KR20060009767A - 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기설계방법 및 그 저잡음증폭기 - Google Patents

휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기설계방법 및 그 저잡음증폭기 Download PDF

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KR20060009767A
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Abstract

본 발명은 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법 및 그 저잡음증폭기에 관한 것으로, 외부에 추가되는 리미터(140) 회로의 구현없이 저잡음증폭기(110) 내에 추가된 리미터 다이오드(Limiter Diode)만으로 수신단 저잡음증폭기(110)가 송신전력의 누설신호와 반사파전력에 견딜수 있고, 리미터 다이오드에서 발생되는 혼변조 및 3차왜곡성분이 안테나(100)로 방사되지 않으며, 이러한 저잡음증폭기(110) 설계방법을 통해 최종 출력되는 송신전력에 대한 충분한 신호 순도(signal purity)가 확보되어 파형 특성(waveform quality) 및 스펙트럼 마스크(spectrum mask) 특성이 개선됨과 동시에, 외부에 추가적인 리미터(140) 회로를 구현할 필요성이 없어짐에 따라 간결한 시스템 설계와 비용절감이 가능해지는 효과가 있다.
휴대인터넷, TDD, 안테나, 저잡음증폭기, LNA

Description

휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법 및 그 저잡음증폭기{DESIGN METHOD OF LOW NOISE AMPLIER IN PORTABLE INTERNET TIME DIVISION DUPLEXING ANTENNA PART AND THE LOW NOISE AMPLIER}
도 1은 종래 기술에 따른 써큘레이터를 이용한 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 구성도.
도 2a는 종래 기술에 따른 써큘레이터의 누설신호와 리미터의 반사파로 인한 송신전력의 혼변조 및 3차왜곡 발생을 설명하기 위한 구성도.
도 2b는 도 2a에 따른 주파수 영역에서의 출력변화를 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명에 따른 송신단 누설신호로부터 보호되는 평형 저잡음증폭기를 설명하기 위한 구성도.
도 3b는 도 3a에 따른 주파수 영역에서의 출력변화를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 평형 저잡음증폭기 설계방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 안테나(Antenna)
110: 저잡음증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)
120: 전력증폭기(PA: Power amplifier)
130: 써큘레이터(Circulator)
130a: 송신단 써큘레이터
140: 리미터
200: 평형 저잡음증폭기(Balanced Path Low Noise Amplifier)
210, 210': 90°3dB 하이브리드(90°3dB Hybrid)
220, 220': 리미터 다이오드
230: 제1 3단증폭기
230': 제2 3단증폭기
본 발명은 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법 및 그 저잡음증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부에 추가되는 리미터(140) 회로의 구현없이 저잡음증폭기(110) 내에 추가된 리미터 다이오드(Limiter Diode)만으로 수신단 저잡음증폭기(110)가 송신전력의 누설신호와 반사파전력에 견딜수 있고, 리미터 다이오드에서 발생되는 혼변조 및 3차왜곡성분이 안테나(100)로 방사되지 않으며, 이러한 저잡음증폭기 설계방법을 통해 최종 출력되는 송신전력에 대한 충분한 신호 순도(signal purity)가 확보되어 파형 특성(waveform quality) 및 스펙트럼 마스크(spectrum mask) 특성이 개선됨과 동시에, 외부에 추가적인 리미터(140) 회로를 구현할 필요성이 없어짐에 따라 간결한 시스템 설계와 비용절감이 가능해지도록 하는 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법 및 그 저잡음증폭기에 관한 것이다.
최근의 무선통신망은 음성통화를 주로한 동기식 코드분할다중접속(CDMA: Code Division Multiple Access) 방식에서 음성 및 영상을 함께 처리하는 3세대(3G: 3rd Generation) 비동기식 광대역 코드분할다중접속 방식으로 진화하고 있으며, 더 나아가 고속의 이동성과 고속의 데이터 전송을 유지하며 무선으로 인터넷을 사용할 수 있도록 함으로써 사용자가 언제 어디서나 인터넷에 접속해서 필요한 정보를 얻을 수 있도록 하는 휴대인터넷(Portable Internet) 기술이 주요한 관심사로 부상하고 있다. 휴대인터넷은 현재 와이브로(Wi Bro)라는 명칭으로 서비스 사업자 및 장비 제조업체 등이 연구그룹을 결성하여 국제표준을 제정하고 있다.
