KR20080062587A - 이중대역-ｃｒｌｈ 전송 선로를 이용한 전력 분배기 및전력 합성기 - Google Patents

이중대역-ｃｒｌｈ 전송 선로를 이용한 전력 분배기 및전력 합성기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed) 전송 선로를 이용한 전력 분배기 및 전력 합성기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 입력 단자 및 두 개의 출력 단자를 포함하는 전력 분배기는, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 각각에 두 단이 접속되는 두 개의 전송 선로 및 상기 출력 단자에 각각 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 접속되는 두 개의 단락 스터브(short-stub)를 포함한다. 이때, 상기 전송 선로는 상기 출력 단자에 연결된 종단임피던스의 배 값을 특성임피던스로 갖는 제1 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로를 이용할 수 있고, 상기 단락 스터브는 상기 종단임피던스와 동일한 값을 특성임피던스로 갖는 제2 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용할 수 있다. 상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는, 입력 신호에 대해 고주파대역에서 90도, 저주파대역에서 -90도의 위상 지연을 일으킨다.
윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider), RH(Right-Handed), LH(Left-Handed), CRLH(Composite Right/Left-Handed), 특성임피던스

Description

이중대역-ＣＲＬＨ 전송 선로를 이용한 전력 분배기 및 전력 합성기{POWER DIVIDER AND POWER COMBINER USING DUAL BAND - COMPOSITE RIGHT / LEFT HANDED TRANSMISSION LINE}
도 1은 종래기술에 있어서 윌킨슨 전력 분배기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 있어서, CRLH를 이용한 윌킨슨 전력 분배기의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 종래기술에 있어서, 윌킨슨 전력 분배기의 삽입손실 및 반사계수를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 전력 분배기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 이중대역-CRLH 전송 선로를 구성하는 셀의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 분배기의 삽입손실, 격리도 및 반사계수에 대한 일례이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
400: 전력 분배기
401: 입력 단자
402, 403: 출력 단자
404: 전송 선로
405, 406: 단락-스터브
407: 저항
본 발명은 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed) 전송 선로를 이용한 전력 분배기 및 전력 합성기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 상기 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용하여 윌킨슨 전력 분배기 / 합성기의 저지대역 특성을 향상시켜 동작 주파수 제약 및 광대역으로 인한 저지대역 특성 문제를 해결할 수 있는 전력 분배기 및 전력 합성기에 관한 것이다.
전력 분배기는 RF(Radio Frequency) 회로에서, 입력된 전력을 소정의 비율로 나누어 출력 포트로 분배하는 회로로서, 전력 손실 없이 원하는 비율로 전력을 분배할 뿐만 아니라, 출력 포트 사이를 격리(isolation)시켜 양 포트 상호 영향에 의한 회로 특성 변화를 방지하는 것이 이상적이다. 또한, 전력 분배기는 입출력 포트를 전환하여 전력 합성기로 사용하는 것도 가능하다.
종래 전력 분배기 / 합성기로서 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider)가 널리 사용되어 왔다. 일반적으로 윌킨슨 전력 분배기는 RH(Right- Handed) 특성을 가지는 전송 선로를 이용하여 설계자가 원하는 주파수 대역을 갖도록 설계되는 것을 기본으로 하며, 두 신호의 합 또는 분배에 이용되는 마이크로파 소자이다.
도 1은 종래기술에 있어서 윌킨슨 전력 분배기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 윌킨슨 전력 분배기(100)는 입력 단자(101)와 2 개의 출력 단자(102, 103)를 포함하며, 입력 단자(101)로 입력된 전력은 동일한 비율로 출력 단자(102, 103)로 분배된다. 전송 선로(104, 105)의 특성임피던스 ZOT는 와 같이 정해지고 그 값으로 70.7Ω을 가진다. 이때, ZO는 출력 단자(102, 103)의 종단임피던스를 의미한다. 이와 같은 전송 선로(104, 105)의 길이는, 회로의 동작 파장이 λ 인 경우, λ / 4로 정해진다. 또한, 저항(106)은 종단임피던스의 2 배, 즉 2ZO로서 100Ω을 가진다.
