KR19990000905A

KR19990000905A - 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기

Info

Publication number: KR19990000905A
Application number: KR1019970024037A
Authority: KR
Inventors: 올레그포즈디프; 최두헌; 정순철
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-01-15
Also published as: BR9801412A; CN1202020A; US6115594A; KR100223375B1

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

광대역 주파수 특성을 가지는 주파수변환기를 구현한다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 주파수변환기의 주파수 대역 특성에 가장 영향을 미치던 스트립라인과 슬롯라인으로 구성된 바룬을 아래와 같이 보완한 주파수변환기를 제안한다. 종래 기술에서의 λ/4 단락 슬롯라인을 주파수에 무관하게 개방회로가 양쪽 끝단에 종단되는 슬롯라인으로 대치하며, 종단시키는 수단으로 내부의 기판을 제거한 링 공진기를 사용한다. 또한 종래 기술에서의 각 스트립 라인을 끝이 결합되는 두개의 분리된 스트립 라인으로 대치한다.

라. 발명의 중요한 용도

마이크로웨이브 시스템.

Description

마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기

본 발명은 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기에 관한 것으로, 특히 광 주파수대역 특성을 가지는 주파수변환기의 구조에 관한 것이다.

마이크로웨이브(Microwave)시스템이나 레이다(Radar)시스템 등에는 중간주파수(Intermediate Frequency)신호를 고주파수(Radio Frequency)신호로 변환하기 위한 주파수변환기(Frequency Converter or Mixer) 및 RF신호를 IF신호로 변환하여 출력하기 위한 수신용 주파수변환기가 필수적으로 채택되어 이용되고 있다. 상기 주파수변환기들은 전형적으로 다이오드(diode)로 구현될 수 있다. 최근에는 이러한 주파수변환기들에 마이크로스트립(microstrip) 라인을 사용하는 방법이 적용되어 널리 이용되고 있는 추세에 있다.

도 1은 마이크로스트립 라인을 사용하여 구현된 종래 기술에 따른 주파수변환기의 구조를 보여주는 도면이다. 상기 주파수변환기는 마이크로스트립 라인과 슬롯라인으로 구현된 바룬(balun: balanced and unbalanced line converter)을 사용한 두 개의 평형 주파수변환기(balanced mixer)로 제작된 예로, 이에 대한 보다 구체적인 구성 및 동작에 대한 설명은 U.S. Pat. No. 4,392,250, issued July 5, 1983, entitled Symmetric Microwave Mixer하에 상세하게 개시되어 있다.

도 1을 참조하면, 위상차가 90°이며 동일한 고주파(RF)신호세기를 갖는 두 개의 국부발진신호 LO는 마이크로스트립 라인 22,24를 통하여 불평형(unbalance)형태로 쿼드다이오드(Quad Diodes) 32에 인가된다. 이와 달리 RF신호는 마이크로스트립 라인 26을 통하여 평형(balance)형태로 쿼드다이오드 32에 인가된다. 이때 쿼드다이오드 32에 실장되는 각 다이오드간의 거리를 최소화하여 두 개의 평형 주파수변환기(balanced mixer)간의 거리가 영(zero length)에 가깝도록 하면, 허수부 임피던스(Image Impedance)의 변화를 적게 할 수 있으며, 결과적으로 주파수 변동에 따른 변환손실을 적게 할 수 있다. 또한 상기 주파수변환기에서 신호가 인가되는 전송선로는 직교하게 되므로 불필요한 커플링을 방지하는 효과가 있다.

그러나 상기 도 1에 도시된 바와 같이 이루어지는 주파수변환기의 동작주파수 대역이 λ/4 개방 스트립라인 28과 스트립 12,16,14,18로 구성된 λ/4 단락 슬롯라인의 주파수 특성에 따라 약 1옥타브(octave)로 제한된다는 단점이 있다. 보다 구체적으로 말하면, 주파수변환기 설계시 중심주파수를 fo라고 할 때, 2fo에서 단락된 슬롯라인은 무한대의 어드미턴스(Admittance) 특성을 나타내고, 개방된 스트립라인은 무한대의 임피던스(Impedance) 특성을 나타냄으로 인하여 국부발진신호 LO 및 RF신호가 정상적으로 쿼드다이오드 32에 인가되지 않게 된다. 이와 같이 국부발진신호 및 RF신호가 쿼드다이오드에 인가되지 않는다는 사실은 주파수변환기가 정상적으로 동작할 수 없다는 것을 의미한다.