휴대인터넷 서비스 시스템을 구성하는 무선통신망은 공통적으로 부호분할다중접속(CDMA: Code Division Multiple Access) 방식을 채택하고 있으며, 분할이중(DD: Division Duplex)방식에 따라 주파수분할이중(FDD: Frequency Division Duplex) 방식과 시간분할이중(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 크게 나뉘어진다. 최근에는, 고속의 이동성을 유지하며 고속의 데이터를 처리하기 위하여 직교주파수분할다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송 방식과 함께, 사용자의 주파수 효율성을 고려한 시간분할이중(TDD: Time Division Duplexing) 방식이 상용화되고 있다. 주파수분할이중방식은 송·수신 주파수 대역을 다르게 하는 풀 듀플렉서(Full Duplexer) 방식으로, 송신과 수신이 서로 영향을 주지 않고 송수신을 동시에 처리하도록 하는 방식이나, 시간분할이중방식은 송·수신시 같은 주파수 대역을 사용하되 전송시간을 서로 다르게 하여 송·수신시 간섭을 주지 않도록 처리하는 방식이다.
시간분할이중방식을 사용하는 휴대인터넷 서비스 시스템의 기지국, 액세스 포인트(AP: Access Point), 중계기 등 송신전력이 대출력을 사용하는 장치들에서는, 하나의 안테나로 송·수신을 겸하기 위해 장치 내에 써큘레이터를 사용하는 방식이 고려되어 왔다.
도 1은 종래 기술에 따른 써큘레이터를 이용한 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 구성도이다.
시간분할이중방식을 사용하는 휴대인터넷 서비스 시스템의 각 장치(기지국, 액세스 포인트, 중계기 등)에서, 송·수신 안테나를 공유하는 종래 기술은 도 1과 같이 써큘레이터(130)를 구비하고, 써큘레이터(130)의 방향성을 이용하여 송·수신신호가 서로 영향을 주지 않도록 하는 방식이다. 3단자의 신호분기 회로소자인 써큘레이터는 120도 각도로 3개의 단자가 둘러있는 형상으로, 내부에는 공진판과 페라이트 등의 자성체가 배치되어 있다. 써큘레이터에 구성된 3개의 단자 중 하나로 전력이 입사되어 나머지 두 개의 단자 중 하나로만 출력되고, 나머지 하나로는 출 력되지 않는다. 그래서, 3단자 소자이면서도 방향성을 가지고 회전하듯이 특정 방향의 단자로만 에너지를 전달한다.
써큘레이터(130)의 방향성을 이용하여 송신주기시 전력증폭기(120)를 온(On) 시켜 송신전력이 안테나(100) 방향으로 송출되도록 하고, 수신주기시 안테나(100)에서 들어오는 수신신호가 저잡음증폭기(110) 방향으로 수신되도록 하는 것이다. 그러나, 실제 써큘레이터는 방향성 외에 역방향에 대한 누설신호(leakage signal)가 존재하여, 송신주기시 전력증폭기(120)를 온(On) 시켜 송신전력을 써큘레이터(130)를 통해 안테나(100)로 송출하는 경우, 그와 동시에 역방향으로 -20dB 정도의 송신전력이 수신단으로 인가되게 된다. 휴대인터넷 서비스 시스템의 기지국, 액세스 포인트, 중계기 등에서는 43dBm, 즉 20W 이상의 송신전력이 요구되는 바, 이러한 누설신호로 인하여 수신단에는 23dBm(200mW) 정도의 누설전력이 인가된다.
