KR102289944B1 - 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 l 타입 전송라인 - Google Patents

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Abstract

2 대역 전력 분배기(PD)에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)이 개시된다. 2대역 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson PD)는 거짓 대역을 억압하기 위해 임피던스 매칭 라인과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공하였다. 복합 L-type 전송라인(L-type TL)은 높은 설계 유연성, 대역차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 사용된 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스(characteristic impedance)에 의해 영향을 받는 소형화된 크기를 갖는다. 반면, L-type 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 L-type TL의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는다. 실시예에서는, 1.0 GHz 및 2.45 Ghz에서 중심주파수를 갖는 2 대역 전력분배기에 의해 입증되었다. 시뮬레이션 결과 및 측정 결과는 우수한 거짓 대역 억제(suppression)는 2 대역 사이의 측정된 반사 손실
Figure 112021067340647-pat00090
및 최대 삽입 손실
Figure 112021067340647-pat00091
은 각각 1.4 dB 및 14.6dB 였다.

Description

2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L 타입 전송라인{Composite L-Type TL for Spurious Band Suppression in Dual Band Power Divider}
본 발명은 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들을 갖는 2 대역 전력 분배기(dual band power divider, PD)에서 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압(spurious band suppression))하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)에 관한 것으로, 2대역 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)의 거짓 대역을 억압하기 위해 임피던스 매칭 라인(impedance matching line)과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공한다.
전력 분배기(Power Divider, PD)는 입력 포트에 공급된 입력 전압을 1/2 전력씩 분배하여 각각의 출력 포트1,2로 1/2 전력을 출력한다.
전력 분배기(Power Divider)와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-10700090000에서는 "격리도를 향상시킨 1:2 초광대역 전력 분배기/결합기"가 공개되어 있으며, 전송선로와 용량성으로 결합되는 단락 선로를 이용하여 입력 또는 출력되는 신호의 대역폭을 초광대역으로 조절할 수 있으며, 출력되는 전송 선로를 서로 격리시켜 안정성이 향상된 초광대역 전력 분배기/결합기를 제공한다.
초광대역 전력 분배기는 전송 선로와 단락 선로 사이의 용량성 결합의 크기를 조절하여 입력/출력되는 신호의 대역폭을 원하는 초광대역으로 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 이 초광대역 전력 분배기는 신호가 출력되는 전송 선로 사이에 격리 저항을 삽입함으로써, 신호가 출력되는 전송 선로 사이의 격리도를 향상시킨다.
월킨슨 전력분배기(Wilkinson PD)와 비교하면, 가이젤 전력분배기(Gysel PD)는 격리 저항(isolation resistors)과 2개의 포트에 사용되는 구성에 의해 고출력 처리 기능을 갖추고 있다. 윌킨슨 PD에서는, 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.
월킨슨 전력분배기(Wilkinson PD)와 가이젤 전력분배기(Gysel PD)는 무선통신 시스템 및 다른 마이크로웨이브 시스템에서 2가지 타입의 전력 분배기가 널리 사용된다. 월킨슨 전력분배기(Wilkinson PD)와 가이젤 전력분배기(Gysel PD)를 비교할 때, 2개의 접지된 분리 저항(isolation resistor) 때문에 고전력 처리 성능을 갖는다. 최근, 멀티-대역 가이젤 전력분배기(multi-bnad Gysel PD)는 멀티 대역 응용들을 위해 증가하는 수요에 대처하기 위해 사용한다. 그러나, 대부분의 설계는 아직도 2-대역(dual-band) 설계에 관련되어 있으며, 3중 대역 Gysel 전력 분배기(tri-band Gysel PD)가 연구개발되고 있다.
선행 연구에서, Π-shaped composite right-/left-handed TL [1], 단락-/개방-종단 스터브(short-/open-ended stub), 또는 결합 선로들(coupled lines)은 듀얼 통과대역(dual passbands)을 구현하는 일반적인 방법이다.
현재, quad-, 또는 quad- 이상의 다중대역 Gysel 전력 분배기(Gysel PD)에 관한 연구는 아직 보고되지 않았다.
전통적인 다중 대역 Gysel 전력 분배기(Gysel PD)는 5G 이동 통신의 응용에 적합한 Wilkinson PD 보다 고출력 처리 기능(high-power handling capability)을 제공하며, Wilkinson PD 보다 작동 주파수가 더 높다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허출원번호 10-2018-0145746에서는 "다중 대역 전력 분배기"가 출원되어 있다.
도 1은
Figure 112021043170811-pat00001
이고 모든 전송라인들의 전기적인 길이(electrical length)가 90°인 기존 1/2 Gysel 전력 분배기(Gysel Power Divider)의 구조를 보인 도면이다.
