KR20040004779A

KR20040004779A - 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신장치

Info

Publication number: KR20040004779A
Application number: KR1020020038808A
Authority: KR
Inventors: 나보규
Original assignee: (주)싸이버뱅크
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-16

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 송신 전력증폭기의 전력 소모를 줄여 배터리 사용시간을 연장할 수 있는 무선통신 단말기의 송수신 장치를 제공하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 무선통신 단말기의 송수신 장치에 있어서, 안테나를 송신부와 수신부가 공유하기 위하여 송신부와 수신부를 결합할 때 기존의 삽입손실이 큰 듀플렉서 필터의 사용을 배제하고, 삽입손실이 작은 써큘레이터 혹은 그와 유사한 기능을 갖는 장치를 사용하여 송신 전력증폭기의 전력 손실을 줄이며, 결과적으로 배터리 사용시간을 증가시킴.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 무선통신 단말기 등에 이용됨.

Description

배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치{RF apparatus to reduce the battery power dissipation in the wireless telecommunication terminal}

본 발명은 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 송신 전력증폭기의 전력 소모를 줄여 배터리 사용시간을 연장할 수 있는 무선통신 단말기의 송수신 장치에 관한 것이다.

1990년대에 이르러 통신기술 및 부품, 제품기술의 발달에 힘입어 휴대용전화기가 소형화를 거듭하고, 셀룰라 무선통신의 수요가 급격히 증가하면서 근래에는 적어도 우리나라의 경우, 거의 1인 1휴대전화기 시대를 맞고 있다. 이에 따라, 휴대전화기의 휴대편의성에 대한 요구가 점증하면서 지속적인 소형화가 필수적인 요소로 대두되었는데, 휴대전화기의 부품중 가장 큰 부피를 차지하고 있는 것중의 하나가 배터리이다. 따라서, 휴대전화기의 크기 및 무게감소의 첫 번째 관건은 무엇보다도 배터리의 크기와 무게를 줄이는 것이라고 할 수 있는데, 동일한 소재와 기술을 사용한 동일형의 배터리에서는 크기를 줄일수록 그 충전용량이 작아진다. 한편, 그 반면에 1회 충전후 사용가능 시간은 더욱 증가시켜야 한다는 요구가 높아지면서, 배터리는 배터리대로 소형화와 대용량화의 압박을 받게 되고, 하드웨어는 전력소모를 지속적으로 감소시켜나가지 않으면 시장의 경쟁에서 살아남기는 점점 더 어려워지고 있다.

이하, 이해를 돕기 위하여 미국 PCS형(US-PCS형) 휴대단말기를 예로 들어, 종래기술의 문제점 및 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

미국 PCS형(US-PCS형) 휴대단말기를 보다 바람직한 실시예로 예시한 이유는 다음과 같다.

주파수 분할 송수신 듀플렉스 방법을 채택한 많은 이동전화방식중에서도 송수신 주파수 듀플렉스 간격이 상대적으로 가장 좁아서 가장 본 발명이 효과적으로 적용될 수 있기 때문이다.

예를 들면, 미국 AMPS방식 이동전화기의 송신주파수대역은 824~849MHz, 수신주파수대역은 869~894MHz로서 양대역간의 최소 간격은 869-849=20MHz이고, 가운데 지점에서 중심주파수 대비 분리도가 20÷859≒0.0233이고, 한국 PCS방식의 송신주파수대역은 1750~1780MHz, 수신주파수대역은 1840~1870MHz에 최소간격은 1840-1780=60MHz로 분리도는 60÷1810≒0.03315인데, US-PCS 방식의 이동전화기의 송신주파수대역은 1850~1910MHz, 수신주파수대역은 1930~1990MHz로서 양대역간의 최소간격은 20MHz, 분리도는 20÷1920≒0.01042로, 상대적으로 분리도가 가장 작다.

듀플렉스 간격이 좁을수록 듀플렉스 필터의 상대적인 선택도가 더 커져야 하고, 이는 동일한 소재의 필터를 사용할 때 부품의 크기가 더욱 커지거나, 삽입손실이 더욱 커질 수 밖에 없는 것이 그 이유이다.

그럼, 도 1을 참조하여 종래기술의 문제점을 살펴보기로 한다.

US-PCS는 전술한 바와 같이 송신주파수대역이 1850~1910MHz, 수신주파수대역이 1930~1990MHz이고, 미국의 TIA/EIA 관련 규격인 "J-STD-008" 및 "J-STD-018"에 따르면, 수신감도 -104dBm 이하, 최대송신전력범위가 +18~+27dBm이어야 한다.

기지국으로부터 안테나(1)에 인가된 1930~1990MHz 대역의 신호는 안테나 정합회로(2)를 거쳐 유전체 듀플렉서(3)의 송수신 교차지점에 도달한다. 이때, 이 신호는 수신신호이므로 당연히 송수신부 전체 회로에서 수신부의 신호 경로로 보내져야 하고, 유전체 듀플렉서(3)는 이 신호를 송신 경로가 아닌 수신경로로 분기하여 필요한 만큼 여파하고 저잡음 증폭기(4)로 보내게 되는데, 이때 송신경로로 조금의 신호라도 흘리게 되면 이는 수신경로에서는 손실이며 바로 손실량만큼의 수신감도의 저하로 이어진다.

저잡음 증폭기(4) 이후의 신호 경로에서의 회로 및 처리 방법은 본 발명에서의 요지를 벗어나므로 이후 수신 신호 경로의 상세 설명은 생략하기로 한다.

