KR102245339B1 - 멀티 신호원 생성 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 멀티 신호원 생성 장치가 제공된다. 멀티 신호원 생성 장치는, 제 1 주파수를 갖는 제 1 소스 신호를 생성하여 제 1 출력 포트로 전달하는 전압제어 발진기, 상기 제 1 소스 신호 또는 외부 소스 신호를 선택하여 출력하는 SPDT 스위치, 상기 SPDT 스위치에서 선택되어 출력되는 상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 1 전력 증폭기, 그리고 상기 증폭된 제 1 소스 신호의 주파수를 체배하고, 상기 주파수가 체배된 신호의 전력을 분배하여 멀티 소스 신호들을 생성하는 멀티 소스 변환부를 포함하되, 상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호들의 주파수는 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역에 포함된다.

Description

멀티 신호원 생성 장치 및 그것의 동작 방법{MULTI SOURCE SIGNAL GENERATOR AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 단일 칩으로 구현되는 멀티 신호원 생성 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 초고속 이동 통신을 위한 5세대 이동 통신(5G) 규격은 밀리미터파(Millimeter wave) 대역의 주파수를 이용하여 개발되고 있다. 우리나라와 미국의 경우, 28GHz 대역의 주파수를 5G 통신 대역으로 허용하여 개발하고 있다. 국제전기통신연합(ITU)에서는 32GHz 대역과 40~43GHz 대역을 5G 통신을 위한 주파수 대역으로 논의하고 있어, 여러 국가들은 각기 다른 주파수 대역에서 5G 이동 통신 기술을 개발 및 시연하고 있는 실정이다. 뿐만 아니라, 무선랜(Wireless Local Area Network: WLAN)과 같은 근거리 통신의 경우, 60GHz 대역의 ISM 대역(Industrial Scientific Medical band)을 이용하는 초고속 통신 기술이 개발되고 있다. 60GHz 대역의 주파수를 이용하는 기술 표준으로 'IEEE 802.11ad'를 전송 속도와 거리를 확장한 'IEEE 802.11ay'가 표준화 진행 중이다. 'IEEE 802.11ay'의 경우, 4개의 채널을 결합(Bonding)함으로써 최대 42.24Gbps의 전송 속도를 달성할 수 있다. 따라서, 'IEEE 802.11ay' 표준은 최근 증강 현실(AR)이나 가상 현실(VR) 기술에 적용하기에 적합한 솔루션으로 부각되고 있다.
통신 기술뿐만 아니라 이미징(Imaging), 레이더(Radar), 분광(Spectrum) 등의 분야에서는 100GHz 이상의 주파수를 이용하고 있다. 미국의 'TeraSense'라는 회사에서는 'IMPATT Diode'를 이용하여 100GHz ~ 140GHz 대역의 신호원을 구현하고 테라헤르츠 이미징 카메라, 스캐너, 그리고 신호원을 개발하여 판매하고 있다. 또한, 60GHz 대역뿐만 아니라, 120GHz, 240GHz 대역의 주파수는 ISM band로 지정되어 있어 이들 주파수의 이용도는 매우 높다.
현재 4G, 'IEEE 802.11a/b/g/n/ac' 표준을 위한 10GHz 이하의 상용 신호원 칩은 쉽게 구입할 수 있다. 하지만, 30GHz 대역 이상의 주파수에는 상용으로 저가의 신호원 칩을 구입하기 어렵다. 30GHz 대역 이상의 주파수 대역의 신호원은 대부분 고가의 장비를 구입하거나, III-V 소자를 이용하여 고객의 요구에 따른 시스템을 구성하고 있다. 따라서, 상술한 문제로 인해 제품의 초기 개발 단계에서의 개발비가 높고 개발 기간이 오래 걸린다. 따라서, 밀리미터파(Millimeter wave) 대역 또는 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz) 중 가장 활용도가 높은 주파수 대역을 지원하는 저가의 CMOS 신호원의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명의 목적은 밀리미터파 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역 중, 가장 활용도가 높은 5G, IEEE 802.11ad/ay, ISM 대역을 지원할 수 있는 안정된 CMOS로 구현되는 멀티 신호원 생성 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 멀티 신호원 생성 장치는, 제 1 주파수를 갖는 제 1 소스 신호를 생성하여 제 1 출력 포트로 전달하는 전압제어 발진기, 상기 제 1 소스 신호 또는 외부 소스 신호를 선택하는 SPDT 스위치, 상기 SPDT 스위치에서 선택된 상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 1 전력 증폭기, 그리고 상기 증폭된 제 1 소스 신호의 주파수를 체배하거나 전력을 분배하여 멀티 소스 신호를 생성하는 멀티 소스 변환부를 포함하되, 상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호의 주파수는 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역에 포함된다.
