 기판을 사용하며, 상대 유전율(relative dielectric constant)

= 2.54, 두께 h = 0.54 mm, 도체 높이 T = 0.018 mm를 갖는 테프론 기판을 사용한다.

상기 180° 위상 쉬프터는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 반전시켜 유지함으로써 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL이 간섭 없이 전력이 출력된다.

상기 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력 분배기이며,

상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 3대역 바이어싱 네트워크를 사용한다.

상기 전력 분배기(PD)의 상기 180° 위상 쉬프터 내에 2개의 비아 홀(via hole)과 slot이 존재하여 Gysel PD의 회로 크기를 줄였다.

상기 180° 위상 쉬프터(180°　phase shifter)는 2 개의 마이크로스트립 라인, 2 개의 수직 금속 비아(metallic via), 및 하나의 원형 단부를 갖는 개방 회로 슬롯 라인(slot: open-circuited slotline with one circular end)으로 구성되며, 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 180° 위상 쉬프터(microstrip-to-slotline type 180°　phase shifter)가 사용되며,

상기 180°위상 쉬프터에서 슬롯 라인(slotline)은 넓은 주파수 대역 상에서 개방 회로(open-circuit)가 제공되며, 만약 연속된 접지가 있으면, 상기 슬롯 라인의 양쪽 끝단이 추가 원형 스터브(circular stub)와 연결된다.

실시예 2에서는, 상기 전력분배기는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력분배기(Gysel PD)를 제공한다.

3 대역 전력분배기(PD)의 3 통과 대역(passband)을 기준으로 중심 주파수

= 3.5 GHz,

= 2.5 GHz 및

= 1.5 GHz가 지정되었다. 3대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)는 위에서 언급한 설계 절차에 따라 설계되었다. 여기서, 라인 임피던스

은 임피던스 매칭을 위한

(50Ω)이 되어야 한다; 다른 파라미터들의 경우, (3)에 표시된 관계만 엄격하게 요구된다. 공통 라인의 임피던스

및 sub-CRLH 라인은 각각 50 Ω과 100 Ω으로 자유롭게 선택된다. LH-TL의 모든 위상 응답(phase responses)들은 해당 주파수들에서 60°로 설정된다.

3 대역 전력분배기(PD)의 럼프드 소자(lumped element)들의 값들은

= 4.7 nH,

= 0.47 pF,

= 6.7 nH,

= 0.67 pF,

= 11.2 nH 및

= 1.12 pF와 같이, (5)와 (7)을 사용하여 계산할 수 있다. 여기서,

(

,

) 및

(

,

)은 각각

, (

,

)에서 계산된 럼프드 인덕터 및 커패시터의 값들이다.

그러나, 이전에 언급한 바와 같이, 단지 제한적 럼프드 소자들의 값을 사용할 수 있다. 따라서, 최종적으로, 상기 럼프드 요소들의 값들은

= 1.5 nH,

= 0.5 pF,

= 4.7 nH,

= 0.75 pF,

= 12 nH 및

= 1.2 pF와 같이 선택되었다. 그에 의해, 3가지 중심 주파수에서 관련 LH-TL의 위상 응답(phase response)은 각각 77.1°, 68° 및 50°이다. 그런 다음, LH-TL의 위상 응답에 기초하여, 공통 라인(common line)의 위상 응답

은 f1 주파수에서 -60°으로 선택되었다. 다른 주파수들을 위해, 위상 응답

은 각각 -43°과 -26°이다.

그런 다음 (3)에 따라, 해당 sub-CRLH에서 RH-TL의 전기적인 길이(electrical length)는 각각 -17.1°, -33.9°, 24°이다. 계산된 모든 값들을 라인 길이(length)와 너비(width)를 전달하고 그리고 파라미터들을 최적화한 후, 기생 효과(parasitic effects)를 고려한 후 3 대역 전력분배기(PD)는 도 8 (a)에 도시된 바와 같이 최종적으로 설계된다.

여기서, L1 = 4.6 mm, L2 = 0.2 mm, L3 = 7.8 mm, L4 = 1 mm, L5 = 1.8 mm, W1 = 1.2 mm, W2 = 0.4 mm, W3 = 0.6 mm, W4 = 0.4 mm, W5 = 0.4 mm, W6 = 1.49 mm, via D1 = 0.6 mm의 직경, 및 모든 이용된 럼프드 인덕터들 및 커패시터들은 2012 chip elements이다.

f3 주파수에서 최적화 된 파라미터들과 계산된 파라미터 사이에는 상대적으로 큰 차이가 있음에 유의해야 한다. LH-TL 특성 때문에, 여기서 위상 응답은 보다 쉽게 보다 더 낮은 주파수들에서 럼프드 소자들(lumped elements)의 값들에 의해 보다 쉽게 영향을 받는다.

