KR20230171047A - 전력 분배기/결합기 - Google Patents

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KR20230171047A
KR20230171047A KR1020220070440A KR20220070440A KR20230171047A KR 20230171047 A KR20230171047 A KR 20230171047A KR 1020220070440 A KR1020220070440 A KR 1020220070440A KR 20220070440 A KR20220070440 A KR 20220070440A KR 20230171047 A KR20230171047 A KR 20230171047A
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김준형
송재혁
김승예
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충남대학교산학협력단
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Abstract

전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 다수 개의 포트를 구비한 전력 분배기/결합기로서, 일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P1 포트에 연결된 제1 인덕터와, 일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P2 포트에 연결된 제2 인덕터가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터; 및 상기 P1 포트와 상기 P2 포트 사이에 연결되는 격리 네트워크(isolation network); 를 포함하고, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 간에는 병렬로 연결된 기생 커패시터와 기생 인덕터를 포함하는 기생 성분이 생성되며, 상기 상호 인덕터는 상기 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계된 전력 분배기/결합기를 제공한다.

Description

전력 분배기/결합기{POWER DIVIDER/COMBINER}
본 발명은 전력 분배기/결합기에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, 상호 인덕턴스를 이용한 전력 분배기/결합기에서 상호 인덕터의 구조 변화와 수동소자(Passive element)의 추가 설치를 통한 모든 매칭 최적화 기법을 적용하여 포트 간 격리도(Isolation)를 향상시키면서도, 소형화 가능한 기술에 관한 것이다.
4세대 이동 통신(4G, fourth generation technology standard) 대비 향상된 네트워크 성능과 속도를 확보하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으며, 이러한 연구의 일환으로, 5세대 이동 통신(5G, fifth generation technology standard)이 상용화된 바 있다.
5G의 경우, 저주파수 대역(예컨대, 6 GHz 이하)과 초고주파수 대역(예컨대, 24 GHz 이상)을 사용하여 구현될 수 있는데, 특히, 초고주파수 대역은 4G 대비 약 20 배 더 빠른 무선 통신을 이용한 고속 데이터 전송을 가능하도록 한다.
이때, 전파의 주파수 대역은 밀리미터파(mm-Wave), 테라헤르츠파(terahertz wave, THz wave) 등의 초고주파 대역으로 갈수록 고속 통신 서비스 환경을 제공하는 것이 가능할 수 있지만, 저주파수 대역 대비 전파 거리가 짧고, 직진성이 강하여 비가시선(NLOS) 환경에서는 사용하기 어렵다는 단점이 있다.
초고주파 대역에서의 단점인 짧은 전파 거리 및 전파의 경로 손실 등의 완화를 모색하기 위한 기술의 일환으로, 빔 포밍(Beamforming), 대용량 다중 입/출력(Massive MIMO) 등이 제시된 바 있다. 일 예로, 빔 포밍의 경우, 다수의 송/수신기(예컨대, 안테나)를 연결함으로써 여러 방향의 신호를 송/수신 할 수 있는데, 다수의 송/수신기의 연결은 전력 분배기/결합기에 의해 구현될 수 있다.
전력 분배기는 입력된 신호의 전력을 소정의 비율로 나누어 출력 포트로 분배하는 회로로서, 전력 손실 없이 원하는 비율로 전력을 분배할 뿐만 아니라, 출력 포트 사이를 격리시켜 포트 간 상호 영향에 의한 회로 특성 변화를 방지하는 것이 이상적이다. 이때, 전력 분배기의 입/출력 포트를 전환하면 전력 결합기로 사용될 수 있다.
대표적으로, 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기가 있다. 도1에 예시된 바와 같이, 종래의 윌킨슨 전력 분배기는, 1개의 입력포트(Port 0)와 2개의 출력포트(Port 1, Port 2)를 갖는 2-way 전력 분배기로, 입력포트와 각 출력포트들 사이가 전송라인(TML 1, TML 2)으로 연결되어 있고, 두 전송라인 간에는 저항(R)이 배치되어 있다. 이때, 각 전송라인의 길이는, 회로의 동작 주파수가 λ인 경우, λ/4로 결정된다.
이러한, 윌킨슨 전력 분배기의 경우, 전송 라인의 범주 조건을 맞춰야 하므로, 동작 주파수 대역에 따라 회로의 크기가 커질 수 있는 문제점이 존재하였다.
