KR20120028808A - 주파수 혼합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국부발진기; 상기 국부발진기로부터 발생된 신호를 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하기 위한 신호 분배기; 상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 RF 신호와 연결되는 제 1 주파수 혼합기; 상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 단락 신호와 연결되는 제 2 주파수 혼합기; 및 상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 신호를 결합시키기 위한 신호 결합기를 포함한다.

Description

주파수 혼합 장치{APPARATUS FOR MIXING FREQUENCY}

본 발명은 주파수 혼합 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, Ka 대역 위성 중계기용 하향 주파수 변환기 등에 적용되는 주파수 혼합 장치에 있어서, 출력신호에서 국부발진기의 2차 고조파(Harmonic)를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 주파수 혼합 장치에 관한 것이다.

최근 급속히 확산되고 있는 통신의 이동화와 디지털화를 충족시키기 위해 Ka 대역 통신위성의 수요가 점점 늘어나고 있다. Ka 대역 통신위성에 사용되는 주파수는 RF가 30㎓ 대역이고 IF가 20㎓ 대역이다.

따라서 30㎓ 대역에서 20㎓ 대역으로의 주파수 변환이 필요하게 되고, 이를 위해 10㎓ 근처의 국부발진기(Local Oscillator; LO)가 필요하게 된다. 그런데, 이러한 국부발진기는 주파수 혼합기(Mixer)를 거치면서 주파수가 변환된 IF 신호 이외에 원치 않는 2차 고조파(Harmonic)를 생성시키게 되고, 이와 같은 고조파는 20㎓에 매우 가까운 값을 가지게 된다.

일반적으로, 혼합기 출력의 고조파는 여파기(filter)를 이용하여 제거하게 되는데, 이번 경우와 같이 IF 대역에서 아주 가까운 고조파는 여파기로 제거시키기가 매우 어렵다. 실제 경우를 예로 들자면, Ka 대역 통신중계기의 RF 주파수 대역은 29.6 ~ 30㎓를 사용하고 IF 주파수 대역은 19.8 ~ 20.2㎓를 사용한다.

따라서 9.8㎓의 LO 신호가 필요하게 되고 혼합기의 출력에서는 IF 신호 이외에 2차 LO 고조파가 19.6㎓에서 나타나게 되는데, 이는 IF 대역에서 불과 200㎒ 차이를 두고 나타나는 것이다.

일반적인 2차 고조파의 제거 방법으로 혼합기의 이중평형(Doubly balanced) 구조가 널리 사용된다. 하지만, 이중평형 구조로 혼합기를 구현하더라도 고조파 제거에는 한계가 있다.

실제 주파수 변환기 구현에 있어서는 이중평형 혼합기와 함께, 여러 차수의 여파기를 혼합기 출력에 사용한다. 그런데, 이와 같이 사용된 여러 차수의 여파기는 주파수 변환기의 크기를 키우고 RF 신호의 손실도 키운다는 단점을 가진다.

LO 고조파를 제거시키기 위한 대표적인 기술로는, 발표된 논문 Chin-Fu Li, Po-Chiun Huang, "A 60dB Harmonic mixing reduction mixer for wideband applications," IEEE MTT-S International Proceedings, pp. 559-562, June 2008. 이 있다. 이 논문에서는 길버트 타입 혼합기(Gilbert-type mixer) 구조에서 2개의 트랜지스터를 추가하여 서로 간의 정류작용을 통해 고조파를 줄이는 방법을 제안하고 있다.

그러나 이 방법은 길버트(Gilbert) 형태의 아날로그 회로를 사용하므로 1㎓ 이하의 낮은 주파수에서만 동작하게 되어 높은 주파수에서는 사용이 불가능하다. 그리고 2개의 추가된 트랜지스터는 전체적인 전력 소모를 증가시킨다는 단점이 있다.

이 기술분야의 공개된 특허로는 미국 특허 "Harmonic reject Receiver Architecture and Mixer(출원번호 US2006/0160518)"가 있다. 이 특허에서는 2개의 혼합기의 LO 입력에 각각 위상이 다른 LO 신호를 인가한다. 각각 위상이 다른 LO 신호는, LO 출력에 위상 천이기(phase shifter)를 사용하여 구현한다.