도 8(b)는 실시예2의 제작된 전력 분배기(PD)의 사진을 보여 준다.

왼쪽 상의 이미지는 최상위 레이어이고, 다른 이미지는 오른쪽은 맨 아래 레이어이다. 3개의 통과 대역에서 측정된 최대 반사 손실(maximum return loss)(

) 및 최소 삽입 손실(

)은 도 9(a)에 도시된 바와 같이, 각각 24.3 dB/16.5 dB/14.9 dB 그리고 3.31 dB/3.15 dB/3.13 dB이다. 좋은 격리도(isolation)는 다른 대역들의 주파수는 각각 20dB 인 동안 3 번째 통과 대역에서 최소 손실이 14dB이다. 3 번째 통과 대역에서 상대적으로 빈약한 성능은 주로 광대역 전력분배기(PD)의 성능 때문에 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, 격리도(isolation) 및 반사 손실(returen loss)은 각각 14.3dB 및 13.3dB이다. 시뮬레이션 및 측정 결과 사이의 좋은 일치를 볼 수 있다. 게다가, 위상 및 진폭 불균형(phase and amplitude imbalance)은 모든 통과 대역(passband)에서 능력(capability)은 각각 0.5dB 미만 및 4°이었다.

도 9는 본 발명의 실시예2에 따른 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 주파수에서 작동하는 3 대역 전력분배기(Gysel PD)의 (a) 시뮬레이션 및 측정된 S 파라미터(dB)- 입력 포트 반사 손실(return loss,

), 삽입 손실(insertion loss,

), (b) 출력 포트 반사 손실(

) 및 격리도(

), (c) 제작된 3 대역 Gysel PD를 위한 위상(phase) 및 진폭 불균형(amplitude imbalance)를 나타낸다. 출력 신호의 크기가 변함없이 안정적임을 볼 수 있다.

은 전력분배기(PD)의 입력 포트 port1의 반사 손실(return loss)이다.

은 위상 쉬프터(phase shifter) 양측의 삽입 손실(insertion loss)이다.

는 전력분배기(PD)의 출력 port 2에서 바라본 두 출력 포트 port2, port3의 반사 손실(return loss)이다.

는 전력분배기(PD)의 두 출력 포트 port2, port3 간의 격리도(isolation)이다.

또한, PD 타입, 이용된 기술, 구성된 격리 네트워크, 정규화된 크기(여기서, 0은 1번째 및 2번째 중심 주파수의 평균 파장), 유도된 추가 통과대역 능력, 대역 외 거부(out-of-band rejection), 고전력 처리 기능(high-power handling capability)과 관련하여 이전 3대역 전력 분배기(PD)와의 비교는 표 2에 나타냈다. 제안된 전력분배기(PD)는 동시에 가장 작은 크기, 높은 설계 유연능에, 고전력 성능, 좋은 대역외 제거(out-of-band rejection) 하에 0도 전송라인들(zero-degree TLs)을 사용한 최초의 멀티-대역 전력분배기(multi-band PD)이다. 또한, 제안된 전력분배기(PD)가 높은 수준에서 사용될 필요가 있을 때 주목할 가치가 있다.

칩 저항기(chip resistor)는 50Ω 고전력 저항(high-power resistor) 또는 50Ω 등가 임피던스를 갖는 고전력 격리 네트워크(high-power isolation network)으로 교체해야 하며, 추가적인 알루미늄 블럭은 좋은 성능의 열 방출(good heat dissipation)이 잘 되도록 차단해야 한다.

Wilkinson PD는 kw 미만 저 전력에 응용되며, Gysel PD는 kw 이상의 고전력 응용에 사용된다.

멀티 대역 전력 분배기는 단일 대역 전력 분배기(실시예1) 및 3대역 전력 분배기(실시예2)를 예시로 설명하였지만, f1,f2,f3,.. fk 중심 주파수를 갖는 k 대역 전력 분배기(Gysel PD)이며, 예를들면, 3대역 이상의 4,5,6,7,8 대역 전력 분배기(Gysel PD)로 구현될 수 있다.

