KR20030086746A - 밀리미터파 집적회로에 적용되는 이중 평형 혼합기 - Google Patents

밀리미터파 집적회로에 적용되는 이중 평형 혼합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밀리미터파 대역에서 신호처리되는 입력신호의 누설에 의한 혼합기내 공진 및 발진현상을 방지하며, 출력신호의 전력손실을 최소화할 수 있도록 된 밀리미터파 집적회로(MMWIC : Monolithic Millimeter Wave Integrated Circuit)에 적용되는 이중 평형 혼합기에 대한 것으로서, 그 기술적 구성은 소정 IF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 IF+ 신호와 부위상의 IF- 신호로 나누어 출력하는 IF 발룬과; 소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 LO+ 신호와 부위상의 LO- 신호로 나누어 출력하는 LO 발룬과; 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 RF+ 신호와 부위상의 RF- 신호 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 RF 신호를 출력하는 RF 발룬 및; 상기 IF 발룬, LO 발룬 및, RF 발룬 사이에 접속되고, 상기 LO+ 신호 및 LO- 신호의 입력선로가 상호 분리되며, 상기 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 양극성의 LO+ 신호 또는 LO- 신호를 각각 상기 IF+ 신호 및 IF- 신호와 승산하여 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호를 출력하는 혼합기 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

밀리미터파 집적회로에 적용되는 이중 평형 혼합기{Double Balanced Mixer being applied to Monolithic Millimeter Wave Integrated Circuit}
본 발명은 RF(Radio Frequency) 시스템에서 주파수 변환을 수행하는 이중 평형 혼합기(Double Balanced Mixer)에 대한 것으로서, 특히 밀리미터파 대역에서 신호처리되는 입력신호의 누설에 의한 혼합기내 공진, 발진현상을 방지하며, 출력신호의 전력손실을 최소화할 수 있도록 된 밀리미터파 집적회로(MMWIC)에 적용되는 이중 평형 혼합기에 대한 것이다.
일반적으로 RF 시스템의 혼합기는 두 개의 입력신호를 승산하여 하나의 신호로 주파수 변환하여 출력하는 주파수 변환기를 말한다.
송신용 RF 시스템에 사용되는 상향 변환용(Up-Conversion) 혼합기는 중간주파수(IF :Intermediate Frequency) 신호에 국부발진(LO : Local Oscillation) 신호를 승산하여 RF 신호로 출력하고, 수신용 RF 시스템에 사용되는 하향 변환용(Down-Conversion) 혼합기는 RF 신호와 LO 신호를 승산하여 IF 신호를 출력하게 된다.
그리고 상기 상향 또는 하향 변환 혼합기는 IF, LO 신호 또는 RF, LO 신호의 입력태양에 따라 해당 신호를 단일로 입력받는(Single Ended) 불평형(Unbalanced) 혼합기와, 하나의 신호는 차동으로 입력받고 다른 신호는 단일로 입력받는 단일 평형(Single Balanced) 혼합기와, 양 신호를 모두 차동으로 입력받는 이중 평형 혼합기로 구분된다.
그리고 L-밴드(1~2GHz) 이상의 고대역 입력신호를 처리하는 혼합기의 경우 입력신호의 커플링(Coupling)에 의한 신호누설과 공진 및 발진 현상에 의한 출력단에서의 잡음영향을 감소시키고자 다른 혼합기에 비해 입력신호의 차단특성이 우수한 이중 평형 혼합기의 사용이 요구된다.
이하에서는 종래 이중 평형 혼합기에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래 상향 변환 이중 평형 혼합기(10)의 일구성예를 나타낸 회로구성도이다.
도 1에서 참조번호 11은 소정 IF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상과 부(-)위상의 IF 신호(IF+, IF-)로 나누어 출력하는 IF 발룬(Balun)이고, 12는 소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상과 부위상의 LO 신호(LO+, LO-)로 나누어 출력하는 LO 발룬이며, 13은 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상과 부위상의 RF 신호(RF+, RF-) 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 RF 신호를 출력하는 RF 발룬으로서, 이는 부위상의 RF- 신호를 180도 위상변화한 후, 정위상의 RF+ 신호와 합산하여 출력하게 된다.
