WO2020060294A1 - 간단한 구조의 단극 다투 스위치 장치 - Google Patents

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switch
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알렉산드로비치 에브티유시킨젠나디
서지비치 루키아노브안톤
니콜레비치 마쿠린미카일
유리에비치 니키쇼브아르템
알렉산드로브나 쉐펠레바엘레나
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Definitions

  • the present disclosure relates to a simple structure single pole multi-turn switch device.
  • High frequency switches or commutators are an important component of modern electronic devices. Since these devices are increasingly complex and operate at very high frequencies, many difficulties arise that cannot be handled by switch elements designed and operated based on the prior art.
  • PIN-diodes, MOSFETs, and MEMS are widely used as switching components in high-frequency circuits, which require complex control circuits and are expensive, PIN diodes require special decoupling circuits, and MOSFETs have high parasitic capacitances, which are significant. Inducing circuit mismatch, MEMS has a limited number of switching cycles and a high control voltage.
  • One embodiment of the present disclosure provides a simple and efficient single-pole quarrel switch device.
  • an embodiment of the present disclosure includes an input point, a first output point, a second output point, a first transmission line connecting the input point and the first output point, A second transmission line connecting the input point and the second output point, a switch unit connected to the first output point, and a third transmission line having one end connected to the switch unit and the other end connected to the second output point Including,
  • the third transmission line generates a 90-degree phase shift when transmitting the signal of the operating frequency, the switch unit is controlled in an on state or an off state according to one control signal, the first in the off state
  • the output point and the one end of the third transmission line are respectively opened, and in the on state, the first output point and the one end of the third transmission line are opened.
  • Switching devices can be provided, each grounded.
  • the length of the third transmission line is 1/4 of the operating wavelength, it is possible to provide a switch device.
  • the third transmission line may provide a switch device including a reactance unit to cause a 90-degree phase shift when transmitting the signal of the operating frequency.
  • each of the first transmission line and the second transmission line may provide a switch device that generates a 90-degree phase shift upon signal transmission of the operating frequency.
  • the impedance of the first transmission line and the second transmission line is the same as each other and twice the impedance of the third transmission line, it is possible to provide a switch device.
  • the switch unit includes a ground point, a first switch element connecting the first output point and the ground point, and a second switch element connecting one end of the ground point and the third transmission line. And, it is possible to provide a switch device in which the first switch element and the second switch element are simultaneously controlled to be on or off according to the one control signal.
  • the one control signal is an optical signal, it may provide a switch device.
  • the switch unit may provide a switch device including a ground point, and a photoconductive element connecting the first output point, the ground point, and the one end of the third transmission line.
  • the third transmission line is a flat transmission line
  • the width of the ground point is greater than the width of the third transmission line
  • the width of one end of the third transmission line is the same as the width of the ground point
  • the ground point may provide a switch device having a width greater than a length and connected to a plurality of ground vias in the width direction.
  • the switch device is implemented based on a coplanar waveguide (CPW), and the ground point can provide a switch device that is connected to a coplanar ground plane.
  • CPW coplanar waveguide
  • the switch device is implemented based on a grounded coplanar waveguide (GCPW), the ground point is connected to a coplanar ground plane, the first transmission line, the second transmission line, and the third transmission
  • GCPW grounded coplanar waveguide
  • the shielding vias may provide a switch device that connects the coplanar grounding plane to a lower grounding plane.
  • the other end further includes a fifth transmission line connected to the third output point, the fifth transmission line generates a 90-degree phase shift when transmitting the signal of the operating frequency, the second switch unit, one control signal
  • the second output point and the fifth transmission line are opened in the off state, and the second output point and the fifth transmission line are respectively grounded in the on state.
  • One embodiment of the present disclosure includes a first switch device, a second switch device, and a third switch device, each of the first to third switch devices being the above-described switch device, and the first switch device A sixth transmission line connecting one output point and an input point of the second switch device, and a seventh transmission line connecting a second output point of the first switch device and an input point of the third switch device A switch device can be provided.
  • each of the sixth transmission line and the seventh transmission line may provide a switch device that generates a 90-degree phase shift upon signal transmission of the operating frequency.
  • One embodiment of the present disclosure provides a simple and efficient single-pole quarrel switch device.
  • 1 is a view showing a conventional single-pole twin-screw commutator.
  • 2A is a diagram illustrating the configuration of a single-pole twin-screw commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2B is an enlarged view of a portion of the second output point in FIG. 2A.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating an operating principle of a single-pole twin-screw commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • 4A to 4D are diagrams illustrating simulation results of a single-pole twin-screw commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating an example of a shape of a transmission line segment of a unipolar twin-screw commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a view showing the configuration of a single-pole, two-way commutator using an optical switch element according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7A and 7B are enlarged views of a portion of the optical switch element of the single-pole twin-screw commutator of FIG. 6.
  • 8A and 8B are graphs showing a frequency dependence of the input impedance of the third branch of the unipolar twin-screw commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • 9A is a diagram illustrating a configuration of a single-pole dual-throw commutator based on a coplanar waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • 9B is a diagram illustrating the configuration of a single-pole, dual-throw commutator based on a grounded coplanar waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a view showing the configuration of a single-pole, two-way commutator based on a lumped element according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a view showing the configuration of a single pole three-to-two commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • 12A and 12B are diagrams illustrating simulation results of a single pole three-to-two commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • 13A is a diagram illustrating the configuration of a unipolar multi-commutator according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 13B is a diagram showing an example of the operation of the unipolar multi-combat commutator of FIG. 13A.
  • 14A is a diagram showing an example of the operation of a conventional unipolar multi-commutator.
  • 14B is a diagram showing an example of the operation of the unipolar multi-commutator of FIG. 13A.
  • FIG. 1 is a view showing a conventional single-pole, two-way commutator in which two PIN-diodes are used as switch elements. Since such a single-pole dual-commuter must always open one switch element and close the other, two different control signals are used, one for each switch element. In order to eliminate interference between the RF circuit and the control circuit in such a switch device, a special decoupling circuit must be used.
  • the first embodiment of the present disclosure is a single-pole double-throw (SPDT) commutator shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2A is a diagram showing the configuration of a single-pole, two-way commutator 100 having two output ports 1 and 2 and one input port 3 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the switch part 14 is connected to one end of the third transmission line segment 6.
  • the switch section 14 may comprise two interconnected first and second switch elements 7 and 8, which are always of the same state, ie both turned on or both off, and thus to control them Only one control signal 13 is needed.
  • a ground point 9 connected to ground may be located between the switch elements 7 and 8.
  • the input point 11 connects the first branch, the second branch, and the input port 3 to each other.
  • the first output point 12 connects the first branch, the third branch, and the first output port 1 to each other.
  • the second output point 10 connects the second branch, the third branch, and the second output port 2 to each other.
  • a point may refer to a conductor having a size that can be physically treated as a point on a circuit because an object corresponding to a point cannot exist.
  • the point may refer to a conductor in a range having substantially the same potential when the signal of the operating frequency of the commutator 100 passes.
  • the point may refer to a wavelength of a signal of an operating frequency, that is, a conductor having a size much smaller than the operating wavelength.
  • the second output point 10 is a conductor of the intersection of the second transmission line segment 5, the third transmission line segment 6, and the second output port 2 You can.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating an operating principle of the unipolar twin-screw commutator 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the control signal 13 turns the switch elements 7 and 8 into an OFF state.
  • a “virtual ground” is formed at the second output point 10.
  • the control signal 13 turns the switch elements 7 and 8 into an ON state. Again, look at the third branch first.
  • R 0
  • the other end point 10 in FIG. 3B
  • Z ⁇
  • 4A to 4D are diagrams showing simulation results of the S parameter of the single-pole dual-to-commutator described above at 4.5 GHz ⁇ 0.5 GHz (22% broadband) frequency.
  • 4A and 4B show graphs of the wave reflection coefficients S33 from state 1 and state 2 to input port 3, respectively, and FIGS. 4C and 4D are first outputs from inputs from state 1 and state 2, respectively.
  • a graph of the transmission coefficient (S13) to the port 1 and the transmission coefficient (S23) to the second output port (2) is shown.
  • Fig. 4D instead of the graph for S13 in state 2, only the replacement label was displayed because the entire graph was less than -50 dB and was not visible on the image.
  • state 1 the entire signal is delivered to the first output port (1) (S13-> 0dB), while there are no signals in ports 2 and 3 (S23 ⁇ -50 dB, S33 ⁇ -40dB).
  • state 2 the entire signal is delivered to the second output port 2 (S23-> 0dB), while ports 1 and 3 have no signal (S13 ⁇ -50 dB, S33 ⁇ -50 dB).
  • the unipolar twin-screw commutator 100 has two switch elements 7 and 8, but is controlled by only one control signal 13. Therefore, only one separation circuit is needed to separate the control signal and the RF signal.
  • These commutators have low losses even at high frequencies and are not affected by interference from external components. By minimizing the number of components, cost savings and the ability to integrate into small devices are provided. As a result, a simplified configuration of a single-pole, two-way commutator is provided compared to a conventional solution in the millimeter range, and high performance in terms of loss and available operating frequency can be guaranteed.
  • Embodiments of the proposed unipolar twin-commuter may vary.
  • any available device may be used as a switch device schematically illustrated in FIG. 2, including a PIN diode, a MEMS device, and an optical switch device. Because it is convenient for integration with PCB solutions, microstrip conductors are marked with transmission line segments, and other types of transmission lines known to those skilled in the art can be used if necessary.
  • the transmission line segments 4, 5, 6 can be made into segments of appropriate shape, such as straight (FIG. 3), rounded (FIG. 5B), or serpentine (FIG. 5A).
