1. 서 론

전력분배기(power dividers)는 마이크로파 무선 시스템 구성에서 가장 널리 사용되는 회로 가운데 하나이다. 입력신호가 분배되어 출력에 나타나는 회로는 다양한데, 마이크로파 회로 분야에서는 두 출력신호가 기본적으로 동위상을 갖는 윌킨슨(Wilkinson) 전력분배기가 가장 널리 사용된다^[1]. 두 출력신호간 동위상이 아니면서도 전력을 분배하는 기능을 수행하는 회로도 다양하게 존재한다. 전력분배 기능에 더하여 출력 단자간 어떤 특정한 위상차(주로 90도나 180도)를 얻을 수 있는데, 이들은 결합기(couplers)라고 불린다^[2]-[5]. 대표적으로는 90도의 위상차를 갖는 브랜치 라인 커플러(branch line coupler)가 있다^[2].

마이크로파 전력분배기의 두 출력 신호간 위상차가 180도일 경우, 역위상 분배기 또는 발룬(balun) 회로라고 한다^[6]. 만약 기본적인 윌킨슨 동위상 분배기의 어느 한 출력단자에 180도 위상반전구조(phase converting structure)가 결합되면 역위상 분배기 구조가 된다. 무선통신 시스템에서 역위상 분배기는 어떤 원하지 않는 신호의 상쇄(cancellation) 기능 때문에 요긴하게 사용된다^[7]-[8]. 또한, 서로 위상이 반대인 두 신호를 하나로 합치는 기능으로도 널리 사용된다^[5]. 이러한 기능들 때문에 발룬(balanced-unbalanced, Balun)이라고 부르기도 한다.

무선통신 및 각종 응용을 위한 마이크로파 무선시스템을 구성할 때 입력 신호를 두 출력경로로 분배해 보내주는 과정에서 필요에 따라 동위상 또는 역위상으로 나누는 경우가 자주 사용된다. 종래 전력분배기들은 일단 한 번 사용되면 고유한 위상차가 고정되기 때문에 어느 한 가지의 기능에만 충실하였다. 따라서 두 출력 단자 사이의 위상차를 동위상 또는 역위상으로 변경할 필요가 있을 때 하드웨어 구성을 크게 바꿔야 하는 단점이 있었다.

표 1은 제안한 이중 기능 분배기의 기능을 종래의 단일 기능 분배기/발룬 또는 커플러와 비교하기 위하여 제시한 표이다. 이 표를 통하여 제안하고자 하는 마이크로파 이중 기능 전력 분배기의 기능을 매우 명확하게 이해할 수 있다. 하드웨어적인 시스템 구성을 변경시키지 않고도 전력분배기의 두 출력단 위상을 필요에 따라 동위상 또는 역위상으로 바꿀 수 있다면 응용 가능성이 크게 높아질 것이다.

이에 본 논문에서는 SPDT(single-pole double-throw) 스위치가 갖는 고유한 기능을 이용하여 필요에 따라 입력신호를 선택적으로 동위상 또는 역위상으로 분배하는 마이크로파 전력분배기 구조를 제안한다. 그리고 제안한 분배기 구조를 실제로 제작 및 측정하여 이중 기능으로 동작함을 실험적으로 검증한다.

2. 이중 기능 전력분배기의 구성 소자

2.1 윌킨슨 전력분배기

그림 1(a)는 초고주파 무선통신 및 시스템 구성에서 가장 널리 사용되는 회로 소자 가운데 하나인 윌킨슨 전력분배기의 이상적인(ideal) 기본 회로와 전기적 특성을 보여준다. 여기서 ‘기본 회로’라는 의미는 입력신호가 두 출력단자로 1:1의 크기 비율과 동위상으로 분배되면서 가장 널리 사용되는 표준형 회로를 의미한다.

그림 1(a)에 의하면, 입력단자(P1)와 두 출력단자(P2, P3)에서의 단자정합(matching) (S11, S22, S33), 분배비율이 1/2(-3dB)인 두 출력단자에서의 전력분배 (S21, S31), 출력단자 상호간 격리(isolation) (S32) 특성이 모두 이상적으로 우수함을 알 수 있다.

