KR20060094005A - 마이크로파 에스피디티 스위치 - Google Patents

Abstract

마이크로파 에스피디티(SPD:Single pole double throw) 스위치에서, 상기 스위치는 송수신부로 이루어지며, 송수신부 각각에 병렬로 연결된 2개의 스위칭 소자가 포함되어 있으며, 상기 스위칭 소자 사이에 임피던스 변환회로가 삽입되어 있다. 구체적으로, 송신 신호는 또는 수신 신호를 전달하는 전송 선로에 서로 병렬 연결되어 있는 두 개의 스위칭 소자가 각각 연결되어 있으며, 이러한 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이에 임피던스 변환 회로가 각각 형성되어 있다.

따라서 스위치 소자의 온/오프 상태에서의 임피던스를 확실하게 단락/개방 회로로 만들어서 높은 격리도와 낮은 삽입손실을 제공할 수 있다.

SPDT스위치, FET, 임피던스, 마이크로파

Description

마이크로파 에스피디티 스위치{Microwave SPDT switch}

도 1 및 도 2는 종래의 에스피디티 스위치를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 에스피디티 스위치의 회로도이다.

도4a 내지 도 4c는 단순한 FET 및 임피던스 변환회로를 사용한 FET의 드레인으로 들여다 본 임피던스를 나타낸 스미스 차트를 나타낸 도이다.

도5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 에스피디티 스위치의 임피던스 측정 결과를 나타낸 도이다.

본 발명은 무선 고주파(Radio Frequency : RF) 스위치에 관한 것으로, 특히 신호를 송수신하는 시스템에서 사용되는 단일-폴, 이중-스루 (Single pole double throw) 스위치(이하, 설명의 편의상 "SPDT 스위치"라고 명명함)에 관한 것이다.

비교적 낮은 주파수 대역의 송수신 시스템에서는 스위칭 소자로서 가장 기본적인 직/병렬 FET(field-effect transistor) 스위치를 사용한다. 도 1은 직/병렬 FET 스위치의 개략적인 구조도이다.

하지만, 마이크로파 대역의 무선 신호를 송수신하는 시스템에서는 도 1에 도시된 일반적인 직/병렬 FET 스위치보다 넓은 대역폭과 고분리도를 갖는 분배 구조 형태를 응용한 병렬 FET 스위치를 사용한다. 도 2는 종래의 마이크로파 병렬 SPDT 스위치의 구조도이다.

첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로파 병렬 SPDT 스위치는 무선 신호를 절체하기 위해 2개 이상의 다이오드나 트랜지스터로 형성되는 스위칭 소자(Q1,Q2)를 병렬로 연결하여 사용한다. 도 2에서, 구동전압 V1, V2에 따라 트랜지스터(Q1)와 트랜지스터(Q2)를 각각 온/오프(On/Off)시켜, 상기 스위치가 송신모드와 수신모드의 2가지 상태로 구분되어 동작하도록 한다.

송신모드일 경우, 트랜지스터(Q1)는 오프 상태, 그리고 트랜지스터(Q2)는 온 상태를 유지하여, Tx 단자로부터 인가된 신호는 Rx 단자와는 분리되어 안테나 단자로 흘러 들어간다. 또한 수신모드일 경우 송신 모드와는 반대로 트랜지스터(Q1)는 온 상태, 그리고 트랜지스터(Q2)는 오프상태를 유지하여, 안테나 단자로부터 인가된 신호는 Tx 단자와는 분리되어 Rx 단자로 전달된다.

이와 같이 동작하는 마이크로파 SPDT 스위치는 저손실과 고분리도 특성을 갖기 위해서, 스위칭 소자의 온/오프 상태에서 입력측에서 바라본 임피던스가 확실하게 단락/개방 회로 상태로 되어 있어야 한다.

그러나 마이크로파 SPDT 스위치의 경우에는 동작 주파수의 증가로 인한 스위칭 소자의 기생성분이 발생하고, 이로 인하여 스위칭 소자의 입력측에서 바라본 임피던스가 단락/개방 회로 상태를 유지하지 못하는 문제점이 발생한다.

그 결과, 송수신되는 신호의 분리가 확실하게 이루어지지 않고 또한 송수신되는 신호가 스위칭 소자를 통하여 흐르게 되면서 신호의 손실이 발생하게 된다.

