[논문]단일 전송선로의 전기적 길이 조정을 이용한 비대칭 분배기

권상근; 김영

doi:10.12673/jant.2018.22.6.642

초록
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본 논문은 단일 전송선로의 전기적 길이만을 조정한 비대칭 분배기 설계를 나타내었다. 이 분배기는 3개의 단일 전송선로와 고립 저항 1개 그리고 입력과 출력의 포트 종단 임피던스가 서로 다른 형태로 구성되어 있다. 분배기의 특징은 입출력 포트 그리고 출력 포트와 고립저항 사이에 연결된 단일 전송선로의 전기적 길이를 조정하여 출력 포트의 분배비율을 조정하였다. 이러한 분배기의 설계 방법을 확인하기 위해서 1:2 분배 비율의 비대칭 분배기는 $60{\Omega}$의 단일 전송선로를 이용하여 입력 포트 임피던스는 $40{\Omega}$, 출력 포트의 임피던스는 $45{\Omega}$으로 동일하게 설정하였고, 삽입손실은1.7 dB/ 5.0 dB, 반사 손실은 -30 dB이상 그리고 고립도는 -35 dB이상 측정되었다. 또한, 1:4 분배 비율의 비대칭 분배기는 $40{\Omega}$의 단일 전송선로를 이용하여 입력 포트 임피던스는 $50{\Omega}$, 출력 포트의 임피던스는 $75{\Omega}$으로 동일하게 설정하여, 삽입손실은 1.3 dB/ 6.8 dB, 반사 손실은 -12 dB이상 그리고 고립도는 -19 dB이상 되는 전기적 특성을 확인하였다. 측정된 특성 데이터는 시뮬레이션과 잘 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an unequal power divider based on adjusting electrical length of uniform transmission line is presented. This divider consists of three uniform transmission lines and one isolation resistor and have the different port impedances of input and output. The feature of proposed divider can...

In this paper, an unequal power divider based on adjusting electrical length of uniform transmission line is presented. This divider consists of three uniform transmission lines and one isolation resistor and have the different port impedances of input and output. The feature of proposed divider can changed the power dividing ratio to adjust only electrical length of uniform transmission lines. To verify the feasibility of proposed power divider, two divider circuits are designed, one is 1:2 power dividing ratio divider with $60{\Omega}$ uniform transmission line and $40{\Omega}$ input port impedances and $45{\Omega}$ output port impedances, the performance data were measured the insertion losses of 1.7 dB/ 5.0 dB, return losses of more than -30 dB and isolation of more than -35 dB. The other is 1:4 power dividing ratio divider with $40{\Omega}$ uniform transmission line and $50{\Omega}$ input port impedances and $75{\Omega}$ output port impedances, the performance data were measured the insertion losses of 1.3 dB/ 6.8 dB, return losses of more than -12 dB and isolation of more than -19 dB. The measured performance data agreed well with the simulated results.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. 제안한 비대칭 분배기 회로도 Fig. 1. Schematic of proposed unequal power divider.
그림 그림 2. 등가회로 (a) 신호가 포트 1로 입력되었을 때 (b) 신호가 포트 2로 입력되었을 때 Fig. 2. Equivalent circuit (a) when the port 1 excited and (b) when the port 2 excited.
그림 그림 3. 제작된 비대칭 분배기 사진 (a) 1:2 분배 비율 (b) 1:4 분배 비율 Fig. 3. Photograph of fabricated unequal power divider (a) power dividing ratio of 1:2 (b) power dividing ratio of 1:4.
그림 그림 4. 1:2 분배 비율의 비대칭 분배기 특성 (a) |S₁₁|, |S₂₁|, |S₃₁| (b) |S₂₂|, |S₃₃|, |S₃₂| Fig. 4. Characteristics of unequal power divider with 1:2 power dividing ratio (a) |S₁₁|, |S₂₁|, |S₃₁| (b) |S₂₂|, |S₃₃|, |S₃₂|
그림 그림 5. 1:4 분배 비율의 비대칭 분배기 특성 (a) |S₁₁|, |S₂₁|, |S₃₁| (b) |S₂₂|, |S₃₃|, |S₃₂| Fig. 5. Characteristics of unequal power divider with 1:4 power dividing ratio (a) |S₁₁|, |S₂₁|, |S₃₁| (b) |S₂₂|, |S₃₃|, |S₃₂|

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 전송선로를 사용하고 입력 포트의 임피던스와 출력의 임피던스가 다른 비대칭 분배기를 설계하는 방법을 제시하였다. 이러한 설계 방법은 단일 임피던스로 구현하는 분배기의 장점과 동시에 입출력 임피던스가 다르게 설계가 가능하여 서로 다른 임피던스의 소자와 연결할 때 별도의 임피던스 변환기가 필요 없기 때문에 작은 크기로 시스템을 구현할 수 있는 특징을 갖고 있다.

