KR101823270B1

KR101823270B1 - 커플러 내장형 고주파 스위치 회로 및 장치

Info

Publication number: KR101823270B1
Application number: KR1020160154330A
Authority: KR
Inventors: 나유삼; 임종모; 김유환; 유현환; 유현진; 천성종
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-01-29
Also published as: CN107592119B; KR20180006260A; CN107592119A

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로는 적어도 하나의 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속되어 제1 밴드신호를 스위칭하는 적어도 하나의 제1 밴드 스위치 회로를 포함하는 고주파 스위치; 및 상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제1 신호 커플링을 형성하는 제1 커플링 배선을 포함하는 커플러; 를 포함하고, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는 상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 상기 고주파 스위치의 커패시턴스에 의해 결정된다.

Description

커플러 내장형 고주파 스위치 회로 및 장치{RADIO-FREQUENCY SWITCH AND APPARATUS WITH COUPLER BUILT-IN}

본 발명은 시분할 다중화(Time-Division Multiplexing: TDM) 통신 시스템에 적용될 수 있는 커플러 내장형 고주파 스위치 회로 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 시분할 다중화(TDM) 방식을 사용하는 다양한 통신시스템에서 송신부와 수신부 사이에는, 안테나 고주파(Radio-Frequency: RF) 스위치가 이용된다. 또한, 복수의 통신을 수행하는 통신 시스템에서, 복수의 밴드신호를 스위칭하기 위해, 안테나와 듀플렉서 사이에 밴드선택 고주파(RF) 스위치가 이용된다.

이와 같은 안테나 고주파 스위치는 송신부와 수신부를 교대로 스위치 온/오프(ON/OFF)함으로서 시스템 전체 소비 전력을 낮출 수 있고, 송신부와 수신부 간의 간섭도 줄일 수 있다. 또한, 밴드선택 고주파 스위치는 복수의 밴드들을 선택적으로 스위치 온/오프(ON/OFF)함으로써 시스템 전체 소비 전력을 낮출 수 있고, 밴드들간의 간섭도 줄일 수 있다.

이와 같은 고주파 스위치는 무선 랜(wireless LAN) 뿐만 아니라, 불루투스(Bluetooth, 상표), 셀룰러(cellular) PCS/CDMA/WCDMA/TDMA/GSM 등과 같은 통신 시스템에서 사용될 수 있다.

이러한 RF 스위치는 낮은 삽입손실(low insertion loss), 높은 전력 처리 능력(high power handling capability), 높은 아이솔레이션(high isolation) 등의 성능이 요구된다.

또한, 기존의 통신 시스템은 전력 증폭기(PA)의 출력신호를 모니터링(Monitoring)하기 위해 커플러(Coupler)를 포함할 수 있다.

상기 커플러는 안테나 임피던스의 부정합과 신호의 손실(loss)이라는 단점을 가지나, 출력신호의 제어와 입력신호의 제어에 이용함으로써, 전체적인 시스템의 효율성을 높일 수 있고, 이에 따라 배터리(Battery) 시간의 증가와 시스템 조절을 용이하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 기존의 통신 시스템은 고주파 스위치와 별도로 커플러를 포함하고 있고, 상기 고주파 스위치가 집적회로(IC)로 구현되고, 상기 커플러는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 인쇄패턴(PCB Pattern)으로 형성되거나 개별 부품으로 기판에 장착될 수 있다.

이와 같이, PCB 기반의 커플러가 IC 타입의 고주파 스위치와는 별도로 고주파 스위치의 외부에 구현되는 경우에는, 차지 면적이 크고, 커플러의 큰 손실에 따른 효율 저하와 같은 문제점이 있다.

또한, 통신 시스템이 고주파 스위치와 별도로 송신/수신(Tx/Rx) 커플링을 위해 양방향 커플러(Bi-directional coupler)를 포함하는 경우에는, 포워드(Forward 및 리버스(Reverse) 양방향으로의 신호를 검출할 수 있으나, 이는 사용 주파수에 따라 통신 모듈의 큰 면적을 차지하게 되며, PCB 구현으로 인한 라인 손실(line Loss)로 인해 전력 증폭기(PA)의 효율이 더욱 감소되는 문제점이 있다.

