KR20130107290A - 유도자-커패시터-유도자 고출력 결합기 - Google Patents

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KR20130107290A
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Abstract

결합기는 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 각각의 출력에 연결되도록 구성되는 N 공축 케이블들을 포함하는데, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. 각각의 N 공축 케이블은 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 각각의 하나로부터 증폭된 무선 주파수 신호를 수신하도록 구성된다. 보드는 커패시턴스들을 포함하고 각각의 N 공축 케이블에 연결되도록 구성되며 무선 주파수 신호들을 결합한다. N 공축 케이블들 및 커패시턴스들은 N 인덕턴스와 커패시턴스 조합들을 제공한다. 커넥터는 보드의 출력을 부하에 연결하도록 구성된다.

Description

유도자-커패시터-유도자 고출력 결합기{LCL HIGH POWER COMBINER}
관련 특허의 교차 참조
본 발명은 2011년 8월 31일에 출원된 미국실용신안출원 제 13/222,014의 우선권을 주장하며 2010년 9월 7일에 출원된 미국가출원 제 61/380,496의 이익을 주장한다. 위의 출원들은 여기에 전체가 참조로써 통합된다.
본 발명은 전력 증폭기들(power amplifier) 및 전력 증폭기들의 출력들의 결합기(combiner)에 관한 것이다.
본 섹션은 본 발명과 관련된 배경기술 정보를 제공한다. 본 섹션은 반드시 종래의 기술은 아니다.
다양한 산업에서 부하(load)에 공급된 전력을 증가시키기 위하여 증폭된 신호들을 결합하기 위한 결합기들을 사용한다. 비-제한 예로서, 무선 주파수(radio frequency, RF) 발생기는 다중 무선 주파수 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 무선 주파수 전력 증폭기들로부터의 전력은 결합기에 의해 결합되고 플라스마 챔버(plasma chamber)와 같은, 부하로 제공될 수 있다. 결합된 전력은 내장 회로들, 태양광 패널들, 콤팩트 디스크들(CDs), 디지털 가전성(versatile) 디스크들(DVDs) 등과 같은 다양한 부품들을 제작하기 위하여 플라스마 챔버를 구동한다.
고주파수 및 초고주파수 환경에서, 결합기들은 손실 페라이트 변환기(lossy ferrite transformer)들, 전송 라인들, 분리 장치(isolation device)들 등을 포함할 수 있다. 결합기들은 분리될 수 있거나 또는 비-분리될 수 있는데, 예를 들면, 윌킨슨형(Wilkinson type) 결합기는 분리되는 결합기 또는 비-분리되는 결합기일 수 있다. 비-분리되는 변환기의 또 다른 예가 균형 모드에서 작동하는 손실 페라이트 변환기이다. 분리된 결합기는 서로로부터 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 저항기 및/또는 다른 분리 장치들을 거쳐 분리되는 입력들을 갖는다. 비-분리되는 결합기는 서로로부터 분리되지 않는 입력들을 갖는다.
결합기들은 폼 팩터(formfactor)들, 전력 밀도 레벨들, 열 발생 레벨들, 이득 매칭 에러(gain matching error)들, 위상 매칭 에러들과 같은, 파라미터들과 관련된다. 용어 "폼 팩터"는 결합기의 볼륨(높이, 폭 및 깊이) 및/또는 엔벨로프(envelope)를 언급한다. 이득 및 위상 매칭 에러들은 부하가 짧은 회로 및/또는 개방 회로를 가질 때 결합기 및 부하 사이의 매칭 에러들을 언급한다. 결합기의 특별한 적용은 이득, 위상 및/또는 임피던스(impedance) 매칭 요구사항들을 가질 수 있다. 각각의 이득, 위상 및/또는 임피던스(impedance) 매칭 요구사항들은 관련 매칭 에러 한계들을 포함할 수 있다.
종래의 결합기들의 폼 팩터들, 복잡도 및 구조들은 (ⅰ) 결합기들이 사용될 수 있는 적용들 및 작동 환경들 및 (ⅱ) 결합기들을 효율, 전력 출력들 등을 제한한다. 예로서, 전력 발생기는 전력 밀도 요구사항 및/또는 전용(dedicated) 최대 새시(chassis) 볼륨 요구사항(예를 들면, 최대 높이, 폭 및 깊이 요구사항들)을 가질 수 있다. 전력 발생기는 원하는 전력 출력을 충족하기 위하여 두 개 또는 그 이상의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 그러나, 결합기들은 만일 결합기 및/또는 전력 증폭기들의 폼 팩터가 최대 새시 볼륨을 초과하는 전력 발생기의 전체 볼륨을 야기하면 사용할 수 없을 수 있다.
또한, 구조적 제한들 및 작동 특성들은 전력 증폭기들이 짝수에서 결합되도록 요구할 수 있다. 예를 들면, 전력 발생기의 전력 출력 요구사항은 3개의 전력 증폭기의 사용을 요구할 수 있다. 4개의 전력 증폭기들은 필요한 전력 출력을 충족하기 위하여 전력부족이 된다(underopowered). 부가적인 전력 증폭기들의 사용은 크기, 복잡도, 비용, 열 발생 등을 증가시키고 전력 발생기의 효율 및 가능한 적용들과 작동 환경들을 감소시킨다.
