KR100622862B1 - 광대역 다중 반송파 통신용 고출력 송신 시스템 - Google Patents

Abstract

고속 전력선 통신 시스템에 있어서의 통신 반경이 작고 신뢰성이 낮은 문제점을 극복하기 위하여, 광대역에서 다중 반송파 신호를 왜곡 없이 증폭시키는 것이 가능한 광대역 고출력 전력 증폭기 및 고출력 신호의 송수신 분리를 위한 고출력 스위치 모듈 등을 포함하는 새로운 고출력 송신 시스템이 제공된다.

본 발명의 고출력 송신 시스템은, 통신용 모뎀으로부터 출력되는 다중 반송파의 광대역 RF 송신 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭기; 및 통신용 모뎀으로부터 분기된 송신 모드 인에이블(Tx enable)신호를 수신하고 이를 증폭하여 바이어스 T 및 바이어스 R 신호를 출력하는 스위치 드라이브 회로와, 고출력 증폭기로부터 출력되는 RF 송신 신호 및 바이어스 T 신호를 수신하고 수신된 각각의 신호가 서로 분리된 주파수 대역을 주로 경유하여 공통 단자를 통하여 출력되도록 하는 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로와, 각각의 바이어스 티이 회로로부터 출력된 바이어스 T 신호에 의해 송신 모드로 활성화되어 상기 RF 송신신호를 전달하는 하나 이상의 송신 PIN 다이오드를 갖는 고출력 스위치 모듈을 포함한다.

전력선 통신, 모뎀, OFDM, DMT, 광대역 통신, 전력 증폭기, 스위칭 회로

Description

광대역 다중 반송파 통신용 고출력 송신 시스템{HIGH POWER TRANSMISSION SYSTEM FOR WIDE-BAND MULTI-CARRIER COMMUNICATION}

도 1은 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따른 고출력 송신 시스템의 바람직한 실시예의 전체 구성을 도시한다.

도 2는 실시예의 고출력 전력 증폭기에 적합한 트랜지스터의 전류 전압 특성 곡선을 나타내었다.

도 3은 상술한 방법에 의하여 구현된 전력 증폭기의 주파수에 따른 이득(G) 특성을 예시한다.

도 4는 도 3과 동일한 전력 증폭기에서 64 반송파(Carrier)의 CW(Continuous Wave) 신호를 신호원으로 입력한 경우의 출력 특성을 예시한다.

도 5는, 본 발명의 고출력 스위치 회로(35)에 포함되는, 스위치 드라이브 회로(35-1)를 예시한다.

도 6은 상기 스위치 드라이브 회로(35-1)에 입력되는 Tx enable 신호와, 상기 스위치 드라이브 회로(35-1)로부터 출력되는 바이어스 T 신호 및 바이어스 R 신호의 타이밍을 예시한다.

도 7은 본 발명의 고출력 스위치 회로(35) 내의 스위칭부(35-2)의 한 구성을 예시한다.

도 8은 본 발명의 바이어스 티이 회로의 다른 한 예를 나타낸다.

도 9는 위에서 예시된 바이어스 티이 회로의 전달 특성을 예시한다.

도 10은 본 발명의 고출력 송신 시스템(100)을 전력선 통신에 적용한 예를 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 직류 전원 20: 고출력 전력 증폭기

30: 고출력 스위치 모듈 35: 고출력 스위치 회로

100: 고출력 송신 시스템 200: 전력선 통신용 모뎀

본 발명은 통신용 고출력 송신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저주파 대역(1MHz∼30MHz)에서 다중 반송파를 이용하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) 통신 방식의 신호를 왜곡 없이 선형적으로 증폭하도록 하여, 지중 또는 가공 고압배전선을 통신 선로로 사용하는 고속 전력선통신(Power Line Communication), 전화선을 사용한 초고속 통신망 및 xDSL(Digital Subscriber Line) 등에서, 통신 거리를 확장하고 통신 신뢰성을 향상시키기 위한 장치로 사용 가능한 고출력 송신 시스템을 제공하기 위한 것이다.

전력선 통신은 지능형 홈(home)을 위한 최적의 통신망으로 여겨지고 있다. 이는 전력선이 언제 어디서나 손쉽게 접근할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문이 다. 이러한 이유로 언제 어디서나 통신을 가능케 하는 새로운 기술의 패러다임인 유비퀴터스 환경/사회 구현을 위한 핵심 기술로 전력선 통신 기술이 손꼽히고 있다.

