KR20020041417A - Ｍｅｍ ｒｆ 스위치를 이용한 다중 비트 위상 시프터 - Google Patents

Ｍｅｍ ｒｆ 스위치를 이용한 다중 비트 위상 시프터 Download PDF

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KR20020041417A
KR20020041417A KR1020027002569A KR20027002569A KR20020041417A KR 20020041417 A KR20020041417 A KR 20020041417A KR 1020027002569 A KR1020027002569 A KR 1020027002569A KR 20027002569 A KR20027002569 A KR 20027002569A KR 20020041417 A KR20020041417 A KR 20020041417A
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circuit
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KR1020027002569A
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로버트 씨. 앨리슨
클립턴 퀀
브라이언 엠. 피어스
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글렌 에이치. 렌젠, 주니어
레이티언 캄파니
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    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Abstract

본 발명은 제어신호에 응답하는 복수의 MEM 스위치 (Micro-Electro- Mechanical switch)로 구성된 스위치 회로와 제1 및 제 2 RF 포트(104, 106)를 포함하는 RF 위상 시프터 회로에 관한 것이다. 스위치 회로는 개별적인 복수의 위상 편이값 중 1개를 선택하도록 배치되며, 이러한 위상 편이값은 위상 시프터 회로에 의해 제 1 및 제 2 RF 포트 사이를 통과하는 RF 신호에 인가된다. 회로는 SPMT (Single Pole Multiple Throw) 또는 MPMT (Multiple Pole Multiple Throw) 스위치 기능을 제공하도록 연결될 수 있다. SPMT 및 MPMT 스위치 회로는 스위칭 감쇠기(switchable attenuator), 스위칭 필터 뱅크(switchable filter banks), 스위칭 시간지연선(switchable time delay line), 스위치 매트릭스와 송/수신 RF MEM 스위치 등과 같은 다른 응용분야에 사용될 수 있다.

Description

ＭＥＭ ＲＦ 스위치를 이용한 다중 비트 위상 시프터{MULTI-BIT PHASE SHIFTERS USING MEM RF SWITCHES}
본 발명의 응용 분야를 예시적으로 들어보자면 우주 레이더 시스템, 위치 인식 레이더, 기상 레이더를 들 수 있다. 우주 레이더 시스템은 수십만 개의 전파방사 소자를 포함한 전자 스캔 안테나(electronically scan antenna; ESA)를 사용한다. 각각의 전파방사 소자에는, 예를 들어 3 내지 5비트의 위상 시프터가 있는데, 이들은 한 어레이로 배열되어 안테나 빔의 방향과 사이드 로브 특성(sidelobe properties)을 제어한다. 수십만 개의 위상 시프터를 사용하는 전자 스캔 안테나의 경우, 비용이 적게 들어야 하고 패키지와 설비장치를 포함한 무게가 매우 가벼워야 하며, 직류 전압을 거의 소비하지 않아야 하고 1dB 이하의 낮은 RF 손실을 가져야 한다. 레이더, 통신기기와 같은 우주 센서 응용기기에 있어서는, 공지된 기술로는 이러한 요구조건들을 충족시킬 수가 없다.
현재 RF 위상 시프터 응용기기에 사용되는 소자로는 페라이트(ferrites),PIN 다이오드, FET 스위치 소자를 들 수 있다. 이러한 소자들은 본 발명에 따라 제작된 소자보다 상대적으로 무겁고 보다 많은 직류 전력을 소모할 뿐 아니라 가격도 비싸다. RF 위상 시프터 회로를 PIN 다이오드나 FET 스위치로 구현하면 RF 경로에 직류 바이어스 회로를 부가할 필요가 생기기 때문에 보다 복잡해 진다. PIN 다이오드와 FET 스위치가 필요로 하는 직류 바이어스 회로는 위상 시프터의 주파수 성능을 제한하고 RF 손실을 증가시킨다. 현재 상용되는 송수신(T/R) 모듈을 가지고 전자 스캔 안테나 전부를 만드는 것은 비용이나 전력소모 면에서 바람직하지 않다. 즉, 현재 상용화되어 있는 소자의 무게, 비용, 성능으로는 예를 들어 5000개의 소자 이상의 대규모 전파방사 소자와 전기적으로 거대한 직경을 필요로 하는 전자 스캔 안테나에 요구되는 사항을 충족시킬 수가 없다.
본 발명의 다른 응용분야로는 스위칭 감쇠기(switchable attenuator), 스위칭 필터 뱅크(switchable filter banks), 스위칭 시간지연선(switchable time delay lines), 스위치 매트릭스와 송/수신 RF 스위치 등이 있다.
본 발명은 RF 응용분야에 있어서 위상 편이(phase shift)를 도입하는 기술에 관한 것이며, 특히 MEM 스위치(Micro-Electro-Mechanical switch : MEMS)를 이용한 위상 편이 기법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 특징에 따른 MEM 스위치 위상 시프터를 채택한 전자 스캔 안테나(ESA)의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 RF MEM 스위치의 단순화된 전기 회로도.
도 3a-3b는 본 발명의 RF MEM 스위치의 예시적인 구조를 열림(분리) 상태와 닫힘(신호 전달) 상태에서 도식화하여 나타낸 측면도.
도 3c는 본 발명의 RF MEM 스위치의 구조를 나타낸 상면도.
도 4a는 본 발명의 MEM 스위치를 구현하는 1비트 하이브리드 스위칭 라인 위상 편이 섹션(hybrid switched line phase shift section)을 개략적으로 도시한 도면.
도 4b-4d는 위 스위치 구조를 더욱 상세히 나타낸 도면.
도 5는 도 4의 1비트 위상시프트부 4개로 구성된 4비트 위상 시프터를 개략적으로 도시한 도면.
도 6a와 도 6b는 각각 본 발명에 따른 3.5 비트 및 4.5 비트 위상 시프터 회로를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 7은 예시적인 180도 위상 시프터의 등가회로도.
도 8a-8c는 다중 접속 스위칭 회로를 구현하는 SP2T (Single Pole Double Throw) MEM 스위치의 세 가지 연결을 개략적으로 도시한 도면.
도 8d-8i는 도 8a-8c의 스위치 구조의 동작을 설명하기 위한 개략도.
도 9는 기준 경로가 한 개의 스위치로 치환된 본 발명에 따른 4비트 RF MEM 스위치 라인 위상 시프터의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도.
도 10은 위상 시프터 회로를 3개의 섹션으로 구분 도시한 도면. (본 도면에서는 SP3T (Single Pole Triple Throw) 접합부에 의해 각각의 위상 시프터부에서 추가의 전송선이 구성됨)
도 11은 3 dB 직교 하이브리드 커플러에서의 직교 포트와 동상 포트를 서로 다른 리액턴스 값으로 종단시키도록 스위칭하여 위상 편이를 발생시키는 반사 위상 편이 회로를 개략적으로 도시한 도면.
도 12는 다중 비트 반사 위상 시프터 (multi-bit reflection phase shifter)를 구현하기 위하여 SP3T MEM 스위치 회로를 이용한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 13은 SP3T 접합을 구현하는 RF MEM 스위치를 개략적으로 보여주는 도면. (본 도면에서는 도 12의 반사 위상 시프터의 종단부가 SP3T 접합에 의해 제공됨)
도 14는 도 13에 나타난 SP3T MEM 스위치 회로를 포함한 단일부의 2비트 반사 위상 시프터를 나타내는 도면.
