KR19980026769A - 마이크로스트립 오픈스텁을 이용한 고주파 증폭기의 정합회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파증폭기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고주파증폭기에서 부하단과의 임피던스 정합을 위해 마이크로스트립라인 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로에 관한 것으로서, 임의의 임피던스값을 가지는 부하단으로 고주파 신호를 전송손실 없이 전송하기 위한 고주파증폭기의 정합회로에 있어서, 상기 부하단에 대한 저항 성분을 정합하기 위해 마이크로스트립 라인으로 이루어진 제 1 정합수단 및 상기 제 1 정합수단에 대한 리액턴스 성분을 정합하기 위해 마이크로스트립 션트오픈스텁으로 이루어진 제 2 정합수단을 포함한다.

Description

마이크로스트립 오픈스텁을 이용한 고주파 증폭기의 정합회로(a circuit of matching for hig frequency amplifiers using a microstrip open-stub)

본 발명은 고주파증폭기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고주파증폭기에서 부하단과의 임피던스 정합을 위해 마이크로스트립라인 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로에 관한 것이다.

고주파증폭기에 있어서 부하에 최대의 전력을 전송하거나 잡음(noise)이 최소가 되는 등의 원하는 조건을 달성하기 위해서는 어떠한 임의의 종류의 정합회로가 필요하게 된다. 저주파증폭기에서는 럼프트 소자(Lumped element)의 인턱터(inductor, L)와 커패시터(capacitor, C)를 배열하여 정합회로를 구성할 수 있다. 고주파증폭기에서는 럼프트 소자와 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 조합하거나 마이크로스트립 라인만으로 정합회로를 구성할 수 있다. 상기 마이크로스트립 라인은 평행판 선로의 일종으로 도파관(wave guide)이나 동축선로에 비해 경량, 소형으로 만들 수 있기 때문에 마이크로파 트랜지스터를 비롯한 각종 반도체 소자의 개략과 아울러 마이크로파 집적회로(micro wave intergrated circuit : MIC)의 기본 요소로서 중요시되고 있다. 뿐만아니라, 상기 마이크로스트립 라인은 전송선로로서 만이 아니라 안테나, 공진기, 임피던스 정합, 필터 등 매우 다양하게 응용되고 있다. 이것은 도체기판상에 유전체판을 놓고 그위에 도체선로를 부착시킨 것으로 보통 유전체기판에 금속막을 증착시켜 만든다.

도 1에는 정규화임피던스 평면을 반사계수 평면으로 매핑한 스미스챠트가 도시되어 있다. 도 2에는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 쇼트스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 보여주는 블록도가 도시되어 있다.

고주파증폭기에 임의의 값을 가지는 부하를 연결한 후 상기 부하로 최대전력을 전달하기 위해서는 상기 고주파증폭기와 상기 부하 사이에 임피던스 정합회로가 필요하다. 상기 부하의 임의의 값이 (0.8 + j1.6)일 경우 상기 부하값(저항분이 0.8이고 리액터스분이 1.6인 것)을 정규화 임피던스라 하면 이는 부하값(Z)을 선로의 특성임피던스(Z_o)로 나눈 것(Z/Z_o)을 말한다. 종래의 경우, 고주파증폭기의 정합회로는, 도 2에 도시된 바와같이, 마이크로스트립 라인들(L1, L2)을 부하단(1)에 대해서 각각 직렬 및 병렬로 연결하여 구성하였다. 상기 부하단(1)과 직렬로 연결된 마이크로스트립 라인(L1)을 제 1 정합수단(2)이라하고 상기 부하단(1)과 병렬로 연결된 마이크로스트립 라인(L2)을 제 2 정합수단(3)이라하자. 상기 제 1 및 제 2 정합수단(2, 3)에 필요한 각각의 마이크로스트립 라인의 길이를 구하면 다음과 같다.

