KR20080079195A - 비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기 - Google Patents

비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기 Download PDF

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Abstract

비선형 전송로를 이용한, 반치폭이 작고 또한 진폭이 큰 임펄스를 얻을 수 있는 임펄스 발생기의 실현을 과제로 한다.
단위 선로 유닛(P1, P2)과 다이오드(D1, D2)를 갖는 전송 선로 유닛을 복수 개 직렬로 접속한 비선형 전송로(22)와, 비선형 전송로의 송신단에 접속된 펄스 발생기(21)와, 비선형 전송로의 수신단에 접속된 바이어스 의존 소자(31)를 구비하는 임펄스 발생기로서, 전송 선로 유닛의 다이오드는, 애노드가 전송 선로에, 캐소드가 그라운드에 접속되어 있으며, 바이어스 의존 소자는, 일단이 상기 전송 선로의 수신단에 접속되고, 타단이 음전위에 바이어스되어 있다.

Description

비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기{IMPULSE GENERATOR UTILIZING NONLINEAR TRANSMISSION LINE}
본 발명은, 매우 좁은 펄스를 생성하는 임펄스 발생기에 관한 것으로, 특히 전송 선로에 다이오드를 접속한 비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기에 관한 것이다.
임펄스 발생기로부터 출력하는 임펄스는, 직류로부터 고주파까지 넓은 주파수 성분을 포함하기 때문에, 임펄스 발생기는 광대역 무선 통신 시스템이나 오실로스코프의 샘플링 펄스의 발생 등을 위하여 계측 시스템에서 널리 이용되고 있다.
도 1은 광대역 무선 통신 시스템에 있어서의 임펄스 발생기의 이용예를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 베이스밴드 신호 생성기(11)에 의해 생성된 베이스밴드(발진) 신호는 임펄스 발생기(12)에 의해 발생된 임펄스에 의해 변조되고, 밴드 패스 필터(13)에 의해 여파(濾波, filtering)된 후, 송신 앰프(14)에서 증폭되고, 송수신 전환 스위치(15)를 통하여 안테나(16)로부터 송신된다. 한편, 송신 안테나(16)로 수신된 전파는 송수신 전환 스위치(15)를 통하여 수신 앰프로 보내져서 증폭된 후, 밴드 패스 필터(13)에 의해 여파되고, 검파기(19)에서 검 파되며 베이스밴드 신호 재생기(20)에서 재생된다.
도시와 같이, 안테나(16)로부터 송신되는 신호는, 임펄스가 있는 부분이 데이터값 "1"에 대응하고, 임펄스가 없는 부분이 데이터값 "0"에 대응한다. 전송 가능한 정보량을 증가시키기 위해서는, 1데이터당의 시간(데이터 폭)을 짧게 할 필요가 있어 임펄스를 좁게 하는 것이 요구된다.
임펄스 발생기 중에서도, 비선형 전송 선로를 사용하는 임펄스 발생기는, 전송 선로의 비선형성에 의한 펄스폭 압축 효과로 인해, 반치폭이 수 피코초라고 하는 매우 좁은 펄스를 생성할 수 있어, 차세대 광대역 무선 전송 시스템이나 계측 시스템에의 응용이 기대되고 있다.
비선형 전송 선로를 사용하는 임펄스 발생기에 대해서는, 예컨대, 비특허 문헌 1에 기재되어 있다.
도 2는, 비특허 문헌 1에 기재된 비선형 전송 선로를 사용하는 임펄스 발생기를 도시하는 도면으로, (A)가 구성을, (B)가 임펄스 발생기의 특성(입력 신호와 출력 신호)을 나타낸다. 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 종래의 비선형 전송 선로를 사용하는 임펄스 발생기는 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생원(21)과, 단위 선로 유닛(P1)과 다이오드(D1)를 갖는 전송 선로 유닛, P2와 D2를 갖는 전송 선로 유닛, P3와 D3를 갖는 전송 선로 유닛 등의 복수 개의 전송 선로 유닛을 직렬로 접속한 비선형 전송 선로(22)와, 종단 저항(23)과, 입력 저항(24)을 갖는다. 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 펄스 발생원(21)으로부터의 펄스를 이 선로의 송신단에 입력하면, 펄스 신호가 선로를 전파하는 과정에서, 다이오드의 비선형 효과에 의해 서서히 신호의 하강이 급준해진다.
