KR102435717B1 - 외부전압에 균일한 특성을 갖는 rf 안테나 튜닝 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치에 관한 것으로, LDO(Low voltage dropout)을 구비하여 외부전압이 변화(1.6~2.5V)할지라도 온도에 일정한 출력 특성을 갖는 내부전압을 생성하고, 이를 Voltage Doubler와 NCP(Negative Charge Pump)를 통해 공급함으로써, RF core cells을 이루는 series & shunt branches에 균일한 전원을 인가하여 변화하는 외부전압에도 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치를 구현할 수 있게 된 효과가 있다.

Description

외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치{RF ANTENNA TUNING SWITCH WITH UNIFORM CHARACTERISTICS TO EXTERNAL VOLTAGE}
본 발명은 안테나 튜닝 스위치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치에 관한 것이다.
최근 무선 데이터의 사용량이 폭증하고, 5G 혹은 MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 무선통신에 대한 서비스가 가속화됨과 동시에 사용자 측면에서 고효율 RF 송신기에 대한 요구도 증대됨에 따라, 다중대역 통신이 가능할 수 있도록 통신시스템이 개선되고 있다.
특히, 다중대역 안테나를 이용하여 대중대역 통신을 지원할 경우, 안테나의 개수가 증가하여 휴대폰 단말기의 크기 및 가격이 증가하는 단점을 가지게 된다. 따라서 최근 상용화된 5G 휴대폰 단말기 내부에는 TRx단과 안테나 사이에 RF tuning switch를 적용하여 단일한 안테나를 사용하면서도 효율적으로 안테나 임피던스를 변화시켜 다중대역 통신을 지원 가능할 수 있도록 도 1처럼 하드웨어를 설계하고 있다.
일반적으로, RF 안테나 튜닝 스위치는 필연적으로 휴대폰 단말기마다 다르게 지원하는 통신대역과 나라별 통신대역 등이 다르기 때문에, 고정적인 임피던스를 적용하기 보다는 임피던스가 가변될 수 있도록 설계된다.
한편, 종래 RF 스위치는, 도 2와 같이, RF 신호가 입력단(1)에 입력시 트랜지스터(10)가 갖는 기생 커패시턴스(소스와 게이트 사이 커패시턴스)가 고주파수에서 낮은 임피던스를 만들게 되고, 그 결과 입력 신호 성분이 트랜지스터(10)의 게이트로 빠지는 문제점(즉, 스위치 이득이 감소되는 문제점)을 해소하고자 series branch(100)에 별도의 제 2 게이트 저항(Rgt, 40)을 달아주게 된다. 이때, 제 2 게이트 저항(Rgt, 40)은 Rg, Rb와 같은 수십 ㏀의 고저항이다.
제 2 게이트 저항(Rgt, 40)으로 트랜지스터(10)의 입력 임피던스를 높여 보다 우수한 ac-block 특성을 확보함으로써, 스위치 이득은 확보되지만, 트랜지스터의 게이트 저항이 너무 증가하게 되어 채널에 게이트 전압의 인가시간이 증가하게 되는 단점, 즉 트랜지스터의 turn-on time(스위치 온타임)이 증가되는 문제점이 있었다. 이에, 본 발명자는 제 2 게이트 저항(Rgt)을 제거하고 대신 LC 공진기를 달아 특정 주파수(예컨대, RF 신호의 기본 주파수 f0)에서 무한대의 임피던스를 가지게 하여, 우수한 ac-block 특성을 유지함은 물론 고속의 스위치 온타임 특성을 확보할 수 있는 RF 스위치를 제안하여 한국 특허 제10-2234905호로 등록받은 바 있다.