송신 신호 경로에서는 기저대역 디지털 신호처리 및 중앙제어기(18)로부터 발생하여 변조 및 주파수 변환 과정 등을 거쳐 SAW 방식의 송신대역통과여파기(41)까지는 역시 본 발명의 요지가 아니고, 이는 기존 방법과 동일해도 무방하므로 상세 설명 또한 생략하기로 한다.

상기한 바와 같은 경로를 거쳐 생성된 변조된 최종 송신반송파 주파수신호는 송신통과대역여파기(41)에서 필요되어지는 만큼 여파된 후에 고이득 전력증폭기 모듈(42)에 인가되고, 증폭기 모듈(42)은 최종적으로 안테나(1)에 인가하기 위애 필요한 전력이 크기에, 단방향 격리기(43) 및 유전체 듀플렉서(3)에서 발생하는 삽입손실을 더한 만큼 더 큰 전력의 크기로 증폭한다. 이 신호가 단방향 격리기(43)를 거쳐 유전체 듀플렉서(3)에 인가되는데, 이때, 단방향 격리기(43)의 삽입 목적은 전력증폭기(42)의 부하에서의 일정치 않은 부정합(mismatch)에 의한 반사 신호로 발생하는 정재파 성분(Standing Wave)이 전력증폭기의 효율을 저하시켜 더 많은 배터리 전력의 소모를 가져오지 않게 하고, 또한 외부로부터의 신호가 역방향으로 인입되어 혼변조 등을 일으키며 특성을 저하시키는 것을 방지하고자 함이다. 이러한 목적으로 격리기(43)를 거친 송신신호는 유전체 듀플렉서 필터(3)의 송신 신호 단자로 인가되어 다시 한번 여파된 후에 송수신 교차지점에 도달한다.

이때, 수신신호의 분기때와 마찬가지로 이 송신 신호는 모두 안테나 정합회로(2)로 보내져야 하는데, 조금이라도 수신경로로 흘리게 되면 이는 송신경로에서는 손실이며 안테나(1)를 통해 방사되어 기지국으로 보내어져야 할 신호 전력의 크기가 바로 손실량만큼 부족하게 된다는 것을 뜻한다.

유전체 듀플렉서(3)의 역할은 전술한 바와 같이 송수신 신로 경로의 분리가 일차적인 목적인데, 상기에서는 "안테나(1)로 수신된 수신신호가 얼마나 충실하게손실없이 수신 경로로 보내어지는가?"와 "송신신호가 얼마나 충실하게 손실 없이 안테나(1)로 전달되는가?"를 논하였다. 그러나, 이에 못지 않게 중요한 점은 "송신신호의 수신 경로로의 누설량이 얼마나 수신부의 성능을 저하시키는가?"하는 것이다.

첫 번째로는, 필요한 송신신호 그 자체가 문제가 되는데, 송신 신호의 세기는(도 1에 명시되어 있는 수치예를 참조) "J-STD-018" 규격에 의거, 최대송신전력 범위가 +18~+27dBm(≒63~500mW)로서 역시 동 규격에 의거한 최저 수신 신호의 세기가 -104dBm(≒40pW ; pico Watt, 1pW=1/10¹²W)인 것에 비하면 최저 18-(-104)=122dB(=약 1조5천억배)의 차이로 대단히 강한 신호이다. 송신 신호의 입장에서 송신 신호세기의 1% 이하만이 수신 경로로 누설된다고(=-20dB) 가정하면, 송신 신호는 1%의 손실만 있고 99%가 안테나(1)로 전달되는 것이며(≒0.04dB의 손실) 배터리 전력소모의 관점에서 보면 실질적인 차이가 거의 없어서, 듀플렉서(3)의 격리도가 탁월하다고 볼 수 있으나, 수신신호의 입장에서 보면 최저 +18dBm-20dB= -2dBm(≒0.63mW)으로 여전히 매우 강한 신호인 셈이다. 그런데, 이 신호는 변조된 신호이고, 이때 수신신호대역내에 또 다른 강한 간섭원의 신호가 없을때에는 정상적인 수신감도 성능을 내지만, 강한 단일톤 또는 상대적으로 매우 협대역의 간섭 신호가 유입될 때에는 그 성분들과 이 변조된 송신 신호가 혼변조(Cross Modulation)를 일으키고 결과의 스펙트럼 성분은 바로 원하는 수신 신호의 대역과 동일하여 원하는 신호의 신호대잡음비를 현격하게 악화시켜 수신감도성능을 매우 열화시키게 되는데, 이와 관련된 규격 사항이 "J-STD-018"에 기술되어 있는"Single-Tone Desensitization" 특성이다. 상기의 규격에서 요구되어지는 특성을 만족시키려면 수신기 전체의 구조 설계시 부분별 설계 특성상 다소의 변수는 있지만, 현실적으로 상기의 송신 신호 누설치를 -30~-40dBm 이하로 억제시켜야 하므로 대략 50~60dB의 격리도, 즉 수신경로상에서의 송신신호의 감쇄도를 가져야 한다는 결론을 얻는다. 물론, 감쇄도의 정확한 수치는 수신기 초단부의 전력소모와 선형성 설계에 의해 다소간의 변동폭은 존재한다.

