방향성 커플러용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A DIRECTIONAL COUPLER}

본원은 2014년 9월 15일자 출원된, 발명의 명칭이 "방향성 커플러용 시스템 및 방법"인 미국 가출원 제62/050,314호의 우선권을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본원에 원용된다.

본 발명은 주로 전자 디바이스에 관한 것이고, 특히 방향성 커플러용 시스템 및 방법에 관한 것이다.

특정 방향으로 전송되고 있는 전력을 검출할 수 있는 전자 디바이스인 방향성 커플러는 매우 다양한 무선 주파수(RF) 회로에 사용된다. 예컨대, 방향성 커플러는, 레이더 시스템에서 입사파와 반사파를 분리함으로써 반사파를 검출하기 위해 사용될 수 있거나, 전송선의 임피던스 미스매치(mismatch)를 측정하는 회로에서 사용될 수 있다. 기능적으로, 방향성 커플러는 순방향 전송 경로 및 커플링용 전송 경로를 갖는다. 순방향 전송 경로는 주로 낮은 손실을 가지지만, 커플링용 전송 경로는 특정 방향으로 전파되는 전송 전력의 일부를 커플링한다. 전자기 커플러 및 자기 커플러를 포함하는 많은 상이한 유형의 커플러 구조가 존재한다. 이들 커플러 유형의 각각은 동작 주파수 및 동작 환경에 의존하여 상이한 토폴로지 및 재료를 사용하여 구현될 수 있다. 방향성 커플러에 대한 한 가지 일반적인 애플리케이션은 휴대폰 또는 휴대용 컴퓨팅 디바이스와 같은 휴대용 무선 주파수(RF) 디바이스 내에서의 반사되고 전송된 전력의 검출이다. 전송된 전력의 측정은 전력 증폭기의 출력을 조절하기 위해 제어 루프에서 사용될 수 있는 반면, 반사된 전력의 측정은 가변 안테나 매칭 네트워크를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 그런 반사된 전력 측정의 정확성을 제한하는 하나의 파라미터는 방향성 커플러의 방향성인데, 이것은 입사파에서 반사파까지의 측정을 분리시키는 방향성 커플러의 능력과 관련된다.

실시형태에 따르면, 회로는, 입력 포트, 전송용 포트, 분리용 포트 및 커플링용 포트를 포함하는 복수의 포트를 갖는 방향성 커플러 및 복수의 포트 중 적어도 하나에 커플링된 가변 종단부(adjustable termination)를 포함한다.

본 발명 및 그 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명에 대한 참조가 이루어질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 실시형태의 방향성 커플러 시스템을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 방향 선택 스위치를 갖는 실시형태의 방향성 커플러 시스템을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 두 개의 변압기를 사용하는 실시형태의 방향성 커플러 시스템을 도시한다.
도 4는 다른 실시형태에 따른 방향성 커플러를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 실시형태의 가변 임피던스 회로를 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는 실시형태의 방향성 커플러 시스템을 사용하는 다른 RF 시스템을 도시한다.
도 7은 실시형태의 방법의 블록도를 도시한다.
일반적으로 상이한 도면에서 일치하는 번호 및 기호는 달리 표시되지 않는 한 일치하는 부분을 나타낸다. 도면은 관련 측면들을 명확히 도시하도록 그려진 것이며 반드시 축척대로 그려진 것은 아니다. 측정 실시형태를 더 명확히 도시하기 위해, 동일 구조, 재료 또는 처리 단계의 변형을 나타내는 문자가 도면번호 다음에 이어질 수 있다.

현재 양호한 실시형태의 형성 및 사용이 이하에 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명이 매우 다양한 특정 맥락에서 구체화될 수 있는 많은 응용가능한 발명적 개념을 제공한다는 것이 인식되어야 한다. 설명되는 특정 실시형태는 본 발명을 형성하고 사용하는 특정 방식을 예시하는 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.

본 발명은, 특정 맥락의 양호한 실시형태, 즉, 예컨대 RF 회로에서 입사 또는 반사 전력을 측정하기 위해 사용될 수 있는 방향성 커플러용 시스템 및 방법과 관련하여 설명될 것이다. 본 발명의 실시형태는 또한, 선택가능한 신호 경로를 갖는 RF 시스템 및 방향성 커플러를 갖는 다른 회로를 포함하는 다른 시스템 및 애플리케이션에 적용될 수 있다. 더 나아가, 실시형태들은, 임피던스 미스매치를 측정 및/또는 튜닝하는 디바이스, TDR(time domain reflectometer), 튜닝가능한 안테나 매칭 회로용 감지 디바이스, 및 튜닝가능한 필터를 비한정적으로 포함하는, RF 측정을 수행하는 시스템에 관한 것일 수 있다.

본 발명의 실시형태에서, 방향성 커플러 회로는 입력 포트 및 전송용 포트를 갖는 방향성 커플러를 포함한다. 방향성 커플러는 또한, 전송용 포트에서 입력 포트로 전파되는 신호가 커플링되는 분리용 포트와, 입력 포트에서 전송용 포트로 전파되는 신호가 커플링되는 커플링용 포트를 포함한다. 방향성 커플러의 방향성을 개선시키기 위해 분리용 포트 및/또는 커플링용 포트에 가변 종단 임피던스가 커플링된다.