결합기는 각각 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 각각의 출력에 연결되도록 구성되는 N 공축(coaxial) 케이블들을 포함하는데, N은 1보다 큰 정수이다. 각각의 N 공축 케이블은 N 무선 주파수 전력 증폭기들 각각의 하나로부터 증폭된 무선 주파수 신호를 수신하도록 구성된다. 보드(board)는 커패시턴스(capacitances)들을 포함하고 각각의 N 공축 케이블들에 연결되도록 구성되며 무선 주파수 신호들을 결합한다. N 공축 케이블들 및 커패시턴스들은 N 인덕턴스(inductance) 및 커패시턴스 조합들을 제공한다. 커넥터(connector)는 보드의 출력을 부하에 연결하도록 구성된다.
다른 특징들에 있어서, 결합기는 제 1 무선 주파수 전력 증폭기의 제 1 출력에 연결하도록 구성되는 제 1 공축 케이블을 포함한다. 제 1 공축 케이블은 제 1 인덕턴스를 갖는 제 1 비-차단 섹션(non-shielded section)을 포함한다. 제 2 공축 케이블은 제 2 무선 주파수 전력 증폭기의 제 2 출력에 연결하도록 구성된다. 제 2 공축 케이블은 제 2 인덕턴스를 갖는 제 2 비-차단 섹션(non-shielded section)을 포함한다. 보드는 제 1 커패시턴스 및 제 2 커패시턴스를 포함한다. 제 1 커패시턴스는 제 1 인덕턴스와 커패시턴스 조합을 제공하기 위하여 제 1 비-차단 섹션에 연결된다. 제 2 커패시턴스는 제 2 인덕턴스와 커패시턴스 조합을 제공하기 위하여 제 2 비-차단 섹션에 연결된다. 제 2 인덕턴스와 커패시턴스 조합은 제 1 인덕턴스와 커패시턴스 조합과 동일하다.
본 발명의 또 다른 적용들은 상세한 설명, 청구항들 및 도면들로부터 자명해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 실시 예들은 단지 설명의 목적만을 위하여 의도되는 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되어서는 안 된다.
여기에 설명되는 도면들은 선택된 실시 예들의 설명 목적을 위한 것이고 모든 가능한 구현들은 아니며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명에 따른 결합기와 협력하는 전력 발생기 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 결합기의 상면도이다.
도 3은 절단 라인 A-A를 통한 도 2의 결합기의 공축 케이블의 단면도이다.
도 4는 도 2의 결합기의 일부의 회로 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 멀티-웨이(multi-way) 결합기이다.
일부 도면들에 걸쳐 상응하는 참조 번호들은 상응하는 부품들을 나타낸다.
이제 바람직한 실시 예들이 동반하는 도면들을 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.
본 발명이 완벽해지도록 하고 통상의 지식을 가진 자들에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하기 위하여 바람직한 실시 예들이 제공된다. 본 발명의 실시 예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 특정 부품들, 장치들, 및 방법들의 예들과 같이 많은 특정 세부사항이 설명된다. 통상의 지식을 가진 자들에게 특정 세부사항이 사용될 필요가 없으며, 여러 가지 다양한 형태로 바람직한 실시 예들이 구현될 수 있으며 이들 모두 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다는 것은 자명할 것이다. 일부 실시 예들에서, 잘 알려진 공정들, 잘 알려진 장치 구조들, 및 잘 알려진 기술들은 상세히 설명되지 않는다.
여기서 사용되는 용어는 바람직한 특정 실시 예들을 설명하기 위한 목적이며 이에 한정되는 것으로 의도되어서는 안 된다. 여기서 사용되는 것과 같이, 단수 용어들 "a", "an" 및 "the"는 문백이 분명히 달리 표시하지 않으면, 복수의 형태도 포함하는 것으로 의도될 수 있다. 용어들 "comprises", "comprising", "including", 및 "having"은 서술된 특징부들, 정수들, 단계들, 작동들, 소자들, 및/또는 부품들의 존재를 포함하고 지정하나, 하나 또는 그 이상의 다른 특징부들, 정수들, 단계들, 작동들, 소자들, 부품들 및/또는 그것들의 그룹의 존재 또는 첨가를 배제하지는 않는다. 여기서 설명되는 방법 단계들, 과정들 및 작동들은 실행 순서로서 구체적으로 확인되지 않는 한, 설명되거나 도시된 특정 순서로 그것들의 실행을 반드시 필요로 하는 것으로 구성되지는 않는다. 또는 부가적인 또는 대안의 단계들이 사용될 수 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층에 "위에(on)", "맞물리는(engaged to)", "연결되는(connected to)" 또는 "결합되는(coupled to)"으로서 언급되면, 이는 다른 소자에 직접 위에, 맞물리는, 연결되는 또는 결합될 수 있거나 혹은 개입하는 소자들 또는 층이 존재할 수 있다. 이와 대조적으로, 소자가 다른 소자 또는 층에 "직접적으로(directly) 위에", "맞물리는", "연결되는" 또는 "결합되는"으로서 언급되면, 개입하는 소자들 또는 층은 존재하지 않을 수 있다. 소자들 사이의 관계를 설명하는데 사용되는 다른 단어들도 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예를 들면, "사이에" 대 "사이에 직접적으로", "인접한" 대 "바로 인접한" 등). 여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "및/또는"은 하나 또는 그 이상의 기재된 관련 아이템들의 어떠한 또는 모든 조합을 포함한다.
