KR0169610B1 - 주파수변환회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파대 주파수 변환 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET ; 이하 MESFET 라고 합니다)를 이용한 주파수 변환 회로에 관한 것이다. 이 주파수 변환 회로는 고주파 신호와 국부 발진 신호를 입력하고 두 신호의 전력을 합성해서 90 도 위상차가 나타나는 제 1,2 신호를 출력하는 90도 하이브리드와, 상기 제 1 신호의 주파수를 믹싱하는 제 1 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1 신호와 90도 위상차가 나타나는 제 2 신호의 주파수를 믹싱하는 제 2 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1,2 메탈 세미컨덕터 에프이티의 출력신호의 전력을 합성하는 전력 조합기와; 상기 전력 조합기에서 출력하는 여러개의 주파수 신호에서 중간 주파수 신호만을 필터링하여 출력하는 필터로 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

주파수변환회로

제1도는 종래 기술에 따른 주파수 변환 블럭도.

제2도는 본 발명에 따른 주파수 변환 블럭도.

제3도는 제2도에 도시된 하이브리드 회로의 실시예.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,100 : 90도 하이브리드 20,25 : 다이오드

30,35,200 : 필터 110,120,170,190 : 정합부

130,140 : MESFET 150,160 : 바이어스회로

180 : 전력 조합기

본 발명은 마이크로파대 주파수 변환 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET ; 이하 MESFET 라고 합니다)를 이용한 주파수 변환 회로에 관한 것이다.

주파수 변환 회로(이하 믹서라고도 함)는 고주파 신호 전력을 중간 주파 신호 전력으로 변환하는 것으로, 가급적 변환 손실을 적게 해서 불요 고조파 성분을 억제하는 것이 바람직하다.

종래 기술에 따른 주파수 변환 회로를 제1도에 도시하고 있다.

송신신호에 따라 변환된 수신신호(이하 고주파신호라고 합니다)가 제 1 신호입력단자(5)를 통해 90도 하이브리드(10)로 입력되어, 위상차가 90°인 제 1 고주파신호와 제 2 고주파신호를 출력한다.

그리고 국부발진기(도시하지 않음)에서 출력하는 국부 발진 신호가 제 2 신호입력단자(15)를 통해 입력된다. 상기 제 2 신호입력단자(15)로 입력된 국부 발진 신호는 전력 분할기(power divider)에 의해 전력이 분배되어 2개의 라인을 통해서 전력 조합기(power combiner : A,A')로 인가된다.

이때 상기 전력 조합기(A)에서는 전력 분배된 국부발진신호와 90도 하이브리드에서 출력한 제 1 고주파신호와 전력이 합성이 이루어지고, 상기 전력 조합기(A')에서는 국부발진신호와 90도 하이브리드에서 출력한 제 2 고주파신호의 전력 합성이 이루어진다. 여기서 설명되고 있는 전력 분할기 및 전력 조합기는 마이크로 스트립 선로를 이용한 PCB 기판의 배선에 의해서 전력의 분할 및 전력의 합성이 이루어지는 것을 의미한다.

상기와 같은 과정을 통해서 전력의 합성이 이루어진 고주파신호와 국부 발진 신호는 제 1,2 다이오드(20,25)로 입력되고, 상기 다이오드에서 주파수 믹싱이 이루어진다.

그리고 상기 다이오드는 전류 특성(SQUARE-LOW 특성)을 이용하여 주파수 믹싱이 이루어지면서 여러개의 주파수 신호를 발생한다.

상기 다이오드에서 발생된 여러개의 주파수 신호는 필터(30,35)를 통해서 필요한 특정 주파수(중간주파수)만을 필터링하여 중간주파수단으로 출력한다.

상기 중간주파수단으로 인가된 제 1 중간주파수신호와 제 2 중간주파수신호는 90도 하이브리드(도시하지 않음)로 입력되어 국부 발진 신호와 고주파 신호의 차주파수 성분에 대한 영상을 제거하게 된다.

