[논문]저손실 광대역 동작 특성을 가지는 동축 선로 임피던스 변환기 제작

박웅희

doi:10.6109/jkiice.2017.21.12.2241

[국내논문] 저손실 광대역 동작 특성을 가지는 동축 선로 임피던스 변환기 제작
The fabrication of a coaxial line impedance transformer with low transmission loss and wideband operation range 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.12, 2017년, pp.2241 - 2248

박웅희 (Division of Electronics, Information & Communication Engineering, Kangwon University)

초록
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동축 선로 임피던스 변환기는 동일 길이의 두 개 또는 그 이상의 동축 선로 결합을 이용하여 임피던스 변환을 만드는 회로로서 높은 동작 전력, 광대역 동작 특성, 쉬운 제작 등 다양한 장점에 의해 상대적으로 낮은 주파수 영역의 임피던스 정합을 위해 자주 사용된다. 본 논문에서는 두 개의 100mm 동축 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환기를 사용하여 동축 선로의 위상 및 세기 특성을 측정하였다. 이를 통해 보조 동축 선로의 길이가 주 동축 선로보다 약 5mm 짧게 하는 것이 보다 저손실의 동축 선로 임피던스 변환기 구현에 효과적임을 알 수 있었다. 또한 4:1 임피던스 변환기와 1:4 임피던스 변환기를 직접 연결하여 측정한 동축 선로 임피던스 변환기의 전달 특성 실험을 통해 접지면과 주 동축선로 외곽 도체 입력부에 약 1pF 캐페시터를 연결하는 것이 보다 광대역 동작 범위 및 대역 내 특성 개선에 도움이 됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The coaxial line impedance transformer that performs impedance conversion using the coupling of two or more coaxial lines of the same length is often used for impedance matching in the low frequency region due to many advantages. This paper measures the phase and magnitude characteristics of each coaxial line in a 4:1 coaxial line impedance transformer using two 100mm coaxial lines. This experiment shows that it is more effective to make the length of the auxiliary coaxial line shorter than the main coaxial line by about 5 mm in order to realize a low loss impedance transformer. In addition, it measures the transmission characteristics by directly connecting a 4:1 impedance transformer and a 1:4 impedance transformer. This experiment shows that it is effective to connect a 1pF capacitor between the ground and the outer conductor input point of the main coaxial line in order to increase the operating frequency range.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

동축 선로를 이용한 임피던스 변환기는 높은 동작 전력, 쉬운 제작, 광대역 동작 특성 등 다양한 장점을 가지고 있지만 높은 주파수에서 정확한 동작 특성에 대한정보가 부족하여 대부분 100MHz 이하의 주파수에서 주로 사용되고 있다. 본 논문에서는 100MHz 이상의 주파수 영역에서 동작하는 동축 선로 임피던스 변환기의정확한 동작 특성을 살펴보기 위하여 50mm, 100mm,200mm 세 종류의 다른 길이를 이용한 4:1 임피던스 변환기를 제작하여 동축 선로 임피던스 변환기의 최적 설계에 대해 살펴보았다. 또한, 두 개의 4:1 동축 선로 임피던스 변환기를 직렬 연결하여 기본적인 동축 선로 임피던스 변환기의 동작 주파수 영역과 동작 특성, 동작주파수 영역을 확장시키는 방법에 대해 살펴보았다.
100MHz 이상의 주파수 영역에서 동축 선로 임피던스 변환기의 사용은 찾기가 매우 어렵고, 그에 대한연구도 거의 존재하지 않는다. 본 논문에서는 100mm동축 선로를 이용하여 동작 영역이 수백 MHz 이상이되는 주파수 영역에서 동축 선로 임피던스 변환기의 주동축 선로와 보조 동축 선로의 세기와 위상 특성을 살펴보았다. 또한 이를 이용하여 4:1 동축 선로 변환기와1:4 동축 선로 변환기를 직렬 연결하여 저손실의 광대역 주파수 영역에서 동작할 수 있는 동축 선로 임피던스 변환기 제작에 대해 살펴보았다.