또한, 운용시 안테나(100) 및 안테나 급전선(Feeder Cable)에서 문제가 발생되어 안테나단의 50Ω 특성임피던스가 미스매칭(mis-matching)되는 경우에는 안테나(100)로 송출될 수십 W의 전력이 써큘레이터(130)를 통해 수신단으로 인가되게 된다.
이와 같이, 도 1과 같은 종래 기술의 경우, 두 개의 안테나를 사용하는 것보다 안테나 및 안테나 동축케이블을 줄임으로써 설치비용 등은 절감할 수 있으나, 운용시 수신단 저잡음증폭기(110)로 수백 mW에서 수십 W의 전력이 인가되어 저잡음증폭기(110)가 포화되거나 높은 전력의 인가로 인해 내부회로가 파괴될 수 있다는 문제점이 있었다.
도 2a는 종래 기술에 따른 써큘레이터의 누설신호와 리미터의 반사파로 인한 송신전력의 혼변조 및 3차왜곡 발생을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 주파수 영역에서의 출력변화를 나타낸 도면이다.
도 1과 같은 구성의 경우 이미 설명한 바와 같이, 수신단 저잡음증폭기(110)로 수백 mW에서 수십 W의 전력이 인가되어 저잡음증폭기(110)가 포화되거나 높은 전력이 인가됨으로 인해 내부 회로가 파괴되는 현상이 발생될 수 있는데, 이를 방지하기 위해 도 2a와 같이 저잡음증폭기(110) 전단에 리미터(140) 회로를 구성함으로써 높은 전력이 인가되어도 리미터(140) 회로에서 억제하여 저잡음증폭기(110)를 보호하도록 한다. 또한, 리미터(140)에서 억제되지 않은 소전력의 송신단 노이즈(noise) 등이 누설되어 저잡음증폭기(110)를 통해 수신단에서 증폭되는 것을 방지하기 위해, 송신주기시에는 저잡음증폭기(110)를 오프(Off) 상태로 하여 송·수신신호의 분리도(isolation)를 최대한 확보하도록 설계되어지고 있다. 신호의 분리도(isolation)는 여러 신호가 한 회로를 동시에 이용할 때, 각 신호끼리 분리해주는 정도를 의미하는 것으로 각 신호가 서로 얼마나 간섭을 덜 일으키느냐를 나타내는 척도이다. 수신주기인 경우 반대로 저잡음증폭기(110)를 온(On) 상태로 하여 안테나(100)로부터 수신신호를 증폭하며, 이때, 송신단 전력증폭기(120)는 오프(Off) 상태가 되도록 설계된다.
그러나, 이러한 종래 기술에 따르면, 송신주기시 누설된 송신전력의 누설신 호가 리미터(140)에서 억제되더라도 저잡음증폭기(110)는 오프(Off) 상태여서 50Ω 특성임피던스가 아닌 상태이므로, 억제된 누설신호는 다시 안테나단으로 반사를 일으키게 된다는 문제점이 있었다. 더욱이, 리미터(140) 회로는 비선형 소자인 다이오드로 이루어져 있어서, 반사된 누설신호 이외에 3차왜곡성분 등 혼변조(IM: Inter-Modulation)가 발생되게 된다. 3차왜곡성분을 가진 리미터 반사파는 수신단 써큘레이터(130b)의 역방향을 따라 다시 안테나단으로 진행하게 되고, 안테나단에서는 송신단의 전력증폭기(120)에서 증폭된 송신신호 및 리미터(140)에서 반사되어 온 누설신호와 더불어, 리미터(140)를 통과하면서 생성된 3차왜곡성분이 결합되게 된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 송신단에서 대출력의 송신전력이 출력되는 단계(S100), 송신전력의 역방향 누설신호가 수신단으로 인가되어 20dB의 손실이 발생하는 단계(S110), 역방향 누설신호와 그에 대한 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합된 리미터 반사파가 리미터(140)에서 반사되는 단계(S120), 리미터 반사파가 수신단 써큘레이터(130b)를 통과하는 단계(S130), 리미터 반사파가 송신전력에 결합됨으로써 혼변조 및 3차왜곡성분을 가진 최종 송신전력이 안테나단으로 출력되는 단계(S140) 등이 수행됨을 알 수 있다.
