KR100277547B1 - 게이트바이어스회로를이용한공진기의품질계수조절회로와이를이용한주파수가변대역통과필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동 소자인 갈륨-비소 전계 효과 트랜지스터의 게이트 바이어스 회로를 이용하여 공진기의 품질 계수(quality factor, Q-factor)를 조절하여 광대역의 주파수 가변 범위를 가지며 삽입 손실을 최소화 할 수 있도록 한 공진기의 품질 계수 조절 회로와 이를 이용한 주파수 가변 대역 통과 필터에 관한 것으로서, 주파수에 따라 변화하는 등가 병렬 저항을 단순히 바이어스용으로만 사용된 게이트 바이어스 회로를 이용하여 공진기의 품질 계수를 조절하고, 이를 이용하여 중심 주파수 변환 대역 통과 필터를 구성하여 광대역의 주파수 가변 범위를 가지고 삽입 손실을 최소화 할 수 있으며, 또한 전력 소모가 매우 적어서 이동 통신용 고밀도 집적 회로에 용이하게 적용할 수 있는 것이다.

Description

게이트 바이어스 회로를 이용한 공진기의 품질 계수 조절 회로와 이를 이용한 주파수 가변 대역 통과 필터(quality factor controlling circuit of resonator using gate bias circuit, and tunable band pass filter using it)

본 발명은 공진기의 품질 계수 조절 회로와 주파수 변환 대역 통과 필터에 관한 것으로서, 특히 능동 소자인 갈륨-비소 전계 효과 트랜지스터의 게이트 바이어스 회로를 이용하여 공진기의 품질 계수(quality factor, Q-factor)를 조절하여 광대역의 주파수 가변 범위를 가지며 삽입 손실을 최소화 할 수 있도록 한 공진기의 품질 계수 조절 회로와 이를 이용한 주파수 가변 대역 통과 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 공진기에서 품질 계수를 향상시키는 방법은 공진기의 저항 성분과 같고, 부호가 반대인 음성 저항을 연결하여 저항 성분을 상쇄시키는 방법이다.

도 1a는 종래의 품질 계수를 향상시키는 회로도이다. 보통의 공진기를 제작하는 경우 인덕터(11)와 커패시터(13)를 병렬로 연결하여 사용한다. 그러나 보통의 인덕터(11)는 손실이 있으므로 동 도면에 도시된 바와 같이 직렬 저항(12)을 넣어서 손실을 나타낸다. 이 인덕터(11)의 손실을 나타내는 직렬 저항(12)을 Rs라 하고 등가 병렬 저항(14)을 Rp라 했을 때 하기의 수학식 1과 같은 관계가 있다.

Rp=(1+Qind²)Rs

여기서, Qind는 인덕터의 품질 계수를 나타낸다. 인덕터의 손실로 인해서 공진기의 품질 계수는 어느 한정된 값을 갖고, 더구나 이 인덕터를 반도체 집적 회로에서 제작하게 되면 그 값이 매우 낮게 되어 전체 공진기의 품질 계수가 나빠진다. 이것을 보상하기 위해서 도 1b와 같이 등가 병렬 저항(Rp, 14)과 같은 값을 갖고 부호가 반대인 음성 저항(15)을 연결하여 전체 손실을 줄여 품질 계수를 향상시키는 방법을 이용한다.

도 2는 이미 제안된 음성 저항 회로이다. 능동 소자인 갈륨-비소 전계 효과 트랜지스터(20)의 게이트와 소오스의 저항(21) 궤환으로 음성 저항을 얻게 되고, 게이트 단자의 저항(Rb, 22)은 전계 효과 트랜지스터(20)의 바이어스를 위한 저항이다. 종래의 이 저항(22)은 단순히 능동 소자인 트랜지스터(20)에 전압만을 인가시켜 회로 동작을 시킬 뿐 다른 역할은 하지 않았다.

한편, 공진기를 제작하기 위하여 도 3a와 같이 음성 저항 회로(30)와 보통의 나선형 인덕터(31)를 병렬 연결하여 구성하였다.

