KR20200074419A - 밀리미터웨이브 고출력 스위치 - Google Patents

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Abstract

밀리미터웨이브 주파수를 사용하여 TTD 통신 시스템을 구축하는 경우 또는 밀리미터주파수 대역의 많은 송수신기를 집적화해야 하는 모듈 개발에 있어서, 낮은 삽입손실과 높은 파워 capability를 제공함으로써 밀리미터 고속 통신시스템의 활성화에 적용될 고출력 스위치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 고출력 스위치는 송신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 송신단 스위치; 송신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 송신단 스위치; 수신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 수신단 스위치; 수신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 수신단 스위치; 제1 송신단 스위치, 제2 송신단 스위치, 제1 수신단 스위치 및 제2 수신단 스위치의 스위칭 동작을 제어하고, 제1 송신단 스위치의 Body 전압과 제2 송신단 스위치의 Body 전압을 제어하는 제어기;를 포함한다.
이에 의해, 낮은 삽입 손실을 가지면서 동시에 높은 출력에서 견딜수 있는 밀리미터웨이브 스위치를 이용할 수 있게 되어, 밀리미터웨이브 주파수를 사용하여 TTD 통신 시스템을 구축하는 경우 또는 밀리미터주파수 대역의 많은 송수신기를 집적화해야 하는 모듈 개발에 있어서, 낮은 삽입손실과 높은 파워 capability를 제공함으로써 밀리미터 고속 통신시스템의 성능 향상이 가능해진다.

Description

밀리미터웨이브 고출력 스위치{Millimeter Wave High Power Switch}
본 발명은 스위치 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀리미터주파수 대역에서 삽입손실을 줄이고 고출력 특성을 개선한 밀리미터웨이브 고출력 스위치에 관한 것이다.
도 1은 보편적으로 사용하고 있는 SPDT 스위치의 구조이다. 도 1에서 TX와 안테나가 연결되기 위해서는 M1 스위치와 M4 스위치가 켜지고 M3 스위치와 M2 스위치는 꺼져야 한다.
여기서 M4 스위치가 켜지는 이유는 꺼진 M2 스위치를 통해 신호가 RX 측으로 leakage 되었을 때, 이 신호를 M4를 통해 한번 더 제거함으로써 전체 스위치의 isolation을 증가시키는 역할을 한다.
이때 스위치의 삽입손실은 켜진 M1 스위치의 on 저항에 의해서 결정되는데 On 저항은 다음의 수식과 같다.
Figure pat00001
W는 트랜지스터의 크기이고 L은 channel length이다. 그러면 삽입 손실은 다음과 같이 된다.
Figure pat00002
결국 Ron값이 작아야 스위치의 삽입손실이 작아지고 이를 위해서 트랜지스터의 L은 작게 W는 크게 만들어야 한다. 하지만 수십 GHz에 달하는 밀리미터웨이브 주파수에서 트랜지스터의 크기를 크게하면 Cgs, Cgd등 기생 capacitor 성분들 때문에 삽입손실이 나빠지게 되고 오히려 작은 트랜지스터를 사용하는 경우가 삽입손실이 더 좋은 결과를 가져온다.
기생 capacitor를 극복하기 위한 회로를 도 2에 도시하였다. 스위치에서 발생하는 기생 capacitor를 병렬 inductor(LDS)를 사용하여 resonate out 시켜서 스위치가 가지고 있는 기생 loss를 최소화 하는 구조이다.
이 구조를 사용하면 insertion loss를 줄일 수 있지만 트랜지스터의 크기가 인덕터의 quality factor와 상관관계를 가지고 있어 트랜지스터의 크기를 아주 크게 할 수는 없다.
밀리미터웨이브에서 많이 사용하는 또 다른 스위치 구조를 도 3에 도시하였다. 일명 Traveling wave 구조로써 스위치의 on-off 기생 특성을 artificial transmission line으로 변환하여 스위칭하는 회로 기술이다.
이 기술 역시 transmission line을 구성하는 트랜지스터의 크기가 정해져 있어 큰 크기의 트랜지스터를 사용할 수 없다는 문제가 있다.
