KR20150135143A - 집적된 벌룬(들)을 갖는 광대역 집적형 rf/마이크로웨이브/밀리미터 믹서 - Google Patents

집적된 벌룬(들)을 갖는 광대역 집적형 rf/마이크로웨이브/밀리미터 믹서 Download PDF

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윌리암 비. 벡위스
토마스 이. 쉴츠
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Abstract

광대역 무선 주파수, 마이크로웨이브 또는 밀리미터 믹서 시스템은 벌룬과 믹서를 포함할 수 있다. 벌룬은, 불평형 포트; 평형 포트; 서로 타이트하게 반대 방향으로 자기 결합된 제1 및 제2 인덕터; 및 제1 또는 제2 인덕터에 자기 결합되지 않은 제3 인덕터를 가질 수 있다. 믹서는 벌룬의 평형 포트에 연결될 수 있다. 3개의 인덕터를 포함하는 벌룬과 믹서는 모두 집적 회로를 형성하는 단일 기판 상으로 집적될 수 있다.

Description

집적된 벌룬(들)을 갖는 광대역 집적형 RF/마이크로웨이브/밀리미터 믹서{BROADBAND INTEGRATED RF/MICROWAVE/MILLIMETER MIXER WITH INTEGRATED BALUN(S)}
[관련 출원에 대한 교차 참조]
본 출원은 2014년 5월 23일 출원되고, 대리인 참조 번호가 P-00624-PRO이고, 발명의 명칭이 "Novel Balun Topologies for High Frequency, Broadband Integrated Circuits"인 미국 임시 출원 제62/002,473에 기초하고 그에 대한 우선권을 주장한다. 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다.
[기술분야]
본 개시 내용은 RF/마이크로웨이브(microwave)/밀리미터(millimeter) 믹서 및 벌룬(balun)에 관한 것이다.
광대역 믹서는 IC 제조 기술 및 지오메트리와 양립 가능한 집중 정수 소자(lumped element) 또는 다른 구조와 함께 제조될 필요가 있다.
평형 믹서(balanced mixer)는 불평형 믹서(unbalanced mixer)에 비하여 배터리 선형성, 노이즈 및 포트간(port to port) 분리를 포함하는 더 나은 전반적인 성능을 제공할 수 있다.
벌룬은 평형 구성과 불평형 구성 사이에서 무선 주파수(RF), 로컬 오실레이터(LO) 및 중간 주파수(IF) 신호를 변환하기 위하여 단일 평형 믹서와 이중 평형 믹서에 사용될 수 있다. 또한, 벌룬은 광대역 집적형 믹서가 생산될 수 있도록 표준 IC 주조(foundry) 공정을 이용하여 집적될 필요가 있을 수 있다.
믹서에 대한 중요한 성능 파라미터는 변환 이득, 선형성, 노이즈 및 동작 대역폭을 포함할 수 있다. 벌룬은 집적형 믹서에 사용될 수 있고, 이러한 성능 파라미터 모두에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 집적형 벌룬에 대한 중요한 성능 파라미터는 동작 주파수 범위, 삽입 손실, 진폭/위상 평형, 임피던스 매칭/변환(transformation) 및 물리적 크기이다.
불행하게도, 집적형 벌룬을 이용하여 원하는 필요 파라미터 세트를 획득하는 것은 매우 어려울 수 있다.
광대역 무선 주파수, 마이크로웨이브 또는 밀리미터 믹서 시스템은 벌룬과 믹서를 포함할 수 있다. 벌룬은, 불평형 포트; 평형 포트; 서로 타이트하게 반대 방향으로 자기 결합된 제1 및 제2 인덕터; 및 제1 또는 제2 인덕터에 자기 결합되지 않은 제3 인덕터를 가질 수 있다. 믹서는 벌룬의 평형 포트에 연결될 수 있다. 3개의 인덕터를 포함하는 벌룬과 믹서는 집적 회로를 형성하는 단일 기판 상으로 모두 집적될 수 있다.
이와 같은 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점과 다른 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점은 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 첨부된 도면 및 특허청구범위에 대한 검토로부터 명확하게 될 것이다.