결과적으로, 송신부 전력증폭기(120)에서 송신신호만 출력하더라도 주변 회로구성의 영향에 따라 최종 송신전력이 안테나단에서 혼변조 및 3차왜곡성분을 가지고 안테나(100)를 통해 방사되며, 디지털통신에서 매우 중요한 신호 순도(Signal Purity)에 영향을 주는 혼변조 및 3차왜곡성분의 발생으로 비트 에러율(BER: Bit Error Rate), 파형 특성(Waveform quality) 등이 악화되어 휴대인터넷 서비스 시스템의 성능이 저하되고 데이터가 깨지는 현상 등이 발생될 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 외부에 추가의 리미터(140) 회로를 구성하기보다는 저잡음증폭기에 평형증폭기의 특성을 적용하여 추가회로의 구현없이 리미터 다이오드(Limiter Diode)만을 추가하여 송신전력의 누설신호와 반사파전력에 견딜수 있도록 하고, 리미터 다이오드에서 발생되는 혼변조 및 3차왜곡성분이 안테나(100)로 방사되지 않도록 하며, 이러한 저잡음증폭기 설계방법을 통해 최종 출력되는 송신전력에 대한 충분한 신호 순도(signal purity)를 확보하여 파형 특성(waveform quality) 및 스펙트럼 마스크(spectrum mask) 특성을 개선함과 동시에, 외부에 추가적인 리미터(140) 회로를 구현할 필요성이 없어짐에 따른 간결한 시스템 설계와 비용절감이 가능하도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기는, 송·수신 겸용 안테나(100), 상기 안테나(100)를 통해 외부로 송신전력을 방사하는 송신단 전력증폭기(120), 상기 안테나(100)를 통해 외 부로부터의 수신신호가 인가되는 수신단의 저잡음증폭기, 송신주기에는 상기 전력증폭기(120)를 온(On) 시키고 상기 저잡음증폭기를 오프(Off) 시켜 송신전력을 송출하고, 수신주기에는 상기 저잡음증폭기를 온(On) 시키고 상기 전력증폭기(120)를 오프(Off) 시켜 수신신호를 인가받는 써큘레이터(130)를 구비하여 하나의 안테나로 송·수신을 공유하는 시간분할이중방식으로 휴대인터넷 서비스를 제공하도록 하기 위한 안테나단의 저잡음증폭기를 구성함에 있어, 상기 저잡음증폭기는 송신전력의 누설신호를 억제하여 누설전력이 후단으로 인가되지 않도록 하는 리미터 다이오드(220, 220')를 내부에 구비한 평형구조로 형성되어 전체 입력단을 50Ω 특성임피던스로 매칭시켜 송신전력 출력시 수신단으로 인가되는 역방향 누설신호로 인해 포화되거나 내부회로가 파괴되는 것을 방지하는 평형 저잡음증폭기(20)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 평형 저잡음증폭기(200)는, 접지단자가 50Ω 저항으로 접지되어 반사파가 입력으로 되돌아가지 않고 두 신호 위상의 합과 차에 의해 50Ω 종단(termination)으로 인가되어 소모되도록 하는 입·출력단의 90°3dB 하이브리드(210, 210')와, 입·출력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210, 210') 사이에 각각 결합된 제1 3단증폭기(230) 및 제2 3단증폭기(230')를 추가로 구비하되, 입력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210)는 상기 평형 저잡음증폭기(200)로 인가되는 송신전력의 누설신호를 입력단자를 통해 입력받아 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')에 2분배된 신호가 90°위상차를 갖도록 두 갈래로 분배하고, 출력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210')는 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단 증폭기(230')를 거친 두 개의 신호를 동위상 합성하며, 상기 리미터 다이오드(220, 220')는 일단은 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')의 