KR102197460B1

KR102197460B1 - 극 위상 배열 송신기 및 이동 단말기

Info

Publication number: KR102197460B1
Application number: KR1020187036248A
Authority: KR
Inventors: 휘젠 치안; 순 뤄
Original assignee: 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2020-12-31
Also published as: EP3451542A1; CN110291723A; KR20190006549A; WO2018094706A1; US20190149386A1; EP3451542A4; US20190379571A1; CN110291723B; CN113242046A; US10805143B2; EP3451542B1; US10411943B2

Abstract

본 개시는 극 위상 배열 송신기 및 이동 단말기를 개시한다. 이동 단말기는 기저대역 칩, 극 위상 배열 송신기, 및 안테나 어레이를 포함한다. 기저대역 칩은 직교 디지털 기저대역 신호를 생성하도록 구성되고, 극 위상 배열 송신기는 직교 디지털 기저대역 신호에 직교-극 변환을 수행하여 n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호를 생성하고, 국부 발진기 신호를 사용함으로써 n개의 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 개별적으로 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하고, 진폭 신호를 사용함으로써 n개의 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성되고, n은 1보다 큰 자연수이고, 안테나 어레이는 극 위상 배열 송신기로부터 n개의 무선 주파수 신호를 획득하고, n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성된다.

Description

극 위상 배열 송신기 및 이동 단말기

본 출원은 통신 분야, 특히, 극 위상 배열 송신기 및 이동 단말기에 관한 것이다.

넓은 커버리지 및 높은 데이터 속도와 같은 성능에 대한 무선 통신 시스템의 요구 조건이 증가함으로써, 공간 전력 조합(spatial power combination), 빔 조정(beam steering), 높은 시스템 효율, 높은 스캐닝 해상도(resolution), 및 낮은 위상/진폭 오차가 급격히 요구된다.

종래 기술에는 다음의 두 가지 유형의 송신기가 존재한다.

1. 위상 배열 송신기(phased-array transmitter)는 복수의 무선 주파수 출력을 갖는 송신기이다. 공간 전력 조합은 안테나를 사용하여 각 무선 주파수 출력에 대해 수행된다. 위상 배열 송신기는 각 무선 주파수 출력의 위상을 제어함으로써 안테나 빔 방향 조정 및 스캐닝 등을 구현한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 아날로그 변조 기술을 사용하는 기존의 위상 배열 송신기(100)는 주로 발룬(balun; 101), 1:4 전력 분배기(power splitter; 102), 위상 천이 회로(phase-shift circuit; 103), 전력 증폭기(power amplifier, PA; 104), 출력 정합 회로(output matching circuit; 105), 및 디지털 제어기(digital controller; 106)를 포함한다. 입력 신호(P_IN)는 기저대역 신호에 대해 아날로그 변조가 수행된 후의 무선 주파수 신호를 나타낸다. P_IN은 전력 분배기(102)를 통과한 후 4개의 신호로 나뉜다. 위상 천이 회로(103)가 위상 천이를 수행하고, PA(104)가 4개의 신호에 대하여 증폭을 수행한 후, 출력 정합 회로(105)로부터 4 개의 무선 주파수 신호(즉, Pout1, Pout2, Pout3, 및 Pout4)가 출력된다. 디지털 제어기(106)는 위상 천이 회로(103)를 제어하여 위상 천이를 수행하도록 구성된다. 기존의 위상 배열 송신기(100)는 다음과 같은 단점을 갖는다: 1) 일반적으로, 위상 배열 송신기(100)의 시스템 효율은 시스템 효율과 선형성의 균형을 맞출 필요가 있기 때문에 상대적으로 낮다(높은 선형성을 구현하기 위해서는, 출력 전력이 P1dB보다 클 때 위상 배열 송신기(100)를 사용할 수 없고, 여기서 P1dB는 입력 대 출력의 이득 압축(gain compression)이 1dB와 같은 동작점(operating point)을 나타내고, dB는 데시벨(decibel)을 나타냄). 이는 추가적으로 전력 소비를 야기한다. 따라서, 위상 배열 송신기(100)는 에너지 절약에 중점을 둔 이동 장치에 적합하지 않다. 2) 위상 배열 송신기(100)는 무선 주파수 위상 천이(RF phase shift) 기술을 사용하고, 위상 천이 회로(103)의 위상 천이기(phase shifter)는 무선 주파수 경로에서 직렬로 연결된다. 위상 천이기의 비선형성은 진폭 오차를 가져올 수 있고, 위상 배열 송신기(100)의 구조는 진폭 오차를 제거하는 것이 어렵다. 따라서, 송신기 성능에 심각한 영향을 미치게 된다.

2. 극 송신기(polar transmitter)는 엔벨롭 트래킹(envelope tracking, ET) 송신기라고도 한다. 극 송신기는 기저대역 신호를 위상 신호 및 진폭 신호로 변환하고, 진폭 신호를 사용하여 PA의 출력 전력을 제어하고, 위상 신호에 대해 위상 변조를 수행하고, 위상 변조 후에 획득한 위상 신호와 진폭 신호를 PA 스테이지에서 무선 주파수 신호로 결합하고, 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다. 도 2는 종래 아날로그 극 송신기(200)를 나타낸다. 극 신호 생성기(polar signal generator; 201)는 동 위상(in-phase, I)/직교(quadrature, Q) 기저대역 신호를 진폭 신호(A) 및 위상 신호(Φ)로 변환한다. 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC; 202 및 203)는 각각 디지털 영역의 위상 신호(Φ) 및 진폭 신호(A)를 아날로그 영역의 신호로 변환한다. 진폭 변조 회로(amplitude modulation circuit; 206)는 아날로그 진폭 신호에 대한 변조를 수행하여 진폭 변조 신호(AM)를 획득한다. 위상 변조기(phase modulator; 205)는 국부 발진기 신호(local oscillator signal)를 사용하여 아날로그 위상 신호(Φ)에 위상 변조를 수행하여 위상 변조 신호(PM)를 획득한다. 마지막으로, PA(204)는 위상 변조 신호(PM) 및 진폭 변조 신호(AM)를 무선 주파수 신호로 결합한다. 아날로그 극 송신기(200)는 낮은 데이터 속도 및 좁은 채널 대역폭의 단점을 갖는다.

따라서, 넓은 주파수 대역, 높은 스캐닝 해상도, 낮은 위상/진폭 오차 등과 같은 성능을 위한 무선 통신 시스템의 요구 조건을 충족시키는 새로운 송신기를 개발하는 것이 시급하다.

본 명세서에 설명된 극 위상 배열 송신기는 넓은 주파수 대역, 높은 스캐닝 해상도, 및 낮은 위상/진폭 오차와 같은 성능에 대한 무선 통신 시스템의 요구 조건을 충족시킬 수 있다.

일 측면에 따르면, 본 출원의 실시예는 동위상 및 직교 기저대역 신호를 수신하고, 상기 동위상 및 직교 기저대역 신호에 직교-극(quadrature-to-polar) 변환을 수행하여 n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호를 생성하도록 구성되는 극 신호 생성기 - n은 1보다 큰 자연수임 -와, n개의 송신 채널을 포함하는 송신 어레이를 포함하고, 각각의 송신 채널은 n개의 진폭 신호에서 하나의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호에서 하나의 위상 신호에 대응하고, 상기 n개의 송신 채널은 개별적으로 n개의 위상 신호를 수신하고, n개의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 신호에 개별적으로 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고, 위상이 상기 n개의 위상 변조 신호에서 인접한 임의의 두 개의 위상 변조 신호 사이의 위상 차(phase difference)는 α이고, α의 범위는 0° 내지 360°(0°와 360°를 포함함)이고, 상기 n개의 송신 채널은 상기 n개의 진폭 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 변조 신호에 개별적으로 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 더 구성되는 극 위상 배열 송신기를 제공한다. 본 출원의 본 실시예에 제공되는 극 위상 배열 송신기는 위상 차 α를 조절함으로써 위상 천이 해상도를 향상시켜, 높은 스캐닝 해상도를 구현할 수 있다. 또한, 위상 어레이가 사용되기 때문에 주파수 대역폭이 향상될 수 있다.