도면은 예시적인 실시예에 관한 것이다. 이는 모든 실시예들을 예시하지 않는다. 다른 실시예들이 추가로 또는 대체하여 사용될 수 있다. 명료하거나 불필요할 수 있는 상세 사항은 공간을 절약하고 더욱 효과적인 도시를 위하여 생략될 수 있다. 일부 실시예들은 추가 구성요소나 단계를 가지면서 그리고/또는 도시된 구성요소나 단계를 모두 가지지는 않으면서 실시될 수 있다. 동일한 도면 부호가 상이한 도면에 나타날 때, 이는 동일하거나 유사한 구성요소나 단계를 지칭한다.
도 1은 종래 기술에 따른 변압기 기반 벌룬의 일례의 개략도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 변압기 기반 벌룬의 다른 예의 개략도를 도시한다.
도 3은 대칭인 2개의 분리된 나선형으로 와인딩되어 결합된 인덕터와 2차 측에서의 접지된 중심 탭을 갖는 종래 기술에 따른 온칩(on-chip) 벌룬의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다.
도 4는 전통적인 나선형보다 더 대칭적인 하부 통로를 구비한 나선형 와인딩(winding)을 갖는 종래 기술에 따른 온칩 벌룬의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다.
도 5은 자기 코어(또는 코어들) 주위로 와인딩된 3개의 인덕터 와이어를 가지며 수 GHz까지 동작할 수 있는 종래 기술에 따른 벌룬의 일례의 개략도를 도시한다.
도 6 내지 8은 자기 코어 주위로 래핑된 와이어로 구성될 수 있는 종래 기술에 따른 벌룬의 일례의 사진이다.
도 9, 10 및 11은 집적 회로에서 사용될 수 있는 평면 광대역 3 인덕터 벌룬의 예를 도시한다.
도 12a 및 12b는 도 9에 도시된 벌룬의 일례의 성능을 전통적인 벌룬과 비교한다. 도 12a는 위상차를 비교하고, 도 12b는 진폭 평형을 비교한다.
도 13은 1차측 및 2차측 모두에서 나선형을 사용하는 종래 기술의 변압기 토폴러지의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다.
도 14는 모두 전기적 대칭성을 개선하기 위하여 상호 와인딩된 1차측과 2차측 모두에서 나선형을 사용하는 종래 기술의 변압기 토폴러지의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다.
도 15 및 16은 평형 포트와 불평형 포트를 갖는 벌룬의 일례의 개략도(도 15)와 집적 회로 레이아웃(도 16)을 도시한다.
도 17은 도 9에 도시된 벌룬 토폴러지 #1을 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다.
도 18 및 19는 상이한 평형 광대역 믹서의 예의 개략도를 도시한다.
도 20은 각 포트에 하나씩의 3 인덕터 벌룬을 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다.
도 21은 각 포트에 하나씩의 3 인덕터 벌룬과 LO 버퍼 증폭기를 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다.
도 22a 및 22b는 도 21에 도시된 것과 유사한 광대역 믹서의 일례의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
도 23a 및 23b는 도 15 및 16에 도시된 것과 유사한 벌룬의 일례의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
도 24는 광대역 믹서의 다른 예를 도시한다.
예시적인 실시예가 이제 설명된다. 다른 실시예들이 추가로 또는 대체하여 사용될 수 있다. 명확하거나 불필요할 수 있는 상세 내용은 공간을 절약하기 위하여 또는 더욱 효율적인 설명을 위하여 생략될 수 있다. 일부 실시예들은 추가 구성요소나 단계를 가지면서 그리고/또는 설명되는 구성요소나 단계를 모두 가지지는 않으면서 실시될 수 있다.
본 개시 내용은 더 높은 동작 주파수와 더 넓은 대역폭을 획득하기 위하여 다양한 벌룬 토폴러지 중 하나를 이용할 수 있는 집적형 광대역 RF/마이크로웨이브/밀리미터 믹서를 설명한다. 하나의 믹서는 종래의 변압기 기반 벌룬과 비교하여 훨씬 더 낮은 기생 커패시턴스에 기인하는 매우 넓은 대역의 동작을 제공하는 벌룬 구성을 사용할 수 있다. 다른 믹서는 종래의 변압기 기반 벌룬을 사용할 수 있지만, 개선된 성능을 실현하도록 불평형 와인딩의 비대칭 레이아웃을 사용할 수도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 변압기 기반 벌룬의 일례의 개략도를 도시한다. 벌룬은 1차 와인딩의 역할을 할 수 있는 인덕터(104)와 2차 와인딩의 역할을 할 수 있는 인덕터(105, 106)를 포함할 수 있다. 벌룬은 불평형 포트(101)와 평형 포트(102/103)를 가질 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 변압기 기반 벌룬의 다른 예의 개략도를 도시한다. 이 예에서, 벌룬은 도 1의 인덕터(104) 대신에 개별 인덕터들(104a, 104b)을 1차 와인딩으로서 포함할 수 있다.