상기 특허에서는 RF core cells을 이루는 series & shunt branches(100, 200)에 ±2.5V로 공급된다고 가정하였으나, 실제 기존의 RF 안테나 튜닝 스위치는 단순히 외부전원을 공급받아 동작하기 때문에, 도 3과 같이, 외부전원(VDD 1.6~2,5V)을 인가받아 NCP(Negative Charge Pump, 400)와 Level shifter(300)를 거쳐 RF core cells을 이루는 series & shunt branches(100, 200)에 ±1.6~2,5V가 공급되어, 도 7과 같이, 입력 반사계수(a), 삽입손실(b), 격리도(c) 등 안테나의 전기적 특성에 변화가 발생하는 문제점이 있다.
즉, 도 3과 같이, 단순히 외부 공급전압만을 내부회로의 전원으로 사용할 경우, 전원전압이 낮을 경우 RF switch의 Ron(턴온저항)이 크고, 음전압이 낮기 때문에 Coff(오프 커패시턴스)가 증가하여 상기 전기적 특성이 열화되고, 이는 결국, 외부 전원전압에 따라 안테나의 전기적 특성이 크게 변화하여 안테나 스위치로서의 동작안정성이 결여되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 외부전압이 변화(1.6~2.5V)할지라도 온도에 일정한 출력 특성을 갖는 내부전압을 생성하고, 이를 Voltage Doubler(전압채배기)와 NCP를 통해 RF core cells을 이루는 series & shunt branches에 균일한 전원을 인가하여 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치는 가변하는 외부전압 입력단; 상기 외부전압 입력단의 공급전압을 일정 전압으로 낮추어 출력하는 LDO(Low voltage dropout); 상기 LDO의 출력전압을 2배로 올려서 출력하는 Voltage Doubler; 상기 Voltage Doubler의 출력전압을 입력받아 음의 전압으로 바꾸어 출력하는 NCP; 및 상기 Voltage Doubler의 출력전압과 상기 NCP의 출력전압을 입력받아 RF core cells에 동작전압으로 인가하는 Level shifter를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 LDO에는 선형레귤레이터와 온도에 일정한 출력특성을 갖는 BGR(Bandgap reference) 회로로 구성된 것을 본 발명에 의한 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.
상기 Voltage Doubler는 Nakagome 셀을 기반으로 하는 것을 본 발명에 의한 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.
상기 NCP는 양단이 접지된 접지선; 상기 접지선의 일측 접점과 입력단 사이에 직렬로 배치된 제 1, 2 스위치; 상기 접지선의 타측 접점과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제 3, 4 스위치; 상기 제 1, 2 스위치의 접점과 상기 제 3, 4 스위치의 접점 사이에 배치된 제 1 커패시터; 상기 접지선의 일측 접점과 출력단 사이에 배치된 제 2 커패시터; 및 상기 제 1 스위치 및 상기 제 3 스위치는 입력단에, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 4 스위치는 출력단에 각각 연결된 인버터를 포함하여 구성된 것을 본 발명에 의한 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.
본 발명은 LDO(Low voltage dropout)을 구비하여 외부전압이 변화(1.6~2.5V)할지라도 온도에 일정한 출력 특성을 갖는 내부전압을 생성하고, 이를 Voltage Doubler(전압채배기)와 NCP를 통해 공급함으로써, RF core cells을 이루는 series & shunt branches에 균일한 전원을 인가하여 변화하는 외부전압에도 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치를 구현할 수 있게 된 효과가 있다.
도 1은 기존 RF 안테나 튜닝 스위치의 동작을 보여주는 개념도이다.
도 2는 기존 RF core cells을 이루는 series & shunt branches의 회로도이다.
도 3은 기존 RF core cells의 전원공급단 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 RF core cells의 전원공급단 블록도이다.
도 5는 도 4의 Voltage Doubler에 대한 일 실시예를 보인 회로도이다.
도 6은 도 4의 NCP에 대한 일 실시예를 보인 회로도이다.
