KR100308835B1 - 고주파(RF)송/수신부용주파수혼합기(UpMixer)및그설계방법 - Google Patents

고주파(RF)송/수신부용주파수혼합기(UpMixer)및그설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer) 및 그 설계 방법에 관한 것으로, 공통게이트/공통소스 구조를 사용하여 국부 발진기(LO)신호와, 고주파(RF) 신호를 격리하고, 캐스코드(Cascode) 정합 증폭회로를 이용하여 낮은 변환 손실을 얻으며, 가변이득 특성을 얻을 수 있는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer) 기술로써, 이는 기생주파수를 최적화 시키며, 인접 채널 신호의 대역폭을 보장할 수 있도록 캐스코드 정합회로를 적용하여, 선형성이 유지될 수 있도록 하는 잇점이 있다.

Description

고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer) 및 그 설계 방법
본 발명은 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer) 및 그 설계 방법에 관한 것으로, 공통게이트/공통소스 구조를 사용하여 국부 발진기(LO)신호와, 고주파(RF) 신호를 격리하고, 캐스코드(Cascode) 정합 증폭회로를 이용하여 낮은 변환 손실을 얻으며, 가변이득 특성을 얻을 수 있는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수혼합기(Up Mixer) 및 그 설계 방법에 관한 것이다.
제 3세대 이동통신시스템이라고 하는 미래 공중용 육상이동통신 시스템 (Future Public Land Mobile Tele-communication System : FPLMTS)용 단말기 송신부의 주파수 혼합기는 입력된 중간주파(IF)신호의 주파수를 더 높은 주파수(RF) 신호로 변환시켜주는 기능을 한다.
아울러 무선통신시스템에서 주파수의 변환은 필수적이므로 주파수 혼합기는 무선통신을 위한 핵심부품이라 할 수 있다.
이러한 주파수 혼합기에 요구되는 사양으로는 변환손실(Conversion Loss)을 작게 또는 반대로 이득을 얻도록 설계하여야 한다는 것과, 또한 추가되는 잡음의 크기를 최소화 하면서 발생하는 고조파 성분(Harmonics; 주파수 혼합기의 Linearity에 따라 결정됨)과, 상호변조(intermodulation) 주파수 성분들의 크기를 최소화 시켜야 한다는 것이다.
아울러 불필요한 기생주파수(Spurious)신호들을 최소화 할 수 있어야 한다.
본 발명은 상기에 기술한 바와 같은 종래 요구사항을 감안하여, 공통게이트/공통소스(Common Gate Common Source: CGCS) 구조를 사용하여 국부 발진기 신호 (LO)와, 고주파(RF) 신호를 격리하고, 캐스코드 정합 증폭회로를 이용하여 낮은 변환손실을 얻으며, 가변이득특성을 얻을 수 있는 주파수 혼합기를 구현하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의해 설계된 주파수 혼합기의 레이-아웃을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 입력단 정합부 11 : RF 입력 패드
12,22,32 : 그라운딩용 패드 21 : 중간 주파수 입력 포트
31 : RF 출력 패드 33 : DC 제어신호 입력패드
34 : 공진기 입력 패드
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 주파수 변환기의 입력단에 구현된 RF입력 포트와, 상기 RF 입력 포트의 양측에 구현된 그라운딩용 패드와, 상기 RF입력 포트의 일측에 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터와, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터와 RF입력 포트 사이에 연결되며, 입력단을 구성하는 소자로, 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서 제 1 전계효과 트랜지스터의 소스와 더불어 입력단의 정합을 이루고, LO신호와 IF신호를 격리시키는 입력단 정합부와; 중간단은 변환손실을 작게하고, 출력전력에서 최대이득을 얻을 수 있도록 정합시키며, 또한 혼합된 주파수에 대하여 왜곡이 발생되지 않도록 선형적으로 증폭시킬 수 있는 캐스코드형으로 구성한 캐스코드 정합 증폭부; 및 상기 혼합된 주파수의 최종 출력시 상기 캐스코드 정합 증폭부와 출력 임피던스를 정합시켜 출력하는 출력단 정합부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 구현한 설계 방법은, 주파수 혼합기(Up Mixer)에서 공통게이트/공통소스 구조를 사용하여 LO와 RF 신호를 격리하고; 캐스코드 정합 증폭회로를 이용하여 낮은 변환손실과 고 이득을 얻으며, 가변이득특성을 얻는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적 및 특징들, 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
