KR0164368B1

KR0164368B1 - 고주파 전력합성기

Info

Publication number: KR0164368B1
Application number: KR1019950037064A
Authority: KR
Inventors: 김홍기; 김영; 정순철; 김철동
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1999-02-01
Also published as: KR970024638A; CN1159083A; US5767755A; RU2138888C1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야: RF 전력합성기

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제: 전력 증폭기의 개수에 비례하여 합성된 출력 전력이 증가하면서도 손실이 매우 적은 RF전력 합성기를 구현한다.

3. 발명의 해결방법의 요지 : 본 발명의 전력합성기는, 다수의 입력단 및 상기 다수의 입력단에 각각 연결된 선로들을 공통접속점을 통하여 공통접속한 하나의 출력단을 가지고, 상기 입력단과 상기 공통접속점 사이에 전송선로 특성임피던스가 각각 Z3, Z2이고, 상기 공통접속점과 상기 출력단 사이에 전송선로 특성임피던스가 Z1이며, 상기 전송선호 특성임피던스에 대응되는 길이가 ( ο=중심주파수 신호의 파장)인 전송선로들과; 상기 입력단과 상기 전송선로 특성임피던스 Z3간에 각각 위치하며, 상기 입력단으로 인가되는 RF신호를 개패하는 RF스위치로 구성한다.

4. 발명의 중요한 용도 : 디지털 마이크로웨이브 시스템의 전력합성기

Description

고주파 전력합성기

제1a도∼제1b도는 종래의 전력합성기들을 보여주는 도면.

제2도는 RF전력합성기를 이용한 RF대출력 증폭기 응용회로도.

제3도는 본 발명에 따른 전력합성기를 보여주는 도면.

제4도는 본 발명에 따른 전력합성기의 구체적인 실시예의 회로를 보여주는 도면.

제5도는 제4도의 전력합성기를 테스트하기 위한 테스트 셋업 구성도.

제6a도∼제6d도는 전력합성기 테스트 결과를 보여주는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

SW1∼SWn : RF스위치

본 발명은 디지털 무선통신기기에 관한 것으로, 특히 전력증폭기의 개수에 비례하여 합성된 출력전력이 증가하면서도 손실이 매우 적도록 하는 RF(Radio Frequency)전력합성기에 관한 것이다.

종래에 일반적으로 사용되고 있는 n-웨이(way) (여기서 n=1, 2, 3,....,n) RF전력합성기는 1980년 6월에 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-28, No.6에서 발행되고, 페이지555∼563에 Planar Electrically Symmetric n-Way Hybrid Power Dividers/Combiners 제목으로 공지되어 있는데, 제1a도 및 1b도는 공지된 RF전력합성기의 구성을 보여주고 있는데 제1A도는 n-웨이 웰킨슨 타입 합성기(n-Way Wilkinson Type Combiner)의 대표적인 구성이고, 제 1B도는 n- 웨이 라디알 타입 합성기 (n-Way Radial Type Combiner)의 대표적인 구성이다. 상기 n-웨이 윌킨슨 타입 합성기의 구성상 특징은전송선로와 저항 R로 구성되어 있다는 것이고, n-웨이 라디알 타입 합성기의 구성상 특징은전송선로만으로 구성되어 있다는 것이다.

그러나 제1a도 및 제1b도와 같은 전력합성기는 진폭과 위상이 동일한 특성을 갖는 n개의 전력 공급원의 신호를 합성하는데 있어, 만약 n개중 m개의 신호(여기서 m=1, 1, 2,....n-1)가 공급되지 않을 경우 -201og(1-m/n)db만큼 출력 전력이 감소된다. 즉 m/n=1/4, 2/4, 또는 3/4일 때 0/4에 비하여 2.5, 6.0, 또는 -12db의 출력 저하가 발생한다. 예를 들어 각각 1와트(watt)의 전력세기인 신호 4개(n=4)를 합성하는 종래의 4-웨이(way) RF 전력 합성기에서, 그 합성 특성은 하기 도표 1과 같다.

상기 도표 1을 살펴보면, 합성되기 전의 입력신호의 합전력이 불량신호 개수 m-0일 경우에만 합성된 후의 전력과 동일하고 불량신호 개수 m이 증가할수록 입/출력 차이, 즉 전력손실도 따라서 증가하는 현상을 보인다.

