KR20120071116A

KR20120071116A - 다중입출력 증폭기 및 다중입출력 증폭방법

Info

Publication number: KR20120071116A
Application number: KR1020100132724A
Authority: KR
Inventors: 신동환; 문성모
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-02
Also published as: US20120163428A1; US8737528B2

Abstract

본 발명은 통신위성 중계기 등에 사용되어 출력 전력 제어 기능을 수행하는 다중입출력 증폭기에 관한 것으로, 소형, 저전력 자동 교정 회로를 포함하는 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

Description

다중입출력 증폭기 및 다중입출력 증폭방법{Auto Calibrated Circuit with Additive Mixing Architecture Multiport amplifier and amplification method}

본 발명은 통신위성 중계기 등에 사용되어 출력 전력 제어 기능을 수행하는 다중입출력 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회로 구성 및 환경에서 나타나는 위상 및 진폭 부정합에 대한 자동 교정 기능을 갖춘 다중입출력 증폭기에 관한 것이다.

서비스 커버리지 내에 높은 안테나 이득을 갖는 좁은 빔들을 제공할 수 있는 다중 빔 안테나 시스템은 매우 우수한 EIRP 및 G/T 성능으로 인해 통신 및 방송위성의 탑재체 시스템으로 많이 사용되고 있다.

다중 빔 안테나 시스템에서는 동작 조건에 따라 출력 전력 제어가 가능한 다중입출력 증폭기(Multiport Amplifier)가 널리 사용되고 있다. 다중입출력 증폭기를 이용한 다중 빔 안테나 시스템은 서비스 지역 내에 여러 스폿 빔을 두어 통신 및 방송 서비스를 제공하며, 강우 또는 통신 서비스 급증 등으로 인해 더 높은 EIRP가 요구되는 지역에 대해 높은 전력 할당을 유연하게 제공할 수 있다.

또한 위성 중계기용 부품 중 가장 고장율이 높은 고전력 증폭기를 병렬로 묶어 사용하므로 기존의 위성 중계기 보다 더 적은 수의 고전력 증폭기 예비기(Redundancy)를 이용하여 시스템 구성이 가능하다.

다중입출력 증폭기의 동작원리는 하이브리드, 고전력증폭기 및 기타 전송선로 등의 연결 부품들이 이상적인 동작을 할 경우에 한해 성립된다. 실제로 다중입출력 증폭기 구현 시 하이브리드는 출력 전력간에 크기 차가 있으며 위상 또한 오차를 갖게 된다.

고전력 증폭기의 경우 비선형성에 의해 입력 전력의 크기에 따라 출력 신호의 위상이 다른 값을 갖게 된다. 전송 선로 등 연결 부품은 동일한 크기 및 형태로 제작되지 않을 경우 신호의 크기와 위상 변화를 일으킬 수 있다.

이러한 크기와 위상 변화를 회복하기 위한 위상/크기 조정회로의 위상과 크기의 값은 다중입출력 증폭기 시스템 구현 시 각 부품의 실제 성능을 포함하여 최적의 성능이 구현될 수 있도록 하는 값으로 정해진다.

그러나 부품 성능의 열화나 온도 변화 등의 환경 조건 변화에 의해 다중출력 증폭기의 구성 부품들의 성능에 변화가 생길 경우 다중입출력 증폭기의 성능을 최적 상태로 유지할 수 없게 된다.

본 발명은 다중입출력 증폭기에서의 위상/진폭 조정값을 설정하기 위한 회로와 설정 방법을 제공한다.

또한, 이를 통한 자동 교정 기능을 갖춘 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

본 발명은 회로 구성 및 환경에서 나타나는 위상 및 진폭 부정합에 대한 자동 교정 기능을 갖춘 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

본 발명은 소형, 저전력 자동 교정 회로를 포함하는 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 환경조건 변화에 따른 성능최적화를 수행하는 다중입출력 증폭기는 다중빔 안테나 시스템에서 출력전력을 제어하는 다중입출력 증폭기(Multiport Amplifier)에 있어서, 다중입출력 증폭기를 구성하는 입력 하이브리드 네트워크 또는 출력 하이브리드 네트워크의 비선형성에 의해 발생하는 신호의 크기와 위상의 오차를 조정하는 크기/위상 조정회로 및 다중입출력 증폭기의 출력포트별로 실제 출력되는 신호의 크기 및 위상을 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력되는 입력신호로부터 예측되는 출력포트별 출력신호의 크기 및 위상과 일치되도록 크기/위상 조정회로를 제어하는 교정회로를 포함한다.

