KR102424306B1 - 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로 및 그 제어방법 - Google Patents

커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로에 관한 것으로, 송수신기와 안테나 사이의 송신 경로 상에 배치되는 제1 전력 증폭기와 제2 전력 증폭기; 송수신기와 안테나 사이의 수신 경로 상에 배치되는 저잡음 증폭기; 및 상기 송신 경로와 수신 경로와 안테나 사이에 연결된 커플러를 포함하고, 상기 커플러는 제1 포트, 제2 포트, 제3 포트 및 제4 포트를 갖고, 상기 제1 포트는 상기 제1 전력 증폭기의 출력단과 연결된 입력 포트이며, 상기 제2 포트는 상기 안테나에 연결된 전달 포트이며, 상기 제 3 포트는 저잡음 증폭기의 입력단에 연결된 결합 포트이고, 상기 제4 포트는 상기 제 2 전력 증폭기의 출력단과 연결된 격리 포트인 것을 특징으로 한다.

Description

커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로 및 그 제어방법{Coupler-based full-duplex wireless communication front-end circuit and method of controlling the same}
본 발명은 단일 안테나를 통해 전이중(full duplex) 통신을 제공하기 위한 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로 및 그 제어방법에 관한 것이다.
모바일 디바이스 및 사물 인터넷(IoT: Internet of Things)을 비롯한 무선 통신 및 센서 네트워크 수요가 증가함에 따라 RF(Radio Frequency) 대역 자원이 포화되고 있다.
허가된 주파수 대역에 주파수 효율 및 통신 속도를 증가시키기 위해 단일 안테나를 사용하여 같은 주파수 대역에서 동시에 송수신 동작을 수행하는 전이중(full duplex) 통신 방식이 사용되고 있다.
전이중 통신 방식은 시간 분할 이중화(TDD: Time Division Duplex) 방식과 마찬가지로 송수신 주파수를 공유함에 따라 주파수 분할 이중화(FDD: Frequency Division Duplex) 방식보다 2 배로 넓은 가용 주파수 대역폭 확보가 가능하면서도 데이터 전송 시간에 제약되는 별도의 시간 동기화를 필요로 하지 않는다.
하지만 송수신 주파수 대역이 동일하기 때문에 무선통신 전단부에서 큰 신호 크기를 갖는 송신 신호의 일부가 수신부로 누설되는 경우, 높은 신호 감도(Sensitivity)를 갖는 수신기의 수신 전력을 포화시켜 수신 신호에 큰 간섭과 외곡을 일으킨다. 따라서 수신부로 누설된 송신 신호가 최소화하면서 수신부 저잡음 증폭기(low noise amplifier: LNA)를 정상 동작을 유지하기 위해 송수신부 간에 높은 신호 격리 특성이 필수적이다.
도 1은 종래의 단일 안테나 전이중 무선통신 전단부 구조를 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)는 송신기 및 수신기 간의 격리(isolation)를 위한 구성요소로서 써큘레이터를 채택한 전이중 무선통신 전단부 구조를 나타내고, 도 1의 (b)는 송신기 및 수신기 간의 격리(isolation)를 위한 구성요소로서 커플러를 채택한 전이중 무선통신 전단부 구조를 나타낸다.
도 1의 (a)를 참조하면, 써큘레이터(C1)를 채택한 전이중 무선통신 전단부 구조에서, 송신 신호의 전달 경로 및 수신 신호의 전달 경로가 써귤레이터(C1)를 통하여 분리됨으로써, 송신 신호를 전력 증폭기(PA)에서 안테나로, 수신 신호를 안테나에서 저잡음 증폭기(LNA)로 전달한다.
