KR102046408B1 - A power divider with enhanced selectivity performance - Google Patents

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KR102046408B1
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이종철
왕양
유복흥
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed is a high output power divider (PD) with the improved selectivity performance. The high output PD comprises: a substrate; an input port; an output port; a transmission line (Z_1); and a power dividing unit. The PD uses only one via hole without additional lumped elements. In addition, the good selectivity performance is improved for RF/Microwave system.

Description

선택도 특성이 향상된 전력 분배기{A power divider with enhanced selectivity performance}A power divider with enhanced selectivity performance}

본 발명은 선택도 특성(selectivity performance)이 향상된 전력 분배기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 port 2 및 port 4가 개방된 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)를 갖는, 선택도 특성이 향상된 고전력 전력 분배기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power divider with improved selectivity performance. More particularly, high power with improved selectivity characteristics has port 2 and port 4 having open-circuited coupled lines. Relates to a power divider.

본 연구는 한국 연구 재단(NRF-2016R1D1A1B03935640) 및 2017년 광운대학교 연구비를 지원받았습니다. This research was funded by the Korea Research Foundation (NRF-2016R1D1A1B03935640) and Kwangwoon University in 2017.

전력 분배기(PD, Power Divider)와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-1070009에서는 "격리도를 향상시킨 1:2 초광대역 전력 분배기/결합기"가 공개되어 있으며, 전송선로와 용량성으로 결합되는 단락 선로를 이용하여 입력 또는 출력되는 신호의 대역폭을 초광대역으로 조절할 수 있으며, 출력되는 전송 선로를 서로 격리시켜 안정성이 향상된 초광대역 전력 분배기/결합기를 제공한다.As prior art 1 related to a power divider (PD), Patent Registration No. 10-1070009 discloses "1: 2 ultra-wideband power divider / combiner with improved isolation", which is combined with transmission lines and capacitively. The short-circuit line can be used to adjust the bandwidth of the input or output signal to the ultra-wide band, and isolate the output transmission lines from each other to provide an ultra-wideband power divider / combiner with improved stability.

초광대역 전력 분배기는 전송 선로와 단락 선로 사이의 용량성 결합의 크기를 조절하여 입력/출력되는 신호의 대역폭을 원하는 초광대역으로 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 초광대역 전력 분배기는 신호가 출력되는 전송 선로 사이에 격리 저항을 삽입함으로써, 신호가 출력되는 전송 선로 사이의 격리도를 향상시킨다.The ultra-wideband power divider can accurately set the bandwidth of the input / output signal to the desired ultra-wideband by adjusting the size of the capacitive coupling between the transmission line and the shorting line. In addition, the ultra-wideband power divider improves isolation between transmission lines through which signals are output by inserting isolation resistors between transmission lines through which signals are output.

이와 관련된 선행기술2로써, 특허 등록번호 10-1070035에서는 "초광대역 전력 분배기/결합기"가 공개되어 있으며, λ/4 길이의 전송 선로를 가지는 T자형 전송 선로부 2개를 서로 용량성 결합시키고, 전송 선로부 각각의 전송선로에 대역폭 및 감쇄극을 조절할 수 있도록 전송 선로와 용량성으로 결합되는 λ/2 길이의 단락 선로를 이용하여 출력되는 신호의 크기를 분배하거나 입력되는 신호를 결합하는 초광대역 전력 분배기/결합기를 제공한다.As a related art 2, Patent Registration No. 10-1070035 discloses an "ultra wideband power divider / combiner", and capacitively couples two T-shaped transmission line portions having a transmission line of λ / 4 length to each other, Ultra wide band for distributing the size of the output signal or combining the input signal by using λ / 2-length short-circuit line which is capacitively coupled to the transmission line to adjust the bandwidth and attenuation pole in each transmission line. Provide a power divider / combiner.

이에 따른 초광대역 전력 분배기는 전송 선로와 단락 선로 사이의 용량성 결합의 크기를 조절하여 입력/출력되는 신호의 대역폭을 원하는 초광대역으로 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 초광대역 전력 분배기는 2개의 T자형 전송선로부를 용량성으로 결합함과 동시에 각 T자형 전송 선로부의 전송 선로와 단락 선로를 용량성으로 결합시킴으로써, T자형 전송 선로부의 용량성 결합의 크기 또는 각 T자형 전송 선로부의 전송 선로와 단락 선로의 용량성 결합의 크기를 서로 다르게 조절함으로써 출력되는 신호의 크기를 균등하게 또는 차등으로 다양하게 조절할 수 있다,Accordingly, the ultra-wideband power divider can accurately set the bandwidth of the input / output signal to the desired ultra-wideband by adjusting the size of the capacitive coupling between the transmission line and the short-line. In addition, the ultra-wideband power divider capacitively combines the two T-shaped transmission line portions with capacitive coupling of the transmission lines and the short-circuit lines of each T-shaped transmission line portion, thereby providing the size or the capacitive coupling of the T-shaped transmission line portions. By adjusting the size of the capacitive coupling of the transmission line and the short-circuit line of each T-shaped transmission line part, it is possible to adjust the size of the output signal equally or differentially.

본 고에서는 전력 분배기(PD, Power Divider)의 새로운 구조가 발표했다. 이 설계는 높은 전력 처리를 보여준다. 전력 분배기(PD)는 입력 신호를 둘 이상의 동일한 출력 신호로 변환한다. 특히, Wilkinson PD와 Gysel PD는 두 가지 레이더 시스템, 전력 증폭기 등과 같은 RF/Microwave 시스템의 PD 타입이 가장 널리 사용된다. In this article, a new structure of the power divider (PD) was introduced. This design shows high power handling. The power divider PD converts the input signal into two or more identical output signals. In particular, Wilkinson PD and Gysel PD are the most widely used PD types of RF / Microwave systems, such as two radar systems and power amplifiers.

월킨슨 전력분배기(Wilkinson PD)와 비교하면, 지젤 전력분배기(Gysel PD)는 절연 저항(isolation resistors)은 두 개의 포트에 사용되는 구성에 의해 고출력 처리 기능을 갖추고 있다. 윌킨슨 PD에서는, 절연 저항은 네트워크에 내재되고, 절연 저항의 기생 위상 응답(parasitic phase response of the isolation resistor)은 거의 제로가 되어야 한다. 파장이 매우 짧기 때문에 고주파에서 무시할 수 없는 내재된 절연 저항의 기생 위상 응답 때문에 고주파 시스템에서 Wilkinson PD용 애플리케이션들을 제한할 수 있다. Compared to Wilkinson PD, Gysel PD has high power handling by the configuration where isolation resistors are used on two ports. In Wilkinson PD, the insulation resistance is inherent in the network, and the parasitic phase response of the isolation resistor should be nearly zero. The very short wavelength limits the applications for Wilkinson PD in high frequency systems because of the parasitic phase response of the insulated resistance, which cannot be ignored at high frequencies.

그러나, Gysel PD는 벌크 크기(bulk size), 나쁜 선택도 특성(selectivity performance), 좁은 대역폭(narrow bandwidth) 등과 같이 아직도 일부 단점들이 존재하는 절연 저항에 의해 영향을 받는 것 없이 합리적인 위상 응답(reasonable phase response)을 갖는다. However, Gysel PD has a reasonable phase response without being affected by insulation resistance, where some disadvantages still exist, such as bulk size, poor selectivity performance, and narrow bandwidth. has a response.

최근, 많은 연구원들이 Gysel PD의 재설계를 위해 노력하고 있다[1-9].Recently, many researchers have been working on the redesign of Gysel PD [1-9].

추가 전송선로 타입 공진기들(additional transmission line type resonators) 또는 우측 및 좌측 전송선로(right- and left-handed transmission lines)들이 듀얼 밴드 디자인(dual-band designs)을 달성하는데 사용된다. Additional transmission line type resonators or right- and left-handed transmission lines are used to achieve dual-band designs.

