KR20150002524A - 변압기 및 위상 시프트 네트워크를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

변압기 및 위상 시프트 네트워크를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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발렌틴 솔롬코
빈프레드 바칼스키
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인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

실시예에 의하면, 회로는 제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드와의 사이에 결합된 제 1 와인딩(winding) 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드와의 사이에 결합된 제 2 와인딩을 포함하는 자기 변압기를 포함한다. 위상 시프트 네트워크는 제 2 신호 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합되고, 상기 회로는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드 사이의 위상차 및 진폭차에 기초하여 임피던스 정합 조건을 표시하도록 구성된다.

Description

변압기 및 위상 시프트 네트워크를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A TRANSFORMER AND A PHASE-SHIFT NETWORK}
본 개시내용은 일반적으로 전자 디바이스에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 변압기 및 위상 시프트 네트워크를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
특정한 방향으로 전송되고 있는 파워를 검출할 수 있는 전자 디바이스인 방향성 결합기가 매우 다양한 무선 주파수(RF) 회로에 사용되고 있다. 예컨대, 방향성 결합기는 반사파로부터 적절하지 못한 파장을 분리함으로써 반사파를 검출하는 레이더 시스템에서 사용될 수 있거나, 또는 전송 라인들의 임피던스 부정합을 측정하는 회로에서 사용될 수 있다. 기능적으로, 방향성 결합기는 순방향 전송 경로 및 결합 전송 경로를 갖는다. 순방향 전송 경로는 일반적으로 낮은 손실을 갖는 반면에, 결합 전송 경로는 특정한 방향으로 전파되는 전송 파워의 일부를 결합한다. 전자기 결합기 및 자기 결합기를 포함하는 다수의 상이한 형태의 결합기 구조들이 존재한다. 이들 결합기 형태들의 각각은 동작 주파수 및 동작 환경에 따라 상이한 토폴로지 및 물질을 이용하여 구현될 수 있다.
예컨대, 방향성 결합기는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 변압기 상에 배치된 스트립라인 구조물(stripline structures)을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 스트립라인 구현예에서, 다양한 회로 소자들은 측정되고 있는 특정 신호의 1/4 파장만큼 길 수 있다. 다수의 휴대 전화기가 동작하는 주파수 범위를 포함하는 500MHz와 3GHz 사이의 주파수에서 동작하는 애플리케이션에 있어서, 집적 회로 상의 특징부 사이즈보다 훨씬 긴 상기 주파수의 파장 때문에 집적 회로 상에 스트립라인 방향성 결합기를 구성하는 것은 곤란하게 된다. 저손실 자기 기반의 방향성 결합기(low-loss magnetic-based directional couplers)는 또한 변압기 손실 및 기생(parasitics) 때문에 상기 범위의 주파수에서 구축하는 데 어려움이 있다.
실시예에 의하면, 회로는 제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드와의 사이에 결합된 제 1 와인딩(winding) 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드 사이에 결합된 제 2 와인딩을 갖는 자기 변압기를 포함한다. 위상 시프트 네트워크는 제 2 노드와 전압 측정 모드 사이에 결합되고, 상기 회로는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드 사이의 위상차 및 진폭차에 기초하여 임피던스 정합 조건(an impedance matching condition)을 표시하도록 구성된다.
본 발명 및 그에 대한 이점의 보다 완벽한 이해를 위해, 이제 수반하는 도면과 함께 취해지는 이하의 설명을 참조한다.
도 1a 내지 1c는 결합기 회로의 실시예를 도시한다.
도 2a 및 2b는 예시적인 결합기 회로에 대응하는 파형도를 도시한다.
도 3a 및 3b는 예시적인 입사파 및 반사파 측정 회로를 도시한다.
도 4a 내지 4d는 다른 예시적인 입사파 및 반사파 측정 회로를 도시한다.
도 5는 금속화층(metallization layers) 상에서 예시적인 결합기의 구현예를 나타낸다.
도 6a 내지 6c는 RF 시스템의 다양한 실시예를 도시한다.
도 7a 및 7b는 예시적인 방법의 블록도를 나타낸다.
도 8a 및 8b는 다른 예시적인 입사파 및 반사파 측정 회로를 도시한다.
상이한 도면들 내의 대응하는 번호들 및 기호들은, 달리 표시되지 않는 한, 대응하는 부분들을 일반적으로 지칭한다. 도면들은 바람직한 실시예의 관련 측면을 명확하게 설명하기 위해 그려지며, 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다. 소정의 실시예를 보다 명확하게 설명하기 위해, 동일한 구조물, 물질, 또는 프로세스 단계의 변화를 나타내는 문자는 도면 번호를 따를 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 구현 및 사용에 대해 이하에서 상세히 논의한다. 그러나, 매우 다양한 특정 맥락으로 구현될 수 있는 다수의 응용가능한 발명의 개념을 본 발명이 제공한다고 이해해야 한다. 논의되는 특정 실시예는 발명을 구현 및 사용하는 특정한 방식을 단지 설명하는 것이며, 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은, 특정 맥락에서의 바람직한 실시예로서, 입사 또는 반사 파워를 측정하기 위해 RF 회로에서 사용될 수 있는 방향성 결합기를 위한 시스템 및 방법에 대해 설명한다. 본 발명은 RF 측정을 하는 다른 회로를 포함하는 애플리케이션 및 다른 시스템에 적용될 수도 있되, 상기 다른 회로는 임피던스 부정합을 측정 및/또는 튜닝하는 디바이스, TDR(time domain reflectometers), 튜닝가능 안테나 정합 회로로의 사용을 위한 감지 디바이스, 및 튜닝가능 필터를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시예에서, 임피던스 측정 디바이스는 1차 와인딩 및 2차 와인딩을 갖는 변압기에 결합된 위상 시프트 네트워크를 포함한다. 변압기의 1차 와인딩은 임피던스 측정 디바이스의 전송 경로와 직렬로 결합된다. 위상 시프터 및 변압기의 2차 와인딩은 임피던스 정합의 품질, 및/또는, 전송 경로의 포트들 사이의 입사 및/또는 반사 신호의 절대 또는 상대 크기 및/또는 위상을 결정하는 고임피던스 측정 디바이스에 의해 로드된다.