비록 용어들 제1, 제 2, 제 3 등은 여기서 다양한 소자들, 부품들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위하여 사용될 수 있으나, 이러한 소자들, 부품들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 하나의 소자, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션을 또 다른 소자, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "제 1", "제 2" 및 다른 숫자 용어들과 같은 용어들은 여기서 사용될 때 문맥에 의해 분명히 표시되지 않는 한 순서 또는 서열을 나타내지 않는다. 따라서, 아래에 설명되는 제 1 소자, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션은 바람직한 실시 예들의 사상을 벗어나지 않고 제 2 소자, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션으로 불릴 수 있다.
"내부(inner)", "외부(outer)" "밑에(beneath)", "아래에(below)", "위에(above)" "상부에(upper)" 등과 같은, 공간과 관련된 용어는 여기서는 도면에 도시된 것과 같이 하나의 소자 또는 특징의 관계를 다른 소자(들) 또는 특징(들)의 관계에 대하여 설명하기 위한 설명의 편리를 위하여 사용될 수 있다. 공간과 관련된 용어들은 도면들에 도시된 지향에 더하여 사용하거나 작동하는 장치의 다른 지향들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 만일 도면에서의 장치가 뒤집히면, 다른 소자들 또는 특징부들의 "아래에" 또는 "밑에"로 설명되는 소자들은 그때 다른 소자들 또는 특징부들의 "위에"로서 설명될 수 있다. 따라서, 용어 "아래에"는 위 및 아래의 지향 모두를 포함할 수 있다. 장치는 달리 지향될 수 있으며(90도 회전 또는 다른 지향들에서) 따라서 여기서 사용되는 공간과 관련된 기술어들은 그에 알맞게 해석될 수 있다.
도 1에서, 결합기(12)와 협력하는 전력 발생기 시스템(10)의 블록 다이어그램이 도시된다. 전력 발생기 시스템(10)은 입력 증폭기(14), 스플리터(splitter, 16), 제 1 및 제 2 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20), 결합기(12) 및 부하(22, 예를 들면, 플라스마 챔버)를 포함한다. 입력 증폭기(14)는 조정된 신호(conditioned sigtal, 26)를 발생시키기 위하여 무선 주파수 신호(24)를 수신하고 조정한다. 입력 증폭기(14)는 예를 들면, 전치 증폭기(preamplifier), 드라이버(driver) 등을 포함할 수 있다. 스플리터(16)는 각각의 라디오 주파수 전력 증폭기들(18, 20)에 조정된 신호(26)를 제공한다. 스플리터(16)의 출력들은 분리기(isolator, 28)를 거쳐 서로로부터 분리될 수 있다. 분리기(28)는 하나 또는 그 이상의 저항기(resistor) 및/또는 다른 분리 장치들을 포함할 수 있다.
무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)은 고출력 증폭기들일 수 있다. 비-제한 예로서, 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)은 각각 2.5 킬로와트(kW)보다 크거나 또는 동일한 전력 출력들을 제공할 수 있다. 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)은 서로 동위상(in-phase, 예를 들면, 각각 0o의 상을 가질 수 있는)인 증폭된 출력 신호들(30, 32)을 발생시킨다. 비록 두 개의 무선 주파수 전력 증폭기들이 도시되나 무선 주파수 전력 증폭기들의 수는 통합될 수 있다. 무선 주파수 전력 증폭기들은 홀수이거나 짝수일 수 있다.
비록 결합기(12)가 주로 무선 주파수 전력 증폭기들의 출력 신호들을 결합하는 것과 관련하여 설명되나, 결합기(12)는 다른 회로 부품들의 출력 신호들을 결합하는데 사용될 수 있다. 결합기(12)는 부하(22)로 제공되는, 전력 발생기 출력 신호(34)를 제공하기 위하여 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 증폭된 출력 신호들(30 및 32)을 결합한다. 결합기(12)는 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 출력 터미널들(38, 40) 사이에 분리기를 제공하지 않는다. 결합기(12)의 입력들(42, 44)은 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 출력들을 임피던스 매칭할(impedance match) 수 있다. 예를 들면, 각각의 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 출력 임피던스 및 결합기(12)의 입력 임피던스는 각각 50 옴(Ω)일 수 있다. 게다가, 결합기(12)의 출력 임피던스는 부하(22)의 입력 임피던스와 일치할 수 있다. 또 다른 예로서, 결합기(12)의 출력 임피던스 및 부하(22)의 입력 임피던스는 각각 50 Ω일 수 있다.
