KR20160114953A - Rf 전력 합성분배 장치 - Google Patents

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KR20160114953A
KR20160114953A KR1020150041484A KR20150041484A KR20160114953A KR 20160114953 A KR20160114953 A KR 20160114953A KR 1020150041484 A KR1020150041484 A KR 1020150041484A KR 20150041484 A KR20150041484 A KR 20150041484A KR 20160114953 A KR20160114953 A KR 20160114953A
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transmission lines
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은기찬
이효종
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주식회사 코프
(주) 알엔투테크놀로지
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    • 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

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Abstract

본 발명은 RF 전력 합성분배 장치의 전송 선로 결합 부분 주변에 그라운드와 연결된 홀(Hole)을 형성하여 전송 선로 결합 부분에서 발생되는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance) 및 그로 인한 영향을 줄일 수 있는 RF 전력 합성분배 장치에 관한 것으로, T형을 이루며 결합되는 3 개의 전송 선로들을 포함하는 RF 전력 합성분배 장치에 있어서, 유전체 층을 사이에 두고 양쪽 면에 금속 층이 결합된 판형의 기판과, 상기 전송선로들 중 좌측 부위에 연결되는 제1 전송선로와, 상기 제1 전송선로 우측에 연결되는 제2 전송선로와, 상기 제1, 2 전송선로의 결합 부위에 연결되어 하부 측으로 연장된 제3 전송선로 및 상기 제1,2 전송선로의 결합 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격되는 위치에 상기 기판을 관통하여 형성된 관통 홀을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 전송선로는 상기 기판의 일 측면에 결합된 금속 층을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 합성분배 장치를 제공한다.

Description

RF 전력 합성분배 장치{RF POWER COMBINER/DIVIDER}
본 발명은 RF 전력 합성분배 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF 전력 합성분배 장치의 전송 선로 결합 부분 주변에 그라운드와 연결된 홀(Hole)을 형성하여 전송 선로 결합 부분에서 발생되는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance) 및 그로 인한 영향을 줄일 수 있는 RF 전력 합성분배 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력 합성분배 장치는 다수의 증폭기의 전력 합성 및 분배, 또는 스마트 안테나의 빔포밍(beam-forming)을 구현하기 위해 반드시 필요한 장치이다. 특히 초고주파 시스템에서는 고주파 전력을 여러 개의 출력 포트로 분배하는 전력 분배기와, 여러 포트로 입력되는 고주파 전력을 합성하여 하나의 포트로 출력하기 위한 전력 합성기가 널리 사용되고 있다.
즉, 전력 분배기는 한 개의 신호원으로부터 출력되는 초고주파신호를 여러 개의 필요부분으로 일정한 비율로 분배하는데 사용되며, 전력 합성기는 여러 개의 신호원 또는 증폭기로부터 출력되는 초고주파 신호를 결합하여 한 개의 안테나 또는 출력을 합성하는데 사용된다.
이러한 전력 합성분배 장치로는 '윌킨슨(Wilkinson)'에 의해 제안된 N-분기 윌킨슨 전력 분배기(N-Way Wilkinson power divider)가 대표적이라 할 수 있다. N-분기 윌킨슨 전력 분배기의 기본적인 구성은 적어도 하나의 고주파 신호를 입력하기 위한 입력포트와, 상기 입력포트로 입력되는 고주파 신호를 분배 출력하기 위한 2개 이상의 출력포트로 이루어진다. 이러한 구성은 여러 형태로 제작이 가능하나, 통상 마이크로스트립(Micro strip) 라인이나 동축 전송 선로를 이용하여 구성되는 예로 많이 제작된다.
그러나 종래의 윌킨슨 전력 합성분배 장치는 주파수가 높아질수록 저항의 크기도 작아져야하는데, 이때 저항의 크기가 그대로일 경우 전송 선로가 결합되는 부분에서 발생하는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)로 인한 영향도 따라서 커지게 되기 때문에 그에 따라 시스템의 성능 예컨대, 전력손실 및 격리도(isolation) 특성 등을 저하시킨다는 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 10-2014-0025208호(공개일: 2014. 03. 04)가 있다.
