MWAVE-LABORATORY ~ RFDH version ~

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평형증폭기 (Balanced Amp) 1. Wilkinson Divider 이용

여기서는 윌킨슨 분배기를 이용한 평형증폭기를 소개할까합니다. 이 회로는 증폭기가 병렬로 줄지어 있는 모양으로 인해 para-amp라고도 불리기도 합니다.

☆ 평형 증폭기의 동작 ☆
윗그림은 평형 증폭기(Balanced Amp)의 블록 다이어그램입니다. 입력된 신호는 윌킨슨 분배기 (Wilkinson Divider를 통해 두 가닥으로 신호가 분배되고, 각각 동일한 특성을 가진 AMP1 과 AMP2를 거쳐 다시 윌킨슨 분배기의 합성 기능을 통해 전력이 합성되어 출력됩니다.

☆ 이득 ☆
IN으로부터 입력된 신호는 분배기를 거쳐 두갈래로 분배되기 때문에, 각각의 AMP에서는 IN 에 입력된 전력레벨의 반, 즉 3dB가 감쇠된 전력이 입력됩니다. 그 후에 각각의 AMP를 통해 증폭된 신호가 합성기에 다시 입력되게 되지요.

일반적으로 전력 분배기를 그냥 통과하면 3dB의 감쇠가 있지만, 이 회로에서는 합성기에서 다시 동위상으로 신호가 합성되기 때문에 윌킨슨 분배기 내의 전력평형이 유지되어 저항에 의한 전력 소비는 없습니다. 따라서 이 회로는 이상적으로는 손실이 발생하지 않습니다. (평형 브릿지회로와 같은 상황입니다.) 또한 결국 각각의 AMP 출력이 동위상으로 합성되기 때문에, 합성된 신호는 그 전보다 2배로 전력이 증가하게 됩니다.

결과적으로 각 분배기에 반전력으로 3dB 감쇠된 신호가 들어가고, 합성기로 다시 2배의 3dB가 더해지므로 최종적으로 분배기와 합성기의 전력 손실은 없는 것이지요. 따라서 IN에서 OUT까지 통과하는 신호는, 하나의 AMP를 사용한 단품회로와 동일한 이득을 가지게 됩니다.
(물론 분배기가 완전히 ideal하게 손실이 없지는 않기 때문에 약간의 경로손실은 추가됩니다)

☆ 장점 1 ☆
이 회로의 최대 장점은, 최대출력전력이 단품 AMP에 비해 2배가 된다는 것입니다.

여기서 AMP1, AMP2의 이득이 30dB, 최대 출력이 40dBm(10W) 짜리라고 예를 든다면,

IN 에 13dBm의 전력을 입력합니다. 분배기를 통과한 신호는 각각 10dBm의 전력으로 나뉘어 AMP1과 AMP2에 입력되며 그 출력은 10dBm + 30 dB = 40dBm 이 출력될 것입니다. 합성기에서는 이 두 개의 40dBm 출력전력이 동위상으로 합성될 것이고, OUT 단자의 전력레벨은 43dBm(20W)가 됩니다. 다시 말해서 최대출력 가능한 전력이 40dBm인 AMP를 이용하여 43dBm의 출력을 얻을 수 있다는 것이지요.

겨우 3dB라고요???
전력 증폭기를 설계해보신 분은 아시겠지만 정해진 AMP를 가지고 최대로 출력가능한 전력을 1dB 올리기가 얼마나 힘든지 잘 아실 것입니다. 3dB란 값은 2배의 전력을 의미하며, 50W 출력의 AMP와 100W 출력의 AMP는 전혀 다른 제품이 됩니다. ^^ 이러한 회로를 이용하면, 100W의 AMP를 10단으로 병렬연결하여 1kW의 AMP로 구성할 수도 있는 것이지요.

☆ 장점 2 ☆
증폭기가 고장나 버려서 신호가 끊어져 버리면, 높은 신뢰성이 요구되는 분야에서는 커다란 문제가 아닐 수 없을 것입니다. 이러한 평형 증폭기 회로를 사용하면, 병렬 AMP중 하나가 고장나도 나머지 AMP는 동작이 가능합니다.

물론 정상일 때보다 이득이나 전력의 열화는 존재하지만, 일정 수준 이상의 이득은 확보할 수 있습니다. 이러한 특징을 이용하여 고장수리가 어려운 위성장비나 극지대 장비에 사용되는 증폭기는 대부분 이런 평형 증폭기 형태를 사용하게 됩니다.

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