이와 같은 종래의 주파수 변환 회로는 입력 고주파 신호의 크기가 0 dBm 이면 출력되는 중간주파수신호의 크기는 -8 dBm이 되므로서, 주파수 변환손실이 큰 문제가 발생되었다. 이 변환손실은 주파수의 믹싱이 이루어지는 다이오드에서 가장 큰 손실을 가져오게 되며, 이에 따라 회로의 이득을 크게 하기 위하여 중간주파수단에서 증폭기를 추가해야 하는 문제점이 있었다.

더불어 종래 기술에 의해서는 고주파 신호 입력단에서는 90도 하이브리드를, 국부 발진 신호 입력단에서는 전력 분할기를, 주파수 믹싱단에서는 전력 합성기를 사용함과 더불어 주파수 믹싱된 신호가 인가되는 중간주파수단에 90도 하이브리드 및 증폭기를 포함시켜서 구성함으로서 회로가 복잡해지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 다이오드를 사용한 믹서의 변환손실 대신에 MESFET를 이용한 변환이득을 가지게 할 수 있는 주파수 변환 회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 회로의 구성을 간소화 시킬 수 있는 주파수 변환 회로를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 변환 회로는, 고주파 신호와 국부 발진 신호를 입력하고 두 신호의 전력을 합성해서 90 도 위상차가 나타나는 제 1,2 신호를 출력하는 90도 하이브리드와; 상기 제 1 신호의 주파수를 믹싱하는 제 1 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1 신호와 90도 위상차가 나타나는 제 2 신호의 주파수를 믹싱하는 제 2 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1,2 메탈 세미컨덕터 에프이티의 출력신호의 전력을 합성하는 전력 조합기와; 상기 전력 조합기에서 출력하는 여러개의 주파수 신호에서 중간 주파수 신호만을 필터링하여 출력하는 필터로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 주파수 변환 회로를 상세히 설명한다.

먼저 구성을 살펴본다. 고주파 신호와 국부 발진 신호가 90도 하이브리드(100)로 입력된다. 상기 90도 하이브리드(100)는 고주파 신호와 국부 발진 신호의 전력이 합성된 제 1 출력신호와 제 2 출력신호를 출력하는데, 이때 출력되는 제 1 출력신호와 제 2 출력신호의 사이에는 90°의 위상차가 발생한다.

상기 90도 하이브리드(100)회로는 저항이나 인덕터(inductor), 캐패시터(capacitor) 등의 집중소자(lumped element)로 구현되는 회로가 아니고, 제3도에 도시되고 있는 바와 같이, 고주파회로에서의 PCB 패턴특성, 즉, 고주파회로에서는 패턴의 길이, 굵기 등에 따라 패턴이 갖는 회로정수인 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스 등이 변화하는 특성을 이용하여 집중소자를 이용하지 않으면서 집중소자를 사용했을 때와 같은 회로정수를 갖도록 구현하고 있다.

그리고 90도 하이브리드(100) 회로에서 도시된 Z₀는 하이브리드의 동작주파수(국부발진신호)의 범위에서 결정되는 트랜지스터 출력 임피던스이고, 상기 Z₀은 마이크로-스트립(micro-strip) 선로에서 선로의 폭으로 임피던스를 등가적으로 대치하며, PCB 의 유전상수, PCB 의 두께, 동작주파수, 실효유전상수, tan δ에 의해서 결정된다. 여기서 λ/4 는 선로의 길이를 나타내고, Z₀및 Z₀/√2는 그 부분에서의 출력 임피던스를 나타낸다.

다음, 상기 제 1 출력신호는 제 1 정합부(110)로 입력되고, 상기 제 1 정합부(110)의 출력신호는 주파수의 믹싱이 이루어지는 제 1 MESFET(130)로 입력하며, 상기 MESFET(130)는 제 2 입력단자에 바이어스회로(150)를 접속하고 있다. 상기 제 1 정합부는 90도 하이브리드에서 출력되는 제 1 출력신호와 MESFET 입력단 사이의 전력 전달시 손실을 줄이기 위해 구성된다.

