KR20160139753A - 비대칭 지셀 전력분배기 - Google Patents

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KR20160139753A
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    • H01P5/12Coupling devices having more than two ports

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Abstract

본 발명은 전송선로 양단에 고립 종단저항이 연결된
Figure pat00071
형 회로를, 전송선로 중앙에 한 개의 고립저항을 연결한 회로와 다른 더미 전송선로가 병렬로 연결된 회로로 변환하여 저항 연결 공간을 줄이는 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기에 관한 것이다.
상기한 본 발명에 의하면, 종래의 기술에 비교하여 동등한 전기적 특성을 가지면서도 종단 저항을 설치하는데 필요한 공간 사용 면적을 축소시킬 수 있는 효과가 있고, 그에 따라 자재 경비 절감의 이익을 얻는 효과가 있다.

Description

비대칭 지셀 전력분배기{Unequal Gysel power divider}
본 발명은 비대칭 지셀 전력분배기(Unequal Gysel power divider)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전송선로 중앙에 한 개의 저항을 연결한 회로 및 상기 회로와 병렬 연결된 전송선로를 연결한 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기에 관한 것이다.
전력분배기는 RF/마이크로웨이브 시스템의 핵심 구성요소이다. 전력분배기 중에서도 지셀 전력분배기(Gysel power divider)는 고전력 장치 분야에서 강점을 갖는다. 비대칭 지셀 전력분배기는 전력 결합기기(power combiner) 혹은 비대칭 도허티 증폭기(Asymmetric Doherty amplifier) 혹은 위상배열 안테나(phased array antennas)에 관한 공급 장치(feed system)로 사용될 수 있다. 상기 비대칭 지셀 전력분배기는 크기의 축소, 높은 분배비율, 이중대역 동작 등을 특징으로 하는 다양한 형태로 연구되어 왔다.
종래의 비대칭 지셀 전력분배기는 출력단자 사이에서 고립도 성능(isolation performance)을 만족시키기 위하여 각각 다른 값을 가지는 두 개의 종단 저항(termination resistor)들을 이용한다. 그러나 표준 임피던스 50 옴(ohm)으로 상기 전력분배기를 구동시킬 때, 상기 고전력 종단 저항은 임의의 값으로 정의될 수 없었다. 게다가 상기 종단 저항은 부피가 크기 때문에, 상기 종단 저항을 설치하기 위해서는 넓은 공간이 필요하다는 문제점이 있었다.
이상록, 임은재, 이영철, "Gysel 전력결합기를 이용한 고출력 X-band SSPA 설계", 한국전자통신학회 논문지 제9권 제4호 (2014. 04. 11 게재)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 전송선로 양단에 고립 종단저항이 연결된
Figure pat00001
형 회로를, 전송선로 중앙에 한 개의 고립저항을 연결한 회로와 다른 전송선로가 병렬로 연결된 회로로 변환하여 저항 연결 공간을 줄이는 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기에 있어서, 상기 T형 회로는, 전력 신호가 입력되는 1개의 입력단자; 및 일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단자;를 포함하며, 상기 출력단자는, 일단이 제 1출력단자에, 타단이 제 2출력단자에 각각 병렬로 연결된 2개의 제1 및 제2 전송선로(transmission line); 및 1개의 분로 저항(shunt resistor)을 포함하고, 상기 분로 저항은, 일단이 상기 제 2전송선로와의 접점에, 타단이 접지에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기를 제공한다.
상기 전송선로의 전기적 길이는 λ/2인 것을 특징으로 하고, 상기 λ은 상기 입력단자로 입력되는 상기 전력 신호의 파장을 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 분로 저항의 값은 특성 임피던스 값 Z0이고, 상기 제 1전송선로의 임피던스 값은
Figure pat00002
Figure pat00003
의 합이며, 상기 제 2전송선로의 임피던스 값은
Figure pat00004
Figure pat00005
의 합이고, 전력분배비율은
Figure pat00006
/
Figure pat00007
이고, 상기
Figure pat00008
Figure pat00009
는 각각 상기 특성 임피던스 z0의 배수로서 각각
Figure pat00010
= pZ0 ,
Figure pat00011
= qZ0인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 비대칭 지셀 전력분배기는
Figure pat00012
의 조건을 만족하고, 상기
Figure pat00013
는 상기 전력분배비율이고, 상기 R3는 상기 T형 회로의 분로 저항 값이며, 상기
Figure pat00014
Figure pat00015
형 회로의 종단저항(termination resistor)중 하나의 값이고, 상기
Figure pat00016