도 15는 SPST MEM 스위치를 사용한 2비트 반사 위상 시프터 회로를 나타내는 도면. (본 도면에서 SPST MEM 스위치는 집적 리액턴스 종단부를 포함함)
도 16은 0도, 22.5도, 45도, 67.5도의 위상 상태를 구현하는 위상 시프터 섹션을 개략적으로 도시한 도면.
도 17은 도 16에 도시된 형태의 2비트 반사 위상 편이 종단 회로를 포함하는 반사 위상 시프터를 나타내는 도면.
도 18은 도 14 및 도 17의 두 위상 시프터 섹션을 이용하여 16개의 위상 상태를 가지는 4비트 위상 시프터를 개략적으로 도시한 도면.
도 19는 예시적인 MEM 스위치 리액턴스 종단 회로를 나타내는 도면.
도 20은 반사 3비트 위상 시프터를 개략적으로 도시한 도면.
도 21은 16개의 개별적인 스위치가 직렬로 모두 연결된 단일 위상 섹션으로 구현된 단일 섹션 3비트 위상 시프터를 나타내는 도면.
도 22는 도 10 및 도 16의 회로를 이용하여 두 섹션을 가지도록 구현된 5비트 위상 시프터를 개략적으로 도시한 도면.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 스캔 어레이에 대해 서술하기로 한다. 본 발명의 어레이는 전파방사 소자의 선형 어레이를 포함하는데, 위상 시프터 어레이가 이 전파방사 소자들에 연결된다. 복수의 위상 시프터 포트를 포함한 RF 매니폴드(RF manifold)는 그에 대응되는 위상 시프터 RF 포트와 안테나의 RF 포트에 각각 연결된다. 빔 조종제어기(beam steering controller)는 위상 시프터 어레이의 위상 편이 조정값(setting)을 제어하는 위상 편이 제어신호를 위상 시프터에공급한다. 위상 시프터는 제어신호에 응답하여 각각의 위상 시프터에 대응하는 위상 편이 조정값 중 1개를 선택하는 MEM 스위치를 복수개 포함하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, RF 위상 시프터 회로는 제1 및 제2 RF 포트와 제어신호에 응답하는 복수의 MEM 스위치로 구성된 스위치 회로를 포함한다. 이 스위치 회로는 위상 시프터 회로에 의해 제1 및 제2의 RF 포트 사이를 통과하는 RF 신호에 도입되는 복수의 위상 편이값 중 1개를 선택하도록 구성되어 있으며, SPMT(Single Pole Multiple Throw) 또는 MPMT(Multiple Pole Multiple Throw) 스위치 동작이 가능하도록 연결되어 있다.
레이더 시스템은 통합적인 레이더 지도작성과 지상 및 공중의 움직이는 물체를 표시하기 위해 ESA 기능을 필요로 한다. 또, 송수신모듈로 가득찬 거대한 전자 스캔 안테나는 비용과 무게 면에서 바람직하지 않다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 ESA(20)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 본 발명의 ESA는 MEM 위상 시프터(Micro-Electro-Mechanical phase shifter)와 결합한 ESA 구조를 이용함으로써 ESA의 비용, 중량, 전력소비 문제를 해결한다. 이 실시예에 나타난 ESA는 전파방사 소자(20)의 1차원 선형 어레이로 구성되고, 전파방사 소자 각각은 위상 시프터의 선형 어레이로 구성된 MEMS 위상 시프터(30)에 대응하여 연결되어 있다. 위상 시프터의 선형 어레이를 사용함으로써 ESA의 송수신모듈의 개수를 줄일 수 있다. RF 매니폴드(RF Manifold, 40)는 위상 시프터 RF 포트를 ESA RF 포트에 연결시킨다. 빔 조종제어기(44)는 ESA의 빔이 원하는 방향으로 향하도록 각각의 위상 시프터(30)의 위상 조정값(setting)을 제어하는 제어신호를 위상 시프터(30)에 인가한다.
어레이(20)는 ESA RF 포트(42)에 연결된 단일 송수신 모듈이나, RF 매니폴드에서의 접합부에 연결된 복수의 송수신 모듈을 포함할 수 있다. 이 실시예에서 어레이(20)는 송신 또는 수신의 가역적인 기능을 수행할 수 있다. 또, 복수의 선형 어레이(20)를 결합시켜 2차원 선형 어레이를 만들 수 있다.
MEMS ESA는 우주 레이더, 통신시스템, 엑스선 대역의 상업적 비행레이더와 같은 분야에 응용될 수 있다. 또한 이 기술은 보다 높은 주파수에서 동작하도록 되어 있으므로, 적응 운행제어, 충돌방지 및 경고, 자동브레이크 등과 같은 상업적 용도의 자동차 레이더에도 MEMS ESA가 유용하다.
다음의 예시적인 실시예에서 MEMS 위상 시프터(30)는 금속-금속 접촉식 MEM 스위치(metal-metal contact MEM switch)를 포함한다. 본 명세서에 참조되어 있는미국 특허 6,046,659.에는 위 목적에 적합한 MEM 스위치에 대해 서술되어 있다.
도 2는 RF MEM 스위치(50)의 단순화된 전기회로도를 나타내는 도면이다. 스위치에는 RF 포트(52, 54)가 있고, 도면부호 "58"로 도시된 선과 접지(60) 사이에 직류 제어전압을 가하면 클로즈되어 RF 포트 간에 페회로를 만들 수 있는 전기자 (56)가 있다. 이러한 스위치(50)는 0.0025 제곱인치 정도의 크기로 제작될 수 있으며, 20볼트 내지 40볼트의 전압 범위에서 1 마이크로 와트 이하의 직류 제어전력을 필요로 한다.
PIN 다이오드와는 달리 금속-금속 접촉식 MEM 스위치는 RF 경로에 바이어스 회로를 필요로 하지 않는다. 도 3a와 도 3b는 본 발명의 RF MEM 스위치의 예시적인 구조를 열림(분리) 상태와 닫힘(신호 전달) 상태에서 도식화하여 나타낸 측면도이다. 도 3c는 본 발명의 RF MEM 스위치의 상면도이다. 상기 도면은 일정한 비율에 의해 그려진 것은 아니다. 스위치(50)는, 예를 들어 GaAs와 같은 기판(62) 위에 제작되고, 그 위에는 전도성 접촉층(52, 54)과 앵커 접촉부(anchor contact, 64), 바이어스 전극(60), 전도성 패드(58, 60), 바이어스 전극(60A), 그리고 트레이스 (trace, 58A, 60B)가 놓여진다.
질화규소물물(silicon nitride)/금/질화규소물물의 삼중층으로 구성된 캔틸레버 빔(62)은 접촉부(58A)에 고정된 앵커단부를 갖고, 반대편 RF 접촉단부는 RF 접촉부 (52, 54) 위에 캔틸레버 형태로 되어 있고, 빔(58)에까지 도달하도록 가로질러 배치되어 있는 전기자(56)를 갖는다. 전기자(56)는 금층으로로 제작되고, 스위치가 닫혀 있는 상태(도 3b)에서 RF 접촉부(52, 54) 사이를 연결할 수 있도록 노출되어 있다. 빔(62)은 전도성의 금층(62A)을 포함하며, 상기 층(62A)은 접촉부(58A)로부터 바이어스 전극(bias electrode, 60A) 위로 연장되어 있다. 전기자(56)와 바이어스 전극 사이에 있는 부분(62B)은 전도성이 없으며, 질화규소물으로만 제작된다. 그러므로 접촉부(58, 60) 사이에 직류 전압을 인가하여 전극(60A)과 빔에 있는 레이어(62A) 사이에 전압을 공급 할 수 있지만, 전기자(56)와는 분리된다.
