KR100366299B1 - 초고주파 아날로그 위상 변위기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고주파 신호의 위상을 360도 변화시킬 수 있는 아날로그 위상 변위기에 관한 것이다. 본 발명에서 제안된 위상 변위기는 초고주파 기판 위에 구현된 하이브리드 커플러와 바랙터 다이오드 회로로 구성된 반사형 위상 변위기이다. 즉, 전압에 따라 바랙터의 캐패시턴스 값이 변하는 특성을 이용하여 전달 신호의 위상을 변화시킨다. 기존의 반사형 위상 변위기에 비해 효과적으로 더욱 큰 위상 변화를 얻기 위해 전송로 저항과 부하회로의 입력 정합 저항을 요구하는 설계식을 제시한다. 그리고 위상을 변화시키기 위해 가변하는 전압에 따른 삽입손실 값의 변동을 줄이기 위해 보상저항을 사용한다. 360도 이상의 위상 변위를 얻기 위해서 두 가지 회로를 제시하였는데 하나는 2단 하이브리드 결합기를 사용한 것이고 다른 하나는 1단 하이브리드 결합기를 사용하여 소형화한 것이다. 모두 4개의 바랙터 회로가 필요하다. 이러한 위상 변위기는 기가비트급 광통신시스템에서 데이터 신호를 수신하여 데이터를 재생하는 회로로 사용될 수 있고 위상 배열 안테나 및 MMIC 위상 변위기 등에도 응용될 수 있다.

Description

초고주파 아날로그 위상 변위기 { Analog Phase Shifter Using Hybrid Coupler and Varactor Diode Circuit }

본 발명은 초고주파 신호의 위상을 전압 조정에 의해 연속적으로 360도 이상 변화시킬 수 있는 아날로그 위상 변위기에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 초고주파 기판 위에 구현된 하이브리드 커플러와 바랙터 다이오드 회로로 구성된 반사형 초고주파 아날로그 위상 변위기에 관한 것이다.

수 내지 수십 GHz의 초고주파 대역 신호의 위상을 변화시키는 위상 변위기는 일반적으로 디지털 방식과 아날로그 방식으로 나뉜다. 디지털 방식은 부피가 크고재료비가 많기 때문에, 아날로그 방식이 많이 연구되어 왔다. 대부분 아날로그 방식은 바랙터 다이오드 회로를 사용하여 구현되는데, 아날로그 방식의 초고주파 위상 변위기의 경우, 360도 위상 변화와 작은 삽입손실 등의 특성을 구현할 필요성이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 것으로서, 바랙터 다이오드 회로와 90도 하이브리드 커플러를 보다 효과적으로 정합시켜 소형화하고, 360도 위상변화가 가능하며 위상변화에 따른 삽입 손실의 변동폭을 감소시키기 위한 것이기도 하다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초고주파 아날로그 2단 위상 변위기는, 2개의 180도 위상 변위기를 2단으로 연결하고,상기 각 180도 위상 변위기는 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상 간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와; 상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 바랙터 다이오드에 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터에 병렬 접속된 보상저항을 포함하고,상기 하이브리드 커플러의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로 사이의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2 값보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초고주파 아날로그 1단 위상 변위기는, 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와;상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 2개의 바랙터 회로에 각각 직렬 연결된 2개의 1/4 전송선로와, 상기 2개의 1/4 전송선로에 각각 직렬 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로를 포함하고,상기 바랙터 회로는 상기 바랙터 다이오드와 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터와 병렬 접속된 보상저항을 더 포함하며,상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자 사이의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력단자와 고립단자 사이의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2값보다 작은 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "초고주파 아날로그 위상 변위기"를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다. 이는 90도 하이브리드 커플러(11)와 바랙터 회로(10)로 이루어진 180도 위상 변위기를 2단으로 연결하여 360도 변위를 얻기 위한 회로이다. 바랙터 회로(10)는 바랙터 다이오드(12), 인덕터(13), 그리고 보상저항(14)으로 구성된다. 이 바랙터 다이오드(12)에 인가되는 전압이 조정전압(16)으로서, 그 크기에 따라 바랙터 회로의 캐패시턴스가 변화한다.

90도 하이브리드 커플러(11)는 초고주파 회로에서 널리 사용되는 회로로써 입력단자(17)에 신호가 인가되면 입사된 신호의 파워가 절반으로 나뉘어져 결합단자(coupled port)(18)와 전달단자(through port)(15)로 출력되고, 고립단자(isolated port)(19)로는 아무런 신호도 출력되지 않는다. 하지만, 도 1에서는 결합단자(18)와 전달단자(15)에 바랙터 회로가 연결되어 있기 때문에, 이 단자들로부터는 신호가 반사되어 재결합된 후 고립단자(19)로 출력된다. 이때 반사되는 신호의 위상은 바랙터 회로의 리액턴스 값에 따라 변한다. 따라서, 조정전압(16)을 가변하여 바랙터 다이오드(12)의 캐패시턴스 값을 조정하면 고립단자로 반사되는 신호의 위상을 원하는 값으로 맞출 수 있다. 여기서 한 가지 주의할 점은 위상의 변화는 바랙터 다이오드(12)의 캐패시턴스 외에도 하이브리드 결합기(11)의 특성 임피던스와 관계가 있다는 것이다.본 발명의 실시예에서, 하이브리드 결합기의 입력단자(17)와 고립단자(19) 사이의 임피던스를 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Z0), 전달단자(15)와 결합단자(18) 사이의 임피던스를 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)라고 하고, 하이브리드 결합기와 바랙터 회로(10) 사이의 임피던스를 전송로 임피던스(Z2)라고 한다.