또한, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기는

기판;

port 1을 구비하는 입력 포트;

port 2, port 3를 구비하는 출력 포트;

직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R;

직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL;

상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 복수의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브(open stub);

직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot을 구비하는 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및

1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 전력 분배기를 포함한다.

상기 기판은 테프론 기판을 사용한다.

상기 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터는

직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot을 구비하고,

상기 180° 위상 쉬프터는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL이 간섭 없이 전력이 출력된다.

상기 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 제1 주파수, 제2 주파수 및 제3 주파수에서 중심주파수를 갖는 3 대역 전력 분배기이며,

상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 3대역 바이어싱 네트워크를 사용한다.

상기 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기로써, f1,f2,f3,.. fk 중심 주파수를 갖는 k 대역 전력 분배기이며,

상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 k대역 바이어싱 네트워크를 사용한다.

상기 전력 분배기는 Kw 이상의 고전력 응용에 사용되는 3대역 Gysel PD를 설계 및 제작하였으며, 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들(TLs)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기(3대역 Gysel PD)로써, 3G 이동통신, LTE 4G/5G 이동통신 기지국의 전력증폭기의 전력분배기(PD, Power Divider)로 사용된다.

IV. 결론

본 연구에서, 3 대역 Gysel PD의 새로운 디자인 방법은 2개의 실시예의 제작된 PD를 사용하여 제시되고 검증되었다. 이전의 CRLH-TL 기반 멀티 대역 전력분배기(PD)와 비교했을 때, 새로운 타입의 0° 전송 라인(zero-degree TLs)으로 구성된 멀티-대역 바이어싱 네트워크(multi-band biasing network)이 사용되고, 설계 자유도 및 향상된 대역 외 거부(good out-of-band rejection) 성능이 우수하였다.

추가 통과 대역(passband)은 추가적인 sub-CRLH-TLs를 사용하여 쉽게 도입할 수 있다. 표 2를 참조하면, 제작된 전력분배기(PD)의 크기는 콤팩트한 소형 크기이며, 저속파 TL(slow-wave TLs) 또는 마이크로스티립 라인들(microstrip lines)의 적절한 굽힘(bending)을 사용하여 더 크기를 줄일 수 있다.

또한, 2개의 접지 저항들 때문에, 제안된 전력분배기(PD)는 고전력 처리 성능을 제공하며, 실제 애플리케이션들에 더 적합하였다.

실시예2에서는, 0° 복합 좌측 우측 전송라인들(Zero-Degree Composite Right-/Left-Hand Transmission Lines)을 갖는 3대역 Gysel 전력분배기(Tri-Band Gysel Power Divider)를 설계 및 구현하고 검증하였다.

상기 전력 분배기는 Kw 이상의 고전력 응용에 사용되는 3대역 Gysel PD를 설계 및 제작하였으며, 0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들(TLs)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기(3대역 Gysel PD)로써, 3G 이동통신, LTE 4G/5G 이동통신 기지국의 전력증폭기의 전력분배기(PD, Power Divider)로 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

CRLH-TL: 복합 우측-/좌측-전송라인
RH-TL: 우측-전송라인
LH-TL: 좌측-전송라인
R: 럼프드 격리 저항(lumped isolation resistors)

: 우측 전송라인 RH-TL의 전기적인 길이,

: 좌측 전송라인 LH-TL의 전기적인 길이

: 우측 전송라인 RH-TL의 특성 임피던스

: 좌측 전송 라인 LH-TL의 특성 임피던스
Zo: 입출력 port 1,2,3의 포트 임피던스

: 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 특성 임피던스

: 전력 분배기(PD)의 feed line으로 사용되는 2 임피던스 매칭라인의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)

: 전력 분배기(PD)의 회로 크기 축소를 위한 공통 라인(common line)의 특성 임피던스,

: 전력 분배기(PD)의 회로 크기 축소를 위한 공통 라인의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)

: 각 sub-CRLH stub의 port 0에서 종단까지의 어드미턴스이며,

: 단일 대역 또는 3 대역 바이어싱 네트워크의 위상 응답(phase response, 전기적인 길이)

: 단일 대역 또는 3 대역 바이어싱 네트워크의 등가 임피던스

및

: 전력 분배기(PD)의 3 대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network) 설계시에 3 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스

및

: 3개의 서브-CRLH-TL의 위상 응답(전기적인 길이)