도 1의 (b)를 참조하면, 커플러(C2)를 사용하는 경우, 송신 신호의 전달 경로 및 수신 신호의 전달 경로가 커플러(C2)의 전력 방향성 전달 특성에 의해 분리되어 송신 신호를 전력 증폭기에서 안테나로 수신 신호를 안테나에서 저잡음 증폭기(LNA)로 전달한다. 동시에 송신 신호 및 수신 신호가 커플러(C2) 한쪽 포트에 연결된 저항 Riso에서 손실이 발생한다. 이와 같이, 단일 안테나 써큘레이터(C1) 및 커플러(C2) 기반 전이중 무선통신 전단부 구조에서 송신기 누설 신호 및 안테나 반사 신호로 인해 수신기 입력단에 발생하는 누설 신호를 제거하기 위한 RF 누설 신호 제거 회로(CC)가 송신 경로와 수신 경로 사이에 배치된다. RF 누설 신호 제거 회로(CC)가 누설된 신호를 감지한 후, 감지된 누설 신호를 기반으로 누설 신호를 상쇄시키는 신호를 만들어 저잡음 증폭기(LNA)에 들어가는 누설 신호를 최소화한다.
그러나, 도 1의 (a)의 써큘레이터를 채택한 전이중 무선통신 전단부 구조는 2-차원 집적하기 어렵기 때문에 전체 무선 전던부의 크기를 커지게 하는 단점이 있고, 도 1의 (b)의 커플러를 채택한 전이중 무선통신 전단부는 4 단자 특성상 송신부, 수신부, 그리고 안테나를 3개의 단자에 연결하면 나머지 하나의 단자에 저항을 연결하여야 하는데, 이 때 전력 증폭기에서 출력되는 송신 전력의 일부가 저항으로 종단된 단자에서 소모되어시스템 송신 전력 효율을 크게 감소시킨다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 PCB(printed circuit board) 나 IC(integrated circuit) 설계에 2-차원 구현이 가능한 커플러를 채택하였으며, 커플러의 전력 방향성 전달 특성을 이용하여 송신기 출력 신호를 안테나로 전달할 때의 전력 손실을 최소화하여 시스템 송신 전력 효율을 개선하는 커플러 기반 전이중 전단부(front-end) 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수신부에 송신기 누설 신호 및 안테나 부정합 때문에 생기는 반사 신호 최소화를 위한 간단한 제어 회로 및 동작 알고리즘을 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로는 송수신기와 안테나 사이의 송신 경로 상에 배치되는 제1 전력 증폭기와 제2 전력 증폭기; 송수신기와 안테나 사이의 수신 경로 상에 배치되는 저잡음 증폭기; 및 상기 송신 경로와 수신 경로와 안테나 사이에 연결된 커플러를 포함하고, 상기 커플러는 제1 포트, 제2 포트, 제3 포트 및 제4 포트를 갖고, 상기 제1 포트는 상기 제1 전력 증폭기의 출력단과 연결된 입력 포트이며, 상기 제2 포트는 상기 안테나에 연결된 전달 포트이며, 상기 제 3 포트는 저잡음 증폭기의 입력단에 연결된 결합 포트이고, 상기 제4 포트는 상기 제 2 전력 증폭기의 출력단과 연결된 격리 포트인 인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로는 상기 제2 전력 증폭기의 입력단에 연결되고, 상기 제 3 포트로 전달되는 누설 신호를 최소화하기 위하여 상기 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 조절하는 위상/크기 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로는 제1 전력 증폭기의 입력단에 연결되며, 제1 전력 증폭기와 제2 전력 증폭기의 출력 신호의 위상차를 보상하는 오프셋(offset)부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 커플러의 제3 포트와 상기 저잡음 증폭기의 입력단 사이에 연결되고, 상기 커플러의 제1 포트 및 제4 포트에서 입력되어 제2 포트로 전달되는 신호 중 제3 포트로 누설된 신호를 검출하는 누설신호 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 위상/크기 조절부는 상기 누설신호 검출부의 출력부와 연결되어, 상기 누설신호 검출부의 검출 결과에 기초하여 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 커플러는 커패시터, 인덕터, 분포소자에 의해 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제1항에 따르는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부회로의 구동방법으로서, 위상/크기 조절부가 상기 제2 전력 증폭기의 입력단에 연결되고, 상기 제 3 포트로 전달되는 누설 신호를 최소화하기 위하여 상기 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 제어 알고리즘에 따라 조절하는 단계를 포함하고, 상기 제어 알고리즘은 상기 커플러의 제1 포트 및 제4 포트에서 입력되어 제2 포트로 전달되는 신호 중 제3 포트로 누설된 신호를 검출하고, 검출된 누설 신호에 기초하여 누설 신호의 위상 θ를 Δθ의 위상 변화 간격으로 반복하여 수렴시키고, 누설 신호의 크기 k를 Δk의 이득 변화 간격으로 반복하여 수렴시키는 순차적 순환 알고리즘인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 무선통신 전단부 회로는 2차원 집적이 가능하며 송신기의 송신 신호 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 실시간으로 수신기에 전달되는 누설 신호를 최소화할 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 종래의 단일 안테나 전이중 무선통신 전단부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 3포트 써큘레이터를 예시한 도면이다.
