KR102660183B1 - 병렬연결 전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너 - Google Patents

병렬연결 전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로는 복수개의 부분 전송선로를 포함하고, 상기 부분 전송선로 중 일부로 구성된 제1 전송선로 등가회로; 부하와 연결된 제2 전송선로 등가회로; 및 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로를 연결하는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로 상의 연결 위치를 변경하여 임의의 부하 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소하도록 조정하는 것을 특징으로 한다.

Description

병렬연결 전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너{Impedance conversion circuit and harmonic impedance tuner using parallel-connected transmission line}
본 발명은 병렬연결 전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너에 관한 것이다.
고주파 시스템에서 두 개의 임피던스 차이를 갖는 회로 간 연결할 때 임피던스 매칭 회로가 필요하다. 임피던스 매칭 회로는 임피던스 차이를 갖는 회로 간 전력을 전달하는데 발생하는 반사전력 및 정재파를 최소화할 수 있으며, 전력의 효율적 전달 및 시스템 안정성을 보장할 수 있다.
한편, 무선 통신 시스템에서 RF 전력 증폭기의 효율은 시스템 전체 효율을 결정할 정도로 중요하다. 전력 증폭기 효율을 개선하기 위해 증폭기가 동작하는 기본 주파수에서뿐만이 아리나 하모닉 주파수에서도 임피던스 매칭이 필요하다. 하모닉 주파수에서의 임피던스 매칭은 기본 주파수에서의 임피던스 매칭과 마찬가지로 전력 증폭기 출력단과 최중부하 간 임피던스 매칭 회로를 사용하여 하모닉 주파수에서 전력 증폭기 필요한 최적의 부하 임피던스를 제공한다.
전력 증폭기의 부하 임피던스 매칭 회로는 일반적으로 기본 주파수에서의 임피던스 매칭과 하모닉 주파수에서의 임피던스 매칭을 동시에 포함할 수 있지만 기본 주파수에서의 임피던스 매칭 및 여러 개의 하모닉 주파수에서의 임피던스 매칭 각각은 서로 연관되어 독립적 조절이 되지 않기 때문에 하나의 하모닉 주파수에서의 임피던스 매칭을 튜닝하는 경우, 기본 주파수에서의 임피던스 매칭 및 다른 하모닉 주파수에서의 임피던스 매칭에 영양을 줄 수 있으며 회로에 대한 추가적인 보완이나 튜닝이 필요할 수 있다.
고전력 RF 전력 증폭 장치와 같은 높은 주파수에서 동작하는 고전력 회로 설계에는 마이크로스트립(microstrip) 선로를 많이 사용하고 있다. 마이크로스트립 선로는 PCB(printed circuit board)에서 구현하기 쉽지만 제작된 회로를 튜닝하는 경우, 기판에서 제작된 회로 선로의 일부를 추가하거나 제거하는 물리적 변경을 해야 하는데, PCB 종류 및 물리적 특성에 따라 수정하기가 어려운 경우가 생길 수 있으며 회로를 다시 제작해야 하는 번거로움이 있을 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전송선로를 이용하여 구조 및 구현이 간단하며 PCB 기판에서 제작된 회로의 선로를 추가하거나 제거하는 등의 물리적인 병경없이 임피던스 조절을 용이하게 하는 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너를 제공한다.
발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로는 두 개의 직렬로 연결된 병렬연결 전송선로를 이용하여 PCB 기판에서 두 개 가까이 설치된 전송선로 위에 커넥터(connector)의 위치를 이동함으로써 임의의 부하 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소할 수 있으며, 임피던스 변환 비율을 연속적 미세 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 임피던스 튜너는 하나의 병렬연결 전송선로 및 하나의 임피던스 매칭부를 이용하여 두 개 가까이 설치된 전송선로 위에 커넥터(connector)의 위치를 이동함으로써 임의의 하모닉 주파수에서 임피던스 매칭을 연속적 미세 조절이 가능하다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로는 복수개의 부분 전송선로를 포함하고, 상기 부분 전송선로 중 일부가 구성한 제1 전송선로 등가회로; 상기 부분 전송선로 중 나머지 일부가 구성한 제2 전송선로 등가회로; 및 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로를 연결하는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로 상의 연결 위치를 변경하여 임의의 부하 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소하도록 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 전송선로 등가회로는 동작 주파수에서 하나의 전기적 길이가 90°인 등가 전송선로로 동작하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제1 전송선로 등가회로를 구성한 부분 전송선로는 동일 특성임피던스를 가지며 동작 주파수에서 전기적 길이의 합은 인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 전송선로 등가회로는 제1 부분 전송선로, 제2 부분 전송선로, 제3 부분 전송선로 및 제4 부분 전송선로를 포함하고, 상기 제1 부분 전송선로와 상기 제2 부분 전송선로는 직렬연결되며, 상기 제3 부분 전송선로와 제4 부분 전송선로는 직렬연결된다. 