KR100983794B1 - 고 격리도 특성을 갖는 초고주파 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 유사한 종류의 트랜지스터 반도체를 이용하여 고주파 신호의 경로를 연결 또는 절체하는 RF 스위치에 있어서, 트랜지스터 사이에 적어도 하나 이상의 공진기를 추가하여 RF 스위치에서 요구되는 높은 격리도 특성을 만족할 수 있는 RF 스위치에 관한 것으로, 고주파(RF) 전송 선로에 연결되고, 특성 임피던스가 50 오옴 이하이며, 격리를 원하는 주파수의 1/4 파장의 길이를 갖는 복수 개의 공진기 및 상기 공진기와 공진기 사이마다 직렬 연결된 FET를 포함하고, 상기 FET가 개방될 때, 상기 공진기 가 상기 FET와상호 작용하여 격리도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

고주파, RF, 무선, 주파수, 스위치, 격리도, 아이솔레이션, 트랜지스터, FET, 공진기

Description

고 격리도 특성을 갖는 초고주파 스위치{RF switch with performance of high isolation}

본 발명은 초고주파 및 마이크로파 대역의 통신 장비 및 부품에 사용되는 초고주파(RF) 스위치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)와 유사한 종류의 트랜지스터 반도체를 이용하여 고주파(RF) 신호의 경로를 연결 또는 절체하는 RF 스위치에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-301-01, 과제명: 위성항법지상국시스템 및 탐색 구조 단말기 기술개발].

일반적인 트랜지스터를 이용한 RF 스위치는 RF 경로를 구성하는 전송선로의 중간에 직렬로 트랜지스터를 연결하거나, 병렬 접지로 트랜지스터가 연결된 구조를 갖는다. 이러한 RF 스위치는 트랜지스터의 바이어스를 조절하는 것에 의해 트랜지스터를 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태로 조절함으로써, RF 경로를 연결 또는 절체한 다.

이와 같은 종래의 RF 스위치가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 RF 스위치에 대해 살펴본다.

도 1은 일반적인 병렬 접지된 전계 효과 트랜지스터(FET)를 이용한 RF 스위치를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같은 종래 RF 스위치는, 트랜지스터(Q1)(12)가 RF 전송 선로(11)에 병렬 연결되고, 전송 트랜지스터(Q1)(12)의 게이트 단자에 게이트 조절 전압 입력 단자(VG)(14)와 연결된 저항(R1)(13)이 연결되고, 소스 단자가 접지되어 있다. 이와 같은 종래 RF 스위치에서는 단순히 트랜지스터(Q1)(12)의 바이어스를 이용하여 트랜지스터를 개방 또는 단락시킴으로써, 트랜지스터가 병렬 연결된 RF 전송 선로(11)를 연결 또는 절체시킨다.

도 1의 구조를 갖는 RF 스위치는 트랜지스터의 크기에 따라 정해진 최대 전력 특성을 가지고 있어, RF 스위치가 감당해야 할 RF 전력이 클수록 크기가 큰 트랜지스터를 사용해야 하며, 이럴 경우 RF 전송 선로 절체 상태에서의 격리도(Isolation) 특성이 저하될 수 있다.

또한, 종래 RF 스위치는 트랜지스터 고유한 특성에 따라서 격리도 특성이 결정되며, 주파수의 증가에 관계없이 일정 값의 격리도 특성을 갖는 것으로 알려져 있지만, 그 격리도 정도가 높지 않아 1개의 병렬 접지 트랜지스터를 이용하여 RF 스위치를 구현하지는 않는다.

도 2는 종래의 직렬 연결된 전계 효과 트랜지스터(FET)를 이용한 RF 스위치를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 직렬 연결된 FET를 이용한 RF 스위치는 RF 전송 경로에 FET 트랜지스터(Q1)(21)가 직렬 연결되고, 트랜지스터(21)의 게이트 단자에 게이트 조절 전압 입력 단자(VG1)(22)와 연결된 저항(R1)(23)이 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같은 종래 RF 스위치는 단순히 트랜지스터의 바이어스를 이용하여 트랜지스터를 개방 또는 단락시킴으로써, 트랜지스터가 연결된 RF 전송 경로를 연결 또는 절체시킨다.

