KR101997988B1

KR101997988B1 - 광대역 대면적 빔포밍을 위한 하이브리드 타입 송수신기

Info

Publication number: KR101997988B1
Application number: KR1020170154526A
Authority: KR
Inventors: 김기진; 안광호
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US10411875B2; US20190158267A1; KR20190057523A

Abstract

광대역 대면적 빔포밍을 위한 하이브리드 타입 송수신기가 제공된다. 본 통신 장치는 안테나들; 안테나들을 통해 수신된 수신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 제1 PS(Phase Shifter)들; 및 PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들에 대한 딜레이를 조정하는 제1 TD(Tlime Delay);를 포함한다.
이에 의해, 대면적 배열 안테나를 이용한 광대역 통신 시스템을 설계함에 있어, 시스템의 구조를 간단하게 하고 크기는 작게 하면서도, 전력 소모는 줄이고, 시스템 해상도는 높일 수 있게 된다.

Description

광대역 대면적 빔포밍을 위한 하이브리드 타입 송수신기{Hybrid Type Transceiver for Broadband Large Area Beamforming}

본 발명은 송수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 대면적 빔포밍을 위한 송수신기에 관한 것이다.

도 1에는 RF 또는 밀리미터파 송수신 시스템의 배열 안테나(Array Antenna)에서 θ 각도로 입사되는 신호들의 지연을 도시한 그림이다. 도 1에서 인접한 안테나들 간의 시간 지연은 "d*sinθ"가 된다.

안테나간 wave 전파에 의한 손실은 없는 것으로 가정할 때, 첫 번째 안테나와 (N+1) 번째 안테나 간의 시간 지연은 "N*d*sinθ"가 된다.

따라서, 도 1에 도시된 시스템에서 원하는 방향으로 무선 신호를 전송하거나 수신하기 위해, 가장 크게는 "N*d*sinθ" 만큼의 시간을 지연해 주는 제어기가 필요하다.

도 2는 광 딜레이를 사용한 지연기 회로도이다. 도시된 지연기는 지연을 손실없이 정확하게 만들 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 전기 신호를 광신호로 바꾸어 주는 E/O 변환기와 광신호를 다시 전기신호로 바꾸어 주는 O/E 변환기가 필요하다.

이에, 지연기의 부피가 크다는 문제점 및 전기 신호가 빨라짐에 따라 E/O 변환기와 O/E 변환기가 기하 급수적으로 커지고 비싸지는 문제점이 있다.

도 3은 ETD(Electronic Time Delay)를 이용한 밀리미터파 지연기 회로를 도시한 도면이다. 시간 지연은 인덕터와 커패시터로 조절할 수 있으며, 각 노드에 스위치를 두어 시간 지연을 조절하게 된다.

이 기법은 크기 및 속도에는 장점이 있지만 많은 지연 시간을 필요로 하는 대면적 배열 시스템의 경우 지연 시간이 늘어남에 따른 손실 증가와 크기 증가라는 문제점 때문에 적용이 불가능한 구조가 된다.

도 4는 위상 조절기를 이용한 배열 안테나 시스템을 도시한 도면이다. 시간 지연(Td)은 결국 e^-jwTd로 푸리에 변환이 되고, 이는 등가적으로 위상 지연으로 표현될 수 있다. 즉, 아무리 큰 Td를 가졌더라도 위상 지연으로 쉽게 표현이 되기 때문에, 도 4와 같이 제어가 가능한 위상 조절기를 배열 시스템에 구조로 선정했을 때에는 대면적 배열을 손쉽게 구성할 수 있다.

하지만, 시간 지연을 위상 지연으로 모델링 하여 구성한 위상 변환 배열 시스템에서는 송수신 통신 및 레이더 신호 대역폭에 제한을 두고 있다. 그 이유는 협대역 주파수에서만 위상 지연과 시간 지연이 등가 관계를 유지하기 때문인데, 최근 통신 시스템에서는 광대역 주파수를 사용하여 고속 통신 서비스를 지원하기를 원하고 있는데, 이러한 경우는 문제가 발생한다.

