KR102659157B1 - 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법 - Google Patents

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Abstract

빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법이 개시된다. 빔포밍 안테나 시스템은 송신 신호를 각각 출력하는 복수의 전력증폭기, 복수의 전력증폭기의 출력 전력에 대응하여 변동되는 전원 전압을 델타-시그마 변조방식으로 생성하며, 생성한 전원 전압을 복수의 전력증폭기에 공급하는 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부, 그리고 수신 신호를 증폭하며 교정모드에서 다수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호 중 제1 신호를 증폭하는 제1 증폭기를 포함할 수 있다. 그리고 빔포밍 안테나 시스템은 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 더 포함할 수 있다.

Description

빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법{BEAMFORMING SYSTEM AND CALIBRATION METHOD THEREOF}
본 발명은 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법에 관한 것이다.
5G 네트워크 및 군수용 무선통신망 구축에 필요한 기술의 하나로서, 밀리미터파 대역에서 다수의 안테나 배열(antenna array)를 이용한 빔포밍(beamforming) 기술이 개발되어 왔다. 그러나 빔포밍 기술은 다수의 안테나 배열을 위한 다수의 전력 증폭기로 인해서 에너지 소모가 많고 다수의 구성 요소 간의 교정(calibration) 비용 등의 문제로 배터리로 동작하는 단말기에는 적용이 어려웠다.
무선통신 시스템에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력증폭기(Power Amplifier, PA)의 효율을 높이기 위한 기술들이 제안되었다. 대표적인 기술로는 전력증폭기(PA)의 전원 전압을 증폭기 출력 신호의 포락선에 맞추어 전력 소모를 줄이는 포락선추적(Envelope Tracking, ET) 방식과 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압 수준으로 전원 전압을 조정하는 평균전력추적(Average Power Tracking, APT) 방식이 있다. 그리고 최대 출력에서 6dB back-off 조건에서 최대 효율 갖는 Doherty 방식(S. Cripps, Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design, Artech House, 2002)이 있다. 한편, 상기 방식들을 2가지 이상을 조합하는 기법이 있다. 예를 들어, ET와 ATP 방식을 조합하여 전체 출력전력에 대해 높은 효율을 얻은 방식으로 미국등록특허번호 9,991,856가 있다.
그러나 기존의 방식들은 다수의 PA, 다수의 위상 변위기, 다수의 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LAN)가 배열(array) 구조로 한 칩에 집적된 빔포밍 시스템에서 효율적으로 APT 또는 ET를 적용하는 방식은 제시되지 않았다.
한편, 최근에 빔포밍 안테나 시스템에 APT 또는 ET를 적용하는 방안으로 미국공개특허번호 2018/0262994이 있다. 이 발명에서는 빔포밍 전치부(Front End Module, FEM)을 구성하는 복수의 PA의 전원은 각각 복수의 전원공급기에 연결되고, 전원공급기의 입력으로 송신 신호의 포락선 신호를 받도록 하여, APT 또는 ET가 적용되었다. 그러나 이 발명의 구조에서는 전원공급기가 포락선 신호의 빠른 변동에 대응하여 PA에 전원을 공급하는 방법을 제공하지 않고 있으며 빔 형성에 필수적인 다수의 PA간의 교정 방법을 제공하지 않고 있다. 한편, 전원공급기로서 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 DC-DC 변화기 구조를 적용하면, 전원공급기의 주기적인 펄스 신호에 의한 스퓨리어스 하모닉스(spurious harmonics) 신호가 PA 출력에서 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전력 소모를 줄이고 다수의 PA 간의 교정을 수행할 수 있는 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 시스템이 제공된다. 상기 빔포밍 안테나 시스템은, 송신 신호를 각각 출력하는 복수의 전력증폭기, 상기 복수의 전력증폭기의 출력 전력에 대응하여 변동되는 전원 전압을 델타-시그마 변조방식으로 생성하며, 상기 전원 전압을 상기 복수의 전력 증폭기에 공급하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부, 수신 신호를 증폭하며, 교정 모드에서 상기 다수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호 중 제1 신호를 증폭하는 제1 증폭기, 그리고 상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하여 상기 제1 증폭기로 출력하는 선택기를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 각각 생성하여 상기 선택기로 출력하는 복수의 커플러를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기일 수 있다.