그리고 이와 같이 RF전력 합성기를 이용하여, 여러 개의 RF전력증폭기의 전력을 합성하여 대출력의 RF 전력 증폭기로 변환시키는 기능을 얻고자 한다면 다음과 같은 제한이 필요하게 된다. 그 제한 사항은 손실이 적은 전력합성을 필요로 할 때에는 반드시 불량신호 개수 m이 적어야 한다는 것이다.

제2도는 RF 전력합성기를 이용한 RF대출력 증폭기 응용회로를 보여 주고 있다. 다수개의 소출력 RF증폭기들이 장착됨으로 구성되며 숫자에 비례하는 출력을 발생하는 대출력 RF 증폭기(즉, 한 개의 소출력 RF 증폭기가 A 와트(watt)의 출력을 갖고 있다면, 그 증폭기 1개를 장착했을 때 A 와트(watt), 두 개의 장착시 2A 와트 (watt)..... n개 장착시 nA 와트(watt)등으로 출력이 증가하는 증폭기)를 만들고자 할 때, 장착된 증폭기 개수가 적은 상태에서는 매우비효율적 전력 증폭기가 되고마는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 전력 증폭기의 개수에 비례하여 합성된 출력 전력이 증가하면서도 손실이 매우 적은 RF 전력 합성기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 RF전력합성기를 이용한 RF대출력 증폭기 응용 회로에 적합한 전력 합성기를 제공하는데 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 전력합성기로서, Z1, Z2, Z3의 특성 임피던스를 갖는 전송선로와, RF(Radio Frequency)신호를 개폐할 수 있는 RF스위치들 SW1∼SWn으로 구성된다.

이 회로의 동작원리는 다음과 같다.

1) RF스위치 SW1∼SWn중에서 1개만 도통되고 나머지 스위치는 오픈(open)시킬 경우.

첫 번째로, 오픈(open)된 스위치에 연결된 각각의 Z3 + Z2 전송선로는 I 점에서 볼 때, 오픈(open)된 반파장선로(중심 주파수에서)가 되기 때문에 오픈(open)으로 나타난다. 따라서 상기 I점에서 신호가 전반사, 즉 전달되지 않는다. 이것은 신호의 손실방지를 가져온다.

두 번째로, 1개의 스로우(through)된 스위치를 갖는 경로는 입력 i→SWi→Z3→Z2→Z1→출력으로 구성되는 RF신호 전달경로를 거쳐, 입력 I로부터 유입된 신호는 출력단자로 전달되게 된다.

2) SW1∼SWn 중에서 2개 이상이 도통되고 나머지 스위치는 오픈(open)된 경우.

첫 번째로, 오픈(open)된 스위치에 연결된 각각의 Z3+Z2전송선로는 I점에서 볼 때, 오픈(open)된 반파장선로(중심 주파수에서)가 되기 때문에 오픈(open)으로 나타난다. 따라서 상기 I점에서 신호가 전반사, 즉 전달되지 않는다. 이것은 신호의 손실방지를 가져온다.

두 번째로, 스로우(through)된 스위치를 갖는 경로는 각각의 Z3+Z2와 Z1을 통하여 출력쪽으로 전달된다. 이때에 각 입력단자에 유입되는 RF신호는 진폭과 위상이 가급적 동일하도록 조절해야 한다. 왜냐하면 각 입력포트의 신호가 진폭과 위상이 같으면 임피던스가 무한대가 되므로 입력단자간의 아이솔레이션(isolation)이 좋아지며, 합성전력이 출력 포트쪽으로만 전달되기 때문에 추가적인 전력 손실을 방지할 수 있게 되기 때문이다. 그리고 Z1, Z2, Z3의 특성 임피던스 값은 Z2≥Z3Z1을 만족하여야 하며, 실제 적용시에는 동작주파수범위, 입력신호의 개수(n)등이 고려된 적절한 시뮬레이션 값으로 택해져야 한다.

제4도는 본 발명에 따른 전력합성기의 구체적인 실시예를 보여주는 회로도이다. 이때 구성된 조건은 하기와 같다.

·조건 입력단자 개수 n=4

중심주파수 fo=880MHz

동작주파수 범위880MHz±50MHz

입력신호의 진폭 및 위상 모두 동일

그리고 구성된 회로정수값은 하기와 같다.

