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KR101269777B1 - Terahertz band phase shifting device using signal leakage and beamforming system using thereof - Google Patents

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KR101269777B1
KR101269777B1 KR1020110062667A KR20110062667A KR101269777B1 KR 101269777 B1 KR101269777 B1 KR 101269777B1 KR 1020110062667 A KR1020110062667 A KR 1020110062667A KR 20110062667 A KR20110062667 A KR 20110062667A KR 101269777 B1 KR101269777 B1 KR 101269777B1
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이국주
최승호
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

테라헤르츠 대역 위상 변화 장치에 관한 기술이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치는, 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화킴으로써, 시스템 설계 및 제조의 용이성과 전력 효율을 개선함은 물론 초고주파 대역에서 발생하는 신호 누설 및 삽입손실 문제를 해결할 수 있다.
A technique relating to a terahertz band phase shift device is disclosed.
The terahertz band phase shift device according to an embodiment of the present invention changes the phase of the input signal passing through the MOSFET element by using a MOSFET element that operates in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal. By improving the efficiency and power efficiency of the system design and manufacturing, it is possible to solve the problems of signal leakage and insertion loss occurring in the ultra-high frequency band.

Description

신호 누설을 활용한 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치 및 이를 이용한 빔­포밍 시스템{Terahertz band phase shifting device using signal leakage and beamforming system using thereof}Terahertz band phase shifting device using signal leakage and beamforming system using

본 발명은 신호의 위상을 변화시키는 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 테라헤르츠 주파수 대역에서 수동 소자를 이용하여 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 장치 및 이를 이용한 빔-포밍 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for changing the phase of a signal, and more particularly, to a phase change device for changing the phase of a signal using a passive element in the terahertz frequency band and a beam-forming system using the same.

위상 변화기 또는 이상기(phase shifter)란, 입력신호에 대해 출력신호의 위상을 변화시키는 장치를 말한다. 이러한 위상 변화기는 무선 통신을 위한 송수신 모듈 등에 쓰이는 회로의 일종으로서, 특히 초고주파 레이다, 위성 안테나 시스템 등 위상 배열 안테나(phased array antenna)을 이용하여 빔 패턴을 조절하는 빔-포밍 시스템(beamforming system)에서 안테나에 공급되는 신호의 위상을 변경하고 전체 시스템 성능을 좌우하는 핵심 부품에 해당한다.The phase shifter or phase shifter refers to a device for changing the phase of an output signal with respect to an input signal. The phase shifter is a circuit used in a transmission / reception module for wireless communication. In particular, the phase shifter is used in a beamforming system that adjusts a beam pattern by using a phased array antenna such as a microwave radar or a satellite antenna system. It is a key component that changes the phase of the signal supplied to the antenna and dictates the overall system performance.

최근, 무선 통신 기술의 발전에 따라 통신 채널당 넓은 주파수 대역을 사용하여 대용량 데이터 전송을 가능하게 하는 밀리미터파 대역 통신 시스템 기술이 이미 상용화되고 있으며, 나아가 100GHz 주파수 대역 이상의 테라헤르츠 주파수 대역(0.1THz~10THz)을 사용하는 무선 통신 시스템 기술에 대한 요청이 급격히 증가하고 있는 추세이다.Recently, with the development of wireless communication technology, a millimeter wave band communication system technology that enables large-scale data transmission using a wide frequency band per communication channel has already been commercialized, and further, a terahertz frequency band (0.1 THz to 10 THz) of 100 GHz or more frequency band. There is a rapidly increasing demand for wireless communication system technology using the

그러나, 기존의 수동 스위칭 소자를 이용한 위상 변화기를 100GHz 이상의 초고주파 대역에서 사용하는 경우, CMOS 공정에 의한 반도체 스위칭 소자들의 큰 삽입손실(insertion loss)과 낮은 차단 특성(isolation) 등으로 인해 정상적으로 작동하지 않는 문제가 있다. 또한, 스위칭 성능을 개선하기 위해 바이어스 전압에 따라 물리적으로 개폐가 결정되는 MEMS(Micro-ElectroMechanical Systems) 스위치를 사용하는 경우, 설계가 복잡해지고 비용이 증가하는 문제가 있다. 더욱이, 수동 스위칭 소자 대신 두 개 이상의 증폭기(amplifier)를 사용하는 등 능동 소자에 기반한 기술을 적용하는 경우, 전력 효율이 떨어지고 양방향성을 지닌 위상 변화기 설계가 곤란한 문제가 있다.However, when the phase shifter using the conventional passive switching element is used in the ultra-high frequency band of 100 GHz or more, it does not operate normally due to the large insertion loss and low isolation characteristic of the semiconductor switching elements by the CMOS process. there is a problem. In addition, when using a MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) switch that is physically opened and closed according to the bias voltage to improve the switching performance, there is a problem that the design is complicated and the cost is increased. Furthermore, when applying a technology based on an active element such as using two or more amplifiers instead of a passive switching element, it is difficult to design a phase shifter having low power efficiency and bidirectionality.

따라서, 100GHz 이상의 테라헤르츠 주파수 대역에서 수동 소자를 사용하면서도 삽입손실 문제 등을 개선할 수 있는 새로운 방식의 위상 변화기 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is an urgent need for a new phase shifter technology that can improve insertion loss while using passive devices in the terahertz frequency band of 100 GHz or more.

본 발명은, 100GHz 이상의 테라헤르츠 주파수 대역에서 수동 소자를 이용하여 입력신호의 위상을 변화시킴으로써, 시스템 설계 및 제조를 용이하게 하고 제조 비용을 감소시킴은 물론 전력 효율을 개선하고자 하는 것이다.The present invention aims to facilitate system design and fabrication, reduce manufacturing costs, and improve power efficiency by varying the phase of an input signal using passive elements in the terahertz frequency band above 100 GHz.

또한 본 발명은, MOSFET 소자를 일종의 위상 변화 소자로 사용하는 새로운 방식을 적용함으로써, MOSFET 소자가 스위칭 소자로 사용되는 경우의 신호 누설 문제 및 삽입손실 문제를 해결하고자 하는 것이다.In addition, the present invention is to solve the signal leakage problem and insertion loss problem when the MOSFET device is used as a switching device by applying a new method using the MOSFET device as a kind of phase change device.

본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치는, 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화킨다.The terahertz band phase shift device according to an embodiment of the present invention changes the phase of the input signal passing through the MOSFET element by using a MOSFET element that operates in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal. Turn on.

이 경우, 상기 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치는, 상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 조절하여 상기 입력신호의 위상을 변화시킬 수 있다.In this case, the terahertz band phase shift device may change the phase of the input signal by adjusting the gate voltage of the MOSFET device.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치는, 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및 상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a terahertz band phase shifting device, comprising: a phase change circuit unit having a MOSFET element operating in a state in which signal leakage occurs in a frequency band of an input signal; And a phase change controller for controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device.