[비특허 문헌 1] "Generation of 3.5-ps fall-time shock waves on a monolithic GaAs nonlinear transmission line", Madden, C. J.; Rodwell, M. J. W.; Marslanad, R. A.; Bloom, D. M.; Pao, Y. C., IEEE Electron Device Letters vol. 9, no.6 Page(s): 303-305 1988
그러나, 하강은 급준화하지만, 상승은 둔화되어 꼬리(테일)를 형성한다. 또한, 테일은, 어느 전압 이상으로부터 형성되기 시작하기 때문에, 펄스 진폭을 충분히 확보할 수 없게 된다. 상술과 같은 임펄스의 응용 분야에서 이용하기 위해서는, 상승의 둔화, 즉 테일을 제거하여, 펄스 반치폭을 작게 하고, 충분한 펄스폭을 확보하는 것이 요구된다.
본 발명은, 종래의 비선형 전송 선로를 이용하는 임펄스 발생기의 상기 문제를 해결하여, 반치폭이 작고 또한 진폭이 큰 임펄스를 얻을 수 있는 임펄스 발생기의 실현을 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위해서, 본 발명의 임펄스 발생기는, 비선형 전송로와, 비선형 전송로의 송신단에 접속된 펄스 발생기를 구비하는 구성에 더하여, 비선형 전송로의 수신단에 바이어스 의존 소자를 접속하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 설명을 행하기 전에 종래의 비선형 전송 선로를 이용하는 임펄스 발생기에 있어서, 상승의 테일이 둔화되는 원인에 대하여, 도 3을 참조해서 설명한다. 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, 0.8 V에서 0 V로 저하된 후 0.8 V로 되돌아가는 펄스가 입력된다고 하자. 비선형 전송 선로를 구성하는 다이오드(D)의 단자간 용량은, 다이오드에의 단자간 전압에 대하여, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같은 의존성, 즉, 단자간 전압의 3/2승에서 2승으로 증가한다. 따라서, 어느 단자간 전 압(VON) 이상에서는 단자간 용량이 급격하게 증가한다. 비선형 전송 선로를 전파하는 신호에 대해서는, 전압 레벨이 VON 이하에서는 다이오드 용량이 작고, VON 이상이 되면 다이오드 용량이 급증하게 된다. 여기에서, 전송 선로의 전파 속도는 (LC)-1/2(L: 선로 인덕턴스, C: 선로 용량)으로 나타난다. 그 때문에, 신호 레벨이 VON 이하에서는 다이오드의 용량이 작고, 전파 속도가 커져서, 신호가 급격하게 변화한다. 이에 비해서, 신호 레벨이 VON 이상이 되면 다이오드 용량이 급증하고 전파 속도가 저하되어, 신호의 변화는 완만해진다. 그 결과, 테일이 발생한다.
도 4는, 본 발명의 원리를 설명하는 도면이다. 본 발명에 따르면, 도 4의 (A)에 도시하는 바와 같이, 비선형 전송 선로(22)의 수신단에 바이어스 의존 소자(31)를 접속한다. 바이어스 의존 소자(31)의 한쪽의 단자는 전송 선로의 수신단에 접속되고, 또 다른 한쪽의 단자는 소정 전위의 전원에 바이어스되어 있다.
