KR101658286B1 - 무선 주파수 커플러용 시스템 및 방법 - Google Patents

무선 주파수 커플러용 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따르면, 방향성 커플러는 커플러 회로와, 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이 및/또는 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함한다. 여러 실시예에서, 방향성 커플러는 기판 위에 및/또는 기판 내에 배치된다.

Description

무선 주파수 커플러용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A RADIO FREQUENCY COUPLER}
본 개시는 일반적으로 전자 장치에 관한 것으로, 특히 무선 주파수(RF) 커플러용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
특정 방향으로 전송되는 전력을 탐지할 수 있는 전자 장치인 방향성 커플러는 각종 무선 주파수(RF) 회로에서 사용된다. 예를 들면, 방향성 커플러는 입사 파를 반사된 파로부터 분리함으로써 반사된 파를 탐지하는 레이더 시스템에서 사용될 수 있거나, 또는 전송 선로의 임피던스 미스매치를 측정하는 회로에서 사용될 수 있다. 기능상, 방향성 커플러는 포워드 전송 경로(forward transmission path) 및 결합 전송 경로(coupled transmission path)를 갖는다. 포워드 전송 경로는 일반적으로 낮은 손실을 가지며, 반면에 결합 전송 경로는 특정 방향으로 전파되는 전송 전력의 부분을 결합한다. 전자기 커플러 및 자기 커플러를 포함하는 많은 상이한 형태의 커플러 아키텍처가 있다. 이들 커플러 형태는 각기 동작 주파수 및 동작 환경에 의존하여 상이한 토폴로지 및 물질을 이용하여 구현될 수 있다.
일반적으로 방향성 커플러의 지향성(directivity)은 결합 포트 및 격리 포트에서 종단(termination)에 민감하다. 예를 들면, 만일 종단의 임피던스가 주파수에 따라 변동하면, 방향성 커플러의 지향성 또한 주파수에 따라 변동할 수 있다. 주파수에 따른 임피던스의 변동은 종단 포트에서 존재하는 기생 캐패시턴스/인덕턴스에 기인할 수 있다. 종단의 임피던스는 또한 무작위적인 변동 또는 온도 변동으로 인하여 예상한 값에서 벗어날 수 있다. 이러한 과제가 전통적으로 해결되는 한가지 방법은 직렬로 연결된 두 개의 방향성 커플러를 가진 이중 방향성 커플러를 이용하는 것이다.
실시예에 따르면, 방향성 커플러는 커플러 회로, 및 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이에서 및/또는 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에서 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함한다. 여러 실시예에서, 방향성 커플러는 기판 위에 및/또는 기판 내에 배치된다.
본 발명 및 본 발명의 장점을 더욱 완벽하게 이해하기 위하여, 첨부 도면과 함께 설명된 다음의 설명이 참조된다.
도 1a 내지 도 1d는 실시예의 방향성 커플러 회로를 도시한다.
도 2는 스위치 가능 증폭기를 가진 실시예의 방향성 커플러를 도시한다.
도 3은 RF 전력 검출기를 가진 실시예의 방향성 커플러를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 실시예의 증폭기를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예의 감쇄기를 도시한다.
도 6은 변압기 및 위상 시프터를 이용하는 커플러 회로를 도시한다.
도 7은 실시예의 방향성 커플러 패키지의 실시예의 핀-아웃을 도시한다.
도 8a 내지 도 8b는 실시예의 집적 회로를 도시한다.
도 9는 실시예의 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 10은 기판 상에 및/또는 기판 내에 배치된 여러 컴포넌트로서 구현된 실시예의 방향성 커플러를 도시한다.
여러 도면에서 대응하는 번호 및 심볼은 일반적으로 달리 지적하지 않는 한 대응하는 부품을 지칭한다. 도면은 바람직한 실시예의 관련 양태를 명확하게 예시하도록 그려지며 반드시 축척대로 그려진 것은 아니다. 특정 실시예를 더욱 명확화게 도시하기 위하여, 동일한 구조, 물질, 또는 프로세스 단계의 변화를 나타내는 문자는 도면 번호 다음에 나올 수 있다.
