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The circuit design to be power transmission or power distribution using the dual characteristic impedance transmission line
The circuit design to be power transmission or power distribution using the dual characteristic impedance transmission line
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Oct, 18(10): 2339-2344
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright Ⓒ The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
  • Received : July 02, 2014
  • Accepted : August 13, 2014
  • Published : October 31, 2014
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웅희 박
uhpark@kangwon.ac.kr

Abstract
마이크로스트립 선로 형태의 전송선로 밑면에 플로팅 동판을 위치시키면 플로팅 동판과 접지면 사이의 단락 또는 개방 연결에 따라 전송선로는 마이크로스트립 선로 또는 코플라나 선로 형태로 동작하게 된다. 이러한 동작은 하나의 전송 선로 폭에 대해 서로 다른 두 개의 특성 임피던스를 가질 수 있음을 의미한다. 플로팅 동판이 존재하는 마이크로스트립 전송 선로를 이용하여 안정적인 입력 정합 상태를 가지며 조건에 따라 단순히 신호를 전달하는 2-단자 전력 전송 선로 또는 전력 분배가 가능한 2-way 전력 분배 회로로 동작할 수 있는 가변 전송선로를 제안 및 제작하였다. 제안된 회로는 코플라나 선로로 동작하는 경우에는 전력 전송 선로로 동작하고, 마이크로스트립 선로로 동작하는 경우에는 2-way 전력 분배 회로로 동작한다. 제작된 가변 전송 선로는 700 MHz 이상의 주파수에서 전력 전송 선로로 동작하는 경우 −0.2 dB 이내의 전달 손실(S 21 )과 −15 dB 이하의 반사 계수(S 11 )를 보였으며, 전력 분배 선로로 동작하는 경우에는 –10 dB 이하의 반사 계수(S 11 ), −3.8 dB이내의 전달 손실(S 21 or S 31 ), ±0.3 dB 이내의 출력 전력차(S 21 /S 31 )를 보였다.
Keywords
I. 서 론
회로 기판을 이용한 초고주파 선로는 신호를 전송하는 전송 선로와 접지면의 위치에 따라 다양한 종류로 구분한다. 회로 기판을 이용한 초고주파 전송 선로 [1 , 2] 의 대표적인 것으로는 마이크로스트립 선로, 스트립 선로, 코플라나 선로를 예로 들 수 있다. 그림 1 (a) 의 마이크로스트립 선로는 기판의 한 면에는 초고주파 신호를 전달하는 전송 선로가 존재하고, 다른 한 면에는 접지면이 존재한다. 마이크로스트립 선로는 선로 제작 및 부품의 연결이 용이하여 초고주파 회로에서 가장 많이 사용된다. 그림 1 (b) 의 스트립 선로는 기판의 양쪽 면이 접지면이고, 접지면 사이에 전송 선로가 위치하는 구조를 갖는다. 스트립 선로는 기판 위에 부품이 존재하는 경우에는 제작 및 회로 수정이 어려워 거의 사용되지 않는다. 하지만, 부품이 존재하지 않는 안테나 인입부 회로 또는 높은 커플링 특성을 요구하는 커플러 회로에서는 외부로의 신호 누설이 거의 없으며 전송 손실이 낮고, 회로 변형이 거의 없다는 장점 때문에 스트립 선로를 사용하기도 한다. 그림 1 (c) 의 코플라나 선로는 기판의 한 면에 전송 선로와 접지면이 같이 존재하는 구조를 갖는다. 전송 선로 밑면에 접지면을 회로적으로 배치하기 어려운 경우에 전송 선로의 양쪽 옆면에 일정 간격을 두고 접지면을 배치하여 밑면의 접지면을 대신하는 구조로 동작할 수 있다. 코플라나 선로는 동일한 특성 임피던스에 대해서 전송 선로의 폭과 길이가 마이크로스트립 선로 또는 스트립 선로보다 크고, 길어지는 단점과 주위의 접지면에 의해 특성이 변할 수 있는 문제가 있어서 실제 회로에서는 자주 사용되지 않는다. 마이크로스트립 선로, 스트립 선로, 코플라나 선로를 포함하여 모든 초고주파 선로는 선로의 폭, 선로와 접지면의 간격, 기판 유전체 특성 등에 의해 선로의 특성 임피던스가 하나의 값으로 정해진다. 즉, 기판 상에서 구현되는 초고주파 선로의 폭은 기판이 가지는 하나의 동작 임피던스를 의미한다.
