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KR101206511B1 - Compact analog phase shifter - Google Patents

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KR101206511B1
KR101206511B1 KR1020110021711A KR20110021711A KR101206511B1 KR 101206511 B1 KR101206511 B1 KR 101206511B1 KR 1020110021711 A KR1020110021711 A KR 1020110021711A KR 20110021711 A KR20110021711 A KR 20110021711A KR 101206511 B1 KR101206511 B1 KR 101206511B1
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phase shifter
inductor
phase
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varactor
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염경환
오현석
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충남대학교산학협력단
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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    • H05K1/165Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed inductors

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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

본 발명은 소형 아날로그 위상 천이기에 관한 것으로, 직렬로 연결되는 한 쌍의 커패시터, 상기 한 쌍의 커패시터에 병렬로 연결되는 제 1인덕터, 상기 한 쌍의 커패시터 사이의 노드와 기저전위라인 사이에 연결되는 제 2인덕터를 구비하는 전역 통과 회로망으로 구비되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 소형 아날로그 위상 천이기를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 2 GHz에서 전역 통과 회로망을 이용해 소형의 위상 천이기를 설계 제작하고, 소형 위상 천이기를 구성하기 위해 새로운 형태의 인덕터를 이용해서 바이어스 회로를 통합된 구조로 구성하여 전압에 대한 선형 위상 천이 특성을 갖도록 위상 가변소자인 버랙터의 비선형성을 개선할 수 있다.
The present invention relates to a small analog phase shifter, comprising a pair of capacitors connected in series, a first inductor connected in parallel to the pair of capacitors, and a node between the pair of capacitors and a ground potential line connected to each other. The structure provided with the all-pass network provided with a 2nd inductor is provided.
By using such a small analog phase shifter, the present invention designs and manufactures a small phase shifter using an all-pass network at 2 GHz, and integrates a bias circuit using a new type of inductor to construct a small phase shifter. The nonlinearity of the varactor, which is a phase variable element, can be improved to have a linear phase shift characteristic with respect to the voltage.

Description

소형 아날로그 위상 천이기{COMPACT ANALOG PHASE SHIFTER}Compact Analog Phase Shifter {COMPACT ANALOG PHASE SHIFTER}

본 발명은 소형 아날로그 위상 천이기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전압에 대해 선형 위상 천이 특성을 갖는 소형 아날로그 위상 천이기에 관한 것이다.The present invention relates to a small analog phase shifter, and more particularly, to a small analog phase shifter having a linear phase shift characteristic with respect to voltage.

위상 천이기는 원하는 주파수대역에서 저손실로 전달 특성의 통과위상을 변화시키는 회로이다. 위상 천이기는 위상 천이의 방법에 따라 디지털형과 아날로그형으로 구분된다.The phase shifter is a circuit that changes the pass phase of the transfer characteristic with low loss in the desired frequency band. Phase shifters are classified into digital and analog types according to the method of phase shift.

디지털형은 비트단위로 이산된 위상 천이를 발생시키는 회로로서, 위상배열 안테나 및 레이더 등에 널리사용된다. 이산 위상 천이기는 스위칭소자인 PIN 다이오드나 쇼트키(Schottky) 다이오드 등을 사용하며, 이들을 하이브리드나 로드라인에 결합시켜 구현한다. The digital type is a circuit for generating discrete phase shifts in bits and is widely used for phased array antennas and radars. Discrete phase shifters use PIN diodes or Schottky diodes, which are switching devices, and combine them with hybrids or load lines.

반면, 아날로그형 위상 천이기는 전압에 대한 가변 커패시턴스를 가지는 버랙터(varactor) 다이오드를 이용하며, 연속적인 위상 천이를 가진다. 기존의 이러한 아날로그형 위상 천이기 구현은 이산형 위상 천이기와 유사하게 버랙터 다이오드를 하이브리드나 로드라인에 결합하여 구성한다. 그러나 2 GHz 대역에서 한 파장은 15cm에 상당하며, 또한 하이브리드나 로드라인 회로 등은 약 40mm의 길이를 갖는1/4 파장 전송선로를 이용하여 구성된다. On the other hand, the analog phase shifter uses a varactor diode having a variable capacitance to voltage, and has a continuous phase shift. Conventional analog phase shifter implementations combine varactor diodes with hybrid or load lines, similar to discrete phase shifters. However, in the 2 GHz band, one wavelength is equivalent to 15 cm, and hybrid or load line circuits are constructed using 1/4 wavelength transmission lines having a length of about 40 mm.

따라서 하이브리드나 로드라인 회로를 이용한 위상 천이기의 크기는 적어도 40mm×40mm 이상으로 예상되며, 이는 5 mm×5 mm 이하의 소형화를 어렵게 하는 문제점이 있었다.Therefore, the size of the phase shifter using a hybrid or a load line circuit is expected to be at least 40mm × 40mm or more, which makes it difficult to miniaturize 5 mm × 5 mm or less.

위상 천이기의 선형성 측면에서는 이것의 응용에 따라 달라지는데, 최근 제안된 위상 천이기를 이용한 전압제어발진기의 경우, 위상 천이기의 조정특성은 발진기의 주파수 조정특성과 같아진다는 것이 발표된 바 있다. In terms of the linearity of the phase shifter, it depends on its application. In the case of the voltage-controlled oscillator using the proposed phase shifter, it has been announced that the adjustment characteristic of the phase shifter is the same as the frequency adjustment characteristic of the oscillator.

즉, 발진주파수를 f, 위상 천이 값을 θ, 공진기의 군지연을 td라고 할 때, 발진주파수는 f=Cθ/td로 표시된다.That is, when the oscillation frequency is f, the phase shift value is θ, and the group delay of the resonator is t d , the oscillation frequency is expressed as f = Cθ / t d .

이때, td는 상수로 볼 수 있기 때문에, 전압에 따른 위상조정 특성이 그대로 발진주파수 전압조정특성으로 나타나게 된다. At this time, since t d can be seen as a constant, the phase adjustment characteristic according to the voltage appears as the oscillation frequency voltage adjustment characteristic as it is.

여기서 C는 비례상수를 나타낸다. Where C represents the proportionality constant.

특히, 이러한 선형 주파수 조정특성을 갖는 발진기는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더 주파수 변조 회로(frequency modulation)에 이용 시, 별도의 선형화 회로를 필요로 하지 않는 장점을 제공한다. 따라서 이러한 발진기에 응용을 목적으로 하는 위상 천이기는 선형적인 위상 조정 특성을 가져야만 한다.In particular, an oscillator having such a linear frequency adjustment provides an advantage of not requiring a separate linearization circuit when used in a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar frequency modulation circuit. Therefore, a phase shifter intended for application to such an oscillator must have linear phase adjustment characteristics.

따라서 선형적인 위상 천이기는 이러한 발진기구성의 핵심이 된다고 볼 수 있다.Therefore, the linear phase shifter is the core of this oscillation mechanism.

예를 들어, 5 mm×5 mm 이하 크기를 갖는 선형 위상 천이 특성을 갖는 아날로그형 위상 천이기에 전역 통과 회로망(all pass network)이 적합한 것으로 생각된다. For example, an all-pass network is considered suitable for analog phase shifters having linear phase shifting characteristics of 5 mm x 5 mm or less.

전역 통과 회로망은 주파수 대역 내에서 입력임피던스를 50 ohm으로 용이하게 설계할 수 있으며, 광대역 정합으로 일정한 삽입손실을 가진다. 또한 전역 통과 회로망은 평판회로를 이용하여 소형으로 제작이 가능하다. All-pass networks can easily design input impedances of 50 ohms within the frequency band and have a constant insertion loss due to broadband matching. In addition, the all-pass network can be made compact by using a flat circuit.

