KR102866075B1 - high power radio amplifier for North America having the combiner function by the ferrite core and coaxial cables - Google Patents
high power radio amplifier for North America having the combiner function by the ferrite core and coaxial cablesInfo
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Abstract
본 발명은 고출력 무선 증폭장치에 관한 것으로, 고전력 컴바이너를 증폭기와 결합하여 고출력을 북미 지역에 적합한 무선 증폭장치를 구현하되, 고전력 컴바이너를 2개의 동축케이블을 교차시킨 다음, 그 교차된 동축케이블을 페라이트 토로이드에 권취시킴으로써 공통 모드 전류를 억제할 수 있도록 하여 성능 저하를 방지한 북미향 고출력 무선 증폭장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 입력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호 입력 레벨을 자동으로 조정하는 구동 증폭부; 상기 구동 증폭부로부터 출력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호를 2개의 출력으로 분배하는 분배부; 상기 분배부로부터 분배된 42~43MHz 5W의 RF 신호를 각각 인가받아 25dB의 고출력을 갖도록 증폭하는 한 쌍의 제1 및 제2 증폭부; 상기 제1 및 제2 증폭부에서 출력되는 RF 신호를 인가받아 결합시키는 고전력 컴바이너; 상기 고전력 컴바이너로부터 출력되는 주파수 중 선택된 주파수를 초과하는 신호를 제거하고, 선택된 주파수 아래의 신호를 통과시키는 저역필터; 상기 저역필터로부터 출력되는 RF 신호를 분배하는 양방향 커플러; 상기 양방향 커플러의 출력을 스위칭에 의해 무선 신호로 전송하는 송신단;을 포함하여 구성된다.The present invention relates to a high-power wireless amplifier, and the purpose of the present invention is to provide a high-power wireless amplifier suitable for the North American region by combining a high-power combiner with an amplifier, and to prevent performance degradation by suppressing common mode current by crossing two coaxial cables with the high-power combiner and then winding the crossed coaxial cables around a ferrite toroid.
To this end, the present invention comprises: a driving amplifier that automatically adjusts an input level of an RF signal of 42 to 43 MHz 5 W; a distribution unit that distributes the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W output from the driving amplifier to two outputs; a pair of first and second amplifiers that respectively receive the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W distributed from the distribution unit and amplify the RF signal to have a high output of 25 dB; a high-power combiner that receives and combines the RF signals output from the first and second amplifiers; a low-pass filter that removes a signal exceeding a selected frequency among the frequencies output from the high-power combiner and passes a signal below the selected frequency; a bidirectional coupler that distributes the RF signal output from the low-pass filter; and a transmitter that transmits the output of the bidirectional coupler as a wireless signal by switching.
Description
본 발명은 고출력 무선 증폭장치에 관한 것으로, 특히 북미 지역의 무선통신 시스템에서 사용되는 무선 증폭기를 고전력 컴바이너와 결합하여 고출력을 구현할 수 있도록 한 북미향 고출력 무선 증폭장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-power wireless amplifier, and more particularly, to a high-power wireless amplifier for North America that can realize high output by combining a wireless amplifier used in a wireless communication system in the North American region with a high-power combiner.
무선 증폭기는 고주파 신호를 증폭하여 기지국으로부터 무선으로 전송하는 장치로서, 공개특허 제10-2005-0052556호(하이브리드 결합기를 이용한 다중 경로 전력 증폭기)에서와 같이 통상적으로 고출력의 무선 신호를 구현하기 위하여 전력 컴바이너(power combiner)와 결합하여 사용하게 된다.A wireless amplifier is a device that amplifies a high-frequency signal and transmits it wirelessly from a base station. As in Patent Publication No. 10-2005-0052556 (Multipath power amplifier using a hybrid combiner), it is typically used in combination with a power combiner to implement a high-output wireless signal.
이러한 전력 컴바이너는 증폭기 및 송신기에 널리 사용되는데, 이는 대역폭을 결정하고 송신기의 출력 전력을 제한하기 위함이다.These power combiners are widely used in amplifiers and transmitters to determine the bandwidth and limit the output power of the transmitter.
또한, 이러한 전력 컴바이너는 두 개의 신호 경로들이 결합될 때마다 병렬 회로에 의해 입력 임피던스가 감소되고, 여러 개의 전력 신호를 하나의 출력 포트를 통해 합산하여 전송하는 경우에는 고전력 컴바이너를 사용하게 된다.Additionally, these power combiners have a reduced input impedance due to the parallel circuitry whenever two signal paths are combined, and high-power combiners are used when multiple power signals are combined and transmitted through a single output port.
이러한 고전력 컴바이너의 일예로서, 공개특허 10-2019-0096041호(광대역 대전력 결합기)에서는, 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로; 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로를 포함하고, 상기 제1 전송 선로 내지 상기 제4 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조를 제안하였다.As an example of such a high-power combiner, Patent Publication No. 10-2019-0096041 (Broadband High-Power Combiner) proposes a transmission line including a first transmission line having an inner line and an outer line; a second transmission line having an inner line and an outer line; a third transmission line having an inner line and an outer line connected to the inner line of the first transmission line; and a fourth transmission line having an inner line and an outer line connected to the inner line of the first transmission line, wherein the first transmission line to the fourth transmission line have a winding structure formed by winding a coaxial cable or a ferrite structure in which the outer line is wrapped with ferrite.
이러한 종래의 고전력 컴바이너에는 차동 모드 전류와 공통 모드 전류가 존재하게 되며, 특히 공통 모드 전류는 페라이트에 의해 유도된 높은 임피던스에 의해 억제되지만, 이러한 페라이트는 복소 투자율을 갖는 자성체로서, 공통 모드 전류에 대해 동축 케이블에 유도된 인덕턴스는 복소 투자율의 실수부에 비례한다.In these conventional high-power combiners, there are differential mode currents and common mode currents, and in particular, the common mode current is suppressed by the high impedance induced by the ferrite, but this ferrite is a magnetic material with complex permeability, and the inductance induced in the coaxial cable for the common mode current is proportional to the real part of the complex permeability.
투자율의 허수부는 페라이트의 전력 손실에 영향을 끼치게 되는데, 전력 손실은 주로 도체와 동축 케이블의 유전 손실, 그리고 주변 페라이트의 저항 손실로 인해 발생한다.The imaginary part of the investment rate affects the power loss of the ferrite, which is mainly caused by the dielectric loss of the conductor and coaxial cable, and the resistive loss of the surrounding ferrite.
따라서, 페라이트의 전력 손실은 전력 결합기의 전체 효율을 저하시키게 되고, 이러한 효율 저하에 비례하여 컴바이너의 삽입 손실이 증가하며, 합산 포트의 전력이 감소하게 되는 것이다.Therefore, the power loss of the ferrite reduces the overall efficiency of the power combiner, and in proportion to this decrease in efficiency, the insertion loss of the combiner increases, and the power of the summing port decreases.
또한, 투자율의 실수부는 온도에 따라 변화하게 되고, 원치 않는 공통 모드 전류가 동축 케이블 또는 전송 라인에 나타나게 되므로 컴바이너의 전력 손실에 큰 영향을 끼치게 되며, 이로 인해 컴바이너의 성능을 저하시키는 요인이 되는 것이다.In addition, the real part of the investment rate changes with temperature, and unwanted common mode current appears in the coaxial cable or transmission line, which has a significant impact on the power loss of the combiner, and this becomes a factor that deteriorates the performance of the combiner.
특히, 북미지역에서는 기지국에 의해 중계되는 통신 환경이 좋지 못하므로, 무선 증폭기의 출력이 높아야 하지만, 컴바이너의 성능이 저하되는 경우에는 고출력의 무선 증폭기를 구현하기가 매우 어렵게 되는 문제점이 있다.In particular, in North America, the communication environment relayed by base stations is not good, so the output of the wireless amplifier must be high, but if the performance of the combiner is degraded, there is a problem that it becomes very difficult to implement a high-output wireless amplifier.
