KR20140146764A - 전력 분배기 - Google Patents

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KR20140146764A
KR20140146764A KR1020130069439A KR20130069439A KR20140146764A KR 20140146764 A KR20140146764 A KR 20140146764A KR 1020130069439 A KR1020130069439 A KR 1020130069439A KR 20130069439 A KR20130069439 A KR 20130069439A KR 20140146764 A KR20140146764 A KR 20140146764A
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주정호
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한국전자통신연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
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    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Abstract

전력 분배기가 제공되며, 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 트랜스포머 선로에서 양분되는 제 1 및 제 2 출력 선로와, 제 1 및 제 2 출력 선로들 간에 연결되는 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 기초하고, 윌킨슨 전력 분배기의 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 유전체층, 트랜스포머 선로와 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로, 및 트랜스포머 선로와 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로를 포함한다.

Description

전력 분배기{POWER DIVIDER}
본 발명은 전력 분배기에 관한 것이다.
최근 스마트 단말의 보급이 급증함에 따라 스마트 단말로 전파를 송수신하는 RF 송수신기가 다수 설치되고 있으며, RF 송수신기에서 전력을 효율적으로 증폭하거나 분배하는 다양한 방법이 개발되고 있는 추세이다.
이때, 전력 분배기는 불요 고조파에서 발생하는 전력을 제거하는 방식으로 이루어지고 있다. 전력 분배기와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2010-0137772호에는 윌킨스 전력 분배기에서 나누어진 각 신호의 전력을 병렬로 증폭하고, 증폭된 신호를 결합하는 구성이 개시되어 있다.
다만, 전력 분배기의 구성을 제공함에 있어서, 윌킨슨 전력 분배기의 저지 대역 특성을 향상시키기 위해서는 별도의 대역 통과 필터를 구비해야 하므로, 그 부피나 크기가 커져 소형화할 수 없다. 또한, 윌킨슨 전력 분배기의 설계 주파수에 기초하여 발생하는 불요 고조파는, 인접 채널에서 노이즈로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 윌킨슨 전력 분배기에 CRLH 전송 선로를 적용시킴으로써, 대역 통과 특성을 가지면서도 전력을 임의의 비율로 분배할 수 있는 하이브리드 타입의 전력 분배기를 제공할 수 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 트랜스포머 선로에서 양분되는 제 1 및 제 2 출력 선로와, 제 1 및 제 2 출력 선로들 간에 연결되는 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 기초하고, 윌킨슨 전력 분배기의 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 유전체층, 트랜스포머 선로와 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로, 및 트랜스포머 선로와 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는, 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 트랜스포머 선로에서 다분되는 제 1 내지 제 4 출력 선로와, 제 1 내지 제 4 출력 선로들 간에 연결되는 제 1 및 제 2 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 기초하고, 윌킨슨 전력 분배기의 상부 및 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 상하부 유전체층, 트랜스포머 선로와 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로, 트랜스포머 선로와 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로, 트랜스포머 선로와 제 3 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로, 및 트랜스포머 선로와 제 4 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 트랜스포머 선로에서 양분되는 제 1 및 제 2 출력 선로와, 제 1 및 제 2 출력 선로들 간에 연결되는 제 1 및 제 2 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 기초하고, 윌킨슨 전력 분배기의 상부 및 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 상하부 유전체층; 트랜스포머 선로와 제 1 격리 저항 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로, 제 1 격리 저항과 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로, 트랜스포머 선로와 제 1 격리 저항 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로, 및 제 1 격리 저항과 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전력 분배량 및 필터링 특성을 조절할 수 있는 하이브리드 타입으로 구현 가능하므로, 크기와 부피를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CRLH 전송 선로를 설명하기 위한 회로도 및 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 2의 전력 분배기의 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 2의 전력 분배기의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 4의 전력 분배기의 출력 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2 및 도 3의 전력 분배기의 출력 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CRLH 전송 선로를 설명하기 위한 회로도 및 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, (a)는 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로의 회로도를 도시하고, (b)는 (a)의 CRLH 전송 선로에 기초한 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다.
