RF 전력 분배기 및 결합기 기본사항

사물 인터넷(IoT), 셀룰러, 자동차 전자 장치 등 응용 제품에 대한 무선 연결 요구 사항이 증가하면서 RF 신호, 부품 및 서브 시스템을 사용하는 시스템이 점점 증가하고 있습니다. 설계자가 이러한 신호를 여러 대상에 전달하거나 여러 신호를 결합해야 하는 경우도 있습니다. 하지만 신호를 결합하거나 분할하면 문제가 발생할 수 있으므로 설계자는 중대한 크기 및 비용 요구 사항을 유지하면서 임피던스 불일치나 로드에 따른 성능 저하 없이 신호를 라우팅해야 합니다.

여러 입력 또는 출력 간에 신호를 분할하거나 결합해야 하는 이러한 요구 사항은 RF 전력 분배기 또는 결합기로 충족할 수 있습니다. 이 장치는 유용하게 모든 소스에 대한 적절한 부하 임피던스를 유지하고 분리를 제공하면서 이러한 작업을 수행합니다.

이 기사에서는 Susumu, Anaren, MACOM 및 Analog Devices를 예로 들어 일반적으로 사용되는 세 가지 유형의 RF 전력 분배기/결합기(저항, 하이브리드, 윌킨슨)에 대한 기본사항을 설명합니다. 또한 구현 고려 사항을 비롯하여 설계자가 지능형 장치를 선택하는 데 도움이 되는 사양 및 일반 응용 제품에 대해 살펴봅니다.

전력 분배기

전력 분배기에는 단일 입력 신호와 두 개 이상의 출력 신호가 있습니다. 출력 신호의 전력 레벨은 입력 전력 레벨의 1/N입니다. 여기서 N은 분배기의 출력 수입니다. 가장 일반적인 형태의 전력 분배기에서 출력 신호는 동위 상에 있습니다. 출력 간에 제어된 위상 변이를 제공하는 특수 전력 분배기가 있습니다. 앞서 언급한 대로 전력 분배기의 일반 RF 응용 제품에서는 일반 RF 소스를 여러 장치에 전달합니다(그림 1).

그림 1: 전력 분배기는 위상 어레이 안테나 시스템, 직각 위상 복조기 등에서 일반 RF 신호를 여러 장치로 분할하는 데 사용됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

첫 번째 예는 두 안테나 소자 간에 RF 소스를 분할하는 위상 어레이 안테나입니다. 이 유형의 안테나에는 일반적으로 2개 ~ 8개 또는 그 이상의 소자가 있으며, 각 소자는 전력 분배기 출력 포트를 통해 구동됩니다. 위상 변이는 일반적으로 전자 제어 장치로 필드 패턴 안테나를 조정할 수 있도록 분배기 외부에 있습니다.

두 번째 예는 RF 캐리어를 동상(I) 및 직각 위상(Q) 변조 부품으로 복조하는 두 혼합기에 로컬 발진기를 제공해야 하는 직각 위상 복조기입니다. Q 신호를 복조하는 데 필요한 90° 위상 변이는 그림과 같이 외부에 위치하거나 전력 분배기 내부에 위치할 수 있습니다. 두 경우 모두 신호 전력 레벨이 동일합니다.

전력 분배기는 “역방향”으로 실행될 수 있으므로 여러 입력을 단일 출력에 결합하여 전력 결합기 역할을 할 수 있습니다. 결합기 모드에서 이러한 장치는 신호의 진폭 및 위상값에 따라 신호에 대한 벡터 더하기 또는 빼기를 수행할 수 있습니다.

전력 분배기 토폴로지

신호를 진폭이 축소된 두 부품으로 분할하려는 경우 설계자는 공통 소스에 두 부하를 배치하여 “tee” 연결을 사용할 것을 고려할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 기본 tee 연결을 사용하면 진폭과 위상이 동일한 두 부품으로 신호를 분할할 수 있지만 몇 가지 제한이 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

구성이 작동하지만 몇 가지 제한 사항이 적용됩니다. 임피던스 불일치가 가장 두드러집니다. 두 출력(포트 2 및 3)이 50ohms(Ω)으로 제공되는 경우 입력 포트(포트 1)에 25Ω의 부하가 제공되고, 입력 소스가 50Ω 장치인 경우 이는 부하 문제를 나타냅니다. 두 번째 문제로는 분리 기능이 부족합니다. 예를 들어 출력 중 하나가 단락된 경우 다른 포트도 단락됩니다.

전력 분배기의 tee 연결 제한을 없애기 위해 세 가지 기본 회로 토폴로지가 있습니다. 바로 저항, 하이브리드 및 윌킨슨(Wilkinson)입니다(그림 3). 윌킨슨 및 하이브리드 분배기는 반응 분배기로 분류됩니다.

