KR102703276B1

KR102703276B1 - 위상 어레이 시스템을 위한 4방향 전력 분배기 및 결합기

Info

Publication number: KR102703276B1
Application number: KR1020190002653A
Authority: KR
Inventors: 안규환; 윤영창; 서보희; 이상호
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2024-09-05
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: US12009566B2; KR20200086462A; US20220059920A1; WO2020145586A1

Abstract

본 발명은 위상 어레이 시스템을 위한 4-way 전력 분배기 및 결합기를 소형으로구현하는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따라 1개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트들을 포함하는 전력 분배기는, 일단은 입력 포트에 연결되고, 타단은 접지에 연결되는 입력단 인덕터, 4개의 출력단 인덕터를 포함하는 인덕터 그룹 및 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이를 연결하는 4개의 연결부를 포함하고, 상기 4개의 2차 인덕터는, 상기 4개의 연결부와 상기 인덕터 그룹 사이에 4개의 노드가 형성되도록 상기 4개의 연결부 각각에 접속하고, 상기 출력 포트들은, 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이에서 상기 4개의 연결부 각각에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

위상 어레이 시스템을 위한 4방향 전력 분배기 및 결합기{4-WAY POWER DIVIDER AND COMBINER FOR PHASE ARRAY SYSTEMS}

본 발명은 위상 어레이 시스템을 위한 4-way 전력 분배기 및 결합기를 소형으로구현하는 기술에 관한 것이다.

4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다. 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다. 또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.

한편, 인터넷은 인간이 정보를 생성하고 소비하는 인간 중심의 연결망에서, 사물 등 분산된 구성 요소들 간에 정보를 주고 받아 처리하는 IoT(Internet, of Things, 사물인터넷)망으로 진화하고 있다. 클라우드 서버 등과의 연결을 통한 빅데이터(Big data) 처리 기술 등이 IoT 기술에 결합된 IoE (Internet of Everything) 기술도 대두되고 있다. IoT를 구현하기 위해서, 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라, 서비스 인터페이스 기술, 및 보안 기술과 같은 기술 요소 들이 요구되어, 최근에는 사물간의 연결을 위한 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 연구되고 있다.

또한, IoT 환경에서는 연결된 사물들에서 생성된 데이터를 수집, 분석하여 인간의 삶에 새로운 가치를 창출하는 지능형 IT(Internet Technology) 서비스가 제공될 수 있다. IoT는 기존의 IT(information technology)기술과 다양한 산업 간의 융합 및 복합을 통하여 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 스마트 그리드, 헬스 케어, 스마트 가전, 첨단의료서비스 등의 분야에 응용될 수 있다.

상기와 같은 다양한 이동통신 서비스의 제공을 위하여, 하나의 신호를 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 신호로 분리하여 전송하거나 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 신호를 수신하여 하나의 신호로 합치는 위상 어레이 시스템이 적용될 수 있다. 이와 같은 위상 어레이 시스템에서는, 하나의 신호를 분리하거나, 복수의 신호를 하나로 합치는 전력 분배기 및 전력 결합기가 이용될 수 있다.

전력 분배기는, 이동통신 단말기 등의 RF(Radio Frequency) 회로에서, 입력된 전력을 소정의 비율로 나누어 출력 포트로 분배하는 회로로, 전력 손실 없이 원하는 비율에 따라 전력을 분배하고, 출력 포트 사이를 격리시켜 양 포트 상호 간의 영향성을 줄임으로써 회로 특성 변화를 방지할 수 있다. 또한, 전력 분배기의 입출력 포트를 변환할 경우 전력 결합기로 사용 가능하다.

이와 같이, 전력 분배기 또는 결합기는, 전력 손실 없이 전력을 분배하고, 각 포트 간의 영향을 줄일 수 있도록 인덕터나 커패시터와 같은 소자로 구현될 수 있다. 다만, 인덕터의 경우 그 크기가 커서, 위상 배열 시스템에서 다 방향으로 신호를 송수신하는 어레이 시스템을 구현하는 경우 넓은 공간을 차지하게 되기 때문에, 전력 분배기 및 전력 결합기가 compact하게 구현될 수 없는 문제가 있었다.

