KR20220112429A - Phase shifter capable of multiple angle phase shift - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다각도의 위상 천이가 가능한 위상 천이기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 위상 천이기에서 제어 신호에 따라 다각도의 위상을 출력하기 위한 위상 천이기에 관한 것이다.The present invention relates to a phase shifter capable of multi-angle phase shifting, and more particularly, to a phase shifter for outputting multi-angle phases from one phase shifter according to a control signal.
도 1은 종래 기술에 의한 저역 통과 필터 구조를 사용한 위상 천이기의 회로도이다. 1 is a circuit diagram of a phase shifter using a low-pass filter structure according to the prior art.
이러한 도 1는 두 개의 인턱터 사이에 한 개의 커패시터가 연결된 LCL 필터(L1-C1-L1) 구조를 갖는 위상 천이기를 나타낸다. 일반적으로 소자 특성 상 필터 구조는 위상 천이 기능을 갖는다. 도 1의 위상 천이기는 두 가지 모드(통과 모드, 위상 천이 모드)로 동작한다.FIG. 1 shows a phase shifter having an LCL filter (L1-C1-L1) structure in which one capacitor is connected between two inductors. In general, a filter structure has a phase shift function due to device characteristics. The phase shifter of FIG. 1 operates in two modes (pass mode and phase shift mode).
도 2는 도 1에 대한 통과 모드의 등가 회로를 설명한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining an equivalent circuit of the pass mode with respect to FIG. 1 .
도 2와 같이, 통과 모드의 경우, M1 트랜지스터는 켜지고 M2 트랜지스터는 꺼진다. 이때, M2 트랜지스터는 기생 캐패시터인 Cgd 와 Cgs, Cds에 의해 작은 기생 캐패시터로 동작하고, M2의 기생 캐패시터는 L2와 병렬 공진을 일으켜 매우 큰 임피던스가 된다. 여기서 C1과 201 지점이 직렬로 연결되어 있어, 202 지점에서 병렬로 접지까지 이어진 임피던스가 매우 커진다. As shown in Figure 2, in the pass mode, the M1 transistor is on and the M2 transistor is off. At this time, the M2 transistor operates as a small parasitic capacitor by the parasitic capacitors C gd , C gs , and C ds , and the parasitic capacitor of M2 causes parallel resonance with L2 to have a very large impedance. Here, C1 and
따라서, 통과 모드(M1: 턴 온, M2: 턴 오프)일 때의 도 1의 회로는 도 2의 우측 그림과 같이 Ron,M1과 2L1이 병렬로 연결된 형태로 등가화될 수 있다. 또한 이러한 등가 회로와 같이, 통과 모드에서는 입력 포트(IN)로 입력된 신호를 위상 천이 없이 그대로 통과시켜 출력한다. 즉, 출력 신호는 입력 신호와 동일 위상을 갖는다.Accordingly, the circuit of FIG. 1 in the pass mode (M1: turn-on, M2: turn-off) may be equivalent to a form in which R on, M1 and 2L1 are connected in parallel as shown in the right figure of FIG. 2 . Also, like this equivalent circuit, in the pass mode, the signal input to the input port IN is passed through without phase shift and output. That is, the output signal has the same phase as the input signal.
도 3은 도 1에 대한 위상 천이 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a phase shift mode with respect to FIG. 1 .
도 3과 같이, 위상 천이 모드의 경우, 트랜지스터의 동작은 통과 모드와 반대로, M1 트랜지스터가 꺼지고 M2 트랜지스터는 켜진다. 이때, M2의 Ron 저항인 Ron,M2 저항이 L2에 비해 매우 작고, M1 트랜지스터는 꺼져 있다.As shown in FIG. 3 , in the case of the phase shift mode, the transistor M1 turns off and the M2 transistor turns on, as opposed to the pass mode. At this time, the R on resistance of M2, R on, M2 resistance is very small compared to L2, and the M1 transistor is off.
따라서, 이러한 위상 천이 모드(M1: 턴 오프, M2: 턴 온)에서 도 1의 회로는 도 3의 오른쪽 그림과 같이 저역통과 필터 회로로 등가화된다. 또한, 이러한 등과 회로와 같이, 위상 천이 모드에서는 입력 포트(IN)로 입력된 신호가 설정 각도(θ)로 위상 천이되어 출력 포트(OUT)로 출력된다.Accordingly, in this phase shift mode (M1: turn off, M2: turn on), the circuit of FIG. 1 is equivalent to a low-pass filter circuit as shown in the right figure of FIG. 3 . In addition, as in such a circuit, in the phase shift mode, the signal input to the input port IN is phase shifted at a set angle θ and is output to the output port OUT.
결과적으로 도 1과 같은 위상 천이기의 구조의 경우, 통과 모드와 위상 천이 모드의 임피던스 차이에 의해 서로 다른 위상의 신호가 출력된다. 통과 모드에서는 입력 신호를 기준으로 위상 차가 없는 신호를 출력하고 위상 천이 모드에서는 미리 설계된 θ°의 위상차를 가진 신호가 출력된다.As a result, in the case of the structure of the phase shifter as shown in FIG. 1, signals of different phases are output due to the impedance difference between the pass mode and the phase shift mode. In the pass mode, a signal having no phase difference with respect to the input signal is output, and in the phase shift mode, a signal having a predesigned phase difference of θ° is output.
그런데, 이러한 필터 구조의 위상 천이기는 구조상의 이유로 하나의 위상 천이기가 0°와 θ°의 두 가지의 위상을 출력할 수 밖에 없으며, 더욱 다양한 각도로 위상을 천이하기 위해서는 송·수신기에 수 개의 위상 천이기를 필요로 하므로, 전체 고주파 송·수신기의 크기가 매우 커지는 문제점이 존재한다.However, in the phase shifter of such a filter structure, one phase shifter has no choice but to output two phases of 0° and θ° for structural reasons. Since a shifter is required, there is a problem in that the size of the entire high-frequency transmitter/receiver becomes very large.