상기 직렬연결된 제1 부분 전송선로와 제2 부분 전송선로 및 상기 직렬연결된 제3 부분 전송선로와 제4 부분 전송선로는 병렬로 연결되며, 상기 커넥터는 상기 제3 부분 전송선로 상에서 연결 위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 전송선로 등가회로는 동작 주파수에서 하나의 전기적 길이가 90°인 등가 전송선로로 동작하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제2 전송선로 등가회로를 구성한 부분 전송선로는 동일 특성임피던스를 가지며 동작 주파수에서 전기적 길이의 합은 인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 전송선로 등가회로는 제5 부분 전송선로, 제6 부분 전송선로, 제7 부분 전송선로 및 제8 부분 전송선로를 포함하고, 상기 제5 부분 전송선로와 상기 제6 부분 전송선로는 직렬연결되며, 상기 제7 부분 전송선로와 상기 제8 부분 전송선로는 직렬연결된다. 상기 직렬연결된 제5 부분 전송선로와 제6 부분 전송선로 및 상기 직렬연결된 제7 부분 전송선로와 제8 부분 전송선로는 병렬로 연결되며, 상기 커넥터는 상기 제5 부분 전송선로 상에서 연결 위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하모닉 임피던스 튜너는 복수개의 부분 전송선로를 포함하고, 상기 부분 전송선로로 구성한 제3 전송선로 등가회로; 상기 제3 전송선로 등가회로의 일단에 연결되어 요구 임피던스를 제공하기 위한 임피던스 매칭부; 및 상기 제3 전송선로 등가회로와 제 3전송선로 동가회로와 이웃하게 설치된 전송선로와 연결하는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는 상기 제3 전송선로 등가회로와 제3 전송선로 등가회로와 이웃하게 설치된 전송선로 상의 연결 위치를 변경하여 하모닉 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제3 전송선로 등가회로는 기본 주파수 혹은 하모닉 주파수에서 하나의 전기적 길이가 90°인 등가 전송선로로 동작하거나 하나의 등가 오픈 스터브(open stub), 즉 한쪽 포트가 개방된 전송선로로 동작하는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 기본 주파수에서 무한대의 임피던스를 제공하는 등가 오픈 스터브로 동작하며, 2차 하모닉 주파수에서 0의 임피던스를 제공하는 등가 90°전송선로로 동작하는 회로가 그 예이다.
일 실시예에서, 상기 제3 전송선로 등가회로를 구성한 부분 전송선로는 동일 특성임피던스를 가지며 기본 주파수 혹은 하모닉 주파수에서 전기적 길이의 합은 인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제3 전송회로 등가회로의 한쪽 포트는 개방되어 복수개의 부분 전송선로의 특성 임피던스는 이며 동작 주파수에서 직렬연결된 부분 전송선로로 구성한 2개의 병렬로 연결된 전송선로 각자의 전기적 길이가 과 인 경우, 동작 주파수에서 하나의 특성임피던스가 이며 전기적 길이가 인 등가 오픈 스터브(open stub), 즉 한쪽 개방된 전송선로로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로는 두 개의 직렬로 연결된 병렬연결 전송선로를 이용하여 PCB 기판에서 두 개 가까이 설치된 전송선로 위에 커넥터(connector)의 위치를 이동함으로써 임의의 부하 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소할 수 있으며, 임피던스 변환 비율을 연속적 미세 조절이 가능하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 튜너는 하나의 병렬연결 전송선로 및 하나의 임피던스 매칭부를 이용하여 두 개 가까이 설치된 전송선로 위에 커넥터(connector)의 위치를 이동함으로써 임의의 하모닉 주파수에서 임피던스 매칭을 연속적 미세 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로 및 하모닉 임피던스 튜너는 고전력 RF 회로 설계에 적용될 수 있으며, 제작된 회로에 대한 조정 난이도를 낮춤으로써, 회로 설계 및 최적화에 필요한 시간 및 공정 횟수를 줄일 수 있다.
도 1은 두 개의 직렬연결 90° 전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로이다.
도 2는 한 개의 전송선로를 나타낸다.
도 3은 병렬로 연결된 2개의 전송선로와 그 등가회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 병렬로 연결된 2개의 전송선로와 그를 이용한 90°전송선로 등가회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬로 연결한 두개의 90° 전송선로의 등가 회로로 구성한 임피던스 변환 회로이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로이다.
도 7a 내지 도 7d은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로를 입력단 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로 구현의 일 예이고, 도 8b는 주파수에 대해 회로 입력단 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 9는 일반적인 전력 증폭기 회로의 구조를 나타낸 회로도이다.
도 10은 병렬연결 전송선로를 이용한 등가 오픈 스터브를 설명하는 회로도이다.