한편, 단위 위상 천이기는 120°의 위상 천이를 가지며, 2개 이상의 전역 통과 위상 천이기를 직렬로 연결하여 360° 이상의 위상 천이기를 설계할 수 있다. Meanwhile, the unit phase shifter has a phase shift of 120 °, and two or more all-pass phase shifters can be connected in series to design a phase shifter of 360 ° or more.

이러한 위상 천이기에 사용되는 리액턴스 가변소자는 버랙터 다이오드, 전계효과 트랜지스터(FET), 강유전체(ferro-electric) 재료 등을 사용한 다양한 위상 천이기가 제시된 바 있다.Reactance variable devices used in such phase shifters have been presented with various phase shifters using varactor diodes, field effect transistors (FETs), ferro-electric materials, and the like.

하지만, 일반적으로 2개 이상의 전역 통과 위상 천이기를 이용하여 설계된 위상 천이기 대부분은 리액턴스 가변소자의 비선형에 의해 위상 천이시 비선형이 나타나는 문제점이 있었다.
However, in general, most of phase shifters designed using two or more all-pass phase shifters have a problem in which nonlinearity occurs during phase shift due to nonlinearity of the reactance variable element.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전압에 대한 선형 위상 천이 특성을 가지는 소형 아날로그 위상 천이기를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a small analog phase shifter having a linear phase shift characteristic with respect to voltage.

본 발명의 다른 목적은 전압에 대한 커패시턴스를 선형화하여 위상 천이기의 비선형성을 개선한 소형 아날로그 위상 천이기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a small analog phase shifter which linearizes the capacitance with respect to voltage to improve the nonlinearity of the phase shifter.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 직렬로 연결되는 한 쌍의 커패시터,상기 한 쌍의 커패시터에 병렬로 연결되는 제 1인덕터, 상기 한 쌍의 커패시터 사이의 노드와 기저전위라인 사이에 연결되는 제 2인덕터를 구비하는 전역 통과 회로망으로 구비되고, 제 1 및 제 2 인덕터의 인덕턴스(L1, L2)는 수학식 1에 의해 산출된다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the present invention provides a pair of capacitors connected in series, a first inductor connected in parallel to the pair of capacitors, a node between the pair of capacitors And an all-pass network having a second inductor connected between and the base potential line, inductances L 1 and L 2 of the first and second inductors are calculated by Equation 1.

L1=2L0, L2=1/2L0 ...............[수학식 1]L 1 = 2L 0 , L 2 = 1 / 2L 0 ............... [Equation 1]

(이때, L0는 0.1~10 nH 사이의 설정되는 인덕턴스 기준값)Where L 0 is the inductance threshold set between 0.1 and 10 nH.

상기 전역 통과 회로망은 반사 손실(S11)이 '0'이고, 삽입 손실(S21)이 '1'을 만족하는 전역 통과 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.The all-pass network is characterized in that the return loss (S 11 ) is '0' and the insertion loss (S 21 ) has an all-pass characteristic that satisfies '1'.

상기 반사 손실(S11) 및 삽입 손실(S21)은 주파수 ω0=(L0C1)-1/2일 때, 상기 반사 손실(S11)=0, 삽입손실(S21)=1을 만족하는 것을 특징으로 한다.The return loss (S 11 ) and insertion loss (S21) is the return loss (S 11 ) = 0, insertion loss (S 21 ) = 1 when the frequency ω 0 = (L 0 C 1 ) -1/2 It is characterized by being satisfied.

상기 한 쌍의 커패시터는 각각 버랙터 다이오드로 대체되고,The pair of capacitors are each replaced with varactor diodes,

상기 버랙터 다이오드에는 역전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.A reverse voltage is applied to the varactor diode.

상기 버랙터 다이오드와 기저전위라인 사이에는 전체 위상 천이를 감소시켜 선형성을 갖도록 직렬 커패시터가 연결되는 것을 특징으로 한다.A series capacitor is connected between the varactor diode and the base potential line so as to reduce the overall phase shift and have linearity.

상기 전역 통과 회로망은 상측 경로와 하측 경로를 포함하고, 상기 상측 경로에는 바이어스 저항이 구비되고, 상기 하측 경로에는 접지된 제 2인덕터와 상기 버랙터 다이오드 및 직렬 커패시터가 구비되는 것을 특징으로 한다.The all-pass network includes an upper path and a lower path, wherein the upper path includes a bias resistor, and the lower path includes a grounded second inductor, the varactor diode, and a series capacitor.

상기 하측 경로에는 접지용 저항이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.The lower path may further include a grounding resistor.

상기 제 1 및 제 2인덕터는 평판형 회로인 것을 특징으로 한다.The first and second inductors are characterized in that the flat circuit.

상기 제 2인덕터는 평면형 스파이럴 인덕터이고, 상기 직렬 커패시터는 단일층 커패시터인 것을 특징으로 하는 한다.The second inductor is a planar spiral inductor, and the series capacitor is a single layer capacitor.

상기 제 2인덕터는 내부의 중심부에 상측의 저항패드가 연결된 2개의 저항, 일측 저항 패드의 하부와 입력 포트 사이를 연결하는 제 1에어 브리지, 상측 저항 패드 사이를 연결하는 제 2에어 브리지 및 외부용 도체 패드에 비아(via)로 구성되는 것을 특징으로 한다.The second inductor includes two resistors having an upper resistance pad connected to a central portion thereof, a first air bridge connecting a lower portion of one resistance pad and an input port, a second air bridge connecting the upper resistance pad, and an external device. The conductor pads are characterized by consisting of vias.

상술한 바와 같이, 본 발명은 2 GHz에서 전역 통과 회로망을 이용해 소형의 위상 천이기를 설계 제작하고, 소형 위상 천이기를 구성하기 위해 새로운 형태의 인덕터를 이용해서 바이어스 회로를 통합된 구조로 구성할 수 있다.As described above, the present invention can design and manufacture a small phase shifter using an all-pass network at 2 GHz, and use a new type of inductor to construct a bias circuit in an integrated structure to construct a small phase shifter. .

그리고 본 발명은 전압에 대한 선형 위상 천이 특성을 갖도록 위상 가변소자인 버랙터의 비선형성을 개선할 수 있다. In addition, the present invention can improve the nonlinearity of the varactor, which is a phase variable element, to have a linear phase shift characteristic with respect to voltage.

이를 위해, 본 발명은 버랙터(varactor) 다이오드에 직렬커패시터를 연결해서 전압에 대한 커패시턴스를 선형화하여 위상 천이기의 비선형성을 개선한다.To this end, the present invention connects a series capacitor to a varactor diode to linearize the capacitance over voltage to improve the nonlinearity of the phase shifter.

