KR102541065B1 - S-파라미터 생성 장치 및 방법 - Google Patents

S-파라미터 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

S-파라미터 생성 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 S-파라미터 생성 장치는 N-포트 네트워크의 S-파라미터를 입력받는 S-파라미터 입력부; 및 S-파라미터 입력부로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고, Z-파라미터 성분 중 스파이스 모델 생성을 위해 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 파라미터 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

S-파라미터 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING S-PARAMETER}
본 발명은 S-파라미터 생성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 브로드밴드 스파이스(Broadband SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), BBS) 모델을 생성하는데 필요한 S-파라미터를 생성하는 S-파라미터 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 시간 도메인 시뮬레이션 런타임을 가속화하기 위해 브로드 밴드 스파이스(Broadband SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), BBS) 모델을 사용한다.
브로드밴드 스파이스 모델은 SPICE 호환 회로 시뮬레이터 또는 HPSPICE 시뮬레이터에 사용될 수 있다.
브로드밴드 스파이스 모델은 주파수 도메인인 N-포트 네트워크 S-파라미터(parameter)를 이용하여 시간 도메인 시뮬레이션에서 사용할 수 있는 수동(passive) 소자들로 이루어진 SPICE 모델이다.
이러한, 브로드밴드 스파이스 모델은 해당 브로드밴드 스파이스 모델을 추출하기 위해 사용된 S-파라미터에 상응하는 높은 정확도를 가져야 한다.
종래에는 브로드밴드 스파이스 모델을 추출하는 상용화 프로그램들이 있다.
그러나, N-포트 네트워크 S-parameter를 사용하여 BBS 모델을 추출하는 경우, 종래의 상용화 프로그램들은 N개의 모든 포트에 대해서 BBS 모델을 추출한다. 그 결과, 상용화 프로그램들을 이용하여 추출된 BBS 모델의 Z-파라미터 결과와, 이 브로드밴드 스파이스 모델을 추출하기 위해 사용된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환한 결과와 비교하였을 때, 두 결과 사이의 오차가 크다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-0859475호(2008.09.16)의 '파라미터의 직접 추출법으로 가변 커패시터를 모델링하는 방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고 Z-파라미터 성분 중 대상 포트의 Z-파라미터 성분만을 추출한 후 이 Z-파라미터 성분을 다시 S-파라미터로 변환하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성하는 S-파라미터 생성 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 S-파라미터 생성 장치는 N-포트 네트워크의 S-파라미터를 입력받는 S-파라미터 입력부; 및 상기 S-파라미터 입력부로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고, Z-파라미터 성분 중 스파이스 모델 생성을 위해 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 파라미터 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 스파이스 모델은 브로드밴드 스파이스 모델인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 파라미터 변환부는 상기 S-파라미터 입력부로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하는 S-파라미터 변환부; 상기 S-파라미터 변환부에 의해 변환된 Z-파라미터에서 상기 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출하는 Z-파라미터 성분 추출부; 및 상기 Z-파라미터 성분 추출부에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 Z-파라미터 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 대상 포트는 변경 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 파라미터 변환부로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성하는 모델 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 S-파라미터 생성 방법은 S-파라미터 변환부가 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하는 단계; Z-파라미터 성분 추출부가 상기 S-파라미터 변환부에 의해 변환된 Z-파라미터에서 기 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출하는 단계; 및 Z-파라미터 변환부가 상기 Z-파라미터 성분 추출부에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 대상 포트는 변경 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모델 생성부가 Z-파라미터 변환부로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 S-파라미터 생성 장치 및 방법은 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고 Z-파라미터 성분 중 대상 포트의 Z-파라미터 성분만을 추출한 후 이 Z-파라미터 성분을 다시 S-파라미터로 변환하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 S-파라미터 생성 장치 및 방법은 저주파수에서의 모델링 정확도를 향상시켜 높은 신뢰성을 가지는 시간 도메인 시뮬레이션이 가능하도록 하고, 시뮬레이션 속도도 크게 향상시킨다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 생성 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-파라미터 모식도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 관점에서 3번 포트와 4번 포트가 오픈 상태인 경우의 S-파라미터 모식도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-파라미터 관점에서 3번 포트와 4번 포트가 오픈 상태인 경우의 Z-파라미터 모식도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 생성 방법의 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-파라미터 생성 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터를 이용한 브로드밴드 스파이스 모델 추출 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 모식도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-파라미터 모식도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터를 이용한 브로드밴드 스파이스 모델 추출 장치는 S-파라미터 입력부(10), 파라미터 변환부(20), 및 모델 생성부(30)를 포함한다.
