KR20220018910A - 전력 전달 능력 향상을 위한 spdt 스위치 - Google Patents

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김성일
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임종원
장성재
정현욱
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한국전자통신연구원
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Abstract

전력 전달 능력 향상을 위한 SPDT 스위치가 개시된다. 이 SPDT 스위치는, 공통 입력 포트에 공통으로 연결된 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자를 포함하는 직렬 스위칭부 및 상기 공통 입력 포트와 제1 출력 포트를 연결하는 제1 신호 경로와 상기 공통 입력 포트와 제2 출력 포트를 연결하는 제2 신호 경로에 병렬 연결된 복수의 션트 스위칭 소자들을 포함하는 션트 스위칭부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 단자에 제1 및 제2 인덕터가 각각 연결된 것을 특징으로 한다.

Description

전력 전달 능력 향상을 위한 SPDT 스위치{SPDT SWITCH FOR IMPROVING POWER TRANSFER CAPABILITY}
본 발명은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 관한 것으로, 상세하게는, SPDT 스위치의 전력 전달 능력 향상과 관련된 기술이다.
일반적인 SPDT 스위치는 FET(Field Effect Transistor) 계열의 소자를 사용한다. SPDT 스위치의 설계시에, 직렬 스위칭 소자로서는 삽입 손실(insertion loss)을 줄이기 위해 보통 면적이 큰 FET 소자가 사용되고, 직렬 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 스위칭 소자로서는 격리도(isolation) 특성을 향상시키기 위해 상대적으로 작은 면적의 FET 소자가 사용된다.
SPDT 스위치에서 각 스위칭 소자의 게이트 단자는 제어 단자로 사용되고 드레인 단자와 소스 단자는 RF 신호를 전달하는 경로로 이용된다. 이때, RF 신호가 제어 단자 방향으로 전달되는 것을 방지하기 위해 게이트 단자에는 수 kΩ의 큰 저항값을 갖는 저항이 게이트 단자에 연결된다.
한편, SPDT 스위치의 설계시, 질화 갈륨(GaN, Gallium Nitride) 계열의 스위칭 소자를 이용하는 경우, 갈륨 비소(GaAs, Gallium Arsenide) 계열의 스위칭 소자와 다르게 GaN 계열의 스위칭 소자는 RF 신호가 커질수록 게이트 누설 전류(gate leakage current)가 커진다.
이처럼 게이트 단자에 수 kΩ의 큰 게이트 저항을 연결하는 경우, 게이트 누설 전류에 의해 수 kΩ의 저항이 연결된 게이트에서 전압 강하가 발생하여 SPDT 스위치의 전력 전달 능력을 저하시키는 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전력 전달 능력 향상을 위해 GaN 스위칭 소자의 게이트 단자에 인덕터가 적용된 SPDT 스위치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 SPDT 스위치는, 공통 입력 포트에 공통으로 연결된 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자를 포함하는 직렬 스위칭부; 및 상기 공통 입력 포트와 제1 출력 포트를 연결하는 제1 신호 경로와 상기 공통 입력 포트와 제2 출력 포트를 연결하는 제2 신호 경로에 병렬 연결된 복수의 션트 스위칭 소자들을 포함하는 션트 스위칭부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 단자에 제1 및 제2 인덕터가 각각 연결된 것을 특징으로 한다.
실시 예에서, 상기 제1 및 제2 인덕터는, 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 누설 전류에 의해 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 단자에서 발생하는 전압강하를 방지하기 위한 용도로 사용된다.
실시 예에서, 상기 제1 및 제2 인덕터는, 기판 상에서 사각 나선형의 평면 인덕터(rectangular spiral planar inductor)로 구현될 수 있다.
실시 예에서, 상기 복수의 션트 스위칭 소자들의 게이트 단자에는 저항이 연결된다.
실시 예에서, 상기 저항은, 기판 상에서 지그재그 형태의 라인으로 연장되는 박막 저항(Thin Film Resistor: TFR)일 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자 각각의 게이트 핑거의 수는 상기 복수의 션트 스위칭 소자들 각각의 게이트 핑거의 수보다 큰 것을 특징으로 한다.
실시 예에서, 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자와 상기 복수의 션트 스위칭 소자들은, 질화 갈륨(Gallium Nitride) 계열의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 한다.