도 11은 병렬로 연결된 전송선로의 특성에 의한 임피던스 변환을 나타내는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 임피던스 튜너의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 하모닉 임피던스 튜너의 예시를 도시한 도면이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차 하모닉 임피던스 튜너의 예시를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 튜너 구현의 일 예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 두 개의 직렬연결 90°전송선로를 이용한 임피던스 변환 회로이다.
도 1을 참조하면, 직렬연결된 2개의 전송선로는 각각 인 특성인피던스를 가진 전기적 길이 90°의 전송선로 및 인 특성인피던스를 가진 전기적 길이 90°의 전송선로로서, 부하 임피던스를 일정한 비율, k로 확대하거나 축소할 수 있다.
도 2는 한 개의 전송선로를 나타낸다.
도 2에 도시한 바와 같은 1개의 전송선로의 어드미턴스 행렬(Y-parameter matrix)은 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
여기서,는 전송선로의 특성임피던스의 역수()이며 은 전송선로의 전기적 길이를 나타낸다. 전기적 길이는 전송선로의 실제 길이를 전송선로에 전파되는 신호의 파장 로 나눈 길이로써, 전송선로에 전파되고 있는 주기적인 전기 신호 파장의 배수로 표현되고, 배수는 각도로 환산된다. 예를 들어, 전기적 길이가 90°인 전송선로는 의 실제 길이를 가지는 것을 의미한다.
도 3은 병렬로 연결된 2개의 전송선로와 그 등가회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)는 병렬로 연결된 2개의 전송선로이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 병렬로 연결된 2개의 전송선로를 1개의 등가 전송선로로 나타낸 등가회로이다.
도 3의 (a)에 도시한 병렬연결된 2개의 전송선로의 어드미턴스 행렬을 수학식 1에 의해 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
여기서,와 는 도 3의 (a)에 도시한 병렬연결된 2개의 전송선로 각자의 특성임피던스의 역수(,)이며 과 는 병렬연결된 2개의 전송선로 각각의 전기적 길이를 나타낸다.과 은 도 3의 (b)에 도시한 1개의 전송선로로 나타낸 등가회로의 특성임피던스의 역수()와 전기적 길이를 나타낸다.
도 3의 (b)에 도시한 바와 같은 1개의 전송선로로 나타낸 등가회로의 특성임피던스와 전기적 길이는 도 3의 (a)에 도시한 바와 같은 2개의 병렬연결 전송선로의 특성임피던스와 전기적 길이의 함수이다.
도 4는 병렬로 연결된 2개의 전송선로와 그를 이용한 90°전송선로 등가회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 병렬연결된 2개의 전송선로이고, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 병렬로 연결된 2개의 전송선로를 1개의 등가 90°전송선로로 나타낸 회로이다.
도 4의 (a)의 병렬연결된 2개의 전송선로 각각의 특성 임피던스는 이며, 전기적 길이의 합은 이다. 병렬연결된 한 쪽 전송선로(T1)의 전기적 길이가 이고, 다른 한쪽 전송선로(T2)의 전기적 길이가 이라고 가정한다. 상기 수학식 2에 의하면 도 4의 (b)는 특성임피던스가 인 등가 90° 전송선로가 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬로 연결한 두개의 90° 전송선로의 등가 회로로 구성한 임피던스 변환 회로이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 임피던스 변환 회로는 제1 전송선로(50)와 제2 전송선로(60)를 포함하고, 제1 전송선로(50)는 병렬로 연결된 제1 부분 전송선로(51)와 제2 부분 전송선로(52)를 포함하며, 제2 전송선로(60)는 병렬로 연결된 제1 부분 전송회로(61)와 제2 부분 전송회로(62)를 포함한다. 임피던스 변화 비율을 알아보기 위하여, 부하()와 연결된 제2 전송선로(60)의 제1 부분 전송회로(61)와 제2 부분 전송회로(62)의 특성임피던스가 이며, 제1 부분 전송회로(61)의 전기적 길이는 이고, 제2 부분 전송회로(62)의 전기적 길이는 이라고 가정하고, 입력단과 연결된 제1 전송선로(50)의 제1 부분 전송선로(51)와 제2 부분 전송선로(52)의 특성 임피던스는 이고, 제1 부분 전송선로(51)의 이고, 제2 부분 전송회로(52)의 전기적 길이는 이라고 가정하면, 부하 임피던스가 이면 임피던스 변환 회로의 입력단 임피던스는 [수학식 3]과 같이 유도할 수 있다. 임피던스 변화 비율은 k, ,의 함수이다.
[수학식 3]
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로이다.
일 실시예에서, 임피던스 변환 회로는 직렬로 연결된 제1 90°전송선로 등가회로(810) 및 제2 90°전송선로 등가회로(820)를 포함하고, 제1 90° 전송선로 등가회로(810)는 입력단에 연결될 수 있고, 제2 90° 전송선로 등가회로(820)는 부하에 연결될 수 있다. 제1 90°전송선로 등가회로(810)와 제2 90°전송선로 등가회로(820)는 커넥터(830)로 연결된다.