1차 인덕터(또는 1차 인덕터들)와 2차 인덕터들은 DC 분리될 수 있지만, 한 측으부터 다른 측으로의 신호 전송을 허용하도록 자기 결합될 수 있다. 도 1 및 2의 예에서, 1차 와인딩은 "불평형(unbalanced)"일 수 있고, 2차 와인딩은 "평형(balanced)"일 수 있다.
전통적인 변압기 벌룬이 양호한 성능을 가지기 위하여는, 1차 및 2차 인덕터의 자기 임피던스는 효율적인 자기 결합을 위한 종단 임피던스보다도 훨씬 더 높아야 할 수 있다. 따라서, 가장 낮은 동작 주파수는 벌룬에서 필요한 인덕턴스의 양을 좌우할 수 있다. 동작 주파수의 상단은 기생 커패시턴스에 의해 제한될 수 있으며, 이는 부분적으로는 이것이 인덕터들과 공진할 수 있기 때문이다. 이러한 제한은, 높은 인덕턴스를 획득하기 위하여는 가장 낮은 주파수가 큰 크기를 필요로 할 수 있고, 가장 높은 주파수가 낮은 기생 커패시턴스에 대하여 작은 크기를 필요로 하기 때문에, 전통적인 벌룬이 넓은 주파수 범위에 대하여 동작하는 것을 어렵게 할 수 있다.
또한, 양의 단자와 음의 단자 사이의 이상적인 진폭과 위상 평형은 1차 와인딩과 2차 와인딩 사이의 완벽한 자기 결합을 필요로 할 수 있다. 심지어 최상의 환경에서도, 그리고 특히 집적된 환경에서도, 완벽한 자기 결합을 획득하는 것은 가능하지 않을 수 있다. 또한, 평형 와인딩의 기생 커패시턴스는 불평형 와인딩의 접지단으로의 평형 와인딩 세그먼트의 커플링 때문에 대칭이 아닐 수 있다. 이러한 불평형의 가장 중요한 원인은 1차 인덕터(104 또는 104a 및 104b)의 접지단을 따라 위치되는 기생 커패시턴스일 수 있다.
도 3은 대칭인 2개의 분리된 나선형으로 와인딩된 벌룬과 2차 측에서의 접지된 중심 탭을 갖는 종래 기술에 따른 온칩(on-chip) 벌룬의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다.
도 4는 전통적인 나선형보다 더 대칭적인 하부 통로를 구비한 나선형 와인딩을 갖는 종래 기술에 따른 온칩 벌룬의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다. 이 벌룬은, 도 3에 도시된 바와 같이, 개별 트랜스포머를 이용하는 것에 비하여 더욱 면적 효율적인 구조를 제공할 수 있다.
다른 종래 기술에 따른 광대역 벌룬은 자기 코어(또는 코어들) 주위로 3개의 인덕터 와이어를 가지며 수 GHz까지 동작할 수 있다. C. L. Ruthroff, "Some Broad-Band Transformers", Proceedings of the IRE, Volume 47, 1959년 8월, 1337 - 1342 페이지; Richard H. Turrin, W2IMU, "Application of Broad-Band Balun Transformers", QST, 1969년 4월, 42, 43 페이지; 및 미국등록특허 제6,133,525호, "Miniature Low Cost Modular Assembly Package and Method of Assembly", 2000년 10월 참조.
도 5는 자기 코어(또는 코어들) 주위로 3개의 인덕터 와이어를 가질 수 있으며, 수 GHz까지 동작할 수 있는 종래 기술에 따른 벌룬의 일례의 개략도를 도시한다. 양호한 벌룬 성능을 가지기 위하여, 제1 인덕터(204)와 제2 인덕터(205)는 타이트하게 자기 결합되어야 할 수 있고, 제3 인덕터(206)는 다른 2개의 인덕터(204, 205)로부터 자기적으로 분리되어야 할 수 있다. 벌룬은 불평형 포트(201)와 평형 포트(202/203)를 가질 수 있다.
