KR101490999B1

KR101490999B1 - 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템

Info

Publication number: KR101490999B1
Application number: KR20130095587A
Authority: KR
Inventors: 오인열; 박철순; 신민철; 박승영; 민병철; 한석희
Original assignee: 한국과학기술원; 한국기초과학지원연구원; 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-09
Also published as: EP3035621A1; US9608850B2; WO2015023028A1; US20160191281A1; EP3035621A4; EP3035621B1

Abstract

본 발명은 서로 다른 주파수 특성을 갖고, 입력 데이터를 OOK 변조 또는 멀티레벨 ASK 변조하여 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 복수의 스핀토크전달소자, 상기 복수의 스핀토크전달소자의 개별 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크 및 상기 복수의 정합 네트워크의 일단부로부터 상기 다중대역의 OOK 변조신호 또는 상기 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 전송받아 동시에 외부로 송신하는 광대역 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템에 관한 것이다.

Description

다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 {Spintronics wireless communication system for modulating multi-band frequency and amplitude}

본 발명은 다중대역 스핀트로닉스 통신 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 발진 안정시간이 짧고 서로 다른 주파수 대역을 갖는 복수의 스핀토크전달소자를 사용하여 서브클록의 한 주기마다 다중대역 OOK 변조 신호나 다중대역 멀티레벨 ASK 변조 신호를 생성함으로써 전송 효율을 극대화시키고 고용량 데이터 전송이 가능한 스핀트로닉스 무선통신 시스템에 관한 것이다.

근거리 무선 전송 기술로 블루투스, 지그비(zigbee) 또는 RFID(radio frequency identification)가 있다. 이러한 기술들은 초당 데이터 전송량이 최고 3 Mbps 수준의 성능을 보여주고 있다. 이 이외에도 순간 펄스에 신호를 전달하는 광대역 주파수 통신인 UWB(ultra wideband)가 있지만 최대 480 Mbps로 전송할 수 있다. 고속 광대역 통신 방식에 있어서는 기업간의 이견으로 국제 표준을 이루지 못하였고, 전송 특성에 있어서도 초당 기가비트로 전송하거나 고화질 동영상 및 대용량 데이터를 전송하기에는 기술개발이 더 필요하다. 물론 기가비트를 전송할 수 있는 기술로서 60 GHz 기술 및 THz 기술이 있지만 현재 기술 수준으로는 구현이 쉽지 않고, 해당 주파수 대역 신호의 직진 특성으로 가시거리 통신에 한정되며, 전력소모가 큰 단점을 갖고 있다. 5 GHz 주파수를 활용한 근거리 통신망에서 무선 컴퓨터 네트워킹 표준으로서 IEEE802.11ac의 무선 기술을 도입하고 있지만 이 역시 다중입출력(MIMO: multiple input multiple output)을 구현하기 위해 다수개의 고출력 증폭기를 사용하므로 전력소모가 크게 발생하는 문제점이 있다.

이러한 종래의 기술은 다수개의 발진기로 각각의 주파수를 설정하여 데이터를 변조시켜 전달하므로 전력소모도 커지며, 크기도 커져서 다중 주파수를 만들기가 어렵다. 또한 종래의 발진기는 협대역 주파수 특성으로 각 주파수를 넓게 조정하기 어려워 다중 주파수를 구현하기가 용이하지 않다. 이러한 이유로 기존 기술에서는 신호처리 과정에서 다중 캐리어를 만들어 RF 전송 시에 하나의 반송파로 전송하는 방법을 사용해 왔다. 대용량 데이터의 신호처리 과정에서 다중 캐리어 신호를 활용하므로 광대역의 고속처리가 요구된다. 이에 따라 무선 송수신 시스템이 복잡해지고, 전력소모도 커지는 문제점이 있다. 작은 사이즈에 적은 전력소모로도 고속 무선 전송 특성을 구현하는 혁신적인 기술이 절실히 요구된다.

특허문헌 1은 다중대역 데이터 전송 방법에 관한 발명으로서, 서로 다른 주파수 대역들을 분리하는 아날로그 필터들을 간단하게 설계할 수 있고, 대역들을 동기화하는 디지털 신호 처리 구현이 간단해지나 RF 변조기의 발진 안정시간이 길고, 데이터 전송 시스템의 부피가 커지는 문제점이 있다.