이 경우, 상기 위상 변화 회로부는, 각각의 입력신호 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제1 MOSFET 소자 및 제2 MOSFET 소자를 포함할 수 있다.In this case, the phase change circuit unit may include a first MOSFET device and a second MOSFET device which are operated in a state where a signal leakage occurs in each input signal frequency band and are connected in series with each other.

또한, 상기 위상 변화 회로부는, 상기 제1 MOSFET 소자의 출력단 및 상기 제1 MOSFET 소자의 출력단에 직렬 연결되는 상기 제2 MOSFET 소자의 입력단 사이에 입력 매칭을 유지하기 위한 정합 회로를 더 포함할 수 있다.The phase shift circuit unit may further include a matching circuit for maintaining an input match between an output terminal of the first MOSFET device and an input terminal of the second MOSFET device connected in series with the output terminal of the first MOSFET device. .

이 경우, 상기 정합 회로는, 마이크로스트립 라인 또는 CWP 라인으로 구성될 수 있다.In this case, the matching circuit may be configured as a microstrip line or a CWP line.

또한, 상기 위상 변화 회로부는, 상기 MOSFET 소자의 입력단 및 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함할 수 있다.In addition, the phase change circuit unit may include a phase delay circuit connected in parallel between the input terminal and the output terminal of the MOSFET device to delay the phase of the signal.

이 경우, 상기 위상 지연 회로는, 전송 선로로 구성될 수 있다.In this case, the phase delay circuit may be composed of a transmission line.

또한, 위상 지연 회로는, 상기 전송 선로와 연결되어 상기 전송 선로를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 추가적인 MOSFET 소자를 더 포함할 수 있다.The phase delay circuit may further include an additional MOSFET device connected to the transmission line and operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the signal passing through the transmission line.

이 경우, 전송 선로는, 마이크로스트립 라인 또는 CWP 라인으로 구성될 수 있다.In this case, the transmission line may be composed of a microstrip line or a CWP line.

또한, 상기 위상 변화 회로부는, 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제1 MOSFET 소자를 포함하는 제1 회로; 각각의 입력신호 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제2 MOSFET 소자 및 제3 MOSFET 소자를 포함하는 제2 회로; 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제4 MOSFET 소자 및 상기 제4 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함하는 제3 회로; 및 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제5 MOSFET 소자, 상기 제5 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 전송 선로 및 상기 전송 선로와 연결되어 상기 전송 선로를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제6 MOSFET 소자를 포함하는 제4 회로 중에서, 1 또는 2 이상의 회로를 조합한 회로를 포함할 수 있다.The phase change circuit may include: a first circuit including a first MOSFET element that operates in a state where signal leakage occurs in a frequency band of an input signal; A second circuit including a second MOSFET element and a third MOSFET element which operate in a state where a signal leakage occurs in each input signal frequency band and are connected in series with each other; A third MOSFET including a fourth MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal, and a phase delay circuit connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fourth MOSFET element and delaying a phase of the signal. Circuit; And a fifth MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of an input signal, a transmission line connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fifth MOSFET element and delaying a phase of the signal; A fourth circuit including a sixth MOSFET element connected to and operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the signal passing through the transmission line may include a circuit combining one or more circuits.

본 발명의 일 실시예에 따른 빔-포밍 시스템은, 디바이더(divider)를 통해 입력신호를 분배하여 다수의 경로로 분배된 신호를 출력하는 분배기부; 상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 장치; 및 상기 위상 변화 장치의 출력 신호를 이용하여 소정 방향으로 빔 패턴을 형성하는 안테나부를 포함할 수 있다.A beamforming system according to an embodiment of the present invention includes a divider unit for distributing an input signal through a divider and outputting signals distributed through a plurality of paths; A phase change device for changing a phase of the distributed signal passing through the MOSFET device by using a MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the distributed signal; And an antenna unit configured to form a beam pattern in a predetermined direction by using the output signal of the phase shift device.

본 발명에 따르면, 테라헤르츠 주파수 대역에서 능동 소자가 아닌 수동 소자만을 사용하여 입력신호의 위상을 변화시킴으로써, 시스템 설계와 제조의 용이성 및 다양성을 높이고 제조 비용을 감소시킴은 물론 전체 시스템의 전력 효율을 개선할 수 있다.According to the present invention, by changing the phase of the input signal using only passive elements in the terahertz frequency band, not only active elements, the system design and manufacturing ease and versatility, while reducing the manufacturing cost as well as the power efficiency of the entire system. It can be improved.

또한, 고주파 대역에서 발생하는 MOSFET 소자의 신호 누설 현상을 이용하여 신호의 위상을 변경하는 새로운 방식을 적용함으로써, MOSFET 소자가 스위칭 소자로 사용되는 경우의 신호 누설 문제를 해결할 수 있다.In addition, by applying a new method of changing the phase of the signal by using the signal leakage phenomenon of the MOSFET device occurring in the high frequency band, it is possible to solve the signal leakage problem when the MOSFET device is used as a switching device.

또한, 충분한 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자를 사용할 수 있도록 함으로써, 신호 누설을 방지하기 위해 좁은 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자를 사용하는 경우의 삽입손실 문제를 해결할 수 있다.In addition, by enabling the use of a MOSFET device having a sufficient gate width, it is possible to solve the insertion loss problem when using a MOSFET device having a narrow gate width to prevent signal leakage.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔-포밍 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 1GHz 저주파 대역에서 MOSFET 소자의 바이어스 전압에 따른 반사 계수(S11) 변화를 나타낸 도면.
도 3은 100GHz 고주파 대역에서 MOSFET 소자의 등가 모델 및 바이어스 전압에 따른 반사계수(S11) 변화를 나타낸 도면.
도 4는 MOSFET 소자의 게이트 폭과 주파수 대역에 따른 삽입손실(S21)을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 90도 위상 변화 장치를 나타낸 도면.
도 6은 도 4에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 및 위상 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 90도 위상 변화 장치를 나타낸 도면.
도 8은 도 7에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 및 위상 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 180도 위상 변화 장치를 나타낸 도면.
도 10은 도 9에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 및 위상 변화를 나타낸 그래프.
도 11은 2 비트 스위치-라인 위상 변화기의 일례를 나타낸 도면.
도 12는 도 11에 따른 2 비트 스위치-라인 위상 변화기의 100GHz 대역 삽입손실 및 위상 변화를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 비트 위상 변화 장치를 나타낸 도면.
도 14는 도 13에 따른 2 비트 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 및 위상 변화를 나타낸 그래프.
1 is a block diagram illustrating a beam-forming system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a change in reflection coefficient S11 according to a bias voltage of a MOSFET device in a 1 GHz low frequency band.
3 is a view showing a reflection coefficient S11 change according to an equivalent model and a bias voltage of a MOSFET device in a high frequency band of 100 GHz.
4 is a diagram illustrating an insertion loss S21 according to a gate width and a frequency band of a MOSFET device.
5 is a view showing a 90 degree phase shift apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the insertion loss and phase change of the 100GHz band of the phase changer according to FIG.
7 is a view showing a 90 degree phase shift apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating a 100 GHz band insertion loss and a phase change of the phase changer according to FIG. 7. FIG.
9 is a view showing a 180 degree phase shift apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph illustrating a 100 GHz band insertion loss and a phase change of the phase changer according to FIG. 9. FIG.
11 shows an example of a two bit switch-line phase shifter.
12 is a graph showing the insertion loss and the phase change of the 100 GHz band of the 2-bit switch-line phase shifter according to FIG.
13 illustrates a 2-bit phase shifting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph illustrating a 100 GHz band insertion loss and a phase change of the 2-bit phase changer according to FIG. 13. FIG.