도 4의 (B)에 도시하는 바와 같이, 바이어스 의존 소자(31)의 리액턴스는, 단자간 전압이 소정값(Vc)보다 작을 때에는 큰 값이 되고, 단자간 전압이 소정값(Vc)보다 클 때에는 작은 값이 되는 특성을 갖는다. 그 때문에, 수신단에 도달한 신호는, 레벨이 낮을 때에는 개방 상태(오픈)로, 레벨이 높을 때에는 단락 상태(쇼트)의 회로에 입력되게 된다. 여기에서, 도 4의 (C)에 도시하는 바와 같이, 비선형 전송 선로로부터 테일을 가진 신호가 바이어스 의존 소자(31)의 부분에 도달하면, 펄스 첨두(尖頭) 부근의 진폭이 큰 부분에서는 개방(오픈)이 되기 때문에, 동상 전 반사하여, 수신단의 입사파와 반사파의 합성 전위는 최대로 2배가 된다. 이에 비해서, 테일이 발생하는 진폭이 작은 부분에서는 단락(쇼트)이 되기 때문에, 역상 전반사한다. 그 결과, 합성 전위는 입사파와 반사파로 상쇄되게 되어, 테일이 저감한다. 테일이 저감하는 결과, 펄스 진폭도 증대한다.
전송 선로의 수신단에는, 증폭기 또는 종단 저항이 접속된다. 증폭기는 고입력 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 특성을 갖는 바이어스 의존 소자는, 예컨대, 서로 캐소드 전극을 대향시켜서 접속한 2개의 다이오드와, 이 2개의 다이오드에 병렬로 접속한 인덕턴스를 구비하는 구성으로 실현된다.
바이어스 의존 소자를 구성하는 다이오드는, 비선형 전송 선로의 특성 임피던스보다 큰 값의 리액턴스를 갖도록 한다.
본 발명의 임펄스 발생기는, 반치폭이 작고 또한 진폭이 큰 임펄스를 발생할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예의 임펄스 발생기의 구성을 도시하는 도면이다.
도시와 같이, 실시예의 임펄스 발생기는, 펄스 발생원(21)과, 단위 선로 유닛(P1)과 다이오드(D1)를 갖는 전송 선로 유닛, P2와 D2를 갖는 전송 선로 유닛 등의 복수 개의 전송 선로 유닛을 직렬로 접속한 비선형 전송 선로(22)와, 입력 저항(24)과, 바이어스 의존 소자(31)와, 증폭기(32)를 갖는다.
비선형 전송 선로(22)는, InP 기판상에 형성된 코플래너 선로(선로폭 20 ㎛, 갭 15 ㎛)(P1, P2, …)와, InP 기판상에 형성된 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 게이트 쇼트키 다이오드(D1, D2, …)를 사용하여 실현한다. 전송 선로(P1, P2, …)의 길이는 각각 48 ㎛, 다이오드(D1, D2, …)의 게이트 폭은 각각 20 ㎛이다. 전송 선로(P1, P2, …)의 임피던스(Z0)는 50 Ω이다. 도시와 같이, 다이오드(D1, D2, …)의 한쪽 단(애노드)은 선로에 접속되고, 다른쪽 단(캐소드)은 접지되어 있다. 송신단에는 50 Ω의 입력 저항(24)이 설치되고, 펄스 발생원(21)으로부터, 도시와 같은 0 V에서 -0.8 V로 저하된 후 0 V로 되돌아가는 펄스 신호가 입력 저항(24)을 통하여 인가된다. 바이어스 의존 소자(31)는, 게이트 길이가 0.48 ㎛이며 게이트 폭이 5 ㎛인 2개의 다이오드(D11과 D12)를 서로 캐소드를 대향시켜서 접속하고, 또한, 0.3 nH의 인덕턴스(L)를 그 양단에 병렬로 접속한 회로 구성을 갖는다. 바이어스 의존 소자(31)는 일단이 비선형 전송 선로(22)의 수신단에 접속되고, 타단이 -0.1 V에 바이어스된다. 2개의 다이오드를 대향시키면, 바이어스가 낮을 때에 용량값이 크고, 바이어스가 높을 때에 용량값이 낮아져서, 도 4의 (B)에 도시한 특성에 가까운 특성을 얻을 수 있다. 그 결과, 상술과 같은 작용이 발생하여 테일의 길이가 저감된다.