제1 90°전송선로 등가회로(810)는 복수개의 부분 전송선로(TLIN_1, TLIN_2, TLIN_3, TLIN_4)를 포함할 수 있다. 제1 90°전송선로 등가회로(810)의 제1 부분 전송선로(TLIN_1)와 제2 부분 전송선로(TLIN_2)는 서로 직렬연결되며 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 제4 부분 전송선로(TLIN_4)는 서로 직렬연결된다. 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_1)와 제2 부분 전송선로(TLIN_2) 및 직렬연결된 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 제4 부분 전송선로(TLIN_4)는 병렬로 연결된다. 상기 커넥터(830)는 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 연결되며, 제3 부분 전송선로(TLIN_3) 상의 연결위치는 가변적이다.
제2 90°전송선로 등가회로(820)는 복수개의 전송선로(TLIN_5, TLIN_6, TLIN_7, TLIN_8)를 포함할 수 있다. 제2 90°전송선로 등가회로(820)의 제5 부분 전송선로(TLIN_5)와 제6 부분 전송선로(TLIN_6)는 서로 직렬연결며 제7 부분 전송선로(TLIN_7)와 제8 부분 전송선로(TLIN_8)는 서로 직렬연결된다. 직렬연결된 제5 부분 전송선로(TLIN_5)와 제6 부분 전송선로(TLIN_6) 및 직렬연결된 제7 부분 전송선로(TLIN_7)와 제8 부분 전송선로(TLIN_8)는 병렬로 연결된다. 상기 커넥터(830)는 제5 부분 전송선로(TLIN_5)와 연결되며, 연결위치는 가변적이다. 즉, 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 제5 부분 전송선로(TLIN_5)는 서로 이웃하게 배치되며, 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 제5 부분 전송선로(TLIN_5)는 서로 커넥터(830)에 의해 연결된다.
제1 90°전송선로 등가회로(810)의 복수개의 전송선로(TLIN_1, TLIN_2, TLIN_3, TLIN_4)의 특성 임피던스는 이고 제2 90°전송선로 등가회로(820)의 복수개의 전송선로(TLIN_5, TLIN_6, TLIN_7, TLIN_8)의 특성 임피던스는 이다. 또한, 제1 부분 전송선로(TLIN_1), 제3 부분 전송선로(TLIN_3), 제5 부분 전송선로(TLIN_5)및 제7 부분 전송선로(TLIN_7)의 전기적 길이가 이며, 제2 부분 전송선로(TLIN_2), 제4 부분 전송선로(TLIN_4), 제6 부분 전송선로(TLIN_6) 및 제8 부분 전송선로(TLIN_8)의 전기적 길이가 이다.
도 6의 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_1), 제2 부분 전송선로(TLIN_2) 및 제3 부분 전송선로(TLIN_3)의 일부는 도 5의 제1 전송선로(50)의 제2 부분 전송선로(52)에 대응되며, 도 6의 제4 부분 전송선로(TLIN_4) 및 제3 부분 전송선로(TLIN_3)의 나머지 일부는 도 5의 제1 전송선로(50)의 제1 부분 전송선로(51)에 대응된다. 여기서 제3 부분 전송선로(TLIN_3)의 일부와 나머지 일부는 커넥터(830)의 연결점을 기준으로 구분된다.
따라서, 직렬 연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_1), 제2 부분 전송선로(TLIN_2) 및 제3 부분 전송선로(TLIN_3)의 일부의 전기적 길이는 이라고 하면, 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
도 6의 직렬연결된 제7 부분 전송선로(TLIN_7), 제8 부분 전송선로(TLIN_8) 및 제5 부분 전송선로(TLIN_5)의 일부는 도 5의 제2 전송선로(60)의 제1 부분 전송선로(61)에 대응되며, 도 6의 제6 부분 전송선로(TLIN_6) 및 제5 부분 전송선로(TLIN_5)의 나머지 일부는 도 5의 도 5의 제2 전송선로(60)의 제2 부분 전송선로(62)에 대응된다. 여기서 제5 부분 전송선로(TLIN_5)의 일부와 나머지 일부는 커넥터(830)의 연결점을 기준으로 구분된다. 따라서, 직렬 연결된 제6 부분 전송선로(TLIN_6) 및 제5 부분 전송선로(TLIN_5)의 나머지 일부의 전기적 길이는 이라고 하면, 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
여기서, 과 를 [수학식 3]에 대입하여 도 6의 임피던스 변환 회로의 입력 임피던스, 를 다음 [수학식 6]과 같이 유도할 수 있다.