또한 기존의 필터 구조의 위상 천이기의 경우 구조상의 이유, 혹은 PVT(Process, Voltage, Temperature) 변화에 따라 위상 오차가 발생하는 문제점이 있다.In addition, in the case of a phase shifter having a conventional filter structure, there is a problem in that a phase error occurs due to structural reasons or a change in PVT (Process, Voltage, Temperature).
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2019-0071972호(2019.06.25 공개)에 개시되어 있다.The technology underlying the present invention is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0071972 (published on June 25, 2019).
본 발명은, 하나의 위상 천이기에서 제어 신호에 따라 다양한 각도의 위상을 출력할 수 있고 위상 오차를 줄일 수 있는 다각도의 위상 천이가 가능한 위상 천이기를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a phase shifter capable of outputting phases of various angles according to a control signal from one phase shifter and capable of shifting phases of various angles capable of reducing a phase error.
본 발명은, 다각도의 위상 천이가 가능한 위상 천이기에 있어서, 하이 또는 로우 레벨의 전압이 게이트에 인가되고, 제1단을 통해 입력 신호가 인가되며, 제2단을 통해 상기 입력 신호와 위상이 동일한 신호 또는 위상 천이된 신호를 출력하는 제1 트랜지스터와, 제1단이 상기 제1 트랜지스터의 제1단 및 제2단에 각각 연결되고 제2단 간이 서로 연결된 한 쌍의 제1 인덕터와, 상기 제1 트랜지스터와 반대되는 로우 또는 하이 레벨의 전압이 게이트에 인가되고 제1단이 제1 전원과 연결된 제2 트랜지스터와, 제1단 및 제2단이 제2 트랜지스터의 제1단 및 제2단과 연결된 제2 인덕터, 및 제1단이 상기 한 쌍의 제1 인덕터의 제2단 간의 접점과 연결되고 제2단이 상기 제2 트랜지스터의 제2단과 제2 인턱터의 제2단 간의 접점과 연결되며, 제3단을 통해 제어 전압이 인가되는 가변 커패시터를 포함하며, 상기 제어 전압으로 조정되는 커패시턴스 값에 따라 상기 제1 트랜지스터의 입력 신호에 대한 출력 신호의 위상 천이 각도가 조절되는 위상 천이기를 제공한다.In the present invention, in a phase shifter capable of multi-angle phase shift, a high or low level voltage is applied to a gate, an input signal is applied through a first stage, and a phase with the input signal is the same through a second stage a first transistor for outputting a signal or a phase-shifted signal; a pair of first inductors having a first terminal connected to the first and second terminals of the first transistor, respectively, and a second terminal connected to each other; A second transistor having a low or high level voltage opposite to that of the first transistor is applied to the gate and having a first terminal connected to a first power supply, and a first terminal and a second terminal connected to the first and second terminals of the second transistor A second inductor and a first end are connected to a contact point between the second end of the pair of first inductors, and a second end is connected to a contact point between the second end of the second transistor and a second end of the second inductor, Provided is a phase shifter including a variable capacitor to which a control voltage is applied through a third stage, wherein a phase shift angle of an output signal with respect to an input signal of the first transistor is adjusted according to a capacitance value adjusted by the control voltage.
또한, 상기 가변 커패시터는 버랙터(varactor)로 구성될 수 있다.In addition, the variable capacitor may be configured as a varactor.
또한, 상기 위상 천이기는, 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압 레벨 및 상기 가변 커패시터에 인가되는 제어 전압 중 적어도 하나를 조절하여, 상기 제1 트랜지스터의 제2 단을 통하여 출력되는 출력 신호의 위상 천이 여부 및 위상 천이 각도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.In addition, the phase shifter adjusts at least one of a voltage level applied to the gates of the first and second transistors and a control voltage applied to the variable capacitor, and an output output through the second end of the first transistor. The control unit may further include a control unit for controlling at least one of a phase shift of the signal and a phase shift angle.
또한, 상기 제2 트랜지스터의 게이트의 전단에 연결되며, 하이 또는 로우 레벨의 전압을 입력받아 로우 또는 하이 레벨로 반전시켜 출력하는 인버터를 더 포함하며, 상기 제어부는, 하이 또는 로우 레벨의 설정 전압을 상기 제1 트랜지스터와 상기 인버터에 인가하여 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 어느 하나를 턴 온 시킬 수 있다.In addition, the second transistor further includes an inverter connected to the front end of the gate, receiving a high or low level voltage and inverting it to a low or high level and outputting it, wherein the control unit controls a high or low level set voltage. One of the first and second transistors may be turned on by applying to the first transistor and the inverter.
또한, 상기 제어부는, 복수의 위상 천이 각도 별로 그에 대응하는 제어 전압 값을 기 저장한 정보 테이블로부터, 목표로 하는 타겟 위상 천이 각도에 매칭된 타겟 제어 전압 값을 선택하여 상기 가변 커패시터의 제어 전압으로 적용할 수 있다.In addition, the control unit selects a target control voltage value matched to a target target phase shift angle from an information table in which a control voltage value corresponding thereto for each phase shift angle is pre-stored as the control voltage of the variable capacitor. can be applied.