이에 본 발명의 일 목적은, 보다 소형으로 구현 가능한 4 방향의 전력 분배기 및 결합기의 구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 1개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트들을 포함하는 전력 분배기에 있어서, 일단은 입력 포트에 연결되고, 타단은 접지에 연결되는 입력단 인덕터, 4개의 출력단 인덕터를 포함하는 인덕터 그룹 및 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이를 연결하는 4개의 연결부를 포함하고, 상기 4개의 2차 인덕터는, 상기 4개의 연결부와 상기 인덕터 그룹 사이에 4개의 노드가 형성되도록 상기 4개의 연결부 각각에 접속하고, 상기 출력 포트들은, 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이에서 상기 4개의 연결부 각각에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 전자 장치에 있어서, 위상 어레이 안테나 및 1개의 입력 포트와 4개의 출력 포트들을 포함하는 전력 분배기를 포함하는 무선통신부 및 상기 무선통신부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력 분배기는, 일단은 입력 포트에 연결되고, 타단은 접지에 연결되는 입력단 인덕터, 4개의 출력단 인덕터를 포함하는 인덕터 그룹 및 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이를 연결하는 4개의 연결부를 포함하고, 상기 4개의 2차 인덕터는, 상기 4개의 연결부와 상기 인덕터 그룹 사이에 4개의 노드가 형성되도록 상기 4개의 연결부 각각에 접속하고, 상기 출력 포트들은, 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이에서 상기 4개의 연결부 각각에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 인덕터들에 의하여 차지하는 공간을 줄일 수 있는 회로 구조를 제공함으로써, 기존과 유사한 성능을 가지면서도, 보다 작은 크기로 전력 분배기 및 결합기를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기가 적용되는 위상 어레이 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 위상 어레이 시스템에서 사용될 수 있는 전력 분배기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 2 방향의 전력 분배기를 연속적으로 배치하여 4 방향의 전력 분배기를 구현한 예시를 도시한 도면이다.
도 4는 입력 포트에서 4 방향으로 출력 포트가 배치되도록 4방향의 전력 분배기를 구현한 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 4방향 전력 분배기에 포함된 구성들의 연결관계를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 분배기의 구조를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 구현 예시를 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 구현 예시를 도시한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 구조를 도시한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기와 기존 전력 분배기의 성능을비교한 결과들을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기 또는 결합기를 포함하는 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명함에 있어서, 본 발명의 주요한 요지는 유사한 기술적 배경 및 채널형태를 가지는 여타의 통신 시스템에도 본 발명의 범위를 크게 벗어나지 아니하는 범위에서 약간의 변형으로 적용 가능하며, 이는 본 발명의 기술분야에서 숙련된 기술적 지식을 가진 자의 판단으로 가능할 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.

이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.

컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기가 적용되는 위상 어레이 시스템을 도시한 도면이다.

위상 어레이 시스템이란, 1개의 신호를 복수 개의 신호로 분할하여, 각각이 다른 위상(phase)나 방향성을 갖도록 전송하는 안테나 어레이, 또는 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 신호를 하나의 신호로 결합하여 처리하는 안테나 어레이를 포함하는 시스템을 말한다. 예를 들어, 차세대 이동 통신 시스템인 5G에서, 빔포밍(beamforming)과 같은 동작을 수행함에 있어 본 위상 어레이 시스템을 이용할 수 있다.

