KR100987727B1 - 다중 밴드 주파수 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드 주파수 발생기는, 다중 밴드 주파수 발생기에 있어서, 개별 스위치에 의해 충전되는 한쌍의 커패시터가 병렬 구성된 스위치 커패시터 뱅크(switched capacitor bank)가 각각 구성된 대칭 구조의 차동형 4위상 전압 제어 발진기; 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)를 같은 신호의 +신호(OI+, OQ+)와 -신호(OI-, OQ-) 끼리 각각 혼합하여 단일의 2배 주파수 신호(O+, O-)를 출력하는 주파수 혼합기; 상기 주파수 혼합기로부터 생성된 단일의 2배 주파수 신호를 단일 제어 전압에 의해서 가변되는 동일 크기를 가지며 위상이 상이한 I, Q 신호의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)로 변환하여 출력하는 다위상 필터; 및 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)와 상기 다위상 필터에 의해 필터링된 2배의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)가 같은 신호끼리, 그리고 다른 신호끼리 혼합하여 희망 주파수 신호(ILO+, ILO-, QLO+, QLO-)를 발생시키는 단측파대 주파수 혼합기를 포함한다.
다중 밴드 주파수 발생기, 주파수 혼합기, 다위상 필터, 단측파대 결합

Description

다중 밴드 주파수 발생기{Multiband Frequency Generator}
본 발명은 다중 밴드 주파수 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전압제어 발진기에서 주파수를 발생시킨 후 주파수 혼합기를 통해 출력 신호 자체를 주파수 혼합하여 두배의 주파수를 생성하고, 기본 주파수와 생성된 두배의 주파수를 단측파대 주파수 혼합하도록 구성된 다중 밴드 주파수 발생기에 관한 것이다.
오늘날에는 수많은 통신 표준이 서로 다른 주파수 대역에서 동작을 하게 된다. 따라서 사용자는 하나의 다중표준 다중밴드 단말기를 가지고서 끊김 없이 통신망에 접속하기를 원하게 된다. 그러한 목적을 이루기 위해 리컨피규러블(reconfigurable) 무선이나 소프트웨어정의 무선(SDR) 또는 인지(cognitive) 무선 같은 개념이 등장하였다.
　　그와 같은 무선시스템에서 설계하기 어려운 블록 가운데 하나가 바로 다중대역 주파수를 발생시키는 시스템이다.
최근에 직접변환방식(DCR)의 무선송수신기에 적용하기 위해 800-900MHz, 1800-1900MHz, 2.4-2.5GHz 및 5GHz 대역의 주파수를 하나의 차동전압제어 발진기를 이용하여 발생시키는 시스템이 보고된 바 있다.
도 1 및 도 2에 종래 기술에 따른 다중 밴드 주파수 발생기의 구성을 도시하였다.
먼저, 예를 들어 도 1에 따른 주파수 발생기의 경우, 전압제어 발진기의 주파수는 10GHz/3에서 동작하며, 주파수를 2분주시킨 5GHz/3를 주파수 변환기(Mixer)를 통하여 원하는 5GHz대역의 무선(RF) 주파수를 발생시키게 된다. 하지만 이러한 방법은 출력에 본질적으로 이미지 주파수를 포함한다는 단점이 있다.
그러한 이미지 문제를 해결하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같은 4위상 전압제어 발진기를 사용하는 또 다른 방법이 제안되었다.
도 1에 도시된 방법의 경우 구현은 간단하지만, 출력에서 5GHz/3에 해당하는 이미지 주파수가 존재하므로 깨끗한 5GHz 주파수를 생성할 수가 없다는 문제점을 갖는 반면, 도 2에 도시된 방법의 경우에는 상대적으로 복잡한 구성을 갖지만, 단측파대(SSB;single sideband) 주파수 혼합을 하여 출력에서의 이미지를 줄이는 장점이 있다.