상기 제 1 MESFET(130)의 출력단에는 상기 MESFET의 출력단과 후술하는 필터(200)사이의 전력 전달시 손실을 줄이기 위한 제 3 정합부(170)가 접속한다.

그리고 90도 하이브리드(100)에서 출력하는 제 2 출력신호는 제 2 정합부(120)로 입력되고, 상기 제 2 정합부의 출력신호는 주파수 믹싱이 이루어지는 제 2 MESFET(140)로 입력하며, 상기 제 2 MESFET는 제 2 입력단자에 소정의 동작점을 주는 바이어스회로(160)를 접속하고 있다. 상기 제 2 정합부는 90도 하이브리드에서 출력되는 제 2 출력신호와 제 2 MESFET 입력단 사이의 전력 전달시 손실을 줄이기 위해 접속한다.

상기 제 2 MESFET(140)의 출력단에는 상기 MESFET의 출력단과 필터(200) 사이의 전력 전달시 손실을 줄이기 위한 제 4 정합부(190)가 접속한다.

상기 제 3,4 정합부(170,190)의 출력단에는 두개의 신호의 전력을 합성하는 전력 조합기(power combiner ; 180)가 접속하고, 상기 전력조합기(180)를 통해 필터(200)가 접속하고 있다. 상기 필터(200)에서 특정 주파수의 신호만을 필터링하여 출력하는 중간주파수신호는 중간주파수단(도시하지 않음)으로 인가된다.

여기서 설명되는 정합부 및 전력 조합기는 마이크로 스트립 선로에 따른 PCB 기판의 배선에 따라 신호의 임피던스 조절 및 전력의 합성이 이루어지도록 한 것으로, 실질적인 회로소자로서 구성되어 있지는 않으나, 그 배선의 구성에서 가져오는 영향이 실질적인 회로소자로서의 기능과 동일하므로, 하나의 소자와 동일시하여 설명한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 동작 및 효과를 설명한다.

송신신호에 따라 입력된 수신시호(이하 고주파신호라고 합니다)가 제 1 입력단자를 통해서 90도 하이브리드(100)의 입력단자로 입력되고, 국부 발진기(도시하지 않음)에서 출력하는 국부 발진 신호가 제 2 입력단자를 통해서 90도 하이브리드(100)의 제 2 입력단자로 입력된다.

상기 90도 하이브리드(100)는 두개의 입력단자로 고주파신호와 국부발진신호를 입력한다. 이때 입력된 두 신호는 상기 90도 하이브리드(100)에서 혼합되고, 이 혼합되는 과정에서 90도의 위상차가 발생하는 두개의 신호를 발생되어 출력단자로 출력된다. 즉, 상기 90도 하이브리드 회로는 고주파회로에서의 PCB 패턴 특성, 즉, 고주파회로에서 패턴의 길이, 굵기 등에 따라 패턴이 갖는 회로정수인 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스 등이 변화하는 특성을 이용하여 집중소자를 이용하지 않으면서도 집중소자를 사용했을때와 같은 회로정수를 갖게 되는 것이다. 따라서 상기 고주파신호와 국부발진신호가 90도 하이브리드(100)회로를 통과하게 되면, 상기 하이브리드 회로가 갖는 PCB 패턴의 특성에 의해서 90도의 위상차가 발생되는 신호로 바뀌면서 출력되는 것이다.

상기 제 1 출력신호(위상 0 도)는 제 1 정합부(110)를 통해서 제 MESFET(130)로 인가되는데, 이때 상기 제 1 정합부는 90도 하이브리드의 출력단의 임피던스와 MESFET 입력단의 임피던스의 불일치에 따른 전력 전달의 손실을 줄이기 위한 것이므로, 상기 제 1 출력신호의 특성이 변화없이 상기 MESFET로 전달되도록 하며, 상기 MESFET는 바이어스회로(150)에서 인가하는 소정의 동작점에 따라 입력되는 신호의 주파수를 믹싱해서 출력부로 인가한다.