1. 한국공개특허 제2011-0115996호(2011년 10월 24일 공개)

본 발명은 상기의 문제점과 필요성에 따라 안출된 것으로서, 발진 안정시간이 짧고 서로 다른 주파수 대역을 갖는 복수의 스핀토크전달소자를 사용하여 전송 속도를 크게 향상시키고 부피는 감소시킬 수 있는 다중대역 스핀트로닉스 송신기 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템은 서로 다른 주파수 특성을 갖고, 입력 데이터를 스핀 OOK(on off keying) 변조 또는 멀티레벨 ASK(amplitude shift keying) 변조하여 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 복수의 스핀토크전달소자, 상기 복수의 스핀토크전달소자의 개별 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크 및 상기 복수의 정합 네트워크의 일단부로부터 상기 다중대역의 OOK 변조신호 또는 상기 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 전송받아 동시에 외부로 송신하는 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 클록과 상기 클록의 소정 배수의 주기를 갖는 서브클록에 동기되어 연속으로 입력되는 디지털 데이터를 상기 복수의 스핀토크전달소자에 순차적으로 할당하는 역다중화기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 역다중화기는 상기 클록과 서브클록에 동기되며, 상기 클록은 상기 서브클록의 주기를 상기 스핀토크전달소자의 개수로 나눈 값을 주기로 갖고, 상기 서브클록의 최소 주기는 상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복수의 정합 네트워크의 일단부와 상기 안테나의 일단부 사이에 연결되고, 상기 스핀토크전달소자들이 출력하는 변조 신호들의 전송 손실을 줄이는 광대역 정합 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복수의 스핀토크전달소자가 각각에 설정된 주파수 특성을 획득하도록 각 스핀토크전달소자들로부터 이격된 거리가 각기 다르게 조절된 복수의 점자석을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 스핀토크전달소자들의 중간에 배치된 자기차폐벽, 자기차폐시트 또는 자기차폐선을 더 포함하여 상기 스핀토크전달소자간의 자계 간섭을 차단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 안테나는 상기 다중대역의 변조 신호들의 전송 손실을 줄이는 광대역 정합 안테나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 입력 데이터에 따라 진폭이 변동하는 아날로그 신호를 출력하는 디지털 아날로그 변환기를 더 포함하고, 변동된 진폭의 아날로그 신호는 상기 스핀토크전달소자에 인가되어 상기 스핀토크전달소자가 출력하는 주파수 특성이 변동됨으로써 상기 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 아날로그 변환기의 출력에 따라 상기 아날로그 신호의 진폭에 비례한 세기의 전류를 상기 스핀토크전달소자에 인가하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 제조 방법은 복수의 스핀토크전달소자를 소정 간격 이격하여 배치하는 단계, 상기 복수의 스핀토크전달소자마다 인접하여 점자석을 배치하고, 각 스핀토크전달소자의 주파수 신호를 측정하는 단계, 상기 스핀토크전달소자의 출력 신호의 주파수를 목표 주파수로 맞추기 위해 점자석의 위치 또는 개수를 가감하여 주파수를 조정하는 단계 및 상기 복수의 스핀토크전달소자의 일단부와 광대역 안테나의 일단부 사이에 각 복수의 스핀토크전달소자들과 안테나의 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 연속으로 입력되는 데이터를 클록에 동기되어 복수의 채널에 순차적으로 출력하는 역다중화기의 복수의 채널들을 순서대로 상기 복수의 스핀토크전달소자의 전류입력단자에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간을 상기 스핀토크전달소자의 개수로 나눈 값을 주기로 갖는 클록을 생성하는 클록생성부의 출력 단자를 상기 역다중화기의 클록입력단자와 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 사용자가 발진 주파수를 쉽게 조정할 수 있도록 점자석을 배치할 위치를 상기 송신기에 표시하고, 해당 위치에 점자석이 위치할 경우 생성되는 주파수를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 다중대역 스핀트로닉스 수신기는 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 수신하는 복수의 협대역 안테나, 상기 복수의 협대역 안테나가 개별적으로 수신한 변조 신호로부터 포락선을 검출하여 데이터를 복조하는 복수의 포락선 검출기 및 복조된 데이터들을 클록에 따라 하나의 출력채널로 순차적으로 혼합하는 다중화기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복수의 OOK 변조 신호 또는 상기 복수의 멀티레벨 ASK 변조신호의 소정 주파수 대역을 통과시켜 상기 복수의 포락선 검출기로 출력하는 복수의 대역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 복잡하고 부피가 큰 변조기를 사용하지 않고도, 스핀토크전달소자에 인가되는 전류의 세기나 인근에 배치하는 점자석의 크기 또는 거리를 조절함으로써 다양한 주파수 신호를 생성할 수 있으므로 송신기의 면적을 크게 감소시킬 수 있으며, 전력 소비를 감소시키는 효과가 있다.

본 발명은 광대역 동작 특성으로 스핀토크전달소자를 어레이화한 구조에서 각 스핀토크전달소자마다 주파수를 소정 간격으로 이격시켜 복수의 스핀토크전달소자를 동시에 동작시킴으로써 서브클록 한 주기마다 복수의 OOK 변조 신호 또는 복수의 멀티레벨 ASK 변조 신호를 생성할 수 있으므로 데이터 전송 속도가 크게 향상된다.

본 발명은 스핀토크전달소자를 사용하여 송신기를 구현하므로 소형화 및 집적화가 쉽다.