2개의 혼합기의 RF 입력에는 동일한 위상의 RF 신호를 인가한다. 따라서 2개의 IF 출력에는 위상이 다른 IF(RF-LO) 신호와 위상이 다른 LO 고조파가 나오게 된다. 그리고 IF 출력에 앞서 사용한 2개의 혼합기와 같은 형태의 혼합기 2개를 연결한다. 추가된 혼합기의 LO 입력에 사용된 위상 천이기를 통해 다른 2개의 RF 신호는 동위상(in-phase)이 되도록 하고 다른 2개의 LO 고조파는 상이한 위상(out-of-phase)이 되도록 하여 LO 고조파를 제거하게 된다.

하지만, 상기와 같은 구조에서는 4개의 혼합기 및 2개의 위상 천이기가 필요하며 LO도 추가로 구비되어야 하기 때문에, 회로의 구조가 복잡하고 구현 비용이 증대되는 등의 단점을 가진다.

전술한 바와 같이, 상기와 같은 종래 기술은 여러 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

따라서 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, Ka 대역 위성 중계기용 하향 주파수 변환기 등에 적용되는 주파수 혼합 장치에 있어서, 출력신호에서 국부발진기의 2차 고조파를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 주파수 혼합 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 혼합 장치는, 국부발진기; 상기 국부발진기로부터 발생된 신호를 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하기 위한 신호 분배기; 상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 RF 신호와 연결되는 제 1 주파수 혼합기(mixer); 상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 단락 신호와 연결되는 제 2 주파수 혼합기(mixer); 및 상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 신호를 결합시키기 위한 신호 결합기(combiner)를 포함한다.

여기서, 상기 신호 분배기는, 상기 국부발진기로부터 발생된 신호를 90도의 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하는 90도 하이브리드인 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 제 1 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호와 상기 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호는, 180도 위상차를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 2 주파수 혼합기의 제 2 입력 포트는 50Ω 단락 신호와 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기는 동일 특성의 혼합기인 것이 바람직하다.

그리고 상기 신호 결합기는, 상기 제 1 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호와 상기 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호를 신호 결합 과정에서 상쇄시켜 제거하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 신호 결합기는 0도 위상차의 신호 결합기인 것이 바람직하다.

이때, 상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기의 제 1 입력 포트를 통해 입력되는 신호는 9.8㎓ 대역 신호이고, 상기 제 1 주파수 혼합기의 제 2 입력 포트를 통해 입력되는 RF 신호는 29.6 내지 30㎓ 대역 신호일 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 고조파 제거를 위해 일반적으로 사용되는 이중평형 혼합기와 비교해 2차 고조파 제거도가 크게 향상된 신호를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 상기와 같은 2차 고조파의 효율적인 제거가 가능한 주파수 혼합 장치를 하나의 주파수 혼합기(dummy mixer)와 하이브리드 및 신호 결합기만을 추가하는 간단한 구성으로 제공함으로써, MMIC로도 이의 구현이 가능하도록 한다는 등의 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치의 구성도,
도 2는 도 1의 주파수 혼합 장치의 일실시예 회로도,
도 3은 도 2의 회로도를 시뮬레이션한 후 IF 포트에서 생성된 여러 주파수의 출력 스펙트럼(spectrum)들을 나타내는 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치는, 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(101, 102), 하이브리드(신호 분배기, 107) 및 신호 결합기(108)를 포함하여 이루어짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치는, 일반적으로 사용되는 이중평형 혼합기(Doubly Balanced Mixer; DBM)에 특성이 같은, 즉 동일 특성의 혼합기(dummy mixer)를 추가로 구비한 구조를 갖는다.

국부발진기(Local Oscillator; LO)로부터 신호가 인가되는 LO 포트(103)에는 하이브리드(107)가 연결됨으로써, LO 신호는 하이브리드(107)를 통해 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분되어 출력된다. 이때, 본 발명의 일실시예에 있어서 상기 하이브리드(107)는, 입력 신호를 90도 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하는 90도 하이브리드인 것이 바람직할 수 있다.