윌킨슨 전력분배기의 기능에 의하여 입력 신호가 절반씩 동위상으로 나뉘어 두 출력단자에 동시에 나타날 때의 전달함수를 페이저(phasor)로 간단하게 표현하면 $0.5\angle 0^\circ$이 된다. 페이저 위상 0도는 두 출력단자간 상대적 위상차가 없어서 위상차 비교가 무의미함을 의미한다.

그림 1(b)는 비유전율($\varepsilon_r$)이 4.5이고, 두께가 0.8mm인 유전체 기판을 이용하여 실제로 윌킨슨 전력분배기의 기본 회로를 제작하여 그 특성을 측정한 결과를 보여준다. 측정된 성능에는 유전체 기판, 컨넥터 및 측정시 사용한 동축 케이블에서의 손실을 0.5dB 정도 포함하는데, 완전히 이상적이지는 않더라도 상당히 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

그림 1 윌킨슨 전력분배기의 기본형 회로와 S-파라미터 특성 (a)이상적 특성 (b)제작 및 측정

Fig. 1 Schematic circuit and S-parameters of a normal Wilkinson power divider (a)ideal cuicuit (b)fabrication and measurement

2.2 SPDT 스위치

SPDT는 두 출력 단자 중 어느 한 단자로만 입력신호를 모두 전달하고 다른 단자로 신호가 전달되는 것을 차단한다. 따라서 입력 신호를 두 출력단자로 나누어 보내는 전력분배기와는 기능적으로 분명한 차이가 있다.

그림 2는 간단한 그림으로 전력분배기와 SPDT 스위치의 차이를 설명해 주고 있다. 서로 유사한 구조를 갖지만, 전력분배기는 두 출력단자로 동시에 신호가 전달되는 반면(그림 2(a)), SPDT 스위치는 입사된 신호를 어느 하나의 출력단자로만 모두 전달한다는 차이가 있다(그림 2(b)).

그림 2 마이크로파 전력분배기와 SPDT 스위치의 동작 개념도 (a)전력분배기 (b)SPDT 스위치

Fig. 2 Operation concept of microwave power dividers and SPDT switches (a)divider (b)SPDT switch

그림 3은 이상적인 SPDT 스위치의 동작을 보여주고 있다. 예로써 그림 3(a)는 단자1에서 입사된 신호가 단자2에서는 ON이 되고, 단자3에서는 OFF가 되는 경우를 보여주고 있고, 그림 3(b)는 그 반대의 경우이다. 그림 3(a)에 있는 S-파라미터를 보면, 모든 신호가 단자2로 전달되므로 S21은 크기 1 즉, 0dB를 갖는다. 이때 S31은 단자3이 차단되어 입력신호가 전달되지 않음을 보여주고 있다. 한편, 그림 3(b)에 있는 S-파라미터는 그림 3(a)와 정반대다.

SPDT 스위치의 동작에 의하여 입력 신호가 두 출력단자 중 어느 한 곳으로 모두 전달되는 경우의 전달함수를 간단하게 표현하면 $1\angle 0^\circ$이다. 신호가 전달되는 어느 하나의 출력단자만 고려되므로 위상 0도는 큰 의미가 없다.

그림 3 이상적인 SPDT 스위치의 동작 예 (a)P2가 ON (b)P3가 ON

Fig. 3 Ideal operation example of a SPDT switch (a)P2 is ON (b)P3 is ON

그림 4는 실제 SPDT 스위치의 동작을 측정한 성능을 보여주고 있다. SPDT 스위치의 성능 측정을 위하여 본 연구에서는 Analog Device社의 HMC595AE를 사용하였다^[9]. 스위치 ON을 위한 DC 바이어스 전압은 3V이고, 이 때 흐르는 바이어스 전류는 2㎂인데 거의 무시할 수준이다. 측정용 회로 제작을 위해서 전력분배기 회로에서와 동일하게 비유전율($\varepsilon_r$)이 4.5이고, 두께가 0.8mm인 유전체 기판을 사용하였다.

그림 4(a)는 단자2에서 ON이 되고, 단자3에서 OFF가 되는 경우의 측정 결과를 보여준다. 단자2로 신호가 잘 전달되므로 S21이 거의 0dB 근처이고, S31은 –25dB 이하로 신호가 거의 전달되지 않음을 보여주고 있다. 한편 그림 4(b)는 정반대의 경우인데, 단자3에서 ON이 되고, 단자2에서 OFF가 되는 경우의 동작을 보여준다.

