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KR101079015B1 - 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기 - Google Patents

합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기 Download PDF

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KR101079015B1
KR101079015B1 KR1020090111224A KR20090111224A KR101079015B1 KR 101079015 B1 KR101079015 B1 KR 101079015B1 KR 1020090111224 A KR1020090111224 A KR 1020090111224A KR 20090111224 A KR20090111224 A KR 20090111224A KR 101079015 B1 KR101079015 B1 KR 101079015B1
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transmission line
dual band
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high frequency
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임종식
안달
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순천향대학교 산학협력단
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Abstract

합성 우좌향(composite right/left handed transmission line: CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기가 개시된다. 이에 의하면, 고주파 증폭기의 입력 및/또는 출력 정합회로에, 이중대역 특성을 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 삽입하고, 2개의 주파수에서 임피던스 정합이 이루어지기에 적합한 정합회로를 설계함으로써 2개의 주파수에서 모두 이득 특성과 정합 특성을 얻을 수가 있다.
합성 우좌향, 전송선로, 고주파 증폭기, 정합회로, 이중대역

Description

합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기{Dual Band High Frequency Amplifier using Composite Right/Left Handed Transmission Line}
본 발명은 고주파 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중대역 특성을 갖는 합성 우좌향(composite right/left handed: CRLH) 전송선로(transmission line)를 이용하여 고주파 증폭기의 입력측 및/또는 출력측 정합회로를 형성함으로써 두개의 주파수에서 이득 특성과 정합 특성을 모두 갖도록 한, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기에 관한 것이다.
전자기파 신호를 전달하는 전송선로는, 여러 가지 물리적 형태가 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 단위 길이 당 인덕턴스(LR)를 갖는 직렬 인덕터와 커패시턴스(CR)를 갖는 션트(shunt) 커패시터로 구성된 형태의 등가회로로 표현되는 것이 일반적이다.
이상적인 전송선로는 전대역 통과(all pass) 특성을 갖고 있다. 그러나 실제적인 전송선로는, 전송선로 자체의 손실과 기생성분으로 인한 제약 때문에 어떤 특 정한 주파수에서 차단(cutoff) 특성을 갖는 저역통과 특성을 갖고 있다. 물론 단위 등가회로 소자 값과 기생성분 값이 매우 작은 경우에는 전송선로의 차단주파수가 상당히 높으므로 실제로 응용하고자 하는 주파수에서는 전송선로의 저역통과 특성이 마치 전대역 통과 특성처럼 보인다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전송선로의 단위 길이 당 인덕턴스(LR)를 갖는 직렬 인덕터와 커패시턴스(CR)를 갖는 션트 커패시터로 구성된 형태의 등가회로는, 전송선로의 단위 길이 당 인덕턴스(LR/2)를 갖는 2개의 직렬 인덕터와, 커패시턴스(CR)를 갖는 션트 커패시터로 구성된 T-형태의 대칭형 등가회로로 표시하는 것도 가능하다.
또한 도 1에 도시된 등가회로의 직렬 인덕터와 션트 커패시터의 위치가 서로 뒤바뀐 구조 즉, 커패시턴스(CL)를 갖는 직렬 커패시터와 인덕턴스(LL)를 갖는 션트 인덕터로 표시되는 도 2에 도시된 바와 같은 전송선로 구조도 가능하다. 이러한 전송선로 구조는, 종래의 일반적인 전송선로 구조와 비교할 때 군속도와 위상속도의 진행방향이 서로 반대인 특성을 갖고 있다. 이러한 전송선로를 좌향(left handed: LH) 전송선로라고 부른다.
도 2에 도시된 바와 같이, 커패시턴스(CL)를 갖는 직렬 커패시터와 인덕턴스(LL)를 갖는 션트 인덕터로 표시되는 좌향(LH) 전송선로의 단위 등가회로는, 커패시턴스인덕턴스(2CL)를 갖는 2개 직렬 커패시터와 인덕턴스(LL)를 갖는 션트 인덕터 로 구성된 T-형태의 대칭형 등가회로로 표시하는 것도 가능하다.
도 2에 도시된 좌향(LH) 전송선로와 서로 대비하기 위하여, 도 1에 도시된 등가회로로 표시되는 종래의 일반적인 전송선로를 우향(right handed: RH) 전송선로라고 부른다. 종래의 일반적인 우향(RH) 전송선로에는, 단층(single layer) 또는 다층(multi layer) 형태의 마이크로스트립(microstrip) 선로, 스트립라인 선로, CPW(coplanar waveguide) 선로, CPS(coplanar strip) 선로 등이 있다.