<선행기술문헌><Prior Art Literature>
- 공개특허 제10-2005-0052556호- Publication Patent No. 10-2005-0052556
(하이브리드 결합기를 이용한 다중 경로 전력 증폭기)(Multipath power amplifier using hybrid coupler)
- 공개특허 10-2019-0096041호- Patent Publication No. 10-2019-0096041
(광대역 대전력 결합기)(Broadband high power combiner)
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 고전력 컴바이너를 증폭기와 결합하여 북미 지역에 적합한 고출력의 무선 증폭장치를 구현하되, 고전력 컴바이너를 2개의 동축케이블을 교차시킨 다음, 그 교차된 동축케이블을 페라이트 토로이드에 권취시킴으로써 공통 모드 전류를 억제할 수 있도록 하여 성능 저하를 방지한 북미향 고출력 무선 증폭장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention to solve the above-described problems is to provide a high-power wireless amplifier suitable for the North American region by combining a high-power combiner with an amplifier, and to prevent performance degradation by suppressing common mode current by crossing two coaxial cables with the high-power combiner and then winding the crossed coaxial cables around a ferrite toroid.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 북미향 고출력 무선 증폭장치는,
입력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호 입력 레벨을 자동으로 조정하는 구동 증폭부와, 상기 구동 증폭부로부터 출력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호를 2개의 출력으로 분배하는 분배부와, 상기 분배부로부터 분배된 42~43MHz 5W의 RF 신호를 각각 인가받아 25dB의 고출력을 갖도록 증폭하는 한 쌍의 제1 및 제2 증폭부와, 상기 제1 및 제2 증폭부에서 출력되는 RF 신호를 인가받아 결합시키는 고전력 컴바이너와, 상기 고전력 컴바이너로부터 출력되는 RF 신호 중 선택된 신호를 초과하는 신호를 제거하고, 선택된 신호 아래의 신호를 통과시키는 저역필터와, 상기 저역필터로부터 출력되는 RF 신호를 분배하는 양방향 커플러와, 상기 양방향 커플러의 출력을 스위칭에 의해 무선 신호로 전송하는 송신단;을 포함하여 구성된 고출력 무선 증폭장치에 있어서,
상기 고전력 컴바이너는
입력포트에서 50Ω의 임피던스와 합산 포트에서 25Ω의 임피던스를 갖는 전송선 결합부;
상기 합산 포트에 연결되어 25Ω의 임피던스를 50Ω으로 변환하는 1:2 임피던스 변환부;로 구성되고,
상기 전송선 결합부는
각각 25Ω의 임피던스를 갖는 제1동축케이블, 제2동축케이블, 제3동축케이블, 그리고 제4동축케이블로 구성되고, 상기 제2동축케이블과 제3동축케이블은 서로 교차되도록 구성되며, 상기 제2동축케이블의 일단이 제2입력포트와 연결되면서 상기 제1동축케이블과 연결됨과 아울러 상기 제3동축케이블의 일단이 제1입력포트와 연결되면서 상기 제4동축케이블과 연결되며,
상기 제2동축케이블의 타단은 상기 제3동축케이블의 타단과 하나로 합산되어 상기 임피던스 변환부의 입력으로 연결되고, 상기 제2동축케이블의 타단은 상기 제1동축케이블의 타단과 연결됨과 아울러 제3동축케이블의 타단은 상기 제4동축케이블의 타단과 연결되며,
상기 제1증폭부와 제2증폭부가 각각 연결된 제1입력포트와 제2입력포트 사이에는 50Ω의 입력저항이 연결되어 있고, 상기 제2동축케이블과 제3동축케이블의 타측인 출력 사이에도 50Ω의 출력저항이 연결되며,
상기 교차된 제2동축케이블과 제2동축케이블은 페라이트 트로이드에 감겨지도록 구성됨과 아울러,
상기 임피던스 변환부는
각각 35Ω의 임피던스를 갖는 제5동축케이블, 제6동축케이블, 그리고 제7동축케이블로 구성되고, 이중 제5동축케이블과 제6동축케이블의 외측으로는 페라이트가 각각 둘러싸여 배치되는 구조를 가지며, 제5동축케이블의 타단은 상기 저역필터와 연결된 출력포트와 연결됨과 아울러,The North American high-power wireless amplifier according to the present invention for solving the above-described problem is:
A high-power wireless amplifier device comprising: a driving amplifier for automatically adjusting an input level of an RF signal of 42 to 43 MHz 5 W, a distribution unit for distributing the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W output from the driving amplifier to two outputs, a pair of first and second amplifiers for receiving the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W distributed from the distribution unit and amplifying the signal to have a high output of 25 dB, a high-power combiner for receiving and combining RF signals output from the first and second amplifiers, a low-pass filter for removing a signal exceeding a selected signal among RF signals output from the high-power combiner and passing a signal below the selected signal, a bidirectional coupler for distributing the RF signal output from the low-pass filter, and a transmitter for transmitting the output of the bidirectional coupler as a wireless signal by switching;
The above high power combiner
A transmission line coupling having an impedance of 50Ω at the input port and an impedance of 25Ω at the summing port;
It is composed of a 1:2 impedance conversion unit that is connected to the above summing port and converts an impedance of 25Ω to 50Ω;
The above transmission line coupling part
It is composed of a first coaxial cable, a second coaxial cable, a third coaxial cable, and a fourth coaxial cable, each having an impedance of 25Ω, and the second coaxial cable and the third coaxial cable are configured to cross each other, and one end of the second coaxial cable is connected to the second input port and is connected to the first coaxial cable, and one end of the third coaxial cable is connected to the first input port and is connected to the fourth coaxial cable.
The other end of the second coaxial cable is combined with the other end of the third coaxial cable and connected to the input of the impedance converter, and the other end of the second coaxial cable is connected to the other end of the first coaxial cable, and the other end of the third coaxial cable is connected to the other end of the fourth coaxial cable.
An input resistance of 50Ω is connected between the first input port and the second input port to which the first amplifier and the second amplifier are respectively connected, and an output resistance of 50Ω is also connected between the outputs of the other sides of the second coaxial cable and the third coaxial cable.
The above crossed second coaxial cable and the second coaxial cable are configured to be wound around a ferrite toroid,
The above impedance conversion part
It is composed of a 5th coaxial cable, a 6th coaxial cable, and a 7th coaxial cable, each having an impedance of 35Ω, and has a structure in which ferrite is surrounded and arranged on the outside of the 5th and 6th coaxial cables, and the other end of the 5th coaxial cable is connected to the output port connected to the low-pass filter,
상기 제5동축케이블과 제6동축케이블의 내부선로 일단은 상기 전송선 결합부와 연결되고, 제6동축케이블의 일단에서 외부선로와 제7동축케이블의 내부선로 일단과 연결되며, 타단에서는 제5동축케이블의 외부선로가 제6동축케이블 및 제7동축케이블의 외부선로와 연결됨과 아울러 제6동축케이블과 제7동축케이블의 외부선로가 서로 연결되는 구조를 갖는 특징으로 한다.The internal line end of the above-mentioned fifth and sixth coaxial cables is connected to the transmission line coupling portion, the external line at one end of the sixth coaxial cable is connected to the internal line end of the seventh coaxial cable, and at the other end, the external line of the fifth coaxial cable is connected to the external lines of the sixth and seventh coaxial cables, and the external lines of the sixth and seventh coaxial cables are connected to each other.