두 번째로는, 상온(25℃=298°K)에서 약 -174dBm/Hz의 백색잡음으로 존재하는 열잡음(P=kTB, Nyquist's Noise Power in Bandwidth) 등이 송신 경로상의 각종 증폭기와 주파수 혼합기 등, 능동소자회로들을 거치면서 증폭되는 것이 문제가 된다. 그 성분들중 수신신호대역내에 존재하는 성분들은 듀플렉서(3)의 송신경로 부분에서 충분히 제거해주지 못한다면, 이는 수신신호의 신호대잡음비를 직접적으로 악화시켜 수신감도 성능을 저하시킨다.

상기한 첫 번째 사항은 송신신호가 듀플렉서(3)의 수신경로로 넘어가는 것이 문제가 되는 것이므로 듀플렉서(3)의 안테나쪽 연결단자로부터 수신부쪽 연결단자까지의 경로에서 수신대역의 신호만 통과시키고 송신 신호는 충분히 감쇄시켜줘야 한다. 따라서, US-PCS와 같이 송수신주파수의 분리도가 매우 낮은 경우에는 듀플렉서(3)의 수신신호경로의 필터가 매우 높은 선택도를 가져야 하므로 듀플렉서(3)를 구성하는 재질의 Q값(=리액턴스 대비 저항성분의 비율로서 이 값이 클수록 손실이 적어지고, 결과의 필터 회로 전체는 높은 주파수 선택도를 가질 수 있으며, 반대로 이 값이 작아지면 손실이 커지고, 결과의 필터 회로 전체는 주파수 선택도가 낮아진다)도 커져야 한다. 유전체 필터로 구성된 듀플렉서의 경우, Q값이 높아야 한다는 것은 사용된 유전체(대개는 세라믹 재료로 구성되어 있음)의 유전체 손실이 작아야 한다는 것이며, 이는 동일한 재료에 대하여 유전체 캐비티의 직경이 커져야 한다는 것을 뜻하며, 결과적으로 듀플렉서(3) 필터의 부피가 커져야 하는 것이다.

상기한 두 번째 사항은 송신부에서 발생한 수신신호대역과 동일한 주파수의 잡음성분이 문제가 되는 것이므로 듀플렉서(3)의 송신부쪽 연결단자로부터 안테나쪽 연결단자까지의 경로에서 송신신호대역만 통과시키고 수신신호대역의 잡음성분은 충분히 감쇄시켜줘야 한다. 따라서, 듀플렉서(3)의 송신신호경로의 필터가 필요한 주파수선택도를 가져야 하며, 동일 재질, 동일 부피의 필터에 대해서는, 요구되는 선택도가 커지는 만큼 삽입손실이 커진다는 것을 의미한다. 그리고, 이 삽입손실량만큼 송신 전력증폭기(42)의 출력이 더 크게 나와야 하므로, 이는 바로 배터리 전력소모의 증가로 이어진다. 전력증폭기(42)는 무선 송수신기에서 배터리의 전력을 가장 많이 소모하는 부분이며, 전력증폭기의 출력이 3dB 증가하면 RF 전력이 2배 증가하는 것이므로 전력증폭기의 전력소모도 2배 가까이 증가한다. 그런데, 상품화된 대개의 듀플렉서의 송신경로의 삽입손실이 대략 2~4dB 정도에서 분포하므로, 최저 2dB 정도로만 보아도 상당한 배터리의 전력의 손실이 있게 되는 것이다. US-PCS의 경우 최대송신전력이 +18~+27dBm 사이에서 분포해야 하는데, +27dBm(=500mW) 기준에, 듀플렉서(3)의 송신부 삽입손실이 최저 2dB라 가정하면 전력증폭기(42)는 +29dBm(=794mW)을 출력해야 하므로, 대략적으로 계산하면 다음과 같다.

전력증폭기의 CDMA 방식의 선형특성 효율은 33%정도이고, 선형성을 만족하는 출력의 크기가 794mW라면, 약 2380mW의 배터리 전력이 전력증폭기(42)의 최종단에서 소모된다. 배터리의 전압이 3.7V라면, 약 640mA의 전류가 전력증폭기(42)의 최종단에서 흐르게 될 것이다.

+24dBm(=250mW)를 기준으로 한다면, 전력증폭기(42)는 +26dBm(=400mW)을 출력해야 한다.

그러면, 상기의 계산대로 전력증폭기(42)의 최종단에서는 [400mW * 3 / 3.7V = 324mA]의 전류가 흐르게 될 것이다. 만일, 단말기 전체에서 전력증폭기에서 흐르는 전류를 제외하고 잔여부분에서 흐르는 전류가 300mA라면, 최대출력의 통화상태에서 소모하는 전류가 [300mA + 640mA = 940mA] 대 [300mA + 324mA = 624mA]의 차이가 있고, 채용된 배터리가 1000mAH짜리이고 100%를 다 쓴다고 가정하면, 최대 통화시간은 약 64분 대 96분으로 무려 50%의 차이가 있다. 이상은 부정확한 대략적인 계산을 한 것이지만, 적어도 최종 출력 2~3dB의 차이가 사용시간의 엄청난 차이를 가져온다는 사실을 알 수가 있고, 듀플렉서(3)의 송신경로의 삽입손실이 통화상태에서 배터리 사용시간에 매우 큰 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있다.