  • the constant condition is that the length of each segment should be ⁇ / 4, that is, a quarter wavelength. So far, the case in which the length of the segment is ⁇ / 4 has been described. A similar effect can be obtained even when the length of the segment is 3 ⁇ / 4, which falls within the same range as the case where the length of the segment is ⁇ / 4. Similarly, a similar effect can be obtained when the length of the segment is (n / 2 + 1/4) ⁇ (where n is an integer), and this also falls within the same range as when the length of the segment is ⁇ / 4. However, if the length of the segment is larger than ⁇ / 4, the size of the commutator may increase and the operating bandwidth may be narrowed.
  • the optical switch element 14 is used as a pair of switch elements 7 and 8, the optical switch element having a first output point 12 and a third transmission line It may be based on a photoconductive element (PE) covering the entire area between one end of the segment 6 (see FIG. 6).
  • PE photoconductive element
  • PE can have at least two states: a dielectric state (switch off state) with low electrical conductivity when there is no control light flux and a conductor state (switch state) with relatively high electrical conductivity when there is control light flux.
  • a dielectric state switch off state
  • a conductor state switch state
  • PE When no light 13 is applied to the optical switch element 14, PE is in a dielectric state (OFF) equivalent to state 1 of the commutator 100 when the switch elements 7 and 8 are turned off. That is, EM waves reaching the commutator 200 through the input port 3 with little loss are transmitted to the first output port 1.
  • PE When light 13 is applied to the optical switch element 14, PE is in a conductive state (ON), so that one end of the third transmission line segment 6 and the first output point 12 are grounded (9). Is shorted to, which is the same as state 2 of the commutator 100 when the switch elements 7 and 8 are turned on. As a result, the EM wave reaching the commutator 200 through the input port 3 with little loss is transmitted to the second output port 2.
  • the commutator 200 may be made based on microstrip lines (MSL) using PCB technology (FIGS. 7A and 7B).
  • MSL microstrip lines
  • the length of each transmission line segment is 1/4 wavelength ( ⁇ / 4).
  • a ground point 9 is located in the dielectric gap between the ends of the microstrips 4 and 6, which may be a contact pad for connecting with the ground plane of the printed circuit board.
  • the connection of the contact pad 9 to the ground may be performed using one (FIG. 7A) or several (FIG. 7B) metal vias 15.
  • the contact pads 16 of the microstrip 4, the contact pads 17 of the microstrip 6, and the contact pads 9 can all be completely covered with a photoconductive element PE.
  • the gap between the contact pads can be formed as small as possible to reduce the short circuit resistance.
  • FIGS. 8A and 8B are graphs for frequency dependence of the input impedance of the third branch to illustrate why it is proposed to set the impedance of the third branch equal to half the impedance of the first and second branches. It is a diagram showing.
  • Z 0 is the self-impedance of the third branch
  • L ⁇ / 4 is the length of the second branch
  • the commutator 200 may be made based on a coplanar waveguide (CPW) using PCB technology (FIGS. 9A-9B).
  • CPW coplanar waveguide
  • FIG. 9A all transmission line segments can be made of CPW feeder lines.
  • PE 14 covers the contact areas 18, 19 of the ends of the feeder lines, and in the switched ON state, shorts these contact areas 18 and 19 to the ground plane 20 lying in the gap 21. .
  • PE 14 covers the contact areas 18, 19 of the ends of the feeder lines, and in the switched ON state, shorts these contact areas 18 and 19 to the ground plane 20 lying in the gap 21. .
  • FIG. 9B is based on a grounded coplanar waveguide (GCPW), wherein shield vias 22 are made along the feeder lines around the feeder lines, and the shield vias are dielectric substrate 24 Passing through the coplanar ground plane 20 may be connected to the lower ground plane (23). Therefore, parasitic leakage waves and path loss can be avoided.
  • GCPW grounded coplanar waveguide
  • the material of PE various types of semiconductors such as silicon and InGaAs can be selected.
  • the electronic lifetime ⁇ of the material defines the switching time of the optical switch element (t on and t off ⁇ ⁇ ). This can be reduced by special treatment of photoconductive materials such as electron impact or ion implantation. Nevertheless, carrier life is inversely proportional to optical output. That is, P opt ⁇ 1 / ⁇ . As a result, more light output is required to reduce switching time and energy consumption increases.
  • the reverse problem of reducing the power consumption of the optical key can be solved by increasing the carrier life time of the PE material. This can be achieved by passivating the surface of the PE material, i.e. flattening the surface defects of the PE by applying a special coating (e.g. Al 2 O 3 , SiO 2 ) to the surface.
  • a special coating e.g. Al 2 O 3 , SiO 2
  • the light source for example, an LED or a laser diode can be used.
  • transmission of light through optical fibers or other embodiments understood by those skilled in the art can be used.
  • Various lighting supply modes such as continuous mode and pulse mode can be used for PE lighting.
  • the pulsed light supply mode less optical power is consumed, thereby saving energy compared to the continuous mode.
  • the duration of the first pulse should be sufficient to set the switching element to the ON state, and then, during a period during which the switching element must remain ON, so that the carrier concentration is not significantly reduced when the light source is turned off.
  • the pulse period should be less than the carrier life time in the PE material, and the pulse duration should be sufficient to fully restore the ON state.
  • the size, shape, and location of PE, light sources, and vias in PCB and optical switch elements can vary. These can be determined by the structure of the PCB and current flow area for efficient switching, ease of device arrangement for installation, and insulation requirements.
  • the light source can be located above the center of the PE or moved to the edge.
  • the optical power consumption and ON / OFF time of the switching element can be optimized by selecting the geometric parameters of the PE and the light source. When sizing the PE and the light source, one must find a compromise between the size of the device, the optical power consumed by the switch element, the ON / OFF time, and the choice of PE with the corresponding carrier life and diffusion length. This determines the conduction area provided by the device along with the area illuminated by the light source. Requirements for minimizing the dielectric length and short-circuit resistance of the transmission line segment should also be considered.
  • the commutator 200 includes only one switch element (optical switch element 14) and only one control signal (light flux 13), and since the control circuit is separated from the commutator's RF port, the decoupling circuit Is not necessary.
  • These commutators have low losses even at high frequencies and are not affected by interference from external components.
  • these commutators can be easily installed anywhere on the PCB, including multilayer PCBs.
  • minimization of the number of parts ensures cost savings and the possibility of integration into small devices.
  • the design of the single-pole dual-to-commutator can be further simplified and high performance in terms of loss and available operating frequency can be guaranteed.
  • the transmission line segment may include a lumped element L (inductance) and C (capacitance) connected to ground.
  • the role of the lumped element group included in one transmission line segment is to provide ⁇ / 4, that is, a phase shift of 90 degrees. This approach not only reduces the size of the commutator and integrates it into the chip, but also expands the range of use in the low frequency range, which is impossible or difficult because the use of the ⁇ / 4 line is large.
  • the single-pole combat communicator 300 can be obtained.
  • An example of a single-pole three-throw (SP3T) commutator implemented in this manner is shown in FIG. 11.
  • Table 1 shows the control method of the indicated SP3T commutator.
  • the number of control signals is 1 less than the number of channels, and in the above case, there are 2 control signals for 3 channels.
  • the number of switch elements also decreases by one. Also, this method is still very simple and requires no decoupling circuitry.
  • FIG. 12A and 12B are diagrams showing simulation results for the S parameter of this unipolar 3-to-commutator at a frequency of 4.5 GHz ⁇ 0.5 GHz. That is, FIG. 12A shows a graph of the reflection coefficient S44 of the wave returning to the input port when a signal is supplied to each of the output ports 1 to 3, and FIG. 12B shows the transmission coefficient Sx4 from the input port to the active output port x. ) And a graph of the transmission coefficient (Sy4) to the remaining inactive output port y.
  • the entire signal is delivered to the required output port x (Sx4> -0.4dB), while there is no signal reflected from the input port and no other signal to the output port (Sy4 ⁇ -50 dB, S44 ⁇ -30 dB).
  • FIG. 13A Another embodiment of a unipolar multi-commutator based on a unipolar bi-commutator consists of connecting them in series in a binary fashion as shown in FIG. 13A.
  • the output port of the previous stage single-pole twin-screw commutator simultaneously becomes the input port of the next stage single-pole twin-screw commutator.
  • Distance from the output point (10 or 12) of the previous commutator to the input point (11) of the next commutator (transmission line length between branch points) to minimize reflection and ensure that the signal is passed from the in-phase to the next unipolar twin-commuter. ) May be ⁇ / 4.
  • 13B is a diagram illustrating an example of transmitting an RF signal to the output port 2 in such a commutator. In this case, only one switch element needs to be kept ON. As in the embodiments described above, this SPnT commutator is very simple, does not require decoupling circuitry, and requires less control signals than conventional solutions.
  • both the single-pole double-comb communicators 100 and 200 and the single-pole multi-comb communicators 300 may be used.
  • a commutator having a different design from the one proposed in the present disclosure may be used.
  • this embodiment can be described as follows: a unipolar multi-commutator includes a plurality of constitutive commutators, and the multi-configuration commutator comprises at least one unipolar bi-commutator 100, 200. And / or at least one unipolar multi-combat communicator 300, each output port of each configurable commutator being an output port of the unipolar multi-commutator or an input port of a subsequent configurable commutator.
  • a unipolar bi-directional commutator comprising an input port, a first and a second output port, a first transmission line segment, ends having ends connected to the input port and the first output port A second transmission line segment connected to the input port and the second output port, a third transmission line segment connected to a point at which the second transmission line segment is connected to the second output port, and two opposing ends connected to each other A connected switching element, the free end of the first switching element being connected to a point where the first transmission line segment is connected to the first output port, and the free end of the second switching element is connected to the other end of the third transmission line segment.