본 발명의 실시 예에 따른 멀티 신호원 생성 장치의 동작 방법은, 제 1 소스 신호를 생성하는 단계, 상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 단계, 그리고 상기 제 1 소스 신호의 주파수를 단계적으로 체배하여 멀티 소스 신호들을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호들은 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역의 주파수를 갖고, 상기 멀티 신호원 생성 장치는 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 공정을 통해서 형성되는 싱글 칩으로 제공된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 하나의 칩에서 복수의 소스 신호들이 생성된다. 복수의 소스 신호들은 밀리미터파(Millimeter wave) 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz)의 주파수를 지원할 수 있어 5G, WPAN, ISM 대역 등의 다양한 시스템에서 사용될 수 있다. 특히, 기존에 밀리미터파(Millimeter wave) 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz)의 신호원 칩의 경우, 고가이면서도 단일 소스 신호만을 제공하였다. 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치는 여러 대역의 소스 신호를 동시에 제공하고, CMOS로 구현될 수 있기 때문에 저비용이면서 높은 활용도를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 멀티 소스 변환부의 구성을 세부적으로 보여주는 블록도이다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 2의 멀티 소스 변환부의 각 출력 포트들에서 출력되는 제 2 내지 제 4 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)의 스펙트럼을 보여주는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치의 동작 방법을 간략히 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 싱글 칩으로 구현되는 멀티 신호원 생성 장치를 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 멀티 신호원 칩을 포함하는 전자 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들이 상세하게 설명된다. 이하의 설명에서, 상세한 구성들 및 구조들과 같은 세부적인 사항들은 단순히 본 발명의 실시 예들의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된다. 그러므로 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터의 벗어남 없이 본문에 기재된 실시 예들의 변형들은 당업자에 의해 수행될 수 있다. 더욱이, 잘 알려진 기능들 및 구조들에 대한 설명들은 명확성 및 간결성을 위하여 생략된다. 이하에서 기술된 용어들은 본 발명의 기능들을 고려하여 정의된 용어들이며, 사용자들, 사용자들의 의도, 또는 소비자들에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 용어들의 정의는 상세한 설명에 기재된 사항을 기반으로 결정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 멀티 신호원 생성 장치(100)는 전압제어 발진기(110), SPDT 스위치(120), 제 1 전력 증폭기(130), 그리고 멀티 소스 변환부(140)를 포함한다.
전압제어 발진기(110)는 제어 전압에 따라 발진 주파수가 가변되는 발진기(Oscillator)이다. 전압제어 발진기(110)는 밀리미터파(Millimeter wave) 대역의 제 1 소스 신호(FO)를 출력할 수 있다. 전압제어 발진기(110)는, 예를 들면, 차동 VCO(Differential Voltage Controlled Oscillator)로 구현될 수 있다. 차동 VCO로 구현되는 전압제어 발진기(110)의 정출력 포트(+Port)에서 출력되는 발진 신호는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 제 1 소스 신호(FO)로 출력될 수 있다. 반면, 전압제어 발진기(110)의 부출력 포트(-Port)로 출력되는 발진 신호는 SPDT 스위치(120)에 전달될 수 있다.
전압제어 발진기(110)는 밀리미터파 대역 주파수의 발진 신호(27~33GHz)를 생성하기 위한 발진 특성을 가질 수 있다. 반도체 소자로 구현되기 위해서, 전압제어 발진기(110)는 바렉터(Varactor)를 포함할 수 있다. 바렉터에 제공되는 제어 전압에 따라 바렉터의 커패시턴스(C)가 가변되는 특성을 이용하여 발진 신호의 주파수가 조정될 수 있다. 더불어, 전압제어 발진기(110)는 출력되는 발진 신호의 주파수를 고정(Locking)하기 위한 수단들을 더 포함할 수 있음은 잘 이해될 것이다.
SPDT 스위치(120, Single Pole Double Throw Switch)는 전압제어 발진기(110)의 출력과 외부에서 제공되는 발신 신호(FIN_ EXT) 중 어느 하나를 선택하기 위한 스위치이다. SPDT 스위치(120)는 미리 설정된 선택 값이나 사용자에 의해서 전압제어 발진기(110)의 출력과 외부에서 제공되는 발신 신호(FIN_ EXT) 중 어느 하나를 멀티 신호원을 생성하기 위한 소스 신호로 선택할 수 있다.
제 1 전력 증폭기(130)는 SPDT 스위치(120)에서 선택된 신호의 전력을 증폭시킨다. SPDT 스위치(120)에서 선택된 제 1 소스 신호(FO)의 경우, 멀티 소스 변환부(140)에서 다양한 경로로 분리되어 처리될 것이다. 따라서, 감소된 제 1 소스 신호(FO)의 전력을 충분히 증폭시켜 멀티 소스 변환부(140)에 제공할 필요가 있다. 제 1 전력 증폭기(130)는 제 1 소스 신호(FO)의 주파수 대역(예를 들면, 30GHz)을 증폭하기 위한 특성을 갖도록 설계되어야 할 것이다. 더불어, 제 1 전력 증폭기(130)는 멀티 소스 변환부(140)의 주파수 체배기(Frequency doubler, 미도시)를 구동하기 위해 약 5~15dBm의 출력 특성을 가질 것이 요구된다.
