KR20100004440A - 집중 소자를 이용한 전력 분배기 및 결합기 - Google Patents

집중 소자를 이용한 전력 분배기 및 결합기 Download PDF

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KR20100004440A
KR20100004440A KR1020080064606A KR20080064606A KR20100004440A KR 20100004440 A KR20100004440 A KR 20100004440A KR 1020080064606 A KR1020080064606 A KR 1020080064606A KR 20080064606 A KR20080064606 A KR 20080064606A KR 20100004440 A KR20100004440 A KR 20100004440A
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정진호
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

적은 수의 집중 소자를 이용하여 전력 분배기 및 결합기를 구현함으로써, 사이즈(size)의 효율성을 도모할 수 있고 광대역 특성을 가지며 적은 전력 손실 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 1 개의 입력 포트(P1)와 2 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 분배기에 있어서, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 캐패시터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P2)에 접속되는 제1 인덕터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P3)에 접속되는 제2 인덕터, 및 상기 출력 포트(P2) 및 상기 출력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 출력 포트를 격리시키는 임피던스 소자를 포함하는 전력 분배기가 제공된다.
윌킨슨 전력 분배기, 전력 분배기, 전력 결합기, 집중 소자, lumped element

Description

집중 소자를 이용한 전력 분배기 및 결합기{POWER DIVIDER AND COMBINER USING LUMPED ELEMENTS}
본 발명은 전력 분배기 및 결합기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적은 수의 집중 소자(lumped elements)를 이용하여 구현함으로써, 광대역 특성과 적은 전력 손실 효과를 얻을 수 있는 전력 분배기 및 결합기에 관한 것이다.
최근, 정보통신산업의 발달, 네트워크의 광대역화/초고속화, 높은 서비스 욕구 증대 등으로 이동통신 서비스의 융합화가 다양한 분야에서 점차 가속화되고 있고, 언제 어디서나 자유롭게 통신망에 접속하여 음성 데이터 및 영상 데이터 등의 고품질 멀티미디어의 활용이 가능하게 되었다. 이러한 다양한 이동통신 서비스가 제공되면서 이동통신 시스템의 전력 소비가 중요한 문제로 대두되고 있다.
전력 분배기는 이동통신 단말기 등의 RF 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 결합기로 사용하는 것도 가능하다. 종래의 전력 분배기로 서는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)가 널리 사용되어 왔다. 도 1a 및 도 1b는 종래의 윌킨슨 전력 분배기를 개략적으로 도시하는 도면이다. 먼저, 도 1a는 마이크로스트립 선로(Microstrip Line)로 구현된 윌킨슨 전력 분배기를 나타내며, 도 1b는 도 1a에 도시된 윌킨슨 전력 분배기의 등가 모델을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 윌킨슨 전력 분배기는 입력 포트(P1)와 2개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 윌킨슨 전력 분배기에 있어서, 입력 포트(P1)로 입력된 전력은 동일한 비율로 출력 포트(P2, P3)로 분배된다.
입력 포트(P1)는 노드 A에 접속되며, 출력 포트(P2, P3)는 각각 노드 B 및 노드 C 에 접속된다.
한편, 노드 B와 노드 C는 임피던스(ZBC)를 통해 연결되며, 상기 임피던스 (ZBC)는 출력 포트(P2, P3)의 종단 임피던스(Z0)의 2 배, 즉
Figure 112008048281353-PAT00001
로 주어진다.
또한, 노드 A와 B의 사이 및 노드 A와 C의 사이의 연결은 각각 전송 선로(Transmission Line; TAB 및 TAC) 를 통해 구현된다. 전송 선로(TAB, TAC)의 특성 임피던스 ZOT 는
Figure 112008048281353-PAT00002
로 정해지고, 전송 선로(TAB, TAC)의 길이는, 회로의 동작 주파수가 λ인 경우, λ/4 로 정해진다.