  • Connected, and the switching elements are connected to ground at their interconnection points, so that the switching elements are controlled by the same control signal.
  • each transmission line segment has an electrical length equal to a quarter wavelength of the signal passing through the commutator.
  • the impedance of each of the first and second transmission line segments may be twice the impedance of the third transmission line segment.
  • the electrical length from the connection point to ground of the first or third transmission line segment of each switching element may be much less than a quarter wavelength of the signal passing through the commutator.
  • the switching element can be a PIN diode, a MEMS element, and / or an optical switching element.
  • the transmission line segments may be made in a straight, round, and / or serpentine shape.
  • the transmission line segments can be made based on microstrip transmission lines, coplanar waveguides, grounded coplanar waveguides, and / or lumped inductive and capacitive elements.
  • the two switching elements are designed as a single optical switching element based on a photoconductive element (PE) covering the entire gap between the connection points with their first and third transmission line segments, where the optical Below the PE between the connection points of the switching element there may be a dielectric gap made to separate these points from the connection point with ground.
  • PE photoconductive element
  • connection point of the optical switching element to ground may be made of a conductive contact pad connected to ground by one or more metal vias.
  • connection point of the optical switching element with the first and third transmission line segments is made of a conductive contact pad, where the width of the contact pad can be greater than the width of the transmission line segment.
  • a unipolar N-to-commutator comprising N-1 adjacent unipolar twin-commuters described in the first aspect, where N is a natural number of 3 or more, and all unipolar
  • the twin-to-commuter has the same input port, and the first or second transmission line segment of one single-pole twin-commuter for each pair of adjacent single-pole twin-commuters simultaneously transmits the second or first of the single-pole twin-commuters adjacent thereto. It can be a line segment.
  • a unipolar multi-combat commutator wherein the commutator includes an input port, N output ports, and a plurality of component commutators, where N is a natural number of 3 or more, and the plurality of components
  • the commutator comprises at least one unipolar bi-commutator described in the first aspect and / or at least one unipolar multi-commutator described in the second aspect, wherein the output port of each component commutator is the unipolar multi-commuter. It may be the output port of the data or the input port of a subsequent configuration commutator.
  • each input port of the subsequent component commutator may be connected to the corresponding output port of the previous component commutator by a transmission line segment having an electrical length equal to a quarter wavelength of the signal passing through the commutator.
  • the switch devices 100, 200, and 300 may include an input point 11, a first output point 12, and a second output point 10.
  • the switch device comprises a first transmission line 4 connecting the input point 11 and the first output point 12 and a second transmission line 5 connecting the input point 11 and the second output point 10. It may include. That is, one end of the first transmission line 4 may be connected to the input point 11 and the other end may be connected to the first output point 12, and one end of the second transmission line 5 may be connected to the input point 11 The other end may be connected to the second output point 10.
  • the switch device may include a switch unit 14 connected to the first output point 12.
  • the switch unit 14 may be directly connected to the first output point 12, or may be connected through an extremely short transmission line, that is, a transmission line much shorter than an operating wavelength.
  • the switch device may include a third transmission line 6 with one end connected to the switch unit 14 and the other end connected to the second output point 10. That is, the switch unit 14 may have one end connected to the first output point 12 and the other end connected to the third transmission line 6.
  • the third transmission line 6 may generate a 90-degree phase shift when transmitting a signal having an operating frequency.
  • 90 degrees may include substantially 90 degrees.
  • the third transmission line 6 is made of a resistive line whose length is 1/4 of the operating wavelength and can generate a 90 degree phase shift.
  • the third transmission line 6 may generate a 90 degree phase shift by including a reactance portion.
  • the reactance unit may include an inductance and / or a capacitance that is a lumped element.
  • the centralized device may be implemented with a MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
  • the switch unit 14 may be controlled to be on or off by one control signal.
  • the switch unit 14 may open one end of the first output point 12 and the third transmission line 6, respectively, in an off state.
  • the switch unit 14 may open one end of the first output point 12 or the third transmission line 6 directly, or at an extremely short distance, that is, at a much shorter distance than the operating wavelength.
  • the switch unit 14 may ground one end of the first output point 12 and the third transmission line 6, respectively.
  • the switch unit 14 may directly ground one end of the first output point 12 or the third transmission line 6, or may be grounded at an extremely short distance, that is, a much shorter distance than the operating wavelength.
  • Each of the first transmission line 4 and the second transmission line 5 may generate a 90-degree phase shift when transmitting a signal having an operating frequency.
  • the impedances of the first transmission line 4 and the second transmission line 5 may be the same. Here, the same may include substantially the same.
  • the impedance of the first transmission line 4 may be twice the impedance of the third transmission line 6. Here, double may include substantially double.
  • the switch section 14 includes a ground point 9, a first switch element 7 connecting the first output point 12 and a ground point 9, and a ground point 9 and a third transmission line 6 ) May include a second switch element 8 connecting one end. That is, one end of the first switch element 7 may be connected to the first output point 12 and the other end may be connected to the ground point 9, and the second switch element 8 may have one end connected to the ground point 9. Connected and the other end can be connected to one end of the third transmission line (6).
  • the lengths of the first switch element 7 and the second switch element 8 may be much shorter than the length of the operating wavelength.
  • the ground point 9 may be grounded through the via 15, and may be connected to the coplanar grounding surface 20 to be grounded.
  • the first switch element 7 and the second switch element 8 may be simultaneously controlled to be turned on or off by one control signal 13. Here, simultaneous may include substantial simultaneous.
  • the control signal 13 may be an optical signal.
  • the switch unit 14 includes a first output point 12 and a ground point 9 away from the third transmission line 6, the first output point 12, the ground point 9, and the third It may include a photoconductive element connecting one end of the transmission line (6). Accordingly, one end of the first output point 12, the ground point 9, and the third transmission line 6 may be electrically connected to or disconnected from each other according to the optical signal 13.
  • the ground point 9 may be grounded through the via 15, and may be connected to the coplanar grounding surface 20 to be grounded. The distance between the ground point 9 and the first output point 12 or the third transmission line 6 can be much shorter than the length of the operating wavelength.
  • the third transmission line 6 may be a planar transmission line.
  • the width of the ground point 9 is larger than the width of the third transmission line 6, and the width of one end 17 of the third transmission line 6 may be the same as the width of the ground point 9.
  • the same may include substantially the same.
  • the ground point 9 may be connected to a plurality of ground vias 15 arranged in a width direction larger than the length.
  • the switch device includes a third output point 25, a fourth transmission line 26 connecting the input point 11 and the third output point 25, and a second switch unit connected to the second output point 10 ( 27), a fifth transmission line 28, one end of which is connected to the second switch unit 27 and the other end of which is connected to the third output point 25, may be further included.
  • the fifth transmission line 28 may generate a 90-degree phase shift when transmitting a signal of an operating frequency.
  • the second switch unit 27 is controlled to an on state or an off state by one control signal, and opens the second output point 10 and the fifth transmission line 28 in the off state, respectively, in the on state
  • the second output point 10 and the fifth transmission line 28 may be grounded, respectively.
  • the impedance of the fourth transmission line 26 is the same as that of the second transmission line 5, and may be twice the impedance of the fifth transmission line 28.
  • the fourth transmission line 26 may generate a 90-degree phase shift when transmitting a signal of an operating frequency.
  • the single-pole quarrel switch device includes a first switch device, a second switch device, and a third switch device, wherein the first switch device, the second switch device, and the third switch device are each Any one of the above-described switch devices, for example, may be a switch device 100, a switch device 200, or a switch device 300.
  • the switch device includes a sixth transmission line connecting the first output point of the first switch device and the input point of the second switch device, and a seventh connecting the second output point of the first switch device and the input point of the third switch device. It may include a transmission line.
  • Each of the sixth transmission line and the seventh transmission line may generate a 90-degree phase shift when transmitting a signal having an operating frequency.

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Abstract

입력 포인트, 제1 출력 포인트, 제2 출력 포인트, 상기 입력 포인트와 상기 제1 출력 포인트를 연결하는 제1 전송 라인, 상기 입력 포인트와 상기 제2 출력 포인트를 연결하는 제2 전송 라인, 상기 제1 출력 포인트에 연결되는 스위치부, 일단이 상기 스위치부에 연결되고 타단이 상기 제2 출력 포인트에 연결되는 제3 전송 라인을 포함하며, 상기 제3 전송 라인은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키고, 상기 스위치부는, 하나의 제어 신호에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고, 상기 오프 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 오픈시키고, 상기 온 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 접지시키는, 스위치 장치가 개시된다.

Description

간단한 구조의 단극 다투 스위치 장치
본 개시는 간단한 구조의 단극 다투 스위치 장치에 관한 것이다.
고주파 스위치 또는 커뮤테이터는 현대 전자 장치의 중요한 구성 요소이다. 이들 장치는 점점 복잡해지고 매우 높은 주파수에서 동작하기 때문에, 종래 기술에 기초하여 설계되고 동작하는 스위치 소자에 의해 처리될 수 없는 많은 어려움이 발생한다. 현재 PIN-다이오드, MOSFET, 및 MEMS가 고주파 회로의 스위칭 부품으로 널리 사용되고 있는데, 이들은 복잡한 제어 회로를 필요로 하고 가격이 비싸며, PIN 다이오드는 특수한 디커플링 회로를 필요로 하고, MOSFET은 기생 커패시턴스가 높아 상당한 회로 불일치를 유발하며, MEMS는 제한된 수의 스위칭 사이클과 높은 제어 전압을 가지고 있다.