도 7은 기존 도 3의 VDD(외부전압) 변화에 따른 RF 스위치의 입력 주파수에 대한 입력 반사계수(a), 삽입손실(b) 및 격리도(c)의 변화정도를 보여주는 전기적 특성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로 도 4의 VDD(외부전압) 변화에 따른 RF 스위치의 입력 주파수에 대한 입력 반사계수(a), 삽입손실(b) 및 격리도(c)의 변화정도를 보여주는 전기적 특성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치는, 도 4과 같이, 가변하는 외부전압 입력단(VDD 1.6~2,5V); 상기 외부전압 입력단의 공급전압을 일정 전압으로 낮추어 출력하는 LDO(Low voltage dropout, 600); 상기 LDO의 출력전압을 2배로 올려서 출력하는 Voltage Doubler(500); 상기 Voltage Doubler의 출력전압을 입력받아 음의 전압으로 바꾸어 출력하는 NCP(400); 및 상기 Voltage Doubler의 출력전압과 상기 NCP의 출력전압을 입력받아 RF core cells(100, 200)에 동작전압으로 인가하는 Level shifter(300)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 LDO(600)은 가변하는 외부전압 입력단(VDD 1.6~2,5V)의 공급전압을 일정 전압으로 낮추어 출력하는 것이면 어떤 것도 가능하나, 도 4에 예시된 바와 같이, 선형레귤레이터와 BGR(Bandgap reference) 회로로 구성된 것이 온도에 일정한 출력특성, 예를 들어 1.6~2,5V의 가변 전압을 1.25V의 일정한 출력전압(510)으로 낮추어 출력할 수 있어 바람직하다.
상기 Voltage Doubler(500)는, 도 4와 같이, LDO(600)로부터 일정 출력전압(510)을 입력받아 2배로 올려서 출력하는 것(520, 예 1.25V를 2.5V로)이면 어떤 것도 가능하다. 구체적인 일 실시예로, 도 5의 회로 구성을 갖는 Nakagome 셀을 기반으로 함이 바람직하다. 도 5의 Nakagome 셀은 LDO(600)의 출력전압(510)을 VDD로 공급받아 출력전압(520)은 2VDD로 안정적으로 2배로 올려 출력함을 알 수 있다. 도 5의 Nakagome 셀 회로의 구체적 동작은 Nakagome, Y. 등이 발표한 논문(An experimental 1.5-V 64-Mb DRAM. IEEE J. Solid-State Circuits 1991, 26, pp. 465-472)을 참조할 수 있다.
또한, 상기 NCP(400)는 Voltage Doubler(500)의 출력전압(520)을 입력받아 음의 전압(양의 입력전압에 부호만 바뀐 음전압)으로 바꾸어 출력하는 것(450, 예 +2.5V를 -2.5V로)이면 어떤 것도 가능하다.
도 6은 상기 NCP(400)의 구체적인 일 실시예를 보인 회로도이다. 도 6을 참조하면, 상기 NCP(400)는 양단이 접지된 접지선(410); 상기 접지선의 일측 접점(412)과 입력단(520) 사이에 직렬로 배치된 제 1, 2 스위치(s1, s2); 상기 접지선(410)의 타측 접점(414)과 출력단(450) 사이에 직렬로 배치된 제 3, 4 스위치(s3, s4); 상기 제 1, 2 스위치의 접점(422)과 상기 제 3, 4 스위치의 접점(424) 사이에 배치된 제 1 커패시터(c1, 420); 상기 접지선(410)의 일측 접점(412)과 출력단(450) 사이에 배치된 제 2 커패시터(c2, 430); 및 상기 제 1 스위치(s1) 및 상기 제 3 스위치(s3)는 입력단에, 상기 제 2 스위치(s2) 및 상기 제 4 스위치(s4)는 출력단에 각각 연결된 인버터(440)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 6과 같이, NCP(400)의 회로가 구성되면, 인버터(440)의 입력단에 구형파를 입력하게 되면, 제 1, 3 스위치(s1, s3)와 제 2, 4 스위치(s2, s4)는 서로 반대로 동작하며 제 1, 2 커패시터(420, 430)에 의하여 안전하고 정확하게 입력전압(V+, 520)에 부호만 바뀐 음전압[-(V+), 450]으로 출력하게 된다. 즉, 인버터(440)의 입력단에 high 신호 입력시 제 1, 3 스위치(s1, s3)는 턴온(turn-on)되고 제 2, 4 스위치(s2, s4)는 턴오프(turn-off)되어 입력전압(V+, 520)은 제 1 커패시터(420)에 그대로 충전되다가, 인버터(440)의 입력단에 low 신호 입력시 반대로 제 1, 3 스위치(s1, s3)는 턴오프되고 제 2, 4 스위치(s2, s4)는 턴온되어 제 1 커패시터(420)에 충전된 양의 입력전압(V+, 520)은 제 2 스위치(s2)에 의하여 접지선(410)에 연결되면서 제 2 커패시터(430)로 반전된 음전압[-(V+), 450]으로 출력하게 된다.