이를 위해서는 옥내 저압 전력선을 이용한 통신뿐만 아니라, 중고전압 전력선을 이용한 기간 통신망 구축이 이루어 져야 한다. 현재 국제적으로 중고전압 전력선을 이용한 고속 전력선 통신 기술 개발이 활발하게 진행 중이며, 이를 위한 주파수 대역으로는 옥내 저전압과 동일하게 1MHz~30MHz 주파수 대역이 사용되고 있다.

통신 방식은 유선에서 흔히 발생하는 극심한 페이딩과 높은 감쇄 등이 나타나는 열악한 채널 환경을 고려하여, 다중 반송 주파수를 사용하는 DMT(Discrete Multi Tone)방식을 사용한다. DMT 방식은 여러 개의 반송파에 신호를 분리하여 변조하고 이것을 중첩한 신호를 사용하는 통신 방식을 말하며, 최근 활발히 연구되는, 가용 주파수 대역을 여러 개의 서브 채널(Sub-channels) 또는 다중 반송주파수 (Multi-Carrier: MC)를 사용하여 스펙트럼(spectrum) 사용의 효율을 향상시키는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) 통신 방식의 일종이다.

이러한 OFDM 방식은, 페이딩 현상에 강하고, 등화기 구조가 간단해지며, 주파수 효율이 우수한 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 페이딩 현상이 심한 디지털 오디오 및 비디오 방송(Digital Audio/Video Broadcasting), 무선 LAN, 전화선을 사용한 xDSL 등에서 사용된다. 특히, 지중 또는 가공 송배전선을 이용한 고속 전력선 통신에서는 페이딩(fading)의 문제뿐만 아니라, 전력전송에 적합한 선로로 설 계되어 있는 전력선의 특성을 고려할 때 전력선은 고주파 신호 전송에 열악한 채널 환경을 가질 수밖에 없기 때문에, OFDM 통신 방식을 활용한 DMT (Discrete Multi Tone) 통신 방식을 전 세계적으로 사용하고 있다. DMT 방식을 사용할 경우 각각의 개별적인 신호를 페이딩에 무관하게 분리해 낼 수 있게 된다.

그러나 OFDM/DMT 통신 방식은 다중 주파수의 반송파를 송신하기 때문에, 다중 반송파 신호들의 위상이 일치할 때 시간영역에서 불규칙적으로 매우 높은 순간 전압이 생성된다. 이러한 높은 순간 전압의 정도는, 평균 전압에 대한 비, 즉 Peak-to-average power ratio(PAPR)로 표시된다. 높은 PAPR은 시스템 설계에 있어서 많은 문제점을 발생시킨다. 예를 들면, 아날로그 회로에서 각 RF 부품의 최대 허용량을 넘는 높은 PAPR은 부품들을 손상시키게 되기 때문에 입력 신호 레벨을 강제적으로 낮추게 되며, 이는 신호의 왜곡을 발생시킨다. 그러므로 OFDM/DMT 통신 방식의 장치에 사용될 수 있도록 하기 위한 증폭기와 같은 RF 능동 소자의 설계 시에는 이러한 높은 PAPR 문제가 고려되어야 하고, 통신 장치의 송신부와 수신부에서 넓은 다이나믹 영역(dynamic range)이 요구된다. 대략 평균 전력 대 피크 전력의 비가 약 20배(13dB) 이상의 큰 값이 된다.

또한, 중고전압 전력선은 60Hz 파(波)를 보내기 위해 최적으로 설계된 선로로서 전력선 통신용 주파수 대역인 1MHz~30MHz 광대역에서는 극심한 감쇄 특성에 의한 높은 선로 손실이 발생한다. 따라서 높은 선로 손실을 극복하기 위한 고출력의 증폭기가 필요하게 되는데, 위에서 살펴본 바와 같이 다중 반송파를 사용한 DMT 통신 방식은 높은 PAPR이라는 단점 때문에 기존의 협대역 시스템에서 사용해오던 RF 증폭 시스템을 그대로 적용하기는 곤란하게 되나 현재까지 중고압 전력선 통신의 특성에 맞는 증폭 시스템이 제안되지 않고 있는 실정이다.