실시 예에서, 상기 션트 스위칭부는, 상기 제1 신호 경로에 병렬 연결된 제1 션트 스위칭 소자와 상기 제2 신호 경로에 병렬 연결된 제2 션트 스위칭 소자를 포함하는 제1 션트 스위칭부; 및 상기 제1 신호 경로에 추가로 병렬 연결된 제3 션트 스위칭 소자와 상기 제2 신호 경로에 추가로 병렬 연결된 제4 션트 스위칭 소자를 포함하는 제2 션트 스위칭부를 포함한다.
실시 예에서, 상기 제1 신호 경로에 병렬 연결된 상기 제1 션트 스위칭 소자와 상기 제3 션트 스위칭 소자는 제3 인덕터에 의해 연결되고, 상기 제2 신호 경로에 병렬 연결된 상기 제2 션트 스위칭 소자와 상기 제4 션트 스위칭 소자는 제4 인덕터에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에서, 상기 제1 션트 스위칭 소자, 상기 제3 션트 스위칭 소자 및 상기 제3 인덕터는, 상기 제1 신호 경로를 통해 전달되는 입력 신호에 대한 저역 통과 필터로 동작하고, 상기 제2 션트 스위칭 소자, 상기 제4 션트 스위칭 소자 및 상기 제4 인덕터는, 상기 제1 신호 경로를 통해 전달되는 입력 신호에 대한 저역 통과 필터로 동작한다.
본 발명에 따르면, GaN 계열의 스위칭 소자를 이용하여 SPDT 스위치 설계하는 경우, 그 스위칭 소자의 게이트 단자에 저항 대신에 인덕터를 연결하여 게이트 누설 전류에 의해 게이트 단자에서 발생하는 전압 강하를 방지함으로써, 그 스위칭 소자의 면적에서 제공 가능한 최대 전력 전달 능력으로 전력을 전달할 수 있다.
본 발명은 SPDT 스위치은 물론 SPST(Single Pole Single Throw), SP3T(Single Pole 3 Throw)와 같은 다양한 구조의 스위치에서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 실시 예에 따라 게이트 단자에 인덕터가 연결된 스위칭 소자를 이용하여 설계된 SPDT 스위치의 회로 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 개략적인 레이아웃이다.
도 3은 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 특성을 측정한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 입력 전력에 따른 삽입 손실을 측정한 그래프이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자에 연결된다라고 언급되는 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자에 간접적으로 연결된 의미까지 포함한다.
GaN 스위칭 소자는 소스(source)와 드레인(drain) 사이의 채널 저항(Rds)이 게이트(gate)의 제어 전압에 따라서 가변 저항으로 동작함에 따라 스위치로 사용될 수 있다. 여기서, 소스와 드레인은 RF 신호의 경로이며, 게이트는 제어 단자로 사용이 된다.
소스와 드레인 사이의 전압(Vds)이 0V인 경우, 제어 전압(Vg)을 0V로 제어하면, 채널 저항(Rds)의 저항값은 작아지고, 제어 전압(Vg)을 -3 ~ -5V의 핀치-오프(pinch-off) 전압보다 작은 전압으로 제어하면, 채널 저항(Rds)이 커지게 되어, GaN 스위칭 소자는 가변저항으로 동작한다.
일반적으로 GaN 스위칭 소자에서, 소스와 드레인 사이의 신호 경로와 게이트 사이의 충분한 격리(isolation)를 위해, GaN 스위칭 소자(GaN FET)의 게이트에 수 kΩ의 저항이 연결될 수 있다.
이처럼 GaN 스위칭 소자의 게이트에 수 kΩ의 저항을 연결한 상태에서, GaN 스위칭 소자의 드레인으로 입력되는 입력 전력이 증가되면, 게이트 단자에 연결된 수 kΩ의 저항에 의해 게이트에서 전압 강하가 발생하여, GaN 스위칭 소자가 오프(off)되고, 입력 전력이 전달되지 않는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 게이트 누설 전류가 거의 없는 GaAs 계열의 스위칭 소자에서는 발생하지 않는다.
게이트 누설 전류에 의해 GaN 스위칭 소자가 오프(off)되는 것을 방지하기 위해, 즉, 소스와 드레인 사이의 신호 경로와 게이트 사이에 격리도를 개선하기 위해, 본 발명에서는 게이트 단자에 저항 대신에 인덕터가 연결된 GaN 스위칭 소자를 이용하여 SPDT 스위치를 설계하는 데 특징이 있다.
