KR20050105054A - 초고주파 송·수신형 저온 전치부 - Google Patents

초고주파 송·수신형 저온 전치부 Download PDF

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KR20050105054A
KR20050105054A KR1020040030783A KR20040030783A KR20050105054A KR 20050105054 A KR20050105054 A KR 20050105054A KR 1020040030783 A KR1020040030783 A KR 1020040030783A KR 20040030783 A KR20040030783 A KR 20040030783A KR 20050105054 A KR20050105054 A KR 20050105054A
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이경림
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Abstract

본 발명은 이동 통신용 기지국(Base station)의 송·수신용 전치부(Front end unit)에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은 공동 공진기(공기 및 유전체 공진기 등)를 이용한 듀플렉서 필터와 전계효과반도체를 이용한 저온형 저잡음 증폭기로 구성된 초고주파 송·수신부와 상기의 고주파 송·수신부를 수납하는 저온 진공 챔버, 상기 저온 진공 챔버 내의 고주파 송·수신부를 100 에서 150 켈빈(Ｋ)으로 냉각시키는 냉각기를 포함한 구조로 되어 있다.
따라서, 상기 송·수신용 전치부는 대역 통과 필터의 삽입손실, 저잡음 증폭기의 잡음지수 등의 초고주파 특성을 향상 시킴으로써 기지국　성능을　대폭　개선할 수 있고, 또한, 기존의 기지국 장비의 교환 및 수정 없이 즉각 적용 가능 하며, 주변 환경 변화(온도, 습도 등)에 대해 그 특성이 변화가 없는 장점을 가진 발명임.

Description

초고주파 송·수신형 저온 전치부{microwave cryo-front end unit of transceiver type}
본 발명은 이동 통신용 기지국(Base station)의 초고주파 송·수신형 저온 전치부에 관한 것이다.
현재까지의 이동통신은 개인과 개인의 음성 데이터, 또는 개인과 컨텐츠　간의 문자 데이터의 송수신이 대부분이며, IMT-2000, CDMA 등의 차세대 이동통신의 경우 문자 및 음성 메시지(SMA, VMS), 화상 통신, 영상회의, 영상 방송 및 이동성 서비스 등의 서비스에 대한 요구가 증가 되고 있다.
상기의 차세대 이동 통신 서비스는 고속 및 대용량 데이터 통신이 가능 하여야 하며, 이를 실현되기 위해서는 기지국의 성능이 매우 중요하다.
이러한 기지국의 성능에 큰 영향을 미치는 장치는 기지국 맨 앞 단에 위치하는 송·수신 단의 전치부의 특성 향상이 필수적이다.
상기의 기지국 성능은 수신단의 전치부의 특정 주파수의 선택도(Selectivity), 간섭도(Interference) 및 수신감도(Sensitivity)에 의해 결정된다. 또한 송신단의 대역 통과 필터의 삽입 손실에 따라 선형 전력 증폭기(Linear power amplifier)의 소모 전력량이 결정 되고, 소모 전력량에 따라 전체 시스템 크기가 결정되므로 대역 통과 필터의 성능이 중요할 뿐만 아니라, 기지국 당 사용 가입자 수(capacity)에도 기여를 한다.
따라서, 이러한 특성이 향상될 경우 기지국 한 개당 통화　도달거리가　증가하고， 에러 없는 고속 통신, 셀 붕괴 현상 감소　및 단말기 및 기지국 송·수신 전력이 감소 하는 장점이 있다.
상기의 특성을 구현하기 위해서는 송·수신단의 대역 통과 필터는 주파수 통과 대역에서 낮은　삽입　손실, 가파른 스커트 특성을 가져야 하며, 주파수 저지 대역에서는 －80dBc이상　주파수　저지　능력이 필수적이다. 또한, 수신단의 대역 통과 필터에서 여과된 신호는 잡음 상승이 적은 저잡음 증폭기를 통과하여 잡음을 최소화 시키고, 궁극적으로 기지국 수신 감도와 관련된 시스템 잡음 지수를 낮추는 것이 중요하다.
