KR20090082969A - 시분할복신 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시분할복신(TDD: Time Division Duplex) 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치에 관한 것으로서, 네 개의 입출력 포트 중 어느 하나의 포트로 입력되는 신호를 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 두 개의 포트로 출력하며, 두 개의 포트로 입력되는 두 신호를 결합한 후 상기 두 신호의 위상차에 따라 상기 결합한 신호를 출력하는 포트를 달리하는 두 개의 90˚하이브리드 커플러와, 상기 두 개의 90˚하이브리드 커플러 사이에 연결되며, 송신 모드시에 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 소정 값만큼 동일하게 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하고, 수신 모드시에 상기 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 서로 다른 값만큼 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하는 위상 변이부를 포함하여, 고주파 송신신호로부터 수신단 저잡음 증폭기를 보호할 수 있고, 전원이상 등의 비정상적인 상황에서도 상기 수신단의 저잡음 증폭기를 보호할 수 있다.
TDD, TRAS, 안테나 스위치, LNA, 하이브리드 커플러(hybrid coupler)
Description
본 발명은 시분할복신(TDD: Time Division Duplex) 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치에 관한 것으로서, 특히, 고주파 송신신호로부터 수신단의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)를 보호하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 동일한 주파수를 시분할하여 송수신용으로 구분하여 사용하는 시분할복신(TDD) 방식의 무선통신 시스템에서 고전력 고주파 송신신호(high power RF transmit signal)와 저전력 고주파 수신신호(low power RF receive signal) 사이의 스위칭(switching) 기능을 수행하는 송수신 안테나 스위칭 장치 (Transmit/Receive Antenna Switch; 이하 'TRAS'라 칭함)는, 송신모드시 수신단 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)로 유입되는 송신전력을 차단시켜 상기 저잡음 증폭기를 보호하고, 수신모드시 송신단으로부터 유입되는 잡음을 감소시켜 수 신 감도의 저하를 방지하는 기능을 수행한다.
도 1은 TRAS를 사용하는 시분할복신(TDD) 무선통신시스템의 일반적인 구조를 도시하고 있다.
상기 도 1을 참조하면, TDD제어부(100)는 시간을 분할하고, 상기 분할된 시간에 따라 송수신모드의 동작을 제어하는 제어신호를 상기 송신부(102), 수신부(106) 및 TRAS(110)로 출력한다. 그리고, 전력 증폭기(104)는 상기 송신부(102)로부터의 송신신호를 대전력으로 증폭하여 상기 TRAS(110)로 출력하며, 저잡음 증폭기(108)는 상기 TRAS(110)로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 상기 수신부(106)로 출력한다.
상기 TRAS(110)는 상기 TDD제어부(100)로부터의 제어신호에 따라 송수신 경로를 전환하여 송신모드 혹은 수신모드에 해당하는 동작을 수행한다. 즉, 상기 TDD제어부(100)로부터 송신모드 동작을 알리는 제어신호가 입력될 시, 상기 TRAS(110)는 상기 전력 증폭기(104)에서 안테나(114)에 이르는 송신 경로를 연결하여 상기 전력 증폭기(104)로부터 입력되는 대전력 송신신호를 전단부(112)로 출력하며, 이때 상기 대전력 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(108)로 유입되는 것을 방지한다. 그리고, 상기 TDD제어부(100)로부터 수신모드 동작을 알리는 제어신호가 입력될 시, 상기 TRAS(110)는 상기 안테나(114)에서 상기 저잡음 증폭기(108)에 이르는 수신경로를 연결하여 상기 전단부(112)로부터 입력되는 수신신호를 상기 저잡음 증폭기(108)로 출력하며, 이때 상기 전력 증폭기(104)로부터 입력되는 잡음을 차단한다.
상기 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서는 상기 송신모드시, 상기 전력 증폭기에서 안테나에 이르는 송신경로의 삽입손실이 전력 증폭기의 용량에 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 상기 TRAS는 상기 송신경로의 삽입손실을 최소화하고 상기 송신경로로부터 수신부의 저잡음 증폭기를 격리시킬 수 있는 구조로 설계되어야 한다. 또한, 상기 수신모드시, 상기 안테나에서 상기 저잡음 증폭기에 이르는 수신경로의 삽입손실과 상기 저잡음 증폭기 입력신호의 잡음 정도가 수신성능에 미치게 되므로 상기 TRAS는 상기 수신경로의 삽입손실을 최소화하고 상기 수신경로로부터 상기 전력 증폭기의 출력단을 격리시킬 수 있는 구조로 설계되어야 한다.