도 1에서 참조번호 14는 상기 IF 발룬(11), LO 발룬(12) 및, RF 발룬(13) 사이에 접속되어 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 스위칭 구동되며, 양극성의 IF 신호(IF+, IF-)와 LO 신호(LO+, LO-)를 각각 승산하여 RF 신호(RF+, RF-)를 출력하는 혼합기 코어(Core)이다.
도 1에서 상기 혼합기 코어(14)는 제1 내지 제4 트랜지스터(Q1~Q4)를 구비하여 구성되며, 각 트랜지스터(Q1~Q4)는 예컨대, MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)이나 S-밴드(2~4GHz) 이상의 초고주파 신호 스위칭이 요구되는 경우 HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 이용하게 된다. 그리고 도 1의 제1 내지 제4 트랜지스터(Q1~Q4)에는 각각 도시되지 않은 직류 바이어스 전원이 접속되게 된다.
도 1의 구성에 의하면, LO 발룬(12)에서 출력된 LO+ 신호와 LO- 신호는 각각 그 신호주기에 따라 양극성인 경우 제2 및 제3 트랜지스터(Q2, Q3)와 제1 및 제4 트랜지스터(Q1, Q4)를 각각 상보적으로 온(ON)구동 시키게 된다.
따라서 LO+ 신호가 양극성인 경우 제2 및 제3 트랜지스터(Q2, Q3)가 온(ON)구동 되고, LO+ 신호와 IF+ 신호가 승산된 RF+ 신호와 LO+ 신호와 IF- 신호가 승산된 RF- 신호가 각각 RF 발룬(13)에 입력되며, RF 발룬(13)은 양 입력신호를 합산하여 RF 신호를 출력하게 된다.
그리고 LO- 신호가 양극성인 경우 제1 및 제4 트랜지스터(Q1, Q4)가 온(ON)구동 되고, LO- 신호와 IF+ 신호가 승산된 RF- 신호와 LO- 신호와 IF- 신호가 승산된 RF+ 신호가 각각 RF 발룬(13)에 입력되며, RF 발룬(13)은 양 입력신호를 합산하여 RF 신호를 출력하게 된다.
도 1의 상향 평형 이중 혼합기(10)는 예컨대, L-밴드 내지 K-밴드(1~26GHz) 신호를 처리하는 경우 혼합기 코어(14)의 출력단에서 RF+ 신호와 RF- 신호 전압의 극성이 LO+ 신호와 LO- 신호의 극성에 따라 주기적으로 변하게 되므로 혼합기코어(14)에서 입출력 포트 간의 격리(Isolation)특성이 우수하고, LO+ 신호와 LO- 신호의 누설에 의한 불요(Spurious)잡음을 제거하는 장점이 있다.
그러나 근래에 부각되고 있는 Ka-밴드(26~40GHz) 이상의 밀리미터파 신호를 처리하는 밀리미터파 집적회로(MMWIC)에 상기한 이중 평형 혼합기를 적용하는 경우 도 1의 선로교차점(x)과 같은 커플링 발생지점에 의해 각 트랜지스터(Q1~Q4)에 인가되는 LO+ 신호, LO- 신호의 위상은 정확히 반분되지 못하게 된다.
따라서 Ka-밴드 이상의 밀리미터파 신호를 처리하는 집적회로에 있어서 혼합기 회로에 상기한 커플링이 발생지점이 있는 경우 입력신호 파장이 집적회로에 비해 매우 작기 때문에 입력신호 누설에 의한 공진, 발진현상이 발생되어 혼합기의 정상적인 주파수 변환동작을 방해하고, 이에 따라 출력신호의 전력손실이 발생되는 문제점이 있게 된다.
도 2는 종래 상향 변환 이중 평형 혼합기(20)의 다른 구성예를 나타낸 회로구성도로서, 이는 상술한 혼합기 회로내 커플링 발생지점을 제거한 구성으로 도 2에서 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 붙이기로 한다.
