KR100648833B1 - 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털감쇠장치 - Google Patents
초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털감쇠장치 Download PDFInfo
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 종래 기술의 스위치드 티(Switched T) 감쇠기 구조에 새롭게 전송선로들을 삽입하고 그 회로 정수들을 최적화하며, 감쇠용 저항성 소자의 저항값을 최적화하여 초광대역의 동작 주파수 대역을 가지고, 감쇠량에 관계없이 항상 입출력 정합을 유지하며, 우수한 감쇠 정확도를 가지도록 한, 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 고주파 신호를 입력받기 위한 고주파 입력수단; 상기 고주파 입력수단과 직렬로 연결되어 입력을 정합시키기 위한 제 1 전송수단; 상기 제 1 전송수단과 직렬로 연결된 제 2 전송수단; 상기 제 2 전송수단에 연결되고 외부로부터의 제 2 전원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 1 스위칭수단; 상기 제 1 스위칭수단과 직렬 연결되어 출력을 정합시키기 위한 제 3 전송수단; 상기 제 1 전송수단에 연결된 제 1 저항성 소자; 상기 제 3 전송수단에 연결되 제 2 저항성 소자; 상기 제 1 저항성 소자와 상기 제 2 저항성 소자에 연결된 제 4 전송수단; 상기 제 4 전송수단에 직렬 연결되고, 상기 제 2 전원과 반대로 동작하는 외부로부터의 제어전 원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 2 스위칭수단; 상기 제 2 스위칭수단과 직렬 연결된 제 5 전송수단; 및 상기 제 5 전송수단과 직렬로 연결되고 접지로 단락된 제 3 저항성 소자를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 디지털 감쇠장치 등에 이용됨.
초광대역 특성, 우수한 감쇠도 특성, 디지털 감쇠장치, pHEMT, 감쇠 해상도, 감쇠 동작 범위
Description
도 1 은 종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기의 일실시예 구조도,
도 2 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 일실시예 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 일실시예 전체 회로도,
도 4 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 일실시예 배치도,
도 5 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 삽입 손실을 나타내는 일실시예 도면,
도 6 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 감쇠 특성을 나타내는 일실시예 도면,
도 7 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 반사 특성을 나타내는 일실시예 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 제 1 저항 12 : 제 2 저항
13 : 제 3 저항 14 : 제 1 스위칭소자
15 : 제 2 스위칭소자 16 : 고주파 입력단
17 : 고주파 출력단 18 : 제 1 전원
19 : 
21 : 제 1 전송선로
22 : 제 2 전송선로 23 : 제 3 전송선로
24 : 제 4 전송선로 25 : 제 5 전송선로
26 : 제 2 전원 27 : 
본 발명은 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 기술의 스위치드 티(Switched T) 감쇠기 구조에 새롭게 전송선로들을 삽입하고 그 회로 정수들을 최적화하며, 감쇠용 저항성 소자의 저항값을 최적화하여 초광대역의 동작 주파수 대역을 가지고, 감쇠량에 관계없이 항상 입출력 정합을 유지하며, 우수한 감쇠 정확도를 가지도록 한, 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치에 관한 것이다.
본 발명에서 감쇠기란, 말 그대로 전력을 감쇠시키기 위한 목적으로 사용되는 소자/회로를 말한다. 일예로, 저항과 같은 소모성 소자를 여러 개 이용하여, 원하는 전력만큼 감쇠를 시키도록 맞출 수 있다. 원리적으로는 저항 네트웍을 이용하여 전력을 분배한 후, 일부 전력을 터미네이션(Termination)시키는 방식이 많이 사용된다.
감쇠기는 감쇠량이 고정되어 있는 고정 감쇠기(Fixed Attenuator)와 감쇠량을 임의로 조절할 수 있는 가변 감쇠기(Variable Attenuator)로 나눌 수 있다.
고의적인 감쇠를 위한 고정 감쇠기(Attenuator)는, 단지 전력 레벨만을 낮추고 싶은 것이 목적인 경우가 많기 때문에 필요 이상의 잡음발생을 최대한 억제하고 위상차 등이 발생하지 않도록 만들어져야 한다.
