KR20090016305A - 믹서 및 이를 구비한 송수신 장치 - Google Patents

Abstract

믹서 및 이를 구비한 송수신 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 믹서는 입력 국부 발진(LO) 신호를 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및 LO 차동신호를 제1입력, 제1주파수를 갖는 제1신호를 제2입력으로 하여 LO 차동신호와 제1신호를 차동 증폭하여 제2주파수의 제2신호를 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 한다.

Description

믹서 및 이를 구비한 송수신 장치{Mixer, transmitter and receiver comprising the same}

본 발명은 믹서에 관한 것으로, 특히 마이크로파 및 밀리미터파 송수신기 구조에서 단일 신호를 차동신호로 변환하는 믹서 및 이를 구비한 송수신 장치에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-046-03, 과제명: 전파자원 이용 기반 기술 개발].

지식 정보화시대에 무선통신 시스템은 기가비트급 이상의 전송속도를 요구하는 단계에 도달해 있으며 이는 이미 포화상태의 기존 주파수 대역이 아닌 밀리미터파(milimeter wave) 대역을 이용한 WPAN(Wireless Personal Area Network)과 같은 응용을 발전시키고 있다. 하지만, 밀리미터파 대역의 통신 시스템은 개별 소자로 구성되어서 크고, 고가이기 때문에 이 대역이 범용화하는데 있어서 단점으로 작용했다. 이런 단점을 극복하기 위하여 Si, Ge 또는 Si CMOS 기술을 이용한 단일 칩 형태의 밀리미터파 송수신기 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

종래의 송수신기 구조는 슈퍼헤테로다인, 직접변환 등 다양한 구조가 제안되고 있으나, 이들 구조는 송신기와 수신기 믹서에 입력되는 국부 발진(LO) 주파수를 동일하게 사용한다. 이는 송신기와 수신기가 LO 및 LO/2 주파수에 대해 각각 다른 특성을 나타내는 점을 이용하지 않는 것이다.

또한 IF 차동신호를 출력하기 위해서 믹서의 LO가 차동신호여야 하며 RF 신호가 트랜지스터의 소스로 입력되어 큰 변환손실값을 갖는다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 송신기 및 수신기에 적용되는 LO 주파수가 일측은 LO 주파수, 타측은 LO/2 주파수를 사용하여 송신기에서는 LO 제거 특성을 향상시키며, 수신기에서는 고주파 성분을 덜 발생시키는 믹서, 이를 포함한 송신 장치 및 수신 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 믹서는 입력 국부 발진(LO) 신호를 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및 상기 LO 차동신호를 제1입력, 제1주파수를 갖는 제1신호를 제2입력으로 하여 상기 LO 차동신호와 상기 제1신호를 차동 증폭하여 제2주파수의 제2신호를 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 송신 장치는 국부 발진(LO) 신호를 생성하는 국부발진부; 및 상기 LO 신호와 입력되는 차동 중간 주파수(IF) 신호를 혼합하여 단일 RF 신호로 변환하는 믹서를 포함하고, 상기 믹서는

상기 LO 신호를 LO 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및 상기 LO 차동신호과 상기 입력 차동 IF 신호를 차동 증폭하여 상기 단일 RF 신호로 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 수신 장치는 국부 발진(LO) 신호 또는 LO/2 주파수 신호를 생성하는 국부발진부; 및 수신한 단일 RF신호를 상기 LO 또는 LO/2 주파수 신호와 혼합하여 IF 차동 신호로 변환하는 믹서를 포함하고, 상기 믹서는

상기 LO 또는 LO/2 주파수 신호를 LO 또는 LO/2 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및 상기 LO 차동 신호 및 상기 단일 RF 신호, 또는 상기 LO/2 차동 신호 및 상기 단일 RF 신호를 차동 증폭하여 상기 IF 차동 신호로 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 송신기와 수신기에 서로 다른 LO 주파수를 사용함으로써 송신기에서는 LO 주파수 제거 특성을 향상시키고 수신기에서는 고주파 성분에 따른 성능 열화를 최소화시켜서 전체 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

일반적으로 송신기에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 송신기 RF 증폭기의 입력 또는 출력에 믹서를 통해 흘러 들어오는 LO 신호의 크기가 얼마나 크고, 이를 얼마만큼 제거해야 하는지에 관한 LO제거 값이며 이는 믹서의 중요한 성능을 나타 낸다. LO신호는 믹서의 RF 출력단에 필터나 개방선로를 사용하면 어느 정도 제거할 수 있으나, LO가 RF와 가까이 있다면 쉽지 않다. 따라서 믹서에서 LO신호와 RF 신호간 격리도가 큰 구조를 고려할 필요가 있다. 따라서 LO신호를 RF단에 작게 발생하는 특성을 갖는 서브하모닉(sub-harmonic) 구조의 믹서를 이용하여 송신기를 설계할 필요가 있다.

