KR101155860B1 - 브랜치 라인 커플러 - Google Patents
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Abstract
브랜치 라인 커플러가 개시된다. 브랜치 커플러는 두 개의 주 전송 선로, 및 두 개의 주 전송 선로 사이를 연결하는 두 개의 브랜치 라인을 포함한다. 또한, 브랜치 라인 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로는, 두 개의 주 전송 선로가 브랜치 라인의 특성 임피던스의 배의 특성 임피던스를 가지고 브랜치 라인과 동일한 전기적 거리를 가지도록 설정된, 오픈 스텁을 포함한다. 이와 같이 브랜치 라인 커플러의 주 전송 선로에 오픈 스텁을 부가함으로써, 주전송 선로의 길이와 선폭을 감소시킬 수 있게 되어 브랜치 라인 커플러의 크기를 축소시킬 수 있게 된다.
Description
본 발명은 고주파용 수동 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 브랜치 라인 커플러(Branch Line Coupler)에 관한 것이다.
밀리미터 웨이브(mm-wave) 대역은 수 내지 수십 GHz에 이르는 광대한 주파수 대역의 제공이 가능하다는 측면에서 광대역 초고속 통신 시스템에의 응용에 있어 매우 매력적인 대역이다. 2000년대 들어 SiGe HBT 및 Si CMOS 등 Si 에 기반한 소자들의 동작 속도가 급격히 증가하면서 저가의 밀리미터 웨이브 시스템 구현에 대한 기대가 높아지게 되었다.
또한, 결과적으로 mm-wave 시스템의 상용화 가능성도 크게 높아지게 되었다. 현재 Si RFCMOS에 기반한 mm-wave회로는 최근 들어 전세계적으로 여러 연구진에 의해 연구결과가 발표되고 있고, 더 높은 주파수를 향하여 연구가 진행되고 있다.
밀리미터 웨이브의 상용화 응용으로서는 이 중에서도 이미징 시스템(Imaging system; 동작 주파수 94 GHz) 응용은 보안 시스템, 항공 안전 시스템, 대기 감지(sensing) 시스템에 대한 수요의 급격한 증가와 맞물려 최근 크게 주목을 받고 있으며 시장 성장에 대한 잠재력도 상당히 큰 것으로 분석되고 있다.
현재까지 개발된 밀리미터 웨이브 시스템은 대체로 LTCC 공정 등을 사용해 외부 기판에 수동 회로들(antenna, coupler, filter)을 제작한 후 칩(chip)과 결합한 SoP(System on Package)형태를 사용하고 있지만, 최근에는 모두 포함한 전체 시스템을 하나의 칩으로 제작한 SoC(System on Chip)을 목표로 한 연구가 진행되고 있다.
수동 회로들을 CMOS 공정에서 다른 고주파(RF) 회로와 함께 제작할 경우 전체 시스템 제작과정을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이종 기판 간 상호 연결(interconnection) 문제를 해결할 수 있다. 동작 주파수가 증가할수록 파장이 짧아지므로, 수동 회로들의 크기가 점점 소형화되어 CMOS 칩 내부에 장착하는 것이 가능할 것으로 기대된다.
하지만, 현재까지 고주파 수동 회로들은 여전히 큰 크기로 인해 수신단(LNA, Mixer, VCO)과의 결합을 고려했을 때, 공간이 많이 낭비되거나 혹은 부족해지는 문제가 있다.
고주파 수동 회로의 대표적인 예로서, 브랜치 라인 커플러(Branch line coupler)를 들 수 있다. 브랜치 라인 커플러는 브랜치 라인(branch line)을 통한 직접 커플링(direct coupling)을 이용한 전송 선로 커플러(transmission line coupler)로서, 매우 광범위하게 응용되는 유용한 커플러이다.
브랜치 라인 커플러의 2 개의 출력 전력(output power)은 각각 입력(input)의 절반에 해당되는 전력을 갖는, 즉 -3 dB 커플러로서 입력 전력(input power)을 균등하게 배분하는 기능을 하며, 2 개의 균등한 출력 신호는 90°위상차를 갖는다. Balanced amplifier의 경로 분리용 및 기타 전력 분배기(power divider)의 용도로 애용되며, 완전한 대칭구조이기 때문에 역으로 컴바이너(combiner)로도 사용이 가능하다.