도 5와 도 6에서 이를 잘 설명하고 있다. 도 5의 경우는 9~11 GHz에 이르는 광대역 신호를 실제 시간 지연기를 구성하여 20도 각도로 송신할 때의 이득 파형이 다. 도 5에 도시된 바와 같이, 9~11 GHz까지 전 대역에 걸쳐 빔포밍이 완벽하게 되는 것을 확인할 수 있다.

하지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 같은 시스템을 위상 조절기를 통해 구현한 경우, 10GHz는 20도로 빔포밍 되고 있지만 9GHz는 18도, 11GHz는 22도로 빔포밍 되면서 원하는 20도에서 주파수에 따른 송신 출력의 variation이 발생할 수 밖에 없다. 이를 Beam Squint 현상이라 부르며 이는 위상 조절기를 사용하여 광대역 신호를 전송함에 있어 발생하는 가장 큰 문제점이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 광대역 대면적 빔포밍을 위한 하이브리드 타입 송수신기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 통신 장치는 안테나들; 안테나들을 통해 수신된 수신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 제1 PS(Phase Shifter)들; PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들에 대한 딜레이를 조정하는 제1 TD(Tlime Delay);를 포함한다.

제1 PS들은, RF 단에 마련되어, 수신된 RF 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 것일 수 있다.

본 실시예에 따른 통신 장치는 RF 신호들을 합성하는 제1 합성기;를 더 포함하고, 제1 TD는, 합성기에서 합성된 합성 신호에 대한 딜레이를 조정하는 것일 수 있다.

본 실시예에 따른 통신 장치는 제1 합성기에서 출력되는 합성 신호를 IF 대역으로 다운 컨버팅하는 제1 믹서;를 더 포함하고, 제1 TD는, 제1 믹서에서 출력되는 IF 신호에 대한 딜레이를 조정하는 것일 수 있다.

제1 TD에서의 조정 폭은, 제1 PS들에서의 조정 폭들 보다 큰 것일 수 있다.

본 실시예에 따른 통신 장치는 신호에 대한 딜레이를 조정하는 제2 TD(Tlime Delay); 및 송신 신호들로부터 생성된 다수의 송신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하여 안테나들로 인가하는 제2 PS(Phase Shifter)들;을 더 포함할 수 있다.

제2 TD는, IF 단에 마련되어, 송신할 IF 신호에 대한 딜레이를 조정하고, 제2 TD에서 딜레이가 조정된 IF 신호를 RF 신호로 업 컨버팅하는 믹서;를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 통신 장치는 믹서에서 출력되는 RF 신호를 다수의 RF 신호들로 분배하는 분배기;를 더 포함하고, 제2 PS들은, 분배기에서 출력되는 RF 신호들 각각의 위상을 각각 조정하여 안테나들로 인가하는 것일 수 있다.

안테나들은, 배열 안테나를 구성하는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 방법은 안테나들이, 신호들을 각각 수신하는 단계; 제1 PS(Phase Shifter)들이, 안테나들을 통해 수신된 수신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 단계; 및 제1 TD(Tlime Delay)가, PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들에 대한 딜레이를 조정하는 단계;를 포함한다.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 통신 장치는 수신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 PS(Phase Shifter)들; 및 PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들에 대한 딜레이를 조정하는 TD(Time Delay);를 포함한다.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 통신 방법은 제1 PS(Phase Shifter)들이, 수신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 단계; 제1 TD(Tlime Delay)가, PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들에 대한 딜레이를 조정하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 대면적 배열 안테나를 이용한 광대역 통신 시스템을 설계함에 있어, 시스템의 구조를 간단하게 하고 크기는 작게 하면서도, 전력 소모는 줄이고, 시스템 해상도는 높일 수 있게 된다.

