KR100865087B1 - 스위칭 빔 형성 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위칭 빔 형성 장치에 관한 것으로서, 다수의 지향성을 갖는 다수개의 안테나소자와, 다수개의 안테나소자로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력시키는 스위칭 빔 형성 회로와; 빔 형성 회로를 통과한 신호 중 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로의 신호를 연결된 저항으로 연결시키는 다수의 스위치와; 스위칭 빔 형성회로에서 출력된 후 스위치와 저항으로 연결되지 않은 하나의 지향된 신호만을 수신하여 로컬오실레이터에서 출력된 신호와 혼합하는 다수의 주파수 변환기와, 하나의 지향된 신호만을 수신하여 복호화하는 복호부 및 기저대역부로 구성되므로, 신호의 격리도를 충분히 높일 수 있으며, 또한, 증폭기는 임피던스 정합 회로로써만 동작하면 되므로, 임피던스의 값이 최대한 유지되도록 하면서, 전력 소모를 줄일 수 있도록 하여 시스템의 효율 및 신호대잡음비가 개선되고, 신호의 격리도 특성이 향상된 효과가 있다.
스위칭, 빔, 버틀러 메트릭스, 안테나,
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 빔 형성 장치를 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 기판 위에 구현될 수 있는 CMOS 캐스코드 증폭기를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 도 2의 CMOS 캐스코드 증폭기를 이용하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 빔 형성 장치를 나타낸 블록 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
101 : 안테나 102 : 스위칭 빔 형성회로
103 : 증폭기 104 : 주파수 변환기
105 : 로컬오실레이터 106 : 복조부 및 기저대역부
107 : 스위치 108 : 저항
109 : 바이어스
본 발명은 스위칭 빔 형성 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전원 변환 장치와 스위치 및 저항을 이용하여 스위칭 빔 형성 장치의 성능을 높이고 효율을 개선하도록 구성한 스위칭 빔 형성 장치에 관한 것이다.
안테나의 빔을 특정 방향으로 고정시킬 수 있는 스위칭 빔 형성 장치는 시스템의 신호대 잡음비(Signal and Noise Ratio ; SNR)를 개선시킬 수 있으며, 적응형 안테나에 비하여 성능은 열세이지만, 가격적인 측면에서 많은 이점을 가지고 있다.
이와 같은 스위칭 빔을 형성하기 위한 빔 형성 장치는 일반적으로 다음과 같이 구성된다. 먼저, 안테나와 다중 빔을 형성하는 회로로부터, 특정 경로(path)의 신호를 선택하고, 그 신호는 증폭기에 의해서 증폭된다. 상기 신호는 분배된 국부 발진 신호에 의하여 주파수 변환된 후 신호 합성부를 통과하고, 최종 수신기로 입력된다. 신호를 받은 수신기는 신호의 세기를 분별하여, 안테나의 빔 방향이 변환될 수 있도록 제어 신호를 빔 형성 회로로 다시 전달한다.
그런데, 스위칭 빔 형성 장치의 신뢰성을 높이기 위하여 신호가 출력되는 특정 경로가 아닌 나머지 다른 경로의 임피던스 정합 회로를 구현하는 방법이 중요하다. 그 이유는 이와 같은 임피던스 정합 회로를 제대로 구현하여야 빔 형성장치가 정상적으로 동작하며, 원하는 경로에서 신호의 증폭 및 주파수 변환 특성이 제대로 이루어지게 되기 때문이다. 임피던스 정합 회로를 구현하기 위한 방법은 일반적으 로 두 가지로 요약될 수 있다.
첫째, 안테나와 빔 형성 회로 다음 단에 수동 소자나 고가의 임피던스 단락회로를 사용하는 방법이다. 이 첫 번째 방법은 임피던스 정합 특성이 뛰어나지만, 손실이 커서 시스템의 성능이 떨어지는 원인으로 작용하는 문제점이 있다.
