KR101533235B1 - 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치 및 검출 시스템 - Google Patents

차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치 및 검출 시스템 Download PDF

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최경용
김선아
박대웅
한석균
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치는, 테라헤르츠 신호를 수신하여 제1 신호 및 상기 제1 신호와 반대 위상을 가지는 제2 신호로 구성되는 차동 신호를 출력하는 차동 안테나와, 상기 차동 안테나의 양 단에 각각 연결되는 복수의 트랜지스터에서 각 소스단 및 게이트단으로 상기 차동 신호를 입력받아 직류 성분의 전압 신호 또는 전류 신호를 출력신호로 출력하는 신호 검출부를 포함한다.
이에 따라, 차동 안테나 및 크로스 커플드 캐패시터를 포함하는 검출 회로를 통해 저출력의 테라헤르츠의 검출 반응도를 향상시킬 수 있다.

Description

차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치 및 검출 시스템{TERAHERTZ DETECTING APPARATUS USING DIFFERENTIAL ANTENNA AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치 및 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테라헤르츠 검출 장치의 반응도를 높이는 기술이 개시된다.
테라헤르츠파(Terahertz wave)는 밀리미터파(30~300Ghz)대역의 전자기파와 광파사이의 주파수 대역으로 테라헤르츠 대역이라고 하며, 이는 전자기파의 투과성과 광파의 직진성을 가지는 특성을 이용하여 X-ray 또는 비파괴 검사 분야와 같은 이미지 분야에서 응용될 수 있다. 또한, 테라헤르츠파는 분광특성을 통한 화학적 성분 분석과 더불어 근거리 초고속 통신 분야에서도 현재 연구가 진행되고 있다.
그러나 테라헤르츠 검출기 구현에 필요한 CMOS기반의 핵심 PWT(plasma wave transistor) 소자에 대한 연구개발은 초기 단계에 있다. 현재는 안테나의 성능개선 및 검출기의 회로구성 방법을 이용하여 테라헤르츠 신호를 검출하는 연구가 진행되고 있으며, 특히 영상 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래의 테라헤르츠 검출 장치의 회로도이다. 도 1에서 (a)는 gate-driven 방식의 검출 장치이고, (b)는 source-driven 방식의 검출 장치를 나타낸다. 종래의 테라헤르츠 검출 장치는 안테나를 통해 테라헤르츠 신호를 수신하면 트랜지스터를 이용하여 정류작용을 통해 DC 성분의 출력신호를 출력하게 된다. 그러나, 종래의 검출기들은 테라헤르츠 신호의 반응도가 낮아 신호를 검출하는데 어려움이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 등록특허 US 8,330,111(2012. 12. 11 등록), "MONOLITHICALLY INTEGRATED ANTENNA AND RECEIVER CIRCUIT FOR THE DETECTION OF THE TERAHERTZ WAVES"에 개시되어 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 차동 안테나를 이용하여 테라헤르츠 신호를 수신하고, 차동 안테나로부터 출력된 차동 신호를 정합하는 크로스 커플드 캐패시터를 포함하는 검출회로를 이용하여 저출력의 테라헤르츠 신호의 검출 반응도를 향상시킬 수 있는 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치 및 시스템를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치는, 테라헤르츠 신호를 수신하여 제1 신호 및 상기 제1 신호와 반대 위상을 가지는 제2 신호로 구성되는 차동 신호를 출력하는 차동 안테나와, 상기 차동 안테나의 양 단에 각각 연결되는 복수의 트랜지스터에서 각 드레인단 및 게이트단으로 상기 차동 신호를 입력받아 직류 성분의 전압 또는 전류 신호를 출력신호로 출력하는 신호 검출부를 포함한다.