따라서, 현재의 기술분야에서는 배터리 전력소모의 대부분을 좌우하는 무선반송파 송신부 종단 전력증폭기에서의 전력소모를 줄일 수 있는 방안이 필수적으로 요구된다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 송신 전력증폭기의 전력 소모를 줄여 배터리 사용시간을 연장할 수 있는 무선통신 단말기의 송수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래의 무선통신 단말기의 송수신 장치의 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 무선통신 단말기의 송수신 장치의 일실시예 구성도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선통신 단말기의 송수신 장치에 있어서, 안테나를 송신부와 수신부가 공유하기 위하여 송신부와 수신부를 결합할 때 기존의 삽입손실이 큰 듀플렉서 필터의 사용을 배제하고, 삽입손실이 작은 써큘레이터 혹은 그와 유사한 기능을 갖는 장치를 사용하여 송신 전력증폭기의 전력 손실을 줄이며, 결과적으로 배터리 사용시간을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 써큘레이터를 사용함으로써, 듀플렉서 필터와 아이솔레이터를 동시에 대체할 수 있도록 하여 회로의 부피를 더욱 줄이고, 송신경로의 삽입손실을 더욱 감소시킴으로써, 전력소모의 효율성과 배터리 사용시간의 증가량을 더욱 제고할 수 있다.

또한, 고이득 송신전력증폭기를 저이득의 드라이버증폭기와 종단전력증폭기로 이득을 분할하고, 상기 종단전력증폭기 앞단에서 미리 필요한 만큼 수신대역의 주파수성분의 잡음을 제거하여 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거함으로써, 송신전력의 손실을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 종단전력증폭기의 이득을 설계할 때, 상기 써큘레이터 혹은 이를 대치할 수 있는 다른 장치의 수신부쪽 단자로의 감쇄량 만큼 혹은 그 이하로 종단전력증폭기의 이득을 설계함으로써 삽입 손실이 큰 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거하고 송신전력의 손실을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 종단전력증폭기의 이득을 설계할 때, 상기 써큘레이터 혹은 이를 대치할 수 있는 다른 장치의 수신부쪽 단자로의 감쇄량보다 크게 설계하여 수신대역 주파수성분의 잡음의 양이 기준치보다 커지더라도, 그 차이가 많지 않아서 송신대역에서의 삽입손실이 증가하지 않는 간단한 약간의 조치만으로도 삽입손실이 큰 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거하고 송신전력의 손실을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 하드웨어의 배터리 전력소모를 줄임으로써 상기의 목적을 달성하고자 하는 것이며, 그중에서도 특히 배터리 전력소모의 대부분을 좌우하는 무선반송파 송신부 종단 전력증폭기에서의 전력소모를 줄이고자 하는 것인데, 송수신 안테나를 공용화하면서 송신부와 수신부의 상호 격리도를 만족시키기 위한 경로이중화분리를 목적으로 하는 듀플렉스 구조와 여파기 및 전력증폭기의 배열을 변경 설계하여, 기존 방식보다 성능이 저하되거나 부피가 커지지 않으면서도 전력소모를 획기적으로 감소시킬 수 있는 것이다. 이는 특히 AMPS나 북미형 CDMA 셀룰라 등에서 사용되는 송수신 주파수 분할 듀플렉스방식에서는 더욱 효과적인데, 그 이유는 이러한 방식에서 필요되어지는 듀플렉스 필터가 그렇지 않은 방식보다, 송수신 경로에서 각각 발생하는 삽입손실이 대개는 크기 때문에 당연히 종단 전력증폭기에서 더 커진 삽입손실만큼 전력을 증가시켜 출력해야 하며, 이는 곧 바로 상당한 배터리 전력소모의 증가를 필요로 한다.

본 발명에서 송신 전력증폭기의 전력소모를 줄이는 길은, 송신 전력증폭기의 효율 자체를 높이는 방법과, 송신 전력증폭기에 요구되는 출력 자체를 낮추고도 요구되는 단말기 전체의 최종 출력을 낼 수 있게 하는 방법의 2가지를 생각할 수 있다. 특히, 후자의 방법은 전자의 방법까지 포함하면 전력소모 절감 효과가 더욱 커지는 것이므로, 본 발명에서는 후자의 방법에 주안점을 두며, 종래기술에서 사용되던 듀플렉서 필터의 삽입에 의한 송신 전력 손실을 획기적으로 줄이기 위해서, 듀플렉서 필터를 사용하지 않고 대신에 그보다 훨씬 삽입손실이 적은 써큘레이터 등으로 송수신경로를 분리하여 사용하여도 전술한 바와 같은 수신감도 성능의 저하를 초래하지 않거나 허용치 이내로 최소화한다.

본 발명은 광범위하게는 모든 무선 송수신기에 적용할 수 있으나, 특히 본 발명의 효과를 기대할 수 있는 분야는 "북미방식의 AMPS 또는 CDMA 셀룰라 휴대전화망"과 같이 송수신듀플렉스 방법이 주파수 분할방식인 경우이며, "유럽에서 범용화된 디지탈 무선전화기 방식인 DECT"와 같이 TDMA-TDD(Time_Division Multiple_Access - Time_Division_Duplex)로 송수신 듀플렉스 방법이 시간 분할방식인 경우, 듀플렉스 필터가 시분할 절환기(Switch)로 대치 가능하다면 굳이 본 발명의 적용이 필수적이지 않을 수도 있다. 그중에서도 특히 본 발명은 배터리로 작동하는 이동형 무선 단말기에서 그 효과가 극대화된다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

상기에서 종래기술을 설명할 때, 본 발명의 요지가 아니어서 동일해도 무방한 여타 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략했듯이, 본 발명을 상세히 설명함에 있어서도 도 2로부터 본 발명의 요지 부분과 이를 설명하기 위해 필요한 부분을 제외하고는 상세한 설명을 역시 생략하기로 한다. 본 발명을 도시한 도 2에서 역시 설명의 편의상 US-PCS를 보다 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 다른 유사한 무선 송수신 방식에도 공통적으로 적용 가능함은 자명하다.

