KR100187971B1 - 개인휴대통신 기지국용 하향변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화합물 반도체(GaAs) 전계효과 트랜지스터 단일 마이크로 웨이브 집적회로(MESFET MMIC)와 주변 수동회로를 복합 단일화하여 개인휴대통신 기지국 수신용 고주파 모듈의 특성를 향상시키고 크기를 대폭 축소하여 사용의 편의성을 향상시키고, 고장률을 절감할 수 있도록 하는 개인휴대통신 기지국용 하향변환기에 관한 것으로서, 저잡음 증폭기, 제1대역통과필터, 제1트랜스포머, 발진부, 혼합기, 제2트랜스포머, 제2대역통과필터, 2단의 중간주파 증폭기를 포함하되, 상기 각각의 구성요소는 하이브리드 집적회로 단일모듈화되어 하나의 세라믹 기판 상에 직접 다이본딩되고 와이어를 통해 연결됨으로써 각각의 구성요소 간에 별도의 커넥터가 필요없이 직접 주파수신호의 이동이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

개인휴대통신 기지국용 하향변환기

제1도는 종래의 하향변환기의 구성을 나타내는 도면.

제2도는 본 발명의 실시예에 의한 구성을 나타내는 블록도.

제3도는 본 발명에 의한 상세 회로도.

제4도는 본 발명의 실시예에 의한 특성표.

제5도는 본 발명이 적용된 제품을 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 저잡음 증폭기 11 : MESFET

12 : 입력 블록킹 콘덴서 13 : 입력 마이크로스트립 매칭회로

14 : 셀프바이어스 회로 15 : 출력 매칭회로

16 : 궤환저항 17 : 드레인저항

18 : 출력 블록킹 콘덴서 19 : 쵸크코일

20 : 제1대역통과필터 30 : 제1트랜스포머

40 : 발진부 41 : 전압제어 발진기

42 : 차동 증폭기 43 : 버퍼 증폭기

44 : PLL 증폭기 50 : 혼합기

60 : 제2트랜스포머 70 : 제2대역통과필터

81,82 : 중간주파 증폭기

본 고안은 개인휴대통신 기지국 수신부에 사용되는 하향변환기(DOWN CONVERTER)에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 개인휴대통신 기지국의 하향변환기는 저잡음 증폭기(LOW NOISE AMPLIFIER), 대역통과 필터(BANDPASS FILTER), 2중 대칭혼합기(DOUBLE BALANCED MIXER), 전압제어 발진기(VOLTAGE CONTROL OSCILLATOR), 중간주파 증폭기(IF AMPLIFIER)등과 같은 6개의 개별 소자들을 포함하여 구성된다.

이때, 종래 기술에 의한 하향변환기는 제1도에 도시된 바와같이 다수개의 개별적인 모듈로 제작되고, 각각의 모듈을 커넥터로 연결하여 사용하고 있는데, 각각 입출력 SMA 커넥터가 달린 케이스에 넣어져서 연결되기 때문에 접촉 저항의 커넥터 손실이 클 뿐 아니라 임피던스 매칭이 서로 다르게 되고 대부분 실리콘 능동소자를 사용하므로 특성에 매우 큰 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.

또한, 하향변환기의 구성에 있어 6개의 모듈로 인하여 많은 면적을 차지하게 되기 때문에 제품의 소형화가 어렵게 되고, 고장을 수리하는데 많은 비용과 많은 시간이 소요되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 인출된 것으로서, 그 목적은 화합물 반도체(GaAs) 전계효과 트랜지스터 단일 마이크로웨이브 집적회로(MESFET MMIC)와 주변 수동회로를 복합 단일화하여 개인휴대통신 기지국 수신용 고주파 모듈의 특성을 향상시키고 크기를 대폭 축소하여 사용의 편의성을 향상시키고, 고장률을 줄일 수 있는 개인휴대통신 기지국용 하향변환기를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 입력신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 신호 중 고조파를 제거하고 필요 주파수대역 만을 통과시키는데 제1대역통과필터와, 상기 제1대역통과필터에서 출력된 주파수신호를 위상이 180도 차이가 나는 2개의 신호로 분배하는 제1트랜스포머와, 2개의 발진주파수를 출력하는 발진부와, 상기 제1트랜스포머 및 발진부에서 출력되는 신호를 혼합하여 2개의 주파수신호를 출력하는 혼합기와, 상기 혼합기에서 출력되는 2개의 주파수 신호를 하나로 결합하는 제2트랜스포머와, 상기 혼합기를 통과한 합과 차의 중간주파수 중에서 차의 주파수만을 통과시키는 제2대역통과필터와, 상기 제2대역통과필터에서 출력되는 중간주파수를 증폭하는 2단의 중간주파 증폭기로 구성되고, 상기 저잡음 증폭기, 제1대역통과필터, 제1트랜스포머, 발진부, 혼합기, 제2트랜스포머, 제2대역통과필터, 2단의 중간주파 증폭기는 하이브리드 집적회로 단일모듈화되어 하나의 세라믹 기판 상에 직접 다이본딩되고 와이어를 통해 연결됨으로써 각각의 구성요소 간에 별도의 커넥터가 필요 없이 직접 주파수신호의 이동이 가능하도록 구성된 개인휴대통신 기지국용 하향변환기를 제공한다.