[수학식 6]
커넥터(830)는 제3 부분 전송선로(TLIN_3)와 이웃하는 제5 부분 전송선로(TLIN_5) 상에서 커넥터(380)의 연결 위치를 이동시켜 전기적 길이 의 가변 범위를 가지며 커넥터 위치 는 0°에서 까지의 이동에 따라 에서 까지의 임피던스 가변 범위를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 임피던스 변환 회로의 커넥터(830)는 동작 주파수에서 임피던스 충분히 낮은 0 ohm 저항기나 커패시터 등의 집중소자로 구현될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환회로 입력단 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 7a는 커넥터 위치의 가변 범위가 90°()인 경우, 도 7b는 커넥터 위치의 가변 범위가 60°()인 경우, 도 7c는 커넥터 위치의 가변 범위 60°()인 경우, 도 7d는 커넥터 위치의 가변 범위 30°()인 경우이다. 여기서의 부하 임피던스는 와 같이 가정한다. 는 부하 임피던스에 대한 Quality factor이다. 스미스차트는 임피던스 로 정규화된다.
이러한 변환 결과에서, 커넥터 위치의 가변 범위 에 따라 임피던스 변환 회로의 임피던스 변환 범위를 조절하여, 회로 설계에 필요한 만큼 임의로 결정할 수 있음을 알 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로 구현의 일 예이고, 도 8b는 주파수에 대해 회로 입력단 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 8a에 나타낸 바와 같이, 임피던스 변환 회로는 제1 전송선로 등가회로(810), 제2 전송선로 등가회로(820) 및 커넥터(830)를 포함하고, 각각의 구성요소는 도 6의 제1 전송선로 등가회로, 제2 전송선로 등가회로 및 커넥터의 기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다. 임피던스 변환 회로는 가변 법위가 45°()인 경우로서, 제1 전송선로 등가회로(810)의 입력 임피던스()는 ohm이고, 부하 임피던스는 25 ohm이며, 제1 전송선로의 부분 전송선로의 특성 임피던스는 모두 55 ohm이며, 커넥터(830)는 0 ohm 저항기로 구현하였다.
도 8b는 임피던스 변환 회로의 중심 주파수 20% 대역 범위에서 커넥터의 위치에 따른 임피던스 변환 회로의 입력단 임피던스를 스미스 차트로 나타낸 결과이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로에 의해 두 개의 임피던스 차이를 갖는 회로 간의 반사전력 및 정재파를 최소화할 수 있으며, 전력의 효율적 전달 및 시스템 안정성을 보정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 변환 회로는 PCB 기판에서 제작된 회로의 선로를 추가하거나 제거하는 등의 물리적인 병경없이 임피던스 변환 비율을 쉽게 조절할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예로서, 전술한 병렬 전송선로를 이용한 임피던스 튜너에 관하여 설명한다.
도 9는 일반적인 전력 증폭기 회로의 구조를 나타낸 회로도이다.
먼저, 도 9를 참조하여, 일반적인 전력 증폭기는 증폭기 전력 이득 최대화를 위한 입력단 매칭부(10), 전력 증폭을 위한 능동 소자(11) 및 출력 전력과 효율의 최대화를 위한 부하 임피던스 매칭부(12)를 포함한다. 부하 매칭 회로는 기본 주파수 및 하모닉 주파수에서 최종 부하 임피던스를 증폭기 출력전력 및 효율 최대화를 위한 증폭기 능동 소자 출력단에 필요한 최적 부하 임피던스로 변환시킨다. 이를 실제 증폭기 회로 구현하는 경우 일반적으로 기본 주파수에서의 임피던스 및 2차 하모닉, 3차 하모닉 주파수에서의 임피던스까지 매칭을 시켜야 한다. 또한 증폭기 능동 소자가 하모닉 주파수에서 출력하는 실효 전력은 0임으로 하모닉 주파수에서의 최적 부하 임피던스는 순허수가 된다.
도 10은 병렬연결 전송선로를 이용한 등가 오픈 스터브를 설명하는 회로도이다.
도 10을 참조하면, 두개의 병렬로 연결된 전송선로의 특성 임피던스는 이고, 전기적 길이의 합()은 이다. 병렬연결 전송선로의 제2 포트(port 2)를 개방한 상태로 유지되는 경우 두 개 포트 간의 전압과 전류의 관계를 수학식 2에 의해 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
여기서, 과 은 각자 제1 포트(port 1)에 입력되는 전류이며 제1 포트의 입력 임피던스이다. 는 제2 포트의 전압이다. [수학식 7]에 의하여 병렬연결 전송선로의 제1 포트의 입력 임피던스는 이다. 즉 도 10 (a)의 병렬연결 전송선로는 동작 주파수에서 도 10 (b)와 같이 의 특성임피던스를 가진 전기적 길이 인 오픈 스터브, 즉 한쪽 포트가 개방된 전송선로의 등가회로로 동작한다. 또한 등가 오픈 스터브의 특성 임피던스와 전기적 길이가 병렬로 연결된 두 개의 전송선로 각자의 전기적 길이의 비율에 무관하다는 특징을 가진다.
