KR102417241B1 - 밀리미터파 송수신단의 sic 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 송신단과 수신단이 단일 안테나를 이용하는 밀리미터파 송수신단에 비대칭 스위치를 이용하여 송신신호의 손실을 최소화하면서 고출력 신호의 송신을 가능하게 하고, 수신신호에서 발생하는 잡음 지수를 최소화하며, 송신 누설신호로 인한 수신단의 성능 열화 특성을 방지할 수 있는 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단은 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier), 수신단 임피던스 변환부, 수신단 직렬 스위치, 수신단 병렬 스위치, 송신단 임피던스 변환부 및 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)를 포함한다. 또한, 상기 수신단 직렬 스위치는 단일 안테나와 수신단 포트의 사이에 배치되어 단일 안테나로부터 수신되는 신호를 선택적으로 수신단에 전송한다. 이때, 상기 수신단 직렬 스위치의 온/오프에 따라 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스 또는 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스가 정합(matching)되도록 임피던스가 구성된다.

Description

밀리미터파 송수신단의 SIC 회로{Self-Interference Cancelator of Millimeter wave transceiver}
본 발명은 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송신단과 수신단이 단일 안테나를 이용하는 밀리미터파 송수신단에 비대칭 스위치를 이용하여 송신신호의 손실을 최소화하면서 고출력 신호의 송신을 가능하게 하고, 수신신호에서 발생하는 잡음 지수를 최소화하며, 송신 누설신호로 인한 수신단의 성능 열화 특성을 방지할 수 있는 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로에 관한 것이다.
통상적으로 안테나의 초소형화 및 데이터 전송량 증가는 이미 한정된 주파수 자원과 제공 서비스의 확대를 위해 수십 GHz 이상의 밀리미터파 대역에서 전자기파 응용 시스템의 개발을 요구하고 있으며, 최근 상용화가 추진 중인 5G 또는 IoT와 같은 응용 시스템에서 이와 같은 방향을 잘 확인할 수 있다.
또한, 동작 주파수 향상은 시스템의 초소형화를 가능하게 하지만, 이와 함께 단일 디바이스(Device)에서 송출 가능한 전력 제한을 발생시키고, 또한 파장으로 인한 대기 중 감쇄 특성 증가로 서비스 가능한 거리에 제약이 발생한다.
이러한 제약은 MIMO(Multi Input Multi Output) 또는 Phased Array를 이용한 빔포밍(Beam Forming) 기술과 같이 초소형 송수신단을 배열 구조화하는 기술로 연구 개발이 진행 중이다. 즉, 종래의 기술보다 많은 수의 송신단과 수신단 전단부를 이용하여 전자기파 응용시스템을 구성한다.
그러나 이러한 시스템 역시 전자기파 송출 및 수신 특성에 영향을 받으므로, 동작 주파수에 의해서 물리적 크기가 정해지는 안테나 특성에 제약을 받는다. 특히, 송신단과 수신단을 사용함에 따라 이를 위한 개별 안테나를 구비해야 하고, 이는 시스템 크기 제약이라는 한계 요인을 발생한다.
따라서, 이러한 물리적 크기의 한계를 극복하기 위해 송신단과 수신단이 단일 안테나를 이용하여 송신과 수신을 가능하게 하는 기술이 제안된다. 즉, 송신단과 수신단을 동시에 사용하지 않는 구조 또는 동시에 사용하더라도 이를 시간 영역 또는 주파수 영역 내에서 구분할 수 있는 구조를 이용하여 안테나의 사용을 절반으로 줄이는 기술이 제공된다.
대한민국 등록특허 제10-1704688호(2017년 02월 10일 공고)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 단점을 해결한 것으로서, 밀리미터파 전단부에서 비대칭 스위치 구조를 통해 송수신단의 최적화 설계를 구현하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 송신단에서 스위치 트랜지스터의 특성에 의한 포화 전력의 한계를 극복하고, 능동 소자의 사용으로 인한 고출력 전송 열화를 방지하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 삽입 손실을 줄이기 위해 복소 임피던스 정합을 위한 소자의 사용을 최소화하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 회로의 설계 복잡도를 감소시키기 위해 밀리미터파 송수신단을 제어하기 위한 제어신호의 입력을 줄이고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 잡음지수에 최적화된 수신단 선로 특성을 구현하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 수신단에서 DC 오프셋 발생 또는 수신 신호 포화 등에 의한 특성 열화를 방지하기 위해 송신단에서 수신단으로 누설되는 누설신호를 추출하여 상쇄하고자 하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단은 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier), 수신단 임피던스 변환부, 수신단 직렬 스위치, 수신단 병렬 스위치, 송신단 임피던스 변환부 및 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)를 포함할 수 있다.