실시형태의 방향성 커플러 시스템은 예컨대 셀룰러 핸드셋용 프런트엔드 멀티칩 모듈 및 RF 프런트엔드 시스템에서 사용될 수 있다. 예컨대 그런 방향성 커플러 시스템은 특히 셀룰러 핸드셋용 재구성가능(reconfigurable) RF 프런트엔드에 사용될 수 있다. 실시형태의 방향성 커플러 시스템은, RF 프런트엔드 시스템에서, PA로부터 안테나로 전송된 전력, 및 시스템 내의 다양한 포트에서의 임피던스 미스매치로 인해 안테나에서 PA로 반사되는 전력을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 그런 시스템에서, 실시형태의 방향성 커플러는, 약 0.5 GHz 내지 약 3.8 GHz의 주파수 범위 내에서, 예컨대 25 dB 보다 큰, 높은 방향성을 제공한다. 종래의 시스템에서, 보통 이것은 하이-Q 수동 구성요소를 포함하는 기술로 구현된 수동 방향성 커플러를 사용함으로써 달성된다. 실시형태의 튜닝가능한 커플러는 높은 방향성을 달성하기 위해 실리콘 또는 다른 반도체 기판 상에서 모놀리식으로 집적될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 핸드헬드 모바일 디바이스의 0.5 GHz 내지 3.8 GHz 주파수 범위 내에서 적어도 25 dB의 높은 방향성은 방향성 커플러의 커플링용 포트 및/또는 분리용 포트에서의 부하 임피던스를 튜닝함으로써 달성된다.

종래의 방향성 커플러에서는, 두꺼운 금속화를 포함하고 하이-Q 수동 구조를 제공하는 IPD(integrated passive devices) 기술 또는 다른 수동 기술로 광대역 커플러를 구현함으로써 높은 방향성이 달성될 수 있다. 따라서, 방향 선택 스위치가 사용될 때, IPD 커플러는 종종 RF 스위치를 갖는 모듈내에 집적된다. 듀얼 커플러 역시 넓은 주파수 영역에서 높은 방향성을 제공하는데, 이것은 커플링용 포트 및 분리형 포트에서 신호를 동시에 제공할 수 있지만 단일 커플러에 비해 더 높은 삽입 손실을 가질 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 커플러는, 함께 모놀리식으로 집적될 수 있는 튜닝가능한 수동 커패시터 및 저항과 자기 변압기에 기초한다. 각각의 주파수 대역에서 높은 방향성을 달성하도록 방향성 커플러의 분리용 포트 또는 커플링용 포트에 커플링된 종단 저항 및/또는 커패시터를 튜닝함으로써 높은 방향성이 달성된다. 제안된 방식의 이점은, 낮은 삽입 손실과 함께 약 0.5 GHz와 약 3.8 GHz 사이의 주파수 범위에서 높은 방향성을 제공하는 RF 스위치 프로세스의 모놀리식 집적을 포함한다.

방향성 커플러의 방향성은 분리용 포트에서의 종단부의 품질에 강하게 의존한다. 높은 방향성을 갖는 최신 기술의 커플러는 종종, 잘 제어된 임피던스에 의해 각각의 커플러가 따로 종단되는 듀얼 커플러 구조에 기초한다. 그런 커플러는 커플링용 포트 및 분리용 포트에서 신호를 동시에 제공할 수 있다. 모바일 핸드헬드 디바이스를 위한 현대식 RF 프런트엔드 시스템에서는, 한 번에 하나의 출력, 즉, 커플링용 또는 분리용 단일 출력이 모니터링된다. 이것은, 커플링용 포트가 송수신기 시스템에 의해 모니터링될 수 있는 동안, 분리용 포트는 외부 구성요소와의 임의의 인터페이스를 갖지 않고 잘 제어된 또는 튜닝가능한 임피던스에 의해 종단될 수 있음을 의미한다. 그런 구성에서는, 방향성 커플러의 커플링용 포트와 분리용 포트 사이에서 스위칭함으로써 그리고 최상의 방향성을 달성하도록 종단 임피던스를 튜닝함으로써 양방향성 동작 및 높은 방향성이 동시에 달성될 수 있다.

도 1a는 다양한 실시형태에서 방향성 커플러를 구현하기 위해 사용될 수 있는 방향성 커플러(100)를 도시한다. 도시된 것처럼, 방향성 커플러(100)는, 입력 포트와 전송용 포트 사이에 커플링된 하나의 권선(102a)과, 분리용 포트와 커플링용 포트 사이에 커플링되고 권선(102a)에 자기적으로 커플링된 다른 권선(102b)을 갖는 변압기(104)를 사용하여 구현된다. 변압기(104)는 공지된 회로 및 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 일 실시형태에서, 변압기(104)는 집적 회로 상에 배치된 적층되거나 인접한 나선형 인덕터를 사용하여 구현될 수 있다. 다른 실시형태에서, 변압기(104)는 기판 상에 배치된 스트립라인(stripline) 변압기를 사용하여 구현될 수 있다. 대안적으로, 도 1a에 도시된 변압기-기반 커플링형 외에 다른 방향성 커플 회로 및 구조가 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 변압기(104)에는 커패시터(106, 108, 110, 112, 114 및 116)가 커플링된다.

방향성 커플러(100)는 또한, 방향성 커플러(100)의 방향성을 튜닝하기 위해 사용될 수 있는 가변 종단 임피던스(118)를 포함한다. 이 가변 종단 임피던스(118)는 공지된 스위칭 가능한 저항 구조를 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 일 실시형태에서, 스위치와 직렬로 커플링된 저항 포함하는 스위칭 가능한 저항 회로들이 가변 저항성 종단부를 구현하기 위해 직렬로 접속될 수 있다. 대안적으로, 공지된 다른 가변 및/또는 스위칭 가능한 임피던스 회로가 사용될 수 있다. 실시형태에서, 가변 종단 임피던스(118)는 약 1옴과 약 2옴 사이의 단위(granularity)로 프로그램될 수 있는 약 20옴과 약 100옴 사이의 저항값을 갖도록 조절될 수 있다. 일 실시형태에서, 가변 종단 임피던스(118)는 총 64 단계 동안 6비트 디지털 워드를 사용하여 프로그램될 수 있다. 대안적 실시형태에서, 종단 임피던스는 특정 실시형태 및 그 사양에 의존하여 상이한 범위의 프로그램 가능한 임피던스 및 상이한 단위를 가질 수 있다.

