KR100515028B1 - 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 ｍｍｉｃ 위상변위기 - Google Patents

멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 ｍｍｉｃ 위상변위기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MMIC 위상 변위기에 관한 것으로서, 특히 멀티-폴드 랑게 커플러와 PIN 다이오드를 사용하여 부하의 크기를 현저하게 감소시키는 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기에 관한 것이다.
본 발명인 위상 변위기는 RF 신호를 입력받는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 1 스위치와, 상기 제 1 스위치의 일단에 연결된 π-회로와, 상기 제 1 스위치의 타단에 그 입력 포트가 연결되고, 그 커플드 포트와 쓰루 포트는 접지된 제 1 랑게 커플러와, 상기 π-회로와 상기 제 1 랑게 커플러의 출력 포트에 각각 연결되어 위상 변위된 RF 신호를 출력하는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 2 스위치를 구비한 제 1 위상변위부와; 상기 위상변위된 RF 신호를 입력받아 추가적인 위상변위를 수행하여 새로운 RF 신호를 출력하는 직렬로 연결된 하나 이상의 제 2 랑게 커플러들과, 상기 하나 이사의 제 2 랑게 커플러들 각각의 커플드 포트와 쓰루 포트에 각각 연결된 반사 부하들을 포함하는 제 2 위상 변위부를 포함하고, 상기 반사 부하는, 캐패시터 및 상기 캐패시터에 애노드가 연결되고 캐소드가 접지된 PIN 다이오드로 이루어지는 PIN 다이오드부와; 상기 PIN 다이오드부와 병렬로 연결된 캐패시터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 ＭＭＩＣ 위상변위기{MMIC PHASE SHIFTER USING MULTI-FOLDED LANGE COUPLERS}
본 발명은 MMIC 위상 변위기에 관한 것으로서, 특히 멀티-폴드 랑게 커플러와 PIN 다이오드를 사용하여 부하의 크기를 현저하게 감소시키는 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기에 관한 것이다.
도 1은 종래의 MMIC 위상 변위기의 구성도를 도시한 것으로서, 상기 위상 변위기는 180°비트 위상을 변위시키는 제 1 위상 변위부와, 90°비트 위상을 변위시키는 제 2 위상 변위부와, 45°비트 위상을 변위시키는 제 3 위상 변위기 및 11.25°및 22.5°비트 위상을 변위시키는 제 4 위상 변위부로 구성된다. 상기 MMIC 위상 변위기는 1989년 IEEE 모노리틱 회로 심포지움 요약(Monolithic Circuits Symposium Digest) 69 내지 73쪽의 "4:1 대역폭 디지틀 5비트 MMIC 위상 변위기"에 개시되었다.
종래의 위상 변위기는 1/4 파장 랑게(lange) 커플러를 사용함으로써 위상특성이 좋으나, MMIC로 상기 위상 변위기를 제조할 때 상대적으로 4개의 긴 랑게 커플러 때문에 칩의 면적이 증가된다.
또한, 종래의 위상 변위기의 제 1 내지 제 4 위상 변위부는 FET를 사용함으로써 그 제조 공정이 상당히 복잡하게 된다.
도 2는 도 1의 위상 변위기의 레이아웃도면으로서, 상기 위상 변위기에 구비된 랑게 커플러가 차지하는 면적이 상대적으로 크기때문에, 상기 회로는 8.4mm× 8.4mm(=70.56mm2)의 면적을 차지하게 된다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 랑게 커플러들이 차지하는 면적을 감소시킴으로써 칩 전체의 크기를 줄이는 것을 목적으로 합니다.
또한, 본 발명은 상기 감소된 면적으로 인한 랑게 커플러 내부의 간섭을 제거하여 종래 기술의 랑게 커플러와 동일한 성능을 유지하도록 하는 것을 목적으로 합니다.
또한, 본 발명은 제조 공정이 복잡한 FET의 사용함이 없이 위상 변위기의 각각의 위상 변위부를 제조하는 것을 목적으로 합니다.
