재구성 가능한 전력 분배 및 네거티브 그룹 지연 특성을 갖춘 소형 전력 분배기의 설계 이론

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7222(2023) 이 기사 인용

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이 기사에서는 전력 분배기의 재구성 가능한 전력 분배와 NGD(네거티브 그룹 지연)에 대한 결합 분석을 제시합니다. 이 연구에서는 높은 전력 분할 비율, 가변 네거티브 그룹 지연 및 더 낮은 특성 임피던스를 갖춘 재구성 가능한 전력 분배기를 기반으로 하는 새로운 복합 전송 선로를 제시합니다. 복합 전송선의 임피던스 변환은 음의 그룹 지연과 전력 분배를 모두 제어합니다. 이 전력 분배기는 재구성 가능한 전송 경로에서 1~39의 광범위한 전력 분배 비율, 적절한 절연, 임피던스 매칭 및 \(-3.4\)ns~\(-4.7\)ns의 NGD를 보유합니다. 네거티브 그룹 지연은 추가 그룹 지연 회로를 사용하지 않고도 달성됩니다. 전송선로 부분의 낮은 특성 임피던스와 절연 요소의 특성 임피던스에 대응하는 이론식을 도출합니다. 측정 결과는 전력 분할 비율과 네거티브 그룹 지연의 높은 튜닝 달성을 정당화합니다. 절연 및 반사 손실은 1.5GHz의 중심 주파수에서 -15dB보다 높습니다. 이 설계의 중요한 기여는 네거티브 그룹 지연 및 감소된 크기와 함께 재구성 가능한 넓은 전력 분배로 나열될 수 있습니다.

무선 통신 시스템에는 안테나 어레이용 급전 네트워크로서 동일하거나 동일하지 않으며 재구성 가능한 전력 분배기가 필요합니다. 재구성 가능한 전력 분배기에서 작동 대역 또는 전력 분배 비율은 DC 전압 및 버랙터 다이오드와 같은 집중 요소에 의해 제어됩니다. 버랙터 다이오드의 커패시턴스는 DC 전압으로 제어될 수 있으므로 대역폭 또는 전력 분배 비율이 변경됩니다1,2,3. 안테나 어레이 요소의 빔 스퀸트 문제를 극복하려면 재구성 가능성 외에도 NGD(Negative Group Delay)도 필요합니다. 일부 재구성 가능한 전력 분배기는 4,5,6,7에 나와 있습니다. 전환 가능한 인버터는 완전히 재구성 가능한 전력 분할을 얻는 데 사용됩니다4. 그러나 20개의 PIN 다이오드가 있으면 시스템이 복잡해집니다. In5에서는 2개의 버랙터 다이오드만 사용되지만 조정 가능성은 1:1에서 1:2.4까지만 가능합니다. 연속 분할 비율을 갖춘 재구성 가능 PD는 6에서 설계되었지만 전력 분할 범위는 \(-12.4\)~14.8dB 및 \(-8.6\)~\(-22.5\)dB입니다. \(-1.25\)dB에서 20dB까지 보다 포괄적인 분할을 갖는 PD는 7에서 구현되지만 회로는 다양한 특성 임피던스를 사용합니다. 최대 전력 분배 범위가 14dB인 평면 매직-T 기반 전압 제어 가변 전력 분배기가 8에 제시되어 있습니다. 그러나 회로는 약 15도 정도의 위상차를 갖는다. SWIPT 시스템의 전력 분할 아키텍처는 9,10에서 연구되었으며 캐스케이드 버랙터 다이오드와 반사형 위상 시프터 방법을 기반으로 한 재구성 가능성은 11,12,13에서 제시되었습니다. 튜닝하는 동안 발생하는 바람직하지 않은 결합을 제거하기 위해 추가 전송 라인이 있는 이중 대역 작동 및 격리 섹션이 각각 14,15에 표시되어 있습니다.

위상 배열 안테나는 빔 스퀸트(beam-squint) 문제로 인해 방사 패턴의 모양과 방향에 원치 않는 교란이 발생합니다. 조정 가능한 PDR 및 NGD를 갖춘 전력 분배기는 이러한 설계 과제를 극복하는 데 도움이 됩니다16. 삽입 손실 제어를 기반으로 하고 넓은 범위의 분할 비율과 좁은 대역폭을 갖는 전력 분배기가 17에 제시되어 있습니다. 그러나 이 작업에서는 GD 분석이 수행되지 않습니다. 4.05ns 음의 군지연을 갖는 음의 군지연 필터의 설계는 18에서 구현됩니다. NGD 전력 분배기에 대한 체계적인 분석은 19에서 수행됩니다. 이 작업에서는 계단식으로 연결된 동일한 2차 베이스밴드 스테이지의 개념이 활용됩니다. 저항기가 있는 단락 결합 라인을 기반으로 한 평형-불평형 네거티브 그룹 지연 전력 분배기가 20에 제시되어 있습니다.

네거티브 그룹 지연 회로를 사용하는 안테나 어레이용으로 설계된 기존 전력 분배기는 FBW(부분 대역폭)가 작고 PDR(전력 분할 비율)의 재구성성이 좋지 않다는 문제가 있습니다. 전력 분할 재구성성과 네거티브 그룹 지연을 결합하면 회로 그룹 지연이 보상됩니다. RF 회로에서는 좁은 주파수 대역 내에서 네거티브 그룹 지연 현상이 관찰되며 이는 선형성을 증가시켜 스퀸트 프리 직렬 급전 안테나 어레이의 경우처럼 무선 통신 시스템21의 성능을 향상시킵니다. 마이크로파 증폭기와 계단식으로 연결된 분산 수동 대역 통과 네거티브 그룹 지연 회로가 22에 제시되어 있습니다. 설계된 동작 주파수에 대한 전력 분할비 \(k^2\)에서 전송 계수의 크기와 연관된 군지연을 계산하기 위한 수학 방정식은 23에 나와 있습니다.