또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 각각의 구성요소는 +단일전원을 사용한다. 또한, 상기 저잡음 증폭기는 잡음지수 1.5dB, 이득 10dB, 3차간섭점(IP3) 43dBm, 크기 0.5×600㎛를 갖는 GaAs MESFET로 이루어지고, 상기 혼합기는 잡음지수 8.0dB, 이득 -8dB, 3차간섭점(IP3)24dBm, 크기 0.5×400㎛를 갖는 4개의 GaAs MESFET로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명의 실시예에 의한 구성을 나타내는 블록도이고, 제3도는 본 발명에 의한 상세 회로도이다.

제2도및 제3도를 참조하면, 참조번호 10은 저잡음 증폭기, 20은 제1대역통과필터, 30은 제1트랜스포머, 40은 발진부, 50은 혼합기, 60은 제2트랜스포머, 70은 제2대역통과필터, 81 및 82는 2단 중간주파 증폭기를 나타낸다.

상기 저잡음 증폭기(10)는 MESFET(11)와, 입력 블록킹 콘덴서(12), 입력매칭 회로(13), 셀프바이어스 회로(14), 출력 매칭회로(15), 궤환저항(16), 드레인저항(17), 출력 블록킹 콘덴서(18), 고주파제거 쵸크코일(19)을 포함하여 구성되어 신호의 증폭을 수행한다.

상기에서 MESFET(11)는 600㎛ GaAs MESFET이고, 입력 매칭회로(13)는 마이크로스트립라인 인덕턴스로 이루어진다.

또한, 상기 제1대역통과필터(20)는 세라믹 마이크로스트립 3폴 인터디지털 필터 또는 세라믹 공진기 필터로 이루어진다. 또한, 상기 제1트랜스포머(30)는 입력된 신호를 2개로 분배하기 위해 일단이 접지된 1차측 코일과, 위상이 180도 다른 2개의 신호를 출력하는 2차측 코일로 이루어진다. 이때, 상기 제1대역통과필터(20)및 제1트랜스포머(3)의 사이에는 핀다이오드를 이용하여 T형 또는 π형으로 구성된 감쇠기(90)가 구비는데, 상기 제1트랜스포머(30)로 입력되는 신호 중에서 그 세기가 큰 신호를 낮추는 기능을 수행한다.

또한, 상기 발진부(40)는 전압제어 발진기(41), 차동증폭기(42), 버퍼증폭기(43), PLL 증폭기(44) 등을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 전압제어 발진기(41)는 높은 선택도를 갖고 광대역 발진을 하도록 150㎛ GaAs MESFET, 트랜스미션라인, 탱크회로, 바렉터 다이오드 등을 포함한다. 또한, 상기 자동증폭기(42)는 40㎛ GaAs MESFET 2개를 구비하는데, 완충기 구실을 하는 동시에 위상이 180도 다른 두 개의 출력을 만든다. 또한, 상기 버퍼증폭기(43)는 150㎛ GaAs MESFET 2개를 구비하는데 15dBm의 출력을 만들어 상기 혼합기(50)로 공급한다.