또한, 고정 감쇠기(Attenuator)의 용도는 여러 가지가 있는데, 여러 단 간의 전력레벨을 맞추어야 하는 경우에 많이 사용되며, 특히 전력증폭기(Power amp) 등의 고출력 소자의 출력값을 측정하고자 할 때도 많이 사용된다. 만약, 수십 dBm 이상의 높은 출력을 계측기에 바로 입력하게 되면 계측기가 손상을 입을 수 있으므로, 출력단에 정확히 감쇠량이 얼마인지 알려진 감쇠기(Attenuator)를 달고 측정한 후에 그 값을 수식적으로 보상해주면 계측기를 안전하게 사용할 수 있다.
가변 감쇠기는 개인 휴대 통신, 군용 통신, 위성 통신 등 다양한 무선 시스템의 송수신부에서 알에프(RF:Radio Frequency)/마이크로파 신호의 크기를 사용자가 임의로 가변시킬 수 있으므로 전력 제어, 이득 제어 및 온도 보상 등에 사용되 어진다.
고주파 가변 감쇠기는 아날로그 감쇠기나 디지털 감쇠기 형태로 구현이 가능하다.
아날로그 감쇠기의 감쇠량은 제어 전압 및 전류량에 대해 비선형적으로 가변되므로 아날로그 감쇠기의 감쇠량의 정확한 제어를 위해서는 복잡한 제어회로가 필요한 단점이 있다. 또한 온도 및 제작 공정에 민감하여 감쇠량의 변화가 큰 단점이 있다.
디지털 감쇠기는 아날로그 감쇠기에 비해 넓은 동작 온도 범위와 모노리식 마이크로파 집적회로(MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit) 제작 공정 편차가 큰 조건에서도 선형성이 높고 고전력에 강하다. 또한 디지털 감쇠기는 아날로그 감쇠기에 비해 감쇠량의 제어가 용이하고 감쇠량이 정확하므로 선호되고 있다.
디지털 감쇠기는 직렬로 이어진 1dB, 2dB, 4dB, 8dB 등과 같은 다소의 단위로 구성되며, 각 단위는 하나의 개별 비트를 형성하여 원하는 감쇠량을 얻기 위해 스위칭 된다. 개별 비트의 스위칭에는 스위칭소자가 사용된다. 스위칭용으로 사용되는 소자로는 게이트 단자에 인가되는 전압에 의해 드레인 단자와 소스 단자간의 저항(Rds)이 수옴에서 수 킬로옴까지 제어되는 FET(Field Effect Transistor)나 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 등이 있다.
이런 스위칭소자로 구성된 직렬 비트들은 최소 분해 수준인 LSB(Least Significant Bit)부터 시작하여 이진법적으로 가중된다. MSB(Most Significant Bit)는 최대 감쇠량에 의해 결정된다. 최소 감쇠량은 모든 개별 비트의 상태가 켜져 있을 때 얻어지며, 최대 감쇠량은 모든 개별 비트의 상태가 꺼져 있을 때이다. 최소 감쇠량은 감쇠기의 제로 혹은 참조 상태(reference state) 삽입 손실로도 불려진다.
디지털 감쇠기의 중요 성능 항목에는 감쇠량의 정확도, 삽입 손실, 입출력단의 임피던스 정합, 전력 취급 특성(Power Handling), 위상 변화, 감쇠기의 크기 및 제어 회로의 구현 용이성 등이 있다.
여기서, 디지털 감쇠기의 중요 성능 항목에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 디지털 감쇠기의 감쇠량의 정확도는 사용 주파수 범위에서 각 개별 비트가 정해진 감쇠량에서 어느 정도의 오차를 가지는지를 나타낸다. 보통 감쇠량의 정확도는 LSB(Least Significant Bit)의 1/2 이내 일 때, 우수한 것으로 간주한다.
디지털 감쇠기의 참조 상태 삽입 손실은 가능한 작아야 한다. 이는 저 손실 디지털 감쇠기가 전력 소비, 회로 크기 및 비용 등 여러 가지 면에서 장점을 가지기 때문이다.