실험결과에 따르면, 본 발명은 위상변화량을 약 79°로 다소 감소시키고, 설계시 예상한 바와 같이, 선형 위상 천이 특성을 보였다.According to the experimental results, the present invention slightly reduced the phase change amount to about 79 °, and showed linear phase shift characteristics as expected in the design.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소형 아날로그 위상 천이기의 회로도.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전역 통과 회로망 위상 천이기의 동작상태도.
도 3은 2 GHz에서의 전역 통과 회로망의 C1에 따른 위상의 변화와 반사계수를 보인 그래프.
도 4a는 버랙터 다이오드의 비선형 특성 시뮬레이션 회로도.
도 4b는 도 4a에 도시된 회로에 직렬 커패시터를 추가한 회로도이며, 도 4c는 전압에 따른 커패시턴스 그래프.
도 5는 도 1의 전역 통과 회로망 회로에서 C1을 도 4b로 대체한 회로도.
도 6은 버랙터 다이오드만을 이용한 전역 통과 회로 위상 천이기와 개선된 위상 천이기 시뮬레이션 결과를 비교하는 그래프.
도 7a는 도 5에 도시된 위상 천이기 회로를 수정한 회로도.
도 7b는 HFSS 시뮬레이션 구조를 보인 구성도.
도 8a는 도 5에서 상측 경로에 해당하는 인덕터와 R1으로 구성된 바이어스 회로도이고, 도 8b는 일반적인 스파이럴 인덕터의 구조도이고, 도 8c는 본 발명에 따른 인덕터의 구조도이다.
도 9a는 EM 시뮬레이션 회로도.
도 9b는 위상 천이기의 0, 3, 5 V에서의 DC 바이어스 후 얻어진 S-파리미터의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 9c는 0~5V로 전압이 연속적으로 변화할 때 위상의 변화를 보인 그래프.
도 10은 본 발명에 따라 제작된 소형 아날로그 위상 천이기의 구성도.
도 11a 내지 도 11d는 웨이퍼 프로브를 이용한 측정 방법을 보인 도면.
도 12a 내지 도 12c는 전압(Vt)별 반사 손실(S11)과 삽입 손실(S21)의 측정 결과 그래프.
도 13은 공급 전압에 따른 측정 및 시뮬레이션된 위상 변화 그래프.
1 is a circuit diagram of a small analog phase shifter according to a preferred embodiment of the present invention.
2A and 2B are operational state diagrams of the all-pass network phase shifter shown in FIG.
3 is a graph showing the change of phase and reflection coefficient according to C 1 of the all-pass network at 2 GHz.
4A is a nonlinear characteristic simulation circuit diagram of a varactor diode.
FIG. 4B is a circuit diagram in which a series capacitor is added to the circuit shown in FIG. 4A, and FIG. 4C is a capacitance graph according to voltage.
FIG. 5 is a circuit diagram of C 1 replaced with FIG. 4B in the all-pass network circuit of FIG. 1. FIG.
FIG. 6 is a graph comparing the results of an improved phase shifter simulation with an all-pass circuit phase shifter using only varactor diodes. FIG.
FIG. 7A is a circuit diagram modified from the phase shifter circuit shown in FIG. 5; FIG.
Figure 7b is a block diagram showing an HFSS simulation structure.
8A is a bias circuit diagram composed of an inductor corresponding to the upper path and R 1 in FIG. 5, FIG. 8B is a schematic diagram of a general spiral inductor, and FIG. 8C is a schematic diagram of an inductor according to the present invention.
9A is an EM simulation circuit diagram.
9B is a graph of simulation results of S-parameters obtained after DC bias at 0, 3, 5 V of phase shifter.
Figure 9c is a graph showing the change in phase when the voltage is continuously changed to 0 ~ 5V.
10 is a block diagram of a small analog phase shifter manufactured in accordance with the present invention.
11A to 11D illustrate a measuring method using a wafer probe.
12A to 12C are graphs of measurement results of reflection loss S 11 and insertion loss S 21 according to voltage Vt.
13 is a graph of measured and simulated phase change with supply voltage.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소형 아날로그 위상 천이기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a small analog phase shifter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 전역 통과 회로1. Whole pass circuit Mans 위상 천이기 Phase shifter

도 1은 본 발명에 따른 전역 통과 회로망 위상 천이기의 회로도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전역 통과 회로망 위상 천이기의 동작상태도이다. 1 is a circuit diagram of an all-pass network phase shifter according to the present invention, and FIGS. 2A and 2B are operational state diagrams of the all-pass network phase shifter shown in FIG.

전역 통과 회로망은 원하는 주파수대역에서 반사 손실(S11)=0, 삽입 손실(S21)=1을 만족하는 전역 통과 특성을 보이며, 도 1과 같이 구성된다. The all-pass network exhibits all-pass characteristics satisfying return loss (S 11 ) = 0 and insertion loss (S 21 ) = 1 in a desired frequency band, and are configured as shown in FIG. 1.

즉, 입력단(In)과 출력단(Out) 사이에 한 쌍의 커패시터(C1)가 직렬로 연결되고, 제 1인덕터(L1)는 한 쌍의 커패시터(C1)와 병렬로 제 1노드(N1)와 제 2노드(N2)에 연결되며, 제 2인덕터(L2)는 제 3노드(N3)와 기저전위라인 사이에 연결된다. That is, a pair of capacitors C1 are connected in series between the input terminal In and the output terminal Out, and the first inductor L 1 is connected to the first node N in parallel with the pair of capacitors C 1 . 1 ) and the second node (N 2 ), the second inductor (L 2 ) is connected between the third node (N 3 ) and the ground potential line.

여기서, 제 1 및 제 2인덕턴스(L1,L2 )는 다음의 수학식 1과 같다.Here, the first and second inductances (L 1, L 2) are as follows: Equation (1).

Figure 112011017714107-pat00001
Figure 112011017714107-pat00001

여기서, L0는 구현 가능한 적절히 설정된 인덕턴스 기준값으로 0.1~10 nH의 값을 갖는다. 이 조건으로 도 1에 도시된 회로의 전역 통과 특성을 확인하기 위해 도 2a와 도 2b에서 기수 모드와 우수 모드로 분해하였다.Here, L 0 is an appropriately set inductance reference value that can be implemented, and has a value of 0.1 to 10 nH. Under this condition, in order to confirm the global pass characteristic of the circuit shown in FIG. 1, the circuit board was decomposed into odd and even modes in FIGS. 2A and 2B.

도 2a에 도시된 우수 모드의 경우, 대칭의 중앙점은 개방(open)되어 L1은 기여가 없고, 병렬 분해되어 2L2가 남는다. In the even mode shown in FIG. 2A, the center point of symmetry is open so that L 1 has no contribution and parallel decomposition leaves 2L 2 .

도 2b에 도시된 기수 모드에서 대칭의 중앙점이 단락(short)되어 L2는 기여가 없고, 직렬 분해된 L1/2가 남는다. 다만 하나의 C1은 두 회로에서 공통적으로 포함된다. 이렇게 간략해진 회로에서 기준 임피던스 Z0에 대한 반사계수는 다음의 수학식 2 및 수학식 3처럼 된다.In the radix mode shown in FIG. 2B, the center point of symmetry is shorted so that L 2 has no contribution, leaving L 1/2 decomposed in series. Only one C 1 is included in both circuits. In this simplified circuit, the reflection coefficient for the reference impedance Z 0 is expressed by Equations 2 and 3 below.

Figure 112011017714107-pat00002
Figure 112011017714107-pat00002

Figure 112011017714107-pat00003
Figure 112011017714107-pat00003

수학식 2와 수학식 3에 의해 얻어진 우수 모드 반사계수 Γε과 기수모드 반사계수 Γ0를 사용하여 S11과 S21을 구하면 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같다.S 11 and S 21 are obtained using the even mode reflection coefficient Γ ε and the odd mode reflection coefficient Γ 0 obtained by Equations 2 and 3, as shown in Equations 4 and 5 below.