그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 송수신 시스템에서 사용 가능한 저손실 및 고분리도를 가지는 마이크로파 SPDT 스위치를 제공하는데 있다.

특히 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 임피던스 변환 회로를 이용하여 마이크로파 대역에서도 저손실 고분리도를 갖는 SPDT 스위치를 제공하는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 특징에 따른 SPDT 스위치는 송수신부로 이루어지며, 송수신부 각각에 병렬로 연결된 2개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 스위칭 소자 사이에 임피던스 변환회로가 삽입되어 있다.

구체적으로, 본 발명의 특징에 따른 SPDT 스위치는 안테나를 통하여 마이크로파 신호를 송수신하는 시스템에 사용되는 SPDT 스위치에 있어서, 송신 단자로부터 인가되는 송신 신호를 처리하여 안테나로 전달하는 전송 선로에 각각 연결되어 있으며 서로 병렬 연결되어 있는 제1 및 제2 스위칭 소자, 그리고 상기 제1 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이, 및 제2 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이에 각각 형성되어, 상기 송신 신호의 입출력단의 임피던스 정합을 수행하는 제1 및 제2 임피던스 변환 회로를 포함하는 송신부; 및 상기 안테나로부터 인가되는 수신 신호를 처리하여 수신 단자로 전달하는 전송 선로에 각각 연결되어 있으며 서로 병렬 연결되어 있는 제3 및 제4 스위칭 소자, 그리고 상기 제3 스위칭 소자와 전송 선로 사이 및 제4 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이에 각각 형성되어, 상기 수신 신호의 입출력단의 임피던스 정합을 수행하는 제3 및 제4 임피던스 변화 회로를 포함하는 수신부를 포함한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 SPDT 스위치의 회로도이다.

첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 SPDT 스위치(이하, 설명의 편의상 SPDT 스위치라고도 명명함)는 안테나에 연결되는 송신부(10) 및 수신부(20)를 포함한다. 송신부(10)는 각각 송신 단자(Tx)로부터 인가되는 송신 신호를 처리하여 안테나로 전달하며, 수신부(20)는 안테나로부터 인가되는 수신 신호를 수신 단자(Rx)로 전달한다.

이를 위하여, 송신부(10)는 안테나에 연결되어 있는 전송 선로(L1) 상에 서로 병렬로 연결되어 있는 제1 및 제2 임피던스 변환 회로(T11,T12), 제1 및 제2 임피던스 변환 회로에 각각 직렬로 연결되어 있는 트랜지스터(Q11,Q12)를 포함한다. 여기서 트랜지스터(Q11,Q12)의 드레인에는 각각 저항(R11,R12)이 연결되어 있으며, 외부로부터 인가되는 구동 전압(V1)이 저항(R11,R12)을 통하여 트랜지스터 (Q11,Q12)로 입력되도록 되어 있다. 특히, 트랜지스터(Q11,Q12)는 인가되는 구동 전압(V1)에 따라 서로 동일하게 동작한다.

또한 수신부(20)도 동일하게 안테나에 연결되어 있는 전송 선로(L2) 상에 서로 병렬로 연결되어 있는 제3 및 제4 임피던스 변환 회로(T21,T22), 제3 및 제4 임피던스 변환 회로에 각각 직렬로 연결되어 있는 트랜지스터(Q21,Q22)를 포함한다. 여기서 외부로부터 인가되는 구동 전압(V2)이 저항(R21,R22)을 통하여 트랜지스터(Q21,Q22)로 입력되도록 되어 있으며, 트랜지스터(Q21,Q22)는 구동 전압(V1)에 따라 서로 동일하게 동작한다

이러한 구조에서, 전송 선로(L1,L2) 상에서는 다수의 저항 성분(11,12,13,21,22,23)이 존재하며, 송수신부(20)에 사용된 스위칭 소자로서 FET 트랜지스터가 사용되었다.