실시형태에서, 도 1b에서 방향성 커플러(120)에 대해 도시된 것처럼, 스위칭 가능한 저항 회로 대신 또는 그에 추가하여 스위칭 가능한 커패시터 회로가 사용될 수 있다. 여기서, 방향성 커플러(120)의 분리용 포트에 커플링된 커패시터(110)는 가변 커패시터인 것으로 도시된다. 실시형태에서, 가변 커패시터(110)는 약 0 fF와 1 pF 사이의 커패시턴스 값을 갖도록 조절될 수 있지만, 특정 애플리케이션 및 그 사양에 의존하여 1 pF 보다 높은 커패시턴스 값이 사용될 수도 있다. 가변 종단 임피던스(118)가 가변 저항을 사용하여 구현될 경우, 복소 임피던스를 구현하기 위해 가변 저항 및 가변 커패시터(110)의 조합이 사용될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 가변 저항은 어드미턴스의 실수부를 제공하고, 가변 커패시터(110)는 어드미턴스의 허수부를 제공한다. 대안적 실시형태에서, 가변 저항 및 커패시턴스 외의 다른 구성요소가 가변 임피던스를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시형태에서는 스위칭 가능한 인덕턴스가 사용될 수 있다. 또한, 상이한 가변 임피던스 토폴로지가 사용될 수 있다. 예컨대, 가변 저항 및 가변 커패시터의 가변 직렬 조합이 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 커패시터(106, 108, 112, 114 및 116) 뿐만 아니라, 변압기(104), 가변 종단 임피던스(118), 가변 커패시터(110)를 포함하는 방향성 커플러(120)는 단일 집적 회로 상에 집적될 수 있다. 대안적으로, 다양한 구성요소는, 스트립라인 구성요소, 수동 구성요소, 능동 구성요소 및 이들의 조합을 사용하여 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 집적될 수 있다.

도 2a는 변압기(104)로 구성된 방향성 커플러에 추가하여 방향 선택 스위치(202)를 포함하는 본 발명의 실시형태에 따른 튜닝 가능한 방향성 커플러(200)를 도시한다. 도시된 것처럼, 방향 선택 스위치는 두 개의 스위치를 포함한다. 한 스위치는, 분리용 포트를, 방향 선택 스위치의 출력 포트와, 가변 저항(204) 및 가변 커패시터(206)에 커플링된 제 1 종단 포트에 선택적으로 커플링한다. 나머지 한 스위치는, 커플링용 포트를, 방향 선택 스위치의 출력 포트와, 가변 저항(208) 및 가변 커패시터(210)에 커플링된 제 2 종단 포트에 선택적으로 커플링한다. 가변 저항(204 및 208) 및 가변 커패시터(206 및 210)의 각각은 튜닝 가능한 방향성 커플러(200)의 방향성을 증가시키기 위해 조절될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 변압기(104), 커패시터(106, 108, 110, 112, 114 및 116), 방향 선택 스위치(202), 가변 저항(204 및 208), 가변 커패시터(206 및 210)는 단일 집적 회로 다이 상에서 구현될 수 있다. 대안적으로, 이들 구성요소는 복수의 집적 회로 상에서 및/또는 이산 구성요소들 또는 이들의 조합을 사용하여 배치될 수 있다.

도 2b는 출력 포트를 분리용 포트와 커플링용 포트 중 하나에 선택적으로 커플링하고 선택되지 않은 포트를 종결시키는 방향 선택 스위치(222)를 포함하는 실시형태의 튜닝 가능한 방향성 커플러(220)를 도시한다. 도시된 것처럼, 방향 선택 스위치(222)는, 분리용 포트와 커플링용 포트 중 하나를 출력 포트에 접속하는 하나의 SPDT(single pole double throw) 스위치(228), 가변 종단 저항(204)에 커플링된 SPST(single pole single throw) 스위치(230) 및 가변 종단 저항(208)에 커플링된 SPST 스위치(232)를 포함한다. SPST 스위치(230)와 가변 종단 저항(204)의 조합 및 SPST 스위치(232)와 가변 종단 저항(208)의 조합은 또한 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226)로 각각 간주될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226)의 스위치(230 및 232)는 오로지 RF 스위치만을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226) 내의 SPST 스위치(232 및 230)의 기능은 가변 저항(204 및 208) 자체 내에 분포될 수 있는데, 이것은 스위칭 가능한 트랜지스터의 채널 저항을 사용하여 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226)의 임피던스의 실수부를 튜닝함으로써 구현될 수 있다. 이 스위칭 가능한 트랜지스터는 예컨대 NMOS 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다. 대안적으로, PMOS 트랜지스터와 같은 다른 트랜지스터 유형이 사용될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)를 도시한다. 도시된 것처럼, 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)는 두 개의 변압기(302 및 304)를 포함한다. 변압기(302)는 입력 포트와 전송용 포트 사이에 커플링된 인덕턴스(L1) 및 접지와 커플링용 포트 사이에 커플링된 인덕턴스(L2)에 의해 표시된 두 개의 권선을 갖는다. 마찬가지로, 변압기(304)는 입력 포트와 접지 사이에 커플링된 인덕턴스(L3) 및 분리용 포트와 커플링용 포트 사이에 커플링된 인덕턴스(L4)에 의해 표시된 두 개의 권선을 갖는다. 실시형태에서, 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)는, 변압기(302 및 304)의 권선의 임피던스가 시스템의 특성 임피던스보다 훨씬 더 커지는 주파수(ωL >> Z0)보다 높을 수 있는 넓은 주파수 범위에서 동작하는데, 여기서 L은 L1, L2, L3 또는 L4이다. 실시형태에서, 변압기(302 및 304)는 반도체 기판 상에 집적된다. 그런 실시형태에서, 인덕턴스 값(L1, L2, L3 및 L4)은 약 0.4 nH와 약 10 nH 사이에 있을 수 있다. 이 범위의 값은 사용되고 있는 특정 기술에 의존하여 상이한 실시형태들에서 발생할 수 있음이 이해되어야 한다.