도 6 내지 8은 자기 코어 주위로 래핑된 와이어로 구성될 수 있는 종래 기술에 따른 벌룬의 예들의 사진이다. 종래 기술에서 3 인덕터 벌룬은 모두 와이어가 자기 코어에 래핑되어 구축될 수 있다. 이는 수 GHz보다 더 높은 주파수에서 다루기 힘들 수 있으며 열악하게 동작할 수 있다. 또한, 물리적 크기 제한 때문에 이러한 벌룬 중 어느 하나를 믹서와 집적하는 것은 어려울 수 있다.
아래에서의 논의는 와이어/자기 코어 구조 대신에, 평면 구조를 갖는 집적 회로 내에 구축되는 3 인덕터 벌룬 토폴러지를 설명할 것이다. 3 인덕터 벌룬은 표준 반도체 IC 공정을 이용하여 하나 이상의 금속층에 구축될 수 있다. 벌룬은 크기가 작을 수 있으며, 자기 코어가 필요하지 않을 수 있다. 이것은 전통적인 온칩 벌룬 구조에 비하여 더 넓은 대역폭과 더 양호한 진폭 및 위상 평형을 제공할 수 있다.
또한, 아래에서의 논의는 불평형 와인딩의 물리적 레이아웃이 전반적인 성능에서의 접지된 단자의 효과를 감소시키기 위하여 변형될 수 있는 변압기 레이아웃 토폴러지를 설명할 것이다.
벌룬 토폴러지 #1: 평면형 광대역 3 인덕터 벌룬
집적 회로에 대한 중요한 인자는 크기일 수 있다. 벌룬은 IC에 효율적으로 집적될 수 있도록 충분히 작아야 할 수 있다. 또한, 더 작은 크기의 벌룬은 최종 IC 제품의 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 벌룬은 다른 회로 블록(예를 들어, 광대역 믹서 및/또는 LO 증폭기)에 대한 편리한 연결을 허용하여야 할 수 있다. 물리적으로, 짧은 연결은 기생 인덕턴스, 임피던스 및 저항을 최소화하는데 필요할 수 있다.
도 9, 10 및 11은 집적 회로에서 사용될 수 있는 평면 광대역 3 인덕터 벌룬의 예를 도시한다.
도 9 및 10은 집적 회로 레이아웃을 도시한다. 도 9 및 10에 도시된 벌룬은 표준 반도체 공정에서 2개의 금속층을 가질 수 있다. 전도성 손실을 최소화하기 위하여 상부 금속층은 다른 금속층보다 더 두꺼울 수 있다. 또한, 상부 금속층은 손실이 많은 기판 위로 높이 안착할 수 있어, 이는 벌룬에 대한 더 적은 기생 커패시턴스를 제공할 수 있다.
도 9, 10 및 11에서, 도 5에서의 인덕터(204, 205)는 타이트하게 자기 결합된, 근접하게 결합된 금속 트레이스를 이용하여 실현될 수 있다. 제3 인덕터(206)는 결합된 인덕터(204, 205)로부터 분리된 별개 인덕터로서 실현될 수 있다. 인덕터(206)는 인덕터(204, 205)로부터 자기적으로 분리될 수 있다.
불평형 신호가 불평형 포트(201)에 인가될 때, 평형 신호가 평형 포트(202/203)에서 생성될 수 있다. 불평형 포트(201)에서 인가된 입력 신호는 인덕터(204, 206)의 임피던스로 나눈 전압일 수 있다. 이것은 불평형 포트(201)에서의 입력 신호와 동일한 위상(반전되지 않음)을 갖는 203에서의 출력을 제공할 수 있다.
인덕터(204,205)는 음으로(negatively) 자기 결합될 수 있다. 이는 202에서 위상 반전을 제공할 수 있다. 따라서, 202에서의 신호 위상은 203에서의 위상과 180도 상이할 수 있다. 반대로, 차동 신호가 평형 포트(202/203)에 인가되면, 이들은 서로 결합될 수 있으며, 불평형 단자(201)로부터 출력될 수 있다.
도 9에서, 인덕터(204, 205)는 나란히 라우팅될 수 있다. 양 금속 트레이스가 동일한 폭과 개수의 세그먼트를 가진다면, 인덕터(205)의 인덕턴스는 인덕터(204)의 인덕턴스보다 더 낮을 수 있다. 204와 205의 상대 인덕턴스는 개별 금속 트레이스의 세그먼트의 폭 및/또는 개수의 조정에 의해 최적화될 수 있다.