한편, 좌향(LH) 전송선로 구조와 우향(RH) 전송선로 구조가 혼재하여 있는 전송선로 구조가 존재할 수 있다. 이러한 전송선로 구조를 합성 우좌향(composite right/left handed: CRLH) 전송선로 구조라고 한다. 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조의 경우, 의도적으로 좌향(LH) 전송선로 구조와 우향(RH) 전송선로 구조가 함께 혼재하도록 구성하는 방법이 일반적이다. 그러나 좌향(LH) 전송선로 구조를 실제적으로 응용하는 측면에 있어서, 상호연결(interconnection)을 위한 물리적 기반은 기존의 일반적인 우향(RH) 전송선로 구조이므로, 우향(RH) 전송선로 구조에 대한 특별한 구현 노력이 없어도 좌향(LH) 전송선로 구조를 우향(RH) 전송선로에 연결하거나 삽입하면 결과적으로 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 형성할 수가 있다.
이러한 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조는, 우향(RH) 전송선로 구조 부분과 좌향(LH) 전송선로 구조 부분의 위상특성에 기인하는 이중대역 특성을 기본적으로 갖고 있다. 따라서 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조는, 이중대역이 필요한 회로를 구성하는 전송선로 부분에 사용될 수가 있고, 이에 관한 연구 논문들이 발표된 바 가 있다.
그런데 종래의 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 회로들은 대부분 수동회로에 국한되어 있을 뿐 고주파 능동회로인 고주파 증폭기에 적용되지 못하고 있다. 이는, 수동회로들의 구현수단이 대부분 전송선로이고, 여기에 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 사용하면 이중대역 특성을 지닌 수동회로를 설계할 수가 있기 때문이다.
현재, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기에 대한 요구가 점차 높아지고 있지만 아직까지 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기가 개발되지 못하고 있는 실정에 있다.
본 발명의 목적은, 이중대역 특성을 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 이용하여 이중대역 동작에 적합한 정합회로를 설계함으로써 이중대역에서 이득특성과 정합특성을 모두 갖도록 한 이중대역 고주파 증폭기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 삼중대역 이상의 복수중대역 특성을 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 이용하여 삼중대역 이상의 복수중대역 동작에 적합한 정합회로를 설계함으로써 삼중대역 이상의 복수중대역에서 이득특성과 정합특성을 모두 갖도록 한 이중대역 고주파 증폭기를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기는, 증폭작용을 갖는 증폭소자; 및 상기 증폭소자의 임피던스 정합작용을 갖는 정합회로를 포함하며, 상기 정합회로는, 상기 증폭소자의 입력측에 배치된 정합회로, 상기 증폭소자의 출력측에 배치된 정합회로, 및 상기 증폭소자의 입력측과 출력측에 각각 배치된 정합회로 중 어느 하나이고, 상기 정합회로는, 기판 상에 형성된 1개 이상의 합성 우좌향(CRLH) 직렬 전송선로와 1개 이상의 고정된 길이의 션트 스터브를 갖고, 상기 합성 우좌향(CRLH) 직렬 전송선로는, 복수개의 단위 좌향(LH) 전송선로와 우향(RH) 전송선로를 갖고, 상기 단위 좌향(LH) 전송선로는, 직렬 커패시터와 션트 인덕터를 가지며, 상기 복수개의 단위 좌향(LH) 전송선로는, 1개 이상의 커패시턴스 가변성 직렬 커패시터와 1개 이상의 인덕턴스 가변성 션트 인덕터 중 어느 하나 이상을 포함함으로써 이중대역에서 이득특성과 정합특성을 모두 갖는 것을 특징으로 한다.
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바람직하게는, 상기 션트 스터브는, 고정된 길이를 가지면서 하나의 노드에서 복수개 션트 연결되며, 서로 각도를 갖고 벌어진 채 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 우향(RH) 전송선로는, 마이크로스트립 선로, 스트립라인 선로, CPW(coplanar waveguide) 선로, 및 CPS(coplanar strip) 선로 중 어느 하나로 구성되는 것이 가능하다.
따라서 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기는, 이중대역에서의 서로 다른 위상각(전기적 길이)을 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용하여 두 주파수 대역에서 정합특성이 우수한 정합회로를 구성함으로써 이중대역에서 이득 특성과 정합 특성을 모두 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
좌향(LH) 전송선로 구조는, 도 2에 도시된 바와 같은 등가회로로 표시되도록 다소 인위적인 설계 및 제작 과정을 통하여 존재할 수가 있다. 그러므로 좌향(LH) 전송선로 구조는 종래의 우향(RH) 전송선로 구조와 다른 위상특성을 나타낸다.