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상기와 같은 본 발명에 의하면, 2개의 동축케이블을 교차시킨 다음, 그 교차된 동축케이블을 페라이트 토로이드에 권취시킴으로써 공통 모드 전류를 억제할 수 있도록 하여 컴바이너의 성능저하를 방지하며, 이로 인해 고출력의 무선 신호의 전송을 위한 증폭장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention as described above, by crossing two coaxial cables and then winding the crossed coaxial cables around a ferrite toroid, the common mode current can be suppressed, thereby preventing a decrease in the performance of the combiner, and thus, there is an advantage in that an amplifier for transmitting a high-output wireless signal can be implemented.
도1은 본 발명에 의한 고출력 무선 증폭장치의 전체 구성 블럭도.
도2는 본 발명에 적용된 광대역 고전력 컴바이너의 구성을 보인 도.
도3은 컴바이너의 정상 동작시 합산 부위에 나타나는 전류와 전압을 보인 도.
도4는 임피던스 변환부의 전류와 전압을 보인 도.
도5는 페라이트 재료 61의 복소 투자율을 보인 그래프.
도6은 동축 케이블의 쉴드와 접지 사이의 반파 전송 라인을 보인 도.
도7은 페라이트 코어에 동축 케이블이 1회 권선된 상태에서의 등가병렬저항을 보인 그래프.
도8은 1회 권선 및 1KW의 출력전력을 위하여 BN-61-002 2핵 코어를 직렬로 사용한 상태의 전력 손실 및 전력 손실 밀도를 보인 그래프.
(a)는 전력손실
(b)는 전력 손실 밀도
도9는 BN-61-002 2핵 페라이트의 열 시뮬레이션 및 열 흐름을 보인 도.
도10은 단일 입력포트의 여자의 경우 전송선 결합부의 합산 포트의 전류 및 전압을 보인 개략도.
도11은 두 입력 채널 사이에서 측정된 삽입 손실 및 삽입 위상차를 보인 그래프.
도12는 출력 반사손실, 반사손실, 두 입력 포트 사이의 절연상태를 보여주는 그래프.Figure 1 is a block diagram of the entire configuration of a high-power wireless amplifier according to the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the configuration of a wideband high-power combiner applied to the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the current and voltage appearing at the summing section during normal operation of the combiner.
Figure 4 shows the current and voltage of the impedance conversion unit.
Figure 5 is a graph showing the complex permeability of ferrite material 61.
Figure 6 shows a half-wave transmission line between the shield and ground of a coaxial cable.
Figure 7 is a graph showing the equivalent parallel resistance when a coaxial cable is wound once around a ferrite core.
Figure 8 is a graph showing the power loss and power loss density when BN-61-002 two-core cores are used in series for one winding and 1KW of output power.
(a) is power loss
(b) Power loss density
Figure 9 shows the thermal simulation and heat flow of BN-61-002 two-nuclear ferrite.
Figure 10 is a schematic diagram showing the current and voltage of the summing port of the transmission line coupling unit in the case of a single input port.
Figure 11 is a graph showing the measured insertion loss and insertion phase difference between two input channels.
Figure 12 is a graph showing the output reflection loss, reflection loss, and insulation status between two input ports.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. The above-described objects, features and advantages are described in detail below with reference to the attached drawings, so that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. The terms used in the present invention are selected from the most widely used general terms possible while taking into consideration the functions of the present invention, but these may vary depending on the intention of a technician working in the field, precedents, the emergence of new technologies, etc.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. Additionally, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in such cases, their meanings will be described in detail in the description of the relevant invention.
따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Therefore, the terms used in the present invention should not be simply defined as names of terms, but should be defined based on the meaning of the terms and the overall content of the present invention.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. However, the embodiments of the present invention exemplified below may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 발명의 실시 예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
본 발명의 고출력 증폭장치는, 도1에서와 같이 구동 증폭부(100), 분배부(200), 제1 및 제2 증폭부(310,320), 고전력 컴바이너(400), 저역필터(500), 양방향 커플러(600), 송신단(700), 전원공급부(800), 그리고 제어부(900)로 구성되어진다.The high-power amplifier of the present invention is composed of a driving amplifier (100), a distribution unit (200), first and second amplifier units (310, 320), a high-power combiner (400), a low-pass filter (500), a bidirectional coupler (600), a transmitter (700), a power supply unit (800), and a control unit (900), as shown in FIG. 1.
상기 구동 증폭부(100)는 입력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호 입력을 제어부(900)의 제어에 의해 레벨을 자동으로 조정하게 된다.The above driving amplifier (100) automatically adjusts the level of the input 42~43MHz 5W RF signal under the control of the control unit (900).
상기 분배부(200)는 상기 구동 증폭부(100)로부터 출력되는 42~43MHz 5W의 RF 신호를 2개의 출력으로 분배하게 된다.The above distribution unit (200) distributes the 42-43 MHz 5 W RF signal output from the above driving amplifier unit (100) into two outputs.
상기 제1 및 제2 증폭부(310,320)는 상기 분배부(200)로부터 분배된 42~43MHz 5W의 RF 신호를 각각 인가받아 25dB의 고출력을 갖도록 증폭하게 된다.The first and second amplifiers (310, 320) receive the 42-43 MHz 5 W RF signal distributed from the distribution unit (200) and amplify it to have a high output of 25 dB.
상기 고전력 컴바이너(400)는 상기 제1 및 제2 증폭부(310,320)에서 출력되는 RF 신호를 인가받아 결합시키게 되는 것으로, 동축케이블과 페라이트 코어에 의해 구성된다.The above high-power combiner (400) receives and combines RF signals output from the first and second amplifier units (310, 320), and is composed of a coaxial cable and a ferrite core.
상기 저역필터(500)는 상기 고전력 컴바이너(400)로부터 출력되는 RF 신호 중 선택된 신호를 초과하는 신호를 제거하고, 선택된 신호 아래의 신호를 통과시키며, ripple, spurious, 고조파를 제거하게 된다.The above low-pass filter (500) removes signals exceeding a selected signal among the RF signals output from the high-power combiner (400), passes signals below the selected signal, and removes ripple, spurious, and harmonics.
상기 양방향 커플러(600)는 상기 저역필터(500)로부터 출력되는 RF 신호를 분배하게 된다. 이러한 양방형 커플러(600)의 구조는 공지의 양방향 커플러(Bi-Directional Coupler)의 구성과 기능을 가지게 된다.The above bidirectional coupler (600) distributes the RF signal output from the low-pass filter (500). The structure of this bidirectional coupler (600) has the configuration and function of a known bidirectional coupler.
상기 송신단(700)은 상기 양방향 커플러(600)의 출력을 스위칭에 의해 무선 신호로 전송하게 된다.The above transmitter (700) transmits the output of the above bidirectional coupler (600) as a wireless signal by switching.
상기 전원공급부(800)는 상기 각 구성요소에서 소요되는 전원을 공급하게 되고, 상기 제어부(900)는 상기 구동 증폭부(100)와 양방향 커플러(600)의 동작을 제어하게 된다.The above power supply unit (800) supplies power required by each of the above components, and the control unit (900) controls the operation of the drive amplifier unit (100) and the bidirectional coupler (600).
한편, 상기 고전력 컴바이너(400)는 제1 및 제2 증폭부(310,320)로부터 출력되는 고출력의 연속파(Continuous Wave) 전력을 견딜 수 있도록 한 구조를 가지게 된다.Meanwhile, the high-power combiner (400) has a structure that can withstand high-power continuous wave power output from the first and second amplifier units (310, 320).
도2는 이러한 고전력 컴바이너(400)의 구조의 일예를 보인 도로서, 도면 부호를 '1000'번대와 '2000'번 대로 부여하여 설명한다.Figure 2 is a diagram showing an example of the structure of such a high-power combiner (400), and is explained by assigning drawing numbers of '1000' and '2000'.