실시예에서, RF 신호의 전류 및 전압의 진폭 및 위상에 대한 정보는 50Ω 임피던스로 제한되진 않지만 그와 같이 사전정의된 값을 이용하여 추출 및 비교된다. RF 전류 및 전압의 추출된 진폭과 위상 사이의 관계는 RF 신호 경로에서의 반사량을 나타내므로 부하 임피던스를 표시한다. 예컨대, 반사가 보다 작아질수록, 부하 임피던스는 특성 임피던스 Z0에 더욱 가까워지며,
Figure pat00001
여기서 ZL은 부하 임피던스를 나타내고, Z0은 50Ω일 수 있는 특성 임피던스를 나타내고, Γ0은 반사 계수를 나타낸다. 일부 실시예에서, 자기 변압기는 RF 전류에 비례하는 전압을 생성하고, RC 네트워크는 RF 전압에 비례하는 전압을 생성한다. 일부 실시예에서, RF 전류에 비례하는 전압 및 RF 전압에 비례하는 전압의 진폭 및 위상이 180도 만큼 위상이 다르고(out of phase), RF 신호 경로에서 반사가 없을 때에는 동일한 진폭을 갖도록 결합기로 구성한다.
도 1a를 참조하면, 결합기(1)는 RF 신호를 위한 50-옴 포트인 포트 2 및 포트 3과, 고임피던스로 로드되는 2개의 결합 포트 4 및 포트 5를 갖는 4포트 디바이스이다. 결합기(1)는 소스 임피던스 ZS와 부하 임피던스 ZL 사이에 결합된 1차 와인딩 LP를 갖는 변압기 X1를 포함한다. 저항기(resistor) R1 및 캐패시터 C1을 포함하는 고역 RC 필터에 의해 구현되는 위상 시프트 네트워크는 포트 3에 결합된다. 고임피던스를 이용하여 로드되는 이상적인 변압기를 위한 수학식을 이용하면, 포트 5에서의 전압은
Figure pat00002
와 같이 표현될 수 있으며, 여기서 LP 및 LS는 변압기 X1의 1차 와인딩 및 2차 와인딩의 자기 인덕턴스(self-inductance)이고, k는 X1의 1차 와인딩과 2차 와인딩 사이의 결합 팩터(a coupling factor)이다.
포트 4에서의 전압 VV는
Figure pat00003
와 같이 표현될 수 있다. RC 네트워크의 컷오프 주파수가 결합기의 동작 주파수 범위보다 훨씬 위이면, 즉
Figure pat00004
이며, 수학식 (2)는 다음과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00005
실시예에서, 다양한 구성요소 및 파라미터 k, LP, LS, R1 및 C1은 이하의 조건을 충족시키기 위해 선택되고,
Figure pat00006
여기서 Z0은 기준 임피던스이다. 일부 실시예에서, Z0은 예를 들어 50Ω일 수 있는 시스템의 특성 임피던스 또는 다른 임피던스로 설정될 수 있다. 포트 3에서의 RF 신호에 대한 부하 임피던스 ZL가 기준 임피던스 Z0와 동등하면, |Vv|=|Vi| 및 ∠Vv-∠Vi=180°이기 때문에, 수학식 (1), (4) 및 (5)보다는
Vv + Vi = 0 (6a)
를 따른다. 임피던스 부정합의 경우에, 예컨대, ZL≠Z0이면, 이하와 같이 된다.
Vv + Vi ≠ 0 (6b)
도 1b는 위상 시프트 네트워크가 포트 2를 통해 소스 임피던스 ZS에 결합되고 변압기 X1이 포트 3을 통해 부하 임피던스 ZL에 결합되는 다른 실시예를 나타내고, 도 1c는 위상 시프트 네트워크가 변압기 X1의 제 1 와인딩에 탭을 갖는(tapped) 대안의 실시예를 나타낸다.
도 2a 및 2b는 도 1a의 회로와 관련하여 정합 임피던스 조건 및 부정합 임피던스 조건 하에서 전압 Vi와 Vv 사이의 관계를 나타내는 파형도를 포함한다. 도 2a는 정합 임피던스 조건 하에서 예시적인 결합기의 입력 및 출력 전류의 측정 출력 전압들 사이의 관계를 나타내는 파형도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류 IRF와 전압 VRF는 이하와 관계를 따르는 상대 진폭(relative amplitudes)을 갖고서 서로 동상(in-phase)이다:
Figure pat00007
따라서, 포트 5 및 포트 4에서의 전압 Vi 및 Vv는 각각 동일한 진폭을 갖고 위상이 서로 180도 어긋나서, Vi와 Vv의 합은 제로 및/또는 DC 전압이다. 일부 실시예에서, Vi를 생성하는 포트 5에서의 노드는 전류 측정 노드로 불릴 수 있고, Vv를 생성하는 포트 4에서의 노드는 전압 측정 노드로 불릴 수 있다.
