본 논문은 $1:{\infty}$ 또는 ${\infty}:1$의 전력 분배 비율을 가지는 가변 전력 분배기 회로를 제안하였다. 제안된 가변 전력 분배기 회로는 안정된 입력 정합 특성을 가지며 입력 신호를 두 개의 경로로 분배하는 브랜치라인 커플러, 브랜치라인 커플러의 두 출력에 연결되어 90도 위상 변화량을 가지는 두 개의 가변 위상 변환기, 가변 위상 변환기를 거친 두 신호를 결합하는 링-하이브리드 커플러로 구성된다. 제안된 가변 전력 분배기 회로는 가변 위상 변환기에서 90도 위상 변화에 따라 가변 전력 분배기의 두 출력 단자의 출력 전력 비율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 제안된 가변 분배기 회로는 2GHz에서 Taconic사의 RF-35 20mil을 이용하여 제작하였다. 제작된 가변 전력 분배기 회로는 1.9-2.1 GHz 주파수 대역에서 두 개의 출력 단자에 1:1000에서 5000000:1의 전력 분배 비율의 변화가 가능하였다. 또한, 제작된 가변 전력 분배기는 전력 분배 비율에 관계없이 입력 반사계수 -20 dB 이하, 전력 손실 약 -1.0 dB, 두 출력 단자의 격리 특성 -17 dB 이하의 안정적인 특성을 보였다.
본 논문은 $1:{\infty}$ 또는 ${\infty}:1$의 전력 분배 비율을 가지는 가변 전력 분배기 회로를 제안하였다. 제안된 가변 전력 분배기 회로는 안정된 입력 정합 특성을 가지며 입력 신호를 두 개의 경로로 분배하는 브랜치라인 커플러, 브랜치라인 커플러의 두 출력에 연결되어 90도 위상 변화량을 가지는 두 개의 가변 위상 변환기, 가변 위상 변환기를 거친 두 신호를 결합하는 링-하이브리드 커플러로 구성된다. 제안된 가변 전력 분배기 회로는 가변 위상 변환기에서 90도 위상 변화에 따라 가변 전력 분배기의 두 출력 단자의 출력 전력 비율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 제안된 가변 분배기 회로는 2GHz에서 Taconic사의 RF-35 20mil을 이용하여 제작하였다. 제작된 가변 전력 분배기 회로는 1.9-2.1 GHz 주파수 대역에서 두 개의 출력 단자에 1:1000에서 5000000:1의 전력 분배 비율의 변화가 가능하였다. 또한, 제작된 가변 전력 분배기는 전력 분배 비율에 관계없이 입력 반사계수 -20 dB 이하, 전력 손실 약 -1.0 dB, 두 출력 단자의 격리 특성 -17 dB 이하의 안정적인 특성을 보였다.
This paper introduces a new variable power divider circuit with an arbitrary power division ratio ranging from $1:{\infty}$ to ${\infty}:1$. The proposed power divider circuit consists of one branch-line coupler to be a good input matching characteristic, two variable phase shi...
This paper introduces a new variable power divider circuit with an arbitrary power division ratio ranging from $1:{\infty}$ to ${\infty}:1$. The proposed power divider circuit consists of one branch-line coupler to be a good input matching characteristic, two variable phase shifters with 90-degree phase variation to be connected two output paths of the branch-line coupler, and one ring-hybrid coupler to combine output signals of two variable phase shifter. The power division ratio between the two output ports of the proposed power divider can be easily controlled by the phase variation of the two phase shifter. The proposed power divider circuit fabricates on laminated RF-35 (h = 20 mil, er=3.5; Taconic) with a center frequency of 2 GHz. The power division ratio of the fabricated prototype varies from about 1:1000 to 5000000:1, with an input reflection characteristic(S11) of below -20 dB, an insertion loss of about -1.0 dB, and an isolation characteristic of below -17 dB between two output ports in the range 1.9-2.1 GHz.
This paper introduces a new variable power divider circuit with an arbitrary power division ratio ranging from $1:{\infty}$ to ${\infty}:1$. The proposed power divider circuit consists of one branch-line coupler to be a good input matching characteristic, two variable phase shifters with 90-degree phase variation to be connected two output paths of the branch-line coupler, and one ring-hybrid coupler to combine output signals of two variable phase shifter. The power division ratio between the two output ports of the proposed power divider can be easily controlled by the phase variation of the two phase shifter. The proposed power divider circuit fabricates on laminated RF-35 (h = 20 mil, er=3.5; Taconic) with a center frequency of 2 GHz. The power division ratio of the fabricated prototype varies from about 1:1000 to 5000000:1, with an input reflection characteristic(S11) of below -20 dB, an insertion loss of about -1.0 dB, and an isolation characteristic of below -17 dB between two output ports in the range 1.9-2.1 GHz.