앞서 이야기한 구조들은 트랜지스터의 크기 제한 등의 문제를 바탕으로 고출력 스위치를 만들 수 없어서 보통 밀리미터웨이브에서는 10 dBm 정도의 P1dB를 가지고 있으며(도 4), 이는 TTD 시스템에서 높은 출력의 PA 신호를 견디지 못하는 문제점을 가지고 있다(도 5).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 밀리미터웨이브 주파수를 사용하여 TTD 통신 시스템을 구축하는 경우 또는 밀리미터주파수 대역의 많은 송수신기를 집적화해야 하는 모듈 개발에 있어서, 낮은 삽입손실과 높은 파워 capability를 제공함으로써 밀리미터 고속 통신시스템의 활성화에 적용될 고출력 스위치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 고출력 스위치는 송신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 송신단 스위치; 송신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 송신단 스위치; 수신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 수신단 스위치; 수신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 수신단 스위치; 제1 송신단 스위치, 제2 송신단 스위치, 제1 수신단 스위치 및 제2 수신단 스위치의 스위칭 동작을 제어하고, 제1 송신단 스위치의 Body 전압과 제2 송신단 스위치의 Body 전압을 제어하는 제어기;를 포함한다.
제1 송신단 스위치의 드레인 또는 소스에는 바이어스 전압이 인가되고, 제어기는, 제1 송신단 스위치를 턴 온 시키면, 제1 송신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 높아지도록 제어하는 것일 수 있다.
제어기는, 제1 송신단 스위치를 턴 오프 시키면, 제1 송신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 낮아지도록 제어하는 것일 수 있다.
제2 수신단 스위치의 드레인 또는 소스에는 바이어스 전원이 인가되며, 제어기는, 제1 수신단 스위치를 턴 온 시키면, 제1 수신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 높아지도록 제어하는 것일 수 있다.
제어기는, 제1 수신단 스위치를 턴 오프 시키면, 제1 수신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 낮아지도록 제어하는 것일 수 있다.
바이어스 전원은, 1V 이상일 수 있다.
일단이 제1 송신단 스위치의 드레인에 연결되고, 타단이 제1 송신단 스위치의 소스에 연결된 제1 인덕터; 및 일단이 제1 수신단 스위치의 드레인에 연결되고, 타단이 제1 수신단 스위치의 소스에 연결된 제2 인덕터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 송신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 송신단 스위치, 송신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 송신단 스위치, 수신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 수신단 스위치 및 수신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 수신단 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계; 제1 송신단 스위치의 Body 전압과 제2 송신단 스위치의 Body 전압을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위칭 방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 낮은 삽입 손실을 가지면서 동시에 높은 출력에서 견딜수 있는 밀리미터웨이브 스위치를 이용할 수 있게 되어, 밀리미터웨이브 주파수를 사용하여 TTD 통신 시스템을 구축하는 경우 또는 밀리미터주파수 대역의 많은 송수신기를 집적화해야 하는 모듈 개발에 있어서, 낮은 삽입손실과 높은 파워 capability를 제공함으로써 밀리미터 고속 통신시스템의 성능 향상이 가능해진다.
도 1은 기존 SPDT 스위치 구조,
도 2는 기생 Capacitor를 보상한 스위치,
도 3은 Traveling Wave 스위치 구조,
도 4는 Traveling Wave 방법을 이용한 60GHz에서의 고출력 특성,
도 5는 TTD 스위치 시스템,
도 6은 트랜지스터의 세부 구조,
도 7은 저 삽입 손실을 위한 적용 구조,
도 8은 스위치 Off시 고전압 입력 손실 문제점 분석,
도 9는 Drain과 Source 바이어스로 고전압 입력을 견디는 원리,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 스위치의 회로도,
도 11은 기존 스위치와 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 스위치의 성능 비교이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 밀리미터주파수 대역에서 삽입손실을 줄이고 고출력 특성을 개선한 밀리미터웨이브 고출력 스위치를 제시한다. 본 발명의 실시예에 따른 고출력 스위치는, 트랜지스터의 Body 전압을 전극 modulation 해서 스위치의 고출력 특성을 개선한다.
도 6은 deep nwell 구조를 가지고 있는 트랜지스터의 구조도를 도시화한 도이다. 스위치를 on-off 하는 컨트롤 단자인 Gate 단자와 스위치 양단으로 사용될 Drain과 Source 단자가 있고 이들 사이에는 CGD, CGS 등 기생 capacitor들이 있다.
본 발명의 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 인덕터(L1, L2)를 사용하여 CGD, CGS 등 기생 capacitor들을 보상하여 삽입 손실을 줄이는 방법을 적용하였다.