멀티 소스 변환부(140)는 제 1 소스 신호(FO)의 주파수를 다양한 주파수 체배수로 변환하여 복수의 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)로 생성할 수 있다. 멀티 소스 변환부(140)는 제 1 소스 신호(FO)의 주파수를 2배로 체배하여 제 2 소스 신호(2FO)로 출력한다. 멀티 소스 변환부(140)는 생성된 제 2 소스 신호(2FO)의 주파수를 다시 2배로 체배하여 제 3 소스 신호(4FO)로 출력한다. 멀티 소스 변환부(140)는 제 3 소스 신호(4FO)의 주파수를 2배로 체배하여 제 4 소스 신호(8FO)로 출력할 수 있다. 여기서, 복수의 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO)은 각각 밀리미터파(Millimeter wave) 대역이나 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz)의 주파수를 갖는 소스 신호들로 제공될 수 있다.
상술한 멀티 신호원 생성 장치(100)를 구성하는 전압제어 발진기(110), SPDT 스위치(120), 제 1 전력 증폭기(130), 그리고 멀티 소스 변환부(140)는 CMOS 공정을 통해서 형성될 수 있다. 따라서, 밀리미터파(Millimeter wave) 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역의 복수의 소스 신호들을 제공할 수 있는 멀티 신호원 생성 장치(100)는 단일 반도체 칩으로도 구현 가능하다. 멀티 신호원 생성 장치(100)는 5G 통신, WPAN(Wireless Personal Area Network), ISM(Industrial Scientific Medical) 대역 통신 등의 다양한 시스템에서 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 멀티 소스 변환부의 구성을 세부적으로 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 멀티 소스 변환부(140)는 제 1 소스 신호(FO)를 처리하여, 밀리미터파(Millimeter wave) 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz)의 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)을 생성한다. 이를 위해, 멀티 소스 변환부(140)는 복수의 주파수 체배기(141, 145, 149), 복수의 전력 분배기(142, 146), 그리고 전력 증폭기들(143, 144, 147, 148)을 포함한다.
제 1 주파수 체배기(141)는 제 1 소스 신호(FO)의 주파수를 2배수 증가시킬 수 있다. 제 1 주파수 체배기(141)는 소스 신호인 제 1 소스 신호(FO)를 비선형 소자로 처리하여 복수의 고조파(Harmonic)들을 생성한다. 그리고 제 1 주파수 체배기(141)는 복수의 고조파들 중에서 2배의 주파수를 갖는 제 2 소스 신호(2FO)를 선택적으로 출력하게 될 것이다. 제 1 주파수 체배기(141)는 CMOS 공정의 반도체 소자로 쉽게 구현될 수 있다.
제 1 전력 분배기(142)는 제 2 소스 신호(2FO)를 두 개의 전달 경로로 분리한다. 즉, 전력 분배기(142)는 제 1 주파수 체배기(141)에서 출력되는 제 2 소스 신호(2FO)를 동일한 위상과 파형을 갖는 2개의 신호로 분리한다. 다만, 제 1 전력 분배기(142)는 입력된 신호의 전력을 2 부분으로 나누어 출력한다. 제 1 전력 분배기(142)는 광대역 특성을 가지는 윌킨슨 분배기(Wilkinson divider)와 같은 수동 소자로 구현되거나, 또는 능동 분배기 형태로도 구현될 수 있을 것이다.
제 2 전력 증폭기(143)는 제 1 전력 분배기(142)에서 출력되는 제 2 소스 신호(2FO)들 중 어느 하나의 전력을 증폭시킨다. 제 2 전력 증폭기(143)는 제 1 전력 분배기(142)에 의해서 감소된 제 2 소스 신호(2FO)의 전력을 증폭시켜, 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트(Output Port)로 전달한다. 제 2 전력 증폭기(143)는 출력 포트(Output Port)로 전달되는 제 2 소스 신호(2FO)의 크기에 따라서 최적 레벨의 신호로 증폭할 수 있는 구동 증폭기(Driver Amplifier)로 구성될 수도 있다.
제 3 전력 증폭기(144)는 제 1 전력 분배기(142)에서 출력되는 제 2 소스 신호(2FO)의 다른 하나의 전력을 증폭시킨다. 제 1 주파수 체배기(141)와 제 1 전력 분배기(142)에 의해서 제 2 소스 신호(2FO)의 전력은 상당량 감소된 상태이다. 따라서, 감소된 제 2 소스 신호(2FO)의 전력을 증폭시키기 위해, 제 3 전력 증폭기(144)는 제 2 소스 신호(2FO) 대역의 신호 증폭에 적합하도록 설계되어야 할 것이다. 특히, 제 3 전력 증폭기(144)는 제 2 소스 신호(2FO)를 제 2 주파수 체배기(145)에 전달하기 위해 5~15dBm의 출력을 갖도록 설계되어야 한다.
제 2 주파수 체배기(145)는 제 3 전력 증폭기(144)에 의해서 전력이 증폭된 제 2 소스 신호(2FO)의 주파수를 2배수 증가시킨다. 제 2 주파수 체배기(145)는 소스 신호인 제 2 소스 신호(2FO)를 비선형 소자로 처리하여 복수의 고조파(Harmonic)들을 생성한다. 그리고 제 2 주파수 체배기(145)는 복수의 고조파들 중에서 제 2 소스 신호(2FO)의 2배 주파수에 대응하는 제 3 소스 신호(4FO)를 선택적으로 출력하게 될 것이다.