게이트 단자에 저항을 연결하는 경우, GaN 스위칭 소자는 낮은 주파수 대역에서 높은 주파수 대역까지 RF 신호의 누설을 방지하여 광대역 특성을 제공한다.
게이트 단자에 인덕터를 연결하는 경우, 낮은 주파수 대역에서 RF 신호의 누설을 효과적으로 방지하지는 못하지만, 실제 사용 주파수 대역에서 적당한 용량의 인덕터를 사용하면, 그 인덕터는 소스와 드레인 사이의 신호 경로부터 게이트 단자의 격리도를 개선하기 위한 용도로 저항 대신에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 실시 예에 따라 게이트 단자에 인덕터가 연결된 스위칭 소자를 이용하여 설계된 SPDT 스위치의 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치는 직렬-병렬-병렬(series-shunt-shunt) 구조로 설계된다. 직렬-병렬-병렬(series-shunt-shunt) 구조는 하나의 신호 경로에 하나의 스위칭 소자가 직렬로 연결되고, 2개의 스위칭 소자들이 병렬로 연결된 구조를 의미한다. 여기서, 신호 경로에 2개의 스위칭 소자들이 병렬로 연결된 구조를 '2단 션트 구조'라 한다.
2단 션트 구조의 스위칭 소자들은 신호 경로와 그라운드를 연결함으로써, 비활성된 신호 경로를 통해 전달되는 신호를 그라운드로 빠지게 함으로써, 스위칭 소자의 격리도 특성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 신호 경로에 직렬로 연결된 스위칭 소자를 '직렬 스위칭 소자'라 부르고, 신호 경로에 병렬로 연결된 스위칭 소자를 '션트 스위칭 소자'라 부른다.
본 발명의 실시 예에 따른 직렬-병렬-병렬(series-shunt-shunt) 구조의 SPDT 스위치는 직렬 스위칭부(110), 제1 션트 스위칭부(120) 및 제2 션트 스위칭부(130)를 포함한다.
직렬 스위칭부(110)
직렬 스위칭부(110)는 공통 입력 포트(P1)에 공통으로 연결된 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자(Q1, Q2)를 포함하며, 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자(Q1, Q2)는, 예를 들면, 게이트 누설 전류가 거의 발생하지 않는 GaAs 계열의 FET와 달리 게이트 누설 전류가 발생하는 GaN 계열의 FET일 수 있다.
제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자(D)와 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 드레인 단자(D)는 공통 입력 포트(P1)에 공통으로 연결된다.
제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G)에는 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 소스(S)와 드레인(D) 사이의 신호 경로로부터 게이트 단자(G)를 격리시키기 위한 수동 소자가 연결된다. 여기서, 수동 소자는 인덕터(Ls1)일 수 있다.
이에 따라, 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc1)이 제1 인덕터(Ls1)를 통해 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G)에 인가된다.
유사하게, 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G)에는 제2 직렬 스위칭 소자(Q4)의 소스(S)와 드레인(D) 사이의 신호 경로로부터 게이트 단자(G)를 격리하기 위한 수동 소자가 연결된다. 여기서, 수동 소자는 인덕터(Ls2)일 수 있다.
이에 따라, 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc2)이 제2 인덕터(Ls2)를 통해 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G)에 인가된다.
기존에는 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자(Q1, Q2)의 게이트 단자에 저항을 연결하였지만, 본 발명의 실시 예에서는 인덕터들(Ls1, Ls2)을 연결하여, GaN 계열의 FET로 구현된 직렬 스위칭 소자들(Q1, Q2)에서 발생하는 게이트 누설 전류에 의한 게이트 단자의 전압강하를 방지하고, 동시에 SPDT 스위치의 전력 전달 능력을 향상시킬 수 있다.
한편, 게이트 단자에 인덕터를 연결하는 경우, 낮은 주파수 대역에서 RF 신호(P1을 통해 입력되는 입력 전력)의 누설을 효과적으로 방지하지는 못할 수도 있다.
하지만, 실제 사용 주파수 대역에서 적당한 용량의 인덕터를 사용하면, 소스와 드레인 사이의 신호 경로부터 게이트 단자의 격리도를 개선하기 위한 용도로 저항 대신에 충분히 활용될 수 있다.