그러나 도 1a에 도시된 바와 같은 종래의　기술에서는 안테나（１１）를 통해 수신된 신호는 유전체 공동 공진기형 듀플렉서 또는 다이플렉서 등의 대역 통과 필터(12)에 의해 여파되고, 저잡음 증폭기（LNA; １３）에 의해 증폭된다. 그리고 도시되지 않은 업컨버터에서 주파수 상향 조정된 신호는 선형전력증폭기(LPA; 14)에서 증폭된 후 안테나(11)를 통해 외부로 송출된다. 이러한 구성은 대부분의 기지국에서 범용으로 사용되고 있으나, 대역 통과 필더(12)의 삽입손실이 크며, 증폭단의 저잡음 증폭기(13)의 경우는 잡음 지수가 높고, 외부 온도의 변화에 따른 특성의 변화 폭이 높은 점　등의 단점이 있다.
이러한 단점에　의해 기지국의 수신감도의 저하, 선택도의 저하, 주파수 저지대역의 간섭, 용량성 감소 등의 효과가 발생하게 된다.
결국, 도 1a에 도시된 바와 같은 전치부는 종래의 이동통신 서비스에는 적용 가능하였지만, 2.5세대 또는 3세대 이동통신 서비스의 요구를 만족하지 못한다.
이러한 차세대　이동통시　서비스　요구에 맞추어 하나의 대안으로써 제시 된 것이 도 1b에 도시된 바와 같이 고온 초전도 필터를 이용한 방식이 있다.
도　１ｂ는　고온 초전도 필터를 사용한 전치부의 구성도를 나타내는 도면으로， YBa2Cu3O7등으로 대표되는 고온 초전도체를 LaAlO3, MgO등의 기판에 성장 시킨 후, 필터를 구성한 고온 초전도체 대역 통과 필터（１5）와 극저온용 저잡음 증폭기（１6）를 구비한다.
상기의 고온 초전도체 대역통과 필터(15)는 품질계수(Q)가 50,000이상으로 매우 높기 때문에 제작시 0(zero)dB에 가까운 삽입 손실과 유전체 공동 공진기를 이용한 필터에 비해 스커트 특성 및 주파수 저지 대역에서의 주파수 저지 능력이 탁월하다.
상기의 고온 초전도체 대역통과 필터(15)를 사용한 전치부는 제반 고주파 특성이 우수 하며, 외부 온도의 변화에 의한 고주파 특성이 안정적인 장점이 있다(국제　출원번호：ＰCＴ／ＵＳ２００１／２８０４６ 참조).
그러나, 고온　초전도체　대역통과 필터는　허용　전력의　한계에　의해　송신측　대역　통과　필터로는　사용할　수　없고，　상대적으로 전력이　낮은　수신　측　대역　통과　필터로만　사용할　수　있다．따라서　고온　초전도　필터　전치부의　경우　별도의　송신측　대역통과　필터가 필요하다．
결국, 상기의　송신측　대역　통과　필터(12)는　일반적으로　듀플렉서나　다이플렉서가　이용되고는　있지만,　그로　인해　기지국　시스템이 복잡해지는 단점이　있다．　
또한，　상기 고온 초전도체 대역통과 필터(15)의 구성요소 변수 값은 적은 변화에도 민감하기 때문에 구현이 어렵다. 특히, 필터의 차수가 증가할수록 튜닝에 어려움이 있다.