한국 등록번호 제10-04330824호 공보

본 발명의 일 실시 예는, 고주파 스위치와 커플러를 포함하여 집적회로(IC)로 구현함으로써, 차지 면적 및 사이즈를 줄일 수 있고, 고주파 스위치 회로에 포하된 복수의 스위치 소자중 오프상태인 스위치 소자의 커패시턴스를 이용하여 커플러의 커플링 특성을 개선할 수 있는 커플러 내장형 고주파 스위치 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의해, 적어도 하나의 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속되어 제1 밴드신호를 스위칭하는 적어도 하나의 제1 밴드 스위치 회로를 포함하는 고주파 스위치; 및 상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제1 신호 커플링을 형성하는 제1 커플링 배선을 포함하는 커플러; 를 포함하고, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는 상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와, 상기 고주파 스위치의 커패시턴스에 의해 결정되는 커플러 내장형 고주파 스위치 회로가 제안된다.

본 과제의 해결 수단에서는, 하기 상세한 설명에서 설명되는 여러 개념들 중 하나가 제공된다. 본 과제 해결 수단은, 청구된 사항의 핵심 기술 또는 필수적인 기술을 확인하기 위해 의도된 것이 아니며, 단지 청구된 사항들 중 하나가 기재된 것이며, 청구된 사항들 각각은 하기 상세한 설명에서 구체적으로 설명된다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 고주파 스위치에 커플러를 내장시켜 IC(집적회로)화 함으로써, 차지 면적 및 사이즈를 줄일 수 있고, PCB 기반의 패턴으로 이루어지는 커플러에 비해 신호 손실을 줄일 수 있다.

상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나포트 사이에 커플러를 배치시켜, 기존의 밴드 경로별로 커플러를 배치하는 것에 비해 하나의 커플러를 포함하므로 차지 면적 및 제작 단가 측면에서 장점이 있고, 안테나를 통한 송출 직전에서 커플러를 통해 검출하므로 보다 정확한 검출을 수행할 수 있다.

또한, 고주파 스위치에 포함되는 복수의 스위치 소자중 오프상태인 스위치 소자의 커패시턴스를 이용하여 공진주파수를 해당 대역 주파수와 일치시킴으로써, 커플러의 손실을 줄일 수 있어 커플러의 특성을 향상시킬 수 있다.

게다가, 커플러의 손실을 줄일 수 있기 때문에, 상대적으로 파워 소모를 줄일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로의 일 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 일 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 다른 일 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 또 다른 일 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 밴드 스위치 회로의 일 예시도이다.
도 6은 도 5의 제1 밴드 스위치 회로의 온상태에 대한 등가 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제N 밴드 스위치 회로의 일 예시도이다.
도 8은 도 7의 제N 밴드 스위치 회로의 온상태에 대한 등가 회로도이다.
도 9의 (a),(b) 및 (c)는 도 2의 커플러의 일 예시도이다.
도 10은 도 1의 커플러에 대한 설명도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 기존 기술에 따라 PCB 기판에 형성되는 커플러 및 본 발명의 일 실시 에에 따른 IC 내장형 커플러에 대한 각 성능을 보이는 그래프이다.

이하에서는, 본 발명은 설명되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 각 실시 예에 있어서, 하나의 예로써 설명되는 구조, 형상 및 수치는 본 발명의 기술적 사항의 이해를 돕기 위한 예에 불과하므로, 이에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 실시 예들은 서로 조합되어 여러 가지 새로운 실시 예가 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명에 참조된 도면에서 본 발명의 전반적인 내용에 비추어 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로의 일 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로(100)는, 고주파 스위치(110) 및 커플러(120)를 포함한다.

상기 고주파 스위치(110)는 적어도 하나의 제1 신호포트(P1)와 공통 포트(Pcom) 사이에 접속되어 제1 밴드신호(SB1)를 스위칭하는 적어도 하나의 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)를 포함한다.

본 발명의 각 실시 예에서, 상기 고주파 스위치(110)는 하나의 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)를 포함할 수 있다. 또는, 상기 고주파 스위치(110)는 복수의 제1 내지 제N 밴드 스위치 회로(SWB1~SWBN, 여기서, N은 2이상의 자연수)를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)는 제1 신호포트(P1)와 공통 포트(Pcom) 사이에 접속되어 제1 밴드신호(SB1)를 스위칭할 수 있고, 상기 제N 밴드 스위치 회로(SWBN)는 제N 신호포트(PN)와 공통 포트(Pcom) 사이에 접속되어 제N 밴드신호(SBN)를 스위칭할 수 있다.

상기 고주파 스위치(110)는 본 발명의 각 실시 예에 동일하게 적용되므로, 본 발명의 각 실시 예에서는 고주파 스위치(110)에 대해 중복되는 설명은 생략될 수 있다.