도 10에서, 인덕터(204, 205)는 이들의 인덕턴스 값이 더 양호하게 매칭되도록 대칭적으로 라우팅될 수 있다. 그러나, 하부 통로(underpass)와 비아(via)가 필요할 수 있다. 이것은 더 많은 콘택과 금속 저항을 제공할 수 있다.
도 9 내지 11에서의 벌룬은 종래의 벌룬으로 가능할 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 주파수 범위에 대하여 우수한 진폭과 위상 평형을 획득할 수 있다.
결합된 인덕터(204, 205)는 상이한 금속층에서 2개의 인덕터를 이용하여 실현될 수 있다. 도 11은 이의 예이다.
도 12a 및 12b는 도 9에 도시된 벌룬의 일례의 성능을 전통적인 벌룬과 비교한다. 도 12a는 위상차를 비교하고, 도 12b는 진폭 평형을 비교한다. 양 벌룬은 500 MHz 내지 3 GHz의 주파수 범위에 대하여 최적화되었다. 도 12a 및 12b에 도시된 바와 같이, 도 9의 벌룬은 500 MHz로부터 6 GHz를 넘어서까지 우수한 진폭 및 위상 평형을 나타낼 수 있다. 그러나, 전통적인 벌룬의 성능은 주파수가 증가함에 따라 빠르게 열화할 수 있어, 500 MHz에서 3 GHz까지만 유용하게 한다.
광대역 토폴러지 #2: 더 낮은 삽입 손실을 갖는 개선된 벌룬 레이아웃 토폴러지
도 13은 1차측 및 2차측 모두에서 나선형을 사용하는 종래 기술의 변압기 토폴러지의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다. 이 접근 방식의 단점은, 각 와인딩의 하나의 단자가 가장 가운데 단에서 연결되고 다른 단자가 가장 바깥쪽 와인딩에 연결되기 때문에, 구조가 비대칭이라는 것일 수 있다. 이 레이아웃 구성은 각 단자에 대하여 비대칭적인 전기적 특성을 야기하여 열화된 성능을 초래할 수 있다. 또한, 중심 탭의 정확한 배치는 판단하기 어려울 수 있다.
도 14는 모두 전기적 대칭성을 개선하기 위하여 상호 와인딩된 1차측과 2차측 모두에서 나선형을 사용하는 종래 기술의 변압기 토폴러지의 일례의 집적 회로 레이아웃을 도시한다. 모두 4개의 단자가 와인딩의 외부 세그먼트로 연결될 수 있다.
변압기가 벌룬으로서 사용될 때, 불평형 측에서의 하나의 단자는 낮은 임피던스 접지 노드로 연결될 수 있다. 이 경우에, 평형 입력 라인 중 하나가 다른 입력 라인보다도 접지된 노드에 더 타이트하게 결합될 수 있기 때문에, 도 14에 도시된 바와 같이 물리적으로 대칭인 출력 와인딩을 가지는 것은 단점일 수 있다. 이것은 평형 포트에서 전기적인 비대칭을 형성할 수 있다. 이것은 성능을 상당히 열화시키고, 이는 증가된 삽입 손실을 야기할 수 있다.
도 15 및 16은 평형 포트(801/802)와 불평형 포트(803)를 갖는 벌룬의 일례의 개략도(도 15)와 집적 회로 레이아웃(도 16)을 도시한다. 이 변압기는 평형 측 와인딩(804, 805)의 대칭 구조를 이용할 수 있지만, 불평형 와인딩(806)에서의 전통적인 나선형을 이용한다. 불평형 와인딩(806)은 와인딩(806)의 가장 안쪽 단(807)을 통해 접지에 연결될 수 있다. 이것은 평형 와인딩과 불평형 와인딩 사이의 결합이 가장 낮을 수 있는 경우이다. 불평형 와인딩의 가장 바깥쪽 턴(turn)은 불평형 포트(803)를 위한 신호로서 사용될 수 있다. 이 구성으로, 평형 와인딩의 가장 바깥쪽 턴은 불평형 와인딩의 가장 바깥쪽 턴에 가장 타이트하게 결합될 수 있다.
양 토폴러지는 전통적인 벌룬에 비하여 개선된 성능을 가지면서 넓은 대역폭을 획득하도록 집적된 믹서 설계에 사용될 수 있다.