Figure 112011017714107-pat00004
Figure 112011017714107-pat00004

Figure 112011017714107-pat00005
Figure 112011017714107-pat00005

주파수가 ω0=(L0C1)-1/2일 때, 수학식 4와 수학식 5에서 S11=0, S21=1을 만족한다. When the frequency is ω 0 = (L 0 C 1 ) -1/2 , S 11 = 0 and S 21 = 1 in Equations 4 and 5 are satisfied.

그리고 이것을 전송선으로 보았을 때, 특성 임피던스는 다음의 수학식 6와 같다.When viewed as a transmission line, the characteristic impedance is expressed by Equation 6 below.

Figure 112011017714107-pat00006
Figure 112011017714107-pat00006

따라서 ω0=(L0C1)-1/2과 수학식 6에서 중심 주파수 2 GHz 및 Z0=50 ohm을 대입하면, L0 및 C1을 얻을 수 있고, 이 값을 수학식 1에 대입하면 L1 및 L2 값이 결정되며, 결정된 값은 아래의 표 1에 기재되어 있다.Therefore, by substituting ω 0 = (L 0 C 1 ) -1/2 and center frequency 2 GHz and Z 0 = 50 ohm in Equation 6, L 0 and C 1 can be obtained. Substitution determines the L 1 and L 2 values, which are listed in Table 1 below.

표 1은 2 GHz에서의 전역 통과 회로망의 개별 소자 설계값 테이블이다. Table 1 is a table of individual device design values for the all-pass network at 2 GHz.

Figure 112011017714107-pat00007
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도 1의 전역 통과 회로망에서 C1을 가변시키면, 수학식 5에서 S21의 위상을 용이하게 변화시킬 수 있다. C1의 값을 1.6 pF를 중심으로 0.5~3.5 pF으로 가변시킨 결과를 S21의 위상과 반사계수인 S11 크기로 도 3에 도시되어 있다.By varying C 1 in the all-pass network of FIG. 1, it is possible to easily change the phase of S 21 in Equation 5. The result of varying the value of C 1 from 0.5 to 3.5 pF around 1.6 pF is shown in FIG. 3 with the size of S 21 and S 11 , which is a reflection coefficient.

도 3은 2 GHz에서의 전역 통과 회로망의 C1에 따른 위상의 변화와 반사계수를 보인 그래프이다. 3 is a graph showing a change in phase and reflection coefficient according to C 1 of the all-pass network at 2 GHz.

C1이 1.6 pF에서 최대로 정합을 가지며, S11이 10 dB를 만족하는 C1의 영역은 도 3에 도시된 바와 같이, 0.75~3.25 pF이 된다. 이 영역에서는 0.75 pF일 때 위상을 기준으로 총 위상 천이는 최대 150°가 된다.C 1 a having a maximum matching in a 1.6 pF, as the area S 11 of the C 1 is to meet a 10 dB shown in Figure 3, is the 0.75 ~ 3.25 pF. In this region, the total phase shift is up to 150 ° relative to the phase at 0.75 pF.

위상 천이 소자로서 임의의 전압 가변범위에서 0.75~3.25 pF 영역을 가지는 C1으로 전압 가변소자인 버랙터 다이오드는 0~5V에서 1~3.2 pF를 가져 가장 적합하였다.
As a phase shifting device, C 1 having a voltage range of 0.75 to 3.25 pF in an arbitrary voltage varying range, and a varactor diode as a voltage varying device having 1 to 3.2 pF at 0 to 5V were most suitable.

2. 선형 전역 통과 2. Linear Global Pass Through 회로망network 위상 천이기 설계 Phase shifter design

도 1의 전역 통과 회로망에서 C1을 버랙터 다이오드로 바꾸고, 다이오드에 역전압을 가하면 다이오드 특성에 따라 위상이 가변하게 된다. 버랙터 다이오드는 다이오드 접합에서 발생한 커패시턴스를 역전압으로 조정할 수 있으나, 낮은 전압과 높은 전압에서의 커패시턴스 변화율이 다른 비선형 특성이 나타난다. In the all-pass network of FIG. 1, when C 1 is changed to a varactor diode and a reverse voltage is applied to the diode, the phase changes according to the diode characteristics. The varactor diode can adjust the capacitance generated at the diode junction to reverse voltage, but nonlinear characteristics show different capacitance change rates at low and high voltages.

도 4a는 버랙터 다이오드의 비선형 특성 시뮬레이션 회로도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 회로에 직렬 커패시터를 추가한 회로도이며, 도 4c는 전압에 따른 커패시턴스 그래프이다. FIG. 4A is a circuit diagram of a nonlinear characteristic simulation of a varactor diode, FIG. 4B is a circuit diagram of a series capacitor added to the circuit of FIG. 4A, and FIG. 4C is a capacitance graph according to voltage.

커패시턴스 변화율의 비선형 특성을 확인하기 위해 버랙터 다이오드의 회로 모델을 이용하여 도 4a와 같이 회로를 구성하고, ADS(Advanced Design System)로 RF 포트에서 보이는 반사계수를 시뮬레이션하였다. In order to confirm the nonlinear characteristics of the capacitance change rate, the circuit was configured as shown in FIG. 4A using the circuit model of the varactor diode, and the reflection coefficient seen from the RF port was simulated using an ADS (Advanced Design System).

이 결과로부터 역바이어스된 다이오드의 RF에서 커패시턴스를 얻을 수 있다. 계산된 결과는 도 4c에 실선으로 도시되어 있다. 2 GHz에서 버랙터 다이오드의 커패시턴스는 역전압에 대하여 쌍곡선에 가까운 형태이며, 이는 전압에 대한 커패시턴스가 비선형적으로 변화함을 의미한다. From this result, the capacitance can be obtained from the RF of the reverse biased diode. The calculated results are shown in solid lines in FIG. 4C. At 2 GHz, the capacitance of the varactor diode is near hyperbolic with respect to the reverse voltage, which means that the capacitance to the voltage changes nonlinearly.

다이오드의 전압에 대한 비선형성을 개선하기 위해 도 4b에서 도시된 바와 같이, 버랙터 다이오드에 직렬 커패시터(Cseries)를 추가하여 회로를 구성하였다. 직렬 커패시터의 값은 비선형을 줄이고 충분한 위상 변화를 얻기 위해 다이오드의 커패시턴스 1~3.2 pF보다 큰 4 pF으로 결정하였다. 직렬 커패시터가 연결된 버랙터 다이오드의 전압에 대한 커패시턴스의 변화를 도 4c에 점선으로 도시하였다. In order to improve the nonlinearity with respect to the voltage of the diode, as shown in FIG. 4B, a series capacitor (C series ) was added to the varactor diode to configure a circuit. The value of the series capacitor was determined to be 4 pF greater than the diode's capacitance of 1 to 3.2 pF in order to reduce nonlinearity and obtain sufficient phase shift. The change in capacitance with respect to the voltage of the varactor diode to which the series capacitor is connected is shown by a dotted line in FIG. 4C.

앞선 실선으로 표시한 단일 다이오드와 비교하면 전체 커패시턴스의 변화량은 0.9~2 pF로 줄어들지만, 0 V, 5 V에서의 기울기차가 감소함에 따라 결과적으로 선형적인 커패시턴스 변화를 보이게 된다. Compared to the single diode indicated by the solid line, the change in total capacitance decreases from 0.9 to 2 pF, but as the slope difference at 0 V and 5 V decreases, the result is a linear capacitance change.

도 5는 도 1의 전역 통과 회로망 회로에서 C1을 도 4b로 대체한 회로도이다. FIG. 5 is a circuit diagram of C 1 replaced with FIG. 4B in the all-pass network circuit of FIG. 1.