도 2에서, "1~2"와, "4~41" 부분들은 상기 도 1의 기존 방식과 동일한 부분들이다. 다만, 도 1과의 차이점을 살펴보면, 도 1의 유전체 듀플렉서(3)는 도 2에서 써큘레이터(Circulator)(3)로 대치되었고, 도 1의 전력증폭기(42)는 도 2에서 드라이버 증폭기(42)와 종단전력증폭기(44)로 분할 대치되었으며, 도 1에는 없으나 도 2에서는 송신대역통과여파기(43)가 새롭게 추가되었다. 그리고, 도 1에는 없으나, 도 2에서는 저잡음증폭기(4)의 전단에 수신대역통과여파기(45)가 추가되어 있다.

기지국으로부터 안테나(1)에 인가된 1930~1990MHz 대역의 신호는 안테나정합회로(2)를 거쳐 서큘레이터(3)의 송수신 교차지점에 해당하는 안테나(1) 방향으로의 단자에 도달한다. 도 2에 도시되어 있는 써큘레이터(3)를 보면, 3개 단자, 즉 안테나(1) 방향의 단자, 수신경로 방향의 단자와 송신경로 방향의 단자로 이루어져있는데, 각각의 단자 사이에는 동일 방향으로 회전하는 화살표가 표시되어 있다. 이 화살표의 방향은 신호 흐름의 순방향을 나타내는 것이고, 순방향으로의 신호는 매우 적은 삽입손실(대개는 0.5dB 내외) 특성을 가져서 신호를 이 순방향으로 전달해주는 역할을 하지만, 그 역방향으로의 신호는 매우 큰 감쇄 특성(대개는 20dB 내외)을 가져서 역방향으로 신호가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 기능을 가진 대표적인 소자가 아이솔레이터(isolator)와 써큘레이터(Circulator)이다.

아이솔레이터는 2단자 회로소자여서 단순히 순방향 전달 특성과 역방향 감쇄 특성을 갖는 소자이다.

써큘레이터는 아이솔레이터와 동일한 원리로 1개의 단자가 더 추가된 것인데, 3개 단자간에 바로 이웃한 화살표 방향의 단자로는 순방향 전달특성을 가지며, 반대 방향으로 이웃한 단자로는 역방향 감쇄 특성을 갖는다. 물론, 이때 어느 한 단자에서 순방향으로 전달된 신호는 다시 또 같은 방향으로 이웃한 단자로 신호를 전달해 주지는 않는다. 다만, 이때 순방향으로 전달된 신호가 여행하는 바로 그 단자의 부하에서 정합특성이 완전하지 못하여 반사성분이 생기면 그 반사성분 만큼은 다시 같은 방향으로 이웃한 단자로 전달될 것이다.

도 2를 살펴보면, 써큘레이터(3)의 송신쪽 단자에서 안테나(1)쪽 단자로 0.5dB 정도의 삽입손실로 전달된 송신신호는 안테나정합회로(2)가 완벽하여 전혀 반사가 없다고 가정하면, 이 송신신호가 수신쪽 단자로 누설되는 양은 역방향 감쇄 특성 만큼 감쇄된 양이다. 만일 안테나정합회로(2)가 부실하여 반사 성분이 생겼을 때, 반사량이 송신쪽 단자에서 수신쪽 단자로의 역방향 감쇄특성보다 작다면 역방향 감쇄 특성 만큼 감쇄된 양의 송신신호가 수신부로 누설되겠지만, 송신신호의 안테나정합회로(2)에서의 반사량이 수신쪽 단자로의 역방향 감쇄 특성보다 크다면 이반사량에서 써큘레이터(3)의 안테나쪽 단자에서 수신쪽 단자로의 순방향 전달 삽입손실만큼 뺀 양이 수신쪽 단자로 전달될 것이다.

반면에, 기지국에서 송신하여 안테나(1)로 수신된 수신대역의 신호는 전술한 바와 같은 원리로 써큘레이터(3)의 수신쪽 단자로 전달될 것이며, 송신단자쪽으로는 역방향 감쇄 특성 만큼 감쇄된 신호량이 누설될 것이다. 물론, 이때도 수신대역통과 여파기(45)의 임피던스 정합도가 낮아 반사량이 역방향 감쇄량보다 크다면 전술한 바와 같은 원리에 의한 양만큼 송신쪽 단자로 누설될 것이다.

다시 한번, 종래기술의 도 1에서 사용된 듀플렉서(3)의 역할을 살펴보기로 한다.

첫째, 송신 전력증폭기의 신호가 안테나로 이상적으로는 무손실로 모두 전달되게 하고, 공중에서 안테나로 인가된 수신해야 할 신호가 이상적으로는 무손실로 수신부로 모두 전달되게 하는 방향성 경로 분리 기능과 특성을 갖도록 요구되어진다.

둘째, 송신부 회로에서 발생한 수신신호대역의 잡음이 수신부로 누설되지 않도록 충분한 감쇄를 해주는 특성을 갖는 필터의 역할이 듀플렉서(3)의 송신 경로에 요구되어진다.