도 1을 참조하면, 전력 분배기를 포함하는 위상 어레이 시스템의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 위상 어레이 시스템은, RF 신호를 생성 및 출력하는 RF 소스(10), RF 소스로부터 수신된 신호를 서로 다른 위상으로 변환하기 위하여 전력을 분배하여 출력하는 전력 분배기(100), 전력 분배기(100)로부터 각 출력을 이용하여 각 신호의 위상을 변환하는 위상 변환기(11), 위상 변환기(11)로부터의 출력을 증폭하는 증폭기(12) 및 증폭된 신호 각각을 출력하는 안테나 엘리먼트(13)가 포함될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 복수의 RF 경로가 형성되는 위상 어레이 시스템에서 전력 분배기(100)는, RF 소스(10)로부터 출력되는 신호에, 입력된 전력을 소정의 비율에 따라 분배하여 출력하되, 신호 서로 간의 영향을 주지 않도록 동작 하여야 한다. 특히, 밀리미터 파장(millimeter wave) 범위에서 통신하는 위상 어레이 시스템에서는, 신호 서로 간의 영향을 주지 않도록 동작하는 다양한 구성들을 포함하면서도, 소형의 집적화된 영역에서 구현될 수 있는 전력 분배기의 필요성이 대두되고 있다.

도 2는 위상 어레이 시스템에서 사용될 수 있는 전력 분배기의 구조를 도시한 도면이다.

위상 어레이 시스템에서 n개의 안테나 어레이를 사용하는 경우, 2 방향의 전력 분배기가 사용될 때 총 개의 전력 분배기가 필요하다. 예를 들어, 16개의 안테나 어레이가 이용되는 위상 어레이 시스템에서는 15개의 전력 분배기가 필요하다. 이때, 전력 분배기의 개수가 늘어남에 따라 전력 분배기가 차지하는 공간은 매우 넓어지게 된다.

예를 들어, n개의 안테나 어레이를 위하여 2 방향의 전력 분배기들을 사용할 때, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 2 방향의 전력 분배기를 연쇄적으로 배치하여 구현할 수 있다. 일 예로, 2방향의 전력 분배기는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 윌킨슨 전력 분배기를 이용할 수 있다.

도 2의 (b)에 따르면, 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기는, 1개의 입력 포트(P1)와 2개의 출력 포트(P2, P3)를 갖는 2-way 전력 분배기로, 입력포트(P1)와 각 출력포트들(P2, P3) 사이가 전송 라인(TLM1, TLM2)으로 연결되어 있고, 두 전송라인 간에는 저항(R)을 배치하였다. 각 전송 라인(TLM1, TLM2)의 길이는, 회로의 동작 주파수가 λ인 경우, λ/4로 결정되며, 저항(R)은 신호의 전송 시 발생되는 손실을 줄이기 위한 임피던스 매칭으로써 50옴으로 구현될 수 있다.

윌킨슨 전력 분배기의 경우, 두 전송 라인간의 격리(isolation)는 우수하나, λ/4 길이의 전송 라인을 사용함에 따라 저주파 신호에 대해서는 회로의 크기가 매우 커지는 문제가 있었다.

도 3은 2 방향의 전력 분배기를 연속적으로 배치하여 4 방향의 전력 분배기를 구현한 예시를 도시한 도면이고, 도 4는 입력 포트에서 4 방향으로 출력 포트가 배치되도록 4방향의 전력 분배기를 구현한 예시를 도시한 도면이다.

상기 윌킨슨 전력 분배기보다 더 compact한 구조를 구현하기 위하여, 커패시터-인덕터-커패시터(CLC) 또는 인덕터-커패시터-인덕터(LCL)의 소자 배치를 통하여 전력 분배기를 구현하는 기술이 도입되었다. CLC 또는 LCL의 소자 배치를 통하여 4방향 전력 분배기를 구현하는 방법은 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 입력 포트에 2방향의 전력 분배기(301)가 포함되고, 2방향 전력 분배기(301)의 각 출력단에, 2방향의 전력 분배기 2개가 연속적으로 연결될 수 있다. 즉, 입력 포트(P1)에 2 방향의 전력 분배기(301)가 연결되고, 연결된 2방향 전력 분배기(301)의 하나의 출력단에 2 방향의 전력 분배기(302)가, 또 다른 출력단에 2방향의 전력 분배기(303)가 연속적으로 연결될 수 있다. 또한, 2방향의 전력 분배기들(301, 302, 303) 각각은, 모두 커패시터, 인덕터 및 커패시터의 소자들을 포함하는 CLC 구조로 이루어져있다. 그리고 2방향의 전력 분배기들(301, 302, 303) 각각은, 2 방향의 라인들을 서로 분리할 수 있도록 저항들(R1, R2, R3)이 연결되어 있다.

