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KR100799590B1 - 리액티브 피드백을 이용한 광대역 능동 벌룬 및 밸런스드믹서 - Google Patents

리액티브 피드백을 이용한 광대역 능동 벌룬 및 밸런스드믹서 Download PDF

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KR100799590B1
KR100799590B1 KR1020060122547A KR20060122547A KR100799590B1 KR 100799590 B1 KR100799590 B1 KR 100799590B1 KR 1020060122547 A KR1020060122547 A KR 1020060122547A KR 20060122547 A KR20060122547 A KR 20060122547A KR 100799590 B1 KR100799590 B1 KR 100799590B1
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KR
South Korea
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fet
common
common gate
electrode
source
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KR1020060122547A
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정진철
염인복
장동필
신동환
주인권
노윤섭
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한국전자통신연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/32—Networks for transforming balanced signals into unbalanced signals and vice versa, e.g. baluns

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  • Amplifiers (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 주파수 특성이 개선된 리액티브 피드백을 이용한 광대역 능동 벌룬 및 밸런스드 믹서를 제공한다.
상기 광대역 능동 벌룬은 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 커패시터; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 인덕터; 및 상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함할 수 있어, 물리적인 크기가 작고 주파수 대역 특성이 우수한 능동 벌룬을 제공할 수 있다.
능동 벌룬, 밸런스드 믹서, 공통 소스/공통 게이트, 리액티브 피드백

Description

리액티브 피드백을 이용한 광대역 능동 벌룬 및 밸런스드 믹서{Broad band active balun and balanced mixer using reactive feedback}
도 1은 종래의 공통 소스 FET 및 공통 게이트 FET로 구성된 기본 구조 능동 벌룬 회로의 구성도이다.
도 2a는 도 1의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 공통 소스 FET의 소신호 등가회로도이다.
도 2b는 도 1의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 공통 게이트 FET의 소신호 등가회로도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공통 소스 FET 및 커패시터가 추가된 공통 게이트 FET로 구성된 능동 벌룬 회로의 구성도이다.
도 3b는 도 3a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공통 소스 FET 및 인덕터가 추가된 공통 게이트 FET로 구성된 능동 벌룬 회로의 구성도이다.
도 4b는 도 4a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 5a는 도 3a의 회로도에 추가된 커패시터의 주파수 특성을 표현하는 등가 회로도이다.
도 5b는 도 4a의 회로도에 추가된 인덕터의 주파수 특성을 표현하는 등가회로도이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공통 소스 FET 및 커패시터와 인덕터가 추가된 공통 게이트 FET로 구성된 능동 벌룬 회로의 구성도이다.
도 6b는 도 6a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 7a는 도 3a의 회로도의 특성을 검증하기 위해 커패시터를 추가하여 개선된 주파수 특성을 보여주는 일실시예 특성도이다.
도 7b는 도 4a의 회로도의 특성을 검증하기 위해 커패시터를 추가하여 개선된 주파수 특성을 보여주는 일실시예 특성도이다.
도 7c는 도 6a의 회로도의 특성을 검증하기 위해 커패시터와 인덕터를 추가하여 개선된 주파수 특성을 보여주는 일실시예 특성도이다.
본 발명은 밸런스드 믹서(balanced mixer)에 사용되는 광대역 능동 벌룬(active balun)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공통 게이트 FET에 인덕터와 커패시터를 추가하여 주파수 특성을 개선시킴으로써 MMIC에 적용이 용이한 광대역 능동 벌룬 및 밸런스드 믹서에 관한 것이다.
밸런스드 믹서는 하모닉(Harmonic) 제거 능력이 뛰어나고 다이나믹 범위 (Dynamic range)가 크다는 장점 때문에 여러 RF 시스템에서 사용되고 있다. 밸런스드 믹서에는 크기가 같고 위상이 반대인 두 신호가 필요하며 이를 구현해 주는 부품이 벌룬(Balun)이다. 밸런스드 믹서에 사용되는 벌룬은 일반적으로 수동 벌룬(passive balun)이 사용되고 있으나 물리적인 크기가 크다는 단점 때문에 밀리미터파 용 MMIC 이외에는 MMIC에 적용하기가 어려움이 있고, 능동 벌룬의 경우에는 물리적 크기가 작다는 장점은 있으나 비교적 주파수 특성이 협대역이라는 단점이 있다.