Claims (15)

1. 기판;
   port 1을 구비하는 입력 포트;
   port 2, port 3를 구비하는 출력 포트;
   직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R;
   직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL;
   상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 3개의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브;
   마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및
   1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 멀티 대역 전력 분배기(PD)를 포함하며,
   상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는 3 대역 전력분배기(PD)로써, 3 통과 대역(passband)을 위해 중심 주파수

   

   = 3.5 GHz,

   

   = 2.5 GHz 및

   

   = 1.5 GHz가 설정되었으며, 3대역 바이어싱 네트워크(tri-band biasing network)가 설계되었으며, 라인 임피던스

   

   은 임피던스 매칭을 위한

   

   (50Ω)이 되어야 하며, 공통 라인의 임피던스

   

   및 sub-CRLH 라인은 각각 50 Ω과 100 Ω으로 자유롭게 선택되며, LH-TL의 모든 위상 응답(phase responses)들은 해당 주파수들에서 60°로 설정되는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 테프론 기판을 사용하며, 상대 유전율(relative dielectric constant)

   

   = 2.54, 두께 h = 0.54 mm, 도체 높이 T = 0.018 mm를 갖는 테프론 기판을 사용하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터는
   직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot을 구비하며,
   상기 180° 위상 쉬프터는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL이 간섭 없이 전력이 출력되는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 3.5GHz, 2.5GHz 및 1.5GHz 중심주파수를 갖는 3 대역 전력 분배기이며,
   상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 3대역 바이어싱 네트워크를 사용하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)의 상기 180° 위상 쉬프터 내에 2개의 비아 홀(via hole)과 slot이 존재하여 Gysel PD의 회로 크기를 줄이는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 180° 위상 쉬프터는
   2 개의 마이크로스트립 라인, 2 개의 수직 금속 비아(metallic via), 및 하나의 원형 단부를 갖는 개방 회로 슬롯 라인(open-circuited slotline with one circular end)으로 구성되며, 마이크로 스트립-슬롯 라인 타입 180° 위상 쉬프터(microstrip-to-slotline type 180°　phase shifter)가 사용되며,
   상기 180°위상 쉬프터에서 슬롯 라인(slotline)은 넓은 주파수 대역 상에서 개방 회로(open-circuit)가 제공되며, 만약 연속된 접지가 있으면, 상기 슬롯 라인의 양쪽 끝단이 추가 원형 스터브(circular stub)와 연결되는, 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
7. 제2항에 있어서,
   상기 기판의 상부 층과 하부 층 사이에 2개의 비아홀(via hole)이 존재하며, 하부 층의 AB와 DC 간격(gap)이 존재하며,
   파라미터들은 원형 종단의 지름 :

   

   = 4 mm, 슬롯 라인의 너비(width) :

   

   = 0.2 mm, 슬롯 라인의 길이 :

   

   = 2.5 mm, 비아홀 직경 :

   

   = 0.6 mm, AB 및 CD의 간격(gap):

   

   = 0.2 mm 및 마이크로스트립 라인의 너비:

   

   = 1mm 인 것을 특징으로 하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는
   럼프드 소자(lumped element)들의 값들은

   

   = 4.7 nH,

   

   = 0.47 pF,

   

   = 6.7 nH,

   

   = 0.67 pF,

   

   = 11.2 nH 및

   

   = 1.12 pF와 같이, (5)와 (7)을 사용하여 계산할 수 있으며, 여기서,

   

   (

   

   ,

   

   ) 및

   

   (

   

   ,

   

   )은 각각

   

   , (

   

   ,

   

   )에서 계산된 럼프드 인덕터 및 커패시터의 값들이며,
   럼프드 소자들의 값들은

   

   = 1.5 nH,

   

   = 0.5 pF,

   

   = 4.7 nH,

   

   = 0.75 pF,

   

   = 12 nH 및

   

   = 1.2 pF와 같이 선택되었으며, 그에 의해, 3가지 중심 주파수에서 관련 LH-TL의 위상 응답(phase response)은 각각 77.1°, 68° 및 50°이었으며, 그런 다음, LH-TL의 위상 응답에 기초하여, 공통 라인(common line)의 위상 응답

   

   은 f1 주파수에서 -60°으로 선택되었으며, 다른 주파수들을 위해, 위상 응답

   