수신기의 경우, 송신기와 마찬가지로 서브하모닉 구조를 사용한다면, 직접변환 방식의 경우 DC 오프셋(offset)을 줄이는 장점이 있다. 그러나 헤테로다인(heterodyne) 방식의 경우 IF 신호의 주파수 근처에 큰 고조파를 발생시키므로 고차 필터를 채용해야 한다. 고차 필터를 채용한다면, 수신 성능이 열화되므로 수신기에는 LO 주파수를 사용하는 기본적인 믹서를 사용할 필요가 있다.

종래의 신호 송수신기에서 IF신호와 LO 신호는 차동신호이며, RF신호는 단일신호이다. 이 경우 송신기와 수신기에 일반적으로 사용되는 믹서는 IF, RF, LO신호 모두가 차동 신호인 이중 평형(double-balanced) 구조이다. 송신기는 RF 차동신호를 RF 단일 신호로 만들기 위해 발룬(balun) 결합기를 사용하고, 수신기에서는 RF 단일신호를 차동신호로 만들기 위해 발룬 분배기를 사용해야 한다.

그러나 밀리미터파 대역에서 이중 평형 구조와 같은 복잡한 구조의 설계 또는 레이아웃은 설계와 레이아웃상의 오차가 크기 때문에 잘 사용되지 않는다. 또한 송신과 수신단의 신호 전달 경로상에 발룬을 사용하는 것은 전체적인 이득 및 잡음지수를 증가시켜 시스템의 성능악화를 가져온다. 따라서 성능 오차를 줄일 수 있는 구조의 간단한 구조의 믹서가 요구되며, 또한 송수신 경로상에 발룬을 사용하지 않 는 구조가 필요하다.

도 1은 본 발명에 따른 통신시스템에 대한 개략적인 구성도를 도시한 것이다. 도시된 통신 시스템은 LO(10), 송신부(11), 스위치(12), 안테나(13) 및 수신부(14)를 포함한다.

송신부(11)는 제1증폭기(111), 제1믹서(112), 제2증폭기(113) 및 제1필터(114)를 포함한다. 수신부(114)는 제3증폭기(141), 제2믹서(142), 제4증폭기(143) 및 제2필터(144)를 포함한다.

LO(10)는 푸쉬-푸쉬(push-push) 구조의 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator)로서, LO 와 LO/2 주파수를 모두 생성할 수 있다. 보통 송수신기에는 LO 차동신호가 적용되며, 이를 위해 교차 결합된(cross-coupled) 구조처럼 쉽게 차동신호를 출력할 수 있는 VCO를 사용한다. 그러나 밀리미터파 대역의 높은 주파수 VCO에 PLL(Phase Locked Loop)을 적용하기에는 현재의 기술로는 무리가 있다. 이를 위해서 LO/2에서 PLL을 적용할 수 있는 푸쉬-푸쉬 구조의 VCO를 채택한다. 푸쉬-푸쉬 구조의 VCO는 LO 주파수뿐만 아니라 LO/2 주파수도 쉽게 출력할 수 있다.

송신부(11)의 제1증폭기(111)에 입력되는 차동 IF(Intermediate Frequency) 신호를 증폭한다. 제1믹서(112)는 차동 IF신호를 LO(10)의 LO/2 주파수와 혼합하고 RF(Radio Frequency) 단일신호로 상향 변환하여 출력한다. 제2증폭기(113)는 RF 신호를 증폭하고, 제1필터(114)는 증폭된 RF 신호를 필터링한다. 필터링된 RF신호는 스위치(12)와 안테나(13)를 통해 송신된다.

