KR100974359B1 - 밸룬 변환기 및 이를 포함하는 송수신기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 언밸런스 신호(an unbalanced signal)를 밸런스 신호(a balanced signal)로 또는 이 반대로 변환시키며 변환된 신호를 대역 통과 필터링하는 대역 통과 필터 특성을 갖는 밸룬 변환기(Balun transformer)(100)에 관한 것이다. 이러한 밸룬 변환기는 종래 기술에서 통상적으로 알려져 있으며 언밸런스 신호를 송수신하는 제 1 전자 회로와 밸런스 신호를 송수신하는 제 2 전자 회로를 포함하되, 이 두 전자 회로들은 결합 소자들에 의해서 비전기적으로 결합된다. 본 발명의 목적은 이러한 종래 기술 밸룬 변환기의 크기를 감소시키는 것이다. 이러한 목적은 상기 제 1 전자 회로 및 상기 제 2 전자 회로가 각기 상기 대역 통과 필터 특성의 중심 주파수들을 나타내는 자신의 개별 공진 주파수에서 동작하는 개별 공진 회로들(100-1,100-2)로서 구현됨으로써 성취된다. 상기 개별 공진 주파수 각각은 동조 유닛(110,120)을 조절하거나 결합 소자(CPL1,CPL2) 각각의 길이가 λ/4보다 작도록 해당 공진 회로(100-1,100-2)의 상기 결합 소자(CPL1,CPL2)의 적어도 하나의 크기를 조절함으로써 설정된다. 본 발명은 또한 이러한 밸룬 변환기(100)를 포함하는 송수신기(400)에 관한 것이다.

Description

밸룬 변환기 및 이를 포함하는 송수신기{BALUN TRANSFORMER AND TRANSCEIVER}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른, 언밸런스 신호(an unbalanced signal)를 밸런스 신호로 변환시키거나 밸런스 신호를 언밸런스 신호로 변환시키는 밸룬 변환기(a balun transformer)에 관한 것이다. 이 밸룬 변환기는 변환되는 신호를 대역 통과 필터링하는 대역 통과 필터 특성을 갖는다.
도 3은 밸런스 신호와 언밸런스 신호 간의 상관을 나타내는 밸룬 변환기의 등가 회로 블록도이다. 언밸런스 신호 U는 통상적으로 접지와 관련되며 밸런스 신호는 차동 신호 U/2 - (-U/2) 로서 특성화된다.
또한, 본 발명은 도 4에 도시된 본 기술 분야에서 알려진 송수신기에 관한 것이다. 이 송수신기(400)는 송신 모드에서 언밸런스 신호를 송신하거나 수신 모드에서 언밸런스 신호를 수신하는 안테나 소자(410)를 포함한다.
이 송수신기(400)는 수신 모드에서 안테나 소자(410)로부터 언밸런스 신호를 수신하고 그것을 무선 주파수 RF 송수신기 유닛(430)을 위한 밸런스 신호로 변환시 키는 적어도 하나의 밸룬 변환기(420)를 더 포함한다. 송신 모드에서 상기 밸룬 변환기(420)는 밸런스 신호를 안테나 소자(410)로 출력될 언밸런스 신호로 변환시킨다.
마지막으로, 송수신기(400)는 수신 모드에서 밸룬 변환기(420)에 의해 제공된 밸런스 신호를 수신 및 처리하는 무선 주파수 RF 송수신기 유닛(430)을 포함한다. 송신 모드에서 이 유닛(430)은 밸런스 신호를 밸룬 변환기(420)로 제공한다. RF 송수신기 유닛(430)과 접속된 밸룬 변환기(420)는 또한 프런트 엔드 모듈(front end module)로서 지칭된다.
이러한 밸룬 변환기 및 송수신기는 가령 미국 특허 제 5,697,088 호에 개시되어 있다. 이 문헌에서 개시된 밸룬 변환기는 도 5에 도시된다(참조 부호(420')). 이 변환기는 2 개의 1/4 파 결합기(202,204)를 포함한다. 각 결합기는 제 1 전자 회로 및 제 2 전자 회로를 포함한다. 보다 구체적으로, 제 1 1/4 파 결합기(202)에서, 제 1 결합 소자(206) 및 캐패시터(Cp2,Cs2)가 제 1 전자 회로를 형성하며, 제 2 결합 소자(208) 및 캐패시터(Cs1,Cp1)가 제 2 전자 회로를 형성한다. 제 1 1/4 파 결합기(202)에서 이들 전자 회로는 제 1 결합 소자 및 제 2 결합 소자(206,208)를 통해서 비전기적으로(non-galvanically) 결합된다. 이 1/4 파 결합기는 제 1 결합 소자 및 제 2 결합 소자(206,208) 각각의 길이가 λ/ 4 로 조절되도록 지시하며 여기서 λ는 밸룬 변환기(420')에 의해 변환될 신호의 파장이다. 결합 소자(206,208)의 길이를 λ/ 4 로 조절함으로써 이들 결합 소자들은 자신의 공진 주파수에서 개별적으로 동작한다. 제 1 전자 회로 내의 캐패시터(Cp2,Cs2) 및 제 2 전자 회로 내의 캐패시터(Cs1,Cp1)는 제 1 전자 회로 및 제 2 전자 회로를 전체적으로 자신의 개별 공진 주파수에서 동작시키지는 않으며 상기 밸룬 변환기에 의해 제공된 대역 통과 필터 기능의 주파수 선택을 제어하는 기능을 할 뿐이다.