도 7에 제시된 구조는 고출력 신호를 견디는 부분에 있어서 문제점을 가지고 있을 것인데, 가장 먼저 스위치가 off 되었을 경우 고출력이 제한되는 원인부터 분석해 본다.
도 8에는 꺼져있는 스위치를 Body 전압과 함께 모델링을 하였다. 스위치 Drain에 큰 전압이 인가되었을 때, Body와 연결된 역방향 diode가 turn on 되면서 loss를 만들어내고 결과적으로 스위치가 고출력을 견딜 수 없게 된다.
이를 개선한 회로가 도 9에 도시되었다. Drain과 Source를 높은 전압(여기서는 2V)으로 Bias 잡아두고 Body 전압은 그라운드로 바이어스를 잡아둔 경우에 전압스윙의 도이다.
Drain과 Source 측 전압이 높게 형성되어 있기에 도 9를 통해 알 수 있는 바와 같이 같은 전압 하에서 Diode가 켜지지 않아 더 높은 전압을 견딜 수 있음을 확인 할 수 있다.
하지만 Source와 Body 전압이 다르고 Source 전압이 Body 전압보다 높았을 때에는 Body effect에 의해 Effective Gm이 감소하여 이는 결국 Ron을 크게하는 효과로 작용, 삽입손실을 높이는 반대급부가 생기게 된다.
이에 본 발명의 실시예에는 도 10에 도시된 스위치를 제시한다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 스위치의 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 고출력 스위치는, 도 10에 도시된 바와 같이, 송신단 스위치(110, 120), 수신단 스위치(130, 140), 제어기(150), 인덕터(L1, L2) 및 DC 블럭킹 커페시터(Cb1, Cb2, Cb3)를 포함하여 구성된다.
송신단 스위치-1(110)은 송신단(TX)과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하고, 송신단 스위치-2(120)는 송신단(TX)과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭한다.
송신단 스위치-1(110)의 드레인 및/또는 소스에는 높은 DC 바이어스 전압(VB), 예를 들어, 1V 이상의 전압이 인가된다. 블럭킹 커페시터-1(Cb1)는 높은 바이어스를 위해 이용된다.
또한, 송신단 스위치-1(110)에는 인덕터-1(L1)가 연결된다. 구체적으로, 인덕터-1(L1)의 일단은 송신단 스위치-1(110)의 드레인에 연결되고, 타단은 송신단 스위치-1(110)의 소스에 연결된다.
수신단 스위치-1(130)은 수신단(RX)과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하고, 수신단 스위치-2(140)는 수신단(RX)과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭한다.
수신단 스위치-1(130)의 드레인 및/또는 소스에도 높은 DC 바이어스 전압(VB), 예를 들어, 1V 이상의 전압이 인가된다. 블럭킹 커페시터-2(Cb2)는 높은 바이어스를 위해 이용된다.
또한, 수신단 스위치-1(130)에는 인덕터-2(L2)가 연결된다. 구체적으로, 인덕터-2(L2)의 일단은 수신단 스위치-1(130)의 드레인에 연결되고, 타단은 수신단 스위치-1(130)의 소스에 연결된다.
제어기(150)는 통신 모드에 따라, 송신단 스위치-1(110), 송신단 스위치-2(120), 수신단 스위치-1(130) 및 수신단 스위치-2(140)의 스위칭 동작을 제어한다.
구체적으로, 송신 모드에서는 송신단 스위치-1(110)과 수신단 스위치-2(140)이 턴 온 되고, 송신단 스위치-2(120)와 수신단 스위치-1(130)은 턴 오프 된다.
반면, 수신 모드에서는 수신단 스위치-1(130)과 송신단 스위치-2(120)이 턴 온 되고, 수신단 스위치-2(140)와 송신단 스위치-1(110)은 턴 오프 된다.
또한, 제어기(150)는 송신단 스위치-1(110)의 Body 전압과 송신단 스위치-2(120)의 Body 전압을 제어한다.
구체적으로, 제어기(150)는, 송신단 스위치-1(110)을 턴 온 시키는 송신 모드에서는, 송신단 스위치-1(110)의 Body 전압이 바이어스 전압(VB) 보다 높아지도록 제어한다. 송신단 스위치-1(110)의 on 저항을 줄여 결과적으로 삽입 손실을 줄이기 위함이다.