스위치가 열린 경우에는 전기자가 간격 h만큼 RF 접촉부(52, 54)와 분리되며, 이 실시예에서 간격은 2 마이크론이 된다. 직류 전압이 바이어스 전극에 인가되면, 빔(62)은 정전기력(Electrostatic force)에 의하여 아래로 구부러지고, 전기자가 RF 접촉부 사이를 연결하여 스위치가 닫혀진다.
이러한 스위치의 중요한 특징은, 예를 들어 질화규소물층과 같은 절연층에 의해 직류 바이어스 전극과 RF 접촉부가 물리적으로 분리/절연된다는 점에 있다. 이러한 절연층은 직류 작동 전압을 RF 라인으로부터 분리시킬 뿐 아니라, 스위치에 사용되는 캔틸레버 빔(62)의 구조적인 상태와 신뢰성을 향상시킨다. 이러한 특징은 제어회로를 단순화시키며, 스위치가 열린 상태에서 스위치의 높은 RF 분리도(RF isolation)를 유지시킨다.
금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치는 주파수의 함수로 높은 분리도와 낮은 삽입손실(insertion loss)을 갖는다. 금속-금속 접촉식 스위치는 개방 상태에서 주파수에 반비례하는 낮은 커패시턴스를 갖는 직렬 스위치이다. 금속-금속 접촉식 스위치의 엑스선 대역에서의 분리도는 -35dB 에서 -40dB 의 범위에 있으며, 금속-금속 접촉식 스위치의 분리도는 주파수가 감소하면 향상되므로 점지역간 레이더 응용기기 (point to point radar application)에 적합하도록 만든다.
본 발명의 일 특징에 따르면, RF MEM 스위치를 이용한 새로운 형태의 스위칭 라인 위상 시프터 (switched line phase shifter)가 제공된다. 도 4a는 단위 셀을 이루는 1비트 하이브리드 스위칭 라인 위상 시프터의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. PIN 다이오드와 FET 스위치를 이용한 종래의 위상 시프터와 마찬가지로, 위상시프터는 상이한 길이의 전송선을 스위칭함으로써 구현된다. 하지만, 핀 다이오드 및 FET 스위치와는 달리, 금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치를 작동시키는 직류 바이어스는 RF 전송선과 연결되지 않는다. 이러한 실시예에 있어 단위 셀은, 예를 들어 알루미나와 같은 저손실 기판(102)에 제작된다. 기판의 상단 표면부에 제작된 전도체 패턴에 의해 RF 포트(104, 106), 기준 전송선 경로(108)와 위상 편이 전송선 경로(110)가 형성된다.
MEM 스위치(50A)는 기준 전송선 경로(108)의 한 끝과 RF 포트(104) 사이에 와이어 본드 연결부(wire bond connection, 112, 114)에 의하여 연결된다. 스위치(50A)의 구성은 개략적으로 도 4a에 도시되어 있으며, 와이어 본드 연결부가 있는 RF 포트(50A-1, 50A-2)를 포함한다. 캔틸레버 빔은 도면부호 50A-3에 나타나 있고, 직류 바이어스 연결은 도면부호 50A-4와 50A-5에 나타나 있다. 기준 경로(108)의 다른 끝은 스위치(50B)를 통하여 RF 포트(106)에 연결되어 있다.
MEM 스위치(50C)는 RF 포트(104)와 위상 편이 경로(110) 사이에 와이어 본드를 통하여 연결된다. 스위치(50D)는 포트(106)와 위상 편이 경로(110)의 다른 끝에 연결된다. MEM 스위치의 적절한 제어를 통하여 경로(108, 110)는 각각이 또는 동시에 포트(104, 106) 사이에 연결될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 스위칭 라인 위상 시프터에 사용된 MEMS 소자의 배치를 나타내는 도면으로, MEMS 소자 A는 도 4a에 도시된 MEM 스위치(50A)를 나타내고 MEMS 소자 B는 도 4a에 도시된 MEM 스위치(50C)를 나타낸다. 도 4c에 있어 상기 MEMS 배치에 대한 등가회로는 SPST (Single Pole Single Throw) 스위치(A, B)에 의해 제공된다. MEMS(A, B)의 배치는 스위치 A가 열리고 스위치 B가 닫힌 제1 상태와, 스위치 A가 닫히고 스위치 B가 열린 제2 상태의 두 가지 상태를 제공한다. 도 4d 는 이러한 두 가지 상태를 제공하는 등가 SP2T (Single Pole Double Throw) 스위치를 나타내는 도면이다.
도 4a에 나타난 기본적인 1비트 RF MEMS 스위칭 라인 위상 시프터(RF MEM switched line phase shifter)(100)는 SP2T 접합을 사용한다. 이러한 1비트 단위 셀 4개를 모아서 도 5에 나타난 4비트 위상 시프터(120)를 만들 수 있다. 즉, 서로 다른 위상 편이 전송경로 길이를 가진 1비트 단위 셀(100A, 100B, 100C, 100D)을 직렬로 연결하여 4비트 위상 시프터를 만들 수 있다. 이 실시예의 경우 단위 셀들은 직렬로 매우 근접하여 예를 들자면, 알루미나 기판(124) 위에 고정되고, 와이어 본드 연결부 (wire bond connection) (122A, 122B, 122C)를 사용하여 단위 셀의 인접한 RF 포트 사이에 RF 연결부를 만들 수 있다. 단위 셀(100A)에는 동작 파장에서 180도의 위상 편이를 갖도록 경로의 길이가 선택된 위상 편이 경로(100A-1)가 있다. 위상 편이 경로(100B-1, 100C-1, 100D-1)는 각각 90도, 45도, 22.5도의위상 편이를 갖도록 선택된다.
보다 진보된 형태의 1비트 RF MEMS 스위칭 라인 위상 시프터는 SP3T (Single Pole Triple Throw) 접합을 이용하여 얻을 수 있고, SP3T 접합은 기본적인 1비트 회로와 같은 경로를 유지하면서도 부가적인 전송선 경로를 실현한다.
도 4a에 도시된 기본적인 1비트 스위칭 라인 위상 시프터 회로인 단위 셀(100)이 단지 하나의 위상 편이 상태를 갖는 반면, SP3T 접합을 이용한 MEMS 스위칭 회로는 2개의 위상 편이 상태를 갖는다. 이 RF MEMS 스위칭 라인 위상 시프터 를 결합하여 도 6a 및 도 6b에 나타난 등가 3.5비트 및 4.5비트 위상 시프터 회로를 구현한다.
도 6a에 도시된 3.5비트 위상 시프터 회로(140)는 대략적으로 3.5비트 즉, 9개의 위상상태를 가지며, 회로의 손실은 MEM 스위치(142A, 142B, 144A, 144B)의 축적 손실에 의해 대략적으로 결정된다. 각각의 MEM 스위치는 SP3T 스위치이다. 회로(140)는 두 개의 섹션, 즉 셀(142, 144)을 포함한다. 셀(142)은 MEM 스위치(142A, 142B)와 기준신호 경로(142C), 서로 다른 길이를 갖는 위상 편이 경로(142D, 142E)를 포함한다. 셀(144)는 MEM 스위치(144A, 144B)와 기준신호 경로(144C), 서로 다른 길이를 갖는 위상 편이 경로(144D, 144E)를 포함한다. RF 포트(146, 148)는 각각 스위치(142A, 144B)의 한쪽에 연결된다. 스위치(142A, 142B)는 기준 경로(142C) 또는 위상 편이 경로(142D) 또는 위상 편이 경로(142E)를 선택할 수 있게 하고, 스위치(144A, 144B)는 기준 경로(144C) 또는 위상 편이 경로(144D) 또는 위상 편이 경로(144E)를 선택할 수 있게 한다. 연결 경로(145)는스위치(142B, 144A)를 연결한다.
