KR102191295B1 - 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기에 관한 것으로서, 입력받은 전압을 비선형 소자인 트랜지스터(M3, M4)를 통해 출력전류를 생성하는 비선형 발생기; 소스단에 코일(L2), 및 커패시터(C3, C4)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 1차 주파수 성분을 제거하는 노치필터; 및 출력단에 코일(L1), 및 커패시터(C1, C2)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 3차 주파수 성분을 유지시키는 밴드패스필터를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 밀리미터파 대역의 주파수 합성 시스템에 적용이 가능한 주입 동기식 주파수 체배기를 구성하여 전류 재사용을 통한 삼배수의 고조파 생성 및 기본 주파수를 제거함에 따라, 주입 동기식 주파수 삼배기의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시키고, 밀리미터파 주파수 대역의 주파수 합성기의 단일칩화, 저전력, 및 경량화를 제공하며 무선 송수신 시스템의 스퓨리어스(spurious) 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기{Notch Filtering Embedded Frequency Tripler}
본 발명은 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 밀리미터파 대역의 주파수 합성 시스템에 적용이 가능한 주입 동기식 주파수 체배기를 구성하여, 전류 재사용을 통한 삼배수의 고조파 생성 및 기본 주파수를 제거하는 기술에 관한 것이다.
종래의 주파수 합성기의 출력 주파수는 도 1에 도시된 바와 같이 혼합기(Mixer)의 국부(Local) 발진(Oscillator) 주파수에 동기화되는데, 동작 주파수가 높아질수록 여러 가지 문제점이 발생한다.
첫째로, 고주파에서 주파수 합성 및 신뢰성 있는 신호의 생성이 어렵다.
둘째로, 주파수 합성기와 송/수신기의 혼합기 간 인터페이스의 소모 전력이 급상승한다.
셋째로, 고주파 동작으로 인한 주파수 합성기 및 혼합기로 주입되는 기준 주파수 성분 신호의 성능 열화가 발생한다.
아울러, 5G 송수신 시스템의 경우, 광대역 송수신을 위해 28GHz 대역을 포함한 밀리미터 파 대역의 주파수가 사용될 가능성이 높으며, 이에 따라 기존의 주파수 합성기법으로는 동작주파수, 성능, 전력소모간 트레이드 오프를 맞추기가 매우 어렵다.
전술한 문제점을 개선하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 주파수 체배기를 적용하여 혼합기의 국부 발진 주파수보다 낮은 주파수(%2, %3 또는 그 이상)에서 주파수 합성기의 동작이 가능하다.
이처럼 주파수 체배기를 적용한 주파수 합성을 통해 주파수 합성기의 동작 주파수 조건을 완화하고, 주파수 합성기 및 혼합기 간 인터페이스의 소모 전력을 최적화하며, 상대적으로 낮은 주파수로 동작함에 따라 주파수 혼합기의 성능을 향상시킬 수 있다(예: 위상잡음, 소모전력, 및 고조파 성분).
예컨대, 28GHz 대역의 주파수를 적용한 송수신기에서 주파수 삼배기를 적용할 경우, 28GHz 대역에서 동작하는 혼합기의 국부 발진 주파수 생성을 위해 7.334GHz(28GHz/3) 주파수 합성기, 7.334GHz에서 동작하는 디지털 버퍼, 혼합기 근방에서 주파수 체배를 위한 주파수 삼배기가 필요하다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같은 주파수 체배기를 사용할 경우, 5G 송수신 시스템에서 필요로 하는 고주파 대역에서 작동이 어렵고, 약한 출력신호로 인해 부가적인 증폭기가 필요하거나 여러 단으로 구성함에 따라 전력 소모가 상승하며, 차동 출력이 불가능하고 단일 출력만 가능한 문제점이 있다.
도 3의 주파수 체배기의 문제점은 도 4에 도시된 주입 동기식 주파수 체배기를 통해 해소할 수 있다.
이러한 주입 동기식 주파수 체배기는 낮은 소모 전력, LC 공진을 포함한 필터 및 발진 구조를 통해 높은 동작 주파수 실현, 및 Quadrature coupling을 통해 in-phase 및 quadrature-phase 주파수 생성이 용이하다.