이하, 본 발명의 기술적 과제에 관한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to clarify a solution related to the technical problem of the present invention. However, in describing the present invention, when it is determined that the description of the related known technology may make the gist of the present invention unclear, the description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users, operators, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔-포밍 시스템(beamforming system)이 블록도로 도시되어 있다.1 is a block diagram of a beamforming system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 빔-포밍 시스템(100)은 분배기부(110), 위상 변화 장치(120) 및 안테나부(130)를 포함할 수 있다.우선, 상기 분배기부(110)는, 소정의 신호 소스로부터 입력되는 테라헤르츠 대역(0.1THz 이상의 대역)의 주파수를 지닌 입력신호를 디바이더(divider)를 통해 분배하여 다수의 경로로 분배된 신호를 출력한다.As shown in FIG. 1, the beam-forming system 100 may include a divider unit 110, a phase change device 120, and an antenna unit 130. In addition, an input signal having a frequency of a terahertz band (a band of 0.1 THz or more) input from a predetermined signal source is distributed through a divider to output a signal distributed through a plurality of paths.

상기 위상 변화 장치(120)는, 상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설(leakage)이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시킨다. 이때 상기 위상 변화 장치(120)는, 상기 MOSFET 소자의 게이트(gate) 전압을 조절하여 상기 입력신호의 위상을 변화시킬 수 있다.이를 위해 상기 위상 변화 장치(120)는, 위상 변화 제어부(122) 및 위상 변화 회로부(124)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 위상 변화 회로부(124)는, 상기 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 상기 MOSFET 소자를 지니며, 상기 위상 변화 제어부(122)는, 상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시킨다.The phase shift device 120 may be configured to pass through the MOSFET device using a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) device operating in a state in which signal leakage occurs in a frequency band of the divided signal. Change the phase of the distributed signal. In this case, the phase change device 120 may change the phase of the input signal by adjusting the gate voltage of the MOSFET device. To this end, the phase change device 120 may include a phase change control unit 122. And a phase change circuit unit 124. That is, the phase change circuit unit 124 includes the MOSFET element that operates in a state where signal leakage occurs in the frequency band of the input signal, and the phase change control unit 122 controls the gate voltage of the MOSFET element. To control the phase of the input signal passing through the MOSFET element.

그리고 상기 안테나부(130)는, 상기 위상 변화 장치(120)로부터 전달되는 위상이 변화된 출력 신호를 이용하여 소정 방향으로 빔 패턴을 형성한다.In addition, the antenna unit 130 forms a beam pattern in a predetermined direction by using an output signal whose phase is changed from the phase change device 120.

더욱 구체적으로 설명하면, NMOS, PMOS 등 CMOS 공정이 적용된 MOSFET 소자들은 일반적으로 사용되는 스위치-라인 방식의 위상 변화기에서 신호 통과 경로를 선택하는 스위칭 소자(switching element)로 사용된다. 즉, 이러한 MOSFET 소자들은 게이트(gate)의 바이어스 전압을 조절함으로써 신호를 통과시키는 온(on) 동작과 신호를 차단하는 오프(off) 동작을 수행하게 된다. 그러나, CMOS 공정의 발달에 불구하고 MOSFET 소자들은 저주파 대역에서만 이러한 스위치 모드(switch mode) 동작을 비교적 정확하게 수행할 수 있을 뿐, 30GHz 이상의 주파수 대역에서는 차단 특성(isolation)이 급격히 악화되어 스위칭 성능이 크게 저하되는 문제가 발생한다.More specifically, MOSFET devices to which CMOS processes such as NMOS and PMOS are applied are used as switching elements for selecting a signal passing path in a commonly used switch-line type phase changer. That is, these MOSFET devices perform an on operation of passing a signal and an off operation of blocking a signal by adjusting a bias voltage of a gate. However, despite the advances in the CMOS process, MOSFET devices can perform these switch mode operations relatively accurately only in the low frequency bands, and in the frequency band above 30 GHz, the isolation is drastically deteriorated, resulting in large switching performance. The problem of deterioration arises.

도 2에는 1GHz 저주파 대역에서 MOSFET 소자의 바이어스 전압에 따른 반사 계수(S11) 변화가 스미스 차트로 도시되어 있다.FIG. 2 shows a Smith chart showing a change in reflection coefficient S11 according to a bias voltage of a MOSFET device in a 1 GHz low frequency band.

도 2에 도시된 바와 같이, MOSFET 소자(Q1)의 드레인(drain)과 소스(source)에는 전압을 인가하지 않고, 게이트(gate)에 문턱값 전압(threshold voltage)을 바이어스시킴으로서 스위칭 동작을 구현할 수 있다. 예컨대, 바이어스 전압(Vg)이 0[V]일 경우 MOSFET 소자(Q1)는 개방(open) 상태로 동작하고, 1[V] 이상일 경우 MOSFET 소자(Q1)는 단락(short) 상태로 동작하게 된다. 그러나, 이러한 MOSFET 소자들은 주파수가 증가함에 따라 손실이 발생하고 소스와 드레인 간에 기생 커패시터 성분이 증가하게 되어 밀리미터파 대역에서 이미 차단 특성이 급격히 악화된다. 따라서, MOSFET 소자들은 30GHz 이상의 대역에서 스위칭 소자로서 정상적인 동작을 할 수 없으며, 그 결과 테라헤르츠 대역에서는 수동 스위칭 소자를 이용한 스위치-라인 방식의 위상 변화기를 실질적으로 사용할 수 없게 된다.As shown in FIG. 2, a switching operation may be implemented by biasing a threshold voltage at a gate without applying a voltage to a drain and a source of the MOSFET device Q 1 . Can be. For example, when the bias voltage Vg is 0 [V], the MOSFET device Q 1 operates in an open state, and when the bias voltage Vg is 1 [V] or more, the MOSFET device Q 1 operates in a short state. Done. However, these MOSFET devices suffer losses as the frequency increases and parasitic capacitor components increase between the source and drain, resulting in a sharp deterioration of the blocking characteristics already in the millimeter wave band. Therefore, MOSFET devices cannot operate normally as switching devices in the band above 30 GHz, and as a result, the terahertz band cannot substantially use a switch-line phase shifter using passive switching devices.