제안 방법

본 논문에서는 100mm동축 선로를 이용하여 동작 영역이 수백 MHz 이상이되는 주파수 영역에서 동축 선로 임피던스 변환기의 주동축 선로와 보조 동축 선로의 세기와 위상 특성을 살펴보았다. 또한 이를 이용하여 4:1 동축 선로 변환기와1:4 동축 선로 변환기를 직렬 연결하여 저손실의 광대역 주파수 영역에서 동작할 수 있는 동축 선로 임피던스 변환기 제작에 대해 살펴보았다.
본 논문에서는 100MHz 이상의 주파수 영역에서 동작하는 동축 선로 임피던스 변환기의정확한 동작 특성을 살펴보기 위하여 50mm, 100mm,200mm 세 종류의 다른 길이를 이용한 4:1 임피던스 변환기를 제작하여 동축 선로 임피던스 변환기의 최적 설계에 대해 살펴보았다. 또한, 두 개의 4:1 동축 선로 임피던스 변환기를 직렬 연결하여 기본적인 동축 선로 임피던스 변환기의 동작 주파수 영역과 동작 특성, 동작주파수 영역을 확장시키는 방법에 대해 살펴보았다.

대상 데이터

하지만 출력 단자 2와 3의 신호는 동축선로 A-지점에 입력한 신호에 대한 값이므로 입력 단자에서의 반사량은 두 출력 단자에서의 세기 비교와 위상비교에는 아무런 영향을 주지 않는다. 동축 선로 임피던스 변환기에서 두 동축 선로의 세기 및 위상 특성 실험을 위해 길이 100mm 동축 선로를 이용하였으며, 그실험 결과를 50mm 동축 선로와 200mm 동축 선로에 적용하여 검증하였다. 또한 모든 실험에서 동축 선로의내부 중심 선로와 연결 지점과의 간격은 약 1.