상기 저잡음 증폭기(LNA)는 수신단 포트에 연결되어 수신신호에 발생하는 잡음지수(NF, Noise Figure)를 줄이고, 단일 안테나로부터 입력되는 신호를 증폭한다. 또한, 상기 전력증폭기(PA)는 송신단 포트에 연결되고, 송신단에서 입력되는 송신신호를 증폭하여 단일 안테나로 전송한다.
또한, 상기 수신단 임피던스 변환부는 수신단 포트와 단일 안테나의 사이에 배치되어 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스를 설정한다. 또한, 상기 송신단 임피던스 변환부는 단일 안테나와 송신단의 사이에 배치되어 상기 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스를 설정한다.
또한, 상기 수신단 직렬 스위치는 단일 안테나와 수신단 포트의 사이에 배치되어 단일 안테나로부터 수신되는 신호를 선택적으로 수신단에 전송한다. 이때, 상기 수신단 직렬 스위치의 온/오프에 따라 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스 또는 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스가 정합(matching)되도록 임피던스가 구성된다.
또한, 상기 수신단 병렬 스위치는 송신모드와 수신모드에 따른 송신단과 수신단의 임피던스 정합 특성을 구현하기 위해 상기 수신단 임피던스 변환부를 선택적으로 접지(GND)에 연결한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 SIC(Self-Interference Cancelator) 회로는 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈, 수신단 PD(Power detect), 송신단 PD(Power detect), 결합 PD, 위상차 검출 모듈 및 SIC 신호생성 모듈을 포함할 수 있다.
상기 SCC 모듈은 상기 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호를 입력받아 두 신호가 취합된 신호의 크기에 따라 생성되는 결합(Combining) 신호를 출력한다. 또한, 상기 수신단 PD는 수신단의 수신신호를 감지(Detect)하고, 상기 송신단 PD는 송신단의 송신신호를 감지하며, 상기 결합 PD는 SCC 모듈에서 출력되는 결합 신호를 감지한다.
또한, 상기 위상차 검출 모듈은 수신단 PD와 송신단 PD 및 결합 PD에서 감지된 신호를 이용하여 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 추출할 수 있다. 또한, 상기 SIC 신호생성 모듈은 위상차 검출 모듈에서 검출된 두 신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 토대로 상기 송신신호의 영향으로 수신단에서 발생되는 누설신호를 상쇄하기 위한 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단은 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier), 수신단 임피던스 변환부, 수신단 직렬 스위치, 수신단 병렬 스위치, 송신단 임피던스 변환부, 전력 증폭기(PA, Power Amplifier) 및 SIC부를 포함할 수 있다.
상기 저잡음 증폭기(LNA)는 수신단 포트에 연결되어 수신신호에 발생하는 잡음지수(NF, Noise Figure)를 줄이고, 단일 안테나로부터 입력되는 신호를 증폭한다. 또한, 상기 전력증폭기(PA)는 송신단 포트에 연결되고, 송신단에서 입력되는 송신신호를 증폭하여 단일 안테나로 전송한다.
또한, 상기 수신단 임피던스 변환부는 수신단 포트와 단일 안테나의 사이에 배치되어 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스를 설정한다. 또한, 상기 송신단 임피던스 변환부는 단일 안테나와 송신단의 사이에 배치되어 상기 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스를 설정한다.
또한, 상기 수신단 직렬 스위치는 단일 안테나와 수신단 포트의 사이에 배치되어 단일 안테나로부터 수신되는 신호를 선택적으로 수신단에 전송한다. 이때, 상기 수신단 직렬 스위치의 온/오프에 따라 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스 또는 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스가 정합(matching)되도록 임피던스가 구성된다.