가능한 구현에서, 상기 n개의 송신 채널에서 각각의 송신 채널은 변조 위상 천이기 및 전력 증폭기를 포함하고, 상기 변조 위상 천이기는 상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 위상 신호로부터 제1 위상 신호를 수신하고, 각각의 송신 채널에 대응하는 제1 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 제1 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고, 상기 전력 증폭기는 상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 진폭 신호로부터 제1 진폭 신호를 수신하고, 수신된 제1 진폭 신호에 따라서 상기 제1 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 제1 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성된다.

가능한 구현에서, 각각의 송신 채널은 진폭 디코더(amplifier decoder)를 더 포함하고, 상기 전력 증폭기는 구체적으로 복수의 디지털 전력 증폭기(multiple digital power amplifiers) 및 신호 전력 결합기(signal power combiner)를 포함하고, 상기 진폭 디코더는 상기 제1 진폭 신호를 디코딩하여 복수의 디코딩된 진폭 신호를 획득하고, 상기 복수의 디코딩된 진폭 신호를 사용함으로써 개별적으로 상기 복수의 디지털 전력 증폭기의 스위치 상태를 제어하여, 진폭 변조 및 전력 증폭이 상기 제1 위상 변조 신호에 수행되도록 구성되고, 상기 신호 전력 결합기는 상기 복수의 디지털 전력 증폭기에 의해 수행되는 진폭 변조 및 전력 증폭 이후에 획득된 신호를 상기 제1 무선 주파수 신호로 결합하고, 상기 제1 무선 주파수 신호를 출력한다.

가능한 구현에서, 상기 복수의 디지털 전력 증폭기는 스위치 모드의 전력 증폭기이다. 본 출원의 본 실시예에서 제공되는 극 위상 배열 송신기에서, 위상 경로 및 진폭 경로는 각각 분리되어 있고, 이는 효율성과 선형성 사이의 균형을 이루게 한다. 따라서, 스위치 모드의 전력 증폭기가 사용될 수 있고, 이는 극 위상 배열 송신기의 효율을 증가시키고, 극 위상 배열 송신기의 선형성에 미치는 영향이 극도로 작게 된다.

가능한 구현에서, 상기 전력 증폭기는 아날로그 전력 증폭기이다.

가능한 구현에서, 상기 변조 위상 천이기는 위상 변조기 및 상기 위상 변조기에 접속된 위상 천이기를 포함하고, 상기 위상 변조기는 상기 제1 위상 신호 및 상기 국부 발진기 신호를 분리하여 수신하고, 상기 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 제1 위상 신호에 위상 변조를 수행하도록 구성되고, 상기 위상 천이기는 상기 제1 위상 천이 제어 신호의 제어 하에, 상기 위상 변조기에 의해 변조된 상기 제1 위상 신호에 위상 천이를 수행하여 상기 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성된다.

가능한 구현에서, 상기 변조 위상 천이기는 위상 변조기 및 상기 위상 변조기에 접속된 위상 천이기를 포함하고, 상기 위상 천이기는 상기 국부 발진기 신호 및 상기 제1 위상 천이 제어 신호를 수신하고, 상기 제1 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 상기 국부 발진기 신호에 위상 천이를 수행하도록 구성되고, 상기 위상 변조기는 상기 제1 위상 신호를 수신하고, 상기 위상 천이기에 의해 수행되는 위상 천이 이후에 획득된 상기 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 제1 위상 신호에 위상 변조를 수행하여, 상기 제1 위상 변조 신호를 생성하도록 구성된다.

가능한 구현에서, 상기 극 위상 배열 송신기는 제1 신호 프로세서를 더 포함하고, 상기 제1 신호 프로세서는 상기 극 신호 생성기 및 상기 송신 어레이에 개별적으로 접속되고, 상기 제1 프로세서는 상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 진폭 신호 및 상기 n개의 위상 신호에 개별적으로 디지털 전치왜곡(digital predistortion) 처리를 수행하도록 구성된다. 디지털 전치왜곡은 비선형성에 의해 각각의 진폭 신호에 야기되는 진폭 오차를 감소시키고, 비선형성에 의해 각각의 위상 신호에 야기되는 위상 오차를 감소시켜, 신호 왜곡을 감소시키게 한다.

가능한 구현에서, 상기 극 위상 배열 송신기는 상기 n개의 위상 천이 제어 신호를 생성하도록 구성되는 위상 천이 제어기를 더 포함한다.

가능한 구현에서, 상기 극 위상 배열 송신기는 제2 신호 프로세서를 더 포함하고, 상기 제2 신호 프로세서는 상기 위상 천이 제어기 및 상기 송신 어레이에 개별적으로 접속되고, 상기 제2 신호 프로세서는 상기 위상 천이 제어기에 의해 생성된 상기 n개의 위상 천이 제어 신호에 디지털 전치왜곡 처리를 개별적으로 수행하도록 구성된다. 각각의 송신 채널에서의 위상 천이기가 전치왜곡 처리 이후에 획득된 위상 천이 제어 신호를 사용함으로써 교정(calibrate)된 이후에, 더 높은 위상 천이 해상도가 구현될 수 있고, 이는 극 위상 배열 송신기의 스캐닝 해상도가 향상되게 한다.

가능한 구현에서, 송신 어레이에서 n개의 송신 채널은 하나의 칩에 통합(집적)될 수 있다.

가능한 구현에서, 상기 극 신호 생성기 및 상기 송신 어레이는 하나의 칩에 통합(집적)될 수 있다.

가능한 구현에서, 상기 송신 어레이, 상기 극 신호 생성기, 상기 위상 천이 제어기, 상기 제1 신호 프로세서, 및 상기 제2 신호 프로세서는 하나의 칩에 통합(집적)될 수 있다.

전술한 가능한 구현 중 어느 하나에서, 극 위상 배열 송신기는 안테나 어레이를 더 포함하고, 상기 안테나 어레이는 동일한 간격으로 배열된 n개의 안테나를 포함하고, 상기 n개의 안테나는 일대일 방식으로 상기 n개의 송신 채널에 접속되고, 상기 n개의 안테나는 각각이 상기 n개의 송신 채널에 의해 생성된 상기 n개의 무선 주파수 신호를 수신하고, 상기 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성된다.

가능한 구현에서, 상기 n개의 안테나는 빔포밍 기술에 기초하여 상기 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성된다.

가능한 구현에서, 배열 방향에서 상기 n개의 안테나 중 어느 두 인접한 안테나 사이의 거리는 대체로 변하지 않는다.

가능한 구현에서, 상기 n개의 안테나는 직선, 비스듬한 선, 날고있는 기러기 모양(flying wild geese shape), 또는 원형으로 배열될 수 있다.

다른 측면에 따르면, 본 출원의 실시예는 기저대역 칩, 전술한 측면의 구현 중 하나에 따른 극 위상 배열 송신기, 및 안테나 어레이를 포함하고, 상기 기저대역 칩은 직교 디지털 기저대역 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 극 위상 배열 송신기는 상기 직교 디지털 기저대역 신호에 직교-극 변환을 수행하여 n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호를 생성하고, 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 개별적으로 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하고, 상기 진폭 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성되고, n은 1보다 큰 자연수이고, 상기 안테나 어레이는 상기 극 위상 배열 송신기로부터 상기 n개의 무선 주파수 신호를 획득하고, 상기 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성되는, 이동 단말기를 제공한다.

