KR100247005B1 - 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치 - Google Patents

Abstract

가.청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

RF 증폭기에서 임피던스를 매칭하는 튜너에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

전기적으로 제어가 가능하면서 구성이 간단한 튜너를 제공함에 있다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 발명의 요지는 알에프 증폭기에서 신호발생기의 신호를 받아 임피던스를 매칭하여 출력하는 장치에 있어서, 상기 신호발생기에 연결된 입력단자와, 쓰로우 단자, 커플링 단자, 상기 쓰로우 단자 및 커플링단자의 반사계수에 의해 임피던스가 변화되는 아이소레이션 단자를 구비하며, 3 디비 분배가 가능한 하이브리드와, 상기 쓰로우 단자와 상기 커플링 단자에 각각 연결되어 소정의 제어신호에 의해 구동되는 두 개의 위상 변환기와, 상기 위상 변환기를 통해 상기 커플링 단자 및 쓰로우 단자의 반사계수를 변화시키기 위한 상기 소정의 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어짐을 특징으로 한다.

라. 발명의 중요한 용도

RF 증폭기에서 임피던스를 매칭할 때 이용.

Description

알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치 {IMPEDANCE MATCHING APPARATUS WHICH IS CONTROLED BY ELECTRIC SIGNAL IN RF AMPLIFIER}

본 발명은 마이크로 웨이브(microwave) 증폭기와 같은 RF(radio-frequency) 증폭기에서 임피던스를 매칭하는 장치(이하 "튜너"라 한다)에 관한 것으로, 특히 전기적으로 제어하는 튜너에 관한 것이다.

통상적으로 마이크로 웨이브 증폭기에서 이용되고 있는 튜너로는 기계적인 튜너와, 전기적으로 제어하는 튜너가 있다.

도 1은 종래의 기계적인 튜너를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하여 설명하면 기계적인 튜너의 구성은 전송선로인 몸체(10)와 상기 몸체(10)에 부착된 스터브(stub; 20)로 이루어진다. 그리고 상기 기계적인 튜너는 몸체(10)에 부착된 스터브(20)의 수에 따라 싱글 스터브 튜너(single stub tuner), 더블 스터브 튜너(double stub tuner), 트리플 스터브 튜너(tripple stub tuner)등으로 나누어진다. 그리고 스터브 매칭시 매칭조건은 이미 공지된 바와 같이 스터브의 두 도선의 간격, 단락 도선의 위치, 전송선로와 스터브를 잇는 부착 장소 등에 따라 변화한다. 그러므로 기계적인 조작에 의해 변환하는 슬라이딩(sliding) 막대(22)를 이용하여 도면 참조번호 21과 같이 도관에 단락(short)시켜 스터브(20)의 길이 L2를 조절함으로써 튜닝을 한다. 이때 스터브의 수를 몸체(10)에 많이 부착하면 더욱 정교한 임피던스 매칭을 할 수 있다.

그런데 상기한 기계적인 튜너에서 적절한 매칭지점에 해당하는 스터브(20)의 길이는 사용자가 수작업으로 조절하였다. 그러므로 상기 기계적인 튜너를 이용하여 적절한 매칭지점을 구하는 경우에는 시간이 오래 걸리고, 적절한 매칭지점을 재현하기가 어려운 단점이 있었다. 또한 미세한 조절에 의한 임피던스 매칭이 어려운 단점이 있었다. 또한 상기한 기계적인 튜너에서는 단락시 스터브 자체에 손실이 발생하였고, 스터브의 길이가 사용 주파수 대역이 낮을수록 길어져야 하는 단점이 있었다.

도 2는 전기적으로 제어하는 튜너의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.

