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무선 주파수 전력 측정을 위한 광대역 전력 센서 개발
Development of a Wideband Power Sensor for the Measurement of Wireless Power 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.12, 2009년, pp.3600 - 3607  

황문수 (순천향대학교 전기통신공학과) ,  나인호 (순천향대학교 전기통신공학과) ,  구자경 (순천향대학교 전기통신공학과) ,  임종식 (순천향대학교 전기통신공학과) ,  안달 (순천향대학교 전기통신공학과)

초록
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본 논문에서는 300~3800MHz 주파수 대역에서 150mW~150W의 평균전력과 피크 전력을 검출할 수 있는 무선전력 검출센서의 개발에 대하여 기술하고 있다. 제안된 무선전력 센서는 기본적으로 전력의 크기를 검출하는 기능 외에 입력 신호의 주파수를 알아낼 수 있는 기능과 VSWR 측정 기능을 가지고 있다. 본 논문의 검출 센서는 듀얼 방향성 결합기의 설계, 입력 전력을 검출하여 DC 데이터로 분석할 수 있는 전력 검출부의 설계, 정확한 캘리브레이션 데이터 추출 방법 등의 세부 과정을 통하여 개발이 완성된다. 개발된 듀얼 방향성 결합기는 300~3800MHz 대역에서 0.085dB의 삽입손실과 3.8GHz에서 최소 30dB의 directivity 성능을 가지고 있다. 개발된 무선전력 센서는 주파수 결정능력과 함께 순방향 입력전력의 크기를 0.25dB 이내의 오차로 분석할 수 있고, 300~3800MHz의 주파수에서 150W의 고출력 동작에서도 1.17~1.96의 VSWR을 측정할 수 있는 성능을 지닌다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes the development of a power sensor for wireless signal over the ultra wideband range of 300~3800MHz with the detecting range of 150mW~150W. The proposed power sensor fundamentally has the function of not only detecting wireless power, but recognizing frequency and measuring VSWR....