첫째단 증폭기의 입력단에 연결되고, 다른 일단은 접지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')는 저잡음 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법은, 휴대인터넷 서비스를 제공하기 위한 기지국, 액세스 포인트, 중계기에 적용되어 하나의 안테나로 송·수신을 공유하기 위한 안테나단의 저잡음증폭기를 설계하는 방법에 있어, 송신주기에서, 송신단으로부터 대출력의 송신전력이 출력되는 단계(S200)와, 송신전력의 누설신호가 수신단으로 인가되어 송신단에서 출력된 송신전력이 20dB 손실되는 단계(S210)와, 수신단으로 인가된 누설신호가 평형 저잡음증폭기(200) 내부의 리미터 다이오드(220, 220')를 통과함에 따라 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합된 리미터 반사파가 생성되는 단계(S220)와, 평형 저잡음증폭기(200) 내부에 구성된 입·출력단의 90°3dB 하이브리드(210, 210') 접지단자를 통해 반사파전력이 50Ω 종단(termination)으로 소모되어 평형 저잡음증폭기(200)에 대한 입력임피던스가 50Ω 특성임피던스로 매칭되는 단계(S230)와, 반사파전력이 소모됨에 따라, 송신전력에 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합되지 않은 원래 상태로 최종 송신전력이 안테나(100)를 통해 방사되는 단계(S240) 등으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에서 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 3a는 본 발명에 따른 송신단 누설신호로부터 보호되는 평형 저잡음증폭기를 설명하기 위한 구성도이고, 도 3b는 도 3a에 따른 주파수 영역에서의 출력변화를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b에서 설명한 바와 같이, 시간분할이중방식을 사용하는 휴대인터넷 서비스 시스템의 기지국, 액세스 포인트, 중계기에서 하나의 안테나(100)를 통해 송·수신신호를 공용화하기 위하여 써큘레이터(130)를 사용하는 경우, 써큘레이터(130)에서 누설된 수백 mW 이상의 송신단 송신전력이 저잡음증폭기(110)에 인가되어, 저잡음증폭기가 포화되거나 내부회로가 파괴되게 된다.
본 발명에서는 송신전력의 누설신호에 의하여 저잡음증폭기(110)가 포화되거나 내부회로가 파괴되는 현상을 방지하기 위해, 평형구조 특성을 갖는 평형 저잡음증폭기(200)를 설계하여 송신단 누설신호로부터 보호한다. 평형 저잡음증폭기(200)의 입출력단에는 90°3dB 하이브리드(210, 210')를 각각 구성하고, 90°3dB 하이브리드(210, 210') 사이에 두 개의 3단증폭기(230, 230')를 구성한다. 평형 저잡음증폭기(200) 내 3단증폭기(230, 230')의 첫째단 증폭기(저잡음 트랜지스터 등) 회로부 전단에는 리미터 다이오드(220, 220')를 구성하여, 리미터 다이오드(220, 220') 에서 송신전력의 누설신호를 억제하여 수백 mW [23dBm(200mW) 수준] 이상의 전력이 그 후단으로 인가되지 않도록 하며, 평형구조의 특성을 이용하여 잡음지수 특성 및 입·출력 반사손실의 저하 없이 저잡음증폭기 본래의 특성을 구현한다.
평형 저잡음증폭기(200)로 입력된 송신전력의 누설신호는 90°3dB 하이브리드(210)를 거쳐 두 갈래로 분배되고, 각각 같은 특성의 3단증폭기(230, 230')를 거친 후 다시 90°3dB 하이브리드(210')를 거쳐 합성된 후 출력된다. 여기서, 입력단의 90°3dB 하이브리드(210)를 거쳐 2분배된 신호는 서로 90°의 위상차를 가지게 된다. 한편, 합성을 위한 출력단의 90°3dB 하이브리드(210')에서는, 각각의 3단증폭기(230, 230')를 거친 두 개의 신호가 90°위상차를 이미 가진채 합성되어, 결과적으로 출력단에서는 동위상으로 합성된다.