디지털 감쇠기의 입력 및 출력 임피던스 정합은 매우 좋아야 하며, 그래서 위상 변위기나 증폭기 등과 직렬로 이어졌을 때, 사용 주파수 내에서 삽입 손실과 삽입 위상의 리플을 발생시키지 않아야 한다. 개별 감쇠 비트의 입출력 정합은 감쇠기 전체 성능에 영향을 미치며, 부정합이 있을 때에는 MMIC 칩 내부에서 상호작용을 일으켜 칩 전체의 진폭과 위상 성능을 저하시킨다.
또한, 감쇠기에서 IIP3(input 3rd order intercept point)로 정의되는 전력 취급 특성은 감쇠기의 선형성을 나타내며 높은 전력에서도 감쇠기를 사용하기 위해서는 IIP3가 높아야 한다.
위상 배열 안테나와 같은 일부의 시스템에서는 가능한 모든 감쇠 상태에 대하여 이상적으로 감쇠기의 삽입 위상이 변하지 않는 것이 요구된다.
그리고, 감쇠기의 크기는 작을수록 무게 및 비용을 줄일 수 있어 유리하다. 감쇠기 제어 회로의 구현 용이성 또한 중요 항목으로 간단히 구현되는 제어 회로가 선호된다.
전술한 바와 같은 디지털 감쇠기의 모든 중요 성능 항목은 동시에 만족될 수 없으며, 성능 항목 간에 상당한 양보가 필요하며, 전술한 성능 항목들을 만족시키기 위해 다양한 형태의 디지털 감쇠기가 문헌에 보고되었다. 미국특허번호 5309048에“디스트리뷰티드 티(Distributed T) 디지털 감쇠기”가 제시되어 있고, 미국특허번호 5448207에 “스위치드 파이(Switched Pi) 디지털 감쇠기”와 도 1 에 도시된“스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기”가 있다. 이들 디지털 감쇠기의 동작 주파수 대역은 모두 20GHz 이내로 협대역이고, 감쇠량 정확도가 떨어지는 문제점이 있다. 이를 도 1 을 일예로 들어 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
도 1 은 종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기의 일실시예 구조도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기 구조에서, 입력된 고주파 신호를 감쇠하는 역할을 하는 저항성 소자인 제 1 저항(11)이 직렬로 고주파 입력단(16)에 연결되고, 제 2 저항(12)은 제 1 저항(11)과 고주파 출력단(17) 사이에 직렬로 연결된다. 그리고 제 1 저항(11)과 제 2 저항(12)에 병렬로 제 1 스위칭소자(14)가 고주파 입력단(16)과 고주파 출력단(17) 사이에 연결된다. 그리고 제 1 저항(11)과 제 2 저항(12) 사이에 제 2 스위칭소자(15)와 제 3 저항(13)이 직렬로 연결되며, 제 3 저항(13)은 접지로 단락된다.
즉, 도 1 에 도시된 종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기에서, 제 1 스위칭소자(14)가 제어전압인 제 1 전원(18)에 의해 단락되고 제 2 스위칭소자(15)는 제어전압인 
(19)에 의해 개방되면, 감쇠기는 입력된 신호를 거의 대부분 통과시키는 저손실의 상태가 된다. 반면에, 제 1 스위칭소자(14)가 개방되고 제 2 스위칭소자(15)가 단락되면, 감쇠기는 일정한 감쇠량을 가지게 되며, 그 감쇠량은 제 1 저항과 제 2 저항 및 제 3 저항의 저항값에 의해 주로 결정된다. 제 1 저항과 제 2 저항 및 제 3 저항의 저항값에 의해 주요하게 결정된 감쇠량과 전술한 저손실 상태에서의 삽입 손실의 차이 값이 제어전압인 제 1 전원(18)과 
(19)에 의해 가변되는 감쇠량이다. 여기서, 
(19)는 제 1 전원(18)이 반전된 제어전원으로, 제 1 전원(18)이 하이(High)이면, 
(19)는 로우(Low)이고, 반대로 제 1 전원(18)이 로우(Low)이면, 
(19)는 하이(High)가 된다.
도 1 에 도시된 바와 같은 종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기 구조에서, 스위칭소자를 제거하고 남은 저항성 소자인 제 1 저항, 제 2 저항, 제 3 저항에 의해 T-형 감쇠기 구조가 형성될 수 있다. 다음의 [수학식 1]은 이와 같이 저항성 소자인 제 1 저항, 제 2 저항, 제 3 저항으로 형성된 T-형 감쇠기 구조에서 감쇠량에 따른 저항성 소자의 저항값을 나타낸다. 다음의 [수학식 1]에서, A는 감쇠량(dB)을 
는 감쇠기 입출력단의 특성 임피던스를 나타낸다.