이와 같은 구조를 가지는 종래의 윌킨슨 전력 분배기에 있어서, 입력 포트(P1)로 입력된 신호는 출력 포트(P2, P3)로 절반씩 분배되어 출력된다. 이때, 전송 선로(TAB, TAC)에 의해 출력 포트(P2, P3)의 종단 임피던스(Z0)는 입력 포트(P1)에서 각각 2Z0로 변환되어 보인다. 그에 따라, 입력 포트(P1)에서는 2개의 임피던스 2Z0가 병렬 접속되어 있는 것처럼 보이므로, 입력 포트(P1)에서의 임피던스 매칭(Matching)이 이루어진다. 또한, 노드 B와 C의 전위가 같으므로 임피던스(ZBC)에는 전류가 흐르지 않고, 상기 임피던스(ZBC)는 입력 및 출력에 영향을 미치지 않을 것이다. 마찬가지로, 출력 포트(P2) 및 출력 포트(P3)에서도 각각 임피던스 매칭이 이루어지며, 이와 같은 윌킨슨 전력 분배기는 당업계에 널리 알려진 공지의 것이므로, 자세한 설명을 줄이도록 한다.
요컨대, 윌킨슨 전력 분배기는 모든 포트(P1, P2, P3)에서 임피던스 정합이 이루어지며, 출력 포트(P2, P3)는 서로 격리되어 있고, 입력 포트(P1)에서 입력된 전력은 손실 없이, 출력 포트(P2, P3)로 출력이 이루어지는 특성을 가진다. 이러한 요건을 산란 매트릭스(Scattering Matrix)로 나타내면 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008048281353-PAT00003
이와 같은 윌킨슨 전력 분배기는 그 구성이 간단하고 전송 선로를 이용하여 용이하게 구현이 가능할 뿐 아니라, 전력 분배 효율 및 격리도가 우수하여 여러 분야에서 사용되고 있다. 또한, 입력 포트(P1)와 출력 포트(P2, P3)에 임피던스를 추가하고, 전송 선로(TAB, TAC)의 특성 임피던스 및 임피던스(ZBC)의 값을 적절하게 조정하여 다양한 분배비의 전력 분배기를 구현할 수 있다.
그러나, 상기 윌킨슨 전력 분배기의 구현을 위해 λ/4 길이의 전송 선로(TAB, TAC)를 사용하여야 하므로, 저주파 신호에 대하여서는 회로의 크기가 매우 커지는 문제점이 있다. 예를 들어, VHF 대역인 200 MHz 의 신호를 사용하는 경우, 그 파장은 약 1.5m 이므로 전력 분배기에서는 37.5 cm의 전송 선로가 사용되어야 한다. 이와 같은 크기의 회로를 현재 날로 소형화되어 가고 있는 무선 통신 기기 등에 사용하는 것은 거의 불가능하다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 인덕터 또는 캐패시터 등의 집중 소자(Lumped element)를 이용하여 전력 분배기를 구현하고자 하는 노력이 있어 왔다. 도 2는 도 1과는 다른 집중 소자를 이용하여 구현한 종래의 윌킨슨 전력 분배기를 나타낸다.
도 2에 도시되는 윌킨슨 전력 분배기 역시, 입력 포트(P1)와 두 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하며, 노드 B와 C 사이에는 저항(R)이 연결되어 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 집중 소자를 이용한 윌킨슨 전력 분배기는 노드 A와 B 사이, 및 노드 A와 C 사이가, 도 1에서와는 달리 전송 선로(TAB, TAC)에 의해 구현 되지 않고, 인덕터 및 캐패시터에 의해 구현되고 있음을 알 수 있다.
도 1 및 도 2를 비교하면, 전송 선로(TAB, TAC)는 각각 하나의 인덕터(L) 양단에 캐패시터(C)가 삽입되어 있는 Π-네트워크(Π-Network) 형태의 회로로 구현할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 인덕터(L)의 인덕턴스 값과 캐패시터(C)의 커패시턴스 값은 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure 112008048281353-PAT00004
여기서, f는 전력 분배기의 동작 주파수이며, Z는 구현하고자 하는 전송 선로(TAB, TAC)의 임피던스로서 전송 선로(TAB, TAC)의 재질 등에 의해 정해진다. 도 1a 및 도 1b를 참조하여 전술한 바와 같이, 전송 선로(TAB, TAC)는 각각
Figure 112008048281353-PAT00005
의 임피던스를 가지므로, 이를 위의 수학식 2에 대입하면,
Figure 112008048281353-PAT00006
(ω는 각 주파수)의 값이 얻어진다.