도 2에 도시된 바와 같은 종래 RF 스위치는 트랜지스터의 고유한 특성에 따라서 격리도 특성이 결정되며, 주파수의 증가 따라 격리도 특성이 급격히 감소되는 것으로 알려져 있다. 또한 종래 RF 스위치는 3GHz에서 20dB 정도의 격리도가 가능하지만, RF 스위치의 절체 상태에서의 격리도 특성으로는 충분하지 않은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전계 효과 트랜지스터(FET)와 유사한 종류의 트랜지스터 반도체를 이용하여 고주파 신호의 경로를 연결 또는 절체하는 RF 스위치에 있어서, 트랜지스터 사이에 적어도 하나 이상의 공진기를 추가하여 RF 스위치에서 요구되는 높은 격리도 특성을 만족할 수 있는 RF 스위치를 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

삭제

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 RF 스위치는, 고주파(RF) 전송 선로에 연결된 복수 개의 공진기; 및 상기 공진기들 사이에 직렬 연결된 적어도 하나 이상의 스위치 소자를 포함하고, 상기 스위치 소자가 개방될 때, 상기 공진기가 상기 스위치 소자와 상호 작용하여 공진하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 본 발명은 RF 전송 경로에 적어도 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 트랜지스터가 직렬로 연결되어 RF 경로를 연결 또는 절체하는 RF 스위치에 있어서, 직렬 연결된 트랜지스터의 양 단에 공진기를 삽입하여 높은 격리 도 특성을 갖도록 한 것에 그 특징이 있다.

본 발명에서 공진기는 초고주파 전송 선로를 이용하여 구현되거나 전송 선로 공진기와 등가인 인덕터-커패시터 조합의 공진기일 수 있다. 바람직하게는 저주파 대역에서 공진기는 인덕터-커패시터 조합의 공진기로 구현되어, 스위치의 크기를 줄일 수 있으며, 전송 선로 공진기의 길이가 짧은 고주파 대역에서는 전송 선로 공진기를 이용하여 높은 격리도 특성의 스위치를 구현할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 적어도 하나 이상의 트랜지스터와 적어도 하나 이상의 공진기를 이용해 RF 스위치를 구현함으로써, 초고주파 대역에서 높은 격리도 특성을 만족시킬 수 있다. 더욱이 복수 개의 트랜지스터와 복수 개의 공진기를 이용한 RF 스위치는 트랜지스터와 같은 반도체 소자의 개수를 효율적으로 줄이면서 격리도 특성을 향상시킬 수 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 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 판단되는 경우에 그 상세한 설명 을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 병렬 접지된 1개의 트랜지스터의 입력측과 출력측에 공진기를 연결한 RF 스위치의 구조를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 RF 스위치는 RF 전송 경로 상에 병렬로 접지 연결된 트랜지스터(Q1)의 양단, 즉 입력측과 출력측에 공진기(31, 32)가 추가 연결된다.

이와 같은 본 발명에 따른 RF 스위치는 트랜지스터가 단락되었을 경우 공진기(31, 32)에 의해 입출력 단자간에 개방 회로가 형성되어 삽입 손실이 증가하게 되고, 공진기가 트랜지스터와 상호 작용하여 공진함으로써, 공진기의 공진 주파수 근처에서 높은 격리도 특성을 갖게 된다.