도 2b는 부정합 임피던스 조건 하에서 예시적인 결합기의 입력 및 출력 전류의 측정 출력 전압들 사이의 관계를 나타내는 파형도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류 IRF와 전압 VRF는
Figure pat00008
인 상대 진폭을 갖고서 서로 위상이 다르다(out of phase).
이러한 조건 하에서, 포트 5 및 포트 4에서의 전압 Vi 및 Vv는 각각 동등하지 않은 진폭을 갖고, 위상이 서로 180도 어긋나 있지 않다. 따라서, Vi와 Vv의 합은 AC 성분을 갖는다. Vi 및 Vv가 서로 위상이 동일하지만 동등하지 않은 진폭을 갖는 조건 내에서, 또는 Vi 및 Vv가 서로 위상이 어긋나 있지만 동등한 진폭을 갖는 조건 하에서, Vi와 Vv의 합이 AC 성분을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, Vi 및 Vv의 진폭 및 위상은 동등하지 않은 진폭 조건 및/또는 이상(out of phase) 조건이 부정합 임피던스 조건을 나타내도록 크기 조절될 수 있다. 이는, 예를 들어 90° 위상 시프트를 생성하지 않는 위상 시프트 네트워크, 정합 조건에서 동등하지 않은 진폭을 생성하는 진폭 스케일링 네트워크를 활용하는 구현예, 아날로그 위상 시프트 네트워크를 생략하는 실시예에서 발생할 수 있다. 이러한 실시예는 디바이스 기생의 존재로 인해 발생할 수 있고 및/또한 비현실적인 정합 임피던스 조건 하에서 Vi 및 Vv에 대한 정합 진폭 및 90° 위상 시프트를 가능하게 하기 위해 성분 값 및 파라미터가 제약받는 상황을 야기할 수 있다. 이러한 실시예에서, 정합 임피던스 조건을 결정하는 데 요구되는 필수의 스케일링 및 위상 시프트는 아날로그 또는 디지털 도메인에서 후처리(post-processing)시에 수행될 있다.
예시적인 결합기 및 임피던스 부정합 측정 회로는 입사 및 반사 RF 파워를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 포트 2가 입력 포트로 간주되고 포트 3이 전송 포트이면, Vv와 Vi 사이의 차가 입사 파워에 비례하도록 신호 Vv 및 Vi의 합은 반사 파워를 나타낼 것이다. 예컨대, 이하와 같이,
Figure pat00009
여기서
Figure pat00010
및
Figure pat00011
는 입사 전압이고,
Figure pat00012
및
Figure pat00013
는 반사 전압 및 전류이다. (7) 및 (8)을 (1) 및 (4)로 대체함으로써,
Figure pat00014
및
Figure pat00015
으로 된다. (5)에 의하면, 이하와 같이 된다.
Figure pat00016
(11)을 (9)로 대체함으로써,
Figure pat00017
을 야기한다. 마지막으로, 전압을 부가 및 차감함으로써, 수학식 (10) 및 (12)에 도시된 바와 같이, RF 라인에서의 반사 및 입사 파워는 다음과 같이 모니터링될 수 있다:
Figure pat00018
반사파 모니터링
Figure pat00019
입사파 모니터링
결합기의 입력 및 전송 포트가 스위핑되어 포트 3이 입력 포트로 간주되고 포트 2가 전송 포트로 간주되면, 신호 Vv 및 Vi의 합이 입사 파워를 나타내고, Vv와 Vi 사이의 차는 반사 파워를 나타낸다.
도 3a 및 3b는 합산(summing) 블록(104, 106)에 결합된 예시적인 결합기(1)를 갖는 예시적인 반사 측정 회로를 도시한다. 합산 블록(104)은 입사파 신호를 생성하기 위해 Vv로부터 Vi를 차감하도록 구성되고, 합산 블록(106)은 반사파 신호를 생성하기 위해 Vi에 Vv를 더하도록 구성되며, 입사파의 방향은 포트 2로부터 포트 3으로이다. 도 3b는 입사파가 포트 3으로부터 포트 2로 전파되는 경우를 나타내고, 이 경우에 합산 블록(104)이 반사파에 비례하는 신호를 생성하고, 합산 블록(106)이 입사파에 비례하는 신호를 생성한다.
도 4a 내지 4d는 예시적 결합기 회로를 이용하는 다양한 예시적 부정합 검출 시스템을 도시한다. 예컨대, 도 4a는 포트 5 및 4를 통해 각각 합산 저항기 R2 및 R3에 결합된 결합기(1)를 나타낸다. RF 파워 검출기 회로(10)는 노드 Vref에서 저항기 R2 및 R3에 결합된다. 실시예에서, RF 파워 검출기 회로(10)는 당업계에서 공지된 다양한 파워 검출 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 예컨대, RF 파워 검출기(10)는 단순 다이오드 파워 검출기, 대수 파워 검출기(a logarithmic power detector) 또는 다른 파워 검출기 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 파워 검출기 회로(10)는 RF 파워 검출기(10)에 의해 검출되는 파워량에 비례하는 아날로그 및/또는 디지털 값을 생성할 수 있다. 검출된 파워는, 예를 들어, 파워 검출기(10)에 의해 검출되는 RMS(root mean square) 전압에 비례할 수 있다. 이와 달리, 다른 파워 메트릭(power metrics)이 사용될 수 있다. 실시예에서, 소스 임피던스 ZS가 부하 임피던스 ZL 및/또는 기준 임피던스 Z0에 일치한다는 조건 하에서, 파워 검출기(10)에 의해 검출된 전압 레벨은 제로이거나 또는 실질적으로 제로에 가깝다. 일부 실시예에서, 파워 검출기(10)는 생략될 수 있고, 다양한 응용을 위해 방향성 결합기 출력으로서 Vref가 사용될 수 있다.