종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠기는, 설정된 감쇠량과 구현되는 감쇠량 사이에 오차가 크게 존재하며 주파수가 증가함에 따라 설정한 감쇠량의 오차가 증가하는 문제점이 있다. 이러한 현상은 스위칭소자의 내부 기생 성분의 용량성 결합에 의해 나타나는 문제점으로 주파수 의존적 특성이 있다. 따라서, 이러한 문제점은 디지털 스위치의 광대역화와 감쇠량의 정확도를 제한하는 커다란 제약 요인이 된다.
전술한 문헌 등에 보고된 다양한 디지털 감쇠기들의 동작 주파수 대역은 모두 20GHz 이내로 협대역이고, 감쇠량 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래 기술의 스위치드 티(Switched T) 감쇠기 구조에 새롭게 전송선로들을 삽입하고 그 회로 정수들을 최적화하며, 감쇠용 저항성 소자의 저항값을 최적화하여 초광대역의 동작 주파수 대역을 가지고, 감쇠량에 관계없이 항상 입출력 정합을 유지하며, 우수한 감쇠 정확도를 가지도록 한, 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 고주파 신호를 입력받기 위한 고주파 입력수단; 상기 고주파 입력수단과 직렬로 연결되어 입력을 정합시키기 위한 제 1 전송수단; 상기 제 1 전송수단과 직렬로 연결된 제 2 전송수단; 상기 제 2 전송수단에 연결되고 외부로부터의 제 2 전원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 1 스위칭수단; 상기 제 1 스위칭수단과 직렬 연결되어 출력을 정합시키기 위한 제 3 전송수단; 상기 제 1 전송수단에 연결된 제 1 저항성 소자; 상기 제 3 전송수단에 연결되 제 2 저항성 소자; 상기 제 1 저항성 소자와 상기 제 2 저항성 소자에 연결된 제 4 전송수단; 상기 제 4 전송수단에 직렬 연결되고, 상기 제 2 전원과 반대로 동작하는 외부로부터의 제어전원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 2 스위칭수단; 상기 제 2 스위칭수단과 직렬 연결된 제 5 전송수단; 및 상기 제 5 전송수단과 직렬로 연결되고 접지로 단락된 제 3 저항성 소자를 포함한다.
상술한 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단하는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 일실시예 구조도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치는, 도 1 의 종래의 스위치드 티(Switched T) 디지털 감쇠장치 구조에 다수의 전송선로가 새롭게 추가되어 있는 구조이다.
즉, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치는, 고주파 신호를 입력받기 위한 고주파 입력단(16), 상기 고주파 입력단(16)과 직렬로 연결되어 디지털 감쇠장치의 입력을 정합시키고, 제 2 전송선로(22)와 제 1 저항(11)을 연결시키기 위한 제 1 전송선로(21), 상기 제 1 전송선로(21)와 직렬로 연결되어 제 1 스위칭소자(14)와 제 1 전송선로(21)를 연결시키기 위한 제 2 전송선로(22), 상기 제 2 전송선로(22)와 제 3 전송선로(23) 사이에 연결되어 제 2 전원(26)에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭소자(14), 상기 제 1 스위칭소자(14) 와 직렬 연결되어 디지털 감쇠장치의 출력을 정합시키고, 상기 고주파 출력단(17)과 제 2 저항(12)을 연결시키기 위한 제 3 전송선로(23), 상기 제 1 저항(11)과 제 2 저항(12) 사이에 연결되고 제 1 저항(11)과 제 2 저항(12)과 제 2 스위칭소자(15)를 연결시키기 위한 제 4 전송선로(24), 상기 제 4 전송선로(24)에 직렬 연결되고, 
(27)에 따라 스위칭되며, 상기 제 4 전송선로(24)와 제 5 전송선로(25)를 연결시키기 위한 제 2 스위칭소자(15), 상기 제 2 스위칭소자(27)와 직렬 연결되고 제 3 저항(13)과 제 2 스위칭소자(15)를 연결시키기 위한 제 5 전송선로(25), 상기 제 5 전송선로(25)와 직렬로 연결되고 접지로 단락된 제 3 저항(13), 상기 제 1 스위칭소자(14)에 전원을 공급하여 제어하기 위한 제 2 전원(26), 및 상기 제 2 스위칭소자(15)에 전원을 공급하여 제어하고 상기 제 2 전원(26)과 반대로 동작하는 상기 
(27)을 포함한다. 여기서, 
(27)는 제 2 전원(26)이 반전된 제어전원으로, 제 2 전원(26)이 하이(High)이면, 
(27)는 로우(Low)이고, 반대로 제 2 전원(26)이 로우(Low)이면, 
(27)는 하이(High)가 된다.
