KR100572691B1 - 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 더블밸런스드 믹서를 구성하는 LO 발룬과 RF 발룬을 각각 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드와 링 하이브리드를 이용하여 형성함으로써 구현의 용이성을 증대시킴과 아울러 광대역 특성을 갖게 하는, 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 국부발진(LO: Local Oscillation) 발룬(Balun)과 무선신호(RF: Radio Frequency) 발룬을 포함하여 이루어지는 더블밸런스드 믹서에 있어서, 상기 LO 발룬은 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드를 이용하여 형성되고, 상기 RF 발룬은 링 하이브리드를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 함.

4, 발명의 중요한 용도

본 발명은 통신 중계 시스템 등에 이용됨.

더블밸런스드 믹서, 브랜치라인, 링 하이브리드, LO 발룬, RF 발룬, 초고주파, 광대역

Description

브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서{The Double-balanced Mixer Using Branch-Line and Ring-Hybrid}

도 1 은 일반적인 더블밸런스드 믹서의 구성 일예시도.

도 2 는 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 브랜치라인을 이용한 LO 발룬의 일실시예 구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 링 하이브리드를 이용한 RF 발룬의 일실시예 구성도.

도 4 는 본 발명에 따른 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서의 일실시예 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

200 : LO 발룬 300 : RF 발룬

412 : 다이오드 링 414 : 믹서의 접지 패드

420 : RF 입력단자 430 : LO 입력단자

440 : IF 출력단자

본 발명은 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 더블밸런스드 믹서를 구성하는 LO(Local Oscillator, 국부발진) 발룬과 RF(Radio Frequency, 무선신호) 발룬을 각각 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드와 링 하이브리드를 이용하여 형성함으로써 구현의 용이성을 증대시킴과 아울러 광대역 특성을 갖게 하는, 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서에 관한 것이다.

최근 급속히 확산되는 통신의 이동화와 디지털화를 충족시키기 위해 통신위성의 수요가 점점 늘어나고 있다. 하지만, 지상용 통신주파수와는 달리 통신위성에 사용되는 주파수는 RF 대역과 IF 대역이 가깝게 (예를 들어, RF 14.25GHz, IF 12.5GHz) 위치하게 되어, 이로 인해 위성통신 중계기에 사용되는 믹서의 국부발진(LO) 주파수는 무선신호 주파수(RF)에 비해 상대적으로 매우 낮아지게 되고(상기 예의 경우 1.75GHz), 이에 따라 국부발진기 발룬의 설계에 많은 어려움이 있어 왔다.

종래에는 이러한 어려움 때문에 국부발진기 발룬이 필요없는 구조(단일 밸런스드 믹서, 능동 믹서)를 채택하거나 발룬을 개별 RLC 소자를 이용해서 구현하였다. 그렇지만, 이와 같이 개별 RLC 소자로 발룬을 구현할 경우, RLC의 주파수 의존성 때문에 마이크로 스트립으로 구현된 발룬에 비해 주파수가 훨씬 협대역이 된다 는 문제점이 있다.

또한, 단일 밸런스드 믹서나 능동 믹서에 비해 더블밸런스드 믹서를 사용할 경우 RF와 LO의 포트간에 격리도가 좋고 광대역 특성을 가지며, RF와 LO의 짝수차 하모닉(Harmonic)을 억제시킬 수 있다는 등의 여러가지 장점이 있음은 널리 알려진 사실이다.

여기서 격리도란, 믹서의 성능을 평가하는 중요한 항목 가운데 하나로, 어떤 두 대상을 격리하는 정도를 나타내는 척도로서, 주로 입출력 신호가 드나드는 포트를 기준으로 각 포트마다 간섭이 발생하여 각 포트만의 고유의 신호들이 다른 포트로 서로 넘어가지 않게 하는 정도를 나타내는 파라메타(parameter)이다. 즉, IF, LO, RF 등의 3개의 포트를 가지는 믹서는 주파수 변환을 목적으로 하는 장치이기 때문에 상기 3개의 포트간의 격리도가 특히 중요한 파라메타가 되는 것이다.