도 3은 4포트 커플러를 예시한 도면이다.
도 4는 커플러들의 예시이다.
도 5는 집중소자를 이용한 커플러 등가회로를 예시한 도면이다.
도 6은 임피던스 행렬(Z-parameter matrix)를 이용한 4-포트 커플러 등가회로를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조도를 보여주는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조도를 보여주는 회로도이다.
도 9는 도 8의 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조의 송신 동작의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조의 제어 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 도 8의 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조의 수신 동작의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 설명에 앞서, 종래에 채택되고 있는 써큘레이터 또는 커플러의 특성을 살펴본다.
도 2는 3포트 써큘레이터를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면 정합된 무손실 3포트 써큘레이터는 포트-1에서의 입사 전력이 포트-3으로, 포트-2에서의 입사 전력은 포트-1로, 포트-3에서의 입사 전력은 포트-2로 전달되는 것을 알 수 있다.
3포트 써큘레이터는 정합된 무손실 3 포트 써큘레이터 산란 계수(S-parameter) 행렬을 다음 행렬식1과 같이 나타낼 수 있다.
[행렬식 1]
Figure 112020127824572-pat00001
여기서, 작은 부정합(|Γ|<<1)이 발생하는 경우 산란 계수(S-Parameter) 행렬은 다음 행렬식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[행렬식 2]
Figure 112020127824572-pat00002
도 3은 4포트 커플러를 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면 4포트 커플러는 입력, 전달, 격리, 결합 4개의 포트를 갖는다.
4 포트 커플러의 일반적인 산란 계수(S-parameter) 행렬은 [행렬식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[행렬식 3]
Figure 112020127824572-pat00003
와 같으며, 또한 커플러가 무손실 커플러인 경우
Figure 112020127824572-pat00004
와 같은 조건이 추가로 성립된다. 임의 입사 전력과 반사 전력 간의 관계가 산란 계수 행렬을 이용하여 정리하면 행렬식 4와 같이 나타난다.
[행렬식 4]
Figure 112020127824572-pat00005
Figure 112020127824572-pat00006
Figure 112020127824572-pat00007
산란 행렬의 정의에 따라 관계식1과 각 포트 간의 전력 관계가 얻을 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112020127824572-pat00008
만약 무손실 커플러가 행렬식 5와 같은 입사 전력 조건을 성립한다면
[행렬식 5]
Figure 112020127824572-pat00009
관계식 2와 같은 각 포트 간 전력 관계가 성립한다.
[관계식 2]
Figure 112020127824572-pat00010
무손실 4포트 커플러는
Figure 112020127824572-pat00011
와 같은 입사 전력 조건을 만족하는 경우, 포트 3에 전달되는 전력이 0이며, 즉 포트 3에 걸리는 전압이 0이다. 따라서 이때 포트 3에 연결되는 부하가 커플러 회로 전력 분배 특성에 영향을 미치지 않는다는 결론이 유도될 수 있다.
도 4는 커플러들의 예시로써, (a)는 Coupled line coupler, (b)는 Lange coupler, (c)는 Hybrid coupler, (d)는 Ring hybrid coupler이다.
