KR100489854B1 - 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기에 관한 것으로, 강유전체의 유전율이 인가전압에 따라 가변하는 특성을 이용하여 위상 천이기에서의 튜너빌리티 특성을 향상시키는 것에 관한 것이다. 즉, 인가전압을 증가시키면 강유전체의 상대유전율이 감소하고, 감소된 상대 유전율은 마이크로 스트립 라인에서의 전파상수를 감소시키게 되는데, 전압을 증가시키면 전파상수를 음수적으로 증가하므로 인가전압을 조절함으로써 천이되는 위상의 양을 조절할 수 있게 된다. 이때 강유전체의 바로 밑에는 상대 유전율이 낮은 유전체를 두껍게 적층하여 인가전압이 갑작스럽게 변화하여도 강유전체가 파괴되지 않도록 하며, 마이크로 스트립 라인을 이용하여 많은 수의 커플링을 콤 타입(comb-type) 형태로 배열하여 위상 천이기의 튜너빌리티를 높이게 된다.

Description

강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기{TUNABLE PHASE SHIFTER USING FERROELECTRIC RESONATOR}

본 발명은 이동통신 시스템의 위상 천이기에 관한 것으로, 특히 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기에 관한 것이다.

최근 이동통신 가입자의 증가와 더불어 전파방해용인도 동시에 증가하고 있다. 전파방해 요인의 대표적인 예는 도심에 있는 고층건물로 전파의 회절, 간섭을 유발한다. 즉 송신 신호와 달리 수신된 신호는 신호의 왜곡과 더불어 위상 오차가 생긴다.

일반적으로 위상 천이기는 이러한 위상 오차를 보정하여 원래의 송신 신호를 제대로 복원해 주는 역할을 하는 장치로, 안테나의 프론트-엔드단(Front-end)에 연결되어 수신된 신호의 위상 오차를 보정해 주는 역할을 한다. 프론트-엔드단에서는 위상 천이기의 저 손실과 함께 정확한 위상 보정이 매우 중요하다.

도 3 및 도 4는 종래 위상 천이기를 도시한 것으로, 상기 도 3은 중간의 레퍼런스 가이드를 기준으로, 위에는 30°위상 천이기, 아래에는 60°위상 천이기를 스위치 소자에 의해 선택한다. 이때 천이되는 위상은 입/출력단을 제외한 부분의 폭과 stub의 개수 및 길이로 조절하며, 커플링이 없기 때문에 넓은 주파수 범위에 걸쳐 비교적 정확한 위상 천이를 저손실과 함께 얻을 수 있게 된다.

그러나 상기 도 3의 종래 위상 천이기는 인가전압에 따라 tunable 특성이 있는 강유전체를 사용하는 것이 아니라 어떤 특정 위상만 천이시키는 구조이기 때문에, 강유전체를 사용하였음에도 커플링이 없어 튜닝 범위가 크지 않게 되는 문제점이 있었다.

또한 상기 도 4에서는 Au/STO/LAO/Au 구조를 사용하였고, 커플링 수를 8개로 하여 튜닝 범위를 넓혔다. 그러나 상기 도 4의 위상 천이기는 부채꼴 모양의 stub와 커플되는 부분을 일자로 길게 연결하였기 때문에 위상 천이기의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 강유전체의 유전율이 인가전압에 따라 가변하는 특성을 이용하여 위상 천이기를 CFD구조로 구현하고, 다수의 커플링이 일자로 연속된 구조의 미앤더 라인(meander line) 형태로 위상 천이기를 구현함으로써, 위상 천이기의 튜너빌리티 특성을 높이고, 위상 천이기의 크기를 줄일 수 있도록 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기에 있어서, 일렬로 배열된 다수의 커플링 배선과, 각 커플링 배선에 외부 전원 인가를 위한 오픈 스터브가 형성되는 45°위상 천이기와; 상기 45°위상 천이기와 수평 대응되며, 일렬로 배열된 다수의 커플링 배선과 각 커플링 배선에 외부 전원 인가를 위한 오픈 스터브가 형성되는 기준 위상 천이기와; 상기 45°위상 천이기와 기준 위상 천이기를 스위칭 연결시키는 전자 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 위상 천이기의 구조를 도시한 것이다.

상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 위상천이기는 마이크로 스트립 라인으로 도 2에서 도시된 바와 같이 상부전극(21), 강유전체(22), 유전체(23), 하부전극(24) 등의 CFD(Conductor/Ferroelectric/Dielectric) 구조로 구현하였으며, 위상 천이기의 튜너빌리티(tunability)를 높이기 위하여 많은 수의 커플링을 연결하였다. 또한 크기를 줄이기 위하여 부채꼴 모양의 스터브(Stub)를 없애고, 커플링이 일자로 연속된 구조를 미앤더 라인(Meander line)형태로 구현하였다.

강유전체의 상대 유전율은 인가한 전압의 크기에 반비례하는 특성을 이용하여 특정한 주파수에서 원하는 위상을 전압만 조절함으로써 얻을 수 있다. 상기 위상 천이기에서의 위상 천이 계산은 아래의 [수학식 1]을 통해서 계산된다.

상기 [수학식 1]에서 는 전파 상수로서, ov는 0V 일때의 전파 상수, v-app는 인가한 전압에서의 전파 상수이다. 상기 는 천이되는 위상, L은 커플링 길이이다. 상기 [수학식 1]에서 인가 전압이 증가할수록 (ov -v-app )는 증가하므로 위상 천이()는 증가한다. 즉, 전압과 위상 천이는 비례한다.

