KR100743425B1 - 시분할복신 무선통신시스템의 고주파 전단 장치 - Google Patents

시분할복신 무선통신시스템의 고주파 전단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 고주파 전단(front-end) 장치에 관한 것으로, 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 송신기 장치에 관한 것으로, 전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드 라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 쿼터웨이브 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와, 송신모드시 수신측 격리(isolation)를 위해 수신경로 상에 설치되는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인과, 제어신호에 따라 상기 쿼터웨이브 전송선 라인의 부하를 접지(ground)에 단락(short)시키거나 저잡음 증폭기에 연결하는 고주파 스위치와, 상기 고주파 스위치로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 출력하는 상기 저잡음 증폭기를 포함한다. 이와 같은 본 발명은 전력증폭기(PA)의 출력단을 보호할수 있을 뿐만 아니라 송신모드시 저잡음 증폭기로 유입되는 송신전력을 감쇠시켜 저잡음 증폭기를 보호할수 있는 이점이 있다.
TDD, RF Front-End. LNA, 서큘레이터, 아이솔레이터, 쿼터웨이브 전송라인, SPDT스위치

Description

시분할복신 무선통신시스템의 고주파 전단 장치{RF FRONT-END APPARATUS IN TDD WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 RF 스위치를 사용하는 고주파 전단 장치를 보여주는 도면.
도 2는 아이솔레이터를 사용하는 고주파 전단 장치를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시분할복신 시스템의 RF전단 장치의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 도 3의 구성에서 정상적인 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 3의 구성에서 송신 경로 상의 절단 또는 단락과 같은 예상치 못한 문제 발생시의 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 3의 구성에서 수신신호 흐름과 전력증폭기로부터 유기되는 노이즈 신호 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시분할복신(TDD) 시스템의 RF전단장치의 구성을 보여주는 도면.
도 8은 도 7의 구성에서 정상적인 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 7의 구성에서 송신 경로 상의 절단 또는 단락과 같은 예상치 못한 문제 발생시의 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 7의 구성에서 수신신호 흐름과 전력증폭기로부터 유기되는 노이즈 신호 흐름을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 방식의 무선통신 시스템에서 고주파(RF : Radio Frequency) 전단(Front-End) 장치에 관한 것으로, 특히 수신단 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)로 유입되는 송신전력을 감쇠시켜 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 상기 TDD 방식의 무선통신 시스템에서 RF 전단(Front-End)장치는 TDD기능을 위해 주로 RF 스위치(switch)나 서큘레이터(circulator)를 사용한다.
도 1은 RF 스위치(switch)를 사용하는 RF 전단 장치를 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, 송신부(Transmitter)(101)의 출력단에 전력증폭기(Power Amp)(102)가 연결되고, 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amp)(104)의 출력단에 수신부(Receiver)(103)가 연결된다. 여기서, SDRT(Single Pole Double Throw)스위치(105)는 송신일때는 상기 전력증폭기(102)로부터의 송신신호가 필터(106)에 연결되도록 스위칭되고, 수신일때는 상기 필터(106)로부터의 수신신호가 상기 저잡음 증폭기(104)에 연결되도록 스위칭된다. 상기 필터(106)는 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 한편, 방향성 커플러(D/C : Directional Coupler)(107)는 상기 필터(106)와 안테나 사이에 연결되며, 송신신호 및 수신신호를 커플링하는 기능을 수행한다. 이렇게 커플링된 신호는 송신신호 및 수신신호의 이상유무를 모니터링하는데 사용된다. 상기 도 1과 같은 구조는 제어신호에 의해 RF스위치(105)에서 송수신 경로(path)가 전환되는 방식이다. 이러한 구조는 주로 송신전력이 1W 미만인 시스템에 적용된다.
도 2는 서큘레이터를 사용하는 RF 전단 장치를 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, 송신부(Transmitter)(201)의 출력단에 전력증폭기(202)가 연결되고, 저잡음 증폭기(204)의 출력단에 수신부(203)가 연결된다. 여기서, 서큘레이터(205)는 상기 전력증폭기(202)로부터의 송신신호를 필터(206)에 연결하고, 상기 필터(206)로부터의 신호를 상기 저잡음 증폭기(204)에 연결하는 기능을 수행한다. 상기 필터(206)는 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 한편, 방향성 커플러(207)는 상기 필터(206)와 안테나 사이에 연결되며, 송신신호 및 수신신호를 커플링하는 기능을 수행한다. 이렇게 커플링된 신호는 송신신호 및 수신신호의 이상유무를 모니터링하는데 사용된다. 상기 도 2와 같은 구조는 순방향에 대해서는 신호감쇠가 거의 없이 전송되고 역방향에 대해서는 신호 전달 손실이 큰 특성을 이용하여 송수신을 분리하는 방식이다. 이러한 구조는 송신전력이 수 W (7~8 W 정도) 미만인 시스템에 적용된다.