기존의 벌룬 구현 방법은 주로 수동 소자를 이용하여 설계 되었으며 대표적인 부품으로는 레인지 결합기(Lange coupler), 링 결합기(Rat race coupler), 방향성 결합기(Directional coupler) 등이 있다. 이들 결합기의 주파수 대역은 시작 주파수의 10 % ~ 15%로 알려져 있다.
그리고 광대역 벌룬 구현을 위해 두 개의 결합기가 각각 1/4파장의 길이를 가지고 두 끝이 접지된 결합선의 중간 부분을 부하로 사용하는 머쳔더 벌룬(Marchand balun)이 개발되었다. 머쳔더 벌룬의 주파수 대역은 일반적으로 시작주파수의 2배 주파수(1 octave)까지로 알려져 있다.
벌룬의 주파수 대역을 증대시키기 위한 노력으로는 링 결합기의 경우, March, S., "A wideband Stripline Ring Hybrid," IEEE Transctions Microwave Theory and Technique., MTT-16, 1968, p. 361. 문헌에 따라 0.75 파장 선을 1/4 파장 길이의 결합선(coupled line)으로 대치함으로써 주파수 대역을 1 octave까지 증가시켰다.
그리고 머쳔더 벌룬의 경우, Cloete, J. H., "Exact Design of the Marchand Balun," Microwave J., Vol 23, No. 5, 1980, p.99-102.와 Hallford, B. R., "A Designer's Gide to Planar Mixer Baluns," Microwaves, Dec. 1979, p.52-57.의 문헌에서와 같이, 여러 개의 결합선을 병렬로 추가함으로써 6 octave까지 주파수 대역을 증가시킬 수 있었다.
하지만, 이들 수동 벌룬 들은 기본적으로 그 길이가 1/4 파장 길이의 부분이 포함되어야 하고 머쳔더 벌룬의 경우 최소 1/2 파장 길이가 요구된다. 예를 들어 1GHz에서 동작하는 벌룬을 GaAs MMIC (er=12.9, t=0.1mm)로 구현할 경우, 1/4 파장 길이는 26mm가 되어 일반적으로 전체 크기가 수 mm에 불가한 MMIC로는 도저히 구현이 불가능하다. 하지만 사용 주파수가 수십 GHz일 경우, 1/4 파장은 그만큼 짧아지게 되어서 이러한 수동 벌룬들이 많이 사용될 수 있다.
비교적 낮은 주파수 대역에서는 물리적인 크기가 작은 능동 벌룬이 사용되고 있다. FET를 이용한 능동 벌룬에는 게이트(Gate)를 입력으로 하고 드레인(Drain)과 소스(Source)가 두 출력으로 하는 형태의 회로, 공통 소스(Common source) FET의 게이트와 공통 게이트(common source) FET의 소스를 연결하여 입력으로 하고 각각의 드레인을 두 출력으로 하는 형태의 회로, 차동증폭기 형태의 회로 등이 알려져 있다. 이러한 기본 구조의 능동 벌룬들의 주파수 특성은 비교적 좁게 나와 있으며 이를 넓히기 위한 여러 연구가 진행되었다.
게이트 입력에 드레인과 소스를 두 출력으로 하는 형태의 벌룬의 경우, 미국 특허 번호 제 5,039,891호 ‘Planar Broadband FET Balun'에서는 벌룬의 입/출력에 여러개의 인덕터와 커패시터를 삽입하여 주파수 특성을 개선하여 출력 위상 오차 180o±5o와 크기 오차 ±1.5 dB의 성능을 2 ~ 22GHz까지 보였다. 하지만 이 특허에서 사용된 인덕터와 커패시터의 개수가 많아(총 8개) MMIC로 구현할 경우, 그 크기가 상당히 커진다는 단점이 있다.
공통 소스와 공통 게이트를 이용한 벌룬의 경우, 분산형 증폭기(distributed amplifier)와 같은 광대역 원리를 이용하여 여러 개의 벌룬을 마이크로스트립 라인 (microstrip line)으로 직렬로 연결한 형태가 여러 문헌에서 찾아볼 수 있다. 그 중, T.H. Chen, et. al., "A Double Balanced 3-18GHz Resistive HEMT Monolithic Mixer," IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium, 1992, p. 167-170.에서는 출력 위상 오차 180o±10o와 크기 오차 ±1.5 dB의 성능을 1.5 ~ 15.5GHz까지 보이고 있다. 하지만 많은 수의 FET 소자를 사용함으로써 사용 면적이 커질 뿐 아니라 소비 전력도 증가된다는 단점이 있다.