도 6b는 SP3T 스위치 회로를 이용한 4.5비트 위상 시프터(150)를 도시한다. 도 6a의 회로(140)가 2개의 섹션을 갖는데 비해 이 회로(150)는 3개의 섹션(152, 154, 156)을 갖는다. 각각의 섹션은 기준경로 또는 제1 위상 편이 경로 또는 제2 위상 편이 경로를 선택하는 2개의 ST3T MEM 스위치를 포함하고, 경로(155, 157)에 의해 직렬로 연결된다.
표 1에서 보듯이, 도 5에 나타난 기본적인 4비트 위상 시프터가 16개의 위상 편이 상태를 갖는 반면, 4.5비트 위상 시프터(150)는 27개의 위상 편이 상태를 갖는다. 또, 기본적인 4비트 위상 시프터가 4개의 섹션을 이용하는 반면, 4.5비트 위상 시프터(150)는 단지 3개의 섹션을 이용한다. 그러므로 도 6b에 나타난 4.5비트 위상 시프터(150)는 도 5에 나타난 4비트 위상 시프터보다 RF 손실이 적을 것이고, 더 많은 위상 편이 상태를 제공할 것이다. MEM 스위치 ESA 구조(도1)에 4.5비트 위상 시프터가 설치되면 ESA는 이득을 손해보지 않고 더 많은 고정 빔 위치를 가질 수 있다.
RF MEM 스위치에 의한 높은 분리도 때문에 RF 성능저하(RF performance degradation) 없이도 스위칭 라인 위상 시프터(switched line phase shifter)의 전송선을 보다 근접하게 밀집시킬 수 있다. 도 4a에 나타난 기본적인 스위칭 위상 시프터 섹션의 기준 경로에는 2개의 SPST 스위치와 일정 길이의 전송선이 포함된다. 도 7에 나타난 180도 위상 시프터(170)의 예시적인 등가회로도에서 나타나 있듯이, 각각의 위상 시프터 섹션을 간략화함으로써, 각 격자의 기준 경로를 하나의 RF MEM 스위치로 줄일 수 있다. 그보다 더 간략화시킴으로써 각각의 MEM 스위치조합을 도 8a, 8b, 8c 에 도시된 집적 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 만들 수 있다.
도 7에 도시된 위상 시프터(170)는 3개의 SPST MEM 스위치(176A-176C)를 포함한다. RF 포트(172, 174)는 도 7에 인덕턴스로 표시된 와이어 본드 연결부에 의해 스위치(176A)에 연결된다. 스위치(176A)는 위상 시프터(170)의 기준 경로를 형성한다. MEM 스위치(176B, 176C)는 180도 위상 편이 경로(178)를 RF 포트(172, 174)에 선택적으로 결합시킨다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 회로는 알루미나 기판 위에 제작되고, 경로(178)는 기판 위에 박막의 선으로 이루어진다. 인덕턴스로 표시된 와이어 본드 연결부는 스위치(176B, 176C)를 노드(180A, 180B)에 연결시킨다. 커패시턴스와 인덕턴스의 값(와이어 본드 길이)은 해당 기술분야에 잘 알려진 방식대로 공통의 접합 임피던스에 맞도록 설계된다.
금속-금속 접촉식 스위치는 오픈 상태에서 커패시턴스가 작으므로 높은 분리도(high isolation) 뿐 아니라 스위치 접합부의 낮은 기생 커패시턴스 (parasitic capacitance)가 가능하다. 기생 커패시턴스 값이 작으므로 다수의 금속-금속 접촉식 스위치가 병렬로 공통 접합을 공유할 수 있다. 즉, 낮은 기생 커패시턴스로 인해 MEM SPMT(Single Pole Multi Throw) 스위치 접합의 구현이 가능하다. 이러한 접합은 하이브리드 회로에 의해 구현되거나 단일의 MMIC 칩으로 집적될 수 있다.
도 8a - 8i는 RF MEM 스위치의 다양한 배치를 나타내는 도면으로, RF MEM 스위치는 예를 들어 금속-금속 접촉식 RF 직렬 MEM 스위치가 된다. 기본적인 MEM 스위치는 SPST 소자이고, 본 발명의 이러한 스위치 배치는 위상 시프터 뿐만 아니라스위칭 감쇠기(switchable attenuator), 스위칭 필터뱅크(switchable filter bank), 스위칭 시간 지연선(switchable time delay line), 스위치 매트릭스(switch matrix), 송신/수신 RF 스위치 등을 포함한 다른 응용분야에도 사용할 수 있다. 이러한 스위치 배치는 하이브리드 마이크로파 집적 회로 (MIC, microwave integrated circuit)에서 개별적인 MEM 스위치 소자로 구현되거나, 단일 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC, monolithic microwave integrated circuit) 소자로 구현될 수 있다.
도 8a - 8c는 SP2T 접합과 SP3T 접합을 MMIC 칩으로 나타낸 도면이다. 스위치 접합의 직류 제어선들은 바이어스를 통과한다. 도 8a에는 도 9와 관련하여 이하 기술될 스위칭 라인 위상 시프터에 사용되는 MEM 스위치 소자(A, B, C)의 배치가 나타나 있다. 도 8b에는 도 13 및 도 19와 관련하여 이하 기술될 다중 비트 반사 위상 시프터로 사용되는 MEM 스위치 소자(A, B, C)의 배치가 나타나 있다. 도 8c에는 도 10과 관련하여 이하 보다 자세히 기술될 다중 비트 스위칭 라인 위상 시프터로 사용되는 MEM 스위치 소자(1-5)의 배치가 나타나 있다.
도 8d는 도 8a의 스위치 배치에 대한 등가회로로서 3개의 SPST 스위치(A, B, C)를 포함한 회로를 나타내는 도면으로, 이러한 스위치 배치는 8개의 스위치 상태를 가질 수 있다. 표 2에는 도 9의 스위칭 라인 위상 시프터에서 2개의 위상 상태를 갖도록 하는 스위치 상태가 나타나 있다. 이와 대체 가능한 등가회로가 도 8e에 나타나 있으며, 상기 등가회로는 하나의 SP2T 스위치(A-B)와 하나의 SPST 스위치(C)의 조합으로써 동일한 스위치 상태를 만들 수 있다.
상태 스위치 A 스위치 B 스위치 C
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도 8f는 도 8b의 스위치 배치에 대한 등가회로를 나타내며, 상기 등가회로는 표 3에 나타난 8개의 스위치 상태를 만들 수 있는 3개의 SPST 스위치 (A, B, C)를 포함하고 있다. 표 3은 도 19의 다중 비트 반사 위상 시프터 회로(400)에서 8개의 위상 상태를 만드는데 사용되는 스위치 상태를 보여주며, 이 스위치 상태는 3개의 SPST 스위치 조합과 관련된다.