한편, 이하에서는 종래의 일반적인 전력 합성분배 장치에 있어서 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)의 영향을 줄이기 위해 개량된 다양한 구조들을 살펴보도록 하겠다.
도 1a와 1b는 종래 일반적인 전력 합성분배 장치에 대한 구조를 개략적으로 나타낸 도면과 그 장치에 대한 등가회로를 나타낸 도면을 도시한 것으로서, 제1 내지 제3 전송선로들(10,20,30)이 결합되는 부분에 기생커패시턴스(Cp: Parasitic capacitance) 성분이 발생한 것을 도시하였다.
도 1c는 도 1a에 도시된 종래 일반적인 전력 합성분배 장치에 있어서 각각의 전송 선로들(10,20,30)에서 나타나는 전자기 필드의 분포를 나타낸 사진으로서, 특히 제1 전송 선로(10)와 제2 전송 선로(20)에서 발생된 전자기 필드는 반원형을 그리며 외부로 방출되는 형상을 띠고 있는데, 이것으로 상당한 전자기적 에너지가 손실되고 있음을 알 수 있다.
다음으로, 도 2a와 도 2b는 종래 일반적인 전력 합성분배 장치에서 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)에 의한 영향을 줄이기 위해 개량된 타입 I 내지 타입 III 전력 합성분배장치를 개략적으로 나타낸 도면과 각각의 특성 그래프를 나타낸 것으로서, 도 2a에 도시된 타입 I은 전형적인 λ/4 임피던스 변환기를 나타낸 것이고, 기생커패시턴스를 줄이기 위한 타입 II는 전형적인 λ/4 임피던스 변환기에서 제1 전송선로(10)와 제2 전송선로(20)가 맞닿는 부위의 전송선로 일정부분의 폭을 좁게 형성한 변형 구조이며, 기생커패시턴스를 줄이기 위한 타입 III는 전형적인 λ/4 임피던스 변환기에서 제1 전송선로(10)와 제2 전송선로(20)가 맞닿는 부위의 전송선로 각각의 종단부분을 사선의 형태로 잘라낸 변형 구조이다.
한편, 도 2b에 도시된 특성 그래프는 도 2a에 도시된 타입 I 내지 III의 합성분배 장치에서 신호가 합성분배 될 때의 전송신호의 반사특성과 삽입손실특성을 나타낸 것이다. 즉, 좌측 그래프는 타입 I 내지 III에서 전송신호의 반사특성을, 우측 그래프는 타입 I 내지 III에서 전송신호의 삽입손실특성을 나타낸 것으로서, 반사특성은 타입 I의 전형적인 λ/4 임피던스 변환기와 비교하면 대략 64GHz 부근까지는 타입 II와 III의 특성이 더 좋음을 알 수 있고, 삽입손실특성은 타입 I의 전형적인 λ/4 임피던스 변환기와 비교하면 전 영역 대에서 타입 II와 III의 특성이 더 좋음을 알 수 있다.
이상에서의 설명에서 알 수 있듯이 종래의 일반적인 전력 합성분배 장치를 개량한 전력 합성분배 장치에서 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)의 영향을 줄임으로써 장치의 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었으나 그 영향을 줄이는 정도에 있어서 일정한 한계를 가지고 있다.