그리고, 고온 초전도체 대역통과 필터를 이용한 전치부의 경우 고온 초전도 물질을 제조하는 비용　및　액체 질소 이하의 온도(77K)를 유지 해야만 하기 때문에 별도의 고성능 냉각기가 부착된 초진공 챔버（１7）를 구비하여야 함으로써 제조원가가 상승되는 문제점이 있다．
아울러, 냉각기가 오 동작하거나 고온 초전도체 대역통과 필터(15) 및 극저온용 저잡음 증폭기(16)와 같은 고주파 디바이스의 수명 등의 원인에 의한 서비스가 중단 될 경우 즉각적인 네트웍 복구 대응이 어렵기 때문에 고주파 스위치（１8）를 이용한 기존의 전치부인 관용 필터/증폭기（１9）로의 바이패스(Bypass)기능을 첨가 하는 등의 별도의 안전 장치가 필요하여　시스템이　복잡해지는　단점이　있다．
본 발명은 상기한 제반 사정을 감안하여 발명한 것으로, 공동 공진기를 이용한 대역 통과 필터와 저온형 저잡음 증폭기, 그리고 상기 대역통과 필터 및 저잡음 증폭기와 같은 고주파 디바이스를 냉각시킬 수 있는 냉각기로 이루어져, 기존의 전치부에 비해 삽입 손실　및 잡음지수 등의 제반 고주파 특성을 향상 시킬 뿐만 아니라, 외부 환경 온도 변화에 영향이 없고, 고온 초전도체 전치부에 비해 시스템이 간단함으로써 제작비용이 낮으며, 초고주파 특성이 향상된, 초고주파 송·수신형 저온 전치부를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 듀플렉서형의 대역통과 필터와 전계효과 반도체를 이용한 저온형 저잡음 증폭기를 구비한 초고주파 송·수신부, 상기의 고주파 송·수신부를 수납하는 저온 진공 챔버, 상기 저온 진공 챔버 내의 고주파 송·수신부를 100 에서 150 켈빈(Ｋ)으로 냉각시키는 냉각기를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는　본　발명에　따른　저온형　전치부의　블록도를 나타낸다．
안테나(21)에는 초고주파　송·수신용　대역　통과　필터를 구비하고 있는 저온형이고 듀플렉서형의 공동 공진기를 이용한 대역통과 필터(이하 "대역통과 필터"라 칭함)(22)가 연결되고, 상기 대역통과 필터(22)의 수신측 필터에는 제1증폭기인 저온형 저잡음 증폭기(23)와 제2증폭기(24)가 연결되며, 상기 대역통과 필터(22)의 송신측 필터에는 선형 전력증폭기(LPA; 25)가 연결되어 있다. 상기 대역통과 필터(22)와 저온형 저잡음 증폭기(23)는 후술되는 바와 같은 냉각기에 의해 극저온으로 냉각되는 저온 챔버(26)내에 설치된다.
도 3은 본 발명에 따른 대역통과 필터(22)의 간략도로서, 상기의 대역통과 필터(22)는 저온형 저잡음 증폭기(23)와 함께 냉각기에 의해 150 켈빈(Ｋ)까지 수 십분 이내에 냉각 되는데, 냉각 속도는 냉각체의 무게 및 진공도에 의존한다.
상기의　냉각기에　의해　냉각된 대역통과 필터(22)의 삽입 손실은 도 4에 도시 된 바와 같이 상온 보다 0.25 dB 내지 0.5 dB 우수한 특성을 가진다.
이때 기존의　공동　공진기　필터 경우는 온도의 변화에 따른　금속 자체의 열 수축에 의한 중심 주파수의 이동에 있어, 삽입 손실의 감소효과는 있지만 원하지 않는 주파수 대역에서 여파 되어 사용할 수 없게 된다. 따라서， 본 발명에서 대역통과 필터(22)의 본체를 이루는 금속　함체는　분체 도장법으로 은도금하여 금속의 표면 저항을 최소화 하였으며, 금속의 재질은 열팽창율이　낮은　금속으로써, 인바(Invar，열팽창율：1∼2×10-6K-1), 코바(Kovar), 구리(Copper)　등을　사용하여 온도에 따른 중심 주파수의 변화　１MHz이하　인 것이　특징이며, 온도에　의한　대역통과 필터의 삽입　손실이　상온일　때에　비해　0.25dB 내지 0.5dB　낮다. 상기 대역통과 필터를 유전체 공진기로 사용하는 경우에는 유전체의 주파수 온도계수(Tf)가 작은 것을 사용하여 중심 주파수의 변화를 １MHz이하로 최소화 하도록 한다.
