I-Laboratory 고주파회로교실 ~ RFDH version ~
[ IV. Passive Circuit Part 1 ]


목차
1. Open Stub&Short Stub
2. 분배기/합성기    (1) 2 분배선로

2. 분배기/합성기 (Divider/Combiner)

(2) Wilkinson Coupler

가장 간단한 형태의 Wilkonson Coupler의 시뮬레이션회로와 결과를 <그림 4-6>에 나타내었습니다. 특성 임피던스가   *Zo 인 λ/4 길이의 전송선로 2개와, 2*Zo 의 저항 1개로 구성되어 있습니다.

       (a) 시뮬레이션 회로

       (b) S11 (port 1 입력임피던스)                          (c) S22 (port 2 입력임피던스)

   (d) S21 (loss : port 1 → port 2)                        (e) S32 (Isolation : port 2 → port 3)

<그림 4-6> Wilkinson Coupler

어떤가요? 앞의 (1)절에서 보였던 2 분배회로의 결과와 비교하면, 모든 특성이 확연히 좋다는게 한눈에 보입니다. 우선 스미스차트 중앙부에 여러 주파수의 임피던스 들이 모이면서, 입출력 매칭이 잘 되고 있습니다. 또한 S21은 정확히 -3dB를 보임으로써 정확하게 반반씩 전력이 잘 분배되었고, S23은 -50dB 이하의 매우 작은 값이 되어 port 2 와 port 3 간의 isolation이 매우 잘되었음을 알 수 있습니다. 

만약 기판상에 공간상의 여유가 있다면, 입력 port 1에 λ/4 선로까지 추가하면 특성을 더욱 좋게 할 수도 있습니다. 이 경우의 결과를 아래 <그림 4-7>에 나타내었습니다. 잘 보시면 스미스차트 중앙에 거의 모든 주파수의 임피던스들이 모이고, S21이 거의 전대역에서 완벽하게 -3dB를 나타냄으로써, 입출력 매칭이 보다 광대역으로 되었다는 것을 알 수 있습니다.

   (a) 시뮬레이션 회로

       (b) S11 (port 1 입력임피던스)                          (c) S22 (port 2 입력임피던스)

   (d) S21 (loss : port 1 → port 2)                        (e) S32 (Isolation : port 2 → port 3)

<그림 4-7> 좀더 개선된 Wilkinson Coupler

그런데, 이러한 Wilkinson Coupler를 실제로 만드는 경우에 가장 문제가 되는 부분이 바로 선로가 분기되는 부분입니다. 위의 시뮬레이션에서는 분기부분이 어떠한지에 대한 문제는 무시하고 있기 때문에, 이상적인 특성을 얻을 수 있었습니다. 하지만 이러한 분기구조의 형상에 따른 특성은, 주파수와 기판 등의 주변 환경에 따라 원치않는 영향을 줄 수 있습니다. 이런 나쁜 영향을 어떻게 줄여서 보상하느냐가 바로 설계자의 실력이 되기도 합니다.

분기 형상은 크게 <그림 4-8>에 나타낸 것처럼 T형과 Y형의 두가지로 나눌 수 있습니다. 선로를 자르고 붙이고.... 때론 시뮬레이션을 정교하게 이용하여 자신만의 형상과 배치를 가지는 wilkinson coupler를 만들어보시길 바랍니다. ^^


    (a) T 형                                   (b) Y형
 <그림 4-8> 선로의 분기 형태

여기까지는 분배기(divider)로서만 얘기를 해왔지만, 이 분배기를 반대로 사용하면 합성기(combiner)로 사용할 수 있씁니다. port 2 와 port 3 에 신호를 입력하면, port 1 에서는 두 신호가 합성된 전력의 출력을 얻을 수 있습니다. 그래서 Wilkinson coupler는 간단하게 그냥 combiner 또는 divider 라고도 불리우기도 하죠. 이러한 2 분배기의 출력에 2 분배기를 차례차례 이어가면, 4 분배 / 8분배 / 16분배 ... 등의 결과를 얻을 수도 있습니다.

만약 분배비를 1:1 (균등분배) 하지 않고, 임의의 비율로 전력을 나누려면 어떻게 해야 할까요??
<그림 4-9>에 이러한 비대칭 (부등분배) Wilkinson coupler의 한 예를 나타내었습니다.

<그림 4-9> 비대칭 분배기

다음 >> 2. 분배기/합성기    (3) 좀 더 작고 간단하게 만들 수는 없을까?

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