그러나 브랜치 라인 커플러의 각 브랜치는 파장의 1/4(90°)에 해당되는 길이를 가지며, 밀리미터 웨이브와 같은 높은 주파수에서도 여전히 큰 크기로 공간을 많이 낭비하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, CMOS 공정에서 다른 고주파(RF) 회로와 함께 제작함으로써 전체 시스템 제작과정을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이종 기판 간 상호 연결 문제를 해결할 수 있는 소형화된 브랜치 라인 커플러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 브랜치 커플러는 두 개의 주 전송 선로, 및 두 개의 주 전송 선로 사이를 연결하는 두 개의 브랜치 라인을 포함한다. 또한, 브랜치 라인 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로는, 두 개의 주 전송 선로가 브랜치 라인의 특성 임피던스의 배의 특성 임피던스를 가지고 브랜치 라인과 동일한 전기적 거리를 가지도록 설정된, 오픈 스텁을 포함한다.
이와 같이 브랜치 라인 커플러의 주 전송 선로에 오픈 스텁을 부가함으로써, 주 전송 선로의 길이와 선폭을 감소시킬 수 있게 되어 브랜치 라인 커플러의 크기를 축소시킬 수 있게 된다.
또한, 브랜치 라인은, 브랜치 라인이 브랜치 라인 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로의 특성 임피던스의 배의 특성 임피던스를 가지고 브랜치 라인 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로의 전기적 길이와 동일하게 되도록 설정된, 오픈 스텁을 포함할 수 있다.
이와 같이, 브랜치 라인 커패시터의 주 전송 선로뿐만 아니라 브랜치 라인에도 오픈 스텁을 채용함으로써 브랜치 라인 커패시터의 크기를 더욱 감소시킬 수 있게 된다.
주 전송 선로는 마이크로스트립 선로이고, 마이크로스트립 선로는 실리콘 기판에 구현될 수 있다.
본 발명에 의하면, 소형화된 브랜치 라인 커플러로 칩내 공간의 낭비 혹은 부족 문제를 해결할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, CMOS 칩 내부에 장착이 가능하여 다른 RF 회로들과 함께 제작할 경우, LTCC와 같은 외부 기판에서의 제작과 칩 내부와의 결합 등, 제작 과정을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
결과적으로 제작 시간의 단축과 제작 단가의 감소를 기대할 수 있고 이종 기판간의 interconnection에서 발생할 수 있는 여러 가지 문제점들이 해결되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 브랜치 라인 커플러의 개략적인 도면.
도 2는 종래의 일반적인 구조로 설계된 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면.
도 3은 본 발명에 따라 오픈 스텁(open stub)들을 이용하여 크기를 줄인 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면.
도 4 및 5는 도 2의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 6 및 7은 도 3의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 2는 종래의 일반적인 구조로 설계된 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면.
도 3은 본 발명에 따라 오픈 스텁(open stub)들을 이용하여 크기를 줄인 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면.
도 4 및 5는 도 2의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 6 및 7은 도 3의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 브랜치 라인 커플러의 개략적인 도면이다. 도 1에서 브랜치 라인 커플러는 두 개의 주 전송 선로(110), 및 두 개의 주 전송 선로 사이를 연결하는 두 개의 브랜치 라인(120)을 포함한다.
주 전송 선로(110)와 브랜치 라인은(120) 모두 미리 설정된 주파수의 신호에 대해 (λ/4)의 크기를 가지며, 주 전송 선로(110)는 브랜치 라인(120)에 비해 배의 특성 임피던스를 가진다. 즉 ZA = ZB 이다.
또한, 브랜치 라인(120) 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로(110)는 오픈 스텁(130)을 포함하는데, 오픈 스텁(130)은 두 개의 주 전송 선로(110)가 브랜치 라인(120)의 특성 임피던스의 배의 특성 임피던스를 가지고 브랜치 라인(120)과 동일한 전기적 거리를 가지도록 미리 설정되어 있다.
스텁(stub)은 동강, 조각을 의미하는 것으로, 고주파 회로에서는 주로 마이크로스트립/스트립라인 회로에서 임피던스 매칭을 위한 용도로 신호 전송 이외에 부가적으로 달리는 선로를 지칭하는 용어로 사용된다.
