KR20160077924A - Ｓｐｄｔ 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나를 통해 동일한 주파수 신호를 송수신하기 위하여 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 SPDT 스위치에 관한 것으로서, 안테나 임피던스와 수신단 임피던스의 차이가 안테나 임피던스와 송신단 임피던스의 차이보다 작고, 송신단 임피던스와 안테나 임피던스의 차이가 송신단 임피던스와 수신단 임피던스의 차이보다 작도록 구성된다. 이때 수신단 임피던스와 송신단 임피던스는 인쇄회로기판(PCB)에 인쇄된 RF 신호라인의 패턴을 이용하여 특정될 수 있다. 인쇄회로기판에 인쇄되는 패턴을 이용하기 때문에 무선 시스템 개발과 관련된 가격 경쟁력을 높일 수 있으며, 단순한 구조를 갖는 수동 요소를 이용하므로 적용이 용이함과 아울러 ESD에 의한 고장 위험이 없다.

Description

ＳＰＤＴ 스위치{ Single Pole Double Throw Switch }

본 발명은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 관한 것으로서, 특히 안테나를 통해 무선 신호를 송수신하는 RF(Radio Frequency) 시스템에서 동일한 주파수의 신호를 송수신하기 위하여 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 SPDT 스위치에 관한 것이다.

송수신 신호를 전기적으로 스위칭하여 분리하기 위한 기술은 그 분리 특성에 따라 다양하게 존재하며, SPST(Single-Pole-Single-Throw), SPDT(Single-Pole-Double-Throw), DPST(Double-Pole-Single-Throw), DPDT(Double-Pole-Double-Throw) 등의 예를 들 수 있다.

각 방법에 따른 스위치는 개별적인 스위칭 회로를 이용하여 구성되거나 또는 단일 칩의 집적회로(IC) 형태로 구성될 수 있으며, 핀 다이오드(Pin Diode) 등의 능동(Active) 소자를 이용하여 전기적 스위칭을 수행한다.

그런데 능동 소자인 핀 다이오드에 전압을 인가하여 스위칭을 수행하면 전류가 소모되고, ESD(Electro Static Discharge)에 약한 단점을 보완하기 위해 별도로 바리스터와 같은 칩을 활용해야 한다.

또한 어플리케이션에 따라 송수신 신호를 분리하기 위해 여러 능동 소자가 사용되면 제작 비용이 높아진다.

즉, 송수신 신호를 전기적으로 스위칭하여 분리하기 위해 핀 다이오드 등의 능동 소자를 사용하면 설계가 복잡해지고, 에너지를 소모하며, 제작 비용이 높아지는 등 여러 문제점이 발생할 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 안테나를 통해 송수신 되는 동일 주파수 신호를 분리할 때, 송신 측과 수신 측의 임피던스 차이를 통해 분리가 이루어지도록 하고, 또한 수동(Passive) 요소를 이용하여 능동 회로와 같은 효과를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 SPDT 스위치는 안테나를 통해 동일한 주파수의 신호를 송신하거나 수신할 수 있도록 하며, 상기 안테나를 통해 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 안테나를 통해 신호를 송신하는 송신부를 포함하여 이루어진다.

특히, 안테나 임피던스와 상기 수신부의 수신단 임피던스의 차이는 상기 안테나 임피던스와 상기 송신부의 송신단 임피던스의 차이보다 작고, 상기 송신단 임피던스와 상기 안테나 임피던스의 차이는 상기 송신단 임피던스와 상기 수신단 임피던스의 차이보다 작도록 구성된다.

상기 수신단 임피던스와 상기 송신단 임피던스는 인쇄회로기판(PCB)에 인쇄된 RF 신호라인의 형태나 특성에 따라 특정될 수 있다.

상기 송신단 임피던스는 75Ω으로 구성하고, 상기 수신단 임피던스는 35Ω으로 구성할 수 있다.

상기 송신부는 상기 안테나 임피던스와 상기 송신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제1 임피던스 매칭부, 및 전원의 인가 여부에 따라 스위칭 되어 RF 신호라인의 RF 신호를 제거하는 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

상기 수신부는 상기 안테나 임피던스와 상기 수신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제2 임피던스 매칭부, 및 전원의 인가 여부에 따라 스위칭 되어 RF 신호라인의 RF 신호를 제거하는 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

상기 SPDT 스위치는 송신 포트로부터 전송되는 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제1 DC 차단용 커패시터, 및 안테나를 통해 수신된 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제2 DC 차단용 커패시터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 임피던스 매칭부와 제2 임피던스 매칭부는 인덕터와 커패시터의 조합을 이용하여 임피던스 매칭을 수행하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 안테나를 통해 송수신 되는 동일 주파수 신호를 송신단과 수신단의 임피던스 차이를 이용하여 분리할 수 있으며, 임피던스 차이는 인쇄회로기판(PCB)에 인쇄된 패턴을 이용하여 구현할 수 있다.