본 개시의 일 실시예는, 간단하고 효율적인 구조의 단극 다투 스위치 장치를 제공한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 일 실시예는, 입력 포인트, 제1 출력 포인트, 제2 출력 포인트, 상기 입력 포인트와 상기 제1 출력 포인트를 연결하는 제1 전송 라인, 상기 입력 포인트와 상기 제2 출력 포인트를 연결하는 제2 전송 라인, 상기 제1 출력 포인트에 연결되는 스위치부, 일단이 상기 스위치부에 연결되고 타단이 상기 제2 출력 포인트에 연결되는 제3 전송 라인을 포함하며, 상기 제3 전송 라인은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키고, 상기 스위치부는, 하나의 제어 신호에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고, 상기 오프 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 오픈시키고, 상기 온 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 접지시키는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전송 라인의 길이는 동작 파장의 1/4인, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전송 라인은 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이가 발생되도록 하는 리액턴스부를 포함하는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전송 라인 및 상기 제2 전송 라인 각각은, 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전송 라인과 상기 제2 전송 라인의 임피던스는 서로 동일하고 상기 제3 전송 라인의 임피던스의 두 배인, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는, 접지 포인트, 상기 제1 출력 포인트와 상기 접지 포인트를 연결하는 제1 스위치 소자, 및 상기 접지 포인트와 상기 제3 전송 라인의 일단을 연결하는 제2 스위치 소자를 포함하고, 상기 하나의 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제2 스위치 소자가 동시에 온 상태 또는 오프 상태로 제어되는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나의 제어 신호는 광신호인, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는, 접지 포인트, 및 상기 제1 출력 포인트, 상기 접지 포인트, 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 연결하는 광도전 소자를 포함하는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전송 라인은 평면 전송 라인이며, 상기 접지 포인트의 폭은 상기 제3 전송 라인의 폭보다 크고, 상기 제3 전송 라인의 상기 일단의 폭은 상기 접지 포인트의 폭과 동일하게 확장되는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 접지 포인트는, 폭이 길이보다 크고, 폭 방향으로 복수의 접지 비아들에 연결되는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치 장치는 공면 도파관(CPW)에 기반하여 구현되고, 상기 접지 포인트는 공면 접지면에 연결되는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치 장치는 접지된 공면 도파관(GCPW)에 기반하여 구현되고, 상기 접지 포인트는 공면 접지면에 연결되고, 상기 제1 전송 라인, 상기 제2 전송 라인, 및 상기 제3 전송 라인 각각의 주변에 차폐 비아들이 배열되고, 상기 차폐 비아들은 상기 공면 접지면을 하부 접지면에 연결시키는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제3 출력 포인트, 상기 입력 포인트와 상기 제3 출력 포인트를 연결하는 제4 전송 라인, 상기 제2 출력 포인트에 연결되는 제2 스위치부, 일단이 상기 제2 스위치부에 연결되고 타단이 상기 제3 출력 포인트에 연결되는 제5 전송 라인을 더 포함하며, 상기 제5 전송 라인은 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키고, 상기 제2 스위치부는, 하나의 제어 신호에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고, 상기 오프 상태에서 상기 제2 출력 포인트 및 상기 제5 전송 라인을 각각 오픈시키고, 상기 온 상태에서 상기 제2 출력 포인트 및 상기 제5 전송 라인을 각각 접지시키는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시예는, 제1 스위치 장치, 제2 스위치 장치, 및 제3 스위치 장치를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 스위치 장치 각각은 상술한 스위치 장치이고, 상기 제1 스위치 장치의 제1 출력 포인트와 상기 제2 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제 6 전송 라인, 및 상기 제1 스위치 장치의 제2 출력 포인트와 상기 제3 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제7 전송 라인을 포함하는 스위치 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제6 전송 라인 및 상기 제7 전송 라인 각각은, 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키는, 스위치 장치를 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시예는, 간단하고 효율적인 구조의 단극 다투 스위치 장치를 제공한다.
도 1은 기존의 단극 쌍투 커뮤테이터를 도시한 도면이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 제2 출력 포인트 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터의 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4d는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터의 전송 라인 세그먼트의 모양의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 의한 광 스위치 소자를 이용하는 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 7a 및 7b는 도 6의 단극 쌍투 커뮤테이터의 광 스위치 소자 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터의 제3 브랜치의 입력 임피던스의 주파수 의존도에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 9a은 본 개시의 일 실시예에 의한 공면 도파관에 기반한 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 9b는 본 개시의 일 실시예에 의한 접지된 공면 도파관에 기반한 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 의한 집중 소자에 기반한 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 3투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 12a 및 12b는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 3투 커뮤테이터의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 13a는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 다투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 13b는 도 13a의 단극 다투 커뮤테이터의 동작의 예를 도시한 도면이다.
도 14a는 종래의 단극 다투 커뮤테이터의 동작의 예를 도시한 도면이다.
도 14b는 도 13a의 단극 다투 커뮤테이터의 동작의 예를 도시한 도면이다.
본 개시의 기술적 사상을 명확화하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 도면들 중 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소들에 대하여는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들을 부여하였다. 이하 스위치와 커뮤테이터를 혼용하기로 한다.
도 1은 2개의 PIN-다이오드가 스위치 소자로 사용된 종래의 단극 쌍투 커뮤테이터를 도시한 도면이다. 이러한 단극 쌍투 커뮤테이터는 언제나 하나의 스위치 소자는 열리고 다른 하나는 닫혀야 하기 때문에, 하나의 스위치 소자마다 하나씩, 2개의 서로 다른 제어 신호가 사용된다. 이러한 스위치 장치에서 RF 회로와 제어 회로 사이의 간섭을 제거하려면 특수한 디커플링 회로를 사용해야 한다.
삼각 루프 커뮤테이터
본 개시에서는, 복수 개의 신호에 기초하여 단극 다투(single-pole multi-throw) 커뮤테이터를 제어하는 종래의 접근법을 버리고 대신 하나의 제어 신호를 사용하는 것이 제안된다. 본 개시의 첫 번째 실시예는 도 2a에 도시된 단극 쌍투(SPDT; single-pole double-throw) 커뮤테이터이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 의한 2개의 출력 포트(1 및 2) 및 하나의 입력 포트(3)를 갖는 단극 쌍투 커뮤테이터(100)의 구성을 도시한 도면이다. 입력 포트(3)와 제1 출력 포트(1) 사이에 위치한 제1 커뮤테이터 브랜치 및 입력 포트(3)와 제2 출력 포트(2) 사이에 위치한 제2 커뮤테이터 브랜치는 임피던스 Z=Z 0를 갖고 길이 L=λ/4인 제1 및 제2 전송 라인 세그먼트(각각 4 및 5)를 포함한다. 제3 커뮤테이터 브랜치는 제1 출력 포트(1)와 제2 출력 포트(2) 사이에 위치하며 임피던스 Z=Z 0/2를 갖고 길이 L=λ/4인 제3 전송 라인 세그먼트(6)를 포함한다. 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단에는 스위치부(14)가 연결되어 있다. 스위치부(14)는, 항상 동일한 상태를 갖는, 즉 둘 다 켜져 있거나 둘 다 꺼져있는, 두 개의 서로 연결된 제1 및 제2 스위치 소자(7 및 8)를 포함할 수 있다 따라서, 이들을 제어하기 위해 단 하나의 제어 신호(13)만이 필요하다. 스위치 소자들(7 및 8) 사이에는 접지에 연결된 접지 포인트(9)가 위치할 수 있다. 입력 포인트(11)는 제1 브랜치, 제2 브랜치, 및 입력 포트(3)를 서로 연결한다. 제1 출력 포인트(12)는 제1 브랜치, 제3 브랜치, 및 제1 출력 포트(1)를 서로 연결한다. 제2 출력 포인트(10)는 제2 브랜치, 제3 브랜치, 및 제2 출력 포트(2)를 서로 연결한다.
여기서 포인트라 함은, 물리적으로 하나의 점에 해당하는 물체는 존재할 수 없는바, 실질적으로 회로상 하나의 점으로 취급될 수 있는 크기의 전도체를 말할 수 있다. 포인트는 커뮤테이터(100)의 동작 주파수의 신호가 통과할 때 실질적으로 동일한 전위를 갖는 범위의 전도체를 말할 수 있다. 포인트는 동작 주파수의 신호의 파장, 즉 동작 파장보다 훨씬 작은 크기의 전도체를 말할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 것과 같이 제2 출력 포인트(10)는 제2 전송 라인 세그먼트(5), 제3 전송 라인 세그먼트(6), 및 제2 출력 포트(2)의 교차점의 전도체일 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 개시의 일 실시예에 의한 단극 쌍투 커뮤테이터(100)의 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 상태 1에서, 제어 신호(13)는 스위치 소자들(7 및 8)을 오프(OFF) 상태로 만든다. 먼저 제3 브랜치를 살펴본다. 전송선 이론에서 알 수 있듯이 1/4 파 전송 라인 세그먼트의 한쪽 끝이 열려 있거나 무한 저항 R=∞인 부하가 있는 경우(도 3a에서 꺼져 있는 제2 스위치 소자(8)에 연결된 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단) 반대쪽 끝(도 3a에서 제2 출력 포인트(10)에 연결된 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 타단)은 제로 임피던스, 즉 단락 모드, 또는 R = 0이다. 다시 말해, 제2 출력 포인트(10)에 "가상 접지"가 형성된다.
따라서, 입력 포트(3)에 도달하는 전자기파의 절반 에너지는 입력 포인트(11) 로부터 제1 전송 라인 세그먼트(4)를 통과한 다음, 라인에 불연속이 없으므로(제1 스위치 소자(7)가 꺼져 있기 때문에) 완전히 통과하여 부하로 전달된다. 즉, 제1 출력 포트(1)로 전달된다. 전자기파 플럭스의 다른 절반은 입력 포인트(11)으로부터 제2 전송 라인 세그먼트(5)를 통과하고, "가상 접지"의 제로 임피던스인 제2 출력 포인트(10)에서 반사되어 입력 포인트(11)로 되돌아 가고, 웨이브의 첫 번째 부분과 동상으로 결합되어 제1 출력 포트(1)로 전달된다.