이러한 스텁은 우선 선로에 수직 옆방향으로 달리는 션트 스텁(Shunt stub)과 선로방향 그대로 달리는 시리즈 스텁(Series stub)으로 구분되는데, 둘 다 원래 신호를 전송하기 위한 선로에 부가적으로 붙어서 매칭을 하기 위한 요소들이다.
션트 스텁에는 또 오픈 스텁(open stub)과 쇼트 스텁(short stub)이 있는데, 이것은 스미스 차트(Smith chart) 상에서 보면 양쪽 다 오픈(open)과 쇼트(short) 점 중 어느 점을 기준으로 움직이게 되느냐를 결정한다.
오픈 스텁은 실제로 옆으로 달린 선로가 그냥 기판 윗면에만 존재하는 경우이고, 쇼트 스텁은 스텁 끝단에 비아(via)를 뚫어서 그라운드와 접지시킨 경우이다. 이러한 쇼트 스텁과 오픈 스텁은 서로 등가로 대치될 수는 있으나 공정의 편의를 위해서 대부분 오픈 스텁을 사용한다.
이와 같이 브랜치 라인 커플러의 주 전송 선로(110)에 오픈 스텁(130)을 부가함으로써, 주전송 선로(110)의 길이와 선폭을 감소시킬 수 있게 되어 브랜치 라인 커플러의 크기를 축소시킬 수 있게 된다.
주 전송 선로(110)뿐만 아니라 브랜치 라인(120)도 오픈 스텁(140)을 포함하는데, 브랜치 라인(120)의 오픈 스텁(140)은 브랜치 라인(120) 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로(110)의 특성 임피던스의 배의 특성 임피던스를 가지고 브랜치 라인(120) 사이에 위치하는 두 개의 주 전송 선로(110)의 전기적 길이와 동일하게 되도록 미리 설정된다.
이와 같이, 브랜치 라인 커패시터의 주 전송 선로(110)뿐만 아니라 브랜치 라인(120)에도 오픈 스텁(140)을 채용함으로써 브랜치 라인 커패시터의 크기를 더욱 감소시킬 수 있게 된다.
주 전송 선로(110)는 마이크로스트립 선로이고, 마이크로스트립 선로는 실리콘 기판에 구현될 수 있다. 마이크로스트립 선로는 스트립 선로를 소형화하여, 박막도체(薄膜導體)를 사용하거나 반도체를 유전체(誘電體)로 이용하는 것으로서, 프린트 배선 기술로 만들어지며, 마이크로파 회로를 소형 경량으로 할 수 있다.
스트립 선로는 가늘고 긴 평평한 도체와 폭이 넓은 도체를 유전체로 고정시킨 전송선로(電送線路)인데, 동축(同軸)케이블보다 간단하고 소형이 되므로, 초고주파 기기의 결합선로에 사용한다.
마이크로스트립 선로는 마이크로파(波) 트랜지스터, 기타의 소자(素子)를 직접 장착해서 초소형 기기를 제작하는 데 사용되며, 복수인 선로를 결합해서 공진기(共振器)나 필터로 하거나, 초고속 컴퓨터 내의 전송선로에 이용하기도 한다.
본 실시예에서, 주 전송 선로(110)가 실리콘 기판에 마이크로스트립 선로로 구현되었지만, 브랜치 라인 커플러는 실리콘(silicon) 기판뿐만 아니라 III-V 화합물, LTCC 등 마이크로스트립(microstrip) 혹은 코플래너 웨이브가이드(coplanar waveguide)와 같은 전송 선로가 제작이 가능한 모든 기판에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 브랜치 라인 커플러는 어느 특정한 주파수대에서만 적용한 것이 아니라 모든 주파수 대역에 대해 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 브랜치 라인 커플러는 수신단(LNA, Mixer, VCO)에 집적이 가능하여 밀리미터 웨이브 헤테로다인(heterodyne) 시스템의 전단(front-end) 구성에 직접적인 적용이 가능할 것으로 예측되며, 특히 본 발명은 실리콘(silicon) 기술에 기반을 두고 있으므로 단기일 내에 상용화될 가능성이 있다.