참고 문헌 [7, 8]에서, 저자는 럼프드 소자들을 갖는 원래 전송선(original transmission lines with lumped elements)을 교체하여 전력분배기(PD)를 점점 더 소형화하기 위해 조심해야 한다.In references [7, 8], the authors should be careful to replace the original transmission lines with lumped elements to make the power divider PD smaller and smaller.

참고문헌 [9]에서, Gysel PD와 발룬(Balun)과 함께 결합된 구조는 광대역 응용(wideband application)을 위해 제안되었다. 그러나, 상기 모든 설계는 선택도(selectivity)가 낮은 것을 의미하는 대역 외 신호(out-of-band signal)를 거부할 수 없다. In Ref. [9], a structure combined with Gysel PD and Balun has been proposed for wideband applications. However, all of these designs cannot reject out-of-band signals, which means low selectivity.

참고 문헌 [10,11]은 대역 통과(bandpass) 또는 향상된 선택도 성능(enhanced selectivity performance)을 갖는 Gysel PDs를 제안했다. Ref. [10,11] proposed Gysel PDs with bandpass or enhanced selectivity performance.

하나의 구조는 입력 포트와 출력 포트 사이에 2 개의 임피던스 트랜스포머(two impedance transformers)를 커플링 구조 10로 대체하여 형성되고, 다른 하나의 구조는 확장된 커플링 된-공진기 회로 모델(coupled-resonator circuit model.11)로 전개된다. 그러나, 두 디자인의 대역폭은 12 %보다 좁은 협소한 대역폭을 갖는 디자인이다.One structure is formed by replacing two impedance transformers with coupling structure 10 between the input port and the output port, and the other structure is an expanded coupled-resonator circuit model. model.11). However, the bandwidth of both designs is a design with a narrow bandwidth of less than 12%.

특허 등록번호 10-10700090000 (등록일자 2011년 09월 27일), "격리도를 향상시킨 1:2 초광대역 전력 분배기/결합기", 경희대학교 산학협력단Patent Registration No. 10-10700090000 (Registration date September 27, 2011), "1: 2 ultra-wideband power divider / combiner improves isolation", Kyung Hee University 특허 등록번호 10-10700350000 (등록일자 2011년 09월 27일), "1:3 초광대역 전력 분배기/결합기", 경희대학교 산학협력단Patent Registration No. 10-10700350000 (Registration date September 27, 2011), "1: 3 Ultra-wideband Power Divider / Combiner", Kyung Hee University

Hayati M, Malakooti SA, Abdipour A. A novel design of tripleband Gysel power divider. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2013;61(10):3558-3567. Hayati M, Malakooti SA, Abdipour A. A novel design of tripleband Gysel power divider. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2013; 61 (10): 3558-3567. Sun Z, Zhang L, Liu Y, Tong X. Modified Gysel power divider for dual-band applications. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2011;21(1):16-18. Sun Z, Zhang L, Liu Y, Tong X. Modified Gysel power divider for dual-band applications. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2011; 21 (1): 16-18. Shahi Gharehaghaji H, Shamsi H. Design of unequal dual band Gysel power divider with isolation bandwidth improvement. IEEE Microw Wirel Compons Lett. 2017;27(2):138-140. Shahi Gharehaghaji H, Shamsi H. Design of unequal dual band Gysel power divider with isolation bandwidth improvement. IEEE Microw Wirel Compons Lett. 2017; 27 (2): 138-140. Ren X, Song K, Fan M, Zhu Y, Hu B. Compact dual-band Gysel power divider based on composite right- and left-handed transmission lines. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2015;25(2):82-84. Ren X, Song K, Fan M, Zhu Y, Hu B. Compact dual-band Gysel power divider based on composite right- and left-handed transmission lines. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2015; 25 (2): 82-84. Park MJ. Coupled line Gysel power divider for dual-band operation. Electron Lett. 2011;47(10):599-601. Park MJ. Coupled line Gysel power divider for dual-band operation. Electron Lett. 2011; 47 (10): 599-601. Park MJ, Lee B. A dual-band Gysel power divider with the even-mode input extension/stub lines. Microw Opt Technol Lett. 2011;53(6):1213-1216. Park MJ, Lee B. A dual-band Gysel power divider with the even-mode input extension / stub lines. Microw Opt Technol Lett. 2011; 53 (6): 1213-1216. Ren X, Song K, Zhang F, Hu B. Miniaturized Gysel power divider based on composite right/left-handed transmission lines. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2015;25(1):22-24. Ren X, Song K, Zhang F, Hu B. Miniaturized Gysel power divider based on composite right / left-handed transmission lines. IEEE Microw Wirel Compon Lett. 2015; 25 (1): 22-24. Tang B, Hayashi H, Ueda R. Reduced-size Gysel power dividers using lumped-element components. Microw Opt Technol Lett. 2016;58(10):2341-2344. Tang B, Hayashi H, Ueda R. Reduced-size Gysel power dividers using lumped-element components. Microw Opt Technol Lett. 2016; 58 (10): 2341-2344. Abbasi Arand B, Amrollahzadeh M, Kamalzadeh S. A wideband Gysel power divider/combiner based on a modified marchand balun. Microw Opt Technol Lett. 2017;59(10):2704-2955. Abbasi Arand B, Amrollahzadeh M, Kamalzadeh S. A wideband Gysel power divider / combiner based on a modified marchand balun. Microw Opt Technol Lett. 2017; 59 (10): 2704-2955. Wang KX, Zhang XY, Hu BJ. Gysel power divider with arbitrary power ratios and filtering responses using coupling structure. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2014;62(3):431-440. Wang KX, Zhang XY, Hu BJ. Gysel power divider with arbitrary power ratios and filtering responses using coupling structure. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2014; 62 (3): 431-440. Wu LS, Guo YX, Mao JF. Balanced-to-balanced Gysel power divider with bandpass filtering response. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2013;61(12):4052-4062. Wu LS, Guo YX, Mao JF. Balanced-to-balanced Gysel power divider with bandpass filtering response. IEEE Trans Microw Theory Tech. 2013; 61 (12): 4052-4062. Pozar DM. Micowave Engineering. 4th ed. New York: Wiley; 2012. Pozar DM. Micowave Engineering. 4th ed. New York: Wiley; 2012.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 port 2 및 port 4가 개방된 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)를 갖는, 선택도 특성이 향상된 고전력 전력 분배기를 제공한다. Gysel PD의 새로운 구조가 향상된 선택도 특성(enhanced selectivity performance)이 향상되었다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention to solve the above problems is to provide a high power power divider having improved selectivity, having open-circuited coupled lines in which port 2 and port 4 are open. The new structure of Gysel PD has improved enhanced selectivity performance.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기는 기판; 및 전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; port 2 및 port 4가 개방되고, 각 port 1,2,3에 연결되며, 제1 전송 선로와 제2 전송 선로가 평행하게 갭(gap)을 갖는 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)로 구성되며 입출력 임피던스가 정합된 커플링 된 전송 선로(Z1); 및 상기 커플링 된 전송 선로(Z1)와 연결되며, Z2와 Z3부분으로 구성되며, 상기 입력 port 1로 인가된 1 power를 출력 포트 port 2, port 3로 1/2 power씩 전력을 분배하는 전력 분배부;를 포함하는 전력 분배기(PD)를 구비하며,
상기 출력 포트 port 2, port 3 사이에 격리 저항(R)을 각각 더 포함하며,In order to achieve the object of the present invention, a power divider having improved selectivity characteristics may include a substrate; And an input port having an input port 1 for receiving power; an output port having port 2 and port 3; Port 2 and port 4 are open and connected to each of ports 1, 2 and 3, and as an open-circuited coupled line having a gap between the first transmission line and the second transmission line in parallel. A coupled transmission line, Z 1 , configured and matched in input / output impedance; And Z 2 and Z 3, each of which is connected to the coupled transmission line (Z 1 ), and converts 1 power applied to the input port 1 into 1/2 power of the output port port 2 and port 3. And a power divider (PD) that includes;
It further comprises an isolation resistor (R) between the output port port 2, port 3, respectively,

상기 전력 분배기는 추가적인 럼프드 소자(additional lumped elements) 없이 상기 각각의 격리 저항(R) 사이에 단지 하나의 비어 홀(via hole)만이 사용된다. The power divider uses only one via hole between each isolation resistor R without additional lumped elements.

