KR20110090732A - 고주파 신호 송신기의 임피던스 정합 방법 및 장치 - Google Patents

고주파 신호 송신기의 임피던스 정합 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

다른 대표적인 실시예에 따르면, 고주파 신호 송신기는, 고주파 신호를 공급하도록 구성된 전력 증폭기와, 고주파 신호를 송신하도록 구성된 안테나와, 전력 증폭기로부터 안테나로 고주파 신호를 전송하도록 구성된 전송선과, 전송선에 접속된 임피던스 정합 회로를 포함한다. 고주파 신호 송신기는 부정합 검출기를 더 포함한다. 부정합 검출기는, 임피던스 정합 회로가 접속되는 전송선 상의 임의의 지점에서, 스미스 챠트 상에 그려진 인접 채널 전력비(ACPR) 등고선에 근거하여 스미스 챠트를 2개의 영역으로 분할함으로써, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 지정하고, 고주파 신호 송신기의 시변적인 반사 계수를 위상 및 크기로 측정하고, 반사 계수가 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 위치하는지 상대적으로 양호한 선형성의 영역에 위치하는지를 판단하고, 또한, 그 판단 결과에 근거하여, 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하도록 구성되어 있다.

Description

고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법 및 고주파 신호 송신기{METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING IMPEDANCE MATCHING FOR HIGH-FREQUENCY SIGNAL TRANSMITTER}
본 발명은 고주파 신호 송신기 및 그 선형성 개선 방법에 관한 것이다.
무선 통신에 사용되는 고주파(또는 무선 주파수) 신호 송신기에 있어서의 안테나의 임피던스는, 안테나를 둘러싸는 환경의 변수(예컨대, 자동차의 접근, 또는 사용자에 의한 물리적인 접촉 등)에 의해 영향을 받는다. 임피던스의 변화는, 안테나의 임피던스와, 안테나에 신호를 제공하는 전력 증폭기의 임피던스 간의 부정합(mismatch)을 야기할 수 있으며, 무선 통신의 성능에 악영향을 줄 수 있다. 특히, 이러한 부정합은, 안테나로부터 전력 증폭기로 흐르는 반사 신호 성분을 생성할 수 있어 신호 송신기 내에서의 신호간 간섭을 야기하거나, 신호 송신기의 성능 및 효율성을 감소시킬 수 있다.
알려진 바와 같이, 전력 증폭기와 안테나(또는 부하) 간의 임피던스 정합은, 신호 송신기의 선형성을 달성하고 신호 송신기의 정상적인 동작을 확보함에 있어서 중요한 파라미터이다. 그러나, 신호 송신기의 선형성은 안테나의 임피던스 변화에 의해 영향을 받는다. 일반적인 회로에서 사용하는 안테나는 특정 임피던스를 가지고 있지만, 주위 환경의 변화(예컨대, 안테나로부터 송신되는 신호를 반사하는 자동차의 접근으로 인해)에 영향을 받아 변할 수 있다.
안테나의 임피던스 변화를 감소시켜 신호 송신기의 선형성 및 효율성에 있어서의 열화를 해결하는 한 가지 방법으로, 전력 증폭기에 실질적으로 균일한 부하 임피던스를 부여하기 위해 안테나와 전력 증폭기 사이에 절연체를 부가하는 방법이 있다. 절연체에 의해 전력 증폭기에 실질적으로 균일한 부하 임피던스를 제공할 수 있지만, 크기 및/또는 추가 비용으로 인해 이동 통신 장치에서 절연체를 제공하는 것이 항상 실용적인 것만은 아닐 수 있다.
따라서, 적어도 상술한 문제점을 극복하는 신호 송신기에서의 선형성을 개선하는 방법 및 장치가 필요하다.
대표적인 실시예에 따르면, 고주파 신호 송신기의 선형성을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 고주파 신호 송신기는, 전력 증폭기와, 안테나와, 전력 증폭기로부터 안테나로 고주파 신호를 전달하는 전송선과, 전송선에 접속된 임피던스 정합 회로를 포함한다. 본 방법은, 임피던스 정합 회로가 접속되는 전송선 상의 임의의 지점에서 스미스 챠트(Smith chart) 상에 그려진 인접 채널 전력비(ACPR : Adjacent Channel Power Ratio) 등고선(contour)에 근거하여 스미스 챠트를 2개의 영역으로 분할하여, 비교적 불량한 선형성의 영역과 비교적 양호한 선형성의 영역을 지정하는 단계와, 위상과 크기에 있어서 고주파 신호 송신기의 (시변할 수 있는) 반사 계수를 측정하는 단계와, 반사 계수가 비교적 불량한 선형성의 영역에 있는지 비교적 양호한 선형성의 영역에 있는지를 판단하는 단계와, 그 판단 결과에 근거하여, 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선 또는 확보하는 단계를 포함한다.
다른 대표적인 실시예에 따르면, 고주파 신호 송신기는, 고주파 신호를 공급하도록 구성된 전력 증폭기와, 고주파 신호를 송신하도록 구성된 안테나와, 고주파 신호를 전력 증폭기로부터 안테나로 전달하도록 구성된 전송선과, 전송선에 접속된 임피던스 정합 회로를 포함한다. 고주파 신호 송신기는 부정합 검출기를 더 포함한다. 부정합 검출기는, 임피던스 정합 회로가 접속되는 전송선 상의 임의의 지점에서 스미스 챠트 상에 그려진 인접 채널 전력비(ACPR) 등고선에 근거하여 스미스 챠트를 2개의 영역으로 분할함으로써, 비교적 불량한 선형성의 영역과 비교적 양호한 선형성의 영역을 지정하고, 위상과 크기에 있어서 고주파 신호 송신기의 시변하는 반사 계수를 측정하고, 반사 계수가 비교적 불량한 선형성의 영역에 있는지 비교적 양호한 선형성의 영역에 있는지를 판단하고, 그 판단 결과에 근거하여, 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하도록 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 고주파 신호 송신기를 선형성을 개선할 수 있다.