그러므로 기존의 중고전압 망을 이용한 고속 전력선 통신망은 신뢰성이 낮고, 장거리 통신이 어렵다는 문제점을 가지고 있으며, 이러한 문제점이 극복되어야만 전력선 통신을 기간 통신망으로 사용하는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 기술의 고속 전력선 통신 시스템에 있어서의 통신 반경이 작고 신뢰성이 낮은 문제점을 극복할 수 있는, 광대역에서 다중 반송파 신호를 왜곡 없이 증폭시키는 것이 가능한 광대역 고출력 전력 증폭기 및 고출력 신호의 송수신 분리를 위한 고출력 스위치 모듈 등을 포함하는 새로운 고출력 송신 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 의한 고출력 송신 시스템은, 통신용 모뎀으로부터 출력되는 다중 반송파의 광대역 RF 송신 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭기; 및 상기 통신용 모뎀으로부터 분기된 송신 모드 인에이블(Tx enable)신호를 수신하고 이를 증폭하여 바이어스 T 및 바이어스 R 신호를 출력하는 스위치 드라이브 회로와, 상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호를 수신하고 상기 수신된 각각의 신호가 서로 분리된 주파수 대역을 주로 경유하여 공통 단자를 통하여 출력되도록 하는 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로와, 상기 각각의 바이어스 티이 회로로부터 출력된 상기 바 이어스 T 신호에 의해 송신 모드로 활성화되어 상기 RF 송신신호를 전달하는 하나 이상의 송신 PIN 다이오드와, 상기 각각의 송신 PIN 다이오드 후단에서 상기 RF 송신 신호를 통과시키고 상기 바이어스 T 신호가 출력 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 블로킹 커패시터를 포함하는 고출력 스위치 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고출력 스위치 모듈은, 송신 모드 시 상기 바이어스 R 신호에 의해 비활성화 되어 상기 RF 송신 신호가 상기 통신용 모뎀의 RF 수신 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 수신 PIN 다이오드를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 고출력 전력 증폭기는, 1-30MHz 대역에서 ±2.5 dB 이하의 평탄도를 갖고, 상기 1-30MHz 대역에서 35±1.5 dB 이하의 소신호 이득(small signal gain)을 갖는 것임이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 고출력 송신 시스템은, 적어도 상기 모뎀으로부터 전달되는 RF 송신 신호, 상기 모뎀으로 전달되는 RF 수신 신호 및 송신 모드 인에이블 신호를 상기 모뎀과 교환하기 위한 모뎀 접속부를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 고출력 스위치 모듈은, 상기 고출력 전력 증폭기의 출력 전력을 분할하는 제1 트랜스포머를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 바이어스 티이 회로, 송신 PIN 다이오드 및 블로킹 커패시터는 각각 2개이며, 이들은 상기 제1 트랜스포머의 양 출력 단에 각각 접속되어 서로 대칭인 차동 스위치 구조의 각 단을 형성하는 것일 수 있다.

나아가서, 상기 고출력 스위치 모듈은, 상기 차동 스위치 구조의 양 단을 단동 출력으로 변환하는 제2 트랜스포머를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 고출력 스위치 모듈의 상기 스위치 드라이브 회로의 출력인 상기 바이어스 T 신호는 상기 송신 PIN 다이오드의 활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호이며, 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN 다이오드의 비활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호일 수 있다.

바람직하게는, 상기 고출력 스위치 모듈의 상기 송신 PIN 다이오드의 출력 단자, 상기 수신 PIN 다이오드의 입력 단자, 상기 블로킹 커패시터의 한 단자는 모두 공통이며, 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN의 출력 단자에 전달되며, 상기 송신 모드의 개시 시에 상기 바이어스 R 신호가 상승하여 상기 수신 PIN 다이오드에 역방향의 전압을 인가함으로써 상기 수신 PIN 다이오드를 비활성화 시켜 상기 송신 PIN 다이오드의 출력 신호가 상기 수신 PIN 다이오드를 통과하지 못하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호에 대한 상기 서로 분리된 주파수 대역은 약 1.6 MHz를 경계로 분할되는 그 상하의 주파수 대역임이 바람직하다.