상기 제1 증폭기는, 상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터,
상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고 상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기 트랜지스터는 상기 제1 증폭기를 포함하는 수신부가 수신 동작을 수행할 시에 턴온될 수 있으며, 상기 제2 증폭기 트랜지스터는 상기 기준 전압에 대한 교정 과정을 수행할 시에 턴온될 수 있다.
상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정할 수 있다.
상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하며, 상기 그래프를 이용하여 상기 기준 전압에 대한 정보를 도출할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은, 상기 제1 신호에 대한 위상을 조정하는 위상 변위기, 상기 위상 변위기의 출력에 대해서 주파수를 하향 변환하는 하향 변환부, 그리고 상기 하향 변환부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 제1 베이스 밴드 신호를 상기 베이스밴드부로 출력하는 아날로그디지털 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부는 상기 기준 전압에 비례하는 상기 전원 전압을 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, RF 전치단을 포함하는 빔포밍 안테나 시스템이 상기 RF 전치단에 대한 교정을 수행하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 RF 전치단에 포함된 복수의 전력증폭기의 출력 신호에 대응하는 신호 중 제1 신호를 선택하는 단계, 상기 제1 신호를 수신부에 포함된 제1 증폭기를 통해 증폭하는 단계, 상기 증폭된 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하는 단계, 그리고 상기 그래프를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기에 공급할 전원 전압을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 전원 전압을 생성하여 상기 복수의 전력증폭기에 제공하며 델타시그마 변조를 수행하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부를 더 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 도출된 전원 전압을 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 교정은 상기 빔포밍 안테나 시스템이 단말기에 탑재되기 전이나 상기 빔포밍 안테나 시스템이 상기 단말기에 탑재된 후 상기 단말기의 초기 구동될 시에 수행될 수 있다.
상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 시스템이 제공된다. 상기 빔포밍 안테나 시스템은, 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 전력증폭기, 델타시그마 변조를 통해 상기 복수의 전력증폭기에 전원 전압을 공급하며, 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압으로 상기 전원 전압을 조정하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부, 상기 복수의 전력증폭기의 출력단에 각각 연결되며 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 생성하는 복수의 커플러, 그리고 수신 신호를 증폭하는 복수의 저잡음증폭기를 포함할 수 있으며, 상기 비례하는 신호 중 제1 신호는 상기 복수의 저잡음증폭기 중 제1 저잡음증폭기에 입력될 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하는 선택기를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 저잡음증폭기는, 상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터, 상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고 상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 서로 다른 시간에 턴온될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 델타시그마 변조 기반의 DC-DC 변환부를 이용하여 전력증폭기에 공급할 전원 전압을 생성함으로써, 전력 소모를 줄일 수 있고 빠른 부하 전력 변동에 적합한 APT 송신기를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 RF 전치부의 교정 과정을 낮은 하드웨어 복잡 및 비용으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 커플러와 복수의 PA 간의 연결관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNA를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템의 교정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부의 빠른 과도 응답을 나타내는 시뮬레이션 그래프다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 델타-시그마 변조 기반의 평균전력추적(APT) 방식이 적용된다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)은 안테나부(110), RF(Radio Frequency) 전치부(Front End Module, FEM)(120), 베이스밴드부(130), 델타시그마변조(Delt-Sigma Modulation, DSM) DC(Direct Current)-DC(Direct Current) 변환부(140), 디지털아날로그 변환부(Digital-to-Analog Converter, DAC)(150), 송신기 상향변환부(Transmitter UpConversion, Tx U/C)(160), 아날로그디지털 변환부(Analog-to-Digital Converter, ADC)(170), 수신기 하향변환부(Receiver DownConversion, Rx D/C)(180), 그리고 RF 증폭기(190)를 포함한다. 도 1에서, DAC(150), Tx U/C(160), 전력 분배기(123), PA(121), 그리고 위상 변위기(122)는 송신부를 형성하고, LNA(124), 위상 변위기(125), 전력 결합기(126), Rx D/C, 그리고 ADC(170)는 수신부를 형성한다.