그렇지만, 위의 두 방법의 경우 모두 10GHz/3에 해당하는 주파수를 발생시킨 후 주파수 나눔기를 통하여 2분주 한 다음 주파수 혼합기를 통해 원하는 주파수 5GHz를 얻는 방법을 취하고 있는데, 이와 같이 주파수 나눔기를 사용할 경우 듀티사이클(duty cycle)이 50%인 정확한 4위상 신호를 발생시키기 어려우며, 또한 주파 수 나눔기 자체가 GHz대역의 높은 주파수에서 동작해야 하므로 전력 소모를 많이 한다는 등의 단점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 4위상 전압제어 발진기에서 기본주파수(fundamental frequency)를 갖는 4위상 신호를 발생시킨 후 주파수 혼합기를 통해 출력 신호 자체를 주파수 혼합하여 기본주파수의 두배에 해당되는 주파수를 갖는 차동신호를 생성하고, 그 차동신호를 다위상 필터를 통하여 4위상 신호를 생성하여, 기본 주파수를 갖는 4위상 신호와 기본주파수의 두배의 주파수를 갖는 4위상 신호를 단측파대 주파수 혼합하도록 구성된 다중 밴드 주파수 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드 주파수 발생기는, 다중 밴드 주파수 발생기에 있어서, 개별 스위치에 의해 충전되는 한쌍의 커패시터가 병렬 구성된 스위치 커패시터 뱅크(switched capacitor bank)가 각각 구성된 대칭 구조의 차동형 4위상 전압 제어 발진기; 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)를 같은 신호의 +신호(OI+, OQ+)와 -신호(OI-, OQ-) 끼리 각각 혼합하여 단일의 2배 주파수 신호(O+, O-)를 출력하는 주파수 혼합기; 상기 주파수 혼합기로부터 생성된 단일의 2배 주파수 신호를 단일 제어 전압에 의해서 가변되는 동일 크기를 가지며 위상이 상이한 I, Q 신호의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)로 변환하여 출력하는 다위상 필터; 및 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)와 상기 다위상 필터에 의해 필터링된 2배의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)가 같은 신호끼리, 그리고 다른 신호끼리 혼합하여 희망 주파수 신호(ILO+, ILO-, QLO+, QLO-)를 발생시키는 단측파대 주파수 혼합기를 포함한다.
여기서, 상기 4위상 전압 제어 발진기, 다위상 필터 및 단측파대 주파수 혼합기는 0.18마이크론 CMOS 공정에 의해 제작되는 것이 바람직할 수 있으며, 이때, 상기 전압 제어 발진기로부터 발생된는 주파수는 예를 들어 5GHz/3 주파수인 것이 바람직할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다중 밴드 주파수 발생기에 따르면, 기존의 방법에서의 장점을 유지하면서 전압제어 발진기의 주파수를 기존 방법에서보다 1/2 낮은 주파수에서 동작하게 함으로써 칩의 물리적인 레이아웃상에서 필연적으로 발생하는 In-phase/Quadrature 신호 간의 부정합을 줄일 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 발생된 주파수는 위상제어루프(Phase Locked Loop) 블록으로 인가되기 전에 2분주되는데, 전압제어 발진기 자체의 발진주파수가 기존 방법보다 1/2 낮은 주파수로 인하여 그러한 2분주기의 소모전력을 줄일 수 있다는 등의 추가적인 장점도 제공할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드 주파수 발생기는, 다중 밴드 주파수 발생기에 있어서, 개별 스위치에 의해 충전되는 한쌍의 커패시터가 병렬 구성된 스위치 커패시터 뱅크(switched capacitor bank)가 각각 구성된 대칭 구조의 차동형 4위상 전압 제어 발진기; 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)를 같은 신호의 +신호(OI+, OQ+)와 -신호(OI-, OQ-) 끼리 각각 혼합하여 단일의 2배 주파수 신호(O+, O-)를 출력하는 주파수 혼합기; 상기 주파수 혼합기로부터 생성된 단일의 2배 주파수 신호를 단일 제어 전압에 의해서 가변되는 동일 크기를 가지며 위상이 상이한 I, Q 신호의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)로 변환하여 출력하는 다위상 필터; 및 상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)와 상기 다위상 필터에 의해 필터링된 2배의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)가 같은 신호끼리, 그리고 다른 신호끼리 혼합하여 희망 주파수 신호(ILO+, ILO-, QLO+, QLO-)를 발생시키는 단측파대 주파수 혼합기를 포함한다.
여기서, 상기 4위상 전압 제어 발진기, 다위상 필터 및 단측파대 주파수 혼합기는 0.18마이크론 CMOS 공정에 의해 제작되는 것이 바람직할 수 있으며, 이때, 상기 전압 제어 발진기로부터 발생된는 주파수는 예를 들어 5GHz/3 주파수인 것이 바람직할 수 있다.
여기서 상기 개별 스위치는 8개인 것이 바람직할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드 주파수 혼합기의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 도 1 및 도 2를 통해 설명된 종래 기술들의 경우와는 달리 전압제어 발진기에서 희망 주파수의 1/3 주파수를 발생시킨 후, 주파수 혼합기를 통해 출력 신호 자체를 주파수 혼합하여 두배의 주파수를 생성하고, 기본 주파수와 생성된 두배의 주파수를 단측파대 주파수 혼합하여 최종적으로 원하는 주파수를 얻는 방법이다.
