[논문]S-파라미터 변환을 통한 비대칭 분배되는 임피던스 변환기

김영

doi:10.12673/jant.2016.20.4.361

[국내논문] S-파라미터 변환을 통한 비대칭 분배되는 임피던스 변환기
An Impedance Transformer with Unequal Split Based on S-Parameter Conversion 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.20 no.4 = no.79, 2016년, pp.361 - 366

초록
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본 논문은 S-파라미터를 어드미턴스 파라미터로 변환하는 것을 바탕으로 비대칭 분배되면서 동시에 임의의 임피던스로 변환시킬 수 있는 임피던스 변환기를 나타내었다. 회로 해석 방법을 우수/ 기수 모드 방법과 비교하면 본 논문의 파라미터 변환을 통한 방법은 위상 지연 정보와 임의의 포트 임피던스 값을 포함시키고 그리고 비대칭 구조등을 해석하는데 간단함을 알 수 있다. 이 설계 방법의 타당성을 확인하기 위해서 중심주파수 1 GHz에서 3:1의 비대칭 분배비율을 갖고 있고 $50{\Omega}$을 $12.5{\Omega}$ 비율로 변환되는 임피던스 변환기를 설계하였다. 임피던스 변환기를 구현하는 방법은 유도된 수식으로부터 계산된 작은 임피던스 선로를 병렬 오픈스터브가 연결된 전송선로를 사용하여 구현하였고, 이것의 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 동일하게 나옴을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an arbitrary impedance transformer with unequal split, based on S- to admittance parameter conversion. When compared even/ odd- mode analysis, the parameter conversion design method constitutes a simple design method to include phase delay information and arbitrary port impedances and asymmetrical configurations. To validate this design method, we designed a 50 to $12.5{\Omega}$ impedance transformer with a 3:1 unequal power split, at an operating frequency of 1 GHz. To implement the proposed impedance transformer, the low impedance transmission lines of calculated result are fabricated by the transmission line connected shunt open stub. Good experimental performances were obtained, in full agreement with simulated results.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

본 논문에서 제안한 임피던스 변환기의 설계 방정식을 얻기 위해서 각 포트에서의 전송선로의 전기적 길이를 다음과 같이 가정하였다.

제안 방법

동작 주파수 1 GHz에서 전력분배 비율이 k2 = 3 이고, 50 Ω을 12.5 Ω으로 변환시켜주는 임피던스 변환기를 설계하기 위해서 먼저 변환기를 구성하고 있는 포트 임피던스 값을 Z01 = Z04 = 50 Ω, Z02 = Z03 =12.5 Ω으로 설정한 후, 각 전송선로의 임피던스 값을 구한다.
본 논문은 기존 우수/기수 해석법이 아닌 S-파라미터를 어드미턴스 파라미터로 변환 시키는 방법을 이용하여 간단하게 설계 하는 방법을 이용하였다. 이러한 설계 방법을 이용하여 동작 주파수 1 GHz에서 3:1의 분배 비율을 갖고 50 Ω에서 12.
비대칭 분배비율을 갖는 임피던스 변환기는 유도된 수식 (7a), (7b), (8a) , (8b)들을 이용하여 설계한 후, 시뮬레이션을 수행하였다.
앞의 많은 임피던스 변환기의 우수/기수 해석법은 계산 과정에 위상 지연에 대한 정보가 없으며, 또 비대칭 구조와 임의의 포트 임피던스일 경우에는 복잡하게 해석해야하지만, 본 논문에서는 S-파라미터를 어드미턴스 파라미터로 변환 [10]-[12] 하는 것을 바탕으로 임의의 포트 임피던스와 비대칭 전력 비율을 갖는 비대칭 브랜치 라인 결합기 구조를 갖는 임피던스 변환기 설계 방법을 제시하였다. 이 설계 방법의 타당성을 확인하기 위해서 3:1 분배 비율을 갖으면서 임피던스의 4:1 비율 즉, 50 Ω 을 12.
여기서 계산된 임피던스 값 Zb = 7.2 Ω 는 마이크로 스트립 기술로 구현하기 어렵기 때문에 CLTL 구조를 이용하였다.
이 설계 방법의 타당성을 확인하기 위해서 3:1 분배 비율을 갖으면서 임피던스의 4:1 비율 즉, 50 Ω 을 12.5 Ω 으로 로 변환되고 중심 주파수 1 GHz에서 임피던스 변환기를 제작하여 그것의 삽입 손실, 반사계수 그리고 고립 특성을 확인하였다.
이러한 설계 방법을 이용하여 동작 주파수 1 GHz에서 3:1의 분배 비율을 갖고 50 Ω에서 12.5 Ω으로 임피던스가 변환되는 임피던스 변환기를 설계 및 구현하였다.