상술한 RF 전단(Front-End) 장치들은 앞서 설명한 바와 같이 저전력의 고주파 신호를 사용하는 TDD 시스템(system)에 적용할 수는 있지만, 대전력(대략 10W 이상)의 고주파 신호를 사용하는 시스템에서는 부품의 파워 레이팅(power rating), 브레이크 다운(break down) 및 회로 구현 시 비현실적인 가격 등의 문제로 적용 할 수 없다. 특히, 도 1과 같은 방식으로 대전력을 처리할 수 있도록 RF 전단(Front-End) 구현 시 그 비용은 비현실적인 액수(약 $1,500)가 되며, 도 2와 같은 방식은 비교적 중전력까지 처리 할 수 있으나 안테나 피드 라인에 문제 발생시 송신전력의 반사전력이 저잡음 증폭기(LNA) 입력단으로 유입되어 저잡음 증폭기(LNA) 입력단 회로에 영구적인 손상을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
따라서 상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시분할복신(TDD) 방식의 무선통신시스템에서 대전력의 고주파 신호를 처리할 수 있는 RF 전단(Front-End)장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 대전력을 사용하는 시분할복신(TDD)방식의 무선통신시스템에서 전력증폭기의 종단회로를 보호하고 송신모드시 수신단 저잡음증폭기로 유입되는 송신전력을 감쇠시키기 위한 장치를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 송신기 장치에 있어서, 전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드 라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 쿼터웨이브 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와, 송신모드시 수신측 격리(isolation)를 위해 수신경로 상에 설치되는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인과, 제어신호에 따라 상기 쿼터웨이브 전송선 라인의 부하를 접지(ground)에 단락(short)시키거나 저잡음 증폭기에 연결하는 고주파 스위치와, 상기 고주파 스위치로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 출력하는 상기 저잡음 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 송신기 장치에 있어서, 전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드 라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 소정 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와, 상기 서큘레이터와 고주파 스위치 사이에 연결되는 상기 전송선 라인과, 제어신호에 따라 상기 전송선 라인의 부하를 소정 길이의 오픈 스터브(open stub)에 연결하거나 저잡음 증폭기에 연결하는 고주파 스위치와, 상기 고주파 스위치로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 출력하는 상기 저잡음 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설 명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 대전력을 사용하는 시분할복신(TDD) 방식의 무선통신시스템에서 전력증폭기의 출력단과 저잡음 증폭기의 입력단을 보호하기 위한 RF 전단(Front-End) 장치에 대해 설명할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시분할복신 시스템의 RF 전단 장치의 구성을 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전단 장치는, 송신부(301), 전력증폭기(302), 아이솔레이터(303), 서큘레이터(304), 수신부(305), 저잡음증폭기(306), 스위치(307), 쿼터웨이브(λ/4) 전송선 라인(transmission line)(308), 필터(309), 방향성 커플러(310) 및 안테나(311)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 쿼터웨이브( /4)라는 것은 상기 스위치(307)가 접지(ground)에 연결되었을 때 상기 서큘레이터(304)와 상기 접지 사이의 길이를 나타낸다. 이미 알려진 바와 같이, 전송선 이론(transmission line theory)에서 파형은 λ/4, 3λ/4, 5λ/4 지점 등에서 최대 진폭을 갖기 때문에, 상기 쿼터웨이브 전송선 라인은 (
Figure 112006000210014-pat00001
, n=0,1,2,3,...) 전송선 라인으로 일반화할 수 있다.
삭제
도 3을 참조하면, 먼저 전력증폭기(302)는 송신부(301)로부터의 송신신호를 전력 증폭하여 출력한다. 아이솔레이터(303)는 상기 전력증폭기(302)의 출력단에 연결되며, 상기 전력증폭기(302)의 종단회로를 보호하는 기능을 수행한다. 아울러, 송신모드에서 급전선(antenna feed line path)에 이상 발생시 반사되어 되돌아오는 신호에 대한 종단(termination) 역할을 수행한다. 상기 아이솔레이터(303)는 일반적으로 전력증폭기(302)의 출력단에 구성되는 아이솔레이터를 그대로 사용할수 있 다.