따라서 본 발명의 목적은 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기의 동작주파수 대역을 확장시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기의 각 포트의 주파수에 따른 임피던스의 변화를 최소화시키는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기의 기판제작 공정에 기인한 오차의 영향을 줄이는데 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 주파수변환기의 주파수 대역 특성에 가장 영향을 미치던 스트립라인과 슬롯라인으로 구성된 바룬을 아래와 같이 보완한 주파수변환기를 제안한다. 종래 기술에서의 λ/4 단락 슬롯라인을 주파수에 무관하게 개방회로가 양쪽 끝단에 종단되는 슬롯라인으로 대치하며 종단시키는 수단으로 내부의 기판을 제거한 링공진기를 사용한다. 또한 종래 기술에서의 각 스트립 라인을 끝이 결합되는 두 개의 분리된 스트립 라인으로 대치한다.

도 1은 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 종래 기술에 따른 주파수변환기의 구조를 보여주는 도면.

도 2는 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 본 발명에 따른 주파수변환기의 구조를 보여주는 도면.

도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 주파수변환기를 그의 하부면을 기준으로 보여주는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 주파수변환기의 구현에 사용된 원리를 설명하기 위한 도면.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 제안된 주파수변환기의 실제 제작의 예를 보여주는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의내려진 용어들로서 이는 사용자 또는 칩설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 본 발명에 따른 주파수변환기의 구조를 보여주는 분리사시도로서, 상부면(ABOVE) 70과 하부면(BELOW) 72으로 이루어지는 기판의 형태로 구조된다. 상기 상부면 70은 접지패널(ground panel)을 나타내며, 이 면의 위에는 마이크로스트립 라인(microstrip line) 74와, 두 개의 분리된 스트립 라인(splitted strip line) 76,78과, 마이크로스트립 라인 80,82가 구조된다. 상기 마이크로스트립 라인 74는 상부면 70의 좌우방향을 기준으로 하여 그 중앙에 구조되는 것으로, 고주파(RF)신호를 입력으로 한다. 스트립 라인 76,78 각각은 상기 마이크로스트립 라인 74를 기준으로 하여 좌측 및 우측에 서로 분리되어 구조된다. 이때 스트립 라인 76,78은 링의 형태로 구조되며, 그 종단에는 마이크로스트립 라인 80,82가 각각 결합되어 국부발진신호 LO를 입력하고 중간주파수(IF)신호를 출력한다. 상기 마이크로스트립 라인 74와, 스트립 라인 76,78과, 마이크로스트립 라인 80,82는 유전체 층(dielectric substrate)으로 구현되는 것으로, 일예로 테프론(teflon)으로 구현될 수 있다. 상기 하부면 72는 상부면 70에 대향하여 결합되는 것으로 유전체 층으로 구현된다. 이 하부면 72에는 링공진기(ring resonator) 84,86과, 슬롯라인(slot line) 88이 구조된다. 그리고 미설명한 상부면 70상의 홀(hole)들 91∼93 각각은 하부면 72상의 홀들 94∼96 각각과 연결되는 것으로, 후술될 도 3a에 도시된 쿼드다이오드(quad-diode)(D1∼D4) 98이 이 홀들에 연결된다.

도 3a는 도 2에 도시된 주파수변환기의 하부면에 쿼드다이오드(D1∼D4) 98이 연결됨을 보여주는 도면으로, 홀 94에는 다이오드 D3 및 D4의 순방향단자가 연결되고, 홀 95에는 다이오드 D4의 역방향단자와 다이오드 D1의 순방향단자가 연결되고, 홀 96에는 다이오드 D3의 역방향단자와 다이오드 D2의 순방향단자가 연결된다. 이러한 쿼드다이오드 98은 RF신호와 LO신호를 수신하여 RF신호와 LO신호의 주파수 차이에 해당하는 주파수에서의 IF신호를 포함하는 다수의 주파수신호들을 생성 출력하는 기능을 수행하는 것이다. 이러한 구조, 즉 쿼드다이오드가 주파수변환의 기능을 수행한다는 사실은 이미 잘 알려진 기술이다.