보다 큰 임펄스 진폭을 얻기 위해서, 바이어스 의존 소자(31)로서 사용하는 다이오드(D11과 D12)의 리액턴스는, 비선형 전송 선로(22)의 특성 임피던스와 비교해서 큰 값이 되도록 한다. 인덕턴스(L)는 펄스가 급격하게 변화하는 첨두값 부근 과 완만하게 변화하는 테일부에서, 포함되는 주파수 성분에 차이가 있는 것에 착안하여 배치한다. 테일부는 완만하게 변화하기 때문에 인덕턴스는 거의 단락이 되고, 펄스 첨두부는 변화가 급격하기 때문에 인덕턴스는 거의 개방으로 보인다. 이와 같이, 인덕턴스(L)도 테일의 길이를 저감하도록 작용한다. 이상 설명한 바와 같이, 대향 접속한 다이오드(D11 및 D12)와 인덕턴스(L)에 의해, 테일의 길이 저감과 펄스 진폭 증대의 효과가 보다 커진다.
도 6은 증폭기(32)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 도시와 같이, 증폭기(32)는 게이트 길이가 0.13 ㎛이고, 게이트 폭이 20 ㎛인 InP HEMT를 직렬로 접속한 소스 팔로어(source follower) 회로로 구성된다. 증폭기의 입력 임피던스는 5 ㏀이다.
도 7은 도 5의 실시예의 임펄스 발생기에, 펄스폭이 10 ps, 진폭이 0.8 V(0 V로부터 -0.8 V)의 펄스를 가한 경우의 출력 신호 파형을 도시한다. 또, 도 7은 참고로, 도 2의 종래의 회로에서 수신단에 증폭기를 부가한 구성에서 동일한 펄스를 가한 경우의 출력 신호 파형을 아울러 도시한다. 어떠한 예도 증폭기의 입력 임피던스는 5 ㏀이다. 바이어스 의존 소자(31)와 증폭기(32) 사이의 배선 길이는 50 ㎛이다. 바이어스 의존 소자(31)와 증폭기(32)가 충분히 근접해 있지 않으면, 그 사이에서 신호의 위상이 변화하여 바이어스 의존 소자에 의한 효과가 얻어질 수 없다. 따라서, 바이어스 의존 소자(31)와 증폭기(32)는 최단 거리로 배치하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 50 ㎛는 이상의 관점에서는 충분히 짧은 거리이며, 바이어스 의존 소자에 의한 효과를 얻을 수 있다. InP 기판상에 비선형 전송 선로(22), 바이어스 의존 소자(31) 및 소스 팔로어 증폭기(32)를 집적하면, 바이어스 의존 소자(31)와 증폭기(32)를 50 ㎛ 정도로 근접해서 배치하는 것은 충분히 가능하다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 종래 회로에서는, 큰 테일을 발생시키고 있었기 때문에, 반치폭이 4.5 ps, 첨두값으로부터의 펄스폭이 0.8 V였던 것에 비해서, 본 실시예의 회로에서는, 반치폭이 1.7 ps, 첨두값으로부터의 펄스폭이 1.4 V로 크게 개선되었다. 다시 말하면, 펄스 반치폭은 종래의 38%로 저감되고, 펄스 진폭은 종래의 175%로 증대되었다. 또, 도 7에 도시하는 바와 같이, 펄스의 전압값은 첨두값까지 감소한 후 전압이 상승하지만, 0 V로 되돌아가기까지에 작은 피크를 발생시킨다. 펄스 신호로서 사용하는 경우에는, 이 작은 피크를 발생시키기까지의 폭이 실효적인 펄스의 기저가 되기 때문에, 여기에서는 이 부분을 기저로 해서 첨두값까지의 전압차를 펄스 진폭으로 하고, 기저로부터 첨두값까지의 사이의 반치의 부분으로 반치폭을 규정하였다.
도 8은 도 5의 실시예의 임펄스 발생기의 변형예의 구성을 도시하는 도면이다. 도 8의 변형예는 도 5의 임펄스 발생기의 구성에 있어서, 증폭기(32)를 제거하고, 수신단에 50옴의 종단 저항(34)을 직접 접속한 경우이다. 또, 도 8의 수신단에 증폭기(32)를 접속하는 것도 가능하며, 도 5의 구성에서 증폭기(32)로서 입력 임피던스가 50 Ω인 증폭기를 사용한 경우로 간주하는 것도 가능하다.