본 발명은 RF 전력 합성분배 장치의 전송 선로 결합 부분 주변에 그라운드와 연결된 홀(Hole)을 형성하여 전송 선로 결합 부분에서 발생되는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)로 인한 영향을 줄여서 이러한 기생커패시턴스(Parasitic capacitance) 영향으로 인하여 전송 시 외부로 방출되어 버리는 전자기적 에너지 손실 및 입출력 포트에서 신호의 반사를 줄일 수 있는 RF 전력 합성분배 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 RF 전력 합성분배 장치는, T형을 이루며 결합되는 3 개의 전송 선로들을 포함하는 RF 전력 합성분배 장치에 있어서, 유전체 층을 사이에 두고 양쪽 면에 금속 층이 결합된 판형의 기판과, 상기 전송선로들 중 좌측 부위에 연결되는 제1 전송선로와, 상기 제1 전송선로 우측에 연결되는 제2 전송선로와, 상기 제1, 2 전송선로의 결합 부위에 연결되어 하부 측으로 연장된 제3 전송선로 및 상기 제1,2 전송선로의 결합 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격되는 위치에 상기 기판을 관통하여 형성된 관통 홀을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 내지 제3 전송선로는 상기 기판의 일 측면에 결합된 금속 층을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 RF 전력 합성분배 장치는, 상기 제1,2 전송선로가 출력측이 되고 제3 전송선로가 입력측이 되면 RF 전력 분배 장치로서 작동하고, 상기 제1,2 전송선로가 입력측이 되고 제3 전송선로가 출력측이 되면 RF 전력 합성 장치로서 작동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 내지 3 전송선로는, 스트립 선로, 마이크로스트립 선로, 동축 케이블, 도파관, 유전체 선로 중의 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 관통 홀은, 상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격된 위치에 상기 기판을 관통하며 형성되고 그라운드와 접지되되, 상기 관통 홀의 직경 및 제1,2 전송선로의 결합부위로부터 이격되는 거리는 상기 기판에 사용된 유전체의 유전율 및 전송되는 전기 신호의 주파수 특성에 따라 다르게 설정될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 RF 전력 합성분배 장치는, 상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부분으로부터 하부 측 좌우로 상기 기판을 관통하며 형성되고 그라운드와 접지되는 다수개의 하단 관통 홀들을 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 하단 관통 홀들은, 상기 제3 전송선로의 좌우측에 위치하고 상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부위로부터 하부 측 사선 방향으로 일정거리 이격된 위치에 각각 n 개씩 2 x n 개가 형성될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전송선로와 제2 전송선로가 맞닿는 부위는 기 설정된 길이만큼 각각의 제1,2 전송선로의 폭보다 좁게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전송선로와 제2 전송선로가 맞닿는 부위는 기 설정된 길이만큼 각각의 제1,2 전송선로의 종단부분이 사선의 형태로 잘려서 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 RF 전력 합성분배 장치의 전송 선로 결합 부분 주변에 인덕턴스 성분을 갖고 그라운드와 연결된 홀(Hole)을 형성함으로써, 전송 선로 결합 부분에서 고주파신호에 따라 발생되는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)에 의한 영향을 줄일 수 있기 때문에, RF 전력의 합성 및 분배에 따른 전력 손실을 줄일 수 있고 입출력 포트에서 신호의 반사를 최소화 할 수 있어 RF 전력 합성분배 장치의 효율성을 상당히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 종래의 전력 합성분배 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 장치의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 장치의 전자기 필드의 분포를 나타낸 도면이다.
도 2a는 개량된 종래 전력 합성분배 장치들의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 장치들의 반사 특성 및 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 장치의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 장치의 전자기 필드의 분포를 나타낸 도면이다.
도 3d는 도 1a와 도 3a에 도시된 두 장치의 반사 특성 및 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 종래 전력 합성분배 장치의 타입I와 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 개량한 것의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 장치들의 전자기 필드의 분포를 나타낸 도면이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 장치들의 반사 특성 및 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 종래 전력 합성분배 장치의 타입II와 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 개량한 것의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 장치들의 전자기 필드의 분포를 나타낸 도면이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 장치들의 반사 특성 및 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 종래 전력 합성분배 장치의 타입III와 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 개량한 것의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 장치들의 전자기 필드의 분포를 나타낸 도면이다.
도 6c는 도 6a에 도시된 장치들의 반사 특성 및 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면과 그 등가회로를 나타낸 도면으로서, RF 전력 합성분배 장치(100)는 유전체 층을 사이에 두고 양쪽 면에 금속면이 결합된 판형의 기판(110), T형을 이루며 결합되는 전송선로 중 좌측 부위에 연결되고 기판(100)의 일 측면에 형성되는 제1 전송선로(120), 제1 전송선로(120) 우측에 연결되는 제2 전송선로(130), 제1, 2 전송선로(120,130)의 결합 부위에 연결되어 하부 측으로 연장되는 제3 전송선로(140) 및 제1,2 전송선로(120,130)의 결합 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격되는 위치에 기판(110)을 관통하며 형성된 관통 홀(180)을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 전송선로(120,130,140)는 상기 기판의 일 측면에 결합된 금속 층을 이용하여 형성된다.