도 4의 (a)는 결합 라인 커플러(Coupled line coupler)이고, 두개의 선로가 근접하게 놓여있고, 그 선로의 간격과 길이에 의해 커플링(coupling)량이 조절된다. 도 4의 (b)는 랭 커플러(Lange coupler)이고, 주로 마이크로스트립과 같은 형태로 고주파 MMIC에서 사용되는 커플러이다. 랭 커플러는 파장관계를 고려한 전력배분용 커플러이면서도, 선로들을 이리저리 구부린 형태라서 다른 커플러에 비해 크기가 작다는 특징이 있다.
도 4의 (c)는 90° 하이브리드 커플러(Hybrid coupler)이고, branch line을 통한 Direct coupling을 직접 이용한 대표적인 전송선로 (microstrip/stripline) 커플러로서, 매우 광범위하게 응용되는 유용한 커플러이다.
두 개의 출력은 각각 반반씩의 power, 즉 -3dB coupler로서 입력 전력을 균등하게 배분하는 기능을 하며, 두 개의 균등한 출력신호는 90도의 위상차를 가진다. 흔히 하이브리드 커플러 또는 브랜치 라인 커플러(branch line coupler)라고 불리며, 대역폭을 늘리기 위해서 격자형태의 다단 커플러로도 많이 구성된다. 평형형 증폭기(balanced amplifier)의 경로 분리용 및 기타 전력 분배기의 용도로 애용되며, 완전한 대칭구조이기 때문에 역으로 그대로 컴바이너(combiner)로도 사용된다.
도 4의 (d)는 링 하이브리드 커플러이고, 90° 하이브리드 커플러와 같은 반전력 배분기로서 사용되며, 분배되는 신호전력이 180도 위상차를 갖는다. 믹서나 위상천이기 등의 다양한 회로상에서 신호를 위상차를 두어 분배하는 용도 등으로 사용되며, 역시 Microstrip과 Stripline의 형태로 많이 구현된다.
예시한 커플러 이외에도 필요에 따라 다양한 커플러를 사용할 수 있으며, 집중소자나 분포소자 등을 이용하여 등가 커플러 회로 구현도 가능하다.
도 5는 집중소자를 이용한 커플러 등가회로를 예시한 도면이다. 도 5의 (a)는 커패시터 및 유도식 커플링, (b) 와 (c)는 커패시터와 인덕터, (d)는 커패시터와 전송선로를 이용하여 구성한 커플러이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실제 설계 요구에 따라 인덕터, 커패시터, 유도식 커플링, 분포소자(distributed element) 및 집중소자(lumped element) 하이브리드 등을 채택하여 등가 커플러 회로를 구성할 수 있다.
도 6은 임피던스 행렬(Z-parameter matrix)를 이용한 4-포트 커플러 등가회로를 설명하기 위한 예시도이다. 도 6의 (a)는 우수 모드이며 (b)는 기수 모드이다.
일반적인 4 포트 커플러 회로는 가역성 및 대칭성을 가지는 구조이기 때문에 우수 모드와 기수 모드 분석에 커플러의 절반 회로를 등가 전송선로(transmission line)로 생각할 수 있다. 만약 우수 모드 등가 전송선로의 전기적 길이가 θe이고 특성임피던스가 Ｚe이며, 기수 모드 등가 전송선로의 전기적 길이가 θo이고 특성임피던스가 Ｚo이면 다음과 같이 커플러의 임피던스 행렬이 유도될 수 있다.
Figure 112020127824572-pat00012
,
Figure 112020127824572-pat00013
이하, 첨부된 도면을 참조하여 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로 및 구동방법에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조도를 보여주는 회로도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 안테나(A)를 포함하는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로는 송수신기와 안테나(A) 사이에 연결된, 2개의 전력 증폭기(PA)(11, 12), 커플러(20), 1개의 저잡음 증폭기(30), 누설신호 검출부(40), 위상/크기 조절부(50)를 포함하고, 오프셋부(60)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 송수신기로부터 발송되는 송신 신호는 제1 PA(11)와 제2 PA(12)를 통해 증폭되고, 제1 PA(11)와 제2 PA(12)와 연결된 커플러(20)를 거쳐 안테나(A)에 의해 전송된다. 이와 같이 송신 신호가 이동하는 경로를 송신 경로(TP1, TP2)라고 한다.