입력포트(1210,1310)에서 50Ω의 임피던스와 합산 포트에서 25Ω의 임피던스를 갖는 전송선 결합부(1000)와, 25Ω의 임피던스를 50Ω으로 변환하는 1:2 임피던스 변환부(2000)로 구성되어진다.It is composed of a transmission line coupling unit (1000) having an impedance of 50Ω at the input port (1210, 1310) and an impedance of 25Ω at the summing port, and a 1:2 impedance conversion unit (2000) that converts an impedance of 25Ω to 50Ω.
상기 전송선 결합부(1000)는 각각 25Ω의 임피던스를 갖는 제1동축케이블(1100), 제2동축케이블(1200), 제3동축케이블(1300), 그리고 제4동축케이블(1400)로 구성되는데, 상기 제2동축케이블(1200)과 제3동축케이블(1300)은 서로 교차되도록 구성되며, 상기 제2동축케이블(1200)의 일단이 제2입력포트(1310)와 연결되면서 상기 제1동축케이블(1100)과 연결된다.The above transmission line coupling unit (1000) is composed of a first coaxial cable (1100), a second coaxial cable (1200), a third coaxial cable (1300), and a fourth coaxial cable (1400), each having an impedance of 25Ω. The second coaxial cable (1200) and the third coaxial cable (1300) are configured to cross each other, and one end of the second coaxial cable (1200) is connected to the second input port (1310) and is connected to the first coaxial cable (1100).
또한, 상기 제3동축케이블(1300)의 일단이 제1입력포트(1210)와 연결되면서 상기 제4동축케이블(1400)과 연결되는 구조를 갖는다.In addition, the third coaxial cable (1300) has a structure in which one end is connected to the first input port (1210) and connected to the fourth coaxial cable (1400).
상기 제2동축케이블(1200)의 타단은 상기 제3동축케이블(1300)의 타단과 하나로 연결되어 임피던스 변환부(2000)의 입력으로 연결되고, 또한 제2동축케이블(1200)의 타단은 상기 제1동축케이블(1100)의 타단과 연결됨과 아울러 제3동축케이블(1300)의 타단은 상기 제4동축케이블(1400)의 타단과 연결된다.The other end of the second coaxial cable (1200) is connected to the other end of the third coaxial cable (1300) and is connected as an input of the impedance conversion unit (2000). In addition, the other end of the second coaxial cable (1200) is connected to the other end of the first coaxial cable (1100), and the other end of the third coaxial cable (1300) is connected to the other end of the fourth coaxial cable (1400).
상기 제1입력포트(1210)와 제2입력포트(1310) 사이에는 50Ω의 입력저항(R1)이 연결되어 있고, 제2동축케이블(1200)과 제3동축케이블(1300)의 타측 즉 출력단 사이에도 50Ω의 출력저항(R2)이 연결되어 있다.An input resistance (R1) of 50Ω is connected between the first input port (1210) and the second input port (1310), and an output resistance (R2) of 50Ω is also connected between the other side, i.e., the output terminal, of the second coaxial cable (1200) and the third coaxial cable (1300).
아울러, 상기 교차된 제2동축케이블(1200)과 제2동축케이블(1300)은 페라이트 트로이드(1500) 즉 페라이트 코어에 감겨지는 구조를 갖는다.In addition, the above-mentioned crossed second coaxial cable (1200) and second coaxial cable (1300) have a structure in which they are wound around a ferrite toroid (1500), i.e., a ferrite core.
상기 임피던스 변환부(2000)의 일단은 상기 전송선 결합부(1000)의 출력단과 연결되는 구조를 가지는데, 각각 35Ω의 임피던스를 갖는 제5동축케이블(2100), 제6동축케이블(2200), 그리고 제7동축케이블(2300)로 구성되고, 이중 제5동축케이블(2100)과 제6동축케이블(2300)의 외측으로는 페라이트(2110,2210)가 각각 둘러싸여 배치되는 구조를 가지게 되며, 제5동축케이블(2100)의 타단은 출력포트(2400)와 연결된다.One end of the above impedance conversion unit (2000) has a structure in which it is connected to the output end of the above transmission line coupling unit (1000), and is composed of a fifth coaxial cable (2100), a sixth coaxial cable (2200), and a seventh coaxial cable (2300), each having an impedance of 35Ω. Among these, the fifth coaxial cable (2100) and the sixth coaxial cable (2300) have a structure in which ferrites (2110, 2210) are arranged to surround the outside of each, and the other end of the fifth coaxial cable (2100) is connected to an output port (2400).
또한, 제5동축케이블(2100)과 제6동축케이블(2200)의 내부선로 일단은 상기 전송선 결합부(1100)와 연결되고, 제6동축케이블(2200)의 일단에서 외부선로와 제7동축케이블(2300)의 내부선로 일단과 연결되며, 타단에서는 제5동축케이블(2100)의 외부선로가 제6동축케이블(2200) 및 제7동축케이블(2300)의 외부선로와 연결됨과 아울러 제6동축케이블(2200)과 제7동축케이블(2300)의 외부선로가 서로 연결되는 구조를 갖는다.In addition, the internal line end of the fifth coaxial cable (2100) and the sixth coaxial cable (2200) is connected to the transmission line coupling unit (1100), the external line at one end of the sixth coaxial cable (2200) is connected to the internal line end of the seventh coaxial cable (2300), and at the other end, the external line of the fifth coaxial cable (2100) is connected to the external lines of the sixth coaxial cable (2200) and the seventh coaxial cable (2300), and the external lines of the sixth coaxial cable (2200) and the seventh coaxial cable (2300) are connected to each other.
이러한 구조를 갖는 고전력 컴바이너(400)의 전송선 결합부(1000)와 임피던스 변환부(2000)로 구성되며, 원하지 않는 공통 모드 전류 억제를 위해 페라이트를 사용하게 된다.A high-power combiner (400) having this structure is composed of a transmission line coupling section (1000) and an impedance conversion section (2000), and ferrite is used to suppress unwanted common mode current.
동축 케이블 또는 전송라인의 정상적인 작동 모드에서 내부 도체에 전류가 존재하는 경우 동일한 양의 반대 방향 전류가 실드에 존재해야 하며, 이를 차동 모드 전류라고 한다.In normal operating mode of a coaxial cable or transmission line, if a current exists in the inner conductor, an equal amount of opposite current must exist in the shield, which is called differential mode current.
따라서 전류의 불균형 상태는 동축 케이블 또는 전송선에서 차동 모드 전류와 공통 모드 전류가 공존하는 형태인데, 동축 케이블이 본 발명과 같이 페라이트 토로이드 주위에 감겨 있거나 판 형태의 페라이트가 동축 케이블을 둘러싸도록 배치되면, 공통 모드 전류는 페라이트에 의해 유도된 높은 임피던스에 의해 억제되는 반면 차동 모드 전류는 영향을 받지 않게 된다.Therefore, the current imbalance is a form in which differential mode current and common mode current coexist in a coaxial cable or transmission line. When a coaxial cable is wound around a ferrite toroid as in the present invention or a plate-shaped ferrite is arranged to surround the coaxial cable, the common mode current is suppressed by the high impedance induced by the ferrite, while the differential mode current is not affected.
페라이트는 복소 투자율을 갖는 자성체로서, 공통 모드 전류에 대해 동축 케이블에 유도된 인덕턴스는 복소 투자율의 실수부에 비례한다.Ferrite is a magnetic material with complex permeability, and the inductance induced in a coaxial cable for common mode current is proportional to the real part of the complex permeability.
투자율의 허수부는 페라이트의 전력 손실에 영향을 끼치게 되는데, 전력 손실은 주로 도체와 동축 케이블의 유전 손실, 그리고 주변 페라이트의 저항 손실로 인해 발생한다.The imaginary part of the investment rate affects the power loss of the ferrite, which is mainly caused by the dielectric loss of the conductor and coaxial cable, and the resistive loss of the surrounding ferrite.