실시예에서, 예시적 결합기 회로를 이용하는 입사 파워 모니터링은 전압 -Vi 및 Vv를 이용하는 활성 회로(an active circuitry)에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 도 4b의 실시예는 결합기(1), 결합기(1)의 포트 4 및 6에 각각 연결된 합산 저항기 R2 및 R3, 및 RF 파워 검출기(11)를 포함한다. 2차 와인딩 LS의 출력이 와인딩의 반대쪽 끝에서 취해져 있는 것을 제외하고는, 도 4b의 실시예가 도 4a의 실시예와 유사함을 유의한다. 이는, 전압 Vi와 위상이 180도 어긋나 있으며, 정합 임피던스 조건 하에서는 전압 Vv와 동상인 전압 -Vi를 생성한다. 전압 -Vi 및 Vv는 저항기 R2 및 R3 상에서 합산되어, Vv로부터 Vi를 효율적으로 차감한다. 전압 Vinc의 검출된 파워에 비례하는 값은 Vv-Vi의 진폭에 기초하여 도출된다.
도 4c에 도시된 결합기의 다른 실시예는 입사 및 반사 파워의 동시 검출을 가능하게 한다. 이 실시예에서, 변압기 X1의 2차 와인딩은 포트 5 및 6에서 2개의 이상 신호(out-of-phase signals) Vi 및 -Vi의 동시 생성을 가능하게 하는 것으로 접지에 중심 탭을 갖는다(center-tapped). 전압 Vi는 반사 전압 Vref를 획득하기 위해 저항기 R2 및 R3 상에서 전압 Vv와 합산되고, 전압 -Vi는 입사 전압 Vinc를 획득하기 위해 저항기 R4 및 R5 상에서 전압 Vv와 합산된다. Vref 및 Vinc 양쪽의 진폭은 파워 검출기(10, 11)를 이용하여 검출된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 4a 내지 4c에 도시된 합산 저항기 R2, R3, R4 및 R5는 저항기들 외에도 다른 임피던스 소자들을 이용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 저항, 리액턴스 및/또는 복합 임피던스를 나타내는 캐패시터 C2, C3, C4 및 C5 및/또는 일반적인 복합 임피던스 Z2, Z3, Z4 및 Z5가 저항기 R2, R3, R4 및 R5를 대신할 수 있다. 캐패시턴스를 사용하는 실시예에서, 스케일링 캐패시턴스는 RF 파워 검출기의 바이어싱(biasing)을 단순화할 수 있는 DC 블로킹(blocking) 캐패시터로서 기능할 수도 있다.
다른 실시예에 의하면, 측정 시스템은 도 4d에 도시된 바와 같이 실시예 결합기(1), 파워 검출기(12, 13) 및 위상 검출기(14)를 포함한다. 파워 검출기(12, 13)는 RF 신호의 전류 및 전압 부분에 비례하는 값을 생성하는 반면에, 위상 검출기(14)는 Vi와 Vv 사이의 위상차를 검출한다. 정합 조건에서, 양쪽 검출기들의 출력은 서로 동등하며 신호들 사이의 위상차는 180°이다. 위상 검출기(14)는 당업계에서 공지된 회로 및 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 위상 검출기(14)는 XOR(exclusive-or) 게이트, 아날로그 믹서, 디지털 래치 회로를 사용하거나 또는 당업계에서 공지된 다른 회로 및 방법을 사용하여 구현될 수 있다.
도 5는 예를 들어 집적 회로의 금속화층 상에서 구현될 수 있는 결합기(500)의 구현예의 평면도를 나타낸다. 실시예에서, 변압기 X1의 1차 와인딩은 금속 트레이스(20)를 이용하여 구현되고, 변압기 X1의 2차 와인딩은 반도체 기판일 수 있는 기판(502) 상에 배치된 금속 트레이스(21)를 이용하여 구현된다. 도 5의 예에서, 포트 2와 포트 3 사이에 저임피던스 신호 경로를 제공하기 위해, 금속 트레이스(20)의 폭은 금속 트레이스(21)의 폭보다 훨씬 넓다. 2차 와인딩이 고임피던스에 의해 로드되며 상당한 전류를 운반하지 않기 때문에, 금속 트레이스(21)는 금속 트레이스(20)보다 훨씬 좁게 형성될 수 있다. 위상 시프터의 캐패시턴스 C1은, 예를 들어 1차 와인딩의 금속 트레이스(20)가 구현되는 금속층 2와 금속 부분(22)의 금속층 1 사이에 캐패시터를 형성함으로써 구현될 수 있다. 2개의 금속층 사이에서 캐패시턴스를 이용함으로써, 고내압(a high breakdown voltage) 예를 들어 20V가 유지될 수 있다. 고내압을 요구하지 않는 실시예에서, 예를 들어 MIM(metal-insulator-metal) 캐패시터 및 다른 구조를 이용하여 캐패시터 C1을 구현하기 위해 다른 캐패시턴스 구조가 사용될 수 있다. 저항기 R1은 접지 접속(24)과 금속 부분(22) 사이에 결합된 금속층 1 상의 굴곡형(serpentine) 저항기(23)를 사용하여 구현 및 도시된다. 이와 달리, 당업계에서 공지된 다른 저항기 구조들이 사용될 수 있다.