도 2의 이중 평형 혼합기(20)는 IF 동위상 결합기(21), LO 발룬(12), RF 발룬(13) 및, 제1 내지 제4 트랜지스터(Q5~Q8)로 이루어진 혼합기 코어(22)를 구비하여 구성된다.
도 2의 이중 평형 혼합기(20)는 [논문명 : A Broadband FET Resistive Ring Mixer Using a Parallel Connected Marchand Balun, 저자 : Mitsuhiro Shimozawa,Kenji Kawakami, Hiroshi Ikematsu, Kenji Itoh, 1998 Asia-Pacific Microwave Conference. p651~654]에 상세하게 기재되어 있는 바, 본 명세서에서는 간략하게 설명하기로 한다.
도 2의 구성으로 된 이중 평형 혼합기(20)는 LO+ 신호, LO- 신호가 정확히 위상반분되어 제1 내지 제4 트랜지스터(Q5~Q8)로 인가되고 두 개의 IF 입력신호가 항상 동위상이 되므로 IF 발룬 대신 IF 동위상 결합기(21)를 사용함으로써 상기한 커플링 발생지점을 제거하도록 구성된 것이다.
그러나 도 2의 혼합기(20)의 경우 RF+ 신호, RF- 신호가 출력되는 제1 내지 제4 트랜지스터(Q5~Q8)의 드레인이 LO+ 신호, LO- 신호에 대해 가상접지(Virtual Ground)되지 못하여 LO 신호(LO+, LO-)와 RF 신호(RF+, RF-) 간의 격리가 나빠지고, 이에 따라 LO+ 신호와 LO- 신호가 누설되어 혼합기(20)의 동작을 포화시키는 문제점이 발생된다.
한편 종래 하향 변환 이중 평형 혼합기의 경우 입력신호가 RF 신호, LO 신호이고, 출력신호가 IF 신호인 점만 다르고, 전체적인 혼합기의 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 구성과 유사한 구성을 가지게 된다. 따라서 상술한 입력신호 누설에 의한 혼합기내 공진 및 발진현상, 출력신호 전력손실은 하향 변환 이중 평형 혼합기에도 생기게 된다.
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 밀리미터파 대역에서 신호처리되는 입력신호의 누설에 의한 혼합기내 공진, 발진현상을 방지하며,출력신호의 전력손실을 최소화할 수 있도록 된 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향/하향 변환 이중 평형 혼합기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 상향 변환 이중 평형 혼합기(10)의 일구성예를 나타낸 회로구성도.
도 2는 종래 상향 변환 이중 평형 혼합기(20)의 다른 구성예를 나타낸 회로구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상향 변환 이중 평형 혼합기(30)의 내부 구성을 나타낸 회로구성도.
도 4는 도 3에 도시된 혼합기 코어(34)의 실제 회로구성을 나타낸 레이아웃도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상향 변환 이중 평형 혼합기(30)의 실제 회로구성을 나타낸 레이아웃도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하향 변환 이중 평형 혼합기(40)의 내부 구성을 나타낸 회로구성도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10, 20, 30 : 상향 변환 이중 평형 혼합기, 11, 31, 42 : IF 발룬,
12, 32 : LO 발룬, 13, 33, 41 : RF 발룬,
14, 22, 34 : 혼합기 코어, 21 : IF 동위상 결합기,
40 : 하향 변환 이중 평형 혼합기, H1~H4 : HEMT,
Q1~Q4, Q5~Q8 : 제1 내지 제4 트랜지스터.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향 변환 이중 평형 혼합기는 소정 바이어스 회로를 구비한 상향 변환 이중 평형 혼합기에 있어서; 소정 IF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 IF+ 신호와 부위상의 IF- 신호로 나누어 출력하는 IF 발룬과; 소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 LO+ 신호와 부위상의 LO- 신호로 나누어 출력하는 LO 발룬과; 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 RF+ 신호와 부위상의 RF- 신호 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 RF 신호를 출력하는 RF 발룬 및; 상기 IF 발룬, LO 발룬 및, RF 발룬 사이에 접속되고, 상기 LO+ 신호 및 LO- 신호의 입력선로가 상호 분리되며, 상기 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 양극성의 LO+ 신호 또는 LO- 신호를 각각 상기 IF+ 신호 및 IF- 신호와 승산하여 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호를 출력하는 혼합기 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 혼합기 코어는 소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제1 