따라서, 페라이트의 전력 손실은 전력 결합기의 전체 효율을 저하시키게 되고, 이러한 효율 저하에 비례하여 컴바이너의 삽입 손실이 증가하며, 합산 포트의 전력이 감소하게 되는 것이다.Therefore, the power loss of the ferrite reduces the overall efficiency of the power combiner, and in proportion to this decrease in efficiency, the insertion loss of the combiner increases, and the power of the summing port decreases.
또한, 투자율의 실수부는 온도에 따라 변화하게 되고, 원치 않는 공통 모드 전류가 동축 케이블 또는 전송 라인에 나타나게 되므로 컴바이너의 전력 손실에 큰 영향을 끼치게 되며, 이로 인해 컴바이너의 성능을 저하시키는 요인이 되는 것이다.In addition, the real part of the investment rate changes with temperature, and unwanted common mode current appears in the coaxial cable or transmission line, which has a significant impact on the power loss of the combiner, and this becomes a factor that deteriorates the performance of the combiner.
따라서, 공통 모드 전류를 차단하는 것이 컴바이너의 성능의 유지하는데 큰 영향을 끼치는 것이다.Therefore, blocking the common mode current has a great impact on maintaining the performance of the combiner.
상기 전송선 결합부(1000)가 정상적인 동작을 하는 경우에는 교차된 제2동축케이블(1200)과 제3동축케이블(1300)에 의해 유도된 자속밀도가 제1동축케이블(1100)과 제4동축케이블(1400)에 대해 반대 방향을 가지기 때문에 코어 내의 자속이 상쇄된다.When the above transmission line coupling unit (1000) operates normally, the magnetic flux density induced by the crossed second coaxial cable (1200) and third coaxial cable (1300) has the opposite direction to that of the first coaxial cable (1100) and fourth coaxial cable (1400), so the magnetic flux within the core is canceled.
그러나, 입력포트(1210,1310)에 연결된 제1 및 제2증폭부(310,320)가 오작동하는 경우에는 동축케이블(1100~1400)에 종방향 전압이 발생하므로, 원하지 않는 공통 모드 전류가 흐르게 된다.However, if the first and second amplifiers (310, 320) connected to the input ports (1210, 1310) malfunction, a longitudinal voltage is generated in the coaxial cable (1100 to 1400), causing an unwanted common mode current to flow.
또한, 길이방향으로 동축케이블(1100~1400)을 따라 전압이 존재하게 되면, 공통 모드 전류가 여기되며, 페라이트 토로이드(1500)는 이러한 공통 모드 전류를 억제하게 된다.Additionally, when a voltage exists along the coaxial cable (1100 to 1400) in the longitudinal direction, a common mode current is excited, and the ferrite toroid (1500) suppresses this common mode current.
도3은 정상적인 작동 조건에서 전송선 결합부(1000)의 합산된 동축케이블(1100~1400)의 전류 흐름 방향과 전압을 보여주는 것으로서, 저항(R1,R2)에는 전류가 없으므로 결과적으로 전력 손실이 발생하지 않게 된다.Figure 3 shows the current flow direction and voltage of the combined coaxial cable (1100 to 1400) of the transmission line coupling unit (1000) under normal operating conditions. Since there is no current in the resistors (R1, R2), no power loss occurs as a result.
전송선 결합부(1000)의 두 입력 포트(1210,1310)는 50Ω으로 정합되고, 합산 포트의 임피던스(R5)는 25Ω이 된다.The two input ports (1210, 1310) of the transmission line coupling unit (1000) are matched to 50Ω, and the impedance (R5) of the summing port is 25Ω.
따라서, 동축케이블(1100~1400)의 전압 대 전류 비율이 25Ω이 되도록 강제하게 되고, 이는 동축케이블(1100~1400)의 특성 임피던스 25Ω과 동일하게 되는 것이다.Therefore, the voltage-to-current ratio of the coaxial cable (1100~1400) is forced to be 25Ω, which is the same as the characteristic impedance of the coaxial cable (1100~1400) of 25Ω.
차동 모드 전류는 동축케이블(1100~1400)의 연결방식에 의해 정상적인 작동 조건에서 전송선 결합부(1000)의 정상적인 동작인 유지하게 되고, 동축케이블(1100~1400)의 일측부위와 타측부위에서 반사파가 발생하지 않게 된다.The differential mode current is maintained as a normal operation of the transmission line coupling unit (1000) under normal operating conditions by the connection method of the coaxial cable (1100 to 1400), and no reflected waves are generated at one side or the other side of the coaxial cable (1100 to 1400).
상기 임피던스 변환부(2000)는 전송선 결합부(1000)의 합산 포트 임피던스를 50Ω으로 단계적으로 조정하게 되는데, 이때 동축케이블(2100,2200,2300)의 특성 임피던스는 35Ω이다.The above impedance conversion unit (2000) adjusts the sum port impedance of the transmission line coupling unit (1000) in steps to 50Ω, and at this time, the characteristic impedance of the coaxial cable (2100, 2200, 2300) is 35Ω.
임피던스 변환부(2000)의 각 동축케이블(2100,2200,2300)의 임피던수는 전압(V)과 차동 모드 전류(I)에 의해 35Ω의 임피던스를 가지게 된다.The impedance of each coaxial cable (2100, 2200, 2300) of the impedance conversion unit (2000) has an impedance of 35Ω due to the voltage (V) and differential mode current (I).
도4는 임피던스 변환부(2000)의 전류와 전압관계를 보여주는 도이다.Figure 4 is a diagram showing the current and voltage relationship of the impedance conversion unit (2000).
이러한 임피던스 변환부(2000)의 정합을 위하여 동축케이블(2100,2200,2300)에서 반사파가 발생하지 않아야 되는데, 동축케이블(2100,2200,2300)의 전압파가 변하지 않고, 유입되는 전류파의 크기도 변화없이 흐르게 되면 정합이 이루어지게 된다.In order to match this impedance conversion unit (2000), no reflected waves should be generated from the coaxial cable (2100, 2200, 2300). Matching is achieved when the voltage wave of the coaxial cable (2100, 2200, 2300) does not change and the size of the incoming current wave flows without change.
임피던스 변환 비율은 입력 포트(1210,1310)의 전압 대 전류 비율과 출력 포트(2400)의 전압 대 전류 비율로 계산되며, 길이 방향으로 동축케이블(2100,2200)을 따라 전압이 존재하면 공통 모드 전류가 여기된다.The impedance transformation ratio is calculated from the voltage-to-current ratio of the input port (1210, 1310) and the voltage-to-current ratio of the output port (2400), and when a voltage exists along the coaxial cable (2100, 2200) in the longitudinal direction, a common mode current is excited.
이때, 페라이트(2110,2210)는 공통 모드 전류 억제용으로 사용된다.At this time, ferrite (2110, 2210) is used to suppress common mode current.
이러한 고전력 컴바이너(400)의 출력에서의 출력전력과 피크전압과의 관계를 다음 수학식1에 나타내었다.The relationship between the output power and peak voltage at the output of this high-power combiner (400) is shown in the following mathematical expression 1.
1㎾의 출력 전력을 가지는 경우에는 출력포트(2400)에 316V의 전압이 출력되고, 출력 전압의 1/3은 두 개의 페라이트(2110,2210)에 나타나게 된다. When the output power is 1 kW, a voltage of 316 V is output to the output port (2400), and 1/3 of the output voltage appears on two ferrites (2110, 2210).