제 2 전력 분배기(146)는 제 3 소스 신호(4FO)를 두 개의 전달 경로로 분리한다. 즉, 제 2 전력 분배기(146)는 제 2 주파수 체배기(145)에서 출력되는 제 3 소스 신호(4FO)를 동일한 위상과 파형을 갖는 2개의 신호로 분리한다. 다만, 제 2 전력 분배기(146)는 입력된 신호의 전력만을 나누어 출력한다. 제 2 전력 분배기(146)는 광대역 특성을 가지는 윌킨슨 분배기(Wilkinson divider)와 같은 수동 소자로 구현되거나, 또는 능동 분배기 형태로도 구현될 수 있을 것이다.
제 4 전력 증폭기(147)는 제 2 전력 분배기(146)에서 출력되는 제 3 소스 신호(4FO)들 중 어느 하나의 전력을 증폭시킨다. 제 4 전력 증폭기(147)는 제 1 전력 분배기(146)에 의해서 감소된 제 3 소스 신호(4FO)의 전력을 증폭시켜, 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트(Output Port)로 전달한다. 제 4 전력 증폭기(147)는 출력 포트(Output Port)로 전달되는 제 3 소스 신호(4FO)의 크기에 따라서 최적 레벨의 신호로 증폭할 수 있는 구동 증폭기(Driver Amplifier)로 구성될 수도 있음은 잘 이해될 것이다. 즉, 제 4 전력 증폭기(147)는 제 3 소스 신호(4FO)의 크기(Amplitude)가 작은 경우에 신호의 크기를 증폭하기 위한 구동 증폭기를 포함할 수 있다.
제 5 전력 증폭기(148)는 제 2 전력 분배기(146)에서 출력되는 제 3 소스 신호(4FO)의 다른 하나의 전력을 증폭시킨다. 감소된 제 3 소스 신호(4FO)의 전력을 증폭시키기 위해, 제 5 전력 증폭기(148)는 제 3 소스 신호(4FO) 대역의 신호 증폭에 적합하도록 설계되어야 할 것이다. 특히, 제 5 전력 증폭기(148)는 제 3 소스 신호(4FO)를 제 3 주파수 체배기(149)에 전달하기 위해 5~15dBm의 출력을 갖도록 설계되어야 한다.
제 3 주파수 체배기(149)는 제 5 전력 증폭기(148)에 의해서 증폭된 제 3 소스 신호(4FO)의 주파수를 2배수 증가시킨다. 제 3 주파수 체배기(149)에 의해서 생성된 제 4 소스 신호(8FO)는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 전달될 수 있다.
이상에서는 멀티 소스 변환부(140)의 예시적인 구성이 간략히 설명되었다. 멀티 소스 변환부(140)에 포함되는 제반 구성들은 CMOS 공정을 통해서 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 신호원 생성 장치(100)는 복수의 안정된 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO)을 제공하는 싱글 칩 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 제 1 소스 신호(FO)의 주파수는, 예를 들면, 30GHz일 수 있다. 이 경우, 멀티 신호원 생성 장치(100)는 밀리미터파(Millimeter wave) 대역과 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역(30GHz ~ 240GHz)에서 사용되는 서로 다른 주파수의 소스 신호들을 제공하는 하나의 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 2의 멀티 소스 변환부의 각 출력 포트들에서 출력되는 제 2 내지 제 4 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)의 스펙트럼을 보여주는 도면들이다. 여기서, 멀티 소스 변환부(140)에 소스로 제공되는 제 1 소스 신호(FO)의 주파수를 30GHz로 제공하는 경우를 예시적으로 설명하기로 한다.
도 3a는 제 2 소스 신호(2FO)의 스펙트럼을 보여준다. 제 2 소스 신호(2FO)는 제 1 주파수 체배기(141)의 비선형 소자들에 의해서 제 1 소스 신호(FO)의 정수배에 해당하는 고조파들 중에 하나이다. 그리고 실질적으로 제 1 소스 신호(FO)의 2배수 주파수(예를 들면, 60GHz)의 해당하는 고조파(P1)가 선택되고, 제 2 전력 증폭기(143)에 의해서 증폭되어 출력된다.
도 3b는 제 3 소스 신호(4FO)의 스펙트럼을 보여준다. 제 2 주파수 체배기(145)에 의해서 복수의 고조파들이 생성될 수 있다. 그리고 제 2 주파수 체배기(145)에 의해 고조파들 중에서 제 3 소스 신호(4FO)에 대응하는 고조파(P2)가 선택되어 출력될 것이다. 이후, 제 4 전력 증폭기(147)에 의해서 제 3 소스 신호(4FO)는 증폭되어 출력 포트로 전달될 것이다.
도 3c는 제 4 소스 신호(8FO)의 스펙트럼을 보여준다. 제 3 주파수 체배기(149)에 의해서 제 3 소스 신호(4FO)의 고조파들이 생성될 수 있다. 그리고 제 3 주파수 체배기(149)에 의해 고조파들 중에서 제 4 소스 신호(8FO)에 대응하는 고조파(P3)가 선택되어 출력될 것이다. 이후, 제 4 소스 신호(8FO)는 출력 포트로 전달될 것이다.