한편, 커플링 수가 많을수록 위상 천이기의 터너빌리티도 커지게 되는데, 이러한 위상 천이기의 설계를 위해 상기 도 2에서와 같은 측면도를 이용하여 상기 도 5에서와 같은 평면도(top-view)를 디자인하게 된다. 상기 도 5에서 아래쪽의 기준 위상 천이기와 위쪽의 45°위상 천이기는 전자 스위치에 의해 조절된다. 또, 입/출력단의 폭은 50Ω매칭을 위하여 조절하였고, 커플링의 폭은 손실 특성이 좋도록 조절하였다.

도 6, 도 7, 도 8은 상기 도 5에 도시된 본 발명의 위상 천이기에서의 반사손실, 삽입손실, 위상 천이 등의 특성을 각각 도시한 그래프로,

0V일 때 17GHz에서 45°만큼 위상을 천이시키되, 전압을 150V까지 증가시켰을 때 154°까지 위상이 천이되었다. 즉, 17GHz에서 전압을 0V∼150V까지 가변 시켰을 때 위상은 45°∼154°까지 가변되었다. 이때 튜너빌리티를 더 증가시키고자 하는 경우에는 커플링 수를 더 늘리면 된다.

상기 도 6은 위상천이기의 반사손실을 나타낸 그래프로써, 45°위상천이기의 반사 손실로서는 13GHz∼19GHz에 걸친 넓은 주파수 범위에서 대체로 20dB이상의 반사 손실이 있음을 알 수 있다.

상기 도 7은 45°위상 천이기의 삽입손실을 나타낸 그래프로서, 위상 천이기의 삽입손실로서 16GHz∼19GHz에 걸친 넓은 주파수 범위에서 대체로 4dB이하의 값을 가지는 것을 알 수 있다.

상기 도 8에서는 0V, 150V 모두 주파수가 증가할수록 위상이 조금씩 증가함을 알 수 있다. 이는 커플링에서는 상호 커패시턴스(C_M)가 존재하기 때문인데, 이때 주파수 f와 상기 상호 커패시턴스의 관계는 아래의 [수학식 2]에서와 같이 나타낼 수 있다.

한편, 상기 도 8에서와 같은 주파수 증가에 따른 위상 변화는 도 11에 도시된 바와 같이 위상 천이기 입/출력단에 설치된 오픈 스터브(111)를 이용하는 경우 주파수의 변화율에 따른 위상의 변화가 최소화되도록 구현할 수도 있다.

도 9, 도 10은 상기 도 5에 도시한 위상 천이기의 다른 실시 예를 도시한 것으로, 상기 도 9에서와 같이 본 발명의 위상 천이기는 튜너빌리티의 증가를 위해 커플링의 수를 증가시켜 위상 천이기를 구현할 수도 있다. 또한 상기 도 10에서와 같이 기준 위상 천이기, 45°위상 천이기, 90°위상 천이기 등과 같이 다양한 종류의 위상 천이기를 구비시킨 위상 천이기를 구현할 수도 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 강유전체의 유전율이 인가전압에 따라 가변하는 특성을 이용하여 위상 천이기를 CFD구조로 구현하고, 다수의 커플링이 일자로 연속된 구조의 미앤더 라인 형태로 위상 천이기를 구현함으로써, 위상 천이기의 튜너빌리티 특성을 향상시키는 이점이 있다. 또한 위상 천이기를 상기와 같이 미앤더 라인 형태로 구현함에 따라 위상 천이기의 크기를 줄일 수 있게 되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인가 전계에 따른 강유전체의 상대 유전율변화 그래프 예시도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체를 이용한 필터의 측면 구조도,

도 3, 도 4는 종래 위상 천이기 구조도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체를 이용한 위상 천이기의 평면 구조도,

도 6은 상기 도 5의 강유전체를 이용한 위상 천이기에서 인가 전압의 변화에 따른 반사 손실 변화 그래프 예시도,

도 7은 상기 도 5의 강유전체를 이용한 위상 천이기에서 인가 전압의 변화에 따른 삽입 손실 변화 그래프 예시도,

도 8은 상기 도 5의 강유전체를 이용한 위상 천이기에서 인가 전압의 변화에 따른 위상 변화 그래프 예시도,

도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 커플링 수가 2 이상인 위상 천이기의 평면 구조도,

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다양한 위상 천이량을 가지는 다수의 위상 천이기를 구비하는 위상 천이기 평면 구조도,

도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 입/출력단에 오픈 스터브를 구비한 위상 천이기 평면 구조도.

Claims (7)

1. 삭제
2. 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기에 있어서,

   일렬로 배열된 다수의 커플링 배선과, 각 커플링 배선에에 외부 전원 인가를 위한 오픈 스터브가 형성되는 45°위상 천이기와;

   상기 45°위상 천이기와 수평 대응되며, 일렬로 배열된 다수의 커플링 배선과 각 커플링 배선에 외부 전원 인가를 위한 오픈 스터브가 형성되는 기준 위상 천이기와;

   상기 45°위상 천이기와 기준 위상 천이기를 스위칭 연결시키는 전자 스위치를 포함하며,

   상기 커플링 배선의 폭은 상기 전자 스위치와 연결되는 신호 입/출력단의 폭보다 작게 형성되는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 커플링 배선의 수는, 적어도 2개 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 위상 천이기는, 상기 기준 위상 천이기와 수평 연결되는 다수개의 서로 다른 위상 천이량을 가지는 위상 천이기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 커플링 배선은, 마이크로 스트립 라인으로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 커플링 배선은, CPW(Coplanar Waveguide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 커플링 배선은, CBCPW(Conductor Based Coplanar Waveguide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 공진기를 이용한 가변 위상 천이기.