HEMT와; 소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF- 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제2 HEMT와; 소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제3 HEMT 및; 소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제4 HEMT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀리미터파 집적회로에 적용되는 하향 변환 이중 평형 혼합기는 소정 바이어스 회로를 구비한 하향 변환 이중 평형 혼합기에 있어서; 소정 RF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 RF+ 신호와 부위상의 RF- 신호로 나누어 출력하는 RF 발룬과; 소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 LO+ 신호와 부위상의 LO- 신호로 나누어 출력하는 LO 발룬과; 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 IF+ 신호와 부위상의 IF- 신호 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 IF 신호를 출력하는 IF 발룬 및; 상기 RF 발룬, LO 발룬 및, IF 발룬 사이에 접속되고, 상기 LO+ 신호 및 LO- 신호의 입력선로가 상호 분리되며, 상기 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 양극성의 LO+ 신호 또는 LO- 신호를 각각 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호와 승산하여 상기 IF+ 신호 및 IF- 신호를 출력하는 혼합기 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 혼합기 코어는 소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제1 HEMT와, 소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF- 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제2 HEMT와, 소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제3 HEMT 및, 소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제4 HEMT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
따라서 상기한 구성에 의하면, 입력신호 누설에 따른 공진, 발진현상을 방지하고 출력신호의 전력손실을 최소화할 수 있도록 된 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향/하향 변환 이중 평형 혼합기를 제공할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상향 변환 이중 평형 혼합기(30)의 내부 구성을 나타낸 회로구성도이다. 본 실시예는 Ka-밴드(26~40GHz) 이하는 물론 Ka-밴드 이상의 밀리미터파 집적회로에 적용되는 이중 평형 혼합기에 있어서, 고대역 신호인 LO+ 신호와 LO- 신호를 분리하여 입력시키고, LO+/LO- 신호에 비해 상대적으로 낮은 주파수 신호인 IF+ 신호와 IF- 신호를 크로스하여 입력하는 구조로 된 것이다.
도 3에서 참조번호 31은 IF 발룬이고, 32는 LO 발룬이며, 33은 RF 발룬을 나타낸 것으로서, 이는 도 1에 도시된 IF 발룬(11), LO 발룬(12) 및, RF 발룬(13)과 동일한 동작을 수행하게 된다.
도 3에서 상기 IF 발룬(31)은 일반적인 HEMT를 이용한 능동(Active)발룬으로 구성되고, 이는 HEMT(도시되지 않음)의 게이트를 통해 IF 신호를 받아 소스로는 IF입력신호와 동위상인 IF+ 신호를 출력하고, 드레인으로는 IF+ 신호와 180도 위상차를 갖는 IF- 신호를 출력하게 된다.
도 3에서 상기 LO 발룬(32)과 RF 발룬(33)은 마이크로 스트립 라인(Micro Strip Line)으로 이루어진 도시되지 않은 레인지 커플러(Lange Coupler)와 90도 지연선로를 결합한 양방향성(Reciprocal) 수동(Passive)발룬으로 구성된다.
상기 IF 발룬(31), LO 발룬(32) 및 RF 발룬(33)의 구성은 일반적인 내용이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3에서 참조번호 34는 상기 IF 발룬(31), LO 발룬(32) 및, RF 발룬(33) 사이에 접속되어 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 스위칭 구동되며, 양극성의 IF 신호(IF+, IF-)와 LO 신호(LO+, LO-)를 각각 승산하여 RF 신호(RF+, RF-)를 출력하는 혼합기 코어(Core)로서, 이는 예컨대, Ka-밴드(26~40GHz) 이상의 밀리미터파 대역에서도 정확히 스위칭 동작되도록 제1 내지 제4 HEMT(H1~H4)를 구비하여 구성된다.