이러한 윌킨슨 전력 분배기는 RH 전송 선로를 이용하여 구현되기 때문에 그 크기가 파장에 비례하여 저주파 대역에서는 매우 대형이 되며, 설계된 주파수의 체배되는 주파수 대역에서만 재사용이 가능하다. 또한, 광대역의 특성으로 인해 저지대역 특성이 우수하지 못한 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로 RH 전송 선로 및 LH(Left-Handed) 전송 선로의 조합인 CRLH(Composite Right/Left-Handed)가 있다. 도 2는 종래기술에 있어서, CRLH를 이용한 윌킨슨 전력 분배기의 개략적인 모습을 도시한 도면이고, 도 3은 이러한 윌킨슨 전력 분배기에 대한 삽입손실 및 반사계수를 나타낸 도면이다. 윌킨슨 전력 분배기(200)는 도 1에서 설명한 윌킨슨 전력 분배 기(100)와 동일하지만 전송 선로(104, 105)를 CRLH(201)로 대체하였다.
이러한 CRLH(201)는 특히, 이중대역 특성을 갖도록 설계된 이중대역-CRLH(dual band-CRLH)는 임의의 이중대역에서의 사용을 가능하게 하였다. 그러나 도 3의 그래프(300)를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 윌킨슨 전력 분배기의 광대역 특성으로 인하여 기존의 문제점으로 지적된 저지대역 특성을 향상시키지 못하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed) 전송 선로를 이용한 전력 분배기에 관한 새로운 기술을 제안한다.
본 발명은 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로를 이용한 윌킨슨 전력 분배기를 설계자가 원하는 임의의 이중대역 동작 특성을 갖도록 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용한 단락-스터브(short-stub)를 통해 저지대역 특성을 향상시켜 동작 주파수 제약 문제 및 광대역으로 인한 저지대역 특성 문제를 해결하는 것이다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 입력 단자 및 두 개의 출력 단자를 포함하는 전력 분배기는, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 각각에 두 단이 접속되는 두 개의 전송 선 로 및 상기 출력 단자에 각각 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 접속되는 두 개의 단락 스터브(short-stub)를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 전송 선로는 실질적으로 상기 출력 단자에 연결된 종단임피던스의 배 값을 특성임피던스로 갖는 제1 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로일 수 있고, 상기 단락 스터브는 상기 종단임피던스와 실질적으로 동일한 값을 특성임피던스로 갖는 제2 이중대역-CRLH 전송 선로일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는, 입력 신호에 대해 고주파대역에서 90도, 저주파대역에서 -90도의 위상 지연을 일으킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는, 두 개의 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 두 개의 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 결합으로 등가화 될 수 있는 적어도 하나의 셀을 각각 포함할 수 있다. 이때, 상기 RH 전송선은 입력 신호에 대해 고주파대역에서 양의 위상 지연을 일으킬 수 있고, 상기 LH 전송선은 상기 입력 신호에 대해 저주파대역에서 음의 위상 지연을 일으킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 출력 단자 및 두 개의 입력 단자를 포함하는 전력 합성기는, 상기 출력 단자와 상기 입력 단자의 각각에 두 단이 접속되는 두 개의 전송 선로 및 상기 입력 단자에 각각 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 접속되는 두 개의 단락 스터브를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 있어서, "접속"이라는 용어는 두 요소가 전기적으로 접속되어 있음을 의미하는 것으로, 다른 구성요소가 개재되어 있더라도 두 요소 사이에 전자가 이동 가능한 통로가 형성되어 있는 경우라면 모두 접속된 것으로 설명한다. 또한, “송수신기”는 RF 신호를 송신 또는 수신하는 장치를 의미하는 것으로 신호를 송신기와 수신기를 모두 포함한다. 뿐만 아니라, 이하의 설명은 전력 분배기에 대해 설명하지만 전력 합성기에 대하여서도 대응되게 적용될 수 있다.