도 5에 도시된 바와 같이, 상측 경로에는 L1과 RF 격리를 위한 바이어스 저항 R1들이 구비되고, 하측 경로에는 접지된 L2와 도 4b로 구성된다. As shown in FIG. 5, the upper path includes bias resistors R 1 for L 1 and RF isolation, and the lower path includes a grounded L 2 and FIG. 4B.

2개의 다이오드 캐소드(cathode)에 각각 1.2 kohm 저항(R1)을 이용하여 바이어스를 가하고, 버랙터의 애노드(anode)에 DC 접지를 위해 바이어스를 위한 저항과 동일한 값을 갖는 저항을 연결한다. 도 4b의 회로에 직렬로 연결된 커패시터 C2에 의해 전체 커패시턴스(CTot)가 줄어든다. 이에 따라, 인덕턴스(L1, L2)가 변화하게 된다.A bias is applied to the two diode cathodes using a 1.2 kohm resistor (R1), respectively, and a resistor having the same value as the resistor for the bias for DC ground is connected to the anode of the varactor. Capacitor C 2 connected in series with the circuit of FIG. 4B reduces the overall capacitance C Tot . As a result, the inductance L 1 , L 2 is changed.

표 2는 선형성을 개선한 위상 천이기의 소자 설계값(CTot은 직렬 C2를 갖는 버랙터 다이오드의 커패시턴스) 테이블로서, 도 5에 도시된 저항과 커패시터에 의한 커패시턴스 및 인덕턴스 값이 기재되어 있다. Table 2 shows a table of device design values (C Tot is the capacitance of a varactor diode having a series C 2) of a phase shifter with improved linearity. The capacitance and inductance values of the resistors and capacitors shown in FIG. 5 are described. .

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표 2를 살펴보면, 위상 천이 최대값 150°를 갖는 표 1에 비해 다소 작은 CTot에 의해 전체 위상 천이가 80°로 줄어든다. Looking at Table 2, the overall phase shift is reduced to 80 ° by a rather small C Tot compared to Table 1 with a maximum phase shift of 150 °.

도 6은 버랙터 다이오드만을 이용한 전역 통과 회로망 위상 천이기와 개선된 위상 천이기 시뮬레이션 결과를 비교하는 그래프이다. 6 is a graph comparing the results of an improved phase shifter simulation with an all-pass network phase shifter using only a varactor diode.

즉, 도 6에는 C1을 버랙터 다이오드 모델을 이용하여 표 1의 전역 통과 회로망 위상 천이기와 표 2의 도 5의 위상 천이기의 전압에 대하여 위상의 변화가 도시되어 있다. That is, FIG. 6 shows the phase change with respect to the voltage of the all-pass network phase shifter of Table 1 and the phase shifter of FIG. 5 of Table 2 using C 1 as a varactor diode model.

도 6에서 실선은 시뮬레이션 결과들이며, 점선은 각 위상 천이기가 가지는 0 V 근처에서의 기울기에서 기울기를 가지는 직선이다. 이 직선과 가까울수록 위상 천이기가 선형적인 특성을 가진다. 단일 다이오드 위상 천이기는 직선과 멀어진 반면, 직렬 커패시터가 연결된 다이오드를 이용한 위상 천이기는 직선과 근접한다. 이를 통해, 도 5에 도시된 위상 천이기 회로는 전압에 대한 선형성이 우수함을 확인하였다.
In FIG. 6, solid lines represent simulation results, and a dotted line is a straight line having an inclination at an inclination near 0 V of each phase shifter. The closer to this straight line, the more linear the phase shifter. A single diode phase shifter is far from a straight line, while a phase shifter using a diode connected with a series capacitor is close to a straight line. Through this, it was confirmed that the phase shifter circuit shown in FIG. 5 has excellent linearity with respect to voltage.

3. 소형 위상 천이기 구성 3. Small phase shifter configuration

도 5에 도시된 위상 천이기는 상측 경로와 하측 경로로 나누어진다. The phase shifter shown in FIG. 5 is divided into an upper path and a lower path.

도 7a는 도 5에 도시된 위상 천이기의 각각 경로에 포함된 평판형 회로인 인덕터를 EM 시뮬레이션을 통해 그 값을 확인하고, 단일층 커패시터(single layer capacitor)와 바이어스용 저항이 결합되었을 때 설계된 위상 천이기 특성을 주도록 값이 수정된 회로도이고, 도 7b는 HFSS 시뮬레이션 구조를 보인 구성도이다. FIG. 7A shows the value of the inductor, which is a planar circuit included in each path of the phase shifter shown in FIG. 5, through EM simulation, and is designed when a single layer capacitor and a bias resistor are combined. FIG. 7B is a schematic diagram illustrating an HFSS simulation structure in which a value is modified to give a phase shifter characteristic.

도 7a에 도시된 바와 같이, 하측 경로는 리액턴스 가변 소자인 버랙터와 선형성 개선용 커패시터 및 접지용 저항으로 구성된다. 하측의 경로로 평판형 회로인 인덕터, 단일층 커패시터, 와이어 본딩에 의한 기생 성분 등을 고려하기 위해 3D 고성능 전자장(ElectroMagnetic field, EM) 시뮬레이션 소프트웨어 고주파수 구조 시뮬레이터(High Frequency Structure Simulator, HFSS)를 이용하여 세부 설계하였다. As shown in FIG. 7A, the lower path includes a varactor, which is a reactance variable element, a capacitor for improving linearity, and a resistor for grounding. In order to consider the inductors, single layer capacitors, and parasitic components by wire bonding, which are planar circuits, the 3D high-performance electromagnetic field simulation software High Frequency Structure Simulator (HFSS) is used. Designed in detail.

여기서 얻어진 값은 평면형 인덕터의 경우 단일 소자로 설계했을 때와 다소 달라진다. 이는 본딩 와이어와 다른 도체 패턴의 기생 성분들로 기인한 것으로 추측된다. 단일층 커패시터 값에 대응하여 원하는 L2 인덕터의 값이 표 2에 기재된 값이 나오도록 인덕터의 길이를 조정하였다. 이 시뮬레이션에서는 버랙터의 특성을 고려할 수 없는 도 7b에서는 버랙터 다이오드가 제외되었다. 하측 경로에 있는 수동 회로로, L2는 접지된 평면형 스파이럴(spiral) 인덕터이며, C2는 단일층 커패시터이다. 이 단일층 커패시터는 소형의 평판형 커패시터로 제조사에서 제공하는 유전체 정보와 크기를 이용하여 HFSS로 구성이 가능하다. 두 개의 단일층 커패시터와 인덕터를 골드 와이어로 연결하여 HFSS 시뮬레이션을 하였다. 여기서 얻어진 S-파리미터들을 이용하여 C2의 값을 확인하고, 이에 대한 L2의 값을 표 2에 맞춘다. The value obtained here is somewhat different from the design of a single device for a planar inductor. This is presumably due to parasitic components of the bonding wires and other conductor patterns. Corresponding to the single-layer capacitor value, the length of the inductor was adjusted so that the value of the desired L 2 inductor is shown in Table 2. In this simulation, the varactor diode is excluded in FIG. 7B, where the characteristics of the varactor cannot be considered. A passive circuit in the lower path, where L 2 is a grounded flat spiral inductor and C 2 is a single layer capacitor. This single layer capacitor is a small flat capacitor that can be configured with HFSS using the dielectric information and size provided by the manufacturer. HFSS simulation was performed by connecting two single-layer capacitors and inductors with gold wires. The values of C 2 are checked using the S-parameters obtained here, and the values of L 2 are adjusted to Table 2.