그리고, 상기 바이어스 티이 회로는, 입력된 상기 바이어스 T 신호 중, 제1 주파수 대역에 맞는 바이어스 T 신호의 주파수 성분만이 상기 공통 출력 단자로 전달되도록 하고, 그와 동시에 상기 바이어스 T 신호 성분이 상기 RF 송신 신호 입력 단자로 전달되지 않도록 하는 것임이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 의한 고출력 스위치 모듈은, 통신용 모뎀의 송신 모드 시에, 상기 통신용 모뎀으로부터 출력되는 다중 반송파의 광대역 RF 송신 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭기의 출력이 수신 단에 전달되는 것을 차단하고, 출력 단에 전달되도록 하는 고출력 스위치 모듈이며, 상기 통신용 모뎀으로부터 분기된 송신 모드 인에이블(Tx enable)신호를 수신하고 이를 증폭하여 바이어스 T 및 바이어스 R 신호를 출력하는 스위치 드라이브 회로; 상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호를 수신하고 상기 수신된 각각의 신호가 서로 분리된 주파수 대역을 주로 경유하여 공통 단자를 통하여 출력되도록 하는 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로; 상기 각각의 바이어스 티이 회로로부터 출력된 상기 바이어스 T 신호에 의해 송신 모드로 활성화되어 상기 RF 송신신호를 전달하는 하나 이상의 송신 PIN 다이오드; 및 상기 각각의 송신 PIN 다이오드 후단에서 상기 RF 송신 신호를 통과시키고 상기 바이어스 T 신호가 출력 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 블로킹 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에서는 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따른 고출력 송신 시스템의 바람직한 실시예의 전체 구성을 도시한다. 예시된 시스템은, 광대역 다중 반송 주파수 증폭을 위한 고출력 전력 증폭기(20), 송신(Tx)과 수신(Rx) 신호의 분리(Isolation)를 위한 고출력 스위치 모듈(30), 고출력 전력 증폭기(20)와 고출력 스 위치 모듈(30)에 전원 공급을 위한 직류 전원 공급 장치(10) 및 전력선 통신 모뎀(200)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 고출력 전력 증폭기(20)는 출력 신호의 찌그러짐이 없도록 동작 주파수 범위 내에서 선형성을 갖도록 설계 되어야 한다. 전력 증폭기에서 출력 신호의 찌그러짐의 원인은 여러 가지가 있지만, 가장 대표적인 것은 출력 포화에 의한 신호의 찌그러짐이다. 디지털 통신용 증폭기는 선형성이 아날로그 통신용의 것보다 더욱 중요하다.

증폭기에서의 신호의 포화를 막기 위해서는 평균 전력을 기준으로 증폭기를 설계하기 보다는 피크 전력을 기준으로 설계하여야 한다. 또한, 트랜지스터가 바라보는 임피던스가 특정한 값이 되도록 출력 정합을 설계해야 한다.

도 2에서는 실시예의 고출력 전력 증폭기에 적합한 트랜지스터의 전류 전압 특성 곡선을 나타내었다. 이하에서는 도 2를 참조로 하여 본 발명의 고출력 전력 증폭기에 적합한 트랜지스터의 사양을 결정하기 위해서 고려하여야 할 점을 설명한다. 우선, 트랜지스터의 전류 전압 특성상에서 다이나믹 부하곡선의 스윙이 최대 전류 스윙과 최대 전압 스윙을 하도록 한다. 이때 Imax는 트랜지스터가 흘릴 수 있는 최대 전류이다. 전압은 바이어스 회로에 Inductor를 사용하는 점을 고려하면 최대 Vcc의 2 배인 2Vcc가 최대 트랜지스터 출력 전압이 된다[예를 들어 Vcc=28V 인 경우, 2Vcc=56V, Imax=7.5A일 때, 부하곡선의 저항은 7.4 옴(ohm)]. 이러한 조건을 맞추기 위해서, 출력 정합 회로가 사용될 수 있다(예를 들어, 3:1 트랜스포머를 사용하여 50오옴 출력 임피던스를 부하곡선 값으로 낮추어서 트랜지스터에 연결 하는 등). 주파수 특성에 있어 충분한 평탄도를 얻기 위해서 되먹임(Feedback) 구조를 사용할 수 있는데, 드레인에서 게이트로 저항을 이용하여 되먹임을 할 경우 부궤환 방식이 되어 평탄한 주파수 특성을 얻을 수 있다.

도 3은 상술한 방법에 의하여 구현된 전력 증폭기의 주파수에 따른 이득(G) 특성을 예시한다. 예시된 바와 같이, 1-30 MHz 대역에서 대략 ㅁ 1.5 dB의 평탄도를 갖는 이득(G) 특성을 얻을 수 있었으며, 본 발명의 고출력 송신 시스템에 사용되기 위해서는 통상 1-30MHz 대역에서 ±2.5 dB 이하의 평탄도를 갖는 전력 증폭기가 바람직하다. 또한, 도 4에서는 도 3과 동일한 전력 증폭기에서 64 반송파(Carrier)의 CW(Continuous Wave) 신호를 신호원으로 입력한 경우의 출력 특성을 예시한다.

이하의 표 1에서는 본 발명의 실시예의 고출력 송신 시스템에 사용될 수 있는 광대역 고출력 전력 증폭기의 사양을 예시한다.