이와 같이 4방향의 전력 분배기를 형성하는 경우, 각 라인에 포함된 인덕터들의 사이즈로 인하여 그 크기가 매우 커지게 된다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 4방향의 전력 분배기가 2방향의 전력 분배기 3개에 의하여 구현되는 경우, 총 6개의 인덕터를 포함하게 되어, 그 크기가 매우 커질 수 있다.

도 4를 참조하면, 4방향의 전력 분배기는, 2방향의 전력 분배기들을 이용하지 않고 하나의 입력 포트(P1)에 4개의 출력 포트(P2, P3, P4, P5)들이 바로 연결되도록 구현되었다. 도 4의 전력 분배기도 도 3에서와 마찬가지로, 입력단과 출력단을 연결하는 각 라인에 커패시터, 인덕터 및 커패시터가 포함되는 CLC 구조로 구현되었다.

도 4에서와 같이 구현할 경우, 전력 분배기에 포함되는 인덕터의 개수가 도 3에서보다 줄어들기 때문에, 도 3에서 구현된 전력 분배기보다는 더 작은 사이즈로 구현될 수는 있으나, 각 라인들 간의 isolation을 고려하면서 인덕터들이 평행하게 배치되기 때문에 전력 분배기는 소정의 크기보다 작은 사이즈로 구현되기는 어렵다는 문제가 있다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 인덕터들 간의 특정 배치 구조를 제안함으로써, 보다 작은 사이즈로 구현될 수 있는 전력 분배기 및 전력 결합기를 제안하고자 한다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 전력 분배기에 초점을 두고 그 구조를 설명하기로 한다. 다만, 전력 분배기에서 각 출력 포트를 입력 포트로 전환하고, 입력 포트를 출력 포트로 전환하는 경우 전력 결합기로 사용하는 것이 가능한 바, 본 발명에서 제안하는 구조는 전력 결합기에도 적용된다고 봄이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 4방향 전력 분배기에 포함된 구성들의 연결관계를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 전력 분배기의 구조를 도시한 회로도이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 1개의 입력 포트(P1)와 4개의 출력 포트(P4)를 포함하도록 구성된 4방향 전력 분배기(500)는, 입력단에 1개의 인덕터(L1)와, 출력단에 특정 구조로 배치된 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)을 포함하는 인덕터 그룹(510)으로 구성될 수 있다.

여기에서, 인덕터 그룹(510)에 포함된 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 하나의 폐회로가 구성되도록 cyclic 하게 연결될 수 있다. 즉, 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)은, 하나의 인덕터의 양단이 다른 인덕터들 각각의 일단과 연결되어, 총 4개의 마디가 형성되도록 배치되는 구조를 가질 수 있다.

다시 도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기(500)는, 일단은 입력포트(P1)에, 다른 일단은 접지에 연결된 입력단의 인덕터(L1)와, 상술한 구조로 배치된 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)을 포함하는 인덕터 그룹(510) 및 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(510) 사이를 연결하는 4개의 연결부(521, 522, 523, 524)를 포함할 수 있다.