도 3b를 참조하면, 상태 2에서, 제어 신호(13)는 스위치 소자들(7 및 8)을 온(ON) 상태로 만든다. 다시, 제3 브랜치를 먼저 살펴본다. 1/4 파 전송 라인 세그먼트의 한쪽 끝이 단락되면(R=0)(도 3b에서 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단을 켜져 있는 제2 스위치 소자(8)를 통해 접지로 단락시키는 포인트 (9)) 반대쪽 끝(도 3b에서 포인트 (10))은 매우 높은 임피던스를 갖는다(Z =∞).
따라서, 입력 포트(3)에 도달하는 전자기파의 에너지의 제1 부분은 입력 포인트(11)로부터 제1 전송 라인 세그먼트(4)를 통과하고, 단락된 일단인 포인트(9)에서 반사되어 입력 포인트(11)로 되돌아 가고, 전자기파 플럭스의 제2 부분과 동상으로 결합되어, 라인에 불연속이 없으므로(제2 출력 포인트(10)에 연결된 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단이 임피던스 Z=∞를 갖기 때문에) 완전히 통과하여 부하로 전달된다(제2 출력 포트(2)).
그러므로, 상태 1에서 모든 에너지는 제1 출력 포트(1)로 전달되고, 상태 2에서 모든 에너지는 제2 출력 포트(2)로 전달된다.
도 4a 내지 4d는 4.5GHz ± 0.5GHz(22 % 광대역) 주파수에서 상술한 단극 쌍투 커뮤테이터의 S 파라미터의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 각각 상태 1 및 상태 2에서 입력 포트(3)으로의 웨이브의 반사 계수(S33)의 그래프를 도시하고, 도 4c 및 4d는 각각 상태 1 및 상태 2에서 입력으로부터 제1 출력 포트(1)로의 투과 계수(S13) 및 제2 출력 포트(2)로의 투과 계수(S23)의 그래프를 도시한다. 도 4d에서, 상태 2에서의 S13에 대한 그래프 대신에, 전체 그래프가 -50dB 미만이어서 이미지 상에 보이지 않기 때문에, 교체 라벨만 표시되었다. 제시된 그래프에서 알 수 있듯이 상태 1에서 전체 신호는 제1 출력 포트(1)로 전달되는 반면(S13 -> 0dB) 포트 2 및 3에는 신호가 없다(S23 < -50 dB, S33 < -40dB). 마찬가지로 상태 2에서는 전체 신호가 제2 출력 포트(2)로 전달되는 반면(S23 -> 0dB) 포트 1 및 3에는 신호가 없다(S13 < -50 dB, S33 < -50 dB).
이상과 같이, 단극 쌍투 커뮤테이터(100)는 2개의 스위치 소자들(7 및 8)을 갖지만, 단지 하나의 제어 신호(13)로 제어된다. 따라서, 제어 신호와 RF 신호를 분리하기 위해 단 하나의 분리 회로만 필요하다. 이러한 커뮤테이터는 고주파에서도 손실이 적으며 외부 부품의 간섭에 영향을 받지 않는다. 구성요소 수를 최소화함으로써 가격 절감 및 소형 장치에 통합할 수 있는 기능이 제공된다. 결과적으로, 밀리미터 범위의 기존 솔루션에 비하여 단극 쌍투 커뮤테이터의 단순화된 구성이 제공되고, 손실 및 가용 동작 주파수 측면에서 높은 성능을 보장할 수 있다.
제안된 단극 쌍투 커뮤테이터의 실시예는 다양할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도식적으로 도시된 스위치 소자로서 PIN 다이오드, MEMS 소자, 광 스위치 소자 등을 포함하여 임의의 이용 가능한 소자가 사용될 수 있다. PCB 솔루션과의 통합에 편리하기 때문에 마이크로스트립 전도체가 전송 라인 세그먼트로 표시되었는데, 필요한 경우 당업자에게 알려진 다른 유형의 전송 라인이 사용될 수 있다.
전송 라인 세그먼트(4, 5, 6)는 직선으로(도 3), 둥글게(도 5b), 또는 구불구불하게(도 5a) 등 적절한 모양의 세그먼트로 만들어질 수 있다. 일정한 조건은 각 세그먼트의 길이가 λ/4, 즉 1/4 파장이어야 한다는 것이다. 지금까지 세그먼트의 길이가 λ/4인 경우를 설명하였는데, 세그먼트의 길이가 3λ/4인 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으며, 이는 세그먼트의 길이가 λ/4인 경우와 균등한 범위에 속한다. 마찬가지로 세그먼트의 길이가 (n/2+1/4)λ인 경우(여기서 n은 정수)에도 유사한 효과를 얻을 수 있으며, 이 역시 세그먼트의 길이가 λ/4인 경우와 균등한 범위에 속한다. 다만 세그먼트의 길이가 λ/4보다 커지면 커뮤테이터의 크기가 커지고 동작 대역폭이 좁아질 수 있다.
하나의 스위치 소자를 이용하는 커뮤테이터
본 개시의 일 실시예에서, 상술한 커뮤테이터 구조를 추가로 단순화하는 것을 제안한다. 이를 위해, 커뮤테이터(200)에서, 하나의 광 스위치 소자(14)만이 한 쌍의 스위치 소자들(7 및 8)로서 사용되며, 광 스위치 소자는 제1 출력 포인트(12)와 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단 사이의 전체 영역을 덮는 광전도 소자(PE; photoconductive element)에 기반할 수 있다(도 6 참조). 광 스위치 소자(14)가 접지에 연결된 포인트(9)와, 광 스위치 소자(14)가 전송 라인 세그먼트(4 및 6)에 연결된 포인트들 사이에는 유전체 갭이 존재할 수 있다.
PE는 적어도 두 가지 상태, 즉 제어 광속이 없을 때의 전기 전도도가 낮은 유전체 상태(스위치 OFF 상태)와 제어 광속이 있을 때의 비교적 전기 전도도가 높은 전도체 상태(스위치 상태)를 가질 수 있다.
광 스위치 소자(14)에 빛(13)이 가해지지 않을 때, PE는 스위치 소자들(7 및 8)이 꺼졌을 때의 커뮤테이터(100)의 상태 1과 동등한 유전체 상태(OFF)에 있다. 즉, 거의 손실없이 입력 포트(3)를 통해 커뮤테이터(200)에 도달하는 EM 파가 제1 출력 포트(1)로 전달된다.
광 스위치 소자(14)에 빛(13)이 가해질 때, PE는 전도성 상태(ON)에 있고, 이에 따라 제3 전송 라인 세그먼트(6)의 일단과 제1 출력 포인트(12)가 접지(9)로 단락되고, 이는 스위치 소자들(7 및 8)이 켜졌을 때의 커뮤테이터(100)의 상태 2와 동일하다. 결과적으로, 거의 손실없이 입력 포트(3)를 통해 커뮤테이터(200)에 도달하는 EM 파가 제2 출력 포트(2)로 전달된다.
본 개시의 일 실시예에서, 커뮤테이터(200)는 PCB 기술을 사용하여 마이크로스트립 라인(MSL)에 기반하여 만들어질 수 있다(도 7a 및 7b). 제1 및 제2 브랜치의 임피던스는 Z=Z0이고, 제3 브랜치의 임피던스는 Z0/2 인 것을 고려하면, 마이크로스트립의 폭은 Z1=Z2=2Z3의 조건에서 선택될 수 있다. 각 전송 라인 세그먼트의 길이는 1/4 파장(λ/4)이다. 마이크로스트립들(4 및 6)의 일단들 사이의 유전체 갭에 접지 포인트(9)가 위치되며, 이는 인쇄 회로 기판의 접지면과 연결하기 위한 접촉 패드일 수 있다. 접촉 패드(9)의 접지와의 연결은 금속 비아(15)를 하나(도 7a) 또는 여러 개(도 7b) 사용하여 수행될 수 있다. 마이크로스트립(4)의 일단의 접촉 패드(16), 마이크로스트립(6)의 일단의 접촉 패드(17), 및 접촉 패드(9)는 모두 광 도전 소자(PE)로 완전히 덮힐 수 있다. 접촉 패드들 사이의 간극은 단락 저항을 감소시키기 위해 가능한 작게 형성될 수 있다. 접촉 패드의 폭, 즉 측면 치수와 비아의 수를 증가시킴으로써, 단락의 면적을 증가시키고 저항을 감소시키는 것이 가능하여 커뮤테이터(200)의 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 8a 및 8b는 제3 브랜치의 임피던스를 제1 및 제2 브랜치의 임피던스의 절반과 동일하게 설정하는 것이 제안되는 이유를 설명하기 위해, 제3 브랜치의 입력 임피던스의 주파수 의존도에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 8a는 스위치 소자(들)가 열린 상태 1에 대한 그래프를 도시한다. 이 경우 제3 브랜치의 입력 임피던스는
Z in=Z 0 ctg(βL),
여기서 Z 0는 제3브랜치의 자체 임피던스,
L=λ/4는 제2 브랜치의 길이,
β=2π/λ는 전파 상수이다.
βL=π/2, ctg(π/2)=0이고, 열린 스위치 소자(들)에 대해 Z in=0이다. 그러나 이 조건은 중앙 동작 주파수에서만 참이다. 실제로는, 많은 응용 분야에서 특정 주파수 대역의 신호가 커뮤테이터를 통과해야 한다. 즉, βL 값은 βL=π/2±Δ 내에서 변화하고, 임피던스 Z in이 변화된다. 임피던스 Z 0가 클수록 임피던스 변화가 빨라진다. 이러한 패턴은 도 8a에서 볼 수 있는데, 여기서 Z 0'에 대한 그래프는 Z 0''에 대한 그래프보다 덜 평탄하다(Z 0' > Z 0''). 한편, 그래프가 평탄할수록, 즉 임피던스가 작을수록 동작 주파수 대역이 넓어진다. 다시 말해, Z 0''에 대한 차단 주파수의 차이는 Z 0'보다 크다. 즉, f 2''-f 1'' > f 2'-f 1'이다.