또한, 복소 투자율을 가진 페라이트(2110,2210)를 따라 고주파 전압이 발생하면, 전송선 결합부(1000)의 전력 손실은 물론 전반적인 효율 저하가 발생하게 되고, 페라이트(2110,2210)의 전력은 열로 손실되므로 공통 모드 전류를 억제하는 억제 수단으로서의 페라이트(2210,2210)가 정상적인 동작을 하지 못하게 된다.In addition, when a high-frequency voltage is generated along a ferrite (2110, 2210) having a complex investment rate, power loss of the transmission line coupling unit (1000) as well as a decrease in overall efficiency occur, and since the power of the ferrite (2110, 2210) is lost as heat, the ferrite (2210, 2210) as a suppression means for suppressing the common mode current cannot operate normally.
결국, 전력 처리 능력이 감소함에 따라 페라이트를 구성하는 재료의 중요성이 커지게 된다.Ultimately, as power handling capability decreases, the material that makes up the ferrite becomes more important.
한편, 고전력 컴바이너(400) 구성에 사용되는 케이블은 PTFE(Polytetrafluoroethylene)와 같은 고품질, 저손실 유전체 재료와 외경 0.086인치의 세미 플렉시블 케이블을 사용하게 되고, 본 발명에서 적용된 동축케이블은 500MHz에서 최대 350W를 처리할 수 있게 되며, 주파수의 감소에 따라 전력 처리 능력이 증가하게 되는 것이다.Meanwhile, the cable used in the configuration of the high-power combiner (400) uses a high-quality, low-loss dielectric material such as PTFE (Polytetrafluoroethylene) and a semi-flexible cable with an outer diameter of 0.086 inches, and the coaxial cable applied in the present invention can handle a maximum of 350 W at 500 MHz, and the power handling capability increases as the frequency decreases.
또한, 페라이트 토로이드(1500)와 페라이트(2110,2210)도 전력 처리 능력을 증가시키는데 큰 역할을 하게 되는데, 공통 모드 전류를 억제하는 이러한 페라이트들은 니켈 아연(NiZn) 페라이트인 재료 61을 사용하는 것이 바람직하며, 페라이트 재료 61(재료 K라고도 한다)은 초기 투자율이 125를 갖는다.In addition, ferrite toroids (1500) and ferrites (2110, 2210) also play a large role in increasing the power handling capability. These ferrites that suppress common mode current preferably use material 61, which is nickel zinc (NiZn) ferrite, and ferrite material 61 (also called material K) has an initial permeability of 125.
페라이트 재료 61의 복소 투자율을 도5에 도시하였다.The complex permeability of ferrite material 61 is shown in Fig. 5.
동축케이블이 복소 투자율 μ'+jμ''을 갖는 페라이트 토로이드에 감기거나 동축케이블의 주위에 페라이트에 배치됨으로써 수학식2에 의한 복소 임피던스가 주어진다.The complex impedance according to Equation 2 is given by winding the coaxial cable around a ferrite toroid having a complex permeability μ'+jμ'' or placing ferrite around the coaxial cable.
여기서 A는 자속 경로를 가로지르는 자기 코어의 면적이고, l은 코어의 자속 경로의 길이이다.Here, A is the area of the magnetic core crossing the flux path, and l is the length of the flux path in the core.
이러한 복소 임피던스의 실수부는 전력 손실과 열 발산을 담당하고, 계수 μ'A/l은 코어의 인덕턴스 계수이며, 1회전 코일의 인덕턴스와 동일하다.The real part of this complex impedance accounts for power loss and heat dissipation, and the coefficient μ'A/l is the inductance coefficient of the core, which is equal to the inductance of a single-turn coil.
직렬 임피던스는 다음 수학식3과 수학식 4의 관계를 통해 등가 병렬 리액턴스로 변환될 수 있다.The series impedance can be converted into an equivalent parallel reactance through the relationship in the following mathematical equations 3 and 4.
여기서, Rp와 Xp는 각각 등가 병렬 저항과 리액턴스이다.Here, Rp and Xp are the equivalent parallel resistance and reactance, respectively.
만일 페라이트 토로이드와 페라이트의 코어 양단에 전압(V)이 존재한다면, 등가병렬저항에서 소비되는 전력은 다음 수학식5와 같이 나타난다.If a voltage (V) exists across the ferrite toroid and the ferrite core, the power consumed in the equivalent parallel resistance is expressed as in the following mathematical expression 5.
페라이트의 또 다른 중요한 제한 매개변수는 전력 손실 밀도이다. 전력 손실 밀도는 등가 병렬 저항을 총 코어 부피로 나눈 페라이트의 총 전력 손실이다, 이때 페라이트 재료 61의 전력 손실 밀도는 350mW/cm3이며, 적절한 동작을 위해서 이를 초과해서는 안될 것이다. Another important limiting parameter for ferrites is the power loss density. This is the total power loss in the ferrite, calculated by dividing the equivalent parallel resistance by the total core volume. The power loss density of ferrite material 61 is 350 mW/cm 3 , and should not be exceeded for proper operation.
상기 수학식5에 따르면, 페라이트의 등가 병렬 저항에 대한 전력 손실은 코어 치수에 따라 다르게 나타나며, 부피가 큰 페라이트를 사용하면 페라이트 코어의 전력 처리가 향상되는 것이다. According to the above mathematical expression 5, the power loss for the equivalent parallel resistance of the ferrite varies depending on the core dimensions, and using a ferrite with a large volume improves the power handling of the ferrite core.
도4에서와 같이 임피던스 변환기(2000)는 Amidon사의 BN-61-002 2핵 코어를 직렬로 사용하였다. 동축 케이블(2100,2200,2300)의 길이는 코어에 감길 수 있을 만큼 충분히 길어야 하고, 최고 동작 주파수의 반파장보다 짧아야 한다.As shown in Fig. 4, the impedance converter (2000) uses Amidon's BN-61-002 dual-core in series. The length of the coaxial cable (2100, 2200, 2300) must be long enough to be wound around the core and shorter than half a wavelength of the highest operating frequency.
동축 케이블(2100,2200,2300)의 쉴드와 접지면 위에 장착된 동축 케이블의 접지면 사이에는 항상 전송라인이 존재하고. 쉴드와 접지면 사이에 전송라인이 있으면 동축 케이블(2100,2200) 길이의 상한선이 설정된다.There is always a transmission line between the shield and the ground plane of the coaxial cable (2100, 2200, 2300). The presence of a transmission line between the shield and the ground plane sets an upper limit on the length of the coaxial cable (2100, 2200).
예를 들어, 동축 케이블(2100,2200,2300)의 길이가 반파장 길이이고, 일측에서 쉴드를 통해 접지된 동축 케이블은 쉴드와 접지면 사이의 전송 라인의 임피던스 변환 작용을 통해 타측에서 접지가 이루어지며, 도6에서 이를 개략적으로 도시하였다.For example, a coaxial cable (2100, 2200, 2300) has a half-wave length and is grounded through a shield on one side, and is grounded on the other side through an impedance conversion effect of a transmission line between the shield and the ground plane, as schematically illustrated in Fig. 6.
따라서, 원치 않는 임피던스 부하를 회피하기 위해 파장의 8배 이하인 동축 케이블을 사용하는 것이 바람직하다Therefore, it is desirable to use a coaxial cable less than 8 times the wavelength to avoid unwanted impedance loading.
1kW 고출력 컴바이너에서 동축 케이블의 길이는 직렬로 연결된 두 개의 이핵 코어에서 한 바퀴 감길 수 있을 만큼 충분히 길어야 하고, 반면에 동축 케이블은 최대 동작 주파수를 위해 반파장보다 짧아야 한다.In a 1 kW high-power combiner, the coaxial cable must be long enough to wrap one turn around two heterocores connected in series, while the coaxial cable must be shorter than half a wavelength for maximum operating frequency.
예를 들면, 컴바이너가 30 ~ 500MHz의 주파수 범위용으로 설계되었으면, 동축 케이블 길이는 13cm로 선택되는 것이 바람직한 것이다.For example, if the combiner is designed for a frequency range of 30 to 500 MHz, it is desirable to select a coaxial cable length of 13 cm.
