KR0150360B1 - 마이크로 웨이브 아날로그 위상조정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 신호의 위상을 전압 조정에 의해 연속적으로 360도 이상 변화시킬 수 있는 아날로그 위상 조정기에 관한 것이다.

본 발명에서 안출된 위상조정기는 반사형 위상조정기로서, 조정전압 범위 중간에서 직렬 공진하도록 구성된 바랙터 회로 두개(33, 34, 35, 36)가 동작 주파수의 0.25 파장 길이에 해당하는 전송로(37)를 사이에 두고 병렬로 연결되는 방식으로 반사를 위한 부하 회로가 구성된다. 본 발명에서는 전송로 저항 Z3(37)와 부하회로의 입력 정합 저항 Z3를 요구되는 위항 변화폭, 혹은 삽입 손실 값으로부터 결정할 수 있는 설계식을 제시하고, 구체적으로 구현 회로로서 90도 하이브리드 결합기를 이용한 두가지 방식의 위상조정기 회로를 고안하였다. 본 발명의 특징은 1단이 90도 하이브리드 결합기로 360도 이상의 위상변화폭을 갖도록 함으로써, 종래의 2단 이상 조정기에 비교하여 삽입손실이 월등히 적고, 회로 크기도 상대적으로 작은 장점이 있다.

본 발명의 위상 조정기는 기가비트급이 데이터신호를 수신할 때 클럭 추출 및 데이터 재생회로에서 클럭의 위상을 조정하는데 사용될 수 있고, 그외에도 위상 배열 안테나, MMIC 위상조정기 등에도 응용될 수 있다.

Description

마이크로 웨이브 아날로그 위상조정기

제1도는 조정 전압 범위 양끝에서 각각 직렬 공진하도록 구성된 두 개이 바랙터(Varactor)회로를 서로 병렬 연결한 반사형 위상조정기의 구조도.

제2도는 동일한 조정전압에서 직렬 공진하는 두개의 바랙터 회로를 동작 주파수 파장의 0.25배의 길이를 갖는 전송로를 사이에 두고 서로 병렬 연결한 반사형 위상조정기의 구조도.

제3도는 본 발명에 따른 아날로그 위상조정기 블럭도로서, 바랙터회로, 0.25파장 길이를 갖는 전송로, 바랙터 회로, 임피던스 변환부, 서어큘레이터(circulator)등으로 구성된 위상조정기의 구조도.

제4도는 제3도로 구성된 반사형 위상조정기에 조정전압(바랙터에 인가된 역방형 전압)에 따른 위상 및 삽입 손실의 변화도.

제5도는 본 발명에 따른 90도 하이브리드, 임피던스, 변화부, 바랙터 회로, 0.25파장 전송로, 바랙터 등으로 구성된 반사형 위상조정기의 구조도.

제6도는 본 발명에 따른 90도 하이브리드, 바랙터 회로, 0.25파장 전송로 바랙터 등으로 구성된 반사형 위상조정기의 구조도.

제7도는 제5도, 제6도에 도시된 위상조정기 회로가 클럭 및 데이터 재생회로에 응용된 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

34, 36, 54, 56 : 바랙터 다이오드

33, 35, 53, 55 : 직렬공진을 위한 인덕턴스

Z0 : 위상조정기 입·출력단의 임피던스

Z3 : 정합 저항 32, 52 : 임피던스 변환 회로

본 발명은 마이크로웨이브 대역이 단일 주파수 신호 혹은 협대역 신호의 위상을 전압 조정에 이해 연속적으로 변화시키는 아날로그 위상조정기에 관한 것이다.

특히 본 발명은 360도 이상의 위상변화를 갖는 마이크로웨이브 위상조정기를 작은 면적에 구현할 수 있도록 하기 위하여 안출된 것이다. 360도이 위상 변화폭을 얻기 위해서는 실제 경우 360도 이상의 위상 변화를 발생할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

일반적으로 아날로그 위상조정기는 인가전압에 따라 캐퍼시터가 바뀌는 바랙터 다이오드를 기본소자로 사용하여 구성한다. 구성방법은 바랙터 회로에 다이오드를 기본소자로 사용하여 구성한다. 구성방법은 바랙터 회로에 의해 반사되는 신호를 서어큘레이터, 하이브리드 결합기 등을 이용하여 분리해서 위상변화를 얻는 반사파 방식이 있고, 동작 주파수의 0.25배 파장 길이이 전송로를 사이에 두고 두개의 바랙터 회로를 병렬로 연결하여 바랙터의 회로의 리액턴스(Ractance)변화에 따라 전송로를 투과하는 신호의 위상이 변하는 특성을 이용한 부하 전송로 방식 등이 있다. 360도 이상의 위상 변화폭을 얻기 위해서는 반사파 방식이 주로 쓰이는데 현재까지 고안되어 있는 방식 중 위상 변화폭이 360도에 접근하는 회로를 제1도, 제2도에 각각 도시하였다.