Munenari Kawashima, et. al., "A Novel Broadband Active Balun", 33rd European Microwave Conference, 2003, p. 495-498.에서는 공통 게이트의 드레인 출력 포트에 공통 게이트 FET 하나를 더 추가함으로써 출력 위상 오차 180o±5o와 크기 오차 ±0.5 dB의 성능을 0.5 ~ 10GHz까지 보이고 있다. 이 논문에 따르면, 추가적인 회로 없이 기존의 공통 소스와 공통 게이트 회로 만으로 구성된 능동 벌룬 의 경우, 10GHz 이내의 주파수에서 180o±25o의 출력 위상 오차를 보인다고 한다. 그리고 180o±5o의 특성으로 한정지을 경우, 주파수 특성이 단지 0.5 ~ 2GHz로 나타남을 볼 수 있다. 공통 게이트 FET가 추가된 회로의 단점은 FET의 추가로 인해 그것을 구동하기 위한 바이어스 회로가 추가되어야 하고 따라서 그만큼 칩 면적이 증가하게 되고 전력 소모가 증가하게 된다는 점이다.
도 1은 종래의 공통 게이트 FET와 공통 소스 FET를 이용한 기본적인 벌룬 회로를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 공통 소스 FET(101)의 게이트와 공통 게이트 FET(102)의 소스를 연결하여 입력 단자(103)로 하고 각 FET의 드레인을 두개의 출력 단자(104, 105)로 하는 구조로 되어 있다.
도 2a는 도 1의 공통 소스 FET(101)의 소신호 등가 회로이고, 도 2b는 공통 게이트 FET(102)의 소신호 등가회로이다.
Munenari Kawashima, et. al., "A Novel Broadband Active Balun", 33rd European Microwave Conference, 2003, p. 495-498.의 문헌에서는 등가 회로를 이용하여 입력 신호에 대한 출력 신호의 비를 구하는 방법을 언급하고 있는데, 이를 참조할 경우, 도 2a의 공통 소스 FET(101)(CSF; Common Source FET) 회로에서 입력 신호에 대한 출력 신호의 비, 즉 입력 단자(103)에서의 신호에 대한 출력 단자(104)에서의 신호의 비 (S21)CSF와 그 위상을 수식으로 표시하면 다음과 같다.
Figure 112006090236224-pat00001
(1)
Figure 112006090236224-pat00002
(2)
도 2b의 공통 게이트 FET(102)(CGF; Common Gate FET) 회로에서 입력 신호에 대한 출력 신호의 비, 즉 입력 단자(103)에서의 신호에 대한 출력 단자(105)에서의 신호의 비 (S21)CGF와 그 위상을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112006090236224-pat00003
(3)
Figure 112006090236224-pat00004
(4)
도 2a 및 도 2b를 참조하여, 벌룬으로의 동작 원리를 보면 식 (1)의 부호 (-)와 식 (3)의 부호 (+)가 다르기 때문에 벌룬의 두 출력은 서로 위상이 반대(180o차이)로 나타나고, 두 FET의 바이어스를 적당히 조절하면 크기가 같게 만들 수 있다. 따라서 위상이 반대이고 크기가 같은 두 신호를 출력으로 하는 벌룬으로 동작하게 된다. 하지만 식 (2)와 식 (4)의 주파수에 따른 위상을 비교해 보면, 두 식에서 주파수에 따라 그 위상이 감소하는 형태를 볼 수 있고, 그 감소 기울기가 식 (4)에 비해 식 (2)가 더 크기 때문에 주파수가 커질수록 공통 소스 FET(101)의 위상과 공통 게이트 FET(102)의 위상차가 180o에서 점점 벗어나게 된다.
따라서, 공통 게이트 FET와 공통 소스 FET를 이용한 벌룬 장치에 있어서, 물리적인 크기가 작고 광대역 주파수 특성을 가진 능동 벌룬 회로가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 리액티브 피드백 회로(reactive feedback circuit)를 구성하여 물리적인 크기가 작고 주파수 대역 특성이 우수한 능동 벌룬 회로 및 이를 이용하는 밸런스드 믹서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광대역 능동 벌룬은, 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극 및 소스 전극 중 어느 하나에 연결된 리액티브 임피던스 소자; 및 상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
리액티브 임피던스 소자는, 일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결된 커패시터이거나, 또는 일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게 이트 FET의 소스 전극에 연결된 인덕터일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광대역 능동 벌룬은, 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 커패시터; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 인덕터; 및 상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 출력하는 벌룬을 포함하는 밸런스드 믹서에 있어서, 상기 벌룬은, 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극 및 소스 전극 중 어느 하나에 연결된 리액티브 임피던스 소자; 및 상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 출력하는 벌룬을 포함하는 밸런스드 믹서에 있어서, 상기 벌룬은, 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 커패시터; 일단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 인덕터; 및 상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 특징인 주파수 특성이 현저히 개선된 능동 벌룬을 구현하기 위해 공통 소스 FET와 공통 게이트 FET로 구성된 기본 구조 능동 벌룬에서 공통 게이트 FET의 드레인과 게이트 사이에 커패시터를 추가한 회로의 구성도이다.