또한 제1 내지 제4 인피던스 변환회로(T11,T12,T21,T22)는 동일평면 도파관(CPW, Coplanar Waveguide) 또는 마이크로스트립 라인으로 구성되어 있다. 마이크로스트립 라인은 고주파의 전송에 사용되는 동축 케이블을 절개하여, 중심 도체를 일그러뜨린 것으로, 기판의 비유전율, 두께, 도체의 두께, 폭 등에 의해 전송선로의 특성 임피던스가 정해진다. 이외에도 인덕터, 커패시터, 저항 등을 소자를 1소자, 2소자, 3소자 또는 4소자 이상으로 구성하여, 제1 내지 제4 임피던스 변환회로를 구현할 수도 있다. 그러나 위에 기술된 것은 단지 예로 든 것이며, 본 발명은 위에 기술된 것에 한정되지 않는다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치는 송신 단자와 안테나 그 리고 안테나와 수신 단자 사이의 임피던스차에 의한 반사를 줄이기 위하여, 제1 및 제2 임피던스 변환회로를 삽입하여 입출력단의 임피던스 차이를 보정한다.

다음에는 이러한 구조를 토대로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 SPDT 스위치의 동작에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치는 송신 모드와 수신 모드로 각각 동작하며, 각 모드에 따라 송신부(10) 및 수신부(20)로 공급되는 구동 전압이 가변된다.

먼저, 송신 모드 동작시, 외부로부터 인가되는 제1 구동 전압(V1)은 로우 레벨 상태(예:0V)로 인가되고, 제2 구동 전압(V2)은 하이 레벨 상태(예:2.1V)로 인가된다. 그 결과, 로우 레벨의 제1 구동 전압(V1)에 따라 송신부(10)의 트랜지스터(Q11,Q12)는 각각 오프되어 기생 성분이 없는 높은 임피던스 상태를 가지게 되고, 로우 레벨의 제2 구동 전압(V2)에 따라 수신부(20)의 트랜지스터(Q21,Q22)는 각각 온되어 낮은 임피던스 상태를 가지게 된다.

따라서 송신 단자(Tx)를 통하여 인가되는 송신 신호는 전송 선로(L1)를 통하여 안테나로 전달되며, 수신부(20) 측으로 유입된 송신 신호는 낮은 임피던스로 인하여 트랜지스터(Q21,Q22)를 통하여 그라운드로 흐르게 된다.

한편, 수신 모드 동작시, 외부로부터 인가되는 제1 구동 전압(V1)은 하이 레벨 상태(예:2.1V)로 인가되고, 제2 구동 전압(V2)은 로우 레벨 상태(예:2.1V)로 인가된다. 그 결과, 하이 레벨의 제1 구동 전압(V1)에 따라 송신부(10)의 트랜지스터(Q11,Q12)는 각각 온되어 낮은 임피던스 상태를 가지게 되고, 하이 레벨의 제2 구 동 전압(V2)에 따라 수신부(20)의 트랜지스터(Q21,Q22)는 각각 오프되어 높은 임피던스 상태를 가지게 된다.

따라서 안테나로부터 수신부(20)로 인가되는 수신 신호는 전송 선로(L2)를 통하여 수신 단자(Rx)로 전달되며, 이 때 트랜지스터(Q21,Q22)가 높은 임피던스 상태를 유지하고 있으므로 별도의 손실 없이 수신 단자(Rx)로 전달된다. 한편 안테나로부터 송신부(10)로 유입된 수신 신호는 낮은 임피던스를 유지하고 있는 트랜지스터(Q11,Q12)를 통하여 그라운드로 흐르게 된다.

이와 같이, 송수신 모드시에, 트랜지스터와 전송로 사이에 형성된 임피던스 변환 회로에 의하여 송신 신호가 수신 단자(Rx)로 유입되거나 수신 신호가 송신 단자(Tx)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 송신부(10)나 수신부(20) 상에서 트랜지스터의 오프 상태인 경우에도 높은 임피던스로 인하여 개방 상태가 유지되어, 송신 신호나 수신 신호가 트랜지스터를 통하여 손실되는 것을 방지할 수 있다.

위에 기술된 바와 같이 동작하는 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치의 성능을 측정한 결과, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

병렬로 연결되는 트랜지스터의 개수에 따라 스위치 특성을 시뮬레이션 한 결과, 송수신부에 각각 2개의 병렬 구조로 이루어진 트랜지스터를 사용할 때, 그 성능이 최적화됨을 확인하였다.