한편, 무선 통신의 발전으로 초고주파 대역의 사용이 모색됨에 따라, 해당 주파수 대역의 무선 통신 서비스를 제공하기 위한 구성을 구현하기 위해 사용되는 전력 분배기/결합기 또한 소형화가 요구되는 실정이다. 좀더 구체적으로 설명하면, 고주파수 대역에서 사용되기 위한 구성들은 저주파수 대역의 무선 통신 서비스 장비 대비 많은 수의 소자가 신호 간섭을 방지하도록 적정 거리 이격 배치되며 한정된 탑재 공간 내에 모두 배치되어야 하므로, 해당 구성들의 칩 사이즈는 더욱더 작아질 필요성이 있는 것이다.
이를 위해, 인덕터(Inductor) 간의 상호 인덕턴스를 이용한 전력 분배기/결합기들이 제시된 바 있다. 이때, 상호 인덕터의 적용은 일정 인덕턴스를 얻기 위한 인덕터들의 크기가 줄게 되며, 최종적으로 전력 분배기/결합기의 사이즈를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 종래의 상호 인덕터를 적용한 전력 분배기/결합기의 경우, 포트 간 격리도가 낮아진다는 단점이 존재하였으며, 일정 고주파수 이상의 대역에서는 요구되는 사이즈로 구현되기 어려워, 그 사용에 한계가 존재하였다.
이에, 본 발명에서는 초고주파수 대역에서 상호 인덕터의 효과를 최대로 누릴 수 있는 최적화된 구조를 제안함과 동시에, 포트 간 격리 특성을 향상시키면서도 소형화 가능한 전력 분배기/결합기를 제안하고자 한다.
선행기술1 : 한국공개특허 10-2017-0066915 선행기술2 : 미국공개특허 US2017/007892A
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 포트 간 격리 특성을 향상시키면서도, 소형화 가능한 전력 분배기/결합기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 다수 개의 포트를 구비한 전력 분배기/결합기로서, 일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P1 포트에 연결된 제1 인덕터와, 일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P2 포트에 연결된 제2 인덕터가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터; 및 상기 P1 포트와 상기 P2 포트 사이에 연결되는 격리 네트워크(isolation network); 를 포함하고, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 간에는 병렬로 연결된 기생 커패시터와 기생 인덕터를 포함하는 기생 성분이 생성되며, 상기 상호 인덕터는 상기 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계될 수 있다.
여기서, 상기 상호 인덕터는, 상기 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 상기 기생 커패시터와 기생 인덕터 간의 공진이 발생하도록 설계될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 상기 P0 포트에서 상기 상호 인덕터와 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결되는 매칭 네트워크(matching network);를 더 포함할 수 있고, 상기 매칭 네트워크는 커패시터 또는 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 격리 네트워크는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬 연결될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 상기 상호 인덕터와 상기 격리 네트워크 사이에 배치되되, 상기 P1 포트와 상기 P2 포트 사이에 연결되는 적어도 하나 이상의 추가 수동소자; 를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 추가 수동소자는 커패시터로 마련되며, 상기 커패시터는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 상기 기생 성분의 공진이 발생하기에 부족한 커패시턴스를 보상하도록 하는 커패시턴스 값을 가질 수 있다.
한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 일 측에 위치한 어느 하나의 포트(이하, ‘P0 포트’라 칭함)와, 타 측에 위치한 P1 포트, P2 포트, ..., Pn-1 포트, Pn 포트를 포함하는 n개의 포트들 ―여기서, n은 4 이상의 짝수―이 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 n-way 전력 분배기/결합기로서, 한 쌍의 인덕터가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터들로 구성되되, 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 일단이 상기 P0 포트에 연결되고, 그 타단은 타 측에 위치한 n개의 포트들과 각각 1:1로 대응되어 연결된 인덕터 그룹; 및 타 측에 위치한 n개의 포트들 간을 연결하는 적어도 하나 이상의 격리 네트워크들로 구성된 격리 네트워크 그룹; 을 포함하고, 상기 상호 인덕터 간에는 기생 커패시터와 기생 인덕터가 병렬 연결된 기생 성분이 생성되고, 상기 상호 인덕터는 상기 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계될 수 있다.