그림 4에 보인 실제 스위치의 측정 특성은 유전체 기판, 스위치, 컨넥터에서의 손실을 포함하므로 스위치 ON 상태에서 약 0.5dB 내외의 손실을 가지고 있어서 그림 3처럼 이상적일 수는 없겠으나, 대체적으로 SPDT의 실제적인 동작특성을 잘 보여 주고 있다. 따라서 그림 3과 그림 4를 통해서 SPDT 스위치의 기능이 잘 설명되고 있고, 동시에 그림 2에서 설명한 전력분배기와의 차이점도 분명하게 제시되고 있다.

그림 4 측정된 SPDT 스위치의 동작 특성 (a)P2가 ON (b)P3가 ON

Fig. 4 Measured operation example of a SPDT switch (a)P2 is ON (b)P3 is ON

2.3 180도 위상반전 회로

본 연구에서는 180도 위상반전을 위한 장치로 동평면 도파관(coplanar waveguide, CPW) 전송선로의 위상반전 구조를 활용한다. CPW 선로는 그림 5(a)에 보인 바와 같이 동일한 평면상에 신호선과 접지선이 함께 존재하는 전송선로이다^[10]-[11]. CPW 선로의 기본구조는 다음과 같다. 두께가 $H$이고 비유전율이 $\varepsilon_r$인 어떤 유전체 기판상에서 선폭이 $W$인 신호선이 존재하고, 그 양쪽으로 간격 $S$만큼 떨어진 곳에 선폭 $G$를 갖는 접지면이 존재하는 구조이다. $G$는 이론적으로 무한값이지만 실제로는 어떤 유한값으로 선택해야 한다. 주어진 유전체 기판에 대하여 $W$와 $S$의 값에 따라서 전송선로의 특성 임피던스(characteristic impedance, $Z_0$)가 결정된다. 금속 패턴의 두께 $T$는 $H$에 비하여 상대적으로 매우 낮은 값을 가지는데, $Z_0$를 결정하는데는 큰 영향이 없어서 중요한 고려사항은 아니다.

CPW 전송선로에서 신호선과 접지선을 급격하게 “X”-형태로 교차시키면 동일한 물리적 길이를 갖는 CPW 전송선로에 비해 급격하게 180도의 위상을 갖게 할 수 있다는 장점이 있다^[12]. 그림 5(b)는 CPW 위상반전 전송선로의 구조를 보여준다. 적당한 간격 $D$ 이내에서 신호선과 접지선을 급격하게 교차시켜 주면 마이크로파 신호가 180도의 위상반전을 겪으면서 전송된다. 그림 5(c)는 CPW 전송선로에서 신호선과 접지선을 “X”-형태로 교차시킬 때 전기장의 분포가 급격하게 반대로 형성됨을 보여준다. 이런 원리로 인하여 물리적으로 동일한 길이를 가지면서도 180도의 위상차가 얻어진다. 실제 제작시 교차 구조의 어느 한쪽 패턴은 평면형 유전체의 바닥면으로 내려 보내서 구현한다.

그림 5 180도 위상반전 소자를 위한 CPW 전송선로 (a)CPW 기본 선로 (b)“X”-형태 구조 (c)급격한 위상반전을 설명하는 전기장의 방향

Fig. 5 CPW transmission line for a 180o phase converting device (a)basic CPW line (b)“X”-shaped structure (c)direction of the electric field explaining the abrupt phase reversal

CPW 선로의 특성을 제작 및 측정하기 위하여 상기에서와 동일한 유전체 기판을 사용하였다. 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 설계된 CPW 선로의 $W$와 $S$는 각각 2.5mm, 0.25mm였다. 50Ω 근처의 특성 임피던스를 유지하면서 신호손실이 적도록 유한 접지면 폭($G$)은 3mm로 결정하였다. 위상반전을 위한 “X”-형태 교차구조를 구현하기 위한 물리적 거리 $D$도 3mm로 설정하였다. $D$에 따라 전달특성에 극히 미세한 차이가 있을 수 있으나, 전체 특성에 영향을 끼칠만한 요인은 아니다.