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상기 제1 전송 전로 및 상기 제2 전송 선로는 결합 마이크로스트립 선로(coupled microstrip line)를 사용한다. The first transmission line and the second transmission line use a coupled microstrip line.

상기 전력 분배기(PD)는 입력 포트(port 1)와 커플링 된 전송 라인(coupled-line), 출력 포트(port 2,3)가 구비되며, 상기 결합 선로 기반 회로는 부하 임피던스 ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는다. The power divider (PD) is provided with a transmission line (coupled-line) and an output port (port 2,3) coupled with the input port (port 1), the combined line based circuit is a terminal with a load impedance Z L Have port 3 on it

상기 기판은 테프론 기판을 사용한다. The substrate uses a Teflon substrate.

상기 전력 분배기(PD)의 프로토타입은 Z1 = 70.7Ω, Z2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, ZE = 72Ω, ZO = 172Ω, 격리 저항(R) = 50Ω으로 제작되며, 테프론 기판의 상대 유전율 εr = 2.54, 0.002 유전 손실 탄젠트 값(dielectric loss tangent value), T = 0.54 mm의 두께, 및 h = 0.018 mm의 전도체 높이를 갖는 테플론 기판 상에 제조된다. The prototype of the power divider (PD) is made of Z 1 = 70.7Ω, Z 2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, Z E = 72Ω, Z O = 172Ω, isolation resistance (R) = 50Ω, It is prepared on a Teflon substrate having a relative permittivity epsilon r = 2.54, a 0.002 dielectric loss tangent value, a thickness of T = 0.54 mm, and a conductor height of h = 0.018 mm.

상기 개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬(impedance matrix)을 도출하기 위해 ABCD 행렬이 사용되며, 등가 회로의 ABCD 행렬은 식(1)에 의해 얻어지며, The ABCD matrix is used to derive the impedance matrix of the open circuit coupling line, the ABCD matrix of the equivalent circuit is obtained by equation (1),

Figure 112019106505731-pat00025
식(1)
Figure 112019106505731-pat00025
Formula (1)

여기서, Z는 특성 임피던스(characteristic impedance)이며, ZE 및 ZO는 각각 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 짝수-모드 임피던스(even-mode impedance) 및 홀수-모드 임피던스(odd-mode impedance)를 나타내며 두 연속 전송 라인들(series transmission lines)은 전기적인 길이(electrical length)가 θ로 표시되며, Where Z is the characteristic impedance, and Z E and Z O are the even-mode impedance and the odd-mode impedance of the open-circuited coupled line, respectively. impedance, and two series transmission lines have an electrical length of θ,

상기 ABCD 행렬에서 어드미턴스 인버터 J는 식 (2), (3)에 의해 교체될 수 있으며, In the ABCD matrix, the admittance inverter J can be replaced by equations (2) and (3),

Figure 112019106505731-pat00026
, 식(2)
Figure 112019106505731-pat00026
, Equation (2)

Figure 112019106505731-pat00027
, 식(3)
Figure 112019106505731-pat00027
, Equation (3)

식2 및 식3을 식1에 대입하고 임피던스 행렬(impedance matrix)와 ABCD 행렬 사이의 변환 관계(converting relation)를 사용하여 상기 개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬은 식(4)와 같이 유도되고, Substituting Equation 2 and Equation 3 into Equation 1 and using the conversion relation between the impedance matrix and the ABCD matrix, the impedance matrix of the open circuit coupling line is derived as in Equation (4),

Figure 112019106505731-pat00028
, 식(4)
Figure 112019106505731-pat00028
, Equation (4)

상기 개방 회로 결합 선로의 부하 임피던스 ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는 구조에서, port 1에서 전압과 전류의 관계에 의하면, 결합 선로 기반 회로의 부하 임피던스 ZL을 바라 보는 입력 임피던스 ZIN은 다음과 같이 계산되며,In the structure having port 3 terminated with the load impedance Z L of the open circuit coupling line, according to the relationship of voltage and current at port 1, the input impedance Z IN looking at the load impedance Z L of the coupling line based circuit is Calculated as

Figure 112019106505731-pat00029
, 식(5)
Figure 112019106505731-pat00029
, Equation (5)

θ = 90°로 설정되면, 결합 선로 기반 회로의 입력 임피던스 ZIN은 When θ = 90 °, the input impedance Z IN of the combined line based circuit is

Figure 112019106505731-pat00030
, 식(6)과 같이 계산된다.
Figure 112019106505731-pat00030
, Is calculated as in equation (6).

상기 전력 분배기의 모든 포트 임피던스(port impedances)는 입력/출력 포트 또는 코어 부분에 연결하는 결합 선로(coupled line)로부터 보여지는 등가 임피던스(equivalent impedances)이며, 각각 ZIN, Z0 및 ZEQ1 (ZEQ2)이며, All port impedances of the power divider are equivalent impedances seen from a coupled line connecting the input / output port or core portion, and Z IN, Z 0 and Z EQ1 (Z), respectively. EQ2 ),

기존의 Gysel PD의 경우, 모든 전기적인 길이는 λ/4와 같으므로 θ1, θ2 및 θ3은 90°와 같아야 하며, 핵심 부분의 전송 라인들 및 저항들의 파라미터들은 다음과 같이 얻을 수 있으며, In the case of the conventional Gysel PD, all electrical lengths are equal to λ / 4, so θ 1 , θ 2 and θ 3 should be equal to 90 °, and the parameters of the transmission lines and resistors at the core can be obtained as ,

Figure 112019106505731-pat00031
, 식(7)
Figure 112019106505731-pat00031
, Equation (7)

Figure 112019106505731-pat00032
, 식(8)
Figure 112019106505731-pat00032
, Equation (8)

Figure 112019106505731-pat00033
, 식(9)
Figure 112019106505731-pat00033
, Equation (9)

여기서, Z1, Z2 및 Z3은 전통적인 Gysel PD의 전송 라인들의 각각의 특성 임피던스들(respective characteristic impedances)이며,Where Z 1 , Z 2 and Z 3 are the respective characteristic impedances of the transmission lines of a traditional Gysel PD,

핵심 부분의 시뮬레이션은

Figure 112019106505731-pat00034
과
Figure 112019106505731-pat00035
의 등가 임피던스를 획득하도록 수행되었으며,
Figure 112019106505731-pat00036
, 식(10)The core part of the simulation
Figure 112019106505731-pat00034
and
Figure 112019106505731-pat00035
To obtain an equivalent impedance of
Figure 112019106505731-pat00036
, Equation (10)

ZIN은 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 ZEQ1와 ZEQ2가 동일해야 하므로 식 6 및 8을 참조하면, 임피던스 매칭된 조건은

Figure 112019106505731-pat00037
식(11)과 같이 표현된다. Since Z IN must have the same Z EQ1 and Z EQ2 for impedance matching, referring to equations 6 and 8, the impedance matched condition is
Figure 112019106505731-pat00037
It is expressed as Equation (11).

상기 전력 분배기는 2.5 GHz의 중심 주파수에서, 통과 대역은 2.1 ~3.1 GHz이며, 삽입 손실(insertion loss), 반사 손실(return loss) 및 격리도(isolation)는 각각 23.61, 220.2, 및 219.3dB 인 것을 특징으로 한다. The power divider has a passband of 2.1 to 3.1 GHz at a center frequency of 2.5 GHz and an insertion loss, return loss and isolation of 23.61, 220.2, and 219.3 dB, respectively. It features.