여기서, 상기 상호 인덕터들은, 상기 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 상기 기생 커패시터와 기생 인덕터 간의 공진이 발생하도록 설계될 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 상기 P0 포트에서 상기 인덕터 그룹과 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결되는 매칭 네트워크; 를 더 포함하고, 상기 매칭 네트워크는 커패시터 또는 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 격리 네트워크는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬 연결되며, 상기 격리 네트워크 그룹은, 상기 격리 네트워크가 n개 구비되며, n개의 격리 네트워크는 각각의 일단이 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 타 측에 위치한 n개의 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 상기 n개의 격리 네트워크의 타단들이 서로 연결될 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기는, 상기 인덕터 그룹과 상기 격리 네트워크 그룹 사이에 배치되는 n개의 추가 수동소자; 를 더 포함하고, 상기 n개의 추가 수동소자는, 각각의 일단이 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 타 측에 위치한 n개의 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 상기 추가 수동소자들의 타단이 서로 연결될 수 있다.
이때, 상기 추가 수동소자는 커패시터로 마련되며, 상기 커패시터는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 상기 기생 성분의 공진이 발생하기에 상기 기생 커패시터의 부족한 커패시턴스를 보상하도록 하는 커패시턴스 값을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 도출될 수 있다.
첫째, 동작 주파수에서 상호 인덕터 사이에 존재하는 기생 성분이 공진하도록 상호 인덕터 구조를 설계하여, 해당 주파수 대역에서 밴드 차단 필터로 동작하게 의도함에 따라 격리 네트워크와 더불어 포트 간 격리도에 영향을 미쳐 우수한 격리 특성을 가지는 전력 분배기/결합기를 제공할 수 있다.
둘째, 기생 성분의 공진 조건을 맞추기 위한 상호 인덕터의 구조 변화와 더불어 수동소자를 추가함으로써, 기생 성분의 부족한 커패시턴스를 보충하며 격리도 개선이 이루어질 수 있으며, 추가 수동소자의 커패시턴스 값에 따라 동작 주파수 대역이 조정될 수 있다. 즉, 상호 인덕터의 구조 변화와 수동소자의 추가를 통해 모든 측면에서 이상적인 회로와 근접한 전력 분배기/결합기 설계가 가능하며, 그 성능을 최대한으로 끌어올릴 수 있다.
셋째, 상호 인덕터의 구조 변화 및 간단한 회로 추가(예컨대, 수동소자 추가) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 모든 매칭 최적화 기법을 적용함으로써, 기존 윌킨슨 전력 분배기 회로 대비 약 50% 이상의 크기 감축 효과를 얻을 수 있으며, 면적이 곧 비용인 반도체 생산에 있어서 그 생산 단가 또한 절감될 수 있다.
넷째, 전력 분배기/결합기 뿐 아니라 한 쌍 이상의 상호 인덕터를 채택한 전자회로에서 추가 수동 소자의 설치를 통해 자신이 원하는 주파수 대역(타겟 주파수)에 대한 In-Output Matching/Insertion Loss/Phase Mismatch/Isolation 등의 요구 성능을 크게 개선할 수 있으므로, 다른 디바이스와 결합하였을 때 시스템적으로 더욱 뛰어난 성능을 구현해낼 수 있다. 이에, 저비용 고효율을 요구하는 모든 무선통신의 발전에 크게 기여할 수 있다.
도1은 종래 윌킨슨 전력 분배기를 도시한 것이다.
도2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기의 상호 인덕터 구조를 도시한 것이다.
도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기의 회로도를 도시한 것이다.
도3a 및 도3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기에서 상호 인덕터에 존재하는 기생 성분을 설명하기 위하여 예시한 것이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기의 회로도를 도시한 것이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기에서의 격리도 개선을 설명하기 위한 그래프이다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4-way 전력 분배기/결합기를 도시한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다. 또한, 본 명세서에서 크기 또는 값이 특정 수치로 언급된 경우, 해당 수치뿐만 아니라 해당 수치의 허용오차 범위 내의 값들도 포함한다.
참고로, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 본 발명의 요지와 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부가한다. 또한, 도면 중 회로도에 도시된 구성요소들은 등가의 기능을 하는 다른 소자들로 대체될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 관한 구체적인 설명에 앞서, 본 발명이 제안하는 전력 분배기/결합기(100)는 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 다수 개의 포트를 구비한 n-way 전력 분배기/결합기(여기서, n은 자연수)에 관한 것이다.
이때, 2-way 전력 분배기/결합기인 경우와 4-way 이상의 전력 분배기/결합기의 경우에 각각 제안된 구조가 일부 상이하므로, 그 실시 예를 나눠서 설명하고자 한다. 이하에서 설명하는 전력 분배기/결합기의 제1 실시예와 제2 실시예는 2-way 전력 분배기/결합기이고, 제3 실시예는 4-way 이상의 n-way 전력 분배기/결합기에 관한 것이다.
