KR20100012339A - 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기 - Google Patents

능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 90° 위상차를 가지고 입력되는 두 신호를 결합하는데 사용되는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기에 관한 것으로서 제 1 입력단자의 입력신호를 공통 에미터 증폭기로 증폭하고, 공통 에미터 증폭기의 출력신호의 위상을 제 1 위상 조절기가 조절하여 출력단자로 출력하며, 제 2 입력단자로 입력되는 입력신호를 공통 콜렉터 증폭기로 증폭하고, 공통 콜렉터 증폭기의 출력신호의 위상이, 제 1 위상 조절기에서 조절되는 위상과 90°차가 발생되도록 제 2 위상차 조절기가 조절하여 출력단자로 출력한다.
전력 결합기, 위상차, 능동소자, 90°, 공통 에미터, 공통 컬렉터,

Description

능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기{Active 90°phase-difference power combiner using active device}
본 발명은 능동소자를 이용하여, 상호간에 90°의 위상차가 있는 두 신호의 전력을 결합하는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기에 관한 것이다.
무선통신 시스템용 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)에는 LNA(Low Noise Amplifier), 믹서(Mixer), 증폭기(Amplifier) 및 전력증폭기(Power Amplifier) 등을 비롯한 여러 가지의 회로들이 집적되어 있다. 이들 중에서 상기 믹서는 이미지 신호(Image signal)등과 같은 불요파 신호를 제거하기 위하여 90° 위상차 전력 결합기를 포함하는 싱글밸런스(Singly balanced) 믹서가 널리 이용이 되고 있다.
특히, 밸런스형 믹서의 출력단에 90° 위상차 전력 결합기를 이용하면 대역 통과 필터(Band Pass Filter)보다 정확하게 이미지 신호를 제거할 수 있다.
상기 90° 위상차 전력 결합기로서는 수동형을 많이 사용하고 있다. 대표적인 수동형의 90° 위상차 전력 결합기로는 브랜치라인 커플러(branch-line coupler)가 알려져 있다.
상기 브랜치라인 커플러는 90°의 위상차를 가지는 두 신호의 전력을 높은 효율로 정확하게 결합할 수 있다.
그러나 수신용 밸런스 믹서는 경우 출력단은 RF 신호보다 매우 낮은 주파수를 가지는 IF 신호가 출력되므로 출력단에 존재하는 IF신호의 전력을 결합하는데 90° 위상차 전력 결합기는 매우 큰 사이즈를 가진다.
예를 들면, 입력신호의 주파수가 2.4㎓라고 가정할 경우에 수신단에 사용되는 브랜치라인 커플러의 크기는 10.56㎜ × 10.92㎜ 수신단 칩(chip)의 면적보다 훨씬 큰 면적을 가지게 된다.
이와 같이 수동형 90° 전력 결합기를 사용하는 경우, 그 크기가 너무 크기 때문에 실질적으로 MMIC 상에 집적하는 것은 불가능하며, 결과적으로 큰 면적의 수동형 전력 결합기들은 MMIC가 실장된 프린트 기판 상에 제작이 되어져서 사용이 된다. 이러한 문제점은 MMIC의 실장 모듈(module) 면적의 증가와 모듈 실장에 의한 가격 상승의 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 MMIC상에 집적이 가능한 초소형화된 능동형 90° 전력 결합기의 개발이 필수적이다. 그러나 현재까지 는 능동형90° 전력 결합기에 대한 연구결과는 보고된 것이 없다.
그러므로 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 능동소자를 사용하여 90°의 위상차를 갖는 두 신호의 전력을 결합하는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기를 제공한다.
본 발명의 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기에 따르면, 제 1 입력신호를 공통 에미터 증폭기가 증폭하여 위상을 180° 반전시키고, 그 공통 에미터 증폭기의 출력신호의 위상을 제 1 위상 조절기가 조절하여 출력단자로 출력한다.
그리고 제 2 입력신호를 공통 콜렉터 증폭기가 증폭하고, 그 공통 콜렉터 증폭기의 출력신호의 위상을 제 2 위상 조절기가 조절하여 출력단자로 출력한다.
상기 제 1 위상 조절기는 코일만을 사용하여 상기 공통 에미터 증폭기의 출력신호의 위상을 조절한다. 상기 제 2 위상 조절기는 코일 및 커패시터를 병렬 결합하여 위상을 조절한다.