도 3b는 도 2에 도시된 주파수변환기의 구조를 그의 하부면을 기준으로 하여 보여주는 도면이다. 도 3b에 도시된 바와 같이 실선으로 나타내어지는 링공진기 84,86과, 슬롯라인 88은 하부면에 구현되며, 점선으로 나타내어지는 마이크로스트립 라인 80,82와, 스트립 라인 76,78과, 마이크로스트립 라인 74는 상부면에 구현된다. 이때 마이크로스트립 라인 74로는 RF신호가 인가되고, 마이크로스트립 라인 80 및 82로는 캐패시터 C1 및 C2를 통한 국부발진신호 sin LO 및 cos LO가 각각 인가된다. 그리고 마이크로스트립 라인 80 및 82를 통한 IF신호는 각각 인덕터 L1 및 L2를 통해 출력된다. 즉, 국부발진신호의 입력경로와 IF신호의 출력경로는 동일하다.

상기 도 2, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 주파수변환기의 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 본 발명의 주파수변환기는 종래 기술의 주파수변환기와 같이 λ/4단락 슬롯라인을 사용하는 것이 아니고, 주파수에 영향을 받지 않는 개방회로(frequency independent open circuit)가 종단되는 영의 길이(zero length)를 가지는 슬롯라인 88을 사용하고 있다. 이때 슬롯라인 88을 종단시키는 수단으로는 그 내부의 영역이 제거된 링공진기 84,86이 이용된다. 이러한 슬롯라인 88을 사용하는 이유는 보다 확장된 주파수대역 특성, 즉 광대역 주파수대역 특성을 얻기 위한 것으로, 이와 같이 될 수 있는 원리는 후술될 도 4에서 설명될 것이다. 그리고 본 발명의 링공진기 84,86의 내부 영역은 제거되어 있는데, 이는 전력분산(dispersion)의 방지를 위한 것이다.

둘째, 본 발명의 주파수변환기는 종래 기술에서의 스트립 라인을 사용하는 대신에 종단이 결합되는 두 개의 분리된 스트립 라인 76,78을 사용하고 있다. 즉, 본 발명의 스트립 라인 76,78 각각의 종단에는 마이크로스트립 라인 80,82가 결합된다.

도 4는 본 발명에 따른 주파수변환기의 구현에 사용된 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 슬롯라인 88은 마이크로스트립 라인 74와 병렬의 T접합(parallel T-junction) 바룬을 형성한다. 참고적으로 종래 기술의 슬롯라인은 λ/4 단락 슬롯라인을 형성하고 마이크로스트립 라인과는 직렬의 T접합을 형성한다. 이와 같이 본 발명의 주파수변환기는 λ/4 단락 슬롯라인을 사용하는 대신에 마이크로스트립 라인 74와 병렬의 T접합 바룬을 형성하고 있는 슬롯라인 88을 사용하고 있으며, 이 슬롯라인의 종단에는 주파수에 영향을 받지않는 개방회로, 즉 링공진기 84,86이 연결되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 슬롯라인으로 병렬의 T접합 바룬을 이루는 슬롯라인을 사용하고, 그 종단에 개방회로를 연결함으로써 보다 확장된 주파수대역 특성을 얻을 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 배경 이론은 K.C.Gupta, Ramesh Garg, et al., MICROSTRIP LINES AND STRIPLINES, 2nd edition, pp. 306∼315하에 개시되어 있는 사실이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 제안된 주파수변환기의 실제 제작의 예를 보여주는 도면이다. 상기 도 5a는 본 발명에 따른 주파수변환기의 평면도이고, 도 5b는 저면도이다. 일예로, 가공이 용이한 테프론을 유전체로 사용하는 주파수변환기를 구현한 결과 동작주파수 대역 1.6∼10.2[GHz]에서 변환손실 7.5dB를 얻었으며, 허수부 임피던스의 억제를 -17dBc 이상으로 할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 주파수변환기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

마이크로스트립 라인 80,82로 전파되는 불평형(unbalance)형태의 LO신호는 두 개의 분리된 스트립 라인 76,78과, 홀 92,93을 통해 쿼드다이오드 98의 다이오드 D2,D3에 인가된다. 이와 달리 마이크로스트립 라인 74로 전파되는 RF신호는 zero length 슬롯라인 88을 통하여 쿼드다이오드 98에 평형(balance)형태로 인가된다. 이에 따라 쿼드다이오드 98은 주파수변환의 동작을 수행하고, 그 수행결과인 IF신호를 출력한다. 상기 IF신호는 LO신호가 입력된 경로와 동일한 경로를 통하여 출력된다.