이러한 격리도를 최대한 크게 하기 위한 방법으로는, 각 포트를 격리할 수 있는 커플러(coupler)나 트랜스포머(transformer)를 사용하는 방법과, 신호를 양과 음의 밸런스드(balanced) 신호로 만들어 단자를 나눔으로써 서로 상쇄시키는 방법이 있다.

이와 같은 원리에 의해 제안된 단일 밸랜스드 믹서는, 가장 문제가 될 만한 두 개의 주파수 입력부(보통 RF와 LO)를 커플러나 트랜스포머를 이용하여 분리하는 구조를 갖는다. 다시 말해, 커플러나 트랜스포머를 이용하여 두 입력을 구분하게 되면 양쪽에서 동시에 신호가 입력되더라도 상대방에게 전달되는 신호는 최소화된다. 이때 커플러는 90도 하이브리드나 한쪽만 180도 위상차를 만드는 커플러를 사 용하며 기본적으로 두 개의 다이오드에 걸리는 파형의 위상이 180도의 차이를 갖도록 구성한다.

이러한 단일 밸런스드 믹서 보다 격리도를 더욱 높이기 위한 목적에서 제안된 것이 더블 밸런스드 믹서이다. 즉, 더블 밸런스드 믹서는, 모든 포트가 완전히 격리될 수 있도록 하기 위하여, 좀더 강화된 형태로, 발룬(balun) 등에 의해 모든 입출력이 연결된 구조를 갖는다. 여기서 상기 발룬이란, 하나의 입력 신호를 크기가 같고 위상이 서로 180도 차이가 나는 두개의 신호로 나누어 주는 역할을 하는 장치이다.

도 1 은 일반적인 더블 밸런스드 믹서의 구성 일예시도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 일반적인 더블 밸런스드 믹서는, RF, LO, IF 3개의 포트가 있고, 더블밸런스드 믹서 구성을 위한 RF 및 LO 발룬(110, 120)과 각 포트별 정합 부분과 다이오드 링 등을 포함하여 구성되며, RF 포트와 LO 포트에 각각의 발룬(110, 120)을 구성하여 양측의 출력 신호가 180도의 위상차를 갖도록 한 다음 각각의 다이오드 페어(diode pair)에 180도의 위상차로 신호가 입력되게 하는 구조를 갖는다.

더블 밸런스드 믹서와 관련된 종래의 기술로는, 국내공개특허 "더블 밸런스드 믹서의 제조방법(출원번호 : 10-1998-55329)"이나 국내등록특허 "마이크로스트립 하이브리드(Microstrip Hybrid) 및 이를 이용한 고주파 대역용 주파수 혼합기(등록번호 : 10-347633)" 등이 있다.

하지만, 상기 국내공개특허 "더블 밸런스드 믹서의 제조 방법"의 경우 적층 형으로 형성된 인덕터를 사용하여 LO 발룬 및 RF 발룬을 구성하도록 하였는 바, 상기 인덕터가 주파수 의존성을 가짐으로 인해 주파수의 대역폭이 작을 수 밖에 없는 한계가 있다는 문제점이 있었다.

또한, 국내등록특허 "마이크로스트립 하이브리드 및 이를 이용한 고주파 대역용 주파수 혼합기"의 경우, LO 및 RF의 짝수차 스퓨리어스(spurious)가 발생될 수 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 더블밸런스드 믹서를 구성하는 LO 발룬과 RF 발룬을 각각 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드와 링 하이브리드를 이용하여 형성함으로써 구현의 용이성을 증대시킴과 아울러 광대역 특성을 갖게 하는, 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 국부발진(LO: Local Oscillation) 발룬(Balun)과 무선신호(RF: Radio Frequency) 발룬을 포함하여 이루어지는 더블밸런스드 믹서에 있어서, 상기 LO 발룬은 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드를 이용하여 형성되고, 상기 RF 발룬은 링 하이브리드를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

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상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 브랜치라인을 이용한 LO 발룬의 일실시예 구성도이다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 브랜치라인을 이용한 LO 발룬(200)은, 입력단자(210), 출력단자(220, 230) 및 λ/4 라인(202 내지 206) 등으로 구성된다. 여기서, 브랜치라인 이론에 따라, 각각의 라인 201, 203, 204 및 206 은 50Ω, 라인 202 및 205 는 50/

Ω 의 특성 임피던스를 갖도록 구성하였다.