그리고 상기 제 1 위상 조절기에 구비되는 코일과 상기 제 2 위상 조절기에 구비되는 코일 및 커패시터의 값을 조절하여, 상호간에 90°의 위상차를 갖는 제 1 및 제 2 입력신호가 공통 에미터 증폭기 및 제 1 위상 조절기와, 공통 콜렉터 증폭기 및 제 2 위상 조절기를 통과하면서 동위상을 갖도록 한다.
그러므로 본 발명의 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기는, 제 1 입력단자의 입력신호를 증폭하는 공통 에미터 증폭기와, 상기 공통 에미터 증폭기의 출력신호의 위상을 조절하여 출력단자로 출력하는 제 1 위상 조절기와, 제 2 입력단자로 입력되는 입력신호를 증폭하는 공통 콜렉터 증폭기와, 상기 공통 콜렉터 증폭기의 출력신호의 위상이, 상기 제 1 위상 조절기에서 조절되는 위상과 90°차가 발생되도록 조절하여 상기 출력단자로 출력하는 제 2 위상차 조절기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 위상 조절기의 출력단과 상기 출력단자의 사이에 증폭기가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 위상 조절부는 전원단자와 상기 공통 에미터 증폭기의 출력단 사이에 코일을 구비하여 위상을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 위상 조절부는 상기 공통 콜렉터 증폭기의 출력단과 접지의 사이에 코일 및 커패시터를 병렬 접속하여 위상을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기는 상호간에 90°의 위상차를 갖는 두 입력신호의 위상을 동일하게 하여 전력을 결합하는 것으로서 능동소자만을 사용하여 크기를 작게 축소할 수 있음은 물론 집적화하여 제조할 수 있다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
도 1은 수동형 브랜치라인 커플러의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 100은 브랜치라인 커플러이다. 상기 수동형 브랜치라인 커플러(100)는 예를 들면, PCB(Printed Circuit Board; 도면에 도시되지 않았음)에 패턴으로 형성되는 것으로서 2개의 입력포트(102, 104)와, 절연포트(106) 및 출력포트(108)를 구비한다. 그리고 상기 입력포트(102)와 상기 절연포트(106)의 사이와, 상기 입력포트(104)와 상기 출력포트(108)의 사이와, 상기 두 개의 입력포트(102)(104)의 사이와, 상기 절연포트(106)와 출력포트(108)의 사이에 각기 브랜치라인(110, 112, 114, 116)이 구비된다.
상기 브랜치라인(110, 112, 114, 116)들 각각은 λ/4(여기서, 상기 λ는 상기 입력포트(102, 104)로 입력되는 신호의 파장임)의 길이로 형성된다.
이러한 구성을 가지는 브랜치라인 커플러는 입력포트(102, 104)로 입력되는 신호의 위상을 각각의 브랜치라인(110, 112, 114, 116)들이 90° 지연시켜 절연포트(106) 및 출력포트(108)로 출력한다.
예를 들면, 입력포트(102)로 입력되는 신호가 Port102 = A1·cos ωt이고, 입력포트(104)로 입력되는 신호가 Port104 = A2·cos (ωt - 90°)라고 가정할 경우에 절연포트(106)로 출력되는 신호는 Port106 = A1·cos (ωt - 90°) + A2·cos (ωt - 270°)이고, 출력포트(108)로 출력되는 신호는 Port108 = A1·cos (ωt - 180°) + A2·cos (ωt - 180°)이다.
이러한 브랜치라인 커플러(100)는 밸런스형 믹서의 출력단에 구비되어 상호간에 위상차가 90°인 두 신호의 전력을 결합하는데 사용된다.
도 2는 수동형 브랜치라인 커플러를 사용한 밸런스 믹서의 구성을 보인 회로도이다. 여기서, 부호 200은 소정 주파수의 국부발진신호를 발생하는 국부발진기이고, 부호 202 및 204는 곱셈기이다. 상기 곱셈기(202, 204)는 입력단자(IN1, IN2)로 입력되는 입력신호에 상기 국부발진기(200)가 발생하는 소정 주파수의 국부발진신호를 곱셈한다.
상기 곱셈기(202)(204)의 출력신호는 브랜치라인 커플러(100)의 입력포트(102)(104)로 각기 입력되어 출력포트(108)로 출력되고, 절연포트(106)는 저 항(R0)을 통해 접지에 연결된다.