도 11은 병렬로 연결된 전송선로의 특성에 의한 임피던스 변환을 나타내는 회로도이다.
상기의 [수학식 2]의 어드미턴스 행렬에 의하여 2개의 병렬연결된 전송선로는 가역성과 대칭성을 갖는 무손실 회로이다. 즉 임피던스가 인 부하가 병렬연결된 전송선로의 한쪽 포트에 종단되는 경우, 병렬연결 전송선로 다른 한쪽 포트의 입력 임피던스가 이라고 하면, 반대로 임피던스가 의 부하가 병렬연결 전송선로의 한쪽 포트에 종단되면 병렬연결 전송선로 다른 한쪽 포트의 입력단 임피던스가 이 될 것이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 임피던스 튜너의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 12을 참조하면, 하모닉 임피던스 튜너는 제3 전송선로 등가회로(300), 커넥터(310), 임피던스 매칭부(320), 부하 매칭부(330)를 포함할 수 있다.
제3 전송선로 등가회로(300)는 복수개의 부분 전송선로(TLIN_11, TLIN_12, TLIN_13, TLIN_14)를 포함할 수 있다. 제1 부분 전송선로(TLIN_11)와 제2 부분 전송선로(TLIN_12)는 서로 직렬연결되며, 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 제4 부분 전송선로(TLIN14)는 서로 직렬연결된다. 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_11)와 제2 부분 전송선로(TLIN_12) 및 직렬연결된 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 제4 부분 전송선로(TLIN_14)는 병렬로 연결한다. 상기 커넥터(810)는 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 연결되며, 제3 부분 전송선로(TLIN_13) 상의 연결위치는 가변적이다. 제4 부분 전송선로(TLIN_14)와 제1 부분 전송선로(TLIN_11)의 일단은 임피던스 매칭부(320)에 연결된다.
제3 전송선로 등가회로(300)는 증폭기(PA)와 부하 매칭부(330) 사이의 제5 전송선로(TLIN_15)와 커넥터(310)에 의해 연결된다.
임피던스 매칭부(320)는 커넥터(310)와 연결된 제3 전송선로 등가회로 한쪽 포트의 입력 임피던스를 필요한 임피던스로 매칭되게 하기 위해 제3 전송선로 등가회로 다른 한쪽 포트에 필요한 부하 임피던스를 제공한다.
제3 전송선로 등가회로(300)를 구성한 모두 부분 전송선로의 특성 임피던스는 이며, 또한 기본 주파수에서 주파수에서 제1 부분 전송선로(TLIN_11)와 제3 부분 전송선로(TLIN_13)의 전기적 길이가 이고 주파수에서 제4 부분 전송선로(TLIN_14)와 제2 부분 전송선로(TLIN_12)의 전기적 길이가 각각 및 이다. 의 합인 는 실제 필요한 임피던스 조건에 따라 결정된다.
일 실시예에서, 튜너 구조의 커넥터(310)는 인덕터, 커패시터, 저항기 등 집중소자를 포함할 수 있으며, 가까이 설치된 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 제5 전송선로(TLIN_15) 위에서 이동함으로써 연결 위치를 변경할 수 있다. 커넥터의 연결 위치에 따라 특정 주파수에서 임피던스가 변경된다.
예를 들면, 커넥터의 연결 위치가 P1로 조정되는 경우, 임피던스 변환 회로(300)는 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_11), 제2 부분 전송선로(TLIN_12) 및 제3 부분 전송선로(TLIN_13)가 제4 부분 전송선로(TLIN_14)와 병렬로 연결된다.
커넥터의 연결 위치가 P2로 조정되는 경우, 임피던스 변환 회로(300)는 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_11), 제2 부분 전송선로(TLIN_12)가 직렬연결된 제3 부분 전송선로(TLIN_13), 제4 부분 전송선로(TLIN_14)와 병렬로 연결된다.
또한, 커넥터의 연결 위치가 P1 과 P2 사이로 조정되는 경우, 임피던스 변환 회로(300)는 직렬연결된 제1 부분 전송선로(TLIN_11) 및 제2 부분 전송선로(TLIN_12), 제3 부분 전송선로(TLIN_13)의 일부가 직렬연결된 제 4부분 전송선로(TLIN4), TLIN_3의 나머지 일부와 병렬로 연결된다.
이와 같이, 임피던스 변환 회로(300)에서의 커넥터의 위치를 조절함으로써 부하 임피던스를 조절하며 최적화할 수 있다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 하모닉 임피던스 튜너의 예시를 도시한 도면이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차 하모닉 임피던스 튜너의 예시를 도시한 도면이다.