본 발명의 선택도 특성이 향상된 고출력 전력 분배기(PD)의 새로운 구조를 제시하였으며, Gysel PD의 새로운 구조가 향상된 선택도 특성(enhanced selectivity performance)을 갖는다. 제안된 전력분배기(PD)의 대역폭(bandwidth)은 거의 40% 증가하였다. 전통적인 Gysel PD와 동일하게, 제안된 전력분배기(PD)의 디자인은 고전력 처리 기능(high-power handling capability)을 가지고 있다. 또한, 제안된 전력분배기(PD)는 RF/Microwave 시스템에 적합한 우수한 선택도 특성(good selectivity performance)을 갖는다. A new structure of a high output power divider (PD) with improved selectivity characteristics is presented, and a new structure of Gysel PD has enhanced selectivity performance. The bandwidth of the proposed power divider (PD) has increased by almost 40%. As with traditional Gysel PDs, the design of the proposed power divider (PD) has high-power handling capability. In addition, the proposed power divider (PD) has good selectivity performance suitable for RF / Microwave system.

본 디자인은 고전력 처리 능력, 향상된 선택도 특성 및 단순한 구조, 임피던스 매칭(impedance matching)을 사용한 이론 분석 방법이 수행되었다. 폐쇄 형 설계 방정식(closed-form design equations) 상세한 설계 절차가 주어진다. 확인을 위해 2.5 GHz의 중심 주파수를 갖는 프로토타입이 시뮬레이션되었으며, 측정 결과는 시뮬레이션 된 것들과 일치하며 좋은 결과가 나타났다.The design is based on theoretical analysis using high power processing capability, improved selectivity characteristics and simple structure, and impedance matching. Closed-form design equations Detailed design procedures are given. For verification, a prototype with a center frequency of 2.5 GHz was simulated, and the measurement results matched the simulated ones and showed good results.

도 1은 어드미턴스 인버터 J(admittance invertor J)와 한 쌍의 전송라인들( transmission lines)로 구성된 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 등가 회로이다.
도 2는 입력 포트(port 1)와 커플링 된 전송 라인(coupled-line), 출력 포트(port 2,3)가 구비되며, port 3과 함께 결합된 회로 기반 커플링 된 전송라인이 부하 임피던스 ZL에 의해 터미네이션 된 그림이다.
도 3은 본 발명에 따른 선택도 특성(selectivity performance)이 향상된 고출력 전력 분배기(PD)의 구조도이다.
도 4는 짝수 모드 등가 임피던스1,2 ZEQ1 및 ZEQ2의 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 따라 제안된 전력 분배기(PD)의 디자인 패턴(pattern)을 보인 그림이다.
도 6은 제조된 전력분배기(PD) 및 시뮬레이션 결과 및 측정 결과, (A) 사진, (B) S11(port 1에 송출된 신호의 세기의 반사 손실) 및 S21(port 2에 대한 port 1의 삽입 손실), (C) S31(port 3에 대한 port 1의 삽입 손실) 및 S32(port 2, port 3을 독립적으로 격리하는 Isolation - 격리도), (D) 위상 및 진폭 불균형을 보인 그림이다. 1 is an equivalent circuit of an open-circuited coupled line consisting of an admittance inverter J and a pair of transmission lines.
FIG. 2 shows a transmission line coupled to an input port port 1 and an output port coupled to a port 2,3, wherein the circuit-based coupled transmission line coupled with port 3 has a load impedance Z. FIG. Figure terminated by L.
3 is a structural diagram of a high output power divider (PD) with improved selectivity performance according to the present invention.
4 shows simulation results of even mode equivalent impedances 1, 2 Z EQ1 and Z EQ2 .
5 is a diagram illustrating a design pattern of the proposed power divider PD according to an embodiment of the present invention.
6 shows the manufactured power divider (PD) and simulation results and measurement results, (A) photograph, (B) S 11 (reflection loss of the intensity of the signal transmitted to port 1) and S 21 (port 1 for port 2). Insertion loss), (C) S 31 (port 1 loss for port 3) and S 32 (Isolation-isolation to isolate port 2, port 3 independently), (D) phase and amplitude imbalances Picture.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail the configuration and operation of the invention.

Gysel PD의 새로운 구조가 향상된 선택도 특성(enhanced selectivity performance)이 제시된다. 중요한 부분으로 제안된 구조 중, 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)는 섹션 2에서 자세히 분석한다. 섹션 3에서 구조가 먼저 제안되고, 설계 방정식(design equations)의 폐쇄 된 형태(closed form)는 동시에 임피던스 매칭 방법을 기반으로 유추된다. The new structure of Gysel PD presents enhanced selectivity performance. Among the proposed structures as an important part, the open-circuited coupled line is analyzed in detail in section 2. In Section 3, the structure is proposed first, and the closed form of the design equations is inferred based on the impedance matching method at the same time.

그후, 검증을 위해 프로토타입이 시뮬레이션 됐으며, 섹션 4에서 측정했다. 두 결과 서로 좋은 일치를 보였다. The prototype was then simulated for verification and measured in section 4. The two results showed a good agreement with each other.

본 발명은 전력 분배기(PD, Power Divider)의 새로운 구조를 제시하였다. 본 디자인은 고전력 처리 능력, 향상된 선택도 특성 및 단순한 구조. 임피던스 매칭(impedance matching)을 사용한 이론 분석 방법이 수행되었다. 폐쇄 형 설계 방정식(closed-form design equations) 상세한 설계 절차가 주어진다. 확인을 위해 2.5 GHz의 중심 주파수를 갖는 프로토타입이 시뮬레이션되었으며, 측정 결과는 시뮬레이션 된 것들과 일치하며 좋은 결과가 나타났다.The present invention has proposed a new structure of a power divider (PD). This design has high power processing capability, improved selectivity characteristics and simple structure. A theoretical analysis method using impedance matching was performed. Closed-form design equations Detailed design procedures are given. For verification, a prototype with a center frequency of 2.5 GHz was simulated, and the measurement results matched the simulated ones and showed good results.

2. 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)2. open-circuited coupled line

제안된 전력분배기 구조의 핵심 부분으로써, port 2 및 port 4가 개방된(opened) 갭(gap)을 갖는 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)는 자세하게 분석된다.As an integral part of the proposed power divider structure, open-circuited coupled lines with gaps in which port 2 and port 4 are opened are analyzed in detail.

도 1은 어드미턴스 인버터 J(admittance invertor J)와 한 쌍의 전송라인들( transmission lines)로 구성된 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 등가 회로이다. 1 is an equivalent circuit of an open-circuited coupled line consisting of an admittance inverter J and a pair of transmission lines.

Z는 특성 임피던스(characteristic impedance)이며, ZE 및 ZO는 각각 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 짝수-모드 임피던스(even-mode impedance) 및 홀수-모드 임피던스(odd-mode impedance)를 나타낸다. 두 연속 전송 라인들(series transmission lines)은 전기적인 길이(electrical length)가 θ로 표시된다.Z is the characteristic impedance, and Z E and Z O are the even-mode impedance and the odd-mode impedance of the open-circuited coupled line, respectively. Indicates. Two series transmission lines are represented by an electrical length θ.

개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬(impedance matrix)을 도출하기 위해 ABCD 행렬이 사용된다. 그후, 등가 회로의 ABCD 행렬은 식(1)에 의해 얻어진다. The ABCD matrix is used to derive the impedance matrix of the open circuit coupling line. Then, the ABCD matrix of the equivalent circuit is obtained by equation (1).

Figure 112019106505731-pat00038
식(1)
Figure 112019106505731-pat00038
Formula (1)

참고 문헌 [12]를 참조하면, ABCD 행렬에서 어드미턴스 인버터 J는 다음 식 (2), (3)에 의해 교체될 수 있다. Referring to reference [12], the admittance inverter J in the ABCD matrix can be replaced by the following equations (2) and (3).

Figure 112019106505731-pat00039
, 식(2)
Figure 112019106505731-pat00039
, Equation (2)

Figure 112019106505731-pat00040
, 식(3)
Figure 112019106505731-pat00040
, Equation (3)

식2 및 식3을 식1에 대입하고 임피던스 행렬(impedance matrix)와 ABCD 행렬(ABCD matrix) 사이의 변환 관계(converting relation)를 사용하여 개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬 [12]은 다음과 같이 유도될 수 있다.Substituting Equation 2 and Equation 3 into Equation 1 and using the conversion relation between the impedance matrix and the ABCD matrix, the impedance matrix of the open circuit coupling line [12] is derived as follows. Can be.