도 9는 도 8의 변형예의 회로 특성, 즉 도 7과 동일한 조건의 출력 신호 파형을 도시한다. 이 경우, 종래 회로에서는, 반치폭이 2.7 ps, 첨두값으로부터의 펄스폭이 0.68 V였던 것에 비해서, 변형예의 회로에서는, 반치폭이 2.4 ps, 첨두값으 로부터의 펄스폭이 0.75 V로 개선되었다. 따라서, 펄스 반치폭은 종래의 90%로 저감되고, 펄스폭은 종래의 110%로 증대되었다.
전송 선로의 수신단은, 선로의 특성 임피던스에 정합하는 저항 소자를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 비선형 전송 선로를 이용하는 임펄스 발생기의 경우, 종단 저항에서는 파형의 불완전성을 제거할 수 없다. 비전송 선로를 이용하는 경우에는, 본 발명과 같이 바이어스 의존성 소자를 종단 소자로서 이용하여 파형 정형하는 수법이 유효하다.
(산업상 이용가능성)
본 발명은 비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기에 적용 가능하다.
본 발명에 의해 매우 좁은 임펄스를 발생시킬 수 있기 때문에, 차세대의 초광대역 무선 전송 시스템이나 초고속 샘플링 오실로스코프의 실현에 유용하다.
도 1은 임펄스 발생기에서 발생되는 임펄스의 이용예를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 비선형 전송 선로를 이용한 임펄스 발생기의 구성과 회로 특성을 도시하는 도면이다.
도 3은 종래예에서 테일이 둔해지는 원인을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 임펄스 발생기의 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 임펄스 발생기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 실시예의 임펄스 발생기에서 사용하는 증폭기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예의 임펄스 발생기의 출력 신호 특성(회로 특성)을 도시하는 도면이다.
도 8은 실시예의 임펄스 발생기의 변형예의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 변형예의 임펄스 발생기의 출력 신호 특성(회로 특성)을 도시하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21: 펄스 신호원 22: 비선형 전송 선로
31: 바이어스 의존 소자 32: 증폭기

Claims (7)

  1. 단위 선로 유닛과 다이오드를 갖는 전송 선로 유닛을 복수 개 직렬로 접속한 비선형 전송로와,
    상기 비선형 전송로의 송신단에 접속된 펄스 발생기와,
    상기 비선형 전송로의 수신단에 접속된 바이어스 의존 소자
    를 구비하는 임펄스 발생기로서,
    상기 전송 선로 유닛의 상기 다이오드는, 애노드가 상기 전송 선로에, 캐소드가 그라운드에 접속되어 있고,
    상기 바이어스 의존 소자는, 일단이 상기 전송 선로의 수신단에 접속되고, 타단이 음전위에 바이어스되어 있는 것을 특징으로 하는 임펄스 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전송 선로의 수신단에 접속된 증폭기를 더 구비하는 임펄스 발생기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전송 선로의 수신단에 접속된 종단 저항을 더 구비하는 임펄스 발생기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이어스 의존 소자는, 단자간 전압이 소정값보다 작을 때에는 리액턴스가 크고, 단자간 전압이 소정값보다 클 때에는 리액턴스가 작아지는 특성을 갖는 것인 임펄스 발생기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이어스 의존 소자는, 서로 캐소드 전극을 대향시켜서 접속한 2개의 다이오드와, 상기 2개의 다이오드에 병렬로 접속한 인덕턴스를 구비하는 것인 임펄스 발생기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바이어스 의존 소자를 구성하는 상기 다이오드는, 상기 비선형 전송 선로의 특성 임피던스보다 큰 값의 리액턴스를 갖는 것인 임펄스 발생기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 증폭기는 고입력 임피던스를 갖는 것인 임펄스 발생기.
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