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초고주파 전송선로 (a) 마이크로스트립 선로 (b) 스트립 선로 (c) 코플라나 선로 Fig. 1 Microwave transmission line (a) Microstrip line (b) Strip line and (c) Coplanar line
일반적으로 회로에 공급되는 신호의 전력이 필요 이상으로 높은 경우 감쇠기 [3] 를 이용하여 신호를 감쇠하여 다음 단에 전달하게 된다. 만약, 입력 신호의 세기에 따라 단순히 신호를 전송하는 전송선로 또는 전력 분배기로 신호를 분배할 수 있다면, 필요 이상으로 공급되는 신호 전력을 자체 에너지원 [4] 으로 사용 가능하게 된다. 또한, 초고주파 회로에서 회로를 점검하는 경우 전송 선로를 전력 분배기 또는 전력 분배기 회로를 각각의 경로에 신호를 공급하는 전송 선로로의 동작을 필요로 하기도 한다. 전송 선로는 하나의 지점에서 다른 지점으로 공급되는 신호를 좋은 정합 특성을 가지고 안정적으로 전달하는 역할을 수행한다. 전송 선로에서 신호의 반사를 최소화하기 위해서는 전송 선로의 특성 임피던스는 전송 선로 입력 임피던스와 출력 임피던스의 기하 평균에 해당하는 값을 가져야 한다. 반면, 전력 분배기 [5] 는 하나의 단자에서 입력하는 신호를 두 개 이상의 단자로 분배하여 제공하는 것을 목적으로 한다. 하나의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 갖는 3-단자 전력 분배기 경우에 입력하는 신호를 반사없이 두 개의 출력단자로 전달하기 위해서는 입력 단자와 두 개의 출력단자 사이에 임피던스 정합이 이루어져야 한다. 전력분배 회로에서 두 개의 출력 단자는 입력 단자에 병렬로 연결되는 형태이므로 전력 분배 회로의 출력 부분에서의 특성 임피던스는 두 개 출력 단자의 각각의 특성 임피던스보다 낮아지게 된다.
하나의 선로를 이용하여 안정적인 정합 특성을 유지한 상태로 조건에 따라 전력 전송 선로 또는 전력 분배 회로로 동작하는 것은 두 상태의 원하는 특성 임피던스 값이 다르므로 매우 어렵다.
본 논문에서는 마이크로스트립 선로를 이용하여 안정적인 정합 특성을 가지며 조건에 따라 2-단자 전송 선로 또는 3-단자 전력 분배기로 동작하는 선로 구현이 가능한 회로를 제안하고, 회로 제작을 통해 제안된 회로의 동작 특성을 살펴보려 한다. 제안된 회로는 하나의 선로를 이용하여 입력 신호를 출력 단자로 전달하는 전송선로인 경우에는 마이크로스트립 선로 형태로 동작하고, 입력하는 신호를 분배하는 전력 분배기인 경우에는 코플라라 선로 형태로 동작하여 선로의 정합 특성이 안정적으로 유지하게 된다. 제안된 회로의 전송 선로의 구조 및 동작 방법, 제작된 회로의 동작 특성은 다음과 같다.
II. 본 론
- 2.1. 제안된 전력 전송 또는 전력 분배가 가능한 가변 전송 선로 구조
초고주파 회로 기판을 이용한 이상적인 마이크로스트립 선로에서 기판의 비유전율, 유전체의 높이, 기판양면에 존재하는 동판 높이의 변화가 없으면 전송 선로폭은 전송 선로의 특성 임피던스를 의미하게 된다. 하지만, 그림 2 와 같이 전송 선로 밑면에 비접지 동판이 존재하게 되면 비접지 동판과 밑면의 접지면의 단락 또는 개방 연결에 의해 전송 선로의 특성 임피던스 [6] 는 달라지게 된다. 밑면의 비접지 동판과 밑면의 접지면을 다이오드로 연결하면 다이오드의 ON 또는 OFF 동작에따라 비접지 동판은 접지면 또는 플로팅 상태의 동판으로 동작한다. 물론, 다이오드에 일정 전압 이상이 인가되어(ON 상태) 다이오드가 수 Ω 이하의 낮은 저항값으로 비접지 동판과 전송 선로를 연결한다고 하여도, 전송 선로는 비접지 동판과 밑면 접지면 사이의 간격에 의해 완벽한 형태의 마이크로스트립 선로로 동작하지 않는다. 또한, 다이오드에 전압이 인가되지 않아(OFF 상태) 다이오드가 수 천 Ω 이상의 저항값을 가진다고 하여도, 전송 선로는 밑면 비접지 동판에 의해 완벽하게 코플라나 선로로 동작하지 않는다.
