본 논문에서는 집중소자를 이용한 새로운 윌킨슨 전력 분배기를 제안한다. 제안된 구조는 기존 구조보다 임피던스 변환 과정에서 낮은 Q-지수를 가지도록 설계되어 우수한 대역폭 특성을 갖는다. 또한, 보다 작은 수의 집중소자를 사용하여 회로의 크기를 더욱 줄일 수 있다. 제안된 구조는 L-형태의 임피던스 정합회로를 사용하였으며 이에 대한 설계 방정식을 유도하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 구조는 기존 구조보다 임피던스 정합과 격리도에서 대역폭이 50% 우수하였고, 삽입손실은 줄어드는 장점이 있었다. 기존 구조와 제안된 구조의 집중소자 윌킨슨 전력 분배기는 중심주파수 2 GHz에서 설계, 제작 및 측정 되었다. 측정 결과, 제안된 구조는 중심 주파수에서 입력 반사계수($S_{11}$)는 -23.0 dB, 격리도($S_{23}$)는 29.0 dB, 삽입손실($S_{21}$)은 -3.12 dB 등의 우수한 특성을 보였으며 기존 구조보다 넓은 대역폭을 보임을 확인하였다.
본 논문에서는 집중소자를 이용한 새로운 윌킨슨 전력 분배기를 제안한다. 제안된 구조는 기존 구조보다 임피던스 변환 과정에서 낮은 Q-지수를 가지도록 설계되어 우수한 대역폭 특성을 갖는다. 또한, 보다 작은 수의 집중소자를 사용하여 회로의 크기를 더욱 줄일 수 있다. 제안된 구조는 L-형태의 임피던스 정합회로를 사용하였으며 이에 대한 설계 방정식을 유도하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 구조는 기존 구조보다 임피던스 정합과 격리도에서 대역폭이 50% 우수하였고, 삽입손실은 줄어드는 장점이 있었다. 기존 구조와 제안된 구조의 집중소자 윌킨슨 전력 분배기는 중심주파수 2 GHz에서 설계, 제작 및 측정 되었다. 측정 결과, 제안된 구조는 중심 주파수에서 입력 반사계수($S_{11}$)는 -23.0 dB, 격리도($S_{23}$)는 29.0 dB, 삽입손실($S_{21}$)은 -3.12 dB 등의 우수한 특성을 보였으며 기존 구조보다 넓은 대역폭을 보임을 확인하였다.
In this paper, we propose a new lumped Wilkinson power divider which is designed to have lower quality-factors in the impedance transformation. Therefore, it can provide wider bandwidth than the conventional one. Moreover, the proposed power divider consists of fewer number of elements so that the c...
In this paper, we propose a new lumped Wilkinson power divider which is designed to have lower quality-factors in the impedance transformation. Therefore, it can provide wider bandwidth than the conventional one. Moreover, the proposed power divider consists of fewer number of elements so that the circuit size can be further reduced. Simulation results show that the proposed lumped power divider allows a 50% wider bandwidth in the return loss and isolation performance. The conventional and new Wilkinson power was designed and fabricated based on the derived equations at 2.0 GHz. In the measurement, the proposed divider achieved a good performance with an input return loss ($S_{11}$) of -23.0 dB, an isolation ($S_{23}$) of -29.0 dB and an insertion loss ($S_{21}$) of -3.12 dB at the design frequency with wider bandwidth than the conventional one.
In this paper, we propose a new lumped Wilkinson power divider which is designed to have lower quality-factors in the impedance transformation. Therefore, it can provide wider bandwidth than the conventional one. Moreover, the proposed power divider consists of fewer number of elements so that the circuit size can be further reduced. Simulation results show that the proposed lumped power divider allows a 50% wider bandwidth in the return loss and isolation performance. The conventional and new Wilkinson power was designed and fabricated based on the derived equations at 2.0 GHz. In the measurement, the proposed divider achieved a good performance with an input return loss ($S_{11}$) of -23.0 dB, an isolation ($S_{23}$) of -29.0 dB and an insertion loss ($S_{21}$) of -3.12 dB at the design frequency with wider bandwidth than the conventional one.
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문제 정의
본 논문에서는 기존에 제안된 집중소자 윌킨슨 전력분배기보다 더욱 발전된 새로운 구조를 소개한다. 먼저 기존에 제안되어 온 여러 방식들에 대하여 서술하고 새롭게 제안된 방식의 구조를 설명한 후 시뮬레이션을 통해 그 특성을 비교하여 제안된 구조의 우수성을 서술한다.
본 연구에서는 기존에 연구되어왔던 것보다 발전된 새로운 구조의 집중소자 윌킨슨 전력 분배기를 설계 및 제작하였다. 기존의 7T-네트웍 대신 £-네트웍을 이용하여 임피던스 정합을 하였으며, 이 구조는 보다 낮은 Q-지수를 가지게 되어 더 광대역 특성을 보였다.
제안 방법
3-단자 전력 분배기의 조건인 각 단자에서의 임피던스 정합, 단자 2와 단자 3간의 격리도 특성을 갖도록 하는 L, C, R, 氏의 값을 유도하기 위하여 우 모드, 기 모드 해석을 적용한다. 먼저 그림 5 (a)의 구조를 살펴보자.
먼저 기존에 제안되어 온 여러 방식들에 대하여 서술하고 새롭게 제안된 방식의 구조를 설명한 후 시뮬레이션을 통해 그 특성을 비교하여 제안된 구조의 우수성을 서술한다. 마지막으로 기존 구조와 새로운 집중소자 윌킨슨 전력 분배기를 직접 제작하여 측정한 결과를 제시하여 특성을 비교한다. 모든 설계는 2.