기존 1/2 Gysel 전력 분배기는 예를들면, 입력 port 1에 100W 전력이 인가되면, 1/2 전력이 분배되어 각각의 출력 port 2, port 3로 각각 50W 전력이 출력된다.
port 1은 입력 포트이며, port 2와 port 3은 출력 포트이다.
θ는 전기적인 길이,
Figure 112020021707902-pat00002
는 전송라인 특성 임피던스(port 1-2 전송라인, port 1-3 전송라인 특성 임피던스),
Figure 112020021707902-pat00003
,
Figure 112020021707902-pat00004
는 다중 대역 위상 인버터(multi-band phase inverter)의 특성 임피던스, R은 럼프드 소자의 격리용 저항(lumped isolation resistor)이다. 럼프드 소자(lumped element)는 저항, 인버터, 커패시터 등의 개별 소자를 의미한다.
이전 연구 [1]-[4]에 의하면, 다중 대역 Gysel 전력 분배기(multi-band Gysel PD)는 위상 인버터(
Figure 112020021707902-pat00005
,θ)를 재설계하였으며, 다중 대역 Gysel 전력 분배기는
Figure 112020021707902-pat00006
특성 임퍼던스 및 (2N-1), N= 1,2,3인 각각의 통과대역(passband)에서 90°phase response를 갖는 다중 대역 위상 인버터(multi-band phase inverter)의 설계로 간주될 수 있다.
I. 도입
전력 분배기(power divider)는 안테나 어레이, 무선 통신, 이동통신 및 레이더 등의 마이크로웨이브 시스템의 필수 장치로 사용된다. 전력 분배기는 하나의 신호를 둘 이상의 신호로 분리(split)하거나 또는 둘 이상의 신호를 하나의 신호로 결합(combine)할 수 있다. 최신 통신 기술들의 급속한 발전과 함께 많은 새로운 주파수 대역들은 GSM, LTE, Wi-Fi, 5G 및 다가오는 6G 세대 이동통신 국제 통신 표준에 포함된다. 이 경향은 하나 이상의 주파수에서 동작할 수 있는 전력분배기(PD)의 발전은 더욱더 필요하게 만들었다.
이러한 요구사항에 대처하기 위해, 2대역 전력 분배기(dual-band power dividers) [1]-[8] 및 3대역 전력분배기(tri-band power dividers) [9]-[10]가 작년에 제안되었다.
그러나, 대부분의 노력들은 단지 멀티-대역 동작(multi-band operation)에 초점을 두었으며, 이러한 전력분배기들의 성능은 거짓 대역이 인접 대역들(passbands) 사이에 항상 존재하기 때문에, 성능이 우수하지 않았다.
예를들면, 참고문헌 [2]에서 2 통과대역(passbands) 사이의 삽입 손실(insertion loss)는 약 3 dB이며, 반사 손실(return loss)은 10 dB보다 크다.
이상적인 경우, 반사 손실은 0에 가까워야하고, 삽입 손실은 무한대에 근접해야 한다.
상기 연구들에서, 단지 참고문헌 [7]-[9]만은 2 방법들로 분류될 수 있는 거짓 대역 억압 성능(spurious band suppression performance)에 주의를 기울였다.
첫번째 방법은 전통적인 전송라인(TL)을 [7]에 도시된 바와 같이, 2개의 개방 스터브(open-end stubs)로 구성된 Π-type 임피던스 트랜스포머(Π-type impedance transformer)로 대체하였다.
반면에, [8]과 [9]에 표시된 바와 같이 멀티대역 필터(multiband filter)와 커플링 구조 기반의 0도 전송라인(zero-degree TL)은 각각 입력 포트와 출력 포트들로 확장하여 사용된다.
상기 방법들은 우수한 거짓 대역 억제들 얻을 수 있더라도, [7]의 순수한 마이크로스트립 라인 타입 개방 스터브(microstrip line type open-end stub)는 크기가 확대될 수 있는 문제가 있다. [8]의 0도 전송라인(zero-degree TL)은 제조의 어려움을 갖는 추가적인 비아 홀들(via holes)이 필요하며, [9]의 커플링 구조는 고유한 even-mode 또는 odd-mode 위상 속도 차이(even-mode or odd-mode phase velocity difference)를 갖는다.
이전 연구들과 달리, 본 연구는 듀얼밴드 전력분배기의 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역 억압 성능을 갖는 새로운 2대역 동등-분리 윌킨슨 전력분배기를 제시하였으며, 기능들은 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제작하였다. 이전 연구들 [1]과 비교하면, 추가적인 비아 홀들(via holes) 없이 또는 even-mode 및 odd-mode 위상 속도 차이가 존재하지만, 소형 크기를 야기하는 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 사용하여 크기를 축소하였고, 높은 디자인 유연성을 제공하였다.