   은 각각 -43°과 -26°이며,
   그런 다음 (3)에 따라, 해당 sub-CRLH에서 RH-TL의 전기적인 길이(electrical length)는 각각 -17.1°, -33.9°, 24°이었으며, 계산된 모든 값들을 라인 길이(length)와 너비(width)를 전달하고 그리고 파라미터들을 최적화한 후, 기생 효과(parasitic effects)를 고려하여 3 대역 전력분배기(PD)는
   여기서, L1 = 4.6 mm, L2 = 0.2 mm, L3 = 7.8 mm, L4 = 1 mm, L5 = 1.8 mm, W1 = 1.2 mm, W2 = 0.4 mm, W3 = 0.6 mm, W4 = 0.4 mm, W5 = 0.4 mm, W6 = 1.49 mm, via D1 = 0.6 mm의 직경, 및 사용된 럼프드 인덕터들 및 커패시터들은 2012 chip elements를 사용하는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 멀티 대역 전력 분배기(PD)는 3개의 통과 대역에서 측정된 최대 반사 손실(maximum return loss)(

   

   ) 및 최소 삽입 손실(

   

   )은 각각 24.3 dB/16.5 dB/14.9 dB 그리고 3.31 dB/3.15 dB/3.13 dB이며, 좋은 격리도(isolation)는 다른 대역들의 주파수는 각각 20dB 인 동안 3 번째 통과 대역에서 최소 손실이 14dB이었고, 3 번째 통과 대역에서 상대적으로 빈약한 성능은 광대역 전력분배기(PD)의 성능 때문에 격리도(isolation) 및 반사 손실(returen loss)은 각각 14.3dB 및 13.3dB이며, 시뮬레이션 및 측정 결과가 일치하였으며, 위상 및 진폭 불균형(phase and amplitude imbalance)은 모든 통과 대역(passband)에서 능력(capability)은 각각 0.5dB 미만 및 4°인 것을 특징으로 하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배기는
    0° 복합 좌측-/우측- 전송라인들(TLs)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기(Gysel PD)로써, 3G 이동통신, LTE 4G/5G 이동통신 기지국의 전력증폭기의 전력분배기(PD, Power Divider)로 사용되는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
11. 기판;
    port 1을 구비하는 입력 포트;
    port 2, port 3를 구비하는 출력 포트;
    직사각형 구조의 상측 중앙부에 각각 형성되는 출력 포트 port2의 럼프드 격리 저항 R과, 출력 포트 port3의 럼프드 격리 저항 R;
    직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL;
    상기 직사각형 구조의 외곽의 우측 전송라인 RH-TL 내에, 좌측과 우측에 각각 대칭적으로 (+) 형상으로 구비되고 복수의 비아 홀을 좌측과 우측에 각각 구비하며 인덕터와 커패시터로 구성된 좌측 전송라인 LH-TL; 및 상기 좌측 전송라인 LH-TL과 연결되고, 임피던스 매칭을 위한 개방 스터브;
    마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터; 및
    1 개의 서브-CRLH-TL의 특성 임피던스, 위상 응답(전기적인 길이)를 갖는 멀티 대역 바이어싱 네트워크를 갖는 전력 분배기를 포함하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 테프론 기판을 사용하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
13. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로스트립-슬롯 라인 타입의 180° 위상 쉬프터는
    직사각형 구조의 상측 중앙부에 2개의 비아 홀과, 신호가 마이크로 스트립라인을 통해 ground로 연결되는 slot을 구비하고,
    상기 180° 위상 쉬프터는 출력 전력 신호의 위상차를 180°를 유지하여 CRLH-TL과 우측-전송라인 RH-TL이 간섭 없이 전력이 출력되는, 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
14. 제11항에 있어서,
    상기 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 제1 주파수, 제2 주파수 및 제3 주파수에서 중심주파수를 갖는 3 대역 전력 분배기이며,
    상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 3대역 바이어싱 네트워크를 사용하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
15. 제11항에 있어서,
    상기 전력 분배기는 0° 복합 좌측-/우측-전송라인(zero-degree composite right-/left-handed CRLH transmission lines)을 갖는 멀티 대역 전력 분배기로써, f1,f2,f3,.. fk 중심 주파수를 갖는 k 대역 전력 분배기이며,
    상기 멀티 대역 바이어싱 네트워크는 k대역 바이어싱 네트워크를 사용하는 영도 복합 좌측-/우측- 전송라인들을 갖는 멀티 대역 전력 분배기.
    

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