또한, 상기 수신단 병렬 스위치는 송신모드와 수신모드에 따른 송신단과 수신단의 임피던스 정합 특성을 구현하기 위해 상기 수신단 임피던스 변환부를 선택적으로 접지(GND)에 연결한다. 또한, 상기 SIC부는 송신단의 송신신호 영향으로 수신단에서 발생되는 누설신호를 제거하기 위해 상기 누설신호에 대응되는 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단는 밀리미터파 전단부에서 비대칭 스위치 구조를 이용하여 송수신단의 최적화 설계를 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 송신단 경로 상에 능동소자를 사용하지 않고 송신단을 구성함으로써 고출력 전력 출력에서 능동 소자 특성에 의한 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 복소 임피던스 정합을 위해 사용되는 소자의 사용을 최소화함으로써 삽입 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 밀리미터파 송수신단을 제어하기 위한 제어신호의 입력을 줄여 회로의 설계 복잡도를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 수신단에서 오프(Off) 상태의 shunt 스위치가 갖는 임피던스를 사용하여 잡음 지수 최적화 설계를 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 송신단에서 수신단으로 누설되는 누설신호를 전력 기반으로 추출하여 상쇄함으로써 DC 오프셋 발생에 의한 특성 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단의 송신모드를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단의 수신모드를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 SIC(Self-Interference Cancelator) 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 SCC(Signal Combining Circuit) 회로도이다.
도 9는 전력 결합 장치를 나타내는 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)의 회로도이다.
통상적으로 단일 안테나(1, 미도시)를 이용하여 송신단과 수신단을 공유하는 기술은 동시 송출과 수신이 일어나는 경우와 시간 영역에서 구별하는 방법 및 주파수 영역에서 구별하는 방법이 가능하다. 이러한 기법 중 최근 응용시스템에서 통상적으로 쓰이는 기술은 시간 영역에서 구별하는 방법으로 TDD(Time Division Duplex) 방식에 해당된다.
이를 위한 송수신단은 스위치 동작 제어를 통해 송신 선로와 수신 선로를 필요에 따라 연결한다. 즉, 고속으로 동작하는 스위치를 ON/OFF 시켜 송신 선로로 연결되는 경우에는 송출모드로 구성하고, 이때 수신 선로와 안테나는 연결되지 않는다. 또한, 수신 선로로 연결되는 경우에는 수신모드로 구성하여 송신 선로는 안테나와 연결되지 않는다.
이와 같은 목적으로 사용하는 일반적인 스위치를 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치라고 하며, 싱글(Single)에 해당하는 부분에 안테나를 배치하고, 더블 쓰로우(Double Throw)에 송신단과 수신단이 각각 연결된다.
통상적으로 상기 SPDT는 송신단과 수신단이 서로 대칭된 형태를 이루어 송신단과 수신단이 동일한 구성을 갖는다. 이때, 송신단과 수신단 선로 모두 각 선로가 연결되었을 경우에 발생하는 삽입 손실(Insertion loss)이 작아지도록 설계되고, 각 선로가 연결되었을 때 다른 선로로 신호가 누설되지 않도록 하는 이격 특성(Isolation)을 높이는 것이 바람직하다.
그러나, 송신단과 수신단에서 요구하는 특성이 다르다. 특히, 송신단에서는 고출력 신호를 송출해야 하므르 이를 위한 높은 포화 전력(Saturated power) 특성을 요구하며, 높은 출력 신호로 인해 수신단으로 누설되는 신호 크기가 상대적으로 큰 크기를 갖게 된다.
또한, 두 선로 모두 삽입 손실을 줄이기 위해서 사용되는 소자 사용을 최소화할 필요가 있는데 송신단에서 필요한 임피던스 정합은 출력단 소자가 갖는 낮은 임피던스를 안테나 기준 임피던스로 변환하는 것이며, 수신단에서는 임피던스 정합에서 손해를 보더라도 낮은 잡음 지수 특성을 갖는 임피던스로 복소 정합시키는 것이 바람직하다.
즉, 대칭 형태의 SPDT로는 송신단과 수신단의 각 특성에 맞는 최적화 설계를 구현할 수 없으며, 송신단과 수신단 연결 상태와 회로에 따라 그 최적화 설계 방향이 달라진다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 이러한 단일 안테나(1)를 사용하는 전단부 구조에서 대칭성을 갖는 SPDT 대신 비대칭 특성을 갖는 스위치를 기반으로 최적화 특성을 가지는 구조를 제안한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)(100), 수신단 임피던스 변환부(200), 수신단 직렬 스위치(300), 수신단 병렬 스위치(400), 송신단 임피던스 변환부(500) 및 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)(600)를 포함할 수 있다.
저잡음 증폭기(LNA)(100)는 수신단 포트(11)에 연결되어 수신신호에 발생하는 잡음지수(NF, Noise Figure)를 줄이고, 단일 안테나(1)로부터 입력되는 신호를 증폭한다. 또한, 전력증폭기(PA)(600)는 송신단 포트(13)에 연결되고, 송신단에서 입력되는 송신신호를 증폭하여 단일 안테나(1)로 전송한다.