도 2 의 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 스위칭소자로 트랜지스터의 일종인 pHEMT가 사용되었으며, 사용된 pHEMT의 게이트의 길이는 0.15μm이다. 고주파에서 pHEMT 스위치의 성능 제약은 게이트-소스 커패시턴스, 드레인-게이트 커패시턴스 등과 같은 소자 기생 성분 등에 의해 초래된다. 높은 선형성과 저손실을 얻기 위해서는 pHEMT의 게이트 폭이 커져야 한다. 반면에, 광대역 특성을 얻기 위해서는 게이트 폭이 작아져야 한다. 따라 서, 이런 요구 조건들은 동시에 만족되지 않으며, 디지털 감쇠장치의 설계에 있어 다소간의 양보가 필요하다.
도 2 의 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 일실시예 구조도에서 스위칭소자로 트랜지스터의 일종인 pHEMT를 사용하였지만, 본 발명의 스위칭소자가 pHEMT에 국한되는 것이 아님을 밝혀둔다.
도 2 에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 설계에 있어서, 200μm 게이트 폭의 pHEMT가 직렬 스위칭소자인 제 1 스위칭소자(14)에 사용되어 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 삽입 손실이 최소화되었고, 50μm 게이트 폭의 pHEMT가 단락 스위칭소자인 제 2 스위칭소자(15)에 사용되어 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치가 광대역 특성을 가질 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치의 우수한 감쇠 정확도와 초광대역의 주파수 특성 등은, 도 2 의 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치 구조에서 새롭게 추가된 제 1 내지 제 5 전송선로(21, 22, 23, 24, 25)의 회로 정수 및 저항성 소자의 저항값을 최적화하는 과정을 통해 구현된다.
즉, 도 2 의 본 발명의 디지털 감쇠장치의 특성이 정확한 감쇠 특성과 광대역 특성, 우수한 반사 손실 특성을 가질 수 있도록 제 1 저항 내지 제 3 저항(11 내지 13)의 저항값과 제 1 내지 제 5 전송선로(21 내지 25)의 폭과 길이를 최적화 한다. 도 2 에서 도시된 바와 같이, 성능 최적화에 사용되는 변수는 제 1 저항 내지 제 3 저항(11 내지 13)의 저항값과 제 1 내지 제 5 전송선로의 폭인 w1, w2 w3, w4, w5 및 전송선로의 길이인 l1, l2, l3, l4, l5 이다.
이하 일실시예에서는, 상기 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치로 1dB의 감쇠 해상도와 23dB의 감쇠 동작 범위를 갖는 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 예로 들어 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 1dB의 감쇠 해상도와 23dB의 감쇠 동작 범위를 갖는 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치에 국한되는 것이 아님을 밝혀 둔다.
1dB의 감쇠 해상도와 23dB의 감쇠 동작 범위를 갖는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치를 얻기 위해 필요한 감쇠 비트는 1dB, 2dB, 4dB 비트 및 8dB 비트 두 개이다. 도 2 과 같은 감쇠장치 구조 하나가 8dB의 감쇠량을 갖도록 할 경우, 설정 감쇠량은 큰데 반하여 직렬 스위칭소자인 제 1 스위칭소자의 기생 용량 성분에 의한 결합이 많아 원하는 감쇠량을 얻기 어렵고 감쇠 정확도가 떨어지며 주파수 대역폭이 좁아지는 단점이 있다.