도 5의 도시된 실시예에서, 금속 2는 금속의 상위층(an upper layer) 및/또는 상부 금속층(a top metal layer)이고, 금속 1은 하위 금속층(a lower metal layer)이다. 금속의 상부층 또는 상위층이 금속의 하위층보다 두꺼운 반도체 프로세스에서, 저손실 결합기를 구현하기 위해, 금속의 상부층 또는 상위층은 금속 트레이스(20)에 저저항 경로를 제공하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 결합기(500)의 손실은 약 0.2dB이거나 또는 그보다 낮을 수 있다. 이와 달리, 다른 결합기 손실은 특정한 구현 및 그 상세에 따른 결과일 수 있다.
결합기(500)는 캐패시터 C1의 금속 트레이스(22)에 결합된 포트 접속부(4)를 통한 하나 이상의 예시적 파워 검출기, 및 금속 트레이스(21)에 결합된 포트 접속부(5)에 결합될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 다수의 가능한 실시예 결합기의 구현예들 중 단지 하나의 예임을 이해해야 한다. 대안의 실시예에서, 다른 기하학 구조 및 토폴로지가 사용될 수 있다. 다른 예에서, 결합기(500)는 인쇄 회로 기판 또는 다른 기판 상에서 구현될 수 있다. 게다가, 실시예 결합기는 다른 실시예에서 금속 1 및 금속 2와는 상이한 금속화층을 이용하여 구현될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 RF 시스템(600)을 도시한다. 시스템(600)은 예시적 반사 측정 회로(604) 및 튜닝가능 정합 네트워크(606)를 통해 안테나(612)에 결합된 RF 트랜시버(602)를 포함한다. 반사 측정 회로(604)의 파워 측정 출력은 A/D 컨버터(608)에 결합되고, 그 출력은 제어기(610)에 결합된다. 실시예에서, 제어기(610)는 A/D 컨버터(608)의 디지털화된 출력에 따라 튜닝가능 정합 네트워크(606)를 조절한다. 반사 측정 회로(604)가 RF 트랜시버(602)와 튜닝가능 정합 네트워크(606)로의 입력과의 사이에서 임피던스 부정합을 검출하면, 임피던스에서의 측정되는 부정합이 일부 실시예에 있어서 사전 결정된 임계치 미만으로 떨어질 때까지 제어기(610)는 튜닝가능 정합 네트워크(606)를 조절한다. 일부 실시예에서, 제어기(610)는 예를 들어 프로세서, 마이크로 제어기, 또는 전용 시스템 로직을 이용하여 구현될 수 있다. RF 시스템(600)은 예를 들어 휴대 전화기, WLAN 트랜시버, 또는 다른 무선 주파수 시스템의 전단(front end)에서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 튜닝가능 정합 네트워크(606)는, 시스템(620)과 관련해서 도 6b에 도시된 바와 같이, RF 트랜시버(602)와 반사 측정 회로(604) 사이에 결합된다.
도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예시적인 레이더 시스템(650)을 도시한다. 시스템(650)은 예시적인 반사 측정 회로(604)를 통해 안테나(612)에 결합된 레이더 트랜시버(652)를 포함한다. 반사 측정 회로(604)의 출력은 A/D 컨버터(608)를 통해 제어기(610)에 결합된다. 실시예에서, 반사 측정 회로(604)는 반사된 레이더 펄스를 나타낼 수 있는 안테나(612)로부터 입사 신호를 측정한다. 시스템(650)은 예를 들어 자동차 레이더 시스템 또는 근접 레이더 시스템과 같은 레이더 시스템을 이용할 수 있다. 반사 측정 회로(604)는 예를 들어 도 4c 및/또는 4d의 실시예를 이용하여 구현될 수 있다. 예시적인 반사 측정 회로를 이용할 수 있는 다른 예시적 시스템은 PIFA(planar inverted F antenna) 급전점 튜너들(feed-point tuners)에서의 파워 모니터링을 포함한다.
도 6a 내지 6c에 도시된 실시예가 반사 측정 회로의 실시예를 이용하여 구현될 수 있는 다수의 예시적인 시스템에 대한 단지 3개의 예임을 이해해야 한다.
도 7a는 예시적인 결합기를 이용하는 방법의 블록도(700)를 나타낸다. 단계 702에서, 도 1a에 도시된 포트 4 및 포트 5의 출력에 대응하는 Vv 및 Vi의 진폭이 모니터링된다. 다음에, 단계 704에서, Vv 및 Vi의 합은 예를 들어 도 4a에 도시된 것과 같은 저항성 합산 네트워크를 이용하여 결정된다. 이와 달리, 용량성 합산 네트워크가 사용될 수 있거나, 또는 다양한 동상 성분(real component) 및/또는 무효 성분(reactive component)을 갖는 임피던스를 포함하는 합산 네트워크가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이러한 합산은 디지털 도메인에서 수행될 수 있다. 단계 706에서, 소스와 부하 임피던스 사이의 반사 크기는 Vv와 Vi의 합에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, Vv와 Vi의 합의 진폭은 측정된 반사의 크기에 비례한다. 진폭의 합은 예를 들어 RF 파워 검출기를 이용하여 측정될 수 있다.
도 7b는 입사파 및 반사파를 측정하기 위해 예시적인 결합기를 이용하는 방법의 블록도(720)를 나타낸다. 단계 722에서, 도 1a에 도시된 포트 4 및 포트 5의 출력에 대응하는 Vv 및 Vi의 진폭이 모니터링된다. 다음에, 단계 724에서, Vv 및 Vi의 합은 예를 들어 도 4a에 도시된 것과 같은 저항성 합산 네트워크를 이용하여 결정된다. 합의 진폭은 제 1 방향으로 전파하는 파장의 크기에 비례한다. 단계 726에서, Vv와 Vi 사이의 차가 결정되어, 차의 진폭이 제 1 방향에 반대인 제 2 방향으로 전파하는 파장의 크기에 비례하게 된다. 이러한 차는 예를 들어 도 4b 및 4c와 관련해서 설명된 회로를 이용하여 결정될 수 있다.