(a)를 참조하면, CRLH 전송 선로는 LH(Left-Handed) 전송선(A)과 RH(Right-Handed) 전송선(B)을 포함한다. 여기서, LH 전송선(A)은 두 개의 직렬 인덕터(LR/2)와 하나의 병렬 커패시터(CR)를 포함하고, RH 전송선(B)은 두 개의 직렬 커패시터(2CL)와 하나의 병렬 인덕터(LL)를 포함한다.
LH 전송선(A)에 포함된 두 개의 직렬 인덕터(LR/2)와 하나의 병렬 커패시터(CR)는 대역 통과 필터로 동작하고, RH 전송선(B)에 포함된 두 개의 직렬 커패시터(2CL)와 하나의 병렬 인덕터(LL)도 대역 통과 필터로 동작한다.
(b)를 참조하면, ωCL은 LH 전송선에 포함된 직렬 커패시터(CL)와 병렬 인덕터(LL)에 의해 생성되는 차단 주파수(Cutoff Frequency)이고, ωCR은 RH 전송선에 포함된 병렬 커패시터(CR)와 직렬 인덕터(LR)에 의해 생성되는 차단 주파수일 수 있다. 그리고, ωse와 ωsh는 각각 직렬 및 병렬 공진기의 공진 주파수이고, 도 1에서 LR과 CL은 직렬 공진기를 구성하고, LL과 CR은 병렬 공진기를 구성한다.
또한, ωL0는 LH 전송선(A)이 대역 통과 필터로 동작할 때, 통과 대역에서의 중심 주파수이고, ωR0는 RH 전송선(B)이 대역 통과 필터로 동작할 때, 통과 대역에서의 중심 주파수이다.
따라서, 대역 통과 필터의 통과 대역을 정의하는 ωCL과 ωse(또는 ωsh)의 값을 조절하면, 주파수 응답 특성을 임의의 대역에서 생성하는 것이 가능하다. 즉, 낮은 주파수에서의 차단 주파수를 가리키는 ωsh(또는 ωse)를 조절하면 저지 대역(Stop Band) 영역을 제어할 수 있다.
그리고, ωse(또는 ωsh)와 ωCL을 이용하면, 대역 통과 필터의 통과 대역을 설정할 수 있고, ωsh(또는 ωse)를 이용하여 저지 대역 영역을 설계할 수 있으며, 통과 대역에서의 블로크 임피던스(Bloch Impedance)를 통하여 동작 대역에서의 반사 손실(Reflection Loss) 및 삽입 손실(Insertion Loss)을 임의의 값으로 구현할 수 있다. 여기서, (a)의 회로도 내의 집중 소자를 산출하는 공식은 하기의 수학식들과 같다.
Figure pat00001
여기서, ω0는 중심 주파수를 의미하고, ωse는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터, 즉 직렬 공진기의 공진 주파수 의미하고, ωsh는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 병렬 커패시터와 병렬 인덕터, 즉 병렬 공진기의 공진 주파수를 의미한다.
Figure pat00002
여기서, ωL0는 LH 전송선(A)의 통과 대역에서의 중심 주파수를 의미하고, ωCL은 LH 전송선(A)에 포함된 직렬 커패시터와 병렬 인덕터에 의해 생성되는 차단 주파수를 의미하고, ωsh는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 병렬 커패시터와 병렬 인덕터, 즉 병렬 공진기의 공진 주파수를 의미한다.
Figure pat00003
여기서, ωR은 RH(Right-Handed)에 의해 결정되는 주파수를 의미하고, ZR은 RH에 의해 결정되는 특성 임피던스를 의미하고, CR은 RH 전송선에 병렬로 연결된 병렬 커패시터를 의미한다.
