KR100871858B1

KR100871858B1 - 시분할복신 무선통신시스템의 전력증폭기 장치

Info

Publication number: KR100871858B1
Application number: KR1020050109594A
Authority: KR
Inventors: 이종현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2008-12-03
Also published as: KR20070052042A; US7660564B2; US20070111686A1

Abstract

본 발명은 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전력증폭기(HPA : High Power Amp) 장치에 관한 것으로, 입력 신호를 전력 증폭하여 출력하는 전력 증폭부, TDD제어신호에 따라 상기 구동증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하는 게이트 바이어스 제어부 및, 송신모드시, 상기 게이트 바이어스 제어부가 상기 전력 증폭부를 온/오프할때 발생하는 전류파동을 제거하고 전원잡음을 제거하여 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 성상도 오차 최적화회로를 포함하여 성상도 오차(constellation error)를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

TDD, RF Front-End, HPA, SNR, 게이트 바이어스 제어, 성상도 오차(Constellation error)

Description

시분할복신 무선통신시스템의 전력증폭기 장치{HPA APPARATUS IN TDD WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 종래기술에 따른 RF 스위치를 사용하는 RF 전단 장치를 보여주는 도면,

도 2는 종래기술에 따른 서큘레이터를 사용하는 RF 전단 장치를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TDD 방식의 무선통신시스템에서 RF 전단 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 TDD 방식의 무선통신시스템에서 전력증폭부(HPA)의 구성을 도시하는 도면,

도 5는 상기 도 4의 바이어스제어부의 상세 구성을 도시한 도면,

도 6는 상기 도 4의 성상도 오차 최적화회로의 상세 구성을 도시한 도면,

도 7은 전력증폭부(HPA)를 도 3과 같이 구성했을 때 송신모드 및 수신모드 동작을 설명하기 위한 도면,

도 8a는 성상도 오차 최적화회로가 존재하지 않는 본 발명의 전력증폭부에서 소모되는 전류파형을 측정한 도면,

도 8b는 성상도 오차 최적화회로가 존재하는 본 발명의 전력증폭부에서 소모되는 전류파형을 측정한 도면,

도 9a는 성상도 오차 최적화회로가 존재하지 않는 전력증폭부의 성상도 에러값을 도시한 도면 및,

도 9b는 성상도 오차 최적화회로가 존재하는 전력증폭부의 성상도 에러값을 도시한 도면이다.

본 발명은 TDD(Time Division Duplex)방식의 무선통신 시스템에서 고주파 전단(RF Front-End) 장치에 관한 것으로, 특히 수신모드(Rx mode)시 전력증폭부(HPA : High Power Amp)의 출력에 의해 수신 잡음 레벨(noise level)이 증가하는 현상을 억제하기 위한 장치에 관한 것이다.

종래기술에 따르면, TDD 방식의 무선통신 시스템에서 전력증폭부(HPA)는 항상 온(ON) 상태를 유지하며, RF 입력 신호(input signal)가 버스트(Burst)한 경우로 TDD 방식을 구현하거나, RF 스위치(switch)나 서큘레이터(circulator)를 사용하여 TDD 방식을 구현하는 것이 일반적이다.

도 1은 종래기술에 따른 RF 스위치를 사용하는 RF 전단 장치를 보여준다.

도시된 바와 같이, 송신부(Transmitter)(101)의 출력단에 전력증폭부 (HPA)(102)가 연결되고, 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amp)(104)의 출력단에 수신부(Receiver)(103)가 연결된다. 여기서, SPDT(Single Pole Double Through)스위치(105)는 송신모드일 경우 상기 전력증폭부(102)로부터의 송신신호가 필터(106)에 연결되도록 스위칭되고, 수신모드일 경우 상기 필터(106)로부터의 수신신호가 상기 저잡음 증폭기(104)에 연결되도록 스위칭된다. 상기 필터(106)는 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 상술한 도 1과 같은 구조는 송/수신 제어 신호에 의해 RF스위치(104) 내부에서 송/수신 경로(path)가 전환되는 방식이며 주로 송신전력 1W 미만의 저전력 통신시스템에 사용된다.

도 2는 종래기술에 따른 서큘레이터를 사용하는 RF 전단 장치를 보여준다.

도시된 바와 같이, 송신부(Transmitter)(201)의 출력단에 전력증폭부(HPA)(202)가 연결되고, 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amp)(204)의 출력단에 수신부(Receiver)(203)가 연결된다. 여기서, 서큘레이터(205)는 상기 전력증폭부(202)로부터의 송신신호를 필터(206)로 연결하고, 상기 필터(206)로부터의 수신신호를 RF스위치(207)로 연결하는 기능을 수행한다. 상기 RF스위치(207)는 송신모드일 경우 저잡음 증폭기(204)를 보호하기 위해서 오프(off)되고, 수신모드일 경우 상기 서큘레이터(205)로부터의 수신신호가 상기 저잡음 증폭기(204)에 연결되도록 온(on)된다. 상기 필터(206)는 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 상술한 도 2와 같은 구조는 순방향에 대해서는 신호감쇄가 거의 없이 전송되고 역방향에 대해서는 신호 전달 손실이 큰 서큘레이터(204)를 이용하여 송/수신을 분리하는 방식이며, RF스위치(207)를 사용하여 송/수신시 저잡음 증폭기(204)의 입력을 제어한다. 이러한 구조는 주로 7~8 W 미만의 통신시스템에 사용된다.