가능한 구현에서, 상기 이동 단말기는 이동 단말기, 태블릿, 노트북 컴퓨터, 또는 차량 장치이다.

가능한 구현에서, 상기 이동 단말기는 5G 이동 통신 기술을 지원하는 단말기이다.

다른 측면에 따르면, 본 출원의 실시예는 진폭 경로, 위상 경로, 위상 천이 회로, 및 송신 어레이를 포함하는 칩을 더 제공한다. 진폭 경로는 클록 신호 및 진폭 신호에 기초하여 세그먼트화된 온도계 코드를 생성하도록 구성되고, 상기 세그먼트화된 온도계 코드는 최하위 비트 및 최상위 비트를 포함하고, 상기 위상 경로는 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 클록 신호에 기초하여 위상 신호에 직교 위상 변조를 수행하여 n개의 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고, n은 1보다 큰 자연수이다. 상기 위상 천이 회로는 위상 천이 제어기에 의해 생성된 위상 천이 제어 코드를 수신하고, 상기 위상 천이 제어 코드에 따라서 n개의 위상 천이 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 송신 어레이는 n개의 송신 채널을 포함하고, 상기 n개의 송신 채널은 상기 n개의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 상기 n개의 제1 위상 변조 신호에 위상 천이를 개별적으로 수행하여 n개 그룹의 제2 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고, 제2 위상 변조 신호의 그룹 각각은 두 개의 차동 위상 변조 신호를 포함하고, 상기 n개의 송신 채널은 상기 세그먼트화된 온도계 코드의 제어 하에 제2 위상 변조 신호의 n개 그룹에 진폭 변조 및 전력 증폭을 개별적으로 수행하도록 더 구성된다.

종래 기술과 비교해 보면, 본 출원은 극 위상 배열 구조에 기초한 송신기를 제공한다. 진폭 경로는 위상 경로와 분리되어 있고, 디지털 전치왜곡 기술이 결합되어 있다. 따라서, 송신기는 넓은 주파수 대역, 높은 스캐닝 해상도, 및 낮은 위상/진폭 오차와 같은 이점을 갖고, 무선 통신 시스템의 성능 요구 조건을 충족시킬 수 있다.

본 출원의 일 실시예 또는 종래 기술에서의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예 또는 종래 기술을 설명하기 위해 요구되는 첨부 도면을 간단히 설명한다. 명백하게, 다음의 설명에서의 첨부 도면은 단지 본 출원의 일부 실시예만을 나타내고, 통상의 기술자는 창조적인 노력 없이도 이들 도면으로부터 다른 도면을 유도할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 위상 배열 송신기의 개략적인 구조도이다.
도 2는 종래 기술의 극 송신기의 개략적인 구조도이다.
도 3은 위상 배열 시스템의 원리의 개략도이다.
도 4a는 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기의 개략적인 구조도이다.
도 4b는 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기의 안테나 배열의 개략적인 구조도이다.
도 4c는 본 출원의 일 실시예에 따른 다수의 디지털 전력 증폭기를 포함하는 전력 증폭기의 개략적인 구조도이다.
도 5a는 본 출원의 일 실시예에 따른 변조 위상 천이기의 개략적인 구조도이다.
도 5b는 본 출원의 일 실시예에 따른 다른 변조 위상 천이기의 개략적인 구조도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기의 송신 출력 위상과 위상 상태 사이의 관계에 대한 테스트의 다이어그램이다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기의 위상 및 전력 변화의 극 다이어그램이다.
도 8a 및 도 8b는 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기와 집적된 칩의 개략적인 구조도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기를 사용하는 이동 단말기의 개략적인 구조도이다.

본 출원의 기술적 솔루션을 더 잘 이해하기 위해, 위상 배열 시스템이 먼저 간략하게 설명된다. 무선 트랜시버 시스템에서, 등방성 안테나는 이상적인 경우에 모든 방향으로 무선 주파수 신호를 고르게 송신한다. 그러나, 등방성 안테나에 의해 송신된 무선 주파수 신호의 많은 양의 에너지는 수신 안테나에 의해 수신되지 않으며, 결과적으로 비교적 낮은 수신 신호 전력 및 비교적 큰 공간 송신 전력 손실을 초래한다. 지향성 안테나 빔은 빔포밍(beamforming) 기술을 사용하여 생성될 수 있다. 따라서, 빔포밍 기술을 무선 트랜시버 시스템에 적용하면 낮은 수신 신호 전력 및 큰 공간 송신 전력 손실의 문제를 해결할 수 있다. 위상 배열 시스템은 빔포밍 기술을 사용하는 무선 트랜시버 시스템이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 위상 배열 시스템(300)은 복수의 송신 채널을 포함한다. 모든 송신 채널에 대응하는 안테나는 선형 배열로서 동일한 간격(d)으로 배열되고, 인접한 안테나의 입력 무선 주파수 신호 사이의 위상차는 α이다. 이 경우, 빔 각도(즉, 무선 주파수 신호를 송신하는 안테나 빔과 안테나 배열의 법선 사이의 끼인각)는 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.

여기서, λ는 송신 신호의 반송파(carrier)의 파장이다.

위상 배열 시스템(300)에서, 각각의 송신 채널은 독립적으로 제어되는 위상 천이기를 포함하고, 위상 천이기를 사용하여 무선 주파수 신호 사이의 위상차(α)를 제어한다. 위상 천이기의 최소 위상 천이 정도는 위상 천이 해상도이며, 빔 각도(θ)의 최소 위상 천이 정도는 스캐닝 해상도이다.

수학식 2에 나타낸 바와 같이, 스캐닝 해상도와 위상 천이 해상도 사이의 변환 관계가 인접한 안테나 사이의 간격(d)과 관련된다는 것을 수학식 1로부터 알 수 있다.

수학식 1로부터, 위상 배열 시스템(300)의 위상 천이 해상도가 고정될 때(즉, 위상차가 변하지 않음), 인접한 안테나 사이의 간격(d)을 증가시킴으로써 스캐닝 해상도가 개선될 수 있다는 것을 알 수 있다(즉, 빔 각도(θ)가 감소됨). 더 높은 스캐닝 해상도는 위상 배열 시스템(300)의 더 큰 송신 반경을 나타낸다. 위상 배열 시스템(300)의 위상 천이 해상도를 향상시키는 것(즉, 위상차(α)를 감소시키는 것)은 송신 반경을 효과적으로 증가시키고, 인접한 안테나 사이의 간격(d)을 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 위상 천이 해상도가 높은 위상 천이기는 높은 스캐닝 해상도를 갖는 소형화 된 위상 배열 시스템(400)을 구현하는 핵심 구성 요소이다. 반대로, 위상 천이 해상도가 낮은 위상 천이기는 위상 배열 시스템(300)이 스캐닝 해상도를 향상시킬 것을 요구하고, 간격(d)을 증가시킬 필요가 있으며, 이는 부피를 증가시킨다. 따라서, 위상 천이 해상도가 낮은 위상 천이기는 소형 이동 장치에 적합하지 않다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 도 4a는 본 출원의 일 실시예에 따른 극 위상 배열 송신기(polar phased-array transmitter; 400)의 개략적인 구조도이다. 극 위상 배열 송신기(400)는 극 신호 생성기(polar signal generator; 401) 및 송신 어레이(transmit array; 402)를 포함한다.

극 신호 생성기(401)는 n개의 진폭 신호(각각, A1-An으로 표시됨) 및 n개의 위상 신호(각각, Φ1-Φ로 표시됨)를 생성하기 위해 동위상 및 직교 기저대역 신호(각각, I 및 Q로 표시됨)에 직교-극 변환(quadrature-to-polar conversion)를 수행하도록 구성되고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이다.

특히, 극 신호 생성기(401)는 동위상 및 직교 기저대역 신호를 수학식 3에 따라 위상 신호 및 진폭 신호로 변환할 수 있다.