다음의 표 1은 윌킨슨 전력 분배기의 동작 주파수가 f0=2GHz 일 때, 도 2의 회로에 포함된 각 집중 소자 및 저항의 값을 나타낸다.
f0 L (nH) C (pF) R(Ω)
2 GHz 5.627 1.125 100
따라서, 이러한 값을 갖는 인덕터와 캐패시터를 이용하여, 윌킨슨 전력 분배기를 구현한다면, λ/4 길이를 가지는 전송 선로(TAB, TAC)를 포함하지 않더라도, 그와 동일한 기능을 하는 전력 분배기가 얻어지게 되며, 이에 따라 소형화된 윌킨슨 전력 분배기를 얻을 수 있다.
그러나, 도 2와 같은 종래의 기술은 윌킨슨 전력 분배기의 전송 선로를 등가 회로로 단순히 구현한 것에 불과하고, 전송선로를 집중 소자를 이용하여 구현하였다 하더라도 그 소자의 개수가 많은 편이었는바, 회로의 크기를 최소화하고자 하는 의도를 완전히 만족시킬 수는 없었다. 또한, 인덕터의 인덕턴스 값이 비교적 큰 편이기 때문에, 높은 주파수 환경에서 활용되기에는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적은 수의 집중 소자로 구현이 가능한 전력 분배기 및 결합기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 작은 인덕턴스를 가지는 인덕터를 사용함으로써 높은 주파수 환경에서도 적절하게 활용 가능한 전력 분배기 및 결합기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 광대역 특성을 얻을 수 있음과 동시에, 파워 로스(power loss)가 줄어드는 전력 분배기 및 결합기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 복 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 1 개의 입력 포트(P1)와 2 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 분배기에 있어서, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 캐패시터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P2)에 접속되는 제1 인덕터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P3)에 접속되는 제2 인덕터, 및 상기 출력 포트(P2) 및 상기 출력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 출력 포트를 격리시키는 임피던스 소자를 포함하는 전력 분배기가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 따르면, 1 개의 입력 포트(P1)와 2 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 분배기에 있어서, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 인덕터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P2)에 접속되는 제1 캐패시터, 일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P3)에 접속되는 제2 캐패시터, 및 상기 출력 포트(P2) 및 상기 출력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 출력 포트를 격리시키는 임피던스 소자를 포함하는, 전력 분배기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 1 개의 출력 포트(P1)와 2 개의 입력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 결합기에 있어서, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고, 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 캐패시터, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P2)에 접속되는 제1 인덕터, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P3)에 접속되는 제2 인덕터, 및 상기 입력 포트(P2) 및 상기 입력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 입력 포트를 격리시키는 임피던스 소자를 포함하는 전력 결합기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 1 개의 출력 포트(P1)와 2 개의 입력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 결합기에 있어서, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 인덕터, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P2)에 접속되는 제1 캐패시터, 일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P3)에 접속되는 제2 캐패시터, 및 상기 입력 포트(P2) 및 상기 입력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 입력 포트를 격리시키는 임피던스 소자를 포함하는, 전력 결합기가 제공된다.
본 발명에 따르면, 집중 소자를 이용하여 회로를 구성함으로써, 종래의 기술에 비해 적은 수의 소자로서 전력 분배기 및 결합기를 구현할 수 있으므로, size의 효율성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전력 분배기 및 결합기를 적은 인덕턴스를 가지는 인덕터를 포함하여 구현함으로써, 광대역 특성을 얻을 수 있고, 전력 소비 또한 감소시킬 수 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에 있어서 전력 결합기에 관한 설명은 전력 분배기의 설명과 유사한 내용으로 대등하게 적용될 수 있으므로, 본 명세서에서는 주로 전력 분배기를 위주로 설명할 것이다. 다만, 본 명세서에 포함된 발명의 권리범위는 전력 결합기에도 동일하게 미칠 수 있음은 물론이라 할 것이다.
본 명세서에 있어서, "접속"이라는 용어는 두 요소가 전기적으로 접속되어 있음을 의미하는 것으로, 서로 다른 구성요소 사이라고 하더라도 이들 사이에 전자의 이동 통로가 형성되어 있는 경우라면 접속된 것으로 본다.
한편, 본 발명에 따른 윌킨슨 전력 분배기는 제1 실시예로서 고역 통과형(High Pass Type) 분배기와, 제2 실시예로서 저역 통과형(Low Pass Type) 분배기가 제공된다. 이하, 각 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기에 대해 차례로 상세히 설명한다.
고역 통과형 분배기
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고역 통과형 윌킨슨 전력 분배기의 등가회로도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기는 입력 포트(P1)와 두 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하여 구성될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 입력 포트(P1)로 입력된 전력은 동일한 비율로 출력 포트(P2, P3)로 분배된다.