제안 방법

본 논문에서는 40 Ω과 60 Ω의 임피던스를 갖는 단일전송선로를 이용하여 전송선로 길이만을 조정하여 비대칭분배기 설계하는 방법을 제시하였다. 입력과 출력 임피던스가 다른 조건에서도 비대칭 분배기의 특성이 시뮬레이션과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

첫 번째 분배기는 1:2 분배비율을 갖고 단일 전송선로의 임피던스는 60 Ω, 입력 포트 종단 임피던스는 40Ω 그리고 출력 포트 종단 임피던스는 45 Ω으로 설정하였다. 두 번째 분배기는 1:4 분배비율을 갖고 단일 전송선로의 임피던스는 40 Ω, 입력 포트 종단 임피던스는 50 Ω 그리고 출력 포트 종단 임피던스는 75 Ω으로 설정하였다. 이때 사용된 PCB는 테프론 재질로 비유전율은 2.
앞에서 설명한 이론을 바탕으로 중심 주파수 2 GHz에서두 종류의 비대칭 분배기를 설계하여 설계 방법의 타당성을 확인하였다. 첫 번째 분배기는 1:2 분배비율을 갖고 단일 전송선로의 임피던스는 60 Ω, 입력 포트 종단 임피던스는 40Ω 그리고 출력 포트 종단 임피던스는 45 Ω으로 설정하였다. 두 번째 분배기는 1:4 분배비율을 갖고 단일 전송선로의 임피던스는 40 Ω, 입력 포트 종단 임피던스는 50 Ω 그리고 출력 포트 종단 임피던스는 75 Ω으로 설정하였다.

데이터처리

그림 2(a)는 포트 1로 신호가 입력되었을 때의 등가회로를 나타낸 것이다. 이 회로의 해석은 입출력 임피던스가 R_a1과 R_b1 으로 다르기 때문에 임피던스가 동일한 경우에 해석할 수 있는 우수 - 기수 모드 해석법으로는 해석할 수 없어 S-파라미터 방법을 이용하여야 한다. 포트 1에서 신호가 입력되어 출력 포트 2 와 3에 각각 전력이 전달되고, 포트 1에서 포트 2 가지로 부터 접지 사이의 전압은 포트 1에서 포트 3 가지로 부터 접지 사이의 전압과 같아서 고립저항 사이에 어떠한 전류도 흐르지 않는다.