둘째, 특정 경로를 선택하는 것이 아니라, 각 경로마다 능동 소자와 주파수 변환기를 형성하고, IF단이나 baseband단에서 신호를 합성하는 방식이다. 하지만, 이 방식은 효율이 떨어지고, 신호 합성기의 성능이 이상적이지 못하므로, 능동 소자 사이의 신호 결합이 발생하여 시스템의 신뢰도가 떨어지게 되는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 시스템의 효율을 고려하고, 신호 합성기의 신호 격리도 특성이 낮은 것을 극복하기 위한 신호 격리 방법을 개선한 스위칭 빔 형성 장치를 제공하는 데에 있는 것이다.
따라서, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스위칭 빔 형성 장치는, 다수의 지향성을 갖는 다수개의 안테나소자와, 다수개의 안테나소자로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력시키는 스위칭 빔 형성 회로와; 빔 형성 회로를 통과한 신호 중 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로의 신호를 연 결된 저항으로 연결시키는 다수의 스위치와; 스위칭 빔 형성회로에서 출력된 후 스위치와 저항으로 연결되지 않은 하나의 지향된 신호만을 수신하여 로컬오실레이터에서 출력된 신호와 혼합하는 다수의 주파수 변환기와; 하나의 지향된 신호만을 수신하여 복호화하는 복호부 및 기저대역부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 스위칭 빔 형성 장치는, 다수의 지향성을 갖는 다수개의 안테나소자와, 다수개의 안테나소자로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력시키는 스위칭 빔 형성 회로와, 빔 형성 회로를 통과한 신호 중 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로의 신호를 연결된 저항으로 연결시키는 다수의 스위치와, 스위칭 빔 형성회로에서 출력된 후 스위치와 저항으로 연결되지 않은 하나의 지향된 신호만을 수신하여 로컬오실레이터에서 출력된 신호와 혼합하는 다수의 주파수 변환기와, 하나의 지향된 신호만을 수신하여 복호화하는 복호부 및 기저대역부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 빔 형성 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 1을 참조하여 보면, 본 발명은 다수의 안테나(101), 스위칭 빔 형성회로(102)와, 다수의 증폭기(103), 다수의 주파수 변환기(104), 로컬오실레이터(105), 복조부 및 기저대역부(106), 다수의 스위치(107), 다수의 저항(108) 및 바이어스(109)로 구성된다.
먼저, 다수의 안테나(101)가 구성되어 있다. 안테나(101)는 다수의 지향성을 갖고 방위각 방향으로 배열되어 구성된다.
그리고, 다수의 안테나(101)와 연결되어 스위칭 빔 형성 회로(102)가 구성되어 있다. 스위칭 빔 형성회로(102)는 다수개의 안테나(101)로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력하고, 송신되는 다수개의 독립된 빔을 다수 개의 안테나(101) 통해 각각 방사하는 역할을 하게 된다.
이와 같은 스위칭 빔 형성 회로(102)는 일례로 버틀러 메트릭스(Butler matrix)로 구성할 수 있다.
안테나와 빔 형성회로는 하나의 기판에 구현 가능하며, 빔 형성 회로와 안테나는 Si기판이나 GaAs기판, 유기 기판(organic substrate), 또는 세라믹 기판 중 어느 하나의 기판에 구현할 수 있다.
다수의 안테나(101)에서 수신되어 스위칭 빔 형성회로(102)를 통과한 빔은 다수개의 특정 방향으로 고정된 빔이며, 다수의 경로로 신호가 지나가고, 그 신호는 증폭기(103)를 통과하여 증폭된다. 여기서, 증폭기(103)는 저잡음 증폭기를 사용할 수 있다.
증폭기(103)에 의해 증폭된 다수개의 경로의 신호는 주파수 변환기(104)로 입력되어서 로컬오실레이터(Local Oscilator ; LO)(105)에서 출력된 신호와 혼합된 후 중간주파수(Intermediate Frequence ; IF) 신호로 변환된다.
로컬오실레이터(105)에 의해 중간주파수 신호로 변환된 다수의 경로의 신호는 복조기 및 기저대역부(Baseband Part)(106)로 입력된다.