이와 달리, 용량성 합산 네트워크가 사용될 수 있거나, 또는 다양한 동상 성분 및/또는 무효 성분을 갖는 임피던스를 포함하는 합산 네트워크가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이러한 합산은 디지털 도메인에서 수행될 수 있다. 단계 706에서, 소스와 부하 임피던스 사이의 반사 크기는 Vv와 Vi의 합에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, Vv와 Vi의 합의 진폭은 측정된 반사의 크기에 비례한다. 진폭의 합은 예를 들어 RF 파워 검출기를 이용하여 측정될 수 있다.
도 8a는 도 1a에 도시된 결합기와 유사하되 변압기 X1의 1차 와인딩에 결합될 수 있는 캐패시터 C5 및 C6에 의해 형성된 용량성 분할기를 추가로 갖고 있는 예시적인 결합기(800)를 도시하고 있다. 실시예에서, VVQ가 전압 VRF와 동상이어서, 포트 5a에서의 전압 VVQ와 포트 5에서의 Vi는 정합 조건에 있어서 90도 위상차를 갖는다. 도 8b는 결합기(800), 위상 검출기(14) 및 RF 파워 검출기(12, 13)를 이용하는 반사 측정 시스템을 도시한다. 실시예에서, 위상 검출기(14)의 출력(802)은 결합기(800)의 소스 또는 부하 포트에서의 RF 신호의 진폭에 의존하지 않는 정합 조건에 있어서 제로 및/또는 최소 출력을 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, 결합기(800)의 소스 및 부하 포트에 존재하는 신호의 진폭의 효과를 조정하지 않고서 정합 조건이 인지될 수 있다.
실시예에 의하면, 회로는 제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드 사이에 결합된 제 1 와인딩을 갖는 자기 변압기, 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드 사이에 결합된 제 2 와인딩을 포함한다. 위상 시프트 네트워크는 제 2 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합되고, 회로는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드 사이의 진폭차 및 위상차에 기초하는 임피던스 정합 조건을 표시하도록 구성된다. 제 1 신호 노드는 RF 신호 소스에 결합되도록 구성될 수 있고, 제 2 신호 노드는 RF 부하에 결합되도록 구성될 수 있으며, 일부 실시예에서, 회로는 RF 신호 소스 및 RF 부하를 포함한다.
실시예에서, 위상 시프트 네트워크는 제 1 와인딩 상의 탭 접속부(tapped connection)를 통해 제 2 신호 노드에 결합되고 및/또는 위상 시프트 네트워크는 90° 위상 시프트를 제공하도록 구성된다. 위상 시프트 네트워크는 제 2 신호 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합된 캐패시터, 및 전압 측정 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 저항기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 기준 노드 및 제 2 기준 노드는 접지 노드이다.
실시예에서, 회로는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드에 결합된 검출 회로를 더 포함한다. 검출 회로는 전압 측정 노드 및 전류 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 검출 회로는 전류 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 1 임피던스, 및 전압 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 2 임피던스를 포함한다. RF 파워 검출기는 감지 노드에 결합될 수 있다.
실시예에서, 제 1 임피던스는 제 1 저항기를 포함하고, 제 2 임피던스는 제 2 저항기를 포함한다. 이와 달리, 제 1 임피던스는 제 1 캐패시터를 포함하고, 제 2 임피던스는 제 2 캐패시터를 포함한다. RF 파워 검출기의 출력이 최소 파워 레벨을 표시하는 경우, 검출 회로는 제 1 노드에 결합된 기준 임피던스와 제 2 노드에 결합된 부하 임피던스와의 사이의 임피던스 정합을 표시하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출 회로는 전류 측정 노드에 결합된 제 1 RF 파워 검출기, 전압 측정 노드에 결합된 제 2 파워 검출기, 및 전류 측정 노드에 결합된 제 1 입력부와 전압 측정 노드에 결합된 제 2 입력부를 갖는 믹서를 포함한다. 회로는 제 1 신호 노드에 결합된 입력부를 갖는 용량성 분할기, 전류 측정 노드에 결합된 제 1 RF 파워 검출기, 전압 측정 노드에 결합된 제 2 RF 파워 검출기, 및 용량성 분할기 네트워크의 출력부에 결합된 제 1 입력부와 전류 측정 노드에 결합된 제 1 입력부를 갖는 믹서를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 반사 측정 회로를 동작시키는 방법은 모니터링 단계 및 측정 단계를 포함한다. 반사 측정 회로는 자기 변압기 및 위상 시프트 네트워크를 포함한다. 자기 변압기는 제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드 사이에 결합된 제 1 와인딩 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드 사이에 결합된 제 2 와인딩을 갖고, 위상 시프트 네트워크는 부하 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합된다. 모니터링 단계는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드의 진폭을 모니터링하는 단계를 포함하고, 측정 단계는 제 1 신호 노드에 결합된 제 1 임피던스와 제 2 신호 노드에 결합된 제 2 임피던스와의 사이의 반사를 상기 모니터링 단계에 기초하여 측정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 측정된 반사에 기초하여 임피던스 부정합을 결정하는 단계를 더 포함한다.