특허 등록번호 10-10700090000 (등록일자 2011년 09월 27일), "격리도를 향상시킨 1:2 초광대역 전력 분배기/결합기", 경희대학교 산학협력단 특허 출원번호 10-2018-0145746 (출원일자 2018년 11월 22일), "다중 대역 전력 분배기", 이종철, 왕양, 유복흥, 광운대학교산학협력단
K. M. Cwith self-compensation structure,"heng, and F. Wong, "A new Wilkinson power divider design for dual band application," IEEE Microw, Wirel. Compon. Lett., vol.17 no.9, pp. 664-666, Sept. 2007. S.Ahn, J.W. Lee, C.S. Cho, and T.K. Lee,"A dual-band unequal Wilkinson power divider with arbitary frequency ratios," IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol.19 no.12, pp. 783-785, Dec. 2009. N. Gao, G. Wu, and Q. Tang, "Design of a novel compact dual-band Wilkinson power divider with arbitary frequency ratios," IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol.24 no.2, pp. 81-83, Feb. 2014. Y. Wu, Y. Liu, Y. Zhang, J. Gao, and H. Zhou, "A dual band unequal Wilkinson power divider without reactive components," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no.1, pp. 216-222, Jan. 2009. M. Park and B. Lee, "A dual-band Wilkinson power divider," IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol.18 no.2, pp. 85-87, Feb. 2008. X. Wang, I. Sakagami, Z. Ma, A. Mase, M. Yoshikawa, and M. Ichimura,"Miniaturized dual-band Wilkinson power divider," IEEETrans. Compon. PackagManuf. Technol., vol.5, no.3, pp. 389-397, Mar. 2015. X. Wang, Z. Ma, and M. Ohira,"Theory and experiment of two-section two-resistor Wilkinson power divider with two arbitary frequency bands," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.66, no.3, pp. 1291-1300, Mar. 2018. G. Zhang, J. Wang, L. Zhu, and W. Wu, "Dual-band filtering power divider with high selectivity and good isolation," IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol.26, no.10, pp. 774-776, Oct. 2016. F. Liu, Y. Wang, S.Zhang, and J. Lee, "Design of compact tri-band Gysel power divider with zero-degree composite right-/left-hand transmission lines," IEEE Access, vol. 7, pp. 34964-34972, Mar. 2019. F. Liu, Y. Wang, S. Zhang, and J. Lee, "A size-reduced tri-band Gysel power divider with ultra-wideband harmonics suppression performance," IEEE Access, vol. 6, pp. 34198-34205, Jun. 2018.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 f1과 f2의 2 중심주파수를 갖는 2대역 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)의 f1과 f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압(spurious band suppression)하기 위해 임피던스 매칭 라인(impedance matching line)과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공하는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인을 제공한다.
이전 연구들과 달리, 본 연구는 듀얼밴드 전력분배기의 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역 억압 성능을 갖는 새로운 2대역 동등-분리 윌킨슨 전력분배기를 제시하였으며, 기능들을 갖는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제작하였다. 이전 연구들 [1]과 비교하면, 추가적인 비아 홀들(via holes) 없이 또는 even-mode 및 odd-mode 위상 속도 차이가 존재하지만, 소형 크기를 야기하는 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 사용하여 크기를 축소하였고, 높은 디자인 유연성을 제공하였다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인은, 기판; 상기 기판 상에 구비되며, 2대역 전력분배기의 전력을 입력받는 입력 port1; 상기 기판 상에 구비되며, 출력 port2,3; 상기 기판 상에 구비되며, 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port2에 연결되고
Figure 112020021707902-pat00007
와
Figure 112020021707902-pat00008
로 구성된 제1 임피던스 트랜스포머와; 및 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port3에 연결되고
Figure 112020021707902-pat00009
와
Figure 112020021707902-pat00010
로 구성된 제2 임피던스 트랜스포머를 포함하는 한 쌍의 단계적 임피던스 트랜스포머;
상기 기판 상에 구비되며, 일측은 입력 port 1에 연결되고 타측은 접지된 단락단 스터브(short-end stub)
Figure 112021067340647-pat00011
; 및 상기 기판 상에 구비되며, 상기 출력 port2와 상기 출력 port3 사이에 구비된 부하 임피던스를 포함하는 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하기 위한 복합 L-타입 전송라인을 포함하며,
복합 L-type 전송라인(L-type TL)은 대역차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스에 의해 영향을 받으며 소형 크기를 가지며, 반면, L-type 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 L-type TL의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는다.