Figure pat00004
여기서, ωL은 LH(Left-Handed) 전송선의 차단 주파수를 의미하고, ZL은 LH 전송선의 특성 임피던스를 의미하고, CL은 LH 전송선에 직렬로 연결된 직렬 커패시터를 의미한다.
Figure pat00005
여기서, ωR0는 대역 통과 필터가 통과시키는 대역의 중심 주파수를 의미하고, ωCR은 RH 전송선에 의해 생성되는 차단 주파수를 의미하고, ωse는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터, 즉 직렬 공진기의 공진 주파수를 의미한다.
Figure pat00006
여기서, ωse는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터, 즉 직렬 공진기의 공진 주파수를 의미하고, ωsh는 RH 전송선(B) 및 LH 전송선(A)에 포함된 병렬 공진기의 공진 주파수를 의미하고, ω0는 중심 주파수를 의미하고, ωL는 병렬 공진기의 공진 주파수를 의미한다.
Figure pat00007
이때, 수학식 7과 같이 A로 치환한 부분을 수학식 6에 대입하여 정리하면 수학식 6은 아래 수학식 8과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00008
근의 공식을 이용하여 ω2를 구하면 수학식 9와 수학식 10과 같이 구할 수 있고, 이는 각각 ωCL 2과 ωCR 2로 정의할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, ωCL 2을 A에 관한 식으로 정리하면, 수학식 11과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00011
여기서, 수학식 7의 좌변과 수학식 11의 우변이 A로 동일하므로, 두 식을 이용하여 ωL에 대하여 정리하면 수학식 12와 같다.
Figure pat00012
그리고, 블로크 임피던스(ZB)는 수학식 13과 같다.
Figure pat00013
여기서, LH 전송선의 대역 통과 필터에서의 중심 주파수인 ωL0에서, LH에 의한 특성 임피던스(블로크 임피던스)인 ZL을 계산하기 위하여, 수학식 13을 ZL에 대한 식으로 정리하면 아래 수학식 14와 같다.
Figure pat00014
따라서, LH 전송선(A)의 직렬 커패시터 및 병렬 인덕터에 의해 생성되는 차단 주파수인 ωCL, 블로크 임피던스인 ZB, 직렬 공진기의 공진 주파수인 ωse, 병렬 공진 주파수인 ωsh를 정의하면, (a)에 포함된 각 구성 소자의 값을 아래 수학식 15 내지 18을 통하여 구할 수 있다.
Figure pat00015
ZL은 수학식 14를 통하여 구할 수 있고, ωL은 수학식 12를 통하여 산출할 수 있으므로, LH 전송선(A)의 직렬 커패시터인 CL 값은 수학식 15를 통하여 구할 수 있다.
Figure pat00016
여기서, 수학식 15를 통하여 CL 값을 산출하였고, ωse는 정의된 값이므로 RH 전송선(B)의 직렬 인덕터인 LR 값은 수학식 16을 통하여 산출할 수 있다.
Figure pat00017
여기서, 수학식 15를 통하여 CL 값을 산출하였고, ZL은 수학식 14를 통하여 구할 수 있으므로 LL은 수학식 17을 통해 산출할 수 있다.
Figure pat00018
여기서, ωsh는 정의된 값이고, LL은 수학식 17을 통하여 구할 수 있으므로 RH 전송선(B)의 병렬 커패시터인 CR 값은 수학식 18을 통해 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CRLH 전송 선로에 기초하여 전력 분배기를 구성하는 경우, 전력 분배기는 대역 통과 필터의 필터링 특성을 가지면서도 전력 분배기로도 동작할 수 있는 하이브리드 형태로 구현될 수 있다. 또한, 대역 통과 특성을 가지는 전송 선로의 대역폭과 특성 임피던스를 조절하여 동작 주파수 대역 및 전력 분배량을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기를 설명하기 위한 회로도이고, 도 3은 도 2의 전력 분배기의 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 도 2의 전력 분배기의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기는 유전체층, 제 1 CRLH 전송 선로 및 제 2 CRLH 전송 선로를 포함한다. 이때, 전력 분배기는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 기초할 수 있다.