상술한 구조를 갖는 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)은, 인덕터 그룹(510)과 4개의 연결부(521, 522, 523, 524) 사이에 4개의 노드(511, 512, 513, 514)가 형성되도록 4개의 연결부(521, 522, 523, 524) 각각에 접속할 수 있다. 또한, 4개의 출력 포트(P2, P3, P4, P5)는, 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(510) 사이에서 4개의 연결부(521, 522, 523, 524) 각각에 배치될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기(600)는 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(610) 사이에서 제1 출력 포트(P2)가 배치된 제1 연결부(621), 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(610) 사이에서 제2 출력 포트(P3)가 배치된 제2 연결부(622), 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(610) 사이에서 제3 출력 포트(P4)가 배치된 제3 연결부(623) 및 입력 포트(P1)와 인덕터 그룹(610) 사이에서 제4 출력 포트(P5)가 배치된 제4 연결부(624)를 포함할 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕터 그룹(610)에 포함된 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)은, 인덕터 그룹(610)과 제1 내지 제4 연결부(621, 622, 623, 624) 사이에, 4개의 노드(611, 6112, 613, 614)가 형성되도록 각 연결부에 접속할 수 있다.

4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)을 제1 인덕터(L2-a), 제2 인덕터(L2-b), 제3 인덕터(L2-c) 및 제4 인덕터(L2-d)라 하면, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 인덕터(L2-a)는, 제1 연결부(621)와 인덕터 그룹(610) 사이의 제1 노드(611) 및 제2 연결부(622)와 인덕터 그룹(610) 사이의 제2 노드(612) 각각에 양단이 연결되도록 접속될 수 있다. 또한, 제2 인덕터(L2-b)는, 상기 제2 노드(612) 및 제3 연결부(623)와 인덕터 그룹(610) 사이의 제3 노드(613) 각각에 양단이 연결되도록 접속할 수 있다. 또한, 제3 인덕터(L2-c)는, 상기 제3 노드(613) 및 제4 연결부(624)와 인덕터 그룹(610) 사이의 제4 노드(614) 각각에 양단이 연결되도록 접속할 수 있다. 또한, 제4 인덕터((L2-d)는, 제4 노드(614) 및 제1 노드(611) 각각에 양단이 접속하도록 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 4개의 연결부(621, 622, 623, 624) 각각에는, 전력 분배를 위한 커패시터 및 저항이 각각 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 연결부(621)에는 제1 커패시터(C1)가 배치될 수 있으며, 제1 저항(R1)은, 제1 연결부(621)에서 제1 커패시터(C1)와 제1 노드(611) 사이에 배치될 수 있다. 제2 연결부(622)에는 제2 커패시터(C2)가 배치될 수 있으며, 제2 저항(R2)은, 제2 연결부(622)에서 제2 커패시터(C2)와 제2 노드(612) 사이에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제3 저항(R3)은, 제3 연결부(623)에서 제3 커패시터(C3)와 제3 노드(613) 사이에 배치될 수 있고, 제4 저항(R4)은, 제4 연결부(624)에서 제4 커패시터(C4)와 제4 노드(614) 사이에 배치될 수 있다.

이와 같이, 출력단에 배치된 4개의 인덕터를 상술한 배치 방법에 따라 구현할 경우, 인덕터들이 각 연결부에 독립적으로 배치되는 경우보다 차지하는 공간이 크게 줄어들게 된다. 즉, 이와 같은 배치방법으로 인하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기는 보다 compact한 구조를 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기에는, 입력단에 배치되는 인덕터와 출력단 측에 배치되는 4개의 인덕터 각각이 서로 다른 품질 인자(Quality factor, Q)에 따라 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기에서, 출력단 측에 배치되는 4개의 인덕터들의 Q값은 입력단 측에 배치되는 인덕터의 Q 값보다 작은 값으로 구현될 수 있다. 보다 구체적인 예로, 20~30 GHz 파장 대역에서 입력단 인덕터의 경우 약 15의 Q값에 따라 구현된다면, 출력단 측의 인덕터들은, 그것보다 작은 값인 10 정도의 Q값을 갖도록 구현될 수 있다.