여기서 공진기(31, 32)는 사용 주파수 대역이나 RF 스위치의 크기에 따라 마이크로스트립 전송 선로를 이용해 구성되거나, 인덕터 및 커패시터의 조합으로 구성되거나, 마이크로스트립 전송 선로, 인덕터 및 커패시터를 함께 이용하여 구성될 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 종래 RF 스위치의 특성과 도 3에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치의 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5에서, 도면 부호 51은 종래의 병렬 접지 트랜지스터를 이용한 RF 스위치의 격리도 특성을 나타낸 것이고, 52는 1개의 병렬 접지 트랜지스터와 2개의 공진기의 조합으로 구성된 본 발명에 따른 RF 스위치의 격리도 특성을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치에서 전송 선로 공진기의 특성 임피던스를 150옴(Ω)으로 할 경우 도 5의 52와 같은 그래프 특성을 얻을 수 있다. 이것은 전송 선로의 특성 임피던스를 50옴으로 할 경우 격리도 특성이 전송 선로 공진기가 없는 1개의 병렬 접지 트랜지스터를 이용한 RF 스위치의 특성과 동일해 지며, 따라서 150옴의 높은 특성 임피던스의 전송 선로 공진기를 이용하여 RF 스위치의 격리도 특성이 3GHz에서 종래의 RF 스위치에 비해 17dB 정도 향상될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 RF 스위치의 구조를 설명하기 위한 도면으로, 종래의 직렬 연결된 트랜지스터를 이용한 RF 스위치에서 트랜지스터의 입출력 측에 공진기(41, 42)를 연결한 구조를 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 RF 스위치(Q1)는트랜지스터가 개방되었을 경우 공진기(41, 42)에의해 입출력 단자간에 개방 회로가 형성되어 삽입 손실이 증가하게 된다. 즉, 직렬 연결된 1개의 트랜지스터(Q1)의 입력측과 출력측에 각각 공진기(41, 42)를 연결한 RF 스위치는 공진기의 공진 주파수 근처에서 높은 격리도 특성을 구현할 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 종래 RF 스위치의 특성과 도 4에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치의 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6에서, 도면 부호 61은 종래의 직렬 연결된 트랜지스터를 이용한 RF 스위치의 격리도 특성을 나타낸 것이고, 62는 1개의 직렬 연결된 트랜지스터와 2개의 공진기의 조합으로 구성된 본 발명에 따른 RF 스위치의 격리도 특성을 나타낸 것이다.

여기서, 도 4에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치에서 전송 선로 공진기의 특성 임피던스를 20옴으로 할 경우 도 6의 62와 같은 그래프 특성을 얻을 수 있다. 이것은 전송 선로의 특성 임피던스를 50옴으로 할 경우 격리도 특성이 전송 선로 공진기가 없는 1개의 직렬 연결된 트랜지스터를 이용한 RF 스위치의 격리도 특성과 동일해 지며, 따라서 20옴의 낮은 특성 임피던스의 전송 선로 공진기를 이용하여 스위치의 격리도 특성이 3GHz에서 종래 RF 스위치에 비해 17dB 정도 향상될 수 있다.

도 7은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치의 기본 구조를 확장한 형태의 RF 구조를 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 RF 스위치는 2개의 병렬 접지 트랜지스터(Q1, Q2)와 3개의 전송 선로 공진기(71, 72, 73)를 이용하여 구성될 수 있다. 다시 말해, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 RF 스위치는 전송 경로 상에 연결된 제1 내지 제3 공진기(71,72,73)와, 상기 제1 공진기(71)와 제2 공진기(72) 사이에 병렬 접지 연결된 트랜지스터(Q1)와, 상기 제2 공진기(72)와 상기 제3 공진기(73) 사이에 병렬 접지 연결된 트랜지스터(Q2)를 포함한다.

이와 같은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치는 도 3에 도시된 스위치 구조를 확장하여 격리도 특성을 더욱 향상시킨 것이다. 도 7에 도시된 RF 스위치의 시뮬레이션 결과가 도 8에 도시되어 있다.

도 8에 도시된 바와 같이 도 7에 도시된 바와 같은 복수 병렬 접지 트랜지스터와 복수 공진기를 이용한 RF 스위치는 도 3에 도시된 바와 같은 단일 병렬 접지 트랜지스터와 공진기를 이용한 RF 스위치보다 29dB 정도 향상된 격리도 특성을 갖는다. 이것은 도 3에 도시된 RF 스위치를 2단으로 연결하는 것과 거의 유사한 특성 을 나타낸다.