종래의 기술에 따른 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서는 주로 도 2에 도시된 바와 같이, RF 스위치(switch)를 이용하거나 도 3에 도시된 바와 같이, 서큘레이터(circulator)와 반사부(reflection block)를 이용하여 상기 TRAS의 기능을 구현함으로써, 상기 송수신 경로를 격리시켜 수신단의 저잡음 증폭기를 보호하고 있다.
먼저, 상기 도 2를 참조하여 RF 스위치를 이용하는 방식을 살펴보면, SPDT(Single Pole Double Through) RF 스위치(205)는 송신모드일 경우 송신부(Transmitter)(201)로부터의 송신신호가 안테나 피드라인(feed line)에 전달되도록 스위칭되고, 수신모드일 경우 상기 안테나 피드라인으로부터의 수신신호가 수신부(Receive)(203)로 전달되도록 스위칭된다. 즉, RF스위치(205)가 TDD 제어신호에 의해 송수신 경로(path)를 전환시키는 방식이다. 상기와 같은 방식에 사용되는 전 기적 방식의 RC 스위치는 제작비용이 많이 들며, 구현이 어려운 단점을 가진다.
다음으로, 상기 도 3을 참조하여 서큘레이터와 반사부를 이용하는 방식을 간략하게 살펴보면, 서큘레이터(334)는 도시된 방향성에 따라 상기 아이솔레이터(332)로부터의 신호를 전단부(FEB : Front End Block)(350)로 전달하고, 상기 전단부(350)로부터의 신호를 반사부(338)로 전달한다.
그리고, 제1제어부(336)는 TDD제어부(300)의 제어신호에 의해 송수신모드에 따라 상기 반사부(338)의 반사(reflection) 동작을 온/오프시킨다. 이때, 상기 반사부(338)의 반사 동작이 온(on)되면, 서큘레이터(334)로부터 상기 반사부(338)로 출력되는 신호는 전반사되어 상기 아이솔레이터(332)에 의해 종단(termination)되고, 상기 반사부(338)의 반사 동작이 오프(off)되면, 상기 서큘레이터(334)로부터 상기 반사부(338)로 출력되는 신호는 적은 손실로 고주파 스위치(342)에 전달된다.
제2제어부(340)는 상기 TDD제어부(300)의 제어신호에 의해 송수신모드에 따라 상기 고주파 스위치(342)의 스위칭 동작을 온/오프시킨다. 이때, 상기 고주파스위치(342)가 오프되면, 상기 반사부(338)로부터의 신호는 저잡음증폭기(322)로 전달되지 않고, 상기 고주파스위치(342)가 온(on)되면, 상기 반사부(338)로부터의 신호는 상기 저잡음증폭기(322)로 전달된다.
상기와 같이, 상기 서큘레이터와 반사부를 이용하는 방식은 송신경로와 수신경로간에 높은 격리도를 갖게 해줌으로써, 고주파 송신신호가 상기 저잡음 증폭기로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 RF 스위치를 이용하는 방식에 비해 크기와 비용적인 측면에서 장점을 가진다.
하지만, 상기 서큘레이터와 반사부를 이용하는 방법은 상기 TRAS의 전원공급에 이상이 발생될 경우, 상기 송수신 경로의 격리가 불가능하여 상기 고주파 송신신호로부터 상기 저잡음 증폭기를 보호할 수 없는 문제점이 있다. 만일, 이러한 방식에서 전원공급에 이상이 발생될 경우에도 상기 저잡음 증폭기를 보호하고자 한다면, 상기 TRAS의 상태에 따라 여러 블럭들을 제어해야하는 복잡한 제어구조를 필요로하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시분할복신(TDD: Time Division Duplex) 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치(Transmit/Receive Antenna Switch)를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 고주파 송신신호로부터 수신단의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)를 보호하기 위한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치(또는 TRAS 장치)에 전원이 공급되지 않는 상황에서도 수신단의 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 송신경로의 이상 발생으로 인해 송신신호가 반사될 경우에 수신단 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 90˚ 하이브리드 커플러(hybrid coupler)와 신호의 위상을 조정 및 보상하는 소자를 이용하여 송수신 경로 간에 높은 격리도를 갖는 송수신 안테나 스위칭 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 90˚ 하이브리드 커플러(hybrid coupler)와 RF(Radio Frequency) 스위치를 이용하여 송수신 경로 간에 높은 격리도를 갖는 송수신 안테나 스위칭 장치를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 견지에 따르면, 시분할복신(TDD: Time Division Duplex) 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치는, 네 개의 입출력 포트 중 어느 하나의 포트로 입력되는 신호를 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 두 개의 포트로 출력하며, 두 개의 포트로 입력되는 두 신호를 결합한 후 상기 두 신호의 위상차에 따라 상기 결합한 신호를 출력하는 포트를 달리하는 두 개의 90˚하이브리드 커플러(hybrid coupler)와, 상기 두 개의 90˚하이브리드 커플러 사이에 연결되며, 송신 모드시에 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 소정 값만큼 동일하게 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하고, 수신 모드시에 상기 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 서로 다른 값만큼 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하는 위상 변이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 90˚ 하이브리드 커플러와 신호의 위상을 조정 및 보상하는 소자를 이용하여 송수신 경로 간에 높은 격리도를 갖는 송수신 안테나 스위칭 장치를 제공함으로써, 고주파 송신신호로부터 수신단 저잡음 증폭기를 보호할 수 있고, 전원이 인가되지 않거나 송신신호가 반사되어 되 돌아오는 등의 비정상적인 상황에서도 상기 고주파 송신신호로부터 상기 수신단의 저잡음 증폭기를 보호할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 TDD 방식 시스템의 제작비용을 줄이고 상기 시스템의 공간 활용도와 안정성을 높여 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명에서는 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 두 개의 90˚ 하이브리드 커플러와 신호의 위상을 조정하고 위상차를 보상하는 소자를 이용하여 송수신 경로 간에 높은 격리도를 갖는 송수신 안테나 스위칭 장치(TRAS: Transmit/Receive Antenna Switch)에 관해 설명할 것이다. 