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 결론적으로 목표로 하는 것은 1단계의 REF 단자의 출력 결과와 2단계의 REF 단자의 출력 결과를 검출기의 DC 출력을 통해서 대응(mapping)시키는 것이고, 이로부터 측정하고자 하는 주파수에서 단자 4에서의 정확한 입력 전력을 찾는 것이다.
  • 두 번째는 상용으로 사용되는 계측도구를 이용하여 300∼3800MHz 대역에서 21.76∼51.76dBm의 전력 범위의 신호에 대한 전력검출기의 DC 출력 정보를 측정하는 캘리브레이션 데이터 (calibration data)를 추출하는 방법에 대한 연구이다.
  • 본 논문에서는 300∼3800MHz의 광대역 주파수 대역에서 150mW∼150W의 전력 검출 범위를 갖는 방향성형 무선 전력 센서의 설계 및 측정결과에 대하여 기술하였다.
  • 본 논문에서는 방향성형 전력 센서의 전력검출 오차를 0.2dB 이내로 얻고자 한다. 따라서 매우 정확한 캘리브레이션 데이터가 필요하다.
  • 본 절에서는 주파수와 전력을 판별할 수 있는 캘리브레이션 데이터에 관하여 기술한다. 주파수를 판별하는 회로가 필요한 이유는 앞에서도 언급했듯이 방향성 결합기의 커플링 값이 광대역 동작시 각 주파수마다 조금씩 다르므로, 이로 인해 검출회로에서 검출된 데이터로부터 정확하게 주파수와 전력값을 직접적으로는 판별해 낼 수없기 때문이다.
  • 이러한 장점을 필요로 하는 용도를 위하여 본 논문에서는 300∼3800MHz에 이르는 광대역의 주파수 특성과 150mW∼150W에 걸친 넓은 전력 측정 범위를 가지는 휴대용 무선 전력검출 센서의 개발에 대하여 기술하고자 한다[4-6].
  • 본 논문에서는 300∼3800MHz의 광대역 주파수 대역에서 150mW∼150W의 전력 검출 범위를 갖는 방향성형 무선 전력 센서의 설계 및 측정결과에 대하여 기술하였다. 이를 위해서 본 논문에서는 광대역 듀얼 방향성 결합기 설계 기술, 주파수 판별 알고리즘 및 회로 개발, 1W 미만의 저전력 상용 계측기를 이용하여, 고전력 송신 동작하에서의 정확한 캘리브레이션 데이터를 측정하는 방법 등에 대하여 연구한 결과를 논하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무선 중계 시스템의 원활한 운영을 위해 측정되어야 할 가장 중요한 파라미터는 무엇인가? 5GHz대의 WiMAX까지 광대역에 걸쳐서 사용 주파수가 다변화되었다. 이러한 무선 중계 시스템의 원활한 운영을 위해 측정되어야 할 가장 중요한 파라미터는 일정한 범위를 유지하는 전력 또는 원하는 값으로 가변되는 전력이며, 이 값들을 계측 및 모니터링 하는 것이 중계기 유지운영에 관한 매우 중요한 업무 중 하나가 되었다. 따라서 이러한 시스템들 개개의 주파수별로 전력측정 장비를 따로 갖추는 것보다는 이들을 모두 통합하여 하나의 계측장비로 전력을 측정할수 있는 휴대용 광대역 전력 분석 장비를 개발하는 것에 대한 필요성이 점점 증가되고 있다.
전력 검출 센서는 사용 목적에 따라 어떻게 나눌 수 있는가? 전력 검출 센서는 사용 목적에 따라서 구조적으로 종 단형(termination type)과 방향성형(directional type)으로 나눌 수 있다. 종단형은 입력된 신호를 입력단의 저항으로 구성된 감쇄기를 통해서 작은 신호로 만든 다음 신호를 DC 레벨로 변환하여 전력을 분석한다.
종단형 전력 검출 센서는 어떻게 전력을 분석하는가? 전력 검출 센서는 사용 목적에 따라서 구조적으로 종 단형(termination type)과 방향성형(directional type)으로 나눌 수 있다. 종단형은 입력된 신호를 입력단의 저항으로 구성된 감쇄기를 통해서 작은 신호로 만든 다음 신호를 DC 레벨로 변환하여 전력을 분석한다. 방향성형의 경우 방향성 결합기와 전력검출부가 결합된 형태로 구성되는데, 결합기로부터 커플링된 신호에 대해서 DC 레벨로 변환하여 전력을 검출하는 구조를 가지고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. R. Mongia, I. Bahl and P. Bhartia, J. Hong, RF and Microwave Coupled-Line Circuits, Artech House, 1999, Boston. 

  2. S. Shamasundara and N. Singh, "Design of coupled microstrip lines," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-25, pp. 232-233, Mar. 1977. 

  3. 황문수, 임종식, 양규열, 안달, "무선통신시스템 송신측 제어를 위한 초소형 LTCC 전력검출부의 설계," 한국산학기술학회논문지 제 9권, 제 3호, pp. 621-627, 2008년 6월. 

  4. G. Klahn, "True RMS Power Detection with High Dynamic Range", 1999 International Microwave Symposium Digest, Vol. 4, pp. 1773-1776, Jun. 1999. 

  5. D. Mauritzen and M. Alam, "Comments on Accurate measurement of power, energy, and true RMS voltage using synchronous counting", IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, vol. 46, pp. 1300-1301, Dec. 1997. 

  6. Y. Zhou and M. Chia, "A Low-Power Ultra-Wideband CMOS True RMS Power Detector", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 56, no. 5, pp. 1052-1058, May 2008. 

  7. Agilent Technologies, Application Note 963 - Impedance Matching Techiques for Mixers and Detectors. 

  8. Agilent Technologies, Application Note 1187 - Design of an input Matching Network for DC biased 850MHz Small Signal Detector. 

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