또한, 교정회로는 파일럿 신호를 QPSK(quadrature phase shift keying)신호로 변조하는 QPSK변조부, 변조된 QPSK신호와 출력포트별 출력신호를 결합하여 복조하는 신호선택 복조부 및 입력신호로부터 예측되는 출력신호와 복조된 출력신호를 비교하여 크기/위상 조정회로에서 복조된 출력신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 전달하는 신호처리부를 포함한다.

또한, QPSK변조부는 입력포트에 입력되는 파일럿 신호를 I 및 Q신호를 포함하는 QPSK신호로 변조하여 신호선택 복조부에 전달한다.

또한, 신호선택 복조부는 출력포트별 출력신호를 순차적으로 스위칭하는 스위치, 변조된 QPSK신호에 스위칭된 출력신호를 위상 변환하여 결합하는 신호결합부 및 결합된 두 신호를 비교하여 두 신호의 차(difference)신호를 출력하는 비교부를 포함한다.

또한, 스위치는 출력포트별 출력신호에 대해 순차적으로 소정의 위상을 갖는 출력신호를 스위칭한다.

또한, 스위치는 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력신호가 입력되는 경우 예측되는 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 하나 이상의 신호를 전달받아 위상에 따라 스위칭한다.

또한, 스위치는 다중입출력 증폭기가 4개의 입력포트 및 4개의 출력포트로 이루어진 경우, 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 6개의 신호를 전달받아 위상에 따라 스위칭한다.

또한, 신호결합부는 변조된 QPSK신호에 스위칭된 출력신호를 결합하는 제1결합부, 스위칭된 출력신호의 위상을 반대로(+180°) 바꾸는 위상변환부 및 변조된 QPSK신호에 위상변환부에서 변환된 출력신호를 결합하는 제2결합부를 포함한다.

또한, 신호결합부는 변조된 QPSK신호가 입력되는 제1단자, 스위칭된 출력신호가 입력되는 제2단자, 제1결합부에서 생성된 신호를 출력하는 제3단자 및 제2결합부에서 생성된 신호를 출력하는 제4단자로 구성될 수 있다.

또한, 신호결합부는 수동소자인 랫 래이스 커플러(rat-race coupler)나 능동 트랜지스터를 이용하여 구현할 수 있다

또한, 제1결합부에서 생성된 신호와 제2결합부에서 생성된 신호 각각에 대한 전력을 검출한 전력신호를 생성하는 전력검출부 및 생성된 전력신호의 노이즈를 제거하는 필터부를 더 포함할 수 있다.

또한, 비교부는 제1결합부에서 생성된 신호에 대한 전력신호와 제2결합부에서 생성된 신호에 대한 전력신호를 비교하여 두 신호의 차신호를 출력한다.

또한, 신호처리부는 입력신호로부터 예측되는 출력신호를 기준으로 크기/위상 조정회로에서 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 크기/위상 조정회로에 전달한다.

또한, 신호처리부는 스위치가 전달받은 각각의 신호에 대한 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 크기/위상 조정회로에 전달한다.

또한, 신호처리부는 스위치가 전달받은 6개의 신호에 대한 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 크기/위상 조정회로에 전달한다.

또한, 크기/위상 제어회로는 전달받은 제어신호에 따라 차신호의 크기 및 위상을 조정한다.

본 발명의 일 양상에 따른 환경조건 변화에 따른 성능최적화를 수행하는 다중입출력 증폭방법은 다중빔 안테나 시스템에서 출력전력을 제어하는 다중입출력 증폭기(Multiport Amplifier)를 통한 다중입출력 증폭방법에 있어서, 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력되는 파일럿 신호를 I 및 Q신호를 포함하는 QPSK신호로 변조하는 단계, 다중입출력 증폭기의 출력포트별 출력신호를 순차적으로 스위칭하는 단계, 변조된 QPSK신호에 스위칭된 출력신호를 결합하는 단계, 변조된 QPSK신호에 스위칭된 출력신호의 위상이 반대로(+180°) 바뀐 출력신호를 결합하는 단계 및 결합된 두 신호를 비교하여 두 신호의 차(difference)신호를 출력하는 단계, 입력신호로부터 예측되는 출력신호를 기준으로 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 단계를 포함한다.

또한, 각각의 단계는 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력신호가 입력되는 경우 예측되는 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 출력되는 하나 이상의 신호에 대해 반복하여 수행한다.