반면에, 스위치 소자(들)가 닫힌 상태 2(도 8b)의 경우, 제3 브랜치의 입력 임피던스는 다음과 같다.
Z in=Z 0 tg(βL),
그러므로 βL=π/2, tg(π/2)=∞이고, 닫힌 스위치 소자(들)에 대해 중앙 동작 주파수에서 Z in=∞이다. βL 값이 βL=π/2±Δ 내에서 변화하면, 임피던스 Z 0가 작을수록 임피던스 Z in이 더 빠르게 변화한다. 즉, 임피던스 Z 0가 클수록 동작 주파수 대역이 넓어진다.
이상에서 알 수 있듯이, 이 두 경우는 서로 반대이므로, 이들 사이의 절충으로 제3 라인의 최적 임피던스 값은 Z=Z 0/2이며, 이때 제1 출력 채널의 대역폭은 제2 출력 채널의 대역폭과 같게 된다.
본 개시의 일 실시예에서, 커뮤테이터(200)는 PCB 기술을 이용하여 공면 도파관(CPW; coplanar waveguide)에 기반하여 만들어질 수 있다(도 9a-9b). 도 9a에 도시된 것과 같이, 모든 전송 라인 세그먼트는 CPW 피더 라인으로 만들어질 수 있다. 이 경우, 공면 접지면(20)은 유전체 기판(24)상의 피더 라인과 동일한 평면에 위치하기 때문에 비아가 없다. PE(14)는 피더 라인들의 일단들의 접촉 영역들(18, 19)을 덮고, 스위치 ON 상태에서, 이들 접촉 영역들(18 및 19)을 갭(21)에 놓인 접지면(20)으로 단락시킨다. 이렇게 하여 PCB의 단 하나의 층 내에 커뮤테이터를 구현할 수 있게 된다. 이는 제조 기술을 단순화하고 커뮤테이터의 크기를 줄인다. 그러나, 이 경우 서로 다른 브랜치에서 동일하지 않은 전류 확산으로 인해 채널들 간에 위상 차이가 존재할 수 있다. 도 9b에 도시된 실시예는 접지된 공면 도파관(GCPW; grounded coplanar waveguide)에 기반하고, 여기서 피더 라인들의 주변에 피더 라인들을 따라 차폐 비아(22)들이 만들어지고, 차폐 비아들은 유전체 기판(24)을 통과하여 공면 접지면(20)을 하부 접지면(23)과 연결될 수 있다. 따라서 기생 누출파 및 경로 손실을 피할 수 있게 된다.
PE의 재료로서, 실리콘, InGaAs 등과 같은 다양한 유형의 반도체가 선택 될 수 있다. 재료의 전자 수명 τ는 광 스위치 소자의 스위칭 시간을 정의한다(t on and t off ~ τ). 이는 전자 충격 또는 이온 주입과 같은 광 도전 물질의 특수 처리로 감소시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 운반체 수명은 광학 출력에 반비례한다. 즉, P opt ~ 1/τ이다. 결과적으로 스위칭 시간을 줄이려면 더 많은 광 출력이 필요하고 에너지 소비가 증가한다. 광학 키의 전력 소비를 줄이는 역 문제는 PE 재질의 운반체 수명 시간을 늘림으로써 해결할 수 있다. 이는 PE 재질의 표면을 패시베이션하여, 즉 표면에 특수 코팅(예: Al 2O 3, SiO 2)을 적용하여 PE의 표면 결함을 평평하게 함으로써 성취할 수 있다.
광원으로는, 예를 들어 LED 또는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. PE에 빛을 공급하기 위한 다른 가능한 구현에서, 광섬유를 통한 광의 전송 또는 당업자가 이해하는 다른 실시예가 사용될 수 있다. PE 조명에는 연속 모드와 펄스 모드 등 다양한 조명 공급 모드를 사용할 수 있다. 펄스형 광 공급 모드에서는 더 적은 광 전력이 소비되므로 연속 모드에 비해 에너지 절약이 가능하다. 이 경우, 첫 번째 펄스의 지속 시간이 스위칭 소자를 ON 상태로 설정할 만큼 충분해야 하며, 그 후 스위칭 소자가 ON 상태를 유지해야 하는 기간 동안에는 광원이 꺼져 있을 때 운반체 농도가 크게 감소하는 시간을 갖지 못하도록 펄스 주기가 PE 재료 내에서의 운반체 수명 시간보다 작아야 하고, 펄스 지속 시간은 ON 상태를 완전히 복원하기에 충분해야 한다.
PCB 및 광 스위치 소자에서의 PE, 광원, 및 비아의 크기, 형상, 및 위치는 달라질 수 있다. 이들은 효율적인 스위칭, 설치에 대한 소자 배열의 용이성, 및 절연 요구사항을 위한 전류 흐름 영역 및 PCB의 구조에 의해 결정될 수 있다. 광원은 PE의 중심 위에 위치하거나 가장자리로 이동될 수 있다. 대상 장치의 목적에 따라, PE 및 광원의 기하학적 파라미터를 선택함으로써 스위칭 소자의 광학 전력 소비 및 ON/OFF 시간을 최적화할 수 있다. PE와 광원의 크기를 결정할 때 장치의 크기, 스위치 소자에 의해 소비되는 광학 전력, ON/OFF 시간, 및 대응되는 운반체 수명 및 확산 길이를 갖는 PE의 선택 사이의 절충점을 찾아야 한다. 이는 광원에 의해 조명되는 영역과 함께 소자에 의해 제공되는 전도 영역을 결정한다. 전송 라인 세그먼트의 유전체 길이 및 단락 저항의 최소화에 대한 요구 사항도 고려해야 한다.
그러므로, 커뮤테이터(200)는 단 하나의 스위치 소자(광 스위치 소자(14))와 단 하나의 제어 신호(광속(13))를 포함하며, 제어 회로는 커뮤테이터의 RF 포트로부터 분리되므로 디커플링 회로가 필요하지 않다. 이러한 커뮤테이터는 높은 주파수에서도 손실이 적으며 외부 구성 요소의 간섭에 영향을 받지 않는다. 또한 이러한 커뮤테이터는 다층 PCB를 포함하여 PCB의 원하는 위치에 쉽게 설치할 수 있다. 또한, 부품 수의 최소화로 인해 가격 절감 및 소형 장치로의 통합 가능성이 보장된다. 결과적으로, 밀리미터 범위의 기존 솔루션과 비교하여 단극 쌍투 커뮤테이터 설계를 더욱 단순화할 수 있고, 손실 및 가용 동작 주파수 측면에서 높은 성능을 보장할 수 있다.
집중 소자(lumped element)를 이용한 커뮤테이터
도 10은 본 개시의 일 실시예에 의한 집중 소자에 기반한 단극 쌍투 커뮤테이터의 구성을 도시한 도면이다. 여기서, 전송 라인 세그먼트는 접지에 연결된 집중 소자 L(인덕턴스) 및 C(커패시턴스)를 포함할 수 있다. 하나의 전송 라인 세그먼트에 포함된 집중 소자 그룹의 역할은 λ/4, 즉 90도의 위상 천이를 제공하는 것이다. 이러한 방식은 커뮤테이터의 크기를 줄이고 칩에 통합할 뿐만 아니라 λ/4 라인의 사용이 그 크기 때문에 불가능하거나 어려운 저주파수 범위에서의 사용 영역을 확장할 수 있다.
단극 다투 커뮤테이터
예를 들어, 여러 개의 단극 쌍투 커뮤테이터(100 또는 200)를 결합하되, 이들이 동일한 입력 포트를 가지고, 하나의 단극 쌍투 커뮤테이터의 제2 브랜치가 동시에 그에 인접한 단극 쌍투 커뮤테이터의 제1 브랜치가 되도록 함으로써 단극 다투 커뮤테이터(300)를 얻을 수 있다. 이러한 방식으로 구현된 SP3T(single-pole three-throw) 커뮤테이터의 예가 도 11에 나와 있다. 표시된 SP3T 커뮤테이터의 제어 방법은 표 1과 같다.
Output port with signal Switching element 1 Switching element 2
1 OFF OFF
2 ON OFF
3 ON ON
여기서 보듯이, 이 접근법에서 제어 신호의 수는 채널 수보다 1이 적으며, 위의 경우 3 개의 채널에 대해 2 개의 제어 신호가 있다. 광 스위치 소자를 사용하는 경우, 스위치 소자의 개수도 1 감소한다. 또한 이 방법은 여전히 매우 간단하며 디커플링 회로가 필요하지 않다.
도 12a 및 12b는 4.5GHz ± 0.5GHz 주파수에서 이 단극 3투 커뮤테이터의 S 파라미터에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 즉, 도 12a는 출력 포트 1 내지 3 각각에 신호가 공급될 때 입력 포트로 되돌아가는 웨이브의 반사 계수(S44)의 그래프를 도시하고, 도 12b는 입력 포트로부터 활성 출력 포트 x로의 투과 계수(Sx4) 및 나머지 비활성화 출력 포트 y로의 투과 계수(Sy4)의 그래프를 도시한다. 표시된 그래프에서 볼 수 있듯이 필요한 출력 포트 x로 전체 신호가 전달되는 반면(Sx4 > -0.4dB), 입력 포트에서 반사되는 신호와 다른 출력 포트로 전달되는 신호는 없다(Sy4 < - 50 dB, S44 < -30 dB).