또한, 브랜치라인을 발룬으로 이용하기 위하여 하나의 출력단자(240)는 50ohm 단락을 시킴으로써 두개의 출력단자(220, 230)만을 갖도록 하였는데, 브랜치라인 이론에 의해, 상기 두 출력단자 사이의 출력 신호가 90도 위상차를 갖게 되므로 90도 라인을 일측 출력단자(230)에 추가함으로써, 결국 상기 입력단자(210)를 통해 입력된 LO 신호가 상기 두개의 출력단자(220, 230)를 통해, 그 크기는 같고 위상이 서로 반대인 두개의 신호로 출력되도록 하였다.

도 3 은 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 링 하이브리드를 이용한 RF 발룬의 일실시예 구성도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 더블밸런스드 믹서를 구성하는 링 하이브리드를 이용한 RF 발룬(300)은, 입력단자(320), 50Ω 라인(301, 303, 305, 309) 및 50

Ω 라인(302, 304, 308) 등을 포함하여 구성된다. 여기서 상기 각 라인들의 특성 임피던스는 링 하이브리드 이론에 따라 결정되었으며, 이에 따라 라인 302, 304 및 308 은 그 길이가 λ/4, 라인 310 은 3λ/4, 그리고 라인 306 은, 박막 저항으로써, 그 저항 값이 50Ω 을 갖도록 구성되었다.

또한, 라디얼 스터브(Radial stub, 307)를 RF 접지로 이용하도록 하였는데, 이에 의해 박막 공정에 어려움이 있는 via 공정의 회피가 가능하다는 추가적인 장점을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 링 하이브리드를 이용한 RF 발룬은, 상기 입력단자(320)를 통해 RF 신호가 입력되면 상기 두개의 출력단자(330, 340)를 통해, 그 크기는 같고 위상이 서로 반대인 두개의 신호를 출력하도록 하는 기능을 수행한다.

도 4 는 본 발명에 따른 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블 밸런스드 믹서의 일실시예 구성도로서, 상기 도 1 에 도시된 더블 밸런스드 믹서의 LO 및 RF 발룬(110, 120)을 각각 도 2 와 도 3 에 도시된 LO 및 RF 발룬(200, 300)으로 치환하여 구성한 것이다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서는, RF 정합회로(401, 402), LO 정합회로(403, 404), IF 정합회로(405), 다이오드 링(412) 및 접지패드(414) 등을 포함하여 구성된다. 그리고, 이미 도 2에서 설명한 바와 같이, LO 발룬에서 하나의 출력단자는 50ohm 단락(413)을 시킴으로써 2개의 출력단자만을 갖도록 하였으며, 이 때 두 출력단자로부터 출력되는 신호가 서로 크기가 같고 90도 위상차를 갖도록 일측 출력단자에 라인이 추가된다.

여기서, 구성된 회로의 사이즈를 최소화하기 위하여, 무선신호(RF) 발룬, 다이오드링, 및 모든 정합회로가 상기 국부발진 발룬을 구성하는 브랜치라인의 내측에 형성/배치 되도록 하였는데, 이때 라인이 겹치는 부분(cross over)의 단락을 피하기 위하여 라인 "406", "407", "410" 및 "411"을 와이어 본딩(wire bonding) 하였으며, 이에 따라 라인 "406"과 "407"에 추가된 와이어에 대한 길이를 라인 "408"과 "409" 의 보상을 통해 처리하였다. 즉, LO 발룬을 구성하는 네개의 브랜치라인 중 두 라인은 와이어 본딩을 이용하여 RF 입력단자(420) 및 IF 입력단자(440)와 겹치지 않도록 구성되고(406, 407 참조), 각각의 나머지 두 라인에는 라인의 길이 보상을 위하여 본딩 와이어를 추가하였다(408, 409 참조).