그림 6(a)는 CPW 기본선로(위상차 0도로 표기)와, 180도의 위상반전구조가 포함된 선로의 제작 사진 및 측정된 신호전달 특성을 보여준다. 실제 측정에서는 180도 선로의 경우에 유전체 기판, 컨넥터, 컨넥터와 CPW 선로와의 접합, “X”-형태 구조 등에서 약 1dB의 손실이 존재한다. 그러나 이런 피할 수 없는 손실보다 중요한 것은 두 선로간 180도의 위상차이다.

그림 6(b)는 두 CPW 선로간 위상차이를 선명하게 보여주고 있다. 보통의 0도 CPW 선로에 비하여 위상반전 구조가 포함된 CPW 선로의 위상이 180 차이를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 이 두 가지의 CPW 선로는 물리적으로 동일한 길이를 가지면서 “X”-형태 구조의 유무에 따라서 0도 또는 180도의 위상차를 갖는다. 이를 그림 6(c)와 같은 블록도로 간단히 표현할 수 있다. 0도와 180도의 위상차를 갖는 CPW 선로의 전달함수를 페이저로 간단하게 표현하면 각각 $1\angle 0^\circ$, $-1\angle 0^\circ$과 같다.

그림 6 180도 위상차를 갖는 CPW 전송선로의 측정 특성 (a)0도 CPW 선로 (b)180도 CPW 선로 (c)단순화한 블록도

Fig. 6 Measured characteristics of the 180o phase converting CPW line (a)0o CPW line (b)180o phase converting CPW line (c)simplified block diagram

3. 이중 기능 전력분배기의 설계

본 장에서는 이중 기능 전력분배기 구성에 대하여 기술하고자 한다. 상기와 같이 개별 구성 요소들의 기능을 확인하였으므로 이들을 이용하여 이중 기능을 갖는 전력분배기를 설계할 수 있다.

그림 7은 설계된 이중 기능 전력분배기의 구성을 보여주고 있다. 제안하는 전력분배기를 설계하기 위해서는 기본형 윌킨슨 전력분배기(basic divider, BD), 2개의 SPDT 스위치, 0도 위상 CPW 선로 소자 3개, 그리고 180도 위상반전용 CPW 선로 소자가 1개 필요하다.

그림 7(a)에 의하면, 입력단자(P1)으로 입사된 신호는 BD에서 1/2씩 분배되어 두 개의 스위치(SPDT1, SPDT2)로 인가된다. 이제 두 스위치가 동시에 윗쪽 경로(①)로 신호가 전달되도록 DC 바이어스 전압을 조절하면 두 신호는 모두 0도 CPW 선로를 따라서 두 출력단자(P2D, P3D)로 출력된다. 한편, 아랫쪽 경로(②)로는 신호가 전달되지 않으므로 두 출력단자(P2B, P3B)에는 아무런 신호가 나타나지 않는다. 그래서 출력 단자 P2D, P3D에 나타나는 신호의 위상이 서로 같으므로 동위상 분배기가 된다.

이제 그림 7(b)는 스위칭이 반대로 이루어질 때의 동작상태를 보여준다. 두 스위치가 동시에 아랫쪽 경로(②)로 신호를 전달하는데, P2B 단자로 연결되는 신호는 0도 CPW 선로를 거쳐서 오는 반면, P3B 단자로 연결되는 신호는 180도 위상 반전 구조를 갖는 CPW 선로를 거쳐서 출력된다. 한편, 윗쪽 경로(①)로는 신호가 전달되지 않으므로 두 출력단자(P2D, P3D)에는 아무런 신호가 나타나지 않는다. 그래서 출력 단자 P2B, P3B에 나타나는 신호의 위상이 서로 180도 반대이므로 역위상 분배기(발룬)로 동작한다.