본 발명은 설계자가 원하는 이중 주파수 대역에 사용이 가능하며 저지대역 특성이 향상된 윌킨슨 전력 분배기에 관한 것으로, 상기 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용하여 윌킨슨 전력 분배기의 저지대역 특성을 향상시켜 동작 주파수 제약 및 광대역으로 인한 저지대역 특성 문제를 해결할 수 있는 전력 분배기에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전력 분배기를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 전력 분배기(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 입력 단자(401), 두 개의 출력 단자(402, 403), 두 개의 전송 선로(404), 단락 스터브(405, 406) 및 저항(407)을 포함할 수 있고, 이중대역 900MHz 및 2.4GHz에서 저지대역 특성을 향상시키기 위해 설계된 일례이다.
이때, 입력 단자(401) 및 출력 단자(402, 403)에 연결되는 종단임피던스는 50Ω의 값을 가질 수 있다. 이와 같은 상기 종단임피던스에 대해 전송 선로(404) 는 상기 종단임피던스의 배의 값(70.7Ω)을 특성임피던스로 갖는 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용하여 구현될 수 있고, 단락-스터브(405, 406)는 상기 종단임피던스와 동일한 값(50Ω)의 특성임피던스를 갖는 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용하여 구성될 수 있다. 또한, 두 개의 출력 단자(402, 403)를 연결하는 저항(407)은 상기 종단임피던스의 2배의 값인 100Ω으로 구성될 수 있다. 이중대역-CRLH 전송 선로의 특성 임피던스 설정에 대하여서는 후술한다.
이러한 전송 선로(404) 및 단락-스터브(405, 406)를 구성하는 상기 이중대역-CRLH 전송 선로는 저주파대역 및 고주파대역의 이중대역 특성을 갖도록 설계될 수 있고, 이를 위해 N개의 셀로 구성될 수 있다. 이와 같은 상기 셀은 서로 동일한 전자기적 특성을 갖는다. 구체적으로, 이중대역-CRLH 전송 선로는 저주파대역에서는 -90도, 고주파대역에서는 90도의 위상 지연을 갖도록 설계될 수 있다. 즉, 저주파 대역에서는 CRLH 전송 선로에 의해 위상이 90도 전진되고 고주파 대역에서는 CRLH 전송 선로에 의해 위상이 90도 지연되도록 설계되어 종래의 전력 분배기와 동일한 효과를 달성할 수 있다. 각각의 셀(500)의 위상 특성 및 전송 선로를 구성하는 셀(500)의 개수(N)는 이러한 위상 지연을 실현하도록 설정될 수 있다. 이에 대하여서는 후술한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 이중대역-CRLH 전송 선로를 구성하는 셀의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 셀(500)은 크게 두 개의 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선(502)과 두 개의 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선(501)의 결합으로 구성된다. 이때, RH 전송선(501)은 마이크로 스트립 등 분산 정수 소자인 전송 선로를 이용하여 구현될 수 있고, LH 전송선(502)은 LC 집중 정수 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 셀(500)이 별도의 2 개의 전송선(501, 502)의 결합으로 도시되었으나, 실질적으로 RH 전송선(501)은 단순히 LH 전송선(502)을 구성하는 집중 정수 소자들을 연결하는 전송선로의 형태로 구현될 수도 있다.
이하, 셀(500)의 특성임피던스 및 위상 특성에 대해 상술한다. 도 5에 도시된 바와 같은 셀(500)의 전파상수(propagation constant) βCRLH는 근사적으로 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006098455203-PAT00001
여기서, ω는 각주파수이고, p는 셀의 크기이다.