여기서, 상기 90˚ 하이브리드 커플러(hybrid coupler)는 신호 분리 혹은 신호 결합을 위해 사용될 수 있는 소자로서, 상기 신호 분리를 위하여 하나의 포트로 신호가 입력될 경우, 상기 입력된 신호를 크기가 1/2이고 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 두 개의 포트로 각각 출력하며, 상기 신호 결합을 위하여 두 개의 포트로 신호가 입력될 경우, 두 신호의 위상차에 따라 서로 다른 하나의 포트를 이용하여 결합된 신호를 출력한다. 이와 같은, 상기 90˚ 하이브리드 커플러의 특성은 하기에서 도 5 내 지 도 7을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치의 구성을 도시하고 있다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 시분할복신 무선통신시스템의 송수신단은 TDD제어부(TDD Controller)(400), 송신부(Transmitter)(402), 전력 증폭기(PA: Power Amplifier)(404), 수신부(Receiver)(406), 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)(408), 송수신 안테나 스위칭(TRAS) 장치(410), 종단부(Term)(418), 전단부(FEB: Front End Block)(420), 안테나(422)를 포함하여 구성된다.
상기 송수신 안테나 스위칭 장치(410)는, 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410), 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416), 제 1 위상 변환부(First two-state Phase Converter Block) (428), 제 2 위상 변환부(Second two-state Phase Converter Block)(412), 제 1 위상차 보정부(430), 제 2 위상차 보정부(414), 위상변환 제어부(424), RF 스위치(426)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 도 4에는 미도시되었으나, 전력 증폭기(404)의 출력단과 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410) 사이에 아이솔레이터가 포함될 수 있다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저 상기 TDD제어부(400)는 시간을 분할하고, 상기 분할된 시간에 따라 송수신모드의 동작을 제어하는 제어신호를 상기 송신부(402), 수신부(406) 및 위상변환제어부(424)로 출력한다.
상기 전력 증폭기(404)는 상기 송신부(402)로부터의 송신신호를 대전력으로 증폭하여 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로 출력하고, 상기 저잡음 증폭기(408)는 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로부터의 신호를 저잡음 증폭하여 상기 수신부(406)로 출력한다.
상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)는 송신 모드시, 도 5(a)와 같은 특성에 따라 상기 전력 증폭기(404)로부터 입력되는 대전력 송신신호를 크기가 1/2이고 위상이 같은 두 신호로 분리하여 상기 제 1 위상 변환부(428)와 제 2 위상 변환부(412)로 출력하며, 상기 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(308)로 출력되는 것을 방지한다. 또한, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)는 수신 모드시, 도 7(a)와 같은 특성에 따라 상기 제 1 위상 변환부(428)와 제 2 위상 변환부(412)로부터 크기가 같고 90˚ 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 상기 두 신호를 결합하여 상기 저잡음 증폭기(408)로 출력하며, 상기 수신신호가 상기 전력 증폭기(404)로 출력되는 것을 방지한다.
여기서, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)는 시스템 전원 장치의 이상 발생 혹은 TRAS(450) 전원 오프(off) 등으로 인해 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않더라도 정상적인 동작을 수행한다. 따라서, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)는 상기 시스템의 송신모드 동작 중에 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않더라도 상기 송신부(402)에서 발생되는 고주파 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(404)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)는 전단부(420) 혹은 안테나(422)의 비정상적인 연결 혹은 오동작으로 인해 송신신호가 상기 TRAS(450)로 반사되어 입력될 경우에도 도 6(a)와 같은 특성에 따 라 상기 반사된 송신신호를 상기 송신부(402)로 되돌려 보냄으로써 상기 저잡음 증폭기(408)를 보호할 수 있다. 이때, 상기 반사된 송신신호는 상기 아이솔레이터에 흡수된다.