이와 같이 낮은 Q 값을 갖는 인덕터들을 사용하더라도, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기에서의 출력단 측의 4개의 인덕터들은, 상술한 특정 구조에 따라 배치되는 것에 의하여 기존 전력 분배기의 성능과 유사한 성능을 가질 수 있다. 일 실시 예로, 4개의 인덕터들은 모두 동일한 Q값을 갖거나, 서로 상이한 Q 값을 가질 수도 있다. 다만, 본 발명의 목적을 고려할 때, 본 명세서에서 설명하는 실시예는, 4개의 인덕터들이 모두 동일한 Q 값을 갖는 것을 전제로 한다.

상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기는, 출력단 측의 4개의 인덕터를 4개의 마디가 형성되도록 상호 연결하여 배치하는 구조를 가짐으로써, 인덕터 각각이 독립적으로 배치되는 기존의 배치 방법보다 공간 활용의 효율성이 높아질 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 인덕터의 성능을 보장하기 위하여, Q 인자는 높으나 그 크기가 큰 인덕터를 사용함에 따라 전력 분배기의 사이즈가 커지는 문제가 있었으나, 본원발명의 경우 출력단의 4개의 인덕터는 낮은 Q 인자를 갖는 인덕터들로 배치함으로써, 보다 compact한 구조의 구현이 가능하다는 장점이 있다.

도 7 및 도 8은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 구현 예시를 도시한 회로도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 도면에 도시된 바와 같이 인덕터 그룹(710, 810)을 전력 분배기에 배치할 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 회로도는, 도 6에서 설명한 전력 분배기의 구조와 동일한 구조이므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 구조를 도시한 회로도이다.

도 9에 도시된 회로도는, 도 6 내지 8에 도시된 전력 분배기와 유사한 구조를 가지므로, 중복되는 구조에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 9를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기는, 출력단에 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)을 포함하는 인덕터 그룹(910)을 포함할 수 있다. 인덕터 그룹(910)에 포함된 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)을 예를 들어, 제1 인덕터(L2-a), 제2 인덕터(L2-b), 제3 인덕터(L2-c) 및 제4 인덕터(L2-d)라고 하면, 상술한 도면들에서와 마찬가지로 4개의 인덕터들(L2-a, L2-b, L2-c, L2-d)이 4개의 마디를 형성하도록 각 연결부에 접속할 수 있다.

다만, 도 9의 실시 예에서는, 제1 인덕터(L2-a)는 제1 마디(911)와 제3 마디(913)를 연결하도록 접속되고, 제2 인덕터(L2-b)는 제2 마디(912)와 제4 마디(914)를 연결하도록 접속되며, 제3 인덕터(L2-c)는 제3 마디(913)와 제2 마디(912)를 연결하도록 접속되고, 제4 인덕터(L2-d)는 제4 마디(914)와 제1 마디(911)를 연결하도록 접속될 수 있다.

이와 같이 접속하더라도, 인덕터들의 상술한 특정 배치에 따라, 전력 분배기는 보다 줄어든 사이즈로 구현될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기와 기존 전력 분배기의 성능을비교한 결과들을 도시한 도면이다.

도 10에서는, 사용 주파수 영역을 기준으로, 전력 분배기의 다양한 성능에 대한 결과값을 도시하였다. 여기에서 사용 주파수 영역은, 24GHz를 예시하였으며, 실선은 본원발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기의 결과값을, 점선은 기존의 전력 분배기(예를 들어, 도 4에서 도시된 전력 분배기)의 결과값을 도시하였다.

도 10의 (a)는 입력 신호에 대한 출력 신호를 통하여 손실을 측정한 결과값을 도시하였다. 도 10의 (a)에서 도시된 바와 같이, 사용 주파수 영역에서는 본원발명과 종래의 전력 분배기의 손실값이 동일함을 알 수 있다.

도 10의 (b)는 입력 포트와 출력 포트를 연결하는 각 라인 간 isolation이 얼마나 잘 이루어졌는지를 나타내는 결과 값이다. 도 10의 (b)를 참조하면, 사용 주파수 근방의 영역에서 약간의 차이가 있으나, 해당 사용 주파수 영역에서는 그 결과값이 동일함을 알 수 있다.