도4a는 임피던스 변환회로를 사용하지 않은 경우 트랜지스터의 임피던스를 나타낸 도이며, 도4b는 본 발명의 실시 예에 따른 임피던스 변환회로를 사용한 경우 트랜지스터의 임피던스를 나타낸 도이고, 도 4c는 본 발명의 실시 예에 임피던 스 변환 회로에 의한 온/오프 상태의 임피던스 이동을 나타낸 도이다. 첨부한 도 4a 내지 도 4c를 살펴보면, 후자의 경우(임피던스 변환회로를 사용한 본 발명)에 따른 임피던스가 비교적 단락/개방회로와 유사함을 알 수 있다.

도 5 및 도 6은 이와 같이 임피던스 변환회로를 사용한 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 SPDT 스위치의 특성을 나타낸 도이며, 특히 60GHz 주파수로 동작하는 SPDT 스위치를 예로 들었다. 첨부한 도 5 및 도 6에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 SPDT 스위치의 특성을 살펴보면, 53 ~ 61GHz에서 삽입손실이 2.6dB 이하이고, 격리도가 24dB 이상이며, 입력 및 출력 반사계수가 -15dB 이하인 것을 알 수 있다.

비록, 본 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 개시된 실시 예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.

이상에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면 마이크로파 스위치는 종래의 스위치에 비해 작은 삽입손실과 높은 격리도를 동시에 만족할 수 있는 스위치를 FET 스위칭 소자와 전송선로를 이용하여 비교적 쉽게 구현을 할 수가 있다.

Claims (7)

1. 안테나를 통하여 마이크로파 신호를 송수신하는 시스템에 사용되는 SPDT 스위치에 있어서,

   송신 단자로부터 인가되는 송신 신호를 처리하여 안테나로 전달하는 전송 선로에 각각 연결되어 있으며 서로 병렬 연결되어 있는 제1 및 제2 스위칭 소자, 그리고 상기 제1 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이, 및 제2 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이에 각각 형성되어, 상기 송신 신호의 입출력단의 임피던스 정합을 수행하는 제1 및 제2 임피던스 변환 회로를 포함하는 송신부; 및

   상기 안테나로부터 인가되는 수신 신호를 처리하여 수신 단자로 전달하는 전송 선로에 각각 연결되어 있으며 서로 병렬 연결되어 있는 제3 및 제4 스위칭 소자, 그리고 상기 제3 스위칭 소자와 전송 선로 사이 및 제4 스위칭 소자와 상기 전송 선로 사이에 각각 형성되어, 상기 수신 신호의 입출력단의 임피던스 정합을 수행하는 제3 및 제4 임피던스 변화 회로를 포함하는 수신부

   를 포함하는 SPDT 스위치.
2. 제1항에 있어서

   상기 제1 및 제2 스위칭 소자는 제1 구동 전압에 따라 동작하고, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자는 제2 구동 전압에 따라 동작하며, 상기 제1 및 제2 구동 전압은 전압 레벨이 서로 반대로 공급되는 것을 특징으로 하는 SPDT 스위치.
3. 제2항에 있어서

   상기 제1 또는 제2 구동 전압에 따라 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 중 어느 하나가 오프되는 경우, 상기 제1 내지 제4 임피던스 변환 회로중 어느 하나에 의하여 상기 전송 선로와 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 중 어느 하나 사이에 설정값 이상의 높은 임피던스가 형성되어, 상기 전송 선로를 통하여 전달되는 상기 송신 신호 또는 수신 신호의 손실이 감소되는 SPDT 스위치.
4. 제2항에 있어서

   상기 제1 또는 제2 구동 전압에 따라 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 중 어느 하나가 온되는 경우, 상기 제1 내지 제4 임피던스 변환 회로 중 어느 하나에 의하여 상기 전송 선로와 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 중 어느 하나 사이에 설정값 보다 작은 낮은 임피던스가 형성되어, 상기 송신부와 수신부 사이의 신호 분리가 이루어지는 SPDT 스위치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서

   상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는 FET로 이루어지는 SPDT 스위치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서

   상기 제1 내지 제4 인피던스 변환회로가 동일평면 도파관(CPW, Coplanar Waveguide) 또는 마이크로스트립 라인으로 이루어지는 SPDT 스위칭.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서

   상기 제1 내지 제4 임피던스 변환 회로는 적어도 1소자 이상의 전송 선로로 이루어지는 SPDT 스위치.

Images