참고로, 인덕턴스를 가지는 소자를 설명하는데 있어, 인덕터로 한정하여 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 등가의 기능을 하는 소자면 그 어떠한 것도 적용 가능함은 물론이다.
<제1 실시예>
도2a 및 도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기를 도시한 도면으로, 도2a는 본 발명이 제안한 전력 분배기/결합기에 포함되는 상호 인덕터의 구조를 예시한 것이고, 도2b는 도2a의 상호 인덕터가 포함된 전력 분배기/결합기의 구조를 나타낸 회로도를 도시한 것이다.
도2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기(100)는, 상호 인덕터(110), 매칭 네트워크(120), 격리 네트워크(130)를 포함하여 구성된다.
상호 인덕터(110)는 일단이 P0 포트(Port 0)에 연결되고 그 타단이 P1 포트(Port 1)에 연결된 제1 인덕터(L1)와, 일단이 P0 포트(Port 0)에 연결되고 그 타단이 P2 포트(Port 2)에 연결된 제2 인덕터(L2)가 자기적으로 상호 결합된 구성이다.
여기서, 상호 인덕터(110)를 구성하는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 간에는 병렬로 연결된 기생 커패시터(Cp)와 기생 인덕터(Lp)를 포함하는 기생 성분이 접속된다. 이때, 상호 인덕터(110)는 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계된다.
참고로, 기생 성분은 반도체 제조 과정에서 기생적으로 형성되는 성분으로, 가상으로 존재하는 소자를 의미한다.
여기서, 상호 인덕터(110)는 이를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 기생 커패시터(Cp)와 기생 인덕터(Lp) 간의 공진이 발생하도록 설계될 수 있는데, 이는 도3을 참조하여 구체적으로 설명하고자 한다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기(100)에서 상호 인덕터(110)에 포함된 기생 성분을 설명하기 위한 도면으로, 도3a는 기생 인덕터(Lp)의 인덕턴스 값을 설명하기 위하여 예시한 것이고, 도3b는 기생 커패시터(Cp)의 커패시턴스 값을 설명하기 위하여 예시한 것이다.
먼저, 도3a에 예시된 회로도를 참조하면, 제1 인덕터(L1) 또는 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스 값은 (1+k)L1로, 자기 인덕턴스(L1=L2)와 상호 인덕턴스()가 합쳐진 값이다. 이로부터 기생 성분 중 기생 인덕터(Lp)의 인덕턴스 값은 하기의 수학식 1을 만족한다.
[수학식 1]
(여기서, Lp는 기생 인덕턴스, k는 결합 계수(coupling factor, ), L1은 제1 인덕터 또는 제2 인덕터의 자기 인덕턴스)
참고로, 결합 계수인 k는 기 설정된 시뮬레이션 프로그램을 통해 도출된 값이 적용될 수 있다.
다음으로, 도2a의 상호 인덕터 구조를 일부 확대 도시한 도3b를 참조하면, 기생 커패시터(Cp)의 커패시턴스 값은 하기의 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
(여기서, Cp는 기생 커패시터의 커패시턴스, ε는 상호 인덕터를 구현하는 금속(metal)의 유전율, A는 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께(r)와 길이(l)로부터 결정되는 면적, d는 상호 인덕터를 구현하는 금속 간 거리)
만약, 상호 인덕터(110)를 구현하기 위해 사용되는 금속에 대한 두께(r)와 유전율(ε)을 알고 있다면, 길이(l)와 거리(d)의 변화를 통하여 원하는 커패시턴스 값을 얻을 수 있다(일 예로, ε=4.326176, r= 3.4 μm).
참고로, 본 발명에서 제안하는 전력 분배기/결합기는 TSMC 65-nm CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor) 기술에 기반하여 제작되었으며, 동작 주파수 대역에 따라 본 발명의 전력 분배기/결합기(100)를 구성하는 구성요소들의 세부조건이 변경될 수 있음은 물론이다. 이때, 금속에 대한 두께(r)와 유전율(ε)은 공정사로부터 제공받을 수 있다.
즉, 상술한 기생 성분들 간에 공진이 발생할 수 있도록 특정 주파수 대역 즉, 타겟 주파수에 대한 공진 조건에 부합하는 기생 성분들의 값을 도출하고, 이에 맞게 전력 분배기/결합기(100)의 설계가 이루어질 수 있는 것이다.