현재 바람직한 실시예를 만들고 이용하는 설명은 아래에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 각종 특정한 문맥으로 구체화될 수 있는 많은 적용 가능한 발명적 개념을 제공한다는 것을 인식하여야 한다. 논의되는 특정 실시예는 그저 본 발명을 만들고 사용하는 특정한 방식의 예이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명은 RF 회로에서 입사 또는 반사된 전력을 측정하는데 사용될 수 있는 방향성 커플러용 시스템 및 방법을 특정한 문맥의 바람직한 실시예에 대하여 기술될 것이다. 본 발명은 또한 이것으로 제한되지 않지만, 임피던스 미스매치를 측정 및/또는 조정하는 장치, 시간 도메인 반사측정기(time domain reflectometers (TDR)), 조정가능 안테나 매칭 회로와 함께 사용하기 위한 감지 장치, 및 조정가능 필터를 비롯한 RF 측정을 수행하는 다른 회로를 포함하는 다른 시스템 및 애플리케이션에도 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 방향성 커플러 및 그 방향성 커플러의 결합 포트 및 격리 포트의 종단 임피던스는 반도체 기판과 같은 동일 기판 상에서, 결합 포트 및/또는 격리 포트를 버퍼하는 하나 이상의 증폭기와 함께 배치된다. 몇몇 실시예에서, 기판 위에 종단 및 증폭기를 사용하게 되면 커플러의 기판에서 멀리 있는 부하 및 기생에 대한 지향성의 감도가 낮아진다. 감쇄를 제공하고 및/또는 방향성 커플러의 결합 성능을 조정하기 위하여 증폭기들이 조정가능한 이득을 가질 수 있고 및/또는 조정가능한 네트워크가 결합 포트 및/또는 격리 포트의 출력과 하나 이상의 증폭기들 사이에 결합될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 커플러(1)를 도시한다. 방향성 커플러(1)는 커플러 회로(2), 및 RF 증폭기(16 및 17)를 포함한다. 커플러 회로(2)는 커플러 회로 입력 포트(10), 커플러 회로 전송 포트(11), 커플러 회로 격리 포트(12) 및 커플러 회로 결합 포트(13)를 갖는 방향성 커플러이다. 몇몇 실시예에서, 커플러 회로(2) 및 증폭기(16 및 17)는 반도체 기판과 같은 공통 기판 상에 존재하며, 동일한 집적 회로 상에서 구현될 수 있다. 커플러 회로(2)는 전자기 커플러, 자기(magnetic) 변압기로 구성된 자기 커플러와 같은 통상적인 방향성 커플러 아키텍처, 또는 다른 커플러 아키텍처를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 커플러 회로(2)는 2013년 6월 28일 출원된, "System and Method for a Transformer and a Phase-Shift Network"라는 명칭의, 미국 특허 출원 제 13/931,092 호에서 기술된 변압기 및 위상 시프트 네트워크를 이용하여 구현될 수 있으며, 이 출원은 본 출원에서 그 전체가 참조 문헌으로 인용된다.
실시예에서, 증폭기(16)는 커플러 회로 격리 포트(12)와 방향성 커플러 격리 포트(14) 사이에 결합되며, 증폭기(17)는 커플러 회로 결합 포트(13)와 방향성 커플러 결합 포트(15) 사이에 결합되어, 커플러 회로 입력 포트(10), 커플러 회로 전송 포트(11), 방향성 커플러 격리 포트(14) 및 방향성 커플러 결합 포트(15)가 본드 패드 및 범프 본드 접속부 등과 같은 외부 접속부에 결합되게 한다. 이와 같이, 증폭기(16 및 17)는 방향성 커플러(1)에 결합된 외부 회로를 나타내는 절연 형태 외부 임피던스(Zsens)를 제공한다. 이러한 외부 회로는 예를 들어, RF 경로에서 입사 및 반사된 파를 감지하는데 사용될 수 있다. 만일 전력 검출기 또는 다른 회로와 같은 외부 회로가 방향성 커플러(1)로부터 분리된 PCB 기판 상에 배치되어 있으면, 임피던스(Zsens)는 주파수 전체에서 크게 변동할 수 있다. 이러한 임피던스의 변동은 PCB의 기판 캐패시턴스 또는 다른 기생 캐패시턴스로 인한 것일 수 있다. 버퍼를 커플러 회로 격리 포트(12)와 방향성 커플러 격리 포트(14) 사이, 그리고 커플러 회로 결합 포트(13)과 방향성 커플러 결합 포트(15) 사이에 배치함으로써, 커플러 회로(2)의 커플러 회로 격리 포트(12) 및 커플러 회로 결합 포트(13)는 절연될 수 있고, 그럼으로써 임피던스(Zsens)의 변화에 대한 커플러 회로(2)의 지향성의 감도를 줄일 수 있다. 동작 중에, 방향성 커플러(1)는 방향성 커플러 입력 포트(3)를 통해 소스 임피던스(ZS)에 그리고 방향성 커플러 전송 포트(5)를 통해 부하 임피던스(ZL)에 결합될 수 있다.
실시예에서, 증폭기(16 및 17)는 입력 임피던스(Zterm)를 가지며, 이 입력 임피던스는 커플러 회로(2)의 커플러 회로 격리 포트(12) 및 커플러 회로 결합 포트(13)와의 임피던스 매치를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 임력 임피던스는 예를 들어, 접지와 같은 기준 노드에 결합된 온-칩 저항을 이용함으로써 또는 본 기술에서 공지된 피드백 기술을 이용하는 입력 임피던스를 설정함으로써 설정될 수 있다. 몇 실시예에서, Zterm는 커플러 회로(2)의 지향성을 최적화하도록 선택될 수 있다.