첨부 도면을 참조하면, 대표적인 실시예를 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해하게 된다. 다양한 구성은 반드시 일정한 비율로 그려질 필요는 없다는 것을 알아야 한다. 사실상, 설명을 명확히 하기 위해 치수를 임의적으로 증가 또는 감소시킬 수 있다. 적용가능하고 실현 가능한 모든 경우에, 동일한 참조 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 대표적인 실시예에 따른 신호 송신기의 개략도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 스미스 챠트 상에 그려진 ACPR 등고선 집합을 나타내는 도면이다.
도 3은 대표적인 실시예에 따라 스미스 챠트를 비교적 양호한 선형성의 영역과 비교적 불량한 선형성의 영역으로 분할한 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 대표적인 실시예에 따라 반사 계수가 비교적 불량한 선형성의 영역으로부터 비교적 양호한 선형성의 영역으로 이동하는 예시적인 프로세스를 도시하는 도면이다.
도 5는 대표적인 실시예에 따른 임피던스 정합 회로를 도시하는 상세도이다.
도 6은 대표적인 실시예에 따른 DC 차단 캐패시터를 포함하는 신호 송신기의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 대표적인 실시예에 따른 임피던스 정합 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 8a는 대표적인 실시예에 따른 반사 계수의 위상을 검출하기 위한 위상 검출기의 개략 블록도이다.
도 8b는 대표적인 실시예에 따른 위상 검출기의 개략 블록도이다.
도 8c는 반사 계수의 위상과 Vref의 관계 및 반사 계수의 위상과 Vdiff의 관계를 나타내는 도면(상기 Vref와 Vdiff는 입사 신호 성분과 반사 신호 성분으로부터 각각 구해짐)이다.
도 8d는 반사 계수의 위상과, Vdiff와 Vref간의 비교로 구해지는 Vout의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 대표적인 실시예에 따른 반사 계수의 크기를 검출하기 위한 크기 검출기를 도시하는 도면이다.
이하의 상세한 설명에서, 설명 및 무제한의 목적으로, 본 교시의 전반적인 이해를 제공하기 위해서, 특정 세목을 개시하는 대표적인 실시예가 설명된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 특정 세목으로부터 벗어나지 않는 본 발명에 따른 다른 실시예가 첨부한 청구범위의 범위 내에 있다는 것은, 당업자에게는 자명하다. 더욱이, 대표적인 실시예에 대한 설명을 모호하지 않게 하기 위해, 공지의 장치 및 방법에 대한 설명이 생략될 수 있다. 이러한 방법 및 장치는 확실하게 본 교시의 범위 내에 있다.
일반적으로, 본 교시는 전력 증폭기와 고주파 신호 송신기의 안테나 간의 임피던스를 정합하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 대표적인 실시예에서, 신호 송신기의 반사 계수가 정해지고, 스미스 챠트(Smith chart) 상에서의 반사 계수의 위치가 정해지며, 정합 회로는 피드백 제어 신호에 응답하여 조정되며, 이로써, 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선시킨다.
도 1은 대표적인 실시예에 따른 신호 송신기(100)의 개략도이다. 신호 송신기(100)는 부하(300)와, 부하(300)에 신호를 공급하는 신호 공급 회로(200) 간의 임피던스 정합을 수행하도록 설계되어 있으며, 부정합 검출기(110), 방향성 커플러(120), 및 정합 회로(130)를 포함한다. 이 정합 회로(130)는, 신호 공급 회로(200)와 부하(300) 사이에 배치되는 기존의 통상적인 정합 회로(도시 생략)와는 분리되어 있는 추가적인 정합 회로일 수 있다. 또한, 신호 공급 회로(200)와 부하(300)는 통신선(400)을 통해 접속되어 있다. 예를 들어, 안테나가 부하(300)로서 사용될 수 있으며, 전력 증폭기가 신호 공급 회로(200)로서 사용될 수 있다. 전력 증폭기(200)에 의해 공급되는 신호는 안테나(300)에 의해 송신되어 무선 통신을 수행하는 고주파 신호일 수 있다.
또한, 동일 출력 회로의 인접 채널 전력비(ACPR)는 출력 회로에 접속되어 있는 부하의 임피던스에 따라 변할 수 있다. 도 2a 내지 도 2c는 스미스 챠트 상에서 동일 ACPR를 가진 부하의 임피던스를 연속적으로 연결하여 만들어진 ACPR 등고선 집합을 예시하고 있다.
도 2a를 참조하면, ACPR 등고선의 중심을 포함하고 'L'로 표시된 영역은 낮은 ACPR 값의 영역이고, ACPR의 외측에 놓여 있고 'H'로 표시된 영역은 높은 ACPR 값의 영역이다. 일반적으로, ACPR은 네거티브 값을 가지고 있기 때문에, ACPR이 낮을수록, 인접 채널의 전력은 낮아진다. 신호 송신기와 전기 회로의 선형성 및 전력 효율성은 인접 채널의 전력량에 역비례하기 때문에, 영역 'L'의 선형성이 영역 'H'의 선형성보다 좋을 것으로 보인다.