도 2에서, 도 1의 결합기(12)의 실시 예가 도시된다. 결합기(12)는 두 개 또는 그 이상의(두 개가 도시) 공축 케이블(50, 52)을 포함한다. 공축 케이블들(50, 52)은 공축 커넥터들(54, 56), 접지 섹션(grounding section, 58, 59)들, 커패시턴스 보드(60), 및 출력 커넥터(62)를 포함한다. 공축 케이블들(50, 52)은 공축 커패시터(제 1) 단부들(64, 66) 및 커패시터(제 2) 단부들(68, 70)을 포함한다. 공축 커넥터들(54, 56, 예를 들면, c-형 커넥터들)은 제 1 단부들(64, 66) 및 무선 주파수 전력 증폭기들의 출력 터미널들(예를 들면, 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 출력 터미널(38, 40))에 연결된다. 접지 섹션들(58, 59)은 지면(74, 예를 들면, 회로 및/또는 새시 지면)에 연결되는 클램프(72)에 의해 유지된다. 클램프(72)는 접지 클램프로서 언급될 수 있다. 클램프(72)는 예를 들면, 접지되거나 또는 전압 기준에 연결되는, 무선 주파수 데크(deck)에 연결되거나 고정될 수 있다. 클램프(72)는 스크루 다운 클램프(screw down clamp)일 수 있다. 제 2 단부들(68, 70)은 커패시턴스 보드(60)에 연결된다. 커패시턴스 보드(60)는 차례로 부하(예를 들면, 부하(22))에 연결될 수 있는, 출력 커넥터(62)에 연결된다.
또한 이제 도 3을 참조하면, 제 1 공축 케이블(50)의 단면도가 도시된다. 제 2 공축 케이블(52)은 제 1 공축 케이블(50)과 동일한 단면 형태를 가질 수 있다. 제 1 공축 케이블들(50)은 코어(80, 예를 들면 와이어), 유전체 절연제(dielectric insulator, 82), 실드(shield, 84), 및 시스(sheath, 86, 각각 제 2 공축 케이블(52)을 위하여 지정된 80', 82', 84' 및 86')를 가질 수 있다. 코어(80)는 출력 커넥터(22)에서 전력 출력 신호(34)를 제공하도록 결합될 수 있는, 무선 주파수 출력 증폭기들(18, 20) 중 하나의 출력 신호에 연결되고 이를 수신할 수 있다. 유전체 절연제(82)는 실드(84)로부터 코어(80)를 분리한다. 실드(84)는 예를 들면 전압 기준(90, 예를 들면, 접지 기준)에 노출되고 연결되는 와이어 메시(wire mesh)일 수 있다. 코어(80) 및 실드(84)는 구리 또는 전도성 물질들로 형성될 수 있다. 유전체 절연제(82) 및 시스(86)는 비-전도성이며 플라스틱 및/또는 다른 유전체 물질들로 형성될 수 있다.
각각의 공축 케이블들(50, 52)은 4개의 섹션들; 시스 섹션들(sheathed sections, 100), 실드 섹션들(102), 비-실드 섹션들(104), 및 코어 섹션들(106)을 포함한다. 시스 섹션들(100)은 공축 커넥터들(54, 56)로부터 클램프(72)로 확장한다.
실드 섹션들(102)은 시스 섹션들(100) 및 비-실드 섹션들(104) 사이를 확장하고, 클램프(72)에 의해 유지되며 전압 기준(90)에 연결된다. 실드 섹션들(102)에서, 공축 케이블들(50, 52)의 시스들(86, 86')은 실드들(84, 84')을 노출시키기 위하여 제거된다. 실드들(84, 84')은 실드들(84, 84')을 전압 기준(90)에 결합하는, 클램프(72)에 접촉하기 위하여 노출된다.
비-쉴드 섹션들(104)은 클램프(72)로부터 코어 섹션들(106)로 확장한다. 시스들(86, 86') 및 실드들(84, 84')은 유전체 절연제들(82, 82')을 노출시키기 위하여 비-실드 섹션들(104)로부터 제거된다. 각각의 비-실드 섹션(104)은 커넥터(54, 56)들 중의 각각의 하나와 직렬인 선형 유도자(inductor)로서 실행한다. 각각의 비-실드 섹션들(104)의 인덕턴스는 비-실드 섹션들(104)의 길이(D)를 기초로 한다. 길이(D)는 적용을 기초로 하여 선택될 수 있다.
코어 섹션들(106)은 시스들(86, 86'), 실드들(84, 84') 및 유전체 절연제들(82, 82')을 포함하지 않는다. 코어 섹션들(106)은 비-실드 섹션들(104)로부터 확장하고 커패시턴스 보드(60)에 연결된다. 커패시턴스 보드(60)는 원하는 임피던스 변환을 제공하기 위하여 출력 커넥터(62)에서 션트 커패시턴스(shunt capacitance)를 제공한다.
커패시턴스 보드(60)는 병렬로 및/또는 직렬로 연결될 수 있는, 어떠한 수의 커패시터들(예를 들면 커패시터들 C1, C2)을 포함할 수 있다. 커패시터들의 제 1 단부들(122)은 코어 섹션들(106) 내의 코어들(80, 80')에 연결될 수 있다. 커패시터들의 제 2 단부들(124)은 전압 기준(90)에 연결될 수 있다. 커패시턴스 보드(60)의 출력은 출력 커넥터(62)에 연결된다.