도 3은, 전송선로의 위상특성을 나타낸 그래프로서, 도 3a는 이상적인 우향(RH), 좌향(LH), 및 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상특성을 나타낸 그래프이고, 도 3b는 우향(RH), 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상이 90도가 되는 주파수를 하나의 주파수(f1)로 일치시킨 경우의 위상특성을 나타낸 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 우향(RH), 좌향(LH), 및 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상특성이 각각 도시되어 있다. 즉, 종래의 일반적인 전송선로인 우향(RH) 전송선로 구조의 위상특성은, 매우 명백하게 예측이 가능한 선형적이므로 어떤 주어진 물리적 길이에 대하여 주파수에 비례하는 전기적 길이(위상각)를 갖게 된다. 가령 어떤 고정된 물리적 길이를 갖는 우향(RH) 전송선로에 대하여 위상각이 0.5π인 주파수가 f1RH이라고 하면, 위상이 1.5π인 주파수는 f1RH의 3배인 3f1RH가 된다. 이와 달리 좌향(LH) 전송선로의 위상특성이 비선형적이므로 이를 반영한 합성 우좌향(CRLH) 전송선로에서는 어떤 고정된 물리적 길이에 대하여 위상이 0.5π가 되는 주파수를 f1CRLH라고 하면, 위상이 1.5π가 되는 주파수인 f2CRLH는 3f1CRLH과 같지 않은 차이점이 있다. 즉, 좌향(LH) 전송선로를 포함한 합성 우좌향(CRLH) 전송선로에서는 "f2CRLH ≠ 3f1CRLH"이라는 중요한 차이점이 있다.
도 3b를 참조하면, 우향(RH) 전송선로와 합성 우좌향(CRLH) 전송선로가, 주 파수(f1)에서 모두 0.5π의 동일한 전기적 길이를 갖도록 구성된 경우, 위상이 1.5π인 주파수가 서로 같지 않다. 즉, 위상이 1.5π인 주파수는, 우향(RH) 전송선로에서 f1의 3배인 3f1인 반면, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로에서 f1보다 크고 보다 3f1보다 작은 f2가 될 수 있다. 그러므로 합성 우좌향(CRLH) 전송선로에서는 f2가 f1의 3배수 비율이 아닌 임의의 비율을 가진다.
따라서 원하는 이중대역의 두 주파수 대역이 특정한 정수배가 아닌 임의의 비율을 가질 때, 우향(RH) 전송선로가 아닌 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용하여 이중대역의 특성을 얻을 수가 있다.
따라서 이중대역 주파수에서 필요한 전기적 길이를 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 구성하고, 이를 포함한 정합회로를 설계하면 이중대역에서 원하는 이득특성을 갖는 고주파 증폭기를 구성하는 것이 가능하다.
도 4는, 이중대역에서 각각 이득을 갖는 증폭기의 증폭 응답 개념도이다. 도 4를 참조하면, 서로 다른 2개의 주파수(f1,f2)에서 임의의 이득을 각각 갖는 2개의 증폭기(도시 안됨)가 존재할 때, 이러한 2개의 주파수(f1,f2)에서의 증폭 특성을 1개의 증폭기에 의해 얻어낼 수 있다면, 그 주파수 응답은, 2개의 주파수(f1,f2)에서의 이득 특성을 어떤 벡터적으로 합성한 주파수 응답이 아니라, 2개의 주파수(f1,f2) 각각에서의 독립적인 이득 특성을 그대로 보존한 상태로 합성한 주파수 응답이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기(100)는, 입력단자(input port)로부터 입력된 입력신호를 증폭하는 증폭소자(10), 예를 들어 트랜지스터를 포함한다.
또한 증폭소자(10)의 입력단과 출력단에 각각 입, 출력 정합회로(20,30)가 전기적으로 연결된다. 입력 정합회로(20)는 2개의 주파수에서 정합특성을 갖는, 입력 임피던스를 정합하는 정합회로이다. 출력 정합회로(30)는 2개의 주파수에서 정합특성을 갖는, 출력 임피던스를 정합하는 정합회로이다.
한편, 입력 정합회로(20)와 출력 정합회로(30)가 증폭소자(10)의 입력단 및 출력단에 각각 전기적으로 연결된 경우뿐 아니라, 도면에 도시하지 않았지만, 입력 정합회로(20)가 증폭소자(10)의 입력단에 전기적으로 연결되나 출력 정합회로(30)가 증폭소자(10)의 출력단에 전기적으로 연결되지 않은 경우, 또는 입력 정합회로(20)가 증폭소자(10)의 입력단에 전기적으로 연결되지 않으나 출력 정합회로(30)가 증폭소자(10)의 출력단에 전기적으로 연결되는 경우도 가능하다. 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위하여, 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 6을 참조하여 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기의 정합회로를 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 주파수(f1)에서 이득을 갖는 증폭기(Amp1)의 제1 정합회로(도시 안됨)와, 주파 수(f2)에서 이득을 갖는 증폭기(Amp2)의 제2 정합회로(도시 안됨)가 각각 존재하고, 제1,2 정합회로의 각각이 션트 스터브(shunt stub)가 1개인 엘섹션(L-section) 구조로 구성되어 있다고 가정한다. 여기서, 제1 정합회로에서 직렬 우향 전송선로(RHTL1) 부분의 길이가 ι1(전기적 길이로는 θ1)이고, 션트 스터브 부분의 길이가 ιstub이다. 제2 정합회로에서 직렬 우향 전송선로(RHTL2) 부분의 길이가 ι2(전기적 길이로는 θ2)이고, 션트 스터브 부분의 길이가 ιstub이다.