실시예에서, 증폭기(16 및 17)는 모든 적절한 증폭기 기술을 이용하여 구현될 수 있으며 동일 기판 또는 다이 상에서 전체적으로 또는 부분적으로 커플러 회로(2)로서 집적될 수 있다. 증폭기(16 및 17)는 특정 실시예의 사양 및 요건에 따라 단위 이득, 일보다 적은 이득, 또는 일보다 큰 이득을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 방향성 커플러(1)의 지향성은 증폭기(16)의 서플라이 전류를 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 예를 들어, 증폭기(16)가 소스 팔로워 또는 에미터 팔로워 회로처럼 서플라이 전류에 역비례하는 출력 임피던스를 갖는 아키텍처를 이용하는 경우, 증폭기의 감소된 출력 임피던스는 커플러 회로 입력 포트(10) 또는 커플러 회로 전송 포트(11)로부터 방향성 커플러 격리 포트(14)로의 결합을 낮게 만든다. 이것은 특히 방향성 커플러(1)가 높은 신호 조건 하에서 아주 작은 반사를 측정하기 위해 사용되는 경우이다. 그렇게 높은 신호 조건하에서 지향성이 증가될 수 있는 다른 한가지 방법은 증폭기(16) 및/또는 증폭기(17)의 이득을 높임으로써 증가된다.
몇몇 실시예에서, 증폭기(16) 및/또는 증폭기(17)의 이득 및/또는 전류 소비는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방향성 커플러(4)를 도시하는 도 1b에 도시된 것처럼 조정될 수 있다. 여기서 증폭기(16 및 17)의 전류 소비 및/또는 이득은 독립적으로 조정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(16 및 17)는 전력 절감을 위하여 개별적으로 디스에이블될 수 있다. 높은 지향성을 성취하고 또한 RF 신호의 출력 노드와의 기생적 결합의 영향을 줄이기 위하여, 격리 포트에서 버퍼의 이득은 결합 포트에서 버퍼의 이득보다 더 높아질 수 있다. 고 출력 레벨의 버퍼에서 신호 압축을 줄이기 위하여, 결합 포트에서 버퍼의 이득은 예를 들면, 자동 이득 제어(AGC) 루프를 이용하여 조절될 수 있다. 이처럼, 결합된 신호의 선형성은 높은 신호 레벨에서 신호 압축을 최소화하도록 조절될 수 있다.
도 1c는 조정가능 네트워크(19)가 커플러 회로 격리 포트(12)와 증폭기(16)의 입력 사이에 결합되어 있고, 조정가능 네트워크(18)가 커플러 회로 결합 포트(13)와 증폭기(17)의 입력 사이에 결합되어 있는 실시예의 방향성 커플러(6)를 도시한다. 몇몇 실시예에서, 조정가능 네트워크(18 및 19)는 커플러 회로 격리 포트(12) 및 커플러 회로 결합 포트(13)에서 본 임피던스(Zterm)를 조절 및/또는 최적화하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 조정가능 네트워크(18 및 19)는 조정가능 수동 또는 능동 감쇄기를 이용하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템의 동적 범위를 확장시키기 위하여 조정가능 네트워크(18 및 19)의 감쇄는 물론이고 AGC 루프의 맥락에서 증폭기(16 및 17)의 이득이 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(16 및 17)는 고정된 이득 증폭기일 수 있다.
도 1d는 종단 임피던스(Zterm)가 커플러 회로 격리 포트(12)와 커플러 회로 결합 포트(13) 사이에 결합된 션트 임피던스를 이용하여 구현되는 실시예의 방향성 커플러(31)를 도시한다. 션트 임피던스를 사용하여 임피던스(Zterm)를 구현한다는 개념은 본 출원에서 기술된 다른 실시예에도 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방향성 커플러(7)를 도시한다. 방향성 커플러(7)는 스위치(20)를 통해 커플러 회로(2)의 커플러 회로 격리 포트(12)와 커플러 회로 결합 포트(13) 사이에서 선택적으로 결합된 입력을 갖는 증폭기(22)를 포함한다. 단일의 증폭기(22)를 이용함으로써, 방향성 커플러(7)의 설계는 더욱 소형화될 수 있다. 더욱이, 커플러 회로 격리 포트(12)와 커플러 회로 결합 포트(13) 사이에서 향상된 이득 매칭이 성취될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(22)의 이득은 조절될 수 있으며, 다른 실시예에서, 증폭기(22)의 이득은 고정될 수 있다. 감쇄기와 같은 조정가능 매칭 네트워크(도시되지 않음)도 또한 증폭기(22)의 입력에 결합될 수 있다.