여기서, I는 동위상 신호, Q는 직교 신호, A는 진폭 신호, Φ는 위상 신호를 나타내고, n개의 위상 신호의 위상은 동일하거나 상이할 수 있으며, n개의 진폭 신호의 진폭도 동일하거나 상이할 수 있다.

송신 어레이(402)는 극 신호 생성기(401)에 접속된다. 송신 어레이(402)는 n개의 송신 채널(4020)을 포함하는 어레이다. 각각의 송신 채널(4020)은 n개의 진폭 신호 내의 하나의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호 내의 하나의 위상 신호에 대응한다. n개의 송신 채널(4020)은 개별적으로 n개의 위상 신호를 수신하고, n개의 위상 천이 제어 신호(각각, PS1-PSn으로 표시됨)의 제어 하에 국부 발진기 신호를 사용하여 n개의 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하도록 구성된다. 각각의 송신 채널(4020)은 하나의 위상 천이 제어 신호에 대응하고, n개의 송신 채널(4020)은 개별적으로 n개의 진폭 신호를 사용함으로써 n개의 위상 변조 신호에 대해 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득한다. 상이한 송신 채널은 상이한 위상 신호 및 상이한 진폭 신호를 수신한다. 각각의 송신 채널(4020)은 하나의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에서 하나의 위상 신호에 위상 천이를 수행한다. n개의 위상 천이 제어 신호는 서로 독립적이다. 따라서, 각각의 송신 채널(4020)은 독립적으로 위상 천이를 수행한다.

예를 들어, 송신 채널 1은 위상 신호(Φ1) 및 진폭 신호(A1)에 대응하고, 송신 채널 2는 위상 신호(Φ2) 및 진폭 신호(A2)에 대응하고, 유사하게, 송신 채널 n은 위상 신호(Φn) 및 진폭 신호(An)에 대응한다. 따라서, 위상 천이 제어 신호(PS1)는 송신 채널 1을 제어하고, 위상 천이 제어 신호(PS2)는 송신 채널 2를 제어하고, 유사하게 위상 천이 제어 신호(PSn)는 송신 채널 n을 제어한다. n개의 송신 채널에 의해 개별적으로 수행되는 위상 변조 및 위상 천이 이후에 획득된 n개의 위상 변조 신호에서, 위상이 인접하는 임의의 2개의 위상 변조 신호 사이의 위상차는 α다. 즉, n개의 위상 변조 신호의 위상 값은 등차 수열(arithmetic progression)을 형성하고, 수열의 공차(common difference)는 위상차(α)이다. 예를 들어, 위상 신호(Φ1)에 대해 송신 채널 1에 의해 수행된 위상 천이의 각도는 α이고, 위상 신호(Φ2)에 대해 송신 채널 2에 의해 수행되는 위상 천이의 각도는 2α이고, 위상 신호(Φ3)에 대해 송신 채널 3에 의해 수행되는 위상 천이의 각도는 3α 등이다. 물론, 위상 신호(Φ에 대해 송신 채널 1에 의해 수행되는 위상 천이의 각도는 α이고, 위상 신호(Φ에 대해 송신 채널 2에 의해 수행되는 위상 천이의 각도가 3α이고, 위상 신호(Φ3)에 대한 송신 채널 3에 의한 위상 천이의 각도는 5α 등일 수 있고, 여기서 α는 0° 내지 360° 범위의 임의의 값일 수 있으며, 극 위상 배열 송신기(400)의 성능 요구 조건에 따라 실제 적용에서 조절될 수 있다.

본 출원의 일 실시예에서, 송신 어레이(402) 내의 n개의 송신 채널(4020)은 칩 내에 통합(집적)될 수 있다. 또한, 극 신호 생성기(401) 및 송신 어레이(402)는 칩 내에 통합(집적)될 수 있다.

또한, 극 위상 배열 송신기(400)는 안테나 어레이(403)를 더 포함할 수 있다. 안테나 배열(403)은 동일한 간격으로 배열된 n개의 안테나를 포함한다. n개의 안테나는 n개의 송신 채널의 전력 증폭기에 일대일 방식으로 결합된다. n개의 안테나는 각각이 n개의 송신 채널에 의해 생성된 n개의 무선 주파수 신호를 수신하고, 빔포밍 기술에 기초하여 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, n개의 안테나는 직선, 비스듬한 선, 날고있는 기러기 모양(flying wild geese shape), 또는 원형(여기에 도시되지 않음)으로 배열될 수 있음을 알아야한다. 특정 배열 형태는 극 위상 배열 송신기(400)의 성능 요구 조건 및 대응하는 수신 시스템의 구조에 따라 유연하게 설정될 수 있다. 자세한 내용은 선행 기술을 참조한다. 배열 방향에서 임의의 2개의 인접한 안테나 사이의 간격(도면에서 d'는 배열 방향으로의 인접한 안테나 사이의 간격을 나타냄)는 대체로 변하지 않는다.

본 실시예에 제공된 극 위상 배열 송신기(400)에서, n개의 송신 채널 각각은 n개의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 독립적으로 위상 천이를 수행할 수 있다. 따라서, 각 송신 채널에 의해 출력되는 무선 주파수 신호의 위상은 0° 내지 360° 범위에서 조절될 수 있으며, 이에 따라 빔포밍 요구 조건을 충족시킨다. 특히, 극 위상 배열 송신기(400)가 칩 내에 집적(통합)될 때, 안테나 간격(d')은 일반적으로 작기 때문에, 도 3 및 수학식 1에 도시된 위상 배열 시스템의 원리에 따르면, 본 출원의 실시예에 제공된 극 위상 배열 송신기(400)를 사용하면 안테나 어레이에서의 안테나 간격(d')이 작은 경우 위상 천이 해상도를 향상시킴(즉, 위상차(α)를 감소시킴)으로써 스캐닝 해상도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예에 제공된 극 위상 배열 송신기(400)는 이동 단말기와 같은 다양한 소형 장치에 적용될 수 있다.

이 실시예에서, 특히, 도 4a에 도시된 바와 같이, 송신 어레이(402)의 각각의 송신 채널(4020)은 변조 위상 천이기(4021) 및 전력 증폭기(power amplifier, PA; 4022)를 포함할 수 있다. 각 송신 채널(4020) 내의 변조 위상 천이기(4021)는, 극 신호 생성기(401)에 의해 생성된 n개의 위상 신호(ΦΦ로부터 송신 채널(4020)에 대응하는 제1 위상 신호(예를 들어, Φ를 수신하고, 국부 발진기(미도시)로부터 국부 발진기 신호(LO)를 수신하고, 송신 채널(402)에 대응하는 제1 위상 천이 제어 신호(예를 들어, PS1)의 제어 하에 국부 발진기 신호(LO)를 사용함으로써 수신된 제1 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성된다. 전력 증폭기(4022)는, 극 신호 생성기(401)에 의해 생성된 n개의 진폭 신호(A1-An)로부터 송신 채널(4020)에 대응하는 제1 진폭 신호(예를 들어, A1)를 수신하고, 수신된 제1 진폭 신호(A1)에 따라서, 변조 위상 천이기(4021)에 의해 생성된 제1 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 제1 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성된다. 여기서 설명된 제1 진폭 신호, 제1 위상 신호, 제1 위상 천이 제어 신호, 제1 위상 변조 신호, 및 제1 무선 주파수 신호는 단지 설명의 편의를 위한 것이다. 현재 송신 채널이 송신 채널 1일 때, 제1 진폭 신호 및 제1 위상 신호는 각각 송신 채널 1에 대응하는 진폭 신호(A1) 및 위상 신호(Φ1)다. 현재 송신 채널이 송신 채널 2일 때, 제1 진폭 신호 및 제1 위상 신호는 각각 송신 채널 2에 대응하는 진폭 신호(A2) 및 위상 신호(Φ2) 등이다. 또한, 도 4a의 모든 채널의 하드웨어 구조는 동일하고, 상호 참조가 서로 이루어질 수 있다. 간단한 설명을 위해서 여기에 모든 송신 채널이 표시되어있는 것은 아니다.

