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λ/4 전송 선로와 π-네트워크를 이용한 UHF-대역 적응형 임피던스 정합 회로 설계
A Design of Adaptive Impedance Tuning Circuit for UHF-Band Using λ/4 Transmission Line and π-Network 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.3, 2012년, pp.367 - 376  

황수설 (한국항공우주연구원) ,  홍성용 (충남대학교 전파공학과)

초록
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본 논문에서는 물리적인 환경 변화에 의해 발생될 수 있는 갑작스런 부하단 임피던스의 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 적응형 임피던스 정합 회로를 구성하는 부정합 측정부, 임피던스 정합부, 조정 알고리즘부의 특성과 현재까지 진행된 연구 수준을 확인해 보았고, ${\lambda}/4$ 전송 선로와 ${\pi}$-네트워크를 이용하여 간단히 구성된 적응형 임피던스 정합 회로의 설계 결과를 보였다. 이를 위해 간단한 구성을 가지면서 반복적인 계산없이 임의의 부하단 임피던스를 바로 제어할 수 있는 적응형 임피던스 정합 회로를 제안하였고, 설계를 위한 계산식을 유도하였다. 또한, 유도된 계산식을 통해 최적화된 임피던스를 찾아주어 능동적으로 제어할 수 있는 조정 알고리즘도 제시하였다. 제안한 적응형 임피던스 정합 회로에서 유도된 계산식과 조정 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션 결과 임의의 부하단 임피던스가 회로에 최적화된 임피던스로 능동적으로 제어 될 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes a Adaptive Impedance Tuning Circuit which can be adaptively tuned between circuit's characteristic impedance and the arbitrary load impedance. The Adaptive Impedance Tuning Circuit is consisted of such parts as mismatch sensor, impedance tuner and tuning algorithm. Each parts's ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 물리적인 환경 변화에 의해 발생될 수 있는 갑작스런 부하단 임피던스의 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 적응형 임피던스 정합 회로를 구성하는 부정합 측정부, 임피던스 정합부, 조정 알고리즘부의 특성과 현재까지 진행된 연구 수준을 확인해 보았고, λ/4 전송 선로와 π-네트워크를 이용하여 간단한 구성을 갖는 UHF-대역 적응형 임피던스 정합 회로의 설계 결과를 보였다.
  • 앞서 서술한 바와 같이 적응형 임피던스 정합 회로를 구성하기 위한 방법은 여러 논문을 통해 다양하게 제안되고 있다. 본 논문에서는 적응형 임피던스 정합 회로를 구성하기 위해 제안된 방식 중 임의의 부하단 임피던스를 수식적인 계산을 통해 정확하게 추출할 수 있는 회로 구현 방법과, 제안하는 간단한 형태의 임피던스 정합 회로 구성을 통해 반복적인 계산없이 임의의 부하단을 회로의 특성에 맞는 새로운 임피던스로 보정해 줄 수 있는 조정 알고리즘을 제시한다. 적응형 임피던스 정합 회로로의 적용을 위해서는 먼저 임의의 부하단 임피던스를 정확히 측정할 수 있어야 한다.
  • 이에 본 논문에서는 고정된 인덕터 값을 이용하여 Q-계수에 영향을 받지 않는 π-네트워크 형태의 임피던스 정합 회로를 구현할 수 있는 수식을 유도하고, 계산된 결과를 통해 회로의 특성 임피던스(Z0)에 정확히 정합시켜 주기 위한 방법을 제시하였다.
  • 이와 같은 능동적으로 가변이 가능한 적응형 임피던스 정합 회로(adaptive impedance tuning circuit)가 적용되기 위해서는 부하단 임피던스에 대한 정확한 측정과 새로운 임피던스로 가변시켜 주기 위한 가변형 정합 회로, 측정된 부하단 임피던스를 통해 보다 적절한 새로운 임피던스로의 보정 값을 계산해 주는 조정 알고리즘 등이 필요하며, 본 논문에서는 적응형 임피던스 정합 회로의 구성을 위해 필요한 부분의 구현을 위해 제시되고 있는 다양한 방법에 대한 장단점과 실재 회로로의 구현을 위해 고려되어야 할 사항에 대해 고찰해 보도록 한다. 또한, 간단한 구성을 가지면서 유도된 계산식을 통해 임의의 부하단 임피던스를 바로 제어할 수 있는 방법을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하도록 한다.