상기 서큘레이터(304)는 송신측(전력증폭기(302) 및 아이솔레이터(303))과 수신측(λ/4 전송선 라인(308) 및 저잡음 증폭기(306)) 사이에서 20dB 정도의 신호격리(isolation)를 제공한다. 아울러, 안테나측(필터(309) 및 방향성 커플러(310))과 각각의 송/수신측 사이에서 0.3 dB 정도의 경로 손실(path loss)을 제공한다. 상기 서큘레이터(304)는 도시된 방향성에 따라 상기 아이솔레이터(303)로부터의 신호를 상기 필터(309)에 전달하고, 상기 필터(309)로부터의 신호를 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)으로 전달한다.
상기 필터(309)는 상기 서큘레이터(304)와 상기 방향성 커플러(310) 사이에 연결되며, 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 상기 방향성 커플러(310)는 상기 필터(309)와 안테나(311) 사이에 연결되며, 송신신호 및 수신신호를 커플링하는 기능을 수행한다. 이렇게 커플링된 신호는 송신신호 및 수신신호의 이상유무를 모니터링하는데 사용된다.
상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)은 상기 서큘레이터(304)와 접지 사이에 연결된다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)은 상기 스위치(307)가 접지(ground)에 연결되었을 때, 상기 서큘레이터(304)의 소정 단자를 시작으로 상기 스위치(307)를 경유하여 접지까지의 전송선 라인을 나타낸다. 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)의 부하의 상태(SPDT 스위치(307)의 연결상태)에 따라 상기 서큘레이터(304) 측에서 바라본 임피던스는 오픈(SPDT 스위치(307)가 접지(ground)에 연결된 상태)되거나 50 (SPDT 스위치(037)가 저잡음 증폭기(306)에 연결된 상태)이 된다. 실제로, 상기 SPDT 스위치(307)가 접지(ground)에 연결되면(제어신호 TX on 시), 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)은 서큘레이터(304)와 SPDT 스위치(307) 사이에 20dB 정도의 격리도를 제공한다.
상기 SPDT스위치(307)는 TX on/off 제어신호에 따라 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(307)의 부하를 접지(ground)에 단락시키거나 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 연결하는 기능을 수행한다. 한편, 제어신호 TX on 시, 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)과 상기 저잡음 증폭기(306)의 입력단 사이에 26 dB 정도의 신호 격리도를 제공하고, 제어신호 TX off 시 0.3 ~ 0.4 dB 정도의 신호손실을 제공한다. 여기서, 상기 SPDT스위치(307) 대신에 핀 다이오드(PIN) 스위치를 사용할수도 있다.
상기 저잡음 증폭기(306)는 상기 SPDT스위치(307)로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 수신부(305)로 출력한다. 즉, 상기 저잡음 증폭기(306)는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인(308)을 통해 입력되는 신호를 저잡음 증폭하여 상기 수신부(305)로 출력한다.
그러면, 이하에서 상기 도 3의 구성에 근거한 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
도 4는 도 3의 구성에서 정상적인 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다. 송신모드에서는 대전력의 송신신호가 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 전기적인 손상을 미치지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.
도 4를 참조하면, 먼저 전력증폭기(302)에서 출력되는 60 W정도의 송신신호는 아이솔레이터(303)->서큘레이터(304)->필터(309)->방향성 커플러(310)->안테나(311) 경로(ⓐ)를 통해 방사된다. 이때 SPDT 스위치(307)는 TX on 제어신호에 의해 접지(ground)에 연결된 상태이다. 따라서 일측이 단락(short)된 상태의 λ/4 전송선 라인(예: 2.35 GHz에서 유효 파장길이의 1/4)(308)의 다른 측에서 바라본 임피 던스(impedance)는 전송선로 이론(∞ = jZo tan βℓ, ℓ=λ/4)에 의해 오픈 임피던스(open impedance)가 되어 대전력의 송신신호가 수신단으로 전달되는 것을 방지한다. 실제로, 이 상태에서 λ/4 전송선 라인(308)은 20 dB 이상의 송신신호 격리도를 제공한다. 또한 SPDT 스위치(307)도 26dB (NEC 사의 uPG2009 사용예) 정도의 송신신호 격리도를 제공한다. 최종적으로, 서큘레이터(304)의 누설을 통해 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에서 유기되는 송신측 전력(경로 ⓑ)을 산출해 보면 다음과 같다.