더 나아가, CMOS 칩 내부에 장착이 가능한 수동회로를 구현함으로써 시스템 패키지(system package)의 크기를 감소시킬 수 있고 칩 제작 과정을 줄일 수 있다. 이로 인해 전체 시스템의 제작 시간과 제작 단가가 줄어들고, 이종기판과의 상호 연결(interconnection) 문제가 해결될 수 있을 것으로 전망된다.
이미 설명한 바와 같이, 본 발명에서 브랜치 라인 커플러의 브랜치 길이는 여러 개의 오픈 스텁(open stub)을 브랜치에 병렬로 달아 놓는 방법으로 줄이는데, 전송 선로(transmission line)로 이루어진 브랜치에 오픈 스텁을 달게 되면 커패시터(capacitor)를 단 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
결과적으로 특성 임피던스(characteristic impedance)는 감소하게 되고 전송 선로의 전기적인 길이가 증가하게 된다. 따라서 전송 선로의 물리적인 길이를 보다 더 줄여도 파장의 1/4에 해당하는 전기적인 길이를 얻을 수 있다.
이하, 상기 실시예를 보다 구체적인 예를 들어 설명한다.
도 2는 종래의 일반적인 구조로 설계된 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면이다. 도 2에서 모든 브랜치들은 마이크로스트립(microstrip) 구조의 전송 선로로 설계가 되었고 모두 94 GHz에서 파장의 1/4(90°)에 해당하는 길이(x=y=410μm)를 갖는다.
파장은 동작 주파수와 기판의 종류 및 구조에 따라 길이가 달라진다. 가로 브랜치들은 특성 임피던스가 35Ω이 되도록 설계되었고 세로 브랜치들은 50Ω이 되도록 설계되었다.
도 3은 본 발명에 따라 오픈 스텁(open stub)들을 이용하여 크기를 줄인 94 GHz 브랜치 라인 커플러의 도면이다. 세로 브랜치들은 기존의 브랜치 라인 커플러와 마찬가지로 94 GHz에서 파장의 1/4(90°)에 해당하는 길이(y=410μm)를 갖는다.
가로 브랜치들에는 오픈 스텁들을 달아 놓아 길이를 280μm로 줄일 수 있다. 오픈 스텁을 달면 커패시터를 단 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 전송 선로의 특성 임피던스가 감소하고 전기적인 길이가 증가하게 된다.
따라서 전송 선로의 선폭은 특성 임피던스가 다시 35Ω이 되도록 줄이고, 전기적인 길이는 파장의 1/4에 맞도록 물리적인 길이를 줄일 수 있다. 결과적으로 크기가 기존의 브랜치 라인 커플러보다 약 30% 감소된 커플러를 얻을 수 있다.
도 4 내지 7은 각 브랜치 라인 커플러의 EM simulation 결과이며 Agilent사의 Momentum이 시뮬레이션툴(simulation tool)로 사용되었다.
도 4 및 5는 는 도 2의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과로, 도 4는 S-parameter, 도 5는 커플러의 2개의 출력(output; S21, S31)의 위상차를 보여준다.
2개의 출력 S21과 S31은 94 GHz에서 각각 입력(input)의 절반에 해당하는 전력(power; 기판과 도전체에서 생기는 손실로 -3 dB보다 조금 낮음)를 가지고, S41은 -15 dB 이하로 입력과 4번 포트(port)가 충분히 격리(isolate)되었다는 것을 보여주며, 2개의 출력이 90°의 위상차를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 6 및 7은 오픈 스텁을 이용하여 크기가 줄어든 도 2의 브랜치 라인 커플러의 시뮬레이션 결과로, 도 6과 도 7 역시 S-parameter와 위상차의 결과이다. 종래의(Conventional) 구조의 브랜치 라인 커플러와 비슷한 시뮬레이션 결과를 보여주며, 오픈 스텁을 이용하여 크기가 줄어들었음에도 불구하고 특성이 변하지 않았다는 것을 볼 수 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
Claims (4)
- 제 2항에 있어서,
상기 주 전송 선로는 마이크로스트립 선로인 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 커플러. - 제 3항에 있어서,
상기 마이크로스트립 선로는 실리콘 기판에 구현된 것을 특징으로 하는 브랜치 라인 커플러.
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