일 실시예에 따른, 안테나(A)를 통해 수신되는 수신 신호는 커플러(20)를 거쳐 저잡음 증폭기(LNA)(30)를 통해 증폭된다. 이와 같이 수신 신호가 이동하는 경로를 수신 경로(RP)라고 한다.
일 실시예에 따른, 커플러(20)는 4개의 포트를 갖는다. 포트 1은 입력 포트이고 제1 PA(11)의 출력단에 연결되고, 포트 4는 격리 포트이며 제2 PA(12)의 출력단에 연결되며, 포트 2는 전달(through) 포트이고 안테나에 연결되며 포트 3은 결합(coupled) 포트이고 LNA(30)의 입력단에 연결된다.
이상적인 경우, 송신 신호는 제1 PA(11) 및 제2 PA(12)를 통해 손실 없이 안테나로 전달되며, 저잡음 증폭기(LNA)(30)와 연결된 커플러(20)의 결합 포트는 송신 신호로부터 격리되어 안테나(A)로부터 수신된 신호만 전달되는 것이 바람직하지만, 실제 구현되는 회로상에서는 송신 신호의 일부가 수신 경로(RP)를 통해 누설된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 송신 경로를 통해 안테나로 송신되는 신호 중에서 포트 3을 통해 누설되는 신호를 검출하고, 누설 신호를 보상하기 위하여 누설신호 검출부(40)와 위상/크기 조절부(50)를 채택하였다.
누설신호 검출부(40)는 일단이 커플러(20)의 포트 3인 결합 포트에 연결되어, 누설되는 신호를 실시간으로 검출한다.
누설 신호 검출부(40)는 타단이 위상/크기 조절부(50)에 연결된다.
위상/크기 조절부(50)는 제2 PA(12)의 입력단에 연결되어 포트 3을 통해 누설되는 신호를 최소화하기 위해 누설신호 검출부(40)에 의해 검출된 신호에 기초하여 제2 PA(12)로 입력되는 송신 신호의 위상 및 전력 크기를 조절한다. 위상/크기 조절부(50)는 후술되는 제어 알고리즘에 의해 제어될 수 있다.
오프셋부(60)는 제1 PA(11)의 입력단에 연결되며, 제1 PA(11)와 제2 PA(12)의 출력 신호의 위상차를 보상하거나 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조도를 보여주는 회로도이고, 도 9는 도 8의 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조의 송신 동작의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에서, 도 8을 참조하면, 무선 전달부 구조도는 도 7의 무선 전단부 구조도에서 커플러를 90°하이브리드 커플러(21)를 채택한다.
포트 1과 포트 2를 연결하는 브랜치(B1)는 특성임피던스가 Z0/20.5인 전송선로이고, 포트 1과 포트 4를 연결하는 브랜치(B2)는 특성임피던스가 Z0이 전송선로이며, 포트 2와 포트 3을 연결하는 브랜치(B3)는 특성임피던스가 Z0인 전송선로이고, 포트 3과 포트 4를 연결하는 브랜치(B4)는 특성임피던스는 Z0/20.5인 전송선로이다.
제1 PA(11)와 제2 PA(12)의 출력단이 각각 90°하이브리드 커플러(21)의 포트 1(입력 포트)와 포트 4(격리 포트)에 연결된다.
또한 LNA(30)의 입력단이 커플러(21)의 포트 3(결합 포트)에 연결된다. LNA(30)의 입력단 앞에 누설신호 검출부(40)가 연결된다. MCU 같은 디지털 회로를 갖는 누설신호 검출부(40)는 실시간 검출된 신호에 기초하여 제2 PA(12)에 입력에 있는 위상/크기 조절부(50)를 제어한다. 제1 PA(11)의 입력단 앞에 제1 PA(11)와 제2 PA(12)의 출력 신호의 위상 차이를 보상하거나 조절하는 오프셋부(60)가 연결된다.