-18.5 dBm = +47.8dBm(전력증폭기 출력,60W) - 0.3 dB (아이솔레이터 손실) - 20 dB (서큘레이터 격리도) - 20 dB (λ/4 전송선로 격리도) - 26 dB (SPDT 스위치 격리도)
상기한 수식으로부터 저잡음 증폭기(306)의 입력단에서 유기되는 송신(TX) 전력은 약 -18dBm이 된다. 이 값은 저잡음 증폭기(Agilent사의 MGA72543 사용예) 입력단의 Input IP3 (+ 12 dBm) 보다 매우 작은 값으로, 송신모드시 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 아무런 전기적인 손상을 미치지 않는다.
도 5는 도 3의 구성에서 송신 경로(path) 상의 절단 또는 단락과 같은 예상치 못한 문제 발생시의 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다. 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 송신모드이기 때문에 안테나단 ⓒ에서 반사되어 되돌아오는 대전력의 송신신호가 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 전기적인 손상을 미치지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 상기 도 4와 다른 점은 반사되어 되 돌아오는 송신신호의 반사파 전력이 수신경로를 따라 전달되므로 서큘레이터(304)에서 제공하던 송/수신 격리가 없어졌다는 것이며, 이것은 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 상당한 악영향을 미칠수 있다는 것을 의미한다.
도 5를 참조하면, 먼저 전력증폭기(302)에서 출력되는 60 W 정도의 송신신호는 아이솔레이터(303) -> 서큘레이터(304) -> 필터(309) -> 방향성 커플러(310) -> ⓒ점에서 반사 -> 방향성 커플러(310) -> 필터(309) -> 서큘레이터(304) -> 오픈 임피던스 상태인 λ/4 전송선 라인(308)에서 반사 -> 아이솔레이터(303) 경로(ⓗ)를 통해 최종 아이솔레이터(303)에서 종단된다.
이때 SPDT 스위치(307)는 TX on 제어신호에 의해 접지(ground)에 연결된 상태이고, λ/4 전송선 라인(308)은 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 오픈 임피던스(open impedance) 상태이다. 따라서, 상기 서큘레이터(304)와 SPDT 스위치(307) 사이에 20 dB 이상의 송신신호 격리를 제공한다. 이러한 상태에서 수신측 저잡음 증폭기(306)의 입력단에서 유기되는 송신측 반사전력(경로ⓓ)을 산출해 보면 다음과 같다.
- 1.5 dBm = +47.8dBm(전력증폭기 출력, 60W) - 0.3 dB (아이솔레이터 손실) - 0.3 dB (서큘레이터 손실) - 0.9 dB (필터 삽입 손실) - 0.6 dB (방향성 커플러 트레블링(traveling) 손실) - 0.9 dB (필터 삽입 손실) - 0.3 dB (서큘레이터 손실) - 20 dB (λ/4 전송선 라인 격리도) - 26 dB (SPDT 스위치 격리도)
상기 수식으로부터 잡음 증폭기(306)의 입력단에서 유기되는 송신측 반사전력은 약 - 1.5 dBm가 된다. 이 값은 저잡음 증폭기(Agilent사의 MGA72543 사용예) 입력단의 Input IP3 (+ 12 dBm) 보다 13.5 dB 정도 작은 값이다. 앞서 언급한 바와 같이, 서큘레이터(304)에서 제공하던 송/수신 격리가 없어졌다는 점에서 수신측의 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 상당한 악영향을 미칠 수 있다는 예상과는 달리, 송신측 대전력 신호가 여전히 수신측의 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 아무런 전기적인 손상을 미치지 않는다. 또한 이러한 구조는 반사된 송신전력이 아이솔레이터(303)에서 종단되기 때문에 고가의 전력증폭기(302) 출력단을 보호할수 있는 이점이 있다.
도 6은 도 3의 구성에서 수신신호 흐름과 전력증폭기로부터 유기되는 노이즈 신호 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 수신모드에서는 전력증폭기(302)로부터 유기되는 노이즈 전력과 시스템 NF(Noise Figure)에 직접적으로 영향을 미치는 안테나(311)와 저잡음 증폭기(306)의 입력단 사이에서 발생하는 신호 손실을 줄이는 것이 중요하다.
도 6을 참조하면, 먼저 SPDT 스위치(307)는 TX off 제어신호에 의해 접지(ground)에 단락(short)되어 있던 단자가 저잡음 증폭기(306)의 입력단에 연결된다. 이때, λ/4 전송선 라인(308)의 다른 일측에서 바라본 임피던스(impedance)는 전송선로 이론( 50Ω = Zo2 / ZL, ZL=50)에 의해 50Ω(단락(short)임피던스)이 되어 λ/4 전송선 라인(308)에서의 수신신호 손실이 거의 없다. 상기 안테나(311)와 상기 저잡음 증폭기(306)의 입력단 사이의 손실(경로 ⓖ)을 산출하면 다음과 같다.
