KR20020012935A - 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기 - Google Patents

3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대역폭과 각 출력포트간의 위상특성을 개선할 수 있으며 또한 인접한 각 전송선로간에서 발생되는 커플링 현상을 개선시키기 위하여 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기에 관한 것으로서, 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기는 입력포트가 일단부에 연결된 임피던스(Z0)와, 상기 임피던스(Z0)에 직렬연결된 임피던스(Z1)와, 상기 임피던스(Z1)의 타단부에 병렬연결된 한 쌍의 임피던스(Z2)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부를 연결하도록 결합된 분리저항(R1)과, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부에 각각 병렬연결되는 것으로 서로 대칭되는 형태로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)의 일단부를 연결하도록 각각 결합되는 한 쌍의 분리저항(R2)과, 상기 임피던스(Z3)의 각각에 직렬연결되는 것으로 한 쌍의 임피던스(Z0)의 일단부가 각각 제1 및 제3출력포트에 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z5,Z0)와, 상기 임피던스(Z4)의 일단부에 각각 일단부가 연결되고 타단부가 서로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z6)와, 상기 임피던스(Z6)의 타단부에 연결되고 타단부가 제2출력포트에 연결되는 임피던스(Z0)로 구성된다.

Description

3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기{Power divider /combiner using 3 way chebyshev matching transformer}
본 발명은 레이더장치, 통신전자장치, 및 통신용 계측기에서 사용되는 고전력 분배기/합성기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 대역폭과 각 출력포트간의 위상특성을 개선할 수 있으며 또한 인접한 각 전송선로간에서 발생되는 커플링 현상을 개선시키기 위하여 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기에 관한 것이다.
고전력 분배기/합성기는 하나의 고주파신호를 다수의 신호로 분리하여 출력하거나 반대로 다수의 분리된 고주파신호를 하나의 출력으로 합성하는 역할을 수행하기 때문에 분배기/합성기(divider/combiner)로 불리어진다. 이러한 분배기/합성기는 통상 소정의 임피던스를 가지는 마이크로스트립선로를 이용하여 구성되며, 종래에는 하나의 고주파입력을 3방향으로 분배하여 출력하는 3-웨이 전력 분배기/합성기가 주로 사용되고 있다. 또한 필요에 따라서 n-웨이 방식의 전력 분배기/합성기도 사용되고 있다.
상기 3-웨이 전력 분배기/합성기의 회로도가 도 1에 표시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 회로도에 기초한 레이아웃(lay out)이 표시되어 있다. 도면들을 참고하면, 종래 사용되는 3-웨이 전력 분배기/합성기는 입력포트(80)측에는 2-웨이 동등(2-way equal) 분배기를 사용하고 있으며, 출력포트 측에는 2개의 비동등 2-웨이(2-way unequal) 분배기를 사용하고 있다. 도면에 표시된 임피던스(Z)의 값은 실제 회로구성시에 사용된 값들이다. 도 1 및 도 2는 본질적으로 동일한 내용을 나타내는 것이므로 도 1을 참고하여 설명한다. 저항(R1,R2)들은 각 선로를 분리하기 위한 분리(isolation) 저항이다. 상기 저항(R1,R2)에 의하여 각 선호를 통과하는 신호들이 서로 분리된 상태로 통과한다.
상기와 같은 종래 3-웨이 전력 분배기/합성기는, 그러나 실제 대역폭특성과 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 특성이 만족할 만한 결과를 보여 주기 못하고 있는 형편이다. 이것을 실험결과인 도 3 및 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다. 각 실험에 사용된 회로는 도 1의 회로에 기초한 것으로서, 각 임피던스값은 그대로 사용하였다. VSWR은 케이블, 도파관, 또는 안테나시스템에서의 불일치(mismatch) 정도의 측정비율을 의미한다.
도 3은 3-웨이 분배기/합성기의 회로해석결과로서 삽입손실(insert loss)에 대한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4는 VSWR에 대한 결과를 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, VSWR 특성과 대역폭(band width) 특성이 양호하지 못함을 알 수 있다. 또한 제2출력포트(60)의 VSWR(VSWR2)이 1.3 : 1 이상이며, 도 2에서와 같이, 50Ω임피던스(Z2)와 100Ω임피던스(Z3)를 가진 전송선로들이 너무 인접한 상태이기 때문에 커플링(Coupling) 영향을 받아서 특성이 저하된다.
커플링(Coupling)은 고주파신호가 통과하는 인접선로간에서 전기적인 신호 또는 전력이 교환됨으로 인한 전달특성의 변환현상을 말한다. 커플링에 의한 전달특성의 변화로 인하여 성능이 저하되는 일이 자주 발생된다.