먼저, RF 전력 합성분배 장치(100)는 RF 전력 합성 장치가 될 수도 있고, RF 전력 분배 장치가 될 수도 있다. 즉, 제1,2 전송선로(120,130)가 출력측이 되고 제3 전송선로(140)가 입력측이 되면 제3 전송선로(140)로 입력되는 전기적 신호가 각각 제1,2 전송선로(120,130)의 양측으로 분배되어 출력되므로 RF 전력 분배 장치가 되며, 입력 측과 출력 측을 바뀌어 전기적 신호를 전송하면 RF 전력 합성 장치가 된다.
기판(110)은 RF 전력 합성분배 장치(100)의 구성요소들이 설치되는 판형의 일반적인 전자회로 기판일 수 있다. 이러한 기판(110)은 일반적으로 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료, 프린트 배선판 및 절연기판을 총칭하는 것으로, 일례로 유전체층위에 얇은 금속면이 형성된 판형의 부재일 수 있다. 회로설계에 따라 해당 부품 간을 접속하기 위해 도체 패턴을 절연 기판의 표면상에 인쇄 방법으로 형성하고 소정의 가공을 한 후 해당 전자부품이 설치될 수 있다.
제1 내지 제3 전송선로(120,130,140)는 기판(110)위에 형성되는 인쇄회로 선로이거나 마이크로스트립 선로(microstrip line)가 될 수도 있고, 또는 일반적인 동축 케이블, 도파관, 유전체 선로, 스트립 선로 등을 사용한 전송선로가 될 수도 있으며 전송되는 주파수 특성 설계에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
이들은 T형을 이루며 서로 연결되는데, 상부로부터 제1 전송선로(120)가 좌측에 위치하고, 제1 전송선로(130)의 우측에 제2 전송선로(130)가 연결되며, 이러한 제1,2 전송선로(120,130)의 연결지점으로부터 하부 측으로 제3 전송선로(140)가 연결된다. 특히 제1 과 제2 전송선로(120,130)의 길이는 동작 주파수의 위상에 따라 결정된다. 그 일실시예로서 각각의 길이는 λ/4일 수 있으며, 여기서 λ는 동작 주파수에서의 파장 길이를 나타낸다. 하지만 그 길이는 꼭 λ/4일 필요는 없으며, 단지 동일 위상을 필요로 하는 장치에서는 그 길이가 같게 설계되어야 한다.
이와 같은 전송 선로들은 상술한 바와 같이 각각 RF 신호 등과 같은 전기적 신호가 입력되어 분배되거나 합성될 때의 입출력 통로가 된다. 일례로서 전송선로가 T형을 이루며 결합되어 분배기로 사용되는 경우에, 신호는 입력 통로가 되는 제3 전송선로(140)로 입력되어, 출력 통로인 제1,2 전송선로(150)의 2개로 나누어져 출력된다. 이때의 분배기는 2웨이 분배기(2 way divider)로 불리고 있다. 합성기로 사용되는 경우에는 각각의 입출력 통로가 입력기에서와는 반대가 된다.
관통 홀(180)은 제1,2 전송선로(120,130)가 결합되는 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격된 위치에 기판(110)을 관통하며 형성된 홀로서 그라운드와 접지되도록 한다. 이때 관통 홀(180)의 직경 및 제1,2 전송선로(120,130)의 결합부위로부터 이격되는 거리는 기판(180)에 사용된 유전체의 특성 및 전송되는 전기 신호의 주파수 특성에 따라 다르게 설정될 수 있다.
즉, 일례로서 유전율이 ε인 일정한 두께의 유전체 기판을 사이에 두고 한쪽 면에는 마이크로스트립 도체로 형성된 제1 내지 3 전송선로(120~140)가 놓여있고, 다른 한쪽 면에는 접지평면을 가지도록 하여 기판(110)을 관통하며 형성된 관통 홀(180)이 그라운드와 접지되도록 할 수 있다.