직렬로 장착된 BN-61-002 페라이트 코어의 주위에 1바퀴 감은 동축 케이블의 등가 병렬 저항은 상기 수학식3에 의해 계산되고, 코어의 인덕턴스 계수를 사용하며, 그 결과를 도7에 도시하였다.The equivalent parallel resistance of a coaxial cable wound one turn around a BN-61-002 ferrite core mounted in series is calculated by the above mathematical formula 3, using the inductance coefficient of the core, and the result is shown in Fig. 7.
이러한 등가 병렬 저항은 페라이트 코어 내부 케이블의 실드와 병렬로 나타난다.This equivalent parallel resistance appears in parallel with the shield of the cable inside the ferrite core.
2개의 이핵 코어에서 1kW 출력 전력에 대한 전력 손실과 이에 따른 전력 손실 밀도는 수학식5에 나타내었고, 도8에 도시하였다.The power loss and the resulting power loss density for 1 kW output power in two heteronuclear cores are expressed in Equation 5 and illustrated in Fig. 8.
도8에서는 출력 전력이 1kW를 초과하지 않고, 주파수가 30 ~ 500MHz 범위에 있는 경우 페라이트 코어의 손실이 허용 범위에 있음을 보여준다.Figure 8 shows that the loss of the ferrite core is within an acceptable range when the output power does not exceed 1 kW and the frequency is in the range of 30 to 500 MHz.
또한, 2핵 페라이트 코어와 알루미늄으로 이루어진 컴바이너의 케이스 사이의 열전도성 실리콘 접착제의 박층 효과도 시뮬레이션되었다.Additionally, the effect of a thin layer of thermally conductive silicone adhesive between the two-core ferrite core and the case of the combiner made of aluminum was also simulated.
즉, 실리콘 접착제의 열전도율은 -50º~ 200º의 온도 범위에서 1.2W/mK이고, 페라이트 코어를 알루미늄 케이스에 붙이는 데 사용되는 열전도성 접착제의 두께는 약 0.5mm이다.That is, the thermal conductivity of the silicone adhesive is 1.2 W/mK in the temperature range of -50º to 200º, and the thickness of the thermally conductive adhesive used to attach the ferrite core to the aluminum case is approximately 0.5 mm.
케이스 온도는 80℃로 설정되고, 코어 내부의 평면에서 케이스에 평행하게 소비되는 전력은 8.2W이다. The case temperature is set to 80℃, and the power dissipated parallel to the case on the plane inside the core is 8.2W.
이러한 수치는 도8에 표시된 최대 전력 손실량과 일치한다.These figures are consistent with the maximum power loss shown in Figure 8.
또한, 열 흐름은 케이스 평면에 수직으로 나타나고, NiZn 페라이트 재료의 열전도율은 35 ~ 43mW cm-1℃-1이다.Additionally, the heat flow appears perpendicular to the case plane, and the thermal conductivity of the NiZn ferrite material is 35 to 43 mW cm -1 ℃ -1 .
도9는 열 시뮬레이션 결과를 보여주는 도로서, 최대 온도 상승은 118℃이며, 퀴리 온도인 350℃보다 훨씬 낮다.Figure 9 shows the results of the thermal simulation, with the maximum temperature rise being 118°C, which is much lower than the Curie temperature of 350°C.
따라서, 전력 컴바이너를 조립할 때 모든 페라이트 코어는 얇은 열 전도성 실리콘으로 알루미늄 케이스에 부착되는 것이 바람직한 것이다.Therefore, when assembling a power combiner, it is desirable that all ferrite cores be attached to an aluminum case with a thin thermally conductive silicone.
전송선 컴바이너(2000)의 합산 부분은 도3에서 이미 도시하였으며, 두 개의 동축 케이블(1200,1300)로 교차되어 구성되며, 페라이트 토로이드(1500)에 감겨진 상태를 갖는다.The summing part of the transmission line combiner (2000) is already illustrated in Fig. 3, and is composed of two coaxial cables (1200, 1300) crossed and wound around a ferrite toroid (1500).
전송선 컴바이너(2000)의 입력 포트에서 동위상 여기의 경우 코어의 자속이 상쇄된 것을 나타나고, 입력포드(1210,1310)에 연결된 전력 증폭기 중 하나가 고장난 상태를 에뮬레이트하는 단일 포트 여기의 경우를 도10에 개략적으로 도시하였다.In the case of in-phase excitation at the input port of the transmission line combiner (2000), the core flux is canceled, and in the case of single port excitation, which emulates a state in which one of the power amplifiers connected to the input port (1210, 1310) is faulty, the case is schematically illustrated in Fig. 10.
따라서, 전송선 결합부(1000)에서 적용된 500W는 출력 포트(2400)와 절연 저항(R3,R4) 사이에서 분배되어 나타난다.Therefore, the 500 W applied at the transmission line coupling unit (1000) is distributed between the output port (2400) and the insulation resistors (R3, R4).
이러한 조건에서 컴바이너의 분석을 위해 다른 입력 포트는 절연된 것으로 가정하고, 여기된 입력 포트(1210,1310) 및 합산 포트(1600)는 각각 50Ω 및 25Ω으로 일치하여 나타난다.For the analysis of the combiner under these conditions, the other input ports are assumed to be isolated, and the input ports (1210, 1310) and the summing port (1600) are shown to be matched to 50Ω and 25Ω, respectively.
절연 저항기(R3,R4)의 전압 및 전류는 각 저항에서 125W의 전력 손실을 나타낸다.The voltage and current across the insulation resistors (R3, R4) indicate a power loss of 125 W across each resistor.
합산 부분에서 페라이트 토로이드(1500)의 전력 처리는 임피던스 변환부(2000)와 유사하게 계산되는데, 교차된 동축 케이블(1200,1300)을 따르는 전압은 직렬로 연결되어 있고 토로이드 전체에 나난다.In the summation section, the power handling of the ferrite toroid (1500) is calculated similarly to the impedance transformation section (2000), with the voltage along the crossed coaxial cables (1200, 1300) being connected in series and distributed across the toroid.
또한, 토로이드 4개를 적층하여 페라이트 토로이드(1500)를 구성함으로써 페라이트 코어의 전력 손실 밀도를 증가시킬 수 있으며, 이러한 등가 병렬 저항은 적층된 토로이드의 체적을 고려하여 수학식3에 의해 계산될 수 있다.In addition, the power loss density of the ferrite core can be increased by stacking four toroids to form a ferrite toroid (1500), and this equivalent parallel resistance can be calculated by mathematical expression 3 by considering the volume of the stacked toroids.
이때, 토로이드 양단의 등가 전압은 250V이다.At this time, the equivalent voltage across the toroid is 250 V.
도10은 고전력 컴바이너(400)의 S-매개변수(Scattering parameters)의 크기를 보여주는데, 컴바이너의 삽입 손실은 최대 500MHz까지 최대 0.65dB인데, 이는 주로 어셈블리의 불균형으로 인해 발생한다.Figure 10 shows the size of the S-parameters (Scattering parameters) of a high-power combiner (400), and the insertion loss of the combiner is a maximum of 0.65 dB up to 500 MHz, which is mainly caused by the imbalance of the assembly.
전송선 결합부(1000)의 출력을 임피던스 변환부(2000)를 구성하는 25Ω의 임피던스를 갖는 동축케이블(2100,2200)의 입력으로 연결하기 위해 직경 0.086", 50Ω의 임피던스를 갖는 2개의 동축 케이블을 병렬로 사용하였다.In order to connect the output of the transmission line coupling unit (1000) to the input of a coaxial cable (2100, 2200) having an impedance of 25Ω that constitutes the impedance conversion unit (2000), two coaxial cables having a diameter of 0.086" and an impedance of 50Ω were used in parallel.