유전체층은 윌킨슨 전력 분배기의 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진다. 이때, 적어도 하나의 복합 재료는 메타 물질(Metamaterial)일 수 있고, 유전체층은 마이크로스트립(Microstrip) 또는 스트립라인(Stripline)일 수 있다.
트랜스포머(100)는 입력 선로와 연결된다. 여기서, 트랜스포머(100)는 출력 선로와의 정합을 위하여 λ/4 트랜스포머를 이용할 수 있고, λ/4 트랜스포머의 임피던스는 출력 선로의 수가 N 개이고, 입력 저항 및 출력 저항이 50Ω인 경우,
Figure pat00019
일 수 있다.
제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로는 제 1 인덕터(210), 제 1 커패시터(310), 제 2 인덕터(220), 제 2 커패시터(320), 제 3 인덕터(230), 제 3 커패시터(330)를 포함할 수 있다.
제 1 인덕터(210)는 제1단이 트랜스포머(100)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 1 커패시터(310)의 제 2 단과 연결된다. 제 1 커패시터(310)는 제1단이 제 1 인덕터(210)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 2 인덕터(220) 및 제 2 커패시터(320)의 제1단과 연결된다. 또한, 제 1 커패시터(310)는 제2단이 제 3 인덕터(230)의 제1단과 연결된다.
제 2 인덕터(220)와 제 2 커패시터(320)는 서로 병렬로 연결되고, 각각 제1단이 제 1 커패시터(310)의 제2단과 연결되고, 제2단이 각각 기준점(Reference, GND)에 연결될 수 있다.
제 3 인덕터(230)는 제1단이 제 1 커패시터(310)의 제2단 및 제 2 인덕터(220)와 제 2 커패시터(320)의 제1단과 연결되고, 제2단이 제 3 커패시터(330)의 제1단과 연결될 수 있다. 제 3 커패시터(330)는 제1단이 제 3 인덕터(230)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 1 출력 선로(OUT 1)와 연결된다.
제 2 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로는 제 4 인덕터(240), 제 4 커패시터(340), 제 5 인덕터(250), 제 5 커패시터(350), 제 6 인덕터(260), 제 6 커패시터(360)를 포함할 수 있다.
제 4 인덕터(240)는 제1단이 트랜스포머(100)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 4 커패시터(340)의 제1단과 연결된다. 제 4 커패시터(340)는 제1단이 제 4 인덕터(240)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 5 인덕터(250) 및 제 5 커패시터(350)의 제1단과 연결될 수 있다. 이때, 제 4 커패시터(340)는 제2단이 제 6 인덕터(260)의 제1단과도 연결된다.
제 5 인덕터(250)와 제 5 커패시터(350)는 서로 병렬로 연결될 수 있고, 제1단이 각각 제 4 커패시터(340)의 제2단과 연결되고, 제2단이 각각 기준점에 연결될 수 있다.
제 6 인덕터(260)는 제1단이 제 4 커패시터(340)의 제2단 및 제 5 인덕터(250)와 제 5 커패시터(350)의 제1단과 연결되고, 제2단이 제 6 커패시터(360)의 제1단과 연결된다. 또한, 제 6 커패시터(360)는 제1단이 제 6 인덕터(260)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 2 출력 선로(OUT 2)와 연결된다.
격리 저항(410)은 제1단이 제 3 커패시터(330)의 제2단 및 제 1 출력 선로(OUT 1)의 사이에 연결될 수 있고, 제2단이 제 6 커패시터(360)의 제2단 및 제 2 출력 선로(OUT 2)의 사이에 연결될 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기를 RH 전송선과 LH 전송선으로 나누어 설명하면 아래와 같다.
제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로는 트랜스포머(100) 선로와 제 1 출력 선로(OUT 1) 간에 직렬로 연결된다. 여기서, 제 1 CRLH 전송 선로는 RH 전송선 및 LH 전송선의 결합으로 등가화될 수 있다.