실시형태에서, 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)의 방향성 및 삽입 손실은 가변 커패시터(C1, C2, C3 및 C4)의 값을 조절함으로써 증가될 수 있다. 실시형태에서, 입력 포트 및 전송용 포트에 각각 커플링된 튜닝 가능한 커패시턴스(C1 및 C2)는 삽입 손실을 감소시키도록 튜닝될 수 있는데, 이것은 권선 인덕턴스(L3)에 기인한 접지까지의 션트 인덕턴스에 의해 저하될 수 있다. 예컨대, 원하는 동작 주파수에서, C1 및 C2는 L3의 션트 효과가 감소되고 RF 경로의 미스매치 손실이 최소화되도록 튜닝될 수 있다. 한편, 튜닝 가능한 커패시턴스(C3 및 C4)는 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)의 방향성을 개선시키도록 조절될 수 있는데, 이것은 변압기(302 및 304)의 권선들 사이의 프린징 커패시턴스(fringing capacitances)에 의해 저하될 수 있다. 분리용 포트 및 커플링용 포트에서의 튜닝 가능한 커패시턴스(C3 및 C4)는, 이들 포트에서 본 복소 임피던스를 조절하고, 몇몇 실시형태에서는, 특정 주파수 범위에서 방향성을 최대화하기 위해 사용될 수 있다. 실시형태에서, 몇몇 경우에 약 10 dB와 약 15dB 사이에서의 임피던스 미스매치가 용인된다. 실시형태에서, 튜닝 가능한 커패시터(C1, C2, C3 및 C4)는 공지된 튜닝 가능한 커패시턴스 회로를 사용하여 구현될 수 있다.

도 3b는 도 3a에 도시된 2-변압기 방향성 커플러를 사용하고 방향 선택 스위치(202) 및 가변 저항(204 및 208)에 또한 커플링되는 튜닝 가능한 방향성 커플러(350)를 도시한다. 도 2a에 도시된 실시형태의 방향성 커플러(200)와 마찬가지로, 방향 선택 스위치(202)는, 분리용 포트를, 방향 선택 스위치의 출력 포트와, 가변 저항(204)에 커플링된 제 1 종단 포트에 선택적으로 커플링하는 하나의 스위치를 포함하고, 커플링용 포트를, 방향 선택 스위치의 출력 포트와 가변 저항(208)에 커플링된 제 2 종단 포트에 선택적으로 커플링하는 다른 스위치를 포함한다. 가변 저항(204 및 208)의 각각은 튜닝 가능한 방향성 커플러(350)의 방향성을 증가시키도록 조절될 수 있다. 실시형태에서, 변압기(302 및 304), 가변 커패시터(C1, C2, C3 및 C4), 방향 선택 스위치(202) 및 가변 저항(204 및 208)은 단일 집적 회로 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 이들 구성요소는 복수의 집적 회로 상에서 및/또는 이산 구성요소들을 사용하거나 이들의 조합을 사용하여 배치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 방향 선택 스위치(202) 및 가변 저항(204 및 208)은 다른 구조를 사용하여 구현된 방향성 커플러 회로에 커플링될 수 있다.

도 4는 변압기(402 및 404)를 포함하는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 실시형태의 방향성 커플러(400)를 도시한다. 방향성 커플러(400)는, 변압기(404)의 인덕터(L3)에 의해 표시된 권선이 방향성 커플러(400)의 입력 포트에 직접 커플링되지 않고 변압기(402)의 L1에 의해 표시된 권선의 중간 탭에 커플링되는 것을 제외하면, 도 3a에 도시된 튜닝 가능한 방향성 커플러(300)와 유사하다. 또한, 변압기(402)의 인덕터(L2)에 의해 표시된 권선은 방향성 커플러(400)의 커플링용 포트에 직접 커플링되지 않고 변압기(404)의 L4에 의해 표시된 권선의 중간 탭에 커플링된다. 다른 실시형태에서, 방향성 커플러(400)는 방향성 커플러(350)에 대해 도 3b에 도시된 것과 마찬가지로 방향 선택 스위치 및 가변 종단 저항에 커플링될 수 있다.

도 5a는 실시형태의 방향성 커플러 시스템에 사용된 가변 저항 회로와 같은 다양한 실시형태의 회로를 구현하기 위해 사용될 수 있는 가변 저항(500)을 도시한다. 도시된 것처럼, 가변 저항(500)은 서로 직렬로 커플링된 저항(R21, R22 및 R23)을 포함한다. 또한, 트랜지스터(M21)는 저항(R21)을 우회하도록 구성되고, 트랜지스터(M22)는 저항(R22)을 우회하도록 구성되고, 트랜지스터(M23)는 저항(R23)을 우회하도록 구성된다. 동작 중에, 가변 저항값을 제공하기 위해 트랜지스터(M21, M22 및 M23)는 다양한 조합으로 턴 온 및 턴 오프된다. 트랜지스터(M21, M22 및 M23)가 전부 오프될 때, 가변 저항(500)은 최대 저항값을 가지며, 이것은 저항의 변경을 초래하도록 트랜지스터(M21, M22 및 M23)를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프함으로써 감소되고 조절될 수 있다.