본 발명의 2 대역 전력 분배기(dual band power divider)에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 구현 및 설계하였다. 2대역 전력 분배기는 안테나 어레이, 무선 통신, 이동통신 및 레이더 등의 마이크로웨이브 시스템의 필수 장치로 사용된다.
2대역 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson PD)는 거짓 대역을 억압하기 위해 임피던스 매칭 라인과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공하였다. 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)은 높은 설계 유연성, 대역 차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 사용된 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스에 의해 영향을 받는 소형화된 크기를 갖는다.
반면에, L-타입 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 사용된 L-type TL의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는다. 실시예에서는, 1.0 GHz 및 2.45 GHz에서 중심주파수를 갖는 2 대역 전력분배기(dual band PD)에 의해 입증되었다. 시뮬레이션 결과 및 측정 결과는 우수한 거짓 대역 억제(suppression)는 듀얼밴드 전력분배기의 2 대역 사이의 측정된 반사 손실
Figure 112020021707902-pat00012
및 최대 삽입 손실
Figure 112020021707902-pat00013
은 각각 1.4 dB 및 14.6dB 였다.
도 1은
Figure 112020021707902-pat00014
이고 모든 전송라인들의 전기적인 길이(electrical length)가 90°인 기존 1/2 Gysel 전력 분배기(Gysel Power Divider)의 구조를 보인 도면이다.
도 2는 제안된 L-type 전송 라인(L-type TL)의 구조를 보인 도면이다.
도 3은 L-type 전송 라인(L-type TL)의 주파수에 대한 S-Parameter를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 2 대역 전력 분배기(dual band Power Divider)에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)의 구조이다.
도 5는 테프론 기판 상에서 입력 port1, 출력 port2,3와 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 구비한 2 대역 전력 분배기(dual band PD)를 구현한 사진이다.
도 6는 2 대역 전력 분배기(dual band PD)의 주파수에 대한 S-parameter의 시뮬레이션 값과 측정값을 보인 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면 번호는 동일한 구성을 표기할 때에 다른 도면에서 동일한 도면번호를 부여한다.
본 발명은 2 대역 전력 분배기(Dual Band Power divider, PD)에서 거짓 대역을 억압하기 위한 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공한다.
f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 듀얼 밴드 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)는 f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압(spurious band suppression)하기 위해 임피던스 매칭 라인(impedance matching line)과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 개발하였다. 분석에 의하면, 제안된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)은 높은 설계 유연성, 대역 차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 사용된 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스(characteristic impedance)에 의해 영향을 받는 소형화된 크기의 특징을 갖는다.
반면, L-타입 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이가 사용된 L-타입 전송라인(L-type TL)의 더 작아진 크기(size)를 갖는 것을 의미하며, 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며,
크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값에 의해 영향을 받는다.
폐쇄 설계 방정식으로 유도되고, 제안된 이론은 일 실시예에서, 1.0 GHz 및 2.45 GHz에서 중심주파수를 갖는 2 대역 전력분배기(dual band PD)에 의해 입증되었다.
시뮬레이션 결과 및 측정 결과로써, 우수한 거짓 대역 억제(suppression)을 갖는 2대역 전력분배기의 2 대역 사이에서 측정된 반사 손실
Figure 112021067340647-pat00015
및 최대 삽입 손실
Figure 112021067340647-pat00016
은 각각 1.4 dB 및 14.6dB 였다.
2대역 전력 분배기는 예를들면, 입력 port 1에 100W 전력이 인가되면, 1/2 전력이 분배되어 각각의 출력 port 2, port 3로 각각 50W 전력이 출력된다.
port 1은 입력 포트이며, port 2와 port 3은 출력 포트이다.
II. 이론적인 분석
이전 연구들과 달리, 본 연구는 듀얼밴드 전력분배기의 f1과 f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역 억압 성능을 갖는 새로운 2대역 동등-분리 윌킨슨 전력분배기를 제시하였으며, 기능들은 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제작하였다. 이전 연구들 [1]과 비교하면, 추가적인 비아 홀들(via holes) 없이 또는 even-mode 및 odd-mode 위상 속도 차이가 존재하지만, 소형 크기를 야기하는 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 사용하여 크기를 축소하였고, 높은 디자인 유연성을 제공하였다.
제안된 2대역 전력분배기(dual-band PD)의 거짓 대역 억제 성능은 복합 L-type 전송라인(L-type TL)을 사용하여 제작하였으며, 제안된 복합 L-type 전송라인(L-type TL)의 구조는 도 2에 도시하였으며 최초로 분석하였다.
도 2는 제안된 L-type 전송 라인(L-type TL)의 구조를 보인 도면이다.
Figure 112020021707902-pat00017
ss 각각 해당하는 마이크로스트립 라인의 임피던스(impedance) 및 위상 응답(phase response)이다.