도 9를 참조하면, 제1 PA(11)로부터의 출력전류가 I b 인 경우, 제2 PA(12)로부터의 출력전류가
Figure 112020127824572-pat00014
와 같이 가정될 수 있다. 여기서, θ와 k는 제2 PA(12)의 입력단에 있는 위상/크기 조절부(50)에 의해 제어된다. LNA(30)의 입력단에서 보이는 임피던스가 Z LNA , 안테나(A)의 입력 임피던스가 Z L 이라 가정하면 커플러(21)의 각 포트에서의 전류 및 전압의 관계는 하기의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112020127824572-pat00015
수학식 1을 통해 커플러(21)의 포트 3에서의 전류가 하기의 수학식 2와 같이 유도된다.
[수학식 2]
Figure 112020127824572-pat00016
여기서, I d 는 커플러(21)의 포트 3에서 출력되는 전류이다.
다음,
Figure 112020127824572-pat00017
Figure 112020127824572-pat00018
Figure 112020127824572-pat00019
와 같은 조건을 만족하면, 제1 PA(11)와 제2 PA(12)에서 커플러(21)의 포트 3로 전달되는 누설 신호 및 안테나(A)에 의해 반사된 신호를 최소화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로의 구동을 위한 제어 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 신호 송신시 수신경로 전달되는 누설 신호, 즉, I d 의 최소화를 위하여, 도 9에서 정의한 함수
Figure 112020127824572-pat00020
를 이용한다.
함수
Figure 112020127824572-pat00021
의 크기의 제곱 값은 수학식 3과 같고,
[수학식 3]
Figure 112020127824572-pat00022
수학식 3을 제2 PA(12) 출력신호의 위상(
Figure 112020127824572-pat00023
) 및 크기(
Figure 112020127824572-pat00024
)에 대하여 편미분하면 수학식 4와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112020127824572-pat00025
여기서, 여기서 k는 제2 PA 출력신호의 크기이고, θ는 제2 PA 출력신호의 위상이다. 또한 θ L 은 안테나 등가 복소수 부하 임피던스 Ｚ L 의 임피던스 위상각을 나타낸다.
θ L +θ와 k가 0에서 극소점(local minimum point)으로 존재하며, 만약 θ L +θ와 k는 0에 근접하는 충분이 작은 값을 갖는 변수라면 이를 디지털 영역에서 일정한 알고리즘을 통해 실시간 제어하여 함수값을 수렴시킬 수 있다.
Figure 112020127824572-pat00026
로 표시되는 실시간 검출된 누설 신호를 기반으로 위상 θ를 Δθ의 위상 변화 간격으로 N번 수렴시키고, 또한 이득 k를 Δk의 이득 변화 간격으로 M번 수렴시키는 순차적 순환 알고리즘으로 수신기에 전달하는 누설 신호를 최소화할 수 있다.
도 11은 도 8의 90°커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 구조의 수신 동작의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 수신기에 관점에서 제1 PA(11)와 제2 PA(12)의 출력단은 간단히 두 개의 기생 임피던스를 갖는 부하로 모델링할 수 있다.
안테나(A)의 수신 신호가 제1 PA(11)와 제2 PA(12)의 출력단으로 들어가다 반사되어 LNA(30)의 입력단으로 전달된다. 이때 커플러(21)의 각 포트의 전류 및 전압의 관계가 도 6에서 설명한 식을 이용하여 수학식 5와 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112020127824572-pat00027
이를 풀면 커플러(21)의 포트 3에서의 전류 및 보이는 임피던스가 수학식 6과 같이 유도된다.
[수학식 6]
Figure 112020127824572-pat00028
안테나 정합 기준 임피던스, 즉 Z c =Z 0 와 같이 제공하기 위해 LNA(30)의 입력단 임피던스가 [수학식 7] 과 같이 유도된다.
[수학식 7]
Figure 112020127824572-pat00029
이때 PA 출력단 등가 부하에서 전력 사입손실(insertion loss)이 발생한다. 이때 발생하는 전력 사입손실(Insertion Loss)은 [수학식 8]에 의해 계산된다. 여기서의 커플러는 무손실 커플러라고 가정한다.