또한, 관통 홀(180)이 기판(100) 하부의 그라운드 금속과 연결이 되어 접지되도록 하기 위해서 관통 홀(180)의 내부는 금속을 채우거나 관통 홀(180)의 외부에 금속을 박막의 형태로 입힐 수도 있다.
이러한 관통 홀(180)은 제1,2 전송선로(120,130)를 통하여 전송되는 전기 신호가 고주파일수록 커지는 기생커패시턴스(Parasitic capacitance)의 발생으로 인하여 전송 신호의 전자기 필드가 선로에 한정되지 못하고 외부로 방출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 도 4a를 참조하면, 좌측에 도시된 종래 전력 합성분배 장치의 타입 I과 함께 종래 전력 합성분배 장치의 타입 I에서 제1,2 전송선로(120,130)가 결합되는 부분으로부터 하부 측 좌우로 하단 관통 홀(185)들이 다수 개 더 형성될 수도 있으며 이들 각각의 하단 관통 홀(185)들은 그라운드와 접지되도록 한다.
즉, 일례로서 본 발명은 제3 전송선로(140)의 좌우측에 위치하고 제1,2 전송선로(120,130)가 결합되는 부위로부터 하부 측 사선 방향으로 일정거리 이격된 위치에 각각 n 개씩의 하단 관통 홀(185)을 더 포함할 수도 있다.
그리고 관통 홀(180)과 마찬가지로 하단 관통 홀(185)이 기판(100) 하부의 그라운드 금속과 연결이 되어 접지되도록 하기 위해서 하단 관통 홀(185)의 내부는 금속을 채우거나 하단 관통 홀(185)의 외부에 금속을 박막의 형태로 입힐 수도 있다.
이와 같이 제1,2 전송선로(120,130)의 하부 측 좌우에 형성된 하단 관통 홀(185)은 제1,2 전송선로(120,130)의 상부 측에 형성된 관통 홀(180)과 마찬가지로 제3 전송선로(140) 및 제1,2 전송선로(120,130)에서 방출되는 전자기 필드를 전송선로 측으로 더욱 한정하는 역할을 한다.
도 5a와 도 6a를 참조하면, 도 4a에서와 마찬가지로 좌측에 도시된 종래 전력 합성분배 장치의 타입 II 및 III과 함께 각각의 종래 전력 합성분배 장치의 타입 II 및 III에 하단 관통 홀(185)들을 더 형성한 다른 실시 예들을 도시 하였다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.
먼저, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 RF 전력 합성분배 장치(100)의 제1 전송선로(120), 제2 전송선로(130) 및 제3 전송선로(140)들에 해당하는 등가회로는, 각각 제1 인덕터(151), 제2 인덕터(153) 및 제3 인덕터(155)로 표시된다. 또한, 전송 선로들의 결합 부분에서 발생하는 기생커패시턴스(Cp)를 등가회로 상에 표시하였다.
그리고 관통 홀(180)은 상술한 바와 같이 그라운드와 접지되고 제1,2 전송선로(120,130)가 결합되는 부분으로부터 상부 측으로 일정거리 이격된 위치에 형성되므로 관통 홀(180) 자체는 관통 인덕터(160)로 표시할 수 있다. 그리고 격리된 부분은 각각 도 3b의 좌측 등가회로에서와 같이 관통 인덕터(160)와 트랜스(165)의 결합이나, 또는 도 3b의 우측 등가회로에서와 같이 관통 인덕터(160)와 커플링 커패시턴스(170)의 결합으로 표시할 수 있다.
한편, 이와 같이 구성된 본 발명의 RF 전력 합성분배 장치(100)의 일실시예에 따른 작용은, 먼저 제3 전송선로(140)를 통하여 신호가 입력되면 제1 전송선로(120)와 제2 전송선로(130)의 각각에서 약 -3dB 만큼 크기가 작아진 신호가 출력된다. 이때, 제1 전송선로(120)와 제2 전송선로(130)가 결합된 부분에서는 기생커패시턴스(Cp) 성분이 발생되는데, 전송되는 신호의 주파수가 높아질수록 이러한 기생커패시턴스(Cp)에 의한 영향은 커지게 된다.