종래의 발진기로 사용되는 전압제어발진기(VCO)는 전원을 인가하여 인에이블(enable)되고 요구되는 주파수를 얻기까지의 발진 안정시간(settling time)이 길어서 kbps 단위의 통신 전송속도 밖에는 구현할 수 없었지만 본 발명은 발진 안정시간이 매우 짧은 스핀토크전달소자를 사용하여 주파수 신호를 얻고, 스핀 OOK 변조 방식을 적용함으로써 이론적으로 초당 수십 메가비트 전송이 가능하다.

기존 전자회로 기반으로 만들어지는 직접변환 방식의 무선 통신 기기는 VCO의 10% 정도의 협대역 동작으로 인해 넓은 대역에 거쳐 각각의 주파수 신호를 얻기가 어려운 문제점을 해결하여 본 발명은 스핀토크전달소자의 100% 이상의 주파수 발진 동작 특성을 활용하여 스핀 어레이 구조에서 각각의 스핀토크소자가 여러 개의 주파수를 쉽게 얻을 수 있고, 사용자가 주파수를 제어할 수 있도록 사용자 편의성을 높였다.

도 1은 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
도 2는 본 발명의 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템에서 각 스핀토크전달소자의 주파수 조정을 위한 점자석 위치를 도시한 단면도
도 3은 본 발명에 의한 역다중화기에 데이터가 순차적으로 입력될 때 출력 채널에서 스핀토크전달소자에 데이터가 할당되는 방법을 도시한 타임 플로우.
도 4는 본 발명에 의한 역다중화기에 데이터가 순차적으로 입력될 때 출력 채널에서 멀티 비트 데이터가 스핀토크전달소자에 할당되는 방법을 도시한 타임 플로우.
도 5는 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 수신부를 도시한 구성도.
도 6은 일반적인 스핀토크전달소자의 일 실시예.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 수신부를 도시한 구성도.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

본 발명은 스핀토크전달소자가 전류의 세기나 자계에 비례하여 주파수가 변동되는 특성을 활용하여 각 스핀토크전달소자마다 다른 주파수 신호를 출력하도록 하여 복수의 스핀토크전달소자를 통해 광대역 주파수 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 스핀토크전달소자가 자계에 영향을 받아 다른 주파수 특성을 구현할 수 있는 점을 활용하여 스핀토크전달소자 주변에 점자석을 배치하여 주파수를 조절함으로써 사용자가 스핀토크전달소자의 주파수 제어를 용이하게 하도록 하였다.

또한, 본 발명은 다수의 비트를 하나의 스핀토크전달소자에 인가할 수 있도록 한다. 즉, 전류 세기를 조절하여 진폭이 다른 신호를 하나의 스핀토크전달소자로 복수의 주파수 신호를 출력하도록 하여 데이터 전송 효율을 증가시킨다.

도 1은 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템을 도시한 것이다.

도 1에 도시된 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템은 역다중화기(1), 제1 스핀토크전달소자(2-1) 내지 제n 스핀토크전달소자(2-n), 제1 디지털 아날로그 변환기(5-1) 내지 제n 디지털 아날로그 변환기(5-n), 제1 전원부(8-1) 내지 제n 전원부(8-n), 제1 정합 네트워크(4-1) 내지 제n 정합 네트워크(4-n), 제1 점자석(3-1) 내지 제n 점자석(3-n), 광대역 정합 네트워크(6) 및 안테나(7)를 포함한다. 여기서 n은 1 이상의 자연수이다.

상기 역다중화기(demultiplexer)(1)는 클록(Clk)과 서브클록(Sub_clk)에 동기되어 입력되는 데이터를 n개의 출력 채널에 순차적으로 출력한다. 상기 역다중화기(1)는 연속하여 직렬로 입력되는 데이터를 병렬로 분할하여 출력하는 회로로 구현할 수 있다.

상기 클록(Clk)은 스핀토크전달소자가 발진 안정시간 즉, 안정된 발진 시간을 갖는 이상의 시간으로 정의된 서브클록(Sub_clk)에 상기 스핀토크전달소자의 개수(n개, n>1)로 곱한 값을 주기로 갖는다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 서브 클록(Sub_clk)의 주기는 상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간과 관련이 있고, 스핀토크전달소자를 통하여 안정적인 데이터 전송을 위해서 서브클록(Sub_clk) 값은 안정시간보다 큰 값을 갖는다. 스핀토크전달소자는 종래의 전압제어발진기(VCO)와 같은 발진기에 비해 발진 안정시간이 매우 짧은 장점이 있다. 본 발명은 이 효과를 극대화하여 최대의 전송속도를 얻기 위해서 스핀토크전달소자의 발진 안정시간을 기반으로 안정시간 이상의 주기로 각 스핀토크전달소자에 데이터가 입력되는 주기를 맞추도록 한다. 즉, 본 발명에서 제일 빠른 서브 클록(Sub_clk)의 주기는 발진 안정시간에 해당되는 주기를 사용하는 것이다. 그리고 연속으로 입력되는 데이터의 주기에 일치하는 클록(Clk)은 발진 안정시간과 관련된 서브클록(Sub_clk)의 주기를 병렬 또는 어레이로 구현한 스핀토크전달소자의 개수로 곱한 값을 사용하도록 함으로써 스핀토크전달소자의 성능을 극대화할 수 있게 한다. 따라서 본 발명은 전송속도를 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명은 종래의 변조기에 비해 스핀토크전달소자의 개수에 비례하여 전송속도가 크게 증가하고, 스핀토크전달소자의 빠른 전송 특성까지 감안하면 전송속도가 매우 빠른 변조 특성을 갖는 송신기를 구현할 수 있게 된다.