Figure 112019106505731-pat00041
, 식(4)
Figure 112019106505731-pat00041
, Equation (4)

개방 회로 결합 선로의 부하 임피던스(load impedance) ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는 결합 선로 기반 회로는 도 2에 도시되었다. A coupling line based circuit with port 3 terminated with a load impedance Z L of an open circuit coupling line is shown in FIG. 2.

도 2는 입력 포트(port 1)와 커플링 된 전송 라인(coupled-line), 출력 포트(port 2,3)가 구비되며, port 3과 함께 결합된 회로 기반 커플링 된 전송라인이 부하 임피던스 ZL에 의해 터미네이션 된 그림이다. FIG. 2 shows a transmission line coupled to an input port port 1 and an output port coupled to a port 2,3, wherein the circuit-based coupled transmission line coupled with port 3 has a load impedance Z. FIG. Figure terminated by L.

입력 포트 port 1에서 전압과 전류의 관계에 의하면, 결합 선로 기반 회로의 부하 임피던스 ZL을 바라 보는 입력 임피던스 ZIN은 다음과 같이 계산할 수 있다.According to the relationship between the voltage and the current at the input port port 1, the input impedance Z IN looking at the load impedance Z L of the combined line based circuit can be calculated as follows.

Figure 112019106505731-pat00042
, 식(5)
Figure 112019106505731-pat00042
, Equation (5)

전기적인 길이 θ = 90°로 설정되면, 결합 선로 기반 회로의 입력 임피던스ZIN은 다음과 같이 계산할 수 있다. When the electrical length θ = 90 °, the input impedance Z IN of the combined line based circuit can be calculated as follows.

Figure 112019106505731-pat00043
, 식(6)
Figure 112019106505731-pat00043
, Equation (6)

3. 제안된 전력분배기(PD) 3. Proposed Power Divider

도 3은 본 발명에서 제안된 전력분배기(PD, Power Divider)의 구조를 나타낸다. 전통적인 Gysel PD 구조와 비교하면, 3개의 개방 회로 결합 라인 형 임피던스 트랜스포머(open-circuited coupled line type impedance transformers)는 입력/출력 포트 및 코어 부품(파선의 사각형 내부)로 구성된다. 3 shows a structure of a power divider (PD) proposed in the present invention. Compared with the traditional Gysel PD architecture, three open-circuited coupled line type impedance transformers consist of input / output ports and core components (inside the square of the dashed line).

전력 분배기의 모든 포트 임피던스(port impedances)는 입력/출력 포트 또는 코어 부분에 연결하는 결합 라인(coupled line)으로부터 보여지는 등가 임피던스(equivalent impedances)는 각각 ZIN, Z0 및 ZEQ1 (ZEQ2)이다.All the port impedances of the power divider are equivalent impedances seen from a coupled line connecting the input / output port or core part, respectively, Z IN, Z 0 and Z EQ1 (Z EQ2 ) to be.

기존의 Gysel PD의 경우, 모든 전기적인 길이는 λ/4와 같으므로 θ1, θ2 및 θ3은 90°와 같아야 한다. 그 다음, 코어 부분(core part)의 전송 라인들 및 저항들의 파라미터들은 다음과 같이 얻을 수 있다.In the conventional Gysel PD, all electrical lengths are equal to λ / 4, so θ 1 , θ 2 and θ 3 should be equal to 90 °. Then, the parameters of the transmission lines and resistors of the core part can be obtained as follows.

Figure 112019106505731-pat00044
, 식(7)
Figure 112019106505731-pat00044
, Equation (7)

Figure 112019106505731-pat00045
, 식(8)
Figure 112019106505731-pat00045
, Equation (8)

Figure 112019106505731-pat00046
, 식(9)
Figure 112019106505731-pat00046
, Equation (9)

여기서, Z1, Z2 및 Z3은 도 3에 도시된 전통적인 Gysel PD의 전송 라인들의 각각의 특성 임피던스들(respective characteristic impedances)이다. Here, Z 1 , Z 2 and Z 3 are the respective characteristic impedances of the transmission lines of the traditional Gysel PD shown in FIG. 3.

코어 부분의 시뮬레이션은 ZEQ1과 ZEQ2의 등가 임피던스를 획득하도록 수행되었다. 중심 주파수는 2.5GHz를 갖는 결과는 도 4에 표시되었으며, 다음 방정식이 유효하다.Simulation of the core part was performed to obtain equivalent impedances of Z EQ1 and Z EQ2 . Results with a center frequency of 2.5 GHz are shown in FIG. 4 and the following equation is valid.

Figure 112019106505731-pat00047
, 식(10)
Figure 112019106505731-pat00047
, Equation (10)

설계 시에, ZIN은 임피던스 정합(impedance matching)을 위해

Figure 112019106505731-pat00048
과
Figure 112019106505731-pat00049
가 동일해야 한다. In design, Z IN is used for impedance matching
Figure 112019106505731-pat00048
and
Figure 112019106505731-pat00049
Should be the same.

그런 다음, 식 6 및 8을 참조하면, 임피던스 매칭된 조건은 식 11과 같이 표현된다. Then, referring to Equations 6 and 8, the impedance matched condition is expressed as Equation 11.

Figure 112019106505731-pat00050
, 식(11)
Figure 112019106505731-pat00050
, Equation (11)

위의 분석에 기초하여, 설계 절차는 다음과 같이 요약될 수 있다.Based on the above analysis, the design procedure can be summarized as follows.

1) 모든 전송 라인(transmission lines) 및 결합된 라인(coupled lines)의 전기적인 길이(electrical length)를 계산하는데 사용할 수 있는, 제안된 전력분배기(PD)의 중심 주파수를 정의한다. 1) Define the center frequency of the proposed power divider (PD), which can be used to calculate the electrical length of all transmission lines and coupled lines.

2) 포트 임피던스(port impedance)를 선택하고, 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 홀수 모드 임피던스(odd-mode impedance)를 설계하며, 식 7-9 및 11을 통해 각 부분의 임피던스를 획득한다. 2) Select the port impedance, design the odd-mode impedance of the open-circuited coupled line, and determine the impedance of each part through equations 7-9 and 11 Acquire.

3) 기본 전송선 이론을 사용한 실제 길이(physical length)의 상기 값을 전달한다.3) Pass this value in physical length using the basic transmission line theory.

도 3은 본 발명에 따른 선택도 특성(selectivity performance)이 향상된 고출력 전력 분배기(PD)의 구조도이다. 3 is a structural diagram of a high output power divider (PD) with improved selectivity performance according to the present invention.

본 발명의 선택도 특성이 향상된 전력 분배기는 The power divider having improved selectivity characteristics of the present invention

기판; 및Board; And

전력(power)을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; port 2 및 port 4가 개방되고, 각 port 1,2,3에 연결되며, 제1 전송 선로와 제2 전송 선로가 평행하게 갭(gap)을 갖는 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)로 구성되며, 입출력 임피던스가 정합된 커플링 된 전송 선로(Z1); 및 상기 커플링 된 전송 선로(Z1)와 연결되며, Z2와 Z3부분으로 구성되며, 상기 입력 port 1로 인가된 1 power를 출력 포트 port 2, port 3로 1/2 power씩 전력을 분배하는 전력 분배부;를 포함하는 전력 분배기(PD)를 구비하며,
상기 출력 포트 port 2, port 3 사이에 격리 저항(R)을 각각 더 포함하며,An input port having an input port 1 for receiving power; an output port having port 2 and port 3; Port 2 and port 4 are open and connected to each of ports 1, 2 and 3, and as an open-circuited coupled line having a gap between the first transmission line and the second transmission line in parallel. A coupled transmission line Z 1 having an input / output impedance matched thereto; And Z 2 and Z 3, each of which is connected to the coupled transmission line (Z 1 ), and converts 1 power applied to the input port 1 into 1/2 power of the output port port 2 and port 3. And a power divider (PD) that includes;
It further comprises an isolation resistor (R) between the output port port 2, port 3, respectively,

상기 전력 분배기는 추가적인 럼프드 소자(additional lumped elements) 없이 상기 각각의 격리 저항(R) 사이에 단지 하나의 비어 홀(via hole)만이 사용된다.The power divider uses only one via hole between each isolation resistor R without additional lumped elements.