제1도에서는 조정전압 범위를 V1에서부터 V2까지라고 할 때, 바랙터 1(11)은 V1에서, 바랙터2(13)는 V2에서 각각 직렬 공진하도록 인덕턴스 1(12), 인덕턴스 2(14)의 값들을 선택하여 반사파의 위상 변화폭이 360도에 접근하도록 한다. 이 방법은 주어진 조정전압치에서 직렬 공진조건을 재현성 있게 구현하는 것이 어렵다는 단점이 있다.

제2도는 동일한 구성이 바랙터 회로 두개를(25, 28) 동작주파수의 0.25배 파장 길이를 갖는 전송로(23)를 사이에 두고 서로 병렬로 연결하고, 이 전송로의 특성 임피던스 Z1이 반에 해당하는 임피던스를 입력 정합 임피던스로 설계하여 효과적으로 위상 변화폭이 한개의 바랙터 회로에 의한 반사파 위상 변화량의 2배가 되도록 구성한 반사형 위상조정기이다. 이 위상조정기에서 1단이 하이브리드 결합기로 360도 이상의 위상 변화를 얻기 위해서는 Z1의 값을 감소 시켜야 하고, 입력 접합 임피던스는 Z1의 반으로써 더욱 작은 값이 되어야 한다. 따라서 실제의 경우 전송로 임피던스를 60Ω정도의 큰 값으로 하였고 360도에 접근하는 위상변화를 얻기 위해, 제2도에 도시된 바와 같이 반사형 위상조정기 두개(22, 31)를 순차적으로 연결하였다.

이 회로의 또 한가지 특징은 보상저항(26, 29)을 바랙터 회로와 병렬로 연결하여 전압 조정 범위에서 삽입 손실값이 일정하도록 하여 삽입 손실변화를 최소화 한 것이다. 일반적으로 반사형 위상 조정기는 큰 위상변화폭을 얻기 위해 조정전압 범위 내에서 바랙터 회로가 직렬 공진하도록 설계하는데, 직렬 공진할 때 최대이 삽입손실을 보인다. 제2도의 보상 저항은 보상저항을 통하여 전력을 소모함으로써 삽입손실값이 조정 전압에 관계없이 위상조정기의 최대 삽입 손실값 즉 직렬 공진할 때의 삽입 손실값과 같도록 하는 효과가 있다. 다라서 삽입 손실 변동은 적지만 삽입 손실이 증가한다.

본 발명에 따른 위상조정기는 제2도의 위상 조정기를 변형한 것으로서 제2도에서와 같이 입력 임피던스를 전송로의 임피던스 Z1의 반으로 제한하지 않고 그 보다 큰 값으로 최적화하여 전송로의 특성 임피던스 Z1을 작게하지 않고도 360도 이상의 위상 변화 폭을 얻도록 한 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 위상조정기의 제1형으로서 서어큘레이터, 임피던스 변환부, 바랙터 회로, 02.5 파장 전송로, 바랙터 회로로 구성한 블럭도이다.

제2도에서 사용한 보상저항은 사용하지 않기 때문에 상대적으로 삽입 손실 변동은 증가되나, 삽입 손실값은 감소한다. 본 발명에 따른 위상 조정기의 설계 방법은 우선 조정 전압 범위에서 바랙터의 캐패시터 변화에 의한 리액턴스 변화폭이 2ΔX인 경우, 단락 마이크로 스크립 전송선 혹은 인덕터를 이용하여 직렬 공진을 회로를 구성하여 바랙터 회로의 리액턴스가 조정전압의 변화에 따라 (-ΔX, ΔX)의 범위에서 변하도록 한다. 이때 위성변화 폭은 0.25 파장 길이 전송로의 특성임피던스 Z2, 반사를 위한 부하회로 전체에 대한 정합 임피던스 Z3에서 다음과 같이 결정한다.

Z2을 ΔX 보다 작게하고 Z3을 증가시킴으로써 360도 이상의 위상 변화폭을 얻는다. 이론적으로 Z3를 증가시킴으로써 최대 720도의 위상변화를 발생할 수 있으나, 위상변화의 급격한 변화가 두 전이 조정 전압치에서 발생할 수 있기 때문에 입력 정합 임피던스의 값 Z3는 대략 다음의 범위로 제한한다.

Z3가 0.5·Z2에서 0.577·Z2까지의 범위에 있는 경우에는 삽입손실, 삽입손실 변동에 변화가 없다. 0.577·Z2이상으로 Z3의 값을 증가시킬 경우에는 삽입손실 최대치, 삽입손실 변동 값이 점차적으로 증가한다. 그러나 이러한 경우에도 Z3를 증가시켜 발생한 위상 변화폭이 크기 때문에 제2도의 경우와 같이 Z1을 감소하여 위상 변화폭을 증가시키는 경우에 비교하여 주어진 위상변화폭을 갖는 위상조정기를 설계하였을 경우, 상대적으로 삽입 손실이 작다는 장점이 있다.