·회로정수값

여기서, ο는 880MHz 주파수신호의 한 파장

이렇게 구성된 전력합성기를 제5도와 같은 테스트 셋업장치를 이용하여 측정한다. 테스트 셋업장치는 10dB감쇠기(50), 4-웨이 분배기(4-Way Splitter:52), 6dB감쇠기(54), RF전력합성기(56) 및 망분석기(58)로 구성된다. 망분석기(58)은 출력단(OUT)으로 테스트할 신호를 인가하고 입력단(IN)으로 신호의 결과를 수신하고 그 신호를 분석한다. 이때의 분석은 신호가 RF합성기(56)에서 합성되었는지와 합성한 신호의 손실이 얼마인가 파악하는 것이고, 분석된 내용을 디스플레이된다. 상기 10dB감쇠기(50) 및 6dB감쇠기(54)는 선로임피던스가 틀어지는 것을 방지용으로 사용되며, 이것은 측정오류를 없애준다.

시뮬레이션(Simulatin) 및 측정결과는 다음과 같다.

입력신호 한 개의 전력을 기준(=0dB)하면 손실이 없는 이상적인 (ideal) 전력합성기에서는 신호의 개수에 따라, 즉 1, 2, 3, 4개의 일 때 0dB(1배), 3dB(2배), 4.8dB(3배), 6dB(4배)로 선형적(linear)으로 증가하게 된다. 즉 본 발명의 실시예와 같은 횔의 특성을 시뮬레이션(Simlation)한 결과는 하기 도표 2와 같다.

상기 도표2의 시뮬레이션 결과는 중심 주파수 880MHz에서 신호갯수 1, 2, 3, 4개에 따라 -0.5dB(0.89배), +3.0dB(2.0배), +4.6dB(2.88배), +5.5dB(3.55배)로 전력 합성되며 ±50MHz대역에서 0.1dB이내의 주파수 편평도(flatness)를 유지하고 있는 것을 볼 수 있다.

또한 테프론(Teflon:열에 강한 합성수지) 기판을 이용한 마이크로 스트립 라인(Microstrip Line)과 미국 KL사(社)의 RF 스위치(일예로, MMS-12-F-PC)를 이용하여 제작한 실험회로의 실측결과는 제6a도∼제6d도와 같다. 제6a도는 RF전력합성기(56)의 입력이 하나일때의 실측결과이고, 제6b도는 RF전력합성기(56)의 입력이 둘일때는 실측결과이며, 제6c도는 RF전력합성기(56)의 입력이 셋일때는 실측결과이다. 그리고 제6d도는 RF전력합성기(56)의 입력이 넷일때의 실측결과이다.

제6a∼제6d도를 참조하면, 중심 주파수(880MHz)에서 각각 입력신호 개수 1, 2, 3, 4개에 따라 신호의 이득은 -0.58dB(0.87배), +2.87dB(1.93배), +4.45dB(2.

79배), +5.40dB(3.47배)로 측정됨을 볼 수 있다. 880MHz를 중심으로 ±50MHz의 대역에서 주파수 편평도는 0.1dB이내를 유지하는 것이다.

이러한 시뮬레이션(Simulation) 결과를 기초로 종래 전력 합성기와의 특성을 비교하여 보면 하기와 같다. 먼저 조건(종래에서도 동일하게 적용되었음)은 하기와 같다.

그리고 본 발명회로를 이용하여 전력 합성한 경우의 특성은 도표 3과 같다.

상기 도표 3을 도표 1의 종래 전력 합성기와 비교하여 볼 때, 본 발명의 회로는 합성된 전력이 실제 입력된 신호갯수(n-m)에 비례하는 즉, 선형적인 (linear)특성이 매우 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력합성기를 전력분배기 및 RF전력증폭기에도 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 전력합성기의 출력단을 전력분배기의 입력단으로 상기 전력합성기의 입력단들을 전력분배기의 출력단들로 정하면 전력합성기를 전력분배기로 사용될 수 있다. 그러면 이 전력분배기는 소정 선로 불량 따른 RF전력손실율(예컨데, 도표1에 나타난 바와 같은 RF 전력 손실율)을 줄일 수 있다.