능동소자를 이용하지 않고도 능동회로와 같은 동작을 구현할 수 있으며, 다음과 같은 다양한 효과를 나타낼 수 있다.

(1) 인쇄회로기판에 인쇄되는 패턴을 이용하므로 무선 시스템 개발과 관련된 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

(2) 능동 소자 사용에 따른 별도의 칩 탑재(Chip Mount) 공정과 검수가 필요하지 않아 생산 시간을 줄일 수 있다.

(3) 사용 주파수와 어플리케이션에 따라 변화가 가능하여 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.

(4) 단순한 구조를 가지므로 적용이 용이하고, 수동 요소를 이용하므로 ESD에 의한 고장 위험이 없다.

도 1은 본 발명에 따른 SPDT 스위치의 일 실시예,
도 2와 도 3은 인쇄회로기판을 이용하여 구현된 SPDT 스위치의 예,
도 4는 제1 및 제2 스위칭 소자의 동작을 설명하는 예,
도 5는 송수신 동작과 관련된 S 파라미터 그래프의 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하자면, 본 발명에 따른 SPDT 스위치(100)는 안테나(101)와 연결되는 안테나 포트(110), 안테나(101)를 통해 송신할 RF 신호가 입력되는 송신 포트(120), 안테나(101)를 통해 수신된 RF 신호가 출력되는 수신 포트(130), 송신 포트(120)를 통해 입력된 RF 신호를 안테나 포트(110)로 전달하는 송신부(140), 안테나 포트(110)를 통해 입력되는 RF 신호를 수신 포트(130)로 전달하는 수신부(150)를 포함하여 이루어지며, 안테나(101)를 통해 동일한 주파수를 갖는 RF 신호를 송신하거나 수신할 수 있도록 한다.

송신부(140)와 수신부(150)는 각각 송신단 임피던스와 수신단 임피던스를 가지고 있는데, 송신단 임피던스와 수신단 임피던스는 각각 다음과 같은 임피던스 제한 조건을 만족하도록 구성된다.

(1) 안테나 임피던스와 수신단 임피던스의 차이는 안테나 임피던스와 송신단 임피던스의 차이보다 작다.

(2) 송신단 임피던스와 안테나 임피던스의 차이는 송신단 임피던스와 수신단 임피던스의 차이보다 작다.

구체적인 예를 들자면, 송신단 임피던스를 75Ω으로 설정하고, 수신단 임피던스를 35Ω으로 설정할 수 있다.

이 경우 일반적인 안테나 임피던스는 50Ω이므로, 안테나 임피던스와 수신단 임피던스의 차이는 15Ω(50-35)이고, 안테나 임피던스와 송신단 임피던스의 차이는 25Ω(75-50)이 되어 첫 번째 임피던스 제한 조건을 만족시킨다.

또한, 송신단 임피던스와 안테나 임피던스의 차이는 25Ω(75-50)이고, 송신단 임피던스와 수신단 임피던스의 차이는 40Ω(75-35)이 되어 두 번째 임피던스 제한 조건을 만족시킨다.

이러한 임피던스 제한 조건은 능동 소자를 사용하지 않고도 동일한 주파수의 송수신 신호를 효율적으로 분리하기 위한 것이다.

수신단 임피던스와 송신단 임피던스는 인쇄회로기판(PCB)에 인쇄된 RF 신호라인에 의해 특정될 수 있다. 즉, 인쇄회로기판의 송신부(140)와 수신부(150)에 인쇄된 RF 신호라인의 폭, 간격 등의 물리적 형태나 특성을 조절하여 원하는 임피던스 값을 갖도록 처리할 수 있다.

도 2는 SPDT 스위치(100)의 실제 모습에 관한 일 예를 보인 것으로서, 송신부(140)와 수신부(150)가 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board, 300)을 이용하여 구성되고, 인쇄회로기판(300)에는 안테나 포트(110), 송신 포트(120), 수신 포트(130)가 연결되어 있다.

도 3은 SPDT 스위치(100)를 구성하는 인쇄회로기판(300)의 후면부에 관한 일 실시예를 보인 것이다.

송신부(140)는 안테나 임피던스와 송신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제1 임피던스 매칭부(141), 전압공급라인(140-1)을 통한 전원 인가 여부에 따라 스위칭 되어 RF 신호라인(140-3)의 RF 신호를 제거하는 제1 스위칭 소자(142), 송신 포트(120)로부터 전송되는 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제1 DC 차단용 커패시터(140-2)를 포함하여 구성될 수 있다.