공축 케이블들(50, 52)은 대략 동일한 크기, 섹션 길이를 가질 수 있으며, 동일한 물질들로 형성될 수 있다. 예를 들면, 시스 섹션들(100)의 길이들(및 다른 크기들)은 동일할 수 있고, 비-실드 섹션들(102)의 길이들(및 다른 크기들)은 동일할 수 있으며, 코어 섹션들(106)의 길이들(및 다른 크기들)은 동일할 수 있다. 이는 공축 케이블들(50, 52)의 임피던스들 및 인덕턴스들이 대략 동일하다는 것을 추정한다. 예로서, 비-실드 섹션들(104)의 길이는 대략 동일할 수 있다(예를 들면, 길이들 사이의 차이가 ±1-3 ㎜보다 크지 않은, 동일한 길이)할 수 있는데, 이는 예를 들면, 1Ω 이내까지 비-실드 섹션들(104)의 임피던스들과 일치할 수 있다.
공축 케이블들(50, 52)은 제 2 단부들(68, 70)에 대하여 병렬로 효율적으로 연결된다. 그 결과, 결합기(12)의 출력 임피던스(예를 들면, 50Ω)는 결합기(12)의 각각의 인덕턴스와 커패시턴스(LC) 조합의 임피던스와 동일하다. 인덕턴스와 커패시턴스 조합은 공축 케이블(50, 52)의 각각이 하나 및 상응하는 커패시턴들(예를 들면, C1, C2)에 의해 제공된다. 예를 들면, 제 1 인덕턴스와 커패시턴스 조합은 제 1 공축 케이블(50) 및 제 1 커패시턴스(C1)의 제 1 비-실드 섹션에 의해 제공된다. 제 2 인덕턴스와 커패시턴스 조합은 제 2 공축 케이블(52) 및 제 2 커패시턴스(C2)의 제 2 비-실드 섹션에 의해 제공된다. 비록 각각의 커패시턴스(C1, C2)에 대하여 단일 커패시터가 도시되나, 각각의 커패시턴스(C1, C2)는 많은 수의 커패시터를 포함할 수 있다.
각각의 인덕턴스와 커패시턴스 조합은 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20) 중 하나의 출력 임피던스를 증가시키거나 두 배로 만든다(예를 들면, 50Ω에서 100Ω로). 인덕턴스와 커패시턴스 조합이 커패시턴스 보드(60) 및/또는 출력 커넥터(62)에서 병렬로 연결되기 때문에, 결합기(12)의 출력 임피던스(예를 들면, 50Ω)는 대략 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20) 중 하나의 출력 임피던스와 동일(즉, 일치)할 수 있다. 바꾸어 말하면, 각각의 출력 케이블의 출력 임피던스는 각각의 무선 주파수 전력 증폭기(18, 20)의 출력 임피던스보다 크다(또는 두 배). 그러나, 결합기(12)의 전체 출력 임피던스는 각각의 무선 주파수 전력 증폭기(18, 20)의 출력 임피던스와 동일할 수 있다. 용어 "대략 동일하다"는 두 개의 값이 서로의 미리 결정된 범위 내에 있거나 및/또는 서로 동일한 것으로 언급된다. 예로서, 위에서 설명된 임피던스 값들은 서로 ±1-3Ω 내에 있을 수 있다.
또한 이제 도 4를 참조하면, 결합기(12)의 일부의 회로 다이어그램이 도시된다. 결합기(12)는 유도자-커패시터-유도자(LCL)형 결합기이다. 비-실드 섹션들(104)의 인덕턴스들은 유도자들(L1 및 L2)에 의해 표현된다. 커패시턴스 보드(60)의 커패시터들(예를 들면, C1 및 C2)의 전체 커패시턴스는 커패시터(CTotal)에 의해 표현된다. 유도자(L1 및 L2)은 입력 단부들(150, 152) 및 출력 단부들(154, 156)을 갖는다. 커패시터(CTotal)는 입력 단부(158) 및 출력 단부(160)를 갖는다.
입력 단부들(150, 152)은 실드 섹션들(100)을 거쳐 공축 커넥터들(54, 56)에 연결될 수 있다. 출력 단부들(154, 156)은 커패시터(CTotal)의 제 1 단부(158)에 연결된다. 커패시터(CTotal)의 제 2 단부(160)는 또한 출력 커넥터(62)에 연결된다.
도 5에서, 일례의 멀티-웨이 결합기 파라미터 테이블이 도시된다. 멀티-웨이 결합기 파라미터 테이블은 다양한 N-웨이 결합기들을 위하여 전체 커패시턴스(Total C), 비-실드 섹션 인덕턴스(L) 및 비-실드 섹션 길이(D)를 제공하는데, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. 테이블에서, F1-F3는 무선 주파수들이고, TC1-TC10은 커패시턴스(CTotal)를 위한 전체 커패시턴스 값이며, I1-I10은 각각의 유도자(L1 및 L2)의 인덕턴스 값들이며, D1-D10은 길이(D)를 위한 길이 값들이다. 선택된 전체 커패시턴스, 인덕턴스 및/또는 길이 값들은 N-웨이 결합기들에 의해 수신되는 무선 주파수에서의 증가에 대하여 감소될 수 있다.