제1 션트 스위칭부(120)
제1 션트 스위칭부(120)는 제1 션트 스위칭 소자(Q3)와 제2 션트 스위칭 소자(Q4)를 포함하며, 각 션트 스위칭 소자(Q3, Q4)는, 예를 들면, GaN 계열의 FET일 수 있다.
제1 션트 스위칭 소자(Q3)는 상기 공통 입력 포트(P1)와 제1 출력 포트(P2)를 연결하는 제1 신호 경로(10)에 병렬 연결되고, 제2 션트 스위칭 소자(Q4)는 상기 공통 입력 포트(P1)와 제2 출력 포트(P3)를 연결하는 제2 신호 경로(20)에 병렬 연결된다.
구체적으로, 제1 션트 스위칭 소자(Q3)의 드레인 단자(D)는 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자에 연결되고, 제1 션트 스위칭 소자(Q3)의 소스 단자(S)는 그라운드에 연결된다.
제1 션트 스위칭 소자(Q3)의 게이트 단자(G)에는 제1저항(Rp1)이 연결되고, 제1 저항(Rp1)을 통해 그 게이트 단자(G)에 제1 션트 스위칭 소자(Q3)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc2)이 인가된다.
제2 션트 스위칭 소자(Q4)의 드레인 단자(D)는 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S)에 연결되고, 그 소스 단자(S)는 그라운드에 연결된다.
제2 션트 스위칭 소자(Q4)의 게이트 단자(G)에는 제2 저항(Rp2)이 연결되고, 제2 저항(Rp2)을 통해 그 게이트 단자(G)에 제2 션트 스위칭 소자(Q4)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc1)이 인가된다.
제2 션트 스위칭부(130)
제2 션트 스위칭부(130)는 제3 션트 스위칭 소자(Q5)와 제4 션트 스위칭 소자(Q6)를 포함하며, 각 션트 스위칭 소자(Q5, Q6)는, 예를 들면, GaN 계열의 FET일 수 있다.
제3 션트 스위칭 소자(Q5)는 제1 신호 경로(10)에 병렬 연결되고, 제4 션트 스위칭소자(Q6)는 제2 신호 경로(20)에 병렬 연결된다.
구체적으로, 제3 션트 스위칭 소자(Q5)의 드레인 단자(D)는 제3 인덕터(L3)를 통해 제1 션트 스위칭 소자(Q3)의 드레인 단자(D)와 연결되고, 제3 션트 스위칭 소자(Q5)의 소스 단자(S)는 그라운드에 연결된다.
제3 션트 스위칭 소자(Q5)의 게이트 단자(G)에는 제3 저항(Rp3)이 연결되고, 제3 저항(Rp3)을 통해 그 게이트 단자(G)에 제3 션트 스위칭 소자(Q5)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc2)이 인가된다.
제4 션트 스위칭 소자(Q6)의 드레인 단자(D)는 제4 인덕터(L4)를 통해 제2 션트 스위칭 소자(Q4)의 드레인 단자(D)와 연결되고, 제4 션트 스위칭 소자(Q4)의 소스 단자(S)는 그라운드에 연결된다.
제4 션트 스위칭 소자(Q6)의 게이트 단자(G)에는 제4 저항(Rp4)이 연결되고, 제4 저항(Rp4)을 통해 그 게이트 단자(G)에 제4 션트 스위칭 소자(Q6)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 전압(Vc1)이 인가된다.
이하, 도 1에 도시된 SPDT 스위치의 동작 과정에 대해 설명하기로 한다.
동작 설명
먼저, 각 스위칭 소자의 게이트 단자(G)에 인가되는 제어 전압들(Vc1, Vc2)은 서로 다른 논리 레벨을 갖는다. 예를 들면, 제어 전압(Vc1)이 논리 하이 레벨의 전압(예, 0V)인 경우, 제어 전압(Vc2)은 논리 로우 레벨의 전압(예, -40V)이 되고, 반대로, 제어 전압(Vc1)이 논리 로우 레벨의 전압(예, -40V)인 경우, 제어 전압(Vc2)은 논리 하이 레벨의 전압(예, 0V)이다.