형 회로는 상기 T형 회로와 등가적이다.
상기
Figure pat00017
형 회로는, 전력 신호가 입력되는 1개의 입력단; 및 일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단;을 포함하고, 상기 출력단은, 일단이 제 1출력단에, 타단이 제 2출력단에 각각 연결된 길이가 λ/4인 1개의 전송선로; 및 2개의 제 1 및 제 2종단 저항을 포함하며, 상기 제 1종단 저항은, 일단이 상기 제 1출력단에, 타단이 상기 접지에 각각 연결되고, 상기 제 2종단 저항은, 일단이 제 2출력단에, 타단이 상기 접지에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의하면, 종래의 기술에 비교하여 동등한 전기적 특성을 가지면서도 종단 저항을 설치하는데 필요한 공간 사용 면적을 축소시킬 수 있는 효과가 있고, 그에 따라 자재 경비 절감의 이익을 얻는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기에 있어서
Figure pat00018
형회로에서 T형 회로로의 등가회로 변환을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기에서 전송선로 일단의 임피던스 값 및 전력 분배비율의 변화에 따른 타단의 임피던스 값의 변화를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 비대칭 지셀 전력분배기를 나타내는 사진.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기의 측정된 S파라미터들을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기의 고조파 특성 측정결과를 나타내는 그래프.
본 발명은 전송선로 양단에 고립 종단저항이 연결된
Figure pat00019
형 회로를, 전송선로 중앙에 한 개의 고립저항을 연결한 회로 및 상기 회로와 병렬로 연결된 더미 전송선로(dummy transmission line)가 연결된 회로로 변환한 비대칭 지셀 전력분배기의 구성을 기본적인 기술적 요지로 한다.
이하, 본 발명에 따른 비대칭 지셀 전력분배기의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비대칭 지셀 전력분배기를 나타내는 도면이다.
상기 비대칭 지셀 전력분배기는 1개의 입력단자, 2개의 출력단자 및 1개의 분로 저항을 구성하고 있는 T형 회로를 포함한다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 입력단자 P1에는 분배하려는 전력 신호가 입력된다. 그리고 2개의 출력단자 P2, P3에는 일정한 비율로 분배된 전력 신호가 출력되는 곳이다.
상기 출력단자 P2, P3에는, 일단이 출력단자 P2에, 타단이 출력단자 P3에 각각 연결된 2개의 제1 및 제2 전송선로 및 1개의 분로 저항(shunt resistor) R3이 포함될 수 있다. 상기 분로 저항 R3은 일단이 제 2전송선로와의 접점에, 타단이 접지(Ground)에 각각 연결될 수 있다.
제 1전송선로의 임피던스 값은
Figure pat00020
Figure pat00021
의 합으로, 제 2전송선로의 임피던스 값은
Figure pat00022
Figure pat00023
의 합으로 정의할 수 있다. 상기 제 2전송선로의 임피던스 값은 상기 분로 저항 R3와 만나는 접점을 기준으로
Figure pat00024
Figure pat00025
을 가지는 부분 전송선로로 나누어질 수 있다.
상기 도 1에서 나타낸 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기는
Figure pat00026
형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기에서 등가적으로 변환된 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른
Figure pat00027
형 회로에서 T형 회로로의 등가회로 변환에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2a에서 도시한 바와 같이,
Figure pat00028
형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기는 전력 신호가 입력되는 1개의 입력단, 일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단을 포함한다.
상기 출력단자는, 일단이 제 1출력단에, 타단이 제 2출력단에 각각 연결된 길이가 λ/4인 1개의 전송선로 및 2개의 종단 저항 Rp1, Rp2를 포함하며, 상기 종단 저항 Rp1은 일단이 제 1출력단에, 타단이 접지에 각각 연결되고, 상기 종단 저항 Rp2는 일단이 제 2출력단에, 타단이 접지에 각각 연결된다. 또한 상기 길이가 λ/4인 전송선로의 임피던스 값은 Zp1 및 Zp2의 합으로 정의될 수 있다.
상기
Figure pat00029
형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기는 ABCD 매트릭스(matrix)를 통해 전기적인 특성(입력값과 출력값이 동일함)이 등가적인 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기로 변환될 수 있다.
아래의 표 1은 상기 2개의 단자를 가지는 회로에서의 ABCD 매트릭스의 파라미터(parameter)들의 예를 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00030