셋째, 송신부 전력증폭기의 강전력 신호 자체가 수신부로 유입되어 혼변조 등으로 수신감도를 열화시키지 않도록 듀플렉서(3)의 수신 경로에서 충분한 감쇄를 해주는 특성을 갖는 필터의 역할이 요구되어진다.

넷째, 듀플렉서(3)의 송신 경로에서는 그 밖에 송신부에서 발생한 각종 불요파 신호들을 필요한 만큼 더 감쇄시켜주는 필터의 역할이 부가적으로 요구되어진다.

다섯째, 듀플렉서(3)의 수신 경로에서는 송신 강전력 신호 이외의 불요파와 안테나(1)부터 유입된 각종 불원 신호 등이 수신기의 성능을 규격에서의 제한 사항 이하로 필요한 만큼 감쇄시켜줘야 하는 필터의 역할이 부가적으로 요구되어진다.

상기한 첫째 목적에서의 관점에서 보면, 현재까지의 기술 수준으로 보아 실제로 구현 가능한 여러 방법들중 써큘레이터가 부피나 저삽입손실 전달 특성으로 보나 가장 이 목적에 접근한 방법이라고 할 수 있다. 그런데, 써큘레이터로만 대체했을 때에는 상기한 둘째로부터 다섯째까지의 목적들에는 부합되기 어려울만큼 써큘레이터의 필터로서의 불원대역 감쇄특성은 기대하기 어렵다.

따라서, 일단 써큘레이터를 채용함으로써, 첫 번째 목적을 먼저 최적화시키고, 상기의 둘째~다섯째 목적을 달성할 수 있는 보완 방법을 채용하는 것이 본 발명에서 추구하는 바이다.

왜냐하면, 본 발명의 일차적인 목적이 전력증폭기의 최종단에서의 전력소모를 줄여서 배터리 사용시간을 획기적으로 증가시키고자 하는데에 있기 때문이다. 그러기 위해서는 무엇보다도 전력증폭기 출력에서 안테나로 전달되는 과정에서의 전력손실을 최소화시키는 것이 필요하다는 것이 이미 상기에서 확인시켜준 바 있으며, 그런 점에서 실제적으로 구현 가능한 기술들 중 써큘레이터가 삽입손실이 가장 적으므로 최적이라 할 수 있다.

그러면, 다음으로 문제되는 것이 상기의 둘째 목적에서 언급된 송신부 회로에서 발생한 수신신호대역의 잡음이 수신부로 누설되는 것이며, 궁극적으로 이 누설량을 대략 -174dBm/Hz까지 감쇄시키면 이상적이라고 할 수 있는데, 여기서 -174dBm은 Nyquist의 열잡음 전력 계산 공식인 P=kTB에서, k는 볼츠만 상수(=Boltzman Constant)이고, B는 주파수 대역폭(Bandwidth), T는 절대온도를 가리킬 때, B=1Hz, T=300°K=27℃의 상온을 기준으로 계산된 결과로서 적어도 이 양은 항상 존재하는 열잡음의 절대 최소량이므로 이 이하로 감쇄시킨다는 것은 무의미하다는 것을 뜻한다. 이렇게 하면 이론적으로 가능한 최저의 수신 신호의 크기까지 검출이 가능한 수신감도 성능을 가질 수있다. 그러나, 규격에서 허용하는 수신 가능점은 이 보다는 위에 있으며, 종래기술대비 수신 감도 성능의 저하선까지는 수dB 정도 여유가 있다.

그런데, 이 열잡음은 송신부 회로의 모든 곳에서 기본적으로 발생하는 매우 광대역의 특성을 띠고 각 회로부분에서 정합된 주파수의 특성과 증폭 감쇄도에 따라 증감되며, 최종적으로 송신 전력증폭기의 출력에까지 이르게 되는 것이므로 종래 기술 방식의 송신부 회로에서도 기저대역에서 중간주파수를 거쳐 무선 반송파 주파수 회로까지의 사이사이에 적절한 필터(도 1의 37, 39, 41 등)들이 삽입시켜 다른 불요파는 물론이고 최종 송신 전력증폭기 출력에서의 수신주파수 대역의 잡음 성분이 필요 최소화되도록 감쇄되게 하는 것이고 궁극적으로는 듀플렉서(도 1의 3)의 송신쪽 단자에서 나타나는 수신대역 주파수 성분의 잡음의 양을 안테나쪽 출력 단자에서 기본 열잡음 크기 이하로 감쇄시키는 특성이 듀플렉서에 요구되는 것이다.

바로 이 대목에서 도 1에 도시된 바와 같은 종래 방식에서는 고이득전력증폭기(도 1의 42) 모듈을 사용하는 것이 문제가 된다. 송신대역 통과여파기(도 1의 41)에서 수신대역 주파수 성분의 잡음을 충분히 감쇄시켜주었다 할지라도, 고이득전력증폭기(도 1의 42)의 입력단에서 기본적으로 상기한 -174dBm/Hz(상온기준, 휴대단말기의 사용온도 범위가 -20~+50℃=253~323°K 정도라고 하면, 편차는 ±0.5~1dB 이하로, 크지 않음) 정도의 잡음이 상존하므로 최소한 고이득 전력중폭기(도 1의 42)의 이득에다 전력증폭기(도 1의 42)의 잡음지수를 더한 만큼 증폭된 수신대역 주파수 성분의 잡음이 전력증폭기(도 1의 42) 출력에서 나타나게 된다. 이때, 고이득 전력증폭기(도 1의 42)의 이득이 크면 클수록 큰 만큼 잡음이 증폭되어 출력에서 나타날 것이므로 전력증폭기의 이득이 크면 클수록 그 만큼 듀플렉서(도 1의 3)의 송신 경로에서 필요되어지는 수신 대역 주파수 성분에 대한 감쇄 특성이 커져야 하는 부담을 안게 된다. 일반적으로, 근접 불원대역의 감쇄특성이 큰 필터일수록 사용대역의 삽입 손실도 증가하고, 부피도 커진다.