종래의 공통 게이트 FET의 출력 단자(105)에서의 신호 위상은 공통 소스 FET의 출력 단자(104)에서의 신호 위상보다 느리게 감소한다.
그러나 커패시터(106)가 추가되는 공통 게이트 FET(302)의 피드백 회로에 의해 출력 단자(105)에서의 신호의 위상이 종래의 경우보다 더 빠르게 감소됨으로써 공통 소스 FET의 출력 단자(104)에서의 신호 위상의 주파수에 따른 위상 기울기와 같아질 수 있다. 추가된 커패시터(106)에 의한 신호의 크기 변화는 두 FET(101 및 302)의 바이어스를 조절하여 같게 만들 수 있다.
도 3b는 도 3a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 3b의 회로에서 입력 신호에 대한 출력 신호의 비 (S21)CGF _ Cf와 그 위상을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112006090236224-pat00005
(5)
Figure 112006090236224-pat00006
(6)
식 (6)에서
Figure 112006090236224-pat00007
인 경우(1pF 이하의 Cf와 100GHz 이하에서는 일반적인 경우임.), 아래와 같은 Cf(식 7)를 선정한다면,
Figure 112006090236224-pat00008
(7)
식 (6)은 식 (2)와 같게 되어 주파수에 따른 위상 기울기가 같게 된다.
도 4a는 본 발명의 특징인 주파수 특성이 현저히 개선된 능동 벌룬을 구현하기 위해 공통 소스 FET와 공통 게이트 FET로 구성된 기본 구조 능동 벌룬에서 공통 게이트 FET의 드레인과 소스 사이에 인덕터(107)를 추가한 회로의 구성도이다.
종래의 공통 게이트 FET의 출력 단자(105)에서의 신호 위상은 공통 소스 FET의 출력 단자(104)에서의 신호 위상보다 느리게 감소한다.
그러나 인덕터(107)가 추가되는 공통 게이트 FET(402)의 피드백 회로에 의해 출력 단자(105)에서의 신호의 위상이 종래의 경우보다 더 빠르게 감소됨으로써 공통 소스 FET의 출력 단자(104)에서의 신호 위상의 주파수에 따른 위상 기울기와 같아질 수 있다. 추가된 인덕터(107)에 의한 신호의 크기 변화는 두 FET(101 및 402)의 바이어스를 조절하여 같게 만들 수 있다.
도 4b는 도 4a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 4b의 회로에서 입력 신호에 대한 출력 신호의 비 (S21)CGF _ Lf와 그 위상을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112006090236224-pat00009
(8)
Figure 112006090236224-pat00010
(9)
식 (9)에서
Figure 112006090236224-pat00011
인 경우(1nH 이하의 Lf와 100GHz 이하 주파수 범위에서는 일반적인 경우임.), 아래와 같은 Lf(식 10)를 선정한다면,
Figure 112006090236224-pat00012
(10)
식 (9)는 식 (2)와 같게 되어 주파수에 따른 위상 기울기가 같게 된다.
전술된 회로 구성을 실제로 검증하게 위해서 MMIC에 사용되는 실제 소자를 이용한 설계 예가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
커패시터와 인덕터는 높은 주파수로 갈수록 그 특성이 이상적인(ideal) 값에서 많이 벗어나게 되어, 일반적으로 그 특성을 복잡한 회로로 등가화한 등가 회로가 많이 이용된다.