도 1은, θ 각도의 신호를 수신하는 배열 안테나,
도 2는 광 지연기를 사용한 지연기 회로도,
도 3은 ETC*Electronic Time Delay)의 회로도,
도 4는 위상 조절기를 이용한 배열 안테나 시스템,
도 5는 시간 지연기를 이용하여 광대역 신호를 20도 빔포밍한 패턴,
도 6은 위상 조절기를 이용하여 광대역 신호를 20도 빔포밍한 패턴,
도 7은 IF 대역의 TD의 블럭도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF/밀리미터파 통신 시스템의 블럭도,
도 9는 하이브리드 통신모듈들에 구비된 수신기의 구조도,
도 10은 하이브리드 통신모듈들에 구비된 송신기의 구조도, 그리고,
도 11은 PS 사용에 따른 Beam Squint 현상을 분석한 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 7은 IF 대역의 TD(Time Delay)의 블럭도이다. 전술한 RF 대역의 TD와 달리 능동 소자의 Gm값과 커패시턴스로 시간 지연을 구성할 수 있어, 지연 시간이 커지더라도 크기가 크게 증가하지 않으며 손실이 거의 없다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는, 대면적 안테나 배열 시스템에서 큰 시간 지연을 구현하기 위한 방안으로 IF 대역의 TD를 이용한다. 하지만, 큰 시간 지연은 지연 시간의 세밀한 조절, 즉, 정밀한 해상도에 있어서는 문제가 있다.

나아가, 모든 배열들에서의 시간 지연을 IF 단에서 해결하려면, 모든 배열 마다 믹서를 추가하여야 하는데, 이는 배열 시스템의 구성에 매우 비효율적이 된다.

이에, 본 발명의 실시예에서는, 4개의 배열들을 묶어 하나의 IF 믹서와 하나의 IF 대역 TD로 처리하며, 4개의 배열들 각각에 대해서는 RF 단에서 각각의 위상 조절기로 처리하는 방안을 제시한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF/밀리미터파 통신 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 도 8에 도시된 바와 같이, 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4), 합성/분배 모듈(200) 및 신호 처리 모듈(300)을 포함한다.

하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)은 다수의 안테나를 통해 신호를 송수신하기 위한 모듈로, 광대역 대면적 배열 안테나에 대한 빔포밍이 가능하다.

합성/분배 모듈(200)은, 수신 모드에서는 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)에서 출력되는 수신 신호들을 합성하여 신호 처리 모듈(300)로 인가하고, 송신 모드에서는 신호 처리 모듈(300)에서 출력되는 송신 신호를 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)에 분배한다.

신호 처리 모듈(300)은 수신 신호를 처리하고, 송신 신호를 생성하기 위한 모듈이다.

도 9는 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)에 구비된 수신기의 구조도이다. 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)의 수신기는 동일 구조로 구현 가능하므로, 도 9에는 하나의 하이브리드 통신모듈의 수신기만을 대표하여 도시하였다.

하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)의 수신기는, 도 9에 도시된 바와 같이, 가변 LNA들(211), PS(Phase Shifter)들(212), 가변 DA들(213), 합성기들(221, 222, 223), IF 대역 믹서(230), PLL(235), TD(Tlime Delay)(240)를 포함한다.

가변 LNA들(211)은 4개의 안테나들에 수신된 RF 신호들 각각을 증폭하고, PS들(212)은 빔포밍을 위해 RF 신호들의 위상을 조절하며, 가변 DA들(213)은 위상 조절된 RF 신호들을 다시 증폭한다.

PS들(212)은 RF 단에서 인접한 안테나들 간의 미세 빔포밍을 위해 위상 조절을 수행하는 것이다.

합성기들(221, 222, 223)은 위상 조절된 RF 신호들을 하나의 RF 신호로 합성한다. IF 대역 믹서(230)는 PLL(235)에서 출력되는 주파수를 이용하여, 합성기(223)에서 출력되는 합성 신호를 IF 대역으로 다운 컨버팅한다.