한국공개특허 제10-2016-0005692호
본 발명의 목적은, 밀리미터파 대역의 주파수 합성 시스템에 적용이 가능한 주입 동기식 주파수 체배기를 구성하여 전류 재사용을 통한 삼배수의 고조파 생성 및 기본 주파수를 제거함으로써, 주입 동기식 주파수 삼배기의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시키고, 밀리미터파 주파수 대역의 주파수 합성기의 단일칩화, 저전력, 및 경량화를 제공하며 무선 송수신 시스템의 스퓨리어스(spurious) 성능을 향상시키는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기로서, 입력받은 전압을 비선형 소자인 트랜지스터(M3, M4)를 통해 출력전류를 생성하는 비선형 발생기; 소스단에 코일(L2), 및 커패시터(C3, C4)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 1차 주파수 성분을 제거하는 노치필터; 및 출력단에 코일(L1), 및 커패시터(C1, C2)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 3차 주파수 성분을 유지시키는 밴드패스필터를 포함한다.
바람직하게는, 출력 전류는, [수학식 1]에 따라 입력 전압에 따라 비선형적으로 반응하되, 1차 주파수 성분은
Figure 112018079918760-pat00001
이고, 3차 주파수 성분은
Figure 112018079918760-pat00002
인 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112018079918760-pat00003
노치필터는, 주입 동기식 주파수 삼배기의 성능 열화 없이 기존 주파수 삼배기의 전류를 재사용하는 소스 축퇴 기법을 통해 비선형 발생기에 내재화되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
노치필터는, 1차 주파수 동기 범위에서 개방-회로(open circuit)로 출력신호의 출력이 억제되는 것을 특징으로 한다.
노치필터는, 3차 주파수 동기 범위에서 폐-회로(short circuit)으로 출력신호의 출력에 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 한다.
노치필터는, 주입 동기 범위(locking range)에 영향을 끼치지 않도록 구성되어 사용 가능한 주파수 범위를 열화시키지 않는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 밀리미터파 대역의 주파수 합성 시스템에 적용이 가능한 주입 동기식 주파수 체배기를 구성하여 전류 재사용을 통한 삼배수의 고조파 생성 및 기본 주파수를 제거함으로써, 주입 동기식 주파수 삼배기의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시키고, 밀리미터파 주파수 대역의 주파수 합성기의 단일칩화, 저전력, 및 경량화를 제공하며 무선 송수신 시스템의 스퓨리어스(spurious) 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 혼합기의 국부 발진 주파수 동기화한 주파수 합성기의 구조도.
도 2는 주파수 체배기를 적용한 주파수 합성기의 구조도.
도 3은 동조 증폭기(tuned amplifier)와 푸시-푸시 발진기(push-push oscillator)를 구성한 주파수 체배기의 구조도.
도 4는 주입 동기식 주파수 체배기 구조도 및 회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기의 주입 동기식 주파수 체배기에 대한 구조도 및 회로도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 소스 증폭기 및 소스 축퇴 기법을 적용한 회로도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 응답 특성을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 축퇴 기법을 적용한 공통 소스 증폭기의 주파수 응답 특성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기의 주입 동기식 IQ(Inphase and Quadrature) 주파수 체배기 구조도 및 회로도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기의 작동양태를 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기(frequency tripler)(100)는, 비선형 발생기(non-linearity)(102), 노치필터(notch filter)(104) 및 밴드패스필터(BPF: bandpass filter)(106)를 포함하여 구성된다.
비선형 발생기(102)는 입력받은 전압을 비선형 소자인 트랜지스터(M3, M4)를 통해 출력전류를 생성한다.
노치필터(104)는 소스단에 코일(L2), 및 커패시터(C3, C4)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 1차 주파수 성분을 제거한다.
밴드패스필터(106)는 출력단에 코일(L1), 및 커패시터(C1, C2)로 구성되어 출력전류의 성분 중에서 3차 주파수 성분이 유지되도록 구성된다.
이때, 밴드패스필터(106)는 출력전류의 성분 중에서 3차 성분이 유지되도록 구동함과 동시에, 트랜지스터(M1, M2)의 전류 성분을 전압 성분으로 바꾸어주는 I-V 변환 기능을 수행한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기(100)에 대해 살피면 아래와 같다.
트랜지스터의 출력 전류는 입력 전압에 비례하는 바가 자명하나, 그 관계식은 선형이 아니다. 따라서, 출력 전류는 입력 전압에 따라서 비선형적으로 반응하게 되며, 이 반응식은 아래의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112018079918760-pat00004
여기서, 유지(maintain)하여야 하는 신호는 3차 주파수 성분(
Figure 112018079918760-pat00005
)이며 제거(notch)하여야 하는 성분은 1차 주파수 성분(
Figure 112018079918760-pat00006
)이다.