다시 말해, 5GHz의 주파수를 예로 들자면, 전압제어 발진기에서는 5GHz/3의 주파수를 발생시키고 주파수 혼합기를 통해 두배의 주파수를 생성한 다음, 기본 주파수와 생성된 두배의 주파수를 단측파대 주파수 혼합하여 원하는 5GHz의 주파수를 얻을 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 전압제어 발진기는 800-900MHz, 2.4GHz 및 5GHz 대역의 비허가대역(ISM)에서의 주파수를 발생시키게 되는데, 이는 기존의 방법에서의 장점을 유지하면서 전압제어 발진기의 주파수를 기존 방법에서보다 1/2 낮은 5GHz/3에서 동작하게 함으로써 칩의 물리적인 레이아웃상에서 필연적으로 발생하는 In-phase/Quadrature 신호 간의 부정합을 줄일 수 있는 장점을 가진다.
또한, 발생된 주파수는 위상제어루프 (Phase Locked Loop) 블록으로 인가되기 전에 2분주되는데, 전압제어 발진기 자체의 낮은 주파수로 인하여 그러한 2분주기의 소모전력을 줄일 수 있는 장점도 지닌다.
도 4a 내지 도 4c는 0.18마이크론 CMOS 공정을 이용한 실제 회로 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4a, 4b 및 4c를 참조하면 0.18마이크론 CMOS공정을 이용한 4위상 전압제어발진기, 주파수 혼합기를 이용한 주파수 2체배기/다위상필터 및 단측파대 주파수 혼합기/2분주기의 실제 회로 구성을 살펴볼 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 5a 및 5b는 모의실험 결과 주파수 튜닝특성 및 위상잡음 특성을 각각 나타내는 설명도로써, 주파수 튜닝범위는 1.6~1.9GHz이며, 1 MHz offset주파수에서 위상잡음은 UHF대역에서 -122dBc/Hz, 2.4GHz 대역에서 -117dBc/Hz 및 5 GHz대역에서 -107 dBc/Hz의 성능을 얻었다.
도 5c는 모의실험 결과 전압제어발진기, 다위상필터 및 단측파대 주파수 혼합기의 각각의 출력에서의 파형을 나타내는 설명도 이다.
도 5d는 모의실험 결과 다위상 필터의 In-phase/Quadrature 신호의 위상 차이에 따른 단측파대 주파수 혼합기의 최종출력에서의 이미지 억압비율 (Image Band Rejection)을 나타내는 설명도 이다. 통상적으로 In-phase/Quadrature 신호의 위상차이는 90 degree에서 ±5 degree의 오차를 가지며 이 경우에 이미지 억압비율은 44 dB이상의 성능을 얻었다.
이때, 본 발명의 다중 밴드 주파수 발생기에 구비되는 전압제어 발진기로부터 발생되는 주파수 신호가 반드시 800-900MHz, 2.4GHz 및 5GHz 대역으로 한정되지 아니함은 당연하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 다중 밴드 주파수 발생기의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드 주파수 발생기의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 4a 내지 도 4c는 0.18마이크론 CMOS 공정을 이용한 실제 회로 구성을 나타내는 설명도 이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.

Claims (4)

  1. 다중 밴드 주파수 발생기에 있어서,
    개별 스위치에 의해 충전되는 한쌍의 커패시터가 병렬 구성된 스위치 커패시터 뱅크(switched capacitor bank)가 각각 구성된 대칭 구조의 차동형 4위상 전압 제어 발진기;
    상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)를 같은 신호의 +신호(OI+, OQ+)와 -신호(OI-, OQ-) 끼리 각각 혼합하여 단일의 2배 주파수 신호(O+, O-)를 출력하는 주파수 혼합기;
    상기 주파수 혼합기로부터 생성된 단일의 2배 주파수 신호를 단일 제어 전압에 의해서 가변되는 동일 크기를 가지며 위상이 상이한 I, Q 신호의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)로 변환하여 출력하는 다위상 필터; 및
    상기 4위상 전압 제어 발진기로부터 발생된 I 신호(OI+, OI-)와 Q 신호(OQ+, OQ-)와 상기 다위상 필터에 의해 필터링된 2배의 4위상 주파수 신호(DQ+, DQ-, DI+, DI-)가 같은 신호끼리, 그리고 다른 신호끼리 혼합하여 희망 주파수 신호(ILO+, ILO-, QLO+, QLO-)를 발생시키는 단측파대 주파수 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밴드 주파수 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 4위상 전압 제어 발진기, 다위상 필터 및 단측파대 주파수 혼합기는 0.18마이크론 CMOS 공정에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 다중 밴드 주파수 발생기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 4위상 전압 제어 발진기는 5GHz/3 주파수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다중밴드 주파수 발생기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 개별 스위치는 8개인 것을 특징으로 하는 다중밴드 주파수 발생기.
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