따라서, 상기 위상 변화 장치(120)는, 입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 입력신호의 위상을 변화시킨다. 주목해야 할 점은, 본 발명에 있어서 MOSFET 소자는 단순히 스위치 모드(switch mode)로 동작하는 것이 아니며, 소정 고주파 대역에서 신호 누설이 발생하는 상태, 예컨대 바이어스 전압(Vg)이 0[V]일 때에도 신호 누설에 의해 신호 전달이 가능한 상태(이하, Leaky-Varistor 모드라 함)로 동작한다는 것이다. 따라서, 본 발명에 있어서, MOSFET 소자는 단순한 스위칭 소자(switching element)가 아닌, 신호 누설이 발생하는 상태로 게이트 전압(Vg)을 조절하여 입력신호의 위상을 변화시키는 일종의 위상 변화 소자(phase shifting element)로 사용되는 것이다.Accordingly, the phase change device 120 changes the phase of the input signal passing through the MOSFET device by using a MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in the frequency band of the input signal. It should be noted that in the present invention, the MOSFET device does not simply operate in a switch mode, even when a signal leakage occurs in a predetermined high frequency band, for example, when the bias voltage Vg is 0 [V]. It is operated in a state where signal transmission is possible due to signal leakage (hereinafter referred to as Leaky-Varistor mode). Therefore, in the present invention, the MOSFET element is not a simple switching element, but a kind of phase shifting element for changing the phase of the input signal by adjusting the gate voltage Vg in a state where signal leakage occurs. ) Is used.

도 3에는 100GHz 고주파 대역에서 제1 MOSFET 소자의 등가 모델이 회로도로 도시되어 있으며 상기 제1 MOSFET 소자의 바이어스 전압에 따른 반사계수(S11) 변화가 스미스 차트로 도시되어 있다.FIG. 3 shows a circuit diagram of an equivalent model of a first MOSFET device in a 100 GHz high frequency band, and a Smith chart shows a change in reflection coefficient S11 according to a bias voltage of the first MOSFET device.

도 3에 도시된 바와 같이, 100GHz 고주파 대역에서의 제1 MOSFET 소자(300)에는 게이트 전압(Vg)에 따라 가변적인 채널 저항 성분(Rch) 및 드레인과 소스 간의 기생 커패시터 성분(Cs)이 발생하게 된다. 또한, 기판 손실(Rsub), 드레인과 소스 주변의 기생 커패시터 성분(Cjd, Cjs)과 기생 인덕터 성분(Lm) 등이 발생하게 된다. 이러한 기생 성분들 중 특히 채널 저항 성분(Rch) 및 드레인과 소스 간의 기생 커패시터 성분(Cs)이 MOSFET 설계에 큰 영향을 주는 요인이다. 즉, 스위치 모드로 동작하는 MOSFET 소자의 경우, 드레인과 소스 간의 기생 커패시터 성분(Cs)으로 인해 소자의 차단 특성이 악화되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 소자의 게이트 폭을 줄이는 경우, 채널 저항 성분(Rch)이 증가하여 큰 삽입손실이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은, MOSFET 소자를 스위칭 소자로 이용하는 위상 변화기가 테라헤르츠 대역에서 사용될 수 없게 하는 주요한 원인이 된다.As shown in FIG. 3, the first MOSFET device 300 in the 100 GHz high frequency band includes a channel resistance component R ch and a parasitic capacitor component C s between the drain and the source, which are variable according to the gate voltage Vg. Will occur. In addition, substrate loss R sub , parasitic capacitor components C jd and C js around the drain and source, and parasitic inductor component L m occur. Among these parasitic components, in particular, the channel resistance component (R ch ) and the parasitic capacitor component (C s ) between the drain and the source are factors that greatly influence the MOSFET design. That is, in the case of the MOSFET device operating in the switch mode, there is a problem in that the blocking characteristic of the device is deteriorated due to the parasitic capacitor component C s between the drain and the source. In order to solve this problem, when the gate width of the device is reduced, there is a problem that a large insertion loss occurs due to an increase in the channel resistance component R ch . These problems are a major cause for phase shifters using MOSFET devices as switching devices to be unavailable in the terahertz band.

따라서, 상기 위상 변화 장치(120)는, 제1 MOSFET 소자(300)의 신호 누설이 발생하는 Leaky-Varistor 모드에서 게이트 전압(Vg)을 조절하여 상기 제1 MOSFET 소자(300)에 입력되는 신호의 위상을 변화시키는 방식을 사용한다. 즉, 본 발명은 MOSFET 소자에서 신호 누설이 발생하는 현상 자체를 이용하는 것이므로 게이트 폭을 필요 이상으로 줄일 필요가 없으며, 그 결과 MOSFET 소자가 스위칭 소자로 사용되는 경우의 신호 누설 문제와 좁은 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자를 이용함으로써 발생하는 삽입손실 문제를 동시에 해결할 수 있다.Accordingly, the phase change device 120 adjusts the gate voltage Vg in the leaky-varistor mode in which the signal leakage of the first MOSFET device 300 occurs, thereby controlling the input of the signal input to the first MOSFET device 300. Use a method of changing the phase. That is, the present invention does not need to reduce the gate width more than necessary because it uses the phenomenon that the signal leakage occurs in the MOSFET device, as a result has a signal leakage problem and narrow gate width when the MOSFET device is used as a switching device The use of MOSFET devices can solve the insertion loss problem at the same time.

도 4에는 MOSFET 소자의 게이트 폭과 주파수 대역에 따른 삽입손실(S21) 변화가 그래프로 도시되어 있다.4 is a graph showing the insertion loss (S21) change according to the gate width and the frequency band of the MOSFET device.

도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 전압(Vg)이 0[V]인 경우에도 테라헤르츠 대역으로 갈수록 신호 누설 현상이 증가하여 삽입손실이 감소한다. 예컨대, 이러한 삽입손실이 -10dB인 주파수를 기준으로 MOSFET 소자가 스위칭 소자로 동작하는 상태, 즉 스위치 모드(S-mode)의 주파수 대역과, MOSFET 소자의 게이트 전압(Vg)이 0[V]인 경우에도 신호 누설이 발생하는 상태, 즉 Leaky-Varistor 모드(LK-mode)의 주파수 대역으로 구별할 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 폭(Wgate)이 달라짐에 따라 Leaky-Varistor 모드(LK-mode)의 주파수 대역이 달라짐을 알 수 있다. 그 이유는, Leaky-Varistor 모드가 발생하는 가장 큰 원인에 해당하는 드레인과 소스 간의 기생 커패시터 값(Cs)이 게이트 폭(Wgate)에 따라 변경되기 때문이다. 따라서, 설계자, 제조자 등의 의도 내지 목적에 따라 게이트 폭(Wgate) 조절함으로써 Leaky-Varistor 모드가 나타나는 주파수 대역을 선정할 수 있다. 다만, 필요 이상으로 게이트 폭(Wgate)을 감소시키는 경우, 게이트 전압(Vg)이 문턱값(예컨대, 1[V])일 때의 채널 저항값(Rch)이 증가되어 결과적으로 큰 삽입손실을 초래하기 때문에, 적절한 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자의 Leaky-Varistor 모드를 이용하도록 설계하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 4, even when the gate voltage Vg is 0 [V], signal leakage is increased toward the terahertz band, thereby reducing insertion loss. For example, the MOSFET device operates as a switching device based on the frequency at which the insertion loss is -10 dB, that is, the frequency band of the switch mode (S-mode) and the gate voltage Vg of the MOSFET device is 0 [V]. In this case, the signal leakage occurs, that is, the frequency band of the Leaky-Varistor mode (LK-mode). In addition, as shown in FIG. 4, it can be seen that the frequency band of the Leaky-Varistor mode (LK-mode) changes as the gate width Wgate varies. This is because the parasitic capacitor value C s between the drain and the source, which is the largest cause of the leaky-varistor mode, is changed according to the gate width Wgate. Therefore, the frequency band in which the Leaky-Varistor mode appears can be selected by adjusting the gate width according to the intention or purpose of the designer, the manufacturer, or the like. However, when the gate width Wgate is reduced more than necessary, the channel resistance value R ch when the gate voltage Vg is a threshold value (for example, 1 [V]) is increased, resulting in a large insertion loss. As a result, it is desirable to design to use the Leaky-Varistor mode of the MOSFET device with the appropriate gate width.