이때, 전력증폭기(PA)(600)는 송신단의 송신 신호를 증폭하여 선택적으로 안테나에 전송하기 위해 온/오프(On/Off) 제어가 가능한 구조를 갖는다.
또한, 수신단 임피던스 변환부(200)는 수신단 포트(11)와 단일 안테나(1)의 사이에 배치되어 단일 안테나(1)와 수신단 간의 임피던스를 설정한다. 또한, 송신단 임피던스 변환부(500)는 단일 안테나(1)와 송신단의 사이에 배치되어 단일 안테나(1)와 송신단 간의 임피던스를 설정한다.
또한, 수신단 직렬 스위치(300)는 단일 안테나(1)와 수신단 포트(11)의 사이에 배치되어 단일 안테나(1)로부터 수신되는 신호를 선택적으로 수신단에 전송한다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 수신단에 구비되는 수신단 직렬 스위치(300)와 온/오프(On/Off) 제어가 가능한 전력증폭기(PA)(600)를 이용하여 송신단과 수신단을 각각 선택적으로 단일 안테나(1)에 연결할 수 있다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 수신단 직렬 스위치(300)의 스위치 동작(온/오프(On/Off))을 통해 단일 안테나(1)와 수신단 간의 임피던스 정합(matching) 또는 단일 안테나(1)와 송신단 간의 임피던스 정합(matching)이 구현되도록 구성된다. 이를 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)의 송신모드를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)의 수신모드를 나타내는 도면이다.
도 3과 같이 송신단의 송신신호가 단일 안테나(1)를 통해 출력되는 송신모드에서는 송신단의 전력증폭기(PA)(600)가 온(ON)되어 전력증폭기(PA)(600)의 출력 전압이 단일 안테나(1)를 통해 출력된다.
이때, 높은 전력을 송출하는 송신신호가 수신단으로 누설되는 것을 방지하는 이격 특성을 높이기 위해 송신단 연결 시에는 수신 선로 방향으로 보이는 임피던스가 오픈(open) 상태가 되도록 한다. 즉, 수신단 직렬 스위치(300)를 오프(Off)하여 송신신호가 수신단에 전달되지 않도록 한다.
또한, 송신모드에서는 도 3과 같이 수신단 직렬 스위치(300)가 오프(Off)되어 형성되는 수신단 임피던스 블록(15)의 임피던스와 송신단 임피던스 변환부(500)의 임피던스를 이용하여 송신단의 임피던스 정합(matching)을 구현한다.
즉, 수신단 직렬 스위치(300)가 오프(Off)되는 송신모드에서 수신 선로 방향으로 보이는 임피던스와 미리 설정된 송신단 임피던스 변환부(500)의 임피던스를 이용하여 송신단의 임피던스 정합(matching)을 구현한다.
여기에서, 수신단 임피던스 블록(15)은 저잡음 증폭기(LNA)(100), 수신단 임피던스 변환부(200), 수신단 직렬 스위치(300) 및 수신단 병렬 스위치(400)를 포함할 수 있다.
또한, 수신단 임피던스 블록(15)은 수신단 병렬 스위치(400)를 이용하여 더욱 정확한 임피던스 정합 특성을 구현할 수 있다. 즉, 송신모드에서 수신단 병렬 스위치(400)를 온(ON)하여 수신단 임피던스 변환부(200)를 접지(GND)(14)에 연결한다.
또한, 수신단 병렬 스위치(400)를 통해 수신단 임피던스 변환부(200)를 접지(GND)(14)에 연결함으로써 수신단에서 발생되는 누설신호를 추가로 제거할 수 있다. 또한, 상기 송신단은 스위치 트랜지스터 특성에 의해 포화 전력을 높이기 어려운 포화특성 문제를 방지하기 위해 송신단 선로에 별도의 능동소자 없이 수동소자만을 사용하여 구성된다.
수신단 병렬 스위치(400)는 수신단의 잡음 지수 최적화를 위한 소자 사용을 줄이기 위해 shunt 스위치가 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 삽입 손실을 줄이기 위해 송신단과 수신단이 각각 ON 상태에서 연결되는 전송선로에 의한 손실이 최소화되도록 설계된다.
또한, 도 4와 같이 단일 안테나(1)로부터 수신되는 신호가 수신단으로 전송되는 수신모드에서는 수신단 직렬 스위치(300)가 온(ON)되어 단일 안테나(1)로부터 수신되는 신호가 수신단으로 전송된다.