이상에서는 본 발명의 제 2 내지 제 4 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)의 스펙트럼이 설명되었다. CMOS 공정으로 형성 가능한 본 발명의 멀티 소스 변환부(140)는 제 1 소스 신호(FO)의 정수배 주파수를 갖는 복수의 소스 신호들을 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치(100)는 저비용의 단일 반도체 칩으로 용이하게 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 멀티 신호원 생성 장치의 동작 방법을 간략히 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 멀티 신호원 생성 장치(100)는 하나의 전압제어 발진기(110)로부터 생성된 하나의 소스 신호를 체배하여 복수의 소스 신호들로 출력할 수 있다.
S110 단계에서, 전압제어 발진기(110)로부터 제 1 소스 신호(FO)를 생성한다. 제 1 소스 신호(FO)는 30GHz의 주파수를 갖는 것으로 가정하기로 한다. 전압제어 발진기(110)로부터 생성된 제 1 소스 신호(FO)는 두 신호 경로로 분리되어 전달된다. 하나의 신호 경로는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 연결되고, 다른 하나의 신호 경로는 SPDT 스위치(120)로 연결된다. 전압제어 발진기(110)에서 생성된 제 1 소스 신호(FO)는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 출력됨과 동시에 멀티 소스 신호들을 생성하기 위한 소스 신호로 제공된다.
S120 단계에서, 제 1 전력 증폭기(130)에 의해서 제 1 소스 신호(FO)의 전력이 증폭된다. 제 1 소스 신호(FO)는 주파수 체배기 또는 전력 분배기와 같은 전력을 소모하는 구성들을 사용하여 처리될 것이다. 따라서, 전력 소모가 발생하기 이전에 충분한 전력을 갖도록 제 1 소스 신호(FO)의 전력을 증폭할 필요가 있다. 주파수 체배기(141)에 의해서 제 1 소스 신호(FO)가 처리되기 위해서는 제 1 전력 증폭기(130)는 약 5~15dBm의 출력 특성을 가져야 한다.
S130 단계에서, 30GHz의 주파수를 갖는 제 1 소스 신호(FO)는 제 1 주파수 체배기(141)에 의해서 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호(2FO)로 변환된다.
S140 단계에서, 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호(2FO)는 적어도 2개의 신호 경로로 분리된다. 예를 들면, 제 1 전력 분배기(142)에 의해서 분리된 제 2 소스 신호(2FO) 중 하나는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 전달된다. 출력 포트로 전달되기 전에, 제 2 소스 신호(2FO)는 제 2 전력 증폭기(143)나 구동 증폭기에 의해서 증폭된 이후에 출력 포트로 전달될 수 있다.
S150 단계에서, 제 1 전력 분배기(142)에 의해서 분리된 제 2 소스 신호(2FO) 중 다른 하나는 제 3 전력 증폭기(144)에 전달된다. 여기서, 제 2 전력 증폭기(143)와 제 3 전력 증폭기(144)는 60GHz 대역 신호를 증폭하기 위한 이득 및 대역 특성을 갖도록 설계되어야 한다. 제 2 전력 증폭기(143)와 제 3 전력 증폭기(144)는 약 5~15dBm의 출력 특성을 가져야 한다.
S160 단계에서, 60GHz의 주파수를 갖는 제 2 소스 신호(2FO)는 제 2 주파수 체배기(145)에 의해서 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호(4FO)로 변환된다.
S170 단계에서, 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호(4FO)의 전달 경로는 적어도 2개의 신호 경로들로 분리된다. 즉, 제 2 전력 분배기(146)에 의해서 분리된 제 3 소스 신호(4FO) 중 하나는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 전달된다. 출력 포트로 전달되기 전에, 제 3 소스 신호(4FO)는 제 4 전력 증폭기(147)나 구동 증폭기에 의해서 증폭된 이후에 출력 포트로 전달될 수 있다.
S180 단계에서, 제 2 전력 분배기(146)에 의해서 분리된 제 3 소스 신호(4FO) 중 다른 하나는 제 5 전력 증폭기(148)에 전달된다. 여기서, 제 4 전력 증폭기(147)와 제 5 전력 증폭기(148)는 120GHz 대역 신호를 증폭하기 위한 이득 및 대역 특성을 갖는다. 그리고 제 4 전력 증폭기(147)와 제 5 전력 증폭기(148)는 약 5~15dBm의 출력 특성을 가져야 한다.
S190 단계에서, 120GHz의 주파수를 갖는 제 3 소스 신호(4FO)는 제 3 주파수 체배기(149)에 의해서 240GHz 주파수의 제 4 소스 신호(8FO)로 변환된다. 240GHz 주파수의 제 4 소스 신호(8FO)는 멀티 신호원 생성 장치(100)의 출력 포트로 전달될 것이다.
이상에서는 30GHz 주파수의 제 1 소스 신호(FO)를 생성하고, 생성된 제 1 소스 신호(FO)를 체배 및 증폭하여 복수의 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)을 생성하는 방법에 대해서 간략히 설명되었다. 여기서, 제 1 소스 신호(FO)의 주파수를 30GHz로 설명하였으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않음은 잘 이해될 것이다. 전압제어 발진기(110)를 통해서 제 1 소스 신호(FO)의 주파수는 다양한 값으로 설정될 수 있다. 그리고 복수의 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)의 주파수도 제 1 소스 신호(FO)의 주파수의 정수배로 제공될 수 있다.