도 3은 RF 전력 검출기(21)가 커플러 회로 격리 포트(12)에 결합되는 다른 실시예에 따른 방향성 커플러(8)를 도시한다. RF 전력 검출기(21)는 본 기술에서 공지된 RF 전력 검출 회로 및 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, RF 전력 검출기는 선형 또는 로그-선형 출력 검출 응답을 성취하는 캐스케이드 제한 증폭기(cascaded limiting amplifiers)를 이용하여 구현될 수 있다. RF 전력 검출기(21)의 출력은 외부 출력(29)에 결합된다. 몇몇 실시예에서, RF 전력 검출기의 출력은 DC 신호이고, 이 신호가 사용됨으로써 커플러 회로 입력 포트(10) 및 커플러 회로 전송 포트(11)로부터 발생하여 결합된 신호들이 방향성 커플러(8)의 뚜렷한 지향성을 저하시키지 못하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, RF 전력 검출기(21)는 또한 직렬 또는 병렬 디지털 버스를 통해 출력(29)에서 디지털 신호를 제공하는 아날로그-디지털 (A/D) 변환기를 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1a 내지 도 1c, 도 2 및 도 3에 도시된 증폭기(16 및 17)를 구현하는데 사용될 수 있는 여러 증폭기 회로를 도시한다. 도 4a는 NMOS 트랜지스터(M1), 입력 커플링 캐패시터(104), 출력 커플링 캐패시터(106) 및 바이어스 저항(R1)을 갖는 공통 소스 증폭기를 도시한다. 트랜지스터 기반 전류원, 저항, 인덕터, 또는 다른 바이어스 회로를 이용하여 구현될 수 있는 전류원(114)은 바이어스 전류를 NMOS 트랜지스터(M1)로 제공한다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(102)의 이득은 바이어스 저항(R1)을 통해 NMOS 트랜지스터(M1)의 게이트에 결합된 전압(VBIAS)을 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(102)의 전압 이득은 바이어스 전압(VBIAS)에 비례한다. VBIAS는 온-칩 바이어스 발생기를 이용하여 또는 외부 바이어스 신호를 NMOS 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가함으로써 발생될 수 있다.
도 4b는 NMOS 트랜지스터(M1)가 소스 팔로워 구성으로 구성된 증폭기(110)를 도시한다. 여기서, 트랜지스터(M1)의 소스는 임피던스(Zsens)를 실어주는 DC이다. 몇몇 실시예에서, 부가적인 바이어스 저항(도시되지 않음)이 고출력 임피던스의 사례에서 바이어스 전류를 제공하기 위해 사용될 수 있거나 또는 보충 바이어스 전류를 제공하기 위해 사용될 수 있다. NMOS 트랜지스터(M1)의 바이어스 전류 및 출력 임피던스는 VBIAS를 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바이어스 전류의 증가는 NMOS 트랜지스터(M1)의 소스의 임피던스를 낮추어 줌으로써 증가된 지향성을 제공할 수 있다.
도 4c는 NMOS 트랜지스터(M1)가 소스 팔로워 구성으로 구성되고 또한 커플링 캐패시턴스(112)를 통해 출력 부하 임피던스(Zsens)에 결합된 증폭기(120)를 도시한다. 여기서, NMOS 트랜지스터(M1)의 바이어스 전류는 NMOS 트랜지스터(M1)의 소스에 결합된 전류원(121)의 전류를 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 전류원(121)은 본 기술에서 공지된 전류원 구조를 이용하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전류원(121)은 저항을 이용하여 구현될 수 있는데, 이경우 NMOS 트랜지스터(M1)의 전류는 여러 VBIAS에 의해 조절될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 예제의 증폭기는 사용될 수 있는 많은 가능한 실시예의 증폭기 구현 중 세가지 예에 불과하다는 것을 이해하여야 한다. 대안의 실시예에서, 상이한 회로 토폴로지 및 본 기술에서 공지된 다른 회로가 사용될 수 있다. 다른 대안의 실시예에서, NMOS 트랜지스터(M1) 대신 여러 트랜지스터 형태가 사용될 수 있다. 예를 들면, PMOS, JFET, BJT 및 다른 트랜지스터 형태가 NMOS 트랜지스터(M1) 대신 또는 추가로 사용될 수 있다. BJT를 사용하는 실시예에서, 공통 에미터 및 에미터 폴로워 회로가 증폭기(16 및 17)를 구현하는데 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 예를 들면, 도 1c에 도시된 조정 가능 네트워크(18 및 19)를 구현하는데 사용될 수 있는 여러 실시예의 조정가능 감쇄기 회로를 도시한다. 도 5a는 조정가능 저항(R1, R2 및 R3)을 갖는 PI 감쇄기를 도시한다. 이러한 조정가능 저항들은 예를 들어, 도 5b에 도시된 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 여기서, 저항(R1)은 NMOS 스위치 트랜지스터(M11, M12 및 M13)에 각기 결합된 저항(R11, R12 및 R13)을 이용하여 구현된다. 유사하게, 저항(R2)은 NMOS 스위치 트랜지스터(M21, M22 및 M23)에 각기 결합된 저항(R11, R22 및 R23)을 이용하여 구현된다. 저항(R3)은 NMOS 스위치 트랜지스터(M31, M32 및 M313)에 각기 결합된 저항(R31, R32 및 R33)을 이용하여 구현된다. 그러므로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 PI 네트워크의 감쇄 및 임피던스는 NMOS 스위칭 트랜지스터(M11, M12, M13, M21, M22, M23, M31, M32 및 M33)를 이들 트랜지스터의 게이트를 통해 선택적으로 작동 및 불작동시킴으로써 조절될 수 있다.