상기 제1 스핀토크전달소자(2-1) 내지 제n 스핀토크전달소자(2-n)는 서로 다른 주파수 특성을 갖도록 인가되는 전류 세기와 인접한 점자석의 위치 또는 스핀토크전달소자의 크기를 조절한다. 상기 제1 스핀토크전달소자(2-1) 내지 제n 스핀토크전달소자(2-n)는 입력된 데이터를 OOK 변조 또는 멀티레벨 ASK 변조하여 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력한다.

상기 스핀전달토크(spin transfer torque) 소자는 도 6과 같이 일반적으로 고정자성층/비자성층/자유자성층의 다층 박막구조로 형성되나 이에 한정하지는 않는다. 스핀토크전달소자에 전류(스핀전류)를 가함으로써 전도전자의 스핀은 전류가 비자성층과 자성층 구조를 통과하여 흐르면서 스핀분극이 되는데, 이때 스핀각운동량은 항상 보존되어야 하기 때문에 전도전자의 스핀각운동량 변화에 상응하는 힘이 자성층의 자화에 전달되어 전도전자의 스핀분극 방향 변화와 반대 방향으로 자성층의 자화 방향을 변화시키는 돌림힘(torque)이 작용하게 된다.

스핀토크전달소자에 적절한 크기의 자기장 또는 스핀전달토크가 동시에 자화를 서로 반대쪽으로 움직이려는 방향으로 가해지면 자화는 자기장이 유도하는 방향이나 스핀전달토크가 유도하는 방향을 향하지 못하고 계속해서 일정한 주파수로 회전하게 된다. 이때 자화의 회전 주파수는 인가하는 자기장과 전류의 크기가 변화함에 따라 달라지며, 수 GHz~수십 GHz 대역의 넓은 주파수 범위에서 조절이 가능하다. 일정한 자화 방향을 갖는 고정층에 대해서 자유층의 자화가 회전함에 따라 자기저항이 계속해서 변하게 되므로, 이를 통해 직류 입력 신호로부터 교류 출력 신호를 얻을 수 있어 발진기로 사용할 수 있다.

상기 스핀토크전달소자는 나노공정기술을 이용하여 나노 콘택(contact) 또는 나노 필라(pillar) 구조로 구현할 수 있다. 나노 콘택은 고정자성층/비자성층/자유자성층을 적층하고 상부에 접촉창을 만들어 전극을 형성한 구조이고, 나노 필라는 고정자성층/비자성층/자유자성층을 적층 후 소자 외측을 식각하여 기둥모양으로 형성한 것이다.

자유자성층은 층 외부에서 인가되는 자기장이나 전류에 의하여 자화 방향이 변하는 연자성체이다. 비자성층은 비자성 금속 또는 절연 물질이다. 비자성층이 절연 물질로 형성되는 경우에는 터널링 현상이 일어날 수 있는 정도로 두께가 얇아야 한다. 고정자성층은 주변의 자기장이나 전류로부터 자화 방향이 변하지 않는 강자성체이다. 비자성층이 절연층으로 구현되는 경우 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: TMR) 소자가 되고, 비자성층이 도전층일 경우 거대 자기저항(giant magnetoresistance: GMR) 소자가 된다. 자유자성층은 자기소용돌이(magnetic vortex)를 포함하는 층이 될 수 있다.

스핀토크전달소자는 인가 전류에 따라 여러 가지 발진 주파수 특성을 갖는다. 사용하는 자성층의 재료에 따라 인가 전류가 증가하면 발진 주파수도 증가하는 스핀토크전달소자가 있고, 반대로 인가 전류가 증가하면 발진 주파수도 감소하는 스핀토크전달소자가 있다. 또는 하나의 스핀토크전달소자에서 전류가 증가함에 따라 발진 주파수가 감소하다 다시 증가하는 경우도 있다. 스핀토크전달소자의 발진 주파수에 영향을 주는 것은 포화자유도, 감쇄상수, 스핀 분극 인자 등 물질에 따라 결정되는 인자와 자유자성층의 부피와 같이 형상적인 인자가 있으므로 자유자성층의 부피(면적 또는 두께) 등을 조절하면 발진 주파수가 다른 발진기를 제작할 수 있다.

또한 스핀토크전달소자에 인가되는 전류나 자기장을 크기를 조절함으로써 발진 주파수를 제어할 수 있다. 자기장의 제어는 스핀토크전달소자를 제작 공정 중에 누설자장으로 제어하는 방법과 스핀토크전달소자에 인접하여 점자석을 배치하는 방법을 사용하여 자기장의 크기를 조절함으로써 발진 주파수가 다른 발진기를 제작할 수 있다.