더불어, 이상에서는 제 1 소스 신호(FO)가 전압제어 발진기(110)를 통해서 제공되는 예가 설명되었다. 하지만, 보다 안정된 소스 신호의 제공을 위해 SPDT 스위치(120)를 통해서 외부에서 제공되는 제 1 소스 신호(FO)가 복수의 소스 신호들(2FO, 4FO, 8FO)을 생성하기 위한 소스로 사용될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 싱글 칩으로 구현되는 멀티 신호원 생성 장치(200)를 구체적으로 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 제 1 내지 제 4 소스 신호들이 싱글 칩으로 구현되는 멀티 신호원 생성 장치(200)로부터 제공될 수 있다. 멀티 신호원 생성 장치(200)는 전압제어 발진기(210), SPDT 스위치(220), 전력 증폭기들(230, 260, 270, 290, 292), 주파수 체배기들(240, 270, 294), 전력 분배기들(250, 280)을 포함할 수 있다.
전압제어 발진기(210)는 30GHz 주파수의 제 1 소스 신호를 생성한다. 전압제어 발진기(210)가 차동 VCO로 구현되는 경우, 정출력 포트(+Port)로 출력되는 발진 신호는 멀티 신호원 생성 장치(200)의 제 1 소스 신호로 출력될 수 있다. 더불어, 전압제어 발진기(210)의 부출력 포트(-Port)로 출력되는 발진 신호는 SPDT 스위치(220)에 전달될 수 있다. 전압제어 발진기(210)의 제어를 통해서 밀리미터파 대역에서 사용되는 다양한 주파수의 소스 신호들이 생성될 수 있다.
SPDT 스위치(220)는 전압제어 발진기(210)의 출력과 외부에서 제공되는 발진 신호(FIN_EXT) 중 어느 하나를 선택하기 위한 스위치이다. SPDT 스위치(220)는 미리 설정된 선택 값이나 사용자에 의해서 전압제어 발진기(210)의 출력과 외부에서 제공되는 발진 신호(FIN_ EXT) 중 어느 하나를 멀티 신호원을 생성하기 위한 소스 신호로 선택할 수 있다. SPDT 스위치(220)를 통해서 높은 순도의 30GHz 주파수 신호를 외부로부터 제공받아 제 2 내지 제 4 소스 신호들로 생성하기 위해 제 1 전력 증폭기(230)에 전달할 수 있다.
제 1 전력 증폭기(230)에 의해서 30GHz 대역의 제 1 소스 신호의 전력이 증폭될 수 있다. 이러한 제 1 전력 증폭기(230)에 의한 전력 증폭을 통해서 후속하여 수행되는 주파수 체배 및 전력 분배시에 발생하는 제 1 소스 신호의 감쇄가 보상될 수 있다.
제 1 주파수 체배기(240)는 제 1 소스 신호의 주파수를 2배 체배하여 제 1 전력 분배기(250)에 전달한다. 즉, 제 1 주파수 체배기(240)는 30GHz 주파수의 제 1 소스 신호를 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호로 변환한다.
제 1 전력 분배기(250)는 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호를 2개의 신호 경로로 분리하여 전달한다. 분리된 두 신호 경로들 중 하나는 제 2 전력 증폭기(260)를 경유하여 멀티 신호원 생성 장치(200)의 출력 포트로 연결된다. 그리고 분리된 두 신호 경로들 중 다른 하나는 제 3 내지 제 4 소스 신호를 생성하기 위하여 제 3 전력 증폭기(265)에 연결된다.
제 2 및 제 3 전력 증폭기(260, 265)는 분리된 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호를 각각 증폭한다. 두 개의 신호 경로로 분리된 60GHz 주파수의 제 2 소스 신호들은 동일한 위상과 주파수를 갖지만, 전력이 분배되어 감소된 상태이다. 따라서, 감소된 두 개의 신호 경로들의 제 2 소스 신호들의 전력은 제 2 및 제 3 전력 증폭기(260, 265)에 의해서 각각 증폭되고 출력 포트 및 제 2 주파수 체배기(270)에 전달된다.
제 2 주파수 체배기(270)는 60GHz인 제 2 소스 신호의 주파수를 2배수 증가시킨다. 제 2 주파수 체배기(270)는 입력되는 제 2 소스 신호의 주파수를 120GHz로 변환하여 제 3 소스 신호로 출력하게 될 것이다.
제 2 전력 분배기(280)는 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호를 2개의 신호 경로들로 분리하여 전달한다. 분리된 두 신호 경로들 중 하나는 제 4 전력 증폭기(290)를 경유하여 멀티 신호원 생성 장치(200)의 출력 포트로 연결된다. 그리고 분리된 두 신호 경로들 중 다른 하나는 제 4 소스 신호를 생성하기 위하여 제 5 전력 증폭기(292)에 연결된다.