멀티-웨이 결합기 파라미터 테이블은 서로 다른 주파수에서 작동하는 미터 값들을 제공한다. 2-웨이 결합기는 두 개의 무선 주파수 전폭기들로부터 두 개의 전력 출력을 수신하고 결합하는 결합기를 언급한다. 2-웨이 결합기는 도 1, 2, 및 4에 도시된다. 3-웨이 결합기는 3 개의 무선 주파수 전폭기들로부터 3 개의 전력 출력을 수신하고 결합하는 결합기를 언급한다. 4-웨이 결합기는 4 개의 무선 주파수 전폭기들로부터 4 개의 전력 출력을 수신하고 결합하는 결합기를 언급한다. 3 개 또는 그 이상의 무선 주파수 전폭기들로부터 3 개 또는 그 이상의 전력 출력을 수신하고 결합하는 N-웨이 결합기는 수신되는 각각의 부가적인 무선 주파수 전력 증폭기 출력을 위하여 부가적인 공축 케이블 및 상응하는 커패시턴스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 3-웨이 결합기는 도 2 및 4의 결합기(12)로서 구성될 수 있으나, 두 개의 공축 케이블을 갖는 두 개의 인덕턴스와 커패시턴스 조합 대신에 세 개의 공축 케이블을 갖는 세 개의 인덕턴스와 커패시턴스 조합을 포함할 수 있다. 세 개의 공축 케이블들은 출력 커넥터(62)에 대하여 병렬로 효율적으로 연결될 수 있다. 원하는 전력 출력을 제공하기 위하여 많은 수의 공축 케이블 및/또는 인덕턴스와 커패시턴스 조합이 연결될 수 있다.
전체 커패시턴스(Total C)는 커패시턴스 보드 또는 결과로서 생기는 인덕턴스와 커패시턴스 조합들의 커패시터들의 커패시턴스(예를 들면, CTotal)이다. 비-실드 섹션 인덕턴스(L)는 결합기(12)의 각각의 비-실드 섹션(104)의 인덕턴스를 언급한다. 각각의 비-실드 섹션(104)의 인덕턴스는 비-실드 섹션들의 길이(예를 들면, 길이 D)를 기초로 한다. 길이들은 무선 주파수 전력 증폭기들로부터 수신되는 증폭된 무선 주파수 신호들의 무선 주파수들을 기초로 하여 조절될 수 있다.
다시 도 2 및 4를 참조하면, 비-실드 섹션들(104)의 코어들(80, 80')을 거쳐 결합기(12)의 인덕턴스들(예를 들면, L1 및 L2)이 제공된다. 인덕턴스들은 부가적인 커넥터들, 인쇄 회로 기판들 및 부가적인 고출력 유도자들의 협력 없이 제공된다.
바람직한 일 구현에서, 결합기(12)는 예를 들면, 50Ω의 입력 및 출력 임피던스 매칭을 제공하기 위하여 사용된다. 입력 및 출력 임피던스 매칭은 결합기(12)의 각각의 입력 및 결합된 출력의 임피던스가 예를 들면, ±1Ω 내의 50Ω인 것과 같이 제공될 수 있다. 그 결과 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)의 각각의 출력은 결합기의 50Ω 부하 또는 입력 임피던스에 연결된다. 또한 각각의 공축 케이블들(50, 52)의 크기, 구조 또는 물질의 매칭에 기인하여, 결합기(12)는 공축 케이블들(50, 52) 사이에 정확한 이득 및 위상 매칭(예를 들면, ±0.1 데시벨(dB) 내의 이득 및 ±3o 내의 위상)을 제공한다. 공축 케이블들(50, 52)의 위상들은 신호 제거(signal cancellation) 없이 결합되도록 매칭될 수 있다.
결합기(12)의 각각의 공축 케이블(50, 52)의 매칭은 무선 주파수 전력 증폭기들(18, 20)로부터의 전력의 균형 잡힌 공유를 허용한다. 그 결과, 결합기(12)의 이득 매칭 및 위상 매칭 에러들은 종래의 이득 및 위상 매칭 에러들보다 작다. 예를 들면, 부하가 단 회로 또는 개방 회로일 때 결합기(!2)의 부하에 의해 확대될 수 있는, 종래의 이득 및 위상 매칭 에러들은 각각 0.5dB 및 10o일 수 있다.
위에서 설명된 결합기들은 무선 주파수 전력을 결합하고, 최소 크기들 및 폼 팩터들을 가지며 증가된 전력 밀도들을 허용한다. 결합기들이 공축 케이블들, 공축 커넥터들, 및 커패시턴스 보드로 형성되기 때문에 결합기의 파형률은 기계적 박스, 페라이트들, 변환기 권선 등의 사용 없이, 최소화된다. 이는 결합기들 및 상응하는 무선 주파수 전력 증폭기들이 종래의 무선 주파수 전력 증폭기/결합기 시스템들보다 작은 공간 또는 범위 내에서 통합되도록 허용한다.
여기에 설명된 결합기들의 구조는 종래의 고전력 결합기들보다 더 적은 부품을 가지며 더 작기 때문에, 구조들은 종래의 고전력 결합기들보다 덜 복잡하고 비용이 덜 든다. 더 작고 덜 복잡하게 함으로써, 결합기들은 종래의 결합기들보다 제조하기가 쉽다. 위에서 설명된 결합기들은 또한 결합기들이 페라이트 물질들 및/또는 페라이트 변환기들을 포함하지 않기 때문에, 무선 주파수 전력 손실 및 작동 동안에 온도의 증가를 최소화한다. 위에서 설명된 결합기들은 또한 최소 수의 부품들 및 최소의 구조적 복잡성을 포함하기 때문에 증가된 안정성을 제공한다.