S-파라미터 입력부(10)는 N-포트 네트워크 회로로부터 S-파라미터를 입력받아 파라미터 변환부(20)에 입력한다.
본 실시예에서, N-포트 네트워크 회로가 4개의 포트를 구비한 것을 예시로 설명한다. 그러나, N-포트 네트워크 회로의 포트 개수는 특별히 한정되는 것은 아니다.
4-포트 네트워크 회로의 S-파라미터와 Z-파라미터는 다음과 같이 표현될 수 있다.
아래는 4-포트 네트워크 회로의 S-파라미터이다.
Figure 112021074208053-pat00001
4-포트 네트워크 회로의 S 파라미터는 네트워크 회로의 입력과 출력과의 관계를 나타낸다. S-파라미터는 행렬로 나타내어질 수 있으며, 16개의 S-파라미터 성분을 가진다.
도 2 에는, 상기한 S-파라미터 모식도가 도시되었다.
여기서, bk는 k번째 포트로 들어가는 반사파이고, ak는 k번째 포트에서 나가는 입사파이다.
다음은 4-포트 네트워크 회로의 Z-파라미터이다.
Figure 112021074208053-pat00002
4-포트 네트워크 회로의 Z-파라미터는 4-포트 네트워크 회로에서의 임피던스이며, 16개의 Z-파라미터 성분을 가진다.
4-포트 네트워크 회로의 Z-파라미터는 상기한 S-파라미터로부터 행렬 연산을 통해 변환될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
여기서, Vk는 k번째 포트의 전압이고, Ik는 k번째 포트의 전류이다.
도 3 에는, Z-파라미터의 모식도가 도시되었다.
파라미터 변환부(20)는 S-파라미터 입력부(10)로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고 Z-파라미터 성분 중 사용자에 의해 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분만을 추출한 후 이 Z-파라미터 성분을 다시 S-파라미터로 변환한다.
대상 포트는 사용자에 의해 선택되어진 포트이다. 대상 포트는 적어도 하나 이상이 선택되어질 수 있으며, 사용자에 의해 변경 가능하다.
예컨대, 사용자는 전체 포트 중 일부 포트에 대해서만 모델링을 수행하고자 하는 경우, 전체 포트 중 특정 포트, 즉 대상 포트만을 선택할 수 있다. 4-포트 네트워크 회로인 경우에는, 사용자는 대상 포트를 1개 내지 4개를 선택할 수 있다.
S-파라미터 변환부(21)는 S-파라미터 입력부(10)로부터 입력된 S-파라미터를 행렬 연산을 통해 아래와 같이 Z-파라미터로 변환한다.
Figure 112021074208053-pat00003
여기서, S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하는 것은 당업자에게 자명한 사항이므로, 본 실시예에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
Z-파라미터 성분 추출부(22)는 S-파라미터 변환부(21)에 의해 변환된 Z-파라미터에서 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출한다.
Z-파라미터 성분 추출부(22)는 사용자의 선택명령에 따라 대상 포트가 선택되어지면, 해당 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출한다.
Z-파라미터 변환부(23)는 Z-파라미터 성분 추출부(22)에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 행렬 연산을 통해 S-파라미터로 변환한다.
여기서, Z-파라미터를 S-파라미터로 변환하는 것은 당업자에게 자명한 사항이므로, 본 실시예에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 관점에서 3번 포트와 4번 포트가 오픈 상태인 경우의 S-파라미터 모식도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-파라미터 관점에서 3번 포트와 4번 포트가 오픈 상태인 경우의 Z-파라미터 모식도이다.
도 2 와 도 3 에는 S-파라미터와 Z-파라미터의 모식도가 도시되었다.
여기서, 사용자가 포트 1과 포트 2 상호간의 특성을 확인하고자 하는 경우, 즉 사용자가 포트 1과 포트 2만을 브로드밴드 스파이스 모델링을 생성하고자 포트 1과 포트 2를 선택하면, 나머지 포트 3과 포트 4는 오픈(Open) 상태가 된다.