그림 7 제안하는 전력분배기의 구성과 이중 기능 (a)동위상 분배기 (b)발룬(역위상 분배기)

Fig. 7 Configuration and dual-function of the proposed power divider (a)in-phase divider (b)balun(anti-phase divider)

각 구성소자에서의 손실을 고려하지 않는 이상적인 경우, 최초 BD에서 두 경로로 각각 1/2씩 나뉜 입력 신호는 최종 출력단자로 그대로 전달된다. 이렇게 스위칭을 통해 P2D와 P3D 단자에 출력이 나타나는 동위상 분배기의 역할과, P2B와 P3B 단자에 출력이 나타나는 역위상 분배기의 역할을 선택적으로 조절할 수 있다.

제안하는 전력분배기 구조에서 입력단자(P1)에 인가된 신호가 최종적으로 동위상 출력단자(P2D, P3D) 또는 역위상 출력단자(P2B, P3B)에 나뉘어 나타나는 경우에 대한 신호 전달 경로와 위상을 표 2에 정리하였다.

4. 이중 기능 전력분배기의 제작 및 측정 성능

이중 기능 전력분배기의 프로토타입 회로를 그림 8과 같이 제작하였다. 상기에서 설명한 대로 각 구성 요소별 동작 특성을 먼저 확인하고자 개별 요소별로 제작하여 측정한 후, 그림 8처럼 전체 프로토타입 회로를 구성하였다. 그림 8의 회로는 상기 그림들을 통하여 언급한 구성 요소들을 포함하고 있다. 0도와 180도에 해당하는 회로들은 CPW 선로로 구현하였고, 다른 모든 부분들은 마이크로스트립(microstrip) 선로로 구현하였다. 마이크로스트립과 CPW 선로간 전이구조(transition structure)는 기 수행한 선행 연구의 결과를 활용하였다^[13].

그림 8 제작된 이중 기능 전력분배기

Fig. 8 Fabricated power divider with dual-functions

제작한 전력분배기를 실제로 측정하여 그림 9와 그림 10에 보였다. 먼저 그림 9(a)는 그림 7(a)에서 설명한 것처럼 동위상 분배기로 동작시킬 때 측정한 S-파라미터 특성이다. 이때는 두 스위치가 모두 윗쪽 경로(①)로만 신호를 전달하도록 바이어스 전압을 인가한다.

그림 9(a)를 보면, 두 출력단자에서의 전압분배(S21, S31), 세 단자에서의 정합(S11, S22, S33), 두 출력단자 사이의 격리도(S32) 특성이 전력분배기에 요구되는 성능을 보이고 있음을 알 수 있다. 단자 정합의 경우 –15dB 기준으로 중심주파수 주변 0.76 ~ 1.19GHz 사이에서 약 43%의 대역폭을 보이고 있다. 이 주파수에서 실제 측정된 손실은 약 1dB 이내이다. 또한 이 대역폭에서 격리도 특성은 –20dB 이하를 보인다. 비록 미약한 손실이 목격되지만, 중요한 것은 두 출력단자에 동일한 크기의 전력을 전달하고 있고, 또한 그림 9(b)에서 볼 수 있듯이 두 출력단자에서의 위상차가 0도 기준으로 ±1도 이내의 오차를 보인다는 점이다. 따라서 동위상 전력분배기로 잘 동작하고 있음을 알 수 있다.

그림 9 동위상 분배기일 때 측정된 성능 (a)S-파라미터 (b)출력단자간 위상차

Fig. 9 Measured performances as the in-phase divider (a)S-parameters (b)phase difference between output ports

그림 10(a)는 그림 7(b)에 보인 것처럼 역위상 분배기로 동작시킬 때 측정한 S-파라미터 특성이다. 이때는 두 스위치가 모두 아랫쪽 경로(②)로만 신호를 전달하도록 바이어스 전압이 인가된다.

그림 10(a)를 보면, 두 출력단자에서의 전압분배(S21, S31), 세 단자에서의 정합(S11, S22, S33), 두 출력단자 사이의 격리도(S32)가 전력분배기에 필요한 특성임을 알 수 있다. 여기서도 단자 정합의 경우 –15dB 기준으로 중심주파수 주변 0.73 ~ 1.15GHz 사이에서 약 42%의 대역폭을 보이고 있다. 이 주파수에서 실제 측정된 손실은 약 1.2dB 이내이다. 또한 격리도 특성은 –20dB 이하를 보인다. 그림 10(b)에 보인 위상차 에러의 경우 180도 기준으로 ±2도 이내이다. 여기서도 적은 손실이 목격되지만, 동작 주파수에서 거의 거의 같은 크기의 전력이 전달되고, 또한 두 출력단 위상차가 이상적인 180도 근처라는 사실이 중요하다. 따라서 역위상 전력분배기로도 잘 동작하고 있음을 알 수 있다.