ACPR 등고선은, 예를 들어, 부하 풀링 장치(load-pulling device)를 이용하고, 동일 부하의 ACPR를 측정하고, 내삽법(interpolation method)을 이용하여 스미스 챠트 상에서 동일 ACPR를 가진 동일 부하를 연결함으로써, 여러 임피던스를 가진 샘플 부하를 출력 회로에 적용하여 그릴 수 있다.
도 1의 신호 송신기(100)를 참조하면, 전력 증폭기(200)를 안테나(300)와 연결하는 신호 전송선(400)의 전기적인 특성은 상당히 이상적이고, 신호 전송선(400)의 임피던스를 0이라고 가정하면, ACPR 등고선의 형태는 ACPR 등고선이 그려진 기준면이 설정되는 전송선(400) 상의 위치와는 무관하게 일정할 수 있다. 그러나, 실제로 전송선(400)의 임피던스는 0이 아니기 때문에, 전송선을 통해 송신되는 반사 신호를 발생시켜 영향을 준다. 결과적으로, ACPR 등고선의 형태는 ACPR 등고선이 그려진 기준면이 설정되는 전송선(400) 상의 위치 지점에 따라 변화할 수 있다.
ACPR 등고선이 그려진 스미스 챠트는, 통상적으로, ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 좁은 하나의 부분과, 그 간격이 상대적으로 넓은 다른 부분을 포함한다. 본 실시예에서, ACPR 등고선은 스미스 챠트 상에서 특정 지점에 그려지고, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 부분이 도 2c에 도시된 것과 달리 스미스 챠트의 하위 반원 내에 위치하지 않고, 도 2b에 도시된 바와 같이 상위 반원 내에 위치하도록 정합 회로(130)가 전송선(400) 상의 특정 지점에 배치되는 것이 바람직하다. 약간 달리 말하면, ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 좁은 부분이 스미스 챠트의 상위 반원 내에 위치하는 특정 지점을 검출함으로써, 정합 회로(130)가 전송선(400)에 접속되어 있는 전송선(400) 상의 위치를 선택한다.
또한, 본 실시예에서, 신호 송신기(100)의 반사 계수(즉 부하 임피던스)는, 정합 회로(130)가 전송선(400)에 접속되어 있는 지점에 그려진 ACPR 등고선에 근거하여 조정될 수 있다. 그러나, 실제 반사 계수가 측정되는 지점은 도 1에 도시된 방향성 커플러(120)가 전송선(400)에 접속되어 있는 지점이기 때문에, ACPR 등고선(조정이 이루어지는 것에 근거)이 그려진 지점은 실제 반사 계수가 측정되는 지점과는 약간 다를 수 있으며, 이로써 조정에 오차가 있을 수 있다. 그러나, 이러한 차이는, 부정합 검출기(110)를 설계할 때 위상 오프셋을 적용하는 것과 같이 적절한 측정을 취함으로써 보상될 수 있다. 따라서, 후술되는 모든 ACPR 등고선은 정합 회로(130)가 접속되는 정확한 지점에 그려져 왔다고 가정할 수 있다.
본 실시예가 속하는 신호 송신기(100)의 전력 증폭기(200), 안테나(300) 및 전송선(400)은, 부정합 검출기(110), 방향성 커플러(120) 및 정합 회로(130)를 배치할 위치를 정하기 전에 설계된다. 그러므로, 도 2b에 도시된 바와 같이 ACPR 등고선이 그려지는 기준면에 있어서의 전송선(400) 상의 특정 지점은 이론적인 계산에 의해 또는 사전 설계된 요소에만 근거하여 경험적으로 먼저 선택되고, 그 후, 신호 송신기(100)의 요소, 특히, 정합 회로(130)가 적절한 지점에 배치될 수 있다. 예를 들어, 스미스 챠트 상의 ACPR 등고선은, 전송선(400)을 따라 정합 회로(130)의 연결 위치를 연속적으로 이동시킴으로써, 회전되기 때문에, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 부분은 스미스 챠트의 상위 반원에 배치되는 바와 같이, 정합 회로(130)의 위치를 변화시키는 복수의 실험값을 통해 적절한 지점이 선택될 수 있다.
이하의 설명에서, 위상 및 크기에 있어서 반사 계수를 측정하고, 전력 증폭기(200)와 안테나(300) 간의 임피던스를 정합하는 상세한 방법이 설명될 것이다.
신호 송신기(100)가 동작하고 있는 동안에, 방향성 커플러(120)는 전력 증폭기(200)로부터 안테나(300)로 진행하는 입사 신호(121)와, 안테나(300)로부터 전력 증폭기(200)로 진행하는 반사 신호(122)를 샘플링하고, 그 샘플링 결과를 부정합 검출기(110)로 송신한다. 그 후, 부정합 검출기(110)는 샘플링 결과로부터 반사 계수를 측정한다.
이후, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역이 스미스 챠트 상에 표시된다. 측정된 반사 계수가 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 속하면, 부정합 검출기(110)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 피드백 제어 신호(111)에 응답하여 부정합 회로(130)를 조작함으로써, 반사 계수를 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동시켜 선형성을 개선시킨다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 기준 ACPR 등고선(X), 제 1 기준 위상(θA), 및 제 1 기준 위상(θA)보다 큰 제 2 기준 위상(θB)을 이용함으로써, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 스미스 챠트 상에서 구분할 수 있다. 스미스 챠트에서, 기준 ACPR 등고선(X)의 선형성보다 나쁜 선형성을 가진 영역, 즉, 기준 등고선(X) 외측에 위치하는 크기를 가지며, 제 1 기준 위상(θA)과 제 2 기준 위상(θB) 사이에 위치한 위상을 가진 영역은 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로서 표시된다. 또한, 나머지 영역은 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로서 표시된다. 도 3에서, 빗금친 영역 A은 상대적으로 불량한 선형성의 영역을 나타내고, 빗금이 없는 영역 B는 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 나타낸다.