상기 커플러(120)는 상기 고주파 스위치(110)의 공통 포트(Pcom)와 안테나포트(Pant) 사이에 형성된 신호배선(Lant)에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선(Lant)과 제1 신호 커플링을 형성하는 제1 커플링 배선(LCPL1)을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 공진주파수(fres)는, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스와, 상기 고주파 스위치(110)의 커패시턴스(Coff)에 의해 결정될 수 있다.

여기서, 상기 신호배선(Lant)의 일단(P11)은 상기 고주파 스위치(110)의 공통 포트(Pcom)에 접속되고, 상기 신호배선(Lant)의 타단(P12)은 안테나포트(Pant)에 접속될 수 있다.

본 발명의 각 실시 예에서는, 동일한 부호 및 동일한 기능의 구성요소에 대해서는 가능한 불필요한 중복 설명은 생략될 수 있고, 각 실시 예에서는 가능한 차이점에 대한 사항을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 일 예시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치는 고주파 스위치 회로(100) 및 출력 매칭회로(250)를 포함할 수 있다.

상기 고주파 스위치 회로(100)의 커플러(120)는, 도 1에 도시된 구조에 제2 커플링 배선(LCPL2)을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 커플링 배선(LCPL2)은, 도 1을 참조하여 설명한 상기 신호배선(Lant)에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선(Lant)과 제2 신호 커플링을 형성한다.

여기서, 상기 제2 커플링 배선(LCPL2)에 의한 공진주파수(fres)는 상기 제2 커플링 배선(LCPL2)에 의한 인덕턴스와, 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)의 커패시턴스(Coff)에 의해 결정될 수 있다.

상기 출력 매칭회로(250)는 상기 고주파 스위치 회로(100)의 안테나포트(Pant)와 안테나가 접속되는 안테나 단자(Tout) 사이에 접속되어, 안테나포트(Pant)와 안테나 단자(Tout)간의 임피던스를 매칭시켜 신호의 전달 손실을 줄일 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로(100)는 고주파 스위치(110) 및 커플러(120)를 포함하여 동일 제작공정에 의해 하나의 집적회로 기판에 형성되어 하나의 집적회로로 구현될 수 있다.

일 예로, 집적회로는 SOI(Silicon-On-Insulator) 등의 반도체 기판을 이용하는 집적회로가 될 수 있고, 예를 들어, 상기 SOI 등과 같은 반도체 기판을 이용하는 경우, 높은 저항성(high resistive) 기판 특성으로 인하여, 손실을 줄일 수 있고, 고주파 스위치(110)와 커플러(120)를 최대로 인접되도록 배치함으로써, 삽입손실을 최소화할 수 있다.

이에 따라 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로(100)를 이용하면, 삽입손실이 개선될 수 있고, 차지면적 및 사이즈가 감소될 수 있다.

상기 커플러(120)의 제1 커플링 배선(LCPL1)은 제1 검출포트(PCPL1) 및 제1 저항(R11)에 접속될 수 있다.

상기 제1 검출포트(PCPL1)는 상기 공통 포트(Pcom)측에 배치된 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)의 일단에 연결되어, 상기 신호배선(Lant)으로부터 커플링 되는 제1 커플링 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)을 통해 제공되는 제1 커플링 신호는 송신 파워를 모니터링하기 위한 신호로 이용될 수 있다.

상기 제1 저항(R11)은 상기 안테나포트(Pant)측에 배치된 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)의 타단과 접지 사이에 접속되어 임피던스를 매칭할 수 있다. 여기서, 상기 제1 저항(R11)은 임피던스 매칭용 저항으로, 일 예로 50옴으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 커플러(120)의 제2 커플링 배선(LCPL2)은 제2 검출포트(PCPL2) 및 제2 저항(R21)에 접속될 수 있다.

상기 제2 검출포트(PCPL2)는 상기 안테나포트(Pant)측에 배치된 상기 제2 커플링 배선(LCPL2)의 일단에 연결되어, 상기 신호배선(Lant)으로부터 커플링 되는 제2 커플링 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상기 제2 커플링 배선(LCPL2)을 통해 제공되는 제2 커플링 신호는 수신 강도를 모니터링하기 위한 신호로 이용될 수 있다.

