소개
전력 분배기/결합기는 두 가지 상호적인 기능에 사용할 수 있는 수동 장치입니다: 단일 신호를 여러 출력으로 분할하거나, 반대 방향으로 여러 입력 신호를 단일 출력으로 결합합니다. N-포트 분배기의 경우, 입력 신호는 N개의 출력 포트로 분할됩니다. N-포트 결합기로 사용될 때, N개의 입력은 단일 포트에서 출력 신호로 결합됩니다.
애플리케이션에는 테스트 장비, 실험실 및 생산 테스트 시스템, 전력 증폭기 서브시스템 및 다양한 유형의 신호 처리가 포함됩니다. 가장 일반적인 유형의 전력 분배기/결합기는 N개의 포트 간에 동일한 진폭과 0° 위상차, 그리고 동일한 임피던스를 가집니다. 분배기로서 입력-출력 손실은 N에 따라 달라집니다 — 예: 2포트의 경우 3 dB 손실, 4포트의 경우 6 dB 손실 등 — 여기에 내부 회로를 통과하는 작은 삽입 손실이 추가됩니다. 결합기로서 단일 포트 출력은 N개 포트 입력의 합입니다. 신호 처리에 필요한 위상 이동 또는 불균등 진폭은 일반적으로 외부 회로로 달성되지만, 일부 일반적으로 사용되는 구성은 전력 분배기/결합기 패키지에 포함될 수 있습니다.
분배기/결합기의 또 다른 특징은 다중 포트 간의 격리입니다. 장치의 내부 회로는 N개 포트 중 하나에서 다른 포트로 전달되는 신호를 상쇄하도록 설계되어 있습니다. 좋은 격리를 달성하고 정확한 전력 분배를 유지하기 위해 내부 회로는 균형을 이루며, 불균형은 부하 저항기로 보내져 에너지가 소산됩니다. 불균형 조건을 처리하는 전력 분배기/결합기의 능력은 부하 저항기의 정격이 소산에 제한을 두기 때문에 적절한 구현에서 핵심 요소입니다.
이 애플리케이션 노트의 초점은 N개의 입력 신호를 결합하는 것이 장치의 전력 처리에 어떤 영향을 미치는지, 특히 비동기 신호와 함께 사용할 때 어떤 영향을 미치는지 설명하는 것입니다.
신호의 동기성 이해
신호의 위상 동기성을 설명하는 데 사용되는 여러 정의가 있습니다. 아마도 가장 간단한 것은 동기성이란 두 신호가 동일한 주파수를 가지고 일정한 위상 오프셋을 유지하는 것입니다. 다시 말해, 두 신호 사이의 상대적 위상 Δφ(그림 1 및 2)가 시간이 지나도 일정하게 유지됩니다. 반대로, 두 신호가 서로에 대해 일정한 위상을 가지지 않으면 그림 3에서 설명한 것처럼 비동기로 간주됩니다.
2-way 전력 분배기를 고려해 보십시오. 단일 신호가 소스이며, 이는 두 개의 출력 신호로 분할되고, 각각 원래 전력의 절반(-3 dB)을 가집니다. 출력은 동일한 입력 신호에서 파생되므로 출력 간에 위상차가 없습니다. 따라서 출력은 동기입니다. 전송선 섹션과 같이 신호 경로 중 하나에 시간 지연을 도입하면 위상차가 생기지만 일정하게 유지되므로 신호는 여전히 동기입니다. 이러한 동기 신호를 사용하면 신호 경로가 균형을 이루고 부하 저항기에서 거의 전력이 소산되지 않습니다.
반대 방향 — 전력 결합기로서 — 두 입력이 동기이고 진폭이 동일하면 장치가 균형을 이루고 부하 저항기에 전력이 없습니다. 그러나 입력 신호에 차이가 있으면(비동기) 시스템이 불균형하여 전력이 부하 저항기로 보내집니다. 비동기 결합으로 인해 소산되는 전력량은 부하 저항기의 정격을 초과해서는 안 됩니다.
일반적으로 비동기 신호는 진폭, 위상 및/또는 주파수의 차이가 있어 상당한 불균형 전력이 소산됩니다. 소산되는 전력은 소량에서 총 입력 전력까지 다양할 수 있습니다.
Mini-Circuits의 비동기 신호 정의
전력 결합기는 결합되는 신호의 진폭과 위상 관계에 따라 달라지는 삽입 손실을 나타냅니다. 저희의 많은 분배기/결합기에서 결합기로서의 전력 정격을 명시할 때, 각주에 “비동기 신호의 결합기로서 포트당 최대 전력은 XX-와트 전력 정격을 포트 수로 나눈 값입니다”라고 명시합니다. 즉, 전력 결합의 전력 처리 능력은 내부 저항기의 전력 처리에 의해 제한됩니다. 결합된 각 신호의 입력 전력은 XX-W/N을 초과할 수 없습니다(여기서 N은 포트 수). 예를 들어, 정격 내부 소산이 0.8W인 2-way 전력 분배기가 있는 경우, 각 포트의 최대 전력은 0.8W/2, 즉 각 포트당 0.4W입니다. 두 입력 신호의 진폭이 같고 동위상이면(그림 4에 표시됨) 삽입 손실이 0이므로 전력 정격은 분배기로서의 정격 전력을 N-포트로 나눈 것과 같습니다. 따라서 10와트로 정격된 2-way 분배기는 신호가 완벽하게 주파수와 진폭이 동기이면 각각 5와트씩 두 신호를 처리할 수 있습니다.
두 신호가 다른 주파수에 있으면 삽입 손실은 이론적인 삽입 손실과 같습니다. 즉, 다른 RF 주파수의 두 신호가 더해지면 각 신호는 3 dB 손실로 S 포트에 나타납니다. 내부 저항기는 각 신호에 대해 3 dB 전력 손실을 흡수합니다.
그러나 신호가 180° 역위상이면(그림 5에 표시됨) 삽입 손실은 무한대입니다. 이 경우 출력에 전력이 없고 총 전력이 저항기에 의해 소산됩니다.
(위: 입력 신호; 아래: 결합된 출력 신호)
(위: 입력 신호; 아래: 출력 신호 없음)
요약
Mini-Circuits 전력 분배기/결합기 제품의 전력 정격은 내부 부하 저항기의 허용 전력을 기준으로 합니다. 결합기로 사용될 때, 내부 부하 저항기는 비동기 입력 신호 간의 차이로 인해 발생하는 전력을 소산할 수 있어야 합니다. 이러한 불균형 — 또는 차동 전력 — 은 입력의 진폭과 위상에 따라 달라지므로, 사용자는 자신의 애플리케이션에서 예상되는 입력 신호의 범위를 이해해야 합니다.
참고 자료
- 전력 분배기 이해: https://www.minicircuits.com/appdoc/AN10-006.html
- 전력 분배기 FAQ: https://www.minicircuits.com/appdoc/PWR2-4.html