또한, 각 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압 레벨에 따라 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 어느 하나가 턴 온되되, 상기 제1 트랜지스터만 턴 온 되면 상기 제1 트랜지스터는 입력 신호로부터 위상 변화가 없는 신호를 출력하는 통과 모드로 구동하고, 상기 제2 트랜지스터만 턴 온 되면 상기 제어 전압에 의한 조정 커패시턴스 값에 대응하여 설정 각도로 위상 천이된 신호를 출력하는 위상 천이 모드로 구동할 수 있다.In addition, any one of the first and second transistors is turned on according to the voltage level applied to the gate of each transistor. When only the first transistor is turned on, the first transistor receives a signal having no phase change from the input signal. It may be driven in a pass mode for outputting, and when only the second transistor is turned on, it may be driven in a phase shift mode that outputs a phase-shifted signal at a set angle in response to an adjustment capacitance value by the control voltage.
또한, 상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 게이트에 각각 하이 레벨의 전압 및 로우 레벨의 전압 인가 시 상기 통과 모드로 구동하고, 상기 제1 트랜지 스터 및 제2 트랜지스터의 게이트에 각각 로우 레벨의 전압 및 하이 레벨의 전압 인가 시 상기 위상 천이 모드로 구동할 수 있다.In addition, when a high-level voltage and a low-level voltage are applied to the gates of the first transistor and the second transistor, respectively, the drive is driven in the pass mode, and a low-level voltage is applied to the gates of the first transistor and the second transistor, respectively. and when a high level voltage is applied, the vehicle may be driven in the phase shift mode.
본 발명에 따르면, 필터 구조의 위상 천이기의 캐패시터 대신 가변 커패시터를 사용하여 하나의 위상 천이기에서 제어 신호에 따라 다양한 각도로 위상을 천이하여 출력할 수 있도록 구현함으로써 전체 고주파 송수신단의 소형화를 달성할 수 있다. According to the present invention, by using a variable capacitor instead of the capacitor of the phase shifter having a filter structure, one phase shifter can shift and output the phase at various angles according to the control signal, thereby achieving miniaturization of the entire high frequency transceiver stage. can do.
아울러, 본 발명에 의하면, 가변 커패시터의 캐패시턴스 가변을 통해 위상의 미세 조정이 가능함에 따라 위상 오차를 줄일 수 있다.In addition, according to the present invention, the phase error can be reduced as the phase can be finely adjusted through the variable capacitance of the variable capacitor.
도 1은 종래 기술에 의한 저역 통과 필터 구조를 사용한 위상 천이기의 회로도이다.
도 2는 도 1에 대한 통과 모드의 등가 회로를 설명한 도면이다.
도 3은 도 1에 대한 위상 천이 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 대한 통과 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 대한 위상 천이 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 버랙터의 제어 전압과 커패시턴스 값 간의 관계를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 버랙터의 제어 전압 크기에 따른 위상 천이 각도를 모의 실험한 결과를 나타낸 도면이다. 1 is a circuit diagram of a phase shifter using a low-pass filter structure according to the prior art.
FIG. 2 is a diagram for explaining an equivalent circuit of the pass mode with respect to FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a phase shift mode with respect to FIG. 1 .
4 is a diagram illustrating a configuration of a phase shifter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of the pass mode to FIG. 4 .
FIG. 6 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a phase shift mode with respect to FIG. 4 .
7 is a diagram exemplarily illustrating a relationship between a control voltage of a varactor and a capacitance value.
8 is a diagram showing the results of a simulation of the phase shift angle according to the magnitude of the control voltage of the varactor.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, it includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. . Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
본 발명은 빔포밍을 위한 고주파 송수신단의 위상 천이기를 구성함에 있어 하나의 위상 천이기에서 제어 신호에 따라 다양한 각도의 위상을 출력할 수 있는 회로 구조를 제안한다. The present invention proposes a circuit structure capable of outputting phases of various angles according to a control signal from one phase shifter in configuring a phase shifter of a high frequency transceiver terminal for beamforming.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기의 구성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating a configuration of a phase shifter according to an embodiment of the present invention.
이러한 도 4는 본 발명의 하나의 예시를 보인 것으로, 집중 소자를 사용하는 필터 구조의 위상 천이기에 모두 적용 가능하며 T형 저역 통과 필터에 한정되지 않는다. 4 shows an example of the present invention, which is applicable to all phase shifters of a filter structure using a lumped element, and is not limited to a T-type low-pass filter.
도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다각도의 위상 천이가 가능한 위상 천이기(100)는 제1 트랜지스터(M1), 한 쌍의 제1 인덕터(L1), 제2 트랜지스터(M2), 제2 인덕터(L2), 그리고 가변 커패시터(V1)를 포함한다.As shown in FIG. 4 , the
제1 트랜지스터(M1)는 하이 또는 로우 레벨의 전압이 게이트로 인가된다. 이러한 제1 트랜지스터(M1)는 게이트로 하이(High) 레벨의 전압이 인가되면 턴 온되고, 로우(Low) 레벨의 전압이 인가되면 턴 오프될 수 있다.A high or low level voltage is applied to the gate of the first transistor M1. The first transistor M1 may be turned on when a high-level voltage is applied to the gate, and turned off when a low-level voltage is applied to the gate.
제1 트랜지스터(M1)는 제1단(예: 소스단)을 통해 입력 신호(RFIN)가 인가되며, 제2단(예: 드레인단)을 통해서는 입력 신호와 위상이 동일한 신호 또는 위상 천이된 신호를 출력 신호(RFout)로 출력한다. The input signal RF IN is applied to the first transistor M1 through a first terminal (eg, a source terminal), and a signal having the same phase as the input signal or a phase shift through a second terminal (eg, a drain terminal) The obtained signal is output as an output signal (RF out ).