따라서, 본 발명은 종래방식의 도 1에서와 같은 고이득 전력증폭기 모듈(도 1의 42)을 사용하지 않고, 이 고이득 전력증폭기를 저이득의 증폭기들인 드라이버증폭기(도 2의 42)와 종단전력증폭기(도 2의 44)로 분할한 다음, 이 사이에 송신대역 통과여파기(도 2의 43)를 추가하여 드라이버 증폭기(도 2의 42)에서 증폭된 수신대역 주파수성분의 잡음을 제거하고 종단전력증폭기(도 2의 44)에 인가하는 방법을 사용하였다. 이때, 종단전력증폭기(도 2의 44)의 출력에서도 당연히 증폭도+잡음지수만큼 증폭된 수신대역 주파수성분의 잡음이 존재하게 되므로, 이 증폭된 수치가 써큘레이터(도 2의 3)의 역방향 감쇄특성보다 크지 않도록 설계하면, 종단전력증폭기(도 2의 44)의 출력에서는 더 이상의 필터가 필요하지 않게 되는 것이며, 그 만큼 추가될 수 있는 삽입손실을 버는 것이고, 여기서 저축한 삽입손실 만큼 종단전력증폭기(도 2의 44)의 출력을 감소시킬 수 있는 것이다. 이렇게 함으로써, 상기에서 수치예로 설명한 바와 같이 궁극적으로 배터리 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

본 발명의 실시예를 구체적인 수치와 함께 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서는 US-PCS형 이동국 송신주파수인 1850~1910MHz 대역에서 최저 20dB~최고 25dB의 역방향 감쇄특성과 최고 0.5dB의 순방향 삽입손실을 갖는 써큘레이터 제품을 사용하였는데, 안테나(1) 및 안테나 정합회로(2)에서 부정합에 의한 반사량의 허용을 최대 -10dB 이하, 최소 -20dB 이하로 설계하였다. 이 정도의 부정합에 의한 반사량은 대량 생산 조건 또는 사용 조건의 변화 등으로 발생할 수 있는 것으로써, 최악의 조건을 감안한 것이라 하겠다.

최종 출력을 +18~+27dBm의 중간치인 +22.5dBm을 설계 목표치로 설정하여, 써큘레이터(3)의 삽입손실이 약 0.5dB이므로 종단전력증폭기(도 2의 44)의 출력은 +23dBm, 이득은 10dB, 잡음지수는 2dB로 설계하였다.

이때, 종단전력증폭기(도 2의 44)의 출력에서 존재할 수신대역 주파수성분의 상온에서의 잡음의 양을 계산해보면, -174+10+2=-162dBm/Hz가 될 것으로 추정되며, 써큘레이터(3) 안테나쪽 단자에서의 출력은 -162.5dBm이고, CDMA 방식의 US-PCS는 주파수채널 대역폭이 1.23MHz이므로 -162.5+10*Log1.23E6≒-102.5dBm이 될 것이다.안테나 정합회로(2)의 허용 최대 반사치인 -10dB가 써큘레이터(도 2의 3)의 역방향 누설치 -20dB보다 우세하므로, 이 크기의 잡음이 수신단으로 누설되는 양은 -112.5dBm이 될 것이다. CDMA 순방향채널의 변조방식은 QPSK로, 규격에서 허용하는 0.5% FER에 필요한 신호대 잡음비는 대략 4dB 정도이므로 -108dBm 정도의 수신감도를 얻는 것이 가능하고, 규격 허용치인 -104dBm으로부터는 충분한 여유가 있는 것이며, 이는 종래 방식에 비해서 결코 뒤지지 않는 수신 성능이라고 할 수 있다.

종래기술과 같은 방법으로 설계하여 동일한 +22.5dBm의 출력 조건을 맞추기 위해서는 듀플렉서 필터의 삽입손실이 최저 2dB이상, 최고 3.5dB 이하의 전형적인 특성에서 최악의 경우인 3.5dB를 적용하여 계산하면, 종래기술의 전력증폭기에서는 최소한 +26dBm의 출력을 내야 한다.

이때의 최종단의 전력소모를 비교해보면, 종래기술의 26dBm=400mW를 효율 33%로 낸다면 400 x 3, 약 1200mW=3.7V÷324mA의 전력을 소모하고, 본 발명의 기술을 적용하면 23dBm=200mW만 출력하면 되므로 33%의 효율을 동일하게 적용하여 약 600mW=3.7V÷162mA의 전력을 소모한다. 상기에서 든 예와 같이 1000mAH 용량의 배터리를 사용하고 다른 부분에서 300mA의 전류를 사용한다면, 종래 방식은 1000÷624≒96분, 본 발명의 방식은 1000÷462≒130분으로 약 35%의 통화상태 사용시간이 증가되며, 출력전력을 증가시킬수록 그 차이는 커진다.