-1.9 dB = - 0.3 (방향 커플러 손실) - 0.9 dB (필터 삽입 손실) - 0.3 (서 큘레이터 손실) - 0.4 (SPDT스위치 손실)
상기 수식으로부터 안테나(311)와 저잡음 증폭기(306)의 입력단 사이의 손실은 약 -1.9 dB 가 된다. 이 손실 값은 타 시스템에서 얻어지는 값과 같은 전형적인 값이다. 따라서 본 발명은 NF(Noise Figure)의 열화도 거의 없다.
한편, 수신모드에서는 상기 전력증폭기(302)로부터의 수신측 임피던스(interference) 영향을 최소화하기 위해 상기 전력증폭기(302)의 바이어스(예 : 게이트 바이어스) 제어 신호를 오프(Off)하게 된다. 이때 상기 서큘레이터(304)는 20 dB 정도의 전력증폭기(302)의 출력 노이즈 격리를 제공한다. 상기 저잡음 증폭기(306)의 입력단에서 바이어스 제어 신호가 오프(off) 상태인 전력증폭기(302)로부터 유기되는 전력(경로 ⓕ)을 산출하면 다음과 같다.
-104.7 dBm/10MHz = - 84 dBm/10 MHz (전력증폭기 전력) - 0.3 dB (아이솔레이터 손실) - 20 dB (서큘레이터 격리도) - 0.4 (SPDT 스위치 손실)
상기 수식으로부터 저잡음 증폭기(306)의 입력단에서 전력증폭기(302)로부터 유기되는 전력은 약 -104.7 dBm/10MHz가 된다. 이 값은 서멀 노이즈(thermal noise) 수준으로 수신측 성능에 영향을 미치지 않는 전력레벨이다. 즉, 도 3의 구조는 수신모드에서도 최적의 상태로 입력신호를 수신할수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시분할복신(TDD) 시스템의 RF전단장치의 구성을 보여준다. 상술한 본 발명의 일 실시예와 다른 점은, 서큘레이터와 SPDT스위치 사이에 전송선 라인(transmission line)을 연결하고, 상기 SPDT스위치의 소정 단자에 접지(ground) 대신 소정 길이의 오픈 스터브(open stub)를 연결하여 송신모드시 수신측 격리를 위한 전송선 라인을 λ/2 길이로 한다는 것이다. 이때 ( 전송선 라인 + 스위치 + 오픈 스터브)의 길이는 λ/2 가 되며, 스위치는 상기 λ/2 길이의 중심에 위치하는 것을 특징으로 한다. 이러한 관점에서, 이하 설명은 (전송선 라인 + 스위치 + 오픈 스터브)를 "λ/2 전송선 라인(713)"으로 통칭하기로 한다. 한편. 이미 알려진 바와 같이, 전송선 이론(transmission line theory)에서 파형은 λ/2, λ, 3λ/2 지점 등에서 동일하게 최대 진폭을 갖기 때문에, 상기 λ/2 전송선 라인은 (
Figure 112006000210014-pat00002
,n=0,1,2,3,...) 전송선 라인으로 일반화할수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF전단장치는, 송신부(701), 전력증폭기(702), 아이솔레이터(703), 서큘레이터(704), 수신부(705), 저잡음증폭기(706), 스위치(707), 전송선 라인(708), 필터(709), 방향성 커플러(710), 안테나(711) 및 오픈 스터브(712)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 스위치(707)는 앞서 설명한 바와 같이 SPDT(single Pole Double Throw)스위치 또는 핀(PIN) 다이오드 스위치를 사용할수 있다. 한편, 이하 도 7을 설명함에 있어 앞서 설명한 구성들에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 주요 구성들 위주로 살펴보면 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 상기 서큘레이터(704)는 송신측(전력증폭기(702) 및 아이솔레이터(703))과 수신측( λ/2 전송선 라인(713) 및 저잡음 증폭기(706)) 사이에서 20dB 정도의 신호 격리(isolation)를 제공한다. 아울러, 안테나측(필터(709) 및 방향성 커플러(710))과 각각의 송/수신측 사이에서 0.3dB 정도의 경로 손실(path loss)을 제공한다.
상기 λ/2 전송선 라인(713)은 부하의 상태(스위치(707)의 연결 상태)에 따라 상기 서큘레이터(704) 측에서 바라본 임피던스가 오픈(스위치(707)가 오픈 스터 브(712)에 연결된 상태)이 되거나 50Ω(스위치(707)가 저잡음 증폭기(706)에 연결된 상태)이 된다. 실제로, 상기 스위치(707)가 상기 오픈 스터브(712)에 연결된 상태(제어신호 Tx on)가 되면, 서큘레이터(704)와 스위치(707) 사이에 20dB 정도의 신호 격리를 제공하게 된다.