따라서, 8dB 비트가 광대역 특성과 우수한 감쇠 정확도를 갖게 하도록 하기 위해서, 4dB 비트 두 개가 직렬 연결되도록 하였다. 본 발명의 일실시예에 따른 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치에 사용된 모든 감쇠 비트에는 도 2 의 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치 구조가 이용되었다.
다음의 [표 1]은 본 발명의 일실시예에 따른 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠 장치를 구성하는 1dB, 2dB, 4dB 비트에 대해 저항값과 전송선로의 폭과 길이가 최적화된 결과의 일예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 일실시예 전체 회로도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는, 2dB 비트가 초단에 위치하며 4dB, 1dB, 8dB, 8dB 비트가 차례로 위치한다. 도 3 에서는 회로를 간략히 도시하기 위해 도 2 에서 나타낸 전송선로들은 생략하였다. 또한, 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 전송선로로 마이크로스트립라인을 사용하였고, 저항성 소자로는 TFR(Thin Film Resistor)를 사용하였다. 또한, 도 3 에 도시된 도면부호 41 내지 50은 각각 전원을 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 일실시예 배치도이다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치 칩에서, 고주파 입력단과 출력단은 각각 칩의 양끝단에 배치되어 있으며, 상보적인 제어신호(제어전압)선의 5개 쌍은 칩의 한쪽 측면에 배치되어 있다. MMIC 칩의 크기는 1.6mm x 2.8mm 이다. 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치 칩의 GaAs(Gallium Arsenide) 기판의 두께는 100μm이다.
도 4 에 도시된 바와 같이 제작된 본 발명의 일실시예에 따른 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치에 대해 온 웨이퍼 상태에서 산란 행렬 파라미터(S-parameter)를 측정하였다. 산란 행렬은 전체 스물네 가지 감쇠 상태에 대해서 측정하였다. 아래의 [표 2]는 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 제어하기 위한 진리표를 나타낸다. 아래의 [표 2]에서 VHigh 는 -2V의 제어 전압을, VLow는 0V의 제어 전압을 나타낸다.
도 5 는 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 삽입 손실을 나타내는 일실시예 도면이다.
도 5 는 참조 상태에서의 삽입 손실 및 1dB, 2dB, 4dB, 8dB 설정시의 삽입 손실의 측정값을 나타내고 있다. 도 5 에서 참조 상태의 삽입 손실과 1dB 설정시의 삽입 손실의 차이가 1dB 감쇠 특성이 되며, 2dB와 4dB 및 8dB도 같은 방법으로 감쇠 특성을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 감쇠 특성이 도 6 에 감쇠 특성으로 도시되어 있다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 참조 상태의 삽입 손실은 20GHz에서 6dB이고 40GHz에서는 8dB이다. 따라서, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 고주파에서도 삽입 손실이 작으므로, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 적용한 무선 시스템의 전력 소비를 줄일 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 감쇠 특성을 나타내는 일실시예 도면이다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 전체 40GHz 주파수 대역 및 전체 23dB 감쇠 범위에서 감쇠 정확도가 1.0 ± 0.3dB 이다. 감쇠 해상도는 1dB이고, 전체 감쇠량은 DC 부터 20GHz 의 범위에서 23dB 이며, 40GHz 까지의 범위에서는 22dB 이다. 따라서 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 종래의 디지털 감쇠장치의 특성인 도 2 의 감쇠 특성과 비교하였을 때, DC 부터 40GHz라는 초광대역의 주파수 대역폭과 23dB의 넓은 감쇠 범위에서 매우 정확한 감쇠 정확도를 나타내고 있으므로 본 발명의 디지털 감쇠장치의 동작 주파수 대역폭이 매우 광대역화 되었음을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 반사 특성을 나타내는 일실시예 도면이다.