상술한 도 1 및 도 2의 RF 전단 장치에서 전력증폭부(102, 202)는 항상 온(on) 상태를 유지한다. 한편, 상술한 전단 장치는 앞서 설명한 바와 같이, 저전력의 고주파 신호를 사용하는 TDD 통신시스템에 적용할수 있지만, 대전력(대략 10W 이상)의 고주파 신호를 사용하는 통신시스템에서는 SPDT 스위치나 서큘레이터의 파워 레이팅(power rating), 브레이크 다운(break down) 등의 문제가 발생된다. 또한 고가의 대전력용 SPDT 스위치를 개발하여 사용할 경우 비현실적인 가격 등의 문제가 발생 될 수 있다..

도 2의 방식은 비교적 큰 전력까지 처리할수 있으며 SPDT 스위치를 사용하는 방식에 비하여 낮은 가격으로 구현이 가능하나, 수신모드(Rx mode)시 전력증폭부(HPA)의 출력 레벨이 잡음 레벨(noise level)에 비하여 매우 크며, 이와 같은 전력증폭부의 출력이 서큘레이터를 통해 저잡음 증폭기(LNA)로 유입될 경우 수신단의 잡음 레벨이 증가할 수 있다. 예를들어, 수신모드시, 전력증폭부(HPA)의 입력 레벨이 -70dBm이라 하면, 상기 전력증폭부의 출력 레벨은 다음과 같이 산출된다.

-70dBm + 55dB(HPA 게인) = -15dBm/10MHz

일반적으로, 규격에서는 수신모드시 전력증폭부(HPA)의 출력 레벨을 -96dBm으로 규정하고 있는데, 상기 -15dBm/10MHz는 규정된 레벨보다 매우 높은 수치이다. 이와 같이 수신모드시 전력증폭부에서 출력되는 누설 전력이 클 경우, SNR(Signal to Noise Ratio)을 감소시켜 수신감도를 저하시킬 뿐만 아니라 저잡음 증폭기를 손상시키는 문제가 발생할 수 있다.

따라서 상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 TDD 방식의 무선통신시스템에서 대전력의 고주파 신호를 처리할수 있는 RF 전단(Front-End) 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 TDD 방식의 무선통신시스템에서 수신모드(Rx mode)시 전력증폭부(HPA)의 출력 전력이 저잡음 증폭기로 유입되는 것을 억제하기 위한 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 TDD 방식의 무선통신시스템에서 송신모드시, 바이어스 제어부가 구동증폭기와 메인증폭기의 게이트 바이어스를 온(on)할 때 발생하는 전류파동을 성상도 오차 최적화회로를 통해 제거하여 안정적인 바이이스를 구동증폭기와 상기 메인증폭기에 제공하여 성상도 오차(constellation error)를 감소시키기 위한 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 TDD 방식의 무선통신시스템에서 수신모드시 바이어스 전압(bias voltage)을 제어하여 전력증폭부를 오프(off)시키기 위한 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 TDD 방식의 무선통신시스템에서 수신모드시 전력증폭부(HPA)에서 발생하는 잡음 누설 전력(noise leakage power)을 감쇄하기 위한 장치를 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전력증폭기(HPA : High Power Amp) 장치에 있어서, 입력 신호를 전력 증폭하여 출력하는 구동증폭기, TDD제어신호에 따라 상기 구동증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하기 위한 제1 바이어스 제어부, 상기 구동증폭기의 출력 신호를 증폭하여 출력하기 위한 메인증폭기, 상기 TDD제어신호에 따라 상기 메인증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하기 위한 제2 바이어스 제어부 및, 상기 구동증폭기와 상기 메인증폭기에 안정적인 바이어스를 제공하는 성상도 오차 최적화회로를 포함하며, 송신모드시, 상기 제1 및 제2 바이어스 제어부가 상기 구동증폭기와 상기 메인증폭기의 게이트 바이어스를 온(on)할 때 발생하는 전류파동을 상기 성상도 오차 최적화회로를 통해 제거하여 안정적인 바이이스를 상기 구동증폭기와 상기 메인증폭기에 제공하여 성상도 오차(constellation error)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 장치를 제공함에 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 TDD(Time Division Duplex) 방식의 무선통신시스템에서 수신모드(Rx mode)시 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amp)로 유입되는 잡음 누설 전력 (Tx noise leakage power)을 감쇄시켜 수신 SNR(Signal to Noise Ratio)를 향상시키기 위한 RF 전단(Front-End) 장치를 제안하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TDD 방식의 무선통신시스템에서 RF 전단 장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 RF 전단 장치는, 송신부(301), 전력증폭부(HPA)(302), 수신부(303), 저잡음증폭기(304), 서큘레이터(305), 필터(306) 및 RF스위치(307)를 포함하여 구성된다. 여기서, 본 발명에 따라 전력증폭부(302)는 구동증폭기(Drive Amp)(312), 상기 구동증폭기(312)의 게이트 바이어스를 제어하기 위한 제1 바이어스제어부(332), 메인 증폭기(Main Amp)(322), 상기 메인 증폭기(322)의 게이트 바이어스를 제어하기 위한 제2 바이어스제어부(342), 성상도 오차(Constellation error)를 감소하기 위한 성상도 오차 최적화회로(352)를 포함하여 구성된다. 여기서 본 발명에 따라 상기 성상도 오차 최적화회로(352)는 게이트 바이어스의 온/오프에 의해 발생하는 전류 파동을 제거하는 전류제어회로(362), 안정적인 전압공급과 전원 잡음을 제거하여 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 바이어스 안정화회로(372)를 포함하여 구성한다.