또한, 상기 혼합기(50)는 0.5×400㎛의 크기를 갖는 4개의 브리지모양 수동 2중대칭 GaAs MESFET로 이루어진다. 이때, 잡음지수는 8.0dB, 이득은 -8dB, 3차갖섭점(IP3)은 24dBm이다. 동작시 게이트의 전원을 아주 작게 인가하여 구동하며, -8dB 삽입손실과 입력에 24dBm의 3차 간섭점(IP3)을 갖게 하여 상호 및 간섭 변조(INTERMODULATION AND CROSS MODULATION)고조파가 적은 신호를 통과하게 된다.

또한, 상기 제2트랜스포머(60)는 위상이 180도 다른 2개의 신호를 하나로 결합하는데, 180도의 위상차가 나는 2개 신호를 입력받기 위한 1차측 코일과, 결합된 하나의 신호를 출력하도록 일단이 접지된 2차측 코일로 이루어진다. 또한, 상기 제2 대역 통과필터(70)는 LC 대역통과필터로 이루어지고, 2단의 중간주파 증간주파 증폭기(81,82)에는 450㎛와 800㎛의 크기를 갖는 GaAs MESFET가 구비된다. 이때, 상기 중간주파 증폭기(81,82)에서는 다수의 저항을 이용하여 입력매칭 회로 및 셀프바이어스 회로를 구성한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

안테나에서 입력된 전파는 듀플렉서(duplexer) 또는 고주파 스위치를 통해 수신주파수와 송신주파수로 분리된다. 1,700㎒ 내지 2,200㎒ 중 일정 대역폭의 수신주파수를 상기 저잡음 증폭기(10)의 입력단으로 입력되도록 하면, 상기 저잡음 증폭기(10)에서는 신호의 증폭을 수행하는데 1.5dB의 잡음지수, 33dBm의 3차간섭점(IP3), 10dB이상의 이득을 갖도록 동작하게 된다.

그후, 상기 제1대역통과필터(20)에서는 상기 저잡음 증폭기(10)에서 증폭된 신호 중 고조파를 제거하기 위하여 필요 주파수대역 만을 통과시킨다. 이때, 통과된 신호가 너무 크면 상기 혼합기(50)에서 많은 고조파를 발생하기 때문에 상기 감쇠기(90)에서 작게 감쇠한다. 감쇠량은 1내지 15dB로서 전압에 따라 변화되도록 한다.

그후, 상기 제1트랜스포머(30)에서는 상기 제1대역통과필터(20)를 통과한 신호를 2개로 분배한다. 이때, 출력되는 2개의 신호는 서로 위상이 180도 차이가 나고, 입력신호에 비하여 그 크기가 1/2가 된다.

한편, 상기 발진부(40)의 전압제어 발진기(41)에서 소정의 발진주파수가 차동증폭기(42)로 제공되면, 상기 발진주파수를 안정화 하기 위해 차동증폭기(42)에서 위상이 180°차이가 나는 2개의 신호로 만든 후 상기 버퍼증폭기(43)에서 1단증폭을 하며 15dBm 출력의 위상이 다른 2개의 신호를 혼합기(50)에 공급한다. 이때, 공급되는 발진주파수의 안정을 위해서 위상 동기루프회로(PHASE LOCK LOOP : PLL) 증폭기(44)가 동작된다.

상기의 동작에 의해 제1트랜스포머(30)의 출력신호와 발진부(40)의 발진주파수가 상기 혼합기(50)로 입력되면 짝수 고조파를 상쇄하고 혼합을 수행한다.

상기 혼합기(50)의 동작에 의해 혼합된 신호중 위상이 180도 다른 2개의 주파수신호는 상기 제2트랜스포머(60)에서 1개의 신호로 결합된다. 이때, 출력신호는 그 크기가 입력신호의 2배가 된다.

한편, 상기 혼합기(50)를 통과한 신호는 발진주파수와 입력신호의 합과 차인데 상기 제2대역통과필터(70)에서는 상기에서 차의 주파수 만을 통과시킨다. 또한, 상기 중간주파 증폭기(81,82)에서는 증폭 25dB, 출력 17dBm, 잡음지수 5dB를 갖도록 증폭을 수행한다.