이때 기생커패시턴스(Cp)의 크기는 대략적으로 아래의 수식에서 C의 값을 도출함으로써 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 Z0는 각 전송 선로들의 결합 부위에서의 정합 임피던스이고 W1은 유전률에 따른 각 전송 선로들의 폭의 크기이다. 이 때 기생커패시턴스(Cp)의 값은 유전률에 따른 W1 에 의해 그 값이 변화하는데, 일반적으로 사용되는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판의 유전율을 기준으로 계산된 기생커패시턴스(Cp)의 값은 약 0.006pF이 된다.
이때, 전송되는 신호가 고주파일수록 이러한 기생커패시턴스(190)로 인한 영향은 더욱 커지게 되어 더 많은 에너지가 외부로 방출되게 된다.
도 3c를 참조하면, 이와 같이 전송되는 신호의 전자기적 필드가 전송선로에 한정되지 못하고 밖으로 방출되는 상태를 전자기 필드의 분포도로 나타낸 도 1c와 비교하여, 본 발명의 일실시예에 따르면 관통 홀(180)에 의해 전자기 필드가 제1,2 전송선로(120,130) 부근에서 명확히 한정되는 것을 확인할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 전형적인 λ/4 임피던스 변환기 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I와 도 3a에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 반사 특성 및 삽입 손실 특성이 그래프로 도시되어 있다.
좌측에 도시된 그래프는 반사 특성을 나타낸 그래프로서, 전형적인 λ/4 임피던스 변환기 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I은 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??7.377dB의 반사 특성 값을 갖고, 도 3a에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 -9.481dB의 반사 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 반사 특성에 있어서 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 2.1dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
우측에 도시된 그래프는 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프로서, 전형적인 λ/4 임피던스 변환기 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I은 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??7dB의 삽입 손실 특성 값을 갖고, 도 3a에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 -5.7dB의 삽입 손실 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 삽입 손실 특성에 있어서 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 1.3dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
도 4a 내지 도 6c에서는 종래 전력 합성분배 장치와 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)에 대하여 그 각각의 구조의 개략도, 전자기 필드 분포도 및 특성 그래프를 비교하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 관통 홀(180) 하나와 하단 관통 홀(185)이 각각 2개씩 네 개가 형성된 구조이다. 하지만 여기서 각각의 관통 홀은 반드시 2개씩 형성될 필요는 없으며, 각각 n 개씩 2 x n 개가 형성된 구조일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 좌측에는 전형적인 λ/4 임피던스 변환기 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I의 구조를 도시였고, 우측에는 이러한 종래 타입 I 장치에 관통 홀(180) 및 하단 관통 홀(185)을 형성한 본원의 또 다른 일실시예를 도시하였다.
도 4b를 참조하면, 좌측에는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I의 전자기 필드이 분포도를 도시하였고, 우측에는 도 4a의 우측에 도시된 본원 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 도시하였다.
좌측의 종래 타입 I의 전자기 필드 분포도에서 제1,2 전송선로(120,130)를 기준으로 반원형으로 방출되는 모양의 전자기 필드를 확인할 수 있다. 반면 우측에 도시된 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 살펴보면 관통 홀(180)과 하단 관통 홀(185)들의 주위로 전자기 필드가 확장되지 못하여 결과적으로 제1,2 전송선로(120,130)의 근처로 명확히 한정되고 있음을 알 수 있다.
도 4c를 참조하면, 도 4a의 좌측에 도시된 전형적인 λ/4 임피던스 변환기 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 I와 도 4a의 우측에 도시된 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 반사 특성 및 삽입 손실 특성이 그래프로 도시되어 있다.