또한, 하나의 입출력단과 그 사이에 하나의 RF스위치, 특성임피던스 Z1,Z2,Z3가 Z2≥ Z3Z1를 만족하는 하나의 전송선로를 포함하는 각각의 RF전력증폭기를 구현할 수 있다. 그러면 소정 RF전력증폭기의 불량에 따른 RF전력증폭기들의 RF전력 손실율(예컨데, 도표1에 나타난 바와 같은 RF 전력 손실율)을 줄일 수 있다. 결국 본 발명의 정신에 따르면 본 발명의 실시예에 따른 전력합성기를, 전력합성기뿐만 아니라 다양한 변형 및 변경으로 전력분배기, RF전력증폭기에도 적용할 수 있다. 이렇게 본 발명의 실시예에 따른 전력합성기를, 전력합성기, 전력분배기, RF전력증폭기에 모두 적용하게 되면 소정 신호선로의 불량에 따른 손실은 매우 적게 되며 결과적으로는 총 RF전력을 증가시키게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전력합성기는 전력증폭기의 개수에 비례하여 합성된 출력전력이 증가하면서도 손실이 매우 적도록 하는 장점이 있다.

Claims

전력합성기에 있어서, 다수의 입력단 및 상기 다수의 입력단에 각각 연결된 선로들을 공통 접속점을 통하여 공통접속한 하나의 출력단을 가지고, 상기 입력단과 상기 공통접속점 사이에 전송선로 특성임피던스가 각각 Z3, Z2이고 상기 공통접속점과 상기 출력단 사이에 전송선로 특성임피던스가 Z1이며, 상기 전송선로 특성임피던스 각각에 대응되는 길이가(λ_ο=중심주파수 신호의 파장)인 전송선로들과, 상기 입력단과 상기 전송선로 특성임피던스 Z3간에 각각 위치하며, 상기 입력단으로 인가되는 RF신호를 개패하는 RF스위치를 구성함을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
제1항에 있어서, 상기 특성임피던스는 Z1=43.3Ω, Z2=67.7Ω, Z3=55.4Ω임을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
전력합성기에 있어서, 제1, 제2, 제3, 제4 입력단 및 상기 제1, 제2, 제3, 제4 입력단에 각각 연결된 선로들을 공통접속점을 통하여 공통접속한 하나의 출력단을 가지고, 상기 제1, 제2, 제3, 제4 입력단 각각과 상기 공통접속점 사이에 전송선로 특성임피던스가 각각 Z3, Z2이고 상기 공통접속점과 상기 출력단 사이에 전송선로 특성임피던스가 Z1이며, 상기 전송선로 특성임피던스에 대응되는 길이가(λ_ο=중심주파수 신호의 파장)인 전송선로들과, 제1, 제2, 제3, 제4 입력단 각각과 상기 전송선로 특성임피던스 Z3간에 각각 위치하며, 상기 입력단으로 인가되는 RF신호를 개패하는 제1, 제2, 제3, 제4 RF스위치로 구성함을 특징으로 하는 전력합성기.
제3항에 있어서, 상기 전송선로 특성임피던스는 Z1=43.3Ω, Z2=67.7Ω, Z3=55.4Ω임을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
제4항에 있어서, 상기 RF신호의 중심 주파수 880MHz에서 상기 RF스위치 선택에 의한 신호갯수 1, 2, 3, 4개에 따라 -0.5dB(0.89배), +3.0dB(2.0배), +4.6dB(2.88배), +5.5dB(3.55배)로 전력 합성됨을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 RF 신호의 중심주파수 ±50MHz대역에서 0.1dB이내의 주파수 편평도를 유지함을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
제1항에 있어서, 상기 특성임피던스가 Z1, Z2, Z3가 Z2 ≥ Z3 〉 Z1를 만족함을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.
제7항에 있어서, 입출력단을 바꾸어 전력분배기에 적용함을 특징하는 고주파 전력합성기.
제7항에 있어서, 하나의 입출력단과 그 사이에 하나의 RF 스위치, 특성임피던스 Z1, Z2, Z3가 Z2 ≥ Z3 〉 Z1를 만족하는 하나의 전송선로를 각각의 RF전력증폭기에 포함시키게 적용함을 특징으로 전력합성기.
제3항에 있어서, 상기 특성임피던스가 Z1,Z2,Z3가 Z2 ≥ Z3 〉 Z1를 만족함을 특징으로 하는 고주파 전력합성기.