상기 위상변환 제어부(424)는 상기 TDD제어부(400)로부터 입력되는 송수신모드 신호를 상기 제 1 위상 변환부(428)에서 인식가능한 형태의 신호로 변환시켜 상기 제 1 위상 변환부(428)로 출력한다. 예를 들어, 상기 위상변환 제어부(424)는 상기 송수신모드 신호를 0 혹은 1로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, 상기 위상변환 제어부(424)는 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않는 상태에서도 송신모드 시와 동일한 제어 신호를 상기 위상 조정부(414)로 출력한다. 이는, 시스템 전원장치에 이상이 발생되거나 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않은 상태에서도 상기 TRAS(450)가 송신모드로 동작하여 상기 송신부(402)에서 송신신호가 출력될 경우, 상기 송신신호로부터 상기 수신부(406)를 격리시켜 상기 저잡음 증폭기(408)를 보호하기 위함이다.
상기 제 1 위상 변환부(428)는 입력되는 신호를 일정량만큼 지연시키고, 상기 입력되는 신호의 크기와 위상을 일정량만큼 변화시켜 출력하며, 이때, 상기 위상변환 제어부(424)로부터 제공되는 상기 송수신 모드에 따라 상기 입력되는 신호의 위상 변화량을 다르게한다. 다시 말해, 상기 제 1 위상 변환부(428)는 상기 제어 신호로부터 송신 모드가 확인될 시, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로부터 입력되는 송신신호를 일정량만큼 지연시키고 크기와 위상을 소정량(ΔE, Δφ)만큼 변화시켜 상기 제 1 위상차 보정부(430)로 출력하며, 상기 제어 신호로부 터 수신 모드가 확인될 시, 상기 제 1 위상차 보정부(430)로부터 입력되는 수신신호를 일정량만큼 지연시키며 크기를 상기 소정량(ΔE)만큼 변화시키고, 위상을 상기 소정량(Δφ)만큼 변화시킨 후, 180˚만큼 추가로 변화시켜 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로 출력한다. 여기서, 상기 제 1 위상 변환부(428)의 신호 지연량은 송수신모드에 관계없이 동일하다. 또한, 상기 위상을 변화시키는 소정량(Δφ)은 상기 제 1 위상 변환부(428) 자체에서 변화되는 위상의 크기를 의미하며, 상기 제 1 위상 변환부(428)가 상기 송신 모드에서 변화시키는 위상량과 상기 수신 모드에서 변화시키는 신호의 위상량은 180˚차이를 갖는다. 여기서, 상기 제 1 위상 변환부(428)는 시스템 전원 장치의 이상 혹은 상기 TRAS(450)의 전원 오프 등으로 인해 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않는 상황에서 상기 위상변환 제어부(424)로 부터 송신모드시와 동일한 신호를 인가받음으로써, 상기 송신모드 시와 동일한 동작을 수행한다.
상기 제 2 위상 변환부(412)는 상기 송수신 모드에 관계없이 입력되는 신호를 동일하게 지연시키고 크기와 위상을 소정량(ΔE, Δφ)만큼 변화시켜 출력한다. 즉, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로부터 입력되는 신호의 크기와 위상을 상기 소정량(ΔE, Δφ)만큼 변화시켜 상기 제 2 위상차 보정부(414)로 출력하고, 상기 제 2 위상차 보정부(414)로부터 입력되는 신호의 크기와 위상 역시 상기 소정량(ΔE, Δφ)만큼 동일하게 변화시켜 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로 출력한다. 즉, 상기 제 2 위상 변환부(412)는 상기 송수신 모드에 관계없이 상기 제 1 위상 변환부(428)에서 자체적으로 변화시키는 위상량과 동일한 크기로 입력 신호의 위상을 변화시켜 출력한다.
상기 제 1 위상차 보정부(430)와 상기 제 2 위상차 보정부(414)는 가변 위상 변이기(variable phase shifter)로 구성되어 송신모드에서 각각의 경로상의 소자들로 인해 나타날 수 있는 위상차를 보정하여 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)로 입력되는 신호의 위상차가 90˚를 유지할 수 있도록 하며, 수신모드에서도 각각의 경로상의 소자들로 인해 나타날 수 있는 위상차를 보정하여 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)로 입력되는 신호의 위상차가 90˚를 유지할 수 있도록 한다. 이때, 상기 제 1 위상차 보정부(430)와 상기 제 2 위상차 보정부(414)는 동일한 구조의 가변 위상 변이기(variable phase shifter)로 구성함으로써, 상기 제 1 및 제 2 위상차 보정부(430, 414) 간에 우상 변화량의 차이가 있을 뿐, 동일한 지연 특성을 갖도록 한다.