상기 다이오드 링(412)은 네개의 다이오드가 직렬로 연결된 형태로써, 다이오드 2개가 직렬로 연결된 빔 리드형 다이오드가 아래위로 배치된 구조를 갖는다. 또한 상기 접지패드(414)는 바닥면과 리본으로 연결(lap around)함으로써 본 발명에 따른 더블 밸런스드 믹서를 접지시키는 기능을 수행하는데, 도시된 바와 같이 단락을 위한 50Ω 박막 저항(413)을 통해 연결된다. 즉, LO 발룬(보다 정확하게는, LO 발룬의 제4포트(도 2의 240 참조))은 기판의 맨 가장자리 위치한 접지패드(414)에 연결됨으로써 접지되며(413), 상기 접지패드(414)는 본딩 리본으로 기판의 바닥면과 연결된다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 브랜치라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블 밸런스드 믹서는, RF 입력단자(420)를 통해 입력된 RF 신호를 LO 입력단자(430)를 통해 입력된 LO 신호에 의해 주파수 변환하여 IF 출력단자(440)를 통해 IF로 출력하는 기능을 수행하게 된다.

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다시 말해, 본 발명은, LO 신호의 주파수가 RF 신호의 주파수보다 상대적으로 매우 낮을 경우 구현하기 어려운 더블밸런스드 믹서를, 협대역의 문제가 있는 개별 RLC 소자를 이용하지 않고 브랜치 라인과 링 하이브리드를 이용하여 구현함으로써, 모든 입출력 포트들이 서로 직접 연결되지 않으면서도 함께 믹서로 거치게 되어 최상의 격리도 특성을 가지도록 하였으며, 또한, 이 경우 회로의 구조가 복잡하고 커진다는 단점을 극복하기 위하여 모든 정합 회로를 브랜치 라인의 안쪽에 형성/배치하였고, 아울러 출력 신호 사이에 180도 위상차를 가짐으로 인해 짝수차 하모닉을 억제할 수 있도록 하였다. 따라서, 본 발명은, 광대역 특성 및 컴팩트 한 회로 구조와 구성의 용이성 등에 의해, 10㎓ 이상의 초고주파 대역 믹서에 이용 적합한 특징을 갖는다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 일반적으로 널리 알려진 브랜치 라인과 링 하이브리드를 이용하여 더블 밸런스드 믹서를 구성함으로써, RLC 소자를 이용할 때 보다 훨씬 더 넓은 주파수 대역폭을 갖도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 마이크로스트립 타입의 회로로 구현함으로써, 그 구현을 용이하게 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 브랜치라인 안쪽에 모든 회로를 배치함으로써, 전체적인 회 로의 사이즈를 현저히 축소할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 국부발진(LO: Local Oscillation) 발룬(Balun)과 무선신호(RF: Radio Frequency) 발룬을 포함하여 이루어지는 더블밸런스드 믹서에 있어서,

   상기 LO 발룬은 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드를 이용하여 형성되고, 상기 RF 발룬은 링 하이브리드를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 RF 발룬, 다이오드 링, 및 상기 더블밸런스드 믹서를 구성하는 모든 정합회로가, 상기 LO 발룬을 구성하는 브랜치라인의 내측에 형성/배치되는 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 LO 발룬의 형성에 이용되는 브랜치라인 마이크로스트립 하이브리드는 2개의 출력 단자를 갖되,

   상기 2개의 출력 단자로부터 출력되는 각각의 신호가 크기가 같고 위상이 서로 반대가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 LO 발룬을 구성하는 4개의 브랜치라인 중 두 라인은 와이어 본딩을 이용하여 RF 입력단자 및 IF 입력단자와 겹치지 않도록 구성되고, 각각의 나머지 두 라인에는 라인의 길이 보상을 위하여 본딩 와이어가 추가되는 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 LO 발룬은 기판의 맨 가장자리 위치한 접지패드에 연결됨으로써 접지되며, 상기 접지패드는 본딩 리본으로 상기 기판의 바닥면과 연결되는 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 및 링 하이브리드를 이용한 더블밸런스드 믹서.

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