이때, 수신선로 연결 시에는 전력 증폭기(PA)(600)가 오프(OFF) 상태가 되고, 송신단 출력 방향으로 보이는 임피던스가 오픈(open)이 되도록 하여 수신선로 연결 특성에 미치는 영향을 최소화한다.
또한, 수신모드에서는 도 4와 같이 수신단 직렬 스위치(300)가 온(ON)되어 형성되는 송신단 임피던스 블록(16)의 임피던스와 수신단 임피던스 변환부(200)의 임피던스를 이용하여 수신단의 임피던스 정합(matching)을 구현한다.
즉, 수신단 직렬 스위치(300)가 온(ON)되는 수신모드에서 송신단 출력 방향으로 보이는 임피던스와 미리 설정된 수신단 임피던스 변환부(200)의 임피던스를 이용하여 수신단의 임피던스 정합(matching)을 구현한다.
여기에서, 송신단 임피던스 블록(16)은 송신단 임피던스 변환부(500) 및 전력 증폭기(PA)(600)를 포함할 수 있다.
또한, 수신모드에서는 수신단의 수신단 병렬 스위치(400)가 오프(OFF) 상태가 되어 shunt 스위치의 COFF//ROFF 특성을 잡음지수 최적화 임피던스 정합에 활용함으로써 이를 위한 소자 사용을 줄여 삽입 손실에 의한 잡음지수 열화를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 수신단 직렬 스위치(300)의 스위치 동작(ON/OFF)에 따라 송신단과 수신단 임피던스가 결정되어 임피던스 정합(matching)이 구현된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10)은 송신 선로 특성에 필요한 높은 전력 송출과 낮은 삽입 손실이 가능하고, 수신 선로 특성에 필요한 잡음 지수 최적화 임피던스 정합이 가능한 효과가 있다.
또한, 높은 전력을 송출하는 송신신호가 수신단으로 누설되는 것을 방지하는 이격 특성을 별도의 소자나 추가 회로 없이 확보할 수 있다. 또한, 종래의 SPDT 스위치보다 제어를 위해 사용하는 제어 신호 구성이 감소함으로써 제어를 위한 전단부의 복잡도를 낮출 수 있다.
또한, 고출력 신호를 온/오프(ON/OFF) 해야 하는 트랜지스터 소자를 사용하지 않고 고출력 특성을 얻을 수 있으므로 출력 특성 확보를 위해 보다 낮은 출력 특성을 갖는 반도체 공정에 적용이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(20)을 나타내는 블록도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(20)의 회로도이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(20)은 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)(100), 수신단 임피던스 변환부(200), 수신단 직렬 스위치(300), 수신단 병렬 스위치(400), 송신단 임피던스 변환부(500), 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)(600) 및 SIC부(700)를 포함할 수 있다.
이때, 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)(100), 수신단 임피던스 변환부(200), 수신단 직렬 스위치(300), 수신단 병렬 스위치(400) 및 송신단 임피던스 변환부(500)는 상술한 바와 같다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 SIC부(700)는 송신신호의 영향으로 수신단에서 발생되는 누설신호를 제거하기 위해 상기 누설신호에 대응되는 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 SIC(Self-Interference Cancelator) 회로도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 SCC(Signal Combining Circuit) 회로도이다.
도 7과 같이 SIC부(700)는 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈(710), 수신단 PD(Power detect)(720), 송신단 PD(Power detect)(730), 결합 PD(Power detect)(740), 위상차 검출 모듈(750) 및 SIC 신호생성 모듈(760)을 포함할 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 8과 같이 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈(710)은 상기 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호를 입력받아 두 신호가 취합된 신호의 크기에 따라 생성되는 결합(Combining) 신호를 출력한다.
또한, 수신단 PD(Power detect)(720)는 수신단의 수신신호를 감지(Detect)한다. 또한, 송신단 PD(Power detect)(730)는 송신단의 송신신호를 감지한다. 또한, 결합 PD(740)는 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈(710)에서 출력되는 결합 신호를 감지한다.
이때, 수신단 PD(720)와 송신단 PD(730) 및 결합 PD(740)는 검출되는 벡터 신호를 절대값 크기의 스칼라 신호로 변환한다. 또한, 위상차 검출 모듈(750)은 수신단 PD(720)와 송신단 PD(730) 및 결합 PD(740)에서 감지된 신호를 이용하여 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 추출할 수 있다.
또한, SIC 신호생성 모듈(760)은 위상차 검출 모듈(750)에서 검출된 두 신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 이용하여 수신단의 누설전류를 상쇄하기 위한 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급한다.