제어 전압(Vc1)이 논리 하이 레벨의 전압이고, 제어 전압(Vc2)이 논리 로우 레벨의 전압인 경우, 제1 직렬 스위칭 소자(Q1), 제2 션트 스위칭 소자(Q4) 및 제4 션트 스위칭 소자(Q6)가 온(on) 되고, 제2 직렬 스위칭 소자(Q2), 제1 션트 스위칭 소자(Q3) 및 제3 션트 스위칭 소자(Q5)가 오프(off)된다. 이에 따라, 공통 입력 포트(P1)과 제1 출력 포트(P2)를 연결하는 신호 경로(10)가 활성화된다.
반대로, 제어 전압(Vc1)이 논리 로우 레벨의 전압이고, 제어 전압(Vc2)이 논리 하이 레벨의 전압인 경우, 제1 직렬 스위칭 소자(Q1), 제2 션트 스위칭 소자(Q4) 및 제4 션트 스위칭 소자(Q6)가 오프(off) 되고, 제2 직렬 스위칭 소자(Q2), 제1 션트 스위칭 소자(Q3) 및 제3 션트 스위칭 소자(Q5)가 온(on)된다. 이에 따라, 공통 입력 포트(P1)과 제2 출력 포트(P3)를 연결하는 제2 신호 경로(20)가 활성화된다.
제1 신호 경로(10)가 활성화된 경우에서는, 전술한 바와 같이, Q1, Q4, Q6은 "on" 상태이고, Q2, Q3, Q5는 "off" 상태이고, off 상태의 Q3, Q5는 커패시터로 동작하고, Q3과 Q5를 연결하는 인덕터(L3)와 더불어 저역 통과 필터로 동작하게 된다.
이때, Q2는 Off 상태이므로, 공통 입력 포트(P1)을 통해 입력되는 입력 전력이 제2 출력 포트(P3)로 전달되지 않아야 하는데, 제2 직렬 스위칭 소자(Q2)의 기생 커패시턴스에 의해 입력 전력이 제2 출력 포트(P3)로 전달될 수 있다. 하지만, Q4와 Q6가 on 상태이므로, 입력 신호는 제2 출력 포트(P3)로 전달되지 않고, 그라운드로 빠져나간다.
이처럼 신호 경로(10)에 병렬로 연결된 션트 스위칭 소자들(Q4와 Q6)은 신호 경로(10)와 신호 경로(20) 사이의 격리도를 향상시키는 역할을 한다.
한편, 공통 입력 포트(P1)를 통해 입력되는 입력 전력이 커질수록 on 상태의 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)에서 발생하는 게이트 누설 전류가 커진다. 하지만, 본 발명에서는, 게이트 누설 전류가 커지더라도 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자에 저항 대신에 인덕터(Ls1)를 연결함으로써, 게이트 누설 전류에 의해 게이트 단자에서 발생하는 전압 강하를 방지하여, 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)가 on 상태에서 off 상태로 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 직렬 스위칭 소자(Q1)의 크기에서 제공 가능한 최대 전력을 전달할 수 있다.
설명의 간략화를 위해, 신호 경로(20)가 활성화된 경우의 동작 과정은 신호 경로(10)가 활성화된 경우에서 전술한 동작 과정의 설명으로 대신한다.
도 2는 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 개략적인 레이아웃이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치의 구성 요소들은 다수의 층들이 적층된 기판에 임베딩 되며, 서로 다른 층에 배치되어, 비아홀을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
SPDT 스위치의 구성 요소들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 좌우 대칭된 형태로 배열되며, 기판 표면에는 구성 요소들을 연결하는 전송 라인들과 포트들이 주로 패터닝될 수 있다.
참조 번호 21 내지 26은 도 1에 도시한 스위칭 소자들(Q1~Q6)의 게이트 단자에 제어 전압(Vc1, Vc2)을 제공하는 전압 포트들이며, 레아아웃 상에서 주변에 배치되도록 패터닝된다. 참조 번호 27 내지 30은 그라운드 포트들이다.
공통 입력 포트(P1)는 레아아웃 상에서 중간 하단에서 배치되며, 2개의 출력 포트들(P2, P3)은 레이아웃 상에서 좌우 상단에 각각 배치될 수 있다.
도 2에서는 명확하게 도시하지 않았으나, SPDT의 성능 테스트의 편리성을 위해, 제어 전압(Vc1)을 제공하는 전압 포트들(21, 24 및 26)은 하나의 라인으로 연결되며, 제어 전압(Vc2)를 제공하는 전압 포트들(22, 23, 25)은 다른 하나의 라인으로 연결될 수 있다.