상기 RF 스위치(426)는 SPST(Single Pole Single Thru) RF 스위치로서, 송신모드시에 오픈(open)되어 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)에서 상기 저잡음 증폭기(408)에 이르는 경로를 차단시킨다. 이는, 상기 송신모드시에 고주파 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(408)로 유입되지 못하도록 차단하는 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 격리 특성이 실제로 상기 저잡음 증폭기(408)를 보호할 수 있을 만큼의 수준이 되지 못하므로, 이를 보상하여 고주파 송신신호로부터 상기 저잡음 증폭기(408)를 보호하기 위함이다.
여기서, 상기 제 1 위상 변환부(428)와 상기 제 2 위상 변환부(412)가 동일한 구조로 구성되고 상기 제 1 위상차 보정부(430)와 상기 제 2 위상차 보정 부(414)가 동일한 구조로 구성됨으로써, 상기 제 1 위상 변환부(428)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)를 잇는 경로와 상기 제 2 위상 변환부(412)와 상기 제 2 위상차 보정부(414)를 잇는 경로는 동일한 지연 특성을 갖게 된다. 또한, 상기 제 1 위상 변환부(428)가 송수신모드에 따라 다른 위상변화량을 가짐으로써, 제 1 위상 변환부(428)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)를 잇는 경로와 상기 제 2 위상 변환부(412)와 상기 제 2 위상차 보정부(414)를 잇는 경로는 송신모드시 동일한 위상 변화량을 가지는 반면, 수신모드시 서로 180˚ 반전된 위상 변화량을 가지게 된다.
상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)는 송신 모드시, 도 5(b)와 같은 특성에 따라 상기 위상 지연부(412) 및 위상 조정부(414)로부터 입력되는 크기가 같고 90˚ 위상 차가 나는 두 송신 신호를 하나의 신호로 결합하여 전단부(420)로 출력하고, 이때 송신 신호가 상기 종단부(418)로 출력되는 것을 방지한다. 또한, 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)는 수신 모드시, 도 7(b)와 같은 특성에 따라 상기 전단부(420)로부터 입력되는 수신 신호를 크기가 1/2이고 90˚ 위상 차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 위상 지연부(412)와 위상 조정부(414)로 출력하며, 이때 수신 신호가 상기 종단부(418)로 출력되는 것을 방지한다.
여기서, 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)는 시스템 전원 장치의 이상 발생 혹은 TRAS(450) 전원 오프(off) 등으로 인해 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않더라도 정상적인 동작을 수행한다. 따라서, 상기 시스템의 송신모드 동작 중에 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않더라도 상기 송신부(402)에서 발생되는 고주파 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(404)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)는 전단부(420) 혹은 안테나(422)의 비정상적인 연결 혹은 오동작으로 인해 송신신호가 상기 TRAS(450)로 반사되어 입력될 경우에도 도 7(b)와 같은 특성에 따라 상기 반사된 송신신호를 상기 송신부(402)로 되돌려 보냄으로써 상기 저잡음 증폭기(408)를 보호할 수 있다. 이때, 상기 반사된 송신신호는 상기 아이솔레이터에 흡수된다.
또한, 상기 RF 스위치(426)는 수신모드시에 쇼트(short)되어 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)에서 상기 저잡음 증폭기(408)에 이르는 경로를 연결함으로써, 수신신호를 손실없이 상기 저잡음 증폭기(408)로 전달한다.
그러면, 이하에서 상기 도 4의 구성에 근거한 구체적인 동작을 도 5 내지 도 7을 참조하여 살펴보기로 한다.
먼저 송신 모드시, 제 1 및 2 90˚ 하이브리드 커플러(410, 416)의 동작을 도시한 상기 도 5를 참조하여 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
상기 송신모드 시, 상기 송신부(402)에서 전력 증폭기(404)를 통해 출력되는 송신신호는 아이솔레이터(미도시)→제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)→제 1 위상 변환부(428), 제 2 위상 변환부(412)→제 1 위상차 보정부(430), 제 2 위상차 보정부(414)→제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)→전단부(420)→안테나(422)의 경로를 통해 방사된다. 여기서, 상기 송신모드 시에는 상기 송신부(402)에서 출력되는 대전력의 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(408)로 유입되지 않도록 하는 것이 중요하다.
