제안된 가변 전력 분배기는 입력된 신호를 동일한 신호 전력으로 분배하는 2-way 윌킨슨 전력 분배기, 90도 위상변화가 가능한 두 개의 가변 위상 변환기, 두 개의 경로 신호를 결합하는 브랜치라인 커플러로 구성된다. 제안된 가변전력 분배기는 이론적으로 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 개 출력 단자에 ${\infty}:1$에서 ${\infty}:1$까지 전력 분배 비율로 출력할 수 있다. 제안된 가변 전력 분배기는 중심주파수 1.7 GHz에서 Taconic사의 TLX-9 20mil을 이용하여 제작해 동작 특성을 확인하였다. 제작된 회로는 1.7 GHz에서 두 개 출력 단자에 1:100에서부터 200:1까지 전력 분배 비율의 변화가 가능하였으며, 1.65-1.75 GHz 주파수 대역에서 다양한 전력 분배 비율에 대하여 입력 반사계수 약 -16 dB 이하, 삽입 손실 약 -1.0 dB, 두 출력 단자의 격리 특성 약 -17 dB 이하의 안정적인 특성을 보였다.
제안된 가변 전력 분배기는 입력된 신호를 동일한 신호 전력으로 분배하는 2-way 윌킨슨 전력 분배기, 90도 위상변화가 가능한 두 개의 가변 위상 변환기, 두 개의 경로 신호를 결합하는 브랜치라인 커플러로 구성된다. 제안된 가변전력 분배기는 이론적으로 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 개 출력 단자에 ${\infty}:1$에서 ${\infty}:1$까지 전력 분배 비율로 출력할 수 있다. 제안된 가변 전력 분배기는 중심주파수 1.7 GHz에서 Taconic사의 TLX-9 20mil을 이용하여 제작해 동작 특성을 확인하였다. 제작된 회로는 1.7 GHz에서 두 개 출력 단자에 1:100에서부터 200:1까지 전력 분배 비율의 변화가 가능하였으며, 1.65-1.75 GHz 주파수 대역에서 다양한 전력 분배 비율에 대하여 입력 반사계수 약 -16 dB 이하, 삽입 손실 약 -1.0 dB, 두 출력 단자의 격리 특성 약 -17 dB 이하의 안정적인 특성을 보였다.
The proposed variable pawer divider in this paper is composed of one equal power 2-way Wilkinson power divider, two variable phase shifters with 90-degree phase variation to be connected two output paths of the 2-way power divider, and one branchline coupler to combine output signals of two variable...
The proposed variable pawer divider in this paper is composed of one equal power 2-way Wilkinson power divider, two variable phase shifters with 90-degree phase variation to be connected two output paths of the 2-way power divider, and one branchline coupler to combine output signals of two variable phase shifter. The proposed variable power divider can theoretically have an arbitrary power division ratio ranging from ${\infty}:1$ to ${\infty}:1$ due to 90-degrees phase variation of two phase shifter. The proposed power divider circuit fabricates on laminated TLX-9(h=20 mil, er=2.5; Taconic) with a center frequency of 1.7 GHz. The power division ratio of the fabricated prototype varies from about 1:100 to 200:1, with an input reflection characteristic(S11) of below -16 dB, an insertion loss of about -1.0 dB, and an isolation characteristic of below -17 dB between two output ports in the range 1.65-1.75 GHz.
The proposed variable pawer divider in this paper is composed of one equal power 2-way Wilkinson power divider, two variable phase shifters with 90-degree phase variation to be connected two output paths of the 2-way power divider, and one branchline coupler to combine output signals of two variable phase shifter. The proposed variable power divider can theoretically have an arbitrary power division ratio ranging from ${\infty}:1$ to ${\infty}:1$ due to 90-degrees phase variation of two phase shifter. The proposed power divider circuit fabricates on laminated TLX-9(h=20 mil, er=2.5; Taconic) with a center frequency of 1.7 GHz. The power division ratio of the fabricated prototype varies from about 1:100 to 200:1, with an input reflection characteristic(S11) of below -16 dB, an insertion loss of about -1.0 dB, and an isolation characteristic of below -17 dB between two output ports in the range 1.65-1.75 GHz.
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문제 정의
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 브랜치라인 커플러를 이용하여 연속적인 가변 전력 분배기 구성이 가능함을 이론적으로 살펴보았고, 브랜치라인 커플러를 이용하여 연속적인 가변 전력 분배기 회로를 제안하였다. 제안된 브랜치라인 커플러를 이용한 가변전력 분배기는 이론적으로 1:∞부터 ∞:1 까지 전력 분배를 가변 할 수 있고, 상대적으로 링-하이브리드 커플러를 이용한 가변 전력 분배기보다 작은 크기와 외부 회로와 연결이 쉬운 출력 단자 구조를 갖는다.