이러한 증폭기(Amp1,Amp2)를 각각 제조할 경우, 증폭기(Amp1,Amp2)의 각각은, 도 4에 도시된 바와 같이 주파수(f1,f2)에서 고유한 이득 응답을 갖는다.
한편, 이중대역 고주파 증폭기용 정합회로가 션트 스터브(shunt stub)가 1개인 엘섹션(L-section) 구조로 구성되어 있다고 가정하고, 또한 이중대역 고주파 증폭기용 정합회로의 경우, 주파수(f1)에서 합성 우좌향 전송선로(CRLH TL) 부분의 길이가 ι1(전기적 길이로는 θ1)이고, 주파수(f2)에서 합성 우좌향 전송선로(CRLH TL) 부분의 길이가 ι2(전기적 길이로는 θ2)이고, 션트 스터브 부분의 길이가 ιstub이라고 가정하면, 이러한 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상특성을 도 7에 도시된 바와 같이 나타낼 수가 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 우향(RH) 전송선로 부분의 경우, 전기적 길이가 θ2인 주파수(f2)는 전기적 길이(θ1)와 전기적 길이(θ2)의 비례관계에 의해 정해지 므로 항상 f2=f1θ2/θ1의 관계를 가진다. 따라서 f2=f1θ2/θ1의 관계가 아닌 경우에, 주파수(f2)에서 전기적 길이를 θ2가 되게 하려면, 우향(RH) 전송선로에 의해서는 그 구현이 불가능하기 때문에 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 이용하여야 한다.
지금까지는 션트 스터브가 1개인 엘섹션(L-section)과 같은 비교적 간단한 정합회로의 구조를 예로서 설명하였지만, 션트 스터브가 2개 이상 복수개 포함된 정합회로에 대해서도 마찬가지로 도 6을 참조하여 설명한 기술적 사상, 즉 정합회로의 어느 부분에 이중대역 특성을 갖는 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 삽입함으로써 이중대역 정합 특성을 얻어내는 기술적 사상이 동일하게 유지될 수 있음은, 당 업계의 통상적인 지식을 가진 자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
따라서 1개의 증폭소자가 2개의 주파수(f1,f2)에서 동시에 이득을 갖는 이중대역의 특성을 갖도록 하기 위하여, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용하여 정합회로를 설계할 수가 있다. 이때 정합회로가 2개의 주파수(f1,f2)에서 모두 정합을 이루어야 하므로 정합회로 내의 직렬 전송선로가 주파수(f1)에서 전기적 길이(θ1)를 갖고, 주파수(f2)에서 전기적 길이(θ2)를 갖도록, 정합회로를 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조로 설계한다.
이때 션트 스터브 부분은, 도 6에 도시된 바와 같이 2개의 주파수(f1,f2)에서 동일한 물리적 길이(ιstub)를 갖도록, 미리 2개의 주파수(f1,f2) 각각에서 정합회 로가 설계되어 있는 것이 유리하다. 하지만, 이는 선택적이며, 2개의 주파수(f1,f2)에서 서로 다른 물리적 길이를 갖더라도 약간의 부정합(mismatching)을 감수할 수 있을 만한 성능상의 여유(margin)가 충분히 있으면 션트 스터브가 서로 다른 길이를 가져도 좋다는 것은, 당 업계의 통상적인 지식을 가진 자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같이 이중대역에서 정합회로를 설계하고 증폭소자를 구성하면, 2개의 주파수(f1,f2) 대역에서 모두 정합이 이루어지므로 2개의 증폭기(Amp1,Amp2)에서의 이득 특성과 정합 특성을 1개의 증폭기에 의해 동시에 얻을 수가 있다.
본 발명에서 제안한 방법의 타당성을 실험적으로 검증하기 위하여, 두개의 주파수(f1=1830MHz, f2=2340MHz)에서 동작하는 이중대역 증폭기를 구성하여 바람직한 실시예로서 제시한다. 이를 위하여 먼저, 주파수(f1=1830MHz)에서 정합된 증폭기(Amp1)와, 주파수(f2=2340MHz)에서 정합된 증폭기(Amp2)를 구성하고, 증폭기(Amp1, Amp2) 각각의 성능을 보여주는 S-파라미터를 구하여 증폭특성을 확인하였다.