입력 포트(P1)는 노드 A에 접속되며, 출력 포트(P2, P3)는 각각 노드 B 및 C에 접속된다. 도면에서, 노드 A, B 및 C 등의 노드는 설명의 편의를 위해 도입된 것으로, 실제 물리적 구현에 있어서 이들은 소자 간의 접속점의 형태로 존재하거나 명시적으로 존재하지 않을 수 있다.
노드 A는 캐패시터(C1)를 통해 접지(Ground)되고, 노드 A와 B, 및 노드 A와 C는 각각 인덕터(L)를 통해 연결된다. 또한, 도 3a를 참조하면, 노드 B와 C는 직렬로 연결된 캐패시터(C2)와 저항(R)을 통해 연결되고, 다른 변형예인 도 3b를 참조하면, 노드 B와 C는 병렬로 연결된 캐패시터(C2)와 저항(R)을 통해 연결된다.
본 발명의 윌킨슨 전력 분배기와 도 2에 도시되는 종래의 전력 분배기를 비교하여 보면, 본 발명의 윌킨슨 전력 분배기는 도 2에 존재하였던 양 Π-네트워크의 입력단에 있는 2개의 캐패시터를 합쳐 캐패시터(C1) 하나로 구현하고, 도 2에 존재하였던 양 Π-네트워크의 출력단에 있는 2 개의 캐패시터를 제거하는 대신 노드 B와 C 사이에 저항(R)과 직렬(또는 병렬) 연결되도록 하나의 캐패시터(C2)를 삽입하였다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 윌킨슨 전력 분배기는 소자의 개수를 많이 줄일 수 있게 된다.
한편, 도 3a의 회로에 대한 분석과 도 3b의 회로에 대한 분석은 거의 동일하므로, 이하에서는 도 3a의 회로에 대한 분석을 중점적으로 수행하도록 한다.
도 3a의 등가 회로로 구현되는 본 발명의 윌킨슨 전력 분배기가 전력 분배기 로서의 요건을 만족하는지와 회로에 포함되는 각 소자의 값을 알아내기 위해 도 3a를 회로 분석 방법의 일종인 우(even)·기(odd) 모드 분석 기법을 이용하여 분석해 보기로 한다.
도 4a는 우·기 모드 분석 기법을 이용해 회로를 분석하기 위해 도 3a의 윌킨슨 전력 분배기를 대칭화시킨 회로도이다. 이 회로에서 포트(P1)의 종단 임피던스를 Z1으로, 포트(P2, P3)의 종단 임피던스를 각각 Z2로 가정한다. 또한, 우 모드(Even Mode)는 Vg2=Vg3=2V 로 하고, 기 모드(Odd Mode)는 Vg2=-Vg3=2V 로 정의하기로 한다.
도 4a를 참조하면, 우 모드 해석을 위해 Vg2=Vg3=2V로 정의하면, VB=Vc 가 되고, 이 때 노드 B와 C 사이 및 노드 A와 A' 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 도 4a의 회로는 개방 회로로 양분할 수 있으며, 이러한 회로가 바로 도 4b이다.
한편, 도 4a를 다시 참조하면, 기 모드 해석을 위해 Vg2=-Vg3=2V로 정의하면, VB=-VC 가 되고, 노드 A의 전압은 0이 된다. 따라서, 노드 A를 접지시키고 노드 B 와 노드 C 사이의 중심점을 접지시켜 회로를 양분화할 수 있으며, 이러한 회로가 바로 도 4c이다.
도 4b 및 도 4c의 회로도로부터 출력 포트에서의 임피던스 매칭 조건을 이용하여 각 소자의 값을 알아내기 위한 방정식을 유도해 낼 수 있다.
먼저, 도 4b의 회로도를 참조하면, 노드 B에서 임피던스 매칭이 이루어지기 위해서는, 노드 B를 기준으로 하여 입력단 측과 출력단 측의 임피던스 값이 같아야 한다. 즉, 다음의 수학식 3을 만족시켜야 한다.
Z2=ZL+(2Z1∥ZC1 /2)
또한, 도 4c의 회로에서도, 노드 B에서의 임피던스 매칭이 이루어지기 위해서는, 노드 B를 기준으로 하여 입력단 측과 출력단 측의 임피던스 값이 같아야 한다. 즉, 다음의 수학식 4를 만족시켜야 한다.