상기 전력 증폭기(404)로부터 출력된 송신신호는 상기 아이솔레이터(미도시)를 통해 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 1로 입력되며, 상기 포트 1로 입력된 송신신호(A∠φ1)는 상기 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 크기가 1/2이고 서로 90˚의 위상 차를 갖는 두 개의 신호(A/2∠φ2, A/2∠(φ2-90˚))로 분리되어 포트 2 및 3을 통해 상기 제 2 위상 변환부(412)와 제 1 위상 변환부(428)로 각각 입력된다. 이때, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 4가 격리되고, 상기 RF 스위치(426)가 오픈되어 상기 송신신호는 상기 저잡음 증폭기(408)로 유입되지 않게 된다. 상기 제 2 위상 변환부(412)와 제 1 위상 변환부(428)에 입력된 상기 두 개의 분리된 송신신호(A/2∠φ2, A/2∠(φ2-90˚))는 소정량 만큼 동일하게 지연되고 소정 크기(ΔE)와 소정 위상(Δφ)만큼 동일하게 변화(A/2∠φ2→B/2∠φ3, A/2∠(φ2-90˚→B/2∠(φ3-90˚))되어 상기 제 2 위상차 보정부(414)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)로 각각 입력된다. 이후, 상기 제 2 위상차 보정부(414)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)로 입력된 각각의 신호는 동일한량만큼 지연되고 상기 송신경로상의 소자들에서 나타날 수 있는 위상차가 보정되어 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 90˚의 위상차를 유지하며 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)의 포트 5 및 6으로 입력된다. 그리고, 상기 포트 5 및 6으로 입력된 두 송신신호(A/2∠φ3, A/2∠(φ3-90˚))는 하나의 송신신호(B∠φ4)로 결합되어 포트 7을 통해 상기 전단부(320)로 입력됨으로써, 상기 안테나(322)를 통해 방사된다.
여기서, 상기 시스템이 송신모드 동작 중에 시스템 전체의 전원 이상 혹은 TRAS(450)의 전원 오프 등으로 인해 상기 TRAS(450)에 전원이 인가되지 않는 상황 이 발생되더라도 상기 위상조정 제어부(424)가 송신모드시와 동일한 제어신호를 제 1 위상 변환부(428)로 제공함으로써, 상기 TRAS(450)가 상기 송신모드시와 같이 정상적으로 동작하기 때문에 상기 대전력 고주파 송신신호가 상기 저잡음 증폭기(408)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
그러면 송신모드 중 송신경로에 이상이 발생될 경우, 제 1 및 2 90˚ 하이브리드 커플러(410, 416)의 동작을 도시한 상기 도 6을 참조하여 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
상기 송신모드 동작 중에 송신경로의 이상이 발생된 경우, 즉, 상기 전단부(420) 혹은 안테나(422)의 이상으로 인해 상기 대전력 고주파 송신신호가 반사되어 상기 TRAS(450)로 되돌아 오는 경우에 상기 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 90˚ 하이브리드 커플러(410, 416)의 특성에 따라 상기 송신신호는 상기 전력 증폭기(404)로 출력되며, 상기 저잡음 증폭기(408)로는 유입되지 않게 된다. 이때, 상기 반사된 송신신호는 상기 전력 증폭기(404)의 출력단에 포함되는 아이솔레이터(미도시)에 흡수됨으로써, 상기 전력 증폭기(404)에 영향을 미치지 않게 된다. 여기서, 상기 아이솔레이터(미도시)는 상기 전력 증폭기(404)의 내부에 포함될 수도 있다.
자세히 말해, 상기 전단부(420) 혹은 안테나(422)의 이상으로 반사되어 상기 TRAS(450)의 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)의 포트 7로 입력되는 송신신호(B'∠φ4)는 상기 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 크기가 1/2이고 서로 90˚의 위상 차 를 갖는 두 개의 신호(B'/2∠(φ3-90˚), B'/2∠φ3)로 분리되어 포트 5 및 6을 통해 상기 제 2 위상차 보정부(414)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)로 각각 입력된다. 상기 제 2 위상차 보정부(414)와 상기 제 1 위상차 보정부(430)로 입력된 두 신호는 동일한량만큼 지연되고 송신경로상의 소자들에서 나타날 수 있는 위상차가 보정된 후, 상기 제 2 위상 변환부(412)와 제 1 위상 변환부(428)로 입력된다. 이때, 상기 제 2 위상 변환부(412)와 제 1 위상 변환부(428)로 입력된 두 개의 분리된 송신신호(B'/2∠(φ3-90˚), B'/2∠φ3)는 소정량 만큼 동일하게 지연되고 소정 크기(ΔE)와 소정 위상(Δφ)만큼 동일하게 변화(B'/2∠(φ3-90˚)→A'/2∠(φ2'-90˚), B'/2∠φ3→A'/2∠φ2')되어 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 2 및 3으로 각각 입력된다. 그리고, 상기 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상기 포트 2 및 3으로 입력된 두 송신신호(A'/2∠(φ2'-90˚), A'/2∠φ2')는 하나의 송신신호(A'∠φ1')로 결합되어 포트 1로 출력됨으로써, 상기 아이솔레이터(미도시)에 흡수된다. 이때, 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 4가 격리되고, 상기 RF 스위치(426)가 오픈되어 상기 송신신호는 상기 저잡음 증폭기(408)로 유입되지 않게 된다.