밸룬 변환기(420')는 포트(1)에서 언밸런스 신호를 송수신하며 포트(2,3) 사이에서는 밸런스 신호를 송수신한다.
그러나, 미국 특허 제 5,697,088 호에 개시된 밸룬 변환기는 결합 소자의 길이를 λ/ 4 로 조절해야 하기 때문에 매우 크게 된다는 단점이 있다. 가령, 1 GHz의 주파수에서 결합 소자(206,208)의 길이는 유전 상수 10을 갖는 기판의 경우에는 대략 2.5 cm이다.
발명의 개요
이로써, 본 발명의 목적은 크기가 감소된 밸룬 변환기를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구 범위 제 1 항에 의해서 성취된다. 보다 구체적으로 말하자면, 상기 종래 기술 밸룬 변환기에서 제 1 전자 소자 및 제 2 전자 소자는 각기 대역 통과 필터 특성의 중심 주파수를 나타내는 자신의 개별 공진 주파수들에서 동작하는 개별 공진 회로로서 구현되고, 동조 유닛을 조절하거나 결합 소자 각각의 길이가 λ(변환될 신호의 파장)/4 보다 작도록 해당 공진 회로들의 결합 소자들의 적어도 하나의 치수를 조절함으로써 또는 상기 공진 회로들의 결합 소자들 간의 이격 거리를 조절함으로써 상기 개별 공진 주파수 각각이 설정된다.
상기 결합 소자의 치수는 가령 길이 및/또는 폭을 나타낸다.
이 밸룬 변환기 실시예는 종래 기술의 밸룬 변환기에 비해서 크기가 크게 감소된다. 이는 각 공진 회로 내의 결합 소자의 길이를 λ/ 4 보다 매우 작게 함으로써 실질적으로 성취될 수 있다. 이렇게 결합 소자의 길이를 구현함으로써, 결합 소자는 그의 치수가 광범위하게 자유롭게 선택될 수 있으며 특히 그들의 길이가 사전결정된 크기 또는 이격 거리 요구 정도를 만족시키도록 조절될 수 있기 때문에 자신의 개별 공진 주파수에서는 동작하지 않게 된다.
제 1 공진 회로 및 제 2 공진 회로의 개별 공진 주파수 조절은 동조 유닛을 조절하거나 결합 소자의 길이가 λ/ 4 보다 작도록 상기 결합 소자의 길이를 조절함으로써 수행된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 밸룬 변환기의 크기는 결합 소자의 길이를 상술된 바와 같이 작게 함으로써 감소될 뿐만 아니라 본 발명의 따른 밸룬 변환기가 제 1 공진 회로/제 2 공진 회로로 구성되는 오직 하나의 결합기만을 포함하기 때문에 더 감소되는데, 상기 미국 특허 제 5,697,088 호에서는 두 개의 결합기가 필요하였다.
제 1 실시예에서, 제 1 결합 소자 및 제 2 결합 소자는 결합을 위해서 동일한 평면 내에서 서로 인접하면서 평행하게 구성되는 스트립 라인들로서 구현된다.
이와 달리, 이들 결합 소자는 나선형 인덕터들(spiral inductors)로서 구현되는데 이 인덕터들의 단면들은 적어도 부분적으로 중첩한다.
다른 밸룬 변환기 실시예들은 종속항에서 규정된다.
또한, 본 발명의 상술된 목적은 제 8 항에 따른 송수신기에 의해 성취된다. 이 송수신기의 이점은 밸룬 변환기에 대해서 상술된 이점들과 동일하다.
도 1은 본 발명에 따른 밸룬 변환기의 실시예의 도면,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 밸룬 변환기의 대역 통과 필터 특성의 주파수 및 위상 특성을 도시하는 그래프,
도 3은 밸룬 변환기의 동작을 설명하는 개략적인 등가 회로도,
도 4는 종래 기술 송수신기의 도면,
도 5는 종래 기술 밸룬 변화기의 도면.