주파수 변환기의 입력단에 구현된 RF 입력 포트(11)와, 상기 RF 입력 포트 (11)의 양측에 구현된 그라운딩용 패드(12)와, 상기 RF입력 포트(11)의 일측에 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)와; 상기 RF입력 포트(11)와 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1) 사이에 연결되며, 입력단을 구성하는 소자로, 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 소스와 더불어 입력단의 정합회로를 형성하는 제 1 캐패시터(C1) 및 제 1 인덕터(L1)로 이루어진 입력단 정합부(10)와; 중간단은 변환손실을 작게하고, 출력전력에서 최대이득을 얻을 수 있도록 정합시키며, 또한 혼합된 주파수에 대하여 왜곡이 발생되지 않도록 선형적으로 증폭시킬 수 있는 캐스코드형으로 구성한 캐스코드 정합 증폭부(20); 및 상기 혼합된 주파수의 최종 출력시 상기 캐스코드 정합 증폭부(20)와 출력임피던스를 정합시켜 출력하는 출력단 정합부(30)를 포함하여 구성된다.
상기 캐스코드 정합 증폭부(20)는 상기 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)와 캐스코드형으로 접속된 제 2 전계효과 트랜지스터(FET2)와; 상기 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 출력단과 제 2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 입력단에 연결되어, 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능울 하면서, 상기 각 전계효과 트랜지스터(FET1, FET2) 간 정합을 이루고, LO신호와 IF신호를 격리시키는 제 2 캐패시터(C2) 및 제 2 인덕터(L2)와; 중간 주파수용 전압조정발진기(VCO)(도면에는 도시하지 않음)에서 출력되는 중간 주파수를 입력받아 상기 제 2 캐패시터(C2)의 일측으로 출력하는 중간 주파수 입력 포트(21)와; 상기 중간 주파수 입력 포트(21)의 양측에 구현된 그라운딩용 패드(22)와, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 드레인측 정합을 위한 제 3 캐패시터(C3) 및 제 1 저항(R1)과; 상기 제 3 캐패시터(C3) 및 제 1 저항 (R)과 병렬 접속되어, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 소스를 바이어스 시키는 제 3 인덕터(L3)로 이루어진다.
상기 출력단 차합부(30)는 주파수 변환기의 출력단에 구현된 RF 출력 포트 (31)와, 상기 RF 출력 포트(31)의 양측에 구현된 그라운딩용 패드(32)와, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 출력단 및 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)와 상기 RF 출력 포트(31) 사이에 연결되어 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서, RF출력단과 국부 발진기 출력단을 정합시키는 제 4 인덕터(L4), 제 4 캐패시터(C4) 및 제 5 캐패시터(C5)와; 단말기(도면에는 도시하지 않음) 내의 제어부(도면에는 도시하지 않음)에서 출력되는 DC 제어신호를 입력받아, 상기 제 4 캐패시터(C4)의 일측으로 입력하는 DC 제어신호 입력패드(33)와; 공진기(도면에는 도시하지 않음)로 부터 출력되는 주파수를 입력받아 상기 제 5 캐패시터(C5)의 일측으로 입력하는 공진기 입력패드(34)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 주파수 혼합기의 설계 방법을 설명하면, 입력단 정합부(10)는 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 입력으로 기지국 신호처리부(도면에는 도시하지 않음)의 변조부를 통해서 전송된 신호가 입력되면, 이 신호는 상기 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)에 연결된 제 1 캐패시터(C1)와, 제 1 인덕터 (L1)를 거쳐 제 1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 소스를 통해 캐스코드 방식으로 접속된 제 2 전계효과 트랜지스터(FET2)로 전달되어 입력신호의 레벨을 일정하게 증폭한다.
이와 같은 기능을 위해 드레인과 게이트에 바이어스용 인덕터를 선택할때 입/출력 정합도 동시에 고려하여 인덕턴스 값을 결정한다.
동작 주파수에서 주어진 전계효과 트랜지스터의 안정도 특성은 매우 불안정하다.