Figure 112020021707902-pat00018
는 개방단 스터브(open-end stub)에 탑재된 럼프드 인덕터(lumped inductor)이며,
Figure 112020021707902-pat00019
와
Figure 112020021707902-pat00020
는 각각 복합 개방단 스터브(composite open-end stub)의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 위상 응답(phase response)이다.
제안된 L-type 전송 라인(L-type TL)의 구조의 이론은 f1과 f2의 2 중심주파수에서 개방단 스터브(open-end stubd)의 입력 임피던스
Figure 112020021707902-pat00021
는 무한대에 가깝고, stopband
Figure 112020021707902-pat00022
에서 입력 임피던스는 0이다.
제안된 L-type 전송 라인(L-type TL)의 설계 방정식을 유도하기 위해 임피던스
Figure 112020021707902-pat00023
및 위상 응답
Figure 112020021707902-pat00024
을 갖는 마이크로스트립 전송라인은 도 2에 보인 바와 같이 유도되었다.
Figure 112020021707902-pat00025
식(1),(2),(3)을 계산한 후, 다음 식을 얻을 수 있다.
Figure 112020021707902-pat00026
상기 식들에서,
Figure 112020021707902-pat00027
와
Figure 112020021707902-pat00028
는 로드된
Figure 112020021707902-pat00029
를 통해 계산할 수 있고,
Figure 112020021707902-pat00030
라인의 등가 구성 커패시터
Figure 112020021707902-pat00031
와 인덕터
Figure 112020021707902-pat00032
는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112020021707902-pat00033
(9),(10)과 같이 이전 연구 [10]에 의하면,
Figure 112020021707902-pat00034
라인의 등가 구성 커패시터
Figure 112020021707902-pat00035
와 인덕터
Figure 112020021707902-pat00036
를 계산할 수 있다.
Figure 112020021707902-pat00037
여기서, ZTL : 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
θTL : 마이크로스트립 라인의 전기적 길이(electrical length)
ZIN : 오픈단(open-end) stub의 입력 임피던스
ZOS : composite open-end stub의 특성 임피던스
θOS : composite open-end stub의 전기적 길이
ZOS1 : composite open-end 부분 스터브의 특성 임피던스
θOS1 : composite open-end 부분 스터브의 전기적 길이
LOS : : composite open-end 스터브에 삽입된 인덕터의 인덕턴스
ZEQ : 등가 전송라인의 등가 임피던스
θEQ : 등가 전송라인의 등가 전기적 길이
제안된 L-type 전송 라인(L-type TL)은 2대역 전력분배기(dual band PD)의 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압하기 위해 사용된다.
f1, f2는 2대역 전력분배기의 임의의 2개의 동작 주파수, fSP는 스톱밴드 주파수이다.
Figure 112021043170811-pat00098
(11)
제안된 L-type 전송라인(L-type TL)의 성능을 조사하기 위해, 1.73GHz에서 중심주파수를 갖는 동일한 stopband를 갖는 3실험들이 측정되었다.
도 3의 반사손실(returen loss)의 결과를 측정한 후, 설계 파라미터들은 표1에 리스트했다.
[표 1]
Figure 112020021707902-pat00039
다음과 같은 특성을 요약하였다. high
Figure 112020021707902-pat00040
는 stopband에서 high selectivity를 가질 수 있으며, 2대역 전력 분배기에서 거짓 대역 억압을 하기 위해 더 적합하다. 복합 개방단 스터브(composite open-end stub)의 크기(size)는 보다 더 큰
Figure 112020021707902-pat00041
를 사용하여 축소할 수 있다.
도 3은 L-type 전송 라인(L-type TL)의 주파수에 대한 S-Parameter를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 2 대역 전력 분배기(dual band Power Divider)에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)의 구조이다.
도 5는 테프론 기판 상에서 입력 port1, 출력 port2,3와 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 구비한 2 대역 전력 분배기(dual band PD)를 구현한 사진이다.
f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압하는 L-타입 전송라인(L-type TL)을 갖는 2대역 윌킨슨 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)의 제안된 구조는 도4에 도시하였다.