그림 3: 세 일반 전력 분배기 토폴로지(저항, 윌킨슨, 하이브리드)의 간소화된 회로도 (이미지 출처: DigiKey)

저항 분배기

전력 분배기의 가장 일반적인 구현인 저항 분배기는 세 등가 저항기를 사용하며 일반적으로 스타 구성을 따릅니다. 장치의 대칭으로 인해 지정된 입력 포트가 없으며, 아무 포트나 입력 포트로 사용할 수 있습니다. 저항기 값은 전력 분배기가 사용되는 특성 임피던스의 1/3입니다. 50Ω 시스템의 경우 값은 16.67Ω이고, 75Ω 시스템의 경우 저항값은 25Ω입니다. 그룹으로 사용되는 저항 전력 분배기는 설계에 주파수 종속 반응 부품이 없으므로 일반적으로 가장 폭넓은 주파수 대역폭을 사용합니다.

저항 분배기의 주요 이점은 단순하다는 점입니다. 즉, 최소의 비용으로 손쉽게 구현할 수 있습니다. 또한 가장 작은 장치입니다. 주요 단점으로는 출력 포트 간에 계열 저항기를 통한 전력 손실이 발생합니다. 이러한 장치는 정격 전력 표준형이 있습니다. 대부분의 저항 전력 분배기 응용 제품에서는 상대적으로 낮은 전력을 사용합니다. 포트 사이에서 저항기에 의해 제공되는 분리 성능이 tee 구성에 비해 향상됩니다.

저항 분배기 출력 포트의 신호 진폭이 입력 신호 레벨 신호 진폭의 1/2입니다(그림 4).

그림 4: 저항 분배기의 입력과 출력 비교. 입력 신호의 사인 버스트는 50MHz이고 평방 (rms) 진폭은 179.5mV입니다(왼쪽 상단 트레이스). 출력(가운데 및 왼쪽 하단 트레이스)의 rms 레벨은 91.7mV(-5.8dB) 및 88.7mV(-6.1dB)입니다. 예상한 대로 모든 신호는 동위 상에 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

왼쪽 상단 그리드의 트레이스는 사인 버스트가 50MHz이고 rms 레벨이 179.5mV인 입력 신호입니다. 가운데 및 왼쪽 하단 그리드의 출력 레벨은 rms 레벨이 각각 91.7mV 및 88.7mV인 출력 신호입니다. 입력 신호보다 작은 -5.8dB 및 -6.1dB입니다. 오른쪽에 있는 세 트레이스는 가로로 확대되는 확대/축소 트레이스이며 세부 정보 뷰를 제공합니다. 예상한 대로 모든 신호는 동위 상에 있습니다.

저항 전력 분배기의 예로는 20GHz 대역폭을 사용하는 50Ω 2포트 저항 전력 분배기인 Susumu PS2012GT2-R50-T1이 있습니다. 이 분배기의 정격 소비 전력은 125mW이고 삽입 손실은 6 ±0.5dB입니다. 이 중 3dB은 내부 저항기에서 소비되는 전력 때문입니다. 이 소자는 2mm x 1.25mm x 0.4mm 크기의 표면 실장 패키지에 하우징되어 있습니다.

윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기

윌킨슨 전력 분배기는 결합되지 않은 두 병렬 방형파 변속기(응용 분야에서) 라인 변압기를 사용하는 반응 분배기입니다. 변속기(응용 분야에서) 라인을 사용하면 표준 인쇄 회로 변속기(응용 분야에서) 라인을 통해 윌킨슨 분배기를 쉽게 구현할 수 있습니다. 변속기(응용 분야에서) 라인의 길이로 인해 일반적으로 윌킨슨 분배기의 주파수 범위가 500MHz를 초과하는 주파수로 제한됩니다. 출력 포트 사이의 저항기를 통해 분리를 제공하면서 정합 임피던스를 유지할 수 있습니다. 출력 포트에는 동일한 진폭 및 위상을 가진 신호가 포함되어 있으므로 전압이 저항기를 통과하지 못합니다. 따라서 전류가 흐르지 않고 저항기에서 전력을 소비하지 않습니다.

Anaren PD3150J5050S2HF는 3.1GHz ~ 5GHz 주파수 범위를 포괄하고 최대 정격 전력이 2Ω인 2포트 50Ω 윌킨슨 타입 전력 분배기입니다. 이 분배기는 3dB 전력 감소를 제외하고 1dB(일반)의 삽입 손실과 15dB(일반)을 초과하는 분리 값이 있습니다. 크기는 2.0mm x 1.29mm x 0.53mm입니다.