여기서, 기생 인덕턴스(Lp)와 기생 커패시턴스(Cp) 간의 공진 조건은 하기의 참고식 1을 만족할 수 있다.
[참고식 1]
(여기서, f0는 공진 주파수, Lp은 기생 인덕턴스, Cp는 기생 커패시턴스)
이때, 전력 분배기/결합기(100)의 타겟 주파수인 특정 주파수 예컨대, 동작 주파수를 공진 주파수로 설정하고, 해당 주파수 대역에서 기생 인덕터(Lp)와 기생 커패시터(Cp)가 공진이 발생할 수 있도록 세부 조건(예컨대, 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 거리 중 적어도 어느 하나)을 변경하여, 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터로 작용하도록 설계될 수 있다.
즉, 기생 성분들의 적절한 조절을 통하여 공진을 일으키고, 후술할 격리 네트워크(130)와 더불어 P1 포트(Port 1) 및 P2 포트(Port 2) 간의 격리도를 보장하여, 포트 간 격리 특성이 더욱 향상될 수 있도록 한다.
매칭 네트워크(matching network; 120)는 P0 포트(Port 0)에서 상호 인덕터(110)와 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결된다. 이때, 매칭 네트워크(120)는 포트 간 임피던스 매칭을 위한 소자를 의미하며, 커패시터 또는 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명이 제안하는 전력 분배기/결합기(100)에서 매칭 네트워크(120)는 커패시터(CB)로 구성될 수 있다.
격리 네트워크(isolation network; 130)는 P1 포트(Port 1) 및 P2 포트(Port 2) 사이에 연결된다.
이때, 격리 네트워크(130)는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬로 연결될 수 있는데, 본 발명이 제안하는 2-way 전력 분배기/결합기(100)에서는 두 개의 커패시터와 하나의 저항이 커패시터(CA)-저항(R)-커패시터(CA) 순으로 직렬 연결되며, P1 포트(Port 1)와 P2 포트(Port 2) 간이 격리되도록 한다.
한편, 종래 보고된 전력 분배기/결합기의 경우, 포트 간 격리도를 정합하기 위한 역할로 인덕터, 저항, 커패시터 중 어느 하나의 수동소자를 포함하는 격리 네트워크만을 사용하는 것이 일반적이다.
반면에, 제1 실시예에서 제안하는 전력 분배기/결합기(100)의 경우, 상호 인덕터(110)를 구현하는데 있어 생성되는 가상의 커패시터(Lp) 및 인덕터(Cp) 즉, 기생 성분들이 서로 공진하며 밴드 차단 필터로 작용하도록 의도함에 따라, 격리 네트워크(130)의 격리 특성이 향상되도록 할 수 있다. 이를 통해, 사이즈를 줄이기 위하여 상호 인덕터 구조를 채택함에 따라 격리도가 나빠지게 되었던 종래 전력 분배기/결합기의 단점을 극복할 수 있는 것이다. 게다가, 상호 인덕터의 구조 변화를 통하여 회로 크기의 한계를 극복하면서도, 초고주파수 대역에서의 사용을 보장할 수 있음은 물론이다.
<제2 실시예>
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기를 예시한 것이며, 도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기에서의 격리도 개선을 설명하기 위한 그래프이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배기/결합기(100)는, 상호 인덕터(110), 매칭 네트워크(120), 격리 네트워크(130) 및 추가 수동수자(140)를 포함하여 구성된다. 참고로, 상호 인덕터(110), 매칭 네트워크(120) 및 격리 네트워크(130)의 경우, 앞서 제1 실시예에서 언급한 바와 그 내용이 동일한 바 그 설명을 생략하고자 한다.
추가 수동소자(140)는 상호 인덕터(110)와 격리 네트워크(130) 사이에 배치되며, P1 포트(Port 1)와 P2 포트(Port 2) 사이에 연결된다. 이때, 추가 수동소자(140)는 격리 네트워크(130)와 병렬로 연결될 수 있다.
여기서, 추가 수동소자(140)는 커패시터로 마련되며, 타겟 주파수 또는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 기생 성분의 공진이 발생하기에 기생 커패시터(Cp)의 부족한 커패시턴스를 보상하는 커패시턴스 값을 갖고, 추가 수동소자(140)가 가지는 커패시턴스 값에 따라 동작 주파수 대역의 주파수가 변경될 수 있다.