본 발명의 거짓 대역을 억압하는 2대역 전력분배기(dual-band PD)는
기판;
상기 기판 상에 구비되며, f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들을 제공하는 2대역 전력분배기의 전력을 입력받는 입력 port1;
상기 기판 상에 구비되며, 출력 port2,3;
상기 기판 상에 구비되며, 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port2에 연결되고
Figure 112020021707902-pat00042
와
Figure 112020021707902-pat00043
로 구성된 제1 임피던스 트랜스포머와; 및 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port3에 연결되고
Figure 112020021707902-pat00044
와
Figure 112020021707902-pat00045
로 구성된 제2 임피던스 트랜스포머를 포함하는 한 쌍의 단계적 임피던스 트랜스포머(stepped impedance transformer);
상기 기판 상에 구비되며, 일측은 입력 port 1에 연결되고 타측은 접지된 단락단 스터브(short-end stub)
Figure 112020021707902-pat00046
; 및
상기 기판 상에 구비되며, 상기 출력 port2와 상기 출력 port3 사이에 구비된 부하 임피던스(load impedance)를 포함하며,
상기 2대역 전력분배기는 f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)을 제공하는 듀얼 밴드 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)이며, f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역들 사이에서 거짓 대역을 억압하기 위해 마이크로스트립 라인을 사용한 임피던스 매칭 라인(impedance matching line)과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-type 전송라인(L-type TL)을 구비하고,
상기 복합 L-type 전송라인(L-type TL)은 대역차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스에 의해 영향을 받으며 소형 크기를 가지며, 반면, L-타입 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 L-타입 전송라인(L-type TL)의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는다.
실시예에서, 상기 2대역 전력분배기는
Figure 112020021707902-pat00047
= 1.0 GHz와
Figure 112020021707902-pat00048
= 2.45GHz에서 중심 주파수를 갖는 2대역 윌킨슨 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)를 제작하였다.
상기 기판은 테프론 기판을 사용한다. 상기 테프론 기판은 상대 유전율(relative dielectric constant)
Figure 112020021707902-pat00049
= 2.54, 두께 h = 0.54mm, 도체 높이 T=0.018mm를 사용하였다.
토폴로지에서, 전송라인(TL)
Figure 112021067340647-pat00050
은 사용된 L-타입 전송라인(L-type TL)을 대표하며, Z0는 입·출력 포트(port1, port2,3)의 특성 임피던스이다.
이전 연구 참고문헌 [1]에 의하면, 제안된 2대역 전력분배기의 설계 방정식은 다음과 같이 유도된다.
Figure 112020021707902-pat00051
LOS1 : composite open-end 부분 스터브의 등가 인덕턴스
COS1 : composite open-end 부분 스터브의 등가 캐패시턴스
Z1 : L 타입 전송로와 직렬 연결된 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
θ1 : L 타입 전송로와 직렬 연결된 마이크로스트립 라인의 전기적인 길이
Z2 : 단락된 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
(듀얼 밴드의 네트워크 매칭용 임피던스)
θ2 : 단락된 마이크로스트립 라인의 전기적인 길이
(ZEQ + Z1 : stepped impedance transformer)
Z0 : 입·출력 포트(port1, port2,3)의 특성 임피던스
R1S : 2 대역 전력분배기의 부하 임피던스(load impedance)
지금까지, 제안된 2대역 전력분배기(dual band PD)의 설계 방정식과 기본 이론이 제공되었다. 설계 절차는 다음과 같이 요약된다.
1) 요구된 중심주파수 f1 및 f2를 설계한다. 2개의 중심주파수는 f1 < f2로 가정한다.
2) 입출력 포트
Figure 112020021707902-pat00052
의 특성 임피던스와 식(12)-(14)를 사용하여 사용된 L-type TL의
Figure 112020021707902-pat00053
,
Figure 112020021707902-pat00054
의 값들과 등가 임피던스
Figure 112020021707902-pat00055
를 계산한다.
3) 식 (4)-(11)를 사용하여 선택된
Figure 112020021707902-pat00056
(composite open-end stub)에 삽입된 인덕터의 인덕턴스)를 갖는 L-type TL의 파라미터들을 설계한다. 우리의 실험과 분석에 따라 큰
Figure 112020021707902-pat00057
(large
Figure 112020021707902-pat00058
)는 더 적합하며, 럼프드-인덕터(lumped inductors)의 이용가능한 값들은
Figure 112020021707902-pat00059
의 값 선택에 있어서 고려돼야 한다.
4) 라인 너비(line width)과 라인 길이(line length)의 이론적인 값을 전달한다. EM simulator를 사용한 2대역 전력분배기(dual-band power divider)의 패턴을 설계하고 최적화한다.
III. 실험
이 섹션에서, 1.0 GHz와 2.45GHz에서 중심 주파수를 갖는 2대역 윌킨슨 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)는 상기 요약된 설계 절차에 의해 설계되었다.
이용된 테프론 기판의 파라미터들은 상대 유전율(relative dielectric constant)
Figure 112020021707902-pat00060
= 2.54, 두께 h = 0.54mm, 도체 높이 T=0.018mm를 사용하였다.