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제안된 두개의 특성 임피던스를 가지는 가변 전송 선로 구조 Fig. 2 The structure of the proposed dual-impedance variable transmission line
하지만, 전송 선로가 완벽한 마이크로스트립 선로 또는 코플라나 선로로 동작하지 않는다고 하여도, 제안된 선로 구조는 비접지 동판의 단락 또는 개방 연결에 의해 전송 선로가 두 개의 서로 다른 특성 임피던스를 가지게 된다.
그림 3 은 일반적인 전송선로로의 전력 전송 동작과 2개의 출력 단자로 전력 분배가 가능한 제안된 회로의 모습이다. 검은색 선은 기판 윗면의 구조를 나타내고, 빨간색 선은 기판 밑면의 구조를 나타낸다. 기판 밑면은 접지면과 전송선로 밑면에 비접지 동판이 존재하며, 비접지 동판 양 쪽 끝부분에서 접지면과 다이오드 또는 저항 연결을 통해 비접지 동판은 접지 또는 플로팅 형태로 동작하게 된다. 기판 윗면은 하나의 입력 선로와 두개의출력 선로, 중간의 임피던스 변환 선로로 구성되어 있다. 입력 단자와 두 개 출력 단자의 특성 임피던스는 50 Ω이고, 두 개의 출력 단자 사이의 전력 분배 비율이 1:1인 3-dB 전력 분배기가 되도록 회로를 설계하였다. 만약, 출력 단자의 전력 분배 비율이 1:1이 아니라면 출력 단자의 특성 임피던스를 변화시켜 전력 분배 비율을 조절할 수 있고, 중간 정합 선로의 특성 임피던스는 두 출력 단자의 특성 임피던스의 병렬 연결 값과 입력단자의 특성 임피던스 50 Ω의 기하 평균값을 이용하면 된다. 그림 3 에서 a는 특성 임피던스 50 Ω에 해당하는 선로 폭, b는 밑면 비접지 동판과 접지면이 높은 저항값으로 연결되는 경우에는 코플라나 선로 형태로 50 Ω 특성 임피던스와 밑면 비접지 동판이 접지면과 낮은 저항 값으로 연결되는 경우에는 두 개의 출력 선로와 입력 선로를 정합시키는 마이크로스트립 선로의 특성 임피던스를 동시에 만족하는 선로 폭, c는 전송 선로가 코플라나 형태로 동작하는 경우에 전송 선로가 50 Ω 특성 임피던스로 동작하게 하는 접지면과의 간격, d와 e는 밑면 비접지 동판의 폭과 접지면과의 간격, l 은 윗면 정합 선로의 길이를 말한다. 윗면 정합 선로의 길이 l 은 전송 선로가 코플라나 선로로 동작하는 경우에는 특성 임피던스가 50 Ω이므로 큰 의미가 없게 되나, 전송 선로가 마이크로스트립 선로로 동작하는 경우에는 최적의 동작을 원하는 주파수의 λ/4 전기적 길이와 입력 정합특성(S 11 )을 고려하여 설정하여야 한다.
