밀리미터파 대역 집중 소자 기반 등분 및 비등분 전력 분배기의 구조와 폐쇄형 설계식에 대한 연구 = A study on the lumped element based structure and the closed-form design equation of equal and unequal power dividers for millimeter wave band

국문 초록 (Abstract)

밀리미터파 대역 집중 소자 기반 등분 및 비등분 전력 분배기의 구조와 폐쇄형 설계식에 대한 연구 본 논문에서는 집중 소자 기반 전력 분배기 구조에 대해 등분 및 비등분 전력 분배 비율을 만족하는 폐쇄형 설계식(closed-form design equation)을 도출하는 해석법에 대해 연구한다. 첫 번째로 제안하는 해석법을 기존 윌킨슨 전력 분배기(CWPD, Conventional Wilkinson Power Divider)에서 격리 네트워크(IN, Isolation Network)가 수정된 전력 분배기 구조(MWPD, Modified Wilkinson Power Divider)에 적용하여 등분을 포함한 모든 전력 분배 비율에 대해 적용 가능한 집중 소자 설계식을 도출한다. 두 번째로 기본 전력 분배기의 한 출력 포트 측에 매칭 네트워크(MN, Matching Network)를 추가함으로써 세 입출력 포트가 모두 특성 임피던스로 고정되도록 S-MWPD(Simplified-MWPD) 회로를 구성하고, 제안하는 해석법을 적용하여 비등분 조건을 만족하는 설계식을 도출한다. 제안하는 해석법과 그로부터 도출한 집중 소자 설계식의 검증을 위해 5G 주파수 대역인 28 GHz를 설계 주파수로 설정하여 시뮬레이션을 진행하고 다양한 전력 분배 비율과 오차 값에 대한 반사 손실, 격리도, 두 출력 포트에 대한 삽입 손실 특성을 확인한다. 또한 이론적인 주파수 특성을 계산하고 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 본 연구의 구현 가능성을 검토하며, 나선형 인덕터를 설계하고 전체 회로 레이아웃 면적을 비교함으로써 수정된 전력 분배기 구조의 면적 이득을 확인한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we study analytical methods to derive closed-form design equations that satisfy equal and
unequal power division ratios for lumped based power divider structures. First, the proposed analysis method
is applied to a power divider structure with a modified isolation network (IN) from a conventional Wilkinson
power divider (CWPD) to a modified Wilkinson power divider (MWPD) to derive a lumped element design
equation that is applicable for all power division ratios including equalization. Second, a Simplified-MWPD(S-MWPD) circuit is constructed by adding a matching network (MN) to one output port side of the basic
power divider so that all three input and output ports are fixed in characteristic impedance, and the proposedanalysis method is applied to derive a design expression that satisfies the non-equalization condition. To
verify the proposed method and the derived concentrator design expressions, simulations are performed usingthe 5G frequency band, 28 GHz, as the design frequency, and the return loss, isolation, and insertion loss
characteristics of the two output ports are verified for various power division ratios and error values. The
feasibility of this study is examined by calculating the theoretical frequency characteristics and comparing
them with the simulation results, and the area gain of the modified power divider structure is verified by
designing a spiral inductor and comparing the overall circuit layout area.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 본론 6
• 2.1장 기본 구조에 대한 해석법 6
• 2.1.1 MWPD 해석법 적용 12
• 2.2장 간략화된 매칭 구조에 대한 해석 17
• 2.2.1 S-MWPD 해석법 적용 20
• 2.3장 네 가지 전력 분배기 구조 및 설계식 비교 26
• 제3장 결과 28
• 3.1장 다양한 전력 분배 비율별 이상적인 시뮬레이션 28
• 3.1.1 CWPD와 MWPD 시뮬레이션 결과 29
• 3.1.2 S-CWPD와 S-MWPD 시뮬레이션 결과 32
• 3.2장 MWPD 1:2 전력 분배 비율 오차 시뮬레이션 35
• 3.2.1. ±5% 및 ±10% 오차 시뮬레이션 결과 35
• 제4장 고찰 및 결론 38
• 4.1장 회로 소형화에 관한 고찰 38
• 4.1.1 인덕터 시뮬레이션 환경 39
• 4.1.2 인덕터 시뮬레이션 결과 및 면적 비교 39
• 4.1.3 인덕터 특성 포함 시뮬레이션 40
• 4.1.4 전체 회로 레이아웃 면적 비교 42
• 4.2장 연구에 대한 결론 43
• 참고문헌 44
• 영문초록 47