본 발명은 다중입출력 증폭기에서의 위상/진폭 조정값을 설정하기 위한 회로와 설정 방법을 제공하고, 이를 통한 자동 교정 기능을 갖춘 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

또한, 회로 구성 및 환경에서 나타나는 위상 및 진폭 부정합에 대한 자동 교정 기능을 갖춘 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

또한, 소형, 저전력 자동 교정 회로를 포함하는 다중입출력 증폭기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4x4 다중입출력 증폭기를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중입출력 증폭기의 입출력 하이브리드 네트워크를 구성하는 하이브리드를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4x4 다중입출력 증폭기의 신호 흐름을 통한 동작원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 크기/위상 조정회로가 포함된 다중입출력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중입출력 증폭기의 자동 교정 기능을 위한 위상 및 진폭 부정합 교정 회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 위상 및 진폭 부정합 교정 회로 내의 신호선택 복조기의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기의 세부 구성의 타임 도메인 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수동 소자를 이용하여 전력 결합기를 구현한 랫 래이스 커플러(rat race coupler)를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기에서 스위치를 통하여 특정 위상 0도, 90도, 180도, 270도의 위상이 인가되었을 때 출력 노드의 결과 타임 도메인 그래프를 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기에서 스위치를 통하여 출력 노드의 결과 타임 도메인을 측정하는 다중입출력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 노드의 결과 타임 도메인 그래프로부터 위상보정을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4x4 다중입출력 증폭기를 나타낸 개념도이다.

다중입출력 증폭기는 복수의 입력 단자와 출력 단자를 가지고 있으며 입출력 단자의 수는 2n의 수로 구성할 수 있다. 따라서 입출력 단자의 수가 2, 4, 8, 16,…인 다중입출력 증폭기 구성이 가능하나, 구현의 용이성이나 최적 성능 등을 고려하여 가장 많이 이용되는 구성은 4x4 구조와 8x8 구조이다.

다중입출력 증폭기는 4개의 하이브리드(110)로 구성된 입력 하이브리드 네트워크(120)와 출력 하이브리드 네트워크(130) 및 두 개의 하이브리드 네트워크를 연결하는 4개의 고출력 증폭기(140)로 구성된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중입출력 증폭기의 입출력 하이브리드 네트워크를 구성하는 하이브리드를 나타낸 도면이다.

하이브리드의 201 입력 단자에 RF 신호가 인가되면 인가된 신호는 그 크기가 반으로 나뉘어 203 단자와 204 단자에 출력되며, 202 단자에는 신호가 출력되지 않는다.

203 단자의 출력 신호와 204 단자의 출력 신호는 그 크기가 같지만, 90도의 위상차를 갖게 된다. 다중입출력 증폭기는 하이브리드의 이러한 특성을 이용하여 동작되게 된다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4x4 다중입출력 증폭기의 신호 흐름을 통한 동작원리를 나타낸 도면이다.

도 3a는 다중입출력 증폭기의 입력 I1 단자에 주파수가 f1인 신호가 인가되는 경우를 가정한 것이다.

인가된 신호는 310 하이브리드를 거쳐 311 단자와 312 단자에 나뉘어 출력되며 두 신호는 90도의 위상차를 갖게 된다.

311 단자의 신호는 320 하이브리드에 인가되고 다시 321 단자와 322 단자에 90도 위상차를 가지며 나뉘어 출력된다. 또한 312 단자의 신호는 330 하이브리드에 인가되어 331 단자와 332 단자에 90도 위상차를 가지며 나뉘어 출력된다.

321, 322, 331, 332 단자의 신호는 그 크기가 모두 같지만 순서대로 0도, 90도, 90도, 180도의 위상차를 갖게 된다. 각 신호는 고전력 증폭기를 거친 후 출력 하이브리드 네트워크에 인가된다.

340 하이브리드에 인가되는 두 신호는 크기가 같고 위상이 0도와 90도로 서로 90도 위상차를 갖는다. 따라서 341 단자에서는 두 신호가 역 위상을 가지며 합쳐져서 출력 신호가 서로 상쇄되며, 342 단자에서 90도 동 위상이 되어 합쳐진 신호가 나타나게 된다.

350 하이브리드에서는 인가되는 두 신호는 크기가 같고 위상이 90도와 180도로 90도 위상차를 가지므로 351 단자에서는 두 신호가 역 위상을 가지며 합쳐져서 출력 신호가 서로 상쇄되며, 352 단자에서 180도 동 위상이 되어 합쳐진 신호가 나타나게 된다.