먼저, 상기 정규화 임피던스(z_L)를 도 1에 도시된 스미스챠트상에 나타내면 z_L점으로 표시한 부분이다. 즉, 저항분이 0.8인 원과 리액턴스분이 1.6인 원과의 교점인 z_L점을 반수계수(│#)가 영(zero)인 점, 즉 부하의 저항값과 특성임피던스의 값이 같도록 만드는 것이 회로 정합의 목적이다. 상기 반사계수(│#)가 영인 점은 스미스챠트에서 중앙의 점으로 나타내어 진다. 회로정합이 되었을 경우 반사(reflection)이 영(0)이 되고 즉, 반사계수(│#)가 영이되고 최대 전력 전송(maximum power transfer)이 이루어진다. 상기 z_L점을 우선 E점(어드미턴스 스미스챠트에서 g=1인 동심원(circle)과 반사계수(│#)가 일정한 동심원과의 교차점)으로 이동시킨다. 상기 어드미턴스 스미스챠트는 임피던스 스미스챠트의 역상인 챠트이며 도 1에 점선으로 도시된 동심원이 어드미턴스 스미스챠트에서 g=1인 동심원이다. 그리고, 상기 반사계수(│#)가 일정한 동심원이란 상기 z_L점을 원점을 기준으로 회전한 것이다.

이때, 상기 E점과 원점을 잇는 직선에 해당하는 파장은 0.432│K이기 때문에 도 2에 도시된 제 1 정합수단(2)의 마이크로스트립 라인(L1)의 길이 I₁은 0.432│K에서 z_L점과 원점을 잇는 직선에 해당하는 파장 0.172│K를 뺀 나머지 길이(I₁= 0.432│K - 0.172│K)인 0.26│K의 마이크로스트립 라인이 필요하다. 그리고, 상기 E점에서는 g=1이나 리액턴스성분은 영이 아니다. 상기 리액턴스성분을 상쇄하기 위해서 도 2에 도시된 제 2 정합수단(3)인 마이크로스트립 쇼트스텁(L2)을 달아주게 된다. 상기 E점을 E'점으로 이동시켜 상기 E'점의 허수부분을 상쇄하기 위해서는 0.5│K에서 0.184│K을 뺀 나머지 길이(I2 = 0.5│K - 0.184│K)에 해당하는 0.316│K 길이를 갖는 상기 제 2 정합수단(3)의 마이크로스트립 쇼트스텁(L2)이 필요하다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 정합수단(2, 3)에 각각 0.26│K와 0.316│K 길이의 마이크로스트립 라인을 사용하여 정합회로를 구현함으로서 임피던스를 정합하여 최대전력을 전송할 수 있게 된다.

그러나, 상술한 바와같이 마이크로스트립 쇼트스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로에 의하면, 마이크로스트립 라인만으로 고주파증폭기의 정합회로를 구현하는 경우 상기 마이크로스트립 라인을 쇼트스텁으로 사용하여 구현하면 고주파증폭기의 손실이 커지고 특성이 저하되는 문제점이 생겼다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 고주파증폭기에서 부하단과의 임피던스 정합을 위해 마이크로스트립 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 제공하는데 있다.

도 1은 정규화임피던스 평면을 반사계수 평면으로 매핑한 스미스챠트;

도 2은 종래의 단락스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 보여주는 블록도;

도 3는 본 발명에 따른 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 보여주는 블록도,

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10, 12:정합수단 11:부하

상술한 바와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일특징에 의하면, 임의의 임피던스값을 가지는 부하단으로 고주파 신호를 전송손실 없이 전송하기 위한 고주파증폭기의 정합회로에 있어서, 상기 부하단에 대한 저항 성분을 정합하기 위해 마이크로스트립 라인으로 이루어진 제 1 정합수단 및 상기 제 1 정합수단에 대한 리액턴스 성분을 정합하기 위해 마이크로스트립 션트오픈스텁으로 이루어진 제 2 정합수단을 포함한다.