도 8a는 도 5에서 상측 경로에 해당하는 인덕터와 R1으로 구성된 바이어스 회로도이고, 도 8b는 일반적인 스파이럴 인덕터의 구조도이고, 도 8c는 본 발명에 따른 인덕터의 구조도이다. 8A is a bias circuit diagram composed of an inductor corresponding to the upper path and R 1 in FIG. 5, FIG. 8B is a schematic diagram of a general spiral inductor, and FIG. 8C is a schematic diagram of an inductor according to the present invention.

1.2 kohm에 해당하는 저항을 포함하는 인덕터는 14.6 nH의 비교적 큰 값을 가져야 한다. An inductor with a resistance equal to 1.2 kohms should have a relatively large value of 14.6 nH.

도 8b에 도시된 일반적인 나선형(spiral) 인덕터는 1.8 mm×1.8 mm로 크기가 커지며 안쪽 감긴 도체에서 에어 브리지(air bridge)로 출력을 연결하여 비대칭적인 구조를 갖는다.The typical spiral inductor shown in FIG. 8B has a size of 1.8 mm x 1.8 mm and has an asymmetrical structure by connecting an output from an inner wound conductor to an air bridge.

반면, 본 발명에 따른 인덕터는 도 8c에 도시된 바와 같이, 바이어스 회로가 결합된 구조를 갖는다. On the other hand, the inductor according to the present invention has a structure in which a bias circuit is coupled, as shown in FIG. 8C.

즉, 본 발명에 따른 인덕터는 우선 바이어스를 위한 평면 저항의 크기를 줄이기 위해 100 ohm/□으로 선택하고, 1.2 kohm이 되도록 0.05 mm×0.98 mm로 설계된다. 2개의 저항을 인덕터 내부의 중심부에 배치하고, 각 저항의 상측 저항 패드를 연결한다. 좌측 아래에 있는 도체 패드에서 시작하여 바깥 방향으로 최소 간격인 0.02 mm로 하여 사각 나선 구조가 커지는 방향으로 도체를 3번 감는다. That is, the inductor according to the present invention is first selected to 100 ohm / square in order to reduce the size of the plane resistance for the bias, and is designed to 0.05 mm × 0.98 mm to be 1.2 kohm. Place two resistors in the center of the inductor and connect the upper resistor pad of each resistor. The conductors are wound three times in the direction of increasing the rectangular spiral structure starting from the conductor pad in the lower left, with a minimum clearance of 0.02 mm in the outward direction.

그리고 도 7에 도시된 하측 경로와 연결이 용이하도록 인덕터 하단에 입출력(In, Out) 포트를 배치한다. 출력(out) 포트에서 바이어스를 위해 우측 저항 하측 도체 패드와 에어 브리지로 연결한다. 입력(In) 포트에서 버랙터에 역바이어스를 가하기 위해 좌측 아래 저항 패드에서 입력(In) 포트로 에어 브리지를 이용하여 연결한다. In addition, an input / output (In, Out) port is disposed under the inductor to facilitate connection with the lower path shown in FIG. 7. Connect to the right resistor lower conductor pad and air bridge for bias at the out port. To apply reverse bias to the varactor from the input (In) port, use an air bridge from the lower left resistor pad to the input (In) port.

이때, 에어 브리지의 길이 차가 발생하는데, 이를 보상하기 위해서 입출력 포트에서의 도체 길이를 조절한다. At this time, the difference in the length of the air bridge occurs, and to compensate for this, the conductor length at the input / output port is adjusted.

상측 저항 패드에 위상 천이기 외부 상측에서 DC 바이어스를 공급하기 위해 에어 브리지로 연결한다. A phase shifter on the upper resistor pad is connected by an air bridge to supply a DC bias from the outer top.

바이어스 회로의 시뮬레이션을 통한 검증을 위해서 외부용 도체 패드에 비아(via)를 구비한다. Vias are provided on the external conductor pad for verification through simulation of the bias circuit.

입력과 출력 간 커플링을 줄여 주기 위해 포트를 충분히 격리시킨다. 1.5 mm×1.4 mm의 폭과 높이가 줄어든 형태를 얻었다. 인덕터의 면적은 40% 가량 줄일 수 있다. Fully isolate the port to reduce coupling between input and output. The width and height of 1.5 mm x 1.4 mm were reduced. The area of the inductor can be reduced by 40%.

표 3은 도 8b 및 도 8c에 도시된 인덕터의 특성 테이블이다. Table 3 is a characteristic table of the inductor shown in FIGS. 8B and 8C.

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표 3에 나타난 값은 측정된 S-파라미터를 이용하여 Y파라미터로 변환해서 π 등가 모델로 바뀜에 따라, (-Y21)은 L21로 바뀌고, (Y11+Y21)은 C11인 커패시터로 바뀌며, (Y22+Y21)은 C22로 바뀐다. The values shown in Table 3 are converted to Y parameters using the measured S-parameters and converted into π equivalent models, where (-Y 21 ) is replaced by L 21 , and (Y 11 + Y 21 ) is C 11 . (Y 22 + Y 21 ) changes to C 2 2.

여기서 발생한 커패시턴스는 인덕터 입출력에서 발생하는 커패시턴스로 추측된다. 도 8b에서 인덕터 값은 설계 값을 가지지만, 입력과 출력에 커패시턴스가 비대칭적으로 발생한다.The capacitance generated here is assumed to be the capacitance generated at the inductor input and output. In FIG. 8B, the inductor value has a design value, but capacitance asymmetrically occurs at the input and the output.

반면, 도 8c는 기생 성분인 C11, C22가 0에 가까워 하측 회로와 연결에 문제가 없게 된다.
On the other hand, in FIG. 8C, since parasitic components C 11 and C 22 are close to zero, there is no problem in connection with the lower circuit.

4. 최종 시뮬레이션 결과 4. Final Simulation Results

EM 시뮬레이션을 이용하여 위상 천이기에 필요한 소자를 상측과 하측으로 나누어 설계하였다. Using the EM simulation, the device needed for phase shifter was designed by dividing it into upper and lower sides.

도 9a는 EM 시뮬레이션 회로도이고, 도 9b는 위상 천이기의 0, 3, 5 V에서의 DC 바이어스 후 얻어진 S-파리미터의 시뮬레이션 결과 그래프이며, 도 9c는 0~5V로 전압이 연속적으로 변화할 때 위상의 변화를 보인 그래프이다.FIG. 9A is an EM simulation circuit diagram, FIG. 9B is a simulation result graph of an S-parameter obtained after DC biasing at 0, 3, and 5 V of a phase shifter, and FIG. 9C is 0 to 5 V when the voltage is continuously changed. This graph shows the change of phase.