즉, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 증폭기(Amp1, Amp2) 각각의 이득은, 해당 동작 대역의 중심 주파수에서 각각 14.05dB와 18.018dB이다. 또한 정합 특성(S11, S22)은 해당 주파수에서 양호한 정합을 나타낸다.
실시예를 실제로 구현하기 위하여 정합회로를 설계한 결과, 정합회로에 필요 한 직렬 전송선로의 전기적 길이(θ1,θ2)는 각각 110도와 88도였다. 따라서 2개의 주파수(f1,f2)에서 필요한, 정합회로 내의 직렬 전송선로의 길이는, 주파수(f1,f2)의 비율(f2/f1)과 특별한 상관관계가 없다는 것을 확인하였다. 이제 상기한 바와 같이 2개의 주파수(f1,f2)에서 필요한 위상각을 갖도록 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 구현하여 정합회로에 삽입하면, 1개의 증폭기에 의해 이중대역 동작을 얻을 수가 있다.
본 발명에서는, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구성을 위한 좌향(LH) 전송선로 부분의 구성을 위하여, 공지된 Lin의 논문(I. H. Lin, M. DeVincentis, C. Caloz, and T. Itoh, "Arbitrary Dual-Band Components Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines," IEEE Trans. on Microw. Theory Tech., Vol. 52, No. 4, pp. 1142-1149, Apr. 2004.)에 제안된 방법을 이용하였다.
이러한 Lin의 논문에 제안된 기술적 사상은, 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 이중대역 특성을 설명하고 이를 이용하여 고주파 수동회로의 응용예를 보인 것에 불과하다. 그러나 본 발명에서는, 수동회로와 비교할 때 구성 난이도가 매우 높은 고주파 능동회로인 고주파 증폭기의 구성에 있어서 이중대역의 이득 및 정합 특성이, Lin의 논문에 제시된 내용과 비교할 때 기술적 사상과 방향에서 비교적 크게 진보되어 있다는 것은 인정되는 사실이다.
또한 증폭기의 정합회로에 단순히 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 삽입하면 이중대역 증폭기가 완성되는 것이 아니라, 이중대역에서 정합이 양호하게 이루어지 도록 기술적 노력과 사상이 추가된 정합회로를 설계해야만 이중대역 증폭기가 완성될 수 있음은, 당 업계의 통상적인 지식을 가진 자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같은 4개의 단위 좌향(LH) 전송선로를 사용하여, 구성하고자 하는 증폭기에 필요한 이중대역 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 구성하였다. 직렬 연결된 4개의 단위 좌향(LH) 전송선로를 도 9a에 도시된 바와 같은 등가회로로 나타낼 수가 있다. 굵은 파선으로 표시한 3개 사각형 부분에는 커패시턴스(2CL)를 가지며 직렬 연결된 2개의 인접한 커패시터가 각각 존재한다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 커패시턴스(2CL)를 가지며 직렬 연결된 2개의 커패시터의 총 커패시턴스는, 1개 커패시터의 커패시턴스(2CL)의 절반에 해당하는 커패시턴스(CL)가 된다. 그러므로 도 9a에 도시된 등가회로는, 도 9c에 도시된 바와 같은 등가회로로 단순화될 수가 있다.
한편, 단위 좌향(LH) 전송선로의 수를, 원하는 2개 주파수의 통과대역을 충분히 뒷받침할 수 있는 통과대역을 갖도록, 1개 이상 복수개로 조정할 수 있음은 자명하다.
본 발명에서는, 이중대역 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구성을 위하여 결정한 인턱턴스(LL)와 커패시턴스(CL)의 값은 각각 3.9nH, 1.2pF이었다. 이러한 구조에 의한 통과특성(S21)은 도 10에 도시된 바와 같다. 여기서, 신호의 통과를 차단하는 차단주파수 대역이 1250MHz 이하이고, 2개의 주파수(f1=1830MHz, f2=2340MHz)가 1250MHz보다 높으므로 2개의 주파수(f1=1830MHz, f2=2340MHz)는 충분히 통과대역 내에 포함되어 있음을 확인할 수 있다.
도 11은, 이중대역 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 정합회로에 포함하는 이중대역 증폭기의 설계된 성능(S-파라미터)을 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 이중대역 증폭기의 이득특성은, 도 8a 및 도 8b에 도시된 이득 특성과 비교할 때, 약간의 주파수 이동이 있기는 하지만 이중대역에서 유사하다. 또한 정합특성(S11,S22)을 볼 때, 이중대역 증폭기의 정합이 이중대역에서 양호하게 이루어져 있다.
이제 예로서 실제로 제작한 이중대역 증폭기의 사진과 측정한 성능에 대해 설명을 하기로 한다.