종래의 품질 계수 향상을 위한 방법과 마찬가지로 도 3b와 같이 공진기의 등가 병렬 저항(음성 저항 회로로 인해 음의 값을 갖는다.)과 같은 값을 가지는 저항(32)을 인덕터(31)와 병렬로 연결하였다. 도 3c는 고주파에서 게이트의 바이어스 저항(22)과 품질 계수 향상을 위하여 삽입하는 저항(32)이 서로 병렬 연결되어 있다는 것을 보여준다. 이 두 저항의 병렬 연결을 도 3d와 같이 하나의 저항(33)으로 나타낼 수 있다. 이 저항(33)을 다시 도 3e와 같이 게이트 바이어스 저항으로 사용할 수 있다. 보통의 품질 계수는 주파수에 따라 그 값이 변화하게 되고 그로 인해서 인덕터의 손실을 나타내는 등가 병렬 저항(Rp) 역시 주파수에 따라 변화하게 된다. 종래의 방법은 이 값을 상쇄시키기 위해서 능동 소자의 전달 컨덕턴스나 커패시턴스 값을 변화시켜 음성 저항값을 바꾸는 방법이 대부분이다.

그러나, 이러한 방법은 매우 큰 전달 컨덕턴스가 필요하게 되고 그로 인한 전력 소모가 많은 단점이 있을 뿐 아니라 조절 가능한 주파수 범위가 제한적인 문제점이 있다.

한편, 도 5는 종래의 2 단 주파수 변환 대역 통과 필터를 나타낸다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 공진기(51)와 가변 커패시터(52)를 병렬로 연결하고 이를 2 단으로 구성하여 필터를 형성한다.

이러한 구성에 있어서, 가변 커패시터(52)의 값을 변화시키면 통과 주파수가 변화하게 되므로 주파수 가변 필터를 얻을 수 있게 된다.

그러나, 이러한 주파수를 변환시키기 위하여 공진기에 연결되는 커패시턴스만의 변화로는 그 주파수 변환 범위가 수 백 MHz 정도밖에 되지 않을 뿐만 아니라 통과 대역에서 삽입 손실이 생기고 반사 손실도 어느 정도 큰 값을 가지게 되어 전체 회로 특성에 나쁜 영향을 미치게 된다. 더욱이 회로가 복잡해지고 전력 소모가 많아지는 단점이 있다.

이러한 이유는, 변화하는 주파수에서 공진기의 품질 계수가 큰 값을 갖지 않고 작아지기 때문이다. 즉, 적은 삽입 손실을 가지면서 주파수 변환 범위가 큰 대역 통과 필터를 구현하기 위해서는 공진기의 품질 계수가 주파수에 따라 항상 큰 값을 유지해야만 하는 것이다.

대부분의 고주파 집적 회로에는 능동 소자의 게이트와 드레인에 전압을 인가하는 상술한 바이어스 회로를 갖고 있다. 이 바이어스 회로는 단순히 능동 소자인 트랜지스터에 전압만을 인가시켜 회로 동작을 시킬 뿐 다른 역할은 하지 않았다. 하지만 본 발명은 그러한 바이어스 회로를 이용하여 품질 계수를 향상시키는 회로에 관한 것으로 종래의 것보다 추가적인 회로가 필요하지 않아서 전력 소모, 면적, 회로의 복잡성 등에서 우수하다.