도 5a는 인터디지털 커패시터의 주파수에 따른 특성을 표시한 등가 회로를 도시한 회로도이다. 본 발명에 사용될 커패시터는 매우 작은 값이고 MMIC에서 유용하게 사용되어야 하므로 인터디지털(interdegital) 커패시터를 사용하였다.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 사용될 일 예로서의 커패시터는, 커패시터(401, Cs)와 직렬로, 도체 손실(conductor loss)을 표현한 저항(Rs)(502)과 인덕터(Ls)(503)가 배치되고, 기판 두께에 의해 발생하는 커패시터를 표현하기 위해 커패시터(Cp)(504)와 저항(Rp)(505)이 직렬로 연결된 소자가 양 끝단에서 접지로 연결된 구조를 가진다.
도 5b는 인터디지털 커패시터의 주파수에 따른 특성을 표시한 등가 회로를 도시한 회로도이다.
도 5b를 참조하면, 본 발명에 사용될 일 예로서의 인덕터는, 인덕터(Lt)(506) 선의 도체 손실을 표현하는 저항(R)(507)이 인덕터(506)와 직렬로 연결되고 인접 인덕터 선과의 간섭을 표현한 커패시터(Cp)(508)가 병렬로 연결되고 기판 두께에 의해 발생하는 커패시터를 표현한 나선 내부에서의 커패시터(Ci)(509)와 저항(Ri)(510) 및 나선 외부에서의 커패시터(Co)(511)와 저항(Ro)(512)이 직렬로 연결된 소자가 양 끝단에서 접지로 연결된다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 공통 소스 FET(101) 및 인덕터와 커패시터가 추가된 공통 게이트 FET(602)로 구성된 능동 벌룬 회로의 구성도이다. 도 6b는 도 6a의 회로도 해석을 위해 도시한 단순화된 회로의 소신호 등가회로도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 특징인 주파수 특성이 현저히 개선된 능동 벌룬을 구현하기 위해 공통 소스 FET와 공통 게이트 FET로 구성된 기본 구조 능동 벌룬에서 공통 게이트 FET의 드레인과 게이트 사이에 커패시터(106)를 추가하고, 공통 게이트 FET의 드레인과 소스 사이에 인덕터(107)를 추가하였다.
이러한 회로 구성으로 인해 리액티브 임피던스 소자인 커패시터와 인덕터 중 하나를 공통 게이트 FET에 추가한 벌룬 회로에 비해 커패시터와 인덕터가 모두 추가된 공통 게이트 FET(602)의 출력 단자(105)와 공통 소스 FET(101)의 출력 단자(104)에서 출력되는 신호의 주파수 특성이 보다 향상될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 3a, 도 4a 및 도 6a의 회로도의 특성을 검증하는 개선된 주파수 특성을 보여주는 일실시예 특성도로서, 위상 오차와 크기 오차를 최소화시키기 위해 구해진 아래의 각 노드의 바이어스 조건 및 커패시터(Cf)와 인덕터(Lf)의 조건 하에서 얻어진 벌룬 회로의 설계 결과이다.
상기 검증에 사용된 커패시터와 인덕터는 도 5a 및 도 5b에 도시된 커패시터와 인덕터가 사용되었다. 그리고 능동소자인 FET의 경우, 게이트 길이(Gate length)가 0.15㎛이고 게이트 폭(Gate width)이 40㎛인 p-HEMT 소자를 사용하였다.
능동 소자의 바이어스 조건;
노드(node)(104): 1.22V, 노드(605): 0.46V, 노드(108): -0.18V, 노드(109): -0.88V
커패시터(Cf)(106)의 등가회로 파라메타 값;
Cs=0.008pF, Rs=2.03ohm, Ls=0.147nH, Rp=228ohm, Cp=0.021pF
인덕터(Lf)(107)의 등가회로 파라메타 값;
Lt=0.187nH, R=1.4ohm, Cp=-0.029pF, Ci=0.0033pF, Co=0.0044pF, Ri=30ohm, Ro=15ohm
도 7a를 참조하면, 그래프(701)는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 신호의 위상 오차를 나타내고, 그래프(702)는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 두 신호의 크기 오차를 나타내고, 그래프(703)은 출력 단자(104)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이고, 그래프(704)는 출력 단자(605)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이다. 도면의 두 원과 화살표는 각 그래프의 파라미터 값들이 두 개의 y축 중 어느 것을 표시하는지를 나타내는 것이다.
식 (7)의 Cf, 식 (10)의 Lf, 위상 오차 및 크기 오차에 최적화된 바이어스 조건으로, 출력 위상 오차 180o±5o와 크기 오차 ±1 dB의 성능을 DC ~ 60 GHz까지 보이고 있다. 이는 발표된 능동 및 수동 벌룬을 통틀어 최고의 성능을 보이는 결과이다.