본 발명에서는 특히 단일층 커패시터, 스파이럴 인덕터와 회로적으로 예상하기 어려운 기생 성분 등이 도 9a와 같은 회로 구성을 통해 시뮬레이션에 포함하게 된다. 이를 통해, 실제 회로와의 오차를 줄인다. 상측 경로에서 얻은 2포트 시뮬레이션 결과와 하측 경로에서 얻은 2포트 시뮬레이션 결과를 ADS의 데이터 아이템(data item)을 이용하여 회로 시뮬레이션에 포함시킨다. 바이어스용 저항 회로를 계산하여 포함하고, 광대역 커패시터의 제조사에서 제공하는 측정 결과를 입력하였다. 이 커패시터는 도 9a에 도시된 바와 같이, DC 바이어스 입력단에 사용된다. In the present invention, a single layer capacitor, a spiral inductor and parasitic components that are hard to predict circuits are included in the simulation through the circuit configuration as shown in FIG. 9A. This reduces the error with the actual circuit. The two-port simulation results from the upper path and the two-port simulation results from the lower path are included in the circuit simulation using data items of ADS. The resistor circuit for bias was calculated and included, and the measurement result provided by the manufacturer of the broadband capacitor was inputted. This capacitor is used at the DC bias input stage, as shown in FIG. 9A.

상측과 하측의 EM 시뮬레이션 결과를 이용하여 위상 천이기의 소자 값들이 최적화하게 된다. The upper and lower EM simulation results are used to optimize the device values of the phase shifter.

그 결과, C2를 제외한 다른 소자의 경우 표 2와 유사하도록 일부 회로를 수정되었으나, C2는 5.1 pF에서 최적화되는 것을 확인하였다. 단일층 커패시터와 다이오드 애노드를 연결에 이용된 본딩 와이어의 인덕턴스와 기타 기생 성분 등의 영향으로 생각된다. As a result, some circuits were modified to be similar to Table 2 except for C 2 , but it was confirmed that C 2 was optimized at 5.1 pF. It is thought to be due to the inductance and other parasitic components of the bonding wire used to connect the single-layer capacitor and diode anode.

위상 천이기의 버랙터 다이오드는 제조사에서 제공한 대신호 모델로 회로에 포함시켰다. The phase shifter's varactor diode is included in the circuit as a large signal model provided by the manufacturer.

도 9b를 살펴보면, 2 GHz에서 각 전압에서 삽입 손실은 약 4 dB로 평탄하며, 반사 손실은 10 dB 이하이다. 여기서, 4 dB 삽입 손실은 버랙터 다이오드 및 바이어스용 저항에 의하여 발생하며, 단위 박막 저항이 큰 공정을 사용하고, 좀 더 직렬 저항이 작은 버랙터 다이오드를 사용함으로써 개선될 수 있다. 9B, the insertion loss is flat at about 4 dB at each voltage at 2 GHz, and the return loss is 10 dB or less. Here, the 4 dB insertion loss is caused by the varactor diode and the bias resistor, and can be improved by using a process with a large unit thin film resistance and using a varactor diode with a smaller series resistance.

도 9c를 살펴보면, 설계된 위상 천이기 결과는 도 6의 결과와 거의 동일하며, 일정한 선형적인 위상 천이 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 9C, it can be seen that the designed phase shifter result is almost the same as the result of FIG. 6 and shows a constant linear phase shift characteristic.

5. 위상 천이기 제작 및 측정 5. Phase Shifter Fabrication and Measurement

도 10은 본 발명에 따라 제작된 소형 아날로그 위상 천이기의 구성도이다.10 is a block diagram of a small analog phase shifter manufactured according to the present invention.

도 10을 살펴보면, 사용된 기판은 유전율 9.9, 두께 5 mil(1/1000 인치)를 갖는 세라믹 기판이며, 크기는 4 mm×4 mm이다. 이때, 입출력은 온-웨이퍼(on-wafer) 측정을 용이하게 하기 위해 1,000 μm 프로브 팁과 연결이 가능하도록, 이에 대응되는 50 ohm CPW를 추가하였다. CPW의 신호 도체에서 접지 도체까지 중심에서 피치 간격은 1,000 μm이며, 신호 도체의 폭은 기존 기판에서 마이크로스트립의 50 ohm 폭과 동일하게 하였다. DC 공급시 사용하는 커패시터(도 10의 MW cap)는 광대역 커패시터를 사용하였다. Referring to FIG. 10, the substrate used is a ceramic substrate having a dielectric constant of 9.9 and a thickness of 5 mils (1/1000 inch), and the size is 4 mm x 4 mm. At this time, the input and output was added to the corresponding 50 ohm CPW to be connected to the 1000 μm probe tip to facilitate on-wafer (on-wafer) measurement. The pitch distance from the center of the CPW signal conductor to the ground conductor is 1,000 μm, and the width of the signal conductor is equal to the 50 ohm width of the microstrip on the conventional substrate. The capacitor used in the DC supply (MW cap of FIG. 10) used a broadband capacitor.

입출력단에 필요한 DC 블록 커패시터는 위상 천이기 크기를 줄이기 위해 제거하고 계측용 DC 블록을 사용하였다.
The DC block capacitors needed for the input and output stages were removed to reduce the size of the phase shifter and the measurement DC block was used.

6. 측정 결과 6. Measurement result

도 11a 내지 도 11d는 웨이퍼 프로브를 이용한 측정 방법을 보인 도면이다.11A to 11D illustrate a measuring method using a wafer probe.

도 11a 내지 도 11d에서는 RF 신호를 측정하기 위해 바이어스를 위하여 바이어스 프로브 팁을 사용하고, 온 웨이퍼 측정을 위해 프로브 스테이션에 연결된 네트워크 분석기(network analyzer)를 이용하였다. In FIGS. 11A-11D, a bias probe tip was used for the bias to measure the RF signal, and a network analyzer connected to the probe station was used for the on wafer measurement.

DC 블록이 연결된 2개 프로브 팁까지 보정하게 된다. 이를 통해 정확한 통과 위상을 측정할 수 있으며, 도 11a 내지 도 11d에 표시한 기준선 내의 회로의 위상을 측정할 수 있게 된다. The probe is calibrated up to two probe tips with connected DC blocks. Through this, it is possible to measure an accurate pass phase and to measure the phase of the circuit in the reference line shown in FIGS. 11A to 11D.

DC 프로브는 2개를 이용하는데 1개는 접지용으로, 다른 하나는 DC 전압 바이어스용으로 사용하였다. Two DC probes were used, one for ground and the other for DC voltage bias.

이러한 방법으로 측정하여 얻은 결과는 도 12a 내지 도 12c에 도시되어 있다.The results obtained by measuring in this way are shown in FIGS. 12A-12C.

도 12a 내지 도 12c는 전압(Vt)별 반사 손실(S11)과 삽입 손실(S21)의 측정 결과 그래프이다.12A to 12C are graphs of measurement results of reflection loss S 11 and insertion loss S 21 according to voltage Vt.

도 12a 내지 도 12c에서는 0, 3, 5 V 바이어스 전압에 대하여 도 8b에서 얻은 시뮬레이션 결과를 점선으로 도시하고, 본 발명에 따라 제작된 위상 천이기의 측정 결과를 실선으로 도시하였다. In FIGS. 12A to 12C, simulation results obtained in FIG. 8B are shown by dotted lines for 0, 3, and 5 V bias voltages, and measurement results of phase shifters manufactured according to the present invention are illustrated by solid lines.

도 12a 내지 도 12c에 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과와 유사한 결과를 얻었다. 크기에서 시뮬레이션에 비해 1 dB 정도 삽입 손실이 커졌으며, 이는 다이오드 등가회로 모델에 포함된 손실 저항이 실제보다 작게 고려되어, 손실 면에서 차이를 보이는 것으로 생각된다. Results similar to those obtained through simulations were obtained in FIGS. 12A to 12C. In terms of size, the insertion loss is about 1 dB larger than that of the simulation, and it is considered that the loss resistance included in the diode equivalent circuit model is considered smaller than the actual one, and thus the difference in the loss is shown.