상술한 실시예들에 의하여, 결국 외부전원(전압)의 변화에 상관없이 균일한 내부전압(예, ±2.5V)을 생성시켜 RF core cells을 이루는 series & shunt branches(100, 200)에 Level shifter(300)를 통해 인가할 수 있게 된다.
도 7은 기존 도 3의 VDD(외부전압) 변화에 따른 RF 스위치의 입력 주파수에 대한 입력 반사계수(a), 삽입손실(b) 및 격리도(c)의 변화정도를 보여주는 전기적 특성도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예로 도 4의 VDD(외부전압) 변화에 따른 RF 스위치의 입력 주파수에 대한 입력 반사계수(a), 삽입손실(b) 및 격리도(c)의 변화정도를 보여주는 전기적 특성도이다.
도 7과 도 8을 대비하여 살펴보면, 본 발명에 의할 경우, 입력 반사계수, 삽입손실 및 격리도 특성 모두에서 기존대비 최대 33.3% 만큼 전기적 특성이 개선됨을 정량적으로 확인할 수 있다. 특히, 도 7의 기존에는 전원전압의 변화에 따라 입력 반사계수 2.3%, 삽입손실 33.3%, 격리도 16.2%의 변화량이 존재하였지만, 본 발명의 도 8에서는 거의 변화가 없는 우수한 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
100. 200: RF core cells (series & shunt branches)
300: Level shifter
400: NCP(Negative Charge Pump)
500: Voltage Doubler
600: LDO(Low voltage dropout)

Claims (4)

  1. 가변하는 외부전압 입력단;
    상기 외부전압 입력단의 공급전압을 일정 전압으로 낮추어 출력하는 LDO(Low voltage dropout);
    상기 LDO의 출력전압을 2배로 올려서 출력하는 Voltage Doubler;
    상기 Voltage Doubler의 출력전압을 입력받아 음의 전압으로 바꾸어 출력하는 NCP; 및
    상기 Voltage Doubler의 출력전압과 상기 NCP의 출력전압을 입력받아 RF core cells에 동작전압으로 인가하는 Level shifter를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LDO에는 선형레귤레이터와 온도에 일정한 출력특성을 갖는 BGR(Bandgap reference) 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 NCP는 양단이 접지된 접지선;
    상기 접지선의 일측 접점과 상기 NCP의 입력단 사이에 직렬로 배치된 제 1, 2 스위치;
    상기 접지선의 타측 접점과 상기 NCP의 출력단 사이에 직렬로 배치된 제 3, 4 스위치;
    상기 제 1, 2 스위치의 접점과 상기 제 3, 4 스위치의 접점 사이에 배치된 제 1 커패시터;
    상기 접지선의 일측 접점과 상기 NCP의 출력단 사이에 배치된 제 2 커패시터; 및
    인버터의 입력단에 상기 제 1 스위치 및 상기 제 3 스위치가 연결되고, 상기 인버터의 출력단에 상기 제 2 스위치 및 상기 제 4 스위치가 연결되는, 상기 인버터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부전압에 균일한 특성을 갖는 RF 안테나 튜닝 스위치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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