상태 스위치 A 스위치 B 스위치 C
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표 3에 나타난 스위치 상태의 일부가 표 4에 나타나 있다. 표 4의 스위치 상태는 도 13의 다중 비트 반사 위상 시프터 회로(250)에서 4개의 위상 상태를 만들어 내는 데 사용될 수 있다. 도 8d에 나타난 등가회로는 도 8b에 나타난 MEM 스위치 배치 및 표 4에 나타난 스위치 상태와 동일한 배치 및 상태를 사용하지만, 도 8g에 나타난 하나의 SP3T 회로로 변형된다. 표 4에 나타난 SP3T 스위치는 실제로 출력 포트 중 하나가 개방 회로로 된 SP4T회로이다.
상태 스위치 A 스위치 B 스위치 C
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도 8h는 도 8c의 스위치 배치에 대한 등가회로를 나타내는 도면으로, 상기 등가회로는 120개의 스위치 상태가 가능한 5개의 SPST 스위치(1 - 5)를 포함한다. 표 5는 도 10의 스위칭 라인 위상 시프터에서 3개의 위상 상태를 만드는데 사용되는 스위치 상태를 보여준다. 스위치 상태가 도 8i에 나타난 SP3T와 SPST의 조합과 같다는 점을 주목해야 한다.
상태 스위치 1 스위치 2 스위치 3 스위치 4 스위치 5
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도 13의 회로(250) 및 도 19의 회로(400)를 포함하는 5비트 위상 시프터 네트워크(도 22)에 대한 MEM 스위치 상태와 각각의 위상 편이가 표 6에 나타나 있다. 이 표에서 MEM 스위치는 관련 위상 편이에 의해 확인된다. 스위치의 열린 상태는 "0"으로 표시되고, 스위치의 닫힌 상태는 "1"로 표시된다. 어떤 위상상태를 갖기 위해서는 복수의 스위치들이 닫혀지는데, 해당 스위치의 종단부는 병렬로 연결된다. 회로(400)에 관한 스위치 상태가 3P3T 스위치를 나타내는데 반해, 회로(250)와 관련된 스위치 상태들은 SP3T 스위치를 나타낸다.
도 8a부터 도 8i에 나타난 SPMT (Single Pole Multi Throw)나 MPMT (Multi Pole Multi Throw) 스위치를 만들기 위해 2개 또는 그 이상의 MEM 스위치가 단일 접합에 결합될 수 있는 점은 중요한 특징이 된다. 이러한 특징은 직류 제어신호가 MEM 스위치를 통하여 RF 신호 경로와 분리된다는 사실에 의해 가능하다.
이러한 신기술을 도 5에 나타난 기본적인 4비트 RF MEM 스위치 라인 위상 시프터에 적용시킴으로써 도 9의 대체적인 실시예를 구현할 수 있고, 도 9의 실시예에 있어 각 섹션의 기준 경로는 하나의 스위치로 대체된다. 도 9에 나타난 4비트 회로 (200)는 도 5의 4비트 위상 편이 회로보다 적은 수의 스위치를 사용하고 무선수파수 손실도 더 적다.
위상 시프터(200)는 RF 포트(202, 204)와 4개의 섹션(206, 208, 210, 212)을 갖는다. 각각의 섹션은 위상 편이 경로의 전기적 길이가 다른 것 외에는 동일하다. 그러므로 섹션(206)은 기준 경로를 제공하기 위하여 RF 터미널부(206B, 206C) 사이에 연결된 SPST MEM 스위치(206A)를 포함한다. 위상 편이 경로(206D)는 SPST MEM 스위치(206E, 206F)에 의해 선택된 전송선 절편 예를 들어 마이크로스트립 (microstrip)으로 이루어진다. SPST 스위치(206A, 206E)는 SP2T 스위치 회로를 형성한다. 특정 섹션에 대해 요구되는 위상 편이를 만들기 위해 다른 섹션의 위상 편이 경로는 서로 다른 전기적 길이를 가지고 있다. 마이크로스트립 위상 편이 경로의 경우, 마이크로스트립 라인은 오프칩(off-chip)으로 제작될 수 있고, 각 섹션 내의 MEM 스위치는 단일 칩 또는 기판 상에 제작되거나 분리된 복수의 칩 또는 기판 상에 제작된다. 4개의 섹션은 직렬로 연결되어 16개의 위상 상태를 가지는 4비트 위상 시프터를 형성한다.
도 9의 회로에 사용된 SP2T 스위치를 SP3T 접합으로 대체하여 각각의 위상 시프터 섹션에 부가적인 전송선 경로를 만들어 줌으로써, 보다 진보된 형태를 얻을 수 있다. 그 결과 도 9에 나타난 4비트 회로가 12개의 SPST 스위치를 이용하여 16개의 위상상태를 갖는데 반해, 도 10에 나타난 위상 시프터(230)는 3개의 섹션에서 13개의 스위치를 이용하여 18개의 위상상태를 갖는다. 도 5에 나타난 기본적인 4비트 RF MEMS 스위칭 라인 위상 시프터는 16개의 SPST 스위치를 사용하여 16개의 위상상태를 갖는다. 그러므로 금속-금속 접촉식 직렬 스위치는 SPMT (Single Pole Multi Throw) 접합이 가능하도록 하고, 적은 수의 스위치와 낮은 삽입 손실 및 비용을 가진 위상 시프터의 구현을 가능하게 한다.
도 10에 나타난 위상 시프터(230)는 3개의 위상 시프터 섹션(236, 238, 240)에 의해 연결되는 RF 포트(232, 234)를 포함한다. 섹션(236)은 기준 경로를 제공하기 위해 RF 터미널부(236B, 236C) 사이에 연결된 제1 SPST MEM 스위치(236A)를 포함한다. 이 격자(236)는 전기적 길이가 각각 120도와 240도인 전송선에 의해 제공되는 2개의 위상 편이 경로(236F, 236I)를 갖는다. 240도 위상 편이 경로(236F)는 SPST MEM 스위치(236D, 235E)에 의해 선택되고, 120도 위상 편이 경로(236I)는 SPST MEM 스위치(236G, 236H)에 의해 선택된다. 3개의 SPST MEM 스위치(236A, 236D, 236G)는 SP3T 스위치 회로를 구성한다.
섹션(238)은 0도, 40도, 80도의 3가지 위상상태를 갖는다. 기준 경로(0도)는 RF 터미널부(238B, 238C)를 연결하는 SPST MEM 스위치에 의해 형성된다. 이 격자(238)는 전기적 길이가 각각 40도, 80도인 전송선에 의해 제공되는 2개의 위상 편이 경로(238F, 238I)를 갖는다. 40도 위상 편이 경로(238F)는 SPST MEM 스위치(238D, 238E)에 의해 선택되고, 80도 위상 편이 경로(238I)는 SPST MEM 스위치(238G, 238H)에 의해 선택된다.
섹션(240)는 0도와 20도의 2가지 위상상태를 갖는다. 기준 경로(0도)는 RF 터미널부(240B, 240C)를 연결하는 SPST MEM 스위치에 의해 형성된다. 20도 위상 편이 경로(240D)는 SPST 스위치(240E, 240F)에 의해 선택적으로 스위칭되는 전송선에 의해 제공된다.