도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 90도 위상 변화 장치가 도시되어 있다.5 shows a 90 degree phase shift device according to one embodiment of the invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 90도 위상 변화 장치는 한 개의 경로(path)와 두 개의 소자를 사용한 SPDD(Single Path-Double Device) 구조로 구현될 수 있다. 즉, 상기 위상 변화 장치는 각각의 입력신호 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태인 Leaky-Varistor 모드로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제2 MOSFET 소자(510) 및 제3 MOSFET 소자(520)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 위상 변화 장치는, 상기 제2 MOSFET 소자(510)의 출력단 및 상기 제2 MOSFET 소자(510)의 출력단에 직렬 연결되는 상기 제3 MOSFET 소자(520)의 입력단 사이에 입력 매칭(input matching)을 유지하기 위한 정합 회로(500)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 정합 회로(500)는 마이크로스트립 라인(microstrip line) 또는 CWP 라인(coplanar waveguide line)으로 구성될 수 있다.As illustrated in FIG. 5, the 90-degree phase shift device may be implemented in a single path-double device (SPDD) structure using one path and two devices. That is, the phase change device includes a second MOSFET element 510 and a third MOSFET element 520 which are operated in a Leaky-Varistor mode in which a signal leakage occurs in each input signal frequency band and connected in series. can do. In this case, the phase shift device may include input matching between an output terminal of the second MOSFET element 510 and an input terminal of the third MOSFET element 520 connected in series with the output terminal of the second MOSFET element 510. It may further include a matching circuit 500 to maintain matching. In one embodiment, the matching circuit 500 may be composed of a microstrip line or a coplanar waveguide line.

도 6에는 도 5에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 변화 및 위상 변화에 대한 시뮬레이션 결과가 그래프로 도시되어 있다. 본 발명의 시뮬레이션 수행을 위해 0.13μm CMOS 소자와 ADS(Advanced Design System) 프로그램을 사용하였다.FIG. 6 is a graph showing simulation results of the change of phase insertion loss and the change of phase of the 100 GHz band of the phase changer according to FIG. 5. A 0.13μm CMOS device and an Advanced Design System (ADS) program were used to perform the simulation of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, Leaky-Varistor 모드로 동작하는 단일한 MOSFET 소자로는 위상 변화가 제한될 수밖에 없기 때문에 상기 SPDD 구조를 이용하여 90도 위상 변화를 얻을 수 있다. 즉, 상기 SPDD 구조에 있어서 상기 제2 MOSFET 소자(510) 및 상기 제3 MOSFET 소자(520)의 게이트에는 동일한 바이어스 전압(Vg)이 인가되며, 상기 바이어스 전압(Vg)이 0[V]인 경우 출력신호 위상이 0도라면, 상기 바이어스 전압(Vg)이 1[V]인 경우 출력신호 위상에는 90도 지연이 발생하게 된다. 또한, 삽입손실(S21)도 -5dB 이하로서 양호한 결과를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 6, since the phase change is limited to a single MOSFET device operating in the Leaky-Varistor mode, a 90 degree phase change may be obtained using the SPDD structure. That is, in the SPDD structure, the same bias voltage Vg is applied to the gates of the second MOSFET element 510 and the third MOSFET element 520, and the bias voltage Vg is 0 [V]. If the output signal phase is 0 degrees, a 90 degree delay occurs in the output signal phase when the bias voltage Vg is 1 [V]. In addition, the insertion loss S21 is also -5 dB or less, so that good results can be obtained.

도 7에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 90도 위상 변화 장치가 도시되어 있다.7 shows a 90 degree phase shift device according to another embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 90도 위상 변화 장치는 두 개의 경로와 한 개의 소자를 사용한 DPSD(Double Path-Single Device) 구조로 구현될 수 있다. 즉, 상기 90도 위상 변화 장치는, Leaky-Varistor 모드로 동작하는 제4 MOSFET 소자(710)와 상기 제4 MOSFET 소자(710)의 입력단 및 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로(700)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 위상 지연 회로(700)는 설계 목적에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 용량성 소자 및 유도성 소자를 포함하는 LC 회로로 구현할 수 있음은 물론, 설계의 단순화와 부피 감소를 위해 전송 선로(transmission line)로 구현될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 전송 선로는 마이크로스트립 라인 또는 CWP 라인을 구성될 수 있다.As illustrated in FIG. 7, the 90-degree phase shift device may be implemented in a double path-single device (DPSD) structure using two paths and one device. That is, the 90-degree phase change device is a phase connected in parallel between the fourth MOSFET element 710 operating in the Leaky-Varistor mode and the input terminal and the output terminal of the fourth MOSFET element 710 and delaying the phase of the signal. Delay circuit 700 may be included. In this case, the phase delay circuit 700 may be implemented in various forms according to the design purpose. For example, it can be implemented as an LC circuit including a capacitive element and an inductive element, as well as a transmission line to simplify the design and reduce the volume. In one embodiment, the transmission line may comprise a microstrip line or a CWP line.

도 8에는 도 7에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 변화 및 위상 변화에 대한 시뮬레이션 결과가 그래프로 도시되어 있다.FIG. 8 is a graph showing simulation results of a change in phase insertion loss and a change in phase of the 100 GHz band of the phase changer according to FIG. 7.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 DPSD 구조를 이용하여 90도 위상 변화를 얻을 수 있다. 즉, 상기 SPDD 구조에 있어서 상기 제4 MOSFET 소자(710)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vg)이 1[V]인 경우 출력신호 위상이 0도라면, 상기 바이어스 전압(Vg)이 0[V]인 경우 출력신호 위상에는 90도 지연이 발생하게 된다. 또한, 삽입손실(S21)도 -5dB 정도로서 양호한 결과를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 8, a 90 degree phase change may be obtained using the DPSD structure. That is, in the SPDD structure, when the bias voltage Vg applied to the gate of the fourth MOSFET element 710 is 1 [V], if the output signal phase is 0 degrees, the bias voltage Vg is 0 [V]. ] Causes a 90-degree delay in the output signal phase. In addition, the insertion loss S21 is also about -5 dB, so that a good result can be obtained.