<표 1: 광대역 고출력 전력 증폭기의 사양 예시>

Parameter	Value
Frequency	1MHz ~ 30MHz
Small Signal Gain	35±1.5 dB Max
Gain Flatness	±2.5 dB Max
Averaged output power	5 W (peak power 100W)
input/output Impedance	50 ohm
Current Consumption	5 A max (typically 3.5 A)
Maximum Input	+20 dBm
Handling Output VSWR	20 : 1 *
Operating Temperature	-30 ~ 60 degree C
Input VSWR	1.3 Max
Dimension	162.5 x 71 x 31 mm
Class of Operation	AB

이하에서는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예의 고출력 송신 시스템(100)에 사용되는 고출력 스위치 모듈(30)의 구성을 상세히 설명한다. 현재의 전력선 통신용 모뎀(200)은 송신 시에는 송신만 하고, 그 이외의 시간 동안에는 수신단을 동작시킨 채로 상대방에서 보내는 신호를 기다리는 하프 듀플렉스(Half Duplex)방식을 채택하고 있는데, 이를 위하여 송신과 수신이 하나의 선로에 연결되어 있으면서 스위치를 단속하여 송신단과 수신단이 번갈아 가면서 선로에 결합하도록 하는 하드웨어 구조를 갖는다. 따라서 송신단과 수신단을 선택적으로 선로에 결합하도록 하는 스위치 모듈이 필요하게 된다.

종래 기술의 일반적인 송신 시스템에서와 같이 신호의 전력이 낮을 경우에는 송신단과 수신단의 단속만으로도 송신 및 수신신호를 완벽하게 분리해 낼 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이 선로 손실을 보상하기 위하여 큰 송신 전력(예를 들어, PEP 50 W)을 사용하여야 하는 경우에는, 송신 시 스위치 모듈을 통한 신호의 손실이 최대한 작아야 하고, 송신 전력에 의해 수신단의 하드웨어가 손상되는 일이 없도록 스위치 모듈을 설계하여야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 스위치 모듈(30)은, 통신용 모뎀 접속부(32), 제1 트랜스포머(31), 제2 트랜스포머(33), 출력 필터(34) 및 고출력 스위치 회로(35)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 5에서는, 본 발명의 고출력 스위치 회로(35)에 포함되는, 스위치 드라이브 회로(35-1)를 예시한다. 도시된 스위치 드라이브 회로(35-1)에는 모뎀 접속부(32)로부터 전달되는 모뎀의 Tx_enable 신호가 입력되어 TTL 게이트로 전달되고, 그 출력 신호가 고속 구동을 위한 베이스 공통 구동부를 통해, 토템 폴(Totem pole) 구조로 연결된 고전압 트랜지스터를 통하여 바이어스 T 신호 및 바이어스 R 신호로 출력된다.

도 6은 상기 스위치 드라이브 회로(35-1)에 입력되는 Tx enable 신호와, 상기 스위치 드라이브 회로(35-1)로부터 출력되는 바이어스 T 신호 및 바이어스 R 신호의 타이밍을 예시한다. 본 발명의 고출력 스위치 회로(35)는 모뎀의 작동 타이밍에 적합한 타이밍에 의해 작동하도록 되어 있어야 한다. 상술한 바이어스 T 신호 및 바이어스 R 신호는 고출력 스위치 회로(35)의 송수신단 단속의 구동 신호로 사용된다. 이들 신호는 예를 들어, 도 6에 예시된 바와 같이, 소정의 지연 및 상승시간(예를 들어, Tx enable 신호에 대해 0.5 usec의 지연과 5 usec 이하의 상승시간)을 갖는 신호로서, 스위칭용 다이오드(이하에서 설명)에 전달된다.

도 6에 예시된 신호들은, 도 5에 예시된 스위치 드라이브 회로(35-1)를 통하여 모뎀으로부터 분기된 Tx enable 신호를 증폭하고, 바이어스 R 단자에서는 48V와 0V 사이를 스윙하는 신호, 바이어스 T 단자에서는 12V와 0V사이를 스윙하는 신호가 출력되도록 구성하여 얻어진 것이다.

도 7은 본 발명의 고출력 스위치 회로(35) 내의 스위칭부(35-2)의 한 구성을 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같은 고출력 전력 증폭기(20)를 거친 송신 신호(Tx)가 입력되어, 임피던스 정합을 위한 트랜스포머(31)를 거치고, 트랜스포머(31)의 출력은 바이어스 티이(T1, T2) 회로를 거쳐 PIN 다이오드에 입력된다.