단극 쌍투 커뮤테이터에 기반한 단극 다투 커뮤테이터의 다른 실시예는 도 13a에 도시된 바와 같이 이들을 이진 방식으로 직렬로 연결하는 것으로 구성된다. 전 단계의 단극 쌍투 커뮤테이터의 출력 포트는 동시에 다음 단계의 단극 쌍투 커뮤테이터의 입력 포트가 된다. 반사를 최소화하고 신호가 동상에서 다음 단극 쌍투 커뮤테이터로 전달되도록 하기 위해 이전 커뮤테이터의 출력 포인트(10 또는 12)에서 다음 커뮤테이터의 입력 포인트(11)까지의 거리(브랜치 포인트 사이의 전송 라인 길이)가 λ/4일 수 있다. 도 13b는 이러한 커뮤테이터에서 RF 신호를 출력 포트 2로 전달하는 예를 도시한 도면이다. 이 경우 단지 하나의 스위치 소자만 ON 상태로 유지하면 된다. 전술한 실시예에서와 같이, 이 SPnT 커뮤테이터는 매우 간단하고, 디커플링 회로를 필요로 하지 않으며, 종래의 솔루션보다 적은 제어 신호를 필요로 한다.
더욱이, 일반적인 경우에, SPnT 커뮤테이터 채널의 수가 N=2 n일 때 임의의 채널에 RF 신호를 공급하기 위해 n 개의 스위치 소자를 ON 상태로 유지해야 하는 공지의 이진 접근법(도 14A 참조)과 달리, 제안된 SPnT 커뮤테이터는 채널 N에 신호가 적용되는 극단적인 경우에만 n개의 스위치 소자의 ON 상태를 필요로 하며(도 14B 참조), 채널 1에 신호를 공급할 때는 ON 상태의 스위치 소자가 전혀 필요하지 않다. 채널 2 내지 N-1의 경우, 1개 내지 (log 2N - 1)개의 ON 상태의 스위치 소자가 필요하다(예를 들어, 도 13b 참조). 즉, 이러한 커뮤테이터는 제어 전력 소비 및 복잡성이 크게 감소된다.
이러한 실시예에서 단극 쌍투 커뮤테이터(100, 200)와 단극 다투 커뮤테이터(300)가 모두 사용될 수 있다. 또한, 단극 다투 커뮤테이터의 일부로서, 본 개시에서 제안한 것과 다른 설계의 커뮤테이터를 사용할 수도 있다. 따라서, 일반적인 경우에, 이 실시예는 다음과 같이 설명될 수 있다: 단극 다투 커뮤테이터는 복수의 구성 커뮤테이터를 포함하고, 복수의 구성 커뮤테이터는 적어도 하나의 단극 쌍투 커뮤테이터(100, 200) 및/또는 적어도 하나의 단극 다투 커뮤테이터(300)를 포함하며, 각 구성 커뮤테이터의 각 출력 포트는 당해 단극 다투 커뮤테이터의 출력 포트 또는 후속 구성 커뮤테이터의 입력 포트가 된다.
본 개시의 제1 양태에 따르면, 단극 쌍투 커뮤테이터가 제공되며, 상기 커뮤테이터는 입력 포트, 제1 및 제2 출력 포트, 단부들이 입력 포트 및 제1 출력 포트에 연결된 제1 전송 라인 세그먼트, 단부들이 입력 포트 및 제2 출력 포트에 연결된 제2 전송 라인 세그먼트, 일단이 상기 제2 전송 라인 세그먼트가 상기 제2 출력 포트에 연결되는 포인트에 연결된 제3 전송 라인 세그먼트, 및 일단이 서로 연결된 2 개의 대향 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 제1 스위칭 소자의 자유 단부는 상기 제1 전송 라인 세그먼트가 상기 제1 출력 포트에 연결된 포인트에 연결되고, 제2 스위칭 소자의 자유 단부는 제3 전송 라인 세그먼트의 타단에 연결되고, 스위칭 소자들은 그들의 상호 접속 포인트에서 접지에 연결되고, 스위칭 소자들은 동일한 제어 신호에 의해 제어되도록 구성되며, 각 전송 라인 세그먼트는 커뮤테이터를 통과하는 신호의 1/4 파장과 같은 전기적 길이를 갖는다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 라인 세그먼트 각각의 임피던스는 제3 전송 라인 세그먼트의 임피던스의 2 배일 수 있다.
일 실시예에서, 각 스위칭 요소의 제1 또는 제3 전송 라인 세그먼트와의 접속 포인트로부터 접지까지의 전기적 길이는 커뮤테이터를 통과하는 신호의 1/4 파장보다 훨씬 작을 수 있다.
일 실시예에서, 스위칭 소자는 PIN 다이오드, MEMS 소자, 및/또는 광학 스위칭 소자일 수 있다.
일 실시예에서, 전송 라인 세그먼트는 직선 형태, 둥근 형태, 및/또는 구불구불한 형태로 만들어질 수 있다.
일 실시예에서, 전송 라인 세그먼트는 마이크로 스트립 전송 라인, 공면 도파관, 접지된 공면 도파관, 및/또는 집중 유도 및 용량성 소자에 기초하여 만들어질 수 있다.
일 실시예에서, 2 개의 스위칭 소자는 그들의 제1 및 제3 전송 라인 세그먼트와의 접속 포인트 사이의 전체 갭을 커버하는 광도전성 소자(PE)에 기초하여 단일 광 스위칭 소자로 설계되며, 여기서 상기 광학 스위칭 소자의 상기 접속 포인트 사이 PE 아래에 이 포인트들을 접지와의 연결 포인트에서 분리하기 위해 만들어진 유전체 갭이 있을 수 있다.
일 실시예에서, 광 스위칭 소자의 접지와의 접속 포인트는 하나 이상의 금속 비아에 의해 접지에 연결된 전도성 접촉 패드로 만들어질 수 있다.
일 실시예에서, 광 스위칭 소자의 제1 및 제3 전송 라인 세그먼트와의 연결 포인트는 전도성 접촉 패드로 만들어지며, 여기서 접촉 패드의 폭은 전송 라인 세그먼트의 폭보다 클 수 있다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 단극 N투 커뮤테이터가 제공되고, 상기 커뮤테이터는 N-1개의 인접한 상기 제1 양태에 기재된 단극 쌍투 커뮤테이터를 포함하고, N은 3이상의 자연수이고, 모든 단극 쌍투 커뮤테이터는 동일한 입력 포트를 가지며, 인접한 단극 쌍투 커뮤테이터의 각 쌍에 대해 하나의 단극 쌍투 커뮤테이터의 제1 또는 제2 전송 라인 세그먼트는 동시에 그에 인접한 단극 쌍투 커뮤테이터의 제2 또는 제1 전송 라인 세그먼트일 수 있다.
본 개시의 제3 양태에 따르면, 단극 다투 커뮤테이터가 제공되며, 상기 커뮤테이터는 입력 포트, N 개의 출력 포트, 및 복수의 구성 커뮤테이터를 포함하고, N은 3 이상의 자연수이고, 상기 복수의 구성 커뮤테이터는 적어도 하나의 상기 제1 양상에 기술된 단극 쌍투 커뮤테이터 및/또는 적어도 하나의 상기 제2 양태에 기술된 단극 다투 커뮤테이터를 포함하고, 각 구성 커뮤테이터의 출력 포트는 당해 단극 다투 커뮤테이터의 출력 포트이거나 후속 구성 커뮤테이터의 입력 포트일 수 있다.
일 실시예에서, 후속 구성 커뮤테이터의 각 입력 포트는 커뮤테이터를 통과하는 신호의 1/4 파장과 동일한 전기적 길이를 갖는 전송 라인 세그먼트에 의해 이전 구성 커뮤테이터의 대응하는 출력 포트에 연결될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 스위치 장치(100, 200, 300)는 입력 포인트(11), 제1 출력 포인트(12), 제2 출력 포인트(10)를 포함할 수 있다. 스위치 장치는 입력 포인트(11)와 제1 출력 포인트(12)를 연결하는 제1 전송 라인(4) 및 입력 포인트(11)와 제2 출력 포인트(10)를 연결하는 제2 전송 라인(5)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 전송 라인(4)의 일단은 입력 포인트(11)에 연결되고 타단은 제1 출력 포인트(12)에 연결될 수 있으며, 제2 전송 라인(5)의 일단은 입력 포인트(11)에 연결되고 타단은 제2 출력 포인트(10)에 연결될 수 있다.
스위치 장치는 제1 출력 포인트(12)에 연결되는 스위치부(14)를 포함할 수 있다. 스위치부(14)는 제1 출력 포인트(12)에 직접 연결되거나, 극히 짧은 전송 라인, 즉 동작 파장에 비해 훨씬 짧은 전송 라인을 통해 연결될 수 있다. 스위치 장치는, 일단이 스위치부(14)에 연결되고 타단이 제2 출력 포인트(10)에 연결되는 제3 전송 라인(6)을 포함할 수 있다. 즉, 스위치부(14)는 일단이 제1 출력 포인트(12)에 연결되고 타단이 제3 전송 라인(6)에 연결될 수 있다.