안테나부(110)는 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 안테나 소자(111), 그리고 복수의 안테나 소자(111)에 각각 연결되며 송신과 수신을 스위칭하는 송수신 스위치(112)를 포함한다.
RF 전치부(120)는 복수의 전력증폭기(Power Amplifier, PA)(121), 복수의 PA(121)의 입력에 각각 연결되며 송신 신호의 위상을 조정하는 복수의 위상변위기(122), 전력 분배기(123), 복수의 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LNA), 복수의 저잡음증폭기(124)의 출력에 각각 연결되며 수신 신호의 위상을 조정하는 복수의 위상변위기(125), 전력 결합기(126), 복수의 커플러(127), 그리고 선택기(Multiplexer, MUX)(128)을 포함한다. RF 전치부(120)에서 복수의 위상 변위기(122), 전력 분배기(123), 복수의 위상 변위기(125), 그리고 전력 결합기(126)는 본 발명이 속한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 PA(121)는 동일한 기저대역 신호에 대해서 동작하는 전력 증폭기이다.
본 발명의 실시예 따른 복수의 PA(121)는 전원 전압(VDDPA)을 DSM DC-DC 변환부(140)로부터 공급 받으며, 송신 신호를 각각 증폭한다. 즉, APT(Average Power Tracking)을 통해 전력 소비를 줄이기 위해, 복수의 PA(121)의 전원 전압(VDDPA)은 DSM DC-DC 변환부(140)로부터 공급 받는다. 그리고 DSM DC-DC 변환부(140)에 의해, 전원 전압(VDDPA)은 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압 수준으로 유지되고 변동된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 커플러(127)와 복수의 PA(121) 간의 연결관계를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수의 커플러(127)는 각각 복수의 PA(121)의 출력단에 자기적으로 결합되며 출력 신호에 비례하는 신호를 생성하여 선택기(128)로 제공한다. 즉, 복수의 PA(121)의 출력단에는 일반적으로 인턱터 또는 트랜스포머가 있는데, 복수의 커플러(127)는 이러한 인덕터(또는 트랜스포머)에 자기적으로 결합되어, PA(121)의 출력 신호에 비례하는 신호를 선택기(128)로 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 선택기(128)는 커플러(127)로부터 입력되는 신호 중 교정(calibration) 대상을 선택한다. 설명의 편의 상, 선택기(128)가 선택한 신호를 '루프백(loopback) 신호'라 한다. 선택기(128)는 베이스밴드 모뎀(130)의 제어 의해 순차적으로 루프백 신호를 선택할 수 있다. 그리고 선택기(128)은 선택한 신호(즉, 루프백 신호)를 복수의 LNA(124) 중 하나의 LNA로 출력한다.
복수의 LNA(124)는 송수신 스위치(112)로부터 수신 신호를 각각 입력 받아 저잡음으로 증폭한다. 그리고, 선택기(128)로부터 루프백 신호를 입력 받은 하나의 LNA(124)는 루프백 신호도 증폭하여 베이스밴드부(130)로 입력되도록 한다. 복수의 LNA(124)가 루프백 신호를 증폭하는 방법은 아래의 도 3에서 더욱 상세하게 설명한다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 루프백 신호는 LNA(124)가 아닌 RF 증폭기(190)로 입력될 수 있다. 즉, 루프백 신호는 수신부의 증폭기인 LNA(124)와 RF 증폭기(190) 중 하나에 입력될 수 있다. PA(121)의 출력을 커플링한 신호인 루프백 신호는 신호 세기가 약하므로 증폭이 필요한데, 증폭을 위해 LNA(124)나 RF 증폭기(190)가 사용된다. 루프백 신호는 LNA(124)와 RF 증폭기(190) 중 하나에 입력되어 증폭될 수 있는데, 편의상 이하에서는 LNA(124)로 가정하여 설명한다.