여기서, 상기 구동증폭기(312)는 중간 전력 트랜지스터(Middle power transistor)를 사용하여 구현되고, 상기 메인 증폭기(322)는 고 전력 트랜지스터(High power transistor)를 사용하여 구현된다.

도 3을 참조하면, 먼저 송신모드일 경우, 전력증폭부(302)내 제1 바이어스제어부(332) 및 제2 바이어스제어부(342)는 시스템으로부터 전달되는 TDD 제어신호(control signal)에 의해 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 정상상태로 온(on)한다. 이 경우, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)를 이용하여 안정적인 드레인 바이어스를 제공받는 상기 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)를 포함하는 전력증폭부(302)는 송신부(301)로부터의 송신신호를 전력 증폭하여 출력한다.

반면, 수신모드일 경우, 상기 전력증폭부(302)내 제1 바이어스제어부(332) 및 제2 바이어스제어부(342)는 시스템으로부터 전달되는 TDD 제어신호(control signal)에 의해 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 오프(off)한다. 이 경우, 상기 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)를 포함하는 전력증폭부(302)는 증폭 동작을 정지한다. 한편, 도시하지는 않았지만, 전력증폭부(302)의 출력단에는 아이솔레이터(isolator)가 구성되며, 상기 아이솔레이터는 상기 전력증폭부(302)의 종단회로를 보호하는 기능을 수행한다.

서큘레이터(305)는 도시된 방향성에 따라 상기 전력증폭부(302)로부터의 신호를 필터(306)로 전달하고, 상기 필터(306)로부터의 신호를 RF스위치(307)로 전달한다. 여기서, 상기 서큘레이터(305)는 송신신호 경로와 수신신호 경로 사이에 20dB 정도의 신호 격리(isolation)를 제공한다. 아울러, 안테나측과 각각의 송수신 경로 사이에 0.3dB 정도의 경로 손실(path loss)을 제공한다.

상기 필터(306)는 상기 서큘레이터(305)와 안테나 사이에 연결되며, 송신신호 및 수신신호를 대역 필터링하는 기능을 수행한다. 상기 RF스위치(307)는 송신모드일 경우 저잡음 증폭기(204)를 보호하기 위해서 오프(off)되고, 수신모드일 경우 상기 서큘레이터(305)로부터의 수신신호가 상기 저잡음 증폭기(304)에 연결되도록 온(on)된다. 상기 RF스위치(307)는 SPST(Single Pole Single Through)스위치 또는 핀 다이오드(PIN diode)를 사용할수 있다. 한편, 상기 저잡음 증폭기(304)는 상기 RF스위치(307)로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 수신부(303)로 출력한다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 TDD 방식의 무선통신시스템에서 전력증폭부(HPA)의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예 따른 전력증폭부(302)는, 구동증폭기(312), 상기 구동증폭기(312)의 게이트(또는 베이스) 바이어스를 제어하기 위한 제1 바이어스제어부(332), 메인증폭기(322), 상기 메인증폭기(322)의 게이트(또는 베이스) 바이어스를 제어하기 위한 제2 바이어스제어부(342) 및, 안정적인 바이오스를 제공하여 성상도 오차(Constellation error)를 감소하기 위한 성상도 오차 최적화회로(352)를 포함하여 구성된다. 여기서, 제1 바이어스제어부(332)는 구동증폭기(312)의 게이트 바이어스를 온/오프하기 위한 제1스위치(401)를 포함하고, 제2 바이어스제어부(342)는 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 온/오프하기 위한 제2스위치(411)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 바이어스제어부(332) 및 상기 제2 바이어스제어부(342)의 상세 구성은 이후 도 5를 참조하여 후술하고, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)의 상세 구성은 이후 도 6을 참조하여 후술함으로, 여기서는 그 자세한 설명을 생략하기로 한다.