수신부(14)의 제2필터(144)는 안테나(13)와 스위치(12)를 통해 수신된 신호를 필터링하여 RF 신호를 출력하고, 제4증폭기(143)는 필터링된 RF신호를 증폭한다. 제2믹서(142)는 RF신호를 LO 또는 LO/2 신호와 혼합하여 IF 차동신호로 하향 변환하고, 제3증폭기(141)는 IF 신호를 증폭하여 출력한다.

도 2는 본 발명에 따른 믹서(142)에 대한 회로도이다.

도시된 믹서는 수신부(14)에 채용되는 제2믹서(142)에 관한 것이지만, 각 단자를 통해 입출력되는 신호를 달리한다면 동일한 회로를 송신부(11)의 제1믹서(112)로 채용될 수 있다.

도시된 바에 따르면, 믹서(142)는 고역통과필터(20), LO 차동신호 생성부(21), 혼합부(22), 입력 정합부(23) 그리고 LO 제거 필터(24)를 포함한다.

고역통과필터(20)는 LO입력 단자를 통해 LO 또는 LO/2뿐만 아니라 혼합부(22)의 트랜지스터 M1, M2를 통해 IF신호가 피드백되어 입력되는 것을 방지하기 위한 것이다. LO 차동신호 생성부(21)는 LO 단자를 통해 LO가 입력되는 경우 180°의 위상차를 갖는 발룬(balun)을 구비한다. 간단한 발룬 형태로는 LO 주파수에서 선로의 길이가 반파장 차이나는 분배기를 사용할 수 있다.

LO단자를 통해 LO/2가 입력되는 경우 90°의 위상차를 갖는 발룬, 예를 들어 선로길이가 파장/4 차이나는 분배기를 이용하여 차동신호를 구현할 수 있다.

LO 단자를 통해 입력된 LO 또는 LO/2 신호는 혼합부(22)의 트랜지스터(M1, M2)의 소스에 각각 입력되며, 게이트로 입력된 RF신호와 작용하여 다음 식과 같은 다양한 IF 신호를 생성한다.

1차 믹서의 경우, n=1이며, 서브하모닉(sub-harmonic) 믹서의 경우, n>1을 사용한다. 이때 입력되는 LO신호의 종류에 따라 트랜지스터의 바이어스 조건을 바뀔 수 있다.

한편, 입력 정합부(23)는 RF 단자를 통해 RF 신호가 입력되면 입력포트와 트랜지스터를 정합하는 기능을 수행한다. RF 신호가 게이트로 입력되기 때문에 일반적으로 소스에서 입력되는 구조와 비교했을 경우, 더 작은 변환손실을 가질 수 있다. 이는 게이트와 드레인 사이의 저항 g_m이 소스와 드레인 사시의 저항 g_ds보다 훨씬 작기 때문이다.

IF 출력 단자에는 불필요한 LO신호를 제거하기 위해 저역통과필터(24)가 더 구비될 수 있다. LO 신호를 더 제거하고자 하는 경우라면 간단한 단락 선로 또는 개방 선로를 이용하여 추가적인 제거가 가능하다.

도시된 믹서를 송신부(11)에 사용하는 경우, LO 단자로 LO/2신호가 입력되고 LO 차동신호 생성부(21)는 90°위상차를 갖는 발룬을 채용하여 LO/2 차동 신호를 생성한다.

RF 단자인 트랜지스터 M1, M2의 게이트로는 각각 차동 IF신호가 입력되고, IF 단자로 동일한 위상의 RF 신호가 출력된다. 결합기를 사용하여 출력된 RF신호를 결합하면 단일 RF신호를 얻을 수 있다. 송신부(11)에서는 출력 LO신호의 크기를 줄 이는 것이 중요한데, LO/2 주파수를 사용함으로써 그 크기를 줄일 수 있다.

도 3a는 RF 주파수 60GHz, LO 주파수 50GHz, IF 주파수 10GHz를 사용한 경우, IF 출력단에서 출력되는 신호들의 고주파 특성을 모의실험(simulation)한 결과이고, 도 3b는 IF 단자를 통해 출력되는 IF 차동신호를 도시한 것이다.

사용된 RF입력 전력은 -30dBm, LO입력 전력이 +2dBm이고, 이때 IF 출력단자에서 출력된 IF 출력 전력은 -33dBm임을 알 수 있다. 또한, RF 주파수와 LO 주파수가 IF 단자에서 완전히 제거되지 않은 것으로 나타나므로, 저역통과필터(24)를 통해 IF 주파수만을 통과시킬 수 있다.