일반적인, 주입 동기식 주파수 체배기의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이
Figure 112018079918760-pat00007
에 해당하는 밴드패스필터의 유한한 quality factor로 인해 기본 주파수 성분의 제거가 충분히 이루어지지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예는 기본 주파수의 노치 필터 성분을 추가적으로 구현하는 소스 축퇴(source degeneration) 기법을 통해 내재화한 노치필터(104)를 구성하였다.
이러한, 소스 축퇴 기법은 기존 주파수 삼배기의 전류를 재사용함으로써, 추가적인 전력 소모가 필요하지 않고, 소스 축퇴 공진은
Figure 112018079918760-pat00008
이 원하는 주파수 동작에서는 주입 동기식 주파수 삼배기의 동작에 영향을 끼치지 않게 된다.
이에 따라 도 4에 도시된 주입 동기식 주파수 체배기와 비교해 신호의 감쇄 및 성능 열화가 이루어지지 않게 된다.
한편, 도 6에 도시된 공통 소스 증폭기 구조의 동작에서 회로의 출력 성분은, 트랜지스터의 게이트-소스간의 전위차에 따라 트랜지스터의
Figure 112018079918760-pat00009
간의 관계식을 표현한 아래의 [수학식 2]에 의해 정리된다.
Figure 112018079918760-pat00010
주입 동기식 주파수 삼배기는 게이트-소스간의 전위차에 따라
Figure 112018079918760-pat00011
에 해당하는 기본 주파수 성분 및 원하는 고조파 성분(예컨대,
Figure 112018079918760-pat00012
, 주파수 삼배기의 경우)이 생성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 축퇴 기법을 적용하여 소스 부분에 기본 주파수에 해당하는 공진 성분을 추가하는 경우, 트랜지스터는 삼배수의 주파수에서 소스가 폐-회로(short circuit)됨에 따라 원하는 신호를 생성하는 반면에, 기본 주파수에서는 소스가 개방-회로(open circuit)됨에 따라 신호의 출력이 억제되는 효과가 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기(100)는 노치필터(104)를 구성함으로써, 1차 주파수 동기 범위에서 개방-회로(open circuit)로 출력신호의 출력을 억제하고, 3차 주파수 동기 범위에서 폐-회로(short circuit)로 출력신호의 출력에 영향을 미치지 않으며, 주입 동기 범위(locking range)에 영향을 끼치지 않음으로써 사용 가능한 주파수 범위를 열화시키지 않도록 구성된다.
기본적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 삼배기는 트랜지스터의 비선형 특성에 의해 동작이 이루어지나, 소스 축퇴의 경우 설명의 용이함을 위해 아래의 [수학식 3]과 같이 소신호 출력을 가정하여 설명하기로 한다.
Figure 112018079918760-pat00013
기본 주파수에서 Zs성분은 개방-회로(open-circuit)가 되며 삼배수의 주파수에서는 단락(short-circuit)이 된다. 따라서, 기본 주파수 및 삼배수의 주파수에서 출력 전류 성분은 아래의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018079918760-pat00014
Zs성분은 도 5에 도시된 바와 같이 LC 공진기 형태로 구현이 가능하나, LC 공진기의 경우 인덕터 및 커패시터의 유한한 Quality factor 성분으로 인해 전술한 바와 같이 이상적인 개방 회로 및 단락 회로 생성은 용이하지 않다.
따라서, 일반적인 Zs 및 출력 성분의 특성은 도 7 및 도 8과 같은 형태의 주파수 응답 특성을 나타내게 된다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기(100)에 트랜지스터(M5, M6)을 추가하여 직교 신호(Quadrature signal) 생성이 가능하도록 구성한 주파수 체배기 이다.
2단계의 ring oscillator의 구조를 응용하여 90도 위상 차이를 갖는 신호를 생성하고, 전체적으로 360도 phase shift를 만들기 위해, Q에서 I로 anti-phase feedback을 걸어준다.
이때, 각 core에는 차동 신호를 갖는 주파수 체배기가 들어가도록 구성되고, 출력신호의 feedback을 위해 트랜지스터(M5, M6)이 추가되었다.
