KR100366299B1

KR100366299B1 - Analog Phase Shifter Using Hybrid Coupler and Varactor Diode Circuit

Info

Publication number: KR100366299B1
Application number: KR1020000004143A
Authority: KR
Inventors: 송재호
Original assignee: 주식회사 케이티; 한국전자통신연구원
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2002-12-31
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: KR20010076788A

Abstract

본 발명은 초고주파 신호의 위상을 360도 변화시킬 수 있는 아날로그 위상 변위기에 관한 것이다. 본 발명에서 제안된 위상 변위기는 초고주파 기판 위에 구현된 하이브리드 커플러와 바랙터 다이오드 회로로 구성된 반사형 위상 변위기이다. 즉, 전압에 따라 바랙터의 캐패시턴스 값이 변하는 특성을 이용하여 전달 신호의 위상을 변화시킨다. 기존의 반사형 위상 변위기에 비해 효과적으로 더욱 큰 위상 변화를 얻기 위해 전송로 저항과 부하회로의 입력 정합 저항을 요구하는 설계식을 제시한다. 그리고 위상을 변화시키기 위해 가변하는 전압에 따른 삽입손실 값의 변동을 줄이기 위해 보상저항을 사용한다. 360도 이상의 위상 변위를 얻기 위해서 두 가지 회로를 제시하였는데 하나는 2단 하이브리드 결합기를 사용한 것이고 다른 하나는 1단 하이브리드 결합기를 사용하여 소형화한 것이다. 모두 4개의 바랙터 회로가 필요하다. 이러한 위상 변위기는 기가비트급 광통신시스템에서 데이터 신호를 수신하여 데이터를 재생하는 회로로 사용될 수 있고 위상 배열 안테나 및 MMIC 위상 변위기 등에도 응용될 수 있다.The present invention relates to an analog phase shifter capable of changing the phase of an ultrahigh frequency signal by 360 degrees. The phase shifter proposed in the present invention is a reflective phase shifter composed of a hybrid coupler and a varactor diode circuit implemented on a microwave substrate. That is, the phase of the transmission signal is changed by using the characteristic that the capacitance value of the varactor changes according to the voltage. In order to obtain a larger phase change more effectively than conventional reflective phase shifters, we propose a design formula that requires the line resistance and the input matching resistance of the load circuit. In order to change the phase, a compensation resistor is used to reduce the variation of the insertion loss value due to the variable voltage. In order to obtain a phase shift of more than 360 degrees, two circuits are proposed, one using a two-stage hybrid coupler and the other using a single-stage hybrid coupler. All four varactor circuits are required. Such a phase shifter may be used as a circuit for receiving data signals and reproducing data in a gigabit-class optical communication system, and may be applied to a phased array antenna and an MMIC phase shifter.

Description

Microwave Analog Phase Shifter {Analog Phase Shifter Using Hybrid Coupler and Varactor Diode Circuit}

본 발명은 초고주파 신호의 위상을 전압 조정에 의해 연속적으로 360도 이상 변화시킬 수 있는 아날로그 위상 변위기에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 초고주파 기판 위에 구현된 하이브리드 커플러와 바랙터 다이오드 회로로 구성된 반사형 초고주파 아날로그 위상 변위기에 관한 것이다.The present invention relates to an analog phase shifter capable of continuously changing a phase of an ultrahigh frequency signal by more than 360 degrees by voltage adjustment. More specifically, the present invention relates to a reflection type comprising a hybrid coupler and a varactor diode circuit implemented on an ultrahigh frequency substrate. It relates to a very high frequency analog phase shifter.