대상 데이터

표 1은 CLTL을 구성하는 소자들 즉, 짧은 전송선로 길이(d_cell)와 선폭 (Wc-TL), 개방 스터브의 선폭 (WR-OPEN)과 길이 (LR-OPEN)을 나타낸 것이며, 여기서 사용된 PCB는 TACONIC사의 TLX-9 으로, 유전율 εr = 2.5 , 유전체 두께 h = 0.787 mm 인 PCB를 사용하였고, 중심 주파수는 1 GHz 로 설계를 하였다.

이론/모형

이러한 기능을 갖는 임피던스 변환기는 많은 연구자들에 의해서 연구가 되었는데 브랜치 라인 결합기와 탠덤 커플러 회로 [5], 다중 섹션 브랜치 라인 결합기 [6], 스터브 커플링 라인 [7], 임의의 포트 임피던스와 임의의 전력 분배 비율을 갖는 회로 [8], 그리고 Ruthroff 변환기 방법 [9]등이 존재한다. 이러한 설계 방법의 대부분은 우수/ 기수 모드 해석방법 또는 다른 복잡한 수학적인 기법들을 사용하였다.

성능/효과

이 논문에서 제시한 S-파라미터를 어드미턴스 파라미터로 변환하는 해석법은 비대칭 임피던스 변환기를 설계하는데 있어 타당성을 확인하였고, 또한 임의의 포트 임피던스를 갖는 다양한 비율의 분배기등의 수동소자 설계하는데 유용하게 적용 될 수 있을 것으로 판단된다.
이렇게 제작된 비대칭 임피던스 변환기는 포트 1, 2, 3에서 반사계수는 |Sii| > 13 dB, 삽입손실은 각각 |S21| = 2.7 dB, |S31| = 7.4 dB, 그리고 고립도 |S41| = 20.5 dB를 얻었고 이것은 시뮬레이션과 유사함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동축 케이블을 이용한 임피던스 변환기 설계 방법은 어떠한 문제점이 있는가?	하지만 이러한 정합회로는 큰 임피 던스 변화 때문에 인덕터 와 캐패시터로 구현하기가 어려워 동축 케이블을 이용한 임피던스 변환기를 사용한다. 이러한 설계 방법은 임피던스의 변환기가 케이블을 이용한 회로로 구현됨으로서 증폭기의 크기가 커지는 문제를 갖고 있다 [1],[2]. 또한 비대칭 도허티 증폭기에서는 주 증폭기와 피킹 증폭기 사이에 신호가 비대칭으로 분배되면서 임피던스가 변환되는 회로가 필요하다 [3],[4].
	전력 증폭기의 정합회로에서 동축 케이블을 이용한 임피던스 변환기를 사용하는 이유는?	전력 증폭기에 사용되는 전력 트랜지스터의 입출력 임피던스는 거의 쇼트에 가까운 매우 낮은 임피던스를 갖고 있으며, 그것에 적합한 정합회로는 50 Ω에서 쇼트에 가까운 작은 임피던스 값 또는 그 반대로 변환되는 특성을 만족해야 한다. 하지만 이러한 정합회로는 큰 임피 던스 변화 때문에 인덕터 와 캐패시터로 구현하기가 어려워 동축 케이블을 이용한 임피던스 변환기를 사용한다. 이러한 설계 방법은 임피던스의 변환기가 케이블을 이용한 회로로 구현됨으로서 증폭기의 크기가 커지는 문제를 갖고 있다 [1],[2].
	임피던스 변환기는 어떠한 역할을 하는가?	임피던스 변환기는 서로 다른 임피던스를 정합시켜주는 역할을 함으로서 RF/ 초고주파 회로에서 중요한 기능을 하는 소자이다. 이러한 기능을 갖는 임피던스 변환기는 많은 연구자들에 의해서 연구가 되었는데 브랜치 라인 결합기와 탠덤 커플러 회로 [5], 다중 섹션 브랜치 라인 결합기 [6], 스터브 커플링 라인 [7], 임의의 포트 임피던스와 임의의 전력 분배 비율을 갖는 회로 [8], 그리고 Ruthroff 변환기 방법 [9]등이 존재한다.

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원문보기 상세보기
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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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