이 회로의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 부하단의 정규화 임피던스값을 나타내는 스미스챠트상의 임피던스점에서 션트오픈스텁점으로 이동시 리액턴스가 양인 점으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

임의의 임피던스값을 가지는 부하단에 최대전력을 전송하기 위한 고주파증폭기의 정합회로에 있어서, 상기 부하단과 직렬로 연결되며 마이크로스트립 라인으로 이루어진 제 1 정합수단 및 상기 부하단과 병렬로 연결되어 있되 일단자가 오픈된 마이크로스트립 오픈스텁으로 이루어진 제 2 정합수단을 포함한다.

이 회로의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 부하단의 임피던스값을 나타내는 스미스챠트상의 임피던스점에서 션트오픈스텁점으로 이동시 리액턴스가 양인 점으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

이와같은 회로에 의해서, 고주파증폭기의 정합회로에 있어 마이크로스트립 오픈스텁을 이용하여 구현함으로서 손실을 줄일 수 있을 뿐만아니라 정합회로의 특성을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 참조도면 도 3에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3에 있어서, 도 1 내지 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 기능을 가지는 구성요소에 대해서 동일한 참조번호를 병기한다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로스트립 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 보여주는 블록도가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 정합회로는 임의의 임피던스값(Z_L= R + jX)을 가지는 부하단(1)으로 고주파 신호를 전송손실 없이 전송하기 위한 것이다. 도 3에 도시된 바와같이, 상기 부하단(1)에 대한 저항 성분(R)을 정합하기 위해 마이크로스트립 라인으로 이루어진 제 1 정합수단(4) 및 상기 제 1 정합수단(4)에 대한 리액턴스 성분(X)을 정합하기 위해 마이크로스트립 션트오픈스텁으로 이루어진 제 2 정합수단으로 이루어졌다. 그리고, 상기 부하단(1)의 정규화 임피던스값을 나타내는 스미스챠트상의 임피던스점(z_L)에서 션트오픈스텁점(F)으로 이동시 리액턴스가 양인 점으로 이동시키게 된다.

고주파증폭기에 임의의 값을 가지는 부하를 연결한 후 상기 부하로 최대전력을 전달하기 위해서는 상기 고주파증폭기와 상기 부하 사이에 임피던스 정합회로가 필요하다. 상기 부하(1)의 임의의 값이 (0.8 + j1.6)일 경우 상기 부하값(저항분이 0.8이고 리액터스분이 1.6인 것)을 정규화 임피던스라 하면 이는 부하값(Z)을 선로의 특성임피던스(Z_o)로 나눈 것(Z/Z_o)을 말한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고주파증폭기의 정합회로는, 도 3에 도시된 바와같이, 마이크로스트립 라인들(4, 5)을 부하단(1)에 대해 각각 병렬 및 직렬로 연결하여 구성하였다. 상기 부하와 직렬로 연결된 마이크로스트립 라인(L3)을 제 1 정합수단(4)이라하고 상기 부하단(1)과 병렬로 연결되어 있되 일단자가 오프된 마이크로스트립 오픈스텁(L4)을 제 2 정합수단(5)이라하자. 상기 제 1 및 제 2 정합수단(4, 5)에 필요한 각각의 마이크로스트립 라인의 길이를 구하면 다음과 같다.