수 내지 수십 GHz의 초고주파 대역 신호의 위상을 변화시키는 위상 변위기는 일반적으로 디지털 방식과 아날로그 방식으로 나뉜다. 디지털 방식은 부피가 크고재료비가 많기 때문에, 아날로그 방식이 많이 연구되어 왔다. 대부분 아날로그 방식은 바랙터 다이오드 회로를 사용하여 구현되는데, 아날로그 방식의 초고주파 위상 변위기의 경우, 360도 위상 변화와 작은 삽입손실 등의 특성을 구현할 필요성이 있다.Phase shifters for varying the phase of signals from several high frequency bands to tens of GHz are generally divided into digital and analog methods. Digital methods have been studied a lot because of their bulky and material costs. Most analog methods are implemented using varactor diode circuits. In the case of analog high frequency phase shifters, it is necessary to realize characteristics such as 360 degree phase shift and small insertion loss.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 것으로서, 바랙터 다이오드 회로와 90도 하이브리드 커플러를 보다 효과적으로 정합시켜 소형화하고, 360도 위상변화가 가능하며 위상변화에 따른 삽입 손실의 변동폭을 감소시키기 위한 것이기도 하다.Accordingly, the present invention has been made to meet the needs of the prior art as described above, miniaturized by more effectively matching the varactor diode circuit and the 90-degree hybrid coupler, the 360-degree phase change is possible, the insertion loss due to the phase change It is also intended to reduce the fluctuation of.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도,1 is a configuration diagram of a two-stage ultra-high frequency analog phase shifter according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다.2 is a block diagram of a single-stage ultra-high frequency analog phase shifter according to another embodiment of the present invention.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초고주파 아날로그 2단 위상 변위기는, 2개의 180도 위상 변위기를 2단으로 연결하고,상기 각 180도 위상 변위기는 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상 간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와; 상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 바랙터 다이오드에 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터에 병렬 접속된 보상저항을 포함하고,상기 하이브리드 커플러의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로 사이의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2 값보다 작은 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the ultra-high frequency analog two-phase shifter according to the present invention connects two 180-degree phase shifters in two stages, and each of the 180-degree phase shifters has an input terminal, a coupling terminal, a transmission terminal, and an isolated terminal. A 90 degree hybrid coupler formed at 90 degree phase intervals; Two varactor circuits each connected to a coupling terminal and a transfer terminal of the hybrid coupler, each of which includes a varactor diode, an inductor connected in series with the varactor diode, and a compensation resistor connected in parallel to the varactor diode and the inductor. And the matching impedance Z3 of the hybrid coupler is greater than 1/2 of the input impedance Z0 of the hybrid coupler, and the transmission line impedance Z2 between the hybrid coupler and the varactor circuit is equal to that of the varactor diode. It is characterized by being smaller than 1/2 of the amount of change in reactance.

또한, 본 발명에 따른 초고주파 아날로그 1단 위상 변위기는, 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와;상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 2개의 바랙터 회로에 각각 직렬 연결된 2개의 1/4 전송선로와, 상기 2개의 1/4 전송선로에 각각 직렬 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로를 포함하고,상기 바랙터 회로는 상기 바랙터 다이오드와 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터와 병렬 접속된 보상저항을 더 포함하며,상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자 사이의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력단자와 고립단자 사이의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2값보다 작은 것을 특징으로 한다.In addition, the ultra-high frequency analog one-stage phase shifter according to the present invention, the input terminal, the coupling terminal, the transfer terminal and the isolated terminal is a 90-degree hybrid coupler formed with a 90-degree phase spacing; Two varactor circuits each including varactor diodes, two 1/4 transmission lines each connected in series to the two varactor circuits, and two varactor circuits connected in series to each of the two varactor circuits. A varactor circuit including a diode, wherein the varactor circuit further comprises an inductor connected in series with the varactor diode, a compensation resistor connected in parallel with the varactor diode and the inductor, and coupling of the hybrid coupler. The matched impedance Z3 between the terminal and the transfer terminal is the input impedance between the input terminal and the isolated terminal of the hybrid coupler. The transmission line impedance Z2 of the hybrid coupler and the varactor circuit is smaller than 1/2 of the reactance change amount of the varactor diode.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "초고주파 아날로그 위상 변위기"를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the "ultra high frequency analog phase shifter" according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다. 이는 90도 하이브리드 커플러(11)와 바랙터 회로(10)로 이루어진 180도 위상 변위기를 2단으로 연결하여 360도 변위를 얻기 위한 회로이다. 바랙터 회로(10)는 바랙터 다이오드(12), 인덕터(13), 그리고 보상저항(14)으로 구성된다. 이 바랙터 다이오드(12)에 인가되는 전압이 조정전압(16)으로서, 그 크기에 따라 바랙터 회로의 캐패시턴스가 변화한다.1 is a block diagram of a two-stage ultra-high frequency analog phase shifter according to an embodiment of the present invention. This is a circuit for obtaining a 360 degree displacement by connecting a 180 degree phase shifter consisting of a 90 degree hybrid coupler 11 and a varactor circuit 10 in two stages. The varactor circuit 10 is composed of a varactor diode 12, an inductor 13, and a compensation resistor 14. The voltage applied to this varactor diode 12 is the adjustment voltage 16, and the capacitance of the varactor circuit changes according to its magnitude.