상기 제2 저항(R21)은 상기 공통 포트(Pcom)측에 배치된 상기 제2 커플링 배선(LCPL2)의 타단과 접지 사이에 접속되어 임피던스를 매칭할 수 있다. 여기서, 상기 제2 저항(R21)은 임피던스 매칭용 저항으로, 일 예로 50옴으로 설정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 커플러(120)가 고주파 스위치(110)와 함께 집적회로(IC)로 구현되는 경우, PCB 패턴으로 기판에 형성되거나, 개별 커플러 소자로 기판에 실장되는 것에 비하면, 차지 면적 및 사이즈가 감소됨과 동시에, 커플러 자체의 손실도, PCB 패턴으로 기판에 형성되거나, 개별 커플러 소자로 기판에 실장되는 것에 비하여, 개선될 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고주파 스위치(110)와 커플러(120)를 포함하는 집적회로에 있어서, 50옴인 안테나 단자에 연결되는 상기 커플러(120)의 임피던스와, 상기 고주파 스위치(110)의 임피던스가 불일치 한다. 일 예로, 상기 고주파 스위치(110)는 50옴이 아니고, 상기 커플러(120)는 안테나 단자와 연결되므로 안테나와 동일한 50옴이 될 수 있다.

이 경우, 상기 고주파 스위치(110)의 임피던스와 안테나 단자 및 커플러(120)의 임피던스를 매칭하기 위한 목적으로, 상기 커플러(120)와 안테나 단자(Tout) 사이에 출력 매칭회로(250)가 배치될 수 있다.

이에 따라, 상기 출력 매칭회로(250)는 상기 고주파 스위치 회로(100)와 안테나 단자(Tout)간의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 결국, 고주파 스위치(110)와 커플러(120)간 임피던스가 매칭되고, 상기 커플러(120)와 안테나 단자간의 임피던스가 매칭된다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 다른 일 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치는 고주파 스위치 회로(100) 및 단간 매칭회로(220)를 포함할 수 있다.

상기 고주파 스위치 회로(100)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 내용과 동일하므로, 그 상세 설명은 생략된다.

상기 커플러(120)는 제1 커플링 배선(LCPL1)을 포함할 수 있고, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)은 상기 단간 매칭회로(220)와 안테나포트(Pant) 사이에 형성된 신호배선(Lant)에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선(Lant)의 일부와 제1 신호 커플링을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 신호배선(Lant)의 일단(P21)은 단간 매칭회로(220)에 접속되고, 상기 신호배선(Lant)의 타단(P22)은 안테나포트(Pant)에 접속될 수 있다.

상기 단간 매칭회로(220)는 상기 고주파 스위치(110)의 공통 포트(Pcom)와 상기 커플러(120) 사이에 접속되어, 상기 고주파 스위치(110)와 커플러(120)간의 임피던스를 매칭시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 공진주파수(fres)는 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스와, 상기 고주파 스위치(110)의 커패시턴스(Coff)에 의해 결정될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치의 또 다른 일 예시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 장치는 고주파 스위치 회로(100) 및 단간 매칭회로(220)를 포함할 수 있다.

상기 고주파 스위치 회로(100)의 커플러(120)는, 도 3에 도시된 구조에 제2 커플링 배선(LCPL2)을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 커플링 배선(LCPL2)은, 도 3을 참조하여 설명한 상기 신호배선(Lant)에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선(Lant)과 제2 신호 커플링을 형성한다.

다른 한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고주파 스위치(110)와 커플러(120)를 포함하는 집적회로에 있어서, 50옴인 안테나 포트에 연결된 상기 커플러(120)의 임피던스는 상기 고주파 스위치(110)의 임피던스와 불일치 한다. 일 예로, 상기 고주파 스위치(110)는 50옴이 아니고, 상기 커플러(120)는 안테나와 연결되므로 안테나와 동일한 50옴이 될 수 있다.

이때, 상기 고주파 스위치(110)와 커플러(120)간의 임피던스 매칭을 위해서, 상기 고주파 스위치(110)와 커플러(120) 사이에 단간 매칭회로(220)가 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 단간 매칭회로(220)는 상기 고주파 스위치(110)와 상기 커플러(120)를 포함하는 집적회로의 외부에 배치될 수 있다.

상기 단간 매칭회로(220)는 상기 고주파 스위치(110)와 상기 커플러(120) 사이에 접속되어, 상기 고주파 스위치(110)와 커플러(120)간의 임피던스를 매칭시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 밴드 스위치 회로의 일 예시도이고, 도 6은 도 5의 제1 밴드 스위치 회로의 온상태에 대한 등가 회로도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제N 밴드 스위치 회로의 일 예시도이고, 그리고, 도 8은 도 7의 제N 밴드 스위치 회로의 온상태에 대한 등가 회로도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)는 제1 직렬 스위치 회로(SW1-1)와 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)를 포함할 수 있다.