상기 2개의 종단저항 Rp1, Rp2 및 하나의 전송선로가 연결된
Figure pat00031
형 회로의 ABCD 매트릭스 파라미터들은 아래의 수학식 1과 같이 유도될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00032

도 2b에서 도시한 바와 같이, T형 회로를 포함하는 비대칭 지셀 전력분배기는 앞서 설명한 것처럼 전력신호가 입력되는 1개의 입력단자, 일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단자 및 1개의 분로저항을 포함한다. 도 2b에 도시한 상기 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기의 ABCD 매트릭스 파라미터들은 아래의 수학식 2와 같이 유도될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00033

상기
Figure pat00034
형 비대칭 지셀 전력분배기들의 출력비율은, 2개의 출력단을 각각 P2, P3라고 할 때 P2, P3에서 출력되는 전력의 비율은 P3/P2=
Figure pat00035
라고 할 수 있다. 그러므로 상기 2개의 출력단 사이의 임피던스의 비율은
Figure pat00036
이 될 것이다. 상기
Figure pat00037
형 비대칭 지셀 전력분배기의 출력단 사이 전송선로의 특성 임피던스를 Z0라 하고, p, q는 이상적인 수를 의미할 때,
Figure pat00038
Figure pat00039
라고 가정할 수 있다. 이 때 수학식 1 및 수학식 2의 파라미터들을 각각에 대응시키기 위해서는 아래의 수학식 3을 만족해야 한다.
[수학식 3]
Figure pat00040