위의 식에서 볼 수 있듯이, 주파수가 낮은 경우 LL 및 CL이 우세한 영향을 주고, 주파수가 높은 경우에는 LR 및 CR이 우세한 영향을 준다. 따라서 낮은 주파수에서는 LH 선로에 의한 음의 위상 지연(-90도)을 주로 이용하고, 높은 주파수에서는 종래의 전력 분배기에서와 같이 RH 선로에 의한 양의 위상 지연(90도)을 주로 이용하여 2 개의 대역에서 모두 필요한 위상 지연을 달성할 수 있다. 특히, 저주파 대역에서는 LH 선로에 의해 위상 전진을 실현함으로써, 전송 선로의 길이가 종래와 달리 파장에 무관하게 정해지고 저주파 신호의 파장의 1/4 이하가 될 수 있 다. 반면 고주파에 대해서는 주로 RH 선로에 의해 위상 지연을 구현하므로 그 길이가 고주파 신호 파장의 1/4 이 된다. 그러나 저주파 신호의 파장이 더 길기 때문에, 여전히 LH 선로 이용에 의해 회로의 소형화가 달성된다.
또한, 위 식으로부터 2 개의 사용 주파수에서 위상 지연 ΦCRLH 을 90도(π/2)또는 -90도(-π/2)로 하기 위한 인덕턴스(LL), 커패시턴스(CL), 전송선로의 길이(즉, 그에 의한 LR 및 CR), 및 셀의 개수(N)를 결정할 수 있다. 특히, 셀(500)의 LH 전송선(502)와 RH 전송선(501)이 정합되어 있는 경우, 즉 인 경우에 LH 전송선로의 커패시턴스와 인덕턴스는 다음 수학식 2 및 다음 수학식 3에 의해 주어진다.
Figure 112006098455203-PAT00002
Figure 112006098455203-PAT00003
상기 수학식 2 및 상기 수학식 3에서 , f1, f2 는 각각 저주파 및 고주파 중심 주파수이고, Z0는 전송선로의 특성 임피던스로서 전송 선로(404)에 대해서는 70.7Ω, 단락스터브(405)에 대해서는 50Ω일 수 있다. 이로써 셀(500)을 이용하여 전송 선로(404) 및 단락 스터브(405)를 구현할 수 있다. 특히, f1이 f2에 비해 매우 작은 경우, 역으로 LL의 값을 조정하여 주로 f1을 자유롭게 조정하는 것도 가능하다.
이와 같은 셀(500)의 예로서 도 5에 도시된 바와 같이 상기 두 개의 직렬 커패시터는 각각 커패시턴스(CL/2)를 이용할 수 있고, 상기 병렬 인덕터는 인턱턴스(LL)를 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 분배기의 삽입손실(가는 실선), 격리도(굵은 실선) 및 반사계수(파선)에 대한 일례이다. 도 6에 도시된 바와 같이 그래프(600)를 살펴보면 전력 분배기에 따른 격리도는 900MHz 및 2.4GHz 에서 -45dB이하의 매우 작은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 두 출력 단자간의 격리도가 우수함을 알 수 있다.
또한, 저주파대역인 900MHz 대역에서 반사계수(601)는 -36.743dB, 삽입손실(602)은 -3dB에 근접하여 상기 두 출력 단자간에 전력 분배 또한, 정확하게 분배되고 있음을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 고주파대역인 2.4GHz 대역에서도 반사계수(603)는 -27.717dB, 삽입손실(604)은 -3dB에 근접하여 상기 고주파대역에서도 상기 두 출력 단자간에 전력이 정확하게 반씩 분배되고 있음을 알 수 있다.
한편, 900MHz 대역 및 2.4GHz 대역 사이의 저지 대역에서 격리도 및 반사계수(605)가 0dB 근처까지 크게 증가하여, -3dB 이하의 반사계수를 갖는 종래의 전력 분배기(도 3 참조)에 비해 우수한 저지 대역 특성을 가짐을 확인하였다.