도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 180도 위상 변화 장치가 도시되어 있다.9 illustrates a 180 degree phase change device according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 180도 위상 변화 장치는 두 개의 경로와 두 개의 소자를 사용한 DPDD(Double Path-Double Device) 구조로 구현될 수 있다. 즉, 상기 180도 위상 변화 장치는, Leaky-Varistor 모드로 동작하는 제5 MOSFET 소자(910)와, 상기 제5 MOSFET 소자(910)의 입력단 및 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 전송 선로(900)와, 그리고 상기 전송 선로(900)에 연결되어 상기 전송 선로(900)를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제6 MOSFET 소자(920)를 포함할 수 있다. 물론, 상기 전송 선로(900)는 마이크로스트립 라인 또는 CWP 라인으로 구성될 수 있다.As illustrated in FIG. 9, the 180-degree phase shift device may be implemented in a double path-double device (DPDD) structure using two paths and two devices. That is, the 180-degree phase shift device is connected in parallel between the fifth MOSFET element 910 operating in the Leaky-Varistor mode and the input terminal and the output terminal of the fifth MOSFET element 910 to delay the phase of the signal. A sixth MOSFET element 920 connected to the phase transmission line 900 and operating in a state in which signal leakage occurs in a frequency band of a signal passing through the transmission line 900. It may include. Of course, the transmission line 900 may be composed of a microstrip line or a CWP line.

도 10에는 도 9에 따른 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 변화 및 위상 변화에 대한 시뮬레이션 결과가 그래프로 도시되어 있다.FIG. 10 is a graph showing simulation results of a change in phase insertion loss and a change in phase of the 100 GHz band of the phase changer according to FIG. 9.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 DPDD 구조를 이용하여 180도 위상 변화를 얻을 수 있다. 즉, 상기 DPDD 구조에 있어서 제5 MOSFET 소자(910)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vg1)이 1[V]이고 제6 MOSFET 소자(920)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vg2)이 0[V]인 경우 출력신호 위상이 0도라면, 상기 제5 MOSFET 소자(910)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vg1)이 0[V]이고 제6 MOSFET 소자(920)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vg2)이 1[V]인 경우 출력신호 위상에는 180도 지연이 발생하게 된다. 또한, 삽입손실(S21)도 -5dB 이하로서 양호한 결과를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 10, a 180 degree phase shift may be obtained using the DPDD structure. That is, in the DPDD structure, the bias voltage Vg1 applied to the gate of the fifth MOSFET device 910 is 1 [V], and the bias voltage Vg2 applied to the gate of the sixth MOSFET device 920 is 0 []. V], when the output signal phase is 0 degrees, the bias voltage Vg1 applied to the gate of the fifth MOSFET device 910 is 0 [V] and the bias voltage applied to the gate of the sixth MOSFET device 920. When (Vg2) is 1 [V], a 180 degree delay occurs in the output signal phase. In addition, the insertion loss S21 is also -5 dB or less, so that good results can be obtained.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변화 장치는, Leaky-Varistor 모드로 동작하는 단일한 MOSFET 소자를 포함하는 제1 회로와, 상기 SPDD 구조를 포함하는 제2 회로와, 상기 DPSD 구조를 포함하는 제3 회로와, 그리고 상기 DPDD 구조를 포함하는 제4 회로 중에서 하나의 회로 또는 둘 이상의 회로를 조합한 회로를 포함할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 설계 및 제조의 용이성 및 다양성을 높일 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 한 개의 경로에 한 개의 MOSFET 소자를 이용하는 위상 변화 장치를 구현할 수 있기 때문에 설계 및 제조 과정을 더욱 단순화할 수도 있다.On the other hand, a phase change device according to an embodiment of the present invention includes a first circuit including a single MOSFET device operating in the Leaky-Varistor mode, a second circuit including the SPDD structure, and the DPSD structure The third circuit and the fourth circuit including the DPDD structure may include one of the circuits or a combination of two or more circuits. Thus, according to the present invention, it is possible to increase the ease and variety of design and manufacturing. In addition, according to the present invention, it is possible to implement a phase change device using one MOSFET device in one path, thereby further simplifying the design and manufacturing process.

또한, 도 5, 도 7 및 도 9에서 그 밖의 전송 선로로 표시된 부분들은 설계 목적 또는 임피던스 매칭(impedance matching) 등을 위해 다양하게 변형 실시될 수 있는 부분들이다.5, 7, and 9, parts indicated by other transmission lines are parts that may be variously modified for design purposes or impedance matching.

이하, 본 발명에 따른 위상 변화 장치의 성능을 검증한다. 성능 검증을 위해서 0.13μm CMOS 소자와 ADS(Advanced Design System) 프로그램을 사용하였다.Hereinafter, the performance of the phase change device according to the present invention is verified. For performance verification, 0.13μm CMOS device and ADS (Advanced Design System) program were used.

도 11에는 2 비트 스위치-라인 위상 변화기의 일례가 도시되어 있다.11 illustrates an example of a two bit switch-line phase shifter.

도 11에 도시된 바와 같이, 180도 스위치-라인 위상 변화기(SL1)와 90도 스위치-라인 위상 변화기(SL2)를 연속 접속(cascade connection)하여 2 비트 스위치-라인 위상 변화기를 구현할 수 있다.As illustrated in FIG. 11, a two-bit switch-line phase shifter may be implemented by cascading the 180-degree switch-line phase shifter SL1 and the 90-degree switch-line phase shifter SL2.

도 12에는 도 11에 따른 2 비트 스위치-라인 위상 변화기의 100GHz 대역 삽입손실 변화 및 위상 변화에 대한 시뮬레이션 결과가 그래프로 도시되어 있다.FIG. 12 is a graph showing simulation results of a 100 GHz band insertion loss change and a phase change of the 2-bit switch-line phase shifter according to FIG. 11.