RH 전송선은 두 개의 직렬 인덕터(210, 230)와 병렬 커패시터(320)를 포함할 수 있고, LH 전송선은 두 개의 직렬 커패시터(310, 330)와 병렬 인덕터(220)를 포함할 수 있다.
이때, LH 전송선에 포함되는 직렬 커패시터(310, 330)는 상술한 수학식 15에 의하여 그 값이 결정될 수 있다. 또한, LH 전송선의 차단 주파수와 특성 임피던스는 상술한 수학식 12와 14에 의해 각각 그 값이 정의될 수 있고, LH 전송선의 병렬 인덕터(220)는 상술한 수학식 17에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
그리고, RH 전송선에 포함되는 직렬 인덕터(210, 230)는 상술한 수학식 16에 의해 값이 결정될 수 있고, RH 전송선에 포함되는 병렬 커패시터(320)는 상술한 수학식 18에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
제 2 CRLH 전송 선로는 트랜스포머(100) 선로와 제 2 출력 선로(OUT 2) 간에 직렬로 연결될 수 있다. 이때, 도 1의 (a)에서 설명한 하나의 CRLH 전송 선로는 하나의 단위로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기에 적어도 하나의 이상 포함될 수 있다. 도 2에서는 하나의 단위를 이루는 하나의 CRLH 전송 선로가 각각의 출력 선로마다 하나씩 배치되는 형상으로 구현된 실시예이므로, 제 1 CRLH 전송 선로와 제 2 CRLH 전송 선로는 동일하고, 그 설명은 중복이므로 생략하기로 한다.
제 1 출력 선로(OUT 1)와 제 2 출력 선로(OUT 2)에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스(Bloch Impedance)에 대응하여 조절할 수 있다. 이때, 블로크 임피던스는 상술한 수학식 13에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
덧붙여서, 본 발명의 일 실시예에서는 상술한 구성을 가지고 전력 분배기만을 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기는 전력 합성기(Coupler)로도 동작할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기는 대역 통과 특성을 가지는 윌킨슨 전력 분배기에 기초하여, 설계자가 원하는 대역폭 및 전력 특성을 갖도록 구현할 수 있다. 또한, 전송 선로의 대역 통과 특성을 이용하여 고조파를 제거할 수 있으므로 불요고조파에 의해 발생하는 전력을 최소화할 수 있고, 인접 채널에서 노이즈로 동작하는 전력원을 제거할 수 있다.
이와 같은 도 2의 전력 분배기에 대해서 설명되지 아니한 사항은 앞서 도 1을 통해 전력 분배기에 대하여 설명된 내용과 동일하거나 설명된 내용으로부터 유추 가능하므로 이하 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전력 분배기를 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기를 도시한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기는 4 개의 출력을 가지고, 1 단으로 구성된 전력 분배기이다.
트랜스포머(100) 선로와 제 1 출력 선로(OUT 1) 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH 전송 선로, 트랜스포머(100) 선로와 제 2 출력 선로(OUT 2) 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로, 트랜스포머(100) 선로와 제 3 출력 선로(OUT 3) 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로, 트랜스포머(100) 선로와 제 4 출력 선로(OUT 4) 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로를 포함한다.
이때, 제 1 격리 저항(410)은 제 1 CRLH 전송 선로(OUT 1)와 제 2 CRLH 전송 선로(OUT 2) 간에 연결될 수 있고, 제 2 격리 저항(420)은 제 3 CRLH 전송 선로(OUT 3)와 제 4 CRLH 전송 선로(OUT 4) 간에 연결될 수 있다. 또한, 제 2 출력 선로(OUT 1) 내지 제 4 출력 선로(OUT 4)에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스에 대응하여 조절될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기를 도시한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기는 2 개의 출력을 가지고, 2 단으로 구성된 전력 분배기이다.