Z2=ZL∥(R/2+Z2C2)
한편, 도 3a의 윌킨슨 전력 분배기는 입력 포트(P1)에서의 임피던스 매칭 조건 또한 만족시켜야 하며, 이러한 점을 이용하여 또 다른 방정식을 유도해내기 위한 입력 포트(P1)에서의 임피던스 매칭 구조 회로는 도 4d와 같다.
도 4d를 참조하면, 입력 포트(P1)에서의 임피던스 매칭이 이루어져야 하므로 노드 A를 기준으로 하여 입력단 측과 출력단 측의 임피던스 값이 같아야 한다. 즉, 다음의 수학식 5를 만족시켜야 한다.
Z1∥ZC1=(ZL+Z2)∥(ZL+Z2)
상기 수학식 3, 4, 5를 만족시키게 되면, 도 3a의 윌킨슨 전력 분배기는 각 포트(P1, P2, P3)에서 임피던스 매칭이 이루어지게 된다.
먼저, 수학식 3 및 수학식 5로부터 인덕터(L)와 캐패시터(C1)의 소자 값이 얻어질 수 있다. 각 소자 값은,
Figure 112008048281353-PAT00007
,
Figure 112008048281353-PAT00008
로 표현될 수 있다.
한편, 상기 인덕터(L)의 소자 값을 수학식 4에 대입하게 되면, 수학식 4를 만족시키기 위해서는,
Figure 112008048281353-PAT00009
가 되어야 함을 알 수 있다. 따라서, 저항(R)의 소자 값은
Figure 112008048281353-PAT00010
이고, 캐패시터(C2)의 소자 값은
Figure 112008048281353-PAT00011
임을 알 수 있다.
한편, 도 3a의 윌킨슨 전력 분배기를 양분화한 도 4b 및 도 4c의 회로에서, 출력 포트(P2 와 P3)는 서로 개방되거나 단락되기 때문에 출력 포트 간의 격리 조건도 만족함을 알 수 있다.
다음의 표 2는 전력 분배기의 동작 주파수가 f0=2GHz인 경우, 위에서 구한 각 소자 값들을 나타낸다.
f0 L (nH) C1 (pF) C2 (pF) R(Ω)
2GHz 3.446 2.756 3.675 37.5
표 2를 참조하면, 종래의 집중 소자를 이용한 윌킨슨 전력 분배기의 각 소자값(표 1 참조)과 비교하여 볼 때, 본 발명에 따른 윌킨슨 전력 분배기에 포함되는 인덕터의 인덕턴스 값이 보다 작은 값이기 때문에, 높은 주파수 대역에 적합한 특성을 갖게 되며, 도 2에 도시되는 종래의 윌킨슨 전력 분배기에 비해 적은 수의 소자를 이용하여 윌킨슨 전력 분배기를 구현해낼 수 있다.
본 발명자는 ADS를 이용하여 위와 같은 소자 값으로 전력 분배기를 설계하였고, 그 결과를 시뮬레이션하였다.
도 5a는 중심주파수를 2GHz로 하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기의 S-파라미터(S-Parameter)를 나타낸 것이다. 한편, 도 5b 내지 도 5d는 종래의 윌킨슨 전력 분배기와 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기의 특성을 비교하여 도시하는 도면이다. 도 5b 내지 도 5d의 그래프에서 도면부호 ①은 종래의 윌킨슨 전력 분배기의 특성을 나타내며 도면부호 ②는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기의 특성을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 전력 분배기는 종래의 윌킨슨 전력 분배기와 같이 -3dB 의 S21 파라미터 값을 가져 이상적인 전력 분배의 기능을 한다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 5b 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 분배기의 S-파라미터(S-parameter) 대역폭이 더 넓음을 알 수 있다. 구체적으로 설명하면, 도 5b에 도시되는 S11 파라미터의 경우 종래의 전력 분배기에 비해 약 55% 정도의 대역폭 증가를 보이며, 도 5c에 도시되는 S23 파라미터는 종래의 전력 분배기에 비해 약 50% 정도의 대역폭 증가를 보임을 알 수 있다.