여기서, 추가 수동소자(140)와 기생 성분은 하기의 수학식 3을 만족하며, 추가 수동소자(140) 및 기생 커패시터의 커패시턴스(CM+Cp)와 기생 인덕턴스(Lp) 간의 공진이 발생하는 특정 주파수 대역에서 기생 성분과 추가 수동소자(140)의 관계는 대역 차단 필터로 동작하여, 격리 네트워크(130)와 더불어 전력 분배기/결합기(100)의 격리 성능을 향상시키며, 해당 주파수 대역에서 포트들 간 우수한 격리 특성을 보장할 수 있다.
[수학식 3]
(여기서, CM은 추가 수동소자의 커패시턴스, Cp는 기생 커패시터의 커패시턴스, Lp는 기생 인덕터의 인덕턴스, f0는 공진 주파수)
즉, 제2 실시예에서 제안하는 전력 분배기/결합기(100)는 기생 성분을 세세하게 조절하여 공진 구간을 맞추는데 한계가 존재하므로, 추가 수동소자(140)를 포함시킴으로써, 기생 커패시터의 부족한 커패시턴스를 보충하며 특정 주파수 대역에서의 공진이 발생할 수 있도록 한다. 이때, 완벽히 발생된 공진은 격리 네트워크(130)와 더불어 포트들 간의 우수한 격리도를 보장할 수 있게 된다.
좀더 구체적으로 설명하면, 최초 설계된 상호 인덕터 구조(예컨대, 제1 실시예)에서 공진 구간을 맞추는데 부족함이 발생할 경우에 상호 인덕터(110)의 구조를 재변경하지 않더라도 적절한 커패시턴스를 가지는 추가 수동소자(140)를 설치함으로써, 모든 측면에서 이상적인 회로와 가장 근접하게 도달하는 전력 분배기/결합기(100)를 제작할 수 있다. 즉, 추가 수동소자(140)를 추가 구성함에 따라 전력 분배기/결합기(100)의 성능을 최대한으로 끌어올릴 수 있게 된다.
또한, 추가 수동소자(140)는 기생 성분들이 공진을 하는데 도움을 줄 뿐 아니라, 전력 분배기/결합기를 사용하고자 하는 전자회로의 다양한 성능 조건에 적합하게 변경 가능하며 그 설계의 자유도를 높일 수 있다
그리고, 타겟 주파수 또는 동작 주파수 대역을 옮기려면 전력 분배기/결합기(100) 내 상호 인덕터(110) 자체를 변환해야 하나, 추가 수동소자(140)를 추가 구성하는 것으로 간단히 해결될 수 있다. 즉, 추가 수동소자(140)는 전력 분배기/결합기(100)의 동작 주파수 대역이 가변될 수 있도록 조정 가능케 한다.
도5를 참조하여, 추가 수동소자(140) 구성을 통한 격리도 개선에 관하여 설명하면, 추가 수동소자(140) 즉, 추가 커패시터의 커패시턴스(CM)를 0fF, 10fF, 20fF 순으로 미세하게 변화시킬 때마다 빨간색 실선, 파란색 실선, 핑크색 실선 순으로 격리도가 변화하는 것과 더불어 60 GHz 부근에서 58 GHz 부근으로 동작 주파수 대역이 변동되는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 추가 수동소자(140)가 동작 주파수 대역의 변경 즉, 주파수 대역의 조정을 가능케 하면서도, 격리도 향상에 크게 기여한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기생 성분의 공진 조건에 적합한 상호 인덕터의 구조 변화와 더불어 추가 수동소자를 구성함에 따라 통해 전력 분배기/결합기(100)의 성능을 극대화시킬 수 있다는 것을 의미한다.
<제3 실시예>
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 n-way 전력 분배기/결합기를 예시한 것이다.
이하에서 설명하고자 하는 본 발명의 전력 분배기/결합기(100)는 일 측에 위치한 어느 하나의 포트(이하, ‘P0 포트’라 칭함)와, 타 측에 위치한 P1 포트, P2 포트, ... , Pn-1 포트, Pn 포트를 포함하는 n개의 포트들―여기서, n은 4 이상의 자연수 중 짝수―가 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 n-way 전력 분배기/결합기로서, 4-way 이상의 전력 분배기/결합기에 관한 것이다.