그림 10 역위상 분배기일 때 측정된 성능 (a)S-파라미터 (b)출력단자간 위상차

Fig. 10 Measured performances as the anti-phase divider (a)S-parameters (b)phase difference between output ports

그림 9와 그림 10에 보인 측정 결과에서, 유전체 기판에 의한 손실과 스위치 자체에서의 손실, 그리고 개별 구성 요소들을 연결하기 위한 다수의 컨넥터와 위상반전구조에서의 손실을 고려해야 한다. 그림 9와 그림 10에 보인 이중 기능 분배기의 측정 특성을 표 3에 정리하였다. 단자정합 –15dB 기준으로 두 기능에서 모두 대역폭(bandwidth, BW)은 중심주파수 기준 약 40% 정도이다. 두 출력단자간 격리도 특성은 역위상 분배기의 경우 동위상 분배기 기능에 비해 미세한 차이가 있으나 18dB 이상을 얻었다. 가장 중요한 전력 분배 손실 및 위상오차의 경우 역위상 분배기에서 각각 1.2dB 손실과 ±2도 이내로 동위상 분배기 기능에 비해 미세한 열화가 있었다. 그러나 보다 중요한 것은, 다소 복잡한 위상반전구조가 삽입된 것을 감안할 때 기능적으로는 동위상 분배기와 역위상 분배기가 각각 요구되는 기능을 충분히 지니고 있음을 알 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 필요에 따라 선택적으로 동위상 분배기 또는 역위상 분배기의 이중 기능으로 동작할 수 있는 마이크로파 전력분배기 구조를 제안하고 실제로 프로토타입을 제작하여 측정한 성능을 제시하였다. 전체적인 회로 구성을 위해 기본형 윌킨슨 분배기, RF SPDT 스위치, 그리고 CPW 전송선로로 이루어진 0도 및 180도 위상변환 소자의 개별 특성들을 먼저 측정한 후 제안하는 이중 기능 분배기를 설계하였다.

이중 기능 분배기의 동작을 측정으로 확인한 결과 기대한 성능이 얻어졌다. 먼저 동위상 분배기의의 경우 정확하게 나눠진 신호가 두 출력단자에서 얻어졌고, 신호손실은 1dB, 위상오차는 ±1도였다. 또한, 역위상 분배기의 경우 두 출력단자에서 1.2dB의 손실에 위상오차는 180도 기준으로 ±2도였다. 각 단자의 정합도 –15dB를 기준으로 동작 대역폭은 40% 이상이었으며 출력단자간 격리도도 최소 18dB 이상을 보였다. 본논문에서 제시한 측정 결과는 대학실험실 수준의 연구실에서 프로토타입(prototype) 회로를 제작하여 측정한 것으로, 실제 산업적 응용을 위해서는 보다 정밀한 제작 및 측정 공정을 통하여 손실을 더 줄이고 성능을 좀 더 정밀하게 개선할 수 있을 것이다.

상기와 같이 제안한 마이크로파 분배기가 동위상 또는 역위상 분배기의 이중 기능을 지니고 있음을 실험적으로도 확인하였다. 설계된 분배기는 하드웨어적으로 일단 구성된 뒤라도 무선시스템에서의 필요에 따라 선택적으로 동위상 또는 역위상의 전력분배 기능을 가지므로 시스템 운용의 가변성(flexibllity)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 만약에 분배기의 두 출력단 뒤에 별도의 채널별 증폭기가 연결될 경우, 동위상 분배기 동작에서는 증폭된 두 신호가 다시 합쳐져서 더 큰 신호를 만들 수도 있고, 또는 역위상 분배기일 경우 두 신호를 일시적으로 상쇄시킬 수도 있을 것이다. 이와 같이 향후 다양한 무선통신 및 시스템 구성에서 분배기의 이중 기능이 무선시스템의 동작 요구사항에 따라서 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.