상기 제1 정합 네트워크(4-1) 내지 제n 정합 네트워크(4-n)는 제1 스핀토크전달소자(2-1) 내지 제n 스핀토크전달소자(2-n)의 개별 임피던스를 정합한다. 상기 정합 네트워크는 집중소자 또는 전송선으로 구현할 수도 있다. 각 스핀토크전달소자마다 임피던스 성분이 다르므로 개별적으로 임피던스를 정합해야한다. 상기 제1 정합 네트워크(4-1) 내지 제n 정합 네트워크(4-n)는 각각의 스핀토크전달소자 이외의 다른 스핀토크전달소자가 출력하는 주파수 성분은 필터링하는 협대역 정합 네트워크이다.

상기 광대역 정합 네트워크(6)는 상기 제1 정합 네트워크(4-1) 내지 제n 정합 네트워크(4-n)의 일단부들과 상기 안테나(7)의 일단부 사이에 연결되고, 상기 스핀토크전달소자들이 출력하는 전체 주파수 대역에 걸쳐 임피던스를 정합한다.

만약, 전체 주파수 대역에서 충분한 임피던스 정합이 이루어지지 않으면 전송 손실이 커지는 문제점이 있다. 따라서 각 주파수 대역에서 임피던스 정합이 되면서, 상기 광대역 정합 네트워크(6)는 상기 제1 정합 네트워크(4-1) 내지 제n 정합 네트워크(4-n)보다 넓은 상기 스핀토크전달소자의 전체 주파수 대역에서 임피던스를 정합하여 최소한의 전송 손실만을 허용하고, 신호의 왜곡을 감소시키고, 전송 손실을 줄일 수 있다.

상기 안테나(7)는 광대역 정합 네트워크(6)의 일단부와 일단부가 연결되어, 상기 다중대역의 OOK 변조신호 또는 상기 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 전송받아 동시에 외부로 송신한다. 상기 안테나(7)는 광대역에서 정합기능이 있는 안테나, 상기 스핀토크전달소자가 출력하는 전체 주파수 대역에서 정합기능이 있는 안테나인 것이 바람직하다.

상기 제1 점자석(3-1) 내지 제n 점자석(3-n)은 상기 스핀토크전달소자의 목표 주파수에 따라 상기 스핀토크전달소자로부터 일정 거리 이격되어 배치되어, 인접한 상기 스핀토크전달소자의 주파수 특성을 가변시킨다. 상기 점자석의 크기나 개수를 가변시켜 상기 스핀토크전달소자의 출력 신호의 주파수를 조절한다.

또한 도 2를 참조하면, 상기 스핀토크전달소자와 인접하는 스핀토크전달소자 사이에 배치된 자기차폐벽, 자기차폐시트 또는 자기차폐선을 더 포함하여 상기 스핀토크전달소자간의 자계 간섭을 감소시킬 수 있다.

또한 상기 스핀토크전달소자와 인접하는 스핀토크전달소자간의 거리는 상기 스핀토크전달소자 크기의 10배 이상으로 이격하여 배치함으로써 스핀토크전달소자간의 자계 간섭을 차단할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예인 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2를 예로 들면, 복수의 스핀토크전달소자를 소정 간격을 이격하여 배치한다.

상기 복수의 스핀토크전달소자마다 인접하여 점자석을 배치하되, 각 스핀토크전달소자마다 다른 주파수 신호를 출력하도록 상기 스핀토크전달소자와의 거리 또는 상기 점자석의 크기 또는 개수를 조절하여 배치한다. 즉, 상기 복수의 스핀토크전달소자마다 인접하여 점자석을 배치하고, 각 스핀토크전달소자의 주파수 신호를 측정한다. 그리고 상기 스핀토크전달소자의 출력 신호의 주파수를 목표 주파수로 맞추기 위하여 점자석의 위치 또는 개수를 가감하여 주파수를 조정한다.

아울러, 스핀토크전달소자 어레이의 제조 시, 사용자가 발진 주파수를 쉽게 조정할 수 있도록 도 2와 같이, 점자석을 배치할 위치를 표시하고, 해당 위치에 점자석이 위치할 경우 생성되는 주파수를 표시해 놓는 것도 가능하다.

그리고 상기 복수의 스핀토크전달소자의 일단부와 광대역 안테나의 일단부 사이에 각 복수의 스핀토크전달소자들과 광대역 안테나의 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크를 연결한다.

그리고 상기 역다중화기(1)의 복수의 출력 채널들을 각 출력 채널의 순서에 대응하는 상기 복수의 스핀토크전달소자와 연결한다.

상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간을 고려한 서브 클록(Sub_clk)과 상기 스핀토크전달소자의 개수로 곱한 값을 주기로 갖는 클록(Clk)을 생성하는 클록 생성부의 출력 단자를 상기 역다중화기(1)의 클록입력단자와 연결한다.