상기 하이브리드(107)를 통해 제공되는 위상차를 갖는 2개의 LO 신호는 각각 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(101, 102)의 제 1 포트에 연결된다. 이때, 제 1 주파수 혼합기(101)의 제 2 포트(104)에는 통상의 RF 신호가 연결되며, 제 2 주파수 혼합기(102)의 제 2 포트(105)는 단락(termination)을 시키게 된다.

그리고 상기 2개의 LO 신호, 통상의 RF 신호, 단락 신호의 입력에 의해 생성되는 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(101, 102)의 IF 출력 신호는, 신호 결합기(Combiner, 108)를 통해 결합된 후 IF 포트(106)를 통해 출력된다. 여기서, 상기 신호 결합기(Combiner, 108)는, 위상차가 나지 않는, 즉 0도 위상차의 신호 결합기인 것이 바람직할 수 있다.

이때, 본 발명의 일실시예에 있어서, 동일 조건으로 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(101, 102)를 거쳐서 생성된 고조파 중 2차 고조파는 위상이 서로 반대(180도 차이)가 되어 2개의 주파수 혼합기(101, 102)의 출력으로 나오게 되므로, 이러한 2차 고조파는 신호 결합기(108)에 의해 신호가 결합되는 과정에서 반대 위상의 2차 고조파 신호에 의해 상쇄되는 것이다.

다시 말해, 실제 Ka 대역 통신위성에 적용되는 주파수 신호를 예로 들어 설명하자면, 90도 하이브리드(107)의 두 출력에서 볼 때, 입력에서 공급된 9.8㎓의 1xLO에서는 두 개의 출력 신호의 위상 차이가 90도지만 2차 고조파인 19.6㎓의 2xLO 신호에 대해서는 180도의 차이가 생기게 된다. 따라서 동일 조건으로 주파수 혼합기를 거쳐서 생성된 고조파 중 2xLO 고조파는 위상이 서로 반대(180도 차이)가 되어 2개의 주파수 혼합기(101, 102)의 출력으로 나오게 되므로, 이러한 고조파는 신호 결합기(108)에 의해 신호가 결합되는 과정에서 2xLO 신호의 반대 위상 신호에 의해 상쇄되는 것이다. RF 신호 입장에서는, 제 2 주파수 혼합기(102)로부터 RF 신호가 공급되지 않기 때문에 별다른 영향을 받지 않게 된다.

도 2는 도 1의 주파수 혼합 장치의 일실시예 회로도이다.

도 2를 참조하여 살펴보면, 국부발진기로부터 생성된 LO 신호가 하이브리드(207)의 LO 포트(203)를 통해 입력된 후 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분되어 각각 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(201, 202)에 인가되고, 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(201, 202)는 위상차를 갖는 LO 신호 및 RF 신호 등을 입력으로 받아 이의 혼합 신호를 신호 결합기(208)로 전달하며, 상기 신호 결합기(208)를 통해 최종적인 IF 신호가 생성되어 출력됨을 확인할 수 있다.

여기서, 상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기(201, 202)는 이중평형 혼합기의 구조를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 제 1 주파수 혼합기(201)의 제 2 포트(204)에는 약 29.8㎓의 RF 신호가, 제 2 주파수 혼합기(202)의 제 2 포트(205)에는 50Ω 단락 신호가 연결될 수 있다. 제 2 주파수 혼합기(202)를 50Ω 단락시키는 이유는, 두 주파수 혼합기(201, 202)의 균형(balance)이 매우 중요하므로 이들의 조건을 동일하게 만들어 주기 위해서인데, 일반적으로 주파수 혼합기의 제 2 포트(RF 포트)는 50Ω 임피던스(impedance)를 갖기 때문이다.

본 발명의 일실시예에 있어 90도 하이브리드(207)로는 대역 특성이 우수한 랑쥐 커플러(Lange coupler)를 사용하였으며, 신호 결합기(208) 역시 대역 특성이 우수한 윌킨슨 콤바이너(Wilkinson combiner)를 사용하였다.

도 3은 도 2의 회로도를 시뮬레이션(simulation) 한 후 IF 포트에서 생성된 여러 주파수의 출력 스펙트럼(spectrum)들을 나타내는 도면이다.