여기서, 전자의 경우는 입력 신호를 위상 천이 없이 통과시키는 통과 모드(Pass Mode)에 따른 것이고, 후자의 경우는 입력 신호를 설정 각도로 위상 천이하여 출력하는 위상 천이 모드(Phase Shift Mode)에 따른 것이다. 이때, 위상 천이 각도는 가변 커패시터(V1)의 커패시턴스 값에 의해 결정된다.Here, the former case is according to the pass mode in which the input signal passes without a phase shift, and the latter case is according to the phase shift mode in which the input signal is output by phase shifting at a set angle. . In this case, the phase shift angle is determined by the capacitance value of the variable capacitor V1.
구동 모드는 트랜지스터(M1,M2)의 온오프 상태에 따라 결정된다. 두 트랜지스터 중 제1 트랜지스터(M1)만 턴 온된 경우 통과 모드로 구동하고, 제2 트랜지스터(M2)만 턴 온된 경우 위상 천이 모드로 구동 가능하다.The driving mode is determined according to the on-off state of the transistors M1 and M2. Among the two transistors, when only the first transistor M1 is turned on, it is driven in the pass mode, and when only the second transistor M2 is turned on, it can be driven in the phase shift mode.
한 쌍의 제1 인덕터(L1)는 제1단이 제1 트랜지스터(M1)의 제1단(예: 소스단) 및 제1 트랜지스터(M1)의 제2단(예: 드레인단)에 각각 연결된 상태에서 서로 제2단 간이 연결되어 접점을 형성한다. 접점 부분에는 가변 커패시터(V1)의 일단이 연결된다.The pair of first inductors L1 have a first terminal connected to a first terminal (eg, a source terminal) of the first transistor M1 and a second terminal (eg, a drain terminal) of the first transistor M1, respectively. In this state, the second stages are connected to each other to form a contact point. One end of the variable capacitor V1 is connected to the contact portion.
제2 트랜지스터(M2)는 제1 트랜지스터(M1)와 반대되는 로우 또는 하이 레벨의 전압이 게이트에 인가된다. 제2 트랜지스터(M2) 또한 게이트로 하이 레벨의 전압이 인가되면 턴 온되고, 로우 레벨의 전압이 인가되면 턴 오프될 수 있다.A voltage of a low or high level opposite to that of the first transistor M1 is applied to the gate of the second transistor M2. The second transistor M2 may also be turned on when a high-level voltage is applied to the gate and turned off when a low-level voltage is applied.
제2 트랜지스터(M2)의 제1단(예: 소스단)에는 제1 전원(예: GND)이 인가될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 제1 트랜지스터(M1)의 제2단(예: 드레인단)은 제1 전원보다 높은 제2 전원(예: VDD)이 인가될 수 있다.A first power source (eg, GND) may be applied to a first terminal (eg, a source terminal) of the second transistor M2 . Although not shown, a second power (eg, VDD) higher than the first power may be applied to the second terminal (eg, the drain terminal) of the first transistor M1 .
본 발명이 실시예에서 트랜지스터의 종류는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 예시한다. 물론 상기의 트랜지스터의 종류는 단지 하나의 실시예에 불과한 것으로서 다른 종류의 트랜지스터에 대해서도 적용될 수 있다. In this embodiment of the present invention, the type of transistor exemplifies a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Of course, the above type of transistor is only one embodiment and may be applied to other types of transistors.
제1 트랜지스터(M1)의 제1단 및 제2단은 제2 인덕터(L2)와 병렬 연결된다.The first and second terminals of the first transistor M1 are connected in parallel with the second inductor L2.
제2 인덕터(L2)는 그 양단인 제1단 및 제2단이 제2 트랜지스터의 제1단(예: 소스단) 및 제2단(예: 드레인단)과 연결된다.The first and second ends of the second inductor L2 are connected to a first end (eg, a source terminal) and a second terminal (eg, a drain terminal) of the second transistor.
가변 커패시터(V1)는 제1단이 한 쌍의 제1 인덕터(L1)의 제2단 간의 접점과 연결되어 있고, 제2단이 제2 트랜지스터(M2)의 제2단(예: 드레인단)과 제2 인턱터(L2)의 제2단 간의 접점과 연결된다.The variable capacitor V1 has a first terminal connected to a contact point between the second terminals of the pair of first inductors L1 and a second terminal (eg, a drain terminal) of the second transistor M2. and a contact point between the second end of the second inductor L2.
그리고, 가변 커패시터(V1)는 제3단을 통해 제어 전압(Vv)이 인가된다. 제3단에 인가되는 제어 전압(Vv)의 크기에 따라 가변 커패시터(V1)의 커패시턴스 값이 조정된다. 가변 커패시터(V1)는 버랙터(varactor)로 구성될 수 있다.In addition, the control voltage V v is applied to the variable capacitor V1 through the third stage. The capacitance value of the variable capacitor V1 is adjusted according to the magnitude of the control voltage V v applied to the third stage. The variable capacitor V1 may be configured as a varactor.
이와 같은 도 1에 나타낸 위상 천이기(100)는 제어 전압(Vv)에 의해 조정되는 커패시턴스 값에 따라, 제1 트랜지스터(M1)의 입력 신호에 대한 출력 신호의 위상 천이 각도가 조절된다.In the
본 실시예에 따른 위상 천이기(100)는 제어부(110)를 추가로 포함할 수 있다.The
제어부(110)는 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)의 게이트에 인가되는 전압 레벨, 가변 커패시터(V1)에 인가되는 제어 전압 중에서 적어도 하나를 조절하여, 제1 트랜지스터(M1)의 제2단에 출력되는 출력 신호의 위상 천이 여부 및 위상 천이 각도 중 적어도 하나를 제어한다.The control unit 110 adjusts at least one of a voltage level applied to the gates of the first and second transistors M1 and M2 and a control voltage applied to the variable capacitor V1 to control the second transistor M1. At least one of a phase shift and a phase shift angle of an output signal output to the stage is controlled.