상기 제1 직렬 스위치 회로(SW1-1)는 상기 제1 신호포트(P1)와 공통 포트(Pcom) 사이에 접속되어, 제1 게이트 신호(SG1-1)에 의해 온상태 또는 오프상태로 될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 직렬 스위치 회로(SW1-1)는 상기 제1 신호포트(P1)와 공통 포트(Pcom) 사이에 직렬로 접속된 복수의 스위치 소자를 포함할 수 있다.

상기 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)는 상기 제1 신호포트(P1)와 접지 사이에 접속되어, 제2 게이트 신호(SG1-2)에 의해 온상태 또는 오프상태로 될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)는 상기 제1 신호포트(P1)와 접지 사이에 직렬로 접속된 복수의 스위치 소자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복수의 스위치 소자는 MOS 트랜지스터가 될 수 있으며, 특별한 MOS 트래진스터의 타입은 한정되지 않는다.

이 경우, 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)가 제1 밴드신호(SB1)를 전달하기 위해서는, 제1 게이트 신호(SG1-1)가 하이 전압레벨에 따라 상기 제1 직렬 스위치 회로(SW1-1)가 온상태일 경우에 제2 게이트 신호(SG1-2)의 로우 전압레벨에 따라 상기 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)는 오프상태로 될 수 있다. 이 경우에 오프상태인 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)는 커패시턴스(Coff)를 갖게 된다.

이때, 상기 제1 커플링 배턴(LCPL1)에 의한 공진주파수(fres)는 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)의 커패시턴스(Coff)에 의해 결정될 수 있다.

이와 달리, 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)가 제1 밴드신호(SB1)를 차단하기 위해서는, 제1 게이트 신호(SG1-1)가 로우 전압레벨에 따라 상기 제1 직렬 스위치 회로(SW1-1)가 오프상태일 경우에 제2 게이트 신호(SG1-2)가 하이 전압레벨에 따라 상기 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)는 온상태로 될 수 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 제N 밴드 스위치 회로(SWBN)는 제N 직렬 스위치 회로(SWN-1)와 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)를 포함할 수 있다.

상기 제N 직렬 스위치 회로(SWN-1)는 상기 제N 신호포트(PN)와 공통 포트(Pcom) 사이에 접속되어, 제1 게이트 신호(SGN-1)에 의해 온상태 또는 오프상태로 될 수 있다. 일 예로, 상기 제N 직렬 스위치 회로(SWN-1)는 상기 제N 신호포트(PN)와 공통 포트(Pcom) 사이에 직렬로 접속된 복수의 스위치 소자를 포함할 수 있다.

상기 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)는 상기 제N 신호포트(PN)와 접지 사이에 접속되어, 제2 게이트 신호(SGN-2)에 의해 온상태 또는 오프상태로 될 수 있다. 일 예로, 상기 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)는 상기 제N 신호포트(PN)와 접지 사이에 직렬로 접속된 복수의 스위치 소자를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제N 밴드 스위치 회로(SWBN)가 제N 밴드신호(SBN)를 전달하기 위해서는, 제1 게이트 신호(SGN-1)가 하이 전압레벨에 따라 상기 제N 직렬 스위치 회로(SWN-1)가 온상태일 경우에 제2 게이트 신호(SGN-2)의 로우 전압레벨에 따라 상기 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)는 오프상태로 될 수 있다. 이 경우에 오프상태인 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)는 커패시턴스(Coff)를 갖게 된다.

이때, 상기 제1 커플링 배턴(LCPL1)에 의한 공진주파수(fres)는 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)의 커패시턴스(Coff)에 의해 결정될 수 있다.

이와 달리, 상기 제N 밴드 스위치 회로(SWBN)가 제N 밴드신호(SBN)를 차단하기 위해서는, 제1 게이트 신호(SGN-1)가 로우 전압레벨에 따라 상기 제N 직렬 스위치 회로(SWN-1)가 오프상태일 경우에 제2 게이트 신호(SGN-2)가 하이 전압레벨에 따라 상기 제N 션트 스위치 회로(SWN-2)는 온상태로 될 수 있다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 제1 내지 제N 션트 스위치 회로(SWN-2~SWN-2) 각각에 포함되는 반도체 스위치 소자의 개수는, 각 반도체 스위치 소자가 오프상태에서의 커패시턴스가 합산되어 상기 커플러(120)의 공진주파수(fres)에 영향을 미치므로, 상기 커플러(120)의 공진주파수(fres)를 결정하는 상기 해당 션트 스위치 회로의 오프상태의 스위치 소자의 전체 커패시턴스(Coff)를 고려해서 정해질 수 있다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 공진주파수(Fres)는 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 제1 션트 스위치 회로(SW1-2)의 커패시턴스(Coff)에 의해 상기 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)를 통해 전달되는 제1 밴드신호(SB1)의 주파수와 일치하도록 할 수 있다.