90도 하이브리드 커플러(11)는 초고주파 회로에서 널리 사용되는 회로로써 입력단자(17)에 신호가 인가되면 입사된 신호의 파워가 절반으로 나뉘어져 결합단자(coupled port)(18)와 전달단자(through port)(15)로 출력되고, 고립단자(isolated port)(19)로는 아무런 신호도 출력되지 않는다. 하지만, 도 1에서는 결합단자(18)와 전달단자(15)에 바랙터 회로가 연결되어 있기 때문에, 이 단자들로부터는 신호가 반사되어 재결합된 후 고립단자(19)로 출력된다. 이때 반사되는 신호의 위상은 바랙터 회로의 리액턴스 값에 따라 변한다. 따라서, 조정전압(16)을 가변하여 바랙터 다이오드(12)의 캐패시턴스 값을 조정하면 고립단자로 반사되는 신호의 위상을 원하는 값으로 맞출 수 있다. 여기서 한 가지 주의할 점은 위상의 변화는 바랙터 다이오드(12)의 캐패시턴스 외에도 하이브리드 결합기(11)의 특성 임피던스와 관계가 있다는 것이다.본 발명의 실시예에서, 하이브리드 결합기의 입력단자(17)와 고립단자(19) 사이의 임피던스를 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Z0), 전달단자(15)와 결합단자(18) 사이의 임피던스를 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)라고 하고, 하이브리드 결합기와 바랙터 회로(10) 사이의 임피던스를 전송로 임피던스(Z2)라고 한다.90-degree hybrid coupler 11 is a circuit widely used in high-frequency circuits. When a signal is applied to the input terminal 17, the power of the incident signal is divided in half so that a coupled port 18 and a through port are provided. 15), and no signal is output to the isolated port 19. However, since the varactor circuit is connected to the coupling terminal 18 and the transfer terminal 15 in FIG. 1, the signals are reflected and recombined from the terminals, and then output to the isolated terminal 19. At this time, the phase of the reflected signal changes according to the reactance value of the varactor circuit. Therefore, by adjusting the capacitance value of the varactor diode 12 by varying the adjustment voltage 16, it is possible to adjust the phase of the signal reflected by the isolated terminal to a desired value. One thing to note here is that the change in phase is related to the characteristic impedance of the hybrid coupler 11 in addition to the capacitance of the varactor diode 12. In an embodiment of the invention, the input terminal 17 of the hybrid coupler The impedance between the isolated terminals 19 is called the input impedance Z0 of the hybrid coupler, the impedance between the transfer terminal 15 and the coupling terminal 18 is called the matching impedance Z3 of the hybrid coupler, and the hybrid coupler and varactor circuit The impedance between (10) is referred to as transmission line impedance Z2.