제안 방법
입력 신호를 동일 세기와 동일 위상의 두 개의 경로 신호로 분배한 후 동일 지연 시간을 가지는 90도 위상변화가 가능한 회로를 거쳐 브랜치라인 커플러의 격리 관계에 있는 두 단자에 입력하면 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 출력 단자에 임의의 전력 비율로 입력 신호를 분배할 수 있는 연속적인 가변 전력 분배기를 제안하였다. 제안된 회로는 이론적으로 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작한다.
그림 6은 브랜치라인 커플러의 전력 결합 특성을 이용하여 다양한 전력 분배 비율을 갖는 제안된 가변 전력 분배기의 블록 다이어그램이다. 제안된 가변 전력분배기는 먼저 3-dB 전력 분배 비율을 가지는 윌킨슨전력 분배기를 이용하여 입력하는 신호(Pin)를 동일 위상과 동일 세기 신호로 분배한다. 분배된 신호는 세기 변화가 거의 없이 90도 위상 변화가 가능한 가변 위상 변환기를 거쳐 브랜치라인 커플러의 격리 관계에 있는 두 개의 입력 단자에 신호를 공급하게 된다.
제안된 브랜치라인 커플러를 이용한 가변전력 분배기는 이론적으로 1:∞부터 ∞:1 까지 전력 분배를 가변 할 수 있고, 상대적으로 링-하이브리드 커플러를 이용한 가변 전력 분배기보다 작은 크기와 외부 회로와 연결이 쉬운 출력 단자 구조를 갖는다.
제안된 회로는 이론적으로 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작한다.
대상 데이터
7 GHz에서 제작된 제안된 가변 전력 분배기의 모습이다. 입력부의 윌킨슨 전력 분배기는 기판 상에서 제작하였으며, 가변위상 변환기는 Xinger사의 브랜치라인 커플러 제품인 1A1305-3를 이용한 반사형 구조로 하였다[10]. 반사형 가변 위상 변환기에 사용된 다이오드는 Sony사의 1T-362 Varactor 다이오드로 1.
성능/효과
9dB의 값이 출력하였다. 가변위상 변환기 2의 위상 변화량이 20도이면 브랜치라인커플러에 입력하는 신호의 위상차가 20도가 되어 이론값과 동일한 P01의 값이 P02보다 약 -3.0dB 높게 출력하는 확인할 수 있었다. 또한, 가변 위상 변환기 1의 위상변화 없이 가변 위상 변환기 2의 위상 변화량이 90도 이면 제작된 가변 전력 분배기의 출력 전력은 대부분 P01으로 출력하였다.
결론적으로, 입력 단자와 격리 단자의 90도 위상 변화에 의해 두 개의 출력 단자의 출력 전력 분배 비율을 이론적으로 ∞:1에서 1:∞까지 변화시킬 수 있게 됨을 알 수 있다.
또한, 가변 위상 변환기 1의 위상변화 없이 가변 위상 변환기 2의 위상 변화량이 90도 이면 제작된 가변 전력 분배기의 출력 전력은 대부분 P01으로 출력하였다. 역으로, 가변 위상 변환기 2의 위상변화 없이 가변 위상 변환기 1의 위상 변화량이 20도인 경우는 P02의 값이 P01보다 약 -3.0dB 높게 출력하였고 가변 위상 변환기 2의 위상 변화 없이 가변 위상 변환기1의 위상 변화량이 90도인 경우는 대부분의 전력은 P02로 출력하였다. 그림 8은 제작된 가변 전력 분배기에서 가변 위상 변환기 1과 가변 위상 변환기 2의 위상 변화가 0도와 0도인 경우, 0도와 45도인 경우, 0도와 90도인 세 가지 경우 Protek A333 network analyzer를 이용하여 측정한 값을 그래프로 나타낸 것이다.
제안된 브랜치라인 결합 특성을 이용한 연속적인 가변 전력 분배기 회로는 기존의 링-하이브리드 결합 특성을 이용한 연속적인 가변 전력 분배기 회로보다 작은 크기, 낮은 선로 손실값, 용이한 제작, 외부 연결의 단순구조 등 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 상대적으로 우수한 특성으로 인해 기존의 링-하이브리드 결합을 이용한 가변 전력 분배기 회로 보다 안정적이고 좋은 가변 전력 분배기 회로로서 다양한 초고주파 회로에서 사용될 수 있을 것이다.