S-파라미터 관점에서, 포트 3과 포트 4가 오픈되면, 무한대 임피던스로 간주할 수 있다. 따라서, 반사계수가 1이므로, a3=b3이고, b4=b4이다.
도 4 에는 포트 3과 포트 4가 오픈 상태인 경우, S-파라미터의 모식도가 도시되었다.
도 4 를 참조하면, S-파라미터를 이용하여, 포트 1과 포트 2 간의 브로드밴드 스파이스 모델을 추출하기 위해서는, S-파라미터의 모든 16개 성분들이 필요하다.
즉, 최초 입력된 S-파라미터를 이용하는 경우에는, 포트 1과 포트 2를 선택하더라도, S-파라미터의 모든 16개 성분들이 필요하다. 이는 모델링 정확도와 모델링 정확도가 저하될 수 있다.
반면에, 본 실시예에 따르면, 전체 포트 중 일부 포트에 대해서만 모델링을 수행하는 경우, 해당 대상 포트만을 선택하여 모델링을 수행할 수 있도록 함으로써, 모델링 정확도를 향상시켜 높은 신뢰성을 가지는 시간 도메인 시뮬레이션이 가능하도록 하고, 시뮬레이션 속도도 크게 향상시킨다.
먼저, S-파라미터 입력부(10)가 아래와 같은 S-파라미터를 입력받는 것을 가정한다.
Figure 112021074208053-pat00004
이 경우, S-파라미터 변환부(21)는 S-파라미터 입력부(10)로부터 입력된 S-파라미터를 아래와 같이 Z-파라미터로 변환한다.
Figure 112021074208053-pat00005
이 상태에서, 사용자가 포트 1과 포트 2만을 브로드밴드 스파이스 모델링을 생성하고자 포트 1과 포트 2를 대상 포트로 선택하면, Z-파라미터 성분 추출부(22)는 S-파라미터 변환부(21)에 의해 변환된 Z-파라미터에서 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 아래와 같이 추출할 수 있다.
Figure 112021074208053-pat00006
이 경우, Z-파라미터 관점에서, 포트 3과 포트 4는 오픈(Open) 상태가 된다. 즉, Z-파라미터 관점에서, 포트 3과 포트 4가 오픈 상태이면, I3=I4=0이다.
도 5 에는 포트 3과 포트 4가 오픈 상태인 경우, Z-파라미터의 모식도가 도시되었다.
도 5 를 참조하면, 포트 3과 포트 4가 오픈 상태로서 I3=I4=0이면, 포트 1과 포트 2 간의 브로드밴드 모델을 생성하기 위해서는, 4개의 Z-파라미터의 성분만이 필요함을 알 수 있다.
이에, Z-파라미터 변환부(23)는 4개의 Z-파라미터의 성분을 아래와 같이 S-파라미터로 변환한다.
Figure 112021074208053-pat00007
이 경우, 변환된 S-파라미터의 각 성분은 최초 S-파라미터 입력부(10)로부터 입력된 S-파라미터의 성분과는 상이하다.
이어, Z-파라미터 변환부(23)는 상기한 바와 같이 변환된 S-파라미터를 모델 생성부(30)에 입력한다.
즉, 본 실시예에 따르면, 기존의 16개의 S-파라미터보다 적은 4개의 S-파라미터를 브로드밴드 스파이스 모델 생성에 이용되게 된다.
모델 생성부(30)는 Z-파라미터 변환부(23)로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 브로드밴스 스파이스 모델을 생성한다.
여기서, 스파이스(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, SPICE) 모델은 전자회로 해석 프로그램이다. 이러한 스파이스(SPICE)를 이용하여 트랜지스터의 동작점, 과도특성 및 주파수응답 해석은 물론 전기,전자회로에 대한 복잡하고 다양한 해석이 가능하다. 특히 저항, 콘덴서, 인덕터 등의 수동 소자와 다이오드, 트랜지스터 등의 능동소자에 대한 모델을 방대하게 자료화하여 학계는 물론 업계에서도 수많은 전자전기 회로설계 분야에 응용되어진다.
스파이스(SPICE)의 기본 해석 알고리즘은 각 소자들이 연결되는 노드(node)를 기준으로 시간 영역의 에너지 분포를 반복계산함으로써, 각 노드(node)에 알맞게 수렴되는 전압/전류의 비를 계산하여 전체 회로의 동작 결과를 예측하는 원리를 가진다.