이와 같이 하여 상기에서 언급한 듀플렉서의 5가지 목적중 첫째와 둘째, 넷째의 목적은 달성하였다.

다음으로, 셋째와 다섯째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 써큘레이터(도 2의 3)와 수신부의 저잡음증폭기(도 2의 4)의 사이에, 종래 방식 도 1의 듀플렉서(3)의 수신경로가 가졌던 필터의 대역외 감쇄특성과 수신기 전체적으로 등가의 송신대역의 주파수 신호에 대한 감쇄특성을 가질 수 있도록 하는 특성을 가진 수신대역 통과여파기(도 2의 45)를 삽입하였다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 송신부의 전력증폭기 최종출력에 삽입손실이 큰 듀플렉서 필터를 쓰는 것을 배제하고 삽입손실이 작은 써큘레이터로 대체하여, 송신 전력증폭기의 출력을 낮추어 배터리 사용시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 부피가 큰 유전체형 듀플렉서필터를 부피가 작은 써큘레이터로 대체함으로써, 부품의 높이를 2mm 이하로 낮추었다. 기존의 US-PCS용 유전체형 듀플렉서의 경우 부품 높이가 4mm 이하로는 원하는 특성을 얻는 것이 매우 어려웠다. 그러나, 본 발명에서 추가로 삽입된 필터류들은 최근 SAW 기술 등의 발전으로 최저 2.5mm X 2.5mm x 1mm 이하의 초소형 제품 등으로도 가능하므로, 총체적인 크기와 높이 등은 더 소형화된다. 따라서, 본 발명은 경박단소화에 종래 기술보다더 적합하다고 할 수 있다.

또한, 소형 휴대전화기류의 문제점들중의 하나가 송신 전력증폭기에서의 발열이며 제품에 따라서는 표면온도가 45~50℃에 육박하는 경우도 있지만, 본 발명에서는 송신 전력증폭기에서의 출력 전력을 낮추어 전력 소모량을 줄임으로써 동시에 발열량도 획기적으로 줄어든다.

또한, 본 발명은 종래기술과 동일한 배터리 사용시간을 가정한다면, 배터리 용량을 줄일 수 있으므로 배터리의 부피와 가격이 줄어들어 휴대단말기의 전체 부피가 감소되어 휴대 편의성이 증가하고, 가격이 보다 저렴해진다.

또한, 종래기술에서는 듀플렉서(도 1의 3)의 일정치 않은 부정합에 기인하는 반사 전력으로 인하여 전력증폭기(42)의 효율이 나빠지거나, 안테나(1)를 통하여 외부로부터 불원의 간섭 신호가 역으로 전력증폭기로 유입되어 혼변조를 일으킴으로써 송신기의 성능이 저하되는 것을 방지하고자, 송신 전력증폭기와 듀플렉서 사이에 아이솔레이터(도 1의 43)를 삽입하였는데, 본 발명에서는 듀플렉서 자체를 써큘레이터(도 2의 3)로 대체하면서, 이 써큘레이터가 갖는 아이솔레이터(도 1의 43)와 동일한 역방향 감쇄특성을 가지므로 기존 방식의 아이솔레이터(도 1의 43)까지 함께 대체함으로써, 더욱 회로의 부피와 삽입 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

무선통신 단말기의 송수신 장치에 있어서,

안테나를 송신부와 수신부가 공유하기 위하여 송신부와 수신부를 결합할 때 기존의 삽입손실이 큰 듀플렉서 필터의 사용을 배제하고, 삽입손실이 작은 써큘레이터 혹은 그와 유사한 기능을 갖는 장치를 사용하여 송신 전력증폭기의 전력 손실을 줄이며, 결과적으로 배터리 사용시간을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 써큘레이터를 사용함으로써,

듀플렉서 필터와 아이솔레이터를 동시에 대체할 수 있도록 하여 회로의 부피를 더욱 줄이고, 송신경로의 삽입손실을 더욱 감소시킴으로써, 전력소모의 효율성과 배터리 사용시간의 증가량을 더욱 제고하는 것을 특징으로 하는 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

고이득 송신전력증폭기를 저이득의 드라이버증폭기와 종단전력증폭기로 이득을 분할하고, 상기 종단전력증폭기 앞단에서 미리 필요한 만큼 수신대역의 주파수성분의 잡음을 제거하여 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거함으로써, 송신전력의 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 종단전력증폭기의 이득을 설계할 때,

상기 써큘레이터 혹은 이를 대치할 수 있는 다른 장치의 수신부쪽 단자로의 감쇄량 만큼 혹은 그 이하로 종단전력증폭기의 이득을 설계함으로써 삽입 손실이 큰 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거하고 송신전력의 손실을 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 종단전력증폭기의 이득을 설계할 때,

상기 써큘레이터 혹은 이를 대치할 수 있는 다른 장치의 수신부쪽 단자로의 감쇄량보다 크게 설계하여 수신대역 주파수성분의 잡음의 양이 기준치보다 커지더라도, 그 차이가 많지 않아서 송신대역에서의 삽입손실이 증가하지 않는 간단한 약간의 조치만으로도 삽입손실이 큰 상기 듀플렉서 필터의 사용 필요성을 제거하고 송신전력의 손실을 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 전력소모 감소를 위한 무선통신 단말기의 송수신 장치.