도 5 및 도 6에 도시된 바이어스 T 신호 및 바이어스 R 신호는 상술한 송신 신호와 함께 바이어스 티이 회로(T1, T2)에 입력된다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 스위칭부(35-2)는 차동 회로인 SPDT 구조를 갖는데, 위에서 설명한 고속 바이어스 신호(바이어스 T 및 R)들에 의해 구동된다. 상기 고속 바이어스 신호들은 스위칭부(35-2) 내에 있는 PIN 다이오드들에 가해져, PIN 다이오드들을 활성화시킨다. 이와 같이 바이어스 신호들에 의하여 PIN 다이오드가 활성화되면, RF 송신 신호가 PIN 다이오드를 통과하여 출력된다. 이 때, 수신단에는 바이어스 R 신호의 상승에 의해 역 바이어스가 인가되어 있으므로, 신호의 유입이 차단된다.

도시된 스위칭부(35-2)는 서로 대칭되는 상하부 경로를 각각 갖는 차동 회로로 구성되어, 전력을 양 경로로 분할하고 피크 전압을 나누는 것이 가능하다. 가령 60W 피크 전압의 신호를 안정적으로 구동하기 위해서는 단동(Single Ended) 스위치로 구현할 경우, 80V이상의 전압이 필요하게 된다. 그러나 이를 차동 회로로 구현할 경우 전력이 양쪽으로 나누어지므로 48V의 전압만으로도 효과적으로 구현이 가능하게 된다. 고출력 전력 증폭기(20)로부터 출력되는 신호가 단동 신호일 경우, 토로이드 트랜스포머(31)를 사용하여 차동 신호로 변환이 가능하다.

이하에서는 본 발명에 사용된 바이어스 티이 회로(T1, T2)의 작동에 관하여 상세히 설명한다. 일반적인 전력선 통신의 신호 대역은 1.6 MHz 로부터 시작하므로, 빠른 스위칭을 사용할 경우, 스위칭 신호 및 그에 의하여 발생된 고조파가 RF송신신호에 영향을 주어, 신호 대역이 손상되고 신호의 왜곡을 초래하게 된다. 이는, 회로에서 요구되는 스위칭 속도(예를 들어 6usec 정도)가 신호 대역(1.6 MHz)에 근접해 있기 때문이다.

따라서 본 발명에서 제안된 바이어스 티이 회로(T1, T2)는 스위치 구동 신호 (바이어스 T 신호)와 RF 송신 신호를 각각 받아들여 RF 출력단을 통해 출력하되, 스위치 구동 신호는 1.6 MHz 이하의 밴드를 사용하여서만 전달되도록 하고, RF 송신 신호는 1.6 MHz 이상의 밴드를 통해서만 전달 되도록 구성한다. 이러한 구성을 통하여 빠른 스위칭이 가능하도록 하면서도, 그에 의한 고조파가 신호 대역에 영향을 주는 것을 피할 수 있게 된다. 또한, 블로킹 커패시터(B1, B2)들을 더 사용하여 바이어스 T 신호가 최종 출력단을 통해 전달되는 것을 방지한다.

도 8은 본 발명의 바이어스 티이 회로의 다른 한 예를 나타낸다. RF 송신 신호의 입력단을 중심으로 하여 바이어스 T 신호 입력단과의 사이에는 1.6MHz 이하의 밴드를 통한 신호만이 전달되도록 구성되어 있다.

도 9는 위에서 예시된 바이어스 티이 회로의 전달 특성을 예시한다. 예시된 바이어스 티이 회로의 전달 특성은, RF 출력단을 통하여 전달되는 바이어스 T 신호의 주파수에 따른 전달 특성과, RF 송신 신호의 주파수에 따른 전달 특성 및 RF 출력단에서 바라본 반사 특성을 나타낸다.

이하의 표 2에서는 본 발명의 고출력 스위치 모듈의 바람직한 사양을 나타내었다.

<표 2: 고출력 스위치 모듈의 사양>

Parameters	Specification
Frequency range	1MHz ∼ 30MHz
Output power	60W (PEP)
Insertion Loss	1.5dB (Without Transformer loss)
Flatness	±1.5dB
VSWR	1.4:1
Power supply	(28V, 3A), (48V, 0.15A)
Tx/Rx switching Time	6μsec
Operating Temperature	-20℃∼ 80℃