트랜스포머(100) 선로와 제 1 격리 저항(410) 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH 전송 선로, 제 1 격리 저항(410)과 제 1 출력 선로(OUT 1) 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로, 트랜스포머(100) 선로와 제 1 격리 저항(410) 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로, 제 1 격리 저항(410)과 제 2 출력 선로(OUT 2) 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로를 포함한다.
제 1 격리 저항(410)은 제1단이 제 1 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 2 CRLH 전송 선로의 제1단과 연결되고, 제2단이 제 3 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 4 CRLH 전송 선로의 제1단과 연결될 수 있다. 또한, 제 2 격리 저항(420)은 제1단이 제 2 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 1 출력 선로 간(OUT 1)에 연결되고, 제2단이 제 4 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 2 출력 선로 간(OUT 2)에 연결될 수 있다. 또한, 제 1 출력 선로(OUT 1) 및 제 2 출력 선로(OUT 2)에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스에 대응하여 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전력 분배기는 블로크 임피던스를 임의로 조절할 수 있으므로 전력 분배비를 임의로 설계하는 방식으로 구현될 수 있다. 이때, 본 발며에서는 블로크 임피던스는 특성 임피던스와 유사한 개념이나, 블로크 임피던스라는 용어는 주기적 구조를 가지는 구성에서만 사용하고, 주기적 회로가 가지는 고유의 입력 임피던스로 정의하고, 특성 임피던스는 전송선로와 같은 구성에서 사용되는 것으로 정의한다.
이와 같은 도 3 및 도 4의 전력 분배기에 대해서 설명되지 아니한 사항은 앞서 도 1 내지 도 2를 통해 전력 분배기에 대하여 설명된 내용과 동일하거나 설명된 내용으로부터 유추 가능하므로 이하 설명을 생략하도록 한다.
도 5는 도 4의 전력 분배기의 출력 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 2 및 도 3의 전력 분배기의 출력 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5는 도 4의 전력 분배기의 출력 특성을 도시한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 출력 선로(OUT 1)와 제 2 출력 선로(OUT 2)에 분배되는 전력의 비를 동일하게 설정하는 경우를 가정한다. 여기서, 전력의 분배비는 블로크 임피던스를 통하여 조절할 수 있다.
도 5의 그래프에서 동작 대역인 0.95GHz - 1.05GHz를 보면, S(2,1), 즉 입력 선로에 입력된 전력의 양과 제 1 출력 선로(OUT 1)로 출력된 전력의 양을 비교해보면, -3dB로 정확히 1/2이 된 것을 알 수 있다. S(3,1), 즉 입력 선로에 입력된 전력의 양과 제 2 출력 선로(OUT 2)로 출력된 전력의 양을 비교해보면, 이 역시 -3dB로 정확히 1/2이 된 것을 알 수 있다.
또한, S(1,1), 즉 반사 계수를 살펴보면 동작 대역에서 약 -45dB로 입력 선로로 다시 되돌아온 전력은 거의 없음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6은 출력 선로의 개수에 따른 전력 분배량을 측정하기 위하여 도 2 및 도 3의 전력 분배기의 결과를 시뮬레이션한 도면이다. (a)는 (b)의 일정 구간을 확대한 도면이다.