도면을 참조하여 설명하면, 도면 참조번호 100은 신호발생기에 연결되는 단자를 나타낸 것이고, 110은 상기 신호발생부로부터 입력되는 신호의 위상과 크기를 조절하여 출력하는 매칭부로서 입력 매칭부를 나타낸 것이다. 120은 상기 매칭부(110)로부터 입력되는 신호를 받아 증폭하여 출력하는 증폭부(120)를 나타낸 것이다. 130은 상기 증폭부(120)로부터 입력되는 증폭된 신호의 위상과 크기를 조절하여 출력하는 매칭부로서 출력 매칭부를 나타낸 것이다. 여기서 증폭부(120)는 일 실시 예로 베이스단이 입력 매칭부(110)에 연결되고 이미터단은 접지되고 컬렉터단은 출력 매칭부(130)에 연결된 트랜지스터 Q1로 구성된다. 그리고 상기 증폭부(120)는 FET(field effect transistor)등 여러 가지로 응용이 가능하다.

상기한 바와 같이 종래의 전기적으로 제어하는 튜너는 두 매칭부(110, 130)를 이용하여 신호의 위상과 크기를 조절하여 증폭부(120)의 입출력 단자에서 보는 입출력 임피던스(1, 2)의 위상과 크기를 조절한다.

도 3은 도 2에서 종래의 매칭부의 상세한 구성도를 나타낸 것으로, 입력 매칭부(110)와 출력 매칭부(130)의 구성과 기능이 같다. 그러므로 이하 상기 입력 매칭부(110)를 일 예로 들어 설명한다.

도면을 참조하여 구성을 설명하면, 도면 참조번호 100은 신호발생기(signal generator)에 연결되는 단자를 나타낸 것이다. 111은 써큘레이터(circulator)를 나타낸 것이고, 116은 상기 써큘레이터(111)에서 반사파가 있을 경우 흡수하는 터미네이션(termination)을 나타낸 것이다. 112는 DC 제어신호에 따라 상기 써큘레이터(111)를 통해 입력되는 신호의 크기를 변환하여 출력하는 신호 감쇄기로서 가변 신호 감쇄기(variable attenuator)를 나타낸 것이다. 113은 DC 제어신호에 따라 상기 신호 감쇄기로부터 입력되는 신호의 위상을 변환하여 출력하는 위상 변환기로서 가변 위상 변환기(variable phase shifter)를 나타낸 것이다. 여기서 상기 DC 제어신호는 제어부(도시되지 않았음)에서 발생하는 신호이다. 상기 제어부는 마이크로 프로세서(microprocessor)로서 수행 프로그램을 저장하는 롬과 상기 프로그램 수행 중에 발생하는 데이터를 저장하는 램을 구비한다. 114는 상기 위상 변환기(113)로부터 입력되는 입사파와 증폭부(120)에서 발생하는 반사파를 분리하여 출력하는 커플러로서 디렉션얼 커플러(directional coupler)를 나타낸 것이다. 115는 상기 커플러(114)로부터 반사파와 입사파를 입력하여 입사전력과 반사전력의 양을 측정하는 전력 검출기(power detector)를 나타낸 것이다.

상기한 도 2와 상기한 도 3에서와 같이 종래의 전기적인 제어를 하는 튜너는 기계적인 튜너에 비해 전기적으로 제어가 가능한 장점이 있으나 써큘레이터(111)와 신호 감쇄기(112)와 위상 변환기(113)와 커플러(114)등의 고가의 구성요소들을 필요로 하였다. 또한 상기한 여러 구성요소들의 조합으로 인해 전체 튜너의 크기가 커지는 단점이 있었다. 또한 통상적으로 종래의 전기 제어 위상 변환기는 180도 이상의 위상 변환을 얻기가 어려웠었다.

따라서 본 발명의 목적은 전기적으로 제어가 가능하면서 구성이 간단한 튜너를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 알에프 증폭기에서 신호발생기의 신호를 받아 임피던스를 매칭하여 출력하는 장치에 있어서, 상기 신호발생기에 연결된 입력단자와, 쓰로우 단자, 커플링 단자, 상기 쓰로우 단자 및 커플링단자의 반사계수에 의해 임피던스가 변화되는 아이소레이션 단자를 구비하며, 3 디비 분배가 가능한 하이브리드와, 상기 쓰로우 단자와 상기 커플링 단자에 각각 연결되어 소정의 제어신호에 의해 구동되는 두 개의 위상 변환기와, 상기 위상 변환기를 통해 상기 커플링 단자 및 쓰로우 단자의 반사계수를 변화시키기 위한 상기 소정의 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어짐을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 기계적인 튜너를 나타낸 도면.