도 12에 도시된 바와 같이, Vg2 및 Vg4가 1[V]이고 Vg1 및 Vg3가 0[V]인 경우 출력신호의 위상이 0도라면, Vg2 및 Vg3가 1[V]이고 Vg1 및 Vg4가 0[V]인 경우 출력신호의 위상에는 90도 지연이 발생하게 되고, Vg1 및 Vg4가 1[V]이고 Vg2 및 Vg3가 0[V]인 경우 출력신호의 위상에는 180도 지연이 발생하게 되며, Vg1 및 Vg3가 1[V]이고 Vg2 및 Vg4가 0[V]인 경우 출력신호의 위상에는 270도 지연이 발생하게 된다. 그러나, 삽입손실(S21)이 -20dB 이하로서 매우 낮은 성능을 나타냄을 알 수 있다.As shown in Fig. 12, when Vg2 and Vg4 are 1 [V] and Vg1 and Vg3 are 0 [V], if the phase of the output signal is 0 degrees, Vg2 and Vg3 are 1 [V] and Vg1 and Vg4 are 0. In the case of [V], a 90 degree delay occurs in the output signal phase, and when Vg1 and Vg4 are 1 [V] and Vg2 and Vg3 are 0 [V], a 180 degree delay occurs in the output signal phase. When Vg1 and Vg3 are 1 [V] and Vg2 and Vg4 are 0 [V], a 270 degree delay occurs in the phase of the output signal. However, it can be seen that the insertion loss S21 exhibits very low performance as -20 dB or less.

도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 비트 위상 변화 장치가 도시되어 있다.13 shows a 2-bit phase shifting device according to an embodiment of the present invention.

도 13에 도시된 바와 같이, 상기 DPDD 구조의 위상 변화 장치(PS1)와 상기 DPSD 구조의 위상 변화 장치(PS2)를 연속 접속하여 2 비트 위상 변화 장치를 구현할 수 있다.As illustrated in FIG. 13, the 2-bit phase shift device may be implemented by continuously connecting the phase change device PS1 of the DPDD structure and the phase change device PS2 of the DPSD structure.

도 14에는 도 13에 따른 2 비트 위상 변화 장치의 100GHz 대역 삽입손실 변화 및 위상 변화에 대한 시뮬레이션 결과가 그래프로 도시되어 있다.FIG. 14 is a graph showing simulation results of a change in phase insertion loss and a change in phase of the 100 GHz band of the 2-bit phase shifter according to FIG. 13.

도 14에 도시된 바와 같이, Vg1이 1[V]이고 Vg2가 0[V]이며 Vg3가 1[V]인 경우 출력신호의 위상이 0도라면, Vg1이 1[V]이고 Vg2가 0[V]이며 Vg3가 0[V]인 경우 출력신호의 위상에는 90도 지연이 발생하게 되고, Vg1이 0[V]이고 Vg2가 1[V]이며 Vg3가 1[V]인 경우 출력신호의 위상에는 180도 지연이 발생하게 되며, Vg1이 0[V]이고 Vg2가 1[V]이며 Vg3가 0[V]인 경우 출력신호의 위상에는 270도 지연이 발생하게 된다. 또한, 삽입손실이 평균 -9dB 정도로서 수동 소자를 이용한 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치로서 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.As shown in FIG. 14, when Vg1 is 1 [V], Vg2 is 0 [V], and Vg3 is 1 [V], if the phase of the output signal is 0 degrees, Vg1 is 1 [V] and Vg2 is 0 [ V] and Vg3 is 0 [V], there is a 90 degree delay in the output signal phase, and Vg1 is 0 [V], Vg2 is 1 [V] and Vg3 is 1 [V]. There is a 180 degree delay. When Vg1 is 0 [V], Vg2 is 1 [V], and Vg3 is 0 [V], a 270 degree delay occurs in the output signal phase. In addition, it can be seen that the insertion loss is about -9dB on average, showing a very excellent performance as a terahertz band phase shift device using a passive element.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 테라헤르츠 주파수 대역에서 능동 소자가 아닌 수동 소자만을 사용하여 입력신호의 위상을 변화시킴으로써, 시스템 설계와 제조의 용이성 및 다양성을 높이고 제조 비용을 감소시킴은 물론 전체 시스템의 전력 효율을 개선할 수 있다. 또한, 고주파 대역에서 발생하는 MOSFET 소자의 신호 누설 현상을 이용하여 신호의 위상을 변경하는 새로운 방식을 적용함으로써, MOSFET 소자가 스위칭 소자로 사용되는 경우의 신호 누설 문제를 해결할 수 있다. 또한, 충분한 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자를 사용할 수 있도록 함으로써, 신호 누설을 방지하기 위해 좁은 게이트 폭을 지닌 MOSFET 소자를 사용하는 경우의 삽입손실 문제를 해결할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 다양한 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.As described above, according to the present invention, by changing the phase of the input signal using only passive elements, not active elements in the terahertz frequency band, it increases the ease and variety of system design and manufacturing, and reduces the manufacturing cost as well as the overall It can improve the power efficiency of the system. In addition, by applying a new method of changing the phase of the signal by using the signal leakage phenomenon of the MOSFET device occurring in the high frequency band, it is possible to solve the signal leakage problem when the MOSFET device is used as a switching device. In addition, by enabling the use of a MOSFET device having a sufficient gate width, it is possible to solve the insertion loss problem when using a MOSFET device having a narrow gate width to prevent signal leakage. Furthermore, it is to be understood that various embodiments in accordance with the present invention may solve many technical problems in the art, as well as those described in the related art.

지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 자명하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. It will be apparent, however, to one skilled in the art that the present invention may be embodied in various other forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. That is, the true technical scope of the present invention is indicated in the appended claims, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

100 : 빔-포밍 시스템 110 : 분배기부
120 : 위상 변화 장치 130 : 안테나부
122 : 위상 변화 제어부 124 : 위상 변화 회로부
300 : 제1 MOSFET 510 : 제2 MOSFET
520 : 제3 MOSFET 710 : 제4 MOSFET
910 : 제5 MOSFET 920 : 제6 MOSFET
100 beam forming system 110 distributor
120: phase change device 130: antenna unit
122: phase change control unit 124: phase change circuit unit
300: first MOSFET 510: second MOSFET
520: third MOSFET 710: fourth MOSFET
910: fifth MOSFET 920: sixth MOSFET

Claims (12)