이하, 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 클록(Clk)이 동기될 때마다 데이터는 D1부터 순차적으로 역다중화기(1)로 하나의 채널을 통해 입력된다. 상기 역다중화기(1)의 출력은 n개의 채널로 구성되며, 1번째 클록(Clk)에서 입력 데이터 D1은 제1 채널로 출력되고, 2번째 클록(Clk)에서 입력 데이터 D2는 제2 채널로 출력되며, n번째 클록(Clk)에서 입력 데이터 Dn은 제n 채널로 출력된다. 1부터 n까지를 하나의 클록으로 하는 서브 클록(Sub_clk)을 이용하여 서브 클록(Sub_clk)의 1주기마다 데이터가 각 제1 스핀토크전달소자(2-1)에서 제n 스핀토크전달소자(2-n)로 동시에 각 채널 데이터가 송신되도록 한다. 또한 n+1번째 클록(Clk)에서 입력 데이터 Dn+1은 제1 채널로 출력된다. 각 채널은 n개의 스핀토크전달소자와 연결된다. 각 스핀토크전달소자는 전원부를 구비할 수 있으며, 각 전원부(8-1~8-n)는 각 채널로부터 전송된 데이터가 하이(high) 또는 로우(low)에 따라 스핀토크전달소자에 전류 또는 전압을 공급 또는 차단한다. 따라서 각 스핀토크전달소자들은 입력되는 데이터 레벨에 따라 전부 구동하여 각 스핀토크전달소자 고유의 주파수를 갖는 OOK 변조하여 OOK 변조 신호를 출력한다. 각 스핀토크전달소자는 각 전원부에서 인가하는 전류 세기를 서로 다르게 하거나, 자계 조건을 다르게 설계함으로써 서로 다른 주파수를 갖도록 하여 각 스핀토크전달소자들의 OOK 변조신호의 주파수는 서로 다른 주파수들이다.

복수의 OOK 변조신호는 안테나로 전송하는데 하나의 안테나를 통해 동시에 전송되므로 각 변조신호들이 최대 전송 효율을 갖지 못하는 문제점을 해결하기 위해 각 스핀토크전달소자별 정합 네트워크를 통해 임피던스를 정합하고, 광대역 정합 네트워크에서 스핀토크전달소자의 전체 주파수 대역에 걸쳐 임피던스를 정합하여 전송 손실을 최소로 할 수 있다.

총 데이터의 전송 속도는 스핀토크전달소자의 수에 비례하여 전송속도가 증가할 수 있으며, 예를 들면, 스핀토크전달소자가 10개 이상일 경우 수백 Mbps가 되며, 100개 이상일 경우는 수 Gbps까지 전송속도를 올릴 수 있다.

또한, 본 발명은 주파수 사용 효율을 더 향상시키기 위해 디지털 아날로그 변환기를 추가하여 멀티 레벨 ASK 변조 동작을 추가할 수 있다. 멀티 레벨 ASK 변조는 멀티 비트 정보를 하나의 주파수 신호로 전달하는 ASK 변조이다. 이러한 방식으로 본 발명은 각 스핀토크전달소자마다 주파수를 할당하여 진폭변조를 하는 방식이기 때문에 기존과 다른 주파수 및 진폭을 동시에 변조에 활용하여 전송속도를 극대화하는 새로운 스핀 변조방식이 된다.

도 4를 참조하면, 상기 역다중화기(1)의 각 출력 채널마다 한 번에 멀티 비트를 할당받고, 멀티비트를 각 스핀토크전달소자의 전원부로 입력한다. 예를 들면, 4 레벨 ASK 변조 기능의 스핀토크전달소자를 구현하기 위해 도 3을 참조하면, 상기 역다중화기(1)의 제1 출력 채널은 데이터 1, 0을 할당받고, 상기 역다중화기(1)의 제2 출력 채널은 데이터 1, 1을 할당받고, 상기 역다중화기(1)의 제n 출력 채널은 데이터 0, 1을 할당받는다.

상기 역다중화기(1)의 제1 출력 채널은 제1 스핀토크전달소자(2-1)의 전원부로 입력된다. 각 전원부는 디지털 아날로그 변환기를 구비하고, 멀티 비트 정보에 따라 다양한 진폭의 아날로그 신호를 상기 스핀토크전달소자에 출력한다. 아날로그 신호는 곧바로 전류가 될 수 있으며, 또는 전압이 될 수 있다. 상기 전원부들(8-1~8-n)에 구비된 전류 미러를 통해 멀티 비트 정보 또는 아날로그 신호의 진폭에 비례한 세기의 전류가 생성되면, 복수의 전류 레벨을 만들 수 있고, 복수의 전류 레벨은 곧 스핀토크전달소자가 다양한 주파수 신호 또는 다양한 진폭의 신호를 출력하게 한다. 도 4를 참조하면, 2비트의 입력 데이터에 의해 스핀토크전달소자마다 4 레벨 ASK 변조 신호를 출력한다. 따라서 본 발명은 n개의 스핀토크전달소자에 의해 2n배로 전송속도를 증가시킬 수 있다.