또한, 송신 모드에서, 제어기(150)는 수신단 스위치-1(130)의 Body 전압이 바이어스 전압(VB) 보다 낮아지도록 제어한다. 고출력 신호가 스위칭 될 때 turn off 되어있는 수신단 스위치-1(130)의 diode가 켜지지 않도록 하기 위함이다.
한편, 제어기(150)는, 수신단 스위치-1(130)을 턴 온 시키는 수신 모드에서는, 수신단 스위치-1(130)의 Body 전압이 바이어스 전압(VB) 보다 높아지도록 제어한다. 수신단 스위치-1(130)의 on 저항을 줄여 결과적으로 삽입 손실을 줄이기 위함이다.
또한, 수신 모드에서, 제어기(150)는 송신단 스위치-1(110)의 Body 전압이 바이어스 전압(VB) 보다 낮아지도록 제어한다. 고출력 신호가 스위칭 될 때 turn off 되어있는 송신단 스위치-1(130)의 diode가 켜지지 않도록 하기 위함이다.
도 11은 기존 스위치와 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 스위치의 성능 비교 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 기존 스위치와 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 스위치의 성능 비교 결과를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 고출력 스위치(도 10)의 삽입손실은 도 7의 저삽입 손실 구조와 동일하며, 신호는 10배(10dB) 이상 큰 신호를 스위칭 할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 구조의 안테나 matching을 Lmatch 병렬 인덕터로 구현할 수 있어 출력 ESD에도 효과적일 것임을 예상할 수 있다.
지금까지, 밀리미터웨이브 고출력 스위치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 밀리미터웨이브 주파수를 사용하여 TTD 통신 시스템을 구축하는 경우 또는 밀리미터주파수 대역의 많은 송수신기를 집적화해야하는 모듈 개발에 있어서, 낮은 삽입손실과 높은 파워 capability를 제공함으로써 밀리미터 고속 통신시스템의 활성화에 적용될 핵심 구조를 제시하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 밀리미터 스위치를 설계함에 있어 낮은 삽입 손실을 가지면서 동시에 높은 출력에서 견딜수 있는 구조를 제안 함으로써 향후 밀리미터웨이브 통신 시스템 성능 향상에 도움을 줄 있다.
본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야는 이동통신 부품, 모듈 및 시스템에 관련된 기술로써 차세대 이동통신으로 준비 중인 5G 이동통신 Front End module에 활용가능성이 높다. 또한 밀리미터웨이브 TTD 통신 스위치로 높은 활용가치가 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
TX : 송신단
RX : 수신단
110, 120 : 송신단 스위치
130, 140 : 수신단 스위치
150 : 제어기
L1, L2 : 인덕터
Cb1, Cb2, Cb3 : DC 블럭킹 커패시터

Claims (8)

  1. 송신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 송신단 스위치;
    송신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 송신단 스위치;
    수신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 수신단 스위치;
    수신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 수신단 스위치;
    제1 송신단 스위치, 제2 송신단 스위치, 제1 수신단 스위치 및 제2 수신단 스위치의 스위칭 동작을 제어하고, 제1 송신단 스위치의 Body 전압과 제2 송신단 스위치의 Body 전압을 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 송신단 스위치의 드레인 또는 소스에는 바이어스 전압이 인가되고,
    제어기는,
    제1 송신단 스위치를 턴 온 시키면, 제1 송신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 높아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어기는,
    제1 송신단 스위치를 턴 오프 시키면, 제1 송신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 낮아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    제2 수신단 스위치의 드레인 또는 소스에는 바이어스 전원이 인가되며,
    제어기는,
    제1 수신단 스위치를 턴 온 시키면, 제1 수신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 높아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어기는,
    제1 수신단 스위치를 턴 오프 시키면, 제1 수신단 스위치의 Body 전압이 바이어스 전압 보다 낮아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    바이어스 전원은,
    1V 이상인 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    일단이 제1 송신단 스위치의 드레인에 연결되고, 타단이 제1 송신단 스위치의 소스에 연결된 제1 인덕터; 및
    일단이 제1 수신단 스위치의 드레인에 연결되고, 타단이 제1 수신단 스위치의 소스에 연결된 제2 인덕터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위치.
  8. 송신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 송신단 스위치, 송신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 송신단 스위치, 수신단과 안테나 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제1 수신단 스위치 및 수신단과 그라운드 간의 전기적 연결을 스위칭하는 제2 수신단 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계;
    제1 송신단 스위치의 Body 전압과 제2 송신단 스위치의 Body 전압을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 스위칭 방법.
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