HFSS를 사용한 적절한 최적화 후에, 상기 2대역 전력분배기는 도 5에 도시된 바와 같이 최종적으로 제작하였다. 사용된 칩 저항(chip resistor)과 인덕터들(inductors)은 20x12
Figure 112020021707902-pat00061
으로써 동일한 패키지 크기를 갖는다.
도 6는 2 대역 전력 분배기(dual band PD)의 주파수에 대한 S-parameter의 시뮬레이션 값과 측정값을 보인 도면이다.
2 대역 전력분배기(dual band PD)의 주파수에 대한 S-parameter의 시뮬레이션 값과 측정값은 2 대역 전력분배기의 2 통과대역(1.0 GHz, 2.54 GHz)에서 입력포트 반사손실
Figure 112020021707902-pat00062
, 삽입 손실
Figure 112020021707902-pat00063
, 출력포트 반사손실
Figure 112020021707902-pat00064
, 격리도(isolation)
Figure 112020021707902-pat00065
의 시뮬레이션 및 측정 결과를 보였다.
2 대역 전력분배기의 1.0 GHz, 2.54 GHz 주파수의 2 통과대역(passband)에서 측정된 최대
Figure 112020021707902-pat00066
, 최소
Figure 112020021707902-pat00067
, 최대
Figure 112020021707902-pat00068
, 최대 격리도(isolation)
Figure 112020021707902-pat00069
값은 각각 22.8/21.0 dB, 3.30/3.52 dB, 33.5/33.6 dB, 및 24.3/25.9 dB 이었다. 2대역 전력분배기의 stopband는 1.73GHz에서 중심주파수를 가지며, 최소
Figure 112020021707902-pat00070
, 최대
Figure 112020021707902-pat00071
값은 각각 1.4 dB 및 14.6 dB이며, 우수한 거짓 대역 억압(good spurious band suppression)과 관련된다.
IV. 결론
본 발명에서, 기능은 새로운 복합 L-타입 전송라인(L-type TL) 기능을 갖고, 우수한 거짓 대역 억제(good spurious band suppression)를 갖는 2대역 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)을 제안하였다. 폐쇄-형태 설계 방정식들이 유도되었으며, 제안된 설계 이론은
Figure 112021067340647-pat00072
= 1.0 GHz와
Figure 112021067340647-pat00073
= 2.45GHz에서 중심 주파수를 갖는 2대역 윌킨슨 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)를 구현하여 입증하였다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과들은, 우수한 거짓 대역 억압 성능이 관찰되었으며, 특성은 산업 응용에 더 적합하게 만들었다.
본 발명의 새로운 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 갖는 2 대역 전력 분배기(dual band power divider)는 f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 구현 및 설계하였다. 2대역 전력 분배기는 안테나 어레이, 무선 통신, 이동통신 및 레이더 등의 마이크로웨이브 시스템의 필수 장치로 사용된다.
2대역 동등-분리 Wilkinson 전력 분배기(Wilkinson PD)는 거짓 대역을 억압하기 위해 임피던스 매칭 라인과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)을 제공하였다. 복합 L-타입 전송라인(L-type TL)은 높은 설계 유연성, 대역 차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 사용된 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스에 의해 영향을 받는 소형화된 크기를 갖는다.
반면에, L-타입 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 사용된 L-type TL의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는다. 실시예에서는, 1.0 GHz 및 2.45 GHz에서 중심주파수를 갖는 2 대역 전력분배기(dual band PD)에 의해 입증되었다. 시뮬레이션 결과 및 측정 결과는 우수한 거짓 대역 억제(suppression)는 듀얼밴드 전력분배기의 2 대역 사이의 측정된 반사 손실
Figure 112020021707902-pat00074
및 최대 삽입 손실
Figure 112020021707902-pat00075
은 각각 1.4 dB 및 14.6dB 였다.