도 12는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기를 나타낸 도면으로서, 도 12a는, 정합회로를 합성 우좌향(CRLH) 전송선로로 구성한 이중대역 고주파 증폭기를 실제로 제작하여 촬영한 사진이고, 도 12b는, 도 12a의 정합회로 부분을 확대 촬영한 사진이고, 도 12c는, 도 12a에 도시된 정합회로 부분의 레이아웃(layout)을 나타낸 도면이다.
도 12a의 사진에 도시된 바와 같이, 실시예로서 이중대역 고주파 증폭기의 설계 및 제작을 위하여, 마이크로파 대역의 증폭기, 예를 들어 트랜지스터 소자(모델명: FHX35LG)와, 예를 들어 두께가 20mils이고 유전율이 2.55인 유전체 기판을 사용하였다. 또한 도 9c에 도시된 바와 같은 4개의 단위 좌향(LH) 전송선로 구조를, 도 5의 입력 정합회로(20) 및 출력 정합회로(30)를 위한 부분의 기판에 각각 삽입하였다. 더욱이 좌향(LH) 전송선로 구조의 소형화를 구현하기 위하여, 예를 들어 소형의 칩 인덕터와 칩 커패시터를 사용하였다. 칩 인덕터와 칩 커패시터의 납땜 및 물리적 지지 기반을 위하여, 각 단마다 짧은 평면형 전송선로 패드(우향(RH) 전송선로 부분에 해당함)를 삽입하였다.
도 12a의 타원형 내에 위치한 4개의 좌향(LH) 전송선로 부분은 도 12b에 도시된 바와 같이 확대되어 있다. 이러한 4개의 좌향(LH) 전송선로 부분을 위한 확대 레이아웃(layout)도는 도 12c에 도시되어 있다.
이와 같이 설계, 제작된 이중대역 고주파 증폭기의 구성을 살펴보면, 좌향(LH) 전송선로 부분에서는 커패시터가 직렬 연결되어 있으므로 본질적으로 직류(DC)가 차단된다. 따라서 이러한 이중대역 증폭기는, 일반적인 증폭기 설계 때에 필수적으로 삽입되는 직류(DC) 차단 장치, 예를 들어 커패시터나 결합 마이크로스트립 선로 여파기(coupled microstrip line filter)가 불필요하다. 그러므로 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 구조를 이용한 증폭기를 설계할 때에 직류(DC) 차단용 커패시터를 전혀 고려할 필요가 없다는 것이 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기 구조의 장점이기도 하다.
도 13은, 도 12a에 도시된 이중대역 고주파 증폭기의 실제 측정된 특성을 나타낸다. 측정된 이득특성은, 1850MHz와 2360MHz의 주파수에서 각각 13.65dB와 19dB이다. 이는, 시뮬레이션 결과와 비교하여 볼 때 약간의 주파수 천이와 이득 특성의 개선이 있음을 나타내지만, 실제로 사용한 칩 인덕터와 칩 커패시터에 존재하는 오차를 고려하면 설계값과 유사하다는 것을 알 수 있다.
또한 이득 특성을 보이는 이중대역 주파수에서 정합 특성이 명확하게 확인되므로 이중대역에서의 이득 특성은 우연히 얻어진 것이 아니라 정합이 양호하게 이루어진 결과로 얻어진 것임을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기 구성에 관한 기술적 사상의 타당성이 있음은, 도 11의 이론적인 예측값과 도 13의 실험값 둘 다에 의해 증명될 수가 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이중대역 고주파 증폭기의 설계 및 제작을 위하여 트랜지스터 소자(FHX35LG)를 사용하였고, 두께가 20mils이고 유전율이 2.55인 유전체 기판을 사용하였지만, 트랜지스터 소자 외에 다른 트랜지스터도 사용 가능하며, 또한 임의의 두께나 유전율을 가진 유전체 기판도 사용 가능하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예는, 본 발명의 요지를 설명하기 위하여 본 명세서에서 언급된 일 예에 불과하며, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어나지 않은 채, 도 14a~도 14e에 도시된 바와 같이, 정합회로에서 션트 스터브나 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 부분의 수에 제한받지 않고 본 발명의 기술적 사상을 동일하게 구성할 수가 있다. 즉, 도 14a에 도시된 바와 같이, 정합회로 내에서 션트 스터브의 수(N)와, 직렬 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 수(N)가 같은 경우이거나, 도 14b에 도시된 바와 같이, 정합회로 내에서 션트 스터브의 수(N)가 직렬 CRLH 전송선로의 수(M)보다 1개 더 많은 경우가 가능하다. 또한 도 14a 및 도 14b의 정합회로의 션트 스터브에서 예를 들어 2개의 션트 스터브가 도 14c에 도시된 바와 같이, 어느 한 노드(node)를 가운데 두고 서로 연결되며, 180도의 각도로 벌어진 채 배치될 수 있다. 또한 도 14a 및 도 14b의 정합회로의 션트 스터브에서 예를 들어 2개의 션트 스터브가 도 14d에 도시된 바와 같이, 어느 한 노드(node)를 가운데 두고 서로 연결되며, 90도 미만의 각도로 벌여진 채 배치되거나, 도 14e에 도시된 바와 같이 어느 한 노드(node)를 가운데 두고 서로 연결되며, 90도보다 크고 180도보다 작은 각도로 벌어진 채 배치될 수도 있다. 도 4c 내지 도 14e에 각각 도시된 2개의 션트 스터브는 동일한 길이 또는 상이한 길이를 갖는 것이 가능하다.