또한　상기와　같은　대역통과　필터(22)를　사용할　경우,　고온　초전도체　필터를　이용한　전치부와는 대조적으로　냉각기　오동작으로　인한　온도　상승의　경우에도　고주파 특성의 열화가 없으므로, 전체 서비스의　중단이　없는 특징이 있다.
부연하면, 열팽창 계수를 a라고 하면, 주파수 이동은 아래 식 1과 같이 표현할 수 있다.
△f/f = -a △T
따라서, 1MHz 미만으로 이동한다는 것은 중심주파수에 따라 그 한계가 다르게 정해질 수 있는 것으로, 예컨대 중심주파수가 1 GHz인 경우에는 a=0.6ⅹ10-6/K, 2 GHz인 경우에는 a=0.3ⅹ10-6/K 정도로 낮아야 한다.
또한 유전체의 온도계수를 ae라 하면, 주파수 이동은 아래 식 2와 같이 표현할 수 있다.
△f/f = -a △T - 0.5 ae△T (a는 유전체의 열팽창 계수)
이때, 유전체의 주파수 온도계수를 Tf = a + 2ae라 하면, Tf 가 영(zero)에 가까운 값을 유전체를 사용하면 온도 변화가 적게 되고, 대표적인 유전체로는 Ba(Zr,Zn,Ta)O3 , (Zr,Zn)TiO4 등이 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 대역통과 필터(22)는 안테나(21)에서 수신되는 고주파 신호가 일련의 고주파 선로에 의해 대역통과 필터(22)의 수신 커넥터(32)로 유입되며, 상기의 고주파 신호는 공동 공진기를 거치면서 여파되고 출력 커넥터(31)로 출력된다.
출력신호는　업컨버터（Up convertor)(미도시함)에 의해　주파수 상향　조정되고，선형 전력 증폭기(25)에 의해 증폭된　후 출력단의　입력　커넥터(33)를　통해 공진기를 거치면서 여파되어　출력　커넥터(31)를　거처　안테나(21)에서　전파된다．
송신단에서 대역통과 필터(22)의 삽입손실이 냉각 효과에 의해 0.25dB 내지 0.5dB 정도 개선되면, 선형 전력증폭기(25)의 초고주파 소모 전력은 50와트(W) 에서 45와트(W) 정도로 10% 이상 정도 감소 된다. 따라서, 기지국 전체의 전력 소모량 및 크기의 감소 효과가 있다.
증폭단은　도 2에서　보는　바와　같이，제1증폭기인 저온용　저잡음　증폭기(23)와 제2증폭기(24)로 이루어져 있다.
저온용　저잡음　증폭기(23)는　입출력　매칭　회로와　전계 효과　반도체를　이용한　증폭부　그리고　안정도(k)값을　높이기 위한 안정회로로　구성된다．
특히，전치부의　초단의　잡음　지수는　시스템　전체의　잡음지수　수준에　영향을　줌으로서　저잡음　증폭기(23)의　잡음　지수의　설계는　중요하다．
그러므로　최적의　잡음지수를　구현하기　위한　방법으로　전자(electron)의 운동에　의해　발생하는　열잡음(Thermal noese)을　최소화　하는　방법으로서　냉각에　의한　잡음지수　감소　효과의　이용으로　구현　가능하다．
따라서,　본　발명에서　사용된　저잡음 증폭기(23)는　실제　사용　온도인　１５０켈빈(Ｋ)이하의　온도에서　동작하여야　하기 때문에　각각의　능동　및　수동의　소자의　저온　산란계수를　고려하여　제작　되었고，그 결과 이러한　저잡음　증폭기(23)를　사용한　경우　도 5와 같이　전치부의　잡음지수는　상온에서　１５０ 켈빈(Ｋ)까지는　급격한　감소를　보이다가　그　이하의　온도에서는　완만하게　감소되는 특성을 확인 하였다.