본 발명의 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기는, RF 신호를 입력받는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 1 스위치와, 상기 제 1 스위치의 일단에 연결된 π-회로와, 상기 제 1 스위치의 타단에 그 입력 포트가 연결되고, 그 커플드 포트와 쓰루 포트는 접지된 제 1 랑게 커플러와, 상기 π-회로와 상기 제 1 랑게 커플러의 출력 포트에 각각 연결되어 위상 변위된 RF 신호를 출력하는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 2 스위치를 구비한 제 1 위상변위부와; 상기 위상변위된 RF 신호를 입력받아 추가적인 위상변위를 수행하여 새로운 RF 신호를 출력하는 직렬로 연결된 하나 이상의 제 2 랑게 커플러들과, 상기 하나 이상의 제 2 랑게 커플러들 각각의 커플드 포트와 쓰루 포트에 각각 연결된 반사 부하들을 포함하는 제 2 위상 변위부를 포함하고, 상기 반사 부하는, 캐패시터 및 상기 캐패시터에 애노드가 연결되고 캐소드가 접지된 PIN 다이오드로 이루어지는 PIN 다이오드부와; 상기 PIN 다이오드부와 병렬로 연결된 캐패시터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명의 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기에서, 상기 캐패시터부는, 하나 이상의 캐패시터와; 이와 병렬로 연결된 저항과 캐패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명의 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기에서, 상기 반사 부하는 상기 캐패시터부와 병렬로 연결된 하나 이상의 PIN 다이오드부를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
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도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 구성도를 도시한 것으로서, 180° 비트 위상을 변위시키는 제 1 위상 변위부(300), 90°비트 위상을 변위시키는 제 2 위상 변위부(310), 45°비트 위상을 변위시키는 제 3 위상 변위부(320) 및, 11.25°와 22.5°및 33.75°비트 위상을 변위시키는 제 4 위상 변위부(330)로 구성된다.
먼저, 상기 제 1 위상 변위부(300)는 단극 이접점 (Single Pole Double Throw: SPDT) 스위치(301), (303)과, 단락된(shorted) π-회로(302)와, 단락된 (shorted) 랑게 커플러(304)로 구성된다. 상기 SPDT 스위치(301)는 무선(RF) 신호를 수신받아, 소정의 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 PIN 다이오드인 D1이 온(on)이고, D2가 오프(off)이면, 상기 π-회로(302)로 상기 RF 신호를 출력하고, 상기 SPDT(303)에서도 동일한 동작을 통하여 상기 RF 신호를 출력한다. 반대로, 상기 D1이 오프이고, D2가 온이면, 상기 랑게 커플러(304)로 상기 RF 신호가 흐르게 되어, 상기 SPDT(303)을 통하여 출력하게 된다. 이때, 상기 π-회로(302)와, 랑게 커플러(304)의 위상차가 180°가 되도록 설계하고, 또한, 각 회로에서의 손실도 같게 설계된다. 이러한 설계는 본 발명이 속하는 분야에 익숙한 사람에게는 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 제 2 내지 제 4 위상 변위부(310), (320), (330)는 각각 위상 변위된 RF 신호를 입력받는 랑게 커플러(311), (321), (331)와, 각각의 커플드(coupled) 포트와 쓰루(through) 포트에 연결된 반사부하들(312), (313), (322), (323), (332), (333)로 구성된다.
도 4는 도 3의 제 2 위상변위부(310)의 구성도를 나타내는 것으로서, 상기 제 2 위상 변위부(310)는 상기 위상 변위된 RF 신호를 입력받는 랑게 커플러(311)와, 상기 랑게 커플러(311)의 커플드 포트와 쓰루 포트에 각각 연결된 상기 반사부하들(312), (313)로 구성되고, 상기 반사부하들(312), (313)은 캐패시터(C1)과 직렬로 연결된 PIN 다이오드(P1)로 이루어진 PIN 다이오드부와, 상기 다이오드부와 병렬로 연결된 캐패시터(C2)와, 상기 캐패시터(C2)와 병렬로 연결된 저항(R3)와 직렬로 연결된 캐패시터(C3)로 이루어지고, 상기 캐패시터(C2)는 접지된다.
상기 구성도에서 사용된 PIN 다이오드들의 등가회로로 상기 다이오드가 온되었을 경우, 약 1.5오옴의 저항(Ron)으로, 오프되었을 경우 50pF의 캐패시터(Coff)로 근사화할 수 있다. 또한, 설계상에서 Coff<<C1, Coff<<C2, Coff<<C3가 되도록 하고, Ron은 무시할 수 있으므로, 상기 PIN 다이오드(P1)가 오프가 되었을 경우, 상기 반사부하(312), (313)의 어드미턴스(Yoff)는 약 C2+C3가 되고, 상기 PIN 다이오드(P1)가 온되었을 경우, 상기 반사부하(312), (313)의 어드미턴스(Yon)는 약 C1+C2+C3가 된다. 따라서, C1/(C2+C3)값에 비례하여 위상차이가 발생하게 된다. 상기 구성도에서 C1, C2 및 C3는 동작주파수에서 반사부하로 작용할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다.