반사를 측정하는 단계는 합산된 신호를 형성하기 위해 전압 측정 노드에서의 신호를 전류 측정 노드에서의 신호에 추가하는 단계를 포함할 수 있어, 합산된 신호의 진폭은 부하 임피던스로부터 소스 임피던스로의 반사를 기재하는 반사 계수에 비례한다.
실시예에서, 방법은 합산된 신호의 진폭을 파워 검출기를 이용하여 측정하는 단계를 더 포함하고, 제 1 파워 검출기를 이용하여 전류 측정 노드의 진폭을 측정하는 단계, 및 제 2 파워 검출기를 이용하여 전압 측정 노드의 진폭을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은 또한 전류 측정 노드와 전압 측정 노드 사이의 위상차를 결정하는 단계를 포함한다. 위상차를 결정하는 단계는, 예를 들어 전류 측정 노드와 전압 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 위상 검출기를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에서, 방법은 합산된 신호를 생성하기 위해 전압 측정 노드에서의 신호를 전류 측정 노드에서의 신호에 추가하는 것을 포함하는 제 1 방향에서의 파장 측정 단계와, 차감된 신호를 형성하기 위해 전류 측정 노드에서의 신호를 전압 측정 노드에서의 신호에 대해 차감하는 것을 포함하는 제 2 방향에서의 파장 측정 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에 의하면, 반도체 회로는 반도체 기판, 자기 변압기, 및 위상 시프트 네트워크를 포함한다. 자기 변압기는 반도체 기판 상에 배치된 1차 금속화 트레이스, 및 1차 금속화 트레이스에 인접하게 배치된 2차 금속화 트레이스를 포함한다. 1차 금속화 트레이스의 제 1 단부는 기준 임피던스에 결합되도록 구성되고 또한 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부는 부하 임피던스에 결합되도록 구성되며, 2차 금속화 트레이스의 제 1 단부는 기준 전압 노드에 결합되도록 구성되고 또한 제 2 단부는 전류 측정 노드에 결합되도록 구성된다. 위상 시프트 네트워크는 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부에 결합된 제 1 노드 및 전압 측정 노드를 갖는다.
실시예에서, 위상 시프트 네트워크는 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부와 전압 측정 노드 사이에 결합된 캐패시터, 및 전압 감지 노드와 제 2 기준 전압 노드 사이에 결합된 저항기를 포함한다. 캐패시터는 1차 금속화 트레이스에 용량성으로 결합된 금속화 영역을 이용하여 구현될 수 있고, 저항기는 금속 저항기를 이용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 회로는 전압 측정 노드와 전류 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 더 포함한다.
실시예에서, 반도체 회로는 또한 전류 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 1 임피던스, 및 전압 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 2 임피던스를 포함한다. 제 1 임피던스는 제 1 저항기를 포함할 수 있고, 제 2 임피던스는 제 2 저항기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 임피던스는 제 1 캐패시터를 포함할 수 있고, 제 2 임피던스는 제 2 캐패시터를 포함할 수 있다. 반도체 회로는 또한 감지 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예의 이점은 매우 낮은 삽입 손실, 온칩(on-chip)의 집적화에 적합한 소형 폼 팩터(a small form factor)를 갖는 임피던스 부정합 측정 디바이스 및/또는 방향성 결합기를 구현할 수 있다는 것, 및 낮은 RF 주파수에서 예를 들어 500MHz와 3GHz 사이에서 동작할 수 있다는 것을 포함한다.
도시된 실시예와 관련해서 본 발명을 설명하였지만, 이 설명은 제한적 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 도시된 실시예의 다양한 변경 및 조합뿐만 아니라 발명의 다른 실시예도 설명의 참조시에 당업자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (32)

  1. 회로로서,
    제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드 사이에 결합된 제 1 와인딩(winding), 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드 사이에 결합된 제 2 와인딩을 포함하는 자기 변압기와,
    상기 제 2 신호 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합된 위상 시프트 네트워크를 포함하되,
    상기 회로는 상기 전압 측정 노드와 상기 전류 측정 노드 사이의 위상차 및 진폭차에 기초하여 임피던스 정합 조건(an impedance matching condition)을 표시하도록 구성되는
    회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 노드는 RF 신호 소스에 결합되도록 구성되고,
    상기 제 2 신호 노드는 RF 부하에 결합되도록 구성되는
    회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 RF 신호 소스 및 상기 RF 부하를 더 포함하는
    회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 시프트 네트워크는 상기 제 1 와인딩 상의 탭 접속부(a tapped connection)를 통해 상기 제 2 신호 노드에 결합되는
    회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 시프트 네트워크는 90° 위상 시프트를 제공하도록 구성되는
    회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 시프트 네트워크는,
    상기 제 2 신호 노드와 상기 전압 측정 노드 사이에 결합된 캐패시터와,
    상기 전압 측정 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 저항기(resistor)를 포함하는
    회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 기준 노드와 상기 제 2 기준 노드는 접지 노드인
    회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 측정 노드와 상기 전류 측정 노드에 결합된 검출 회로를 더 포함하는
    회로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출 회로는 상기 전압 측정 노드와 상기 전류 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 포함하는
    회로.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출 회로는,
    상기 전류 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 1 임피던스와,
    상기 전압 측정 노드와 상기 감지 노드 사이에 결합된 제 2 임피던스를 포함하는
    회로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 더 포함하는
    회로.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스는 제 1 저항기를 포함하고, 상기 제 2 임피던스는 제 2 저항기를 포함하는
    회로.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스는 제 1 캐패시터를 포함하고, 상기 제 2 임피던스는 제 2 캐패시터를 포함하는
    회로.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 RF 파워 검출기의 출력이 최소 파워 레벨을 나타내는 경우, 상기 검출 회로는 상기 제 1 신호 노드에 결합된 기준 임피던스와 상기 제 2 신호 노드에 결합된 부하 임피던스와의 사이의 임피던스 정합을 표시하도록 구성되는
    회로.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출 회로는,
    상기 전류 측정 노드에 결합된 제 1 RF 파워 검출기와,
    상기 전압 측정 노드에 결합된 제 2 RF 파워 검출기와,
    상기 전류 측정 노드에 결합된 제 1 입력부 및 상기 전압 측정 노드에 결합된 제 2 입력부를 갖는 믹서를 포함하는
    회로.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 노드에 결합된 입력부를 갖는 용량성 분할기와,
    상기 전류 측정 노드에 결합된 제 1 RF 파워 검출기와,
    상기 전압 측정 노드에 결합된 제 2 RF 파워 검출기와,
    상기 용량성 분할기의 네트워크의 출력부에 결합된 제 1 입력부 및 상기 전류 측정 노드에 결합된 제 2 입력부를 갖는 믹서를 더 포함하는
    회로.