도 4를 참조하면, 먼저 송신모드일 경우, 상기 제1스위치(401) 및 상기 제2스위치(411)는 시스템으로부터 전달되는 TDD 제어신호(control signal)에 의해 구 동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 정상상태로 온(on)한다. 이 경우, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)를 이용하여 안정적인 바이어스를 제공받는 상기 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)를 포함하는 전력증폭부(302)는 송신부(301)로부터의 송신신호를 전력 증폭하여 출력한다. 여기서, 상기 시스템으로부터 전달되는 TDD 제어신호는 TTL(Transistor Transistor Logic) 혹은 LVTTL(Low voltage - TTL)로 게이트 바이어스 제어(Gate bias control)를 실제적으로 제어하는 신호이다.

반면, 수신모드일 경우, 상기 제1스위치(401) 및 상기 제2스위치(411)는 시스템으로부터 전달되는 TDD 제어신호(control signal)에 의해 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 오프(off)한다. 이 경우, 상기 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)를 포함하는 전력증폭부(302)는 증폭 동작을 정지한다.

즉, 수신모드(Rx mode)시 전력증폭부(HPA)의 게이트 바이어스(Gate bias)를 오프(off)시켜 전력증폭부(HPA)의 증폭 동작을 일시 정지시켜 송신 잡음 누설 전력(Tx noise leakage power)의 감쇄 효과를 얻는다. 이때 전력증폭부(HPA)로 인가되는 RF 입력신호는 버스트한 소스(burst source)로 시스템의 TDD 제어신호(control signal)와 동기를 잘 맞추어야 TDD 통신을 원활히 수행 할 수 있다. 한편, 수행되는 온/오프 시간이 수 마이크로 세컨드(micro sec)인 시스템에서는 경로(path)상 시간 지연(time delay) 및 각 소자 내부의 지연 시간을 잘 고려하여 RF 전단 장치를 설계하여야 한다. 여기서, 상기 제1스위치(401) 및 상기 제2스위치(411)는 SPST(Single Pole Single Throw)스위치로, 마이크로 세컨드(micro second) 이하의 매우 빠른 스위칭을 수행한다. 그리고, 고 전력 트랜지스터 자체의 온/오프 지연은 수 나노 세컨드(nano second)로 SPST스위치의 온/오프 시간에 비해 매우 짧은 값을 갖기 때문에, 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 온/오프 동작을 원활히 제어할수 있다.

도 5는 상기 도 4의 바이어스제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다. 설명에 앞서, 구동증폭기(312)의 게이트 바이어스를 제어하기 위한 구성과 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 제어하기 위한 구성이 동일하므로, 이하 설명은 구동증폭기(312)의 게이트 바이어스를 제어하기 위한 구성 위주로 살펴보기로 한다.

도시된 바와 같이, 제1 및 제2 바이어스제어부(332, 342) 각각은 레큘레이터(501, 511)), 게이트 바이어스 레벨 제어부(502, 512), SPST스위치(503, 513), 바이패스 캐패시터(504, 514) 및 RFC(Radio Frequency Chock)(505, 515)를 포함하여 구성된다.

도 5를 참조하면, 먼저 레귤레이터(501)는 전원(Vcc)으로부터의 DC전원을 소정 정전압으로 변환하여 출력한다. 게이트 바이어스 레벨 제어부(502)는 가변저항을 이용하여 상기 레귤레이터(501)로부터의 상기 정전압을 소정 바이어스 레벨에 따른 전압으로 변경하여 출력한다. 여기서, 상기 바이어스 레벨에 따라 증폭기(amp)의 클래스(class)가 결정된다.

SPST스위치(503)는 시스템으로부터 제공되는 TDD 제어신호(control signal)에 따라 송신모드(Tx mode)일 경우 온(on)되고 수신모드(Rx mode)일 경우 오프 (off)된다. 즉, 상기 TDD 제어신호에 따라 구동증폭기(312)의 게이트 바이어스를 온/오프 시킨다. 상기 게이트 바이어스가 오프(off)될 경우, 상기 구동증폭기(312)는 증폭 동작을 중지하며, 이로 인해 전력증폭부(302)로부터 출력되는 송신 잡음 누설 레벨(Tx noise leakage level)을 감쇄시킬 수 있다.

RFC(505)는 RF 경로를 통해 전달되는 RF 신호가 게이트 바이어스 라인으로 유입되어 게이트 바이어스 레벨을 변화시킴으로서 구동증폭기(312)의 동작점을 변화시키는 것을 차단하는 역할을 수행한다. 바이패스 캐패시터(504)는 상기 RFC(505)를 통과해 유입되는 잔류 RF 신호를 차단하는 역할을 수행한다.

이와 같이, 수신모드시 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 오프(off)시킬 경우 전력증폭부(302)의 출력레벨을 산출하면 다음과 같다.