상기 제 3 위상 변위부(320)와 제 2 위상 변위부(310)는 그 구성에서 서로 유사하다. 다음으로, 상기 제 4 위상 변위부(330)는 PIN 다이오드부를 2개씩 더 구비하는 반사부하들(332), (333)과 연결된 랑게 커플러(331)로 이루어진다. 상기 추가된 PIN 다이오드부를 통하여 상기 제 4 위상 변위부(330)는 이전의 위상 변위부와는 달리 3개의 비트 위상을 변위시킬 수 있게 된다. 즉, 예를 들면, 상기 제 4 위상 변위부(330)에서 33.75°를 제어할 경우, 11.25°와 22.5°의 PIN 다이오드들을 오프시키고, 33.75°의 PIN 다이오드만을 온시키는 방법으로써, 상기 제 4 위상 변위부(330)는 상기 3개의 비트 위상을 각각 변위시킬 수 있다.
상기에서, PIN 다이오드 대신에 각종 트랜지스터(예를 들면 MESFET, HEMT 등)이 사용될 수 있다.
도 5a는 도 1의 위상 변위기 내에 설치된 랑게 커플러의 레이아웃도면으로서, GaAs 기판에서 중심주파수가 4GHz일 때의 1/4파장 랑게 커플러를 도시한 것이다. 상기 랑게 커플러는 대략 길이가 6mm정도가 되므로, 이것을 MMIC 과정에서 그대로 사용되면 그 칩의 면적이 현저하게 증가된다.
도 5b는 도 3의 위상 변위기 내에 설치된 멀티-폴드 랑게 커플러의 레이아웃도면이다. 본 발명에 따른 멀티-폴드 랑게 커플러는 실시예에서와 같이, 소정의 간격으로 한번 이상 접혀진 랑게 커플러이다. 그럼으로써, 상기 랑게 커플러의 크기가 현저하게 감소됨으로써, 전체 칩에서 차지하는 면적이 감소되어, 웨이퍼의 수율을 증가시키고, 칩 크기가 작아져서 취급하기에 편리하게 된다. 상기 소정의 간격은 랑게 커플러가 접혀지게 됨으로써 야기되는 DC 및 AC 간섭을 방지하여, 종래의 랑게 커플러와 동일한 위상특성을 갖도록 실험적으로 정해질 수 있다.
도 5c는 도 5b의 멀티-폴드 랑게 커플러의 일실시예로서, 전체 랑게 커플러의 길이가 대략 6.2mm이고, 종래의 랑게 커플러를 6회 접혀지도록 제조된 랑게 커플러를 도시한다.
도 6은 도 5b의 멀티-폴드 랑게 커플러와 종래 랑게 커플러의 성능 비교 그래프이다. 점선으로 그려진 곡선은 본 발명에 따른 랑게 커플러의 성능 곡선이고, 실선으로 그려진 곡선은 종래 기술의 랑게 커플러의 성능 곡선이다.
랑게 커플러의 성능 특성을 나타내는 S파라미터에 따라 그 성능 특성을 비교하도록 한다. 먼저, 성능 특성(S11), (S41)은 랑게 커플러의 반사손실을 의미하는 것으로 그 절대값이 작을수록 우수한 커플러이다. 성능 특성(S11)(입력 포트로 입력된 무선 신호의 크기 대 입력 포트로 반사되는 무선신호의 크기의 비율)에서, 본 발명에 따른 랑게 커플러와 종래의 랑게 커플러가 2GHz 부근에서는 그 차이가 약 7dB이나, 그 중심 주파수인 4GHz 부근에서는 그 차이가 3dB로 감소되어짐으로써, 그 성능에 차이가 거의 없음을 알 수 있다. 또한, 성능 특성(S41)(입력 포트로 입력된 무선 신호의 크기 대 출력 포트에서 입력포트로 반사되는 무선신호의 크기의 비율)은 거의 모든 주파수 대역에서 그 차이가 없음을 알 수 있다.
다음으로, 성능 특성(S21), (S31)은 랑게 커플러의 전달 특성을 의미하는 것으로 그 절대값이 클수록 우수한 커플러이다. 성능 특성(S21)(입력 포트로 입력된 무선 신호의 크기 대 커플드 포트에서 입력 포트로 전달되는 무선신호의 크기의 비율), (S31)(입력 포트로 입력된 무선 신호의 크기 대 쓰루 포트에서 입력 포트로 전달되는 무선신호의 크기의 비율)에서, 전체 주파수 대역에서 거의 그 값에 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 랑게 커플러와 종래의 랑게 커플러는 그 성능 상에서는 거의 차이가 없다.