본 발명의 또다른 실시예로서 금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치를 채택한 새로운 종류의 반사 위상 시프터 구조가 있다. 도 11은 반사 위상 시프터 회로(200)를 개략적으로 도시한 도면이다. 종래의 PIN 다이오드 및 FET을 이용한 반사 위상 시프터와 마찬가지로 회로(200)는 3dB 직교 하이브리드 커플러(202)의 동상 포트 (202C)와 직교위상 포트(202D)를 종단시키는 서로 다른 리액턴스에서의 스위칭을 통해 위상 편이를 만들어 낸다. 리액턴스 종단부(208, 210)는 각각 서로 다른 위상각을 가지면서 크기에 있어서는 거의 1에 가까운 복합반사계수(complex reflection coefficient)를 만들어 낸다. 이 리액턴스는 인덕턴스로만 제작되거나 커패시턴스로만 제작되거나 인덕턴스와 커패시턴스로 제작될 수 있고, 전송선 절편에 의해서도 제작될 수 있다. 이 실시예에서 리액턴스(208, 210)는 동일한 리액턴스이고, 스위치(204, 206)는 대칭적인 동작을 위해 함께 열리거나 함께 닫혀 나란히 동작한다. RF 입력은 포트(202A)에 있고, 위상 시프터의 RF 출력은 포트(202B)에 있다. 스위치(204, 206)는 도 2와 도 3에 나타나 있는 RF MEM 스위치이다. 그 위상 편이는 다음과 같이 주어진다.
ΔΦn= -2[tan1(B)δ1n]
여기서 n은 0, 1이고 δ는 크로니커 델타함수(Kronecker delta function)로 스위치가 열린 경우 1, 스위치가 닫힌 경우 0이다.
PIN 다이오드 및 FET 스위치와는 달리, 금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치를 동작시키기 위해 사용되는 직류 바이어스는 RF 전송선에 연결되어 있지 않다. 반사 위상 시프터의 이 실시예에서는 단위 셀 또는 섹션당 2개의 위상 상태(1비트)만을 갖는다. 이것은 PIN 다이오드 및 FET 스위치를 이용한 종래의 반사 위상 시프터의 경우와 마찬가지이다.
반사 위상 시프터 구성에 있어 MEM 스위치는 종단부 리액턴스를 병렬로 결합시킬 수 있다. 그러므로 3개의 섹션을 포함한 3비트 위상 시프터의 기능은 단일 섹션으로 결합될 수 있다. 이러한 새로운 회로는 종래의 1비트 위상 시프터 회로와 동일한 경로를 차지하지만, 종래의 설계보다 2배 또는 그 이상의 위상 편이 비트수를 만들면서도 광폭 대역에서 보다 적은 RF 손실을 가지도록 할 수 있는 가능성을 증가시킨다.
그러므로 반사 위상 시프터에 있어 새로운 SPMT 접합을 사용하여 새로운 반사 위상 시프터를 구성할 수 있다. 이것은 금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치가 갖는 RF 특성으로 인하여 구현이 가능해 진다. 단일 위상 시프터 섹션, 즉 단위 셀이 사용되지만, 커플러를 종단시키는 서로 다른 리액턴스에서 스위칭 조작을 함으로써 다중 위상상태가 가능해진다. PIN 또는 변환 리액터(varactor) 다이오드 및 FET 스위치는 그 소자와 관련된 RF 손실이 크고 RF 경로를 따라 요구되는 바이어스 회로로 인하여 성능이 제한되기 때문에 전술한 구성에 사용하기 적당하지 않다.
도 12는 다중 비트 반사 위상 시프터 섹션을 구현하기 위해 SP3T MEM 스위치 회로를 사용하는 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 이 실시예에 있어, 도 11에 나타난 실시예의 SPST 스위치는 SP3T MEM 스위치 회로(224, 226)로 대체되어 있고, 각각의 스위치 회로(224, 226)는 도 8b에 나타나 있듯이 3개의 SPST 스위치를 사용하여 제작된다. SP3T 회로는 3개의 SPST MEM 스위치 칩을 공통 접합부에 결합시키거나, 1개의 기판 또는 칩 위에 공통의 접합을 갖는 3개의 SPST MEM 스위치를 결합시켜 제작한다. 각각의 포트(224A, 224B, 224C)는 표준화된 리액턴스(228A, 228B, 228C)에 각각 연결되고, 종단 리액턴스를 선택하는 수단을 제공한다. 회로(220)에 의해 만들어지는 위상 편이 ΔΦXYZ는 다음과 같이 주어진다.
ΔΦXYZ= -2[tan-1(A)*x+tan-1(B)*y+tan-1(C)*z]
여기서 x는 포트(224A)가 열린 경우 1이고 ,닫힌 경우 0이 된다. y는 포트(224B)가 열린 경우 1이고, 닫힌 경우 0이 된다. z는 포트(224C)가 열린 경우 1이고, 닫힌 경우 0이 된다.
스위치(224, 226)는 나란히 동작하므로, 리액턴스(228A, 230A)가 함께 선택되거나, 리액턴스(228A, 230C)가 함께 선택되거나, 리액턴스(228C, 230C)가 함께 선택되거나, 두 스위치가 모두 열리게 된다.
SP3T 접합을 구현하기 위해 RF MEM 스위치를 사용하는 방식은 도 13에 도시된 위상 시프터 종단부(250)를 제공하는데 응용될 수 있는데, 이 종단부는 도 12에 나타난 반사 위상 시프터(220)의 종단부에 대해 0도, 90도, 180도, 270도의 위상상태를 제공하게 된다. 회로(250)는 모놀리식 또는 하이브리드 장치로 제작될 수 있고, SPST MEM 스위치(254, 256, 258)가 연결된 RF 포트(252)를 포함한다. MEM 스위치(254)는 노드(252)를 커패시터(260) 및 접지에 연결시킨다. MEM 스위치(256)는 노드(252)를 커패시터(262) 및 접지에 연결시킨다. MEM 스위치(258)는 노드(252)를 커패시터(264) 및 접지에 연결시킨다.
동작 상태에 있어 모든 MEM 스위치(254, 256, 258)는 기준 위상(0도)을 만들기 위해 열린다. 90도 위상을 만들기 위해 MEM 스위치(254)는 닫히고 MEM 스위치(256, 258)는 열린다. 180도 위상을 만들기 위해 MEM 스위치(256)는 닫히고 MEM 스위치 (254, 258)는 열린다. 270도 위상을 만들기 위해 MEM 스위치(258)는 닫히고, MEM 스위치(254, 256)는 열린다. 커패시터(260)와 인덕터(262, 264)의 리액턴스 값은 각각의 원하는 위상 편이를 얻도록 선택된다.
예시적인 실시예에 있어, 위상 시프터 격자(250)는 8GHz에서 12GHz 사이의 광폭 주파수 대역에서 동작하도록 제작될 수 있다.
도 14는 도 13에 나타난 SP3T MEM 스위치 회로를 채택한 단일 섹션 2비트 반사 위상 시프터(270)를 나타내는 도면이다. 이 위상 시프터는 3dB 하이브리드 커플러(276)의 RF 포트로서 RF 포트(272, 274)를 가지고 있다. SP3T MEM 스위치 회로(250-1, 250-2)는 커플러(276)의 동상 포트 및 직교위상 포트에 연결되어 있다. 이 실시예에 있어 리액턴스 종단부는 MEM 스위치 회로 안에 집적되어 있다. MEM 스위치(250-1, 250-2)를 나란히 동작시켜 각각의 MEMS에서 대칭적인 리액턴스를 선택함으로써, 4개의 위상상태를 얻을 수 있다. 그러므로, 기준 위상 상태는 모든MEM 스위치가 열린 경우에 만들어지고, 3개의 위상 편이 상태는 각각의 SP3T 스위치 회로(250-1, 250-2)를 포함하는 SPST MEM 스위치 중 대응되는 스위치가 닫힌 경우에 만들 수 있다.