여기에서, 위상차 검출 모듈(750)은 수신단과 송신단의 전력 검출만으로 두 신호 사이의 위상 차이 및 진폭 차이를 추출할 수 있다. 이를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
*76도 9는 전력 결합 장치(800)를 나타내는 구성도이다. 즉, 도 9는 위상차 검출 모듈(750)에서 수신단과 송신단의 전력 검출을 통해 수신신호와 송신신호 사이의 위상 차이 및 진폭 차이를 추출하는 과정을 검증하기 위한 전력 결합 장치(800)를 나타낸다.
도 9에서 도시된 바와 같이 전력 결합 장치(800)는 제1 입력포트(Port1)(810)와 제2 입력포트(Port2)(820)를 통해 입력되는 두 입력신호(S1, S2)를 결합(Combining)하는 전력 결합기(860)와, 전력 결합기(860)에서 결합되어 출력포트(Port3)(830)를 통해 출력되는 출력신호(Sm)를 측정하는 전력 측정기(870)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 입력포트(810) 및 제2 입력포트(820)와 전력 결합기(860) 사이에는 각각 큰 입력 신호를 감쇠하기 위한 제1 감쇠기(840) 및 제2 감쇠기(850)가 더 포함될 수 있다.
두 개의 동일한 주파수 입력신호 S1과 S2 사이에서 진폭 차이가
Figure 112022002933410-pat00001
이고, 위상 차이가
Figure 112022002933410-pat00002
인 경우 신호 S2는 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022002933410-pat00003
이를 통해, 신호 전력(Signal power)의 변화를 기반으로 두 신호 간의 진폭 차이 및 위상 차이를 산출할 수 있다. 이때, 두 입력이 제1 입력포트(Port1)(810)와 제2 입력포트(Port2)(820)이고, 출력이 출력포트(Port3)(830)인 경우 S-파라미터는 아래의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112022002933410-pat00004
[수학식 3]
Figure 112022002933410-pat00005
여기에서,
Figure 112022002933410-pat00006
과
Figure 112022002933410-pat00007
는 진폭 손실이고,
Figure 112022002933410-pat00008
과
Figure 112022002933410-pat00009
는 입력 포트에서 출력 포트까지의 위상 변화이며,
Figure 112022002933410-pat00010
는 전력 결합 장치(800)의 두 신호 경로 사이의 위상 차이를 나타낸다. 즉, Am1은 입력신호(S1)의 출력포트(Port3)(830) 신호(S3)에 대한 진폭 손실이고, Am2는 입력신호(S2)의 출력포트(Port3)(830) 신호(S3)에 대한 진폭 손실이다.
예를 들어, 하나의 신호가 입력 포트에 연결되고 다른 입력 포트가 기준 임피던스에 의해 종료되면, 각 출력 신호
Figure 112022002933410-pat00011
과
Figure 112022002933410-pat00012
간의 관계는 아래의 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112022002933410-pat00013
[수학식 5]
Figure 112022002933410-pat00014
또한, 상기 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 정리하면 진폭 차이
Figure 112022002933410-pat00015
는 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112022002933410-pat00016
여기에서,
Figure 112022002933410-pat00017
과
Figure 112022002933410-pat00018
는 측정 장비를 이용하여 각각 제1 입력포트(Port1)(810)와 제2 입력포트(Port2)(820)에서 측정된 신호 전력(Signal power)이다.
이때, 상기 두 입력신호(S1, S2)가 동시에 전력 결합 장치(800)에 연결되는 경우 결합되는 출력 신호(Sm)는 아래의 [수학식 7]과 같이 두 신호
Figure 112022002933410-pat00019
과
Figure 112022002933410-pat00020
의 벡터 합과 같다고 가정할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112022002933410-pat00021
또한, [수학식 7]은 입력신호 및 출력신호의 진폭을 이용하여 다음의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112022002933410-pat00022
또한, [수학식 8]을 이용하여 정리하면 위상 차이
Figure 112022002933410-pat00023
는 아래의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112022002933410-pat00024
여기에서, PS는 전력 결합 장치(800)의 두 입력신호(S1, S2)를 이용하여 측정된 신호 전력(Signal power)이다. 또한, [수학식 9]에서 위상 차이
Figure 112022002933410-pat00025
는 코사인(cos) 함수의 특성으로 인해
Figure 112022002933410-pat00026
와
Figure 112022002933410-pat00027
사이의 범위를 갖는다.