또한, 상기 신호 검출부는, 드레인단에 상기 차동 안테나의 일 단이 연결되어 상기 제1 신호가 입력되고, 게이트단에 상기 제2 신호가 입력되는 제1 트랜지스터와, 드레인단에 상기 차동 안테나의 타 단이 연결되어 상기 제2 신호가 입력되고, 게이트단에 상기 제1 신호가 입력되는 제2 트랜지스터와, 일 단이 상기 차동 안테나의 일 단 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 상기 제2 트랜지스터의 게이트단과 연결되는 제1 캐패시터와, 일 단이 상기 차동 안테나의 타 단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 상기 제1 트랜지스터의 게이트단과 연결되는 제2 캐패시터를 포함한다.
또한, 상기 제1 트랜지스터의 드레인단과 상기 제2 트랜지스터의 드레인단이 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인단으로부터 출력되는 제3 신호 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단으로부터 출력되는 제4 신호가 결합되어 상기 출력신호를 형성할 수 있다.
또한, 상기 신호 검출부가 직류 성분의 전압 신호를 출력신호로 출력하는 경우,
일 단이 상기 제1 트랜지스터의 드레인단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 기준전원과 연결되어 상기 출력신호의 전압을 증폭하는 증폭부를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 단이 상기 제1 트랜지스터의 게이트단과 연결되고, 타 단에 문턱전압이 인가되는 제1 저항과, 일 단이 상기 제2 트랜지스터의 게이트단과 연결되고, 타 단에 상기 문턱전압이 인가되는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 검출부가 직류 성분의 전류 신호를 출력신호로 출력하는 경우, 상기 제1 트랜지스터의 드레인단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되어, 상기 출력신호의 전류를 검출하는 전류 검출부를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 차동 안테나 및 크로스 커플드 캐패시터를 포함하는 검출 회로를 통해 저출력의 테라헤르츠의 검출 반응도를 향상시킬 수 있다.
또한, 차동 구조를 가지는 검출 회로를 구현함으로써 안테나 설계시 가상 AC 접지를 형성하기 위해 VIA를 사용하지 않아 안테나의 이득 감소 및 인덕턴스에 의한 대역폭 감소를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 테라헤르츠 검출 장치의 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 검출 방식의 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치의 회로도,
도 3은 도 2에 따른 전압 검출 방식의 테라헤르츠 검출장치에서 차동 안테나를 개구형 방식으로 구현한 회로도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출 방식의 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치의 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 검출 방식의 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치(100)는 차동 안테나(110) 및 신호 검출부(120)를 포함한다.
차동 안테나(110)는 테라헤르츠 신호를 수신하여 차동 신호(V1, V2)를 출력한다. 이 경우, 차동 신호(V1, V2)는 제1 신호(V1) 및 제1 신호(V1)와 위상이 반대인 제2 신호(V2)로 구성된다. 예를 들어, 차동 안테나(110)는 on-chip 안테나로 복수의 레이어를 이용하여 테라헤르츠 신호를 수신하고, 이를 차동 신호(V1, V2)로 변환하여 출력할 수 있다. 이 경우, 차동 안테나(110)는 비아(VIA)를 사용하는 방식으로 구현할 수 있다.
신호 검출부(120)는 차동 안테나(110)의 양 단에 각각 연결되는 복수의 트랜지스터에서 각 드레인단(D1, D2) 및 게이트단(G1, G2)으로 차동 신호(V1, V2)를 입력받아 출력신호(V0)를 출력한다. 이 경우, 출력신호(V0)는 직류 성분의 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다. 신호 검출부(120)는 차동 구조를 가지며, 복수의 트랜지스터에서 각 드레인단(D1, D2) 및 게이트단(G1, G2)에 차동 신호(V1, V2)가 동시에 입력된다. 보다 구체적으로, 신호 검출부(120)는 제1 트랜지스터(121), 제2 트랜지스터(122), 제1 캐패시터(123), 제2 캐패시터(124)를 포함한다.