도 5c는 조정가능 저항(R4, R5 및 R6)을 이용하는 T 네트워크의 형태로 된 실시예의 감쇄기를 도시한다. 저항(R4 및 R5)은 저항(R3)이 도 5b에서 구현된 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있고, 저항(R6)은 저항(R1 및 R2)가 도 5b에서 구현된 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 감쇄기 회로는 그저 조정가능 네트워크(18 및 19)를 구현하는데 사용될 수 있는 많은 가능한 실시예 감쇄기 회로 중 몇몇 예에 불과하는 것을 이해하여야 한다.
도 6은 도 1a 내지 도 1c, 도 2 및 도 3에 도시된 커플러 회로(2)를 구현하는데 사용될 수 있는 커플러 회로(200)를 도시한다. 커플러 회로(200)는 RF 신호용 50-Ohm 포트인 포트(202 및 203)와 고 임피던스의 부하로서 작용하는 두 개의 결합 포트(204 및 205)를 갖는 4-포트 장치이다. 대안으로, 포트(202 및 203)를 대용하여 다른 특성 임피던스가 사용될 수 있다. 커플러(200)는 소스 임피던스(ZS)와 부하 임피던스(ZL) 사이에 결합된 일차 권선(Lp)을 갖는 변압기(X1)를 포함한다. 저항(R1) 및 캐패시터(C1)를 포함하는 고역 통과 RC 필터로 구현된 위상-시프팅 네트워크는 포트(203)에 결합된다. 이러한 네트워크의 동작은 앞에서 참조한 "System and Method for a Transformer and a Phase-Shift Network"에서 기술되어 있다.
도 7은 실시예의 집적 회로 패키지의 핀아웃 다이어그램을 도시한다. 실시예에서, 실시예의 집적 회로 패키지는 방향성 커플러 회로 입력 포트(3), 방향성 커플러 회로 전송 포트(5), 방향성 커플러 격리 포트(14) 및 방향성 커플러 결합 포트(15) 용도의 핀 또는 단자를 포함한다. 또한, 몇몇 실시예의 패키지는 서플라이 단자(302), 접지 단자(304) 및 제어 버스(306) 용도의 핀 및 단자를 포함할 수 있다. 제어 버스(306)는 증폭기(16 및/또는 17)의 이득을 조절하는 제어 신호를 제공하기 위해 사용될 수 있으며 또한 조정가능 네트워크(18 및 19)의 감쇄기를 조절하기 위해서도 사용될 수 있다. 제어 버스는 병렬 또는 직렬 디지털 버스를 이용하여 구현될 수 있다.
도 8a 내지 도 8b는 도 7에 도시된 집적 회로 패키지와 함께 사용될 수 있는 실시예의 집적 회로를 도시한다. 실시예에서, 도 8a에 도시된 집적 회로(400)는 방향성 커플러 회로 입력 포트(3)에 결합된 커플러 회로 입력 포트(10), 방향성 커플러 회로 전송 포트(5)에 결합된 커플러 회로 전송 포트(11)를 갖는 커플러 회로(2)를 포함한다. 집적 회로(400)는 커플러 회로 격리 포트(12)에 결합된 입력 및 방향성 커플러 격리 포트(14)에 결합된 출력을 갖는 RF 증폭기(16)와, 커플러 회로 결합 포트(13)에 결합된 입력 및 방향성 커플러 결합 포트(15)에 결합된 출력을 갖는 RF 증폭기(17)를 더 포함한다. 서플라이 단자(302) 및 접지 단자(304)는 전력을 RF 증폭기(16) 및 RF 증폭기(17)로 제공한다. 실시예에서, RF 증폭기(16) 및 RF 증폭기(17)는 제어 버스(306)를 통해 제어가능한 가변 이득 증폭기로서 구현된다.
도 8b에 도시된 집적 회로(450)는 도 8a의 집적 회로(400)와 유사하되 커플러 회로 격리 포트(12)와 증폭기(16)의 입력 사이에 결합된 조정가능 네트워크(19) 및 커플러 회로 결합 포트(13)와 증폭기(16)의 입력 사이에 결합된 조정가능 네트워크(18)를 추가로 포함한다.