이득면에서 살펴보면, 평형 저잡음증폭기(200)로 입력된 신호는 90°3dB 하이브리드(210)를 거치며 2분배되므로, 입력 전력 레벨에 비해 각각 3dB 씩 전력이 감쇠되고, 출력단에서는 3dB씩 줄어든 신호가 각각 증폭되어 90°3dB 하이브리드(210')로 입력된다. 출력단의 90°3dB 하이브리드(210') 역시 그냥 하나의 신호를 입력하게 되면 출력에서는 3dB의 감쇠가 있으나, 출력신호를 합성할 때, 제1 3단증폭기(230)를 거쳐 출력단자에 출력되는 신호와 제2 3단증폭기(230')를 거쳐 출력단자로 출력되는 신호가 서로 180°의 위상차를 가지며 역위상이 되기 때문에, 출력단자에서는 신호가 상쇄되어 아무런 전력출력이 감지되지 않는다. 즉, 이런 위상변환 관계들로 인해 90°3dB 하이브리드(210, 210')를 앞뒤로 똑같이 이용하여 전력을 분배/합성 하게 되면, 90°3dB 하이브리드(210, 210') 자체에 의한 신 호 손실은 없다. 또한, 최종 출력에서 각각의 3단증폭기(230, 230') 출력이 동위상 합성되기 때문에, 합성되면서 신호의 크기는 2배로 커져, 90°3dB 하이브리드(210)를 거치며 감쇠된 3dB는 출력단에서 완전하게 보상된다.
90°3dB 하이브리드(210, 210')는 제1 3단증폭기(230), 제2 3단증폭기(230')를 구성하는 각 증폭기들의 입출력 반사 특성을 개선시킬 수 있다. 일단. 두 개의 3단증폭기(230, 230') 신호가 통과주파수 대역 이외는 전반사한다고 가정하면, 입력단자로부터 입력된 신호는, 제1 3단증폭기(230)에 비해 제2 3단증폭기(230')에 위상이 90°지연되어 입력되게 되고, 각각의 3단증폭기(230, 230')에서 반사된 신호는 제2 3단증폭기(230')가 제1 3단증폭기(230)에 비해 90°지연된 채로 입력단 3dB 하이브리드(210)를 되돌아와서 합성되게 된다. 이렇게 입력단자로 들어간 신호가 두 개의 3단증폭기(230, 230')에서 각각 반사되어 돌아올 때, 제2 3단증폭기(230')에서의 반사신호는 90°를 두 번 거치며(들어가면서, 나오면서) 결과적으로 제1 3단증폭기(230)의 신호와 총 180°의 위상차를 가지게 되며, 이 두 신호는 서로 역위상으로 상쇄되어 사라지게 된다. 이런 특성으로 인해 증폭기 자체의 반사특성이 나빠도, 입력단자 측에서는 반사파가 상쇄되어 없어져 버리기 때문에 입출력 반사특성(VSWR, S11, S22) 등이 크게 개선되게 된다. 물론, 이러한 조건은 제1 3단증폭기(230)와 제2 3단증폭기(230')의 특성이 완전히 동일하다는 가정하의 일이며, 통상적으로 평형구조 특성을 갖는 증폭기에서는 똑같은 앰프 소자를 병렬로 사용한다.
평형 저잡음증폭기(200) 구조에서, 두 개의 3단증폭기(230, 230') 구성단에 서 첫째단 증폭기에서 바라본 임피던스가 50Ω으로 매칭되지 않더라도 두 개의 3단증폭기(230, 230') 구성단 임피던스가 같으면 90°3dB 하이브리드(210) 입력에서의 임피던스는 50Ω 특성임피던스로 매칭된 것 같이 나타난다. 이는, 90°3dB 하이브리드(210, 210')의 특성상 반사파가 입력으로 되돌아가는 것이 아니라 위상의 합과 차에 의해 50Ω 종단(termination)으로 소모되기 때문이다.