먼저, 상기 정규화 임피던스(z_L)를 도 1에 도시된 스미스챠트상에 나타내면 z_L점으로 표시한 부분이다. 즉, 저항분이 0.8인 원과 리액턴스분이 1.6인 원과의 교점인 z_L점을 반수계수(│#)가 영(zero)인 점, 즉 부하(1)의 저항값과 특성임피던스의 값이 같도록 만드는 것이 회로 정합의 목적이다. 상기 반사계수(│#)가 영인 점은 스미스챠트에서 중앙의 점으로 나타내어 진다. 회로정합이 되었을 경우 반사(reflection)이 영(0)이 되고 즉, 반사계수(│#)가 영이되고 최대 전력 전송이 이루어진다. 상기 z_L점을 우선 F점(어드미턴스 스미스챠트에서 g=1인 동심원(circle)과 반사계수(│#)가 일정한 동심원과의 교차점)으로 이동시킨다. 상기 어드미턴스 스미스챠트는 임피던스 스미스챠트의 역상인 챠트이며 도 1에 점선으로 도시된 동심원이 어드미턴스 스미스챠트에서 g=1인 동심원이다. 그리고, 상기 반사계수(│#)가 일정한 동심원이란 상기 z_L점을 원점을 기준으로 회전한 것이다.

이때, 상기 F점과 원점을 잇는 직선에 해당하는 파장은 0.566│K이기 때문에 도 3에 도시된 제 1 정합수단(3)의 마이크로스트립 라인(L3)의 길이 I₃은 0.566│K에서 z_L점과 원점을 잇는 직선에 해당하는 파장 0.172│K를 뺀 나머지 길이(I3 = 0.566│K - 0.172│K)인 0.394│K의 마이크로스트립 라인이 필요하다. 그리고, 상기 F점에서는 g=1이나 리액턴스성분은 영이 아니다. 상기 리액턴스성분을 상쇄하기 위해서 도 3에 도시된 제 2 정합수단(5)인 마이크로스트립 오픈스텁(L4)을 달아주게 된다. 도 1의 상기 F점을 F'점으로 이동시키면 이는 임피던스에서 어드미턴스로의 변환을 의미한다. 상기 F'점의 허수부분을 상쇄하기 위해서는 도 1의 스미스챠트의 원의 길이인 0.5│K에서 원점과 상기 F'점을 잇는 직선에 대응되는 파장 0.316│K을 뺀 나머지 길이(I₄= 0.5│K - 0.316│K)에 해당하는 0.184│K 길이를 갖는 상기 제 2 정합수단(5)의 마이크로스트립 쇼트스텁(L4)이 필요하다.

따라서, 상기 제 1 및 제 2 정합수단(4, 5)에 각각 0.394│K와 0.184│K 길이의 마이크로스트립 라인들을 사용하여 정합회로를 구현함으로서 임피던스를 정합하여 최대전력을 전송할 수 있게 된다. 따라서, 종래의 마이크로스트립 쇼트스텁의 경우 정규화임피던스를 스미스챠트상에 나타낸 z_L점을 E와 E'점으로 이동하여 션트쇼트스텁을 이용하여 정합을 하였으나 본 발명에서는 리액턴스(reactance) X가 양인 점 F와 F'으로 이동하여 션트오픈스텁을 이용하여 임피더스를 정합할 수 있다.

상기한 바와같이, 고주파증폭기에서 부하단과의 임피던스 정합을 위해 마이크로스트립 오픈스텁을 이용한 고주파증폭기의 정합회로를 구현하였다. 이로써, 종래의 마이크로스트립 쇼트스텁을 사용한 고주파증폭기의 손실이 커지는 것을 방지할 뿐만아니라, 상기 고주파증폭기의 정합특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 임의의 임피던스값(Z_L= R + jX)을 가지는 부하단(1)으로 고주파 신호를 전송손실 없이 전송하기 위한 고주파증폭기의 정합회로에 있어서,

   상기 부하단(1)에 대한 저항 성분(R)을 정합하기 위해 마이크로스트립 라인으로 이루어진 제 1 정합수단(4) 및 상기 제 1 정합수단(4)에 대한 리액턴스 성분(X)을 정합하기 위해 마이크로스트립 션트오픈스텁으로 이루어진 제 2 정합수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파증폭기의 정합회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부하단(1)의 정규화 임피던스값을 나타내는 스미스챠트상의 임피던스점(z_L)에서 션트오픈스텁점(F)으로 이동시 리액턴스가 양인 점으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 고주파증폭기의 정합회로.