본 발명의 각 실시 에에서, 상기 커플러(120)는 단층 반도체 기판에 형성될 수 있으며, 보다 소형으로 제작하기 위해서는 다층 반도체 기판에 형성될 수 있으며, 이에 대한 일 예를 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9의 (a),(b) 및 (c)는 도 2의 커플러의 일 예시도이다. 도 9의 (a)는 커플러(120)의 사시도이고, 도 9의 (b)는 도 9의(a)의 제1 및 제2 커플링 배선(LCPL1,LCPL2)을 보이는 도면이고, 도 9의 (c)는 제1 커플링 배선(LCPL1), 제1 저항(도 2의 R11) 및 제1 접지(GND1)에 대한 확대도이다.

도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 신호배선(Lant)이 제1 층에 배치되고, 상기 제1 및 제2 커플링 배선(LCPL1,LCPL2)은 제2 층에 배치되며, 제1 및 제2 저항, 제1 및 제2 접지(GND1,GND2) 및 접지부(GND)는 제3 층에 배치될 수 있다.

상기 제2층은 상기 제1층의 하부에 배치될 수 있고, 제3 층은 상기 제2층의 하부에 배치될 수 있다. 제1 층과 제2 층간의 배선 및 제2 층과 제3 층의 신호 배선(또는 접지 배선)은 도전성 비아를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 제3 층에 배치되는 제1 저항 및 제2 저항은 도체패턴(CP)에 의해 해당 커플링 배선과 접지에 전기적으로 연결된 수 있다.

이때, 상기 제1 및 제2 커플링 배선(LCPL1,LCPL2)이 접지부(GND)와 서로 다른 층에 배치되어, 집적회로내에서 상대적으로 이격 거리가 증가될 수 있으며, 이에 따라 상호간의 아이솔레이션이 개선될 수 있다.

도 9의 (a), (b) 및 (c)에서, 상기 신호배선(Lant), 상기 제1 및 제2 커플링 배선(LCPL1,LCPL2)을 포함하는 커플러 구조는 일 예로써, 이에 한정되지 않는다.

한편, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 공진주파수(Fres)는 오프상태인 션트 스위치 회로(SW1-2)의 커패시턴스(Coff), 상기 신호배선(Lant)과 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)간의 상호 커패시턴스(Cm) 및 상호 인덕턴스(Lm)에 의해 결정될 수 있으며, 여기서, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)에 의한 인덕턴스는 상기 상호 인덕턴스가 될 수 있다. 이에 대해서는 도 10을 참조하여 설명한다.

도 10은 도 1의 커플러에 대한 설명도이다.

도 10은 상기 커플러 내장형 고주파 스위치 회로(100)의 고주파 스위치(110)의 복수의 제1 내지 제N 밴드 스위치 회로중에서 제1 밴드 스위치 회로(SWB1)가 온상태인 경우에 대한 커플러의 등가 회로도이다.

도 1 및 도 10을 참조하면, 상기 커플러(120)는 제1 커플링 배선(LCPL1)을 포함할 수 있고, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)은 도 10에 도시된 바와 같이 인덕터로 표현될 수 있다. 이 경우, 상기 고주파 스위치(110)의 공통 포트(Pcom)와 안테나포트(Pant) 사이의 신호배선(Lant)도 인덕터로 표현될 수 있다.

이때, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)과 신호배선(Lant)이 커플링 되도록 서로 인접 배치되어, 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)과 신호배선(Lant) 사이에는 상호 커패시턴스(Cm) 및 상호 인덕턴스(Lm)가 형성될 수 있다.

상기 커플러(120)에 의한 공진주파수(Fres)는 하기 수학식1에 와 같이 결정될 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, Coff는 오프상태인 션트 스위치 회로(SW1-2)의 커패시턴스, Cm은 상기 신호배선(Lant)과 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)간의 상호 커패시턴스이고, Lm은 상기 신호배선(Lant)과 상기 제1 커플링 배선(LCPL1)간의 상호 인덕턴스이고, Zo는 제1 신호포트(P1)의 고유 임피던스(선로 고유 임피던스)이다.

상기 수학식 1을 참조하면, 커플러 내장형 고주파 스위치 장치에서, 고주파 스위치 회로내 오프상태인 스위치는 커패시턴스(Coff)로 표현될 수 있다. 또한, 상기 수학식 1에서, 상기 상호 커패시턴스(Cm) 및 상호 인덕턴스(Lm)를 이용하여 커플러의 커플링 팩터 및 아이솔레이션 값을 설정할 수 있고, 상기 커패시턴스(Coff)는 상기 커플러의 커플링 팩터 및 아이솔레이션의 공진 포인트에 영향을 미칠 수 있다. 이를 고려해서, 상기 상호 커패시턴스(Cm) 및 상호 인덕턴스(Lm)가 결정될 수 있다.