상기 출력 포트 port 2, port 3 사이에는 격리 저항(R, isolation resistor)을 더 포함한다. An isolation resistor (R) is further included between the output ports port 2 and port 3.

상기 제1 전송 전로 및 상기 제2 전송 선로는 결합 마이크로스트립 선로(coupled microstrip line)를 사용한다.The first transmission line and the second transmission line use a coupled microstrip line.

전력 분배기(PD)는 입력 포트(port 1)와 커플링 된 전송 라인(coupled-line), 출력 포트(port 2,3)가 구비되며, 상기 결합 선로 기반 회로는 부하 임피던스 ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는다. The power divider PD has a transmission line coupled to an input port port 1 and an output port port 2,3, the coupling line based circuit being terminated with a load impedance Z L. Has port 3

전력 분배기(PD)는 전력을 입력받는 입력 port 1과, 분기된 결합 선로 타입의 두 전송 라인을 통해 1/2씩 전력을 분배하며, 격리 저항(R, isolation resistor)으로 분리된 출력 port 2, port 3로 각각 1/2 전력이 출력된다The power divider (PD) divides power by input port 1 receiving power and two transmission lines of a branched coupling line type, and output port 2 separated by an isolation resistor (R). 1/2 power output from port 3

모든 포트들의 임피던스는 Z0로 표시되며, 격리 저항들(R, isolation resistors)의 값은 2Z0이다. The impedance of all ports is denoted by Z 0 , and the value of isolation resistors (R) is 2Z 0 .

ZE, Z0, 및 θ는 각각 결합 선로(coupled line)의 even-모드/odd-모드 임피던스들, 및 전기적인 길이(electrical length)를 나타낸다. Z E , Z 0 , and θ represent the even-mode / odd-mode impedances of the coupled line, and the electrical length, respectively.

ZIN 은 결합 선로 기반 회로의 부하 임피던스 ZL을 바라 보는 입력 임피던스이다. Z IN Is the input impedance looking at the load impedance Z L of the coupled line based circuit.

ZL은 개방 회로 결합 선로의 부하 임피던스(load impedance)이다. Z L is the load impedance of the open circuit coupling line.

ZEQ1 , ZEQ2는 포트의 등가 임피던스(port impedances)이다. Z EQ1 and Z EQ2 are the port impedances of the port.

ZE는 개방 회로 결합 선로의 짝수-모드 임피던스(even-mode impedance)이다.Z E is the even-mode impedance of the open circuit coupling line.

ZO는 개방 회로 결합 선로의 홀수-모드 임피던스(odd-mode impedance)이다. Z O is the odd-mode impedance of the open circuit coupling line.

θ는 두 연속 전송 라인들의 전기적인 길이(electrical length)이다.θ is the electrical length of two consecutive transmission lines.

R은 격리 저항(isolation resistor)이다. R is an isolation resistor.

4. 실험 결과 4. Experimental Results

본 발명의 실시예에서는, 중심 주파수가 2.5GHz 인 프로토타입을 사용하였으며, 제안된 전력분배기(PD)의 설계 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션하여 제작되었다. 포트 임피던스는 50 Ω이다. 상기 요약된 설계 절차에 따르면, 설계된 임피던스들의 모든 값은 표 1에 리스트 된 바와 같이 얻어진다. In the embodiment of the present invention, a prototype having a center frequency of 2.5 GHz was used and fabricated by simulation to verify the design method of the proposed power divider (PD). The port impedance is 50 Ω. According to the design procedure summarized above, all values of the designed impedances are obtained as listed in Table 1.

[표 1]TABLE 1

Figure 112018072844110-pat00023
Figure 112018072844110-pat00023

전력 분배기의 프로토타입은 Z1 = 70.7Ω, Z2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, ZE = 72Ω, ZO = 172Ω, 격리 저항(R) = 50Ω으로 제작되며, 테프론 기판의 상대 유전율 εr = 2.54, 0.002 유전 손실 탄젠트 값(dielectric loss tangent value), T = 0.54 mm의 두께, 및 h = 0.018 mm의 전도체 높이를 갖는 테플론 기판 상에 제조된다. The prototype of the power divider is made of Z 1 = 70.7Ω, Z 2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, Z E = 72Ω, Z O = 172Ω, isolation resistance (R) = 50Ω, and the relative dielectric constant εr = 2.54, 0.002 dielectric loss tangent value, thickness of T = 0.54 mm, and conductor height of h = 0.018 mm.

개방 회로 결합 선로의 홀수 모드 임피던스 선택시, 처리 난이도를 고려해야 한다. 홀수 모드 임피던스(odd mode impedance)가 작아질수록 짝수 모드 임피던스( even-mode impedance)가 작아지는 것은 결합 선로(coupled line)의 특성이며, 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 갭(gap)은 매우 작아서 제조상의 어려움(high fabrication difficulty)을 의미한다. When selecting odd-mode impedance of open circuit coupling lines, the difficulty of processing must be taken into account. The smaller the odd-mode impedance, the smaller the even-mode impedance is a characteristic of the coupled line, and the gap of the open-circuited coupled line. ) Is very small, meaning high fabrication difficulty.

도 4는 짝수 모드 등가 임피던스1,2 ZEQ1 및 ZEQ2의 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다. 도 5는 본 발명에서 제안된 전력 분배기(PD)의 디자인 패턴을 보인 그림이다. 제안된 전력 분배기(PD)는 우측 입력 port1, 좌측 상단 출력 port 2, 좌측 하단 출력 port 3, 우측 Z1 부분, 중심부 직사각형 형태의 Z2 부분과 좌측 타원형 형태의 Z3 부분을 포함하는 전력 분배부를 포함한다. 4 shows simulation results of even mode equivalent impedances 1, 2 Z EQ1 and Z EQ2 . 5 is a view showing a design pattern of the power divider (PD) proposed in the present invention. The proposed power divider PD includes a power divider including a right input port1, a top left output port 2, a bottom left output port 3, a right Z 1 part, a central rectangular Z 2 part, and a left oval Z 3 part. Include.

Z1,Z2,Z3의 너비(width)는 W3 >W2 >W1 의 크기를 갖는다. Z 1 , Z 2 , and Z 3 have a width of W 3 > W 2 > W 1 .

상기 값들에 기초하여, 도 5에 보여진 패턴은 테프론 기판 상에 0.54 ㎜ 두께, 상대유전율(relative permittivity, εr) 2.54, 0.018 ㎜의 도체 두께, 0.002 유전 손실 탄젠트 값(dielectric loss tangent value)으로 설계되었다. Based on these values, the pattern shown in FIG. 5 is designed with 0.54 mm thickness, relative permittivity (ε r ) 2.54, conductor thickness of 0.018 mm, 0.002 dielectric loss tangent value on a Teflon substrate. It became.

이 패턴에서는, 추가 선들(lines)을 사용하여 납땜 어려움을 줄이고 2 개의 다른 선로 사이 교차로의 영향을 줄이기 위한 것이다. 그 구조는 간단하며, 추가적인 럼프드 소자(additional lumped elements) 없이 단지 하나의 비어 홀만(only one via hole)이 사용된다. 참고로, 럼프드 소자(lumped elements)는 R,L,C 소자를 최소화하는 집중 소자이다. 모든 저항들(resistors)은 표면 실장 기술(surface-mounted technology)에 근거하여 구비된다. In this pattern, additional lines are used to reduce soldering difficulties and to reduce the effects of intersections between two different lines. The structure is simple and only one via hole is used without additional lumped elements. For reference, lumped elements are lumped elements that minimize R, L, and C elements. All resistors are provided based on surface-mounted technology.