저항들이 Rp1 = Z0/k, R3 = Z0로 선택된 후에,
Figure pat00041
의 파라미터들과 전력 분배 비율
Figure pat00042
가 변화할 때, 상기 T형 회로의 전송선로 임피던스 값
Figure pat00043
은 도3에서 도시한 것처럼 변화한다. 만약 상기
Figure pat00044
=
Figure pat00045
의 조건이 만족되면, 상기
Figure pat00046
의 임피던스 값은 관계가 없어진다(irrespective).
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기에서 전송선로 일단의 임피던스 값
Figure pat00047
Figure pat00048
=
Figure pat00049
를 통해 얻어진 전력 분배비율의 변화에 따라 변화하는 타단의 임피던스 값
Figure pat00050
를 나타내는 도면이다.
K2의 값이 커질수록, 전송선로 타단의 임피던스 값
Figure pat00051
이 급격히 변화함을 알 수 있다. 전송선로 일단의 임피던스 값
Figure pat00052
의 변화에 따른
Figure pat00053
의 변화의 정도는 상대적으로 적다고 할 것이다.
본 발명의 제안된 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기의 성능을 증명하기 위하여 실제로 중심 주파수 2GHz, T형 회로를 가진 2:1 비대칭 지셀 전력분배기를 설계하여 시뮬레이션 할 수 있다. 이하, 도 4 내지 도6을 참조하여 상기 언급한 대로 실제 제작된 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기의 특성을 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 실제 제작된 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기를 나타내는 사진이다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 도 1에서 도시된 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기의 성질을 그대로 가진 50옴(ohm)의 분로저항 및 더미 전송선로를 가진 2:1 비대칭 지셀 전력분배기가 실제로 제작될 수 있다.
상기 T형 회로를 가진 비대칭 지셀 전력분배기는 유전율 ε = 4.4 및 두께 h = 0.787 mm인 에폭시 PCB 회로기판 위에 제작되었으며, 상기 시뮬레이션은 내쇼날 인스트루먼트에 의해 개발된 마이크로웨이브 오피스 소프트웨어를 이용하여 수행될 수 있을 것이다.
정확한 ABCD 파라미터들을 얻기 위하여 상기 시뮬레이션 조건들은 Z0 = 50Ω p = 1.742 및 q = 0.245로 선택될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기의 측정된 S파라미터들을 나타내는 그래프이다.
S 파라미터(Scattering Parameter)는 RF에서 사용되는 회로 결과 값으로 보통은 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력 전압의 비율을 의미한다. 즉, 입력단자로 입력된 전력이 출력단자로 얼마나 출력이 되는가를 나타내는 수치이다. 전송선로의 전송 성능을 해석하는 경우에 활용될 수 있다. 이를 통해 각 선로의 삽입손실, 전송 능력, 선로 커플링(coupling) 등을 체크해 볼 수 있다.
도 5에서는 도 4에서 도시한 실제 T형 회로에 기반한 비대칭 지셀 전력분배기를 시뮬레이션한 결과와 실험적으로 측정한 결과를 나타낸다. 상기한 T형 회로에 기반한 비대칭 지셀 전력분배기는 2.2dB와 5.3dB의 삽입손실, 18dB보다 큰 고립도, 20dB의 입력반환 손실 및 2GHz의 중심 주파수에서 17dB보다 큰 출력 반환 손실을 보인다. 이와 같은 특성들은 종래의
Figure pat00054
형 비대칭 지셀 전력분배기의 성질과 거의 동일하다. 다만, 제안된 T형 회로에 기반한 비대칭 지셀 전력분배기는 하나의 분로 저항을 사용하므로 종래의
Figure pat00055
형 비대칭 지셀 전력분배기 보다 공간적인 효율성이 높다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기의 고조파 특성 측정결과를 나타내는 그래프이다.
즉, 도6은 도 4에서 도시한 실제 T형 회로에 기반한 비대칭 지셀 전력분배기를 시뮬레이션하여 얻게 된 고조파의 특성 및 실제로 측정하여 얻은 고조파의 특성을 함께 나타낸다.
도 6에서 도시한 바와 같이, 2번째, 3번째 그리고 4번째 고조파의 반환 손실은 서로 다른 임피던스 값을 가지는 두 개의 λ/4 전송선로들을 이용하기 때문에 증가하게 되는 것이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 그러므로 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. T형 회로를 가지는 비대칭 지셀 전력분배기에 있어서,
    상기 T형 회로는,
    전력 신호가 입력되는 1개의 입력단자; 및
    일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단자;를 포함하며,
    상기 출력단자는,
    일단이 제 1출력단자에, 타단이 제 2출력단자에 각각 병렬로 연결된 2개의 제1 및 제2 전송선로(transmission line); 및
    1개의 분로 저항(shunt resistor)을 포함하고,
    상기 분로 저항은,
    일단이 상기 제 2전송선로와의 접점에, 타단이 접지에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전송선로의 전기적 길이는 λ/2인 것을 특징으로 하고, 상기 λ은 상기 입력단자로 입력되는 상기 전력 신호의 파장을 의미하는 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분로 저항의 값은 특성 임피던스 값 Z0이고,
    상기 제 1전송선로의 임피던스 값은
    Figure pat00056
    Figure pat00057
    의 합이며,
    상기 제 2전송선로의 임피던스 값은
    Figure pat00058
    Figure pat00059
    의 합이고,
    전력분배비율은
    Figure pat00060
    /
    Figure pat00061
    이고,
    상기
    Figure pat00062
    Figure pat00063
    는 상기 특성 임피던스 Z0의 배수로서 각각
    Figure pat00064
    = pZ0,
    Figure pat00065
    = qZ0인 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기.
  4. 제3항에 있어서,
    Figure pat00066

    의 조건을 만족하고,
    상기
    Figure pat00067
    는 상기 전력분배비율이고,
    상기 R3는 상기 T형 회로의 분로 저항 값이며,
    상기 Rp1는
    Figure pat00068
    형 회로의 종단저항(termination resistor)중 하나의 값이고,
    상기
    Figure pat00069
    형 회로는 상기 T형 회로와 등가적인 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기
    Figure pat00070
    형 회로는,
    전력 신호가 입력되는 1개의 입력단; 및
    일정한 비율로 전력이 분배되는 2개의 출력단;을 포함하고,
    상기 출력단은,
    일단이 제 1출력단에, 타단이 제 2출력단에 각각 연결된 길이가 λ/4인 1개의 전송선로; 및
    2개의 제 1 및 제 2종단 저항을 포함하며,
    상기 제 1종단 저항은, 일단이 상기 제 1출력단에, 타단이 상기 접지에 각각 연결되고,
    상기 제 2종단 저항은, 일단이 제 2출력단에, 타단이 상기 접지에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 비대칭 지셀 전력분배기.
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