예를 들어, 도 4c에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기(4022)는 병렬로 배열된 복수의 디지털 PA(40221)(즉, 도면에 도시된 PA1, PA2, ..., PAn)를 포함하는 PA 어레이와 복수의 디지털 PA(40221)에 개별적으로 결합된 신호 전력 결합기(40222)를 포함할 수 있다. 각각의 송신 채널(4020)은 진폭 디코더(4023)를 더 포함할 수 있다. 진폭 디코더(4023)는, 송신 채널(4020)에 대응하는 제1 진폭 신호(A1)를 디코딩하여 복수의 디코딩된 진폭 신호(A11-A1n로 표시됨)를 획득하고, 복수의 디코딩된 진폭 신호(A11-A1n)을 사용함으로써 PA(4022)의 복수의 디지털 전력 증폭기의 스위치 상태를 제어(즉, 복수의 디지털 전력 증폭기를 포함하는 PA 어레이에서 스위치가 켜진 디지털 전력 증폭기의 양을 제어)하여, 전력 증폭기(4022)로 입력되는 제1 위상 변조 신호의 이득을 제어하고, 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하도록 구성된다. 그리고, 신호 전력 결합기(40222)는 복수의 디지털 PA(40221)에 의해 수행된 진폭 변조 및 전력 증폭 이후에 획득되는 제1 위상 변조 신호를 제1 무선 주파수 신호(RF)로 결합하고, 제1 무선 주파수 신호를 출력한다.

통상의 기술자는 스위치 모드 PA(D클래스 PA, E클래스 PA, D^-1 클래스 PA 등을 포함함)는 일반적으로 더 높은 효율을 갖지만 선형성은 더 낮다는 것을 알아야한다. 본 출원의 실시예에 제공된 극 위상 배열 송신기(400)에서, 위상 경로(즉, 위상 신호의 송신 경로) 및 진폭 경로(즉, 진폭 신호의 송신 경로)는 각각 분리되고, 효율성과 선형성 사이의 균형을 맞출 수 있다. 따라서, 전력 증폭기(4022) 내의 복수의 디지털 PA(40221)는 고효율이지만 낮은 선형성의 PA, 예를 들어, 스위치 모드 PA(D클래스 PA, E클래스 PA, D^-1 클래스 PA 등을 포함함)일 수 있다. 고효율을 구현하는 것 외에도 PA는 디지털 진폭 신호를 사용함으로써 높은 피크대평균 전력비(peak-to-average power ratio, PAPR) 신호를 지원하여 제어될 수 있다.

또한, 본 출원의 실시예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 극 위상 배열 송신기(400)는 제1 신호 프로세서(first signal processor; 405)를 더 포함할 수 있다. 제1 신호 프로세서(405)는 극 신호 생성기(401) 및 송신 어레이(402)에 각각 접속된다. 제1 신호 프로세서(405)는 극 신호 생성기(401)에서 생성된 n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호에 대해 디지털 전치왜곡(Digital Pre-Distortion, DPD) 처리를 각각 수행하여, 위상 신호 각각에 대한 비선형성에 의한 진폭 오차를 감소시키고, 위상 신호 각각에 대한 비선형성에 대한 위상 오차를 감소시킨 이후에, DPD 처리 후에 획득된 n개의 위상 신호 및 n개의 진폭 신호를 송신 어레이(402)의 n개의 송신 채널에 각각 제공하도록 구성된다. PAPR이 지나치게 높으면 전력 증폭기(4022)의 선형성에 영향을 줄 수 있고, 전력 증폭기(4022)가 비선형 영역에서 동작할 때 발생하는 왜곡은 디지털 전치왜곡에 의해 감소되어, 전력 증폭기(4022)의 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 알아야 한다.

예를 들어, 전력 증폭기(4022)는 또한 아날로그 전력 증폭기일 수 있다. 상세한 설명은 도 2의 PA(204)를 참조한다. 이 실시예에서, 각 송신 채널(4020)에 대응하는 진폭 신호 및 위상 신호는 모두 디지털 영역(digital domain)의 신호이다. 따라서, 전력 증폭기(4022)가 아날로그 전력 증폭기인 경우, 전력 증폭기(4022)에 입력되는 제1 진폭 신호 및 제1 위상 변조 신호에 대해 각각 디지털-아날로그 변환(digital-to-analog conversion)이 수행될 필요가 있다. 아날로그 영역(analog domain)에서, 전력 증폭기(4022)는 디지털-아날로그 변환 후에 획득되는 제1 진폭 신호 및 제1 위상 변조 신호를 제1 무선 주파수 신호로 결합한다.

본 출원의 일 실시예에서, 변조 위상 천이기(4021)는 특히, 위상 변조기(phase modulator) 및 위상 천이기 (phase shifter)를 포함할 수 있다. 변조 위상 천이기(4021)는 먼저 위상 천이를 수행한 다음 위상 변조를 수행하거나, 또는 먼저 위상 변조를 수행한 다음 위상 천이를 수행할 수 있다. 위상 변조 및 위상 천이의 순서는 실제 요구 조건에 따라 유연하게 설정될 수 있다.

예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 변조 위상 천이기(500)는 위상 변조기(501) 및 위상 변조기(501)에 접속된 위상 천이기(502)를 포함할 수 있다. 위상 변조기(501)는 제1 위상 신호(A1) 및 국부 발진기 신호(LO)를 각각 수신하고, 제1 위상 신호(Φ1) 및 국부 발진기 신호(LO)를 이용함으로써 제1 위상 신호(Φ1)에 위상 변조를 수행하도록 구성된다. 이어서, 위상 천이기(502)는, 제1 위상 천이 제어 신호(PS1)의 제어 하에, 위상 변조기(501)에 의해 변조된 제1 위상 신호(Φ1)에 위상 천이를 수행하여 제1 위상 변조 신호(PM1)를 획득하고, 이후에 증폭 처리를 위하여 제1 위상 변조 신호(PM1)를 후속하는 PA에 출력하도록 구성된다. 특정 증폭 처리를 위해, 도 4a 내지 도 4c, 및 전술한 설명을 참조하고, 상세한 설명은 여기서 다시 설명하지는 않는다.

예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 변조 위상 천이기(500)는 또한 위상 변조기(501) 및 위상 변조기(501)에 접속된 위상 천이기(502)를 포함할 수 있다. 위상 천이기(502)는 국부 발진기 신호(LO) 및 제1 위상 천이 제어 신호(PS1)를 수신하고, 제1 위상 천이 제어 신호(PS1)의 제어 하에 국부 발진기 신호(LO)에 위상 천이를 수행하도록 구성된다. 위상 변조기(501)는 제1 위상 신호(Φ1)를 수신하고, 위상 천이 후에 획득되는 국부 발진기 신호를 이용함으로써 제1 위상 신호(Φ1)에 위상 변조를 수행하여 제1 위상 변조 신호(PM1)를 생성하도록 구성된다.

본 출원의 일 실시예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 극 위상 배열 송신기(400)는 n개의 위상 천이 제어 신호(PS1-PSn)를 생성하도록 구성된 위상 천이 제어기(404)를 포함함으로써, n개의 위상 천이 제어 신호를 이용하여 n개의 송신 채널에서 변조 위상 천이기를 독립적으로 제어하도록 한다.