도 9는 실시예의 방향성 커플러를 이용하는 방법의 블록 다이어그램(500)을 도시한다. 실시예에서, 방향성 커플러는 기판 상에 배치된 방향성 커플러 회로와, 기판 상에 배치되고 방향성 커플러의 제1 결합 출력 포트에 결합된 제 1 종단 레지스턴스와, 기판 상에 배치되고 방향성 커플러의 제2 결합 출력 포트에 결합된 제2 종단 레지스턴스와, 방향성 커플러 회로의 제1 결합 출력 포트 및 제2 결합 출력 포트 중 적어도 한 포트에 결합된 제1 증폭기를 포함한다. 단계(502)에서, 입사 신호는 방향성 커플러 회로의 제1 입력 포트에 결합된 제1 외부 단자에서 수신되며, 단계(504)에서, 입사 신호는 방향성 커플러 회로의 제1 출력 포트에 결합된 제2 외부 단자에서 전송된다. 단계(506)에서, 제1 결합된 신호는 제1 증폭기의 출력에 결합된 제3 외부 단자에서 모니터링된다. 대안으로, 모니터링하는 단계(506)는 증폭기 대신 RF 전력 검출기를 통해 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 블록 다이어그램(500)에서 기술된 방법은 예를 들면, 도 1a 내지 도 1c, 도 2 및 도 3에서 도시된 회로를 이용하여 구현될 수 있다.
실시예에 따르면, 방향성 커플러는 커플러 회로와, 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이 및/또는 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함한다. 여러 실시예에서, 방향성 커플러는 기판 위에 및/또는 기판 내에 배치된다. 기판은 반도체 기판일 수 있고 및/또는 방향성 커플러는 모놀리식 집적 회로로서 구현될 수 있다.
실시예에서, 적어도 하나의 증폭기는 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 제1 증폭기를 포함한다. 적어도 하나의 증폭기는 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 제2 증폭기를 더 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 증폭기는 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 제1 증폭기 및 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 제2 증폭기를 포함할 수 있다. 여러 실시예에서, 적어도 하나의 증폭기는 조정가능 이득 증폭기이다. 적어도 하나의 증폭기는 공통 소스 증폭기로서 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방향성 커플러는 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 전력 검출기를 또한 포함할 수 있다.
실시예에서, 방향성 커플러는 커플러 회로 결합 포트 및/또는 커플러 회로 격리 포트에 결합된 적어도 하나의 내부 종단 임피던스를 더 포함한다. 몇몇 사례에서, 이러한 종단 임피던스는 조정가능 임피던스일 수 있다. 적어도 하나의 증폭기는 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 커플러 회로 격리 포트 및/또는 커플러 회로 결합 포트에 결합될 수 있고, 몇몇 사례에서, 임피던스 매칭 네트워크는 조정가능 임피던스 매칭 네트워크일 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 증폭기는 조정가능 집적 회로로서 구현될 수 있는 감쇄기를 통하여 커플러 회로 격리 포트 및/또는 커플러 회로 결합 포트에 결합된다.
실시예에서, 커플러 회로는 자기 변압기 및 위상 시프트 네트워크를 포함한다. 자기 변압기는 커플러 회로 입력 포트와 커플러 회로 전송 포트 사이에 결합된 제1 권선, 및 제1 기준 노드와 상기 커플러 회로 결합 포트 사이에 결합된 제2 권선을 포함하며; 위상 시프트 네트워크는 커플러 회로 입력 포트 또는 커플러 회로 전송 포트와 커플러 회로 격리 포트 사이에 결합된다.
다른 실시예에 따르면, 방향성 커플러는 방향성 커플러 입력 포트, 방향성 커플러 전송 포트 및 방향성 커플러 출력 포트를 포함한다. 방향성 커플러는 커플러 회로와 증폭기 및 스위치를 더 포함한다. 커플러 회로는 제1 커플러 회로 입력 포트, 제1 커플러 회로 전송 포트, 제1 커플러 회로 격리 포트 및 제1 커플러 회로 결합 포트를 갖고 있고; 증폭기는 방향성 커플러 출력 포트에 결합되며; 그리고 스위치는 증폭기를 커플러 회로 결합 포트 및 커플러 회로 격리 포트에 선택적으로 결합한다. 여러 실시예에서, 방향성 커플러는 기판 위에 및/또는 기판 내에 배치되며, 몇몇 실시예에서 이 기판은 반도체 기판일 수 있다.
실시예에서, 스위치는 증폭기를 커플러 회로 결합 포트에 결합하며 및/또는 스위치는 증폭기를 커플러 회로 격리 포트에 결합한다.
또 다른 실시예에 따르면, 방향성 커플러를 동작시키는 방법은 여러 단계를 포함한다. 방향성 커플러는 커플러 회로, 및 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이 및/또는 커플러 회로 결합 포트와 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함한다. 방법은 커플러 회로 입력 포트에 결합된 방향성 커플러 입력 포트에서 입사 신호를 수신하는 단계와, 입사 신호를 커플러 회로 전송 포트에 결합된 방향성 커플러 전송 포트에서 전송하는 단계와, 방향성 커플러 결합 포트 및/또는 방향성 커플러 격리 포트에서 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계를 포함한다.