서브 클록(Sub_clk)의 주파수는 각 스핀토크전달소자가 안정시간 이상의 클록 신호로 생성하여 전송하는 전송속도와 관계가 있다. 상기 역다중화기(1)의 클록(Clk)의 주파수는 서브 클록(Sub_clk)의 주파수에 스핀토크전달소자의 수 즉, n을 곱한 값이 된다. 따라서 최종 전송속도는 총 스핀토크전달소자의 개수만큼 전송 속도가 빨라진다.

또한 도 2를 참조하면, 송신기를 구성하는 복수의 스핀토크전달소자, 즉 스핀토크전달소자 어레이를 제조 시, 스핀토크전달소자마다 점자석의 거리와 크기를 제어하여 원하는 주파수 대역을 얻을 수 있다. 다만, 점자석에 의해 인근의 스핀토크전달소자에 자기장 간섭이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명은 스핀토크전달소자들의 간격은 점자석과 스핀토크전달소자를 포함한 길이의 10배 이상으로 확보하여 배치하거나 자기차폐벽, 자기차폐시트 또는 자기차폐선을 스핀토크전달소자들의 중간에 배치함으로써 스핀토크전달소자간의 자기장 간섭을 감소시킬 수 있다.

도 5에 도시된 본 발명에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 수신부는 제1 협대역 안테나(21-1) 내지 제n 협대역 안테나(21-n), 제1 대역 통과필터(22-1) 내지 제n 대역 통과필터(22-n), 제1 포락선 검출기(23-1) 내지 제n 포락선 검출기(23-n) 및 다중화기(24)를 포함한다.

상기 제1 협대역 안테나(21-1) 내지 제n 협대역 안테나(21-n)는 다중대역 OOK 변조신호 또는 다중대역 멀티레벨 ASK 변조신호를 수신한다.

상기 제1 대역 통과필터(22-1) 내지 제n 대역 통과필터(22-n)는 상기 복수의 안테나가 수신한 복수의 OOK 변조 신호 또는 복수의 멀티레벨 ASK 변조신호를 필터링하여 상기 복수의 포락선 검출기로 출력한다.

상기 제1 포락선 검출기(23-1) 내지 제n 포락선 검출기(23-n)는 상기 제1 대역 통과필터(22-1) 내지 제n 대역 통과필터(22-n)를 통과한 신호로부터 포락선을 검출하여 데이터(D1,D2,...,Dn)를 복조한다. 또한 상기 제1 포락선 검출기(23-1) 내지 제n 포락선 검출기(23-n)는 스핀토크전달소자에 의해 생성된 발진 신호를 사용하여 데이터를 복조한다.

상기 다중화기(multiplexer)(24)는 복수의 데이터(D1,D2,...,Dn)를 병렬로 입력받아 클록(Clk)과 서브클록(Sub_clk)에 동기되어 순차적으로 혼합하여 시리얼 데이터를 출력한다.

즉, 상기 다중대역 스핀트로닉스 송신기에서 변조된 다중대역 OOK 변조신호 또는 다중대역 멀티레벨 ASK 변조신호를 상기 제1 협대역 안테나 내지 제n 협대역 안테나를 통해 수신하면, 상기 제1 포락선 검출기(23-1) 내지 제n 포락선 검출기(23-n)를 통해 포락선(envelope)을 검출하여 데이터를 복조한다. 복조된 데이터(D1 내지 Dn)은 다중화기(24)를 통해 상기 클록(Clk)과 상기 서브클록(Sub_clk)에 동기되어 순차적으로 혼합하여 총 데이터로 복원한다. 상기 다중화기(24)는 상기 서브클록(Sub_clk)의 한 주기마다 n개의 데이터를 복원한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 수신부는 광대역 안테나(25), 제1 대역 통과필터(22-1) 내지 제n 대역 통과필터(22-n), 제1 포락선 검출기(23-1) 내지 제n 포락선 검출기(23-n) 및 다중화기(24)를 포함한다.

도 7에 도시된 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템의 수신부는 복수의 협대역 안테나가 아닌 하나의 광대역 안테나(25)에 의해 다중대역 OOK 변조신호 또는 다중대역 멀티레벨 ASK 변조신호를 수신받아 각 주파수별 대역통과필터(22-1 ~ 22-n)에서 해당 주파수 대역의 신호만을 필터링하고, 포락선 검출기(23-1 ~ 23-n)를 통해 데이터를 복조한다. 복조된 데이터(D1 내지 Dn)는 상기 다중화기(24)에서 클록(Clk)과 서브클록(Sub_clk)에 동기되어 순차적으로 혼합하여 총 데이터로 복원한다.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 역다중화기 2-1 : 제1 스핀토크전달소자
2-2 : 제2 스핀토크전달소자 2-n : 제n 스핀토크전달소자
3-1 : 제1 점자석 3-2 : 제2 점자석
3-n : 제n 점자석 4-1 : 제1 정합 네트워크
4-2 : 제2 정합 네트워크 4-n : 제n 정합 네트워크
5-1 : 제1 디지털 아날로그 변환기 5-2 : 제2 디지털 아날로그 변환기
5-n : 제n 디지털 아날로그 변환기 6 : 광대역 정합부
7 : 안테나 8-1 : 제1 전원부
8-2 : 제2 전원부 8-n : 제n 전원부
21-1 : 제1 협대역 안테나 21-2 : 제2 협대역 안테나
21-n : 제n 협대역 안테나 22-1 : 제1 대역통과 필터
22-2 : 제2 대역통과 필터 22-n : 제n 대역통과 필터
23-1 : 제1 포락선 검출기 23-2 : 제2 포락선 검출기
23-n : 제n 포락선 검출기 24 : 다중화기
25 : 광대역 안테나