결과적으로, 상대적으로 양호한 선형성의 영역은 실제로 상대적으로 양호한 선형성을 가진 영역뿐만 아니라, 선형성이 감소된 스미스 챠트 상의 외측 부분에 위치하는 영역을 포함한다. 그러나, 반사 계수는 후자 영역 내에 위치할 확률이 훨씬 낮기 때문에, 신호 송신 회로가 설계될 때 이를 반드시 고려할 필요는 없다.
특히, 상술한 바와 같이 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로서 표시되는, ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 좁은 부분은 제 1 기준 위상(θA)과 제 2 기준 위상(θB) 사이의 범위 내에 위치하도록, 제 1 기준 위상(θA)과 제 2 기준 위상(θB)이 정해진다. 결과적으로, ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 좁은 부분은 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로서 표시되고, ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 넓은 부분은 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로서 표시된다.
또한, 제 1 위상(θA)과 제 2 위상(θB) 간의 위상 차는, 상대적으로 불량한 선형성의 영역을 상대적으로 양호한 선형성의 영역보다 작게 하기 위해, 180°보다 작을 수 있다.
측정된 반사 계수가 상술한 상대적으로 불량한 선형성의 영역 내에 위치한다는 것을 부정합 검출기(110)가 검출하는 경우, 부정합 검출기(110)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 반사 계수를 이동시키도록, 피드백 제어 신호(111)를 정합 회로(130)에 송신함으로써 정합 회로(130)를 조작한다. 이러한 프로세스는 이하에 추가로 설명된다.
종래의 임피던스 정합 회로는 복수의 인덕터, 캐패시터, 및 위상 시프터를 포함한 복잡한 구성을 가지고 있는 반면, 본 실시예에 따른 임피던스 정합 회로(130)는 도 5에 도시된 바와 같이 단 하나의 캐패시터만을 이용한다.
상술한 바와 같이, 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 속하는 반사 계수가 검출되면, 부정합 검출기(110)는 피드백 제어 신호(111)를 정합 회로(130)로 송신하고, 정합 회로(130)는 반사 계수를 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동시킨다. 이하에서는, 이동을 수행하는 발명 방법이 설명된다.
정합 회로(130)가 분로(shunt) 캐패시터(132)의 일단부를 전송선(400)에 접속하고 다른 단부를 접지할 때, 반사 계수는, 도 4에 도시된 바와 같이, 어드미턴스 스미스 챠트(admittance Smith chart) 상의 G 원(즉 컨덕턴스 원)을 따라 시계 방향으로 또한 아래 방향으로 회전된다. 결과적으로, 반사 계수는 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동한다. 예를 들어, 캐패시터(132)와 접지 사이의 스위치(131)가 피드백 제어 신호(111)에 응답하여 턴 온되는 방식으로, 분로 캐패시터(132)의 접속이 이루어질 수 있다.
분로 캐패시터(132)의 캐패시턴스는 회로 설계자에 의해 적절히 조정될 수 있다. 전송선 상에서의 기준면의 위치가 선택되면, 스미스 챠트 상에 그려진 ACPR 등고선의 형태와 원래 반사 계수의 위치가, 주변 환경의 영향을 받지 않고 결정될 것이다. 그러면, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역은 ACPR 등고선에 근거하여 표시된다. 회로 설계자는, 주변 환경의 변화로 인해 반사 계수가 떨어질 수 있는 상대적으로 불량한 선형성의 영역 내의 범위를 예측할 수 있기 때문에, 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 반사 계수를 이동시키기에 충분한 분로 캐패시터(132)의 캐패시턴스는 스미스 챠트를 이용하여 임피던스 정합 회로를 설계하는 통상의 방법을 이용함으로써 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예는 단 하나의 분로 캐패시터(132)를 이용하여, 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 반사 계수를 이동시키기 때문에, 정밀한 제어를 수행하는 것이 어렵다고 하는 우려가 있을 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 상대적으로 양호한 선형성의 영역은 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 비해 넓고, 환경적인 변화에 둔감하기 때문에, 약간 비정밀한 제어라고 해도, 반사 계수를 타겟 ACPR을 가진 원하는 위치로 이동시킴으로써 선형성을 개선시키는 능력에 크게 손상을 주지 않을 것이다.
이하에서는, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 영역과 간격이 넓은 영역 간의 차가 설명될 것이다. ACPR 등고선 간의 간격이 과도하게 좁은 영역에 반사 계수가 위치하면, 반사 계수가 스미스 챠트 상의 단거리를 이동할 때조차도 반사 계수는 상당수의 ACPR 등고선을 통과하기 때문에, ACPR은 크게 변할 것이다. 따라서, 좁은 간격의 영역에 반사 계수가 위치하는 회로의 선형성은 안테나를 둘러싸는 환경의 변화에 민감하고, 따라서, 정밀한 제어를 수행하지 않는 한, 원하는 성능을 얻을 수 없다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 영역에 P1 및 P2 모두가 위치하는 경우에, P1에서의 반사 계수의 ACPR은 P2에서의 반사 계수의 ACPR과는 상당히 차이가 있다.