  17. 반사 측정 회로를 동작시키는 방법 - 상기 반사 측정 회로는, 제 1 신호 노드와 제 2 신호 노드 사이에 결합된 제 1 와인딩 및 제 1 기준 노드와 전류 측정 노드 사이에 결합된 제 2 와인딩을 갖는 자기 변압기와, 부하 노드와 전압 측정 노드 사이에 결합된 위상 시프트 네트워크를 포함함 - 으로서,
    상기 전압 측정 노드 및 상기 전류 측정 노드의 진폭을 모니터링하는 단계와,
    상기 제 1 신호 노드에 결합된 제 1 임피던스와 상기 제 2 신호 노드에 결합된 제 2 임피던스와의 사이의 반사를 상기 모니터링에 기초하여 측정하는 단계를 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 측정된 반사에 기초하여 임피던스 부정합을 결정하는 단계를 더 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 반사를 측정하는 단계는 합산된 신호(a summed signal)를 형성하기 위해 상기 전압 측정 노드에서의 신호를 상기 전류 측정 노드에서의 신호에 추가하는 단계를 포함하고,
    상기 합산된 신호의 진폭은 부하 임피던스로부터 소스 임피던스로의 반사를 나타내는(describing) 반사 계수에 비례하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    파워 검출기를 이용하여 상기 합산된 신호의 진폭을 측정하는 단계를 더 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    제 1 파워 검출기를 이용하여 상기 전류 측정 노드의 진폭을 측정하는 단계와,
    제 2 파워 검출기를 이용하여 상기 전압 측정 노드의 진폭을 측정하는 단계를 더 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전류 측정 노드와 상기 전압 측정 노드 사이의 위상차를 결정하는 단계를 더 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 위상차를 결정하는 단계는 상기 전류 측정 노드와 상기 전압 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 위상 검출기를 이용하는 단계를 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    합산된 신호를 형성하기 위해 상기 전압 측정 노드에서의 신호를 상기 전류 측정 노드에서의 신호에 추가하는 것을 포함하는 제 1 방향에서의 파장 측정 단계와,
    차감된 신호(a subtracted signal)를 형성하기 위해 상기 전류 측정 노드에서의 신호를 상기 전압 측정 노드에서의 신호에 대해 차감하는 것을 포함하는 제 2 방향에서의 파장 측정 단계를 더 포함하는
    반사 측정 회로의 동작 방법.
  25. 반도체 회로로서,
    반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 상에 배치된 1차 금속화 트레이스(a primary metallization trace) 및 상기 1차 금속화 트레이스에 인접하게 배치된 2차 금속화 트레이스를 포함하는 자기 변압기 - 상기 1차 금속화 트레이스의 제 1 단부는 기준 임피던스에 결합되도록 구성되고, 상기 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부는 부하 임피던스에 결합되도록 구성되고, 상기 2차 금속화 트레이스의 제 1 단부는 제 1 기준 전압 노드에 결합되도록 구성되고, 상기 2차 금속화 트레이스의 제 2 단부는 전류 측정 노드에 결합되도록 구성됨 - 와,
    상기 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부에 결합된 제 1 노드 및 전압 측정 노드를 갖는 위상 시프트 네트워크를 포함하는
    반도체 회로.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 위상 시프트 네트워크는,
    상기 1차 금속화 트레이스의 제 2 단부와 상기 전압 측정 노드 사이에 결합된 캐패시터와,
    전압 감지 노드와 제 2 기준 전압 노드 사이에 결합된 저항기를 포함하는
    반도체 회로.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 캐패시터는 상기 1차 금속화 트레이스에 용량성으로 결합된 금속화 영역을 포함하고,
    상기 저항기는 금속 저항기를 포함하는
    반도체 회로.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 전압 측정 노드와 상기 전류 측정 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 더 포함하는
    반도체 회로.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 전류 측정 노드와 감지 노드 사이에 결합된 제 1 임피던스와,
    상기 전압 측정 노드와 상기 감지 노드 사이에 결합된 제 2 임피던스를 더 포함하는
    반도체 회로.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 감지 노드에 결합된 입력부를 갖는 RF 파워 검출기를 더 포함하는
    반도체 회로.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스는 제 1 저항기를 포함하고, 상기 제 2 임피던스는 제 2 저항기를 포함하는
    반도체 회로.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스는 제 1 캐패시터를 포함하고, 상기 제 2 임피던스는 제 2 캐패시터를 포함하는
    반도체 회로.
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