도 9는 본 발명에 따른 2개의 직렬 연결된 트랜지스터와 3개의 공진기를 이용하여 구성된 RF 스위치의 구조를 나타낸 것이다. 도 9에 도시된 RF 스위치는 도 4에 도시된 스위치 구조를 확장하여 격리도 특성을 더욱 향상시키기 위한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 RF 스위치는 RF 전송 경로 상에 연결된 제1 내지 제3 공진기(91, 92, 93)와, 상기 제1 공진기(91)와 제2 공진기(92) 사이에 직렬 연결된 제1 트랜지스터(Q1)와, 상기 제2 공진기(92)와 상기 제3 공진기(93) 사이에 직렬 연결된 제2 트랜지스터(Q2)를 포함한다. 즉, RF 전송 경로 상에 연결된 제1 내지 제3 공진기(91, 92, 93)와, 상기 제1 공진기(91)와제2 공진기(92) 사이에 직렬 연결된 제1 트랜지스터(Q1)와, 상기 제2 공진기(92)와상기 제3 공진기(93) 사이에 직렬 연결된 제2 트랜지스터(Q2)가 개방되었을 경우 각공진기들(91, 92, 93)에 의해 입출력 단자간에 개방 회로가 형성되어 삽입 손실이 증가하게 되어 공진 주파수 부근에서 높은 격리도를 보이게 된다.

도 9에 도시된 본 발명에 따른 RF 스위치의 시뮬레이션 결과가 도 10에 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 복수 직렬 트랜지스터와 복수 공진기를 이용한 RF 스위치가 도 4에 도시된 단일 직렬 트랜지스터와 공진기를 이용한 RF 스위치보다 35dB 정도 향상된 격리도 특성을 갖는다. 이것은 단일 트랜지스터와 공진기를 이용한 RF 스위치를 2단으로 연결하는 것과 거의 유사한 특성을 갖는다.

시뮬레이션을 위해 사용된 FET 트랜지스터의 특성은 다음과 같다.

- 0.15um 게이트(Gate) 길이

- 4개의 핑거(Finger) 개수

- 200 um 게이트(Gate) 폭

- NGST사의 GaAs PHEMT

이상에서 설명한 본 발명은 스위치 소자로서 FET 트랜지스터를 이용한 RF 스위치에 대하여 설명하였으나, FET 트랜지스터가 아닌 스위치 소자로 사용할 수 있 는 다른 반도체 소자인 다이오드 등을 사용한 RF 스위치의 경우도 전송선로 공진기 또는 그와 등가인 인덕터-커패시터 조합의 공진기를 사용하여 격리도 특성을 향상 시킬 수 있음은 관련 분야의 통상의 지식을 가진 자이라면 인식할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.

도 1 및 도 2는 종래의 RF 스위치의 구조를 나타낸 도면,

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 RF 스위치의 구조를 나타낸 도면,

도 5 및 도 6은 RF 스위치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 복수 개의 병렬 접지 트랜지스터와 복수 개의 공진기를 이용한 RF 스위치의 구조를 나타낸 도면,

도 8은 도 7의 RF 스위치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명에 따른 복수 개의 직렬 트랜지스터와 복수 개의 공진기를 이용한 RF 스위치의 구조를 나타낸 도면,

도 10은 도 9의 RF 스위치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 고주파(RF) 전송 선로에 연결되고, 특성 임피던스가 50 오옴 이하이며, 격리를 원하는 주파수의 1/4 파장의 길이를 갖는 복수 개의 공진기; 및

   상기 공진기와 공진기 사이마다 직렬 연결된 FET를 포함하고,

   상기 FET가 개방될 때, 상기 공진기가 상기 FET와 상호 작용하여 격리도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 공진기는,

   마이크로스트립 전송 선로를 이용해 구성되는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 공진기는,

   인덕터 및 커패시터를 이용해 구성되는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 공진기는,

   마이크로스트립 전송 선로와, 인덕터 및 커패시터의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.
6. 삭제
7. 삭제

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