따라서, 본 발명에서는 위에서 언급한 게이트 바이어스 저항으로 품질 계수를 극대화하고 가변 커패시터를 이용하여 중심 주파수를 변환시키면서 삽입 손실을 최소화하는 방안을 제안하고자 한다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 바이어스용으로 사용된 게이트 바이어스 회로를 이용하여 공진기의 품질 계수를 조절하며, 이를 이용하여 삽입 손실이 적고 소비 전력이 적으며 광대역의 주파수 변환이 가능하도록 한 게이트 바이어스 회로를 이용한 공진기의 품질 계수 조절 회로와 이를 이용한 주파수 가변 대역 통과 필터를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 게이트 바이어스 회로를 이용한 공진기의 품질 계수 조절 회로는, 나선형 인덕터와, 인덕터에 병렬로 연결되며 능동 소자에 저항을 궤환시켜 구성한 음성 저항 회로를 구비한 공진기에 있어서, 상기 능동 소자의 게이트 바이어스 저항으로 공진기의 품질 계수를 조정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 능동 소자의 게이트 바이어스 저항은 상기 능동 소자의 게이트에 소오스가 연결되고 드레인에 소정 전압을 연결하며, 게이트에 음성 가변 전압을 연결한 트랜지스터를 이용한 가변 저항으로 구성하여 상기 가변 전압으로 주파수 변화에 따른 공진기의 품질 계수를 조정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 주파수 가변 대역 통과 필터는 나선형 인덕터와 상기 인덕터에 병렬로 연결되며 게이트 바이어스를 위한 게이트 바이어스 저항을 갖는 능동 소자에 저항을 궤환시켜 구성한 음성 저항 회로를 구비한 공진기와, 상기 공진기와 병렬로 연결한 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 대역 통과 필터는 상기 능동 소자의 게이트 바이어스 저항은 상기 능동 소자의 게이트에 소오스가 연결되고 드레인에 소정 전압을 연결하며 게이트에 음성 가변 전압을 연결한 트랜지스터를 이용한 가변 저항으로 구성하고, 상기 음성 가변 전압과 상기 능동 소자의 게이트 바이오스 전압을 변환시켜서 주파수 가변 특성을 얻는 것을 특징으로 한다.

도 1a, 1b는 종래의 공진기 형태와 품질 계수 향상을 위한 방법에 관한 개략도

도 2는 공진기를 제작하기 이한 음성 저항 생성 회로도

도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e는 음성 저항 회로와 병렬 인덕터를 이용한 공진기에 대한 회로도

도 3f는 본 발명에 따른 공진기의 게이트 바이어스를 이용하여 품질 계수를 향상시키는 회로도

도 4는 게이트 바이어스 저항에 따른 최대 품질 계수 주파수의 이동을 나타내는 그래프

도 5는 종래의 주파수 가변 대역 통과 필터의 회로도

도 6a, 6b는 게이트 바이어스 저항을 이용하여 품질 계수를 조절하여 주파수를 변환시키는 대역 통과 필터의 회로도

도 7a, 7b, 7c, 7d는 게이트 바이어스 저항 및 가변 커패시텨를 변환시켰을 때의 대역 통과 필터 특성을 컴퓨터 모사에 의해 구한 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 41, 71 : 전계 효과 트랜지스터 12, 54, 74 : 저항

52, 72 : 부성 저항 회로 53, 73 : 인덕터

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3f는 공진기의 게이트 바이어스를 이용하여 품질 계수를 향상시키는 회로이다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 게이트 바이어스 저항(33)을 갈륨-비소 전계 효과 트랜지스터등의 능동 소자(34)를 이용한 가변 저항으로 대체하고 이 능동 소자(34)의 게이트에 음전압(35)을 인가하여 디플리션 모드(depletion mode)로 동작시켜서 그 저항값을 변화시키면 주파수에 따른 병렬 저항을 상쇄시킬 수 있으므로 매우 큰 값의 품질 계수를 얻을 수 있다.

도 4는 게이트 저항을 변화시킬 때 공진기의 품질 계수가 최대가 되는 주파수를 그래프로 나타낸 것이다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 단순한 게이트 바이어스 저항만을 변화시켜서 품질 계수가 최대가 되는 주파수가 약 5GHz에서 6GHz 이상 변화하는 것을 알 수 있다.

이때, 능동 소자인 트랜지스터에 흐르는 전류는 게이트 저항에 상관없이 일정하게 되므로 전력 소모에는 변화가 없다. 앞에서 언급했듯이 종래의 방법은 품질 계수를 보상하기 위해서는 큰 전달 컨덕턴스가 필요하게 되어 전체 회로의 전력 소모가 증가하게 되지만, 본 발명은 단순한 게이트 바이어스 저항만으로 품질 계수를 조절하게 되므로 실제 소모되는 전력은 약 20∼30mW 정도밖에 되지 않는다. 이러한 품질 계수 조절 공진기 회로를 이용하여 주파수 가변 대역 통과 필터(tunable band pass filter)를 제작할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따른 게이트 바이어스 저항으로 품질 계수를 조절하는 주파수 대역 통과 필터에 대하여 상세히 설명한다.