도 7은 본 발명에 따른 MMIC 위상 변위기의 실시예의 레이아웃 도면으로서, 멀티-폴드 랑게 커플러(304), (321), (331)와 일반 랑게 커플러(311)로 이루어진다. 이와 같이, 랑게 커플러를 멀티-폴드된 것과 일반의 것을 혼용하여 사용하는 것도 가능하다. 이렇게 함으로써, MMIC 위상 변위기의 면적은 5.3mm×6.5mm (=34.45mm2)으로 종래의 위상 변위기에 비해 현저하게 감소된다.
도 8a는 종래의 MMIC 위상 변위기의 위상 특성 측정결과 그래프이고, 도 8b는 본 발명에 따른 MMIC 위상 변위기의 위상 특성 측정결과 그래프이다. 상기 두 그래프에서 각각의 MMIC 위상 변위기는 거의 동일한 위상 특성을 나타냄을 알 수 있다.
상기한 구성을 통하여, 본 발명은 종래의 랑게 커플러들이 차지하는 면적을 랑게 커플러를 소정의 간격으로 접음으로써 감소시키고, 그럼으로써 칩 전체의 크기를 줄이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 접음으로 인한 랑게 커플러 내부의 DC 및 AC 간섭을 제거하여 종래 기술의 랑게 커플러와 동일한 성능을 유지하도록 하여, 상기 랑게 커플러가 내장된 MMIC 위상 변위기도 그 성능이 변동되지 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제조 공정이 복잡한 FET의 사용함이 없이 PIN 다이오드와 같은 소자를 사용함으로써 위상 변위기의 각각의 위상 변위부를 용이하게 제조하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 MMIC 위상 변위기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 위상 변위기의 레이아웃도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 구성도이다.
도 4는 도 3의 제 2 위상변위부의 구성도이다.
도 5a는 도 1의 위상 변위기 내에 설치된 랑게 커플러의 레이아웃도면이다.
도 5b는 도 3의 위상 변위기 내에 설치된 멀티-폴드 랑게 커플러의 레이아웃도면이다.
도 5c는 도 5b의 멀티-폴드 랑게 커플러의 일실시예이다.
도 6은 도 5b의 멀티-폴드 랑게 커플러와 종래 기술에 따른 랑게 커플러의 성능 비교 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 MMIC 위상 변위기의 레이아웃 도면이다.
도 8a는 종래의 MMIC 위상 변위기의 위상 특성 측정결과 그래프이고, 도 8b는 본 발명에 따른 MMIC 위상 변위기의 위상 특성 측정결과 그래프이다.

Claims (9)

  1. RF 신호를 입력받는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 1 스위치와, 상기 제 1 스위치의 일단에 연결된 π-회로와, 상기 제 1 스위치의 타단에 그 입력 포트가 연결되고, 그 커플드 포트와 쓰루 포트는 접지된 제 1 랑게 커플러와, 상기 π-회로와 상기 제 1 랑게 커플러의 출력 포트에 각각 연결되어 위상 변위된 RF 신호를 출력하는 하나 이상의 PIN 다이오드를 구비하는 제 2 스위치를 구비한 제 1 위상변위부와;
    상기 위상 변위된 RF 신호를 입력받아 추가적인 위상변위를 수행하여 새로운 RF 신호를 출력하는 직렬로 연결된 하나 이상의 제 2 랑게 커플러들과, 상기 하나 이상의 제 2 랑게 커플러들 각각의 커플드 포트와 쓰루 포트에 각각 연결된 반사 부하들을 포함하는 제 2 위상 변위부를 포함하고,
    상기 반사 부하는, 캐패시터 및 상기 캐패시터에 애노드가 연결되고 캐소드가 접지된 PIN 다이오드로 이루어지는 PIN 다이오드부와; 상기 PIN 다이오드부와 병렬로 연결된 캐패시터부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기.
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캐패시터부는 하나 이상의 캐패시터와; 이와 병렬로 연결된 저항과 캐패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 부하는 상기 캐패시터부와 병렬로 연결된 하나 이상의 PIN 다이오드부를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티-폴드 랑게 커플러를 사용한 MMIC 위상 변위기.
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KR101008955B1 (ko) 2009-07-07 2011-01-17 한국과학기술원 Ｐｉｎ 다이오드를 이용한 초고주파 대역 고성능 위상 변위기 회로

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