TD(240)는 합성기(223)에서 다운 컨버팅된 IF 신호에 대한 딜레이를 조정한다. TD(240)는 IF 단에서 안테나 그룹들 간의 빔포밍을 위해 딜레이 조정을 수행하는 것이다.

TD(240)에서의 딜레이 조정은 안테나 그룹들 간의 조정이라는 점에서, 개별안테나들 간의 위상 조정에 비해, 조정 폭이 더 크다.

도 10은 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)에 구비된 송신기의 구조도이다. 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)의 송신기는 동일 구조로 구현 가능하므로, 도 10에는 하나의 하이브리드 통신모듈의 송신기만을 대표하여 도시하였다.

하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)의 송신기는, 도 10에 도시된 바와 같이, PA들(261), PS(Phase Shifter)들(262), 가변 DA들(263), 분배기들(271, 272, 273), PLL(280), IF 대역 믹서(285), TD(Tlime Delay)(290)를 포함하여 구축된다.

TD(290)는 입력되는 IF 대역의 송신 신호에 대한 딜레이를 조정한다. TD(290)는 IF 단에서 안테나 그룹들 간의 빔포밍을 위해 딜레이 조정을 수행한다.

믹서(285)는 PLL(280)에서 출력되는 주파수를 이용하여, TD(290)에서 딜레이가 조정된 IF 신호를 RF 대역으로 업 컨버팅한다. 분배기들(271, 272, 273)은 믹서(285)에서 출력되는 RF 신호를 4개의 RF 신호들로 분배한다.

가변 DA들(263)은 분배기들(271, 272, 273)에서 출력되는 RF 신호들 각각을 증폭하고, PS들(262)은 빔포밍을 위해 RF 신호들 각각의 위상을 각각 조정하며, PA들(261)은 위상 조절된 RF 신호들을 다시 증폭하여, 4개의 안테나들을 통해 전송한다.

PS들(262)은 RF 단에서 인접한 안테나들 간의 미세 빔포밍을 위해 위상 조절을 수행하는 것이다. PS들(262)에서의 위상 조정은 개별 안테나들 간의 미세 조정이라는 점에서, 안테나 그룹들 간의 조정인 TD(290)에서의 딜레이 조정에 비해, 조정 폭이 더 작다.

이와 같이, 하이브리드 통신모듈들(100-1, 100-2, 100-3 및 100-4)은 RF 단에서는 PS로 개별 안테나 별 빔포밍을 수행하고, IF 단에서는 TD로 안테나 그룹 별 빔포밍을 수행한다.

전술한 바와 같이, IF 단에서 TD의 해상도 문제는, RF 단에서 PS를 통한 미세 위상 조절을 통해 해소될 수 있다. 또한, IF 단에 TD를 구현하였기 때문에, 대면적 배열에 적용 가능하다.

Beam Squint 현상은 배열의 개수가 증가했을 때 심해지는데, 본 발명의 실시예에서는 PS를 작은 개수(4개)로 구현하였으므로, Beam Squint 현상은 크게 발생하지 않는다.

도 11에 4개의 PS를 사용한 경우(0.06dB error)와 4개의 TD를 사용한 경우(No error)의 Beam Squint 현상을 분석하였는데, 도시된 바를 통해 적은 수의 안테나들에 PS들을 적용한 경우에는 Beam Squint 현상이 크게 문제가 되지 않음을 확인할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 대면적, 고해상도, 작은 크기, 간단한 구조, 저 전력 등의 다양한 장점을 갖게 된다.

지금까지, 광대역 대면적 빔포밍을 위한 하이브리드 타입 송수신기에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 5G 이동 통신에 사용될 빔포밍 배열 안테나를 구성하기 위한 핵심 내용으로, 배열 면적이 커지는 대면적 배열 시스템과 동시에 넓은 대역폭을 가지는 고속 통신 시스템에 범용적으로 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 대면적 배열 안테나를 이용한 광대역 통신 시스템을 설계함에 있어, IF 단에 TD를 구성하여 시스템을 간단하게 하였다.