도 3의 제1 내지 제4 HEMT(H1~H4)는 각각 도시되지 않은 직류 바이어스 전원이 그 게이트에 각각 접속되며, 제1 HEMT(H1)의 게이트와 제2 HEMT(H2)의 게이트 간의 접속노드(a)는 LO 발룬(32)의 LO+ 출력단에 접속되며, 제3 HEMT(H3)의 게이트와 제4 HEMT(H4)의 게이트 간의 접속노드(b)는 LO 발룬(32)의 LO- 출력단에 접속되어 구성된다.
도 3에서 제1 HEMT(H1)의 소스와 제4 HEMT(H2)의 소스 간의 접속노드(c)는 IF 발룬(31)의 IF+ 출력단에 접속되며, 제2 HEMT(H3)의 소스와 제3 HEMT(H4)의 소스 간의 접속노드(d)는 IF- 출력단에 접속되어 구성된다.
도 3에서 제1 HEMT(H1)의 드레인과 제3 HEMT(H3)의 드레인 간의 접속노드(e)는 RF 발룬(33)의 RF+ 입력단에 접속되며, 제2 HEMT(H2)의 드레인과 제4 HEMT(H4)의 드레인 간의 접속노드(f)는 RF 발룬(33)의 RF- 입력단에 접속되어 구성된다.
그리고 상기 혼합기 코어(34)의 실제 회로 구성은 도 4에 도시된 바와 같다.
상기한 구성으로 된 이중 평형 혼합기(30)는 도 1의 혼합기(10)와 같이 고대역 신호인 LO 신호(LO+, LO-)의 입력선로가 겹치는 것이 아니라 상대적으로 낮은 주파수인 IF 신호(IF+, IF-)의 입력선로가 겹쳐지도록 함으로써 혼합기 코어(34)에 입력되는 LO 신호의 위상을 정확하게 반분하도록 된 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상향 변환 이중 평형 혼합기(30)의 실제 회로구성을 나타낸 레이아웃도로서, 도 5에서 도 3 및 도 4에 도시된 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호(부호)를 붙이고 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5에서 참조번호 35은 상기 혼합기 코어(34)에 직류 바이어스를 인가하는 바이어스부로서, 상기 바이어스부(35)는 도 5의 혼합기 코어(34)로 예컨대, - 0.6 V 정도의 직류 바이어스 전원을 공급하며, 도 5의 혼합기 코어(34)는 부(-)의 바이어스 전원으로 동작되는 공핍형 HEMT로 구성된다. 그리고 상기 혼합기 코어(34)를 증가형 HEMT로 구성하는 경우 상기 바이어스부(35)는 혼합기 코어(34)로 예컨대, 0.5~1V 정도의 바이어스 전원을 공급하게 된다. 상기 바이어스부(35)는 일반적인 바이어스 회로를 이용하게 된다.
이하에서는 도 3의 구성으로 된 본 발명의 동작을 설명하기로 한다.
다음 수학식1, 2는 IF 발룬(31)에서 출력되는 IF+, IF- 신호와 LO 발룬(32)에 출력되는 LO+, LO- 신호를 각각 나타낸 것이다.
도 3의 LO 발룬(32)에서 출력된 LO+ 신호와 LO- 신호는 각각 그 신호주기에 따라 LO+ 신호가 양극성인 경우 제1 및 제2 HEMT(H1, H2)가 온구동되고, LO- 신호가 양극성인 경우 제3 및 제4 HEMT(H3, H4)가 온구동되게 된다.
먼저 LO+ 신호에 따라 제1 및 제2 HEMT(H1, H2)가 온구동되는 경우 제1 HEMT(H1)는 LO+ 신호와 IF 발룬(31)으로부터 인가되는 IF+ 신호를 다음 수학식3과 같이 승산하여 RF 발룬(33)으로 전송하게 된다.