Claims

서로 다른 주파수 특성을 갖고, 입력 데이터를 OOK 변조 또는 멀티레벨 ASK 변조하여 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 복수의 스핀토크전달소자;
상기 복수의 스핀토크전달소자의 개별 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크;
상기 복수의 정합 네트워크의 일단부로부터 상기 다중대역의 OOK 변조신호 또는 상기 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 전송받아 외부로 송신하는 안테나 및
클록에 동기되어 연속으로 입력되는 디지털 데이터를 상기 복수의 스핀토크전달소자에 순차적으로 할당하는 역다중화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 역다중화기는 상기 클록과 서브클록에 동기되고,
상기 클록은 상기 스핀토크전달소자의 상기 서브클록의 주기를 상기 스핀토크전달소자의 개수로 나눈 값을 주기로 갖고,
상기 서브클록의 최소 주기는 상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간인 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 정합 네트워크의 일단부와 상기 안테나의 일단부 사이에 연결되고, 상기 스핀토크전달소자들이 출력하는 변조 신호들의 전송 손실을 줄이기 위한 광대역 정합 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 스핀토크전달소자가 각각에 설정된 주파수 특성을 획득하도록 각 스핀토크전달소자들로부터 이격된 거리가 각기 다르게 조절된 복수의 점자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제5항에 있어서,
상기 스핀토크전달소자들의 중간에 배치된 자기차폐벽, 자기차폐시트 또는 자기차폐선을 더 포함하여 상기 스핀토크전달소자간의 자계 간섭을 차단하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 상기 다중대역의 변조 신호들의 전송 손실을 줄이는 광대역 정합 안테나인 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 입력 데이터에 따라 진폭이 변동하는 아날로그 신호를 출력하는 디지털 아날로그 변환기를 더 포함하고,
변동된 진폭의 아날로그 신호는 상기 스핀토크전달소자에 인가되어 상기 스핀토크전달소자가 출력하는 진폭 또는 주파수 특성이 변동됨으로써 상기 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제8항에 있어서,
상기 아날로그 변환기의 출력에 따라 상기 아날로그 신호의 진폭에 비례한 세기의 전류를 상기 스핀토크전달소자에 인가하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
복수의 스핀토크전달소자를 소정 간격 이격하여 배치하는 단계;
상기 복수의 스핀토크전달소자마다 인접하여 점자석을 배치하고, 각 스핀토크전달소자의 주파수 신호를 측정하는 단계;
상기 스핀토크전달소자의 출력 신호의 주파수를 목표 주파수로 맞추기 위해 점자석의 위치 또는 개수를 가감하여 주파수를 조정하는 단계 및
상기 복수의 스핀토크전달소자의 일단부와 광대역 안테나의 일단부 사이에 각 복수의 스핀토크전달소자들과 안테나의 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 제조 방법.
제10항에 있어서,
연속으로 입력되는 데이터를 클록에 동기되어 복수의 채널에 순차적으로 출력하는 역다중화기의 복수의 채널들을 순서대로 상기 복수의 스핀토크전달소자의 전류입력단자에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 스핀토크전달소자의 발진 안정시간을 상기 스핀토크전달소자의 개수로 나눈 값을 주기로 갖는 클록을 생성하는 클록생성부의 출력 단자를 상기 역다중화기의 클록입력단자와 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 제조 방법.
제10항에 있어서,
사용자가 발진 주파수를 제어가 가능하도록 각 주파수별 점자석 배치 위치를 송신기에 표시하고, 해당 위치에 점자석이 위치할 경우 생성되는 주파수 정보를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템 제조 방법.
다중대역 수신기에 있어서,
다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 수신하는 복수의 협대역 안테나;
상기 복수의 협대역 안테나가 개별적으로 수신한 변조 신호로부터 포락선을 검출하여 데이터를 복조하는 복수의 포락선 검출기 및
복조된 데이터들을 클록과 상기 클록의 소정 배수를 주기로 갖는 서브클록에 따라 하나의 출력채널로 순차적으로 혼합하는 다중화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.
제14항에 있어서,
상기 복수의 OOK 변조 신호 또는 상기 복수의 멀티레벨 ASK 변조신호의 소정 주파수 대역을 통과시켜 상기 복수의 포락선 검출기로 출력하는 복수의 대역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템.