마지막으로, 수신 모드시, 제 1 및 2 90˚ 하이브리드 커플러(410, 416)의 동작을 도시한 상기 도 7을 참조하여 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
상기 수신모드 시, 안테나(422)를 통해 수신되는 신호는 전단부(420)→제 2 90˚하이브리드 커플러(416)→제 1 위상차 보정부(430), 제 2 위상차 보정부(414) →제 1 위상 변환부(428), 제 2 위상 변환부(412)→제 1 90˚하이브리드 커플러(410)→RF 스위치(426)의 경로를 통해 저잡음 증폭기(408)로 입력된다. 여기서, 상기 수신모드 시에는 시스템 NF(Noise Figure)에 직접적으로 영향을 미치는 안테나(422)와 저잡음 증폭기(408) 사이에서 발생하는 신호의 손실을 줄이는 것이 중요하다.
상기 안테나(422)를 통해 수신되는 수신신호는 상기 전단부(420)를 통해 상기 제 2 90˚ 하이브리드 커플러(416)의 포트 7로 입력되며, 상기 포트 7로 입력된 수신신호(C∠φ5)는 상기 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 크기가 1/2이고 서로 90˚의 위상 차를 갖는 두 개의 신호(C/2∠(φ6-90˚), C/2∠φ6)로 분리되어 포트 5 및 6을 통해 상기 제 1 위상차 보정부(430)와 제 2 위상차 보정부(414)로 각각 입력된다. 상기 제 1 위상차 보정부(430)와 제 2 위상차 보정부(414)로 입력된 각각의 수신신호는 동일한량만큼 지연되고 수신경로 소자들에서 나타날 수 있는 위상차가 보정되어 상기 제 1 위상 변환부(428)와 제 2 위상 변환부(412)로 각각 입력된다.
이때, 상기 제 2 위상 변환부(412)로 입력되는 수신신호(C/2∠(φ6-90˚))는 소정량만큼 지연되고 소정 크기(ΔE)와 소정 위상(Δφ)만큼 변화(C/2∠(φ6-90˚)→D/2∠φ7)되어 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 2로 입력되며, 상기 제 1 위상 변환부(428)로 입력되는 수신신호(C/2∠φ6)는 상기 소정량만큼 동일하게 지연되며 크기가 상기 소정 크기(ΔE)만큼 변화되고, 위상은 상기 소정 위상(Δφ)과 180˚ 차이가 변화량(Δφ-180˚)만큼 변화(C/2∠φ6→D/2∠(φ7-90˚)) 되어 상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 3으로 입력된다. 이후, 상기 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 상기 포트 2 및 3으로 입력된 두 수신신호(D/2∠φ7, D/2∠(φ7-90˚))는 하나의 수신신호(D∠φ8)로 결합되어 포트 4를 통해 출력되고, 상기 포트 4로 출력된 수신신호(D∠φ8)는 쇼트된 RF 스위치(426)를 통해 상기 저잡음 증폭기(408)로 손실없이 제공되어 상기 수신부(406)로 입력된다. 이때, 제 1 90˚ 하이브리드 커플러(410)의 포트 1이 격리됨으로써, 상기 전력 증폭기(404)와의 송신경로가 격리되어 상기 수신신호는 상기 전력 증폭기(404)로 유입되지 않게 되며, 상기 전력 증폭기(404)로부터 대전력 고주파 송신신호가 유입되는 것을 방지하여 상기 수신신호의 손실을 줄일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 송수신 안테나 스위칭 장치(450)는 두 개의 90˚ 하이브리드 커플러와 위상을 조정하고 위상차를 보상하는 소자를 이용하여 송신모드시 송신경로의 정상상태 및 비정상상태와 관계없이 송신신호로부터 수신경로를 격리시킴으로써 수신부의 저잡음 증폭기를 보호하고, 수신모드시 수신신호로부터 송신경로를 격리시킴으로써 경로 손실을 최소화할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 TRAS를 사용하는 시분할복신(TDD) 무선통신시스템의 일반적인 구조를 도시하는 도면,
도 2는 종래기술에 따른 RF 스위치(switch)를 사용하는 TRAS 장치를 도시하는 도면,
도 3은 종래기술에 따른 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 시분할복신 방식의 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치의 구성을 도시하는 도면, 및
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송수신 안테나 스위칭 장치에서 송신모드시 90˚ 하이브리드 커플러의 동작을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송수신 안테나 스위칭 장치에서 송신모드 중 송신경로에 이상이 발생될 경우 90˚ 하이브리드 커플러의 동작을 도시하는 도면, 및
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 송수신 안테나 스위칭 장치에서 수신모드시 90˚ 하이브리드 커플러의 동작을 도시하는 도면.