도 17은 도 9에 도시된 벌룬 토폴러지 #1을 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다. 믹서 코어(300)는 수동 또는 능동 믹서 토폴러지를 이용할 수 있다. LO 및 IF 포트 신호는 단일단형(single-ended)이거나 차동형(differential)일 수 있다. 믹서 코어(300)가 수동 믹서 토폴러지일 때, 믹서는 양방향으로 사용될 수 있다. RF 포트가 입력부로서 사용되고 IF 포트가 출력부로서 사용될 때, 믹서는 다운 컨버터로서 기능할 수 있다. 이 대신에, IF 포트가 입력부로서 사용될 수 있고, RF 포트가 출력부로서 사용될 수 있으며, 이 경우 믹서는 업 컨버터로서 기능할 수 있다. 다운 컨버터의 경우에, 단일단 RF 신호는 3 인덕터 벌룬에 의해 차동 신호(RF-와 RF+)로 변환되고, 그 다음 믹서 코어로 인가될 수 있다. 업 컨버터의 경우, IF 신호는 단일단 RF 출력 신호로 변환될 수 있는 차동 RF 신호로 업컨버팅될 수 있다.
도 18 및 19는 3개의 벌룬을 활용할 수 있는 상이한 평형 광대역 믹서의 예의 개략도를 도시한다. 전통적인 벌룬에서, 2차 와인딩의 중심 탭은 AC 접지로서 사용될 수 있고, DC 전압이 믹서 회로에 바이어스 전압을 제공하기 위해 인가된다. DC 바이어스 전압이 제안된 토폴러지에서 필요할 때, 도 18 및 19에 도시된 바와 같이, 3 인덕터 벌룬의 인덕터(204)의 어느 한 측에 커패시터(207)가 추가될 수 있다. 커패시터(208)는 AC 접지 및 DC 차단을 제공할 수 있다. DC 전압(Vdc)이 인덕터(206)와 커패시터(208)의 공통 노드에 인가될 수 있다. DC 전류는 믹서 코어(300) 회로에 공급하도록 인덕터(206, 205)를 통해 흐를 수 있다. 커패시터(207) 때문에 전류는 RF 단자로 흐르지 않을 수 있다.
도 20은 각 포트에 하나씩의 3 인덕터 벌룬을 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다. 인덕터(204, 205,206)에 의해 형성된 벌룬에 더하여, 동일한 타입의 제2 벌룬은 인덕터(214, 215, 216)를 활용할 수 있고, 동일한 타입의 제3 벌룬은 인덕터(224, 225, 226)를 활용할 수 있다. 3 인덕터 벌룬은, 도 20에서의 집적된 믹서 회로에 도시된 바와 같이, RF 포트에 더하여 LO 및 IF 포트에서 사용될 수 있다. 이 경우에, RF, LO 및 IF 포트는 모두, 이중 평형 믹서 토폴러지를 위하여 필요한 바에 따라, 차동 신호로 변환될 수 있는 단일단 신호일 수 있다. 수동 다이오드 믹서 코어의 경우에, 성상형(star) 구성 또는 환형(ring) 구성이 사용될 수 있고, 단일단 IF 신호는 벌룬을 필요로 하지 않으면서 바로 실현될 수 있다. 이 경우, 도 20에서의 IF 벌룬은 필요하지 않을 수 있다.
도 20에서의 3개의 벌룬의 인덕터 값은 반드시 동일할 필요가 없다. IF 주파수는 RF 및 LO 주파수보다 더 낮을 수 있어, 더 높은 인덕턴스 값이 IF 벌룬에 필요할 수 있으며, 이는 더 큰 벌룬을 초래할 수 있다. 이 이유로, 대략 200 MHz보다 더 낮은 IF 주파수에 대하여 IF 벌룬을 집적하는 것은 실용적이지 않을 수 있다. 이 경우에, 외부 IF 벌룬이 대신에 사용될 수 있으며, 집적된 믹서의 IF 출력은 차동형일 수 있다.