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문제 정의
본 논문에서는 입력 전력에 따라 연속적으로 전력 분배 비율을 가변 시킬 수 있는 연속적 가변 전력 분배기 회로를 제안하였다. 제안된 가변 전력 분배기 회로는 전력 분배 비율에 관계없이 안정적인 입력 정합 특성을 가지며, 두 개의 출력 단자에 1:∞부터 ∞:1까지 높은 전력 분배 비율을 갖는다.
제안 방법
가변 전력 분배기 회로의 출력부분에 해당하는 링-하이브리드 커플러의 입력으로는 동일한 형태의 가변 위상 변환기를 통과한 신호가 입력하므로, 가변 위상 변환기의 위상변화가 없다면 제안된 가변 전력 분배기의 두 출력 단자에서는 동일 전력의 신호가 출력하게 된다. 그리고, 가변 위상 변환기가 위상 변화에 따른 세기 변화없이 90도 위상 변화량을 갖는다면 제안된 가변 전력 분배기는 두 개의 가변 위상 변환기를 이용하여 두 개의 출력 단자(C-단자와 D-단자)에 원하는 전력 비율로 신호를 출력할 수 있게 된다. 결론적으로, 제안된 가변 전력 분배기의 출력 신호 PO1(C-단자)과 PO2(D-단자)는 링-하이브리드 커플러의 두 입력 단자(A-단자와 B-단자)의 입력 위상차가 90도이면 동일 전력으로 출력하고, 입력 위상차가 90도 이하가 되면 PO1 전력이 PO2 전력보다 높아지게 되며, 입력 위상차가 90도 이상이 되면 PO1 전력이 PO2 전력보다 낮아지게 된다.
링-하이브리드 커플러의 전력 결합 특성을 이용하여 임의의 전력 비율로 신호를 분배할 수 있는 가변 전력 분배기를 제안하였다. 입력 신호를 두 개의 경로로 분배하는 브랜치라인 커플러, 브랜치라인 커플러의 두 출력에 연결되어 세기 변화없이 90도 위상 변화가 가능한 두 개의 가변 위상 변환기, 두 개의 가변 위상 변환기 출력을 격리 관계에 있는 두 단자의 입력 신호로 받는 링-하이브리드 커플러로 구성되는 제안된 가변 전력 분배기 회로는 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 따라 링-하이브리드 커플러의 나머지 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작함을 이론 및 제작된 가변 전력 분배기를 통해 확인할 수 있었다.
제안된 가변 전력 분배기 회로는 전력 분배 비율에 관계없이 안정적인 입력 정합 특성을 가지며, 두 개의 출력 단자에 1:∞부터 ∞:1까지 높은 전력 분배 비율을 갖는다.
그림 4는 제안된 가변 전력 분배기의 블록 다이어그램이다. 제안된 가변 전력 분배기는 먼저 브랜치라인 커플러를 이용하여 입력하는 신호를 동일 세기의 90도 위상차 신호로 분배하게 된다. 이 분배된 신호는 90도 위상 변화가 가능한 브랜치라인 커플러를 이용한 가변 위상 변환기를 거쳐 링-하이브리드 커플러의 격리 특성 관계에 있는 A-단자와 B-단자에 입력한다.
제안된 가변 전력 분배기회로는 입력부에 존재하는 브랜치라인 커플러에 의해 발생하는 90도 위상차와 세기 변화없이 위상 변화량이 90도를 갖는 두 개의 위상 변환기를 이용하면 이론적으로 PO1 출력과 PO2 출력의 전력 분배 비율을 ∞:1부터 1:∞까지 원하는 값으로 조절 가능하게 된다.
대상 데이터
그림 5는 중심주파수 2GHz에서 제작된 제안된 가변 전력 분배기의 모습이다. 사용한 기판은 Taconic사의 비유전율 3.5인 RF-35(h=20mil) 기판으로 입력부의 브랜치라인 커플러는 Xinger사의 1A1305-3를 이용하여 구현하였다. 가변 위상 변환기는 브랜치라인 커플러 1A1305-3를 이용한 반사형 구조[10]로 출력 단자와 커플링 단자에 Sony사의 1T-362 Varactor 다이오드를 종단에 연결하여 격리 단자로 신호가 출력하게 하였다.