Claims (10)
- 시분할복신(TDD: Time Division Duplex) 무선통신시스템에서 송수신 안테나 스위칭 장치에 있어서,네 개의 입출력 포트 중 어느 하나의 포트로 입력되는 신호를 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 두 개의 포트로 출력하며, 두 개의 포트로 입력되는 두 신호를 결합한 후 상기 두 신호의 위상차에 따라 상기 결합한 신호를 출력하는 포트를 달리하는 두 개의 90˚하이브리드 커플러와,상기 두 개의 90˚하이브리드 커플러 사이에 연결되며, 송신 모드시에 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 소정 값만큼 동일하게 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하고, 수신 모드시에 상기 두 커플러 중 어느 하나의 커플러로부터 입력되는 두 신호의 위상을 서로 다른 값만큼 변화시켜 다른 하나의 커플러로 출력하는 위상 변이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 위상 변이부로 시스템의 송신모드 동작 혹은 수신모드 동작을 나타내는 제어신호를 출력하는 TDD 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 2항에 있어서,상기 TDD 제어부에서 출력되는 제어신호를 상기 위상 변이부에서 인식가능한 신호 형태로 변환시키는 위상변환 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3항에 있어서,상기 위상변환 제어부는,시스템에 전원이 인가되지 않는 경우, 상기 위상 변이부로 상기 송신모드 동작을 나타내는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 90˚ 하이브리드 커플러는,송신부의 전력 증폭기로부터 입력되는 신호를 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 위상 변이부로 출력하고, 상기 위상 변이부로부터 ±90˚의 위상차를 갖고 입력되는 두 신호를 결합한 후, 상기 두 신호의 위상차에 따라 출력 포트를 달리하여 상기 결합한 신호를 상기 전력 증폭기로 출력하거나 수신부의 저잡음 증폭기로 출력하는 제 1 90˚하이브리드 커플러와,상기 위상 변이부로부터 입력되는 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호를 결합하여 안테나로 출력하고, 상기 안테나로부터의 신호를 90˚의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리하여 상기 위상 변이부로 출력하는 제 2 90˚하이브리드 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5항에 있어서,상기 제 1 90˚ 하이브리드 커플러는,상기 두 신호의 위상차에 따라 출력 포트를 달리하여 상기 결합한 신호를 상기 전력 증폭기로 출력할 경우 상기 저잡음 증폭기와 연결되는 경로를 격리시키고, 상기 결합한 신호를 상기 저잡음 증폭기로 출력할 경우, 상기 전력 증폭기와 연결되는 경로를 격리시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 위상 변이부는,상기 송수신모드에 관계없이 입력되는 신호의 크기와 위상을 각각 소정 값만큼 변화시켜 출력하는 제 1 위상 변환부와,상기 송신모드 시, 입력되는 신호의 크기와 위상을 상기 제 1 위상 변환부의 변화량과 동일하게 변화시켜 출력하고, 상기 수신모드 시, 상기 입력되는 신호의 크기를 제 1 위상 변환부의 변화량과 동일하게 변화시키고 위상을 상기 제 1 위상 변환부의 변화량과 180˚ 위상차를 갖는 값만큼 변화시켜 출력하는 제 2 위상 변환 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 7항에 있어서,상기 위상 변이부는,상기 제 1 위상 변환부와 상기 두 개의 90˚하이브리드 커플러 중 어느 하나의 커플러 사이를 연결하여 송수신경로상에 존재하는 소자들로 인해 발생되는 위상차를 보상하는 제 1 위상차 보정부와,상기 제 2 위상 변환부와 상기 두 개의 90˚하이브리드 커플러 중 어느 하나의 커플러 사이를 연결하여 송수신경로상에 존재하는 소자들로 인해 발생되는 위상차를 보상하는 제 2 위상차 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,저잡음 증폭기와 상기 90˚ 하이브리드 커플러 중 어느 하나의 커플러 사이를 연결하며, 송신모드 시에 상기 저잡음 증폭기와 연결된 90˚ 하이브리드 커플러 간의 경로를 오픈(open)시키고, 수신모드 시에 상기 저잡음 증폭기와 연결된 90˚ 하이브리드 커플러 간의 경로를 쇼트(short)시키는 RF(Raddio Frequency) 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,전력 증폭기와 상기 90˚ 하이브리드 커플러 중 어느 하나의 커플러 사이에 위치하여 상기 안테나 혹은 전단부의 비정상동작으로 인해 반사되어 되돌아오는 송신신호를 흡수 및 종단하는 아이솔레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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