표 2는 기본 전송선 이론(basic transmission line theory)을 통해 계산되는 설계된 패턴(pattern)의 물리적 길이(physical length)를 나타낸다. Table 2 shows the physical lengths of the designed patterns calculated through basic transmission line theory.

[표 2]TABLE 2

Figure 112018072844110-pat00024
Figure 112018072844110-pat00024

도 6은 제조된 전력분배기(PD) 및 시뮬레이션 결과 및 측정 결과, (A) 사진, (B) S11(port 1에 송출된 신호의 세기의 반사 손실) 및 S21(port 2에 대한 port 1의 삽입 손실), (C) S31(port 3에 대한 port 1의 삽입 손실) 및 S32(port 2, port 3을 독립적으로 격리하는 Isolation - 격리도), (D) 위상 및 진폭 불균형을 보인 그림이다. 6 shows the manufactured power divider (PD) and simulation results and measurement results, (A) photograph, (B) S 11 (reflection loss of the intensity of the signal transmitted to port 1) and S 21 (port 1 for port 2). Insertion loss), (C) S 31 (port 1 loss for port 3) and S 32 (Isolation-isolation to isolate port 2, port 3 independently), (D) phase and amplitude imbalances Picture.

도 6(A)의 제조된 전력분배기(PD)는 사진에 보인 바와 같이, 테프론 기판 상에서, 좌측의 입력 port1, 우측의 출력 port 3, port 2를 구비하고, 각각 50 임피던스 매칭된 SMA 커넥터를 구비한다. As shown in the photograph, the manufactured power divider PD of FIG. 6 (A) has an input port 1 on the left side, an output port 3 on the right side, and port 2 on the Teflon substrate, and each has a 50 impedance matched SMA connector. do.

S21 파라미터는 전력 분배기(PD)의 port 2에 대한 port 1의 삽입 손실(insertion loss)이다. 입력 power가 3dB 떨어지면 전력분배기의 출력을 1/2 power씩 분배하게 된다. The S 21 parameter is the insertion loss of port 1 to port 2 of the power divider PD. When the input power drops by 3dB, the output of the power divider is divided by 1/2 power.

제조된 전력분배기(PD)의 사진은 시뮬레이션 결과 및 측정 결과를 나타내는 도 6A-D에 도시되었다. Photographs of the manufactured power divider PD are shown in FIGS. 6A-D, which show simulation results and measurement results.

2.5GHz 중심 주파수에서, 삽입 손실(insertion loss), 반사 손실(return loss) 및 격리도(isolation)는 각각 23.61, 220.2, 및 219.3dB이다. 도 6d는 통과 대역(passband, 2.1 ~ 3.1 GHz)에서의 크기 및 위상 불균형(magnitude and phase imbalance)이 각각 0.1 dB와 98보다 작은 것을 보인 그림이다. At the 2.5 GHz center frequency, insertion loss, return loss and isolation are 23.61, 220.2, and 219.3 dB, respectively. FIG. 6D shows that magnitude and phase imbalance in the passband (2.1 to 3.1 GHz) is less than 0.1 dB and 98, respectively.

5. 결론5. Conclusion

고전력 처리 기능 및 향상된 선택도 특성(enhanced selectivity performance)을 갖는 전력분배기(PD)의 새로운 구조를 제시하고 분석하였다. 미래의 연구에서 직접 사용될 수 있는 폐쇄 형 설계 방정식(Closed-form design equations)이 제시되었다. 요약된 설계 절차를 검증하기 위해 프로토타입은 2.5 GHz의 중심 주파수를 갖는 안테나가 시뮬레이션되고 제조하였다.A new structure of a power divider (PD) with high power processing capability and enhanced selectivity performance is presented and analyzed. Closed-form design equations have been proposed that can be used directly in future studies. To verify the summarized design procedure, the prototype simulated and fabricated an antenna with a center frequency of 2.5 GHz.

측정 결과는 이론 분석 및 시뮬레이션 된 것이 좋은 일치를 보였다. The measured results showed good agreement with theoretical analysis and simulated ones.

참고문헌 [10]과 [11]의 설계를 비교하면, 제안된 전력분배기(PD)의 대역폭(bandwidth)은 거의 40% 증가하였다. 전통적인 Gysel PD와 동일하게, 제안된 전력분배기(PD)의 디자인은 고전력 처리 기능(high-power handling capability)을 가지고 있다. 또한, 제안된 전력분배기(PD)는 RF/Microwave 시스템에 적합한 우수한 선택도 특성(good selectivity performance)을 갖는다. Comparing the designs of Refs [10] and [11], the bandwidth of the proposed power divider (PD) increased by almost 40%. As with traditional Gysel PDs, the design of the proposed power divider (PD) has high-power handling capability. In addition, the proposed power divider (PD) has good selectivity performance suitable for RF / Microwave system.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the appended claims by those skilled in the art. It will be understood that various modifications or variations may be made.

PD: 전력 분배기(Power Divider)
port 1: 입력 포트
port2,3: 출력 포트
Z : 특성 임피던스(characteristic impedance)
ZIN : 결합 선로 기반 회로의 부하 임피던스 ZL을 바라 보는 입력 임피던스
ZL : 개방 회로 결합 선로의 부하 임피던스(load impedance)
ZEQ1 , ZEQ2 : 포트의 등가 임피던스(port impedances)
ZE : 개방 회로 결합 선로의 짝수-모드 임피던스(even-mode impedance)
ZO : 개방 회로 결합 선로의 홀수-모드 임피던스(odd-mode impedance)
θ : 두 연속 전송 라인들의 전기적인 길이(electrical length)
R: 격리 저항(isolation resistor) PD: Power Divider
port 1: input port
port2,3: output port
Z: characteristic impedance
Z IN : Input Impedance Looking at Load Impedance Z L of Coupled Line Based Circuit
Z L : Load impedance of open circuit coupling line
Z EQ1, Z EQ2 Port impedances
Z E : Even-mode impedance of open circuit coupling line
Z O : odd-mode impedance of open circuit coupling line
θ: electrical length of two consecutive transmission lines
R: isolation resistor

Claims (9)