제4도는 제3도의 반사형 위상조정기의 바랙터 회로의 리액턴스 값 변화에 따른 위상 및 삽입 손실의 변화를 보여 주고 있다. 삽입손실은 리액턴스 범위 양 끝 점과 리액턴스가 영이 되는 점에서 극소가 되고, 그 사이의 두 점에서 최대가 된다. 최대 삽입손실은 바랙터 다이오드의 직렬저항 값이 R인 경우 다음과 같이 얻어진다.

따라서, 삽입손실을 특정한 값 이하로 유지하기 위해서는 상기 식을 이용하여 Z3의 값을 결정한다.

제5도는 본 발명에 따른 위상조정기의 제2형으로 90도 하이브 리드 결합기로 구현한 회로이다. 하이브리드 결합기는 직사각형 형태와 원형을 고려할 수 있는데 원형 하이브리드가 기생성분이 효과가 적기 때문에 더욱 유리하다. 임피던스 변화회로(52)는 Z3와 하이브리드 결합기 임피던스인 Z0사이의 임피던스 정합을 시키기 위한 회로이다.

제6도는 본 발명에 따른 위상조정기의 제3형으로서 제4도에서 90도 하이브리드의 두 출력의 정합 임피던스를 설계된 Z3와 같도록 하여 임피던스 변환 회로를 제거한 위상조정기이다. 하이브리드 결합기를 구성하는 전송선이 특성 임피던스는 제6도에 도시한 바와 같다. 이 경우 위상조정기 회로가 차지하는 면적이 가장 작다.

실제 본 발명의 위상조정기의 X-밴드의 위상조정기로 응용할 경우, X-밴드용 바랙터를 사용해서 Z2는 대략 40Ω, Z3는 32Ω을 설계되어 400도의 위상 변화 폭, ±0.5dB이내의 삽입 손실 변동, 1.67dB의 최대 삽입 손실의 구현이 가능하다. 이러한 위상조정기는 제7도에 도시된 바와 같이 기가급 이상의 데이터를 수신할 때, 추출된 클럭으로 데이터를 판별하는 과정에서 적절한 판별위상을 갖도록 클럭 위상을 조정하고, 동시에 추출된 클럭이 다음 단계의 회로에 기준 클럭을 사용될 경우 출력 데이터와 적절한 위상 관계를 갖도록 출력 클럭의 위상을 조정하는 용도로 응용된다. 그외에도 위상배열(Phase array)안테나에서는 고주파 신호의 상호 간섭 부족한 회로 구현 공간 등의 문제 때문에 핵심 회로 블럭인 위상조정기를 작은 면적에 구현하는 것이 중요하므로 본 발명의 위상조정기가 응용될 수 있다. 또한, 위상 조정기의 크기가 작기 때문에 MMIC로도 구현될 수 있다.

본 발명은 360도 이상의 위상변화를 갖는 마이크로웨이브 위상조정기를 1단의 하이브리드 결합기로 구성한 것으로 낮은 삽입손실로 큰 위상 변화를 구현한 장점이 있다. 또한 한개의 하이브리드, 하이브리드 결합기의 두 출력에 각각 연결된 두개의 0.25파장 길이의 전송로, 그리고 바랙터 다이오드 회로등으로 구성되어 기존의 2단 하이브리드 결합기 위상조정기에 비하여 그 회로 면적이 작으므로 회로를 구현 상대적으로 용이하게 다양한 회로에 응용될 수 있다.

Claims (5)

1. 바랙터 회로, 0.25파장 길이의 전송로, 바랙터 회로, 입력 정합 임피던스로 구성된 반사를 위한 부하회로 구성에서, 위상변화를 360도 이상으로 증가시키기 위해, 조정전압에 따른 바랙터의 캐퍼시턴스의 변화에 의한 리액턴스 변화량이 2ΔX일 때, 바랙터 회로의 리액턴스 변화가 조정전압 범위에서 (-ΔX, ΔX)가 되도록 인덕터 혹은 단락 마이크로스트립 전송선으로 직렬공진 회로를 구성하고, 전송로의 특성저항 Z2를 ΔX보다 조금 적게 선택하며, 입력 정합 임피던스 Z3을 요구되는 위상 변포혹 혹은 최대 삽입손실 값에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 위상 조정기.
2. 제1항에 있어서, 임피던스 변환 회로, 및 상기 임피던스 변환회로에 결합된 원형 혹은 직사각형 90도 하이브리드 결합기를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 위상 조정기.
3. 제1항에 있어서, 90도 하이브리드 회로의 두 출려의 정합 임피던스가 상기 입력 정합 임피던스 Z3가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 위상 조정기.
4. 제1항에 있어서, 상기 위상 변화폭은

   에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 위상조정기.
5. 제1항에 있어서, 상기 최대 삽입 손실은

   에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 조정기.