제어 전압(Vc1)은 전압 포트들(21, 24 및 26)을 통해 Q1, Q4 및 Q6의 게이트 단자들에 각각 인가되고, 제어 전압(Vc2)은 전압 포트들(22, 23 및 25)을 통해 Q2, Q3 및 Q5의 게이트 단자들에 각각 인가된다.
한편, Q1의 게이트 단자와 전압 포트(21)는 제1 인덕터(Ls1)에 의해 연결되며, Q2의 게이트 단자와 전압 포트(22)는 제2 인덕터(Ls2)에 의해 연결되며, 이때, 제1 및 제2 인덕터(Ls1, Ls2)는 도 2에 도시된 바와 같이, 사각 나선형의 평면 인덕터(rectangular spiral planar inductor)로 구현될 수 있다.
그리고, Q3의 게이트 단자와 전압 포트(23)는 제1 저항(Rp1)에 의해 연결되고, Q4의 게이트 단자와 전압 포트(24)는 제2 저항(Rp2)에 의해 연결되고, Q5의 게이트 단자와 전압 포트(25)는 제3 저항(Rp3)에 의해 연결된다. 그리고, Q6의 게이트 단자와 전압 포트(26)는 제4 저항(Rp4)에 의해 연결된다.
제1 내지 제4 저항(Rp1~Rp4)은 도 2에 도시된 바와 같이 지그재그 형태의 라인으로 연장되는 박막 저항(Thin Film Resistor: TFR)으로 구현될 수 있다.
Q3의 드레인 단자와 Q5의 드레인 단자를 연결하는 전송 라인은 도 1의 인덕터(L1)로 역할 하며, Q4의 드레인 단자와 Q6의 드레인 단자를 연결하는 전송 라인은 도 1의 인덕터(L2)로 역할 한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치의 성능 테스트 결과에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 특성을 측정한 그래프이다.
우선, 성능 테스트를 위해 제조된 SPDT 스위치의 사양은 아래와 같다.
공정 크기 직렬(series) FET(Q1, Q2) 션트(shunt) FET(Q3~Q6) 주파수 대역 제어 전압 인덕터
(Ls)		 저항
(Rp1~ Rp4)
0.2㎛ GaN 공정 1.3mm × 1.55 mm 7F100 3F50 X 대역 Vc1: 0VVc2: -40V 3.5nH 3kΩ
성능 테스트를 위한 SPDT 스위치에서는, 20W급의 전력 전달이 가능하도록 7F100의 직렬 FET와 3F75의 션트 FET가 사용된다. 여기서, 7F100은 직렬 FET(Q1, Q2)의 크기를 나타내는 기호로서, 게이트 수(Number of gate fingers)가 7개이고, 7개의 게이트들로 이루어진 전체 게이트의 폭이 100㎛임을 의미한다.
3F50은 션트 FET의 크기를 나타내는 기호로서, 게이트 수(Number of gate fingers)가 3개이고, 3개의 게이트들로 이루어진 전체 게이트의 폭이 50㎛임을 의미한다.
테스트는 SPDT 스위치의 삽입 손실, 반사 손실 및 격리도의 3가지 항목에 대해 진행하였다.
삽입 손실과 반사 손실의 테스트는 0 V의 Vc1 및 -40 V의 Vc2에서 진행하였고, 격리도 테스트는 -40V의 Vc1 및 0V의 Vc2에서 진행하였다.
테스트 결과는 도 3에 도시된 그래프들(G1, G2, G3)과 같다. 도 3에서, 가로축은 주파수(GHz)를 나타내고, 세로축의 우측은 격리도 (Isolation) 및 반사 손실(Return Loss)을 dB로서 나타낸다. 세로축의 좌측은 삽입손실(Insertion Loss)을 dB 로서 나타낸다.