그러나, 대조적으로, ACPR 등고선 간의 간격이 넓은 영역에 P3 및 P4가 모두 위치하는 경우에, P3에서의 반사 계수의 ACPR은 P4에서의 반사 계수의 ACPR과는 큰 차이가 없다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 상대적으로 불량한 선형성의 영역 내의 측정된 반사 계수의 정확한 위치에 가장 적합한 캐패시턴스를 가진 캐패시터를 선택하는 정교한 프로세스를 거치지 않고, 고정된 캐패시턴스를 가진 단 하나의 캐패시터만으로 반사 계수를 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동시킬 수 있고, 선형성 개선이라는 목표를 달성할 수 있다.
본 실시예에 의해, 간단한 요소, 즉 단일의 분로 캐패시터(132)를 이용함으로써, 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 반사 계수를 이동시킬 수 있기 때문에, 간단한 회로 설계를 이용하여 선형성을 저비용으로 개선할 수 있다는 탁월한 장점을 가지고 있다.
또한, 안테나(300)의 임피던스는 안테나(300)를 둘러싸는 환경의 변화, 예를 들어, 고주파 신호가 반사되는 벽의 존재에 따라 변할 수 있지만, 반사 계수가 이동하는 타겟 영역인 상대적으로 양호한 선형성의 영역에서 ACPR 등고선 간의 간격이 상대적으로 넓기 때문에, 임피던스의 변화에도 불구하고, 선형성은 크게 변하지 않는다. 결과적으로, 본 실시예의 송신기(100)는 안테나(300)를 둘러싸는 환경의 변화에 민감하지 않고, 이로써, 송신기(100)에 맞는 신뢰할 수 있는 회로를 구성할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 영역이 스미스 챠트의 상위 반원에 위치하지 않으면, 상술하고 도 2b에 도시된 바와 같이 전송선(400)을 따르는 정합 회로(130)의 접속 지점을 조정함으로써, ACPR 등고선을 회전시킬 수 있고, 그러나, 종종 전송선(400)의 길이 제한 등과 같이 특정 제한으로 인해 ACPR 등고선을 충분히 회전시키는 것이 어려울 수 있다. 이러한 만일의 사태에 대비하여, 아래에 설명하는 바와 같이, ACPR 등고선을 충분히 회전시킬 수 있는 다른 바람직한 실시예가 제공된다.
도 6은 상술한 다른 대표적인 실시예에 따른 신호 송신기(100)의 개략도이다. ACPR 등고선의 상대적으로 불량한 선형성의 영역을 스미스 챠트의 하위 반원으로부터 상위 반원으로 이동시키기 위해서, 도 6에 도시된 DC 차단 캐패시터(500)가 사용될 수 있다. 앞선 실시예에서와 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 표시되고 그들의 상세한 설명은 생략한다.
통상적으로 DC 차단 캐패시터는 무선 고주파 신호 송신기의 안테나와 전력 증폭기 사이에 배치된다. 신호 송신기의 여러 부품에 전력을 공급할 때 DC 전류의 공급은 필수적이다. 돌발적으로 DC 누설 전류가 안테나에 흐르면, 그 전류는 안테나의 성능에 악영향을 주며, 최악의 경우에는 안테나를 파괴시키기도 한다. 따라서, 이러한 작은 사고를 방지하기 위해, 통상적으로 송신기 회로에 DC 차단 캐패시터가 사용된다. 본 실시예는, ACPR 등고선의 좁은 간격 영역을 스미스 챠트의 하위 반원으로부터 상위 반원으로 이동시키는 작업을 위해, 송신기에 통상적으로 존재하는 이러한 DC 차단 캐패시터를 이용한다.
캐패시터가 회로에 직렬로 접속되는 경우에, ACPR 등고선은 임피던스 스미스 챠트 상의 레지스턴스(resistance) 원(즉, R 원)을 따라 시계 방향으로 회전된다. 적절한 값을 갖도록 조정되고 전력 증폭기(100)와 정합 회로(130) 간의 전송선(400) 상에 접속되어 있는 DC 차단 캐패시터(500)는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 좁은 간격의 영역이 스미스 챠트의 하위 반원에 위치하는 ACPR 등고선을 회전시켜, 도 2b에 도시된 바와 같이, 좁은 간격의 영역을 상위 반원으로 이동시킨다. 이후, 상술한 바와 같이, 반사 계수의 측정, 정합 회로(130)의 작동, 및 반사 계수의 이동이 수행된다.
DC 차단 캐패시터(500)의 캐패시턴스는 회로 설계자에 의해 적절한 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 캐패시턴스는 기준면 상의 ACPR 등고선의 형태에 따라 변할 수 있다. 특히, ACPR 등고선이 하위 반원으로부터 상위 반원으로 이동하기에 충분한 크기의 캐패시턴스를 가지는 것이 필요하다.
도 7은 대표적인 실시예에 따른 임피던스 정합 프로세스를 나타내는 흐름도이다. 먼저, 단계(S100)에서, ACPR 등고선 간의 간격이 좁은 영역이 스미스 챠트의 상위 반원 내에 위치하는 경우에, 전송선 상의 정합 회로의 접속 지점을 조정함으로써, 또는 DC 차단 캐패시터를 이용함으로써, ACPR 등고선이 선택된다. 이후, 단계(S200)에서 반사 계수가 측정된다. 단계(S300)에서 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 반사 계수가 있는 것으로 판단되면, 단계(S400)에서, 분로 캐패시터를 전송선에 접속함으로써, 반사 계수를 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동시킨다. 그러면, 임피던스 정합 프로세스는 단계(S200)로 되돌아가서 반사 계수를 재차 측정하고, 이는 신호 송신기가 작동 상태를 유지하는 시간에 따라 변할 수 있다. 단계(S300)에서, 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 반사 계수가 없는 것으로 판단되면, 임피던스 정합 프로세스는 단계(S200)로 다시 돌아가서 반사 계수를 재차 측정한다.