본 발명에 따른 밸룬 변환기가 이제 도 1 및 도 2를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 밸룬 변환기의 하드웨어적 구성을 도시한다. 이 밸룬 변환기(100)는 제 1 공진 회로(100-1) 및 제 2 공진 회로(100-2)를 포함한다. 제 1 공진 회로(100-1)는 언밸런스 신호를 송수신하며 제 2 공진 회로(100-2)는 밸런스 신호를 송수신한다. 제 1 공진 회로(100-1)는 제 1 캐패시터(C1)으로서 구 현되면서 제 1 결합 소자(CPL1)에 병렬 접속된 제 1 동조 유닛(110)을 포함한다. 제 1 캐패시터(C1) 및 제 1 결합 소자(CPL1)는 접지에 접속된다.
제 2 공진 회로(100-2)는 제 2 결합 소자(CPL2) 및 제 2 동조 유닛(120)을 포함한다. 상기 제 2 동조 유닛(120)은 제 2 결합 소자(CPL2)의 두 단부들 중 한 단부에 접속된 제 2 캐패시터(C2), 제 2 결합 소자(CPL2)의 나머지 단부에 접속된 제 3 캐패시터(C3) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)에 접속되지 않은 상기 제 2 캐패시터(C2) 및 상기 제 3 캐패시터(C3)의 단부들을 서로 접속시키는 코일(L1)을 포함한다.
밸룬 변환기(100)는 포트(1)에서 언밸런스 신호를 송수신하며 포트(2,3) 사이에서는 밸런스 신호를 송수신한다.
제 1 공진 회로(100-1) 및 제 2 공진 회로(100-2)는 상기 제 1 결합 소자(CPL1) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)를 통해서 비전기적으로 결합된다.
이 밸룬 변환기(100)의 동작 동안, 공진 회로(100-1,100-2)는 자신의 개별 공진 주파수에서 동작한다. 공진 회로(100-1)의 공진 주파수 fR1 는 결합 소자(CPL1)의 길이가 λ(변환될 신호의 파장)/4보다 작도록 상기 결합 소자(CPL1)의 길이를 조절하거나 동조 유닛(110), 즉 캐패시터(C1)를 조절함으로써 설정된다. 이와 마찬가지로, 공진 회로(100-2)의 공진 주파수 fR2 는 결합 소자(CPL2)의 길이가 λ/4보다 작도록 상기 결합 소자(CPL2)의 길이를 조절하거나 동조 유닛(110), 즉 캐패시터(C2,C3) 및/또는 인덕터(L1)를 조절함으로써 설정된다. 이 두 공진 회로의 공진 주파수 fR1, fR2 는 제 1 결합 소자 및 제 2 결합 소자(CPL1,CPL2) 간의 결합 정도를 조절함으로써 근소하게 영향을 받는다. 보다 구체적으로, 이 두 공진 회로의 공진 주파수는 이들이 스트립 라인들로서 구현되는 경우(이 경우에는 스트립 라인들의 개별 폭 및 이 라인들 간의 이격 거리에 의해서 공진 주파수가 조절됨) 또는 두 결합 소자(CPL1,CPL2)가 나선 도전체로서 구현되는 경우(이 경우에는 이 나선 도전체들의 서로 중첩하는 단면의 구역 면적에 의해 공진 주파수가 조절됨)에 의해서 조절된다.
바람직하게는, 최적 주파수를 선택적으로 성취하기 위해서, 제 1 공진 회로(100-1)의 공진 주파수 fR1 및 제 2 공진 회로(100-2)의 공진 주파수 fR2는 동일하다.
본 발명에 따른 밸룬 변환기의 대역 통과 필터 특성이 도 2에 도시되어 있다. 도 2a는 필터 주파수 특성을 도시하며 도 2b는 위상 주파수 특성을 도시한다. 도 2a에서 볼 수 있드시, 밸룬 변환기(100)는 제 1 공진 회로(100-1) 및 제 2 공진 회로(100-2)의 공진 주파수들에 근사한 송수신 신호의 주파수만을 선택하는 대역 통과 필터 특성을 갖는다. 달리 말하면, 이 대역 통과 필터 특성에 따라서, 두 공진 주파수들 중 최소값보다 작은 주파수 및 이들 공진 주파수들의 최대값보다 큰 주파수는 차단된다.
도 2b는 밸런스 신호의 위상 특성을 도시한다. 곡선(2-1)은 포트(1)에서 포트(2)로 또는 그 반대로 변환된 신호의 위상 특성을 도시한다. 또한, 위상 곡 선(3-1)은 포트(1)에서 포트(3)로 또는 그 반대로 변환된 신호의 위상 특성을 도시한다. 이 두 위상 곡선들(2-1,3-1) 간에는 180 도의 위상차가 존재하는데 이는 밸룬 변환기에서 필수적인 사항이다.
본 발명에 따른 송수신기의 실시예는 도 4에 도시된 구성에 실질적으로 대응하지만 밸룬 변환기(420)는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 실시예에 따라서 구현된다.

