KR20240080048A - 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기로서, 이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 송신 SPDT(single-pole double-throw) 스위치; 이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 수신 SPDT 스위치; 및 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 기준 컴포넌트; 및 지연 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 지연 컴포넌트를 포함하는 스위칭 방식 위상 변화기가 제공된다.

Description

능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기{Switching type phase shifter using active switch}

본 발명은 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 밀리미터웨이브 및 서브테라헤르츠 대역에서 이용되는 위상 변화기에서 능동형 스위치와 필터를 이용하여 삽입 손실을 개선한 스위칭 방식 위상 변화기에 관한 것이다.

밀리미터웨이브 이상의 주파수 대역에서는 송수신 효율을 높이기 위한 위상 배열 시스템이 많이 적용되고 있다. 위상 배열 시스템은 안테나를 반파장 간격으로 배열하여 특정 방향으로의 지향성을 높이고 원하지 않는 방향의 신호는 감쇠시키는 효과가 있어 송수신 효율을 높이게 된다.

위상 배열 시스템에서 여러 개의 안테나에서 송수신하는 신호를 동위상으로 합쳐주기 위해서는 서로 다른 위상을 보상해주어야 하는데, 이러한 역할을 하는 것이 위상 변화기이다.

밀리미터웨이브 이상의 주파수 대역에서 위상 변화기를 구현하는 방법으로는 vector sum 방식, reflection 방식, switching 방식이 대표적이다.

Vector sum 방식은 트랜지스터를 이용한 능동형 위상 변화기이다. 주로 0도, 90도, 180도, 270도의 기준이 되는 벡터를 생성한 후 이를 합성하여 원하는 위상을 만들어낸다. 기준 벡터는 주로 저항, 인덕터, 커패시터와 같은 수동 소자 또는 커플러와 발룬을 통해 생성되며 벡터의 합성은 트랜지스터로 구성된 modulator를 통해 이루어진다.

Reflection 방식의 경우 임피던스 차이에 의해 반사파의 위상이 변하는 점을 이용하여 원하는 위상차를 만들어내는 수동형 위상 변화기이다. 주로 90도 하이브리드 커플러에 가변 리액턴스 성분을 갖는 로드를 연결하여 구현한다.

Switching 방식의 경우 2개의 single-pole double-throw(SPDT) 스위치 사이에 기준(reference) 컴포넌트와 지연(delay) 컴포넌트를 연결하여 기준 위상 상태와 지연 위상 상태를 스위칭하여 두 상태 사이의 상대적인 위상차를 만들어낸다. 스위치는 주로 수동형 SPDT 스위치가 사용되며, 지연 컴포넌트는 필터 또는 전송선로가 주로 사용된다.

위상 변화기의 주요 평가 지표로는 이득과 위상 변화 범위, root-mean-square(RMS) 오차 등이 있으며, 통신 시스템 구성 관점에서 입력 및 출력 정합과 전력 소모량, 회로 면적 등도 고려해야 한다.

이득을 가지는 위상 변화기를 구현하기 위해 주로 능동형 위상 변화기 방식이 주로 이용된다. 하지만, 주파수가 높아질수록 트랜지스터의 동작 속도 제한과 수동 소자의 손실이 매우 커지기 때문에 능동형 위상 변화기도 이득 성능을 제공하기 어렵다.

또한, 수동형 위상 변화기의 경우에도 위상 변화 범위가 커질수록 삽입 손실이 크게 증가한다는 문제점이 있다. 따라서 서브테라헤르츠의 높은 주파수 대역에서 위상 배열 시스템 구현을 위해서는 위상 변화기의 삽입 손실을 최소화하면서 360도 위상 변화를 제공하는 것이 매우 중요하다.

Vector sum 방식의 경우 쉽게 360도 위상 변화가 가능하다는 장점이 있지만 vector modulator에 많은 트랜지스터가 사용되기 때문에 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한 능동형 구조임에도 불구하고 앞서 언급한 바와 같이 서브테라헤르츠와 같은 높은 주파수 대역에서는 소자의 동작 속도가 제한되어 이득 성능을 내기 어려울 뿐만 아니라 기준 벡터를 생성하는 커플러와 발룬, 임피던스 정합을 위한 수동 컴포넌트의 손실로 인해 이득 성능이 더욱 감소하게 된다.

Reflection 방식의 경우 전력 소모가 없고 연속적인 위상 변화가 가능하다는 장점이 있지만 위상 변화 범위가 증가할수록 삽입 손실이 커진다는 단점이 있다. 이러한 단점의 주된 이유는 reflection 방식의 특성상 가변 리액턴스 로드에 의해 대부분의 성능이 결정되는데, 가변 리액턴스 로드는 주로 버렉터, 인덕터, 커패시터와 같은 수동 소자를 이용하여 구성한다.

위상 변화 범위를 늘리기 위해서는 가변 리액턴스 로드에 필요한 수동 소자의 개수가 증가하게 되는데, 서브테라헤르츠의 높은 주파수 대역에서는 이와 같은 수동 소자의 Q 인자(quality factor)가 낮기 때문에 소자를 많이 사용할수록 손실이 더욱 증가하게 된다.