따라서 본 발명에서는 션트 스터브가 다양한 각도로 벌어진 채 합성 우좌향(CRLH) 전송선로 부분에 션트로 연결될 수 있는데, 이는 본 발명의 기술적 사상을 션트 스터브의 수에 한정하지 않음을 의미한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예는, 본 발명의 요지를 설명하기 위하여 본 명세서에서 언급된 일 예에 불과하며, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어나지 않은 채, 1단 증폭기이나 2단 이상의 다단 증폭기를 나타내는 증폭기의 단수, 증폭기의 구성 형식, 동작 모드, 및 출력전력 크기, 단위 좌향(LH) 전송선로의 수, 트랜지스터의 종류 또는 수, 유전체 기판의 두께 또는 유전율, 유전체 기판의 상,하면 금속면의 두께, 좌향(LH) 전송선로 부분과 결합하여 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 구성할 표준형 우향(RH) 전송선로의 종류(마이크로스트립 선로, 스트립라인 선로, CPW 선로, CPS 선로 등)와 층수(layer number), 사용하고자 하는 이중대역 주파수, 다중대역의 수(합성 우좌향(CRLH) 전송선로가 이중대역 특성을 나타내면 증폭기는 이중대역 증폭기가 되고, 삼중대역의 특성을 나타내면 증폭기는 삼중대역 증폭기가 됨) 등에 한정되지 아니 하고 다양하게 수정되거나 변형될 수가 있다.
또한 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기는, 2개의 주파수 대역 중 어느 하나를 사용하지 않더라도, 사용하는 다른 한 쪽의 주파수 대역을 위한 단일 대역용 고주파 증폭기로서 사용 가능하다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예는, 본 발명의 요지를 설명하기 위하여 본 명세서에서 언급된 일 예에 불과하며, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어나지 않은 채, 좌향(LH) 전송선로를 구성하기 위한 인덕터와 커패시터를 칩 형태의 인덕터와 커패시터뿐 아니라 다른 다양한 형태의 인덕터와 커패시터를 사용하여도 좋다. 즉, 인덕터의 경우, 칩 인덕터 외에 PCB 패턴(print circuit board pattern)형 인덕터, 코일(coil)형 인덕터, 리드(lead)선이 있는 집중소자(lumped element)형 인덕터, 페라이트 코어(ferrite core)형 인덕터 등과 같은 다양한 형태의 인덕터를 사용 가능하다. 커패시터의 경우, 칩 커패시터 외에도 PCB 매입형(embedded) 커패시터, 전해형 커패시터, 탄탈형(tantal) 커패시터 등과 같은 여러 형태의 커패시터를 사용 가능하다. 또한 인덕터나 커패시터의 형태에 상관없이 복수개의 인덕터나 커패시터 중 1개 이상 복수개의 인덕터나 커패시터를 그 인덕턴스나 커패시턴스의 값을 가변할 수 있는 인덕터나 커패시터로 구성하는 것도 가능하다.
따라서 본 발명에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기는, 어느 특정한 단일 주파수 대역이나 또는 이중대역 주파수 특성, 삼중대역 주파수 특성 등이 필요한 각종 통신/방송/데이타서비스용 무선회로, 무선부 품, 안테나 및 송수신 시스템 등에 매우 요긴하게 사용될 수가 있다.
도 1은, 전자기파용 일반적인 전송선로의 단위 등가회로도로서, 집중소자로 표시한 등가회로 및 이를 대칭형으로 변형한 등가회로를 나타낸 등가회로도이다.
도 2는, 좌향(LH) 전송선로의 단위 등가회로도로서, 집중소자로 표시한 등가회로와 이를 대칭형으로 변형한 등가회로를 나타낸 등가회로도이다.