성능/효과

5mm와 95mm로 하는 경우 전달 특성값의 차이가 거의 없어서 95mm의 보조 동축 선로 결과를 그림에 삽입하였다. 0.5pF 캐페시터를 삽입한 경우와 보조 동축 선로의 길이를 95mm로 하였을 경우의 전달 특성은 동축 선로를 100mm로 한 경우보다 전달 특성 값이 약 0.1dB 개선되었다. 그림 5 (c)는 492MHz에서 발생하는 전달 특성의 급격한 감소를 개선하기 위해서 1pF 캐페시터를 그림 2 (a)의 B-지점과 접지면 사이에 연결하였을 경우의 측정 값이다.
95dB의 값을 가졌다.1pF 캐페시터를 접지면과 보조 동축 선로의 중심 선로 입력부에 연결하게 되면 전달 특성(S₂₁) -1.0dB에해당하는 주파수 범위는 37~569MHz로 약 115MHz감소하고, 전달 특성(S₂₁) -0.4dB에 해당하는 주파수범위는 62~462MHz로 약 211MHz 증가하고, 252MHz로 전달 손실 0.33dB 값을 가졌다. 이는 캐페시터 연결을 통해 동축 선로 반의반파장(λ/4) 지점에서 발생하는 전달 손실의 급격한 감소는 개선시켰으나, 보조동축 선로와 주 동축 선로간의 주파수 증가에 따른 위상차와 세기차는 증가되어 동축 선로 결합 지점에서의 결합되어 발생하는 세기 값은 급격히 감소하기 때문으로 판단된다.
200mm의 동축선로를 이용하여 임피던스 변환기를 제작한 경우에는 전달 특성(S₂₁) -1.0dB에 해당하는 주파수 범위는 33~685 MHz이고, 전달 특성(S₂₁)-0.4dB에 해당하는 주파수 범위는 64~253MHz이고,약 258MHz에서 전달 특성 -0.95dB의 값을 가졌다.1pF 캐페시터를 접지면과 보조 동축 선로의 중심 선로 입력부에 연결하게 되면 전달 특성(S₂₁) -1.
그림 6은 50mm 동축 선로를 이용한두 개의 4:1 임피던스 변환기에 대한 동작 특성을 측정한 값이고, 그림 7은 200mm 동축 선로를 이용한 두 개의 4:1 임피던스 변환기에 대한 동작 특성을 측정한 값이다. 50mm의 동축 선로를 이용하여 임피던스 변환기를 제작한 경우에 전체 측정된 값을 기준으로 살펴보면전달 특성(S₂₁) -1.0dB에 해당하는 주파수 범위는206~915MHz이고, 전달 특성(S₂₁) -0.4dB에 해당하는주파수 범위는 335~891MHz이고, 약 923MHz에서 급격하게 전달 특성(S₂₁)이 감소하여 -3.3dB의 값을 가짐을 볼 수 있다. 하지만 1pF 캐페시터를 접지면과 보조동축 선로의 중심 선로 입력부에 연결하면 전달 특성(S21) -1.
이러한 특성은 동축 선로의 길이를 50mm와200mm 했을 경우에도 동일하게 발생하였다. 결론적으로 두 개의 동축 선로를 이용하여 임피던스 변환기를제작하는 경우 보조 동축 선로의 중심 선로가 주 동축선로의 외곽 도체에 연결하는 지점에서 발생하는 기생리액턴스 성분의 영향에 의해 동일 길이로 주 동축 선로와 보조 동축 선로로 구성하는 것보다 주 동축 선로의 중심 선로 출력 부분에 캐피시터 연결하여 보상하거나 또는 보조 동축 선로의 길이를 줄여서 보조 동축 선로가 가지는 캐페시터 값을 줄이는 것이 보다 효율적인접근이라 것을 알 수 있다.
실제적으로 보조 동축 선로의길이를 5mm 줄이는 것은 회로 제작에 큰 어려움이 없이 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 동작 주파수영역을 개선하기 위해서는 약 1pF 캐페시터를 주 동축선로의 외곽 선로 입력 지점과 접지면 사이에 삽입하는것이 효율적인 방법임을 알 수 있었다. 이러한 결과는실제 100MHz 이상의 초고주파 회로에서 보다 효율적인 동축 선로 임피던스 변환기 구현에 도움이 될 것으로 생각된다.
동축 선로를 0.23λ로 인식하는 주파수에서 발생하는 급격한 신호 감쇄의 특성을 개선하여동작 주파수 영역을 확장시키기 위해서는 주 동축 선로의 외곽 선로 입력부에 약 1pF의 캐페시터를 접지면과연결하면 됨을 확인할 수 있었다.
0도이다. 두 신호의 세기차를 0.5dB로 하는 주파수 범위는 376~893MHz이고, 세기차를 1.0dB로 하는 주파수 범위는 288~ 1260MHz로측정되었다. 그림 3 (b)와 (c)는 그림 2 (a) 블록 다이어그램에서 동축 선로의 네 지점 A(Main front), B(Subfront), C(main rear), D(Sub rear)에 0.
실험을 통하여 두 개의 동축 선로를 이용하여 임피던스 변환기를 제작하는 경우 주 동축 선로의 중심 선로출력 지점에 약 0.5pF의 캐페시터를 접지면과 병렬로연결하거나 보조 동축 선로의 길이를 주 동축 선로보다약 5mm 작게 하는 것이 약간이나마 신호 전달 특성이개선됨을 알 수 있었다. 실제적으로 보조 동축 선로의길이를 5mm 줄이는 것은 회로 제작에 큰 어려움이 없이 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
동축 선로 임피던스 변환기의 동작은 주 동축 선로의 중심 선로에 공급되어 출력하는 전류와 이 전류에 의해 유도되는 주동축 선로의 외곽 도체 전류의 합에 의해 발생한다. 입력 전력과 출력 전력이 동일한 상태에서 입력 전류에비해 출력 전류가 2배 증가하면 출력 전압은 입력 전압에 비해 반으로 감소하며, 결과적으로 출력 저항은 입력 저항에 비해 1/4배 감소하게 된다. 여기서 동축 선로임피던스 변환기의 동작 주파수 범위는 주 동축 선로중심 도체의 전류에 의해 발생하는 주 동축 선로 외곽도체에 발생하는 외부 전류의 세기와 위상 특성에 있음을 알 수 있다.
51dB가 된다. 측정된 값을 보면두 전달 전력의 세기가 가장 가까운 주파수는 616MHz로 S21[dB]은 -3.61dB, S31[dB]은 -3.71dB, 두 값의 세기차는 약 0.1dB, 위상차는 0.0도이다. 두 신호의 세기차를 0.