이러한 구성을 가지는 밸런스 믹서는 국부발진기(200)가 소정 주파수의 국부발진신호를 발생한다 예를 들면, 상기 국부발진기(200)는 국부발진신호 cos(ωLOt)를 발생한다.
상기 국부발진기(200)가 발생하는 국부발진신호는 곱셈기(202, 204)로 입력된다.
그리고 입력단자(IN1, IN2)로 입력되는 신호는 즉, 상호간에 90°의 위상차를 갖는 두 개의 신호는 곱셈기(202, 204)로 각기 입력된다. 예를 들면, cos(ωRFt-90°)가 입력단자(IN1)를 통해 곱셈기(202)로 입력되고, cos(ωRFt-180°)가 입력단자(IN2)를 통해 곱셈기(204)로 입력된다.
그러면, 곱셈기(202)는 cos(ωRFt-90°)에 국부발진신호 cos(ωLOt)를 곱하여 cos [(ωRF - ωLO)t - 90°]를 출력하고, 곱셈기(204)는 cos(ωRFt-180°)에 국부발진신호 cos(ωLOt)를 곱하여 cos [(ωRF - ωLO)t - 180°]를 출력하게 된다.
상기 곱셈기(202)가 출력하는 신호는 브랜치라인 커플러(100)를 통해 위상이 180° 지연되어 출력포트(108)로 cos [(ωRF - ωLO)t - 270°]가 출력되고, 또한 상기 곱셈기(204)가 출력하는 신호는 브랜치라인 커플러(100)를 통해 위상이 90° 지연되어 출력포트(108)로 cos [(ωRF - ωLO)t - 270°]가 출력되는 것으로서 곱셈 기(202)(204)가 각기 출력하는 신호는 동위상으로 결합되어 출력포트(108)로 2× cos [(ωRF - ωLO)t - 270°]가 출력된다.
이러한 수동형 브랜치라인 커플러는 상호간에 90°의 위상차를 갖는 두 신호를 위상이 동일하게 하여 전력을 결합한다.
그러나 상기 브랜치라인 커플러는 크기가 매우 크다. 예를 들면, 입력신호의 주파수가 2.4㎓라고 가정할 경우에 수신단에 사용되는 브랜치라인 커플러의 크기는 10.56㎜ × 10.92㎜로서 매우 넓은 면적을 가지게 된다.
그러므로 브랜치라인 커플러를 사용하는 밸런스형 믹서를 구성할 경우에 상기 브랜치라인 커플러에 의해 집적화가 어렵다.
도 3은 본 발명의 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 회로도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 90° 위상차 전력 결합기는 공통 에미터 증폭기(300)와, 제 1 위상 조절기(310)와, 공통 콜렉터 증폭기(320)와, 제 2 위상 조절기(330)와,, 증폭기(340)를 포함하여 구성된다.
상기 공통 에미터 증폭기(300)는 입력단자(IN11)가 트랜지스터(Q11)의 베이스에 접속됨과 아울러 그 접속점에, 전원단자(VBB)가 코일(L11)을 통해 접속되어 상기 트랜지스터(Q11)의 콜렉터에서 위상이 반전된 신호가 출력되게 구성된다.
상기 제 1 위상 조절기(310)는, 전원단자(Vcc)가 코일(L12)을 통해 상기 트랜지스터(Q11)의 콜렉터에 접속되어 그 접속점이 커패시터(C12)를 통해 포트(A)에 접속된다.
상기 공통 콜렉터 증폭기(320)는 입력단자(IN12)가 커패시터(C13)을 통해 트랜지스터(Q12)의 베이스에 접속됨과 아울러 그 접속점에, 전원단자(VBB)가 코일(L13)을 통해 접속되고, 트랜지스터(Q12)의 콜렉터에는 전원단자(Vcc)가 코일(L14)을 통해 접속되어 트랜지스터(Q12)의 에미터에서 증폭된 신호가 출력되게 구성된다.
상기 제 2 위상 조절기(330)는 상기 트랜지스터(Q12)의 에미터에 접지 코일(L15) 및 접지 커패시터(C14)가 접속되고, 그 접속점이 커패시터(C15)를 통해 포트(B)에 접속되게 구성된다.