도 13a에 도시한 1차 하모닉 임피던스 튜너는 기본 주파수 및 3차 하모닉 주파수에서 무한대의 임피던스를 가지며 2차 하모닉 주파수에서 0의 임피던스를 가진다. 기본 임피던스 및 3차 하모닉 임피던스 매칭은 커넥터 위치 이동에 무관하며 커넥터 위치 이동에 따라 2차 하모닉 매칭만 조절된다. 제 3 전송선로 등가회로를 구성하는 부분 전송선로의 특성임피던스를 으로, 기본 주파수에서의 전기적 길이의 합은 90°로 선택함으로써 기본 주파수에서 특성임피던스가 이고 전기적 길이 45°인 등가 오픈 스터브, 즉 한쪽 포트가 개방한 45°전송선로로 동작할 수 있으며, 2차 하모닉 주파수에서 등가 90°전송선로로 동작할 수 있으며, 3차 하모닉 주파수에서 특성임피던스가 이고 전기적 길이 135°인 등가 오픈 스터브, 즉 한쪽 포트가 개방한 135°전송선로로 동작할 수 있다.
임피던스 매칭부는 일단이 접지된 하나의 특성 임피던스가 이며 전기적 길이 45°인 전송선로이며, 커넥터와 연결된 병렬연결 전송선로의 한쪽 포트의 입력 임피던스를 기본 주파수 및 3차 하모닉 주파수에서 무한대, 2차 하모닉 주파수에서 0으로 매칭하기 위해 병렬연결 전송선로의 다른 한쪽 포트에서 기본 주파수에서 , 2차 하모닉 주파수에서 무한대, 3차 주파수에서 의 임피던스 조건을 제공한다. 여기의 커넥터는 0 ohm 저항기로 구현하였으며, 가까이 설치된 두 개의 전송선로 위에 위치 이동을 통해 2차 하모닉 임피던스가 조절된다.
도 13b에 도시한 2차 하모닉 임피던스 튜너는 기본 주파수 및 2차 하모닉 주파수에서 무한대의 임피던스를 가지며 3차 하모닉 주파수에서 0의 임피던스를 가진다. 기본 임피던스 및 2차 하모닉 임피던스 매칭은 커넥터 위치 이동에 무관하며 커넥터 위치 이동에 따라 3차 하모닉 매칭만 조절된다. 동작 원리 설명은 도 13a에 설명한 바와 일치함으로 생략하도록 한다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임피던스 튜너 구현의 일 예이다.
도 14에 예시한 임피던스 튜너는 도 12의 임피던스 튜너 구조를 적용한 것으로
제1 임피던스 튜너(1310), 제1 전송선로(1320), 제2 임피던스 튜너(1340), 제1 커넥터(1330) 및 제2 커넥터(1350)를 포함한다.
제1 커넥터(1330)는 상기 제1 임피던스 튜너(1310)와 상기 제1 전송선로(1320)를 연결하고, 상기 제1 임피던스 튜너(1310)와 상기 제1 전송선로(1320) 상의 연결 위치를 변경하여 2차 하모닉 임피던스 매칭을 행할 수 있다.
제2 커넥터(1350)는 상기 제2 임피던스 튜너(1340)와 상기 제1 전송선로(1320)를 연결하고, 상기 제2 임피던스 튜너(1340)와 상기 제1 전송선로(1320) 상의 연결 위치를 변경하여 3차 하모닉 임피던스 매칭을 행할 수 있다.
제1 커넥터(1330)와 제2 커넥터(1350)는 서로 독립적 이동이 가능하므로, 전력 증폭기 회로 기판에 적용되어 기본 주파수 부하 임피던스에 영향 없이 2차 및 3차 하모닉 임피던스 따로 조절이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 임피던스 튜너를 전력 증폭기에 적용하는 경우 전력 증폭기 설계 및 최적화에 필요한 시간 및 공정 횟수를 감소시킬 수 있으며, 제품 제작 난이도 및 제작 원가를 감소하는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 복수개의 부분 전송선로를 포함하고, 상기 부분 전송선로 중 일부로 구성된 제1 전송선로 등가회로;
    부하와 연결되며 상기 부분 전송선로 중 나머지 일부로 구성된 제2 전송선로 등가회로; 및 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로를 연결하는 커넥터
    를 포함하고,
    상기 제1 전송선로 등가회로는 제1(TLIN_1) 부분 전송선로, 제2(TLIN_2) 부분 전송선로, 제3(TLIN_3) 부분 전송선로 및 제4(TLIN_4) 부분 전송선로를 포함하고, 상기 제1 부분 전송선로와 상기 제2 부분 전송선로는 직렬연결하며, 상기 제3(TLIN_3) 부분 전송선로와 상기 제4(TLIN_4) 부분 전송선로는 직렬연결하고, 상기 직렬연결된 제1(TLIN_1) 부분 전송선로와 제2(TLIN_2) 부분 전송선로 및 상기 직렬연결된 제3(TLIN_3) 부분 전송선로와 제4(TLIN_4) 부분 전송선로는 병렬로 연결되며,