도 5b는 실시형태의 방향성 커플러 시스템에 사용되는 다양한 가변 저항 회로와 같은 다양한 실시형태의 회로를 구현하기 위해 사용될 수 있는 가변 저항(520)을 도시한다. 도시된 것처럼, 가변 저항(520)은 서로 병렬로 커플링된 저항(R31, R32 및 R33)을 포함하는데, 저항(R31, R32 및 R33)의 각각은 트랜지스터(M31, M32 및 M33)의 각각과 직렬로 커플링된다. 가변 저항(520)의 저항값은 트랜지스터(M31, M32 및 M33)를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프함으로써 조절될 수 있다.

도 5c는 실시형태의 방향성 커플러 시스템에 사용되는 가변 커패시턴스 회로와 같은 다양한 실시형태의 회로를 구현하기 위해 사용될 수 있는 가변 커패시터(530)를 도시한다. 도시된 것처럼, 가변 커패시터(530)는 서로 병렬로 커플링된 커패시터(C31, C32 및 C33)를 포함하는데, 커패시터(C31, C32 및 C33)의 각각은 트랜지스터(M31, M32 및 M33)와 각각 직렬로 커플링된다. 가변 커패시터(530)의 커패시턴스는 트랜지스터(M31, M32 및 M33)를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프함으로써 조절될 수 있다. 이들 트랜지스터는 이들 트랜지스터의 게이트에 HIGH 및 LOW 신호를 인가함으로써 턴 온 및 턴 오프될 수 있다.

도 5d는 예컨대 도 2b에 도시된 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226)를 구현하기 위해 사용될 수 있는 스위칭 가능한 종단 네트워크(540)의 실시형태의 구현을 도시한다. 스위칭 가능한 종단 네트워크(540)의 기본 요소는 RF 스위치로서, 이는 온-상태에서 주로 저항(R _ON )으로 동작하고 오프-상태에서 커패시턴스(C _OFF )로 동작한다. 다양한 실시형태에서, 온-저항 및 오프-커패시턴스의 값은 NMOS 디바이스의 사이징(sizing) 및 적층에 의해 최적화된다.

도시된 것처럼, 스위칭 가능한 종단 네트워크(540)는, 총 저항의 불변 부분을 형성하는 31개의 적층된 NMOS 디바이스(M _c,0,1 ... M _c,4,16 )와, 저항의 튜닝 가능한 부분을 구현하는, 제 1 적층에 병렬로 접속된 추가적인 31개의 적층된 디바이스(M _t,0,1 ... M _t,4,16 )를 사용하여 구현된다. 각각의 트랜지스터는 각 트랜지스터의 오프-커패시턴스를 최소화하기 위해 게이트 저항을 가질 수 있다. 저항의 튜닝 가능한 부분은 5개의 스위치 그룹으로 분할될 수 있고, 각 그룹은 이진-가중 개수(binary-weighted number)의 적층된 NMOS 디바이스를 갖는다. 각 그룹의 트랜지스터는 제어 워드(RTUN ₀ ... TRUN ₄ )의 비트에 대응하여 동시에 온 또는 오프로 스위칭된다. 실시형태에서, 제어 신호(SW _T1 )에 의해 제어되는 네트워크의 불변 부분은 스위칭 가능한 종단 네트워크가 활성화되는 활성 상태에서 항상 온이다. 이 활성 상태는 예컨대 스위칭 가능한 종단 네트워크(224 및 226) 내의 스위치(230 또는 232)가 닫힌 상태에 대응할 수 있다. 일 예에서, 튜닝 가능한 네트워크 내의 모든 트랜지스터는 동일한 사이즈이다. 대안적으로, 상이한 사이즈가 사용될 수 있다. 한 디바이스의 온-저항이 R _ON 이라고 가정하면, 종단 저항의 최소값 및 최대값은 다음과 같이 주어진다.

R _T.max = 31*R _ON 및

R _T.min = 31*R _ON /2

네트워크가 접속해제 상태에서 동작할 때, 모든 NMOS 디바이스는 턴 오프된다. 나머지 커패시턴스는 2C _OFF /31이다. 직렬 접속된 NMOS 디바이스의 수가 많기 때문에(31개의 디바이스), 총 오프 커패시턴스는 십분의 몇 fF 범위로 매우 낮다. 스위칭 가능한 네트워크(540)의 이점은, 종단 임피던스의 허수부가 매우 낮고(낮은 션트 커패시턴스에 기인함), 이것이 높은 방향성을 갖는 광대역 커버리지를 초래한다는 것이다.

본 발명의 대안적 실시형태에서, 스위칭 가능한 종단 네트워크(540)는 특정 실시형태 및 그 사양에 의존하여 31개보다 더 많거나 더 적은 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 스위칭 가능한 종단 네트워크(540)를 구현하기 위해 NMOS 디바이스 이외의 다른 디바이스 유형, 예컨대 PMOS 디바이스 및/또는 상이한 디바이스 유형들의 조합이 사용될 수 있다.