제1 트랜지스터(121)는 NMOS 또는 PMOS 형태의 FET(field effect transistor)일 수 있으며, 도 2에서는 NMOSFET을 기초로 설명을 하도록 한다. 제1 트랜지스터(121)는 드레인단(D1)이 차동 안테나(110)의 일 단과 연결되어 제1 신호(V1)를 입력받는다. 또한, 제1 트랜지스터(121)는 게이트단(G1)이 후술하는 제2 캐패시터(124)의 일 단과 연결되며, 제2 신호(V2)를 입력받는다. 즉, 차동 안테나(110)의 차동 신호(V1, V2)를 각각 드레인단(D1)과 게이트단(G1)으로 입력받게 된다. 또한, 제1 트랜지스터(121)는 드레인단(D1)이 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)과 연결되어 출력신호(VO)를 출력한다. 또한, 제1 트랜지스터(121)의 게이트단(G1)에는 제1 저항(125)이 연결되고, 테라헤르츠 신호에 대한 반응도를 상대적으로 크게 하기 위해 문턱전압(Vg) 레벨의 바이어스가 인가된다.
제2 트랜지스터(122)는 제1 트랜지스터(121)와 같은 극성을 가지는 NMOS 또는 PMOS 형태의 FET(field effect transistor)일 수 있으며, 도 2에서는 NMOSFET을 기초로 설명을 하도록 한다. 제2 트랜지스터(122)는 드레인단(D2)이 차동 안테나(110)의 타 단과 연결되어 제2 신호(V2)를 입력받는다. 또한, 제2 트랜지스터(122)는 게이트단(G2)이 후술하는 제1 캐패시터(123)의 타 단과 연결되며, 제1 신호(V1)를 입력받는다. 즉, 차동 안테나(110)의 차동 신호(V1, V2)를 각각 드레인단(D2)과 게이트단(G2)으로 입력받게 된다. 또한, 제2 트랜지스터(122)는 드레인단(D2)이 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1)과 연결되어 출력신호(VO)를 출력한다. 또한, 제2 트랜지스터(122)의 게이트단(G2)에는 제2 저항(126)이 연결되고, 테라헤르츠 신호에 대한 반응도를 상대적으로 크게 하기 위해 문턱전압(Vg) 레벨의 바이어스가 인가된다.
제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1)과 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)이 연결되고, 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1)으로부터 출력되는 제3 신호 및 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)으로부터 출력되는 제4 신호가 결합되어 출력신호(VO)를 형성하게 된다. 즉, 차동 안테나(110)를 통해 수신된 테라헤르츠 신호의 파워로 인해 제1 트랜지스터(121) 및 제2 트랜지스터(122)에서 자가 혼합(Self-Mixing)에 의한 DC 성분의 출력신호가 생성된다. 이 경우, 테라헤르츠 신호 성분과 오드 오더 (Odd order) 하모닉 성분들은 서로 상쇄된다. 또한, 이븐 오더(Even order) 하모닉 성분의 신호는 상쇄되지 않으나 주파수가 높아 전송선로의 자체 저항성분에 의해 소멸되어 DC 성분만 추출할 수 있다.
제1 캐패시터(123)는 일 단이 차동 안테나(110)의 일 단 및 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1) 과 연결되고, 타 단이 제2 트랜지스터(122)의 게이트단(G2)과 연결된다. 제1 캐패시터(123)는 제1 신호(V1)를 제2 트랜지스터(122)의 게이트단(G2)으로 전송하는 역할을 한다. 제1 캐패시터(123)의 용량은 사용자의 설정에 의해 달라질 수 있다.
제2 캐패시터(124)는 일 단이 차동 안테나(110)의 타 단 및 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)과 연결되고, 타 단이 제1 트랜지스터(121)의 게이트단(G1)과 연결된다. 제2 캐패시터(124)는 제2 신호(V2)를 제1 트랜지스터(121)의 게이트단(G1)으로 전송하는 역할을 한다. 제2 캐패시터(124)의 용량은 사용자 설정에 의해 달라질 수 있다. 이와 같이, 제1 캐패시터(123) 및 제2 캐패시터(124)는 크로스 커플드 캐패시터(cross coupled capacitor)로 동작하게 된다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차동 안테나(110)를 이용한 테라헤르츠 검출 장치(100)는 증폭부(130)를 더 포함할 수 있다.