또한, 본 출원의 일 실시예에서, 극 위상 배열 송신기(400)는 제2 신호 프로세서(406)를 포함할 수 있다. 제2 신호 프로세서(406)는 위상 천이 제어기(404) 및 송신 어레이(402)에 각각 접속된다. 제2 신호 프로세서(406)는 위상 천이 제어기(404)에 의해 생성된 n개의 위상 천이 제어 신호에 개별적으로 디지털 전치왜곡 처리를 수행하여, n개의 위상 천이 제어 신호의 개별적인 오차를 감소시키도록 구성되고, 디지털 전치왜곡 처리 이후에 획득된 n개의 위상 천이 제어 신호를 송신 어레이(402)의 송신 채널에 제공하여 변조 위상 천이기(4021)의 위상 천이기의 독립적인 교정(calibration)을 구현하도록 구성된다. 변조 위상 천이기(4021)는 위상 경로에 배치되고, 위상 경로는 진폭 경로와 독립적이며, 극 위상 배열 송신기(400)의 출력 진폭은 전력 증폭기(4022)를 제어하는 진폭 신호에 의해 주로 결정된다. 따라서, 변조 위상 천이기(4021)의 위상 천이기에 수행되는 위상 오차 교정은 극 위상 배열 송신기(400)의 출력 진폭에 매우 작은 영향을 미친다. 또한, 위상 천이기가 교정된 후에, 더 높은 위상 천이 해상도가 구현될 수 있고, 이는 극 위상 배열 송신기(400)의 스캐닝 해상도를 향상시킬 수 있다.

도 6은 디지털 전치왜곡을 사용하지 않는 극 위상 배열 송신기(400)와 일 예로 10 비트(1024개(2¹⁰개)의 위상 상태에 대응함) 위상 천이 제어를 사용하는 것에 대한 실험의 결과를 나타낸다. 제2 신호 프로세서(406)가 디지털 전치왜곡을 수행하는데 사용되지 않을 때, 송신 위상 대 위상 위상에 대한 곡선의 비선형성(전력 증폭기(4022)의 성능 반영)이 상당히 향상된다는 것을 알 수 있다. 오차 교정이 DPD를 사용하여 위상 천이 제어 신호에 대해 수행된 후에, 송신 위상 대 위상 상태에 대한 곡선은 양호한 선형성을 특징으로하며, 이론적인 곡선과 거의 일치하게 된다. 또한, 제2 신호 프로세서(406)가 n개의 위상 천이 제어 신호에 대해 디지털 전치왜곡을 수행한 후에, 극 위상 배열 송신기(400)의 위상 천이 해상도는 3.5°에 도달한다. 따라서, 전력 증폭기(4022)의 성능이 크게 향상될 수 있고, 극 위상 배열 송신기(400)의 스캐닝 해상도가 향상될 수 있다. 또한, 디지털 전치왜곡 이후에 얻어진 실효값(root-mean-square, RMS) 위상/진폭 오차는 0.3°/0.2dB 미만이며, 또한 낮은 위상/진폭 오차에 대한 무선 통신 시스템의 성능 요건을 충족시킬 수 있다. 도 7은 제2 신호 프로세서(406)를 사용하여 디지털 전치왜곡을 수행하는 극 위상 배열 송신기(400)를 테스트함으로써 획득된 위상 및 전력 변화의 극 다이어그램을 도시한다. 도 7로부터, 모든 위상에서 극 위상 배열 송신기(400)의 송신 전력이 상대적으로 균형을 이루고, 송신 채널 간에 양호한 안정성이 유지된다는 것을 알 수 있다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 출원의 실시예는 극 위상 배열 송신기와 집적(통합)된 칩(600)을 더 제공한다. 설명의 용이함을 위해, 도 8a 및 도 8b는 단지 4 소자 디지털 변조된 극 위상 배열 송신기(4-element digital modulated polar phased-array transmitter)와 집적(통합)된 칩의 구조를 도시한다. 통상의 기술자는 칩(600)이 송신 요구 조건에 따라 임의의 복수의 소자 디지털 변조된 극 위상 배열 송신기와 집적(통합)될 수 있다는 것을 알아야한다. 따라서, 본 출원의 실시예에 제공된 칩(600)은 4 소자 디지털 변조된 극 위상 배열 송신기와 집적(통합)되는 것으로 제한되지 않는다. 도 8a 및 도 8b의 극 위상 배열 송신기의 구조와 도 4a 내지 도 4c에 도시된 극 위상 배열 송신기의 구조 사이에서 상호 참조가 이루어질 수 있음에 유의해야 한다.

신호 처리 로직에 따르면, 칩(600)은 저전압 차동 시그널링(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS) 입출력 인터페이스(I/O)(601), 진폭 경로(602), 위상 경로(603) , 위상 천이 회로(604), 및 송신 어레이(605)를 포함한다.

저전압 차동 시그널링 I/O(601)는 극 신호 발생기(미도시)에 의해 제공되는 차동 진폭 신호(A+, A-) 및 차동 위상 신호(Φ+, Φ-)에 따라 각각 진폭 신호(A) 및 위상 신호(Φ)를 생성하고, 차동 시스템 클록 신호(CLK+, CLK-)에 따라 클록 신호(CLK)를 생성하도록 구성된다.

진폭 경로(602)는 클록 신호(CLK) 및 진폭 신호(A)에 기초하여 세그먼트화 된 온도계 코드(thermometer code)를 생성하도록 구성된다. 세그먼트화 된 온도계 코드는 최하위 비트(Least Significant Bit, LSB) 및 최상위 비트(Most Significant Bit, MSB)를 포함한다.

위상 경로(603)는 국부 발진기 신호를 사용함으로써 클록 신호(CLK)에 기초하여 위상 신호(Φ에 대해 직교 위상 변조를 수행하여 n개의 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이다. 진폭 경로(602) 및 위상 경로(603)는 동일한 클록 신호(CLK)에 기초하여 신호 처리를 수행하여 시간 동기화를 구현한다. 이 도면은 PM_I+, PM_I-, PM_Q+, 및 PM_Q-로 각각 표시된 4개의 제1 위상 변조 신호를 도시한다. 통상의 기술자라면, PM_I+ 및 PM_I-는 한 쌍의 차동 신호이고, 여기서 I는 동위상 성분을 나타내고, 마찬가지로 Q는 직교 성분을 나타낸다는 것을 알아야한다.

위상 천이 회로(604)는 위상 천이 제어기(미도시)에 의해 생성된 위상 천이 제어 코드(PS 코드)를 수신하고, 위상 천이 제어 코드(PS code)에 따라 n개의 위상 천이 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 도면은 PS1, PS2, PS3, 및 PS4로 각각 표시된 4 개의 위상 천이 제어 신호를 나타낸다.

송신 어레이(605)는 n개의 송신 채널을 포함한다. n개의 송신 채널은 n개의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 n개의 제1 위상 변조 신호에 대해 개별적으로 위상 천이를 수행하여 제2 위상 변조 신호의 n개의 그룹을 획득한다. 제2 위상 변조 신호의 각 그룹은 2개의 차동 제2 위상 변조 신호를 포함한다. n개의 송신 채널은 세그먼트화 된 온도계 코드의 제어 하에 제2 위상 변조 신호의 n개의 그룹에 대해 진폭 변조 및 전력 증폭을 각각 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 더 구성된다. 도면에서, 네 개의 무선 주파수 신호는 각각 RF1, RF2, RF3, 및 RF4로 표시되고, 제2 위상 변조 신호의 네 개의 그룹은 (PM1+, PM1-), (PM2+, PM2-), (PM3+, PM3-), 및 (PM4+, PM4-)로 표시되고, 두 개의 차동 제2 위상 변조 신호는 PM1+ 및 PM1-로 표시된다. 다른 표시는 유사하며, 상세한 설명은 여기에서 다시 설명하지 않는다.