이러한 변환동작시 슬롯라인 88의 양쪽 종단에는 개방종단회로인 링공진기 84,86이 각각 연결되어 있으므로 변환출력 주파수는 광대역 특성을 갖게 된다. 또한 마이크로스트립 라인 74로 인가되는 RF신호는 홀 91,94를 통하여 쿼드다이오드 98에 직접 연결되므로 넓은 주파수대역에서 양호한 임피던스 정합을 가능하게 한다.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 주파수변환기는 각 포트의 주파수에 따른 임피던스 변화를 최소화하며, 또한 기판 제작공정에 기인한 오차의 영향을 줄일 수 있는 이점이 있다. 그리고 또한 전기적으로 상당한 길이를 가지는 슬롯라인과 스트립라인에 의한 동작주파수 대역이 제한되는 문제도 해소하는 이점이 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기에 있어서,

고주파신호의 입력을 위한 제1 마이크로스트립 라인과 슬롯라인이 병렬 T접합을 형성하는 바룬과,

상기 제1 마이크로스트립 라인을 기준위치로 하여 양쪽방향으로 분리되어 위치되는 제1 및 제2 스트립 라인과,

상기 제1 및 제2 스트립 라인의 종단에 각각 결합되어 국부발진신호의 입력 및 중간주파수신호의 출력을 위한 경로를 제공하는 제2 및 제3 마이크로스트립 라인과,

상기 슬롯라인의 종단에 각각 연결되는 제1 및 제2 개방 종단회로와,

상기 슬롯라인에 단자 1쌍이 연결되고 상기 제2 및 제3 마이크로스트립 라인에 다른 단자 1쌍이 연결되어 고주파신호와 국부발진신호를 입력한 후 대응하는 중간주파수신호를 변환 출력하는 쿼드다이오드로 이루어짐을 특징으로 하는 주파수변환기.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 개방 종단회로가 각각 링공진기로 구현됨을 특징으로 하는 주파수변환기.
제2항에 있어서, 상기 링공진기의 내부 영역이 제거됨을 특징으로 하는 주파수변환기.
마이크로웨이브 시스템에 사용하기 위한 주파수변환기에 있어서,

상기 주파수변환기는 접지패널의 상부면과 유전체 층의 하부면으로 구조되며,

상기 상부면에는;

고주파신호의 입력을 위한 제1 마이크로스트립 라인과,

상기 제1 마이크로스트립 라인을 기준위치로 하여 양쪽방향으로 분리되어 위치되는 제1 및 제2 스트립 라인과,

상기 제1 및 제2 스트립 라인의 종단에 각각 결합되어 국부발진신호의 입력 및 중간주파수신호의 출력을 위한 경로를 제공하는 제2 및 제3 마이크로스트립 라인이 각각 유전체층으로 구조되며;

상기 하부면에는;

상기 제1 마이크로스트립 라인과 병렬 T접합을 형성하는 슬롯라인과,

상기 슬롯라인의 종단에 각각 연결되는 제1 및 제2 개방 종단회로가 구조되며;

상기 하부면에는 상기 슬롯라인에 단자 1쌍이 연결되고 상기 제2 및 제3 마이크로스트립 라인에 다른 단자 1쌍이 연결되어 고주파신호와 국부발진신호를 입력하여 대응하는 중간주파수신호를 변환 출력하는 쿼드다이오드가 실장됨을 특징으로 하는 주파수변환기.
제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 개방 종단회로가 각각 링공진기로 구현됨을 특징으로 하는 주파수변환기.
제5항에 있어서, 상기 링공진기의 내부 영역이 제거됨을 특징으로 하는 주파수변환기.