제 4 및 제 5 전력 증폭기(290, 292)는 분리된 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호의 전력을 각각 증폭한다. 두 개의 신호 경로들로 분리된 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호들은 동일한 위상과 주파수를 갖는다. 하지만, 분리된 120GHz 주파수의 제 3 소스 신호들의 신호 전력은 감소된 상태이다. 따라서, 감소된 제 3 소스 신호들 전력들은 제 4 및 제 5 전력 증폭기(290, 292)에 의해서 각각 증폭되고 출력 포트 및 제 3 주파수 체배기(294)에 전달된다.
제 3 주파수 체배기(294)는 제 5 전력 증폭기(292)에 의해서 증폭된 제 3 소스 신호의 주파수를 2배수 증가시킨다. 그리고 제 3 주파수 체배기(294)에 의해서 생성된 240GHz 주파수의 제 4 소스 신호는 멀티 신호원 생성 장치(200)의 출력 포트로 전달된다.
이상에서는 CMOS 공정에 의해서 싱글 칩으로 구현 가능한 멀티 신호원 생성 장치(200)의 구조가 간략히 설명되었다. 여기서, 밀리미터파 대역 및 서브-테라헤르츠파 대역의 소스 신호들로 사용되는 4개 소스 신호들이 멀티 신호원 생성 장치(200)로부터 제공되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 주파수 체배기와 전력 분배기들을 사용하여 더 많은 수의 소스 신호들이 멀티 신호원 생성 장치(200)로부터 제공될 수 있음은 잘 이해될 것이다. 더불어, 전압제어 발진기(210)에 의해서 생성되는 제 1 소스 신호의 주파수가 30GHz인 경우를 예로 들었으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다.
도 6은 본 발명의 멀티 신호원 칩을 포함하는 전자 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 전자 장치(300)는 멀티 신호원 칩(310), 송수신기(320), 그리고 프로세서(330)를 포함할 수 있다. 멀티 신호원 칩(310)은 CMOS 반도체 공정을 사용하여 형성되는 도 1 또는 도 5의 멀티 신호원 생성 장치(100 또는 200)를 포함할 수 있다.
멀티 신호원 칩(310)은 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 소스 신호들을 출력할 수 있다. 멀티 신호원 칩(310)은 밀리미터파 대역 및 서브-테라헤르츠파 대역의 신호원으로 사용 가능한 복수의 소스 신호들을 생성할 수 있다. 멀티 신호원 칩(310)은 밀리미터파 대역 및 서브-테라헤르츠파 대역(30GHz ~ 240GHz)의 주파수를 갖는 복수의 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO)을 제공할 수 있다.
송수신기(320)는 복수의 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO) 중 어느 하나를 사용하여 음성 신호 또는 데이터 신호를 변조하여 안테나(340)를 통해 전송할 수 있다. 또는, 송수신기(320)는 복수의 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO) 중 어느 하나를 사용하여 안테나(340)를 통해 수신되는 신호를 복조할 수 있다. 예를 들면, 송수신기(320)는 5G 이동통신, WPAN, ISM 통신을 위해 소스 신호들(FO, 2FO, 4FO, 8FO) 중 어느 하나를 신호원으로 사용할 수 있다.
프로세서(330)는 송수신기(320)에 전송되는 신호 또는 수신되는 신호를 처리하여 음성이나 데이터로 변환하고 처리한다.
상술한 전자 장치(300)는 밀리미터파 대역 및 서브-테라헤르츠파 대역(30GHz ~ 240GHz)의 통신을 위한 단말이나 기지국일 수 있다. 본 발명의 멀티 신호원 칩(310)을 채용하는 경우, 전자 장치(300)는 다양한 주파수의 신호원을 단일 칩에서 제공할 수 있어 저비용으로 구성이 가능하다.
비록 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 상세한 설명에서 설명되었으나, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상으로부터의 벗어남 없이 다양한 형태로 변형될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은 단순히 설명된 실시 예들에 국한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 및 이와 동등한 것들을 기반으로 결정될 것이다.
100 : 멀티 신호원 생성 장치
110, 210 : 전압제어 발진기
120, 220 : SPDT 스위치
130, 143, 144, 147, 148, 230, 260, 265, 290, 292 : 전력 증폭기
140 : 멀티 소스 변환부
141, 145, 149, 240, 270, 294 : 주파수 체배기
142, 146, 250, 280 : 전력 분배기
300: 전자 장치
310 : 멀티 신호원 칩
320 : 송수신기
330 : 프로세서
340 : 안테나

Claims (14)

  1. 멀티 신호원 생성 장치에 있어서:
    제 1 주파수를 갖는 제 1 소스 신호를 생성하여 제 1 출력 포트로 전달하는 전압제어 발진기;
    상기 제 1 소스 신호와 외부 소스 신호 중 어느 하나를 선택하는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치;
    상기 SPDT 스위치에서 선택된 상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 1 전력 증폭기; 그리고
    상기 증폭된 제 1 소스 신호의 주파수를 체배하거나 전력을 분배하여 멀티 소스 신호들을 생성하는 멀티 소스 변환부를 포함하되,
    상기 멀티 신호원 생성 장치는 상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호를 출력으로 제공하며, 상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호의 주파수는 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역에 포함되는 멀티 신호원 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압제어 발진기, 상기 SPDT 스위치, 상기 제 1 전력 증폭기, 그리고 상기 멀티 소스 변환부는 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 공정에 따라 형성되는 멀티 신호원 생성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 27GHz 내지 33GHz 대역에 포함되는 멀티 신호원 생성 장치.