도 6의 그래프에서 동작 대역인 0.95GHz - 1.05GHz를 보면, 도 2의 전력 분배기는 각각의 출력 선로에서 -3dB, 즉 1/2의 전력을 출력함으로써 1/2로 전력을 분배한다. 또한, 도 3의 전력 분배기는 각각의 출력 선로에서 -6dB, 즉 1/4의 전력을 출력함으로써 1/4로 전력을 분배한다. 도 6의 그래프를 보면 알 수 있듯이, 저지 대역에서의 필터링 특성, 즉 스커트(Skirt) 특성도 샤프하게 출력되었다. 이때, 스커트 특성은 회로도를 구성하는 단위 회로의 개수로 조절할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 상기 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 상기 트랜스포머 선로에서 양분되는 제 1 및 제 2 출력 선로와, 상기 제 1 및 제 2 출력 선로들 간에 연결되는 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 있어서,
    상기 윌킨슨 전력 분배기의 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 유전체층;
    상기 트랜스포머 선로와 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로; 및
    상기 트랜스포머 선로와 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로
    를 포함하는 전력 분배기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 CRLH 전송 선로와 제 2 CRLH 전송 선로는,
    두 개의 직렬 인턱터와 병렬 커패시터를 포함하는 RH 전송선 및 두 개의 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 포함하는 LH 전송선의 결합으로 등가화될 수 있는 것인 전력 분배기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LH 전송선에 포함되는 직렬 커패시터는 하기 수학식을 통하여 값이 결정되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00020

    여기서, CL 은 LH 전송선에 포함되는 직렬 커패시터를 의미하고, ωL은 LH 전송선의 차단 주파수(Cutoff Frequency)를 의미하고, ZL은 LH 전송선의 특성 임피던스를 의미한다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 LH 전송선의 차단 주파수와 특성 임피던스는 하기 수학식과 같이 정의되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00021
    ,
    Figure pat00022

    여기서, ω0은 중심 주파수를 의미하고, ωCL은 상기 LH 전송선에 포함된 직렬 커패시터와 병렬 인덕터에 의해 생성되는 차단 주파수를 의미하고, ωse, ωSh는 각각 상기 LH 전송선 및 RH 전송선에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터, 병렬 커패시터와 병렬 인덕터에 의한 공진 주파수를 의미하며, ωL0은 상기 LH 전송선의 통과 대역에서의 중심 주파수를 의미한다.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 LH 전송선에 포함되는 병렬 인덕터는 하기 수학식을 통하여 값이 결정되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00023

    여기서, LL은 LH 전송선에 포함되는 병렬 인덕터를 의미하고, ZL은 LH 전송선의 특성 임피던스를 의미하고, CL 은 LH 전송선에 포함되는 직렬 커패시터를 의미한다.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 RH 전송선에 포함되는 직렬 인덕터는 하기 수학식을 통하여 값이 결정되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00024

    여기서, LR은 RH 전송선에 포함되는 직렬 인덕터를 의미하고, ωse는 상기 LH 전송선 및 RH 전송선에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터에 의한 공진 주파수를 의미하며, CL 은 LH 전송선에 포함되는 직렬 커패시터를 의미한다.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 RH 전송선에 포함되는 병렬 커패시터는 하기 수학식을 통하여 값이 결정되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00025

    여기서, CR은 RH 전송선에 포함되는 병렬 커패시터를 의미하고, ωsh는 상기 LH 전송선 및 RH 전송선에 포함된 병렬 커패시터와 병렬 인덕터에 의한 공진 주파수를 의미하며, LL은 LH 전송선에 포함되는 병렬 인덕터를 의미한다.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 선로 및 제 2 출력 선로에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스(Bloch Impedance)에 대응하여 조절되는 것인 전력 분배기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 블로크 임피던스는 하기 수학식을 통하여 값이 결정되는 것인 전력 분배기:
    Figure pat00026

    여기서, ZB는 블로크 임피던스를 의미하고, ωSE, ωSh는 각각 상기 LH 전송선 및 RH 전송선에 포함된 직렬 커패시터와 직렬 인덕터, 병렬 커패시터와 병렬 인덕터에 의한 공진 주파수를 의미하며, ωL은 LH 전송선의 차단 주파수(Cutoff Frequency)를 의미하고, ZL은 LH 전송선의 특성 임피던스를 의미한다.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 CRLH 전송 선로는,
    제1단이 상기 트랜스포머의 제2단과 연결되는 제 1 인덕터;
    제1단이 상기 제 1 인덕터의 제2단과 연결되는 제 1 커패시터;
    제1단이 각각 상기 제 1 커패시터의 제2단과 연결되고, 제2단이 각각 기준점(Reference)에 연결되는 제 2 인덕터 및 제 2 커패시터;
    제1단이 상기 제 1 커패시터의 제2단 및 상기 제 2 인덕터와 제 2 커패시터의 제1단과 연결되는 제 3 인덕터; 및
    제1단이 상기 제 3 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 제 1 출력 선로와 연결되는 제 3 커패시터
    를 포함하는 것인, 전력 분배기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 CRLH 전송 선로는,
    제1단이 상기 트랜스포머의 제2단과 연결되는 제 4 인덕터;
    제1단이 상기 제 4 인덕터의 제2단과 연결되는 제 4 커패시터;
    제1단이 각각 상기 제 4 커패시터의 제2단과 연결되고, 제2단이 각각 기준점(Reference)에 연결되는 제 5 인덕터 및 제 5 커패시터;
    제1단이 상기 제 4 커패시터의 제2단 및 상기 제 5 인덕터와 제 5 커패시터의 제1단과 연결되는 제 6 인덕터; 및
    제1단이 상기 제 5 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 제 2 출력 선로와 연결되는 제 6 커패시터
    를 포함하는 것인, 전력 분배기.