[수학식 8]
Figure 112020127824572-pat00030
여기서, Γ D 는 두 개 같은 PA 출력단의 전력 반사계수이다. 단 |Γ D |=1일 때 안테나 수신 신호가 LNA(30)의 입력단으로 손실없이 전달된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 무선통신 전단부 회로는 송신기의 송신 신호 손실을 감소시킬 수 있으며, 송신부에서 수신기로 전달되는 누설 신호를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 2차원 집적이 가능하며 전이중 무선통신 전단부 회로에 기초하여 소형화 및 집적도 증가시킴으로써 제품 단품 원가를 감소시켜 생산성이 증가할 수 있다.
이로써, 송신 신호의 손실 감소는 무선 통신 회로 전체의 효율을 개선시키며, 모바일 디바이스와 같은 전자 기기에 탑재되어 전력 소모를 줄임으로써 배터리의 사용시간을 증가시키고 발열량을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 송수신기와 안테나 사이의 송신 경로 상에 배치되는 제1 전력 증폭기와 제2 전력 증폭기;
    송수신기와 안테나 사이의 수신 경로 상에 배치되는 저잡음 증폭기; 및
    상기 송신 경로와 수신 경로와 안테나 사이에 연결된 커플러;
    를 포함하고,
    상기 커플러는 제1 포트, 제2 포트, 제3 포트 및 제4 포트를 갖고, 상기 제1 포트는 상기 제1 전력 증폭기의 출력단과 연결된 입력 포트이며, 상기 제2 포트는 상기 안테나에 연결된 전달 포트이며, 상기 제 3 포트는 저잡음 증폭기의 입력단에 연결된 결합 포트이고, 상기 제4 포트는 상기 제 2 전력 증폭기의 출력단과 연결된 격리 포트이고,
    상기 제2 전력 증폭기의 입력단에 연결되고, 상기 제 3 포트로 전달되는 누설 신호를 최소화하기 위하여 상기 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 조절하는 위상/크기 조절부를 더 포함하고,
    상기 커플러의 제3 포트와 상기 저잡음 증폭기의 입력단 사이에 연결되고, 상기 커플러의 제1 포트 및 제4 포트에서 입력되어 제2 포트로 전달되는 신호 중 제3 포트로 누설된 신호를 실시간 검출하는 누설신호 검출부를 더 포함하고,
    상기 위상/크기 조절부는
    상기 누설신호 검출부의 출력부와 연결되어, 검출된 누설 신호에 기초하여 누설 신호의 위상 θ를 Δθ의 위상 변화 간격으로 반복하여 수렴시키고, 누설 신호의 크기 k를 Δk의 이득 변화 간격으로 반복하여 수렴시키는 순차적 순환 알고리즘에 따라 상기 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    제1 전력 증폭기의 입력단에 연결되며, 제1 전력 증폭기와 제2 전력 증폭기의 출력 신호의 위상차를 보상하거나 조절하는 오프셋부
    를 더 포함하는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커플러는 커패시터, 인덕터, 분포소자에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로.
  7. 제1항에 따르는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부회로의 제어방법으로서,
    위상/크기 조절부가 상기 제2 전력 증폭기의 입력단에 연결되고, 상기 제 3 포트로 전달되는 누설 신호를 최소화하기 위하여 상기 제2 전력 증폭기에 입력되는 송신 신호의 위상 및 크기를 제어 알고리즘에 따라 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제어 알고리즘은 상기 커플러의 제1 포트 및 제4 포트에서 입력되어 제2 포트로 전달되는 신호 중 제3 포트로 누설된 신호를 검출하고, 검출된 누설 신호에 기초하여 누설 신호의 위상 θ를 Δθ의 위상 변화 간격으로 반복하여 수렴시키고, 누설 신호의 크기 k를 Δk의 이득 변화 간격으로 반복하여 수렴시키는 순차적 순환 알고리즘인 것을 특징으로 하는 커플러 기반 전이중 무선통신 전단부 회로의 제어방법.

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