그러므로　본　발명에서　전치부의　고주파　특성　및　냉각기의　냉각　효율을　고려할　때，　냉각온도는　１００켈빈(K)　내지　１５０켈빈(Ｋ)으로　하는　것이　바람직하다．
제２증폭기(24)는　기지국　시스템에서　요구하는　일정　수준의　이득을　제공하고，시스템의 선형성을　증가하기　위해　주파수의　혼성변조　왜곡이　없는 것을　사용한다．
도　6은 본 발명에 따른 전치부의　조립도이다．
냉각기(61)는　예컨대 소형 헬륨 가스 용기와 압축기가 내장된 냉각기(Stirling cooler)이며, 최대　１５０와트(W)급이고，　상온에서　５０ 켈빈(Ｋ)까지　냉각 및 일정 온도 유지가　가능한 것을 사용하는 것이 바람직하다.　상기의　냉각기(61)는　냉각부(62)의　냉각　속도 및 소모　전력은 냉각 설정 온도, 냉각체의 표면적, 중량 및 챔버 내부의 진공 상태에 의해 결정된다.
그리하여, 본 발명에서는 냉각부（6２）의　냉각　효율을　최대화　하기　위해　냉각부　및　냉각체는　스테인레스　재질의　저온 챔버（6３; 도 2의 참조부호 26）에　의해　진공(1E-4 torr이하)　상태로　유지되며, 대역통과 필터(22)와 저온형 저잡음 증폭기(23)로 이루어진 고주파 디바이스 및 상기 고주파 디바이스를 고정하는 고정대(66)는 표면적 및 중량을 고려하여 설계한다. 따라서, 냉각기(61)의 선택에 있어서 상기의 요인들을 고려하여 적절한 효율을 가지는 냉각기를 선택할 경우, 고온 초전도 전치부보다 적은 비용으로 전치부 제작이 가능한 장점이 있다.
냉각체는　하나　혹은　다수의　대역　통과　필터（22）와　저잡음　증폭기（23）로써　사업자의　요구에　따라　수량이　조정되며，고주파　디바이스　고정대（6６）에　나사로　체결된다．
또한　고주파　디바이스　고정대(66)는　상기의　고주파　디바이스의　수량에　따라　원판형，　삼각형，　사각형　또는　육각형 등의　형태의　구조로　제작　가능하다．
상기의　고주파　디바이스　고정대(66)와　냉각부(62)는　나사에　의해　체결된다.
저온 챔버(63)의　상부　커버（6７）는　고주파　디바이스의　수량에　따라　외부의　장비와　연결가능한 피드쓰루(Feedthru)(68)가　배치되어　있다．
본 발명에서 상기 피드쓰루(68)의 구체적인 제작법 및 열전달 억제 방법은 게재하지 않는다.
상기의　피드쓰루(68)와　초고주파　디바이스는　열전달　방지형　고주파　동축　케이블의　사용이 바람직하다．
저온 챔버(63)의　결합　및　기밀　유지는　오링(O-ring) 또는　용접 등의　방법이　사용가능 하다．
본 발명의 구성과 부품 및 부품의 조립에 의해 제공된 저온형 송ㆍ수신 전치부는 기존의 전치부에 비해 향상된 고주파 특성을 제공 함으로서 기지국의 통화 도달 거리， 에러 없는 고속 통신, 셀 붕괴 현상 감소　및 단말기 및 기지국 송ㆍ수신 전력이 감소하는 점 등의 효과가 있다.
한편, 고온 초전도 필터를 이용한 전치부는 제작 및 유지 비용 면에서는 월등히 저렴하며, 듀플렉서형이면서 저온형 공동 공진기 대역통과 필터는 송신 및 수신을 하나의 장치로 가능하게 함으로써, 고주파 손실의 최소화 가능하며 시스템을 단순화된 형태로 사용 가능하다.