유사한 기술적인 효과를 얻기 위해, 회로 설계 환경에 따라 분로 캐패시터(132) 대신에 분로 인덕터가 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 분로 캐패시터(132)를 이용하는 경우와 반대의 방향으로, 즉 반시계 방향으로, 어드미턴스 스미스 챠트 상의 컨덕턴스 원을 따라 반사 계수가 회전된다. 따라서, 분로 캐패시터(132)가 사용되는 경우와 달리, 상대적으로 불량한 선형성의 영역이 스미스 챠트의 하위 반원 내에 위치하는 조건 하에서 임피던스 정합을 수행하기 위해 분로 인덕터가 사용될 수 있다.
도 1, 8, 및 9를 참조하여, 대표적인 실시예에 따른 방향성 커플러(120)와 부정합 검출기(110)의 예시적인 회로 구성에 대해 이하에 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 방향성 커플러(120)는 입사 신호(121)와 반사 신호(122) 각각을 샘플링한 결과값인 Vf 및 Vr를 부정합 검출기(110)에 송신한다. 반사 계수를 측정하도록 구성된 부정합 검출기는 반사 계수의 위상을 측정하는 위상 검출기(113)와 반사 계수의 크기를 측정하는 크기 검출기(114)를 포함한다.
도 8a는 위상 검출기(113)의 일례를 도시한다. Vf와 접지 전위는 위상 검출기(113) 내의 제 1 감산기(subtractor)의 비반전 입력부와 반전 입력부에 각각 접속되어 있다. 또한, Vf 및 Vr는 제 2 감산기의 비반전 입력부와 반전 입력부에 각각 접속되어 있다. 제 1 및 제 2 감산기의 출력 신호는 각각 제 1 및 제 2 정류기에 입력된다. 그 다음, 제 1 및 제 2 정류기의 출력 신호 Vref 및 Vdiff는 비교기의 반전 입력부와 비반전 입력부에 각각 입력되고, 비교기는 출력 신호 Vout를 출력한다.
도 1에 도시된 바와 같이, Vf 및 Vr는 방향성 커플러(120)의 결합부와 분리부로부터의 출력을 나타낸다. 그러므로, Vf의 위상은 변하지 않는 반면에, Vr의 위상은 안테나(300)의 주변 조건에 따라 변한다. DC 신호인 Vdiff는, Vf로부터 Vr를 감산하고, 그 감산 결과를 정류, 증폭, 및 필터링함으로써 얻게 된다. Vf와 Vr의 위상이 동일한 경우에, 제 2 감산기의 출력은 최소값이 되므로, Vdiff 역시 최소값으로 될 수 있다. 반대로, Vf와 Vr간의 위상차가 180°인 경우에, 제 2 감산기의 출력은 최대값이 되므로, Vdiff역시 최대값으로 될 수 있다. 따라서, 입사 신호와 반사 신호의 위상차와 DC 신호인 Vdiff 간의 이러한 관계에 근거하여, 도 8c에 도시한 바와 같이 전압 Vdiff로부터 반사 계수의 위상을 정할 수 있다.
또한, 제 1 감산기의 출력을 정류, 증폭, 및 필터링하여 얻은 다른 DC 신호 Vref는 기준 위상(θA, θB)에 대응하는 전압을 가진다. Vdiff와 Vref의 크기 비교를 Vdiff와 Vref의 위상 비교로 변환할 수 있기 때문에, 도 8c에 도시된 바와 같이, Vdiff가 Vref보다 높은 경우에, 반사 계수의 위상은 기준 위상 사이에 위치한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 특정의 위상 범위를 선택하기 위해, Vref는 Vdiff 대신에 기준으로서 사용된다. Vf를 다른 전압으로 교체하고, 저항을 제 1 감산기에 접속하여 Vf의 크기를 변경하고, 또는 제 1 정류기의 내부 저항값을 조정함으로써, θA 및 θB를 간단히 변경할 수 있다.
도 8a에 도시된 비교기는 Vdiff와 Vref를 비교하고, 예를 들어, Vdiff가 Vref보다 높으면, 도 8b에 도시된 VDD와 동일한 전압인 하이(high) 신호를 출력한다. 이는, 반사된 신호의 위상이 θA와 θB 사이에 위치하는 경우에, 도 8d에 도시된 바와 같이, 하이 신호가 Vout로서 출력됨을 의미한다. 따라서, Vout는, 반사 계수가 θA와 θB 사이에 있는 위상을 가지는지 여부에 대한 표시로서 사용될 수 있다.
이러한 동작은 도 8b에 도시된 차동 단일단 변압기(differential to single ended transformer)와 도 8a의 정류기를 이용하여 구현될 수 있다.
도 9는 예시적인 크기 검출기(114)를 도시한다. 크기 검출기(114)는 Vf를 수신하는 게이트를 구비한 제 1 트랜지스터와, Vr를 수신하는 게이트를 구비한 제 2 트랜지스터를 포함한다. 제 1 및 제 2 트랜지스터는 Vth 및 Vmag를 각각 출력하고, Vth 및 Vmag는 비교기의 반전 입력부와 비반전 입력부에 각각 입력된다. Vmag가 Vth보다 높은 경우에, 비교기로부터 출력되는 것은, 반사 계수는 기준 ACPR X 외측에서의 크기를 가짐을 표시하는 하이 신호 Vout이다.
도 8a에 도시된 위상 검출기(113)의 Vout와 도 9에 도시된 크기 검출기(114)의 Vout는 부정합 검출기(110)의 제어기(112), 예를 들어, AND 게이트와 NAND 게이트 등의 논리 게이트의 형태인 간단한 회로에 입력된다.