도 2는 전기적으로 제어하는 튜너의 개략적인 구성도.

도 3은 도 2에서 종래의 매칭부의 상세한 구성도.

도 4는 도 2에서 본 발명의 실시예에 따른 매칭부의 상세한 구성도.

도 5는 도 4의 3-dB 디렉션올 커플러의 동작을 나타낸 도면.

도 6은 도 4의 위상 변환기의 상세 회로도.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 도 2에서 본 발명의 실시예에 따른 매칭부의 상세한 구성도로서, 입력 매칭부를 일 실시 예로 나타낸 것이다.

도면을 참조하여 설명하면, 도면 참조번호 100은 신호발생기에 연결되는 단자를 나타낸 것이다. 117은 3-dB 분배가 가능한 하이브리드(Hybrid)로서, 3-dB 디렉션올 커플러(directional coupler)를 나타낸 것이다. 118은 3-dB 디렉션올 커플러(117)의 커플링 단자에 연결된 상기 1단자 위상 변환기로서, 출력단자가 단락된 2단자 위상 변환기를 나타낸 것이다. 119는 상기 3-dB 디렉션올 커플러(117)의 쓰로우(Through) 단자에 연결되고, 출력단자가 오픈(open)된 2단자 위상 변환기를 나타낸 것이다. 3은 커플링 단자를 나타낸 것이고, 4는 쓰로우 단자를 나타낸 것이고, 5는 출력단자를 나타낸 것이다. 그리고 150은 상기 두 위상 변환기(118, 119)를 전기적으로 제어하는 DC 제어신호를 발생하는 제어부를 나타낸 것이다. 특히 상기 제어부(150)는 마이크로 프로세서(microprocessor)로서 본 발명의 실시예에 따른 수행 프로그램을 저장하는 롬과 상기 프로그램 수행 중에 발생하는 데이터를 저장하는 램을 구비한다.

도 5는 도 4의 3-dB 디렉션올 커플러의 동작을 나타낸 도면이다.

도면 참조부호 a_i는 입력단자의 입사파를 나타낸 것이고, a_c는 커플링 단자의 입사파를 나타낸 것이다. a_T는 쓰로우 단자의 입사파를 나타낸 것이고, a_I는 출력단자인 아이소레이션(isolation) 단자의 입사파를 나타낸 것이다. 또한 b_i는 입력단자의 반사파를 나타낸 것이고, b_c는 커플링 단자의 반사파를 나타낸 것이다. b_T는 쓰로우 단자의 반사파를 나타낸 것이고, b_I는 아이소레이션 단자의 반사파를 나타낸 것이다. 그리고 공지된 바와 같이 커플러의 아이소레이션 특성이 -30dB 이하의 경우 입력단자로의 반사파는 없다.

입력단자(100)로부터 입사파 a_i가 입력되었을 때의 각 단자의 입사파의 출력 특성은 아래의 수학식 1에서 수학식 3과 같다.

그리고 커플링 단자 임피던스 Z_c와 쓰로우 단자 임피던스 Z_T를 변화시키면 각 단자에서의 반사계수는 아래의 수학식 4와 수학식 5와 같다.

여기서 상기 수학식 4와 상기 수학식 5에서 커플링 단자와 쓰로우 단자의 반사계수는 단자 임피던스에 의해 변환됨을 알 수 있다.

그러므로 각 단자에서의 반사파는 아래의 수학식과 같다.

상기 수학식 8에서 알 수 있듯이 입력단자로 입력된 신호인 입사파 a_i는 커플링 단자와 쓰로우 단자에서 반사되어 아이소레이션 단자로 출력되며 이들 신호는 벡터신호이므로 벡터신호 합성이 일어난다.

그러므로 아이소레이션 단자의 반사계수는 아래의 수학식으로 구할 수 있다.