이하, 도 5 및 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기의 작동양태에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 비선형 소자인 트랜지스터(M3, M4)를 포함하는 비선형 발생기(102)를 구성하여 출력전류를 생성한다(step 1).
이어서, 소스단에 코일(L2), 및 커패시터(C3, C4)를 포함하는 노치필터(104)를 구성하여 출력전류 성분 중에서 1차 주파수 성분을 제거한다(step 2).
뒤이어, 출력단에 코일(L1), 및 커패시터(C1, C2)를 포함하는 밴드패스필터(106)를 구성하여 출력전류 성분 중에서 3차 주파수 성분을 유지한다(step 3).
그리고, 밴드패스필터(106)가 트랜지스터(M1, M2)의 전류 성분을 전압 성분으로 변환한다(step 4).
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀리미터파 대역의 주파수 합성 시스템에 적용이 가능한 주입 동기식 주파수 체배기를 구성하여 전류 재사용을 통한 삼배수의 고조파 생성 및 기본 주파수를 제거함에 따라, 주입 동기식 주파수 삼배기의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시키고, 밀리미터파 주파수 대역의 주파수 합성기의 단일칩화, 저전력, 및 경량화를 제공하며 무선 송수신 시스템의 스퓨리어스(spurious) 성능을 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기
102: 비선형 발생기
104: 노치필터
106: 밴드패스필터

Claims (6)

  1. 2단 구조의 주파수 삼배기에 있어,
    1단 주파수 삼배기(core 1)의 출력전압(N*fin_IP)(N*fin_IQ)를 2단 주파수 삼배기(core 2)에 전달하고,
    상기 2단 주파수 삼배기(core 2)의 출력전압(N*fin_QP)(N*fin_QN)은 상기 1단 주파수 삼배기(core 1)에 피드백되도록 구비되고,
    주파수 삼배기(core1)(core2) 각각은
    입력받은 전압을 비선형 소자인 트랜지스터(M3, M4)를 통해 출력전류를 생성하는 비선형 발생기;
    상기 비선형 발생기의 소스단에 연결되는 코일(L2), 및 커패시터(C3, C4)로 구성되어 상기 출력전류의 성분 중에서 1차 주파수 성분을 제거하는 노치필터; 및
    상기 비선형 발생기의 출력단에 연결되는 코일(L1), 및 커패시터(C1, C2)로 구성되어 상기 출력전류의 성분 중에서 3차 주파수 성분을 유지하고 3차 주파수 성분이 유지된 전류성분을 트랜지스터(M1, M2) 및 전류원(IB)에 의거 전압성분으로 변환하는 밴드패스필터; 및
    전단의 주파수 삼배기의 출력전압을 피드백하여 90도의 위상 차이를 갖는 직교 신호를 생성하는 트랜지스터(M5, M6)를 포함하고,
    상기 2단 주파수 삼배기의 트랜지스터(M5, M6)는 상기 1단 주파수 삼배기의 출력전압(N*fin_IN)(N*fin_IP)을 전달받아 90도의 위상 차이를 갖는 직교 신호(Quadrature signal)를 생성하도록 구비됨에 따라
    상기 2단 구조의 주파수 삼배기의 출력단이 전체적으로 360도 위상 변화를 가지며,
    상기 노치필터는,
    상기 3차 주파수 동기 범위에서 폐-회로(short circuit)로 출력신호의 출력에 영향을 미치지 않고, 주입 동기 범위(locking range)에 영향을 끼치지 않도록 구성되어 사용 가능한 주파수 범위를 열화시키지 않는 것을 특징으로 하는 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전류는,
    [수학식 1]에 따라 입력 전압에 따라 비선형적으로 반응하되,
    상기 1차 주파수 성분은
    Figure 112018079918760-pat00015
    이고, 상기 3차 주파수 성분은
    Figure 112018079918760-pat00016
    인 것을 특징으로 하는 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기.
    [수학식 1]
    Figure 112018079918760-pat00017

  3. 제1항에 있어서,
    상기 노치필터는,
    주입 동기식 주파수 삼배기의 동작과 관계없이 기존 주파수 삼배기의 전류를 재사용하는 소스 축퇴 기법을 통해 내재화되어 구성되는 것을 특징으로 하는 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노치필터는,
    상기 1차 주파수 동기 범위에서 개방-회로(open circuit)로 출력신호의 출력을 억제시키는 것을 특징으로 하는 노치 필터링을 내재화한 주파수 삼배기.
  5. 삭제
  6. 삭제
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