본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기와 같이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
ZTL : 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
θTL : 마이크로스트립 라인의 전기적 길이
ZIN : 개방단(open-end) 스터브의 입력 임피던스
ZOS : composite open-end 스터브의 특성 임피던스
θOS : composite open-end 스터브의 전기적 길이
ZOS1 : composite open-end 부분 스터브의 특성 임피던스
θOS1 : composite open-end 부분 스터브의 전기적 길이
LOS : : composite open-end 스터브에 삽입된 인덕터의 인덕턴스
ZEQ : 등가 전송라인(TL)의 등가 임피던스
θEQ : 등가 전송라인(TL)의 등가 전기적 길이
f1, f2 : 2대역 전력분배기의 임의의 2개의 동작 주파수
fSP : 스톱밴드 주파수
LOS1 : composite open-end 부분 스터브의 등가 인덕턴스
COS1 : composite open-end 부분 스터브의 등가 캐패시턴스
Z1 : L 타입 전송로와 직렬 연결된 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
θ1 : L 타입 전송로와 직렬 연결된 마이크로스트립 라인의 전기적인 길이
Z2 : 단락된 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스
(듀얼 밴드의 네트워크 매칭용 임피던스)
θ2 : 단락된 마이크로스트립 라인의 전기적인 길이
(ZEQ + Z1 : stepped impedance transformer)
Z0 : 입·출력 포트의 특성 임피던스
R1S : 2 대역 전력분배기의 부하 임피던스

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 구비되며, 2대역 전력분배기의 전력을 입력받는 입력 port1;
    상기 기판 상에 구비되며, 출력 port2,3;
    상기 기판 상에 구비되며, 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port2에 연결되고
    Figure 112021067340647-pat00076
    와
    Figure 112021067340647-pat00077
    로 구성된 제1 임피던스 트랜스포머와; 및 일측은 상기 입력 port1에 연결되며 타측은 상기 출력 port3에 연결되고
    Figure 112021067340647-pat00078
    와
    Figure 112021067340647-pat00079
    로 구성된 제2 임피던스 트랜스포머를 포함하는 한 쌍의 단계적 임피던스 트랜스포머;
    상기 기판 상에 구비되며, 일측은 입력 port 1에 연결되고 타측은 접지된 단락단 스터브(short-end stub)
    Figure 112021067340647-pat00080
    ; 및
    상기 기판 상에 구비되며, 상기 출력 port2와 상기 출력 port3 사이에 구비된 부하 임피던스를 포함하며,
    복합 L-type 전송라인(L-type TL)은 대역차단 필터링 응답(bandstop filtering response), 전송 라인(TL)의 차단 대역폭(stopband bandwidth)은 개방단 스터브(open-end stub)의 특성 임피던스에 의해 영향을 받으며 소형 크기를 가지며, 반면, L-type 전송라인(L-type TL)의 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 L-type TL의 더 작아진 크기를 갖는 것을 의미하며, 개방단 스터브(open-end stub)의 더 작아진 길이는 더 큰 럼프드-인덕터(lumped inductor)의 값을 가지며, 크기(size)는 더 큰 사용된 럼프드-인덕터의 값에 의해 영향을 받는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2대역 전력분배기는
    Figure 112020021707902-pat00081
    = 1.0 GHz와
    Figure 112020021707902-pat00082
    = 2.45GHz에서 중심 주파수를 갖는 2대역 윌킨슨 전력분배기(dual-band Wilkinson PD)를 사용하는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 테프론 기판을 사용하며, 상기 테프론 기판은 상대 유전율
    Figure 112020021707902-pat00083
    = 2.54, 두께 h = 0.54mm, 도체 높이 T=0.018mm를 사용하는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2대역 전력분배기는 f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)을 제공하는 듀얼 밴드 동등-분리 전력 분배기이며, f1, f2의 2개의 중심주파수를 갖는 2 통과대역들 사이에서 거짓 대역을 억압하기 위해 마이크로스트립 라인을 사용한 임피던스 매칭 라인과 개방단 스터브(open-end stub)가 탑재된 럼프드-인덕터(lumped inductor)로 구성된 복합 L-type 전송라인(L-type TL)을 구비하는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복합 L-type 전송 라인(L-type TL)은 2대역 전력분배기(dual band PD)의 f1, f2의 2 중심주파수를 갖는 2 통과대역(passband)들 사이에서 거짓 대역을 억압하기 위해 사용되는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2 대역 전력분배기의 1.0 GHz, 2.54 GHz 주파수의 2 통과대역에서 측정된 최대
    Figure 112020021707902-pat00084
    , 최소
    Figure 112020021707902-pat00085
    , 최대
    Figure 112020021707902-pat00086
    , 최대 격리도(isolation)
    Figure 112020021707902-pat00087
    값은 각각 22.8/21.0 dB, 3.30/3.52 dB, 33.5/33.6 dB, 및 24.3/25.9 dB 이며,
    상기 2 대역 전력분배기의 stopband는 1.73GHz에서 중심주파수를 가지며, 최소
    Figure 112020021707902-pat00088
    , 최대
    Figure 112020021707902-pat00089
    값은 각각 1.4 dB 및 14.6 dB이며, 우수한 거짓 대역 억압(good spurious band suppression) 성능을 갖는, 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2 대역 전력분배기는 안테나 어레이, 무선 통신, 이동통신 및 레이더 등의 마이크로웨이브 시스템의 필수 장치로 사용되는 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 L-타입 전송라인.
KR1020200025673A 2020-02-29 2020-02-29 2 대역 전력 분배기에서 거짓 대역을 억압하는 복합 l 타입 전송라인 KR102289944B1 (ko)

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