그 동안의 발표된 자료에서 하이브리드 결합기의 특성 임피던스(Z3)는 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Z0)의 1/2이었다. 하지만 본 발명에서는 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)를 입력 임피던스(Z0) 의 절반으로 제한하지 않고 그 보다 큰 값으로 최적화하여 소형화한다.

설계 방법은, 우선 조정전압 범위에서 바랙터 회로의 캐패시턴스 변화에 의한 리액턴스 변화폭이 2 ΔX 인 경우, 단락 마이크로 스트립 전송선 혹은 인덕터(13)를 이용하여 직렬 공진회로를 구성하여, 바랙터 회로의 리액턴스가 조정전압의 변화에 따라 (-ΔX, ΔX)의 범위에서 변하도록 한다. 이때, 위상 변화폭은 전송선 임피던스(Z2)와, 반사를 위한 바랙터 부하회로 전체에 대한 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)에 의해 수학식 1과 같이 결정된다.

전송선 임피던스(Z2)를 ΔX 보다 작게 하고, 하이브리드 결합기의 정합 임피던스(Z3)는 입력 임피던스(Z0)의 1/2보다 큰 값으로 증가시킴으로써 180도 이상의 위상 변화폭을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 위상 변위기를 두 개 연결하면, 360도 위상 변위기를 구현할 수 있다. 바랙터 회로의 전송선의 길이는 원하는 주파수에 따라 조정한다.

한편, 바랙터 다이오드 회로에서 바랙터를 두 개 사용하면 위상변화를 두 배로 늘릴 수 있다. 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 1단 초고주파 아날로그 위상 변위기의 구성도이다. 도 2에서와 같이, 1/4 전송 선로(21)를 첨부하고 전송 선로(21)의 양 끝에 바랙터 회로를 연결한다. 이렇게 하면 1 단의 하이브리드 커플러만으로도 360 도 위상 변위를 얻을 수 있다. 물론 두 배의 위상 변위에 따라 삽입손실도 2배로 커진다.

한편, 실제 바랙터 다이오드는 내부에 캐패시터 외에 저항성분을 가지고 있어 이로부터 삽입손실을 가져오며 또한 바이어스 전원에 따른 삽입손실의 변동도 준다. 이러한 바랙터 다이오드의 내부 저항으로 인한 삽입손실의 변동을 보상하기 위해서 바렉터 다이오드와 병렬로 보상저항(14)을 달아준다. 이 보상저항(14)으로 인하여, 삽입손실이 커지는 단점이 있지만 변동량을 최소화시키기 때문에 안정되게 사용할 수 있다. 이때 저항값은 입출력 단자 및 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Zo)와 바랙터 다이오드의 저항 성분(Rs) 에 의해 수학식 2와 같이 결정된다.

R = Zo²/Rs

위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 광통신시스템에서 데이터를 수신할 때 추출된 클럭으로 데이터를 판별하는 과정에서 적절한 판별 위상을 갖도록 클럭 위상을 조정하고 동시에 추출된 클럭이 다음 단계의 회로의 기준 클럭으로 사용될 경우 출력 데이터와 적절한 위상 관계를 갖도록 출력 클럭 위상을 조정하는 용도로 응용될 수 있다. 또한, 위상 배열 안테나에서도 응용이 가능하며, 위상 변위기의 크기가 작기 때문에 MMIC 으로도 구현될 수 있다.

Claims (4)

1. 2개의 180도 위상 변위기를 2단으로 연결하고,

   상기 각 180도 위상 변위기는 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상 간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와; 상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 바랙터 다이오드에 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터에 병렬 접속된 보상저항을 포함하고,

   상기 하이브리드 커플러의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로 사이의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2 값보다 작은 것을 특징으로 하는 초고주파 아날로그 위상 변위기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상저항은,

   상기 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Zo)의 제곱에 비례하고 상기 바랙터 다이오드의 저항성분(Rs)에 반비례하는 것을 특징으로 하는 초고주파 아날로그 위상 변위기.
3. 입력단자와 결합단자와 전달단자 및 고립단자가 90도 위상간격으로 형성된 90도 하이브리드 커플러와;

   상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자에 각각 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로와, 상기 2개의 바랙터 회로에 각각 직렬 연결된 2개의 1/4 전송선로와, 상기 2개의 1/4 전송선로에 각각 직렬 연결되며 각각 바랙터 다이오드를 포함하는 2개의 바랙터 회로를 포함하고,

   상기 바랙터 회로는 상기 바랙터 다이오드와 직렬 연결된 인덕터와, 상기 바랙터 다이오드 및 인덕터와 병렬 접속된 보상저항을 더 포함하며,

   상기 하이브리드 커플러의 결합단자와 전달단자 사이의 정합 임피던스(Z3)는 상기 하이브리드 커플러의 입력단자와 고립단자 사이의 입력 임피던스(Z0)의 1/2 값보다 크고, 상기 하이브리드 커플러와 바랙터 회로의 전송선 임피던스(Z2)는 상기 바랙터 다이오드의 리액턴스 변화량의 1/2값보다 작은 것을 특징으로 하는 초고주파 아날로그 위상 변위기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보상저항은,

   상기 하이브리드 결합기의 입력 임피던스(Zo)의 제곱에 비례하고 상기 바랙터 다이오드의 저항성분(Rs)에 반비례하는 것을 특징으로 하는 초고주파 아날로그 위상 변위기.