제3 전송 라인(6)은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 여기서 90도는 실질적 90도를 포함할 수 있다. 제3 전송 라인(6)은 길이가 동작 파장의 1/4인 저항성 라인으로 만들어져 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 제3 전송 라인(6)은 리액턴스부를 포함함으로써 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 리액턴스부는 집중소자인 인턱턴스 및/또는 커패시턴스를 포함할 수 있다. 집중소자는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
스위치부(14)는 하나의 제어 신호에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 제어될 수 있다. 스위치부(14)는 오프 상태에서 제1 출력 포인트(12) 및 제3 전송 라인(6)의 일단을 각각 오픈시킬 수 있다. 스위치부(14)는 제1 출력 포인트(12) 또는 제3 전송 라인(6)의 일단을 직접 오픈시키거나, 극히 짧은 거리, 즉 동작 파장에 비해 훨씬 짧은 거리에서 오픈시킬 수 있다. 스위치부(14)는 온 상태에서 제1 출력 포인트(12) 및 제3 전송 라인(6)의 일단을 각각 접지시킬 수 있다. 스위치부(14)는 제1 출력 포인트(12) 또는 제3 전송 라인(6)의 일단을 직접 접지시키거나, 극히 짧은 거리, 즉 동작 파장에 비해 훨씬 짧은 거리에서 접지시킬 수 있다.
제1 전송 라인(4) 및 제2 전송 라인(5) 각각은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 제1 전송 라인(4)과 제2 전송 라인(5)의 임피던스는 서로 동일할 수 있다. 여기서 동일은 실질적 동일을 포함할 수 있다. 제1 전송 라인(4)의 임피던스는 제3 전송 라인(6)의 임피던스의 두 배일 수 있다. 여기서 두 배는 실질적 두 배를 포함할 수 있다.
스위치부(14)는, 접지 포인트(9), 제1 출력 포인트(12)와 접지 포인트(9)를 연결하는 제1 스위치 소자(7), 및 접지 포인트(9)와 제3 전송 라인(6)의 일단을 연결하는 제2 스위치 소자(8)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 스위치 소자(7)는 일단이 제1 출력 포인트(12)에 연결되고 타단이 접지 포인트(9)에 연결될 수 있으며, 제2 스위치 소자(8)는 일단이 접지 포인트(9)에 연결되고 타단이 제3 전송 라인(6)의 일단에 연결될 수 있다. 제1 스위치 소자(7)와 제2 스위치 소자(8)의 길이는 동작 파장의 길이에 비해 훨씬 짧을 수 있다. 접지 포인트(9)는 비아(15)를 통해 접지될 수 있으며, 공면 접지면(20)에 연결되어 접지될 수 있다. 하나의 제어 신호(13)에 의해 제1 스위치 소자(7) 및 제2 스위치 소자(8)가 동시에 온 상태 또는 오프 상태로 제어될 수 있다. 여기서 동시는 실질적 동시를 포함할 수 있다.
제어 신호(13)는 광신호일 수 있다. 스위치부(14)는 제1 출력 포인트(12) 및 제3 전송 라인(6)과 떨어져 있는 접지 포인트(9)를 포함하고, 제1 출력 포인트(12), 접지 포인트(9), 및 제3 전송 라인(6)의 일단을 연결하는 광도전 소자를 포함할 수 있다. 따라서 광신호(13)에 따라 제1 출력 포인트(12), 접지 포인트(9), 및 제3 전송 라인(6)의 일단이 서로 전기적으로 연결되거나 끊어질 수 있다. 접지 포인트(9)는 비아(15)를 통해 접지될 수 있으며, 공면 접지면(20)에 연결되어 접지될 수 있다. 접지 포인트(9)와 제1 출력 포인트(12) 또는 제3 전송 라인(6) 간의 거리는 동작 파장의 길이에 비해 훨씬 짧을 수 있다.
제3 전송 라인(6)은 평면 전송 라인(planar transmission line)일 수 있다. 접지 포인트(9)의 폭은 제3 전송 라인(6)의 폭보다 크고, 제3 전송 라인(6)의 일단(17)의 폭이 접지 포인트(9)의 폭과 동일하게 확장될 수 있다. 여기서 동일은 실질적 동일을 포함할 수 있다. 접지 포인트(9)는 폭이 길이보다 크고, 폭 방향으로 나열된 복수의 접지 비아(15)들에 연결될 수 있다.
스위치 장치는 제3 출력 포인트(25), 입력 포인트(11)와 제3 출력 포인트(25)를 연결하는 제4 전송 라인(26), 제2 출력 포인트(10)에 연결되는 제2 스위치부(27), 일단이 제2 스위치부(27)에 연결되고 타단이 제3 출력 포인트(25)에 연결되는 제5 전송 라인(28)을 더 포함할 수 있다. 제5 전송 라인(28)은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 제2 스위치부(27)는, 하나의 제어 신호에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고, 오프 상태에서 제2 출력 포인트(10) 및 제5 전송 라인(28)을 각각 오픈시키고, 온 상태에서 제2 출력 포인트(10) 및 제5 전송 라인(28)을 각각 접지시킬 수 있다.
제4 전송 라인(26)의 임피던스는 제2 전송 라인(5)의 임피던스와 동일하고, 제5 전송 라인(28)의 임피던스의 두 배일 수 있다. 제4 전송 라인(26)은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 단극 다투 스위치 장치는, 제1 스위치 장치, 제2 스위치 장치, 및 제3 스위치 장치를 포함하고, 제1 스위치 장치, 제2 스위치 장치, 및 제3 스위치 장치는 각각 전술한 스위치 장치 중 어느 하나, 예를 들어 스위치 장치(100), 스위치 장치(200), 또는 스위치 장치(300)일 수 있다. 스위치 장치는 제1 스위치 장치의 제1 출력 포인트와 제2 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제 6 전송 라인 및 제1 스위치 장치의 제2 출력 포인트와 제3 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제7 전송 라인을 포함할 수 있다. 제6 전송 라인 및 제7 전송 라인 각각은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시킬 수 있다.
지금까지 본 개시에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 개시를 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 이러한 실시예들을 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 비록 본 명세서에 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 개시의 개념을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 하며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 개시된 모든 구성요소를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 입력 포인트;
    제1 출력 포인트;
    제2 출력 포인트;
    상기 입력 포인트와 상기 제1 출력 포인트를 연결하는 제1 전송 라인;
    상기 입력 포인트와 상기 제2 출력 포인트를 연결하는 제2 전송 라인;
    상기 제1 출력 포인트에 연결되는 스위치부;
    일단이 상기 스위치부에 연결되고 타단이 상기 제2 출력 포인트에 연결되는 제3 전송 라인을 포함하며,
    상기 제3 전송 라인은 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키고,
    상기 스위치부는,
    하나의 제어 신호에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고,
    상기 오프 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 오픈시키고,
    상기 온 상태에서 상기 제1 출력 포인트 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 각각 접지시키는, 스위치 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전송 라인의 길이는 동작 파장의 1/4인, 스위치 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전송 라인은 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이가 발생되도록 하는 리액턴스부를 포함하는, 스위치 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송 라인 및 상기 제2 전송 라인 각각은,
    상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키는, 스위치 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송 라인과 상기 제2 전송 라인의 임피던스는 서로 동일하고 상기 제3 전송 라인의 임피던스의 두 배인, 스위치 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    접지 포인트;
    상기 제1 출력 포인트와 상기 접지 포인트를 연결하는 제1 스위치 소자; 및
    상기 접지 포인트와 상기 제3 전송 라인의 일단을 연결하는 제2 스위치 소자를 포함하고,
    상기 하나의 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제2 스위치 소자가 동시에 온 상태 또는 오프 상태로 제어되는, 스위치 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 제어 신호는 광신호인, 스위치 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    접지 포인트; 및
    상기 제1 출력 포인트, 상기 접지 포인트, 및 상기 제3 전송 라인의 상기 일단을 연결하는 광도전 소자를 포함하는, 스위치 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 전송 라인은 평면 전송 라인이며,
    상기 접지 포인트의 폭은 상기 제3 전송 라인의 폭보다 크고,
    상기 제3 전송 라인의 상기 일단의 폭은 상기 접지 포인트의 폭과 동일하게 확장되는, 스위치 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접지 포인트는,
    폭이 길이보다 크고, 폭 방향으로 나열된 복수의 접지 비아들에 연결되는, 스위치 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 장치는 공면 도파관(CPW)에 기반하여 구현되고,
    상기 접지 포인트는 공면 접지면에 연결되는, 스위치 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 장치는 접지된 공면 도파관(GCPW)에 기반하여 구현되고,
    상기 접지 포인트는 공면 접지면에 연결되고,
    상기 제1 전송 라인, 상기 제2 전송 라인, 및 상기 제3 전송 라인 각각의 주변에 차폐 비아들이 배열되고,
    상기 차폐 비아들은 상기 공면 접지면을 하부 접지면에 연결시키는, 스위치 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    제3 출력 포인트;
    상기 입력 포인트와 상기 제3 출력 포인트를 연결하는 제4 전송 라인;
    상기 제2 출력 포인트에 연결되는 제2 스위치부;
    일단이 상기 제2 스위치부에 연결되고 타단이 상기 제3 출력 포인트에 연결되는 제5 전송 라인을 더 포함하며,
    상기 제5 전송 라인은 상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키고,
    상기 제2 스위치부는,
    하나의 제어 신호에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 제어되고,
    상기 오프 상태에서 상기 제2 출력 포인트 및 상기 제5 전송 라인을 각각 오픈시키고,
    상기 온 상태에서 상기 제2 출력 포인트 및 상기 제5 전송 라인을 각각 접지시키는, 스위치 장치.
  14. 제1 스위치 장치;
    제2 스위치 장치; 및
    제3 스위치 장치를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 스위치 장치 각각은 제1항에 의한 스위치 장치이고,
    상기 제1 스위치 장치의 제1 출력 포인트와 상기 제2 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제 6 전송 라인; 및
    상기 제1 스위치 장치의 제2 출력 포인트와 상기 제3 스위치 장치의 입력 포인트를 연결하는 제7 전송 라인을 포함하는 스위치 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제6 전송 라인 및 상기 제7 전송 라인 각각은,
    상기 동작 주파수의 신호 전달 시 90도 위상 천이를 발생시키는, 스위치 장치.
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