도 3은, 전송선로의 위상특성을 나타낸 그래프로서, 도 3a는, 이상적인 우향(RH) 전송선로, 좌향(LH) 전송선로, 및 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상특성을 나타낸 그래프이고, 도 3b는, 우향(RH) 전송선로와 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 위상이 90o가 되는 주파수를 1개의 주파수(f1)로 일치시킨 경우의 위상특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는, 이중대역 주파수(f1,f2)에서 각각 이득을 갖는 주파수 응답 개념도이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은, 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기에 있어서, 우향(RH) 전송선로와 좌향(LH) 전송선로로 구성한 합성 우좌향(CRLH) 전송선로의 이중대역 특성을 이용하여 이중대역 증폭기의 정합회로를 구성하는 원리를 설명한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기에 있어서, 1개의 합성 우좌향(CRLH) 전송선로가 2개의 주파수(f1,f2) 에서 각각 전기적 길이(θ1,θ2)를 갖는 위상특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은, 2개의 주파수에서 각각 동작하는 2개의 증폭기의 이득 특성을 나타낸 그래프로서, 도 8a는, 첫 번째 중심주파수(f1=1830MHz)에서 동작하는 제1 증폭기(Amp1)의 특성을 나타낸 그래프이고, 도 8b는, 두 번째 중심주파수(f2=2340MHz)에서 동작하는 제2증폭기(Amp2)의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는, 좌향(LH) 전송선로의 등가회로를 나타낸 도면으로서, 도 9a는, 4단 좌향(LH) 전송선로의 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 9b는, 2개의 동일한 커패시터가 직렬 연결될 때 그 합성 커패시턴스 값이 각 커패시터의 커패시턴스 값의 절반이 되는 것을 설명한 도면이고, 도 9c는 도 9a에 도시된 직렬 연결된 2개의 커패시터를 1개의 커패시터로 대체할 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 발명의 이중대역 고주파 증폭기에 있어서, 4단 좌향(LH) 전송선로의 전송특성을 S-파라미터로 나타낸 그래프이다.
도 11은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기의 설계된 특성(S-파라미터)을 나타낸 그래프이다.
도 12는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기를 나타낸 도면으로서, 도 12a는, 정합회로 부분을 합성 우좌향(CRLH) 전송선로로 구성한 이중대역 고주파 증폭기를 실제로 제작하여 촬영한 사진이고, 도 12b는, 도 12a의 정합회로 부분을 확대 촬영한 사진이고, 도 12c는, 도 12a에 도시된 정합회로 부분의 레이아웃(layout)을 나타낸 도면이다.
도 13은, 도 12a에 도시된 이중대역 고주파 증폭기의 실제 측정된 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성 우좌향(CRLH) 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기의 정합회로를 나타낸 도면으로서, 도 14a는, 이중대역 고주파 증폭기의 정합회로를 동일한 복수개의 합성 우좌향(CRLH) 전송선로와 션트 스터브로 구성한 예를 나타낸 도면이고, 도 14b는, 이중대역 고주파 증폭기의 정합회로를 상이한 복수개의 합성 우좌향(CRLH) 전송선로와 션트 스터브로 구성한 예를 나타낸 도면이고, 도 14c 내지 도 14e는, 이중대역 고주파 증폭기의 정합회로를 구성하는 션트 스터브를 다양한 각도로 벌어진 채 션트로 연결한 예를 나타낸 도면이다.

Claims (5)

  1. 증폭작용을 갖는 증폭소자; 및
    상기 증폭소자의 임피던스 정합작용을 갖는 정합회로를 포함하며,
    상기 정합회로는, 상기 증폭소자의 입력측에 배치된 정합회로, 상기 증폭소자의 출력측에 배치된 정합회로, 및 상기 증폭소자의 입력측과 출력측에 각각 배치된 정합회로 중 어느 하나이고,
    상기 정합회로는, 기판 상에 형성된 1개 이상의 합성 우좌향(CRLH) 직렬 전송선로와 1개 이상의 고정된 길이의 션트 스터브를 갖고, 상기 합성 우좌향(CRLH) 직렬 전송선로는, 복수개의 단위 좌향(LH) 전송선로와 우향(RH) 전송선로를 갖고, 상기 단위 좌향(LH) 전송선로는, 직렬 커패시터와 션트 인덕터를 가지며,
    상기 복수개의 단위 좌향(LH) 전송선로는, 1개 이상의 커패시턴스 가변성 직렬 커패시터와 1개 이상의 인덕턴스 가변성 션트 인덕터 중 어느 하나 이상을 포함함으로써 이중대역에서 이득특성과 정합특성을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 션트 스터브는, 고정된 길이를 가지면서 하나의 노드에서 복수개 션트 연결되며, 서로 각도를 갖고 벌어진 채 배치되는 것을 특징으로 하는 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 우향(RH) 전송선로는, 마이크로스트립 선로, 스트립라인 선로, CPW(coplanar waveguide) 선로, 및 CPS(coplanar strip) 선로 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 합성 우좌향 전송선로를 이용한 이중대역 고주파 증폭기.
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