이때의 두 장치의 구체적인 특성 비교는 앞서의 도 3d의 설명과 같으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5a를 참조하면, 좌측에는 전형적인 λ/4 임피던스 변환기에서 제1 전송선로(10)와 제2 전송선로(20)가 맞닿는 부위의 각각의 전송선로 일측단의 일정부분의 폭을 좁게 형성한 변형 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 II의 구조를 도시였고, 우측에는 이러한 종래 타입 II 장치에 관통 홀(180) 및 하단 관통 홀(185)을 형성한 본 발명의 또 다른 일실시예를 도시하였다.
도 5b를 참조하면, 좌측에는 종래 전력 합성분배 장치 타입 II의 전자기 필드의 분포도를 도시하였고, 우측에는 도 5a의 우측에 도시된 본원 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 도시하였다.
좌측의 종래 타입 II의 전자기 필드 분포도에서 제1,2 전송선로(120,130)를 기준으로 반원 고리 모양으로 방출되는 모양의 전자기 필드를 확인할 수 있다. 반면 우측의 본원 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 살펴보면 관통 홀(180)과 하단 관통 홀(185)들의 주위로 전자기 필드가 확장되지 못하여 결과적으로 제1,2 전송선로(120,130) 근처와, 제1,2 전송선로(120,130)의 결합 부분 근처에서 원형을 이루며 한정되고 있음을 확인 할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 도 5a의 좌측에 도시된 종래 전력 합성분배 장치 타입 II와 도 5a의 우측에 도시된 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 반사 특성 및 삽입 손실 특성이 그래프로 도시되어 있다.
좌측에 도시된 그래프는 반사 특성을 나타낸 그래프로서, 종래 전력 합성분배 장치 타입 II가 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??20dB의 반사 특성 값을 갖고, 도 5a에 우측에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??22dB의 반사 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 반사 특성에 있어서 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 2dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
우측에 도시된 그래프는 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프로서, 종래 전력 합성분배 장치 타입 II가 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??5.3dB의 삽입 손실 특성 값을 갖고, 도 5a에 우측에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 대략 -4.4dB의 삽입 손실 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 삽입 손실 특성에 있어서 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 1.1dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
도 6a를 참조하면, 전형적인 λ/4 임피던스 변환기에서 제1 전송선로(10)와 제2 전송선로(20)가 맞닿는 부위의 전송선로 각각의 종단부분을 사선의 형태로 잘라낸 변형 구조를 갖는 종래 전력 합성분배 장치 타입 III의 구조를 도시였고, 우측에는 이러한 종래 타입 III 장치에 관통 홀(180) 및 하단 관통 홀(185)을 형성한 본원의 또 다른 일실시예를 도시하였다.
도 6b를 참조하면, 좌측에는 종래 전력 합성분배 장치 타입 III의 전자기 필드의 분포도를 도시하였고, 우측에는 도 6a의 우측에 도시된 본원 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 도시하였다.
좌측의 종래 타입 III의 전자기 필드 분포도에서 제1,2 전송선로(120,130)를 기준으로 반원 고리 모양으로 방출되는 모양의 전자기 필드를 확인할 수 있다. 반면 우측의 본원 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 전자기 필드의 분포도를 살펴보면 관통 홀(180)과 하단 관통 홀(185)들의 주위로 전자기 필드가 확장되지 못하여 결과적으로 제1,2 전송선로(120,130) 근처와, 제1,2 전송선로(120,130)의 결합 부분 근처에서 원형을 이루며 한정되고 있음을 확인 할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 도 6a의 좌측에 도시된 종래 전력 합성분배 장치 타입 III와 도 6a의 우측에 도시된 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)의 반사 특성 및 삽입 손실 특성이 그래프로 도시되어 있다.