베이스밴드부(130)는 디지털 신호인 베이스밴드 송신 신호를 생성하여 DAC(150)로 출력하며, ADC(170)로부터 디지털 신호인 베이스밴드 수신 신호를 수신한다. DAC(150)는 베이스밴드부(130)로부터 입력 받은 베이스밴드 송신 신호를 아날로그 신호로 변환하며, Tx U/C(160)는 베이스밴드 송신 신호의 주파수 대역을 RF 대역으로 상향 변환한다. 그리고 Rx D/C(180)는 RF 증폭기(190)의 출력 신호(RF대역 수신신호)의 주파수 대역을 베이스밴드로 하향 변환한다. ADC(170)는 베이스밴드 수신 신호를 디지털 신호로 변화하여 베이스밴드부(130)로 출력한다. 베이스밴드부(130)는 제어신호를 통해 복수의 위상 변위기(122), 복수의 위상 변위기(125), 복수의 PA(121), 그리고 복수의 LNA(124)를 제어한다. 즉, 베이스밴드부(130)는 복수의 위상 변위기(122)의 이득 및 복수의 위상 변위기(125)의 이득을 조정한다. 그리고 베이스밴드부(130)는 복수의 PA(121)의 이득 및 복수의 LNA(124)의 이득을 조정한다.
한편, 루프백 신호가 LNA(124)로 입력되므로, 루프백 신호는 LNA(124), 위상 변위기(125), 전력 결합기(126), RF 증폭기(190), Rx D/C(180), 그리고 ADC(170)를 통해 베이스밴드부(130)로 입력된다. 본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)는 수신한 루프백 신호를 이용하여 교정을 수행하는데, 이는 아래의 도 4에서 더욱 상세하게 설명한다.
DSM DC-DC 변환부(140)는 기준 전압(Vref)을 베이스밴드부(130)으로부터 입력 받으며, 저항 분배기(divider)를 통해 전원 전압(VDDPA)에 대응하는 전압(이하, 피드백 전압(Vfeedback))을 피드백 받는다. DSM DC-DC 변환부(140)는 기준 전압(Vref)와 피드백 전압(Vfeedback)을 비교하여 델타시그마 변조를 수행함으로써, PA(121)의 전원 전압(VDDPA)을 출력한다. 즉, DSM DC-DC 변환부(140)는 피드백 과정을 통해 전원 전압(VDDPA)이 기준 전압(Vref)에 비례하도록 제어한다. 그리고, DSM DC-DC 변환부(140)가 출력(공급)하는 전원 전압(VDDPA)는 기준 전압(Vref)에 의해 결정되고 기준 전압(Vref)은 루프백 신호에 의해 사전에 미리 설정된다. 즉, 전원 전압(VDDPA)은 PA(121)의 출력특성에 의해 미리 설정된다. DSM DC-DC 변환부(140)는 PWM 기반 DC-DC 변환 방식과 달리 스위치를 온오프하는 주파수가 랜덤하면서 소정의 시간 내에서는 평균 주파수를 가지는 방식인데, 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다.
DSM DC-DC 변환부(140)는 일반적인 PWM 기반의 DC-DC 변환기에 비해 출력단의 스퓨리어스 하모닉스(spurious harmonics)가 작고 과도응답(transient response) 세틀링 타임(settling time)이 작아서, 수십 us 이내의 빠른 부하전력 제어가 필요한 APT 송신기에 적합하다. 본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)은 전원 전압(VDDPA)이 송신 신호의 일정 구간(예를 들면, LTE 또는 5G에서의 서브프레임 구간)내의 평균 전력에 비례하는 값이 되도록, 기준 전압(Vref)을 설정할 수 있다. 일반적으로 이동통신 신호의 서브 프레임 구간은 500us이므로, 평균 전력의 변동을 추적하기 위해 DC-DC 변환기의 세틀링 타임(settling time)을 수십 us이내로 맞추는 게 필요하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)는 수 MHz 이상의 높은 샘플링 주파수(fs)로 동작하고 인덕터(141)로 구성된 LC 필터의 대역폭을 높일 수 있으므로, APT 동작을 위한 세틀링 타임(settling time) 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)의 빠른 과도 응답을 나타내는 시뮬레이션 그래프다. 도 3에 나타낸 바와 같이, PA(121)의 출력 신호(PAout)에 대응하여 전원 전압(VDDPA)이 빠르게 응답한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)에서, 전원 전압(VDDPA)의 세틀링 타임이 APT의 파워 트래킹 요구 사항을 만족시킨다.
