The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Design of a Miniaturized 5.3 GHz 360° Analog Phase Shifter

소형화된 5.3 GHz 대역 360° 아날로그 위상천이기 설계

  • Jeong, Hae-Chang (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Son, Bon-Ik (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Lee, Dong-Hyun (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Ahmed, Abdul-Rahman (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Yeom, Kyung-Whan (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University)
  • Received : 2013.03.06
  • Accepted : 2013.05.10
  • Published : 2013.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this paper, a design and fabrication of miniaturized 5.3 GHz reflection type $360^{\circ}$ analog phase shifter with branch line coupler and $360^{\circ}$ variable reactance load. In order to miniaturize phase shifter, novel branch line coupler is proposed. The novel branch line coupler is miniaturized using transformation of transmission line to T and ${\pi}$ type equivalent circuit. The miniaturized branch line coupler has small size of above 50 % compared with conventional branch line coupler. For wide phase shift range, $360^{\circ}$ variable reactance load structure is adopted. Especially, the structure was improved for linear phase shift by adding transmission line which acts as an impedance transformer. The improved structure was miniaturized using the equivalent lumped-element of transmission line. The fabricated phase shifter with $15{\times}15mm^2$ shows wide phase shift of above $480^{\circ}$, the insertion loss of -4~-6 dB and the reflection loss of below -20 dB at 5.3 GHz under 0~10 V control voltage range.

본 논문에서는 주파수 5.3 GHz에서 소형화된 branch line 커플러와 $360^{\circ}$ 이상의 위상천이를 보일 수 있는 가변 리액턴스 부하를 결합하여 소형화된 위상천이기의 설계를 보였다. 위상천이기의 소형화를 위하여, branch line 커플러의 새로운 구조를 제안하였다. 새로운 branch line 커플러는 전송선의 T 및 ${\pi}$형 등가회로 변환 방법을 이용하여 소형화하였다. 소형화된 branch line 커플러는 일반적인 구조에 비해 50 % 이상 소형의 크기를 가진다. 넓은 위상천이량을 갖기 위하여 전송선에 버렉터 다이오드 두 개를 입력과 출력에 연결한 부하 구조를 채택하였다. 특히, 조정 전압에 대한 위상천이량이 완만하도록 임피던스 변환기 역할을 하는 전송선을 설계된 부하 구조에 추가하여 구조를 보완하였다. 추가된 임피던스 변환기에 사용된 전송선 및 선정된 부하 구조의 전송선은 소형화에 장애가 되기 때문에 이를 집중 소자로 등가하여 소형화하였다. 제작된 위상천이기는 $15{\times}15mm^2$의 소형의 크기를 가지며, 조정 전압 0~10 V 범위의 경우, 중심 주파수 5.3 GHz에서 삽입 손실은 약 -4~-6 dB, 반사 손실은 -20 dB 이하, 약 $480^{\circ}$의 넓은 위상천이를 보였다.

Keywords

References

  1. 오현석, 최재홍, 정해창, 허윤성, 염경환, "2 GHz 선형 위상 천이 특성을 갖는 소형 아날로그 위상 천이기", 한국전자파학회논문지, 22(1), pp. 114-124, 2011년 1월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.1.114
  2. 오현석, 염경환, 정민길, 나형기, 이상주, 이기원, 남병창, "퀘드팩을 이용한 소형 Ka 대역 송수신 (T/R) 모듈의 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 22(3), pp. 389-398, 2011년 3월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.3.389
  3. 정해창, 오현석, 양승식, 염경환, "개루프 방법에 의한 확장된 전기적 주파수 조정 범위를 갖는 유전체공진기발진기의 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 20(6), pp. 570-579, 2009년 6월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2009.20.6.570
  4. 허윤성, 오현석, 정해창, 염경환, "LTCC 의사 유전체 공진기를 이용한 초소형 전압제어발진기 설계", 한국전자파학회논문지, 23(5), pp. 613-623, 2012년 5월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.5.613
  5. A. S. Nagra, R. A. York, "Distributed analog phase shifters with low insertion loss", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 47, no. 9, pp. 1705-1711, Sep. 1999. https://doi.org/10.1109/22.788612
  6. J. I. Upshur, B. D. Geller, "Low-loss $360^{\circ}$ analogue phase shifter", IEEE MTT-S Digest International, pp. 487-490, 1990.
  7. T. W. Yoo, J. H. Song, and M. S. Park, "$360^{\circ}$ reflection-type analogue phase shifter implemented with a single $90^{\circ}$ branch line coupler", Electronics Letters, vol. 33, no. 3, pp. 224-226, Jan. 1997. https://doi.org/10.1049/el:19970140
  8. Thomas Lambard, "A novel analog $360^{\circ}$ phase shifter design in Ku and Ka bands", 4th EuCAP Proc., Apr. 2010.
  9. A. E. Mohammed, M. R. Gabriel, "C-band low-loss phase shifter $360^{\circ}$ for WLAN applications", European Microwave Conference, pp. 1503-1506, Oct. 2007.
  10. M. X. Xias, S. W. Cheung, and T. I. Yuk, "A wideband $360^{\circ}$ analog phase shifter design", Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, pp. 524-527, 2009.
  11. F. Ellinger, R. Vogt, and W. Bachtold, "Ultracompact reflective-type phase shifter MMIC at C-band with $360^{\circ}$ phase-control range for smart antenna combining", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, no. 4, pp. 481-486, Apr. 2002. https://doi.org/10.1109/4.991386
  12. V. K. Velidim, A. Bhattacharya, "Miniaturized planar $90^{\circ}$ hybrid coupler with unchanged bandwidth", China-Japan Joint Microwave Conference, pp. 396-399, 2008.
  13. S. C. Jung, R. Negra, and F. M. Ghannouchi, "A miniaturized double-stage 3 dB broadband branch line hybrid coupler using distributed capacitors", Asia Pacific Microwave Conference, pp. 1323-1326, 2009.
  14. K. Y. Tsai, H. S. Yang, J. H. Chen, and Y. J. Emery Chen, "A miniaturized 3 dB branch line hybrid couper", IEEE Microwave and Wireless Compenents Letters, vol. 21, no. 10, pp. 537-539, Oct. 2011. https://doi.org/10.1109/LMWC.2011.2164901
  15. F. Ellinger, H. Jackel, and W. Bachtold, "Varactor-loaded transmission-line phase shifter at C-band using lumped elements", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 51, no. 4, pp. 1135-1140, Apr. 2003. https://doi.org/10.1109/TMTT.2003.809670
  16. SMV1231-079, Hyperabrupt tuning varactors, Skyworks, Available: http://skyworksinc.com/
  17. D. M. Pozar, Microwave Engineering 3rd, Wiley, 2005.

Cited by

  1. Design of a Low Phase Noise Voltage Tuned Planar Composite Resonator Oscillator Using SIW Structure vol.25, pp.5, 2014, https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2014.25.5.515