이때 상기 MESFET(130)를 통과하는 신호의 주파수 믹싱시 종래 다이오드 사용시에는 주파수 변환에 따른 손실이 발생되었는데 반해, 상기 MESFET에서는 변환이득이 발생한다. 이를 수치로서 표현해 보면, 상기 MESFET에 입력되는 고주파신호의 크기가 0dBm 일때, 주파수 믹싱되어 출력되는 중간주파수는 7 dBm의 크기로 출력된다. 이것을 종래 다이오드 사용시와 비교하여 보면,MESFET를 사용한 본 발명이 상대적으로 15 dBm 크게 된다.

이와 같이 변환이득이 발생되어 출력되는 여러개의 간섭주파수 신호는 제 3 정합부(170)를 통해서 전력 조합기(180)로 인가된다.

한편, 상기 90도 하이브리드에서 출력되는 제 2 출력신호(위상 90도)는 제 2 정합부(120)를 통해서 제 2 MESFET(140)로 인가되며, 상기 제 2 MESFET는 바이어스회로(160)에서 인가하는 소정의 동작점에 의해 출력부로 인가되는 제 2 신호의 주파수를 믹싱해서 출력한다. 다시 말해서 상기 MESFET로 인가되기까지 신호는 전력만 합성된 상태로 고주파 신호와 국부 발진 신호가 존재하며, 상기 MESFET를 통과하면서 상기고주파 신호와 국부 발진 신호의 주파수 믹싱이 이루어져 다른 주파수의 신호가 출력된다.

이와 같이 상기 제 2 MESFET를 통과한 새로운 주파수 신호는 제 4 정합부(190)를 통해서 전력 조합기(180)로 인가된다.

상기 전력 조합기(180)로 인가된 제 1 주파수 변환 신호와 제 2 주파수 변환 신호는 전력의 합성이 이루어져서 필터(200)로 출력하고, 상기 필터(200)는 인가되는 신호에서 신호처리에 필요한 중간 주파수 신호만을 필터링하여 중간 주파수 단으로 출력한다.

이와 같이 해서 본 발명에 따른 주파수 변환 회로에서 출력되는 중간 주파수는 신호의 믹싱시 변환이득이 발생됨에 의해서, 종래 회로의 전체적인 이득 조절을 위해 중간주파수단에 사용되었던 증폭기의 복잡화를 간소화시킬 수 있는 잇점이 있다.

또한 본 발명의 도면에서는 구체적으로 도시하지는 않았지만 종래 주파수 변환 회로에서 출력되는 2개의 중간 주파수 신호를 입력받아 영상을 제거하기 위하여 중간주파수단에도 90도 하이브리드 블럭을 더 구비하였던 것을 본 발명에서는 주파수 변환 회로에 구비된 하나의 하이브리드로 처리할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (2)

1. 고주파 신호와 국부 발진 신호를 입력하고 두 신호의 전력을 합성해서 90 도 위상차가 나타나는 제 1,2 신호를 출력하는 90도 하이브리드와; 상기 제 1 신호의 주파수를 믹싱하는 제 1 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1 신호와 90도 위상차가 나타나는 제 2 신호의 주파수를 믹싱하는 제 2 메탈 세미컨덕터 에프이티(metal semiconductor FET)와; 상기 제 1,2 메탈 세미컨덕터 에프이티의 출력신호의 전력을 합성하는 전력 조합기와; 상기 전력 조합기에서 출력하는 여러개의 주파수 신호에서 중간 주파수 신호만을 필터링하여 출력하는 필터로 구성한 것을 특징으로 하는 주파수 변환 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 90도 하이브리드의 출력단과 제 1,2 메탈 세미컨덕터 에프이티의 입력단 사이에 접속한 제 1,2 정합부와; 상기 제 1,2 메탈 세미컨덕터 에프이티의 출력단과 필터의 입력단 사이에 접속한 제 3,4 정합부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 주파수 변환 회로.