목차
1. Pin Diode
2. Switch
3. 위상천이기 (Phase Shifter)    (1) 위상천이(Phase Shift)란?
                                                (2) 반사를 이용하여 위상 바꾸기 

3. 위상천이기 (Phase Shifter)

(3) Loaded Line Type Phase Shifter

디지털 방식의 위상천이기로 자주 애용되는 것은 Loaded Line type, Hybrid Coupled type 의 2종류입니다. 전자는 위상천이량이 45° 이하인 위상천이기에, 그리고 후자는 위상천이량이 그 이상일 때 주로 이용되고 있습니다. <그림 5-32>에 그 개략적인 회로구성을 나타내었습니다. 이것들은 PIN 다이오드를 ON/OFF 시켰을 때의 리액턴스 변화를 이용하여 위상을 가변시킵니다.
[주] Loaded Line은 전송선로 형태의 위상천이기의 한 종류입니다.

  <그림 5－32>　Loaded Line형, Hybrid Coupled 형 위상천이기

○ Loaded Line형
1GHz로 45° 의 위상천이량을 가지는 위상천이기의 예를 <그림 5-33>에, 이 회로의 시뮬레이션 결과를 <그림 5-34>에 나타내었습니다.

  <그림 5－33>　45°  Loaded Line형 위상천이기

그래프 중 P_ON은 PIN 다이오드가 ON일 때의 특성을, P_OFF는 PIN 다이오드가 OFF일 때의 특성을 나타냅니다. 또 위상 그래프중 ANG[PS]의 특성은 ON과 OFF와의 위상차이 (OFF시를 기준으로 한) 위상 천이량을 나타내고 있습니다.

  <그림 5－34>　위상천이기의 특성

위상천이 특성을 보면 우선 알 수 있는 것은, 주 전송선로만의 경우 삽입위상(90°)에 대해 ON일 때는 삽입위상이 위상천이량의 약 반(22.5°)정도 만큼 커지고, OFF 때는 반대로 작아지고 있다는 점입니다. 또한 삽입손실과 VSWR 특성은 중심주파수를 경계로 ON일 때와 OFF일 때가 거의 대칭되고 있습니다.

이 위상천이기의 동작을 이해하기 위해, 주 전송선로에 달려있는 2개의 가지선로(PIN 다이오드가 달린)의 각각의 특성이 어떤지를 알아보도록 합니다. <그림 5-35>에 보여진 1 port 회로로서 그 반사특성을 시뮬레이션 한 결과를 <그림 5-36>에 나타내었습니다.

  <그림 5－35>　Loaded Line형 위상천이기의 부분해석 1

  <그림 5－36>　위상천이기의 부분특성 1

우선 임피던스 특성을 보면 뭔가 느껴지지 않으시나요? ON일 때의 특성 곡선은 스미스차트 아래쪽에 위치하고, OFF일 때의 특성은 위쪽에 위치하고 있다는 점입니다. 또한 서로 대칭을 이루어 중심주파수 1GHz에서는 거의 켤레복소수(허수부의 부호만 다른)의 형상을 보이고 있습니다. 그렇다면 임피던스의 실수부는 같다는 의미가 되며, 이것은 아주 중요한 의미를 갖게 됩니다.

위상특성을 보면 뭔가 분명해집니다. ON일 때의 반사 위상은 약 -45° 로, OFF 일 때는 약 +45° 로 되어 있습니다. 임피던스의 허수부만 다르도록 켤레복소수화 되어 있기 때문에 ON/OFF 스위칭을 이용해 위상을 변화시켜도, 중심주파수 부근에서 삽입손실 특성과 임피던스 특성이 악화되지 않습니다. 그러면서도 위상은 깨끗하게 가변되는 위상천이기로 동작하고 있습니다.

결과적으로 선로의 임피던스 변화를 최소화하여 손실을 줄이면서도 위상은 정확하게 가변함으로써, 위상천이가 우수하게 이루어지고 있음을 알 수 있었습니다. 아래에서 Zb , θb의 값을 가진 전송선로는, 주 전송선로로부터 보았을 때 ON/OFF 시의 임피던스가 서로 켤레복소수가 되도록 반사위상을 조정하기 위한 용도로 사용되었습니다.

다음으로, 2개의 선로가지를 왜 하필 λ/4 떨어뜨려 배치하는지에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 전송선로에 임의의 리액턴스 소자 2개를 연결했을 때, 그 둘간의 간격을 바꾸면 회로 특성이 어떻게 변하는지 알아보도록 하지요. 리액턴스 소자로서 1pF의 C 와 25.3nH 의 L을 연결하였습니다. (L값이 너무 애매한게 아닌가 생각이 드시는 분은, 1GHz에서 이 값들이 어떤 임피던스를 가지는 계산해보시면 왜 이런 값을 정했는지 이해하실 수 있습니다. ^^) <그림 5-37>과 <그림 5-38>에 회로와 시뮬레이션 결과를 나타내었습니다.

  <그림 5－37>　Loaded Line형 위상천이기의 부분해석 2

  <그림 5－38>　위상천이기의 부분특성 2

그래프에서 CAP2는 C의 경우, IND2는 L의 경우를 나타내며. 두 소자의 간격을 0°, 30°, 60°, 90°의 전기적 길이로 변화시켰습니다. 90°에 가까워 질수록 삽입손실과 VSWR이 작아지고 있으며, 그래프의 여러 선들중 검은 색의 선이 90°일 경우의 결과 그래프입니다. 어떤가요? 왜 소자 간격을 λ/4 로 하였는지 자연스럽게 이해가시지요? 두 개의 소자가 λ/4 떨어져서 존재할 경우, 두 소자간에 의한 영향은 최소화되어 손실과 반사량이 최소화 됩니다.

Loaded Line 형의 설계식은 초고주파 회로 관련 서적에 잘 나와있으므로, 좀더 자세히 알고 싶으신 분들은 책을 참고하시기 바랍니다.

<위상천이기(Phase Shifter) 관련 문헌에 대해>
위상 천이기에 관한 책으로써는, Artech House에서 출판된 "Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters" 라는 도서를 추천합니다.^^

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