또한 제2 HEMT(H2)는 LO+ 신호와 IF 발룬(31)으로부터 인가되는 IF- 신호를 다음 수학식4와 같이 승산하여 RF 발룬(33)의 다른 입력단으로 전송하게 된다.
이후 LO- 신호에 따라 제3 및 제4 HEMT(H3, H4)가 온구동되는 경우 제3 HEMT(H3)는 LO- 신호와 IF 발룬(31)으로부터 인가되는 IF- 신호를 다음 수학식5과 같이 승산하여 RF 발룬(33)으로 전송하게 된다.
또한 제4 HEMT(H4)는 LO- 신호와 IF 발룬(31)으로부터 인가되는 IF+ 신호를 다음 수학식6과 같이 승산하여 RF 발룬(33)의 다른 입력단으로 전송하게 된다.
따라서 RF 발룬(13)은 다음 수학식7의 RF+ 신호와 수학식8의 RF- 신호를 입력신호로 하여 합산된 소정 RF 신호를 출력하게 된다.
즉 상기한 실시예에 의하면, 제1 내지 제4 HEMT(H1~H4)의 게이트 입력점이 서로 겹치지 않게 되어 혼합기 코어(34)내 고대역 신호선로의 겹침에 의한 커플링이 발생지점을 제거할 수 있게 되며, 이에 따라 LO 발룬(32)의 LO+ 신호와 LO- 신호는 정확히 위상반분되고, LO 신호 누설에 의한 공진 및 발진현상 그리고, RF 출력신호의 전력손실을 방지할 수 있게 된다.
한편 상기한 실시예의 경우 상향 변환 이중 평형 혼합기를 나타낸 것으로서, 도 3의 혼합기 코어(34)를 그대로 이용하여 도 6과 같은 수신용 RF 시스템에 사용되는 하향 변환 이중 평형 혼합기를 구성할 수 있게 된다.
도 6에 도시된 하향 변환 이중 평형 혼합기(40)는 입력신호인 RF 신호(RF+, RF-)와 LO 신호(LO+, L0-)를 승산하여 중간주파수인 IF 신호를 출력하도록 된 것으로서, 도 6에서 도 3의 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호(부호)를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6에서 참조번호 41, 42는 각각 RF 발룬, IF 발룬을 나타낸 것으로서, 상기 RF 발룬(41)과 IF 발룬(42)은 일반적인 양방향성 발룬으로 구성된다.
도 6의 구성에 의하면, LO 발룬(32)에서 출력된 LO+ 신호와 LO- 신호는 각각그 신호주기에 따라 양극성인 경우 제1 및 제2 HEMT(H1, H2)와, 제3 및 제4 HEMT(H3, H4)를 각각 상보적으로 온(ON)구동 시키게 된다.
따라서 LO+ 신호가 양극성인 경우 제1 및 제2 HEMT(H1, H2)가 온(ON)구동 되어 LO+ 신호와 RF+ 신호가 승산된 IF+ 신호와, LO+ 신호와 RF- 신호가 승산된 IF- 신호가 각각 IF 발룬(42)에 입력되며, IF 발룬(42)은 부위상의 IF- 신호를 180도 위상변화하여 정위상의 IF+ 신호와 합산된 IF 신호를 출력하게 된다.
그리고 LO- 신호가 양극성인 경우 제3 및 제4 HEMT(H3, H4)가 온(ON)구동 되어 LO- 신호와 RF+ 신호가 승산된 IF- 신호와, LO- 신호와 RF- 신호가 승산된 IF+ 신호가 각각 IF 발룬(42)에 입력되며, IF 발룬(42)은 부위상의 IF- 신호를 180도 위상변화하여 정위상의 IF+ 신호와 합산된 IF 신호를 출력하게 된다.
이 경우 또한 도 6의 혼합기 코어(34)의 회로구조상 LO 발룬(32)의 LO+ 신호와 LO- 신호는 정확하게 위상반분되어 LO 신호 누설에 의한 공진 및 발진현상 그리고, IF 출력신호의 전력손실을 방지할 수 있게 된다.