도 4를 다시 참고하면, 제2출력포트(60)의 VSWR2 특성이 1.5 : 1 인 경우에대역폭은 33%(대역폭/중심주파수의 비율)임을 알 수 있으며, 또한 대역폭내의 평단도 특성이 나쁜 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 3-웨이 전력 분배기/합성기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 대역폭과 각 출력포트간의 위상특성을 개선할 수 있는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 인접한 각 전송선로간에서 발생되는 커플링 현상을 개선시키기 위한 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 고전력 분배기/합성기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 최종출력단의 임피던스가 동일한 값을 가지므로 설계시의 레이아웃이 용이한 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전력 분배기/합성기에 있어서, 입력포트가 일단부에 연결된 임피던스(Z0)와, 상기 임피던스(Z0)에 직렬연결된 임피던스(Z1)와, 상기 임피던스(Z1)의 타단부에 병렬연결된 한 쌍의 임피던스(Z2)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부를 연결하도록 결합된 분리저항(R1)과, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부에 각각 병렬연결되는 것으로 서로 대칭되는 형태로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)의 일단부를 연결하도록 각각 결합되는 한 쌍의 분리저항(R2)과, 상기 임피던스(Z3)의 각각에 직렬연결되는 것으로 한 쌍의 임피던스(Z0)의 일단부가 각각 제1 및 제3출력포트에연결되는 한 쌍의 임피던스(Z5,Z0)와, 상기 임피던스(Z4)의 일단부에 각각 일단부가 연결되고 타단부가 서로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z6)와, 상기 임피던스(Z6)의 타단부에 연결되고 타단부가 제2출력포트에 연결되는 임피던스(Z0)로 구성된다.
도 1은 종래 사용되는 3방향 전력 분배기/합성기의 회로도,
도 2는 도 1의 3방향 전력 분배기/합성기의 레이아웃,
도 3은 도 1의 3방향 전력 분배기/합성기의 삽입손실을 나타내는 그래프,
도 4는 도 1의 3방향 전력 분배기/합성기의 VSWR 출력상태도,
도 5는 본 발명의 3방향 전력 분배기/합성기의 회로도,
도 6은 도 5의 3방향 전력 분배기/합성기의 레이아웃,
도 7은 입력포트와 제1출력포트를 기준으로 3등분한 상태의 등가회로도,
도 8 내지 도 11은 본 발명에 의한 3방향 전력 분배/합성기의 시뮬레이션결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1출력포트 20: 제2출력포트
30: 제3출력포트 40: 입력포트
50: 제1출력포트 60: 제2출력포트
70: 제3출력포트 80: 입력포트
Z0,Z1,Z2,Z2,Z4,Z5,Z6 : 임피던스
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력 분배기/합성기를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 3단 체비셰프 매칭변환기(3-way Chebyshev matching transformer)를 이용하여 전력 분배기/합성기를 구현하는 것으로서, 대역폭과 각 출력포트간의 위상특성을 개선할 수 있으며, 인접한 각 전송선로간에서 발생되는 커플링 현상을 개선하고, 최종출력단의 임피던스가 동일한 값을 가지므로 설계시의 레이아웃이 용이한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명에 의한 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기의 회로도 및 레이아웃이다.
회로도를 참고하면, 전력 분배기/합성기는, 다수의 임피던스의 결합으로 구성되어 있으며, 이것은 본질적으로 비균등 보상 2-웨이 분배기(Compensated 2-way unequal divider)에 기초한 것임을 알 수 있다. 그러나 본 발명에는 체비셰프 매칭변환기의 채택으로 인하여 종래의 것보다 더욱 향상된 기능을 발휘한다.
도 6을 참고하면, 본 발명에 의한 전력 분배기/합성기의 레이아웃(lay out)이 도시되어 있다. 이 레이아웃을 도 2의 종래 레이아웃과 비교하면, 본 발명에 대하여 체비셰프의 매칭변환기가 채택됨을 알 수 있다.
본 발명에서는 특히 VSWR과 대역폭의 특성을 개선하기 위하여 특정임피던스, 즉 최종 출력단의 임피던스를 Z2=Z3=Z5, Z2*2=Z6이 되는 값을 만족하도록 하기 위하여 VSWR을 1.17: 1 로 설정하였다. 이러한 설정에 따라서 임피던스에 대한 값들이 결정된다. 3단 체비셰프 다항식은 다음 수학식 1과 같다.
T3(x) = 4x3-3x
여기에서 x항을 다음 수학식 2의 ①과 같이 설정하고, 하기의 식들에 의거하여 체비셰프 변환기의 임피던스 값을 구할 수 있다. 조건은 저항(R1)이 100Ω, 입력특성임피던스 ZL(임피던스(Z0)와 임피던스(Z1) 사이의 임피던스)가 47.15Ω, VSWR는 1.17: 1로 설정되었다.
도 7은 입력포트(40)와 제1출력포트(10) 사이의 등가회로로서, 3개의 출력포트가 있으므로 이것을 3등분한 것에 대한 등가회로이다. 도시된 바와 같이, 입력특성임피던스(ZL)가 47.15Ω, 임피던스(Z1), 임피던스(Z2/2), 임피던스(Z3/3), 및 임피던스(Z0)가 (32/3)Ω을 가짐을 알 수 있다.