  4. 멀티 신호원 생성 장치에 있어서:
    제 1 주파수를 갖는 제 1 소스 신호를 생성하여 제 1 출력 포트로 전달하는 전압제어 발진기;
    상기 제 1 소스 신호와 외부 소스 신호 중 어느 하나를 선택하는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치;
    상기 SPDT 스위치에서 선택된 상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 1 전력 증폭기; 그리고
    상기 증폭된 제 1 소스 신호의 주파수를 체배하거나 전력을 분배하여 멀티 소스 신호들을 생성하는 멀티 소스 변환부를 포함하되,
    상기 멀티 소스 변환부는:
    상기 증폭된 제 1 소스 신호의 주파수를 2배수로 체배하여 제 2 소스 신호로 변환하는 제 1 주파수 체배기;
    상기 제 2 소스 신호의 주파수를 2배수로 체배하여 제 3 소스 신호로 변환하는 제 2 주파수 체배기; 그리고
    상기 제 3 소스 신호의 주파수를 2배수로 체배하여 제 4 소스 신호로 변환하는 제 3 주파수 체배기를 포함하며,
    상기 제 1 내지 제 4 소스 신호의 주파수는 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역에 포함되는 멀티 신호원 생성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 멀티 소스 변환부는:
    상기 제 1 주파수 체배기로부터 출력되는 상기 제 2 소스 신호를 제 2 출력 포트 및 상기 제 2 주파수 체배기로 각각 전달하기 위해 신호 경로를 분리하는 제 1 전력 분배기; 그리고
    상기 제 2 주파수 체배기로부터 출력되는 상기 제 3 소스 신호를 제 3 출력 포트 및 상기 제 3 주파수 체배기로 각각 전달하기 위해 신호 경로를 분리하는 제 2 전력 분배기를 더 포함하는 멀티 신호원 생성 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 멀티 소스 변환부는:
    상기 제 2 출력 포트로 전달되는 상기 제 2 소스 신호의 전력을 증폭하여 전달하는 제 2 전력 증폭기; 그리고
    상기 제 2 주파수 체배기로 전달되는 상기 제 2 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 3 전력 증폭기를 더 포함하는 멀티 신호원 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 멀티 소스 변환부는:
    상기 제 3 출력 포트로 전달되는 상기 제 3 소스 신호의 전력을 증폭하여 전달하는 제 4 전력 증폭기; 그리고
    상기 제 3 주파수 체배기로 전달되는 상기 제 3 소스 신호의 전력을 증폭하는 제 5 전력 증폭기를 더 포함하는 멀티 신호원 생성 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 증폭기 또는 상기 제 4 전력 증폭기는 구동 증폭기(Drive Amplifier)를 포함하는 멀티 신호원 생성 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 증폭기, 상기 제 3 전력 증폭기, 그리고 상기 제 5 전력 증폭기는 5dBm 내지 15dBm의 출력 범위를 갖는 멀티 신호원 생성 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호는 5세대 이동 통신(5G), WPAN(Wireless Personal Area Network), ISM(Industrial Scientific Medical) 통신시스템들 중 적어도 하나의 신호원으로 제공되는 멀티 신호원 생성 장치.
  11. 멀티 신호원 생성 장치의 동작 방법에 있어서:
    제 1 소스 신호를 생성하는 단계;
    상기 제 1 소스 신호의 전력을 증폭하는 단계;
    상기 제 1 소스 신호의 주파수를 단계적으로 체배하여 멀티 소스 신호들을 생성하는 단계; 그리고
    상기 제 1 소스 신호 또는 상기 멀티 소스 신호를 출력으로 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 제 1 소스 신호 및 상기 멀티 소스 신호들은 밀리미터파 대역 또는 서브-테라헤르츠파 대역의 주파수를 갖고, 상기 멀티 신호원 생성 장치는 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 공정을 통해서 형성되는 싱글 칩으로 제공되는 동작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 소스 신호의 주파수는 27GHz 내지 33GHz 대역에 포함되는 동작 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 멀티 소스 신호들을 생성하는 단계는:
    상기 제 1 소스 신호의 주파수를 체배하여 제 2 소스 신호를 생성하는 단계;
    상기 제 2 소스 신호의 전력을 증폭하는 단계;
    전력이 증폭된 상기 제 2 소스 신호의 주파수를 체배하여 제 3 소스 신호를 생성하는 단계;
    상기 제 3 소스 신호의 전력을 증폭하는 단계; 그리고
    전력이 증폭된 상기 제 3 소스 신호의 주파수를 체배하여 제 4 소스 신호를 생성하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 멀티 소스 신호들을 생성하는 단계는:
    상기 제 2 소스 신호 또는 상기 제 3 소스 신호를 출력 포트로 전달하기 위해 신호 경로를 분리하는 전력 분배 단계를 더 포함하는 동작 방법.
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