본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치의 전체 스물네 가지 감쇠 상태에서의 입력단과 출력단의 반사 계수를 도 7 에 나타내었다. 입력단과 출력단의 반사 손실은 DC 부터 2GHz의 범위에서는 14dB 이상이며, 2GHz 에서 40GHz 의 범위에서는 17dB 이상이다. 즉, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 입출력 정합이 매우 잘 이루어져 있으므로, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 적용한 무선 시스템에서 부가적인 정합 회로가 필요치 않고, 다른 회로의 특성 변화를 유발하지 않으며, 크기와 무게를 줄일 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 종래 기술의 스위치드 티(Switched T) 감쇠장치 구조에 새롭게 전송선로들을 삽입하고 그 회로 정수들을 최적화하며, 감쇠용 저항성 소자의 저항값을 최적화하여 DC(Direct Current)부터 40 GHz의 초광대역의 동작 주파수 대역을 가지고, 감쇠량에 관계없이 항상 입출력 정합을 유지하며, 1dB ± 0.3dB의 감쇠 정확도 및 1dB의 감쇠 해상도와 23dB의 감쇠 동작 범위를 갖도록 하여 초광대역 특성과 우수한 감쇠 정확도를 가질 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 고주파에서도 삽입 손실이 작으므로, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 적용한 무선 시스템의 전력 소비를 줄일 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는 입출력 정합이 매우 잘 이루어져 있으므로, 본 발명의 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치를 적용한 무선 시스템에서 부가적인 정합 회로가 필요치 않고 다른 회로의 특성 변화를 유발하지 않으며 크기와 무게를 줄일 수 있는 장점도 있음을 알 수 있다.
Claims (13)
- 고주파 신호를 입력받기 위한 고주파 입력수단;상기 고주파 입력수단과 직렬로 연결되어 입력을 정합시키기 위한 제 1 전송수단;상기 제 1 전송수단과 직렬로 연결된 제 2 전송수단;상기 제 2 전송수단에 연결되고 외부로부터의 제 2 전원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 1 스위칭수단;상기 제 1 스위칭수단과 직렬 연결되어 출력을 정합시키기 위한 제 3 전송수단;상기 제 1 전송수단에 연결된 제 1 저항성 소자;상기 제 3 전송수단에 연결되 제 2 저항성 소자;상기 제 1 저항성 소자와 상기 제 2 저항성 소자에 연결된 제 4 전송수단;상기 제 4 전송수단에 직렬 연결되고, 상기 제 2 전원과 반대로 동작하는 외부로부터의 제어전원에 따라 제어되어 스위칭되는 제 2 스위칭수단;상기 제 2 스위칭수단과 직렬 연결된 제 5 전송수단; 및상기 제 5 전송수단과 직렬로 연결되고 접지로 단락된 제 3 저항성 소자를 포함하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 내지 제 5 전송수단은,상기 제 1 내지 제 5 전송수단의 폭과 길이에 따라 감쇠 특성과 광대역 특성 및 반사 손실 특성이 조절되는 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 내지 제 5 전송수단은,마이크로스트립라인인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 내지 제 3 저항성 소자는,티에프알(TFR)인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 스위칭수단은,게이트 폭이 작아짐에 따라 상기 디지털 감쇠장치의 삽입 손실이 줄어드는 게이트 폭이 200μm인 pHEMT 직렬 스위칭소자인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 스위칭수단은,게이트 폭이 작아짐에 따라 상기 디지털 감쇠장치가 광대역 특성을 가지도록 하는 게이트 폭이 50μm인 pHEMT 단락 스위칭소자인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 스위칭수단 각각은,게이트의 길이가 0.15μm인 pHEMT인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 내지 제 3 저항성 소자와 상기 제 1 내지 제 5 전송수단의 폭 및 길이가 아래 [표 1]과 같은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.[표 1]
- 디지털 감쇠장치에 있어서,원하는 감쇠량을 갖기 위해, 상기 청구항 1항의 디지털 감쇠장치를 임피던스를 정합시켜 다단으로 연결한 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 디지털 감쇠장치는,5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치인 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는,각각 2dB, 4dB, 1dB, 8dB, 8dB 감쇠량을 가지는 5비트 감쇠장치를 연결한 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 8dB 감쇠량을 가지는 디지털 감쇠장치는,광대역 특성을 얻기 위해 4dB 비트 회로 두 개를 직렬 연결하여 구현한 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.
- 제 11 항 또는 12 항에 있어서,상기 각 5-비트 pHEMT MMIC 디지털 감쇠장치는,아래 [표 2]와 같은 감쇠량 조절용 제어전압(VHigh = -2 V, VLow = 0 V)에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 초광대역 특성과 우수한 감쇠도 특성을 가진 디지털 감쇠장치.[표 2]
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