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제안된 전력 전송 또는 전력분배가 가능한 가변 전송 선로 회로 Fig. 3 The circuit diagram of the proposed variable transmission line to be power transmission or power distribution
- 2.2. 전력 전송 또는 전력 분배가 가능한 가변 전송 선로 제작 및 동작 특성
그림 4 는 제작된 전력 전송 또는 전력 분배가 가능한 가변 전송 선로의 모습이다. 제작에 사용된 기판은 Taconic사의 TLX-9(h=20 mil, e r =2.5)로 중심 주파수 1.0 GHz에서 제작하였다. 제작된 가변 전송 선로에서 두 개의 출력 단자로 전력을 분배하는 전력 분배기로 동작하는 경우 전력 분배 비율이 동일한 3-dB 전력 분배기로 하였다. 제작된 회로에서는 다이오드를 이용하여 외부 인가 전압에 의해 코플라나 선로와 마이크로스트립 선로로의 자동적인 선로 변환 보다는 저항을 이용하여 안정적으로 코플라나 선로 또는 마이크로스트립 전송 선로로의 원하는 특성 임피던스를 갖는 지 확인하는 것을 목적으로 하였다. 다이오드에 0.7 V 이상의 전압이 인가되면 ON-상태가 되어 다이오드는 약 3 Ω 이하의 저항 값을 일반적으로 갖고, 다이오드에 전압을 인가하지 않으면 OFF-상태가 되어 다이오드는 약 10,000 Ω 정도의 저항 값을 일반적으로 갖는다. 제작된 가변 전송 선로 밑면에 위치한 비접지 동판의 양쪽 끝에 10 Ω 이하의 저항 값을 접지면과 연결하면 저항 값에 상관없이 비접지 동판은 접지된 상태로 동작하고, 1,000 Ω 이상의 저항 값을 접지면과 연결하면 저항 값에 관계없이 비접지 동판은 플로팅된 동판으로 동작함을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 실험에서는 전송 선로가 마이크로스트립 선로로 동작하는 경우에는 밑면 비접지 동판과 접지면 사이에 3 Ω 저항을 이용하여 연결하였고, 코플라나 선로로 동작하는 경우에는 밑면 비접지 동판과 접지면 사이에 10,000 Ω 저항을 이용하여 연결하였다. 윗면 출력 전송선로에서는 케패시터 20 pF을 이용하여 선로를 연결하였다. 다이오드를 통한 연결과 저항과 케패시터의 연결을 통해 얻은 실험 결과는 다이오드가 가지는 기생 성분의 저항, 인덕터, 케패시터 값에 의해 동작 주파수와 성능에서 약간의 차이가 발생할 수 있지만, 근본적인 가변 전송 선로의 동작은 크게 변하지 않는다.
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제작된 전력 전송 또는 전력분배가 가능한 가변 전송 선로 모습 (크기: 55×20 mm2) (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 4 The photograph of the fabricated variable transmission line to be power transmission or power distribution (size: 55×20 mm2) (a) The front face and (b) the reverse side
제작된 회로의 마이크로스트립 선로의 폭과 길이, 코플라나 선로의 폭과 접지면과의 간격은 ADS 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 초기값을 설정하였다. 초기 설정한 값은 이상적인 마이크로스트립 선로와 코플라나 선로에 대한 값으로 밑면 비접지 동판이 존재하는 경우와는 차이가 발생한다. 그래서, 보다 정확한 값을 얻기위해 설정된 초기값을 이용하여 CST 프로그램을 통해 중간 임피던스 정합 선로가 원하는 임피던스 값을 가지는 지 확인하였다.
간격(c)은 1.5 mm, 밑면의 비접지 동판의 폭(d)은 0.65 mm, 비접지 동판과 접지면 사이의 간격(e)은 1.0mm, 이런 과정을 통해 계산된 제작 회로의 선로 폭과 길이를 살펴보면 윗면 기판의 전송 선로의 폭(a)은 1.39mm, 중간 임피던스 변환 선로의 폭(b)은 2.7 mm, 임피던스 변환 선로와 접지면 사이의 윗면 중간 임피던스 변환 선로의 길이( l )은 23.5 mm이다. 중간 임피던스 변환 선로의 길이( l ) 23.5 mm은 코플라나 선로로 동작하는 경우에는 큰 의미가 없지만 마이크로스트립 선로로 동작하는 경우에는 ADS 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 살펴보면 2.16 GHz 주파수에서 전기적 길이 λ/4값에 해당한다.
그림 5 는 제작된 가변 전송 선로의 동작 특성이다. 실험 결과는 Protek A333 network analyzer를 이용하여 측정하였다. 그림 5 (a) 는 밑면 비접지 동판과 접지면 사이에 10,000 Ω 저항을 연결하여 가변 전송 선로가 코플라나 선로로 동작하는 경우에 제작된 회로에 입력한 신호를 하나의 출력 단자로 전달할 때의 동작 특성이다. 제작된 회로는 650 MHz 이상에서 전달 손실 특성(S 21 )과 입력 정합 특성(S 11 )은 −0.3 dB 이내와 −15.0 dB 이하의 값을 가짐을 볼 수 있다. 또한, 코플라나 선로로 중간 정합 선로가 동작하는 경우 제작된 중간 정합 선로는 약1.17 GHz에서 최적의 정합 특성을 갖는다. 그림 5 (b) 는 밑면 비접지 동판과 접지면 사이에 3 Ω 저항을 연결하여 가변 전송 선로가 마이크로스트립 선로로 동작하는 경우로 제작된 회로가 2-단자 전력분배기로 동작할 때의 특성이다.