도 10의 (c)는, 입력된 신호가 return하는 것에 따른 손실 값을 도시한 도면이다. 도 10의 (c)에서와 같이, 사용 주파수 영역에서, 오히려 본원발명에 따른 전력 분배기의 손실이 더 적음을 확인할 수 있다.

도 10의 (d)는, 전력 분배기의 입 출력 포트를 전환하여 전력 결합기로 구현하였을 때 입력된 신호의 return에 따른 손실 값을 도시한 도면이다. 도 10의 (d)에 따르면 사용 주파수 영역에서 본원발명에 따른 전력 결합기의 성능이 기존 보다 약간 떨어지나, 성능 악화 판단의 기준이 되는 -10dB보다 작은 값이라는 점에서 기존 전력 결합기와 성능 면에서 큰 차이를 보이지 않음을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, Q 인자가 낮은 인덕터들을 사용하더라도 인덕터들 간의 특정 배치 구조를 통해 회로를 구현함으로써 전력 분배기 또는 전력 결합기를 보다 compact하게 구현할 수 있고, 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 분배기 또는 결합기를 포함하는 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 송수신부(1110), 제어부(1120) 및 저장부(1130)를 포함할 수 있다. 전자 장치의 일 예로써, 무선 통신을 수행할 수 있는 휴대용 단말, 차량, 기지국 등이 이에 해당할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 송수신부(1110)는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 어레이 안테나들을 포함하고, 상기 위상 어레이 안테나들을 이용하여 신호의 송수신이 가능하도록 전력을 분배하는 전력 분배기를 포함할 수 있다. 여기에서 전력 분배기는, 상술한 예시들에 따른 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예예 따른 제어부(1120)는, 무선 통신을 통하여 외부 장치와 신호를 송수신하도록 상기 송수신부(1110)를 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부(1120)는, 송수신부(1110)를 통하여 송수신된 신호를 처리하고, 대응되는 동작을 수행하도록 전자 장치에 포함된 각 구성들을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 저장부(1130)는, 송수신부(1110)를 통하여 송수신된 정보나 제어부(1120)에 의하여 생성된 정보를 저장할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

1개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트들을 포함하는 전력 분배기에 있어서,
일단은 입력 포트에 연결되고, 타단은 접지에 연결되는 입력단 인덕터;
4개의 출력단 인덕터를 포함하는 인덕터 그룹; 및
상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이를 연결하는 4개의 연결부를 포함하고,
상기 4개의 연결부는 제1 연결부, 제2 연결부, 제3 연결부 및 제4 연결부를 포함하고,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제1 인덕터, 제2 인덕터, 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하며,
상기 출력 포트들은, 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이에서 상기 4개의 연결부 각각에 배치되고,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제1 구조에 기반하여 상기 4개의 연결부에 접속하며,
상기 제1 구조는, 상기 제1 인덕터가 상기 제1 연결부에 형성되는 제1 노드와 상기 제2 연결부에 형성되는 제2 노드 사이를 연결하고, 상기 제2 인덕터가 상기 제2 노드와 상기 제3 연결부에 형성되는 제3 노드를 연결하며, 상기 제3 인덕터가 상기 제3 노드와 상기 제4 연결부에 형성되는 제4 노드 사이를 연결하고, 및 상기 제4 인덕터가 상기 제4 노드와 상기 제1 노드를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

제1항에 있어서,
상기 입력 포트와 상기 제1 노드 사이에서 상기 제1 연결부에 배치된 제1 커패시터, 상기 입력 포트와 상기 제2 노드 사이에서 상기 제2 연결부에 배치된 제2 커패시터, 상기 입력 포트와 상기 제3 노드 사이에서 상기 제3 연결부에 배치된 제3 커패시터 및 상기 입력 포트와 상기 제4 노드 사이에서 형성된 제4 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

제1항에 있어서,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제2 구조에 기반하여 상기 4개의 연결부에 접속하며,
상기 제2 구조는, 상기 제1 인덕터가 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이를 연결하고, 상기 제2 인덕터가 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이를 연결하며, 상기 제3 인덕터가 상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이를 연결하고, 및 상기 제4 인덕터가 상기 제4 노드와 상기 제1 노드를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