한편, 도 1에서 인덕터(141)는 커패시터(도시하지 않음)과 함께 필터로서 동작하며, 수동 소자이므로 직접화되기 힘들므로 DSM DC-DC 변환부(140)의 외부에 있는 것으로 나타내었다.
빔포밍 신호를 형성하기 위한 복수의 PA(121)는 서로 균일한 특성을 가지는 것이 필요하며, 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)은 커플러(127) 및 선택기(128)를 포함하며 선택기(128)의 출력 신호(루프백 신호)가 LNA(124)로 입력된다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)를 나타내는 도면이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 선택기(128)의 출력신호인 루프백 신호는 복수의 LNA(124)의 하나의 LNA로 입력되는데, 도 3의 LNA(124)는 루프백 신호가 입력되는 LNA이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)는 제1 증폭기 트랜지스터(1241), 제2 증폭기 트랜지스터(1242), 그리고 로드(load)부(1243)을 포함한다.
제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 수신 신호(Rx 신호)를 증폭하는 메인 트랜지스터이다. 일반적으로 LNA는 수신 신호를 증폭하는 메인 트랜지스터를 포함하고 있는데, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)가 바로 메인 트랜지스터이다.
제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 루프백 신호를 증폭하는 트랜지스터이다. 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 선택기(128)의 출력 신호인 루프백 신호를 입력 받으며 루프백 신호를 증폭한다.
한편, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)와 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 서로 다른 시간에 동작한다. 제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 빔포밍 안테나 시스템(100)의 수신 동작 시에 턴온되어 동작한다. 그리고 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 루프백 신호를 이용하여 교정 과정(교정 모드 시)을 수행할 때 턴온되어 동작한다. 즉, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 제2 증폭기 트랜지스터(1242)가 턴온되어 동작할 시에는 턴오프된다.
로드부(1243)는 제1 증폭기 트랜지스터(1241) 및 제2 증폭기 트랜지스터(1242)의 출력단과 연결되며 특정 주파수만 선택적으로 증폭하는 주파수 튜닝 동작을 수행한다. 로드부(1243)는 추가적인 증폭을 위해 트랜지스터를 포함하고 있으며 특정 주파수를 선택적으로 튜닝하기 위해 LC 필터 소자를 포함하고 있다. 로드부(1243)의 구체적인 회로 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)과 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 로드부(1243)를 서로 공유하고 있으며 서로 동작에 영향을 미치지 않게 하기 위해 다른 시간에 턴온된다.
한편, 도 2를 참조하면, 커플러(127)가 PA(121) 특성에 영향을 주지 않기 위해, 커플러(127)는 PA(121)의 출력 단에 있는 인덕터 또는 트랜스포머 내에서 상대적으로 매우 작은 크기의 나선 인덕터(spiral)로 구현될 수 있다. 그리고 선택기(128)는 복수의 PA(121)로부터 최대한 가까이 배치될 수 있다. PA(121) 출력단의 인덕터 또는 트랜스포머에 의해 형성된 자기장은 유도성 결합(inductive coupling)을 통해 커플러(127)에 유도전류를 생성시키며, 이 유도전류는 저항(도시하지 않음)과 선택기(128)를 통해 전압 신호로 변환되어 LNA(124)로 인가된다.
LNA(124)의 출력 신호는 위상 변위기(125), 신호결합기(126), Rx D/C(180), ADC(170)를 통해 베이스밴드부(130)로 입력된다. 루프백 신호는 커플러(127)를 통해 획득된 신호이므로 신호 크기가 낮으므로, LNA(124)를 통해 증폭될 수 있다. 그리고 루프백 신호는 송신 RF 신호와 비례하는 신호이므로 주파수가 높으므로, Rx D/C(180)에 의해 주파수를 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)는 RF 전치단(120)에 대한 교정(calibration) 제어를 수행하는데, 이에 대해서는 아래의 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 베이스밴드부(130)의 교정 제어는 빔포밍 안테나 시스템(100)이 단말기 등에 탑재되기 전인 설계 단계에서 수행될 수 있고 탐재된 후에는 단말기의 초기 구동 시에 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)의 교정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 4의 교정 방법은 RF 전치부(120) 내부의 PA(121) 및 LNA(124)의 교정 방법을 중심으로 나타내었으나, 위상 변위기(122, 125), Tx U/C(160), 그리고 Rx D/C(180)에 대한 교정에도 적용 가능하다. 도 4의 교정 방법은 LNA(124)를 포함하는 수신부에 대해서 먼저 수행하고, 조정된 값을 수신부의 제어 레지스터에 설정하여 특성을 균일하게 만춘 후에 PA(121)를 포함하는 송신부에 대해서 수행한다.