이때, 출력 신호의 위상 천이가 없는 경우는 통과 모드에 해당한다. 또한, 위상 천이가 있는 경우는 위상 천이 모드에 해당하며, 이때에는 가변 커패시터(V1)의 제어 전압(Vv) 즉, 커패시턴스 값에 따라 위상 천이 각도가 제어된다. 여기서 물론, 통과 모드의 경우 위상 천이 각도가 0도인 경우이고 위상 천이 모드의 경우 위상 천이 각도 값(θ)이 존재하는 경우를 나타낸다. In this case, the case in which there is no phase shift of the output signal corresponds to the pass mode. In addition, when there is a phase shift, it corresponds to a phase shift mode. In this case, the phase shift angle is controlled according to the control voltage V v of the variable capacitor V1 , that is, a capacitance value. Here, of course, in the case of the pass mode, the phase shift angle is 0 degrees, and in the case of the phase shift mode, the phase shift angle value θ is present.
먼저 통과 모드를 설명하면, 제어부(110)는 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에는 하이 레벨, 제2 트랜지스터(M2)의 게이트에는 로우 레벨의 전압을 인가(M1: 턴 온, M2: 턴 오프)하여, 제1 트랜지스터(M1)의 입력 신호를 위상 천이 없이 통과시키는 통과 모드로 동작시킨다. First, in the pass mode, the controller 110 applies a high level voltage to the gate of the first transistor M1 and a low level voltage to the gate of the second transistor M2 (M1: turn on, M2: turn off) Thus, the input signal of the first transistor M1 is operated in a pass mode in which it passes without a phase shift.
반대로, 제어부(110)는 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에는 로우 레벨, 제2 트랜지스터(M2)의 게이트에는 하이 레벨의 전압을 인가(M1: 턴 오프, M2: 턴 온)하여, 제1 트랜지스터(M1)의 입력 신호를 설정 각도로 위상 천이하여 출력하는 위상 천이 모드로 동작시킨다. Conversely, the controller 110 applies a low level voltage to the gate of the first transistor M1 and a high level voltage to the gate of the second transistor M2 (M1: turn off, M2: turn on), so that the first transistor It operates in a phase shift mode in which the input signal of (M1) is output by phase shifting at a set angle.
앞서 상술한 바와 같이, 위상 천이 모드에서는 가변 커패시터에 인가되는 제어 전압(Vv)에 따라 커패시턴스 값이 변경되고, 커패시턴스 값에 따라 위상 천이 각도 θ가 조절된다. As described above, in the phase shift mode, the capacitance value is changed according to the control voltage V v applied to the variable capacitor, and the phase shift angle θ is adjusted according to the capacitance value.
여기서, 제어부(110)에서 각 트랜지스터(M1,M2)에 서로 반대 레벨의 신호를 인가하기 위하여, 제2 트랜지스터(M2)의 게이트의 전단에는 인버터(INV)가 구비될 수 있다. 인버터(INV)는 하이 레벨(예: 1V) 또는 로우 레벨(예: 0V)의 전압을 입력받아 로우 레벨(예: 0V) 또는 하이 레벨(1V)로 반전시켜 출력한다. Here, an inverter INV may be provided at the front end of the gate of the second transistor M2 so that the control unit 110 applies signals of opposite levels to each of the transistors M1 and M2 . The inverter INV receives a high level (eg, 1V) or low level (eg, 0V) voltage and inverts it to a low level (eg, 0V) or high level (1V) and outputs it.
이때, 제어부(110)는 하이 레벨 또는 로우 레벨의 설정 전압(Vg)을 제1 트랜지스터(M1)와 인버터(INV)에 인가하여, 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2) 중 어느 하나만 턴 온 시킨다. In this case, the controller 110 applies the high level or low level set voltage V g to the first transistor M1 and the inverter INV to turn on only one of the first and second transistors M1 and M2 . come on
만일, 설정 전압이 하이 레벨인 경우(예: Vg=1V)는 제1 트랜지스터(M1)만 턴 온되어 입력 신호로부터 위상 변화가 없는 신호를 출력하는 '통과 모드'로 구동 가능하고, 설정 전압이 로우 레벨(예: Vg=0V)인 경우에는 제2 트랜지스터(M2)만 턴 온되어, 가변 커패시터(V1)의 제어 전압(Vv)에 따라 설정 각도로 위상 천이된 신호를 출력하는 '위상 천이 모드'로 구동 가능하다.If the set voltage is at a high level (eg, V g = 1V), only the first transistor M1 is turned on and can be driven in a 'pass mode' that outputs a signal without a phase change from the input signal, and the set voltage When this low level (eg, V g = 0V), only the second transistor M2 is turned on and outputs a signal shifted in phase at a set angle according to the control voltage V v of the variable capacitor V1. It can be driven in 'phase shift mode'.
즉, 제어부(110)는 설정 전압(Vg)을 하이 또는 로우 레벨로 조정하여 동작 모드(통과 모드 or 위상 천이 모드)를 선택 제어할 수 있으며, 아울러 위상 천이 모드에서는 가변 커패시터(V1)의 제어 전압(Vv)에 의한 커패시턴스 조정에 대응하여 위상 천이 각도를 원하는 각도로 조절할 수 있다.That is, the controller 110 may selectively control the operation mode (pass mode or phase shift mode) by adjusting the set voltage V g to a high or low level, and in addition, control the variable capacitor V1 in the phase shift mode The phase shift angle may be adjusted to a desired angle in response to the capacitance adjustment by the voltage (V v ).