먼저 기존에 제안되어 온 여러 방식들에 대하여 서술하고 새롭게 제안된 방식의 구조를 설명한 후 시뮬레이션을 통해 그 특성을 비교하여 제안된 구조의 우수성을 서술한다. 마지막으로 기존 구조와 새로운 집중소자 윌킨슨 전력 분배기를 직접 제작하여 측정한 결과를 제시하여 특성을 비교한다.
본 연구에서는 그림 4의 구조를 바탕으로 필요한 집중 소자 개수를 줄이고, 이 구조의 단점으로 지목되어 왔던 좁은 대역폭 문제, 높은 삽입손실 문제를 해결하는 새로운 구조의 윌킨슨 전력 분배기를 제안한다. 그림 5는 제안된 새로운 구조의 집중소자 윌킨슨 전력 분배기를 보여준다厠 이 구조는 기존의 广네트웍 구조와는 다르거], 캐패시터 C와 인덕터 £.
그림 9는 제안된 전력 분배기 (그림 5(b))의 전체 S-파라미터를 보여준다. 이 시뮬레이션은 표 1에 제시된 이상적인 값과 가장 가까운 값을 가지는 실제 칩 소자를 사용하여 수행하였다. S31, 用3의 경우 각각 场1, 另2와같은 결과가 나왔으므로 편의상 생략하였다.
대상 데이터
508 mm, 구리 두께 18 um의 teflon 기판에서 제작하였다. 제작에 사용된 소자는 1.6x03 mm2 크기의 칩 소자로서, L~ 3-9nH, C~ L5pF, C"= 1.5pF, R= 51〃의 값을 갖는다.
새롭게 제안된 회로는 유전상수 2.55, 기판 두께 0.508 mm, 구리 두께 18 um의 teflon 기판에서 제작하였다. 제작에 사용된 소자는 1.
4의 기존 전력 분배기를 제작하였다. 제작에는 앞에서와 동일한 종류의 기판과 소자를 사용하였고 각 소자는 L=-5.6nH, C= IpF, R= 100〃의 값을 갖는다. 다음 그림 12는 제작된 기존 전력 분배기(그림 4) 와 제안된 전력 분배기(그림 5(a))의 측정 결과를 비교한 것이다.
데이터처리
입력단에 연결되어 있는 커패시터의 경우 기판과 소자와의 기생 (parasitic) 효과를 최소화하기 위하여 비아홀(via hole) 을 뚫어 그 속에 삽입하여 그라운드와 연결하였다. 네트웍 분석기 (network analyzer)> 사용하여 제작된 회로의 手파라미터를 측정하였으며 그림 11은 측정 결과를 보여준다.
0 G田에서 계산된 각소자 값을 나타낸다. 표 1의 소자 값을 토대로 그림 5의 직렬 형태와 병렬 형태, 두 경우를 Agilent ADS(Adv;anced Design System)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 비교해 보았다.
성능/효과
그림 12 (a)의 특성을 보면 -15 dB 기준으로 비교 하였을 때 제안된 구조가 더 넓은 대역폭 특성을 보이며 임피던스 정합 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 그림 12 (b)의 场3의 경우, 그림 8(b)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 제안된 구조의 대역폭이 기존의 구조에 비해서 약 50 % 정도 증가되었다 (-15 dB 기준).
그림 12 (b)의 场3의 경우, 그림 8(b)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 제안된 구조의 대역폭이 기존의 구조에 비해서 약 50 % 정도 증가되었다 (-15 dB 기준). 그림 12 (c)의 Sn의 경우에도 제안된 구조의 삽입손실이 중심주파수인 2.
그림 12 (b)의 场3의 경우, 그림 8(b)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 제안된 구조의 대역폭이 기존의 구조에 비해서 약 50 % 정도 증가되었다 (-15 dB 기준). 그림 12 (c)의 Sn의 경우에도 제안된 구조의 삽입손실이 중심주파수인 2.0 GHz에서 0.3 dB 우수하며 대역폭도 더 넓은 것을 확인할 수 있다.
후속연구
제안된 구조는 소형으로 제작이 가능하면서 기존 구조보다 낮은 삽입손실과 넓은 대역폭 특성을 가지게 때문에 RF 집적회로 등에 효과적으로 사용될 수 있으리라 기대한다.
참고문헌 (8)
D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd Ed., pp.363-368, John Wiley & Sons, Inc., 1998
H. S. Nagi, 'Miniature lumped element 1800 Wilkinson divider,' IEEE MTT-s Digest, pp. 55-58, 2003
I. D. Robertson and S. Lucyszyn, RF and MMIC design and technology, The Institution of Electrical Engineers, 2001
B. Piernas and M. Hirata, 'Enhanced Miniaturized Wilkinson Power Divider,' IEEE MTT-s Digest, pp. 1255-1258, 2003
L. Lu, P. Bhattacharya and Linda P. B. Katehi, 'X-band and K-band lumped Wilkinson power dividers with a micromachined technology,' IEEE MTT-s Digest, pp. 287-290, 2000
K. Chang, Handbook of RF/Microwave Components and Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 2003
P. Vizmuller, RF Design Guide: Systems, Circuits, and Equations, Artech House, 1995
조승현, 정진호, ' Lumped elements를 이용한 새로운 Wilkinson power divider에 관한 연구', 한국통신학회 하계종합학술발표회, vol. 37, pp. 309, 제주도, 대한민국, 2008 년 7월
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