먼저, 빔포밍 안테나 시스템(100)은 수신부의 교정(calibration)을 수행한다(S410). 수신부의 교정 시(즉, 교정 모드)에는 송신부는 디스에이블(disable) 또는 오프(off)되고, LNA(124)를 포함하는 수신부가 턴온된다. 그리고 복수의 LNA(124) 중 첫 번째 LNA는 스위치(112)를 통해 외부의 기준신호 발생기(도시 하지 않음)와 연결된다. 이때, 베이스밴드부(130)은 RX D/C(180)와 ADC(170)를 통해 입력되는 I채널(I1) 및 Q채널(Q1) 신호를 이용하여, 진폭((√I2+Q2)과 위상(φ1)을 계산한다. 베이스밴드부(130)은 계산한 진폭과 위상을 소정의 기준 값(기준 진폭 값(Ar1), 기준 위상 값(φr1))과 비교한 후, 차이에 해당하는 보정 값을 LNA(124) 및 위상 변위기(125)의 이득 미세조정 레지스터에 설정한다. 예를 들어, 초기 설정한 이득이 G1인데 수신된 신호의 진폭 이득이 공정 및 온도 변화 등으로 인해 G1-Δ1으로 측정된 경우, 베이스밴드부(130)는 LNA의 이득이 G1+Δ1이 되도록 미세조정 레지스터의 값을 변경한다. 이러한 과정이 모든 LNA에 대해서 반복적으로 적용되어, RF 전치부(120) 내부의 모든 LNA 및 위상 변위기에 대한 교정이 완료된다.
빔포밍 안테나 시스템(100)은 수신부의 교정이 완료한 경우, 송신부의 교정을 수행한다(S420). 먼저, 베이스밴드부(130)는 DSM DC-DC 변환부(140)를 동작시킨다. 그리고 루프백 신호가 인가되는 하나의 LNA(124)를 제외한 나머지 LNA는 디스에이블(disable)되고 송신부의 PA(121)가 턴온된다. 이때, 도 3을 참조하면, 루프백 신호가 인가되는 하나의 LNA(124) 내에서 제2 증폭기 TR(1242)와 로드부(1243)가 턴온된다. 베이스밴드부(130)는 최소 전원 전압 값(VPAmin)에 대응하는 기준 전압(Vref)을 설정하고 위상변위기(122)의 위상을 모두 초기 값(0)으로 설정한다. 베이스밴드부(130)는 선택기(128)를 통해 첫 번째 PA(121)와 LNA(124)를 연결시키며 수신부의 Rx D/C(180)와 ADC(170) 등을 인에이블(enable) 상태로 설정한다. 이때, 베이스밴드부(130)는 입력되는 I 채널 및 Q 채널 값 (I1, Q1)으로부터 진폭(√(I2+Q2))과 위상(φ1)을 계산한다. . 베이스밴드부(130)는 계산한 진폭과 위상을 소정의 기준 값(기준 진폭 값(Ar1), 기준 위상 값(φr1))과 비교한 후, 차이에 해당하는 보정 값을 PA(121) 및 위상 변위기(122)의 이득 미세조정 레지스터에 설정한다. 이러한 과정이 모든 PA에 대해서 반복적으로 적용되어, RF 전치부(120) 내부의 모든 PA 및 위상 변위기에 대한 교정이 수행된다.