도 8a 및 도 8b는 칩(600)에 접속된 안테나 어레이(606)를 더 도시한다. 안테나 어레이는 n개의 안테나를 포함한다. n개의 안테나는 칩의 n개의 송신 채널에 일대일 방식으로 접속된다. n개의 안테나는 빔포밍 방식으로 n개의 무선 주파수 신호를 송신하기 위해 동일한 간격으로 배열(배치)된다. 안테나 어레이의 특정 배열 형태에 대해, 도 4b 및 대응하는 설명을 참조하며, 상세한 설명은 여기에서 다시 기술되지 않는다.

구체적으로, 저전압 차동 시그널링 I/O(low-voltage differential signaling I/O; 601)는 제1 LVDS 수신기(6011), 제2 LVDS 수신기(6013), 및 제3 LVDS 수신기(6012)를 포함할 수 있다. 제1 LVDS 수신기(6011)는 차동 진폭 신호(A+, A-)를 수신하고, 진폭 신호(A)를 생성하도록 구성된다. 제2 LVDS 수신기(6013)는 차동 위상 신호(Φ+, Φ-)를 수신하고, 위상 신호(Φ)를 생성하도록 구성된다. 제3 LVDS 수신기(6012)는 차동 시스템 클록 신호(CLK+, CLK-)를 수신하고, 클록 신호(CLK)를 생성하도록 구성된다. 차동 진폭 신호(A+, A-) 및 차동 위상 신호(Φ+, Φ-)는 직교 기저대역 신호 상에서 극 신호 생성기에 의해 수행된 직교-극 변환(quadrature-to-polar conversion) 후에 획득될 수 있다. 차동 시스템 클록 신호(CLK+, CLK-)는 클록 생성기 또는 시스템 클록 버스에 의해 제공될 수 있다.

진폭 경로(602)는 진폭 신호(A)를 사용함으로써 클록 신호(CLK)에 기초하여 세그먼트화 된 온도계 코드를 생성하도록 구성된 진폭 디코더(amplitude decoder; 6021)를 포함할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에서, 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하기 위해 송신 어레이 내의 디지털 전력 증폭기 어레이를 제어하기 위하여 세그먼트화 된 온도계 코드를 사용하는 것은 디지털 전력 증폭기 어레이 내의 PA의 양을 감소시킴으로써 회로 복잡성을 감소시키는 것을 목적으로한다. 4 소자 디지털 변조된 극 위상 배열 송신기의 경우, 세그먼트화 된 제어가 수행되지 않을 때, 디지털 전력 증폭기 어레이는 1023 개의 PA를 필요로 할 수 있다. 자세한 내용은 선행 기술을 참조한다.

위상 경로(603)는 2배 주파수(2xLO)의 국부 발진기 신호를 차동 국부 발진기 신호(2xLO+ 및 2xLO-)로 변환하도록 구성된 단일 종단 차동 발룬(single-end to differential balun; 6031)과, 4개의 직교 국부 발진기 신호(LO_I+, LO_I-, LO_Q+, 및 LO_Q-)를 획득하기 위해 차동 국부 발진기 신호(2xLO+ 및 2xLO-)에 대해 주파수 반감(frequency-halving)을 수행하도록 구성된 직교 출력 주파수 분할기(quadrature output frequency divider; 6032)와, 4개의 직교 국부 발진기 신호(LO_I+, LO_I-, LO_Q+, 및 LO_Q-)를 이용함으로써 클록 신호(CLK)에 기초하여 위상 신호(Φ)에 위상 변조를 수행하여 4개의 제1 위상 변조 신호(PM_I+, PM_I-, PM_Q+, 및 PM_Q-)를 획득하도록 구성된 직교 위상 변조기(quadrature phase modulator; 6033)를 포함할 수 있다.

위상 천이 회로(604)는, 위상 천이 제어기(미도시)로부터 하나의 위상 천이 제어 코드(PS 코드)를 수신하고, 직렬-병렬 변환으로 네 조각의 PS 코드를 획득하도록 구성되는 직렬 주변 인터페이스(serial peripheral interface, SPI; 6041)와, SPI(6041)에 의한 변환으로 획득된 네 조각의 PS 코드를 디코딩하여 4개의 위상 천이 제어 신호(PS1, PS2, PS3, 및 PS4)를 생성하도록 구성된 위상 천이 디코더(phase-shift decoder; 6042)를 포함할 수 있다.

송신 어레이(605)의 각각의 송신 채널은 디지털 위상 천이기(digital phase shifter; 6051), 제1 디지털 전력 증폭기 어레이(first digital power amplifier array; 6052), 및 제2 디지털 전력 증폭기 어레이(second digital power amplifier array; 6053)를 포함할 수 있다. 디지털 위상 천이기(6051)는 4개의 제1 위상 변조 신호(PM_I+, PM_I-, PM_Q+, 및 PM_Q-)를 위상 경로(603)로부터 획득하고, 위상 천이 회로(604)에 의해 생성된 네 개의 위상 천이 제어 신호(PS1, PS2, PS3, 및 PS4)에서 어느 위상 천이 제어 신호(예를 들어, PS1)의 제어 하에 네 개의 제1 위상 변조 신호(PM_I+, PM_I-, PM_Q+, 및 PM_Q-)에 위상 천이를 수행하여 제2 위상 변조 신호의 그룹(예를 들어, PM1+ 및 PM1-)을 획득하도록 구성된다. 제1 디지털 전력 증폭기 어레이(6052) 및 제2 디지털 전력 증폭기 어레이(6053)는 세그먼트화 된 온도계 코드의 제어 하에 제2 위상 변조 신호의 그룹 내의 2개의 차동 제2 위상 변조 신호에 대해 진폭 변조 및 전력 증폭을 개별적으로 수행하여 무선 주파수 신호(RF1)를 생성한다. 제1 디지털 전력 증폭기 어레이(6052) 및 제2 디지털 전력 증폭기 어레이(6053)에 의해 개별적으로 수행되는 진폭 변조 및 전력 증폭 이후에 획득된 신호는 구체적으로 정합 회로에 의해(미도시, 구체적으로는 도 1의 출력 정합 회로(105)를 참조) 무선 주파수 신호(RF1)로 결합된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 출원의 일 실시예는, 직교 디지털 기저대역 신호를 생성하도록 구성된 기저대역 칩(baseband chip; 701)을 포함하는 이동 단말기(700)를 더 제공한다.

기저대역 칩(701)에 접속된 극 위상 배열 송신기(702)는, 직교 디지털 기저대역 신호에 대해 직교-극 변환을 수행하여 n개의 진폭 신호(A1-An) 및 n개의 위상 신호(ΦΦ를 생성하고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이고, 국부 발진기 신호(LO)를 이용함으로써 n개의 위상 신호(ΦΦ에 대해 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하고, 진폭 신호(A1-An)를 이용하여 n개의 위상 변조 신호에 대해 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성된다.

극 위상 배열 송신기(702)에 결합된 안테나 어레이(antenna array; 703)는 극 위상 배열 송신기(702)로부터 n개의 무선 주파수 신호를 획득하고, 빔포밍 기술에 기초하여 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성된다.

이 실시예에서, 이동 단말기(700)는 이동 전화, 태블릿, 노트북 컴퓨터, 차량용 장치 등일 수 있다.

또한, 극 위상 배열(polar phased-array) 구조를 갖는 송신기가 사용되므로, 본 실시예에서 제공되는 이동 단말기(700)는 코딩을 위한 극 코드(polar code)를 사용하는 단말기 장치, 예를 들어, 5G(5세대) 이동 통신 기술 장치일 수 있다.

이 실시예에서의 극 위상 배열 송신기(702)의 구조에 대해서는, 전술한 실시예 및 도 4a 내지 도 5b에 도시된 구조의 설명을 참조하고, 상세한 설명은 여기서 다시 설명하지 않는다.

