KR101637672B1 - 고주파 신호 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 신호 생성 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른고주파 신호 생성 장치는 180도의 위상차를 갖는 제1 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제1 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제2 전압 신호를 출력하는 제1 커플러; 180도의 위상차를 갖는 제2 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제3 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제4 전압 신호를 출력하는 제2 커플러; 상기 제1 차동 발진기 및 상기 제2 차동 발진기가 동위상을 갖도록 연결하는 커플러 네트워크; 및 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러가 출력하는 전압 신호를 합산하여 출력하는 제3 커플러를 포함할 수 있다.

Description

고주파 신호 생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING HIGH FREQUENCY SIGNAL}

본 발명은 고주파 신호 생성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소자의 크기를 줄이면서도 고출력의 신호를 생성할 수 있는 장치에 관한 것이다.

최근 부상하는 THz와 같이 아주 높은 주파수 대역에 대한 수요는 이미징 또는 광대역 통신과 같은 다양한 응용분야에서 발생하고 있으며, THz 시스템의 중요성을 증가시키고 있다.

특히 반도체 소자 성능의 향상으로 인해 반도체의 장점인 작은 크기, 저비용, 저전력 구동되는 THz 시스템 구현이 가능해질 것이다. 또한 낮은 주파수 대역에서는 커플러와 같은 수동회로의 크기가 너무 큰 이유로 온칩 제작이 힘들었으나 주파수가 높을수록 크기가 작아지기 때문에 온칩 구현이 가능하다.

THz 대역에서 가장 큰 쟁점 중 하나는 고출력 신호원의 제작이다. 생성되는 신호의 출력 전력이 높을수록 더욱 우월한 수신단 신호대잡음비(SNR)를 얻을 수 있으며, 이를 통해 고해상도 시스템의 구현이 가능하다. 하지만 높은 주파수 대역에서 동작하는 발진기의 제작에 어려움이 많아 발진기의 동작 주파수, 출력 전력, 위상 잡음 등의 성능을 개선하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.

고주파 대역에서 동작하는 발진기의 제작도 어렵지만 무엇보다도 높은 출력 전력을 얻는 것이 힘들다. 특히 증폭기 제작이 힘들기 때문에 저주파 대역에서 사용되는 전력 증폭기로 출력 전력을 증가시키는데 한계가 있다. 만일 고출력을 얻을 수 있는 전력 증폭기의 제작이 가능하더라도 상당히 큰 DC 전력을 소비해야하기 때문에 에너지 효율이 떨어지는 단점이 있다.

한국공개특허 10-2014-0058742(발명의 명칭: 마이크로파 집적회로를 위한 광대역 합 &차 회로)는 위상차가 180도인 두 고주파 신호를 입력 받아 이를 중첩 및 상쇄시키는 내용을 개시하고 있으나, 중첩 신호보다 더 큰 출력 전력을 갖는 신호를 생성하는 점에 대해서는 개시하고 있지 않으며, 나아가 고주파 신호 생성 장치의 면적을 최소화할 수 있는 방안에 대해서는 언급하고 있지 않는다.

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 소자의 크기를 줄이면서도 높은 출력 전력을 갖는 신호를 생성할 수 있는 고주파 신호 생성 장치를 제안하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고주파 신호 생성 장치로서, 180도의 위상차를 갖는 제1 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제1 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제2 전압 신호를 출력하는 제1 커플러; 180도의 위상차를 갖는 제2 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제3 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제4 전압 신호를 출력하는 제2 커플러; 상기 제1 차동 발진기 및 상기 제2 차동 발진기가 동위상을 갖도록 연결하는 커플러 네트워크; 및 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러가 출력하는 전압 신호를 합산하여 출력하는 제3 커플러를 포함하는 고주파 신호 생성 장치가 제공된다.

상기 제1 및 제2 차동 발진기는 공통 베이스 크로스-커플드 구조를 가질 수 있다.

상기 제1 커플러 및 제2 커플러는 원형 선로를 갖는 랫-레이스(rat-race) 커플러일 수 있다.

상기 제3 커플러는 윌킨슨(Wilkinson) 커플러일 수 있다.

상기 제1 전압 신호 및 상기 제3 전압 신호는 180도 위상차를 갖는 신호가 합쳐서 소멸되며, 상기 제2 전압 신호 및 상기 제4 전압 신호는 상기 입력 신호에 비해 증폭된 출력을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 차동 발진기를 내부에 포함하는 두 개의 커플러와 커플러의 신호를 합쳐 전력을 증폭하는 다른 커플러를 이용하여 소자의 면적을 줄이면서도 높은 출력 전력의 고주파 신호를 생성할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전력 증폭기를 이용하지 않고 두 개의 발진기들만으로 높은 출력 전력을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 구조는 또한 증폭기 제작이 불가능한 주파수 대역에서도 활용이 가능하며, THz와 같은 높은 주파수 대역에서 커플러의 크기가 상당히 줄어들기 때문에 커플러를 온칩으로 제작할 수 있는 장점이 있다.