이때, 제어부(110)는 복수의 위상 천이 각도 별로 그에 대응하는 제어 전압 값을 기 저장한 정보 테이블을 참조할 수 있다. 이러한 정보 테이블은 시뮬레이션 또는 반복 실험에 의해 의해 결정될 수 있다.In this case, the controller 110 may refer to an information table in which a control voltage value corresponding to each of a plurality of phase shift angles is previously stored. This information table may be determined by simulation or repeated experimentation.
예를 들어, 목표로 하는 타겟 위상 천이 각도(예: 5.625°)가 결정된 경우, 제어부(110)는 타겟 위상 천이 각도(5.625°)에 매칭된 타겟 제어 전압 값을 정보 테이블에서 검색하고, 검색된 타겟 제어 전압 값을 가변 커패시터(V1)의 제어 전압으로 적용할 수 있다. 이때, 타겟 위상 각도는 제어부(110)에서 직접 결정할 수도 있지만 외부로부터 지령받은 값에 해당할 수 있다.For example, when the target target phase shift angle (eg, 5.625°) is determined, the controller 110 searches the information table for a target control voltage value matched to the target phase shift angle (5.625°), and the searched target The control voltage value may be applied as the control voltage of the variable capacitor V1. In this case, the target phase angle may be directly determined by the controller 110 or may correspond to a value commanded from the outside.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이기에서 통과 모드 및 위상 천이 모드의 동작 원리를 설명한다. The following describes the operating principles of the pass mode and the phase shift mode in the phase shifter according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 4에 대한 통과 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of the pass mode to FIG. 4 .
도 5와 같이, 통과 모드의 경우, M1은 켜지고 M2는 꺼진다. 이때, M2는 기생 캐패시터인 Cgd 와 Cgs, Cds에 의해 작은 기생 캐패시터로 동작하고, M2의 기생 캐패시터는 L2와 병렬 공진을 일으켜, 매우 큰 임피던스가 된다. 여기서 V1과 501 지점이 직렬로 연결되어 있어, 502 지점에서 병렬로 접지까지 이어진 임피던스가 매우 커진다. 5 , in the pass mode, M1 is on and M2 is off. At this time, M2 operates as a small parasitic capacitor by the parasitic capacitors C gd , C gs , and C ds , and the parasitic capacitor of M2 causes parallel resonance with L2, resulting in a very large impedance. Here, V1 and
따라서, 통과 모드(M1: 턴 온, M2: 턴 오프)일 때는 도 5의 우측 그림과 같이 Ron,M1과 2L1이 병렬로 연결된 형태로 등가화될 수 있다. Accordingly, in the pass mode (M1: turn-on, M2: turn-off), R on, M1 and 2L1 may be equivalent to a parallel connection as shown in the right figure of FIG. 5 .
이에 따라, 위상 천이기(100)는 제1 트랜지스터(M1)의 입력 신호(RFIN)를 위상 천이 없이 그대로 통과시켜 위상 천이가 없는 신호를 출력 신호로 제공한다. 즉, 통과 모드에서 위상 천이기(100)의 출력 신호(RFOUT)는 입력 신호(RFIN)와 위상이 동일하다. 여기서 물론, 제1 트랜지스터(M1)의 제1단과 제2단은 곧 위상 천이기(100)의 신호 입출력단에 해당함을 알 수 있다.Accordingly, the
도 6은 도 4에 대한 위상 천이 모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a phase shift mode with respect to FIG. 4 .
도 6과 같이, 위상 천이 모드의 경우, 통과 모드와는 반대로 M3은 꺼지고 M4는 켜진다. 이때, M2의 Ron 저항인 Ron,M2 저항이 L2에 비해 매우 작고, M1 트랜지스터는 꺼져 있다.6 , in the case of the phase shift mode, as opposed to the pass mode, M3 is turned off and M4 is turned on. At this time, the R on resistance of M2, R on, M2 resistance is very small compared to L2, and the M1 transistor is off.
따라서, 위상 천이 모드(M1: 턴 오프, M2: 턴 온)일 때는 도 6의 우측 그림과 같이 2개의 L1과 1개의 커패시터로 구성된 T형의 LCL 저역통과 필터 구조의 회로로 등가화된다. 여기서 LCL 저역 통과 필터의 C는 가변 커패시터(버랙터) 소자(V1)로 대체된 것을 알 수 있다. 이때, 버랙터의 커패시터를 가변함으로써 임피던스가 바뀌게 되며 이를 통해 신호의 위상을 다양하게 조정할 수 있다.Therefore, in the phase shift mode (M1: turn-off, M2: turn-on), it is equivalent to a T-type LCL low-pass filter structure circuit composed of two L1s and one capacitor as shown in the right figure of FIG. 6 . Here, it can be seen that C of the LCL low-pass filter is replaced with a variable capacitor (varactor) element (V1). At this time, the impedance is changed by varying the capacitor of the varactor, and thus the phase of the signal can be variously adjusted.
이와 같이, 위상 천이 모드에서, 위상 천이기(100)는 제1 트랜지스터(M1)의 입력 신호(RFIN)의 위상을 설정 각도(θ) 만큼 위상 천이시켜 출력하게 되므로, 이 경우 출력 신호(RFOUT)는 입력 신호(RFIN)로부터 설정 각도만큼 위상이 천이된 신호에 해당한다. 이때 제어 전압에 따라 가변 커패시터(V1)의 커패시턴스 값이 조정되고 커패시턴스 값에 따라 위상 천이 각도가 결정된다.As such, in the phase shift mode, since the
도 7은 버랙터의 제어 전압과 커패시턴스 값 간의 관계를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 7에서 가로축은 동작 주파수, 세로축은 커패시턴스 값을 나타낸다. 7 is a diagram exemplarily illustrating a relationship between a control voltage of a varactor and a capacitance value. In FIG. 7 , a horizontal axis indicates an operating frequency and a vertical axis indicates a capacitance value.