그 동안의 발표된 자료에서 하이브리드 결합기의 특성 임피던스(Z3)는 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Z0)의 1/2이었다. 하지만 본 발명에서는 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)를 입력 임피던스(Z0) 의 절반으로 제한하지 않고 그 보다 큰 값으로 최적화하여 소형화한다.In the published data, the characteristic impedance (Z3) of the hybrid coupler was 1/2 of the input impedance (Z0) of the hybrid coupler. However, in the present invention, the matching impedance (Z3) of the hybrid coupler is not limited to half of the input impedance (Z0), but is optimized to a larger value and miniaturized.

설계 방법은, 우선 조정전압 범위에서 바랙터 회로의 캐패시턴스 변화에 의한 리액턴스 변화폭이 2 ΔX 인 경우, 단락 마이크로 스트립 전송선 혹은 인덕터(13)를 이용하여 직렬 공진회로를 구성하여, 바랙터 회로의 리액턴스가 조정전압의 변화에 따라 (-ΔX, ΔX)의 범위에서 변하도록 한다. 이때, 위상 변화폭은 전송선 임피던스(Z2)와, 반사를 위한 바랙터 부하회로 전체에 대한 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)에 의해 수학식 1과 같이 결정된다.In the design method, first, when the change in the reactance change due to the change in the capacitance of the varactor circuit is 2 ΔX in the adjustable voltage range, a series resonant circuit is formed using the short-circuit microstrip transmission line or the inductor 13, so that the reactance of the varactor circuit is increased. Change in the range of (-ΔX, ΔX) according to the change of adjustment voltage. At this time, the phase change width is determined by Equation 1 by the transmission line impedance Z2 and the matching impedance Z3 of the hybrid coupler for the entire varactor load circuit for reflection.

전송선 임피던스(Z2)를 ΔX 보다 작게 하고, 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)는 입력 임피던스(Z0)의 1/2보다 큰 값으로 증가시킴으로써 180도 이상의 위상 변화폭을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 위상 변위기를 두 개 연결하면, 360도 위상 변위기를 구현할 수 있다. 바랙터 회로의 전송선의 길이는 원하는 주파수에 따라 조정한다.By making the transmission line impedance Z2 smaller than ΔX and increasing the matching impedance Z3 of the hybrid coupler to a value larger than 1/2 of the input impedance Z0, a phase shift width of 180 degrees or more can be obtained. Also, by connecting two such phase shifters, a 360 degree phase shifter can be realized. The length of the transmission line of the varactor circuit is adjusted according to the desired frequency.

한편, 바랙터 다이오드 회로에서 바랙터를 두 개 사용하면 위상변화를 두 배로 늘릴 수 있다. 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 1단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다. 도 2에서와 같이, 1/4 전송 선로(21)를 첨부하고 전송 선로(21)의 양 끝에 바랙터 회로를 연결한다. 이렇게 하면 1 단의 하이브리드 커플러만으로도 360 도 위상 변위를 얻을 수 있다. 물론 두 배의 위상 변위에 따라 삽입손실도 2배로 커진다.On the other hand, the use of two varactors in the varactor diode circuit can double the phase change. 2 is a block diagram of a single-stage ultra-high frequency analog phase shifter according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a 1/4 transmission line 21 is attached and a varactor circuit is connected to both ends of the transmission line 21. In this way, a 360-degree phase shift can be obtained with only one hybrid coupler. Of course, the insertion loss also doubles with twice the phase shift.

한편, 실제 바랙터 다이오드는 내부에 캐패시터 외에 저항성분을 가지고 있어 이로부터 삽입손실을 가져오며 또한 바이어스 전원에 따른 삽입손실의 변동도 준다. 이러한 바랙터 다이오드의 내부 저항으로 인한 삽입손실의 변동을 보상하기 위해서 바렉터 다이오드와 병렬로 보상저항(14)을 달아준다. 이 보상저항(14)으로 인하여, 삽입손실이 커지는 단점이 있지만 변동량을 최소화시키기 때문에 안정되게 사용할 수 있다. 이때 저항값은 입출력 단자 및 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Zo)와 바랙터 다이오드의 저항 성분(Rs) 에 의해 수학식 2와 같이 결정된다.On the other hand, the actual varactor diodes have resistance components in addition to the capacitors to bring insertion loss therefrom and also change the insertion loss according to the bias power supply. In order to compensate for the variation in insertion loss due to the internal resistance of the varactor diode, a compensation resistor 14 is mounted in parallel with the varactor diode. Due to this compensation resistor 14, there is a disadvantage that the insertion loss is large, but it can be used stably because the variation amount is minimized. In this case, the resistance value is determined as shown in Equation 2 by the input impedance Zo of the input / output terminal and the hybrid coupler and the resistance component Rs of the varactor diode.