도 3b에 도시된 바에 따르면, IF 차동신호는 180°위상차를 보임을 알 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 통신시스템에 대한 개략적인 구성도를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 믹서에 대한 회로도이다.

도 3a는 RF 주파수 60GHz, LO 주파수 50GHz, IF 주파수 10GHz를 사용한 경우, IF 출력단에서 출력되는 신호들의 고주파 특성을 모의실험(simulation)한 결과를 도시한 것이다.

도 3b는 도 2의 IF 단자를 통해 출력되는 IF 차동신호를 도시한 것이다.

Claims (11)

1. 입력 국부 발진(LO) 신호를 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및

   상기 LO 차동신호를 제1입력, 제1주파수를 갖는 제1신호를 제2입력으로 하여 상기 LO 차동신호와 상기 제1신호를 차동 증폭하여 제2주파수의 제2신호를 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 하는 믹서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입력 LO신호는 LO 주파수 또는 LO/2 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는믹서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 입력 LO신호가 LO 주파수를 가지면 상기 LO 차동 신호 생성부는 180°의 위상차를 갖는 발룬이고, 상기 입력 LO신호가 LO/2주파수를 가지면 상기 LO 차동신호 생성부는 90°의 위상차를 갖는 발룬임을 특징으로 하는 믹서.
4. 제2항에 있어서,

   상기 입력 LO신호가 LO 주파수를 가지면 상기 LO 차동 신호 생성부는 선로길이가 반파장 차이나는 분배기이고, 상기 입력 LO신호가 LO/2주파수를 가지면 상기 LO 차동신호 생성부는 선로길이가 파장/4 차이나는 분배기임을 특징으로 하는 믹 서.
5. 제1항에 있어서, 상기 혼합부는

   상기 LO 차동신호 생성부에서 출력되는 LO 차동신호를 각각 소스 단자로 입력받고, 상기 제1신호를 각각 게이트 단자로 입력받아 차동증폭하여 드레인 단자로 상기 제2신호를 각각 출력하는 트랜지스터들을 포함함을 특징으로 하는 믹서.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,

   상기 제1신호가 동일한 위상을 갖는 RF신호이면 상기 제2신호는 IF 차동신호이고, 상기 제1신호가 위상이 서로 반대인 IF 신호이면 상기 제2신호는 동일한 위상의 RF신호임을 특징으로 하는 믹서.
7. 제5항에 있어서,

   상기 입력 LO신호가 입력되는 단자와 상기 LO 차동신호 생성부 사이에 상기 혼합부로부터 반사되어 들어오는 신호를 막고 상기 입력 LO신호만을 통과시키는 고역통과필터를 더 포함함을 특징으로 하는 믹서.
8. 제1항에 있어서, 상기 혼합부는

   상기 입력 LO신호가 상기 제2신호에 합해져서 출력되는 것을 방지하는 LO 제거 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 믹서.
9. 국부 발진(LO) 신호를 생성하는 국부발진부; 및

   상기 LO 신호와 입력되는 차동 중간 주파수(IF) 신호를 혼합하여 단일 RF 신호로 변환하는 믹서를 포함하고,

   상기 믹서는

   상기 LO 신호를 LO 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및

   상기 LO 차동신호과 상기 입력 차동 IF 신호를 차동 증폭하여 상기 단일 RF 신호로 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 하는 송신 장치.
10. 국부 발진(LO) 신호 또는 LO/2 주파수 신호를 생성하는 국부발진부; 및

    수신한 단일 RF신호를 상기 LO 또는 LO/2 주파수 신호와 혼합하여 IF 차동 신호로 변환하는 믹서를 포함하고,

    상기 믹서는

    상기 LO 또는 LO/2 주파수 신호를 LO 또는 LO/2 차동신호로 변환하는 LO 차동신호 생성부; 및

    상기 LO 차동 신호 및 상기 단일 RF 신호, 또는 상기 LO/2 차동 신호 및 상기 단일 RF 신호를 차동 증폭하여 상기 IF 차동 신호로 출력하는 혼합부를 포함함을 특징으로 하는 수신 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 국부 발진부는 상기 LO 주파수 또는 LO/2 주파수 신호를 생성하는 푸쉬-푸쉬 구조의 전압제어발진기임을 특징으로 하는 수신 장치.

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