도 15는 SPST MEM 스위치를 사용한 2비트 반사 위상 시프터 회로(300)를 나타내는 도면으로, 본 도면에서 SPST MEM 스위치는 집적된 리액턴스 종단부를 포함한다. 이러한 구성은 직렬로 연결된 두 개의 1비트 섹션(200-1, 200-2)을 채택한다. 섹션(200-1, 200-2)은 도 11에 나타난 형태를 갖는다.
도 16는 0도, 22.5도, 45도, 67.5도의 위상상태를 구현하도록 설계된 위상 시프터 섹션(320)을 나타내는 도면이다. 이 위상 시프터 섹션는 8GHz에서 12GHz 사이의 광폭 주파수 대역에서 동작하도록 제작될 수 있다. 이 회로(320)는 모놀리식 장치나 하이브리드 장치로 제작될 수 있고, SPST MEM 스위치(330, 332, 334)가 연결된 RF 포트(322)를 포함한다. MEM 스위치(324)는 노드(322)를 커패시터(330) 및 접지에 연결시키고, MEM 스위치(326)는 노드(322)를 인덕터(332) 및 접지에 연결시키며, MEM 스위치(328)는 노드(322)를 인덕터(334) 및 접지에 연결시킨다. 이러한 위상 시프터 격자는 도 13에 도시된 회로(250)와 관련하여 기술된 방식과 유사한 방식으로 동작된다. 하지만, 리액턴스 값은 22.5도와 45도, 67.5도의 위상상태를 갖도록 선택된다.
도 17은 도 16에 도시된 회로(320)인 2비트 반사 위상 시프터를 채택한 반사 위상 시프터(350)를 나타내는 도면이다. 위상 시프터(350)는 RF 포트(352, 354)와 직교 커플러(356)를 포함한다. 2비트 반사 소자(320-1, 320-2)는 커플러(356)의동상 포트와 직교위상 포트에 연결된다. SP3T 스위치 회로(320-1, 320-2)는 나란히 동작하여 종단부에 해당 리액턴스 값을 제공함으로써, 균형을 이루어 동작한다.
도 14 및 도 17의 두 위상 시프터 섹션은 16개의 위상상태를 갖는 4비트 위상 시프터와 등가를 이루도록 결합된다.(도18) 위상 편이 회로(380)는 RF 포트(382, 384)를 갖는다. 직교 하이브리드 커플러(386, 388)는 직렬로 연결되며, 커플러(386)의 RF 출력포트(386B)는 커플러(388)의 RF 입력포트(388A)에 연결된다. 도 13에 나타난 집적 리액티브 종단부(integrated reactive termination)를 포함한 SP3T MEM 스위치 회로(250-1, 250-2)는 커플러(386)의 동상 포트와 직교위상 포트에 연결된다. 커플러(386)를 포함하고 있는 제1 격자는 0도, 90도, 180도, 270도의 위상 편이 상태를 만들고, 커플러(388)를 포함하고 있는 제2 격자는 0도, 22.5도, 45도, 67.5도의 위상 편이 상태를 만들기 때문에, 위상 시프터(380)는 16개의 위상 편이 상태를 가질 수 있다.
도 14 및 도 17에 관하여 전술된 위상 시프터 격자는 각각의 SP3T 접합 안에 포함된 SPST MEM 스위치를 한 번에 하나씩 동작시킨다. 보다 진보된 형태는 복수의 스위치가 동시에 작동되고, 그 스위치에 대응되는 리액턴스 종단부가 병렬로 함께 연결된 경우에 가능하다. 이러한 리액턴스의 병렬 조합으로부터 생기는 새로운 임피던스는 더 많은 위상 상태를 만든다. 금속-금속 접촉식 RF MEM 스위치에 의해 발생하는 낮은 RF 손실과 높은 분리도 때문에 이러한 것이 가능해진다.
도 19와 도 20은 복수의 스위치를 동시에 작동시키는 경우 기준선 종단부(baseline termination)의 병렬적인 조합을 사용함으로써 위상상태를 만들도록 설계된 회로를 나타내는 도면이다. 도 20은 반사형의 3비트 위상 시프터(420)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 동상 포트 및 직교위상 포트(426A, 426B)를 가진 하이브리드 3dB 커플러(426)와 RF 포트(422, 424)를 포함한다. 3P3T 접합을 가진 각각의 MEM 스위치 종단부 회로(400-1, 400-2)는 커플러 포트(426A, 426B)를 종단시키는 데 사용된다.
도 19는 도 20의 회로에 사용되는 예시적인 MEM 스위치 리액티브 종단부 회로(400)를 보여주는 도면이다. 3개의 SPST MEM 스위치(404, 406, 408)를 가진 접합(402)으로부터 8개의 위상상태를 구현하는 것이 가능하며, 이러한 3비트 위상 시프터를 구현하기 위해 3개의 SPST MEM 스위치(404, 406, 408)는 리액턴스(410, 412, 414)에 각각 연결된다. 단일 섹션 3비트 위상 시프터 회로는, 6개의 개별적인 PIN 다이오드 스위치 소자를 사용한 통상의 1비트 위상 시프터 섹션 3개의 위상 편이 동작과 동일한 동작을 한다. 회로(420)는 동일한 회로(400-1, 400-2)가 균형을 이룬 구조를 포함한다.
단일 섹션 3비트 위상 시프터는 직렬로 모두 연결된 16개의 개별적인 스위치 소자를 가진 단일 위상 섹션에 의해 구현될 수 있으며, 도 21은 이러한 단일 섹션 3비트 위상 시프터를 나타내는 도면이다. 도 21에 있어 위상 시프터(440)는 RF 포트(442, 444)와 3dB 하이브리드 커플러(446)를 포함한다. 동상 포트 및 직교위상 포트(446A, 446B)는 각각의 직렬 회로(450, 452)에 의해 종단된다. 각 직렬 회로에는 전송선 세그먼트, 예컨대 세그먼트(450B)와 MEM SPST 스위치, 예컨대 스위치(450A)가 교대로 직렬 연결되어 있다. 이 경우 위상 편이는 직렬로 스위칭이 일어날 때 전송선 세그먼트의 누적된 일주 시간지연(cumulative round trip time delay)에 해당한다. 누적지연은 일주 경로 길이를 길게 하거나 짧게 하도록 MEM 스위치를 적당히 제어함으로써 선택된다.