도 7은 버랙터에 인가되는 제어 전압(Vv)을 0V에서 1V 까지 0.1V 씩 가변할 경우에 약 43 fF ~ 180 fF 범위에서 캐패시턴스가 조정된 것을 예시하고 있다. 이때 제어 전압(Vv)이 1V일 때 커패시턴스가 가장 낮고, 0V일 때 가장 높다. 따라서, 사용된 버랙터의 경우 제어 전압 Vv이 낮을수록 커패시턴스 값이 커지는 것을 알 수 있다.7 illustrates that the capacitance is adjusted in the range of about 43 fF to 180 fF when the control voltage V v applied to the varactor is varied from 0V to 1V by 0.1V. At this time, when the control voltage (V v ) is 1V, the capacitance is the lowest, and when it is 0V, the capacitance is the highest. Therefore, in the case of the varactor used, it can be seen that the lower the control voltage V v , the larger the capacitance value.
도 8은 버랙터의 제어 전압 크기에 따른 위상 천이 각도를 모의 실험한 결과를 나타낸 도면이다. 8 is a view showing the results of a simulation of the phase shift angle according to the magnitude of the control voltage of the varactor.
이러한 도 8의 가로축은 동작 주파수를 나타내고 세로축은 위상 천이기(100)의 S21(degree) 특성을 나타낸다. 설계된 주파수 대역은 Ka-대역이며, Ka 대역을 포함한 모든 주파수 영역에서 설계가 가능하다. The horizontal axis of FIG. 8 indicates the operating frequency and the vertical axis indicates the S21 (degree) characteristic of the
도 8에서 검정색 선은 통과 모드일 때(Vg=1V)의 출력 신호의 위상 천이 각도로, 0°의 위상을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 통과 모드의 경우 버랙터의 인가 전압 값과 무관하게 출력 신호가 입력 신호와 동일 위상(위상 천이 각도: 0도)을 갖는다.It can be seen that the black line in FIG. 8 is the phase shift angle of the output signal in the pass mode (V g =1V), indicating a phase of 0°. In this pass mode, the output signal has the same phase (phase shift angle: 0 degrees) as the input signal regardless of the applied voltage value of the varactor.
도 8에서 나머지 선들은 위상 천이 모드일 때(Vg=0V)의 출력 신호의 위상 값으로, 바랙터의 인가 전압 VV를 0V 에서 1V 까지 0.1V 씩 가변한 결과를 나타낸다. 여기서 바랙터의 인가 전압 VV이 낮아질수록 커패시턴스 값은 높아지고 위상 천이 각도(입력 신호에 대한 출력 신호의 위상 차이)도 증가하는 것을 알 수 있다. The remaining lines in FIG. 8 are the phase values of the output signal in the phase shift mode (V g = 0V), and represent the result of varying the applied voltage V V of the varactor from 0V to 1V by 0.1V. Here, it can be seen that as the applied voltage V V of the varactor decreases, the capacitance value increases and the phase shift angle (phase difference between the input signal and the output signal) also increases.
이러한 도 8의 경우 설명의 편의상 바랙터의 제어 전압 VV을 0.1V 각도로 조정하였을 때의 위상 천이 각도 양상을 나타낸 것으로 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 바랙터 제어 전압을 더욱 정밀하게 조절함으로써 보다 세밀한 위상 조정이 가능함은 물론이다.8 shows the phase shift angle aspect when the control voltage V V of the varactor is adjusted to an angle of 0.1V for convenience of explanation, and the present invention is not necessarily limited thereto, and the varactor control voltage is more precisely adjusted Of course, it is possible to fine-tune the phase by doing this.
이러한 본 발명의 경우 하나의 위상 천이기에서 제어 신호에 따라 다양한 각도의 위상을 출력할 수 있도록 구현함으로써, 두 개 이상의 위상 천이기의 역할을 하나의 위상 천이기에서 수행할 수 있으며, 다양한 각도 별로 다수 개의 위상 천이기를 마련할 필요가 없다는 장점을 갖는다.In this case of the present invention, by implementing such that one phase shifter can output phases of various angles according to the control signal, the role of two or more phase shifters can be performed by one phase shifter, It has an advantage that it is not necessary to provide a plurality of phase shifters.
따라서, 본 발명에 따르면, 위상 천이기를 구성하는 회로 수를 감소시킬 수 있고 전체 고주파 송수신단의 경량화 및 소형화를 달성할 수 있음은 물론, 버랙터의 캐패시턴스 가변을 통해 위상의 미세 조정이 가능함에 따라 위상 오차를 줄일 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the number of circuits constituting the phase shifter and achieve weight reduction and miniaturization of the entire high-frequency transceiver stage, as well as fine adjustment of the phase through variable capacitance of the varactor. The phase error can be reduced.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.