또한, 냉각 장치의　오 동작으로 인한 진공 챔버 내부의 온도가 상온까지 증가하여도, 비록 냉각에 의한 저잡음 증폭기의 잡음지수 감소 효과와 대역 통과 필터의 삽입 손실 감소 효과는 기대할 수 없으나, 상기의 고주파 디바이스는 현재 범용으로 사용하고 있는 전치부와 동일한 고주파 특성을 유지 가능하다. 다시 말하면, 본 발명의 저온형 전치부는 냉각 장치의 오동작시 기존의 범용 전치부와 동일 수준의 고주파 특성을 제공함으로써 이동 통신 서비스의 중단이 없으며, 전치부의 교체 또는 수정에 대한 충분한 시간적 여유를 제공하며, 별도의 바이패스 수단을 구비하지 않아도 된다.
도 1a는 종래의　전치부의　블록도．
도 1b는 종래의　고온　초전도　필터　전치부의　블록도．
도 ２는 본　발명에　따른　저온형　전치부의　블록도．
도 3은 본　발명에서　사용된　저온형　대역통과　필터의　외형도．
도 4는 본 발명의 냉각　온도에　따른　대역통과 필터 성능 향상 그래프.
도 5는 본　발명의　저온형　전치부의　냉각　온도에　따른　잡음 지수　변화　그래프.
도 6은 본　발명의　저온형　송수신 전치부의　구성　및　조립　분해도．
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 -- 안테나,
12 -- 대역통과필터(듀플렉서 또는 다이플렉서),
13 -- 저잡음 증폭기(LNA), 14 -- 선형전력증폭기(LPA),
15 -- 고온 초전도체 대역 통과 필터,
16 -- 극 저온용 저잡음 증폭기, 17 -- 냉각기부착 극저온 챔버,
18 -- 고주파 스위치, 19 -- 관용 필터/증폭기,
21 -- 저온 챔버, 22 -- 대역통과필터,
23 -- 저온형 저잡음증폭기(제1증폭기),
24 -- 제2증폭기, 25 -- 선형 전력증폭기,
26 -- 저온챔버, 31 -- 출력컨넥터,
32 -- 수신컨넥터, 33 -- 송신컨넥터,
61 -- 냉각기, 62 -- 냉각부,
63 -- 저온 챔버, 66 - 고주파디바이스 고정대,
67 -- 상부커버, 68 -- 피드쓰루.

Claims (4)

  1. 듀플렉서형의 대역통과 필터와 전계효과반도체를 이용한 저온형 저잡음 증폭기를 구비한 초고주파 송·수신부, 상기 초고주파 송·수신부를 수납하는 저온 진공 챔버, 상기 저온 진공 챔버내의 고주파 송·수신부를 100 에서 150 켈빈(Ｋ)으로 냉각시키는 냉각기를 포함한 초고주파 송·수신형 저온 전치부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대역통과 필터는 그를 형성하는 금속 함체가 열팽창율이　낮은　금속(인바, 코바 또는 구리)로 이루어져, 온도에 따른 중심주파수의 변화가 1 MHz 이하의 공동 공진기형 필터인 것을 특징으로 하는 초고주파 송수신형 저온 전치부.
  3. 제1항에 있어서, 상기 대역통과 필터는 유전체의 주파수 온도계수가 낮고 저온 및　상온에서의　온도변화에 따른 중심주파수의　변화가　１ MHz 이하인　유전체형 필터인 것을 특징으로 하는 초고주파 송수신형 저온 전치부.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저온 진공 챔버내에 설치되는 냉각기의 냉각부에는 고정대가 체결되고, 상기 고정대에는 대역통과 필터와 저잡음 증폭기가 연결설치되며, 상기 대역통과 필터와 저잡음 증폭기는 저온 진공 챔버의 상부 커버에 설치되는 피드쓰루와 열전도도가 낮은 케이블로 연결된 것을 특징으로 하는 초고주파 송수신형 저온 전치부.
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