수신부(150)는 안테나 임피던스와 수신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제2 임피던스 매칭부(151), 전압공급라인(150-1)을 통한 전원 인가 여부에 따라 스위칭되어 RF 신호라인(150-3)의 RF 신호를 제거하는 제2 스위칭 소자(152), 안테나(101)를 통해 수신된 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제2 DC 차단용 커패시터(150-2)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4는 제1 스위칭 소자(142)와 제2 스위칭 소자(152)의 동작을 설명하는 예로서, 제1 스위칭 소자(142)와 제2 스위칭 소자(152)는 각각 전압공급라인(140-1,150-1)에 인가되는 전압(V1,V2)에 따라 온/오프(On/Off) 된다.

구체적으로 설명하자면, SPDT 스위치(100)가 송신 동작을 수행하는 경우 제1 스위칭 소자(142)는 오프 상태로 제어되고, 제2 스위칭 소자(152)는 온 상태로 제어된다. SPDT 스위치(100)가 수신 동작을 수행하는 경우 제1 스위칭 소자(142)는 온 상태로 제어되고, 제2 스위칭 소자(152)는 오프 상태로 제어된다.

제1 스위칭 소자(142)와 제2 스위칭 소자(152)는 온 상태로 제어되었을 때 입력신호가 접지로 흘러나가게 하는 역할을 수행한다.

즉, 송신 동작의 경우에는 수신부(150)로 흘러들어 온 송신 신호가 제2 스위칭 소자(152)를 통해 제거된다. 이때 송신 신호의 입장에서 바라보는 IC(수신 포트에 연결되는 수신용 IC를 말하며 도시되지 않음)의 임피던스는 무한대로서 상대적으로 임피던스가 매우 적은 제2 스위칭 소자(152)로 모든 신호가 흘러 제거되므로, 해당 IC에 직접적인 영향을 줄 수 없다.

또한, 수신 동작의 경우에는 송신부(140)로 흘러들어 온 송신 신호가 제1 스위칭 소자(142)를 통해 제거된다. 이때 수신 신호의 입장에서 바라보는 IC(송신 포트에 연결되는 송신용 IC를 말하며 도시되지 않음)의 임피던스는 무한대로서 상대적으로 임피던스가 매우 적은 제1 스위칭 소자(142)로 모든 신호가 흘러 제거되므로, 해당 IC에 직접적인 영향을 줄 수 없다.

도 3과 도 4를 참조하여 SPDT 스위치(100)의 동작에 관해 구체적으로 설명하기로 한다.

일반적으로 신호 전송 회로에서는 임피던스 차이가 발생하는 경우 반사가 이루어져 신호의 손실이 발생하기 때문에 신호의 손실을 최소화하기 위하여 임피던스 매칭 설계를 수행한다.

이와 관련하여 제1 임피던스 매칭부(141)는 송신 신호의 손실을 줄이기 위해 안테나 임피던스와 송신단 임피던스를 매칭시켜 주는 역할을 수행하며, 제2 임피던스 매칭부(151)는 수신 신호의 손실을 줄이기 위해 안테나 임피던스와 수신단 임피던스를 매칭시켜 주는 역할을 수행한다.

이러한 제1 임피던스 매칭부(141)와 제2 임피던스 매칭부(151)는 인덕터와 커패시터의 조합을 이용하여 구성할 수 있다.

SPDT 스위치(100)의 송신부(140)와 수신부(150)는 각각 임피던스에 차이가 있으며, 역 T자형 구조를 가지고, 하나의 안테나(101)를 통해 같은 주파수의 신호를 송신하거나 수신한다. 이때 상대적으로 임피던스 차이가 작은 선로로 신호가 전달되는 원리를 이용하여 송수신 신호의 흐름을 제어한다.

신호의 수신을 위한 수신단 임피던스가 35Ω, 신호의 송신을 위한 송신단 임피던스가 75Ω, 안테나 임피던스가 50Ω인 예로 설명하기로 한다.

안테나(101)에서 바라보았을 때 수신단 임피던스와의 차이는 15Ω이고, 송신단 임피던스와의 차이는 25Ω이다. 그러므로 안테나(101)를 통해 수신된 신호는 대부분 수신부(150)를 향해 흐른다.