    상기 커넥터는 상기 제3(TLIN_3) 부분 전송선로 상에서 연결 위치를 변경함으로써, 상기 제1 전송선로 등가회로와 상기 제2 전송선로 등가회로 상의 연결 위치를 변경하여 임의의 부하 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전송선로 등가회로는 제5(TLIN_5) 부분 전송선로, 제6(TLIN_6) 부분 전송선로, 제7(TLIN_7) 부분 전송선로 및 제8(TLIN_8) 부분 전송선로를 포함하고, 상기 제5(TLIN_5) 부분 전송선로와 상기 제6(TLIN_6) 부분 전송선로는 직렬연결하며, 상기 제7(TLIN_7) 부분 전송선로와 상기 제8(TLIN_8) 부분 전송선로는 직렬연결하고, 상기 직렬연결된 제5(TLIN_5) 부분 전송선로와 제6(TLIN_6) 부분 전송선로 및 상기 직렬연결된 제7(TLIN_8) 부분 전송선로와 제8(TLIN_9) 부분 전송선로는 병렬로 연결하며,
    상기 커넥터는 상기 제5(TLIN_5) 부분 전송선로 상에서 연결 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송선로 등가회로를 구성하는 상기 부분 전송선로의 특성 임피던스는 동일하며, 동작 주파수에서 각 부분 전송선로의 전기적 길이의 합은 인 경우, 하나의 등가 90°전송선로로 동작하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전송선로 등가회로를 구성하는 상기 부분 전송선로의 특성 임피던스는 동일하며, 동작 주파수에서 각 부분 전송선로의 전기적 길이의 합은 인 경우, 하나의 등가 90°전송선로로 동작하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송선로 등가회로 및 제2 전송선로 등가회로는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element) 혹은 그들의 하이브리드 등을 이용하여 구성된 등가물인 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 회로.
  7. 복수개의 부분 전송선로를 포함하고, 상기 부분 전송선로로 구성된 제3 전송선로 등가회로;
    상기 제3 전송선로 등가회로의 일단에 연결되어 요구 임피던스를 제공하기 위한 임피던스 매칭부; 및
    상기 제3 전송선로 등가회로는 제1(TLIN_11) 부분 전송선로, 제2(TLIN_12) 부분 전송선로, 제3(TLIN_13) 부분 전송선로 및 제4(TLIN_14) 부분 전송선로를 포함하고, 제1 부분 전송선로(TLIN_11)와 제2 부분 전송선로(TLIN_12)는 서로 직렬연결되며, 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 제4 부분 전송선로(TLIN_14)는 직렬연결되고, 직렬연결 제1 부분 전송선로(TLIN_11)와 제2 부분 전송선로(TLIN_12) 및 직렬연결 제3 부분 전송선로(TLIN_13)와 제4 부분 전송선로(TLIN_14)는 병렬로 연결하고,
    상기 제3 전송선로 등가회로와 제3 전송선로 등가회로와 이웃하게 설치된 제5(TLIN_15) 전송선로를 연결하는 커넥터
    를 포함하고,
    상기 커넥터는 제3 부분 전송선로(TLIN_13) 상에 가변적으로 위치하여, 상기 제3 전송선로 등가회로와 제3 전송선로 등가회로와 이웃하게 설치된 제5(TLIN_15) 전송선로 상의 연결 위치를 변경하여 하모닉 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 임피던스 튜너.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3 전송선로 등가회로를 구성하는 상기 부분 전송선로의 특성 임피던스는 동일하며, 특정 동작 주파수에서 각 부분 전송선로의 전기적 길이의 합은 인 경우, 하나의 등가 90°전송선로로 동작하는 것을 특징으로 하는 임피던스 튜너.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제3 전송선로 등가회로를 구성하는 상기 부분 전송선로의 특성 임피던스가 동일하며,
    제3 전송선로 등가회로의 직렬연결 부분 전송선로로 구성한 두 개의 병렬로 연결된 전송선로는 특정 동작 주파수에서 각자의 전기적 길이가 과 인 경우, 하나의 길이가 인 등가 오픈 스터브(open stub), 즉 한쪽 포트가 개방된 전송선로로 동작되는 것을 특징으로 하는 임피던스 튜너.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제3 전송선로 등가회로는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element) 혹은 그들의 하이브리드 등을 이용하여 구성된 등가물인 것을 특징으로 하는 임피던스 튜너.
  12. 제1항의 임피던스 변환 회로의 회로 동작 방법으로서,
    병렬로 연결된 2개의 전송선로 각각의 특성 임피던스는 이며, 한 쪽 전송선로의 전기적 길이가 이고, 다른 한쪽 전송선로의 전기적 길이가 인 경우, 특성 임피던스가 인 등가 90° 전송선로로 동작하는 것을 특징으로 하는 회로 동작 방법.
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