도 6a는 본 발명의 실시형태에 따른 RF 시스템(600)을 도시한다. 시스템(600)은 실시형태의 방향성 커플러 시스템(604) 및 튜닝 가능한 매칭 네트워크(606)를 통해 안테나(612)에 커플링된 RF 송수신기(602)를 포함한다. 방향성 커플러(604)의 출력 포트는 전력 검출기(608)에 커플링되고, 전력 검출기(608)의 출력은 제어기(610)에 커플링된다. 실시형태에서, 제어기(610)는 전력 검출기(608)의 디지털화된 출력에 따라 튜닝 가능한 매칭 회로(606)를 조절한다. 방향성 커플러(604)가 RF 송수신기(602)와 튜닝 가능한 매칭 네트워크(606)의 입력 사이의 임피던스 미스매치를 검출할 경우, 제어기(610)는 임피던스의 측정된 미스매치가 몇몇 실시형태에서 사전 결정된 임계치 아래로 떨어질 때까지 튜닝 가능한 매칭 네트워크(606)를 조절한다. 몇몇 실시형태에서, 제어기(610)는 예컨대 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 전용 시스템 로직을 사용하여 구현될 수 있다. 동작 중에, 제어기(610)는 다양한 실시형태에 따라 방향성 커플러 시스템(604) 내의 저항성 종단부를 튜닝하거나 교정(calibrate)할 수 있다. 제어기(610)는 또한 이루어지는 측정에 의존하여 방향성 커플러의 어떤 출력 포트가 전력 검출기(608)에 라우팅되어야 할지를 선택할 수 있다. RF 시스템(600)은 예컨대 휴대폰의 프런트엔드, 무선 로컬 에어리어 네트워크 송수신기, 또는 다른 무선 주파수 시스템에서 구현될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 튜닝 가능한 매칭 네트워크(606)는, 시스템(620)에 대해 도 6b에 도시된 것처럼, RF 송수신기(602)와 방향성 커플러(604) 사이에 커플링된다.

도 6c는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 실시형태의 레이더 시스템(650)을 도시한다. 시스템(650)은 실시형태의 방향성 커플러 시스템(604)을 통해 안테나(612)에 커플링된 레이더 송수신기(652)를 포함한다. 방향성 커플러 시스템(604)의 출력은 전력 검출기(608)를 통해 제어기(610)에 커플링된다. 실시형태에서, 방향성 커플러 시스템(604)은 반사된 레이더 펄스에 존재할 수 있는 안테나(612)로부터의 입사 신호를 측정한다. 시스템(650)은 예컨대 자동차 또는 근접 레이더 시스템과 같은 레이더 시스템에 사용될 수 있다. 방향성 커플러 시스템(604)은 예컨대 본원에 개시된 실시형태의 방향성 커플러 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 실시형태의 반사 측정 회로를 사용할 수 있는 다른 예의 시스템은 PIFA(planar inverted F antenna) 피드-포인트 튜너에서의 전력 모니터링을 포함한다.

도 6d는 실시형태의 방향성 커플러 시스템(604)을 통해 안테나(612)에 커플링된 안테나 스위치(662)를 포함하는 실시형태의 시스템(660)을 도시한다. 안테나 스위치(662)는 입력(S1 내지 SN) 중에서 한 입력을 선택하여 그것을 출력 노드(O1)에 커플링하도록 구성된다. 방향성 커플러(604)의 출력 포트는 전력 검출기(608)를 통해 제어기(610)에 커플링된다. 시스템(660)은, 예컨대, 방향성 커플러(604) 내의 극성 스위치(polarity switch)의 위치를 선택함으로써 순방향 및 역방향에서 전송 및 반사 전력을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 방향성 커플러(604)의 출력은 또한 포락선 추적(envelope tracking) 및 안테나 튜닝을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

도 6a 내지 도 6d에 도시된 실시형태는 실시형태의 방향성 커플러를 사용하여 구현될 수 있는 다수의 실시형태의 시스템의 4개의 예일 뿐임이 인식되어야 한다.

도 7은 입력 포트, 전송용 포트, 분리용 포트 및 커플링용 포트를 포함하는 복수의 포트를 갖는 방향성 커플러와, 복수의 포트 중 적어도 하나에 커플링된 가변 종단부를 동작시키는 실시형태의 방법(700)의 블록도를 도시한다. 특히, 방법(700)은 본원에 설명된 실시형태의 튜닝 가능한 방향성 커플러를 교정하기 위해 수행될 수 있다. 단계(702)에서, 입력 포트와 전송용 포트 중 하나에서 제 1 신호가 수신되고, 단계(704)에서, 분리용 포트와 커플링용 포트 중 적어도 하나로부터 제 2 신호가 모니터링된다. 다음에, 단계(706)에서 방향성이 결정된다. 일 실시형태에서, 제 1 신호는 입력 포트에서 수신되고, 분리용 포트가 모니터링되며, 측정된 제 2 신호의 진폭이 방향성 커플러의 방향성의 척도로서 사용된다. 몇몇 실시형태에서, 제 1 및 제 2 신호의 진폭의 비가 방향성 척도이다. 그런 실시형태에서, 더 높은 방향성은 측정된 제 2 신호의 더 낮은 진폭에 대응한다. 다른 실시형태에서, 방향성은 다음과 같이 정의된다.

방향성 =

여기서 P _Isolated 는 방향성 커플러의 분리용 포트에서 측정된 전력이고, P _Coupled 는 커플링용 포트에서 측정된 전력이다.

단계(708)에서, 방향성은 임계치, 예컨대 25 dB와 비교된다. 대안적으로, 다른 임계치가 사용될 수 있다. 결정된 방향성이 임계치보다 더 크지 않다면, 단계(710)에서 종단 임피던스가 조절되고, 변경된 종단 임피던스에 기초하여 방향성을 결정하기 위해 단계(702, 704 및 706)가 반복된다. 단계(708)에서 결정된 방향성이 임계치보다 더 크다면, 단계(712)에서 현재의 임피던스 값 또는 가변 임피던스 요소를 설정하기 위해 사용된 설정값이 메모리에 저장되고 교정 과정은 종료된다. 결정된 방향성이 여전히 임계치보다 더 크지 않다면, 방향성이 임계치보다 더 커질 때까지 단계(702, 704, 706 및 708)가 반복된다.