100: 위상 천이기
M1: 제1 트랜지스터
M2: 제1 트랜지스터
L1: 제1 인덕터
L2: 제2 인덕터
V1: 가변 커패시터
110: 제어부100: phase shifter M1: first transistor
M2: first transistor L1: first inductor
L2: second inductor V1: variable capacitor
110: control unit
Claims (7)
하이 또는 로우 레벨의 전압이 게이트에 인가되고, 제1단을 통해 입력 신호가 인가되며, 제2단을 통해 상기 입력 신호와 위상이 동일한 신호 또는 위상 천이된 신호를 출력하는 제1 트랜지스터;
제1단이 상기 제1 트랜지스터의 제1단 및 제2단에 각각 연결되고 제2단 간이 서로 연결된 한 쌍의 제1 인덕터;
상기 제1 트랜지스터와 반대되는 로우 또는 하이 레벨의 전압이 게이트에 인가되고 제1단이 제1 전원과 연결된 제2 트랜지스터;
제1단 및 제2단이 제2 트랜지스터의 제1단 및 제2단과 연결된 제2 인덕터;
제1단이 상기 한 쌍의 제1 인덕터의 제2단 간의 접점과 연결되고 제2단이 상기 제2 트랜지스터의 제2단과 제2 인턱터의 제2단 간의 접점과 연결되며, 제3단을 통해 제어 전압이 인가되는 가변 커패시터를 포함하며,
상기 제어 전압으로 조정되는 커패시턴스 값에 따라 상기 제1 트랜지스터의 입력 신호에 대한 출력 신호의 위상 천이 각도가 조절되는 위상 천이기.In the phase shifter capable of multi-angle phase shift,
a first transistor to which a high or low level voltage is applied to a gate, an input signal is applied through a first end, and a signal having the same phase as that of the input signal or a phase-shifted signal is output through a second end;
a pair of first inductors having a first end connected to the first end and the second end of the first transistor, respectively, and the second end connected to each other;
a second transistor having a low or high level voltage opposite to that of the first transistor applied to a gate and having a first terminal connected to a first power supply;
a second inductor having first and second ends connected to the first and second ends of the second transistor;
A first end is connected to a contact point between the second end of the pair of first inductors, and a second end is connected to a contact point between the second end of the second transistor and a second end of the second inductor, and through a third end It includes a variable capacitor to which a control voltage is applied,
A phase shifter in which a phase shift angle of an output signal with respect to an input signal of the first transistor is adjusted according to a capacitance value adjusted by the control voltage.
상기 가변 커패시터는 버랙터(varactor)로 구성된 위상 천이기.The method according to claim 1,
The variable capacitor is a phase shifter composed of a varactor.
상기 제1 및 제2 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압 레벨 및 상기 가변 커패시터에 인가되는 제어 전압 중 적어도 하나를 조절하여, 상기 제1 트랜지스터의 제2 단을 통하여 출력되는 출력 신호의 위상 천이 여부 및 위상 천이 각도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는 위상 천이기.The method according to claim 1,
At least one of a voltage level applied to the gates of the first and second transistors and a control voltage applied to the variable capacitor is adjusted to determine whether a phase shift and a phase of an output signal output through the second end of the first transistor The phase shifter further comprising a controller for controlling at least one of the shift angles.
상기 제2 트랜지스터의 게이트의 전단에 연결되며, 하이 또는 로우 레벨의 전압을 입력받아 로우 또는 하이 레벨로 반전시켜 출력하는 인버터를 더 포함하며,
상기 제어부는,
하이 또는 로우 레벨의 설정 전압을 상기 제1 트랜지스터와 상기 인버터에 인가하여 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 어느 하나를 턴 온 시키는 위상 천이기.4. The method according to claim 3,
Further comprising an inverter connected to the front end of the gate of the second transistor, receiving a high or low level voltage and inverting it to a low or high level and outputting it,
The control unit is
A phase shifter for turning on one of the first and second transistors by applying a high or low level set voltage to the first transistor and the inverter.
상기 제어부는,
복수의 위상 천이 각도 별로 그에 대응하는 제어 전압 값을 기 저장한 정보 테이블로부터, 목표로 하는 타겟 위상 천이 각도에 매칭된 타겟 제어 전압 값을 선택하여 상기 가변 커패시터의 제어 전압으로 적용하는 위상 천이기.4. The method according to claim 3,
The control unit is
A phase shifter that selects a target control voltage value matched to a target target phase shift angle from an information table in which a control voltage value corresponding to each of a plurality of phase shift angles is previously stored, and applies the selected target control voltage value as a control voltage of the variable capacitor.
각 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압 레벨에 따라 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 어느 하나가 턴 온되되,
상기 제1 트랜지스터만 턴 온 되면 상기 제1 트랜지스터는 입력 신호로부터 위상 변화가 없는 신호를 출력하는 통과 모드로 구동하고, 상기 제2 트랜지스터만 턴 온 되면 상기 제어 전압에 의한 조정 커패시턴스 값에 대응하여 설정 각도로 위상 천이된 신호를 출력하는 위상 천이 모드로 구동하는 위상 천이기The method according to claim 1,
Any one of the first and second transistors is turned on according to the voltage level applied to the gate of each transistor,
When only the first transistor is turned on, the first transistor is driven in a pass mode that outputs a signal with no phase change from the input signal, and when only the second transistor is turned on, the first transistor is set in response to the adjustment capacitance value by the control voltage Phase shifter driven in phase shift mode that outputs an angularly phase shifted signal
상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 게이트에 각각 하이 레벨의 전압 및 로우 레벨의 전압 인가 시 상기 통과 모드로 구동하고,
상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 게이트에 각각 로우 레벨의 전압 및 하이 레벨의 전압 인가 시 상기 위상 천이 모드로 구동하는 위상 천이기.7. The method of claim 6,
driving in the pass mode when a high-level voltage and a low-level voltage are applied to the gates of the first transistor and the second transistor, respectively;
A phase shifter driven in the phase shift mode when a low level voltage and a high level voltage are applied to the gates of the first transistor and the second transistor, respectively.
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- 2021-02-04 KR KR1020210015968A patent/KR102507903B1/en active IP Right Grant
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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