또한, 도 5d를 참조하면, 저역 통과 필터의 특성을 보이는 S21 파라미터의 경우, 전력의 손실이 줄어든다는 것을 알 수 있으며, 사용 가능한 주파수 대역도 종래의 전력 분배기에 비해 더 넓다는 것 또한 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 윌킨슨 전력 분배기는 적은 수의 소자로 구현이 가능함과 동시에 종래의 전력 분배기에 비해 광대역 특성을 보이며, 전력 분배 및 전력 전달의 효율 또한 높음을 알 수 있다.
저역 통과형 분배기
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저역 통과형 윌킨슨 전력 분배기의 등가회로도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기도 제1 실시예와 마찬가지로 입력 포트(P1)와 두 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하여 구성될 수 있고, 입력 포트(P1)로 입력된 전력은 동일한 비율로 출력 포트(P2, P3)로 분배되며, 입력 포트(P1)는 노드 A에 접속되며, 출력 포트(P2, P3)는 각각 노드 B 및 C에 접속된다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 실시예와는 달리, 노드 A는 인덕터(L1)를 통해 접지(Ground)되고, 노드 A와 B 사이 및 노드 A와 C 사이는 각각 캐패시터(C)를 통해 연결된다. 또한, 노드 B와 C 사이는 직렬 또는 병렬로 연결된 인덕터(L2)와 저항(R)을 통해 연결된다.
도 6a 및 도 6b에 도시되는 윌킨슨 전력 분배기 역시 포트(P1)의 종단 임피던스를 Z1으로, 포트(P2, P3)의 종단 임피던스를 각각 Z2로 가정하였다. 한편, 도 6a의 회로에 대한 분석과 도 6b의 회로에 대한 분석은 거의 동일하므로, 이하에서는 도 6a의 회로에 대한 분석을 중점적으로 수행하도록 한다.
도 6a에 도시된 회로는 도 7에 도시되는 바와 같은 등가회로로 나타낼 수 있으며, 이러한 회로를 우·기 모드 분석 기법을 이용하여 분석함으로써, 각 소자의 소자 값을 파악해낼 수 있다. 다만, 그 분석 방법이 제1 실시예의 그것과 유사할 것이므로, 본 실시예의 분석에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 분석에 의해 얻어지는 각 소자 값은
Figure 112008048281353-PAT00012
,
Figure 112008048281353-PAT00013
,
Figure 112008048281353-PAT00014
,
Figure 112008048281353-PAT00015
로 표현될 수 있다.
이렇게 얻어지는 소자 값을 이용하여 전력 분배기를 구현하였고, 이를 ADS를 통해 시뮬레이션하였다.
도 8은 중심주파수를 2GHz로 하였을 때, 본 실시예에 따른 전력 분배기의 S-파라미터를 나타낸 것이며, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 전력 분배기의 경우에도 S21, 및 S31 파라미터가 -3dB의 값을 가져 이상적인 전력 분배의 기능을 한다는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 윌킨슨 전력 분배기를 실제로 구현하여, 그 성능을 실험한 결과에 대해 설명하기로 한다.
전력 분배기의 구현 및 성능 실험
본 발명에 따른 윌킨슨 전력 분배기의 일례로서 도 3에 도시되는 고역 통과형 윌킨슨 전력 분배기를 실제로 구현하여 성능을 실험하였다.
도 9는 본 발명의 전력 분배기를 구현한 일례를 도시한다. 본 구현예에 있어서, 중심 주파수는 2GHz로 하였고, 유전상수 2.55, 기판두께 0.508 mm, 구리 두께 0.018 mm 의 테프론(Teflon) 기판을 이용하였다. 또한, 전력 분배기에 포함되는 각 소자의 값은 L=3.3nH, C1=2.7pF,C2=3.9pF, R=39Ω 으로 하였으며, 1.6×0.8mm 의 칩 소자를 사용하였다.
본 발명자는 위와 같은 설계 파라미터로 구현된 전력 분배기에 대하여 실제 성능을 측정하였으며, 그 측정 결과는 도 10을 참조로 이하에서 설명한다.
도 10은 도 9와 같이 실제로 구현된 전력 분배기에 대한 S-파라미터 값을 나타내는 그래프이다.
도 10에 도시되는 바와 같이, S21 은 -3.2dB의 값을 가져 -3dB에 비해 0.2dB 정도의 손실을 나타내기는 하나, 거의 이상적인 전력 분배에 가까운 값을 보인다. 또한, S11 파라미터의 경우에는, 약 -20dB 정도의 값을 가져 양호한 반사 손실의 값을 나타내었으며, S23 파라미터는 약 -25dB의 값을 가져 출력 포트 간의 높은 격리도를 나타내었다. 한편, S22, S33 파라미터는 그 매칭 주파수가 중심 주파수인 2GHz 를 약 0.2~0.3GHz 정도 벗어나 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider)를 도시하는 도면이다.