즉, 도 3은 도 2의 회로도를 컴퓨터를 이용해 시뮬레이션한 후에 IF 포트에서 생성된 IF 신호 및 LO 고조파를 비롯한 여러 주파수의 출력 스펙트럼들을 나타낸 결과도로서, 본 발명의 검증을 위해 실제 이중평형 주파수 혼합기와 90도 하이브리드인 랑쥐 커플러(Lange coupler) 및 신호 결합기로 윌킨슨 콤바이너(Wilkinson combiner)를 사용하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.

두 개의 그래프 중 위의 그래프(301)는 이중평형 혼합기 하나로 구성된 통상의 주파수 혼합 장치를 적용하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있으며, 아래의 그래프(302)는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치를 적용하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

상기 두 개의 그래프(301, 302)에 있어 여러 주파수의 스펙트럼들 가운데 20㎓(303, 304) 신호만이 원하는 IF 신호(RF-LO)이고 나머지는 제거되어야 할 신호들이다.

LO 신호의 리키지(leakage)(1xLO; 305, 306)는 두 그래프(301, 302) 모두에 있어 크기가 거의 비슷하게 나타나고 있으며, RF 리키지(leakage)(307, 308)도 비슷한 수준이다. RF 신호와 2차 LO 신호에 의해 나타나는 RF-2xLO 신호(309,310) 역시 별 차이가 없다.

하지만, LO 신호의 2차 고조파인 2xLO 신호(311, 312)의 경우 두 그래프 사이에 약 30dB 이상의 차이를 나타냄을 확인할 수 있다. 따라서 하나의 이중평형 주파수 혼합기만으로 구성된 통상의 주파수 혼합 장치에 비해, 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 혼합 장치의 2차 고조파 제거 개선도가 30㏈ 이상 향상되었음을 알 수 있다.

상기 2차 고조파(311,312) 이외의 주파수 스펙트럼들은 IF 신호(303, 304)에 대해 주파수가 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 여파기 등을 사용할 경우 용이하게 이들을 제거할 수 있지만, 2차 고조파(311,312)의 경우는 IF 대역에 매우 가깝게 위치하므로 단순히 여파기만을 이용하여 제거하기에 어려움이 있다.

따라서 본 발명의 주파수 혼합 장치를 2차 고조파 제거 혼합기를 사용함으로써, 이러한 어려움을 해결할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

101, 102, 201, 202 : 주파수 혼합기
103, 203 : 국부 발진기(LO) 입력 포트
104, 105, 204, 205 : RF 입력 포트 106, 206 : IF 출력 포트
107, 207 : 하이브리드 108, 208 : 신호 결합기

Claims (8)

1. 국부발진기;
   상기 국부발진기로부터 발생된 신호를 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하기 위한 신호 분배기;
   상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 RF 신호와 연결되는 제 1 주파수 혼합기(mixer);
   상기 신호 분배기를 통해 출력되는 2개의 신호 중 하나의 신호를 제 1 입력 포트를 통해 입력받고, 제 2 입력 포트는 단락 신호와 연결되는 제 2 주파수 혼합기(mixer); 및
   상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 신호를 결합시키기 위한 신호 결합기(combiner)
   를 포함하는 주파수 혼합 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 분배기는,
   상기 국부발진기로부터 발생된 신호를 90도의 위상차를 갖는 2개의 신호로 구분하여 출력하는 90도 하이브리드인 것을 특징으로 하는 주파수 혼합 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호와 상기 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호는, 180도 위상차를 가지는, 주파수 혼합 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 주파수 혼합기의 제 2 입력 포트는 50Ω 단락 신호와 연결되는, 주파수 혼합 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기는 동일 특성의 혼합기인 것을 특징으로 하는 주파수 혼합 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 결합기는,
   상기 제 1 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호와 상기 제 2 주파수 혼합기로부터 출력되는 2차 고조파 신호를 신호 결합 과정에서 상쇄시켜 제거하는, 주파수 혼합 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 결합기는 0도 위상차의 신호 결합기인 것을 특징으로 하는 주파수 혼합 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 주파수 혼합기의 제 1 입력 포트를 통해 입력되는 신호는 9.8㎓ 대역 신호이고, 상기 제 1 주파수 혼합기의 제 2 입력 포트를 통해 입력되는 RF 신호는 29.6 내지 30㎓ 대역 신호인 것을 특징으로 하는 주파수 혼합 장치.

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