  12. 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 상기 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 상기 트랜스포머 선로에서 다분되는 제 1 내지 제 4 출력 선로와, 상기 제 1 내지 제 4 출력 선로들 간에 연결되는 제 1 및 제 2 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 있어서,
    상기 윌킨슨 전력 분배기의 상부 및 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 상하부 유전체층;
    상기 트랜스포머 선로와 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로;
    상기 트랜스포머 선로와 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로;
    상기 트랜스포머 선로와 제 3 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로; 및
    상기 트랜스포머 선로와 제 4 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로
    를 포함하는 전력 분배기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 격리 저항은 상기 제 1 CRLH 전송 선로와 제 2 CRLH 전송 선로 간에 연결되고,
    상기 제 2 격리 저항은 상기 제 3 CRLH 전송 선로와 제 4 CRLH 전송 선로 간에 연결되는 것인 전력 분배기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 선로 내지 제 4 출력 선로에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스(Bloch Impedance)에 대응하여 조절되는 것인 전력 분배기.
  15. 소정의 임피던스 값을 가지는 입력 선로와, 상기 입력 선로와 연결되는 트랜스포머 선로와, 상기 트랜스포머 선로에서 양분되는 제 1 및 제 2 출력 선로와, 상기 제 1 및 제 2 출력 선로들 간에 연결되는 제 1 및 제 2 격리 저항을 가지는 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson Power Divider)에 있어서,
    상기 윌킨슨 전력 분배기의 상부 및 하부에 배치되며, 적어도 하나의 복합 재료로 이루어진 상하부 유전체층;
    상기 트랜스포머 선로와 상기 제 1 격리 저항 간에 직렬로 연결되는 제 1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 전송 선로;
    상기 제 1 격리 저항과 상기 제 1 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 2 CRLH 전송 선로;
    상기 트랜스포머 선로와 상기 제 1 격리 저항 간에 직렬로 연결되는 제 3 CRLH 전송 선로; 및
    상기 제 1 격리 저항과 상기 제 2 출력 선로 간에 직렬로 연결되는 제 4 CRLH 전송 선로
    를 포함하는 전력 분배기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 격리 저항은 제1단이 상기 제 1 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 2 CRLH 전송 선로의 제1단과 연결되고, 제2단이 상기 제 3 CRLH 전송 선로의 제2단 및 제 4 CRLH 전송 선로의 제1단과 연결되고,
    상기 제 2 격리 저항은 제1단이 상기 제 2 CRLH 전송 선로의 제2단 및 상기 제 1 출력 선로 간에 연결되고, 제2단이 상기 제 4 CRLH 전송 선로의 제2단 및 상기 제 2 출력 선로 간에 연결되는 것인 전력 분배기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 선로 및 제 2 출력 선로에서 출력되는 전력의 분배비는 블로크 임피던스(Bloch Impedance)에 대응하여 조절되는 것인 전력 분배기.
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