일 예로, 커플러의 공진 주차수는 사용 주파수와 일치하도록 설정하는 경우에는 가장 우수한 커플링 특성을 확보할 수 있다.

또한, 도 10을 참조하면, 제1 신호포트(P1)를 통해 들어온 신호가 안테나포트에 접속된 안테나를 통해 송신될 때, 상기 커플러(120)에서 원신호가 간섭되어 보이는 정도를 커플링 팩터(Coupling Factor)라 하고, 이에 역방향(안테나포트에서 제1 신호포트(P1))으로 수신될 때 상기 커플러(120)에서 신호가 보이는 정도를 아이솔레이션(isolation)이라 하는 경우, 아이솔레이션(isolation)은 원하지 않는 신호이므로 낮은 값을 가질수록 좋다.

또한, 상호 커패시턴스(Cm)에 의한 커플링과는 달리, 상호 인덕턴스(Lm)에 의한 커플링은 커플러의 방향에 따른 위상 차이가 존재할 수 있다. 이와 같은 커플링 팩터(Coupling Factor)와 아이솔레이션(isolation)은 하기 수학식 2 및 수학식 3에 보인 바와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

[수학식 3]

상기 수학식 2 및 3에서, Vcpl은 커플링 전압이고, Vinput은 제1 신호포트(P1)를 통해 입력되는 입력전압이고, Voutput는 안테나포트를 통해 출력되는 출력전압이며, w는 각주파수(=2πf, f는 주파수)이다.

상기 수학식 2 및 3을 참조하면, 커플링 팩터(Coupling Factor)와 아이솔레이션(isolation) 각각의 상호 커패시턴스(Cm) 및 상호 인덕턴스(Lm)에 따라 결정될 수 있음을 알 수 있다.

도 11의 (a) 및 (b)는 기존 기술에 따라 PCB 기판에 형성되는 커플러 및 본 발명의 일 실시 에에 따른 IC 내장형 커플러에 대한 각 성능을 보이는 그래프이다.

도 11의 (a)에서, G11은 삽입손실(Insertion Loss) 특성 그래프이고, G12는 디렉티비티 특성(Directivity) 그래프이고, G13은 커플링 팩터의 특성 그래프이고, G14는 아이솔레이션의 특성 그래프이다.

또한, 도 11의 (b)에서, G21은 삽입손실(Insertion Loss) 특성 그래프이고, G22는 디렉티비티 특성(Directivity) 그래프이고, G23은 커플링 팩터의 특성 그래프이고, G24는 아이솔레이션의 특성 그래프이다.

일 예로, 도 11의 (a) 및 (b)에서 마크된 960Mhz에서의 커플러 성능을 비교해 보면, 도 11에서, G11은 -0.24[dB], G12는 -11.69[dB], G13은 -20.22[dB], G14는 -31.92[dB]이고, 도 12에서, G21은 -0.17[dB], G22는 -19.06[dB], G23은 -19.31[dB], G24는 -38.37[dB]이다.

도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 삽입손실이 -0.24[dB]에서 -0.17[dB]로 0.07[dB] 정도 상승되는 등, 본 발명의 일 실시 예에 따른 IC 기반의 커플러의 성능이, 기존의 PCB기반의 커플러 성능보다 개선되었음을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 IC 기반의 커플러는, 기존의 PCB기반의 커플러보다 90% 정도 공간을 절약할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러 내장형 고주파 스위치 회로 및 장치는 주파수 분할 다중화(FDD) 통신방식에도 이용할 수 있으나, 시분할 다중화(TDM) 통신방식에 더 적합할 수 있다.

그 이유는 복수의 밴드 경로마다 사용하지 않고, 하나의 공통배선인 신호배선을 통해 신호를 검출하는 방식이므로, 사이즈 및 단가면에서 유리하다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 시분할 다중화(TDM) 통신방식에서는 어느 하나의 시점에서는 특정 대역 신호가 송수신되므로 하나의 공통배선인 신호배선을 통해서 주파수 분할 다중화(FDM) 통신방식보다는 보다 정확한 신호의 검출이 가능하기 때문이다.