가설 설정

  • 출력 전력은 적용 분야의 용도를 감안하여 최대 +30 dBm 출력을 송출하는 것으로 가정하였고, 제작 기판은 유전율 4.7, 기판 두께 0.8 mm인 기판을 사용한다고 가정하고 시뮬레이션을 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
RF 장치의 목적은? 현대에는 정보를 교환하기 위한 목적의 휴대가 가능한 많은 RF 장치들이 개발되고 있으며, 이러한 통신을 위한 장치에는 안테나가 필수적으로 적용되게 된다. RF 회로의 특성 임피던스는 일반적으로 50 Ω을 갖도록 설계되므로 정상적인 회로 동작시에는 회로상의 임피던스는 변화되지 않으나, 안테나단의 임피던스는 주파수 변화나 외부 환경에 의해 지속적으로 변화하게 된다.
RF 회로의 특성 임피던스는 어떻게 설계되는가? 현대에는 정보를 교환하기 위한 목적의 휴대가 가능한 많은 RF 장치들이 개발되고 있으며, 이러한 통신을 위한 장치에는 안테나가 필수적으로 적용되게 된다. RF 회로의 특성 임피던스는 일반적으로 50 Ω을 갖도록 설계되므로 정상적인 회로 동작시에는 회로상의 임피던스는 변화되지 않으나, 안테나단의 임피던스는 주파수 변화나 외부 환경에 의해 지속적으로 변화하게 된다. 그러므로, 안테나 단의 임피던스 정합은 전달된 신호가 RF 장치에 올바르게 전달되기 위해 중요한 부분으로 RF 장치의 성능을 개선하기 위해 고려되어야 할 주요 파라미터가 된다.
안테나 단의 임피던스 정합은 전달된 신호가 RF 장치에 올바르게 전달되기 위해 중요한 부분으로 RF 장치의 성능을 개선하기 위해 고려되어야 할 주요 파라미터가 되는 이유는? 현대에는 정보를 교환하기 위한 목적의 휴대가 가능한 많은 RF 장치들이 개발되고 있으며, 이러한 통신을 위한 장치에는 안테나가 필수적으로 적용되게 된다. RF 회로의 특성 임피던스는 일반적으로 50 Ω을 갖도록 설계되므로 정상적인 회로 동작시에는 회로상의 임피던스는 변화되지 않으나, 안테나단의 임피던스는 주파수 변화나 외부 환경에 의해 지속적으로 변화하게 된다. 그러므로, 안테나 단의 임피던스 정합은 전달된 신호가 RF 장치에 올바르게 전달되기 위해 중요한 부분으로 RF 장치의 성능을 개선하기 위해 고려되어야 할 주요 파라미터가 된다.
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참고문헌 (19)

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  3. Tero Ranta, Rodd Novak, "Antenna tuning approach aids cellular handsets", Microwaves & RF, Nov. 2008. 

  4. "Tunable RF circuits optimize wireless handset performance", PARATEK White Paper, 2008. 

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  8. Andre van Bezooijen, "A GSM-EDGE-WCDMA adaptive series-LC matching network using RF-MEMS switches", IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. 43, no. 10, pp. 2259-2268, 2008. 

  9. F. Chan Wai Po, "An vector automatic matching system designed for wireless medical telemetry", IEEE International Joint NEWCAS-TAISA Conference, pp. 89-92, 2008. 

  10. Chan Wai Po F., "A fast and accurate automatic matching network designed for ultra low power medical applications", IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 673-676, 2009. 

  11. E. L. Firrao, "An automatic antenna tuning system using only RF-signal amplitudes", TCAS-II 5055, pp. 1-5, 2008. 

  12. M, Popov, Sailing He, "Design of an automatic impedance matching device", Microwave & Optical Technology Letters, vol. 20, pp. 236-240, 1999. 

  13. Dongjiang Qiao, "Antenna impedance mismatch measurement and correction for adaptive CDMA transceivers", IEEE MTT-S, pp. 783-786, 2005. 

  14. Kate A. Remley, "Realistic sampling-circuit model for a nose-to-nose simulation", IEEE MTT-S Microwave Symposium Digest, vol. 3, pp. 1473-1476, 2000. 

  15. Jeffrey H. Sinsky, Charles R. Westigate, "Design of an electronically tunable microwave impedance transformer", IEEE MTT-S Digest, 1997. 

  16. A. Kaya, "Meandered slot and slit loaded compact microstrip antenna with integrated impedance tuning network", Progress in Electromagnetics Research B, vol. 1, pp. 219-235, 2008. 

  17. Hyeong Tae Jeong, Ji Eun Kim, "Tunable impedance transformer using a transmission line with variable characteristic impedance", IEEE MTT, vol. 53, no. 8, 2005. 

  18. 윤영, "MMIC용 온칩 정합소자에서의 응용을 위한 주기적 배열 다이오드 구조를 이용한 전압제 어형 전송 선로", 한국전자파학회논문지, 19(1), 2008년 1월. 

  19. 황수설, 홍성용, " ${\lambda}/4$ 전송 선로를 이용한 부하 단 임피던스 측정 방법에 관한 연구", 통신위성우주산업연구회 논문지, 6(2), 2011년 12월. 

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