상기 스위치(707)는 Tx on/off 제어신호에 따라 전송선 라인(708)을 오픈 스터브(712)에 연결하거나 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 연결하는 기능을 수행한다. 여기서, 송신모드(Tx on)에서 상기 전송선 라인(708)과 상기 저잡음 증폭기(706) 사이에 26dB 정도의 신호 격리를 제공하고, 수신모드(Tx off)에서 0.3∼0.4dB 정도의 삽입 손실(insertion loss)을 제공한다. 상세히, 상기 스위치(707)가 상기 오픈 스터브(712)로 스위칭되면, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 스위치(707)에 의해 단락(short)되는 지점(진폭이 0인 지점)으로부터 λ/4 떨어진 지점의 신호 진폭이 최대가 되기 때문에 상기 λ/2 전송선 라인(713)의 임피던스가 오픈(open) 상태가 된다.
한편, 상기 아이솔레이션(703)은 송신모드(Tx on)에서 급선전(antenna feed line) 이상으로 반사되어 되돌아오는 송신신호를 종단(termination)하고 동시에 상기 전력증폭기(702)의 종단회로를 보호하는 기능을 수행한다.
그러면, 이하에서 상기 도 7의 구성에 대한 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
도 8은 정상적인 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다. 송 신모드에서는 대전력의 송신신호가 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 전기적인 손상을 미치지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.
도 8을 참조하면, 먼저 전력증폭기(702)에서 출력되는 60 W정도의 송신신호는 아이솔레이터(703)->서큘레이터(704)->필터(709)->방향성 커플러(710)->안테나(711) 경로(ⓐ)를 통해 방사된다. 이때 SPDT 스위치(707)의 단자는 TX on 제어신호에 의해 오픈 스터브(712)에 연결된다. 이때, 일측이 오픈(open)된 상태의 λ/2 전송선 라인(예: 2.35 GHz에서 유효 파장길이의 1/2)(713)의 다른 측에서 바라본 임피던스(impedance)는 전송선로 이론(∞ = -jZo cot βℓ, β=2π/λ, ℓ=λ/2)에 의해 오픈 임피던스(open impedance)가 되어 대전력의 송신신호가 수신단으로 전달되는 것을 방지한다.
한편, 상기 서큘레이터(704)의 누설을 통해 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에서 유기되는 송신측 전력(경로 ⓑ)을 산출해 보면, 본 발명의 일 실시예서와 마찬가지로 -18.5 dBm 가 된다. 이 값은 저잡음 증폭기(Agilent사의 MGA72543 사용예) 입력단의 Input IP3 (+ 12 dBm) 보다 매우 작은 값으로, 송신모드시 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 아무런 전기적인 손상을 미치지 않는다.
도 9는 송신 경로(path) 상의 절단 또는 단락과 같은 예상치 못한 문제 발생시의 송신신호 흐름과 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이 안테나단 ⓒ에서 반사되어 되돌아오는 대전력의 송신신호가 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 전기적인 손상을 미치지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 상 기 도 8과 다른 점은 반사되어 되돌아오는 송신신호의 반사파 전력이 수신경로를 따라 전달되므로 서큘레이터(704)에서 제공하던 송/수신 격리가 없어졌다는 것이며, 이것은 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 상당한 악영향을 미칠수 있다는 것을 의미한다.
도 9를 참조하면, 먼저 전력증폭기(702)에서 출력되는 60 W 정도의 송신신호는 아이솔레이터(703) -> 서큘레이터(704) -> 필터(709) -> 방향성 커플러(710) -> ⓒ점에서 반사 -> 방향성 커플러(710) -> 필터(709) -> 서큘레이터(704) -> 오픈 임피던스 상태인 λ/2 전송선 라인(713)에서 반사 -> 아이솔레이터(703) 경로(ⓗ)를 통해 최종 아이솔레이터(703)에서 종단된다.