이러한 평형구조 특성을 이용하여 리미터 다이오드(220, 220')를 추가로 구성하더라도 두 개의 리미터 다이오드(220, 220')가 같은 임피던스 값을 가지면 추가 매칭회로 없이 전체 저잡음증폭기는 50Ω 임피던스 매칭된 것 같이 나타나며, 리미터 다이오드(220, 220')에서 억제된 송신전력은 반사를 일으켜 써큘레이터(130)로 인가되지 않고 평형구조 증폭기 특성에 의해 반사파는 90°3dB 하이브리드(210, 210')단의 50Ω 종단(termination)으로 인가되어 열로 소모되게 된다. 이때 50Ω 종단(termination)은 반사파전력에 상응하는 용량의 50Ω 저항을 사용하면 된다.
리미터 다이오드(220, 220')는 입력전압이 설정된 범위내에 있을때는 입력전압에 대해 선형 출력되지만 입력전압이 설정된 범위를 넘을 때는 출력이 그 설정값 이상이 되지않게 억제한다. 다만, 리미터 다이오드(220, 220')를 이용한 회로에서는 다이오드의 순방향 전압강하(Vf)에 의해 차단전압이 결정되는데 이것은 약 0.6 V로 거의 일정하지만 전류나 주변온도에 의해 약간의 변동이 있다.
본 발명에 따른 평형 저잡음증폭기(200)를 사용하면, 저잡음증폭기 외부에 리미터(140) 회로를 구성하였을 때와 비교하여 리미터 다이오드(220, 220')에서 생길 수 있는 혼변조 및 3차왜곡성분이 평형구조로 인해 다시 안테나단으로 반사되지 못하게 되어 송신신호의 신호 순도(signal purity) 저하를 방지할 수 있다. 그리고, 외부에 리미터(140) 회로를 구성하는 경우라면 리미터 다이오드와 매칭회로 등을 추가로 구성하여야 하나, 본 발명에 따른 평형 저잡음증폭기(200)는 리미터 다이오드(220, 220')만을 추가하므로 전체 회로 내지 시스템을 간결하게 구성할 수 있다. 또한, 90°3dB 하이브리드(210)에서 바라본 임피던스를 동일하게 설계할 수 있으므로, 저잡음증폭기 자체의 잡음지수 및 입·출력 반사손실의 저하 없이 설계 가능하다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 평형 저잡음증폭기 설계방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 평형 저잡음증폭기 설계방법은, 송신주기에서, 송신단으로부터 대출력(43dBm 수준)의 송신전력이 출력되는 단계(S200)와, 송신전력의 누설신호가 수신단으로 인가되어 송신단에서 출력된 송신전력이 20dB 손실되는 단계(S210)와, 수신단으로 인가된 누설신호가 평형 저잡음증폭기(200) 내부의 리미터 다이오드(220, 220')를 통과함에 따라 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합된 리미터 반사파가 생성되는 단계(S220)와, 평형 저잡음증폭기(200) 내부에 구성된 입·출력단의 90°3dB 하이브리드(210, 210') 접지단자를 통해 반사파전력이 50Ω 종단(termination)으로 소모되어 평형 저잡음증폭기(200)에 대한 입력임피던스가 50Ω 특성임피던스로 매칭되는 단계(S230)와, 반사파전력이 소모됨에 따라, 송신전력에 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합되지 않은 원래 상태로 최종 송신전력이 안테나(100)를 통해 방사되는 단계(S240) 등으로 이루어진다.