Claims (8)

  1. 언밸런스 신호(an unbalanced signal)를 밸런스 신호(a balanced signal)로, 또는 그 역으로 변환시키며, 변환되는 신호를 대역 통과 필터링하는 대역 통과 필터 특성을 갖는 밸룬 변환기(Balun transformer)(100)에 있어서,
    제 1 결합 소자(CPL1)에 접속된 제 1 동조 유닛(110)을 포함하고 상기 언밸런스 신호를 송수신하는 제 1 전자 회로와,
    제 2 결합 소자(CPL2)에 접속된 제 2 동조 유닛(120)을 포함하고 상기 밸런스 신호를 송수신하는 제 2 전자 회로를 포함하되,
    상기 제 1 전자 회로 및 상기 제 2 전자 회로는 상기 제 1 결합 소자(CPL1) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)를 통해서 결합되며,
    상기 제 1 전자 회로 및 상기 제 2 전자 회로는 상기 대역 통과 필터 특성의 중심 주파수들을 나타내는 자신들 각각의 개별 공진 주파수 fR1, fR2에서 동작하는 개별 공진 회로(100-1,100-2)로서 구현되고,
    상기 개별 공진 주파수 각각은, (1)상기 동조 유닛(110,120)과, (2)상기 결합 소자(CPL1,CPL2) 각각의 길이가 변환될 신호의 파장을 나타내는 λ의 1/4보다 짧아야만 한다는 고려하에서, 관련된 공진 회로(100-1,100-2)의 상기 결합 소자(CPL1,CPL2)의 적어도 하나의 치수와, (3)상기 두 공진 회로들의 상기 결합 소자들(CPL1,CPL2) 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 조절함으로써 설정되는
    밸룬 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 동조 유닛(110)은 제 1 캐패시터(C1)로서 구현되어 상기 1 결합 소자(CPL1)에 병렬 접속되고, 상기 제 1 캐패시터(C1)와 상기 제 1 결합 소자(CPL1) 양자 모두는 접지와 언밸런스 신호 포트(1) 사이에 접속되어 상기 포트(1)에서 상기 언밸런스 신호를 송수신하며,
    상기 제 2 동조 유닛(120)은 자신의 한 단부가 상기 제 2 결합 소자(CPL2)의 일 단부에 접속된 제 2 캐패시터(C2), 자신의 한 단부가 상기 제 2 결합 소자(CPL2)의 다른 단부에 접속된 제 3 캐패시터(C3) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)에 접속되지 않은 상기 제 2 캐패시터(C2) 및 상기 제 3 캐패시터(C3)의 단부들을 접속시키는 코일(L1)을 포함하되,
    상기 제 2 결합 소자에 접속되지 않는 단부들은 각기 밸런스 신호 포트(2,3)를 형성하여 그 사이의 상기 밸런스 신호를 송수신하는
    밸룬 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 결합 소자(CPL1) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)는 모두 결합을 위해서 평행하게 배열되고 동일한 평면 내에서 서로 인접하게 배치되는 한정된 길이의 스트립 라인들로서 구현되는
    밸룬 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 소자(CPL1,CPL2)의 치수는 길이와 폭 중 적어도 하나로 표시되는
    밸룬 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 결합 소자(CPL1) 및 상기 제 2 결합 소자(CPL2)는 모두 나선형 인덕터들(spiral inductors)로서 구현되되, 상기 인덕터들의 단면들은 적어도 부분적으로 중첩하는
    밸룬 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸룬 변환기(100)는 가능한 한 박막 기술로 구현되는
    밸룬 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 공진 회로(100-1)에서 설정된 공진 주파수 fR1 및 제 2 공진 회로(100-2)에서 설정된 공진 주파수 fR2가 동일하고, 이것이 상기 대역 통과 필터 특성의 단일 중심 주파수를 나타내는
    밸룬 변환기.
  8. 송수신기(400)에 있어서,
    송신 모드에서 언밸런스 신호를 송신하거나, 수신 모드에서 언밸런스 신호를 수신하는 안테나 소자(410)와,
    상기 수신 모드에서 상기 안테나 소자(410)로부터 상기 언밸런스 신호를 수신하여 이를 밸런스 신호로 변환하거나, 상기 송신 모드에서 밸런스 신호를 상기 안테나 소자로 출력될 상기 언밸런스 신호로 변환하는, 적어도 하나의 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 밸룬 변환기(100)와,
    상기 수신 모드에서 상기 밸룬 변환기(100)로부터의 상기 밸런스 신호를 수신하여 처리하거나, 상기 송신 모드에서 상기 밸런스 신호를 상기 밸룬 변환기(100)로 송신하는 RF 송수신기 유닛(430)을 포함하는
    송수신기.
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