도 22는 도 10 및 도 16에 도시된 회로를 사용하여 2개의 섹션(462, 464)을 이용하여 구현한 5비트 위상 시프터(460)를 개략적으로 도시한 도면이다. 섹션(462)은 하이브리드 3dB 커플러를 포함하고, 하이브리드 3dB 커플러의 동상 포트 및 직교위상 포트에는 SP3T MEM 스위치 리액턴스 종단부(250-1, 250-2)가 연결된다. 섹션(464)은 섹션(462)에 직렬로 연결되고, 3P3T MEM 스위치 리액턴스 종단부(400-1, 400-2)를 가진 커플러(464A)를 포함한다. 이러한 새로운 위상 시프터는 4개의 SP3T 접합을 이용하고, 2개의 섹션만을 이용하여 32개의 위상상태를 만든다. 금속-금속 접촉식 스위치는 SPMT 접합을 가능하게 하므로, 적은 수의 스위치와 적은 삽입 손실 및 비용을 가진 위상 시프터를 구현할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 위상 시프터 회로는 MEM 스위치로부터 발생하는 장점을 포함하여 많은 장점을 가지고 있다. RF MEM 스위치는 RF 경로를 따라 직류 바이어스 회로를 필요로 하지 않는다. 하나의 RF MEM 스위치는 복수의 PIN 다이오드 스위치와 FET 스위치를 사용한 복잡한 설계에 비해, 보다 향상된 광대역 RF 성능을 갖는다. RF MEM 스위치를 사용한 위상 시프터 회로는 종래의 기술에 따른 소자로 이루어진 회로보다 적은 RF 손실과 높은 3차 차단점(3rd order intercept point), 높은 분리도를 가지고 광폭의 RF 대역에서 동작될 수 있다. 이러한 특징은 무게, 비용 또는 전력소비를 희생시키지 않고 얻을 수 있다. 상업적 IC 산업에서 사용되는 재료와 표준 박막 필름 제작공정을 이용하여 MEM 스위치의 제작 비용을 줄일 수 있다. 종래의 IC 소자와는 달리, RF MEM 스위치는 비용을 줄이기 위해 세라믹 하이브리드 회로 및 전통적인 프린트 회로 기판 어셈블리(printed circuit board assemblies) 위에 직접 제작될 수도 있다.
RF MEM 스위치를 사용하면 현재 상용화된 소자나 회로에 의한 것보다 광폭의 동작주파수 대역과 낮은 RF 손실, 높은 3차 차단점, 적은 직류전력소모를 갖는 위상 시프터 회로를 구현할 수 있다. 금속-금속 접촉식 MEM RF 스위치는 독특한 구조를 가지므로 직렬 스위치로 동작할 수 있다. 금속-금속 접촉식 MEM RF 스위치의 직류 동작이 RF 경로와 연결되어 있지 않으므로, 금속-금속 접촉식 MEM RF 스위치는 RF 경로를 따라 직류 바이어스 회로를 필요로 하지 않는다. 그러므로 이러한 직렬 스위치는 도 8a-도 8c에 나타나 있듯이, MPMT(Multi Pole Multi Throw) 스위치를 만들기 위해 결합될 수 있으며, 다중 위상 스위칭 라인 위상 시프터 회로를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 회로는 종래의 1비트 위상 시프터 회로와 동일한 흔적을 차지하지만, 광대역폭에 걸쳐 적은 RF 손실을 가지고 종래의 설계기술보다 2배의 위상 편이 비트수를 만들어 내는 가능성을 증가시킨다.
전술한 실시예는 본 발명의 본질을 보여줄 수 있는 특정 실시예에 불과하다. 기술분야에 있어 숙련된 사람이라면 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않고 이러한 발명의 본질에 의해 다른 구성들을 고안할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. RF 위상 시프터 회로에 있어서,
    제1 및 제2 RF 포트(104, 106)와,
    제어신호에 응답하는 복수의 SPST(Single Pole Single Throw) MEM 스위치(Micro-Electro-Mechanical switch) (50A - 50D)를 포함하고 SPMT(Single Pole Multiple Throw) 또는 MPMT(Multiple Pole Multiple Throw) 스위치 기능을 제공하도록 연결된 스위치 회로 - 상기 스위치 회로는 상기 RF 위상 시프터 회로에 의해 상기 제1 RF 포트와 제2 RF 포트 사이를 통과하는 RF 신호에 도입된 복수의 개별적인 위상 편이값(phase shift value) 중 1개를 선택하도록 배치됨 -
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 시프터 회로는 스위칭 라인 위상 편이 회로(switched line phase shift circuit)이며,
    기준위상 신호 경로(108)와 적어도 1개의 위상 편이 경로(110)를 더 포함하고,
    상기 스위치 회로는 위상 편이 제어신호에 응답하여 상기 기준위상 신호 경로 또는 상기 적어도 1개의 위상 편이 신호 경로 중 하나를 선택하도록 배치된 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    단일 MEM 스위치(176A)가 상기 기준 신호 경로를 선택하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    단일 MEM 스위치가 상기 기준 신호 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 시프터 회로는 반사 위상 시프터 회로(reflection phase sifter circuit)(200)이고,
    MEM 스위치 회로는 위상 편이값을 결정하는 복수의 종단부 리액턴스 값(208, 210)을 선택하도록 배치된 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 및 제2 RF I/O 포트(202A, 202B)와, 동상 포트 및 직교위상 포트(202C, 202D)를 포함한 커플러 소자(202)를 더 포함하고,
    상기 MEM 스위치 회로는 제1 및 제2 종단부 리액턴스 회로를 각각 상기 동상 포트 및 상기 직교위상 포트에 선택적으로 연결시키는 제1 및 제2 리액턴스 스위치회로를 포함하며,
    상기 각각의 리액턴스 스위치 회로는 복수의 선택 가능한 리액턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제 2 리액턴스 스위치 회로(400-1, 400-2)는 상기 복수의 선택 가능한 리액턴스 값 중 하나 이상을 선택하여 상기 복수의 선택 가능한 리액턴스 값 중 상기 하나 이상의 값으로 상기 동상 포트와 직교위상 포트가 동시에 종단되도록 하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제 2 MEM 스위치 회로는 MPMT 스위칭 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 RF 위상 시프터 회로는 직렬로 연결되고,
    상기 직렬로 연결된 위상 시프터 회로를 통과하는 RF 신호에 개별적인 선택 가능한 위상 편이값을 부여하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 SPST 스위치 중 적어도 제1 및 제2 스위치는 공통접합에 연결된 상기 제1 포트를 갖는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기능은 SPMT 스위치 기능이고,
    스위치의 쓰로우(throw)는 N개이며,
    상기 제1 포트가 공통접합에 연결된 상기 SPST 스위치 중 적어도 제1 및 제2 스위치가 각각의 제1 포트가 공통접합으로 연결된 N개의 SPST 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEM 스위치는 금속-금속 접촉식(metal-metal contact) RF MEM 직렬 스위치인 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 위상 시프터 회로는 전자 스캔 어레이(electronically scanned array)로 설치되고,
    전파방사 소자(20)의 선형 어레이와,
    전파방사 소자와 연결된 위상 시프터(30)의 어레이와,
    RF 포트와, 위상 시프터 RF 포트에 각각 대응하여 연결되어 있는 복수의 위상 시프터 포트를 포함하는 RF 매니폴드(40)와,
    위상 시프터 배열의 위상 편이 조정값(setting)을 제어하기 위해 위상 시프터에 위상 편이 제어신호를 공급하는 빔 조종제어기(44)를 포함하며,
    상기 위상 시프터 각각은 제어신호에 응답하여 개별적인 위상 편이 조정값 중 하나를 선택하기 위한 복수의 MEM 스위치(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 위상 시프터 회로.
  14. RF 신호에 SPMT 또는 MPMT 기능을 부여하는 RF 스위치 회로(224)로서,
    직류 제어신호에 응답하여 스위치의 개폐 상태를 제어하는 복수의 SPST MEM RF 스위치를 포함하고,
    상기 SPST MEM 스위치는 각각 제1 RF 포트와 제2 RF 포트를 갖고, 상기 SPST 스위치 중 적어도 제1 및 제2 스위치는 공통 접합에 연결되어 있는 제1 포트를 갖는 것을 특징으로 하는 회로.
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