이때, 특정 경로를 지나는 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로는 고정 임피던스(일례로, 50옴)로 지정되어야 한다. 이 기능을 구현하기 위하여 제어 전압으로 원하는 신호가 아닌 나머지의 고정 임피던스로 지정된 N-1개의 경로는 스위치(107)를 복조부 및 기저대역부(106)가 아닌 저항(108)으로 연결시켜 해당 경로를 통과하는 신호가 스위칭 빔 형성 장치 내로 루프백되지 않도록 한다. 즉, 특정 방향으로 고정된 하나의 신호를 제외한 N-1개의 신호는 본 발명의 스위칭 빔 형성 장치 내로 루프백되지 않도록 차단한 효과가 있는 것이다.
따라서, 로컬오실레이터(105)에 의해 중간주파수 신호로 변환된 신호는 전술한 스위치(107)와 저항(108)에 의해 로컬 오실레이터(105)를 통과한 신호 중 하나의 지향된 신호만이 복조기 및 기저대역부(Baseband Part)(106)로 입력되는 것이다.
이렇게 함으로써, 신호의 격리도를 충분히 높일 수 있다. 그리고, 다른 N-1개의 증폭기(103)는 임피던스 정합 회로로써만 동작하면 되므로, 임피던스의 값이 최대한 유지되도록 하면서, 전력 소모를 줄일 수 있도록 제어신호를 이용하여 증폭기(103)의 전원 바이어스(Vct_1, Vct_2, Vct_3, ..., Vct_n)(109)를 변경하여 제어할 수 있다. 이때, 능동소자를 포함하는 경우에는 실리콘 기판이나 GaAs 기판에 구현할 수 있다.
지금까지, 주파수 변환기의 경우 불평형 구조에 대해서만 설명 되었으나, 평형인 구조에 대해서도 마찬가지로 적용되며, 이 때 0도와 180도 신호에 대하여 스위치와 저항이 각각 존재한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 기판 위에 구현될 수 있는 CMOS 캐스코드 증폭기를 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하여 보면, 입력신호(RFin)는 제1 CMOS 트랜지스터(TR1)(202)에서 증폭되고, 다시 제2 CMOS 트랜지스터(TR2)(203)에서 다시 증폭된다.
CMOS 캐스코드 증폭기(201)로 동작시키기 위한 바이어스(일례로, Vg1과 Vg3)를 정할 경우, 임피던스 정합 회로로 동작시키기 위하여 제어 신호 Vc1과 Vc2를 다른 바이어스(일례로, Vg2와 Vg4)로 변경시키면, 전력 소모를 줄이면서 임피던스 특성이 거의 변하지 않는 능동 임피던스 단락 회로를 구현할 수 있다.
한편, 바이어스를 게이트에 구성하였지만, 드레인 방향에도 바이어스를 연결하여 구성할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 CMOS 트랜지스터를 이용하여 구현하였지만, FET 트랜지스터 또는 일반적인 트랜지스터를 이용하여 구현할 수 있다. 만약, 일반적인 트랜지스터를 사용하는 경우에는 바이어스를 베이스 또는 콜렉터에 구성할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 도 2의 CMOS 캐스코드 증폭기를 이용하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하여 보면, 도면 2의 회로를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보여준다. 이때, 그래프에 ▽□로 표현된 부분의 선들이 RFout측에서 측정한 반사계수를 나타내며, △□로 표현된 부분의 선들이 RFin에서 측정한 반사계수를 표시한다.
즉, 도 3의 도표에서 알 수 있는 바와 같이 각각의 반사계수(RFin, RFout)에서 거의 차이가 없기 때문에 전력 또는 전류를 낮추어도 되므로, 임피던스의 변화가 거의 없는 상태에서 전력 효율을 50%정도 개선할 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 빔 형성 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 4를 참조하여 보면, 기본적인 구조는 도 1과 같은 구조로 되어 있다. 그러나, 도 1에서는 스위치(107)와 저항(108)을 주파수 변환기(104)와 복조기 및 기저대역부(106) 사이에 구성하였지만, 도 4에서는 스위치(107)와 저항(108)을 증폭기(103)와 주파수 변환기(104) 사이에서도 구성한 것이다 이 경우에 있어서도 한 개의 신호만이 복조기 및 기저대역부(106)와 연결되고 다른 N-1개의 신호들은 스위칭 빔 형성장치에 루프백 되지 않도록 구성된다.