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 이동통신 부품, 모듈 및 시스템에 적용가능하며, 특히 5G 이동통신의 Front End module에 활용 가능하고, 광대역 위상 배열 시스템에 적용 가능하다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

212 : PS(Phase Shifter)
221, 222, 223 : 합성기
230 : IF 대역 믹서
240 : TD(Tlime Delay)
262 : PS(Phase Shifter)
271, 272, 273 : 분배기
285 : IF 대역 믹서
290 : TD(Tlime Delay)

Claims

안테나들;
안테나들을 통해 수신된 다수의 수신 신호들 각각의 위상을 RF 대역에서 각각 조정하는 다수의 제1 PS(Phase Shifter)들; 및
제1 PS들에서 위상들이 각각 조정된 다수의 수신 신호들을 합성한 하나의 합성 신호를 IF 대역에서 딜레이 조정하는 하나의 제1 TD(Tlime Delay);를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 1에 있어서,
제1 PS들은,
RF 단에 마련되어, 수신된 RF 신호들 각각의 위상을 각각 조정하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 2에 있어서,
RF 신호들을 합성하는 제1 합성기;를 더 포함하고,
제1 TD는,
합성기에서 합성된 합성 신호에 대한 딜레이를 조정하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 3에 있어서,
제1 합성기에서 출력되는 합성 신호를 IF 대역으로 다운 컨버팅하는 제1 믹서;를 더 포함하고,
제1 TD는,
제1 믹서에서 출력되는 IF 신호에 대한 딜레이를 조정하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 1에 있어서,
제1 TD에서의 조정 폭은,
제1 PS들에서의 조정 폭들 보다 큰 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 1에 있어서,
송신 신호에 대한 딜레이를 조정하는 제2 TD(Tlime Delay); 및
송신 신호들로부터 생성된 다수의 송신 신호들 각각의 위상을 각각 조정하여 안테나들로 인가하는 제2 PS(Phase Shifter)들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 6에 있어서,
제2 TD는,
IF 단에 마련되어, 송신할 IF 신호에 대한 딜레이를 조정하고,
제2 TD에서 딜레이가 조정된 IF 신호를 RF 신호로 업 컨버팅하는 믹서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 7에 있어서,
믹서에서 출력되는 RF 신호를 다수의 RF 신호들로 분배하는 분배기;를 더 포함하고,
제2 PS들은,
분배기에서 출력되는 RF 신호들 각각의 위상을 각각 조정하여 안테나들로 인가하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
청구항 1에 있어서,
안테나들은,
배열 안테나를 구성하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
안테나들이, 다수의 신호들을 각각 수신하는 단계;
다수의 제1 PS(Phase Shifter)들이, 안테나들을 통해 수신된 다수의 수신 신호들 각각의 위상을 RF 대역에서 각각 조정하는 단계; 및
하나의 제1 TD(Tlime Delay)가, PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들을 합성한 하나의 합성 신호를 IF 대역에서 딜레이 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
다수의 수신 신호들 각각의 위상을 RF 대역에서 각각 조정하는 다수의 PS(Phase Shifter)들; 및
다수의 PS들에서 위상들이 각각 조정된 다수의 수신 신호을 합성한 하나의 합성 선호를 IF 대역에서 딜레이 조정하는 하나의 TD(Time Delay);를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
다수의 PS(Phase Shifter)들이, 다수의 수신 신호들 각각의 위상을 RF 대역에서 각각 조정하는 단계; 및
하나의 TD(Tlime Delay)가, 다수의 PS들에서 위상들이 각각 조정된 수신 신호들을 합성한 하나의 합성 신호를 IF 대역에서 딜레이 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.