도6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배기/결합기(100)는 인덕터 그룹(110G), 매칭 네트워크(120), 격리 네트워크 그룹(130G) 및 추가 수동소자(140)를 포함하여 구성된다. 참고로, 인덕터 그룹(110G), 매칭 네트워크(120), 격리 네트워크 그룹(130G)만을 포함하여 구성된 n-way 전력 분배기/결합기의 경우, 도6의 예시된 회로도에서 추가 수동소자(140)들이 제외된 구조로 제안될 수 있다.
이때, 본 발명의 또 다른 실시예 즉, 제3 실시예에 관한 설명 중 상호 인덕터, 기생 성분, 매칭 네트워크, 격리 네트워크, 추가 수동소자 등 앞선 제1 실시예 내지 제2 실시예에 관한 설명에서 언급된 구성 중 동일한 구성에서 중복되는 설명은 생략하고자 한다.
인덕터 그룹(110G)은 한 쌍의 인덕터(L1, L2)가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터(110)들로 구성되되, 상호 인덕터(110)들을 구성하는 인덕터들 각각의 일단이 P0 포트(Port 0)에 연결되고, 그 타단은 타 측에 위치한 n개의 포트들(Port 1 내지 Port 4)과 1:1로 대응되어 연결되어 구성된다.
여기서, 상호 인덕터(110) 간에는 병렬로 연결된 기생 커패시터(Cp)와 기생 인덕터(Lp)를 포함하는 기생 성분이 접속된다. 이때, 상호 인덕터(110)는 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계된다.
이때, 상호 인덕터(110)는 이를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 기생 커패시터(Cp)와 기생 인덕터(Lp) 간의 공진이 발생하도록 설계될 수 있는데, 이는 앞선 실시 예에 관한 설명에서 언급하였기에, 그 설명은 생략하고자 한다.
매칭 네트워크(120)는 P0 포트(Port 0)에서 인덕터 그룹(110G)과 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결된다. 이때, 매칭 네트워크(120)는 단일의 커패시터(CD)로 구성될 수 있다.
격리 네트워크 그룹(130G)은 Pn 포트들 간을 연결하는 적어도 하나 이상의 격리 네트워크(130)들로 구성된다.
이때, 격리 네트워크(130)는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬로 연결될 수 있는데, 본 발명이 제안하는 4-way 이상의 전력 분배기/결합기(100)에서는 하나의 커패시터와 하나의 저항이 커패시터(CC)-저항(R) 순으로 직렬 연결되며, Pn-1 포트와 Pn 포트 간이 격리되도록 한다.
여기서, 격리 네트워크 그룹(130G)은 n개의 격리 네트워크(130)로 구성되며, n개의 격리 네트워크(130)는 각각의 일단이 상호 인덕터(110)들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 Pn 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 격리 네트워크(130)의 타단들이 서로 연결된다. 일 예로, 도6에 도시된 바와 같이, 4-way 전력 분배기/결합기(100)의 경우, 격리 네트워크 그룹(130G)은 4개의 격리 네트워크(130)로 구성될 수 있다.
추가 수동소자(140)는 n개 구비되며, 인덕터 그룹(110G)과 격리 네트워크 그룹(130G) 사이에 배치되는 구성이다.
이때, n개의 추가 수동소자(140)는 각각의 일단이 상호 인덕터(110)들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 타 측에 위치한 n개의 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 추가 수동소자(140)들의 타단이 서로 연결된다. 참고로, 도6에 도시된 바와 같이, 4-way 전력 분배기/결합기(100)의 경우, 4개의 추가 수동소자(140)를 포함하며 구성될 수 있다.
일 예로, 추가 수동소자(140)는 커패시터로 마련되며, 타겟 주파수 또는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 기생 성분의 공진이 발생하기에 기생 성분 중 기생 커패시터(Cp)의 부족한 커패시턴스를 보상하는 커패시턴스 값을 갖고, 추가 수동소자가 가지는 커패시턴스 값에 따라 동작 주파수 대역의 변경 즉, 주파수 대역의 미세 조정이 이루어질 수 있도록 한다. 이때, 추가 수동소자(140)를 통한 기생 커패시터의 부족한 커패시턴스 보상 및 동작 주파수 대역의 조정에 관한 구체적인 설명은 앞선 제2 실시예에서 언급하였기에, 그 설명은 생략하고자 한다.
즉, 본 발명에서 제안하는 전력 분배기/결합기(100)의 기술적 특징은 4-way 뿐 아니라, 6-way, 8-way, ..., n-way 전력 분배기/결합기에서도 적용될 수 있음은 물론이다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.