-70dBm(수신모드시 HPA 입력레벨) + 25dB(구동증폭기 전단 증폭기의 게인) = -45dBm

종래기술(도 2)과 비교했을 때, 전력증폭부(302)의 출력레벨이 30dBm 감소되었음을 알 수 있다.

도 6는 상기 도 4의 성상도 오차 최적화회로의 상세 구성을 도시한 도면이다. 설명에 앞서, 구동증폭기(312)의 드레인 바이어스를 제어하기 위한 구성과 메인증폭기(322)의 드레인 바이어스를 제어하기 위한 구성이 동일하므로, 이하 설명은 구동증폭기(312)에 안정적인 바이어스를 제공하기 위한 성상도 오차 최적화회로(352)의 구성 위주로 살펴보기로 한다.

도시된 바와 같이, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)는 상기 제1 및 제2 바이어스 제어부(332, 342)가 온(on) 될때 발생되는 전류 파동을 제거하는 전류제어회로(362), 안정적인 전압공급과 전원 잡음을 제거하여 바이어스(bias)를 안정화하는 바이어스 안정화회로(372)를 포함하여 구성한다.

여기서, 상기 전류제어회로(362)는 DC/DC 컨버터(600), 필터(601) 및 하나 이상의 캐패시터(602, 603, 604)를 포함하여 구성하고, 상기 바이어스 안정화회로(372)는 레귤게이터(605), 탄탈 캐패시터(Tantal Capacitor)(606) 및, 하나 이상의 캐패시터(607, 608, 609, 610)를 포함하여 구성한다.

도 6을 참조하면, 먼저 전류제어회로(362)에서 DC/DC 컨버터(600)는 외부전원(Vcc)을 인가 받아 DC 레벨을 조정하고, 필터(601)는 필터링을 하여 전류 파동(Current Fluctuation)을 감소시키고, 캐패시터(602, 603, 604)는 상기 제1 및 제2 바이어스 제어부(332, 342)가 온(on) 될때 발생되는 전류 스파이크 파동(Current Spike Fluctuation)을 제거한다.

바이어스 안정화회로(372)는 상기 전류제어회로(362)에서 제공받은 전류파동이 감소된 DC전원을 레귤레이터(605)를 통해 소정 정전압으로 변환하여 출력하고 탄탈 캐패시터(Tantal Capacitor)(606)를 통해 안정적인 전압을 공급하도록 하고, 캐패시터(607, 608, 609, 610)를 이용하여 전원의 잡음을 제거하여 증폭기의 드레인단으로 안정적인 드레인 바이어스를 제공한다.

바이패스 캐패시터(611, 612)는 상기 바이어스 안정화회로(372)로 유입되는 잔류 RF 신호를 차단하는 역할을 수행한다.

그러면, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)의 존재 유무에 따른 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)에 제공되는 바이어스의 전류파동의 차이를 아래에서 도 8a 내지 도 8b를 참조하여 설명한다.

도 8a는 성상도 오차 최적화회로가 존재하지 않는 본 발명의 전력증폭부에서 소모되는 전류파형을 측정한 도면이다.

상기 도 8a를 참조하면 가로축은 시간 세로축은 전류로 전류 파형 앞단에 스파크(spike)가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 상기 제1 및 제2 바이어스 제어부(332, 342)가 온(on) 될때 발생하는 현상으로 전력증폭부(302)에 공급되는 바이어스가 불안정해지고 전류가 불규칙하게 공급되어 결국 성상도 에러를 증가시킨다. 이러한 성상도 에러의 증가는 그대로 SNR을 감소시키게 되어 시스템의 성능을 열화시키고, 전류의 순간적 상승으로 인하여 전력증폭부(302)의 H/W 충격을 주어 회로 수명을 단축시키게 한다. 또한 시스템의 전원공급장치의 동작 범위의 폭을 상승시켜 시스템의 원가 상승을 야기시키게 된다.

도 8b는 성상도 오차 최적화회로가 존재하는 본 발명의 전력증폭부에서 소모되는 전류파형을 측정한 도면이다.

상기 도 8b를 참조하면 가로축은 시간 세로축은 전류로 성상도 오차 최적화회로(352)를 추가하여 전류 파형 앞단에 스파크(spike)를 제거하여 전력증폭부(302)에 안정적인 바이어스가 공급되고 전류도 균일하게 공급한다. 이러한 동작으로 전력증폭부(302)의 성상도 에러가 감소하게 되어 결국 SNR을 개선시키게 되는 것이다. 또한 전력증폭부(302)의 H/W 충격을 제거하며 시스템의 전원공급장치(PDP) 의 용량을 낮추게 되어 원가 절감에 효과적이다.

그러면, 상기 성상도 오차 최적화회로(352)의 존재 유무에 따른 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)에 제공되는 바이어스의 전류파동의 차이에 따른 성상도 오차의 차이를 아래에서 도 9a 내지 도 9b를 참조하여 설명한다.