도 6a는 본 발명에 따른 주파수 변환 대역 통과 필터의 개념도이다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 주파수 가변을 위하여 종래와 마찬가지로 가변 커패시터(62)와, 주파수에 따른 품질 계수의 저하를 보상하기 위하여 상술한 게이트 바이어스 저항(63)을 조절하여 품질 계수를 조절하는 공진기(61)를 병렬로 연결하여 2 단으로 구성한다.

이러한 구성에 있어서, 공진기(61)는 상술한 능동 소자에 저항을 궤환시켜 구성하고, 공진기(61)내의 능동 소자의 게이트 바이어스 저항(63)을 조절하여 주파수에 대응하여 공진기(61)의 품질 계수를 개선함과 아울러 필터의 주파수 변환 범위를 크게하면서 삽입 손실을 최소화할 수 있게 된다.

도 6b는 실제적인 주파수 변환 대역 통과 필터 회로도이다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 이 회로에는 공진기의 음성 저항 기능을 수행하는 능동 소자(20)의 드레인 바이어스를 위한 전압(64)과 능동 소자(20)의 게이트 바이어스를 위한 전압(65)과 주파수 변환을 위한 가변 거패시턴스(62), 그리고 품질 계수 조절을 위한 가변 저항(63)과 그 조절 전압(66)으로 구성되어 있다.

한편, 이 회로의 드레인 바이어스 전압(64)은 고정 전압이 되고 품질 계수 조절 전압(66)은 전체 드레인 전류에 영향을 미치지 못하므로 소모되는 전력은 일정하게 된다.

도 7a는 게이트 전압(65)을 -0.2V 로 고정시키고 게이트 바이어스 저항을 600Ω에서 3000Ω까지 변화시켰을 때 대역 통과 필터의 삽입 손실을 컴퓨터 모사 프로그램에 의해 구한 것이다.

도 7b는 그때의 반사 손실을 나타낸다.

이때, 주파수 변환 범위는 6.75GHz에서 5.29GHz까지 변화한다.

도 7c는 게이트 전압(65)을 -0.8V로 낮추었을 때의 필터 특성을 나타낸다.

이때의 주파수 변환 범위는 7.58GHz에서 5.65GHz까지가 된다. 또한 삽입 손실이 0dB 이상이 되고 반사 손실도 -15dB 이하가 되어 종래의 주파수 가변 대역 통과 필터보다 주파수 가변 범위가 크고 삽입 손실이 적은 특성을 얻을 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공진기의 품질 계수를 용이하게 개선할 수 있으며, 주파수 변환 대역 통과 필터의 삽입 손실을 최소화하고 광대역의 변환을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 나선형 인덕터와, 상기 인덕터에 게이트 단자가 접속되어 있으며 소스 단자에는 궤환 저항이 접속되어 있는 능동 소자를 적어도 구비하는 음성 저항 회로를 포함하는 공진기의 품질 계수 조절회로에 있어서,

   상기 능동 소자의 게이트 단자가 접속되고 드레인 단자에 전압원이 접속되는 트랜지스터와, 주파수 변화에 따른 공진기의 품질 계수를 조정하기 위해 상기 트랜지스터의 게이트 단자에 접속된 음성가변 전압원으로 구성함을 특징으로 하는 게이트 바이어스 회로를 이용한 공진기의 품질 계수 조정 회로.
2. 일단이 접지도어 있는 전압원과.

   상기 전압원의 또 다른 일단에 접속되어 주파수에 따른 품질 계수의 저하를 보상하기 위한 게이트 바이어스 회로와,

   주파수 가변을 위한 가변 커패시터와,

   상기 가변 커패시터와 병렬 접속되는 나선형 인덕터에 게이타 단자가 접속되어 있으며 그 소스 단자와 드레인 단자 각각은 궤환 저항 및 제2전압원에 접속됨과 동시에, 상기 게이트 단자가 상기 게이트 바이어스 회로와 접속되는 능동 소자를 구비하는 공진기를 포함함을 특징으로 하는 가변 대역 통과 필터.
3. 제2항에 있어서, 상기 게이트 바이어스 회로는;

   상기 능동 소자의 게이트 단자에 소오스 단자가 접속되고 드레인 단자에 소정 전압원을 접속하며 게티으 단자에 상기 전압원이 접속되는 전계 효과 트랜지스터임을 특징으로 하는 주파수 가변 대역 통과 필터.