이때 SPDT 스위치(707)는 TX on 제어신호에 의해 상기 λ/2 전송선 라인(708)의 부하를 오픈(open) 상태로 만든다. 이로 인해, 상기 서큘레이터(704)와 SPDT 스위치(707) 사이에 20 dB 이상의 송신신호 격리를 제공한다. 이러한 상태에서 수신측 저잡음 증폭기(706)의 입력단에서 유기되는 송신측 반사전력(경로ⓓ)을 산출해 보면 - 1.5 dBm 가 된다. 이 값은 저잡음 증폭기(Agilent사의 MGA72543 사용예) 입력단의 Input IP3 (+ 12 dBm) 보다 13.5 dB 정도 작은 값이다. 앞서 언급한 바와 같이, 서큘레이터(704)에서 제공하던 송/수신 격리가 없어졌다는 점에서 수신측의 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 상당한 악영향을 미칠 수 있다는 예상과는 달리, 송신측 대전력 신호가 여전히 수신측의 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 아무런 전기적인 손상을 미치지 않는다. 또한 이러한 구조는 반사된 송신전력이 아이솔레이터(703)에서 종단되기 때문에 고가의 전력증폭기(702) 출력단을 보호할수 있는 이점이 있다.
도 10은 수신신호 흐름과 전력증폭기로부터 유기되는 노이즈 신호 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 수신모드에서는 전력증폭기(702)로부터 유기되는 노이즈 전력과 시스템 NF(Noise Figure)에 직접적으로 영향을 미치는 안테나(711)와 저잡음 증폭기(706)의 입력단 사이에서 발생하는 신호 손실을 줄이는 것이 중요하다.
도 10을 참조하면, 먼저 SPDT 스위치(707)는 TX off 제어신호에 의해 오픈 스터브(open stub)에 연결되어 있던 단자가 저잡음 증폭기(706)의 입력단에 연결된다. 이때, λ/2 전송선 라인(713)의 다른 일측에서 바라본 임피던스(impedance)는 전송선로 이론( 50Ω = Zo2 / ZL, ZL=50)에 의해 50Ω이 되어 λ/2 전송선 라인(713)에서의 수신신호 손실이 거의 없다. 여기서, 상기 안테나(711)와 상기 저잡음 증폭기(706)의 입력단 사이의 손실(경로 ⓖ)을 산출하면, 앞서 본 발명의 일 실시예에서와 마찬가지로 -1.9 dB 가 된다. 이 손실 값은 타 시스템에서 얻어지는 값과 같은 전형적인 값이다. 따라서 본 발명은 NF(Noise Figure)의 열화도 거의 없다.
한편, 수신모드에서는 상기 전력증폭기(702)로부터의 수신측 임피던스(interference) 영향을 최소화하기 위해 상기 전력증폭기(702)의 바이어스(예 : 게이트 바이어스) 제어 신호를 오프(Off)하게 된다. 이때 상기 서큘레이터(704)는 20 dB 정도의 전력증폭기(702)의 출력 노이즈를 격리한다. 상기 저잡음 증폭기(706)의 입력단에서 바이어스가 오프(off) 상태인 전력증폭기(702)로부터 유기되는 전력(경로 ⓕ)을 산출하면, 앞서 본 발명의 일 실시예서와 마찬가지로 -104.7 dBm/10MHz 가 된다. 이 값은 서멀 노이즈(thermal noise) 수준으로 수신측 성능에 영향을 미치지 않는 전력레벨이다. 즉, 도 7의 구조는 수신모드에서도 최적의 상태로 입력신호를 수신할수 있다.
부연하여 설명하면, 상술한 본 발명의 일 실시 예는 사용 주파수가 2∼3GHz인 시스템에 적용할수 있고, 본 발명의 다른 실시 예는 사용주파수가 3GHz 이상인 시스템에 적용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 사용 주파수가 3GHz 이상의 경우 λ/4 전송선 라인의 길이가 너무 짧아져 실제 구현시 어려운 점이 있기 때문이다. 실례로, 사용 주파수가 4GHz이고 기판 유전율이 4.7인 PCB(Printed Circuit Board)에서 λ/4 유효 파장 길이는 약 8.6mm 정도 되는데, SPDT 스위치와 그 주변 회로만으로도 이 유효 파장 길이를 초과할수 있다. 따라서 사용 주파수가 3GHz 이상의 경우, 본 발명의 다른 실시 예와 같이 수신측 격리(isolation)를 위한 전송선 라인을 λ/2 로 하여 회로를 설계한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정 해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 대전력을 사용하는 TDD방식의 무선 통신시스템에서, 전력증폭기(PA)의 출력단을 보호할수 있을 뿐만 아니라 송신모드시 저잡음 증폭기로 유입되는 송신전력을 감쇠시켜 저잡음 증폭기를 보호할수 있는 이점이 있다. 특히, 본 발명에 따른 구조를 현재 개발이 활발한 HPI(High speed Portable Internet) 시스템의 RF 전단(front-end)에 적용할 경우, 대전력 신호의 TDD 동작에 따른 기술적인 난관을 쉽게 해결할수 있다. 한편, 본 발명에 따른 (서큘레이터+아이솔레이터+전송선 라인+고주파 스위치) 부분은 하나의 모듈형태로도 제작 가능하므로, 기술이전과 그에 따른 수입 창출도 용이할 것으로 기대된다.