성능/효과
0dB 값이 발생하였다. 가변 위상 변환기 1(PS1)과 가변 위상 변환기 2(PS2)의 위상 변화량이 모두 0도인 경우 제작된 가변 전력 분배기는 두 출력 단자에 전력 분배 비율이 1:1인 4.0dB의 값이 출력하였고, 가변 위상 변환기 1의 위상변화 없이 가변 위상 변환기 2의 위상 변화량이 20도인 상태에서는 이론값과 동일하게 P01의 값이 P02보다 약-3.0dB 높게 출력하였다. 역으로, 가변 위상 변환기 2의 위상 변화량이 없고 가변 위상 변환기 1의 위상 변화량이 20도인 상태에서는 P02의 값이 P01보다 약 -3.
식 (4-b)에 있는 β가 0에서 90도까지의 변하고 두 입력 신호의 전압이 같다면(V1=V2) 2번 단자와 3번 단자의 출력은 그림 2의 (c)와 (d)와 같은 형태로 동작하게 된다. 결론적으로, 브랜치라인 커플러에서는 격리 특성을 가지는 두 개의 단자에 90도 위상차의 동일 전력 세기 신호가 입력하는 경우에 두 개의 입력 단자 신호 중 하나의 입력 신호 위상을 90도 변화시키면 출력 단자 중 한 단자의 신호는 # 에서 2Vi로 신호가 증가하고, 다른 단자의 신호는 #에서 0으로 신호가 감쇠하게 된다. 이는 두 개의 출력 단자의 출력 전력 분배 비율을 1:1에서 1:∞로 밖에 변화시킬 수 없음을 의미한다.
하지만, 3번 단자에 신호가 입력하는 경우에는 2번 단자와 4번 단자에 동일 위상의 동일 전력 신호가 분배되어 출력하고, 1번 단자로는 신호가 출력하지 않는다. 결론적으로, 브랜치라인 커플러의 1번 단자와 4번 단자 또는 링-하이브리드 커플러의 1번 단자와 3번 단자에 신호가 입력하게 되면 두 개의 신호 입력단자에는 신호가 출력하지 않고, 나머지 두 개의 단자로 입력된 신호가 결합되어 출력하게 된다.
그리고, 가변 위상 변환기가 위상 변화에 따른 세기 변화없이 90도 위상 변화량을 갖는다면 제안된 가변 전력 분배기는 두 개의 가변 위상 변환기를 이용하여 두 개의 출력 단자(C-단자와 D-단자)에 원하는 전력 비율로 신호를 출력할 수 있게 된다. 결론적으로, 제안된 가변 전력 분배기의 출력 신호 PO1(C-단자)과 PO2(D-단자)는 링-하이브리드 커플러의 두 입력 단자(A-단자와 B-단자)의 입력 위상차가 90도이면 동일 전력으로 출력하고, 입력 위상차가 90도 이하가 되면 PO1 전력이 PO2 전력보다 높아지게 되며, 입력 위상차가 90도 이상이 되면 PO1 전력이 PO2 전력보다 낮아지게 된다. 제안된 가변 전력 분배기회로는 입력부에 존재하는 브랜치라인 커플러에 의해 발생하는 90도 위상차와 세기 변화없이 위상 변화량이 90도를 갖는 두 개의 위상 변환기를 이용하면 이론적으로 PO1 출력과 PO2 출력의 전력 분배 비율을 ∞:1부터 1:∞까지 원하는 값으로 조절 가능하게 된다.
제안된 가변 전력 분배기회로는 입력부에 존재하는 브랜치라인 커플러에 의해 발생하는 90도 위상차와 세기 변화없이 위상 변화량이 90도를 갖는 두 개의 위상 변환기를 이용하면 이론적으로 PO1 출력과 PO2 출력의 전력 분배 비율을 ∞:1부터 1:∞까지 원하는 값으로 조절 가능하게 된다. 또한, 제안된 가변 전력 분배기 회로는 신호 입력부에서 브랜치라인 커플러를 사용하여 신호를 분배하기 때문에 전력 분배 비율에 관계없이 우수한 입력 정합 특성을 유지할 수 있다.
또한, 제작된 가변 전력 분배기가 가변 위상 변환기의 위상 변화에도 안정적인 단자정합 특성(S11과 S22)과 출력 단자 사이의 격리 특성(S23 또는 S32)을 가짐을 확인할 수 있다.
입력 신호를 두 개의 경로로 분배하는 브랜치라인 커플러, 브랜치라인 커플러의 두 출력에 연결되어 세기 변화없이 90도 위상 변화가 가능한 두 개의 가변 위상 변환기, 두 개의 가변 위상 변환기 출력을 격리 관계에 있는 두 단자의 입력 신호로 받는 링-하이브리드 커플러로 구성되는 제안된 가변 전력 분배기 회로는 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 따라 링-하이브리드 커플러의 나머지 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작함을 이론 및 제작된 가변 전력 분배기를 통해 확인할 수 있었다.