그러나 주파수 응답은 주파수 대역 내에서 일정함을 확인하였다. However, we confirmed that the frequency response is constant within the frequency band.

도 13은 공급 전압에 따른 측정 및 시뮬레이션된 위상 변화 그래프이다.13 is a graph of measured and simulated phase changes with supply voltage.

도 13에는 용이한 비교를 위하여 보조선인 직선을 동시에 보였으며, 전압에 대하여 위상 천이가 선형임을 알 수 있다. 위상의 측정 결과가 시뮬레이션에 비해 10° 정도 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이는 입출력 선로의 전기적 길이에 의한 것으로 생각된다. 또한 0 V 근처에서 위상 변화가 직선보조선과 약간의 차이를 보이는데, 이는 다이오드가 0 V에서 커패시턴스의 변화가 급격히 이루어져 비선형성이 커지기 때문이라고 생각된다. In FIG. 13, a straight line as an auxiliary line is simultaneously shown for easy comparison, and it can be seen that the phase shift is linear with respect to voltage. It can be seen that the measurement result of the phase is about 10 ° different from the simulation. This is considered to be due to the electrical length of the input / output line. In addition, the phase change near 0 V is slightly different from the linear auxiliary line, because the diode has a sudden change in capacitance at 0 V, which increases the nonlinearity.

그러나 측정된 위상 천이기는 시뮬레이션과 동일한 양의 위상 천이량을 보이며, 공급 전압에 따른 위상 천이 특성은 설계에서 예상한 바와 같이 거의 선형적이며, 또한, 두 직선의 기울기가 같음을 알 수 있다.
However, the measured phase shifter shows the same amount of phase shift as the simulation, and the phase shift characteristic according to the supply voltage is almost linear as expected in the design, and the slopes of the two straight lines are the same.

상기한 바와 같이, 본 발명은 2 GHz에서 5 mm×5 mm 이하의 크기와 선형 위상 천이 특성을 가지는 소형 아날로그형 위상 천이기를 설계하기 위해, 버랙터 다이오드의 비선형성을 개선하고, 소형의 인덕터를 제안하여 2 GHz에서 선형 위상 특성을 갖는 소형 위상 천이기를 설계 제작하였다. As described above, the present invention improves the nonlinearity of the varactor diode and improves the small inductor in order to design a small analog type phase shifter having a size of 5 mm x 5 mm or less and a linear phase shift characteristic at 2 GHz. We propose and design a small phase shifter with linear phase characteristics at 2 GHz.

이에 따라, 본 발명에 따른 소형 아날로그 위상 천이기는 본 발명에서 요구하는 4 mm×4 mm의 크기를 만족하고, 2 GHz에서 약 4.2~4.7 dB의 평탄한 삽입 손실을 가지고, 0~5 V 전압에 대하여 약 79°의 총 위상 천이를 보였으며, 이 전압에 대하여 선형 위상 천이 특성이 있다.Accordingly, the small analog phase shifter according to the present invention satisfies the size of 4 mm x 4 mm required by the present invention, has a flat insertion loss of about 4.2 to 4.7 dB at 2 GHz, and a voltage of 0 to 5 V. The total phase shift of about 79 ° is shown, and there is a linear phase shift characteristic for this voltage.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다. The scope of the present invention is not limited to the embodiments described above, but is defined by the claims, and various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the claims. It is self evident.

Claims (10)

직렬로 연결되는 한 쌍의 버랙터 다이오드,
상기 한 쌍의 버랙터 다이오드에 병렬로 연결되는 제 1인덕터,
상기 한 쌍의 버랙터 다이오드 사이의 노드와 기저전위라인 사이에 연결되는 제 2인덕터를 구비하는 전역 통과 회로망으로 구비되고,
제 1 및 제 2 인덕터의 인덕턴스(L1, L2)는 수학식 1에 의해 산출되며,
상기 한 쌍의 버랙터 다이오드와 기저전위라인 사이에는 전체 위상 천이를 감소시켜 선형성을 갖도록 직렬 커패시터가 연결되는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
L1=2L0, L2=1/2L0 ...............[수학식 1]
(이때, L0는 0.1~10 nH 사이의 설정되는 인덕턴스 기준값)
A pair of varactor diodes connected in series,
A first inductor connected in parallel to the pair of varactor diodes,
And a global pass network having a second inductor connected between the node between the pair of varactor diodes and a ground potential line.
Inductances L 1 and L 2 of the first and second inductors are calculated by Equation 1,
And a series capacitor is connected between the pair of varactor diodes and the ground potential line to reduce the overall phase shift so as to have a linearity.
L 1 = 2L 0 , L 2 = 1 / 2L 0 ............... [Equation 1]
Where L 0 is the inductance threshold set between 0.1 and 10 nH.
제 1항에 있어서,
상기 전역 통과 회로망은 반사 손실(S11)이 '0'이고, 삽입 손실(S21)이 '1'을 만족하는 전역 통과 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
The method of claim 1,
And said all-pass network has an all-pass characteristic in which the return loss (S 11 ) is '0' and the insertion loss (S 21 ) satisfies '1'.
제 2항에 있어서, 상기 반사 손실(S11) 및 삽입 손실(S21)은
주파수 ω0=(L0C1)-1/2일 때, 상기 반사 손실(S11)=0, 삽입손실(S21)=1을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
The method of claim 2, wherein the return loss (S 11 ) and insertion loss (S21) is
And the return loss (S 11 ) = 0 and insertion loss (S 21 ) = 1 when the frequency ω 0 = (L 0 C 1 ) -1/2 .
제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버랙터 다이오드에는 역전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Small analog phase shifter, characterized in that the reverse voltage is applied to the varactor diode.
삭제delete 제 4항에 있어서,
상기 전역 통과 회로망은 상측 경로와 하측 경로를 포함하고,
상기 상측 경로에는 바이어스 저항이 구비되고,
상기 하측 경로에는 접지된 제 2인덕터와 상기 버랙터 다이오드 및 직렬 커패시터가 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
The method of claim 4, wherein
The all-pass network comprises an upper path and a lower path,
The upper path is provided with a bias resistor,
And the lower path includes a grounded second inductor, the varactor diode, and a series capacitor.
제 6항에 있어서, 상기 하측 경로에는
접지용 저항이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
The method of claim 6, wherein the lower path
Small analog phase shifter further comprises a grounding resistor.
제 7항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2인덕터는 평판형 회로인 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
8. The method of claim 7,
And said first and second inductors are planar circuits.
제 6항에 있어서,
상기 제 2인덕터는 평면형 스파이럴 인덕터이고,
상기 직렬 커패시터는 단일층 커패시터인 것을 특징으로 하는 소형 아날로그 위상 천이기.
The method according to claim 6,
The second inductor is a planar spiral inductor,
The series capacitor is a single layer capacitor.
제 9항에 있어서, 상기 제 2인덕터는
내부의 중심부에 상측의 저항패드가 연결된 2개의 저항,
일측 저항 패드의 하부와 입력 포트 사이를 연결하는 제 1에어 브리지,
상측 저항 패드 사이를 연결하는 제 2에어 브리지 및
외부용 도체 패드에 비아(via)로 구성되는 것을 특징으로 소형 아날로그 위상 천이기.



The method of claim 9, wherein the second inductor
2 resistors connected to the upper resistance pad in the center of the inside,
A first air bridge connecting the lower portion of the one resistance pad and the input port,
A second air bridge connecting between upper resistance pads and
Miniature analog phase shifter, characterized in that it consists of vias to external conductor pads.



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