결국, 본 발명에 의한 하향변환기는 입력주파수 범위 1,700㎒ 내지 2,000㎒, 전압제어 발진 주파수 1,770㎒ 내지 2,070㎒, 변환이득 25dB, 잡음지수 3.0dB, 3차간섭점(IP3) 25dBm의 DC 9V 350mA이하에서 동작하게 된다.

제4도에는 이상에서 설명한 바와같은 본 발명의 실시예에 의한 개인휴대통신 기지국용 하향변환기의 특성표가 제시되어 있다.

본 발명에서는 제5도에 도시된 바와같이 이상에서 설명한 바와 같은 하이브리드화 회로를 케이스에 넣고 이를 입출력 커넥터에 연결한 후 단일전원을 공급하여 동작하도록 한다. 상기의 각 기능을 하는 모듈을 대량 생산하기 위해 단일 마이크로 웨이브 집적회로(MMIC)화 한 화합물 반도체를 이용하였고, 매칭라인 및 와이어본딩 패드 등을 집적화 한 것을 직접 알루미나(세라믹)기판 위에 실장한 후 바로 세라믹 마이크로스트립라인 및 주변회로를 연결한다.

또한, 저주파 증폭기, 전압제어 발진기, 버퍼증폭기, 혼합기, 저잡음 증폭기 등은 화합물 반도체를 이용하여 부피를 크게 줄였고, 부피가 큰 부분의 수동소자나 공진기능의 트랜스미션라인 및 주파수변화와 선택도가 높아야 하는 민감한 수동소자들은 세라믹 기판 위에 표면실장 하도록 하였다. 동시에 화합물 반도체 칩은 집적 세라믹 기관 위에 부착하여 와이어본딩 후 그 위에 에폭시 몰딩을 하여 열의 방출을 쉽게 구성하였다.

이상에서 설명한 바와같은 본 발명에 의한 개인휴대통신 기지국용 하향변환기는 다수의 기능을 수행하는 모듈을 하나의 모듈로 만들기 때문에 종래 기술에 비하여 소형화되는 효과가 있으며, 각 기능 블록 단위로 별도의 커넥터가 필요 없게 되기 때문에 열적, 전기적으로 안정된 동작을 하게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 입력신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 신호 중 고조파를 제거하고 필요 주파수대역 만을 통과시키는 제1대역통과필터와, 상기 제1대역통과필터에서 출력된 주파수신호를 2개의 신호로 분배하는 제1트랜스포머와, 2개의 발진주파수를 출력하는 발진부와, 상기 제1트랜스포머 및 발진부에서 출력되는 신호를 혼합하여 2개의 주파수신호를 출력하는 혼합기 및 발진부에서 출력되는 신호를 혼합하여 2개의 주파수신호를 출력하는 혼합기와, 상기 혼합기에서 출력되는 2개의 주파수 신호를 하나로 결합하는 제2트랜스포머와, 상기 혼합기를 통과한 합과 차의 중간주파수 중에서 차의 주파수만을 통과시키는 제2대역통과필터와, 상기 제2대역통과필터에서 출력되는 중간주파수를 증폭하는 2단의 중간주파 증폭기로 구성되고; 상기 저잡음 증폭기, 제1대역통과필터, 제1트랜스포머, 발진부, 혼합기, 제2트랜스포머, 제2대역통과필터, 2단의 중간주파 증폭기는 하이브리드 집적회로 단일모듈화되어 하나의 세라믹 기판 상에 직접 다이본딩되고 와이어를 통해 연결됨으로써 각각의 구성요소 간에 별도의 커넥터가 필요 없이 직접 주파수신호의 이동이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 개인휴대통신 기지국용 하향변환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 저잡음 증폭기, 제1대역통과필터, 제1트랜스포머, 발진부, 혼합기, 제2트랜스포머, 제2 대역통과필터, 2단의 중간주파 증폭기는 +단일전원을 사용하는 것을 특징으로 하는 개인휴대통신 기지국용 하향변환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 저잡음 증폭기는 잡음지수 1.5dB, 이득 10dB,3차간섭점(IP3)436dBm, 크기 0.5×600㎛ 갖는 GaAs MESFET 이루어지고, 상기 혼합기는 잡음지수 8.0dB, 이득 -8dB, 3차간섭점(IP3) 24dBm, 크기 0.5×400㎛를 갖는 4개의 GA MESFET로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개인휴대통신 기지국용 하향변환기.