따라서 소스에 인덕터를 달아 안정도 특성을 향상 시켰으며, 입/출력 정합용으로 쓰인 인덕터의 기생 저항도 안정도를 좋게 한다.
그리고 입력단의 복소공액 정합점과 잡음을 최소화 시키는 정합점이 일치하지 않으므로 S11<-10dB인 범위에서 가능한 저잡음에 정합되도록 설계 한다.
중간단인 캐스코드 정합 증폭부는 변환손실을 작게하고, 출력전력에서 최대 이득을 얻을 수 있도록 정합시킨다.
또한 혼합된 주파수에 대하여 왜곡이 발생되지 않도록 선형적으로 증폭시킬 수 있는 캐스코드형으로 구성하여 가변이득특성을 얻도록 설계한다.
이러한 회로를 동작주파수에서 최대 이득을 얻도록 설계하면 전체의 이득 특성은 매우 협대역이 되므로 중앙 주파수에서 약간씩 벗어난 주파수에서 정합을 하여 평탄한 이득 특성을 얻을 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 주파수 변환기(Up Mixer)에 있어서 낮은 변환 손실과 고이득을 출력할 수 있도록 하고, 기생주파수를 최적화 시키며, 인접 채널 신호의 대역폭을 보장할 수 있도록 캐스코드 정합회로를 적용하여, 선형성이 유지될 수 있도록 하는 잇점이 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며,이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 주파수 변환기의 입력단에 구현된 RF 입력 포트와, 상기 RF 입력 포트의 양측에 구현된 그라운딩용 패드와, 상기 RF입력 포트의 일측에 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터와, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터와 RF입력 포트 사이에 연결되며, 입력단을 구성하는 소자로, 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서 제 1 전계효과 트랜지스터의 소스와 더불어 입력단의 정합을 이루고, LO신호와 IF신호를 격리시키는 입력단 정합부와; 중간단은 변환손실을 작게하고, 출력전력에서 최대이득을 얻을 수 있도록 정합시키며, 또한 혼합된 주파수에 대하여 왜곡이 발생되지 않도록 선형적으로 증폭시킬 수 있는 캐스코드항으로 구성한 개스코드 정합 증폭부; 및 상기 혼합된 주파수의 최종 출력시 상기 캐스코드 정합 증폭부와 출력 임피던스를 정합시켜 출력하는 출력단 정합부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력단 정합부 내의 제 1 전계효과 트랜지스터는 공통게이트/공통소스 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 캐스코드 정합 증폭부는, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터와 캐스코드형으로 접속된 제 2 전계효과 트랜지스터와, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터의 출력단과 제 2 전계효과 트랜지스터의 입력단에 연결되어, 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서, 상기 각 전계효과 트랜지스터 간 정합을 이루는 제 2 캐패시터 및 제 2 인덕터와, 중간 주파수용 전압조정발진기에서 출력되는 중간 주파수를 입력받아 상기 제 2 캐패시터의 일측으로 출력하는 중간 주파수 입력 포트와, 상기 중간 주파수 입력 포트의 양측에 구현된 그라운딩용 패드와, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터의 드레인측 정합을 위한 제 3 캐패시터 및 제 1 저항과, 상기 제 3 캐패시터 및 제 1 저항과 병렬 접속되어, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터의 소스를 바이어스 시키는 제 3 인덕터를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출력단 정합부는 주파수 변환기의 출력단에 구현된 RF 출력 포트와, 상기 RF 출력 포트의 양측에 구현된 그라운딩용 패드와, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터의 출력단 및 제 1 전계효과 트랜지스터와 상기 RF 출력 포트 사이에 연결되어 각각 직류 차단 및 직류 피더 기능을 하면서, RF출력단과 국부 발진기 출력단을 정합시키는 제 4 인덕터, 제 4 캐패시터 및 제 5 캐패시터와; 단말기 내의 제어부에서 출력되는 DC 제어신호를 입력받아, 상기 제 4 캐패시터의 일측으로 입력하는 DC 제어신호 입력패드와; 공진기로 부터 출력되는 주파수를 입력받아 상기 제 5 캐패시터의 일측으로 입력하는 공진기 입력패드를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 고주파(RF) 송/수신부용 주파수 혼합기(Up Mixer).
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