몇몇 실시형태에서, 방향성은, 방향성이 임계치보다 더 크다는 것을 보장하는 것 대신, 또는 그에 추가하여, 최대화될 수 있다. 예컨대, 단계(702, 704 및 706)는 최대 방향성이 발견될 때까지 반복될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 단계(702, 704 및 706)는 방향성 커플러의 커플링용 포트 및/또는 분리용 포트에서 최소 신호 레벨 또는 최대 신호 레벨이 검출될 때까지 반복될 수 있다.

여기에는 본 발명의 실시형태가 요약되어 있다. 명세서 및 여기에 첨부된 특허청구범위의 전체로부터 다른 실시형태 역시 이해될 수 있다. 한 가지 일반적인 측면은, 입력 포트, 전송용 포트, 분리용 포트 및 커플링용 포트를 포함하는 복수의 포트를 갖는 방향성 커플러와, 상기 복수의 포트 중 적어도 하나에 커플링된 가변 종단부를 포함하는 회로를 포함한다.

구현은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 가변 종단부는 상기 분리용 포트에 커플링되며, 예컨대, 가변 저항 및/또는 가변 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 회로는 또한, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 포함하는 방향 선택 스위칭 회로를 더 포함할 수 있는데, 제 1 스위치 설정에서, 상기 제 1 스위치는 상기 분리용 포트를 상기 가변 종단부의 제 1 종단 포트에 커플링하도록 구성되고, 상기 제 2 스위치는 상기 커플링용 포트를 스위치 출력 포트에 커플링하도록 구성된다. 그런 실시형태에서, 제 2 스위치 설정에서, 상기 제 1 스위치는 상기 분리용 포트를 상기 스위치 출력 포트에 커플링하도록 구성되고, 상기 제 2 스위치는 상기 커플링용 포트를 상기 가변 종단부의 제 2 종단 포트에 커플링하도록 구성된다.

몇몇 실시형태에서, 상기 가변 종단부는, 상기 제 1 종단 포트에 커플링된 제 1 가변 종단 회로와, 상기 제 2 종단 포트에 커플링된 제 2 가변 종단 회로를 포함한다. 상기 제 1 가변 종단 회로는 제 1 가변 저항을 포함할 수 있고, 상기 제 2 가변 종단 회로는 제 2 가변 저항을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 제 1 가변 종단 회로는 제 1 가변 커패시터를 더 포함하고, 상기 제 2 가변 종단 회로는 제 2 가변 커패시터를 더 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 상기 방향성 커플러는, 상기 입력 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 1 권선 및 상기 분리용 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 2 권선을 갖는 변압기를 포함하고, 상기 제 1 권선은 상기 제 2 권선에 자기적으로(magnetically) 커플링된다. 상기 방향성 커플러는, 상기 입력 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 1 권선, 및 상기 커플링용 포트와 기준 노드 사이에 커플링된 제 2 권선을 갖는 제 1 변압기―상기 제 1 권선은 상기 제 2 권선에 자기적으로 커플링됨―와, 상기 입력 포트와 상기 기준 노드 사이에 커플링된 제 3 권선, 및 상기 분리용 포트와 상기 커플링용 포트 사이에 커플링된 제 4 권선을 갖는 제 2 변압기―상기 제 3 권선은 상기 제 4 권선에 자기적으로 커플링됨―를 포함할 수 있다. 상기 회로는, 상기 입력 포트에 커플링된 제 1 튜닝 커패시터와, 상기 전송용 포트에 커플링된 제 2 튜닝 커패시터와, 상기 분리용 포트에 커플링된 제 3 튜닝 커패시터와, 상기 커플링용 포트에 커플링된 제 4 튜닝 커패시터를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 회로에서 상기 방향성 커플러 및 상기 가변 종단부는 동일한 기판 상에 배치되며, 동일한 기판은 동일한 집적 회로가 될 수 있다.

다양한 실시형태에서, 상기 방향성 커플러는: 상기 분리용 포트, 상기 커플링용 포트 및 스위치 출력 포트에 커플링된 단자들을 갖는 SPDT(single-pole-double throw) 스위치와; 상기 분리용 포트와 상기 가변 종단부의 제 1 포트 사이에 커플링된 제 1 STST(single pole single throw) 스위치와; 상기 커플링용 포트와 상기 가변 종단부의 제 2 포트 사이에 커플링된 제 2 STST 스위치를 더 포함하는데, 제 1 스위치 설정에서, 상기 SPDT 스위치는 상기 분리용 포트를 상기 스위치 출력 포트에 커플링하고, 상기 제 1 STST 스위치는 열리고, 상기 제 2 STST 스위치는 닫히며, 제 2 스위치 설정에서, 상기 SPDT 스위치는 상기 커플링용 포트를 상기 스위치 출력 포트에 커플링하고, 상기 제 1 STST 스위치는 닫히고, 상기 제 2 STST 스위치는 열린다.