본 발명은 신호의 격리도를 충분히 높일 수 있으며, 또한, 증폭기는 임피던스 정합 회로로써만 동작하면 되므로, 임피던스의 값이 최대한 유지되도록 하면서, 전력 소모를 줄일 수 있도록 하여 시스템의 효율 및 신호대잡음비가 개선되고, 신호의 격리도 특성이 향상된 효과가 있다.
Claims (22)
- 다수의 지향성을 갖는 다수개의 안테나소자와;상기 다수개의 안테나소자로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력시키는 스위칭 빔 형성 회로와;상기 빔을 증폭시키는 증폭기와;상기 증폭기에서 출력된 다수의 경로를 지나는 신호를 로컬오실레이터에서 출력된 신호와 혼합하는 다수의 주파수 변환기와;상기 주파수 변환기에서 출력된 신호 중 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로의 신호를 스위치와 연결된 저항으로 연결시키는 다수의 스위치와;상기 스위치와 저항으로 연결되지 않은 하나의 지향된 신호만을 상기 다수의 주파수 변환기로부터 수신하여 복호화하는 복호부 및 기저대역부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 스위칭 빔 형성 회로는 버틀러 메트릭스인 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 주파수 변환기를 통과한 신호를 중간 주파수 신호로 변환하여 이 중 하나의 신호만을 상기 복호부 및 기저대역부로 전송하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,특정 경로를 지나는 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로는 고정 임피던스로 지정되도록 제어하여 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로는 상기 스위치를 상기 저항으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 CMOS 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 CMOS 트랜지스터의 각각의 베이스에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 트랜지스터의 각각의 베이스에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 CMOS 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 CMOS 트랜지스터의 각각의 드레인에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 트랜지스터의 각각의 에미터에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 빔 형성 회로와 상기 안테나는 실리콘 기판, GaAs 기판, 유기 기판, 또는 세라믹 기판 중 어느 하나의 기판에 구현 가능하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,능동 소자는 실리콘 소자 또는 GaAs 소자로 구현하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제1항에 있어서,상기 주파수 변환기를 불평형 회로 구조 또는 평형 회로 구조 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 다수의 지향성을 갖는 다수개의 안테나소자와;상기 다수개의 안테나소자로부터 수신된 신호를 다수개의 독립적인 빔으로 분리하여 출력시키는 스위칭 빔 형성 회로와;상기 빔을 증폭시키는 증폭기와;상기 증폭기를 통과한 신호 중 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로의 신호를 연결된 저항으로 연결시키는 다수의 스위치와;상기 증폭기에서 출력된 후 상기 스위치와 저항으로 연결되지 않은 하나의 지향된 신호만을 수신하여 로컬오실레이터에서 출력된 신호와 혼합하는 다수의 주파수 변환기와;하나의 지향된 신호만을 수신하여 복호화하는 복호부 및 기저대역부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 스위칭 빔 형성 회로는 버틀러 메트릭스인 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 주파수 변환기를 통과한 신호를 중간 주파수 신호로 변환하여 이 중 하나의 신호만을 상기 복호부 및 기저대역부로 전송하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,특정 경로를 지나는 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로는 고정 임피던스로 지정되도록 제어하여 원하는 신호가 아닌 나머지 N-1개의 경로는 상기 스위치를 상기 저항으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 CMOS 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 CMOS 트랜지스터의 각각의 베이스에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 트랜지스터의 각각의 베이스에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 CMOS 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 CMOS 트랜지스터의 각각의 드레인에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 증폭기는 캐스코드로 연결된 2개의 트랜지스터를 사용하고, 바이어스를 캐스코드 트랜지스터의 각각의 에미터에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 빔 형성 회로와 상기 안테나는 실리콘 기판, GaAs 기판, 유기 기판, 또는 세라믹 기판 중 어느 하나의 기판에 구현 가능하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,능동 소자는 실리콘 소자 또는 GaAs 소자로 구현하는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
- 제12항에 있어서,상기 주파수 변환기는 불평형 회로 구조 또는 평형 회로 구조 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 빔 형성 장치.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20080050948A (ko) | 2008-06-10 |
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