Switching 방식의 경우 기존의 낮은 주파수 대역에서는 수동형 SPDT 스위치가 주로 사용되었다. 하지만 서브테라헤르츠 주파수 대역에서는 트랜지스터의 기생 커패시턴스 성분에 의한 성능 저하 및 수동 소자의 손실이 크기 때문에 삽입 손실이 매우 증가하게 된다. 위상 분해능이 늘어날수록 스위치와 수동 소자가 캐스캐이드(cascade) 형태로 연결되므로, 위상 분해능이 늘어날수록 삽입 손실이 크게 증가한다. 또한 지연 컴포넌트를 전송선로로 사용하는 경우 각 위상 상태에 따른 이득 차이가 커지게 되는 문제점이 있다.

KR 등록특허 10-2045498

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 삽입 손실을 개선하고 위상 상태에 따른 이득 차이를 줄일 수 있는 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기를 제안하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기로서, 이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 송신 SPDT(single-pole double-throw) 스위치; 이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 수신 SPDT 스위치; 및 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 기준 컴포넌트; 및 지연 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 지연 컴포넌트를 포함하는 스위칭 방식 위상 변화기가 제공된다.

상기 능동형 송신 SPDT 스위치 및 상기 능동형 수신 SPDT 스위치 각각은, 두 개의 1단 공통 베이스 트랜지스터 및 두 개의 2단 공통 베이스 트랜지스터를 포함하고, 상기 2단 공통 베이스 트랜지스터의 컬렉터에는 Vcc를 통해 일정한 전압이 인가되고, 상기 1단 공통 베이스 트랜지스터의 베이스와 컬렉터는 미리 설정된 크기의 저항으로 연결될 수 있다.

상기 2단 공통 베이스 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전압 조절을 통해 RF 입력부를 통해 인가된 신호를 스위칭하여 상기 기준 위상 상태와 지연 위상 상태 사이에 미리 설정된 크기의 상대적인 위상 차이를 발생시킬 수 있다.

상기 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제1 트랜지스터의 베이스에 상기 제1 트랜지스터가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 하는 전압을 인가하여 상기 경로에 전류가 흐르도록 할 수 있다.

상기 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제1 트랜지스터의 베이스에 전압이 인가되는 경우, 상기 기준 지연 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제2 트랜지스터의 베이스에는 전압이 인가되지 않을 수 있다.

상기 기준 컴포넌트는 고역통과필터(HPF)로 구성되고, 상기 지연 컴포넌트는 저역통과필터(LPF)로 구성될 수 있다.

상기 위상 변화기의 입력단에, 반사 방식(Reflection type)의 180도 위상 변화기가 결합될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 삽입 손실을 개선하여 위상 배열 시스템 성능 향상이 가능하고, 지연 컴포넌트를 원하는 위상에 맞게 조절하여 위상 분해능을 쉽게 늘릴 수 있으며 위상 상태 간 이득 편차를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 삽입 손실이 큰 다양한 토폴로지의 위상 변화기와 결합하여 삽입 손실을 보상함과 동시에 위상 변화 범위를 확장 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스위칭 방식 위상 변화기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 3은 본 실시예에 따른 스위칭 방식 위상 변화기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 실시예에서 제안하는 180도 스위칭 방식 위상 변화기의 도면을 나타낸다.
도 5는 도 4와 같이 제작된 스위칭 방식 위상 변화기의 이득과 180도 위상 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 360도 위상 변화기의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 360도 위상 변화기의 이득과 360도 위상 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스위칭 방식 위상 변화기의 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스위칭 방식 위상 변화기는 두 개의 능동형 송수신 SPDT 스위치(100,102)와 기준 컴포넌트(Reference, 104) 및 지연 컴포넌트(Delay, 106)를 포함한다.

능동형 송수신 SPDT 스위치(100,102)는 모두 트랜지스터 이미터를 RF 입력으로 하고 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는다.

또한, 적절한 이득 성능을 얻기 위해 공통 베이스 트랜지스터의 두 개의 단으로 구성된다.

2단 공통 베이스 트랜지스터(M1,M2)의 컬렉터에는 V_cc를 통해 일정한 전압이 인가되며, 1단 공통 베이스 트랜지스터(M3,M4)에는 베이스와 컬렉터를 큰 저항으로 연결하는 self-biasing 기법을 통해 트랜지스터가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 적절한 전압이 인가된다.

RF 입력부(Input)로 인가된 신호를 2단 트랜지스터(M1,M2)의 베이스의 전압 조절을 통해 스위칭하여 기준 위상 상태와 지연 위상 상태 사이에 원하는 만큼의 상대적인 위상 차이가 발생한다.