도 2는 집중 소자를 이용하여 구현한 종래의 윌킨슨 전력 분배기를 도시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기의 등가 회로도를 도시하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 회로도를 분석하기 위한 회로도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기의 특성을 도시하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기의 등가 회로도를 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 윌킨슨 전력 분배기의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기의 특성을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 윌킨슨 전력 분배기를 실제로 구현한 일례를 도시한다.
도 10은 도 9의 윌킨슨 전력 분배기의 특성을 도시하는 도면이다.

Claims (10)

1 개의 입력 포트(P1)와 2 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 분배기에 있어서,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 캐패시터,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P2)에 접속되는 제1 인덕터,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P3)에 접속되는 제2 인덕터, 및
상기 출력 포트(P2) 및 상기 출력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 출력 포트를 격리시키는 임피던스 소자
를 포함하는 전력 분배기.
제1항에 있어서,
상기 임피던스 소자는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제2 캐패시터와 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
제2항에 있어서,
상기 제1 캐패시터의 커패시턴스 값을 C1, 상기 제1 및 제2 인덕터의 인덕턴스 값을 L, 상기 제 2 캐패시터의 커패시턴스 값을 C2, 상기 저항의 저항값을 R로 가정하고,
상기 입력 포트(P1)의 종단 임피던스를 Z1으로, 상기 출력 포트(P2, P3)의 종단 임피던스를 각각 Z2로 정하고, 각주파수를 ω로 나타낼 때,
Figure 112008048281353-PAT00016
,
Figure 112008048281353-PAT00017
,
Figure 112008048281353-PAT00018
,
Figure 112008048281353-PAT00019
를 만족하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
1 개의 입력 포트(P1)와 2 개의 출력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 분배기에 있어서,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 인덕터,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P2)에 접속되는 제1 캐패시터,
일단이 상기 입력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 출력 포트(P3)에 접속되는 제2 캐패시터, 및
상기 출력 포트(P2) 및 상기 출력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 출력 포트를 격리시키는 임피던스 소자
를 포함하는 전력 분배기.
제4항에 있어서,
상기 임피던스 소자는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제2 인덕터와 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
제5항에 있어서,
상기 제1 인덕터의 인덕턴스 값을 L1, 상기 제1 및 제2 캐패시터의 캐패시턴스 값을 C, 상기 제2 인덕터의 인덕턴스 값을 L2, 상기 저항의 저항값을 R로 가정하고, 상기 입력 포트(P1)의 종단 임피던스를 Z1으로, 상기 출력 포트(P2, P3)의 종단 임피던스를 각각 Z2로 정하고, 각주파수를 ω로 나타낼 때,
Figure 112008048281353-PAT00020
,
Figure 112008048281353-PAT00021
,
Figure 112008048281353-PAT00022
Figure 112008048281353-PAT00023
를 만족하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.
1 개의 출력 포트(P1)와 2 개의 입력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 결합기에 있어서,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고, 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 캐패시터,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P2)에 접속되는 제1 인덕터,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P3)에 접속되는 제2 인덕터, 및
상기 입력 포트(P2) 및 상기 입력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 입력 포트를 격리시키는 임피던스 소자
를 포함하는 전력 결합기.
제7항에 있어서,
상기 임피던스 소자는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제2 캐패시터와 저항을 포 함하는 것을 특징으로 하는, 전력 결합기.
1 개의 출력 포트(P1)와 2 개의 입력 포트(P2, P3)를 포함하는 전력 결합기에 있어서,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 그라운드(Ground)에 접속되는 제1 인덕터,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P2)에 접속되는 제1 캐패시터,
일단이 상기 출력 포트(P1)에 접속되고 타단이 상기 입력 포트(P3)에 접속되는 제2 캐패시터, 및
상기 입력 포트(P2) 및 상기 입력 포트(P3) 사이에 접속되어, 상기 2 개의 입력 포트를 격리시키는 임피던스 소자
를 포함하는 전력 결합기.
제9항에 있어서,
상기 임피던스 소자는 직렬 또는 병렬로 연결되는 제2 인덕터와 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 결합기.
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