증폭부(130)는 일 단이 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1) 및 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)과 연결되고, 타 단이 기준전원(VR)과 연결되어 출력신호(VO)의 전압을 증폭하게 된다. 이 경우, 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1) 및 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)으로부터 출력되는 DC 성분의 출력신호가 차동안테나(110)의 가상 교류 접지(Virtual AC Ground)를 통해 출력된다.
도 3은 도 2에 따른 전압 검출 방식의 테라헤르츠 검출장치에서 차동 안테나를 개구형 방식으로 구현한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 개구형 방식의 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치(100)는 차동 안테나(110) 및 신호 검출부(120)를 포함한다. 이 경우, 차동 안테나(110)의 일 단은 제1 트랜지스터(121)의 게이트단(G1) 및 제2 캐패시터(124)와 연결되고, 타 단은 제2 트랜지스터(122)의 게이트단(G2) 및 제1 캐패시터(123)와 연결된다. 이 경우, 차동 안테나(110)는 개구형 방식의 안테나로, 차동 입력을 생성하기 위해 복수의 피드를 포함하며, 비아(via)를 사용하지 않아 부정합을 줄임으로써 수신 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 차동 안테나(110)의 일 단에는 제1 신호(V1)가 출력되고, 타 단에는 제2 신호(V2)가 출력될 수 있다.
차동 안테나(110)의 제1 신호(V1)은 제1 트랜지스터(121)의 게이트단(G1) 및 제2 트랜지스터(122)의 드레인단(D2)으로 입력되며, 제2 신호(V2)는 제2 트랜지스터(122)의 게이트단(G2) 및 제1 트랜지스터(121)의 드레인단(D1)으로 입력된다. 이에 따라, 트랜지스터(121, 122)의 드레인단(D1, D2) 및 게이트단(G1, G2) 간에 정합이 이뤄진다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출 방식의 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치(200)는 차동 안테나(210), 신호 검출부(220) 및 전류 검출부(230)를 포함한다. 보다 구체적으로, 신호 검출부(220)는 제1 트랜지스터(221), 제2 트랜지스터(222), 제1 캐패시터(223), 제2 캐패시터(224)를 포함한다. 이 경우, 차동 안테나(210), 신호 검출부(220)의 제1 트랜지스터(221), 제2 트랜지스터(222), 제1 캐패시터(223), 제2 캐패시터(224)는 도 2의 차동 안테나(110) 및 신호 검출부(120)의 제1 트랜지스터(121), 제2 트랜지스터(122), 제1 캐패시터(123), 제2 캐패시터(124)와 실질적으로 동일한 구성이므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
전류 검출부(230)는 제1 트랜지스터(221)의 드레인단(D1) 및 제2 트랜지스터(222)의 드레인단(D2)과 연결되어, 출력신호(IO)의 전류를 검출한다. 이 경우, 전류 검출부(230)는 낮은 임피던스를 가지며, 출력단에서 흐르는 전류를 검출하여 테라헤르츠 신호의 전류 레벨을 검출할 수 있다.