100: 고주파 스위치 회로
110: 고주파 스위치
SWB1~SWBN: 제1~제N 밴드 스위치 회로
SW1-1: 제1 직렬 스위치
SW1-2: 제1 션트 스위치
120: 커플러
220: 단간 매칭회로
250: 출력 매칭회로
LCPL1: 제1 커플링 배선
LCPL2: 제2 커플링 배선

Claims

적어도 하나의 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속되어 제1 밴드신호를 스위칭하는 적어도 하나의 제1 밴드 스위치 회로를 포함하는 고주파 스위치; 및
상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제1 신호 커플링을 형성하는 제1 커플링 배선을 포함하는 커플러; 를 포함하고,
상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 상기 고주파 스위치의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 밴드 스위치 회로는
상기 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속된 제1 직렬 스위치 회로와 상기 제1 신호포트와 접지 사이에 접속된 제1 션트 스위치 회로를 포함하고,
상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 오프상태인 제1 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 커플러는,
상기 제1 커플링 배선과 이격 배치되고, 상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나에 연결되는 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제2 신호 커플링을 형성하는 제2 커플링 배선을 더 포함하고,
상기 제2 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제2 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 상기 제1 밴드 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제3항에 있어서, 상기 제1 밴드 스위치 회로는
상기 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속된 제1 직렬 스위치 회로와 상기 제1 신호포트와 접지 사이에 접속된 제1 션트 스위치 회로를 포함하고,
상기 제2 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제2 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 상기 제1 밴드 스위치 회로를 통해 전달되는 제1 밴드신호의 주파수와 일치하는 커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스, 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 커패시턴스 및 상호 인덕턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 커플러에 의한 공진주파수는
하기 수학식
[수학식]

에 의해 결정되고,
상기 수학식에서, Coff는 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스, Cm은 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 커패시턴스이고, Lm은 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 인덕턴스이고, Zo는 제1 신호포트의 고유 임피던스인
커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
제1항에 있어서, 상기 고주파 스위치와 상기 커플러는
동일 제작공정에 의해 하나의 집적회로 기판에 형성되어 하나의 집적회로로 구현된 커플러 내장형 고주파 스위치 회로.
적어도 하나의 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속되어 제1 밴드신호를 스위칭하는 적어도 하나의 제1 밴드 스위치 회로를 포함하는 고주파 스위치;
상기 공통 포트에 접속된 단간 매칭회로; 및
상기 단간 매칭회로와 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제1 신호 커플링을 형성하는 제1 커플링 배선을 포함하는 커플러; 를 포함하고,
상기 단간 매칭회로는 상기 고주파 스위치와 상기 커플러 사이에서 임피던스 매칭을 수행하고,
상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 상기 고주파 스위치의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 밴드 스위치 회로는
상기 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속된 제1 직렬 스위치 회로와 상기 제1 신호포트와 접지 사이에 접속된 제1 션트 스위치 회로를 포함하고,
상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는 커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 커플러는,
상기 제1 커플링 배선과 이격 배치되고, 상기 고주파 스위치의 공통 포트와 안테나에 연결되는 안테나포트 사이에 형성된 신호배선에 인접해서 배치되어, 상기 신호배선과 제2 신호 커플링을 형성하는 제2 커플링 배선을 더 포함하고,
상기 제2 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제2 커플링 배선에 의한 인덕턴스와, 상기 제1 밴드 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제11항에 있어서, 상기 제1 밴드 스위치 회로는
상기 제1 신호포트와 공통 포트 사이에 접속된 제1 직렬 스위치 회로와 상기 제1 신호포트와 접지 사이에 접속된 제1 션트 스위치 회로를 포함하고,
상기 제2 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제2 커플링 배선에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
상기 제1 커플링 배선에 의한 인덕턴스와, 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스에 기초하여 상기 제1 밴드 스위치 회로를 통해 전달되는 제1 밴드신호의 주파수와 일치하는 커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 커플링 배선에 의한 공진주파수는
오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스, 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 커패시턴스 및 상호 인덕턴스에 기초하여 결정되는
커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 커플러에 의한 공진주파수는
하기 수학식
[수학식]

에 의해 결정되고,
상기 수학식에서, Coff는 오프상태인 션트 스위치 회로의 커패시턴스, Cm은 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 커패시턴스이고, Lm은 상기 신호배선과 상기 제1 커플링 배선간의 상호 인덕턴스이고, Zo는 제1 신호포트의 고유 임피던스인
커플러 내장형 고주파 스위치 장치.
제9항에 있어서, 상기 고주파 스위치와 상기 커플러는
동일 제작공정에 의해 하나의 집적회로 기판에 형성되어 하나의 집적회로로 구현된 커플러 내장형 고주파 스위치 장치.