이와 같은 두 입력신호(S1, S2) 간의 진폭 차이(
Figure 112022002933410-pat00028
)와 위상 차이(
Figure 112022002933410-pat00029
)를 산출하는 과정을 다시 정리하면 다음과 같다.
1. 전력 결합 장치(800)의 두 입력신호(S1, S2)에 대한 S-파라미터를 측정한다.
2. 각 입력신호(S1, S2)에 대한 전력을 측정한다.
3. 두 입력신호(S1, S2)가 동시에 전력 결합 장치(800)에 연결되는 경우의 2개의 입력 신호(S1, S2)에 대한 전력을 측정한다.
4. 상기 3번의 측정 결과를 토대로 [수학식 6]과 [수학식 9]를 이용하여 진폭 차이(
Figure 112022002933410-pat00030
)와 위상 차이(
Figure 112022002933410-pat00031
)를 산출한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 송수신단(10, 20)은 수신단 직렬 스위치(300)의 동작에 따라 송신단과 수신단이 서로를 바라다보는 임피던스가 오픈(Open) 상태를 형성하도록 함으로써 각 선로 연결에 따른 이격 특성을 나타내면서도 송신단 구조에서 능동 소자 사용으로 인한 고출력 전송 열화를 방지하고, 복소 임피던스 정합에 의해 사용하는 소자 사용을 최소화하여 삽입 손실을 줄일 수 있다.
또한, 종래의 SPDT가 제어하는 스위치 트랜지스터의 수를 절감하면서 동일한 동작이 가능하고, 제어신호의 입력을 줄여 설계 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 송신단과 수신단이 원하는 각 특성을 최적화할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
1 : 단일 안테나 10, 20 : 밀리미터파 송수신단
11 : 수신단 포트 12 : 안테나 포트
13 : 송신단 포트 14 : GND
15 : 수신단 임피던스 블록 16 : 송신단 임피던스 블록
100 : 저잡음 증폭기(LNA) 200 : 수신단 임피던스 변환부
300 : 수신단 직렬 스위치 400 : 수신단 병렬 스위치
500 : 송신단 임피던스 변환부 600 : 전력 증폭기(PA)
700 : SIC부 710 : SCC(Signal Combining Circuit)
720 : 수신단 PD(Power detect) 730 : 결합 PD(Power detect)
740 : 송신단 PD(Power detect) 750 : 위상차 검출 모듈
760 : SIC 신호생성 모듈 800 : 전력 결합 장치
810 : 제1 입력포트 820 : 제2 입력포트
830 : 출력포트 840 : 제1 감쇠기
850 : 제2 감쇠기 860 : 전력 결합기
870 : 전력 측정기

Claims (6)

  1. 저잡음 증폭기(LNA), 전력 증폭기(PA), 수신단 임피던스 변환부, 송신단 임피던스 변환부, 및 수신단 직렬 스위치를 포함하고 상기 수신단 직렬 스위치의 온/오프에 따라 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스 또는 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스가 정합(matching)되도록 구성하여 단일 안테나를 이용하여 신호를 송신 또는 수신하는 밀리미터파 송수신단의 SIC(Self-Interference Cancelator) 회로에 있어서,
    상기 수신단 직렬 스위치를 통과한 수신단의 수신신호와 단일 안테나를 통해 전송되는 송신단의 송신신호를 전달받고, 상기 수신단의 수신신호와 상기 송신단의 송신신호가 더하여 결합(Combining) 신호를 생성하는 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈,
    상기 수신단의 수신신호를 감지하는 수신단 PD(Power detect),
    상기 송신단의 송신신호를 감지하는 송신단 PD(Power detect),
    상기 SCC 모듈의 결합 신호를 감지하는 결합 PD(Power detect),
    상기 수신단 PD와 송신단 PD 및 결합 PD에서 감지된 신호를 이용하여 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 추출하는 위상차 검출 모듈 및
    상기 위상차 검출 모듈에서 검출된 수신신호와 송신신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 토대로 상기 송신신호의 영향으로 수신단에서 발생되는 누설신호를 상쇄하기 위한 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급하는 SIC 신호생성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상차 검출 모듈은
    상기 결합 신호(Sm)와, 상기 수신단 PD를 통해 감지된 수신신호(
    Figure 112022030772265-pat00032
    ) 및 송신단 PD를 통해 감지된 송신신호(
    Figure 112022030772265-pat00033
    )로 설정된 관계식, 또는
    입력신호(S1)와 입력신호(S2)를 이용하여 측정된 신호 전력(Signal power)(PS)과, 측정 장비를 이용하여 수신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00034
    ) 및 측정 장비를 이용하여 송신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00035
    )으로 설정된 관계식을 이용하여 상기 입력신호(S1)와 입력신호(S2) 사이의 위상 차이(
    Figure 112022030772265-pat00036
    )를 추출하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상차 검출 모듈은
    상기 수신단 PD를 통해 감지된 수신신호(
    Figure 112022030772265-pat00037
    ) 및 송신단 PD를 통해 감지된 송신신호(
    Figure 112022030772265-pat00038
    )와, 입력신호(S1)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am1) 및 입력신호(S2)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am2)로 설정된 관계식, 또는
    측정 장비를 이용하여 수신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00039
    ) 및 측정 장비를 이용하여 송신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00040
    )과, 입력신호(S1)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am1) 및 입력신호(S2)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am2)로 설정된 관계식을 이용하여 상기 입력신호(S1)와 입력신호(S2) 사이의 진폭 차이(
    Figure 112022030772265-pat00041
    )를 추출하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.