PA는 일반적으로 비선형 특성을 가지므로 디지털 사전왜곡(Digital Pre-Distortion, DPD) 기법을 통해 선형성을 향상시킬 필요가 있다. 이를 위해, RF 도메인(domain)에서, 이득대비 출력전력에 대한 특성 그래프 계산이 필요하다. 상기 S420 단계에 대한 기본적인 교정 과정을 마친 후에, DSM DC-DC 변환기(140)에 의해 제어되는 PA의 출력 특성을 측정하기 위한 S430 단계가 복수의 PA(121)에 대해서 순차적으로 수행된다. 즉, 베이스밴드부(130)는 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프를 계산한다(S430). 먼저, 베이스밴드부(130)는 DSM DC-DC 변환기(140)의 상기 S420 단계의 최소 전원 전압(VPAmin) 대비 일정 값(ΔVr) 높은 값에 대응하는 기준 전압(Vref)을 설정한다. 다음으로, 베이스밴드부(130)는 선택기(128)를 통해 k번째(k는 임의의 정수) PA(121)와 LNA(124)를 연결시키며 수신부의 Rx D/C(180)와 ADC(170) 등을 인에이블(enable) 상태로 설정한다. 이때, 베이스밴드부(130)는 입력되는 I 채널 및 Q 채널 값 (Ik, Qk)으로부터 진폭(√(I2+Q2))과 위상(φk)을 계산한 후 이 값을 DPD 테이블에 저장한다. 이러한 과정이 PA의 최대전압에 해당하는(대응되는) 기준 전압(Vref)까지 반복적으로 수행된다. 즉, 베이스밴드부(130)는 이전의 전원 전압 값(VPAmin +ΔVr)보다 더욱 높은 값에 대응하는 기준 전압을 설정하면서, PA의 최대전압에 해당하는 기준 전압(Vref)까지 반복적으로 수행한다. 이를 통해, DPD 연산에 필요한 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프가 계산될 수 있다. 이와 같은 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프가 계산되는 경우, 베이스밴드부(130)는 원하는 PA의 출력전력에 대응하는 기준전압(Vref)을 도출할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 전력 소모를 절감할 수 있는 효율적인 RF 전치부를 제공할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 RF 전치부의 교정 과정을 낮은 하드웨어 복잡 및 비용으로 구현할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 송신 신호를 각각 출력하는 복수의 전력증폭기,
    상기 복수의 전력증폭기의 출력 전력에 대응하여 변동되는 전원 전압을 델타-시그마 변조방식으로 생성하며, 상기 전원 전압을 상기 복수의 전력증폭기에 공급하는 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부,
    수신 신호를 증폭하며, 교정 모드에서 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호 중 제1 신호를 증폭하는 제1 증폭기, 그리고
    상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하여 상기 제1 증폭기로 출력하는 선택기를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 각각 생성하여 상기 선택기로 출력하는 복수의 커플러를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기인 빔포밍 안테나 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭기는,
    상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터,
    상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고
    상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 트랜지스터는 상기 제1 증폭기를 포함하는 수신부가 수신 동작을 수행할 시에 턴온되며,
    상기 제2 증폭기 트랜지스터는 상기 기준 전압에 대한 교정 과정을 수행할 시에 턴온되는 빔포밍 안테나 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정하는 빔포밍 안테나 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하며, 상기 그래프를 이용하여 상기 기준 전압에 대한 정보를 도출하는 빔포밍 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호에 대한 위상을 조정하는 위상 변위기,
    상기 위상 변위기의 출력에 대해서 주파수를 하향 변환하는 하향 변환부, 그리고
    상기 하향 변환부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 제1 베이스 밴드 신호를 상기 베이스밴드부로 출력하는 아날로그디지털 변환부를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부는 상기 기준 전압에 비례하는 상기 전원 전압을 생성하는 빔포밍 안테나 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 전력증폭기,
    델타-시그마 변조를 통해 상기 복수의 전력증폭기에 전원 전압을 공급하며, 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압으로 상기 전원 전압을 조정하는 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부,
    상기 복수의 전력증폭기의 출력단에 각각 연결되며 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 생성하는 복수의 커플러,
    수신 신호를 증폭하는 복수의 저잡음증폭기, 그리고
    상기 비례하는 신호 중 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타-시그마 변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 포함하며,
    상기 제1 신호는 상기 복수의 저잡음증폭기 중 제1 저잡음증폭기에 입력되는 빔포밍 안테나 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하는 선택기를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 저잡음증폭기는,
    상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터,
    상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고
    상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 트랜지스터와 상기 제2 증폭기 트랜지스터는 서로 다른 시간에 턴온되는 빔포밍 안테나 시스템.
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