성능/효과

그림 4는 1:2 분배 비율의 비대칭 분배기의 전기적인 특성을 나타내었다. 측정된 결과를 살펴보면 중심 주파수 2 GHz에서 삽입 손실은 |S₂₁| = 1.7 dB, |S₃₁| = 5.0 dB가 측정되었고, 포트 1의 반사 손실은 |S₁₁|은 – 35 dB 이상 그리고 포트2와 3의 반사 손실 |S₂₂|, |S₃₃|도 –30 dB 이상 얻었다. 또한 고립도 |S₃₂|은 –35 dB 이상 확보되었음을 보여준다.
또한 1:4의 분배 비율을 갖는 분배기의 특성은 그림 5에 나타내었으며, 측정된 결과를 살펴보면 중심 주파수 2 GHz에서 삽입 손실은 |S₂₁| = 1.3 dB, |S₃₁| = 6.8 dB가 측정되었고, 포트 1의 반사 손실은 |S11|은 –16 dB 이상 그리고 포트 2와 3의 반사 손실 |S₂₂|, |S₃₃|도 –20 dB, -12 dB 이상 얻었다. ;또한 고립도 |S₃₂|은 –19 dB 이상 확보되었음을 보여준다.
입력과 출력 임피던스가 다른 조건에서도 비대칭 분배기의 특성이 시뮬레이션과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이러한 방법은 입출력 포트의 임피던스가 50 Ω이 아니어도 신호를 분배할 수 있으며 또한 단일 전송선로를 이용하였기 때문에 제작의 편리성을 확보할 수 있음을 보여주었다.
본 논문에서는 40 Ω과 60 Ω의 임피던스를 갖는 단일전송선로를 이용하여 전송선로 길이만을 조정하여 비대칭분배기 설계하는 방법을 제시하였다. 입력과 출력 임피던스가 다른 조건에서도 비대칭 분배기의 특성이 시뮬레이션과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이러한 방법은 입출력 포트의 임피던스가 50 Ω이 아니어도 신호를 분배할 수 있으며 또한 단일 전송선로를 이용하였기 때문에 제작의 편리성을 확보할 수 있음을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전송선로를 이용한 분배기의 문제점은?	이것은 전력을 분배함에 있어서 전송선로의 임피던스 변화에 따라서 전력 분배 비율을 조정하여 분배하는 것이다 [1],[2]. 전송선로의 임피던스 값에 따라서 분배 비율이 결정되기 때문에 분배 비율이 크면 전송선로의 큰 임피던스를 구현하는데 어려움이 존재한다. 기존에 사용된 큰 임피던스의 구현 방법은 마이크로스트립 선로의 후면을 식각한 형태의 DGS [3]를 이용한 것, 큰 결합 계수를 갖는 단락된 결합선로 [4]를 이용하는 것 그리고 마이크로스트립 후면에 slot 선로를 만든 방법 [5] 등으로 구현하였다.
	전력 분배기란?	전력 분배기는 무선 계측기와 무선 장비에 사용되는 가장 기본적인 수동 소자이다. 이것은 전력을 분배함에 있어서 전송선로의 임피던스 변화에 따라서 전력 분배 비율을 조정하여 분배하는 것이다 [1],[2].
	비대칭 분배 비율을 갖는 분배기를 구현하는 방법은?	최근에는 비대칭 분배 비율을 갖는 분배기를 구현하는 방법은 기존의 전송선로의 임피던스 변화에 의한 방법에서 단일 전송선로의 전기적 길이를 조절하는 방법 [6]-[8] 또는 단일 전송선로와 고립저항에 스터브를 연결하는 방법 [9]등으로 분배비율을 조정하는 방법이 제시되고 있다. 이러한 설계 방법은 단일 전송선로를 이용하기 때문에 제작의 편리성과 설계의 간편성을 갖고 있다.

참고문헌 (9)

H.-R. Ahn and I. Wolff, "Three port 3 dB power divider terminated by different impedances and its application to MMIC's," IEEE Transaction Microwave Theory & Technology, Vol. 47, No. 6, pp. 786-794, Jun. 1999.

상세보기
H.-R. Ahn and I. Wolff, "General design equations, small sized impedance transformers, and their application to small sized three port 3 dB power dividers," IEEE Transaction Microwave Theory & Technology, Vol. 49, No. 7, pp. 1277-1288, Jul. 2001.

상세보기
J.-S. Lim, C.-S. Kim, Y.-T. Lee, D. Ahn and Nam, "Design of lowpass filters using defected ground structure and compensated microstrip line," Electronics Letters, Vol. 38, No. 22, pp. 1357-1358, Oct. 2002.

상세보기
J.W. Gipprich, "A new class of branch line directional couplers," in 1993 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Altanta: GA, Jun. 1993.
A. Arbabi, A. Boutejdar, M. Mahmoudi and A. Omar, "Increase of characteristic impedance of microstrip line using a simple slot in metallic ground plane," in 2006 First International Conference on Communications and Electronics, Hanoi: Vietnam, Oct. 2006.
K.-K.M. Cheng and P.-W. Li, "A novel power divider design with unequal power dividing ratio and simple layout," IEEE Transaction Microwave Theory & Technology, Vol. 57, No. 6, pp. 1589-1594, Jun. 2009.

상세보기
P.-W. Li and K.-K.M. Cheng, "A new unequal power divider design with enhanced insertion loss flatness," IEEE Microwave Wireless Component Letters, Vol. 19, No. 12, pp. 786-788, Dec. 2009.

상세보기
T. Qi, S. He, Z. Dai and W. Shi, "Novel unequal power divider with $50{\Omega}$ characteristic impedance lines," IEEE Microwave Wireless Component Letters, Vol. 26, No. 3, pp. 180-182, Mar. 2016.

상세보기
Y.-Z. Zhu, X.-F. Zhang, X.-F. Wu, C. Li and G.-Y. Fang, "Novel Wilkinson power divider with uniform impedance line," in 2008 Asia-Pacific Microwave Conference, Macau: China, Dec. 2008.

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