도 10은 본 발명의 고출력 송신 시스템(100)을 전력선 통신에 적용한 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 송신 신호의 증폭을 위한 고출력 전력 증폭기(20) 및 고출력 스위치 모듈(30)을 포함하는 고출력 송신 시스템(100)은 전력선 통신 모뎀(200)과 결합되며, 또한 전력선 커플러(302)를 통하여 중고전압 전력선(303)에 결합된다. 이러한 구성을 통하여, 중고전압 전력선(303)을 통한 각각의 단말기(305) 사이의 통신이 가능해 진다. 여기서, 고출력 전력 증폭기(20)는 고출력 스위치 모듈(30)이 송신 모드로 되어 있을 때, 입력 신호를 증폭하여 고출력 스위치 모듈(30)을 통해 전력선(303)으로 신호를 보낸다. 그러나 고출력 스위치 모듈(30)이 수신 모드에 있을 경우에 수신 신호는 증폭기를 거치지 않고 직접 모뎀의 수신부와 연결된다. 상술한 도 7 및 도 8의 고출력 스위치 회로(35)를 통하여 수신 단에 영향을 미치는 일이 없이, 선형적으로 고출력의 송신 신호를 출력하는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 고출력 송신 회로는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명에 의하여, 기존의 고속 전력선 통신 모뎀이 가지고 있는 거리의 제약 문제와 그에 따른 낮은 신뢰성 문제를 극복할 수 있다.

또한 본 발명은 OFDM/DMT 통신 방식을 사용하는 다중 반송파 증폭 시스템 및 송신과 수신 대역을 공용으로 사용하는 하프 듀플렉스(Half duplex)방식의 통신 시스템에 널리 적용이 가능하며, 특히 전력선 통신에 있어서는, 지중·가공 전력선을 포괄하는 모든 경우에 적용 가능하다.

Claims (21)

1. 통신용 모뎀으로부터 출력되는 다중 반송파의 광대역 RF 송신 신호를 증폭하기 위한 피크 전력을 기준으로 설계한 고출력 증폭기; 및

   상기 통신용 모뎀으로부터 분기된 송신 모드 인에이블(Tx enable)신호를 수신하고 이를 증폭한 후에 RF 송신신호와 전원을 분리하기 위하여 바이어스 T 및 바이어스 R 신호를 출력하는 스위치 드라이브 회로와, 상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호를 수신하고 상기 수신된 각각의 신호가 서로 분리된 주파수 대역을 주로 경유하여 공통 단자를 통하여 출력되도록 하는 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로와, 상기 고출력 전력 증폭기의 출력 전력을 분할하는 제1 트랜스포머를 포함하며, 상기 각각의 바이어스 티이(tee) 회로로부터 출력된 상기 바이어스 T 신호에 의해 송신 모드로 활성화되어 상기 RF 송신신호를 전달하는 하나 이상의 송신 PIN 다이오드와, 상기 각각의 송신 PIN 다이오드 후단에서 상기 RF 송신 신호를 통과시키고 상기 바이어스 T 신호가 출력 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 블로킹 커패시터로 이루어지면서, 상기 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로, 송신 PIN 다이오드 및 블로킹 커패시터가 상기 제1 트랜스포머의 양 출력단에 각각 접속되어 서로 대칭인 차동 스위치 구조의 각 단을 형성하는 고출력 스위치 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고출력 스위치 모듈은, 송신 모드 시 상기 바이어스 R 신호에 의해 비활성화 되어 상기 RF 송신 신호가 상기 통신용 모뎀의 RF 수신 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 수신 PIN 다이오드를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 고출력 전력 증폭기는, 1-30MHz 대역에서 ±2.5 dB 이하의 평탄도를 갖는 것임을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 고출력 전력 증폭기는, 1-30MHz 대역에서 35±1.5 dB 이하의 소신호 이득(small signal gain)을 갖는 것임을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   적어도 상기 모뎀으로부터 전달되는 RF 송신 신호, 상기 모뎀으로 전달되는 RF 수신 신호 및 송신 모드 인에이블 신호를 상기 모뎀과 교환하기 위한 모뎀 접속부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
6. 삭제
7. 제6항에 있어서,

   상기 고출력 스위치 모듈은, 상기 차동 스위치 구조의 양 단을 단동 출력으로 변환하는 제2 트랜스포머를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 고출력 스위치 모듈의 상기 스위치 드라이브 회로의 출력인 상기 바이어스 T 신호는 상기 송신 PIN 다이오드의 활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
9. 제1항에 있어서,

   상기 고출력 스위치 모듈의 상기 스위치 드라이브 회로의 출력인 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN 다이오드의 비활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
10. 제2항에 있어서,

    상기 송신 PIN 다이오드의 출력 단자, 상기 수신 PIN 다이오드의 입력 단자, 상기 블로킹 커패시터의 한 단자는 모두 공통이며, 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN의 출력 단자에 전달되며, 상기 송신 모드의 개시 시에 상기 바이어스 R 신호가 상승하여 상기 수신 PIN 다이오드에 역방향의 전압을 인가함으로써 상기 수신 PIN 다이오드를 비활성화 시켜 상기 송신 PIN 다이오드의 출력 신호가 상기 수신 PIN 다이오드를 통과하지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
11. 제1항에 있어서,