도 21은 각 포트에 하나씩의 3 인덕터 벌룬과 LO 버퍼 증폭기(400)를 이용하는 광대역 믹서의 일례의 개략도를 도시한다. LO 버퍼 증폭기(400)는 도 21에 도시된 바와 같이 믹서 회로와 함께 집적될 수 있어, 필요한 LO 입력 구동 전력 레벨을 감소시킨다. 다른 믹서 포트로의 더 낮은 LO 전력 누설을 제공할 수 있기 때문에, 차동 LO 버퍼가 단일단 LO 버퍼에 대하여 사용될 수 있다. 따라서, LO 버퍼(400)는 도 21에 도시된 바와 같이 믹서 전에 그리고 벌룬 후에 추가될 수 있다.
도 22a 및 22b는 도 21에 도시된 것과 유사한 광대역 믹서의 일례의 시뮬레이션된 성능을 도시한다. 이 예는 상업용의 0.18 um BiCMOS 공정을 이용하여 제조된 수동 양방향 믹서를 사용하였다. 믹서 코어는 MOSFET 스위치를 이용하여 실현되었다.
도 23a 및 23b는 도 15 및 16에 도시된 것과 유사한 벌룬의 일례의 시뮬레이션된 성능을 도시한다. 도 15에서의 제안된 벌룬과 전통적인 집적형 벌룬의 변압기 구조는 모두 EM 시뮬레이터를 이용하여 모델링되었고, 결과에 따른 S 파라미터가 새로운 능동 믹서 디자인의 출력에서 사용되었다. 새로운 변압기로의 변환 이득은 종래의 토폴러지에 비하여 대략 1.5 dB 더 높았다. 도 23b에서 OIP3 성능을 비교함으로써 도시된 바와 같이, 새로운 벌룬 토폴러지로의 선형성 성능은 새로운 토폴러지에 의해 실질적으로 영향을 받지 않았다.
도 24는 광대역 믹서의 다른 예를 도시한다. 더미 인덕터(2401)가 도 17에 도시된 믹서 회로의 벌룬에 추가될 수 있다. 더미 인덕터(2401)는 벌룬의 인덕터(206)에 양 또는 음으로 결합될 수 있고, 벌룬의 평형 포트의 기생 성분을 균등화함으로써 벌룬을 더욱 대칭적으로 만들 수 있다. 더미 인덕터(2401)의 단자(2408 및 2409)는 개방 회로로 남겨지거나, 접지에 연결되거나, 또는 원하는 임피던스에 연결될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 벌룬 토폴러지를 사용할 수 있는 다른 회로는 단측파대(single sideband) 믹서, I-Q 변조기 및 I-Q 복조기이다. 이들은 제안된 믹서 중 2개를 사용할 수 있다.
논의된 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점은 단지 예시적인 것이다. 이들 및 이들과 관련된 논의는 어떠한 방식으로도 보호 범위를 제한하려고 의도되지 않는다. 많은 다른 실시예들도 고려될 수 있다. 이들은 더 적고, 추가적이고, 그리고/또는 상이한 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및/또는 이점을 가지는 실시예들을 포함한다. 이들도 구성요소 및/또는 단계가 상이하게 배열되고 그리고/또는 상이한 순서를 가지는 실시예를 포함한다.
달리 언급되지 않는다면, 모든 측정, 값, 등급(rating), 위치, 크기, 사이즈 및 이어지는 특허청구범위를 포함하는 본 명세서에서 설명된 다른 사양은 대략적인 것으로 정확한 것은 아니다. 이들은 관련된 기능 및 속하는 기술분야에서 관례적인 기능과 일관성 있는 타당한 범위를 가지도록 의도된다.
본 개시 내용에 인용된 논문, 특허, 특허 출원 및 다른 간행물은 모두 참조로서 본 명세서에 편입된다.
"~하는 수단"이라는 어구는, 특허청구범위에 사용될 때, 설명된 대응하는 구조 및 재료와 그 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 해석되어야만 한다. 유사하게, "~하는 단계"라는 어구는, 특허청구범위에 사용될 때, 설명된 대응하는 작용과 그 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 이해되어야만 한다. 특허청구범위에서 이러한 어구들이 없는 것은 이들의 대응하는 구조, 재료 또는 작용이나 그 균등물로 제한되려고 의도되지 않으며, 그에 제한되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
보호 범위는 이어지는 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 그 범위는, 특정 의미가 설명된 것을 제외하고는, 본 명세서와 후속 출원 경과에 비추어 이해될 때 특허청구범위에 사용되는 문언의 통상적 의미와 일치하는 만큼 넓게 그리고 모든 구조적 기능적 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 해석되어야 한다.