도 2 내지 도 3은 본 실시예에 따른 스위칭 방식 위상 변화기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 기준 위상 상태를 출력하는 경우 해당 경로의 트랜지스터의 베이스(V_bb1)에는 트랜지스터가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 적절한 전압을 인가하여 전류가 흐를 수 있도록 하고 지연 위상 상태를 위한 반대 경로의 트랜지스터의 베이스(V_bb2)에는 전압을 인가하지 않는다.

지연 위상 상태를 출력하는 경우에도 마찬가지로 도 3을 참조하면 해당 경로의 트랜지스터의 베이스(V_bb2)에는 트랜지스터가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 적절한 전압을 인가하여 전류가 흐를 수 있도록 하고 반대 경로의 트랜지스터의 베이스 (V_bb1)에는 전압을 인가하지 않는다.

이처럼 능동형 스위치로 위상 변화기를 구현할 경우 입력 신호를 증폭하여 출력하므로 이득을 가질 수 있으며 지연 컴포넌트 및 입출력 정합을 위한 수동 소자에서 발생하는 손실 보상이 가능하다.

도 4는 본 실시예에서 제안하는 180도 위상 변화기의 도면을 나타낸다.

위상 변화기는 250-nm InP DHBT 공정을 이용하여 설계 및 제작되었다. 해당 회로의 동작주파수는 270 GHz 대역을 목표로 설계되었다.

본 실시예에 따른 송신 SPDT 스위치(100)와 수신 SPDT 스위치(102), 위상 변화를 위한 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)를 포함한다.

두 스위치(100,102)는 적절한 이득을 얻기 위해 공통 베이스 트랜지스터를 두 개의 단으로 구성하고, 기준 컴포넌트와 지연 컴포넌트로는 0도 위상 상태와 180도 위상 상태 사이의 이득 차이를 줄이기 위해 인덕터와 커패시터를 이용한 필터로 구성된다.

도 5는 도 4와 같이 제작된 위상 변화기의 이득과 180도 위상 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 5와 같이, 공통 베이스 트랜지스터 두 개의 단을 사용하는 경우 이득 성능을 가지는 것을 확인할 수 있고, 각 위상 상태의 이득 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 실시예에 따른 360도 위상 변화기의 구성을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 삽입 손실을 개선함과 동시에 360도의 위상 변화 성능을 얻기 위해 180도 반사(reflection) 방식 위상 변화기와 도 4의 스위칭 방식 위상 변화기를 결합한다.

도 7은 본 실시예에 따른 360도 위상 변화기의 이득과 360도 위상 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 7의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 두 가지 방식의 위상 변화기를 결합하여 반사 방식 위상 변화기의 삽입 손실을 스위칭 방식 위상 변화기의 이득으로 보상함과 동시에 연속적인 360도 위상 변화가 가능함을 확인할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (7)

1. 능동형 스위치를 이용한 스위칭 방식 위상 변화기로서,
   이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 송신 SPDT(single-pole double-throw) 스위치;
   이미터를 RF 입력으로 하고, 컬렉터를 RF 출력으로 하는 공통 베이스 구조를 갖는 복수의 트랜지스터를 구비하는 능동형 수신 SPDT 스위치; 및
   기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 기준 컴포넌트; 및
   지연 위상 상태 출력을 위한 경로에 위치하는 상기 능동형 송신 SPDT 스위치의 컬렉터와 상기 능동형 수신 SPDT 스위치의 이미터 사이에 배치되는 지연 컴포넌트를 포함하는 스위칭 방식 위상 변화기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 능동형 송신 SPDT 스위치 및 상기 능동형 수신 SPDT 스위치 각각은, 두 개의 1단 트랜지스터 및 두 개의 2단 공통 베이스 트랜지스터를 포함하고,
   상기 2단 공통 베이스 트랜지스터의 컬렉터에는 V_cc를 통해 일정한 전압이 인가되고,
   상기 1단 트랜지스터의 베이스와 컬렉터는 미리 설정된 크기 이상의 저항으로 연결되는 스위칭 방식 위상 변화기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 2단 공통 베이스 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전압 조절을 통해 RF 입력부를 통해 인가된 신호를 스위칭하여 상기 기준 위상 상태와 지연 위상 상태 사이에 미리 설정된 크기의 상대적인 위상 차이를 발생시키는 스위칭 방식 위상 변화기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제1 트랜지스터의 베이스에 상기 제1 트랜지스터가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 하는 전압을 인가하여 상기 경로에 전류가 흐르도록 하는 스위칭 방식 위상 변화기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 기준 위상 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제1 트랜지스터의 베이스에 전압이 인가되는 경우, 상기 기준 지연 상태 출력을 위한 경로에 배치되는 제2 트랜지스터의 베이스에는 전압이 인가되지 않는 스위칭 방식 위상 변화기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기준 컴포넌트는 고역통과필터(HPF)로 구성되고,
   상기 지연 컴포넌트는 저역통과필터(LPF)로 구성되는 스위칭 방식 위상 변화기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 위상 변화기의 입력단에, 반사 방식(Reflection type)의 180도 위상 변화기가 결합되는 스위칭 방식 위상 변화기.