    상기 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호에 대한 상기 서로 분리된 주파수 대역은 약 1.6 MHz를 경계로 분할되는 그 상하의 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
12. 제1항에 있어서,

    상기 바이어스 티이 회로는, 입력된 상기 바이어스 T 신호 중, 제1 주파수 대역에 맞는 바이어스 T 신호의 주파수 성분만이 상기 공통 출력 단자로 전달되도록 하고, 그와 동시에 상기 바이어스 T 신호 성분이 상기 RF 송신 신호 입력 단자로 전달되지 않도록 하는 것임을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
13. 통신용 모뎀의 송신 모드 시에, 상기 통신용 모뎀으로부터 출력되는 다중 반송파의 광대역 RF 송신 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭기의 출력이 수신 단에 전달되는 것을 차단하고, 출력 단에 전달되도록 하는 고출력 스위치 모듈에 있어서,

    상기 통신용 모뎀으로부터 분기된 송신 모드 인에이블(Tx enable)신호를 수신하고 이를 증폭한 후에 RF 송신신호와 전원을 분리하기 위하여 바이어스 T 및 바이어스 R 신호를 출력하는 스위치 드라이브 회로;

    상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호를 수신하고 상기 수신된 각각의 신호가 서로 분리된 주파수 대역을 주로 경유하여 공통 단자를 통하여 출력되도록 하는 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로;

    상기 고출력 전력 증폭기의 출력 전력을 분할하는 제1 트랜스포머를 포함하며, 상기 각각의 바이어스 티이(tee) 회로로부터 출력된 상기 바이어스 T 신호에 의해 송신 모드로 활성화되어 상기 RF 송신신호를 전달하는 하나 이상의 송신 PIN 다이오드; 및

    상기 각각의 송신 PIN 다이오드 후단에서 상기 RF 송신 신호를 통과시키고 상기 바이어스 T 신호가 출력 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 블로킹 커패시터를 포함하여 이루어지면서, 상기 하나 이상의 바이어스 티이(tee) 회로, 송신 PIN 다이오드 및 블로킹 커패시터가 상기 제1 트랜스포머의 양 출력단에 각각 접속되어 서로 대칭인 차동 스위치 구조의 각 단을 형성하는 고출력 스위치 모듈.
14. 제13항에 있어서,

    상기 바이어스 티이 회로는, 입력된 상기 바이어스 T 신호 중, 제1 주파수 대역에 맞는 바이어스 T 신호의 주파수 성분만이 상기 공통 출력 단자로 전달되도록 하고, 그와 동시에 상기 바이어스 T 신호 성분이 상기 RF 송신 신호 입력 단자로 전달되지 않도록 하는 것임을 특징으로 하는 고출력 스위치 모듈.
15. 제13항에 있어서,

    상기 고출력 스위치 모듈은, 송신 모드 시 상기 바이어스 R 신호에 의해 비활성화 되어 상기 RF 송신 신호가 상기 통신용 모뎀의 RF 수신 단으로 전달되는 것을 차단하는 하나 이상의 수신 PIN 다이오드를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 고출력 스위치 모듈.
16. 삭제
17. 제13항에 있어서,

    상기 차동 스위치 구조의 양 단을 단동 출력으로 변환하는 제2 트랜스포머를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 고출력 스위치 모듈.
18. 제13항에 있어서,

    상기 스위치 드라이브 회로의 출력인 상기 바이어스 T 신호는 상기 송신 PIN 다이오드의 활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 고출력 스위치 모듈.
19. 제15항에 있어서,

    상기 스위치 드라이브 회로의 출력인 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN 다이오드의 비활성화가 가능하도록 하는 스윙 값을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 고출력 스위치 모듈.
20. 제15항에 있어서,

    상기 송신 PIN 다이오드의 출력 단자, 상기 수신 PIN 다이오드의 입력 단자, 상기 블로킹 커패시터의 한 단자는 모두 공통이며, 상기 바이어스 R 신호는 상기 수신 PIN의 출력 단자에 전달되며, 상기 송신 모드의 개시 시에 상기 바이어스 R 신호가 상승하여 상기 수신 PIN 다이오드에 역방향의 전압을 인가함으로써 상기 수신 PIN 다이오드를 비활성화 시켜 상기 송신 PIN 다이오드의 출력 신호가 상기 수신 PIN 다이오드를 통과하지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.
21. 제15항에 있어서,

    상기 RF 송신 신호 및 상기 바이어스 T 신호에 대한 상기 서로 분리된 주파 수 대역은 약 1.6 MHz를 경계로 분할되는 그 상하의 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 고출력 송신 시스템.

Images