실시 예들의 앞선 설명들은 설명이 목적으로 제공되었다. 이는 본 발명의 전부 또는 본 발명을 한정하는 것으로 의도되어서는 안 된다. 특정 실시 예의 개별 구성요소 또는 특징들은 일반적으로 그러한 특정 실시 예에 한정하지 않으며, 적용가능하다면, 상호 호환되며 구체적으로 도시되거나 설명되지 않더라도 선택된 실시 예에서 사용될 수 있다. 동일한 것들이 또한 여러 방법으로 변경될 수 있다. 그러한 변경들은 본 발명의 범위를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 되며, 그러한 모든 변형들은 본 발명이 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
10 : 전력 발생기 시스템
12 : 결합기
14 : 입력 증폭기
16 : 스플리터
18, 20 : 무선 주파수 전력 증폭기
22 : 부하
24 : 무선 주파수 신호
26 : 조정된 신호
28 : 분리기
38, 40 : 무선 주파수 전력 증폭기의 출력 터미널들
42, 44 : 결합기의 입력
50, 52 : 공축 케이블
54, 56 : 공축 커넥터
58, 59 : 접지 섹션
60 : 커패시턴스 보드
62 : 출력 커넥터
64. 66 : 공축 커패시터(제 1) 단부
68, 70 : 커패시터(제 2) 단부
72 : 클램프
80 : 코어
82 : 유전체 절연제
84 : 실드
86 : 시스
90 : 전압기준
100 : 시스 섹션
102 : 실드 섹션
104 : 비-실드 섹션
106 : 코어 섹션
150, 152 : 유도자의 입력 단부
154, 156 : 유도자의 출력 단부
158 : 커패시터의 입력 단부
160 : 커패시터의 출력 단부

Claims (20)

  1. 각각 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 각각의 출력에 연결되도록 구성되며 상기 N 무선 전력 증폭기들 중 각각의 하나로부터 증폭된 무선 주파수 신호를 수신하도록 구성되는 N 공축 케이블들;
    복수의 커패시턴스를 포함하고 각각의 상기 N 공축 케이블들에 연결하도록 구성되며 상기 증폭된 무선 주파수 신호들을 결합하는 보드; 및
    상기 보드의 출력을 부하에 연결하도록 구성되는 커넥터;를 포함하되,
    상기 N은 1보다 큰 정수이고, 상기 N 공축 케이블들 및 상기 복수의 커패시턴스는 N 인덕턴스와 커패시턴스 조합들을 제공하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 N 공축 케이블들은:
    상기 N 무선 주파수 전력 증폭기들 중 첫 번째의 제 1 출력에 연결되도록 구성되는 제 1 공축 케이블; 및
    상기 N 무선 주파수 전력 증폭기들 중 두 번째의 제 2 출력에 연결되도록 구성되는 제 2 공축 케이블;을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 N 공축 케이블들은 상기 N 무선 주파수 전력 증폭기들 중 세 번째의 제 3 출력에 연결되도록 구성되는 제 3 공축 케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 N 공축 케이블들은, 상기 N 인덕턴스와 커패시턴스 조합들 중 하나를 제공하기 위하여 상기 복수의 커패시턴스 중 각각의 하나에 연결되며; 및
    상기 복수의 커패시턴스 각각은 상기 N 공축 케이들들 및 전압 기준 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 결합기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 N 공축 케이블의 입력 임피던스는 상기 N 무선 주파수 전력 증폭기들 중 하나의 임피던스와 일치하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 커넥터에서 상기 결합기의 출력 임피던스는 상기 부하의 출력 임피던스와 일치하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 N 인덕턴스와 커패시턴스 조합들은 서로에 대하여 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 결합기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 각각의 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 출력 임피던스는, 상기 각각의 N 인덕턴스와 커패시턴스 조합들의 출력 임피던스보다 크며; 및
    상기 각각의 N 무선 주파수 전력 증폭기들의 상기 출력 임피던스는 상기 결합기의 전체 출력 임피던스와 동일한 것을 특징으로 하는 결합기.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 N 공출 케이블들은:
    상기 N 무선 주파수 전력 증폭기들 중 하나에 연결되도록 구성되는 공축 커넥터에 연결되는 시스 섹션;
    전압 기준에 연결되도록 구성되는 실드 섹션;
    인덕턴스를 갖는 비-실드 섹션; 및
    상기 보드에 연결되는 코어 섹션;을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 시스 섹션은 시스를 포함하고;
    상기 실드 섹션은 실드를 포함하고 시스는 포함하지 않으며 상기 실드는 클램프를 거쳐 전압 기준에 연결되도록 구성되며;
    상기 비-실드 섹션은 유전체 절연제를 포함하고 상기 시스 및 상기 실드를 포함하지 않으며; 및
    상기 코어 섹션은 와이어를 포함하고 상기 시스, 상기 실드 및 상기 유전체 절연제를 포함하지 않는; 것을 특징으로 하는 결합기.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 유전체 절연제는 상기 시스 섹션 및 상기 실드 섹션 내의 상기 코어 및 상기 실드 사이에 배치되며; 및
    상기 실드는 유전체 절연제 및 상기 시스 섹션 내의 시스 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 결합기.