나아가 두 개의 rat-race 커플러들이 각각의 발진기를 포함하고 최종적으로 Wilkinson 커플러가 두 rat-race 커플러들의 출력을 합침으로써 출력 전력을 총 4배로 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고주파 신호 생성 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 차동 발진기 및 제1 커플러의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 커플러에서의 전력 증폭 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랫-레이스 커플러의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Wilkinson 커플러의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 발진기가 집적된 고주파 신호 생성 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.

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

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고주파 신호 생성 장치의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고주파 신호 생성 장치(100)는 제1 차동 발진기(110), 제1 커플러(120), 제2 차동 발진기(130), 제2 커플러(140), 커플링 네트워크(150) 및 제3 커플러(160)를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 커플러(120)는 원형 구조를 갖는 랫-레이스(rat-race) 커플러일 수 있으며, 원형 내부에 제1 차동 발진기(110)가 배치된다.

또한, 제2 커플러(130)도 원형 구조를 갖는 랫-레이스 커플러일 수 있으며, 내부에 제2 차동 발진기(140)가 배치된다.

제1 내지 제2 차동 발진기(110,130)와 제1 및 제2 커플러(120,140)의 구조에 대해서는 도 2를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.

본 실시예에 따르면, 제1 차동 발진기(110)는 180도의 위상차를 갖는 2개의 신호를 출력하며, 제1 커플러(120)는 제1 차동 발진기(110)의 출력을 입력 신호로 하여 이들을 합산한 제1 전압 신호와 차감한 제2 전압 신호를 출력한다.

제2 커플러(140)도 제2 차동 발진기(130)의 출력을 입력 신호로 하여 마찬가지로 이들을 합산한 제3 전압 신호와 차감한 제4 전압 신호를 출력한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 차동 발진기(110) 및 제2 차동 발진기(130)는 커플링 네트워크(150)를 통해 동위상으로 맞추어져 있기 때문에, 상기한 제1 커플러(120)의 제1 전압 신호와 제2 커플러(140)의 제3 전압 신호와 동위상을 가지며, 또한, 제2 전압 신호와 제4 전압 신호도 동위상을 갖는다.

본 실시예에 따른 제1 커플러(120) 및 제2 커플러(140)의 출력단에는 제3 커플러(160)가 연결되며, 제3 커플러(160)는 제1 전압 신호 내지 제4 전압 신호를 합쳐 원신호의 4배의 출력 전력을 갖는 고주파 신호를 출력한다.

출력 전력의 4배 증폭에 대해서는 이하 도 2 내지 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 차동 발진기 및 제1 커플러의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 제1 커플러(120)는 원형 선로를 갖는 랫-레이스 구조일 수 있으며, 제1 커플러(120) 내부에 제1 차동 발진기(110)가 배치된다.

본 실시예에 따른 제1 차동 발진기(110)는 공통 베이스 크로스-커플드 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 차동 출력을 가지는 구조라면 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.

본 실시예에서와 같이, 제1 커플러(120) 내부에 제1 차동 발진기(110)가 배치되기 때문에 면적을 최소화하여 온칩으로 제작하는 것이 가능하다.

본 실시예에 따른 제1 커플러(120)는 2개의 입력단(V₁,V₂)과 2개의 출력단단(Vout,∑, Vout,△)을 가지며, 두 개의 입력단에는 제1 차동 발진기(110)가 출력하는 180도의 위상차를 갖는 2개의 출력 신호가 입력된다.

도 2에서 제1 출력단(Vout,∑)은 상기한 제1 차동 발진기(110)에서 출력된 두 개의 신호를 합산한 제1 전압 신호를 출력하고, 제2 출력단(Vout,△)은 제1 차동 발진기(110)에서 출력된 두 개의 신호를 차감한 제2 전압 신호를 출력한다.

상기한 바와 같이, 제1 차동 발진기(110)에서 출력된 두 개의 신호는 180도의 위상차를 가지므로 제1 출력단에서는 전력이 소멸되며, 제2 출력단에서는 입력 신호가 합쳐져 전력이 2배가 되는 제2 전압 신호가 출력된다.

도 2에서는 제1 차동 발진기(110) 및 제1 커플러(120)의 동작을 설명하였으나, 제2 차동 발진기(130) 및 제2 커플러(140)도 동일한 구조를 가지면서 동일한 동작을 수행하며, 이에 따라 제2 커플러(140)는 제2 차동 발진기(130)에서 출력된 두 개의 신호를 합산한 제3 전압 신호 및 차감한 제4 전압 신호를 출력하며, 여기서, 제3 전압 신호는 소멸된 신호이며, 제4 전압 신호는 제2 차동 발진기(130)의 출력 신호의 2배가 되는 전력을 갖는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 커플러에서의 전력 증폭 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1 차동 발진기(110) 및 제2 차동 발진기(130)는 커플링 네트워크(150)에 연결되며, 커플링 네트워크(150)는 제1 차동 발진기(110)와 제2 차동 발진기(130)를 동위상으로 맞추어준다.