여러 실시예에서, 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 방향성 커플러 결합 포트에서 제1 신호를 모니터링하는 단계 및/또는 커플러 회로 격리 포트에 결합된 입력을 갖는 전력 검출기의 출력을 모니터링함으로써 반사를 측정하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 방향성 커플러 격리 포트에서 제2 신호를 모니터링하는 단계를 포함하며 다른 여러 실시예에서, 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 방향성 커플러 결합 포트에서 제1 신호를 그리고 방향성 커플러 격리 포트에서 제2 신호를 모니터링하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 증폭기는 제1 증폭기를 포함하고, 방법은 제1 증폭기의 입력을 커플러 회로 결합 포트 및 커플러 회로 격리 포트 중 한 포트에 선택적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
도 10은 기판(606) 상에 배치된 및/또는 기판(606) 내에 배치된 각종 컴포넌트들로서 구현된 방향성 커플러(600)를 도시한다. 실시예에서, 커플러(602) 및 증폭기(604)는 기판(606) 상에 배치된다. 예를 들면, 실시예의 종단 임피던스 또는 다른 수동 컴포넌트일 수 있는 컴포넌트(608)는 기판(606) 내에 배치되어 있는 것으로 도시된다. 몇몇 실시예에서, 컴포넌트(608)는 커플러(602) 및 증폭기(604)와 유사한 방식으로 기판(606) 상에 배치된 별개의 컴포넌트일 수 있다. 위상적으로, 커플러(602), 증폭기(604) 및 컴포넌트(608)는 본 출원에서 기술된 여러 방향성 커플러 실시예에 따라서 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(604)는 한 개일 수 있거나 아니면 하나 이상의 집적 회로 상에 배치된 복수개의 증폭기일 수 있다. 커플러(602), 증폭기(604), 컴포넌트(608) 및 기판(606)과의 연결 및 그로부터의 연결(도시 생략)은 본 기술에서 공지된 여러 연결 방법을 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 그러한 연결은 솔더 범프, 본드 와이어, 비아, 및 재분배 라인(redistribution lines) 등을 이용하여 이루어질 수 있다. 기판(606)은 반도체 기판, 캐리어 기판, 하이브리드 기판, 인쇄 회로 기판(PCB) 기판 및/또는 본 기술에서 공지된 다른 기판 형태에 따른 기판을 이용하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 커플러(600)는 몰딩된 패키지 내에 매립될 수 있다.
본 발명의 실시예의 장점은 출력 인터페이스 노드로의 외부 종단 및/또는 기생 RF 결합의 품질과는 독립적인 높은 지향성을 포함한다. 몇몇 실시예의 다른 장점은 조정가능 결합 인수 및 절연, 전류 소비와 커플링 인수/절연 간의 트래이드오프(tradeoff)의 역량뿐만 아니라, 출력 포트에서 부하 임피던스의 완화된 요건을 포함한다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 이러한 설명은 제한하는 의미로 해석되도록 의도한 것은 아니다. 예시적인 실시예 뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예의 각종 수정 및 조합은 상세한 설명을 참조한 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자들에게 자명해질 것이다.

Claims (26)

  1. 방향성 커플러로서,
    모놀리식(monolithic) 집적 회로(IC) 위에 배치된 커플러 회로와,
    상기 모놀리식 IC 위에 배치되고, 커플러 회로 격리 포트(isolated port)와 방향성 커플러 격리 포트의 사이 및 커플러 회로 결합 포트(coupled port)와 방향성 커플러 결합 포트의 사이 중 적어도 어느 하나에 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함하되,
    방향성 커플러 격리 포트 및 방향성 커플러 결합 포트 각각은 상기 모놀리식 IC의 외부 접속 가능한 단자를 포함하고, 상기 방향성 커플러의 지향성(directivity)은 외부 종단(termination)에 독립적 - 상기 외부 종단은 상기 방향성 커플러 격리 포트 또는 상기 방향성 커플러 결합 포트에 결합됨 - 인
    방향성 커플러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 상기 커플러 회로 결합 포트와 상기 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 제1 증폭기를 포함하는
    방향성 커플러.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커플러 회로 격리 포트와 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 전력 검출기를 더 포함하는
    방향성 커플러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 상기 커플러 회로 격리 포트와 상기 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 제2 증폭기를 포함하는
    방향성 커플러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 상기 커플러 회로 격리 포트와 상기 방향성 커플러 격리 포트 사이에 결합된 제1 증폭기 및 상기 커플러 회로 결합 포트와 상기 방향성 커플러 결합 포트 사이에 결합된 제2 증폭기를 포함하는
    방향성 커플러.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 조정가능 이득 증폭기(an adjustable gain amplifier)인
    방향성 커플러.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플러 회로 결합 포트 및 커플러 회로 격리 포트 중 적어도 어느 하나에 결합된 적어도 하나의 내부 종단 임피던스(internal termination impedance)를 더 포함하는
    방향성 커플러.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내부 종단 임피던스는 조정가능 임피던스인
    방향성 커플러.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 상기 커플러 회로 격리 포트 및 커플러 회로 결합 포트 중 적어도 어느 하나에 결합되는
    방향성 커플러.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 조정가능 임피던스 매칭 네트워크인
    방향성 커플러.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 감쇄기를 통하여 상기 커플러 회로 격리 포트 및 커플러 회로 결합 포트 중 적어도 어느 하나에 결합되는
    방향성 커플러.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 감쇄기는 조정가능 감쇄기인
    방향성 커플러.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 공통 소스 증폭기인
    방향성 커플러.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플러 회로는,
    커플러 회로 입력 포트와 커플러 회로 전송 포트 사이에 결합된 제1 권선 및 제1 기준 노드와 상기 커플러 회로 결합 포트 사이에 결합된 제2 권선을 포함하는 자기 변압기(magnetic transformer)와,
    상기 커플러 회로 입력 포트 또는 상기 커플러 회로 전송 포트와, 상기 커플러 회로 격리 포트 사이에 결합된 위상 시프트 네트워크를 포함하는
    방향성 커플러.