여기서, 스파이스 모델은 소자의 전기적 특성을 정확하게 나타내고 있으면 회로 설계상 오류가 나타나지 않을 수 있도록 하며, 이러한 소자는 상기한 바와 같이 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 스파이스 모델은 SPICE 호환 회로 시뮬레이터 또는 HPSPICE 시뮬레이터에 사용되는 브로드밴드 스파이스 모델일 수 있다.
이에, 모델 생성부(30)는 Z-파라미터 변환부(23)로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 SPICE 호환 회로 시뮬레이터 또는 HPSPICE 시뮬레이터에 사용되는 브로드밴드 스파이스 모델을 생성한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 생성 방법을 도 6 을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터를 이용한 브로드밴드 스파이스 모델 추출 방법의 순서도이다.
도 6 을 참조하면, S-파라미터 입력부(10)는 N-포트 네트워크로부터 S-파라미터를 입력받아 파라미터 변환부(20)에 입력한다(S10).
S-파라미터 변환부(21)는 S-파라미터 입력부(10)로부터 입력된 S-파라미터를 행렬 연산을 통해 Z-파라미터로 변환한다(S20).
이에 따라, Z-파라미터 성분 추출부(22)는 S-파라미터 변환부(21)에 의해 변환된 Z-파라미터에서 사용자에 의해 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출한다(S30).
이 경우, 대상 포트는 적어도 하나 이상이 선택되어질 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다.
Z-파라미터 변환부(23)는 Z-파라미터 성분 추출부(22)에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 행렬 연산을 통해 S-파라미터로 변환하고(S40), 변환된 S-파라미터를 모델 생성부(30)에 입력한다.
모델 생성부(30)는 Z-파라미터 변환부(23)로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 SPICE 호환 회로 시뮬레이터 또는 HPSPICE 시뮬레이터에 사용되는 브로드밴드 스파이스 모델을 생성한다(S50).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 생성 장치 및 방법은 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고 Z-파라미터 성분 중 대상 포트의 Z-파라미터 성분만을 추출한 후 이 Z-파라미터 성분을 다시 S-파라미터로 변환하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 S-파라미터 생성 장치 및 방법은 저주파수에서의 모델링 정확도를 향상시켜 높은 신뢰성을 가지는 시간 도메인 시뮬레이션이 가능하도록 하고, 시뮬레이션 속도도 크게 향상시킨다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: S-파라미터 입력부 20: 파라미터 변환부
21: S-파라미터 변환부 22: Z-파라미터 성분 추출부
23: Z-파라미터 변환부 30: 모델 생성부

Claims (8)

  1. N-포트 네트워크의 S-파라미터를 입력받는 S-파라미터 입력부; 및
    상기 S-파라미터 입력부로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하고, Z-파라미터 성분 중 스파이스 모델 생성을 위해 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 파라미터 변환부를 포함하고,
    상기 파라미터 변환부는 상기 S-파라미터 입력부로부터 입력된 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하는 S-파라미터 변환부; 상기 S-파라미터 변환부에 의해 변환된 Z-파라미터에서 상기 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출하는 Z-파라미터 성분 추출부; 및 상기 Z-파라미터 성분 추출부에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 Z-파라미터 변환부를 포함하며,
    상기 대상 포트는 전체 포트 중 모델링 대상이 되는 포트이며, 상기 전체 포트 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스파이스 모델은
    브로드밴드 스파이스 모델인 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 대상 포트는 변경 가능한 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 파라미터 변환부로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성하는 모델 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 장치.
  6. S-파라미터 변환부가 S-파라미터를 Z-파라미터로 변환하는 단계;
    Z-파라미터 성분 추출부가 상기 S-파라미터 변환부에 의해 변환된 Z-파라미터에서 기 선택된 대상 포트의 Z-파라미터 성분을 추출하는 단계; 및
    Z-파라미터 변환부가 상기 Z-파라미터 성분 추출부에 의해 추출된 Z-파라미터 성분을 S-파라미터로 변환하는 단계를 포함하며,
    상기 대상 포트는 전체 포트 중 모델링 대상이 되는 포트이며, 상기 전체 포트 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 대상 포트는 변경 가능한 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 모델 생성부가 Z-파라미터 변환부로부터 입력된 S-파라미터를 이용하여 브로드밴드 스파이스 모델을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 S-파라미터 생성 방법.
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