이 실시예에서, 기저대역 칩(701)은 기저대역 프로세서, 통신 프로세서, 모뎀(modem) 등으로 지칭될 수도 있다. 또한, 집적 회로 기술의 개발과 함께, 기저대역 칩(701) 및 극 위상 배열 송신기(702)는 미래에 함께 집적(통합)될 수 있으며, 예를 들어, 애플리케이션 프로세서(application processor, AP), 이미지 신호 프로세서(image signal processor, ISP) 등으로 칩에 실장되어 SOC(System-On-a-Chip)를 형성할 수 있다.

통상의 기술자는 전술한 하나 이상의 예에서, 본 출원에서 설명된 기능이 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있음을 알아야한다. 본 출원이 소프트웨어에 의해 구현되는 경우, 전술한 기능은 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되거나 컴퓨터 판독 가능 매체에서 하나 이상의 명령 또는 코드로서 송신될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 포함하며, 여기서 통신 매체는 컴퓨터 프로그램이 한 위치에서 다른 곳으로 송신될 수 있게 하는 임의의 매체를 포함한다. 저장 매체는 범용 또는 전용 컴퓨터에 액세스 가능한 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다.

본 출원의 목적, 기술적 해결책, 및 이점은 전술한 특정 실시예에서 더 상세히 설명된다. 전술한 설명은 단지 본 출원의 특정 실시예일뿐이며, 본 출원의 보호 범위를 제한하려는 것이 아님을 알아야 한다. 본 출원의 원리 내에서 이루어진 임의의 수정, 균등한 대체, 또는 개선은 본 출원의 보호 범위 내에 있다.

Claims

n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호를 생성하도록 구성되는 극 신호 생성기 - n은 1보다 큰 자연수임 -; 및
n개의 송신 채널을 포함하는 송신 어레이
를 포함하고,
각각의 송신 채널은 n개의 진폭 신호에서 하나의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호에서 하나의 위상 신호에 대응하고,
상기 n개의 송신 채널은 개별적으로 n개의 위상 신호를 수신하고, n개의 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 신호에 개별적으로 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고,
상기 n개의 송신 채널은 상기 n개의 진폭 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 변조 신호에 개별적으로 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 더 구성되며,
상기 n개의 송신 채널에서 각각의 송신 채널은 변조 위상 천이기 및 전력 증폭기를 포함하고,
상기 변조 위상 천이기는,
상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 위상 신호 중에서 대응하는 위상 신호를 수신하고, 각각의 송신 채널에 대응하는 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 대응하는 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 수행하여 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되고,
상기 전력 증폭기는,
상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 진폭 신호 중에서 대응하는 진폭 신호를 수신하고, 수신된 제1 진폭 신호에 따라서 상기 제1 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 제1 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
제1항에 있어서,
각각의 송신 채널은 진폭 디코더(amplifier decoder)를 더 포함하고,
상기 전력 증폭기는 구체적으로 복수의 디지털 전력 증폭기(multiple digital power amplifiers) 및 신호 전력 결합기(signal power combiner)를 포함하고,
상기 진폭 디코더는,
상기 제1 진폭 신호를 디코딩하여 복수의 디코딩된 진폭 신호를 획득하고, 상기 복수의 디코딩된 진폭 신호를 사용함으로써 개별적으로 상기 복수의 디지털 전력 증폭기의 스위치 상태를 제어하도록 구성되고,
상기 신호 전력 결합기는 상기 복수의 디지털 전력 증폭기에 의해 수행되는 진폭 변조 및 전력 증폭 이후에 획득된 신호를 상기 제1 무선 주파수 신호로 결합하고, 상기 제1 무선 주파수 신호를 출력하는,
극 위상 배열 송신기.
제2항에 있어서,
상기 복수의 디지털 전력 증폭기는 스위치 모드의 전력 증폭기인,
극 위상 배열 송신기.
제1항에 있어서,
상기 전력 증폭기는 아날로그 전력 증폭기인,
극 위상 배열 송신기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 위상 천이기는 위상 변조기 및 상기 위상 변조기에 접속된 위상 천이기를 포함하고,
상기 위상 변조기는,
상기 제1 위상 신호 및 상기 국부 발진기 신호를 분리하여 수신하고, 상기 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 제1 위상 신호에 위상 변조를 수행하도록 구성되고,
상기 위상 천이기는,
상기 제1 위상 천이 제어 신호의 제어 하에, 상기 위상 변조기에 의해 변조된 상기 제1 위상 신호에 위상 천이를 수행하여 상기 제1 위상 변조 신호를 획득하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 위상 천이기는 위상 변조기 및 상기 위상 변조기에 접속된 위상 천이기를 포함하고,
상기 위상 천이기는,
상기 국부 발진기 신호 및 상기 제1 위상 천이 제어 신호를 수신하고, 상기 제1 위상 천이 제어 신호의 제어 하에 상기 국부 발진기 신호에 위상 천이를 수행하도록 구성되고,
상기 위상 변조기는,
상기 제1 위상 신호를 수신하고, 상기 위상 천이기에 의해 수행되는 위상 천이 이후에 획득된 상기 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 제1 위상 신호에 위상 변조를 수행하여, 상기 제1 위상 변조 신호를 생성하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 극 위상 배열 송신기는 제1 신호 프로세서를 더 포함하고,
상기 제1 신호 프로세서는 상기 극 신호 생성기 및 상기 송신 어레이에 개별적으로 접속되고,
상기 제1 신호 프로세서는,
상기 극 신호 생성기에 의해 생성된 상기 n개의 진폭 신호 및 상기 n개의 위상 신호에 개별적으로 디지털 전치왜곡(digital predistortion) 처리를 수행하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
제7항에 있어서,
상기 극 위상 배열 송신기는,
상기 n개의 위상 천이 제어 신호를 생성하도록 구성되는 위상 천이 제어기를 더 포함하는 극 위상 배열 송신기.
제8항에 있어서,
상기 극 위상 배열 송신기는 제2 신호 프로세서를 더 포함하고,
상기 제2 신호 프로세서는,
상기 위상 천이 제어기 및 상기 송신 어레이에 개별적으로 접속되고,
상기 제2 신호 프로세서는,
상기 위상 천이 제어기에 의해 생성된 상기 n개의 위상 천이 제어 신호에 디지털 전치왜곡 처리를 개별적으로 수행하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 극 위상 배열 송신기는 안테나 어레이를 더 포함하고,
상기 안테나 어레이는,
동일한 간격으로 배열된 n개의 안테나를 포함하고,
상기 n개의 안테나는,
일대일 방식으로 상기 n개의 송신 채널에 접속되고,
상기 n개의 안테나는 각각이,
상기 n개의 송신 채널에 의해 생성된 상기 n개의 무선 주파수 신호를 수신하고, 상기 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성되는,
극 위상 배열 송신기.
기저대역 칩;
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 극 위상 배열 송신기; 및
안테나 어레이
를 포함하고,
상기 기저대역 칩은,
동위상 및 직교 디지털 기저대역 신호(in-phase and quadrature digital baseband signal)를 생성하도록 구성되고,
상기 극 위상 배열 송신기는,
상기 동위상 및 직교 기저대역 신호에 직교-극(quadrature-to-polar) 변환을 수행하여 n개의 진폭 신호 및 n개의 위상 신호를 생성하고 - n은 1보다 큰 자연수임 - , 국부 발진기 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 신호에 위상 변조 및 위상 천이를 개별적으로 수행하여 n개의 위상 변조 신호를 획득하고, 상기 진폭 신호를 사용함으로써 상기 n개의 위상 변조 신호에 진폭 변조 및 전력 증폭을 수행하여 n개의 무선 주파수 신호를 획득하도록 구성되며,
상기 안테나 어레이는,
상기 극 위상 배열 송신기로부터 상기 n개의 무선 주파수 신호를 획득하고, 상기 n개의 무선 주파수 신호를 송신하도록 구성되는,
이동 단말기.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제