실시형태에서, 상기 방향성 커플러는, 상기 분리용 포트, 상기 커플링용 포트 및 스위치 출력 포트에 커플링되는 단자들을 갖는 SPDT 스위치를 더 포함하고, 상기 가변 종단부는, 상기 커플링용 포트와 기준 노드 사이에 커플링된 제 1의 복수의 트랜지스터와, 상기 분리용 포트와 상기 기준 노드 사이에 커플링된 제 2의 복수의 트랜지스터를 포함한다. 제 1 스위치 설정에서, 상기 SPDT 스위치는 상기 분리용 포트를 상기 스위치 출력 포트에 커플링하고, 상기 제 1의 복수의 트랜지스터는 상기 커플링용 포트와 상기 기준 노드 사이에서 높은 임피던스를 형성하고, 상기 제 2의 복수의 트랜지스터는 상기 커플링용 포트와 상기 기준 노드 사이에서 선택된 임피던스를 형성하는데, 상기 선택된 임피던스는 상기 높은 임피던스보다 더 낮다. 제 2 스위치 설정에서, 상기 SPDT 스위치는 상기 커플링용 포트를 상기 스위치 출력 포트에 커플링하고, 상기 제 1의 복수의 트랜지스터는 상기 커플링용 포트와 상기 기준 노드 사이에서 상기 선택된 임피던스를 형성하고, 상기 제 2의 복수의 트랜지스터는 상기 커플링용 포트와 상기 기준 노드 사이에서 상기 높은 임피던스를 형성하는데, 상기 선택된 임피던스는 상기 높은 임피던스보다 더 낮다. 상기 제 1의 복수의 트랜지스터 및 상기 제 2의 복수의 트랜지스터의 각각은, 예컨대 NMOS 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있고, 상기 선택된 임피던스는 상기 제 1의 복수의 트랜지스터 및 상기 제 2의 복수의 트랜지스터를 구성하는 트랜지스터의 온(on)-저항에 의해 형성될 수 있다.

다른 일반적 측면은, 입력 포트, 전송용 포트, 분리용 포트 및 커플링용 포트를 포함하는 복수의 포트를 갖는 방향성 커플러와, 상기 복수의 포트 중 적어도 하나에 커플링된 가변 종단부를 포함하는 회로를 동작시키는 방법을 포함한다. 상기 방법은, 상기 입력 포트와 상기 전송용 포트 중 적어도 하나로부터 제 1 신호를 수신하는 단계와, 상기 분리용 포트와 상기 커플링용 포트 중 적어도 하나로부터 제 2 신호를 모니터링하는 단계와, 상기 모니터링에 기초하여 상기 방향성 커플러의 방향성을 증가시키도록 상기 가변 종단부를 조절하는 단계를 포함한다.

구현은 다음과 같은 특징들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 상기 가변 종단부는 가변 저항 및/또는 가변 커패시턴스를 포함하고, 상기 가변 종단부를 조절하는 단계는 상기 가변 저항 및/또는 가변 커패시턴스를 조절하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 분리용 포트의 신호와 상기 커플링용 포트의 신호 중에서 상기 제 2 신호를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 제 2 신호를 선택하는 단계는, 상기 커플링용 포트 및 상기 분리용 포트에 커플링된 입력 단자들을 가지며 출력 단자를 갖는 방향 선택 스위치의 위치를 선택하는 단계를 포함한다.

다른 일반적 측면은, 입력 포트, 전송용 포트, 분리용 포트 및 커플링용 포트를 포함하는 복수의 포트를 포함하는 방향성 커플러와; 상기 분리용 포트에 커플링된 제 1 입력, 상기 커플링용 포트에 커플링된 제 2 입력, 스위치 신호 출력 포트, 제 1 종단 출력 포트, 및 제 2 종단 출력 포트를 갖는 방향 선택 스위치를 갖는 RF(radio frequency) 시스템을 포함한다. 제 1 상태에서, 상기 방향 선택 스위치는 상기 분리용 포트를 상기 스위치 신호 출력 포트에 커플링하고 상기 커플링용 포트를 상기 제 1 종단 출력 포트에 커플링하도록 구성된다. 제 2 상태에서, 상기 방향 선택 스위치는 상기 커플링용 포트를 상기 스위치 신호 출력 포트에 커플링하고 상기 분리용 포트를 상기 제 2 종단 출력 포트에 커플링하도록 구성된다. 상기 RF 시스템은, 상기 제 1 종단 출력 포트에 커플링된 제 1 가변 임피던스 요소와, 상기 제 2 종단 출력 포트에 커플링된 제 2 가변 임피던스 요소를 더 포함한다.

구현은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 상기 제 1 가변 임피던스 요소 및 상기 제 2 가변 임피던스 요소는 상기 방향성 커플러에 적어도 20 dB의 방향성을 제공하도록 조절된다. 상기 방향성 커플러는, 상기 입력 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 1 권선 및 상기 분리용 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 2 권선을 갖는 변압기를 포함할 수 있는데, 상기 제 1 권선은 상기 제 2 권선에 자기적으로 커플링된다.

실시형태에서, 상기 방향성 커플러는: 상기 입력 포트와 상기 전송용 포트 사이에 커플링된 제 1 권선, 및 상기 커플링용 포트와 기준 노드 사이에 커플링된 제 2 권선을 갖는 제 1 변압기―상기 제 1 권선은 상기 제 2 권선에 자기적으로 커플링됨―와, 상기 입력 포트와 상기 기준 노드 사이에 커플링된 제 3 권선, 및 상기 분리용 포트와 상기 커플링용 포트 사이에 커플링된 제 4 권선을 갖는 제 2 변압기―상기 제 3 권선은 상기 제 4 권선에 자기적으로 커플링됨―를 포함한다. 상기 RF 시스템은, 상기 스위치 신호 출력 포트에 커플링된 전력 검출기를 더 포함할 수 있으며, 상기 방향성 커플러의 상기 전송용 포트에 커플링된 안테나와, 상기 방향성 커플러의 상기 입력 포트에 커플링된 출력 포트를 갖는 안테나 스위치를 더 포함할 수 있다.

실시형태의 이점은 방향성 커플러에서 낮은 삽입 손실과 함께 높은 방향성을 달성하는 능력을 포함한다. 실시형태의 방향성 커플러의 다른 이점은 모놀리식으로 집적된 방향성 커플러에서 높은 이동성을 달성하는 능력이다.

본 발명은 예시적 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 제한적 의미로 해석되어서는 안된다. 본 명세서를 참조할 경우 당업자에게는, 본 발명의 다른 실시형태뿐만 아니라, 예시적 실시형태의 다양한 변형 및 조합이 명백할 것이다.