상기 증폭기(340)는 상기 포트(A, B)의 신호를 증폭하여 출력단자(OUT)로 출력한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 90° 위상차 전력 결합기는 입력단자(IN11)(IN12)로 상호간에 90°의 위상차를 갖는 제 1 및 제 2 입력신호가 각기 입력된다. 예를 들면, 도 2의 곱셈기(202)(204)에서 출력되는 cos [(ωRF - ωLO)t - 90°] 및 cos [(ωRF - ωLO)t - 180°]가 상기 입력단자(IN11)(IN12)로 각기 입력된다.
상기 입력단자(IN11)로 입력된 제 1 입력신호는 공통 에미터 증폭기(300)의 커패시터(C11)를 통해 트랜지스터(Q11)의 베이스에 인가되어 트랜지스터(Q11)의 콜렉터에 위상이 180° 반전된 신호가 출력된다.
상기 공통 에미터 증폭기(300)에서 위상이 반전되어 출력되는 제 1 입력신호는 제 1 위상 조절기(310)의 코일(L12)에 의해 위상이 조절된 후 커패시터(C12)를 통해 포트(A)로 출력된다.
그리고 상기 입력단자(IN12)로 입력된 제 2 입력신호는 공통 콜렉터 증폭기(320)의 커패시터(C13)를 통해 트랜지스터(Q12)의 베이스에 인가되어 트랜지스터(Q12)의 에미터로 동위상의 신호가 출력된다.
상기 공통 콜렉터 증폭기(300)에서 출력되는 제 2 입력신호는 제 2 위상 조절기(330)의 코일(L15) 및 커패시터(C14)에 의해 위상이 조절된 후 커패시터(C15)를 통해 포트(B)로 출력된다.
여기서, 상기 커패시터(C11, C12, C13, C15)는 직류신호는 차단하고, 교류신호만 통과시키는 커플링 커패시터로 동작하고, 코일(L11, L13)은 상기 트랜지스터(Q11, Q12)의 베이스에 직류 바이어스 전압을 공급한다.
이러한 본 발명의 90° 위상차 전력 결합기는 입력단자(IN11)로 입력되어 공통 에미터 증폭기(300) 및 제 1 위상 조절기(310)를 통해 포트(A)로 출력되는 소정 신호의 이득(AV1)은 수학식 1과 같다.
Figure 112008054339488-PAT00001
여기서, VIN11은 입력단자(IN11)로 입력되는 신호의 전압이고, VA는 포트(A)의 전압이며, RE는 트랜지스터(Q11)의 교류 에미터 저항이며, ω는 2πf로서 f는 입력단자(IN11)로 입력되는 신호의 주파수이다.
상기 수학식 1에서와 같이 공통 에미터 증폭기(300) 및 제 1 위상 조절기(310)의 증폭이득 특성은 트랜지스터(Q11)의 교류 에미터 저항 RE와, 코일(L12)의 관계식으로 나타낼 수 있다.
그리고 입력단자(IN11)로 입력되어 공통 에미터 증폭기(300) 및 제 1 위상 조절기(310)를 통해 포트(A)로 출력되는 신호의 위상 특성은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008054339488-PAT00002
상기 수학식 2에서 공통 에미터 증폭기(300) 및 제 1 위상 조절기(310)의 출력 위상 특성은 -90°의 위상을 갖게 되는데 이것은 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 위상에 영향을 주는 -jωL12의 성분에 의하여 위상각이 -90°로 결정된다.
여기서, 상기 교류 에미터 저항 RE는 실수 성분으로서 출력 위상각에 영향을 주지 않는다.
그리고 입력단자(IN12)로 입력되어 공통 콜렉터 증폭기(320) 및 제 2 위상 조절기(330)를 통해 포트(B)로 출력되는 신호의 이득 특성은 수학식 3과 같다.
Figure 112008054339488-PAT00003
여기서, VIN12는 입력단자(IN12)로 입력되는 신호의 전압이고, VB는 포트(B)의 전압이다.
상기 수학식 3에서와 같이 공통 콜렉터 증폭기(320) 및 제 2 위상 조절기(330)의 증폭이득 특성은 교류 에미터 저항 RE와, 코일(L15) 및 커패시터(C14)의 관계식으로 나타낼 수 있다.