도 7b를 참조하면, 그래프(701')는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 신호의 위상 오차를 나타내고, 그래프(702')는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 두 신호의 크기 오차를 나타내고, 그래프(703')은 출력 단자(104)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이고, 그래프(704')는 출력 단자(105)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이다.
식 (7)의 Cf 만으로도 뛰어난 주파수 특성의 벌룬을 구현할 수 있으며, 위상 오차와 크기 오차가 최소가 되는 최적화된 바이어스와 커패시터 값으로, 출력 위상 오차 180o±5o와 크기 오차 ±1 dB의 성능을 DC ~ 40 GHz까지 성능을 얻을 수 있었다.
도 7c를 참조하면, 그래프(701")는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 신호의 위상 오차를 나타내고, 그래프(702")는 두 개의 출력 단자(104, 105)에서 두 신호의 크기 오차를 나타내고, 그래프(703")은 출력 단자(104)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이고, 그래프(704")는 출력 단자(105)에서의 신호와 입력 단자(103) 신호에 대한 비를 (dB)로 나타낸 값이다.
식 (10)의 Lf 만으로도 뛰어난 주파수 특성의 벌룬을 구현할 수 있으며, 위상 오차와 크기 오차가 최소가 되는 최적화된 바이어스와 커패시터 값으로, 출력 위상 오차 180o±5o와 크기 오차 ±1 dB의 성능을 DC ~ 45 GHz까지 성능을 얻을 수 있었다.
전술된 본 발명의 광대역 능동 벌룬은 최소의 오차로 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 출력하며 광대역 밸런스드 믹서(balanced mixer)에 사용될 수 있다.
상기 밸런스드 믹서는 본 발명의 광대역 능동 벌룬을 사용하는 것으로 다른 구성은 공지된 것이므로 상세한 설명은 생략하겠다.
지금까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
그러므로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 공통 소스(common source) FET와 공통 게이트(common gate) FET를 이용한 일반적인 능동 벌룬 구조에서 공통 게이트 FET의 드레인과 게이트 사이에 커패시터를 병렬로 추가하고 공통 게이트 FET의 드레인과 소스 사이에 인덕터를 삽입한 리액티브 피드백 회로를 구성함으로써 벌룬의 두 개의 출력 단자에서의 신호의 위상 오차를 감소시켜 주파수 특성을 개선시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 물리적인 크기가 작아 고주파 통신 부품, MMIC 등 소형화를 요구하는 회로에서 주파수 특성이 우수한 벌룬이 요구되는 경우에 적용될 수 있 다.
또한 본 발명에 따라 벌룬의 주파수 대역이 넓어지므로, 이를 사용하는 밸런스드 믹서(balanced mixer)의 주파수 대역의 증대로 이어짐으로써 여러 주파수 대역의 시스템에 두루 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극 및 소스 전극 중 어느 하나에 연결된 리액티브 임피던스 소자; 및
    상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 능동 벌룬.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리액티브 임피던스 소자는 상기 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결된 커패시터인 것을 특징으로 하는 광대역 능동 벌룬.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리액티브 임피던스 소자는 상기 타단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결된 인덕터인 것을 특징으로 하는 광대역 능동 벌룬.
  4. 입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단 에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 커패시터;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 인덕터; 및
    상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 능동 벌룬.
  5. 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 출력하는 벌룬을 포함하는 밸런스드 믹서에 있어서, 상기 벌룬은
    입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극 및 소스 전극 중 어느 하나에 연결된 리액티브 임피던스 소자; 및
    상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스드 믹서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리액티브 임피던스 소자는 상기 타단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결된 커패시터인 것을 특징으로 하는 밸런스드 믹서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 리액티브 임피던스 소자는 상기 타단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결된 인덕터인 것을 특징으로 하는 밸런스드 믹서.
  8. 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 출력하는 벌룬을 포함하는 밸런스드 믹서에 있어서, 상기 벌룬은
    입력단에 연결된 소스 전극, 그라운드에 연결된 게이트 전극 및 제1 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 게이트 FET;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 게이트 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 커패시터;
    일단이 상기 공통 게이트 FET의 소스 전극에 연결되고 타단이 상기 공통 게이트 FET의 드레인 전극에 연결된 인덕터; 및
    상기 입력단에 연결된 게이트 전극, 그라운드에 연결된 소스 전극 및 제2 출력단에 연결된 드레인 전극을 구비한 공통 소스 FET;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스드 믹서.
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