디바이더(divider)를 통해 입력신호를 분배하여 다수의 경로로 분배된 신호를 출력하는 분배기부;
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 장치; 및
상기 위상 변화 장치의 출력 신호를 이용하여 소정 방향으로 빔 패턴을 형성하는 안테나부를 포함하며,
상기 위상 변환 장치는,
상기 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는, 상기 MOSFET 소자의 입력단 및 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔-포밍 시스템.
A divider unit for distributing an input signal through a divider and outputting signals distributed through a plurality of paths;
A phase change device for changing a phase of the distributed signal passing through the MOSFET device by using a MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the distributed signal; And
An antenna unit for forming a beam pattern in a predetermined direction by using the output signal of the phase shift device,
The phase shift device,
A phase change circuit unit having the MOSFET device; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device,
And said phase change circuit portion comprises a phase delay circuit connected in parallel between an input terminal and an output terminal of said MOSFET element and delaying a phase of a signal.
디바이더(divider)를 통해 입력신호를 분배하여 다수의 경로로 분배된 신호를 출력하는 분배기부;
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 장치; 및
상기 위상 변화 장치의 출력 신호를 이용하여 소정 방향으로 빔 패턴을 형성하는 안테나부를 포함하며,
상기 위상 변환 장치는
상기 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는,
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제1 MOSFET 소자를 포함하는 제1 회로;
상기 분배된 신호 각각의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제2 MOSFET 소자 및 제3 MOSFET 소자를 포함하는 제2 회로;
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제4 MOSFET 소자 및 상기 제4 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함하는 제3 회로; 및
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제5 MOSFET 소자, 상기 제5 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 전송 선로 및 상기 전송 선로와 연결되어 상기 전송 선로를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제6 MOSFET 소자를 포함하는 제4 회로 중에서, 1 또는 2 이상의 회로를 조합한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔-포밍 시스템.
A divider unit for distributing an input signal through a divider and outputting signals distributed through a plurality of paths;
A phase change device for changing a phase of the distributed signal passing through the MOSFET device by using a MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the distributed signal; And
An antenna unit for forming a beam pattern in a predetermined direction by using the output signal of the phase shift device,
The phase shift device
A phase change circuit unit having the MOSFET device; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device,
The phase change circuit unit,
A first circuit comprising a first MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the divided signal;
A second circuit including a second MOSFET element and a third MOSFET element which operate in a state where a signal leaks in a frequency band of each of the divided signals and are connected in series with each other;
And a fourth MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the divided signal, and a phase delay circuit connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fourth MOSFET device and delaying a phase of the signal. Third circuit; And
A fifth MOSFET element operating in a state in which a signal leakage occurs in the frequency band of the divided signal, a transmission line connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fifth MOSFET element and delaying a phase of the signal and the transmission line And a fourth circuit including a sixth MOSFET element connected to the gate circuit and operating in a state in which signal leakage occurs in a frequency band of the signal passing through the transmission line. Beam-forming system.
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는, 각각의 입력신호 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제1 MOSFET 소자 및 제2 MOSFET 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
A phase change circuit section having a MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device,
The phase change circuit unit, the terahertz band phase change device, characterized in that it comprises a first MOSFET element and a second MOSFET element which is operated in a state where a signal leakage occurs in each input signal frequency band and connected in series.
삭제delete 제3항에 있어서,
상기 위상 변화 회로부는, 상기 제1 MOSFET 소자의 출력단 및 상기 제1 MOSFET 소자의 출력단에 직렬 연결되는 상기 제2 MOSFET 소자의 입력단 사이에 입력 매칭(input matching)을 유지하기 위한 정합 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
The method of claim 3,
The phase shift circuit further includes a matching circuit for maintaining input matching between an output terminal of the first MOSFET device and an input terminal of the second MOSFET device connected in series with the output terminal of the first MOSFET device. Terahertz band phase shift device, characterized in that.
제5항에 있어서,
상기 정합 회로는, 마이크로스트립 라인(microstrip line) 또는 CWP 라인(coplanar waveguide line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
The method of claim 5,
The matching circuit comprises a terahertz band phase shifting device, characterized in that it comprises a microstrip line or a coplanar waveguide line.
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는, 상기 MOSFET 소자의 입력단 및 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
A phase change circuit section having a MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device,
And said phase change circuit portion comprises a phase delay circuit connected in parallel between an input terminal and an output terminal of said MOSFET element and delaying a phase of a signal.
제7항에 있어서,
상기 위상 지연 회로는, 전송 선로(transmission line)를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
The method of claim 7, wherein
And said phase delay circuit comprises a transmission line.
제8항에 있어서,
상기 위상 지연 회로는, 상기 전송 선로와 연결되어 상기 전송 선로를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 추가적인 MOSFET 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
9. The method of claim 8,
The phase delay circuit further comprises an additional MOSFET element connected to the transmission line and operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of a signal passing through the transmission line. .
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 전송 선로는, 마이크로스트립 라인 또는 CWP 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
10. The method according to claim 8 or 9,
The transmission line, terahertz band phase shift device, characterized in that it comprises a microstrip line or CWP line.
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 입력신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는,
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제1 MOSFET 소자를 포함하는 제1 회로;
각각의 입력신호 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제2 MOSFET 소자 및 제3 MOSFET 소자를 포함하는 제2 회로;
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제4 MOSFET 소자 및 상기 제4 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 위상 지연 회로를 포함하는 제3 회로; 및
입력신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제5 MOSFET 소자, 상기 제5 MOSFET 소자의 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되고 신호의 위상을 지연시키는 전송 선로 및 상기 전송 선로와 연결되어 상기 전송 선로를 통과하는 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 제6 MOSFET 소자를 포함하는 제4 회로 중에서, 1 또는 2 이상의 회로를 조합한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 위상 변화 장치.
A phase change circuit section having a MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the input signal passing through the MOSFET device,
The phase change circuit unit,
A first circuit including a first MOSFET element that operates in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal;
A second circuit including a second MOSFET element and a third MOSFET element which operate in a state where a signal leakage occurs in each input signal frequency band and are connected in series with each other;
A third MOSFET including a fourth MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the input signal, and a phase delay circuit connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fourth MOSFET element and delaying a phase of the signal. Circuit; And
A fifth MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of an input signal, a transmission line connected in parallel between an input terminal and an output terminal of the fifth MOSFET device and delaying a phase of the signal, and a connection with the transmission line And a fourth circuit including a sixth MOSFET element operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the signal passing through the transmission line, wherein one or more circuits are combined. Terahertz band phase shifting device.
디바이더(divider)를 통해 입력신호를 분배하여 다수의 경로로 분배된 신호를 출력하는 분배기부;
상기 분배된 신호의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하는 MOSFET 소자를 이용하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 장치; 및
상기 위상 변화 장치의 출력 신호를 이용하여 소정 방향으로 빔 패턴을 형성하는 안테나부를 포함하며,
상기 위상 변환 장치는
상기 MOSFET 소자를 지니는 위상 변화 회로부; 및
상기 MOSFET 소자의 게이트 전압을 제어하여 상기 MOSFET 소자를 통과하는 상기 분배된 신호의 위상을 변화시키는 위상 변화 제어부를 포함하며,
상기 위상 변화 회로부는, 상기 분배된 신호 각각의 주파수 대역에서 신호의 누설이 발생하는 상태로 동작하고 서로 직렬 연결되는 제1 MOSFET 소자 및 제2 MOSFET 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔-포밍 시스템.
A divider unit for distributing an input signal through a divider and outputting signals distributed through a plurality of paths;
A phase change device for changing a phase of the distributed signal passing through the MOSFET device by using a MOSFET device operating in a state where signal leakage occurs in a frequency band of the distributed signal; And
An antenna unit for forming a beam pattern in a predetermined direction by using the output signal of the phase shift device,
The phase shift device
A phase change circuit unit having the MOSFET device; And
A phase change control unit controlling a gate voltage of the MOSFET device to change a phase of the divided signal passing through the MOSFET device,
And said phase shift circuitry comprises a first MOSFET element and a second MOSFET element operating in a state in which signal leakage occurs in a frequency band of each of said distributed signals and connected in series with each other.
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