상기 수학식 9와 상기 수학식 10에서 보듯이 아이소레이션 단자의 반사계수는 커플링 단자와 쓰로우 단자의 반사계수의 함수이다. 그러므로 커플링 단자 임피던스와 쓰로우 단자 임피던스를 변환함으로써 아이소레이션 단자 임피던스가 변환함을 알 수 있다. 따라서 아이소레이션 단자 임피던스가 가변됨으로 임피던스 매칭이 이루어진다.

도 6은 도 4의 위상 변환기의 상세 회로도를 나타낸 것이다.

도면을 참조하여 설명하면 도면 참조번호 30은 3-dB 디렉션올 커플러를 나타낸 것이다. 31과 32는 제어부(150)로부터 DC 제어신호를 받아 변화하는 가변 용량 다이오드인 바렉터 다이오드를 나타낸 것이다. 33은 입력단자를 나타낸 것이고, 34는 아이소레이션 단자를 나타낸 것이다. 35는 커플링 단자를 나타낸 것이고, 36은 쓰로우 단자를 나타낸 것이다.

여기서 커플링 단자와 쓰로우 단자에 연결된 두 가변 용량 다이오드(31, 32)의 변화량이 같으면 커플링 단자와 쓰로우 단자의 반사계수는 아래의 수학식과 같다.

그러므로 아이소레이션 단자의 반사파는 아래의 수학식과 같다.

그래서 위상 변화량은 아래의 수학식과 같다.

따라서 상기 수학식 13에 의하면 커플링 단자의 반사계수 위상변환에 따라 위상변환이 일어남을 알 수 있다.

그리고 상기 아이소레이션 단자를 오픈하거나 단락하면 커플링 단자와 쓰로우 단자에서 반사되는 신호는 다시 전반사를 일으킨다. 즉 반사파에 의해 다시 입력단자로 반사되어 2배의 위상 변환을 거치므로 위상 변화량은 아래의 수학식과 같이 나타난다.

즉 3-dB 디렉션올 커플러를 이용한 경우 위상 변환기의 출력단자를 오픈, 혹은 단락시킴으로써 위상변화량이 종래에는 90도이던 2단자 위상 변환기의 위상 변화량이 180도의 위상 변화량을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 스미스 차트(smith chart)에서의 모든 임피던스를 구현할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 전기적인 제어에 의해 작동되며, 저렴하고 간단한 전기 제어 임피던스 매칭장치를 구현할 수 있다.

Claims (6)

1. 알에프 증폭기에서 신호발생기의 신호를 받아 임피던스를 매칭하여 출력하는 장치에 있어서,

   상기 신호발생기에 연결된 입력단자와, 쓰로우 단자, 커플링 단자, 상기 쓰로우 단자 및 커플링단자의 반사계수에 의해 임피던스가 변화되는 아이소레이션 단자를 구비하며, 3 디비 분배가 가능한 하이브리드와,

   상기 쓰로우 단자와 상기 커플링 단자에 각각 연결되어 소정의 제어신호에 의해 구동되는 두 개의 위상 변환기와,

   상기 위상 변환기를 통해 상기 커플링 단자 및 쓰로우 단자의 반사계수를 변화시키기 위한 상기 소정의 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어짐을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드가,

   3 디비 디렉션올 커플러로 이루어짐을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.
3. 제1항에 있어서,

   입력단자와, 쓰로우 단자, 커플링 단자, 상기 쓰로우 단자 및 커플링단자의 반사계수에 의해 임피던스가 변화되는 아이소레이션 단자를 구비한 3디비 디렉션올 커플러와,

   일단이 상기 쓰로우 단자와 상기 커플링 단자에 연결되고, 타단은 접지되며, 상기 제어부의 제어를 받아 용량이 변화되는 두 개의 가변 용량 다이오드를 구비함을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어부가,

   상기 가변 용량 다이오드의 용량을 변화시키는 디씨 제어신호를 출력함을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 커플링 단자에 연결된 위상 변환기는 아이소레이션 단자를 단락시키고, 상기 쓰로우 단자에 연결된 위상 변환기는 아이소레이션 단자를 오픈시킴을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 아이소레이션 단자를 오픈시키거나 단락시킴으로써 180도까지 위상 변화량을 얻음을 특징으로 하는 알에프 증폭기에서 전기 제어 임피던스 매칭장치.

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