보다 구체적으로, 차동 안테나(210)의 일 단에 연결된 제1 트랜지스터(221)의 드레인단(D1)에는 전류 신호인 제3 신호(I1)가 출력되고, 차동 안테나(210)의 타 단에 연결된 제2 트랜지스터(222)의 드레인단(D2)에는 전류 신호인 제4 신호(I2)가 출력된다. 즉, 차동 안테나(210)를 통해 수신된 테라헤르츠 신호의 파워로 인해 제1 트랜지스터(221) 및 제2 트랜지스터(222)에서 자가 혼합(Self-Mixing)에 의한 DC 오드 오더 (Odd order) 하모닉 성분의 출력신호가 생성된다. 이 경우, 테라헤르츠 신호 성분과 하모닉 성분들은 서로 상쇄된다. 또한, 이븐 오더(Even order) 하모닉 성분의 신호는 상쇄되지 않으나 주파수가 높아 전송선로의 자체 저항성분에 의해 소멸되어 DC 성분만 추출할 수 있다. 또한, 제3 신호(I1) 및 제4 신호(I2)는 서로 결합되어 DC 성분의 출력이 두 배로 되어 전류 레벨의 확인이 용이하다.
한편, 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치(200)는 도 3과 같이 개구형 방식의 차동 안테나를 이용하여 구현하는 것도 당업자에게는 자명하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치는 차동 안테나 및 크로스 커플드 캐패시터를 포함하는 검출 회로를 통해 저출력의 테라헤르츠의 검출 반응도를 향상시킬 수 있다.
또한, 차동 구조를 가지는 검출 회로를 구현함으로써 안테나 설계시 가상 AC 접지를 형성하기 위해 VIA를 사용하지 않아 안테나의 이득 감소 및 인덕턴스에 의한 대역폭 감소를 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
10 : 테라헤르츠 검출 장치 11 : 안테나
12: 트랜지스터
100 : 테라헤르츠 검출 장치 110 : 차동 안테나
120 : 신호 검출부 121 : 제1 트랜지스터
122 : 제2 트랜지스터 123 : 제1 캐패시터
124 : 제2 캐패시터 125 : 제1 저항
126 : 제2 저항 130 : 증폭부
200 : 테라헤르츠 검출 장치 210 : 차동 안테나
220 : 신호 검출부 221 : 제1 트랜지스터
222 : 제2 트랜지스터 223 : 제1 캐패시터
224 : 제2 캐패시터 225 : 제1 저항
226 : 제2 저항 230 : 전류 검출부
231 : 제3 저항

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 테라헤르츠 신호를 수신하여 제1 신호 및 상기 제1 신호와 반대 위상을 가지는 제2 신호로 구성되는 차동 신호를 출력하는 차동 안테나; 및
    상기 차동 안테나의 양 단에 각각 연결되는 복수의 트랜지스터에서 각 소스단 및 게이트단으로 상기 차동 신호를 입력받아 직류 성분의 전압 신호 또는 전류 신호를 출력신호로 출력하는 신호 검출부를 포함하되,
    상기 신호 검출부는,
    드레인단에 상기 차동 안테나의 일 단이 연결되어 상기 제1 신호가 입력되고, 게이트단에 상기 제2 신호가 입력되는 제1 트랜지스터;
    드레인단에 상기 차동 안테나의 타 단이 연결되어 상기 제2 신호가 입력되고, 게이트단에 상기 제1 신호가 입력되는 제2 트랜지스터;
    일 단이 상기 차동 안테나의 일 단 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 상기 제2 트랜지스터의 게이트단과 연결되는 제1 캐패시터; 및
    일 단이 상기 차동 안테나의 타 단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 상기 제1 트랜지스터의 게이트단과 연결되는 제2 캐패시터를 포함하는 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 드레인단과 상기 제2 트랜지스터의 드레인단이 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인단으로부터 출력되는 제3 신호 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단으로부터 출력되는 제4 신호가 결합되어 상기 출력신호를 형성하는 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    일 단이 상기 제1 트랜지스터의 드레인단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되고, 타 단이 기준전원과 연결되어 상기 출력신호의 전압을 증폭하는 증폭부를 더 포함하는 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 드레인단 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인단과 연결되어, 상기 출력신호의 전류를 검출하는 전류 검출부를 더 포함하는 차동 안테나를 이용한 테라헤르츠 검출 장치.
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