기판; 및
전력을 입력받는 입력 port 1을 구비하는 입력 포트; port 2, port 3를 구비하는 출력 포트; port 2 및 port 4가 개방되고, 각 port 1,2,3에 연결되며, 제1 전송 선로와 제2 전송 선로가 평행하게 갭(gap)을 갖는 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)로 구성되며, 입출력 임피던스가 정합된 커플링 된 전송 선로(Z1); 및 상기 커플링 된 전송 선로(Z1)와 연결되며, Z2와 Z3부분으로 구성되며, 상기 입력 port 1로 인가된 1 power를 출력 포트 port 2, port 3로 1/2 power씩 전력을 분배하는 전력 분배부;를 포함하는 전력 분배기(PD)를 구비하며,
상기 출력 포트 port 2, port 3 사이에 격리 저항(R)을 각각 더 포함하며,
상기 전력 분배기는 추가적인 럼프드 소자(additional lumped elements) 없이 상기 각각의 격리 저항(R) 사이에 단지 하나의 비어 홀(via hole)만이 사용되는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.Board; And
An input port having an input port 1 for receiving power; an output port having port 2 and port 3; Port 2 and port 4 are open and connected to each of ports 1, 2 and 3, and as an open-circuited coupled line having a gap between the first transmission line and the second transmission line in parallel. A coupled transmission line Z 1 having an input / output impedance matched thereto; And Z 2 and Z 3, each of which is connected to the coupled transmission line (Z 1 ), and converts 1 power applied to the input port 1 into 1/2 power of the output port port 2 and port 3. And a power divider (PD) that includes;
It further comprises an isolation resistor (R) between the output port port 2, port 3, respectively,
Wherein the power divider uses only one via hole between each isolation resistor (R) without additional lumped elements. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 전송 전로 및 상기 제2 전송 선로는 결합 마이크로스트립 선로(coupled microstrip line)를 사용하는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
Wherein the first transmission line and the second transmission line use a coupled microstrip line. 제1항에 있어서,
상기 전력 분배기(PD)는 입력 포트(port 1)와 커플링 된 전송 라인(coupled-line), 출력 포트(port 2,3)가 구비되며, 상기 결합 선로 기반 회로는 부하 임피던스 ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
The power divider (PD) is provided with a transmission line (coupled-line) and an output port (port 2,3) coupled with the input port (port 1), the combined line based circuit is a terminal with a load impedance Z L Power divider with enhanced port 3, improved selectivity. 제1항에 있어서,
상기 기판은 테프론 기판을 사용하는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
Wherein said substrate uses a Teflon substrate. 제1항에 있어서,
상기 전력 분배기(PD)의 프로토타입은 Z1 = 70.7Ω, Z2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, ZE = 72Ω, ZO = 172Ω, 격리 저항(R) = 50Ω으로 제작되며, 테프론 기판의 상대 유전율 εr = 2.54, 0.002 유전 손실 탄젠트 값(dielectric loss tangent value), T = 0.54 mm의 두께, 및 h = 0.018 mm의 전도체 높이를 갖는 테플론 기판 상에 제조되는 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
The prototype of the power divider (PD) is made of Z 1 = 70.7Ω, Z 2 = 50Ω, Z = 35.3Ω, Z E = 72Ω, Z O = 172Ω, isolation resistance (R) = 50Ω, A power divider having improved selectivity characteristics fabricated on a Teflon substrate having a relative dielectric constant ε r = 2.54, 0.002 dielectric loss tangent value, T = 0.54 mm thickness, and h = 0.018 mm conductor height. 제1항에 있어서,
상기 개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬(impedance matrix)을 도출하기 위해 ABCD 행렬이 사용되며, 등가 회로의 ABCD 행렬은 식(1)에 의해 얻어지며,
Figure 112019106505731-pat00051
식(1)
여기서, Z는 특성 임피던스(characteristic impedance)이며, ZE 및 ZO는 각각 개방 회로 결합 선로(open-circuited coupled line)의 짝수-모드 임피던스(even-mode impedance) 및 홀수-모드 임피던스(odd-mode impedance)를 나타내며, 두 연속 전송 라인들(series transmission lines)은 전기적인 길이(electrical length)가 θ로 표시되며,
상기 ABCD 행렬에서 어드미턴스 인버터 J는 식 (2), (3)에 의해 교체될 수 있으며,
Figure 112019106505731-pat00052
, 식(2)
Figure 112019106505731-pat00053
, 식(3)
식2 및 식3을 식1에 대입하고 임피던스 행렬(impedance matrix)와 ABCD 행렬 사이의 변환 관계(converting relation)를 사용하여 상기 개방 회로 결합 선로의 임피던스 행렬은 식(4)와 같이 유도되고,
Figure 112019106505731-pat00054
, 식(4)
상기 개방 회로 결합 선로의 부하 임피던스 ZL과 함께 터미네이트 된 port 3을 갖는 구조에서, port 1에서 전압과 전류의 관계에 의하면, 결합 선로 기반 회로의 부하 임피던스 ZL을 바라 보는 입력 임피던스 ZIN은 다음과 같이 계산되며,
Figure 112019106505731-pat00055
, 식(5)
θ = 90°로 설정되면, 결합 선로 기반 회로의 입력 임피던스 ZIN은
Figure 112019106505731-pat00056
, 식(6)과 같이 계산되는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
The ABCD matrix is used to derive the impedance matrix of the open circuit coupling line, the ABCD matrix of the equivalent circuit is obtained by equation (1),
Figure 112019106505731-pat00051
Formula (1)
Where Z is the characteristic impedance, and Z E and Z O are the even-mode impedance and the odd-mode impedance of the open-circuited coupled line, respectively. impedance, and two series transmission lines are represented by electrical length θ,
In the ABCD matrix, the admittance inverter J can be replaced by equations (2) and (3),
Figure 112019106505731-pat00052
, Equation (2)
Figure 112019106505731-pat00053
, Equation (3)
Substituting Equation 2 and Equation 3 into Equation 1 and using the conversion relation between the impedance matrix and the ABCD matrix, the impedance matrix of the open circuit coupling line is derived as Equation (4),
Figure 112019106505731-pat00054
, Equation (4)
In the structure having port 3 terminated with the load impedance Z L of the open circuit coupling line, according to the relationship of voltage and current at port 1, the input impedance Z IN looking at the load impedance Z L of the coupling line based circuit is Calculated as
Figure 112019106505731-pat00055
, Equation (5)
When θ = 90 °, the input impedance Z IN of the combined line based circuit is
Figure 112019106505731-pat00056
A power divider with improved selectivity, calculated as Equation (6). 제1항에 있어서,
상기 전력 분배기의 모든 포트 임피던스(port impedances)는 입력/출력 포트 또는 코어 부분에 연결하는 결합 선로(coupled line)로부터 보여지는 등가 임피던스이고, 각각 ZIN, Z0 및 ZEQ1 , ZEQ2이며,
기존의 Gysel PD의 경우, 모든 전기적인 길이는 λ/4와 같으므로 θ1, θ2 및 θ3은 90°와 같아야 하며, 코어 부분의 전송 라인들 및 저항들의 파라미터들은 다음과 같이 얻을 수 있으며,
Figure 112019106505731-pat00057
, 식(7)
Figure 112019106505731-pat00058
, 식(8)
Figure 112019106505731-pat00059
, 식(9)
여기서, Z1, Z2 및 Z3은 전통적인 Gysel PD의 전송 라인들의 각각의 특성 임피던스들(respective characteristic impedances)이며,
코어 부분의 시뮬레이션은 ZEQ1과 ZEQ2의 등가 임피던스를 획득하도록 수행되었으며,
Figure 112019106505731-pat00060
식(10)
ZIN은 임피던스 정합(impedance matching)을 위해
Figure 112019106505731-pat00061
과
Figure 112019106505731-pat00062
가 동일해야 하므로 식 6 및 8을 참조하면, 임피던스 매칭된 조건은
Figure 112019106505731-pat00063
식(11)과 같이 표현되는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.The method of claim 1,
All port impedances of the power divider are equivalent impedances seen from a coupled line connecting the input / output port or core part, and are Z IN, Z 0 and Z EQ1, Z EQ2 , respectively.
For the conventional Gysel PD, all electrical lengths are equal to λ / 4, so θ 1 , θ 2 and θ 3 should be equal to 90 °, and the parameters of the transmission lines and resistors in the core part can be obtained as ,
Figure 112019106505731-pat00057
, Equation (7)
Figure 112019106505731-pat00058
, Equation (8)
Figure 112019106505731-pat00059
, Equation (9)
Where Z 1 , Z 2 and Z 3 are the respective characteristic impedances of the transmission lines of a traditional Gysel PD,
Simulation of the core part was performed to obtain the equivalent impedance of Z EQ1 and Z EQ2 ,
Figure 112019106505731-pat00060
Formula (10)
Z IN is for impedance matching
Figure 112019106505731-pat00061
and
Figure 112019106505731-pat00062
Since Equations 6 and 8 must be equal, the impedance matched condition is
Figure 112019106505731-pat00063
A power divider with improved selectivity, expressed as in equation (11). 제1항에 있어서,
상기 전력 분배기는 2.5 GHz의 중심 주파수에서, 통과 대역은 2.1 ~3.1 GHz이며, 삽입 손실(insertion loss), 반사 손실(return loss) 및 격리도(isolation)는 각각 23.61, 220.2, 및 219.3dB 인 것을 특징으로 하는, 선택도 특성이 향상된 전력 분배기.
The method of claim 1,
The power divider has a passband of 2.1 to 3.1 GHz at a center frequency of 2.5 GHz and an insertion loss, return loss and isolation of 23.61, 220.2, and 219.3 dB, respectively. A power divider with improved selectivity characteristics.
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