상기 본 발명은 당업자의 요구에 따라 기본 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 외부에 추가되는 리미터(140) 회로의 구현없이 저잡음증폭기 내에 추가된 리미터 다이오드(Limiter Diode)만으로 수신단 저잡음증폭기가 송신전력의 누설신호와 반사파전력에 견딜수 있고, 리미터 다이오드에서 발생되는 혼변조 및 3차왜곡성분이 안테나(100)로 방사되지 않으며, 이러한 저잡음증폭기 설계방법을 통해 최종 출력되는 송신전력에 대한 충분한 신호 순도(signal purity)가 확보되어 파형 특성(waveform quality) 및 스펙트럼 마스크(spectrum mask) 특성이 개선됨과 동시에, 외부에 추가적인 리미터(140) 회로를 구현할 필요성이 없어짐에 따라 간결한 시스템 설계와 비용절감이 가능해지는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 송·수신 겸용 안테나(100), 상기 안테나(100)를 통해 외부로 송신전력을 방사하는 송신단 전력증폭기(120), 상기 안테나(100)를 통해 외부로부터의 수신신호가 인가되는 수신단의 저잡음증폭기, 송신주기에는 상기 전력증폭기(120)를 온(On) 시키고 상기 저잡음증폭기를 오프(Off) 시켜 송신전력을 송출하고, 수신주기에는 상기 저잡음증폭기를 온(On) 시키고 상기 전력증폭기(120)를 오프(Off) 시켜 수신신호를 인가받는 써큘레이터(130)를 구비하여 하나의 안테나로 송·수신을 공유하는 시간분할이중방식으로 휴대인터넷 서비스를 제공하도록 하기 위한 안테나단의 저잡음증폭기를 구성함에 있어,
    상기 저잡음증폭기는 송신전력의 누설신호를 억제하여 누설전력이 후단으로 인가되지 않도록 하는 리미터 다이오드(220, 220')를 내부에 구비한 평형구조로 형성되어 전체 입력단을 50Ω 특성임피던스로 매칭시켜 송신전력 출력시 수신단으로 인가되는 역방향 누설신호로 인해 포화되거나 내부회로가 파괴되는 것을 방지하는 평형 저잡음증폭기(20)인 것을 특징으로 하는 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평형 저잡음증폭기(200)는,
    접지단자가 50Ω 저항으로 접지되어 반사파가 입력으로 되돌아가지 않고 두 신호 위상의 합과 차에 의해 50Ω 종단(termination)으로 인가되어 소모되도록 하는 입·출력단의 90°3dB 하이브리드(210, 210'); 입·출력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210, 210') 사이에 각각 결합된 제1 3단증폭기(230) 및 제2 3단증폭기(230');를 추가로 구비하되,
    입력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210)는 상기 평형 저잡음증폭기(200)로 인가되는 송신전력의 누설신호를 입력단자를 통해 입력받아 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')에 2분배된 신호가 90°위상차를 갖도록 두 갈래로 분배하고, 출력단의 상기 90°3dB 하이브리드(210')는 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')를 거친 두 개의 신호를 동위상 합성하며,
    상기 리미터 다이오드(220, 220')는 일단은 상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')의 첫째단 증폭기의 입력단에 연결되고, 다른 일단은 접지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 3단증폭기(230) 및 상기 제2 3단증폭기(230')는 저잡음 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증 폭기.
  4. 휴대인터넷 서비스를 제공하기 위한 기지국, 액세스 포인트, 중계기에 적용되어 하나의 안테나로 송·수신을 공유하기 위한 안테나단의 저잡음증폭기를 설계하는 방법에 있어,
    송신주기에서, 송신단으로부터 대출력의 송신전력이 출력되는 단계(S200); 송신전력의 누설신호가 수신단으로 인가되어 송신단에서 출력된 송신전력이 20dB 손실되는 단계(S210); 수신단으로 인가된 누설신호가 평형 저잡음증폭기(200) 내부의 리미터 다이오드(220, 220')를 통과함에 따라 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합된 리미터 반사파가 생성되는 단계(S220); 평형 저잡음증폭기(200) 내부에 구성된 입·출력단의 90°3dB 하이브리드(210, 210') 접지단자를 통해 반사파전력이 50Ω 종단(termination)으로 소모되어 평형 저잡음증폭기(200)에 대한 입력임피던스가 50Ω 특성임피던스로 매칭되는 단계(S230); 반사파전력이 소모됨에 따라, 송신전력에 혼변조 및 3차왜곡성분이 결합되지 않은 원래 상태로 최종 송신전력이 안테나(100)를 통해 방사되는 단계(S240);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대인터넷 시간분할이중방식 안테나단의 저잡음증폭기 설계방법.
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