"제1 및 "제2" 등과 같은 관계형 용어는 하나의 엔티티 또는 동작을 다른 것으로부터, 그 사이의 임의의 실제적인 관계 또는 순서를 반드시 필요로 하거나 암시하지 않으면서, 구별하기 위하여만 사용된다. "포함한다", "포함하는"이라는 용어 및 이의 임의의 다른 파생어는 본 명세서 또는 특허청구범위에서의 요소 리스트와 관련되어 사용될 때 그 리스트가 배타적이지 않으며 다른 요소가 포함될 수 있다는 것을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 단수로 표시된 요소는, 추가적인 제한 사항 없이, 동일한 종류의 추가 요소의 존재를 배제하지 않는다.
어떠한 청구항도 미국 특허법 101, 102 또는 103조의 요건을 충족하지 않은 내용을 포함하려고 의도되지 않으며, 이러한 방식으로 해석되지 않아야 한다. 이러한 내용의 의도되지 않은 임의의 커버리지는 이에 의해 권리가 불요구된다. 본 문단에서 언급된 것을 제외하고는, 설명되거나 예시된 어떠한 것도, 특허청구범위에 인용되었는지 여부에 관계없이, 공중에 대한 임의의 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익, 이점 또는 균등물의 헌납을 발생시키도록 의도되거나 이해되어서는 안 된다.
요약서는 독자가 기술적 개시 내용의 본질을 신속하게 확인하는 것을 돕기 위하여 제공된다. 이는, 이것이 특허청구범위의 범위 및 의미를 해석하거나 제한하는데 사용되지 않을 것이라고 이해하면서 제출된다. 또한, 전술한 발명의 상세한 설명에서의 다양한 특징은 본 개시 내용을 간소화하기 위하여 다양한 실시예에서 함께 그루핑된다. 이러한 개시 방법은 각 청구항에서 명시적으로 인용된 더 많은 특징을 필요로 하기 위한 청구된 실시예를 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 오히려, 이어지는 특허청구범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 내용은 단일의 개시된 실시예의 모든 특징보다 적게 있다. 따라서, 이어지는 특허청구범위는 발명의 상세한 설명에 편입되며, 각각의 청구항은 개별적으로 청구된 내용으로서 자신을 대표한다.

Claims (20)

  1. 광대역 무선 주파수, 마이크로웨이브 또는 밀리미터 믹서 시스템에 있어서,
    불평형 포트; 평형 포트; 서로 타이트하게 반대 방향으로 자기 결합된 제1 및 제2 인덕터; 및 상기 제1 또는 제2 인덕터에 자기 결합되지 않은 제3 인덕터를 갖는, 벌룬; 및
    상기 벌룬의 상기 평형 포트에 연결된 믹서
    를 포함하고,
    3개의 인덕터를 포함하는 상기 벌룬과 상기 믹서는 집적 회로를 형성하는 단일 기판 상으로 모두 집적되는,
    믹서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터들 중 2개는 직렬로 연결되는,
    믹서 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제3 인덕터는 직렬로 연결되는,
    믹서 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 인덕터들 중 하나는 다른 2개의 인덕터에 전기적으로 연결되지 않는,
    믹서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 불평형 포트는 상기 믹서로의 입력부인,
    믹서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 믹서는 업 컨버터로서 기능하는,
    믹서 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 믹서는 다운 컨버터로서 기능하는,
    믹서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불평형 포트는 상기 믹서로부터의 출력부인,
    믹서 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 믹서는 업 컨버터로서 기능하는,
    믹서 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 믹서는 다운 컨버터로서 기능하는,
    믹서 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    제2 벌룬을 더 포함하는,
    믹서 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    제3 벌룬을 더 포함하는,
    믹서 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터들 중 하나와 직렬로 연결되는 커패시턴스를 더 포함하는,
    믹서 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제3 인덕터를 접지로부터 DC 분리하는 커패시턴스를 더 포함하는,
    믹서 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 믹서는 능동 믹서인,
    믹서 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 믹서는 수동 믹서인,
    믹서 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 벌룬과 상기 믹서 사이에 증폭기를 더 포함하는,
    믹서 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 증폭기는 차동 증폭기인,
    믹서 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    3개의 상기 인덕터들은 모두 동일한 평면에 놓이는,
    믹서 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    3개의 상기 인덕터들 중 2개는 상이한 평면에 놓이는,
    믹서 시스템.
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