도 9a는 성상도 오차 최적화회로가 존재하지 않는 전력증폭부의 성상도 에러값을 도시한 도면이다.

상기 도 9a 내지 도 9b의 설명에 앞서, 도면의 측정한 EVM은 성상도 에러를 뜻하며, 오른쪽하단에 붉은색 점으로 표시하는 성상도(Constellation)는 붉은색 점이 넓게 퍼질수록 성상도 에러가 큼을 나타낸다.

상기 도 9a를 참조하면, 성상도 오차 최적화회로(352)가 존재하지 않는 TDD 통신 시스템용 전력증폭기(302)의 성상도 에러는 약 -29dB 정도로 TDD 통신 시스템에서 요구하는 전력증폭기(302) 출력단의 성상도 에러값은 최소 -31.4dB로 종래 기술을 그대로 적용할 경우 요구하는 성상도 에러값을 만족시키지 못하여 결국 TDD 통신 시스템에 적용할 수 없다.

상기 도 9b를 참조하면, 성상도 오차 최적화회로(352)가 존재하는 TDD 통신 시스템용 전력증폭기(302)는 약 -36dB로 성상도 오차 최적화회로(352)가 없는 전력전폭부(302)에 비해 6dB이상의 성상도 에러 감소 효과를 얻을 수 있었다. 이는 안 정적으로 전력전폭부(302)가 시스템에 공급해 주어야 하는 값으로 대전력 TDD 통신 시스템에 적용가능한 것이다.

그러면, 이하에서 상기 도 3의 구성에 근거한 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.

도 7은 전력증폭부(HPA)를 도 3과 같이 구성했을 때 송신모드 및 수신모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 송신모드일 경우 송신 RF 신호는 (a) 경로를 따라 전달된다. 송신모드일 경우, TDD 제어신호는 하이(high) 상태가 된다. 이 경우, 상기 RF스위치(701)는 상기 TDD 제어신호(하이 신호)에 따라 스위칭되어 입력 RF 신호를 구동증폭기(312)로 인가한다. 한편, 상기 제1 및 제2스위치(401, 411)도 상기 TDD 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 구동증폭기(312) 및 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 온(on)시킨다. 그러면, 상기 구동증폭기(312) 및 메인증폭기(322)는 상기 성상도 오차 최적화회로(352)로부터 안정적인 바이어스를 제공받아 상기 스위치(701)로부터 입력되는 RF 신호를 증폭하여 고전력 RF신호를 출력한다. 이때, 상기 TDD 제어신호에 의해 핀다이오드(602, 612)도 온(on)상태가 되어 상기 메인증폭기(322)로부터 출력되는 RF 신호는 전력증폭부(302)의 출력단을 통해 출력된다. 여기서, 전력증폭부(302)의 출력은 보통 30W ~ 60W급 혹은 그 이상의 출력을 갖는다. 이렇게 출력된 송신 RF 신호는 서큘레이터(305)를 통해 필터(306)로 전달되고, 안테나를 통해 에어(air)로 방사된다. 이때, 수신 경로 상의 RF스위치(307)는 시스템 의 TDD 제어신호에 의해 오프(off)되어 저잡음증폭기(304)로 유입되는 누설 신호를 차단한다. 대략적으로, 서큘레이터(Circulator)의 삽입 손실(insertion loss)은 0.2~0.3dB 정도이고, 안테나(Ant)까지 필터(BPF) 및 경로 손실(path loss)을 고려하면 송신모드일 경우 약 2dB 경로 손실(path loss)을 발생한다.

한편, 수신모드일 경우 수신 RF 신호는 (b) 경로를 따라 전달된다. 이때 전력증폭부(302)의 출력 레벨이 수신단에 미치는 영향을 (c) 경로를 따라 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 수신모드일 경우, TDD 제어신호는 로우(low) 상태가 된다. 이 경우, 상기 RF스위치(701)는 상기 TDD 제어신호(하이 신호)에 따라 스위칭되어 구동증폭기(312)로 인가되는 신호를 차단한다. 한편, 제1 및 제2스위치(410,411)도 상기 TDD제어신호에 따라 스위칭되어 상기 구동증폭기(312) 및 상기 메인증폭기(322)의 게이트 바이어스를 오프(off)시킨다. 즉, 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 증폭 동작을 중지시킨다. 이때, 상기 TDD제어신호에 따라 핀다이오드(602,612)도 오프(off)되어 전력증폭부(302)의 출력단으로 전달되는 전력을 감쇄시킨다. 상기 전력증폭부(302)로 출력되는 전력은 서큘레이터(305) 및 RF스위치(307)를 거쳐 저잡음 증폭기(304)로 유입된다.

여기서, 상기 RF스위치(701)가 오프(off)될 경우 구동증폭기(312)로 입력되는 레벨이 -104dBm으로 가정할 경우, (c) 경로를 따라 저잡음 증폭기(304)로 유입되는 송신 잡음 누설 레벨은 다음과 같이 산출된다.