좌측에 도시된 그래프는 반사 특성을 나타낸 그래프로서, 종래 전력 합성분배 장치 타입 III가 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??12.5dB의 반사 특성 값을 갖고, 도 6a에 우측에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 대략 -13dB의 반사 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 반사 특성에 있어서 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 0.5dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
우측에 도시된 그래프는 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프로서, 종래 전력 합성분배 장치 타입 III가 60GHz 주파수 부근에서 대략 ??5.7dB의 삽입 손실 특성 값을 갖고, 도 6a에 우측에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)는 60GHz 주파수 부근에서 대략 -4.8dB의 삽입 손실 특성 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 삽입 손실 특성에 있어서 본 발명의 일실시예에 따른 RF 전력 합성분배 장치(100)가 약 0.9dB만큼 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 RF 전력 합성분배 장치의 제1,2 전송선로(120,130)의 결합 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격되는 위치에 상기 기판(110)을 관통하여 형성된 관통 홀(180)을 형성함으로써 이러한 관통 홀(180)이 인덕턴스 성분을 갖게 되고 전송 선로 결합 부분에서 고주파신호에 따라 발생되는 기생커패시턴스(Cp)에 의한 영향을 줄일 수 있게 되는 효과가 있음을 알 수 있다.
또한, 기생커패시턴스(Cp)에 의한 영향을 줄일 수 있게 됨으로써 RF 전력의 합성 및 분배에 따른 전력 손실을 줄일 수 있고 입출력 포트에서 신호의 반사를 최소화 할 수 있어 RF 전력 합성분배 장치의 효율성을 상당히 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.
상기와 같은 RF 전력 합성분배 장치는 위에서 설명된 실시 예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 예들은 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10, 20, 30: 제1~3 전송선로 40: 기판
100: RF 전력 합성분배 장치 110: 기판
120, 130, 140: 제1~3 전송선로 151, 153, 155: 제1~3 인덕터
160: 관통 인덕터 165: 트랜스
170: 커플링 커패시턴스 180: 관통 홀
185: 하단 관통 홀 Cp: 기생커패시턴스
T1,T2,T3: 제1~3 입출력단

Claims (8)

  1. T형을 이루며 결합되는 3 개의 전송선로들을 포함하는 RF 전력 합성분배 장치에 있어서,
    유전체 층을 사이에 두고 양쪽 면에 금속 층이 결합된 판형의 기판;
    상기 전송선로들 중 좌측 부위에 연결되는 제1 전송선로;
    상기 제1 전송선로 우측에 연결되는 제2 전송선로;
    상기 제1, 2 전송선로의 결합 부위에 연결되어 하부 측으로 연장된 제3 전송선로; 및
    상기 제1,2 전송선로의 결합 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격되는 위치에 상기 기판을 관통하여 형성된 관통 홀;을 포함하되,
    상기 제1 내지 제3 전송선로는 상기 기판의 일 측면에 결합된 금속 층을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 합성분배 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 RF 전력 합성분배 장치는,
    상기 제1,2 전송선로가 출력측이 되고 제3 전송선로가 입력측이 되면 RF 전력 분배 장치로서 작동하고, 상기 제1,2 전송선로가 입력측이 되고 제3 전송선로가 출력측이 되면 RF 전력 합성 장치로서 작동하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 3 전송선로는,
    스트립 선로, 마이크로스트립 선로, 동축 케이블, 도파관, 유전체 선로 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통 홀은,
    상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부위로부터 상부 측으로 일정거리 이격된 위치에 상기 기판을 관통하며 형성되고 그라운드와 접지되되, 상기 관통 홀의 직경 및 제1,2 전송선로의 결합부위로부터 이격되는 거리는 상기 기판에 사용된 유전체의 유전율 및 전송되는 전기 신호의 주파수 특성에 따라 다르게 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 RF 전력 합성분배 장치는,
    상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부분으로부터 하부 측 좌우로 상기 기판을 관통하며 형성되고 그라운드와 접지되는 다수개의 하단 관통 홀들을 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 하단 관통 홀들은,
    상기 제3 전송선로의 좌우측에 위치하고 상기 제1,2 전송선로가 결합되는 부위로부터 하부 측 사선 방향으로 일정거리 이격된 위치에 각각 n 개씩 2 x n 개가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전송선로와 제2 전송선로가 맞닿는 부위는 기 설정된 길이만큼 각각의 제1,2 전송선로의 폭보다 좁게 형성된 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전송선로와 제2 전송선로가 맞닿는 부위는 기 설정된 길이만큼 각각의 제1,2 전송선로의 종단부분이 사선의 형태로 잘려서 형성된 것을 특징으로 하는 RF 전력 분배합성 장치.
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