제2항에 있어서,
상기 제1 커패시터와 상기 제1 노드 사이에 배치된 제1 저항, 상기 제2 커패시터와 상기 제2 노드 사이 배치된 제2 저항, 상기 제3 커패시터와 상기 제3 노드 사이에 배치된 제3 저항 및 상기 제4 커패시터와 상기 제4 노드 사이에 배치된 제4 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

제1항에 있어서,
상기 입력단 인덕터의 품질 인자(Quality factor)는 상기 출력단 인덕터들 각각의 Quality factor보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

제5항에 있어서,
상기 입력단 인덕터의 Quality factor는 15의 값을 가지고,
상기 출력단 인덕터들의 Quality factor는 10의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 분배기.

무선 통신 시스템에서, 전자 장치에 있어서,
위상 어레이 안테나 및 1개의 입력 포트와 4개의 출력 포트들을 포함하는 전력 분배기를 포함하는 송수신부; 및
상기 송수신부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 전력 분배기는,
일단은 입력 포트에 연결되고, 타단은 접지에 연결되는 입력단 인덕터;
4개의 출력단 인덕터를 포함하는 인덕터 그룹; 및
상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이를 연결하는 4개의 연결부를 포함하고,
상기 4개의 연결부는 제1 연결부, 제2 연결부, 제3 연결부 및 제4 연결부를 포함하고,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제1 인덕터, 제2 인덕터, 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하며,
상기 출력 포트들은, 상기 입력 포트와 상기 인덕터 그룹 사이에서 상기 4개의 연결부 각각에 배치되고,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제1 구조에 기반하여 상기 4개의 연결부에 접속하며,
상기 제1 구조는, 상기 제1 인덕터가 상기 제1 연결부에 형성되는 제1 노드와 상기 제2 연결부에 형성되는 제2 노드 사이를 연결하고, 상기 제2 인덕터가 상기 제2 노드와 상기 제3 연결부에 형성되는 제3 노드를 연결하며, 상기 제3 인덕터가 상기 제3 노드와 상기 제4 연결부에 형성되는 제4 노드 사이를 연결하고, 및 상기 제4 인덕터가 상기 제4 노드와 상기 제1 노드를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

제7항에 있어서,
상기 입력 포트와 상기 제1 노드 사이에서 상기 제1 연결부에 배치된 제1 커패시터, 상기 입력 포트와 상기 제2 노드 사이에서 상기 제2 연결부에 배치된 제2 커패시터, 상기 입력 포트와 상기 제3 노드 사이에서 상기 제3 연결부에 배치된 제3 커패시터 및 상기 입력 포트와 상기 제4 노드 사이에서 형성된 제4 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

제7항에 있어서,
상기 4개의 출력단 인덕터는, 제2 구조에 기반하여 상기 4개의 연결부에 접속하며,
상기 제2 구조는, 상기 제1 인덕터가 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이를 연결하고, 상기 제2 인덕터가 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이를 연결하며, 상기 제3 인덕터가 상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이를 연결하고, 및 상기 제4 인덕터가 상기 제4 노드와 상기 제1 노드를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

제8항에 있어서,
상기 제1 커패시터와 상기 제1 노드 사이에 배치된 제1 저항, 상기 제2 커패시터와 상기 제2 노드 사이 배치된 제2 저항, 상기 제3 커패시터와 상기 제3 노드 사이에 배치된 제3 저항 및 상기 제4 커패시터와 상기 제4 노드 사이에 배치된 제4 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

제7항에 있어서,
상기 입력단 인덕터의 품질 인자(Quality factor)는 상기 출력단 인덕터들 각각의 Quality factor보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

제11항에 있어서,
상기 입력단 인덕터의 Quality factor는 15의 값을 가지고,
상기 출력단 인덕터들의 Quality factor는 10의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

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