  4. 저잡음 증폭기(LNA), 전력 증폭기(PA), 수신단 임피던스 변환부, 송신단 임피던스 변환부, 및 수신단 직렬 스위치를 포함하고 수신단 직렬 스위치의 온/오프에 따라 단일 안테나와 수신단 간의 임피던스 또는 단일 안테나와 송신단 간의 임피던스가 정합(matching)되도록 구성하여 단일 안테나를 이용하여 신호를 송신 또는 수신하는 밀리미터파 송수신단; 및
    송신신호의 영향으로 수신단에서 발생되는 누설신호를 제거하기 위해 상기 누설신호에 대응되는 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급하는 SIC부를 포함하되,
    상기 SIC부는
    상기 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호를 전달받고, 상기 수신신호와 송신신호가 더하여 결합(Combining) 신호를 생성하는 SCC(Signal Combining Circuit) 모듈,
    상기 수신단의 수신신호를 감지하는 수신단 PD(Power detect),
    상기 송신단의 송신신호를 감지하는 송신단 PD(Power detect),
    상기 SCC 모듈의 결합 신호를 감지하는 결합 PD(Power detect),
    상기 수신단 PD와 송신단 PD 및 결합 PD에서 감지된 신호를 이용하여 수신단의 수신신호와 송신단의 송신신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 추출하는 위상차 검출 모듈 및
    상기 위상차 검출 모듈에서 검출된 두 신호 사이의 진폭 차이 및 위상 차이를 이용하여 수신단의 누설전류를 상쇄하기 위한 상쇄신호를 생성하여 수신단에 공급하는 SIC 신호생성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 위상차 검출 모듈은
    상기 결합 신호(Sm)와, 상기 수신단 PD를 통해 감지된 수신신호(
    Figure 112022030772265-pat00042
    ) 및 송신단 PD를 통해 감지된 송신신호(
    Figure 112022030772265-pat00043
    )로 설정된 관계식, 또는
    입력신호(S1)와 입력신호(S2)를 이용하여 측정된 신호 전력(Signal power)(PS)과, 측정 장비를 이용하여 수신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00044
    ) 및 측정 장비를 이용하여 송신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00045
    )으로 설정된 관계식을 이용하여 상기 입력신호(S1)와 입력신호(S2) 사이의 위상 차이(
    Figure 112022030772265-pat00046
    )를 추출하는 것을 특징으로 하는 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 위상차 검출 모듈은
    상기 수신단 PD를 통해 감지된 수신신호(
    Figure 112022030772265-pat00047
    ) 및 송신단 PD를 통해 감지된 송신신호(
    Figure 112022030772265-pat00048
    )와, 입력신호(S1)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am1) 및 입력신호(S2)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am2)로 설정된 관계식, 또는
    측정 장비를 이용하여 수신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00049
    ) 및 측정 장비를 이용하여 송신단에서 측정된 신호 전력(Signal power)(
    Figure 112022030772265-pat00050
    )과, 입력신호(S1)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am1) 및 입력신호(S2)의 결합 신호에 대한 진폭 손실(Am2)로 설정된 관계식을 이용하여 상기 입력신호(S1)와 입력신호(S2) 사이의 진폭 차이(
    Figure 112022030772265-pat00051
    )를 추출하는 것을 특징으로 하는 비대칭 스위치를 이용한 밀리미터파 송수신단의 SIC 회로.




KR1020220003330A 2020-06-05 2022-01-10 밀리미터파 송수신단의 sic 회로 KR102417241B1 (ko)

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