입력 신호를 두 개의 경로로 분배하는 브랜치라인 커플러, 브랜치라인 커플러의 두 출력에 연결되어 세기 변화없이 90도 위상 변화가 가능한 두 개의 가변 위상 변환기, 두 개의 가변 위상 변환기 출력을 격리 관계에 있는 두 단자의 입력 신호로 받는 링-하이브리드 커플러로 구성되는 제안된 가변 전력 분배기 회로는 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 따라 링-하이브리드 커플러의 나머지 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작함을 이론 및 제작된 가변 전력 분배기를 통해 확인할 수 있었다. 제안된 입출력 정합 특성이 우수한 가변 전력 분배기는 연결된 회로의 고장, 입력 전력 신호의 재이용 등 다양한 이유로 인해 전력 분배기의 전력 분배 비율을 변화시키는 회로에서 안정적으로 사용할 수 있다.
후속연구
제안된 가변 전력 분배기 회로의 전달 손실 값의 대부분은 가변 위상 변환기에서 발생하였다. 90도 위상변화를 가지는 낮은 전력 손실의 가변 위상 변환기를 사용할 수 있으면 제안된 가변 전력 분배기의 전달 손실은 크게 개선할 수 있을 것이다. 제안된 가변 전력 분배기 회로의 크기와 전달 손실 특성을 개선하면 보다 많은 회로에 제안된 가변 전력 분배기 회로를 사용할수 있을 것이다.
90도 위상변화를 가지는 낮은 전력 손실의 가변 위상 변환기를 사용할 수 있으면 제안된 가변 전력 분배기의 전달 손실은 크게 개선할 수 있을 것이다. 제안된 가변 전력 분배기 회로의 크기와 전달 손실 특성을 개선하면 보다 많은 회로에 제안된 가변 전력 분배기 회로를 사용할수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
윌킨슨 전력 분배기를 가변 전력 분배기로 사용했을 때, 전력 분배 비율에 따라 어떠한 문제점이 발생하는가?
윌킨슨 전력 분배기를 가변 전력 분배기[5-7]로 사용하기 위해서는 입출력 단자의 정합이 유지된 상태에서 분배 단자 선로의 특성 임피던스를 가변시켜야 한다. 이러한 경우에는 특정한 전력 분배 비율에 대해서는 안정된 입출력 정합 특성을 얻을 수 있지만, 다양한 전력 분배 비율에 대해 안정적인 입출력 정합 특성을 유지하는 것은 매우 어렵다. 브랜치라인 커플러와 링-하이브리드 커플러는 그림 1의 (a), (b)와 같이 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 갖는 4단자 소자[8, 9]이다.
고정 비율 전력 분배기란 무엇인가?
대표적인 초고주파 수동 소자 중 하나인 전력 분배기는 하나의 입력 신호를 두 개 이상의 출력 단자로 분배 하는 기능을 수행한다. 대부분의 전력 분배기는 고정된 전력 분배 비율로 입력하는 신호를 출력 단자에 분배하여 출력하는 고정 비율 전력 분배기[1-4]이다. 하지만, 전력 분배기와 연결된 회로가 정상 동작하지 않는 경우, 전력 분배기에 입력하는 신호의 세기에 상관없이 전력 분배기 출력 단자 중 한 곳에 일정한 전력을 공급하는 경우, 필요 이상의 높은 전력의 신호가 입력할 때 잉여 전력에 대한 에너지화 등 재 이용이 필요한 경우, 회전 편파를 사용하는 안테나에서는 상황에 따라 출력 단자의 전력 분배 비율을 조절할 수 있는 가변 전력 분배기가 필요하다.
가변 전력 분배기가 필요한 경우는 언제인가?
대부분의 전력 분배기는 고정된 전력 분배 비율로 입력하는 신호를 출력 단자에 분배하여 출력하는 고정 비율 전력 분배기[1-4]이다. 하지만, 전력 분배기와 연결된 회로가 정상 동작하지 않는 경우, 전력 분배기에 입력하는 신호의 세기에 상관없이 전력 분배기 출력 단자 중 한 곳에 일정한 전력을 공급하는 경우, 필요 이상의 높은 전력의 신호가 입력할 때 잉여 전력에 대한 에너지화 등 재 이용이 필요한 경우, 회전 편파를 사용하는 안테나에서는 상황에 따라 출력 단자의 전력 분배 비율을 조절할 수 있는 가변 전력 분배기가 필요하다.
참고문헌 (10)
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