-104dBm(구동증폭기의 입력 레벨) + 3dB(HPA의 게인) - 20dB(서큘레이터의 격리도) = -121dBm/10MHz

여기서, 3dB는 구동증폭기(312)와 메인증폭기(322)의 게인이다. 상기 -121dBm/10MHz는 서멀 노이즈(thermal noise) 수준으로 수신측 성능에 영향을 미치지 않는 전력 레벨이다. 이와 같이, 송신 잡음 누설 레벨(Tx noise leakage level)의 감쇄는 수신 모드에서 SNR(Signal to Noise Ratio)의 증가를 가져오기 때문에 수신 감도를 향상시킬 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

가령, 상술한 실시예는 구동증폭기와 메인증폭기의 게이트 바이어스를 제어하는 것으로 설명하고 있지만, 상기 전력증폭기(HPA)내부에 구성되는 모든 증폭기들 즉, 구동증폭기 전단에 위치하는 전 구동증폭기(Pre-drive amp), 구동증폭기(Drive amp), 메인 증폭기(Main amp)의 게이트 바이어스를 제어할수 있다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 TDD 방식의 무선통신 시스템에서 HPA의 게이트 바이어스 제어(Gate bias control)를 통해서 송신모드시 안정적인 바이어스를 제공하여 성상도 오차(constellation error)를 감소시킴으로써 SNR을 향상시키는 이점이 있고, 수신모드(Rx mode)시 문제되었던 송신 잡음 누설 레벨(Tx noise leakage level)을 감소시킴으로써 SNR을 향상시키는 이점이 있다. 즉, 본 발명은 원활한 TDD 무선통신이 가능하도록 하는 기술로 실제 구현상에서 발생되는 문제점을 해결 할 수 있을 뿐만 아니라, 시스템의 주요 전력을 소모하고 있는 HPA를 온/오프 함으로써 전체 소모전력을 줄일 수 있어 시스템 효율 개선의 효과도 얻을 수 있다.

Claims

시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전력증폭기(HPA : High Power Amp) 장치에 있어서,

입력 신호를 전력 증폭하여 출력하는 전력 증폭부;

TDD제어신호에 따라 상기 전력 증폭부의 게이트 바이어스를 온/오프하는 게이트 바이어스 제어부; 및

전원잡음을 제거하여 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 성상도 오차 최적화회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

상기 성상도 오차 최적화회로는,

상기 전력 증폭부의 안정적인 전압공급을 위해 전원 잡음을 제거하여 상기 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 바이어스 안정화회로; 및

상기 바이어스 안정화회로와 연결하여 상기 게이트 바이어스 제어부가 상기 전력 증폭부를 온(on)할 때 발생하는 전류파동을 제거하는 전류제어회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서,

상기 전류제어회로는,

외부전원(Vcc)을 인가 받아 DC(Direct Current) 레벨을 조정하는 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터;

상기 컨버터와 연결하여 필터링을 하여 전류 파동(Current Fluctuation)을 감소시키는 필터; 및

상기 컨버터와 상기 필터와 병렬로 연결되어, 상기 게이트 바이어스 제어부가 상기 전력 증폭부를 온(on)할 때 발생되는 전류 스파이크 파동(Current Spike Fluctuation)을 제거하는 캐패시터를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서,

상기 바이어스 안정화회로는,

상기 전류제어회로에서 제공받은 DC(direct current)전원을 소정 정전압으로 변환하는 레귤레이터;

상기 레귤레이터에서 출력하는 정전압을 보다 안정화하는 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 제1 캐패시터; 및

상기 제1 캐패시터 보다 상기 전력 증폭부에 근접하게 위치하고 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 전원의 잡음을 제거하는 제2 캐패시터를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

수신모드시, 상기 게이트 바이어스 제어부는 상기 전력 증폭부의 게이트 바이어스를 오프(off)시켜 증폭 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

상기 게이트 바이어스 제어부는, 상기 전력 증폭부의 게이트 바이어스 라인에 설치되며 상기 TDD 제어신호에 따라 스위칭하는 SPST(Single Pole Single Through)스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

상기 TDD제어신호는 TTL(Transistor Transistor Logic) 또는 LVTTL(Low Voltage - TTL) 신호인 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서,

상기 제1 캐패시터는 탄탈 캐패시터(Tantal Capacitor)임을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서,

상기 제1 캐패시터의 용량은 상기 전력 증폭기에 포함된 트랜지스터의 용량과 비례함을 특징으로 하는 장치
시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전력 증폭 장치에 있어서,

입력 신호를 전력 증폭하여 출력하는 제1 전력 증폭기;

상기 제1 전력 증폭기의 출력을 증폭하여 출력하는 제2 전력 증폭기;

TDD제어신호에 따라 상기 제1 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하는 제1 게이트 바이어스 제어부

TDD제어신호에 따라 상기 제2 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하는 제2 게이트 바이어스 제어부; 및