부정합 검출기(110), 특히, 제어기(112)의 출력인 디지털 신호는 피드백 제어 신호(111)로서 작용하여 임피던스 정합 회로(130)를 조작한다. 예를 들어, 위상 검출기(113)의 Vout와 크기 검출기(114)의 Vout가 모두 하이 신호이고, AND 게이트에 입력일 때, AND 게이트의 출력 역시 하이 신호이고, 그 결과, 출력을 피드백 제어 신호(111)로서 이용하는 정합 회로(130)를 조작함으로써, 도 5에 도시된 분로 캐패시터(132)는 전송선(400)과 접지 단자 모두에 접속된다.
본 교시에 따르면, 반사 계수의 정확한 위상 및 정확한 크기를 계산할 필요는 없으며, 반사 계수가 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 있는지 상대적으로 양호한 선형성의 영역에 있는지를 판단하는 간단한 작업을 수행하기에 충분하다. 바람직하게, 또한, 반사 계수를 정확하게 계산하기 위해 복잡한 회로 구성을 필요로 하는 종래의 기술과는 달리, 대표적인 실시예에 따르면, 상대적으로 간단한 회로 구성을 이용하여 반사 계수를 정한다.
또한, 본 교시에 따르면, 고주파 신호 송신기의 반사 계수는 간단한 요소(예를 들어, 단일의 캐패시터)를 이용하여 스미스 챠트 상의 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동되며, 이로써, 소형 및 저렴한 제품을 이용하여 신호 송신기의 선형성을 개선하는 것이 가능하다.
또한, 넓은 ACPR 등고선 간격을 가진 영역에서 캐패시터를 전송선에 연결함으로써, 반사 계수를 스미스 챠트 상에서 이동시킬 수 있기 때문에, 안테나의 주변 환경의 변화에 대한 민감하지 않아 상당히 신뢰할 수 있는 신호 송신기 회로를 구성한다고 하는 장점이 있다.
또한, 본 교시의 부정합 검출기는 측정된 반사 계수가 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 있는지 아닌지 여부만을 결정하는데 필요하며, 따라서, 단순한 구성 및 설계로 구현할 수 있다.
대표적인 실시예에 따르면, 고주파 신호 송신기에 맞는 임피던스 정합을 제공하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 당업자에게, 본 교시를 따르는 여러 변경이 가능하며 이는 본 청구범위 내에 있다는 것은 자명하다. 본 명세서, 도면, 및 청구범위를 검토하면, 당업자에게 이들 변경 및 다른 변경은 자명하다. 그러므로, 본 발명은 본 청구범위의 사상과 범위 내이라는 것을 제외하면 한정되지 않는다.
100 : 신호 송신기 110 : 부정합 검출기
120 : 방향성 커플러 130 : 정합 회로
200 : 신호 공급 회로 300 : 안테나
400 : 전송선

Claims (12)

  1. 전력 증폭기, 안테나, 상기 전력 증폭기로부터 상기 안테나로 고주파 신호를 전송하는 전송선, 및 상기 전송선에 접속된 임피던스 정합 회로를 포함하는 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하는 방법에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로가 접속되는 상기 전송선 상의 임의의 지점에서 스미스 챠트 상에 그려진 인접 채널 전력비(ACPR) 등고선에 근거하여 스미스 챠트를 2개의 영역으로 분할함으로써, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 지정하는 단계와,
    상기 고주파 신호 송신기의 시변적인 반사 계수를 위상 및 크기로 측정하는 단계와,
    상기 반사 계수가 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 있는지 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역에 있는지를 판단하는 단계와,
    상기 판단 결과에 근거하여, 상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선시키는 단계를 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 지정하는 상기 단계는,
    상기 ACPR 등고선 중 기준 ACPR 등고선, 제 1 기준 위상, 및 상기 제 1 기준 위상보다 큰 제 2 기준 위상을 결정하는 단계와,
    상기 기준 ACPR 등고선의 외측에 위치하는 크기를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 기준 위상 사이에 위치하는 위상을 가진 상기 스미스 챠트 상의 영역을 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로서 지정하는 단계와,
    상기 스미스 챠트 상의 나머지 영역을 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로서 지정하는 단계를 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    반사 계수를 측정하는 상기 단계는,
    상기 전력 증폭기로부터 상기 안테나로 전송된 고주파 신호를 샘플링하여 샘플링된 입사 신호를 얻는 단계와,
    상기 안테나로부터 반사되고 상기 전력 증폭기로 진행하는 반사 신호를 샘플링하여 샘플링된 반사 신호를 얻는 단계와,
    상기 샘플링된 입사 신호로부터 상기 샘플링된 반사 신호를 감산하는 단계와,
    상기 감산 결과를 정류하여 위상 비교 전압을 얻는 단계와,
    샘플링된 입사 신호를 정류하여 위상 기준 전압을 얻는 단계와,
    상기 위상 비교 전압을 상기 위상 기준 전압과 비교하고, 상기 위상 비교 전압이 상기 위상 기준 전압보다 높으면, 상기 반사 계수가 상기 제 1 및 상기 제 2 기준 위상 사이에 있는 위상을 가짐을 나타내는 위상 신호를 생성하는 단계를 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    반사 계수를 측정하는 상기 단계는,
    상기 샘플링된 반사 신호를 제 1 트랜지스터의 게이트 단자에 입력하여 크기 비교 전압을 얻는 단계와,
    샘플링된 입사 신호를 제 2 트랜지스터의 게이트 단자에 입력하여 크기 기준 전압을 얻는 단계와,
    상기 크기 비교 전압을 상기 크기 기준 전압과 비교하고, 상기 크기 비교 전압이 상기 크기 기준 전압보다 높으면, 상기 반사 계수가 상기 기준 ACPR 등고선의 외측에 있는 크기를 가짐을 나타내는 크기 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.