송신부(140)로 흘러간 일부 수신 신호는 도 4a를 통해 설명한 바와 같이 전압공급라인(140-1)에 인가되는 전압(V1)에 따라 스위칭 되는 제1 스위칭 소자(142)를 통해 흐르게 되어 수신 신호가 송신단에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

송신 신호의 입장에서 바라보았을 때 안테나 임피던스와의 차이는 25Ω이고, 수신단 임피던스와의 차이는 40Ω이므로, 송신 신호는 상대적으로 임피던스가 작은 안테나(101)로 대부분 방사되고 일부 신호가 수신부(150)로 흘러간다.

수신부(150)로 흘러간 일부 송신 신호는 도 4b를 통해 설명한 바와 같이 전압공급라인(150-1)에 인가되는 전압(V2)에 따라 스위칭 되는 제2 스위칭 소자(152)를 통해 흐르게 되어 송신 신호가 수신단에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

제1 스위칭 소자(142)와 제2 스위칭 소자(152)로는 온/오프 가능한 임의의 능동 소자를 이용할 수 있다.

수신 동작의 경우에는 미약한 신호를 안테나(101)로 수신하고 그 신호를 증폭하므로 안테나 임피던스와의 차이가 작을수록 높은 성능을 발휘할 수 있으며, 송신단 임피던스와 수신단 임피던스의 차이가 클수록 송신 신호가 수신단에 미치는 영향을 줄일 수 있다.

수신단 임피던스와 송신단 임피던스는 인쇄회로기판(300)에 인쇄된 RF 신호라인(140-3,150-3)의 물리적 형태나 특성을 조절하여 구현할 수 있다.

도 5는 네트워크 분석기(Network Analyzer)를 이용하여 측정한 S 파라미터의 예를 보인 것으로서, 수신 포트가 1번 포트, 안테나 포트가 2번 포트, 송신 포트가 3번 포트일 때를 나타낸다.

도 5a는 수신 동작에 관한 것으로서, 수신 포트와 송신 포트 사이에 관련된 S31 파라미터가 수신 동작에 관한 S21 파라미터와 유사한 특성을 나타내어 송수신 신호 사이의 분리가 잘 이루어졌음을 보여준다.

도 5b는 송신 동작에 관한 것으로서, 송신 포트와 수신 포트 사이에 관련된 S31 파라미터가 송신동작에 관한 S32 파라미터와 유사한 특성을 나타내어 송수신 신호 사이의 분리가 잘 이루어졌음을 보여 준다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

100: SPDT 스위치 101: 안테나
110: 안테나 포트 120: 송신 포트
130: 수신 포트 140: 송신부
141: 제1 임피던스 매칭부 142: 제1 스위칭 소자
150: 수신부 151: 제2 임피던스 매칭부
152: 제2 스위칭 소자 140-1,150-1: 전압공급라인
140-2,150-2: DC 차단용 커패시터 140-3,150-3: RF 신호 라인

Claims (6)

1. 안테나를 통해 동일한 주파수의 신호를 송신하거나 수신할 수 있도록 하는 SPDT 스위치에 있어서,
   상기 안테나를 통해 신호를 수신하는 수신부; 및
   상기 안테나를 통해 신호를 송신하는 송신부를 포함하고,
   안테나 임피던스와 상기 수신부의 수신단 임피던스의 차이는 상기 안테나 임피던스와 상기 송신부의 송신단 임피던스의 차이보다 작고, 상기 송신단 임피던스와 상기 안테나 임피던스의 차이는 상기 송신단 임피던스와 상기 수신단 임피던스의 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 SPDT 스위치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수신단 임피던스와 상기 송신단 임피던스가 인쇄회로기판(PCB)에 인쇄된 RF 신호라인에 의해 특정되는 SPDT 스위치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 송신단 임피던스는 75Ω이고, 상기 수신단 임피던스는 35Ω인 것을 특징으로 하는 SPDT 스위치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 송신부는 상기 안테나 임피던스와 상기 송신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제1 임피던스 매칭부, 및 전원의 인가 여부에 따라 스위칭 되어 RF 신호라인의 RF 신호를 제거하는 제1 스위칭 소자를 포함하고,
   상기 수신부는 상기 안테나 임피던스와 상기 수신단 임피던스를 매칭시키기 위한 제2 임피던스 매칭부, 및 전원의 인가 여부에 따라 스위칭 되어 RF 신호라인의 RF 신호를 제거하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 SPDT 스위치.
5. 제 4 항에 있어서,
   송신 포트로부터 전송되는 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제1 DC 차단용 커패시터, 및 안테나를 통해 수신된 신호의 DC 성분을 제거하기 위한 제2 DC 차단용 커패시터를 더 포함하는 SPDT 스위치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 임피던스 매칭부와 제2 임피던스 매칭부는 인덕터와 커패시터의 조합을 이용하여 임피던스 매칭을 수행하는 SPDT 스위치.

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