상기 제2 전력 증폭기의 출력단에 연결되어 전원잡음을 제거하여 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 성상도 오차 최적화회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,

상기 성상도 오차 최적화회로는,

상기 제2 전력 증폭기의 안정적인 전압공급을 위해 전원 잡음을 제거하여 상기 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 바이어스 안정화회로; 및

상기 바이어스 안정화회로와 연결하여 상기 제1 게이트 바이어스 제어부 및 제2 게이트 바이어스 제어부가 상기 제1 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기를 온(on)할 때 발생하는 전류파동을 제거하는 전류제어회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 11항에 있어서,

상기 전류제어회로는,

외부전원(Vcc)을 인가 받아 DC(Direct Current) 레벨을 조정하는 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터;

상기 컨버터와 연결하여 필터링을 하여 전류 파동(Current Fluctuation)을 감소시키는 필터; 및

상기 컨버터와 상기 필터와 병렬로 연결되어, 상기 제1 게이트 바이어스 제어부 및 상기 제2 게이트 바이어스 제어부가 상기 제1 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기를 온(on)할 때 발생되는 전류 스파이크 파동(Current Spike Fluctuation)을 제거하는 캐패시터를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 11항에 있어서,

상기 바이어스 안정화회로는,

상기 전류제어회로에서 제공받은 DC(direct current)전원을 소정 정전압으로 변환하는 레귤레이터;

상기 레귤레이터에서 출력하는 정전압을 보다 안정화하는 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 제1 캐패시터; 및

상기 제1 캐패시터 보다 상기 제1 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기에 근접하게 위치하고 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 전원의 잡음을 제거하는 제2 캐패시터를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 장치.
시분할복신(TDD : Time Division Duplex) 무선통신시스템의 전력 증폭 장치에 있어서,

입력 신호를 전력 증폭하여 출력하는 제1 전력 증폭기;

상기 제1 전력 증폭기의 출력을 증폭하여 출력하는 제2 전력 증폭기;

TDD제어신호에 따라 상기 제1 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하는 제1 게이트 바이어스 제어부

TDD제어신호에 따라 상기 제2 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 온/오프하는 제2 게이트 바이어스 제어부; 및

상기 제1 전력 증폭기의 출력단과 상기 제2 전력 증폭기의 출력단에 연결되어 전원잡음을 제거하여 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 성상도 오차 최적화회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 14항에 있어서,

상기 성상도 오차 최적화회로는,

상기 제1 전력 증폭기와 상기 제2 전력 증폭기의 안정적인 전압공급을 위해 전원 잡음을 제거하여 상기 드레인 바이어스(bias)를 안정화하는 바이어스 안정화회로; 및

상기 바이어스 안정화회로와 연결하여 상기 제1 게이트 바이어스 제어부 및 상기 제2 게이트 바이어스 제어부가 상기 제1 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기를 온(on)할 때 발생하는 전류파동을 제거하는 전류제어회로를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 15항에 있어서,

상기 전류제어회로는,

외부전원(Vcc)을 인가 받아 DC(Direct Current) 레벨을 조정하는 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터;

상기 컨버터와 연결하여 필터링을 하여 전류 파동(Current Fluctuation)을 감소시키는 필터; 및

상기 컨버터와 상기 필터와 병렬로 연결되어, 상기 제1 게이트 바이어스 제어부 및 상기 제2 게이트 바이어스 제어부가 상기 제1 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기를 온(on)할 때 발생되는 전류 스파이크 파동(Current Spike Fluctuation)을 제거하는 캐패시터를 포함함을 특징으로 하는 장치.
제 15항에 있어서,

상기 바이어스 안정화회로는,

상기 전류제어회로에서 제공받은 DC(direct current)전원을 소정 정전압으로 변환하는 레귤레이터;

상기 레귤레이터에서 출력하는 정전압을 보다 안정화하는 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 제1 캐패시터; 및

상기 제1 캐패시터 보다 상기 제1 전력 증폭기와 상기 제2 전력 증폭기에 근접하게 위치하고 상기 레귤레이터와 병렬로 연결된 전원의 잡음을 제거하는 제2 캐패시터를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 장치.
제 14항에 있어서,

수신모드시, 상기 제1 게이트 바이어스 제어부와 제2 게이트 바이어스 제어부는 상기 제1 전력 증폭기와 상기 제2 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 오프(off)시켜 증폭 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14항에 있어서,

상기 제1 게이트 바이어스 제어부와 제2 게이트 바이어스 제어부는, 상기 제1 전력 증폭기와 상기 제2 전력 증폭기의 게이트 바이어스 라인에 설치되며 상기 TDD 제어신호에 따라 스위칭하는 SPST(Single Pole Single Through)스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14항에 있어서,

상기 TDD제어신호는 TTL(Transistor Transistor Logic) 또는 LVTTL(Low Voltage - TTL) 신호인 것을 특징으로 하는 장치.