R = Zo²/RsR = Zo ² / Rs

위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the invention has been described above based on the preferred embodiments thereof, these embodiments are intended to illustrate rather than limit the invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, or adjustments to the above embodiments can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the protection scope of the present invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all such changes, modifications or adjustments.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 광통신시스템에서 데이터를 수신할 때 추출된 클럭으로 데이터를 판별하는 과정에서 적절한 판별 위상을 갖도록 클럭 위상을 조정하고 동시에 추출된 클럭이 다음 단계의 회로의 기준 클럭으로 사용될 경우 출력 데이터와 적절한 위상 관계를 갖도록 출력 클럭 위상을 조정하는 용도로 응용될 수 있다. 또한, 위상 배열 안테나에서도 응용이 가능하며, 위상 변위기의 크기가 작기 때문에 MMIC 으로도 구현될 수 있다.As described above, according to the present invention, when receiving data in an optical communication system, the clock phase is adjusted to have an appropriate discrimination phase in the process of discriminating the data by the extracted clock, and the extracted clock is used as the reference clock of the circuit of the next step. In this case, it can be applied to adjust the output clock phase to have an appropriate phase relationship with the output data. In addition, the present invention can be applied to a phased array antenna and can be implemented as an MMIC because the size of the phase shifter is small.

Claims

Connect two 180-degree phase shifters in two stages,

Each of the 180 degree phase shifters includes: a 90 degree hybrid coupler in which an input terminal, a coupling terminal, a transfer terminal, and an isolated terminal are formed at a 90 degree phase interval; Two varactor circuits each connected to a coupling terminal and a transfer terminal of the hybrid coupler, each of which includes a varactor diode, an inductor connected in series with the varactor diode, and a compensation resistor connected in parallel to the varactor diode and the inductor. Including,

The matching impedance Z3 of the hybrid coupler is greater than 1/2 of the input impedance Z0 of the hybrid coupler, and the transmission line impedance Z2 between the hybrid coupler and the varactor circuit is equal to the reactance variation of the varactor diode. Ultra-high frequency analog phase shifter, characterized in that less than 1/2 value.

The method of claim 1, wherein the compensation resistor,

And an inverse proportional to the square of the input impedance Zo of the hybrid coupler and inversely proportional to the resistance component Rs of the varactor diode.

A 90 degree hybrid coupler having an input terminal, a coupling terminal, a transmission terminal, and an isolated terminal having a 90 degree phase interval;

Two varactor circuits each connected to a coupling terminal and a transfer terminal of the hybrid coupler, each of which includes a varactor diode, two quarter transmission lines each connected to the two varactor circuits in series, and the two ones. Two varactor circuits each connected in series to a / 4 transmission line and each including a varactor diode,

The varactor circuit further includes an inductor connected in series with the varactor diode and a compensation resistor connected in parallel with the varactor diode and the inductor,

The matching impedance Z3 between the coupling terminal and the transfer terminal of the hybrid coupler is greater than 1/2 of the input impedance Z0 between the input terminal and the isolated terminal of the hybrid coupler, and the transmission line of the hybrid coupler and varactor circuit. Impedance (Z2) is a high frequency analog phase shifter, characterized in that less than 1/2 of the amount of change in reactance of the varactor diode.

The method of claim 1, wherein the compensation resistor,