제안된 회로는 이론적으로 가변 위상 변환기의 90도 위상 변화에 의해 브랜치라인 커플러의 두 출력 단자에 ∞:1부터 1:∞까지 다양한 전력 비율로 동작한다. 제작한 연속적인 가변 전력 분배기는 1.65~1.75 GHz 범위에서 안정적인 정합 특성을 유지하면서 100:1에서 1:200의 전력 분배 비율을 가졌다.
후속연구
제안된 브랜치라인 결합 특성을 이용한 연속적인 가변 전력 분배기 회로는 기존의 링-하이브리드 결합 특성을 이용한 연속적인 가변 전력 분배기 회로보다 작은 크기, 낮은 선로 손실값, 용이한 제작, 외부 연결의 단순구조 등 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 상대적으로 우수한 특성으로 인해 기존의 링-하이브리드 결합을 이용한 가변 전력 분배기 회로 보다 안정적이고 좋은 가변 전력 분배기 회로로서 다양한 초고주파 회로에서 사용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전력 분배기란 무엇인가?
전력 분배기는 입력하는 신호를 두 개 이상의 경로로 분배하여 출력하는 대표적인 초고주파 수동 소자 중 하나이다. 초고주파 전력 분배기는 동작 전력, 동작 주파수 범위, 입력과 출력의 정합 특성 개선, 출력 단자 개수, 분배 전력의 비율, 소형화 등을 목적으로 다양하게 연구되고 있다[1-4].
브랜치라인 커플러를 이용한 연속적인 가변 전력 분배기 회로는 어떤 문제를 해결하기 위해 제안되었는가?
대표적인 연속적인 가변 전력 분배기 회로로는 링-하이브리드 결합 특성을 이용한 방법을 예로 들 수 있다[7]. 링-하이브리드커플러를 이용한 가변 전력 분배기는 회로 내에 존재하는 두 개의 90도 위상 변환기의 동작에 따라 다양한 전력 분배 비율의 신호를 만들 수 있지만 링-하이브리드커플러에 의해 상대적으로 큰 회로 구조와 두 개의 출력 단자에 대한 외부 회로 연결이 복잡하게 구성된다.
가변 전력 분배기은 어떻게 구분할 수 있는가?
가변 전력 분배기는 정해진 전력 분배 비율로만 동작하는 비연속적인 가변 전력 분배기와 다양한 전력 분배 비율을 갖는 임의의 전력 분배 비율의 연속적인 가변전력 분배기로 구분할 수 있다. 대표적인 비연속적인 가변 전력 분배기는 분배 선로의 특성 임피던스를 변화시켜 구현하는 방법을 예로 들 수 있다[5].
참고문헌 (10)
D. M. Pozar, Microwave Engineering, Addison-Wesley Publishing Company, New York, pp. 383-449, 1990.
E. Wilkinson, "An N-Way Hybrid Power Divider," IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-8, pp.116-118, Jan.1960.
S. B. Cohn, "A Class of Broadband Three-Port TEM-Mode Hybrids," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-16, no.2, pp.116-118, Feb.1968.
U. H. Park, " Power Divider Using a Coaxial Cable," Journal of Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 6, no.4, pp. 661-668, April 2012.
U. H. Park, "A variable power divider with 1:3 and 3:1 power division ratios," IEICE ELECTRONICS EXPRESS, vol.9, no.6, pp. 596-601, March 2012.
U. H. Park, "Dual-impedance transmission line employing an ungrounded copper plane," IEICE ELECTRONICS EXPRESS, vol.10, no.12, pp. 1-5, June 2013.
U. H. Park, "The variable power divider circuit to use the ring-hybrid coupler," Journal of Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 20, no.2, pp. 253-259, Feb. 2016.
J. Reed and G. J. Wheeler, "A Method of Analysis of Symmetrical Four-Port Networks," IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-4, pp. 246- 252, Oct. 1956.
Y. C. Jeong, J. W. Kim, H. R. Ahn, D. Ahn, and I. S. Chang, "Synthesis of Ring Hybrid Coupler having arbitrary termination impedence," The 1990 symposium of the Korean Institute of Electronics and Information, vol. 13, no. 1, pp.67-70, July 1990.
U. H. Park, I. S. Chang, J. W. Huh and I. H. Kan, "Design of a RF fixed phase control circuit using I&Q Demodulator," Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics, vol. 36D, pp.8-14, Jan. 1999.
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