  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하는 상기 단계는,
    상기 위상 신호와 상기 크기 신호가 모두 생성되어 상기 반사 계수가 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 위치함을 나타낼 때, 피드백 제어 신호를 생성하여 상기 임피던스 정합 회로에 송신하는 단계와,
    상기 피드백 제어 신호에 응답하여 상기 반사 계수를 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 이동시켜, 상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하는 단계를 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하는 상기 단계는,
    상기 위상 신호와 상기 크기 신호 중 적어도 하나가 생성되지 않아, 상기 반사 계수가 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역에 위치함을 나타낼 때, 상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 확보하도록, 시간에 따라 변하도록 구성된 반사 계수를 측정하는 상기 단계로 되돌아가는 단계를 포함하는
    고주파 신호 송신기의 선형성 개선 방법.
  7. 고주파 신호 송신기로서,
    고주파 신호를 공급하도록 구성된 전력 증폭기와,
    상기 고주파 신호를 전송하도록 구성된 안테나와,
    상기 고주파 신호를 상기 고주파 증폭기로부터 상기 안테나로 전송하도록 구성된 전송선과,
    상기 전송선에 접속된 임피던스 정합 회로와,
    상기 임피던스 정합 회로가 접속되어 있는 상기 전송선 상의 임의의 지점에서, 스미스 챠트 상에 그려진 인접 채널 전력비(ACPR) 등고선에 근거하여 스미스 챠트를 2개의 영역으로 분할함으로써, 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상대적으로 양호한 선형성의 영역을 지정하고, 상기 고주파 신호 송신기의 시변적인 반사 계수를 위상과 크기로 측정하고, 상기 반사 계수가 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 위치하는지 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역에 위치하는지를 판단하고, 상기 판단 결과에 근거하여, 상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하도록 구성된 부정합 검출기를 포함하는
    고주파 신호 송신기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 ACPR 등고선 중 기준 ACPR 등고선, 제 1 기준 위상, 및 상기 제 1 기준 위상보다 큰 제 2 기준 위상을 결정하고, 상기 기준 ACPR 등고선의 외측에 위치하는 크기와, 상기 제 1 및 상기 제 2 기준 위상 사이에 위치한 위상을 가진 상기 스미스 챠트 상의 영역을 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로서 지정하고, 상기 스미스 챠트 상의 나머지 영역을 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로서 지정함으로써, 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역과 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역이 지정되는
    고주파 신호 송신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 부정합 검출기는,
    상기 전력 증폭기로부터 상기 안테나로 전송되는 상기 고주파 신호를 샘플링하여 샘플링된 입사 신호를 출력하고, 상기 안테나로부터 반사되고 상기 전력 증폭기로 진행하는 반사 신호를 샘플링하여 샘플링된 반사 신호를 출력하는 방향성 커플러와,
    상기 샘플링된 반사 신호를 상기 샘플링된 입사 신호로부터 감산하도록 구성된 감산기와, 상기 샘플링된 입사 신호를 정류하여 위상 기준 전압을 출력하도록 구성된 제 1 정류기와, 상기 감산기의 출력 신호를 정류하여 위상 비교 전압을 출력하도록 구성된 제 2 정류기와, 상기 위상 비교 전압을 상기 위상 기준 전압과 비교하고, 상기 위상 비교 전압이 상기 위상 기준 전압보다 높으면, 상기 반사 계수가 상기 제 1 및 상기 제 2 기준 위상 사이에 있는 위상을 가짐을 나타내는 위상 신호를 생성하도록 구성된 위상 비교기를 포함하는 위상 검출기를 포함하는
    고주파 신호 송신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 부정합 검출기는,
    상기 샘플링된 반사 신호를 수신하여 크기 비교 전압을 출력하는 게이트 단자를 포함하는 제 1 트랜지스터와, 상기 샘플링된 입사 신호를 수신하여 크기 기준 전압을 출력하는 게이트 단자를 포함하는 제 2 트랜지스터와, 상기 크기 비교 전압을 상기 크기 기준 전압과 비교하고, 상기 크기 비교 전압이 상기 크기 기준 전압보다 높으면, 상기 반사 계수가 상기 기준 ACPR 등고선의 외측에 있는 크기를 가짐을 나타내는 크기 신호를 생성하도록 구성된 크기 비교기를 구비한 크기 검출기를 더 포함하는
    고주파 신호 송신기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 신호와 상기 크기 신호가 모두 생성되어, 상기 반사 계수가 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역에 위치하고 있음을 나타낼 때, 상기 부정합 검출기는 피드백 제어 신호를 생성하여 상기 임피던스 정합 회로에 송신하고, 상기 임피던스 정합 회로는, 상기 고주파 신호 송신기의 선형성을 개선하기 위해, 상기 피드백 제어 신호에 응답하여, 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 상기 반사 계수를 이동시키는
    고주파 신호 송신기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 분로 캐패시터를 포함하고, 상기 전송선은, 상기 반사 계수를 상기 상대적으로 불량한 선형성의 영역으로부터 상기 상대적으로 양호한 선형성의 영역으로 상기 스미스 챠트 상의 컨덕턴스 원을 따라 시계 방향으로 이동시키도록, 상기 피드백 제어 신호에 응답하여, 상기 분로 캐패시터를 통해 접지되는
    고주파 신호 송신기.
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