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제작된 전력 전송 또는 전력분배가 가능한 가변 전송 선로 동작 특성 (a) 전력 전송 상태에서의 전송 선로 동작 특성(S11, S21) (b) 전력 분배 상태에서의 전송 선로 동작 특성(S11, S21, S31) Fig. 5 The operating characteristic of the fabricated variable transmission line to be power transmission or power distribution (a) The operating characteristic of power transmission(S11, S21) and (b) The operating characteristic of power distribution(S11, S21, S31)
마이크로스트립 선로로 동작하는 경우에는 700 MHz이상에서 입력 정합 특성(S 11 )은 −10.0 dB 이하, 중간 정합 선로와 같은 방향의 출력 단자로의 전달 손실 특성(S 21 )은 −3.6 dB 이내, 중간 정합 선로와 직각 방향의 출력 단자로의 전달 손실 특성(S 31 )은 −3.8 dB 이내, 두 개의 출력 단자의 전달 손실 차(S 21 /S 31 )는 ±0.3 dB 이내의 값을 가졌다. 마이크로스트립 선로로 중간 정합 선로가 동작하는 경우 제작된 중간 정합 선로는 약 2.4 GHz에서 λ/4 정합 선로로 동작함을 실험 결과를 통해 확인할 수 있었다.
III. 결 론
초고주파 회로에서 하나의 전송 선로가 두 개의 특성 임피던스를 갖게 되면 동작 조건에 따라 다양하게 회로의 동작 특성을 변화시킬 수 있다. 본 논문에서는 조건에 따라 두 개의 특성 임피던스를 가지는 가변 전송 선로를 이용하여 안정적인 입력 임피던스를 유지하면서 전력 전송 또는 전력 분배를 하는 회로를 제안 및 제작하였다. 제안된 가변 전송 선로는 마이크로스트립 선로형태의 구조 밑면에 비접지 동판을 위치하여 조건에 따라 비접지 동판을 접지면에 개방 연결 또는 단락 연결하는 구조를 갖는다. 제안된 선로는 비접지 동판이 접지면과 단락 형태의 연결을 하게 되면 마이크로스트립 선로 형태로 동작하고, 비접지 동판이 동판이 접지면과 개방 형태로 연결을 하게 되면 전송 선로 옆면에 존재하는 접지면에 의해 코플라나 선로 형태로 동작하게 된다. 제작된 회로는 제안된 회로가 안정적인 입력 정합 특성을 가지고, 전력 전송 선로 또는 전력 분배 회로로 동작함을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 제작된 가변 선로를 이용한 전송 선로 또는 전력 분배기 회로는 회로의 동작 가능성과 제안된 가변 선로의 안정적인 동작 특성을 살펴보기 위해 다이오드 또는 스위치 소자 대신에 저항 및 케패시터를 이용하였다. 이는 제안된 회로가 원하는 안정적인 동작을 하는 것을 확인할 수 있지만, 실제 동작 환경에서 다이오드 또는 스위치 소자를 이용한 추가적인 검증이 필요하다고 할 수 있다. 또한, 제안된 이중 임피던스 가지는 가변 전송 선로는 전력 분배비를 변화시키는 회로, 임피던스 매칭을 조건에 따라 달리하는 회로, 다단자 분배회로에서 임의의 선로가 동작을 하지 않은 경우 등 다양한 상태에서 안정적인 임피던스를 제공할 수 있는 회로이므로 앞으로도 보다 많은 연구가 진행되어야 한다.
Acknowledgements
본 연구는 2014년도 강원대학교 학술연구조성비로 연구(관리번호-220140071)로서, 관계부처에 감사 드립니다.
BIO
박웅희(Unghee Park) 2000년 서강대학교 전자공학과 공학박사 2000.3 ~ 2006.8 한국전자통신연구원 선임연구원 2006.8 ~ 현재 강원대학교 공학대학 전자공학과 부교수
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