그리고 입력단자(IN12)로 입력되어 공통 콜렉터 증폭기(320) 및 제 2 위상 조절기(330)를 통해 포트(B)로 출력되는 신호의 위상 특성은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008054339488-PAT00004
그러므로 포트(A) 및 포트(B)의 출력신호의 위상차가 90°로 되어 상호간에 동위상을 갖도록 하기 위해서는 다음의 수학식 5를 만족해야 된다.
Figure 112008054339488-PAT00005
상기한 수학식 3 내지 수학식 5에서 알 수 있는 바와 같이 제 2 위상조절기(330)의 코일(L15) 및 커패시터(C14)의 값을 조절하면, 수학식 3의 XE의 값이 가변되고, 이로 인하여 수학식 4의 ∠AV2가 가변됨을 알 수 있다.
따라서, 수학식 5에서 제 2 위상조절기(330)의 코일(L15) 및 커패시터(C14)의 값을 적당히 조절하게 되면, 포트(A) 및 포트(B)로 출력되는 신호가 상호간에 90°의 위상차를 갖도록 할 수 있다.
수학식 5에서 ∠AV1-∠AV2=-90°가 되기 위해서는 XE=∞가 되어야 한다. XE=∞가 되기 위해서는 수학식 3의
Figure 112008054339488-PAT00006
에서 ω가 수학식 6의 조건을 만족해야 된다.
Figure 112008054339488-PAT00007
여기서, ω는 2πf이고, f는 입력단자(IN11, IN12)로 입력되는 신호의 주파수이다.
본 발명의 90° 위상차 전력 결합기가 적절한 동작을 하기 위해서는 동전력 결합특성 즉, 입력단자(IN11)(IN12)로 입력되는 신호가 포트(A)(B)로 각기 출력될 때 이들 신호가 동일한 전력을 가져야 된다. 이를 위하여 입력단자(IN11)로 입력되 어 공통 에미터 증폭기(300) 및 제 1 위상 조절기(310)를 통해 포트(A)로 출력되는 신호의 이득(AV1)과, 입력단자(IN12)로 입력되어 공통 콜렉터 증폭기(320) 및 제 2 위상 조절기(330)를 통해 포트(B)로 출력되는 신호의 이득(AV2)은 다음의 수학식 7을 만족해야 된다.
Figure 112008054339488-PAT00008
상기 수학식 6에서 XE=∞가 되어야 하고, ｜AV2｜=1이므로 ｜AV1｜=1을 만족해야 된다.
따라서 본 발명의 90° 위상차 전력 결합기가 동전력 결합특성을 갖도록 하기 위해서는 다음의 수학식 8을 만족해야 된다.
Figure 112008054339488-PAT00009
상기 수학식 6 및 수학식 8을 이용하여 코일(L12, L15) 및 커패시터(C14)의 적절한 값을 설정할 경우에 본 발명의 90° 위상차 전력 결합기는 90°의 위상차를 가지는 두 신호의 위상을 동일하게 하고, 또한 동전력 결합특성으로 결합할 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였 으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 90° 위상차 전력 결합기로 사용되는 수동형 브랜치라인 커플러의 구성을 보인 도면,
도 2는 수동형 브랜치라인 커플러를 사용한 밸런스 믹서의 구성을 보인 회로도, 및
도 3은 본 발명의 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 회로도이다.

Claims (4)

  1. 제 1 입력단자의 입력신호를 증폭하는 공통 에미터 증폭기;
    상기 공통 에미터 증폭기의 출력신호의 위상을 조절하여 출력단자로 출력하는 제 1 위상 조절기;
    제 2 입력단자로 입력되는 입력신호를 증폭하는 공통 콜렉터 증폭기; 및
    상기 공통 콜렉터 증폭기의 출력신호의 위상이, 상기 제 1 위상 조절기에서 조절되는 위상과 90°차가 발생되도록 조절하여 상기 출력단자로 출력하는 제 2 위상차 조절기;를 포함하여 구성된 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 위상 조절기의 출력단과 상기 출력단자의 사이에;
    증폭기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 위상 조절부는;
    전원단자와 상기 공통 에미터 증폭기의 출력단 사이에 코일을 구비하여 위상 을 조절하는 것을 특징으로 하는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 위상 조절부는;
    상기 공통 콜렉터 증폭기의 출력단과 접지의 사이에 코일 및 커패시터를 병렬 접속하여 위상을 조절하는 것을 특징으로 하는 능동소자를 이용한 능동형 90° 위상차 전력 결합기.
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