한편 상기한 상향/하향 변환 이중 평형 혼합기(30, 40)의 경우 내부 회로에 사용되는 트랜지스터로 HEMT를 이용하였으나, 처리되는 신호의 허용가능한 주파수 범위내에서 일반적인 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)을 이용하여 구성하는 것도 가능할 것이다.
또한 본 발명은 기본적으로 밀리미터파 집적회로에 적용되도록 원칩화된 이중 평형 혼합기를 설계한 것이나, MIC(Microwave Integrated Circuit)로 설계하는경우 혼합기 코어는 MESFET이나 HEMT로 구성하고, RF 발룬, LO 발룬 및 IF 발룬은 각각 능동/수동발룬으로 구성하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향/하향 변환 이중 평형 혼합기의 커플링이 발생되는 지점을 제거함으로써 고대역 입력신호 누설에 의한 공진 및 발진현상을 제거하고, 출력신호의 전력손실을 최소화할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 소정 바이어스 회로를 구비한 상향 변환 이중 평형 혼합기에 있어서;
    소정 IF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 IF+ 신호와 부위상의 IF- 신호로 나누어 출력하는 IF 발룬;
    소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 LO+ 신호와 부위상의 LO- 신호로 나누어 출력하는 LO 발룬;
    서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 RF+ 신호와 부위상의 RF- 신호 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 RF 신호를 출력하는 RF 발룬 및;
    상기 IF 발룬, LO 발룬 및, RF 발룬 사이에 접속되고, 상기 LO+ 신호 및 LO- 신호의 입력선로가 상호 분리되며, 상기 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 양극성의 LO+ 신호 또는 LO- 신호를 각각 상기 IF+ 신호 및 IF- 신호와 승산하여 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호를 출력하는 혼합기 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향 변환 이중 평형 혼합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 코어는
    소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제1 HEMT,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF- 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제2 HEMT,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제3 HEMT 및,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 출력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 입력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제4 HEMT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향 변환 이중 평형 혼합기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 HEMT의 게이트와 제2 HEMT의 게이트 간의 접속노드(a)는 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속되고,
    상기 제3 HEMT의 게이트와 제4 HEMT의 게이트 간의 접속노드(b)는 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속되며,
    상기 접속노드(a)와 상기 접속노드(b)는 전기적으로 분리되도록 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향 변환 이중 평형 혼합기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 LO+ 신호 및 LO- 신호와, 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호는 Ka-밴드 이상의 밀리미터파 신호인 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 상향 변환이중 평형 혼합기.
  5. 소정 바이어스 회로를 구비한 하향 변환 이중 평형 혼합기에 있어서,
    소정 RF 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 RF+ 신호와 부위상의 RF- 신호로 나누어 출력하는 RF 발룬;
    소정 LO 입력신호를 서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 LO+ 신호와 부위상의 LO- 신호로 나누어 출력하는 LO 발룬;
    서로 180도의 위상차를 갖는 정위상의 IF+ 신호와 부위상의 IF- 신호 입력에 대해 양 신호를 합산하여 소정 IF 신호를 출력하는 IF 발룬 및;
    상기 RF 발룬, LO 발룬 및, IF 발룬 사이에 접속되고, 상기 LO+ 신호 및 LO- 신호의 입력선로가 상호 분리되며, 상기 LO+ 신호와 LO- 신호의 교번주기에 따라 양극성의 LO+ 신호 또는 LO- 신호를 각각 상기 RF+ 신호 및 RF- 신호와 승산하여 상기 IF+ 신호 및 IF- 신호를 출력하는 혼합기 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 하향 변환 이중 평형 혼합기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합기 코어는
    소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제1 HEMT,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF- 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO+ 출력단에 접속된 제2 HEMT,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF- 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제3 HEMT 및,
    소스가 상기 IF 발룬의 IF+ 신호 입력단에 접속되고 드레인이 상기 RF 발룬의 RF+ 신호 출력단에 접속되며 게이트가 상기 LO 발룬의 LO- 출력단에 접속된 제4 HEMT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 집적회로에 적용되는 하향 변환 이중 평형 혼합기.
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