한편, 본 실시예에 따른 제3 커플러(160)는 Wilkinson 커플러일 수 있으며, 제3 커플러(160)는 제1 커플러(120) 및 제2 커플러(140)에서 출력되는 전압 신호를 합쳐서 출력한다.

상기한 바와 같이, 제1 내지 제4 전압 신호 중 제2 전압 신호와 제4 전압 신호가 각각 차동 발진기(110,130) 출력 신호의 2배의 전력을 가지며, 제3 커플러(160)를 제2 전압 신호와 제4 전압 신호를 합산하여 차동 발진기 출력에 비해 4배 전력이 증가한 신호를 출력한다.

상기한 바와 같이, 제1 커플러(120) 및 제2 커플러(140)와는 달리, 제3 커플러(160)는 위상차가 0도인 두 입력 신호를 받아서 전력을 합쳐준다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랫-레이스 커플러의 시뮬레이션 결과이다.

도 4(a)에서 300 GHz 부근에서 두 입력이 180도의 위상차를 나타내는 것을 볼 수 있고, 도 4(b)에서는 입력 신호의 전력이 0 dBm일 때 Vout,△에서 출력 전력이 합쳐져 2.7 dBm으로 증가한 것을 볼 수 있고 Vout,∑에서 신호가 소멸되어 -58 dBm으로 떨어진 것을 확인할 수 있다. 이상적으로 출력 전력이 3 dB 증가해야하지만 랫-레이스 커플러만의 전력 손실 0.3 dB로 인해 2.7 dB 증가한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Wilkinson 커플러의 시뮬레이션 결과이다. 커플러의 S-parameter가 결과가 (a)에 나타나 있으며 300 GHz 부근에서 약 0.2 dB의 손실을 갖고 각 입력단들과 출력단의 반사가 적고 격리가 잘 되어있다는 것을 볼 수 있다. 그리고 입력 신호의 전력이 0 dBm일 때 출력단에 전력이 합쳐져 2.8 dBm으로 증가된 것을 (b)에서 확인할 수 있다.

도 6은 차동 발진기가 집적된 고주파 신호 생성 장치의 시뮬레이션 결과이다.

도 6(a)는 단일 차동 발진기의 출력 전력과 발진 주파수를 나타내고, 도 6(b)는 랫-레이스 커플러에서 출력 전력이 2배 증가 한 결과, 그리고 도 6(c)는 Wilkinson 커플러에서 출력 전력이 4배 증가한 결과를 보여준다.

차동 발진기는 291. 6 GHz의 신호를 생성하며 단독으로 4.8 dBm의 출력 전력을 보인다.

차동 발진기의 차동 출력 신호가 랫-레이스 커플러로 입력되면서 출력 전력은 7.7 dBm으로 증가하고, 차동 발진기가 포함된 두 개의 랫-레이스 커플러들로부터 신호가 Wilkinson 커플러로 입력되면서 출력 전력이 10.5 dBm으로 증가한다. 즉, 출력 전력이 총 5.7 dB(약 4배) 증가했음을 확인할 수 있다.

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

Claims (5)

1. 고주파 신호 생성 장치로서,
   180도의 위상차를 갖는 제1 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제1 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제2 전압 신호를 출력하는 제1 커플러;
   180도의 위상차를 갖는 제2 차동 발진기의 두 개의 출력 신호를 두 개의 입력 신호로 하여 상기 두 개의 입력 신호를 합산한 제3 전압 신호 및 상기 두 개의 입력 신호를 차감한 제4 전압 신호를 출력하는 제2 커플러;
   상기 제1 차동 발진기 및 상기 제2 차동 발진기가 동위상을 갖도록 연결하는 커플러 네트워크; 및
   상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러가 출력하는 전압 신호를 합산하여 출력하는 제3 커플러를 포함하되,
   상기 제1 전압 신호 및 상기 제3 전압 신호는 180도 위상차를 갖는 신호가 합쳐서 소멸되며,
   상기 제2 전압 신호 및 상기 제4 전압 신호는 상기 입력 신호에 비해 증폭된 출력을 갖는 고주파 신호 생성 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 차동 발진기는 공통 베이스 크로스-커플드 구조를 갖는 고주파 신호 생성 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 커플러 및 제2 커플러는 원형 선로를 갖는 랫-레이스(rat-race) 커플러인 고주파 신호 생성 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3 커플러는 윌킨슨(Wilkinson) 커플러인 고주파 신호 생성 장치.
   
   
5. 삭제

Images