  12. 제 9항에 있어서, 각각의 상기 비-실드 섹션의 인덕턴스는 상기 비-실드 섹션들의 길이와 직접적으로 관련되는 것을 특징으로 하는 결합기.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 비-실드 섹션 중의 첫 번째의 제 1 인덕턴스는 상기 비-실드 섹션 중의 두 번째의 제 2 인덕턴스와 동일한 것을 특징으로 하는 결합기.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 N 공축 케이블들은 서로에 대하여 일치하는 이득 및 위상이고 상기 부하에 공급되는 전력을 동등하게 공유하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  15. 무선 주파수 신호를 수신하고 조정된 신호를 발생시키도록 구성되는 입력 증폭기;
    상기 조정된 신호를 복수의 무선 주파수 신호로 분할하도록 구성되는 스플리터;
    상기 복수의 무선 주파수 신호를 증폭하고 증폭된 상기 무선 주파수 신호들을 발생시키도록 구성되는 N 무선 주파수 전력 증폭기들; 및
    제 1항의 결합기;를 포함하는 전력 발생기 시스템.
  16. 제 1 무선 주파수 전력 증폭기의 제 1 출력에 연결되도록 구성되며, 제 1 인덕턴스를 갖는 제 1 비-실드 섹션을 포함하는 제 1 공축 케이블;
    제 2 무선 주파수 전력 증폭기의 제 2 출력에 연결되도록 구성되며, 제 2 인덕턴스를 갖는 제 2 비-실드 섹션을 포함하는 제 2 공축 케이블; 및
    제 1 인턱턴스와 커패시턴스 조합을 제공하기 위하여 상기 제 1 비-실드 섹션에 연결되는 제 1 커패시턴스, 및 제 2 인턱턴스와 커패시턴스 조합을 제공하기 위하여 상기 제 2 비-실드 섹션에 연결되는 제 1 커패시턴스를 포함하는 보드;를 포함하되,
    상기 제 2 인턱턴스와 커패시턴스 조합은 상기 제 2 인턱턴스와 커패시턴스 조합과 동일한 것을 특징으로 하는 결합기.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제 1 공축 케이블은 상기 제 1 무선 주파수 전력 증폭기에 연결되도록 구성되는 제 1 공축 커넥터에 연결되는 제 1 시스 섹션, 전압 기준에 연결되도록 구성되는 제 1 실드 섹션, 및 상기 보드에 연결되는 제 1 코어 섹션을 포함하며; 및
    상기 제 2 공축 케이블은 상기 제 2 무선 주파수 전력 증폭기에 연결되도록 구성되는 제 2 공축 커넥터에 연결되는 제 2 시스 섹션, 상기 전압 기준에 연결되도록 구성되는 제 2 실드 섹션, 및 상기 보드에 연결되는 제 2 코어 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제 1 시스 섹션은 제 1 시스를 포함하고;
    상기 제 2 시스 섹션은 제 2 시스를 포함하며;
    상기 제 1 실드 섹션은 제 1 실드를 포함하고 상기 제 1 시스는 포함하지 않으며;
    상기 제 2 실드 섹션은 제 2 실드를 포함하고 상기 제 2 시스는 포함하지 않으며;
    상기 제 1 실드 및 상기 제 2 실드는 클램프를 거쳐 상기 전압 기준에 연결되며;
    상기 제 1 비-실드 섹션은 제 1 유전체 절연제를 포함하고 상기 제 1 시스 및 상기 제 1 실드는 포함하지 않으며;
    상기 제 2 비-실드 섹션은 제 2 유전체 절연제를 포함하고 상기 제 2 시스 및 상기 제 2 실드는 포함하지 않으며;
    상기 제 1 코어 섹션은 제 1 와이어를 포함하고 상기 제 1 시스, 상기 제 1 실드 및 상기 제 1 유전체 절연제는 포함하지 않으며; 및
    상기 제 2 코어 섹션은 제 2 와이어를 포함하고 상기 제 2 시스, 상기 제 2 실드 및 상기 제 2 유전체 절연제는 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 결합기.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 제 1 공축 케이블의 제 1 이득은 상기 제 2 공축 케이블의 제 2 이득과 일치하며; 및
    상기 제 1 공축 케이블의 제 1 위상은 상기 제 2 공축 케이블의 제 2 위상과 일치하는 것을 특징으로 하는 결합기.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 제 1 공축 케이블의 제 1 임피던스는 상기 제 1 무선 주파수 전력 증폭기의 출력의 임피던스와 일치하고;
    상기 제 2 공축 케이블의 제 2 임피던스는 상기 제 2 무선 주파수 전력 증폭기의 출력의 임피던스와 일치하며; 및
    상기 보드의 출력의 제 3 임피던스는 부하의 입력의 임피던스와 일치하며, 상기 보드의 출력은 커넥터를 거쳐 상기 부하의 입력에 연결되도록 구성되는 것능 특징으로 하는 발생기.
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