후속연구

이러한 결과는실제 100MHz 이상의 초고주파 회로에서 보다 효율적인 동축 선로 임피던스 변환기 구현에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 1pF 이하에서 다양한 케페시터 종류가 존재하면 동축 선로를 이용한 임피던스 변환기 회로에서 전달 손실 특성의 개선과 동작 특성 영역의 개선을 위한 보다 정확한 값의 케페시터를 실험을 통해 확인할 수 있을 것이라 생각한다.
동작 주파수영역을 개선하기 위해서는 약 1pF 캐페시터를 주 동축선로의 외곽 선로 입력 지점과 접지면 사이에 삽입하는것이 효율적인 방법임을 알 수 있었다. 이러한 결과는실제 100MHz 이상의 초고주파 회로에서 보다 효율적인 동축 선로 임피던스 변환기 구현에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 1pF 이하에서 다양한 케페시터 종류가 존재하면 동축 선로를 이용한 임피던스 변환기 회로에서 전달 손실 특성의 개선과 동작 특성 영역의 개선을 위한 보다 정확한 값의 케페시터를 실험을 통해 확인할 수 있을 것이라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동축 선로 임피던스 변환기란?	동축 선로 임피던스 변환기는 동일 길이의 두 개 또는 그 이상의 동축 선로 결합을 이용하여 임피던스 변환을 만드는 회로로서 높은 동작 전력, 광대역 동작 특성, 쉬운 제작 등 다양한 장점에 의해 상대적으로 낮은 주파수 영역의 임피던스 정합을 위해 자주 사용된다. 본 논문에서는 두 개의 100mm 동축 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환기를 사용하여 동축 선로의 위상 및 세기 특성을 측정하였다.
	동작 주파수영역을 개선했을 때 어떤 결과를 얻을 수 있는가?	동작 주파수영역을 개선하기 위해서는 약 1pF 캐페시터를 주 동축선로의 외곽 선로 입력 지점과 접지면 사이에 삽입하는것이 효율적인 방법임을 알 수 있었다. 이러한 결과는실제 100MHz 이상의 초고주파 회로에서 보다 효율적인 동축 선로 임피던스 변환기 구현에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 1pF 이하에서 다양한 케페시터 종류가 존재하면 동축 선로를 이용한 임피던스 변환기 회로에서 전달 손실 특성의 개선과 동작 특성 영역의 개선을 위한 보다 정확한 값의 케페시터를 실험을 통해 확인할 수 있을 것이라 생각한다.
	동축 선로를 이용한 정합 회로가 낮은 주파수에서 사용되는 이유는?	초고주파에서 임피던스 정합 회로는 동작 주파수 범위, 동작 전력의 세기, 구현 회로의 크기 등을 고려하여야 하며 다양한 방법이 존재한다[1-6]. 동축 선로를 이용한 정합 회로는 상대적으로 제작 크기가 크지만 높은 동작 전력,광대역 주파수 범위, 제작의 용이성 등 많은 장점 때문에 100MHz 이하의 상대적으로 낮은 주파수 영역에서많이 사용되고 있다[7-9]. 그림 1은 25옴 동축 선로를 이용한 50옴에서 12.

참고문헌 (11)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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F. Centurelli, L. Piattella, P. Tommasino, and A. Trifiletti, "A novel topology of Broad-band Coaxial impedance transformer," in Proceedings of the 40th European Microwave Conference, Paris: France, pp. 357-360, 2010.
U. H. Park, "Control Circuit Compensates Error Loop In Feedforward Amplifiers," MICROWAVE&RF, pp. 120-130, Sep. 2000.
A. Grebennikov, N. Kumar, and B. S. Yarman, "Transmission-Line Transformers and Combiners" in Power Amplifier Design Principles: Broadband RF and Microwave Amplifiers, Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, ch. 2, pp. 92-103, 2016.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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