100 : 전력 분배기/결합기
110 : 상호 인덕터
L1 : 제1 인덕터
L2 : 제2 인덕터
120 : 매칭 네트워크
130 : 격리 네트워크
140 : 추가 수동소자
110G : 인덕터 그룹
130G : 격리 네트워크 그룹

Claims (12)

  1. 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 다수 개의 포트를 구비한 전력 분배기/결합기로서,
    일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P1 포트에 연결된 제1 인덕터와, 일단이 P0 포트에 연결되고, 그 타단이 P2 포트에 연결된 제2 인덕터가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터; 및
    상기 P1 포트와 상기 P2 포트 사이에 연결되는 격리 네트워크(isolation network); 를 포함하고,
    상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 간에는 병렬로 연결된 기생 커패시터와 기생 인덕터를 포함하는 기생 성분이 생성되며,
    상기 상호 인덕터는 상기 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계되는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상호 인덕터는, 상기 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 상기 기생 커패시터와 기생 인덕터 간의 공진이 발생하도록 설계된 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 P0 포트에서 상기 상호 인덕터와 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결되는 매칭 네트워크(matching network);를 더 포함하고,
    상기 매칭 네트워크는 커패시터 또는 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격리 네트워크는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상호 인덕터와 상기 격리 네트워크 사이에 배치되되, 상기 P1 포트와 상기 P2 포트 사이에 연결되는 적어도 하나 이상의 추가 수동소자; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추가 수동소자는 커패시터로 마련되며,
    상기 커패시터는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 상기 기생 성분의 공진이 발생하기에 부족한 커패시턴스를 보상하도록 하는 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  7. 일 측에 위치한 어느 하나의 포트(이하, ‘P0 포트’라 칭함)와, 타 측에 위치한 P1 포트, P2 포트, ..., Pn-1 포트, Pn 포트를 포함하는 n개의 포트들 ―여기서, n은 4 이상의 짝수―이 전력 분배기 또는 결합기로의 작동에 대응하여 입력 또는 출력 포트로 동작하는 n-way 전력 분배기/결합기로서,
    한 쌍의 인덕터가 자기적으로 상호 결합된 상호 인덕터들로 구성되되, 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 일단이 상기 P0 포트에 연결되고, 그 타단은 타 측에 위치한 n개의 포트들과 각각 1:1로 대응되어 연결된 인덕터 그룹; 및
    타 측에 위치한 n개의 포트들 간을 연결하는 적어도 하나 이상의 격리 네트워크들로 구성된 격리 네트워크 그룹; 을 포함하고,
    상기 상호 인덕터 간에는 기생 커패시터와 기생 인덕터가 병렬 연결된 기생 성분이 생성되고,
    상기 상호 인덕터는 상기 기생 성분이 특정 주파수 대역에서 대역 차단 필터(band reject filter)로 동작하도록 설계되는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상호 인덕터들은, 상기 상호 인덕터를 구현하는 금속의 두께, 길이 및 금속 간 간격 중 적어도 어느 하나를 조정하여 특정 주파수 대역에서 상기 기생 커패시터와 기생 인덕터 간의 공진이 발생하도록 설계된 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 P0 포트에서 상기 인덕터 그룹과 연결되는 선로에 그 일단이 연결되고, 타단이 접지에 연결되는 매칭 네트워크; 를 더 포함하고,
    상기 매칭 네트워크는 커패시터 또는 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 격리 네트워크는 적어도 하나 이상의 커패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직렬 연결되며,
    상기 격리 네트워크 그룹은, 상기 격리 네트워크가 n개 구비되며,
    n개의 격리 네트워크는 각각의 일단이 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 타 측에 위치한 n개의 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 상기 n개의 격리 네트워크의 타단들이 서로 연결된 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 인덕터 그룹과 상기 격리 네트워크 그룹 사이에 배치되는 n개의 추가 수동소자; 를 더 포함하고,
    상기 n개의 추가 수동소자는, 각각의 일단이 상기 상호 인덕터들을 구성하는 인덕터들 각각의 타단과 타 측에 위치한 n개의 포트들이 1:1로 대응되어 연결된 선로들에 연결되고, 상기 추가 수동소자들의 타단이 서로 연결된 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 추가 수동소자는 커패시터로 마련되며,
    상기 커패시터는 동작 주파수 대역인 특정 주파수 대역에서 상기 기생 성분의 공진이 발생하기에 상기 기생 커패시터의 부족한 커패시턴스를 보상하도록 하는 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    전력 분배기/결합기.
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