하이브리드 전력 분배기

그림 3에 표시된 하이브리드 전력 분배기는 기본적으로 변압기를 사용합니다. 변압기 T2는 2:1 권선비로 자동 변압기를 형성하는 중심 탭 방식입니다. 전체 출력 측 임피던스는 중심 탭부터 접지까지 임피던스의 4배입니다. 각 출력 포트(포트 2 및 포트 3)의 임피던스가 50Ω이면 총 부하 임피던스는 100Ω입니다. 이 임피던스는 변압기를 통해 T2의 중심 탭에 25Ω로 다시 반사됩니다. 이 부하를 입력(포트 1)에 일치시키려면 25Ω ~ 50Ω 임피던스 정합 변압기인 변압기 T1이 필요합니다.

입력이 포트 1에 적용되고 포트 2와 포트 3이 50Ω 부하로 종단되는 경우 포트 2와 포트 3에서 180° 위상 변이를 가진 전류가 유도됩니다. 저항기 R을 통과하는 전류는 포트 2와 포트 3의 임피던스 합계(이 경우 100Ω)와 같고 역상과 동일하며 취소됩니다. 포트 2에는 포트 3의 신호에서 발생하는 전압이 없으며 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이론적으로 무한 분리가 있습니다. 입력 전력의 1/2이 각 출력 포트에 표시됩니다.

MACOM MAPD-009278-5T1000은 5MHz ~ 1GHz 주파수 범위를 포괄하는 하이브리드 전력 분배기입니다. 이 분배기는 2포트 0도 분배기로 구성됩니다. 3dB 전력 감소를 제외한 삽입 손실은 1.4dB 미만입니다. 분리는 일반적으로 20dB로 지정됩니다. 이 분배기는 250mW의 최대 전력 레벨을 처리할 수 있고 물리적 크기는 4.45mm x 4.22mm x 3mm입니다.

유효 전력 분배기

손실 없는 신호 분할이 필요한 응용 제품에서는 Analog Devices ADA4304-3ACPZ-R7과 같은 유효 전력 분배기를 활용할 수 있습니다. 이 분배기는 3dB 이득을 공급할 수 있는 증폭기가 내장된 75Ω 3:1 전력 스플리터입니다. 54MHz ~ 865MHz 주파수 범위에 사용될 2400MHz 대역폭을 지원합니다. 출력 간 분리가 25dB을 초과합니다. 75Ω 임피던스와 주파수 범위는 이 분배기가 멀티 튜너 셋톱 박스와 케이블 지원 TV를 비롯한 TV 응용 분야에 사용되는 장치임을 나타냅니다.

설명한 장치 중에 저항 분배기가 가장 간단하고 가장 작고 가장 폭넓은 주파수를 사용하지만, 삽입 손실은 더 높고 분리는 더 작습니다. 윌킨슨 전력 분배기는 낮은 삽입 손실과 높은 분리를 제공하지만 대역폭이 더 제한적입니다. 물리적 크기는 필요한 구체적 주파수 범위에 따라 다릅니다. 하이브리드 분배기는 낮은 삽입 손실과 우수한 분리 기능을 제공하지만 물리적 크기가 더 큽니다. 유효 전력 스플리터는 삽입 손실이 없지만 비용이 더 높은 경향이 있습니다.

구현 고려 사항

전력 결합기는 매우 작지만 올바르게 적용되지 않을 경우 문제의 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어 입력의 DC 오프셋에 주의하십시오. 변압기를 사용하는 하이브리드 결합기는 DC를 수행하지 않습니다.

저항 분배기의 경우 DC의 존재로 인해 정격 전력이 감소할 수 있습니다. 모든 수동 전력 결합기는 대칭 토폴로지를 사용하므로 설계자는 이 결합기를 적용할 때 대칭으로 유지해야 합니다. 부하가 일치하고 균형이 맞아야 합니다. 일치하지 않는 부하 임피던스를 사용할 경우 출력 레벨이 달라집니다.

직각 위상 변조기 또는 복조기에 로컬 발진기를 공급하는 경우처럼 고정 위상 차이가 필요한 응용 제품에서는 혼합기에서 위상 불일치를 방지하기 위해 출력 경로의 길이가 동일해야 합니다.

결론

IoT, 디지털 통신, 자동차 운전자 지원 시스템을 비롯한 다양한 응용 분야의 최신 RF 설계에서는 신호를 분리하거나 결합해야 합니다. 전력 분배기/결합기가 이 기능을 수행합니다. 전력 분배기를 사용해야 하는 설계자는 세 전력 분배기 토폴로지 중 하나를 선택할 수 있으며, 각 토폴로지는 고유한 트레이드 오프가 있습니다. 각 토폴로지의 특성에 대한 기본적인 지식이 있으면 설계자가 적절한 전력 분배기를 선택하는 데 도움이 됩니다.