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  11. 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전단 장치에 있어서,
    전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드 라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 쿼터웨이브 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와,
    송신모드시 수신측 격리(isolation)를 위해 수신경로 상에 설치되는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인과,
    제어신호에 따라 상기 쿼터웨이브 전송선 라인의 부하를 접지(ground)에 단락(short)시키거나 저잡음 증폭기에 연결하는 고주파 스위치와,
    상기 고주파 스위치로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 출력하는 상기 저잡음 증폭기와,
    급전선 이상으로 반사되어 되돌아오는 신호는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인에서 반사되며, 상기 전력증폭기의 출력단을 보호하고 상기 쿼터웨이브 전송선 라인에서 반사된 신호를 종단하기 위한 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 쿼터웨이브 전송선 라인은 상기 고주파 스위치의 연결상태에 따라 상기 서큘레이터 측에서 바라본 임피던스(impedance)가 오픈(open)임피던스가 되거나 단락(short)임피던스가 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 SPDT(Single Pole Double Throw)스위치인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 핀(PIN) 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 서큘레이터와 상기 접지 사이에 구성되는 상기 쿼터웨이브 전송선 라인의 길이는 (
    Figure 112007018316415-pat00003
    , n=0,1,2,3,... ,λ=파장 ) 인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    수신모드시, 상기 전력증폭기의 바이어스를 오프(off)하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전단 장치에 있어서,
    전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드 라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 소정 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와,
    상기 서큘레이터와 고주파 스위치 사이에 연결되는 상기 전송선 라인과,
    제어신호에 따라 상기 전송선 라인의 부하를 소정 길이의 오픈 스터브(open stub)에 연결하거나 저잡음 증폭기에 연결하는 상기 고주파 스위치와,
    상기 고주파 스위치로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 출력하는 상기 저잡음 증폭기와,
    급전선(antenna feed line) 이상으로 반사되어 되돌아오는 신호는 상기 전송선 라인에서 반사되며, 상기 전력증폭기의 출력단을 보호하고 상기 전송선 라인에서 반사된 신호를 종단하기 위한 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전송선 라인, 상기 고주파 스위치 및 상기 오픈 스터브가 연결되어 형성하는 전송선 라인의 길이는 (
    Figure 112007018316415-pat00004
    , n=0,1,2,3,... , λ=파장 ) 인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 삭제
  21. 제18항에 있어서,
    상기 전송선 라인은 상기 고주파 스위치의 연결상태에 따라 상기 서큘레이터 측에서 바라본 임피던스가 오픈(open)임피던스가 되거나 단락(short)임피던스가 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 SPDT(Single Pole Double Throw)스위치인 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 핀(PIN) 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제18항에 있어서,
    수신모드시, 상기 전력증폭기의 바이어스를 오프(off)하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전단 장치에 있어서,
    전력증폭기로부터의 신호를 안테나 피드라인으로 전달하고, 상기 안테나 피드 라인으로부터의 신호를 소정 전송선 라인으로 전달하기 위한 서큘레이터와,
    수신경로 상에 설치되며, 송신모드시 부하 임피던스가 오픈(open) 임피던스가 되는 소정 길이의 상기 전송선 라인과,
    급전선(antenna feed line) 이상으로 반사되어 되돌아오는 신호는 상기 전송선 라인에서 반사되며, 상기 전력증폭기의 출력단을 보호하고 상기 전송선 라인에서 반사된 신호를 종단하기 위한 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전송선 라인의 길이는 (
    Figure 112007018316415-pat00005
    , n=0,1,2,3,... , λ=파장) 인 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 전송선 라인의 길이는 (
    Figure 112007018316415-pat00006
    , n=0,1,2,3,... , λ=파장) 인 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 전송선 라인의 적소에 설치되며, 수신모드시 상기 전송선 라인의 부하를 저잡음 증폭기로 스위칭하기 위한 고주파 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 SPDT(Single Pole Double Throw)스위치인 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 고주파 스위치는 핀(PIN) 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 전송선 라인의 일단은 상기 서큘레이터에 연결되고, 타단은 접지에 연결되거나 오픈 스터브(open stub)로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제25항에 있어서,
    수신모드시, 상기 전력증폭기의 바이어스를 오프(off)하는 것을 특징으로 하는 장치.
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