  16. 삭제
  17. 방향성 커플러 입력 포트, 방향성 커플러 전송 포트 및 방향성 커플러 출력 포트를 포함하는 방향성 커플러로서,
    제1 커플러 회로 입력 포트, 제1 커플러 회로 전송 포트, 제1 커플러 회로 격리 포트 및 제1 커플러 회로 결합 포트를 포함하는 커플러 회로와,
    방향성 커플러 출력 포트에 결합된 증폭기와,
    상기 증폭기의 입력을 상기 커플러 회로 결합 포트 및 커플러 회로 격리 포트에 선택적으로 결합하는 스위치를 포함하되,
    상기 커플러 회로, 상기 증폭기 및 상기 스위치는 모놀리식(monolithic) 집적 회로(integrated circuit)위에 배치되고, 상기 증폭기의 출력은 상기 모놀리식 IC의 외부 접속 가능한 단자에 결합되고, 상기 방향성 커플러의 지향성(directivity)은 상기 방향성 커플러 출력 포트에 결합된 외부 종단에 독립적인
    방향성 커플러.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 증폭기를 상기 제 1 커플러 회로 결합 포트에 결합시키는
    방향성 커플러.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 증폭기를 상기 제 1 커플러 회로 격리 포트에 결합시키는
    방향성 커플러.

  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 모놀리식 IC는 반도체 기판을 포함하는
    방향성 커플러.
  21. 커플러 회로, 및 커플러 회로 격리 포트와 외부 접속 가능한 방향성 커플러 격리 포트의 사이 및 커플러 회로 결합 포트와 외부 접속 가능한 방향성 커플러 결합 포트의 사이 중 적어도 어느 하나에 결합된 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 방향성 커플러를 포함하는 모놀리식(monolithic) 집적 회로(IC)를 동작시키는 방법에 있어서,
    커플러 회로 입력 포트에 결합된 외부 접속 가능한 방향성 커플러 입력 포트에서 입사 신호를 수신하는 단계와,
    상기 입사 신호를 커플러 회로 전송 포트에 결합된 외부 접속 가능한 방향성 커플러 전송 포트에서 전송하는 단계와,
    상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 결합 포트 및 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 격리 포트 중 적어도 어느 하나에서 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계를 포함하되,
    상기 방향성 커플러의 지향성(directivity)은 외부 종단(termination)에 독립적 - 상기 외부 종단은 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 격리 포트 또는 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 결합 포트에 결합됨 - 인
    모놀리식 IC 동작 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 결합 포트에서 제1 신호를 모니터링하는 단계를 포함하는
    모놀리식 IC 동작 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 모놀리식 IC의 전력 검출기의 출력을 모니터링하는 것을 포함하여 반사를 측정하는 단계 - 상기 전력 검출기는 상기 커플러 회로 격리 포트에 결합된 입력을 가짐 - 를 더 포함하는
    모놀리식 IC 동작 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 격리 포트에서 제2 신호를 모니터링하는 단계를 포함하는
    모놀리식 IC 동작 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호를 모니터링하는 단계는 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 결합 포트에서 제1 신호를 그리고 상기 외부 접속 가능한 방향성 커플러 격리 포트에서 제2 신호를 모니터링하는 단계를 포함하는
    모놀리식 IC 동작 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증폭기는 제1 증폭기를 포함하고,
    상기 방법은 상기 제1 증폭기의 입력을 상기 커플러 회로 결합 포트와 커플러 회로 격리 포트 중 한 포트에 선택적으로 결합하는 단계를 더 포함하는
    모놀리식 IC 동작 방법.
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