그래프 G3에서 보여지는 바와 같이, 삽입손실의 경우, 8~10 GHz 대역에서 1.18 dB이하의 값을 보여준다. 그래프 G2에서 보여지는 바와 같이 반사 손실(Return Loss)의 경우, 동대역에서 9.8 dB 이하의 값을 보여준다. S11, S22는 S-parameter에서 반사 계수를 나타낸다. 반사 계수를 dB로 표현값이 반사 손실이다. 그래프 G1에서 보여지는 바와 같이 격리도의 경우, 동 대역에서 30.1dB 이상의 값을 보여준다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT스위치는 8~10 GHz 대역의 고주파 대역에서 우수한 RF 스위칭 퍼포먼스를 제공함을 확인할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 SPDT 스위치의 입력 전력에 따른 삽입 손실을 측정한 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치의 최대 입력 전력 특성은 도 4에 도시된 그래프들과 같으며, 입력 전력에 따른 삽입 손실 테스트는 8~10 GHz 대역에서 45.5 dBm(35 W) 이상의 입력 전력 및 43.5dBm(22 W) 이상의 출력 전력에서 진행되었다.
이상 설명한 바와 같이, 출원인은 GaN 공정을 이용하여 X 대역 20W급 GaN SPDT 스위치가 성공적으로 설계, 제작 및 시험을 수행하였다.
본 발명은 직렬 FET들(Q1, Q2)의 게이트 단자에 저항 대신 인덕터를 연결함으로써, 큰 RF 입력전력에서 발생하는 직렬 FET들(Q1, Q2)의 게이트 누설전류에 의한 게이트 전압 강하를 방지할 수 있고, 직렬 FET의 크기에서 제공할 수 있는 최대 전력으로 전력 전달이 가능하다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.

Claims (10)

  1. 공통 입력 포트에 공통으로 연결된 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자를 포함하는 직렬 스위칭부; 및
    상기 공통 입력 포트와 제1 출력 포트를 연결하는 제1 신호 경로와 상기 공통 입력 포트와 제2 출력 포트를 연결하는 제2 신호 경로에 병렬 연결된 복수의 션트 스위칭 소자들을 포함하는 션트 스위칭부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 단자에 제1 및 제2 인덕터가 각각 연결된 것을 특징으로 하는 SPDT 스위치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 인덕터는,
    상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 누설 전류에 의해 상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자의 게이트 단자에서 발생하는 전압 강하를 방지하기 위한 용도로 사용되는 것인 SPDT 스위치.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 인덕터는,
    기판 상에서 사각 나선형의 평면 인덕터(rectangular spiral planar inductor)로 구현된 것인 SPDT 스위치.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 션트 스위칭 소자들의 게이트 단자에는 저항이 연결되는 것인 SPDT 스위치.
  5. 제4항에서,
    상기 저항은,
    기판 상에서 지그재그 형태의 라인으로 연장되는 박막 저항(Thin Film Resistor: TFR)인 것인 SPDT 스위치.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자 각각의 게이트 핑거의 수는 상기 복수의 션트 스위칭 소자들 각각의 게이트 핑거의 수보다 큰 것인 SPDT 스위치.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 직렬 스위칭 소자와 상기 복수의 션트 스위칭 소자들은,
    질화 갈륨(Gallium Nitride) 계열의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)인 것인 SPDT 스위치.
  8. 제1항에서,
    상기 션트 스위칭부는,
    상기 제1 신호 경로에 병렬 연결된 제1 션트 스위칭 소자와 상기 제2 신호 경로에 병렬 연결된 제2 션트 스위칭 소자를 포함하는 제1 션트 스위칭부; 및
    상기 제1 신호 경로에 추가로 병렬 연결된 제3 션트 스위칭 소자와 상기 제2 신호 경로에 추가로 병렬 연결된 제4 션트 스위칭 소자를 포함하는 제2 션트 스위칭부
    를 포함하는 SPDT 스위치.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 신호 경로에 병렬 연결된 상기 제1 션트 스위칭 소자와 상기 제3 션트 스위칭 소자는 제3 인덕터에 의해 연결되고,
    상기 제2 신호 경로에 병렬 연결된 상기 제2 션트 스위칭 소자와 상기 제4 션트 스위칭 소자는 제4 인덕터에 의해 연결되는 것인 SPDT 스위치.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 션트 스위칭 소자, 상기 제3 션트 스위칭 소자 및 상기 제3 인덕터는, 상기 제1 신호 경로를 통해 전달되는 입력 신호에 대한 저역 통과 필터로 동작하고,
    상기 제2 션트 스위칭 소자, 상기 제4 션트 스위칭 소자 및 상기 제4 인덕터는, 상기 제1 신호 경로를 통해 전달되는 입력 신호에 대한 저역 통과 필터로 동작하는 것인 SPDT 스위치.
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