이와 같이 본 발명에 따른 전력 분배기를 이용하면 CRLH 전송 선로를 이용한 윌킨슨 전력 분배기를 설계자가 원하는 임의의 이중대역 동작 특성을 갖도록 구현할 수 있고, 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용한 단락-스터브를 통해 저지대역 특성을 향상시켜 동작 주파수 제약 문제 및 광대역으로 인한 저지대역 특성 문제를 해결할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 명세서에서 집중 정수 소자로 설명된 여하한 구성요소도 분포 정수 회로로 구현할 수 있으며, 그 역도 가능하다. 또한 회로의 구체적인 구성과 무관하게 본 명세서에서 설명한 회로로 등가화될 수 있다면 그 역시 본 발명의 범위에 포함된다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로를 이용한 윌킨슨 전력 분배기를 설계자가 원하는 임의의 이중대역 동작 특성을 갖도록 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이중대역-CRLH 전송 선로를 이용한 단락-스터브(short-stub)를 통해 저지대역 특성을 향상시켜 동작 주파수 제약 문제 및 광대역으로 인한 저지대역 특성 문제를 해결할 수 있다.

Claims (12)

  1. 입력 단자 및 두 개의 출력 단자를 포함하는 전력 분배기에 있어서,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 각각에 두 단이 접속되는 두 개의 전송 선로; 및
    상기 출력 단자에 각각 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 접속되는 두 개의 단락 스터브(short-stub)
    를 포함하는 전력 분배기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전송 선로는 실질적으로 상기 출력 단자에 연결된 종단임피던스의 배 값을 특성임피던스로 갖는 제1 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로이고,
    상기 단락 스터브는 상기 종단임피던스와 실질적으로 동일한 값을 특성임피던스로 갖는 제2 이중대역-CRLH 전송 선로인 전력 분배기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는, 입력 신호에 대해 고주파대역에서 90도, 저주파대역에서 -90도의 위상 지연을 일으키는 전력 분배기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는,
    두 개의 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 두 개의 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 결합으로 등가화 될 수 있는 적어도 하나의 셀을 각각 포함하는 전력 분배기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 RH 전송선은 입력 신호에 대해 고주파대역에서 양의 위상 지연을 일으키고,
    상기 LH 전송선은 상기 입력 신호에 대해 저주파대역에서 음의 위상 지연을 일으키는 전력 분배기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전력 분배기를 포함하는 송수신기.
  7. 출력 단자 및 두 개의 입력 단자를 포함하는 전력 합성기에 있어서,
    상기 출력 단자와 상기 입력 단자의 각각에 두 단이 접속되는 두 개의 전송 선로; 및
    상기 입력 단자에 각각 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 접속되는 두 개의 단락 스터브(short-stub)
    를 포함하는 전력 합성기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전송 선로는 실질적으로 상기 입력 단자에 연결된 종단임피던스의 배 값을 특성임피던스로 갖는 제1 이중대역-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed) 전송 선로이고,
    상기 단락 스터브는 상기 종단임피던스와 실질적으로 동일한 값을 특성임피던스로 갖는 제2 이중대역-CRLH 전송 선로인 전력 합성기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는, 입력 신호에 대해 고주파대역에서 90도, 저주파대역에서 -90도의 위상 지연을 일으키는 전력 합성기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 이중대역-CRLH 전송 선로 및 상기 제2 이중대역-CRLH 전송 선로는,
    두 개의 직렬 인덕터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 두 개의 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 결합으로 등가화 될 수 있는 적어도 하나의 셀을 각각 포함하는 전력 합성기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 RH 전송선은 입력 신호에 대해 고주파대역에서 양의 위상 지연을 일으키고,
    상기 LH 전송선은 상기 입력 신호에 대해 저주파대역에서 음의 위상 지연을 일으키는 전력 합성기.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전력 합성기를 포함하는 송수신기.
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