본 발명의 고전력 컴바이너(400)의 삽입 손실, 반사 손실 및 절연은 벡터 네트워크 분석기로 30~500MHz의 주파수 범위에서 측정하였는데, 삽입 손실(S13 및 S23)과 두 채널(∠S13 - ∠S23) 사이의 삽입 위상 차이를 도11에 도시하였다.The insertion loss, reflection loss, and insulation of the high-power combiner (400) of the present invention were measured in the frequency range of 30 to 500 MHz using a vector network analyzer, and the insertion loss (S13 and S23) and the insertion phase difference between the two channels (∠S13 - ∠S23) are shown in Fig. 11.
또한, 도12는 출력 반사 손실(S33), 입력 포트(S11 및 S22)의 반사 손실, 2개의 입력포트(S12) 사이의 절연 상태를 각각 보여준다.Additionally, Fig. 12 shows the output reflection loss (S33), the reflection loss of the input ports (S11 and S22), and the insulation status between the two input ports (S12), respectively.
결국, 이러한 고전력 컴바이너(400)의 구성에 의해 고출력의 무선 신호의 전송을 위한 증폭장치를 구현될 수 있는 것이다.Ultimately, an amplifier for transmitting a high-power wireless signal can be implemented by configuring such a high-power combiner (400).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 예일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. As described above, specific parts of the present invention have been described in detail. It will be apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
100 : 구동 증폭부
200 : 분배부
310,320 : 증폭부
400 : 고전력 컴바이너
500 : 저역필터
600 : 양방향 커플러
700 : 송신단
800 : 전원공급부
900 : 제어부
1000 : 전송선 결합부
1100 ~ 1400 : 동축케이블
1210,1310 : 입력포트
1500 : 페라이트 토로이드
1600 : 합산포트
2000 : 임피던스 변환부
2100,2200,2300 : 동축케이블
2110,2210 : 페라이트
2400 : 출력포트 100: Drive amplifier
200: Distribution Department
310,320: Amplifier
400: High-power combiner
500: Low-pass filter
600: Bidirectional coupler
700: Transmitter
800: Power supply unit
900: Control Unit
1000: Transmission line coupling
1100 ~ 1400: Coaxial cable
1210,1310: Input port
1500: Ferrite toroid
1600: Combined Port
2000: Impedance conversion unit
2100, 2200, 2300: Coaxial cable
2110,2210: Ferrite
2400: Output port
Claims (5)
상기 고전력 컴바이너는
입력포트에서 50Ω의 임피던스와 합산 포트에서 25Ω의 임피던스를 갖는 전송선 결합부;
상기 합산 포트에 연결되어 25Ω의 임피던스를 50Ω으로 변환하는 1:2 임피던스 변환부;로 구성되고,
상기 전송선 결합부는
각각 25Ω의 임피던스를 갖는 제1동축케이블, 제2동축케이블, 제3동축케이블, 그리고 제4동축케이블로 구성되고, 상기 제2동축케이블과 제3동축케이블은 서로 교차되도록 구성되며, 상기 제2동축케이블의 일단이 제2입력포트와 연결되면서 상기 제1동축케이블과 연결됨과 아울러 상기 제3동축케이블의 일단이 제1입력포트와 연결되면서 상기 제4동축케이블과 연결되며,
상기 제2동축케이블의 타단은 상기 제3동축케이블의 타단과 하나로 합산되어 상기 임피던스 변환부의 입력으로 연결되고, 상기 제2동축케이블의 타단은 상기 제1동축케이블의 타단과 연결됨과 아울러 제3동축케이블의 타단은 상기 제4동축케이블의 타단과 연결되며,
상기 제1증폭부와 제2증폭부가 각각 연결된 제1입력포트와 제2입력포트 사이에는 50Ω의 입력저항이 연결되어 있고, 상기 제2동축케이블과 제3동축케이블의 타측인 출력 사이에도 50Ω의 출력저항이 연결되며,
상기 교차된 제2동축케이블과 제2동축케이블은 페라이트 트로이드에 감겨지도록 구성됨과 아울러,
상기 임피던스 변환부는
각각 35Ω의 임피던스를 갖는 제5동축케이블, 제6동축케이블, 그리고 제7동축케이블로 구성되고, 이중 제5동축케이블과 제6동축케이블의 외측으로는 페라이트가 각각 둘러싸여 배치되는 구조를 가지며, 제5동축케이블의 타단은 상기 저역필터와 연결된 출력포트와 연결됨과 아울러,
상기 제5동축케이블과 제6동축케이블의 내부선로 일단은 상기 전송선 결합부와 연결되고, 제6동축케이블의 일단에서 외부선로와 제7동축케이블의 내부선로 일단과 연결되며, 타단에서는 제5동축케이블의 외부선로가 제6동축케이블 및 제7동축케이블의 외부선로와 연결됨과 아울러 제6동축케이블과 제7동축케이블의 외부선로가 서로 연결되는 구조를 갖는 특징으로 하는 고출력 무선 증폭장치.A high-power wireless amplifier device comprising: a driving amplifier for automatically adjusting an input level of an RF signal of 42 to 43 MHz 5 W, a distribution unit for distributing the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W output from the driving amplifier to two outputs, a pair of first and second amplifiers for receiving the RF signal of 42 to 43 MHz 5 W distributed from the distribution unit and amplifying the signal to have a high output of 25 dB, a high-power combiner for receiving and combining RF signals output from the first and second amplifiers, a low-pass filter for removing a signal exceeding a selected signal among RF signals output from the high-power combiner and passing a signal below the selected signal, a bidirectional coupler for distributing the RF signal output from the low-pass filter, and a transmitter for transmitting the output of the bidirectional coupler as a wireless signal by switching;
The above high power combiner
A transmission line coupling having an impedance of 50Ω at the input port and an impedance of 25Ω at the summing port;
It is composed of a 1:2 impedance conversion unit that is connected to the above summing port and converts an impedance of 25Ω to 50Ω;
The above transmission line coupling part
It is composed of a first coaxial cable, a second coaxial cable, a third coaxial cable, and a fourth coaxial cable, each having an impedance of 25Ω, and the second coaxial cable and the third coaxial cable are configured to cross each other, and one end of the second coaxial cable is connected to the second input port and is connected to the first coaxial cable, and one end of the third coaxial cable is connected to the first input port and is connected to the fourth coaxial cable.
The other end of the second coaxial cable is combined with the other end of the third coaxial cable and connected to the input of the impedance converter, and the other end of the second coaxial cable is connected to the other end of the first coaxial cable, and the other end of the third coaxial cable is connected to the other end of the fourth coaxial cable.
An input resistance of 50Ω is connected between the first input port and the second input port to which the first amplifier and the second amplifier are respectively connected, and an output resistance of 50Ω is also connected between the outputs of the other sides of the second coaxial cable and the third coaxial cable.
The above crossed second coaxial cable and the second coaxial cable are configured to be wound around a ferrite toroid,
The above impedance conversion part
It is composed of a 5th coaxial cable, a 6th coaxial cable, and a 7th coaxial cable, each having an impedance of 35Ω, and has a structure in which ferrite is surrounded and arranged on the outside of the 5th and 6th coaxial cables, and the other end of the 5th coaxial cable is connected to the output port connected to the low-pass filter,
A high-power wireless amplifier characterized by a structure in which one end of the inner line of the fifth and sixth coaxial cables is connected to the transmission line coupling portion, one end of the sixth coaxial cable is connected to the outer line and one end of the inner line of the seventh coaxial cable, and at the other end, the outer line of the fifth coaxial cable is connected to the outer lines of the sixth and seventh coaxial cables, and the outer lines of the sixth and seventh coaxial cables are connected to each other.
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