또한 상기 임피던스(Z3)의 출력단과 상기 임피던스(Z0)와의 임피던스 정합을 위하여 상기 임피던스(Z5)와, 상기 임피던스(Z4)의 출력단과 상기 임피던스(Z0)*2와의 임피던스 정합을 위하여 상기 임피던스(Z6)에 각각 (λ/4) 변환기를 사용하여 구성하였다.
상기에 기재된 식들에 의하여 산출된 각 선로에 대한 임피던스(Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6) 및 특성이 하기에 표시된다.
항목 VSWR Γm A Z0 ZL secΘm Γ0 Γ1 Γ2 Γ3
Value 1.17 0.078 0.078 32/3Ω 47.15Ω 1.4594 0.12 0.19 0.19 0.12
항목 Z0 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6
Value 50Ω 36Ω 40Ω 40Ω 80Ω 40Ω 80Ω
상기의 식들에 의하여 산출된 임피던스 값들은 Z2=Z3=Z5=40Ω, Z2*2=Z6=80Ω을 만족하는 값이 됨을 알 수 있다.
상기와 같은 임피던스 값들을 갖도록 구성된 본 발명의 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기의 회로해석실험에 대한 결과가 도 8 내지 도 11에 각각 표시되어 있다. 각 도면은 각각 회로시뮬레이션(a)과 모멘텀 시뮬레이션(b)의 결과가 표시되어 있으며, 삽입손실, VSWR, ISOLATION, PHASE에 대한 시험결과가 각각 그래프로 표시된다.
본 발명에 대한 회로해석은 HP사의 Eesof Simulator를 사용하였으며, 커플링영향에 대한 비교를 위하여 필드(field) 해석기인 모멘텀(Momentum) Simulator를 이용하여 회로를 해석하였다. 모멘텀 해석결과는 일반회로해석(Eesof Simulator)의 결과와 유사한 특성을 얻을 수 있음이 입증되었다.
상기의 실험결과 그래프에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 전력 분배기/합성기가 여러 특성면에서 도 1에 표시된 종래 3-웨이 전력분배기/합성기보다 우수함을 알 수 있다. 특히 종래 3-웨이 분배/합성기의 대역폭이 33%(대역폭/중심주파수)임에 비하여 본 발명의 3-웨이 분배기/합성기는 대역폭이 72.3%(대역폭/중심주파수)로서 대역폭특성이 매우 우수하다.
또한 VSWR을 비교하면, 종래 3-웨이 분배기/합성기의 VSWR이 1.5 : 1임에 비하여, 본 발명의 3-웨이 분배기/합성기는 1.3 : 1 로서 역시 본 발명이 우수함을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 대역폭과 각 출력포트간의 위상특성을 개선할 수 있으며, 인접한 각 전송선로간에서 발생되는 커플링 현상을 개선하고, 최종출력단의 임피던스가 동일한 값을 가지므로 설계시의 레이아웃이 용이한 이점이 있다.
본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 전력 분배기/합성기에 있어서,
    입력포트가 일단부에 연결된 임피던스(Z0)와, 상기 임피던스(Z0)에 직렬연결된 임피던스(Z1)와, 상기 임피던스(Z1)의 타단부에 병렬연결된 한 쌍의 임피던스(Z2)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부를 연결하도록 결합된 분리저항(R1)과, 상기 한 쌍의 임피던스(Z2)의 타단부에 각각 병렬연결되는 것으로 서로 대칭되는 형태로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)와, 상기 한 쌍의 임피던스(Z3,Z4)의 일단부를 연결하도록 각각 결합되는 한 쌍의 분리저항(R2)과, 상기 임피던스(Z3)의 각각에 직렬연결되는 것으로 한 쌍의 임피던스(Z0)의 일단부가 각각 제1 및 제3출력포트에 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z5,Z0)와, 상기 임피던스(Z4)의 일단부에 각각 일단부가 연결되고 타단부가 서로 연결되는 한 쌍의 임피던스(Z6)와, 상기 임피던스(Z6)의 타단부에 연결되고 타단부가 제2출력포트에 연결되는 임피던스(Z0)로 구성됨을 특징으로 하는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스(Z0,Z1,Z2.Z3,Z4,Z5,Z6)를 각각 구성하는 것이 마이크로스트립라인 전송선로인 것을 특징으로 하는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스(Z1:Z2:Z3),(Z1:Z2/2:Z4)가 체비셰프 매칭 변환기로 구성됨을 특징으로 하는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기.
  4. 제1항에 있어서,
    최종 출력단의 임피던스가 Z3=Z5, Z4=Z6 이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스(Z3)의 출력단과 상기 임피던스(Z0)와의 임피던스 정합을 위하여 상기 임피던스(Z5)와, 상기 임피던스(Z4)의 출력단과 상기 임피던스(Z0)×2와의 임피던스 정합을 위하여 상기 임피던스(Z6)에 (λ/4) 변환기를 사용하는 것을 특징으로 하는 3단 체비셰프 매칭변환기를 이용한 전력분배기/합성기.
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