360 하이브리드에서는 342 단자의 신호와 352 단자의 신호가 합쳐진 신호가 O4 단자에 출력되며 그 위상은 180도를 갖게 된다. 결론적으로 4x4 다중입출력 증폭기의 I1 단자로 입력되는 신호는 O4 단자로만 출력되며 I1 단자의 입력 신호와 O4 단자의 출력 신호는 180도의 위상차를 갖게 된다.

도 3b 내지 도 3d 역시 도 3a와 동일한 동작과정을 통하여 도 3b 내지 도 3d에 나타낸 바와 같이 입력 단자에서 각각 하나의 출력 단자로 신호가 출력된다.

구체적으로 살펴보면, 도 3b는 다중입출력 증폭기의 입력 I2 단자에 주파수가 f2인 신호가 인가되는 경우를 가정한 것으로, I2 단자로 입력되는 신호는 O3 단자로만 출력되며 I2 단자의 입력 신호와 O3 단자의 출력 신호는 180도의 위상차를 갖게 된다.

이 때, 321, 322, 331, 332 단자의 신호는 그 크기가 모두 같지만 순서대로 0도, 90도, 270도, 0도의 위상차를 갖게 된다. 각 신호는 고전력 증폭기를 거친 후 출력 하이브리드 네트워크에 인가된다.

도 3c는 다중입출력 증폭기의 입력 I3 단자에 주파수가 f3인 신호가 인가되는 경우를 가정한 것으로, I3 단자로 입력되는 신호는 O2 단자로만 출력되며 I3 단자의 입력 신호와 O2 단자의 출력 신호는 180도의 위상차를 갖게 된다.

이 때, 321, 322, 331, 332 단자의 신호는 그 크기가 모두 같지만 순서대로 0도, 270도, 90도, 0도의 위상차를 갖게 된다. 각 신호는 고전력 증폭기를 거친 후 출력 하이브리드 네트워크에 인가된다.

도 3d는 다중입출력 증폭기의 입력 I4 단자에 주파수가 f4인 신호가 인가되는 경우를 가정한 것으로, I4 단자로 입력되는 신호는 O1 단자로만 출력되며 I4 단자의 입력 신호와 O1 단자의 출력 신호는 180도의 위상차를 갖게 된다.

이 때, 321, 322, 331, 332 단자의 신호는 그 크기가 모두 같지만 순서대로 0도, 270도, 270도, 180도의 위상차를 갖게 된다. 각 신호는 고전력 증폭기를 거친 후 출력 하이브리드 네트워크에 인가된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 크기/위상 조정회로가 포함된 다중입출력 증폭기를 나타낸 도면이다.

도 4의 450에서 위상 조정회로는 fine 보정과 coarse보정이 가능하게 되어있다. Coarse 보정은 0도 또는 180도로 반전할 수 있으며, 출력 신호의 포트 위치를 바꿀 수 있게 할 수 있으며, fine 보정은 각 부품 연결 노드 및 부정합 특성에 의한 위상 보정을 위함이다.

도 3a 내지 3d에서 나타낸 바와 같이, 다중입출력 증폭기는 입력 단자와 출력 단자가 정해지고 그 크기 및 위상이 예측가능하다.

그러나, 다중입출력 증폭기를 구성하는 각 부품들의 부정합성에 의해 크기 및 위상의 오차가 발생할 경우가 발생하며, 예측되는 이상적인 동작에서처럼 입력 하이브리드 네트워크와 출력 하이브리드 네트워크에서 분배되는 신호들 간의 동위상 또는 역위상 조건이 성립되지 않아 다중입출력 증폭기의 입력 단자간 그리고 출력 단자간 격리도(아이솔레이션) 성능 등이 저하되는 경우가 있다.

이러한 점 때문에 다중입출력 증폭기는 도 4에서와 같이 신호의 크기/위상 조정회로(450)를 포함하는 구조로 제작한다. 크기/위상 조정회로(450)는 출력단의 전력 손실을 방지하기 위해 고전력 증폭기(440)의 앞 단에 배치되며 다중입출력 증폭기 시스템에서 출력단 하이브리드 네트워크(430)에서 신호의 크기와 위상차를 이상적인 다중입출력 증폭기에서와 같이 유지하여 다중입출력 증폭기의 아이솔레이션 성능을 향상시키는 역할을 한다.

도 4에 나타낸 입력 하이브리드 네트워크(420)는 4 개의 하이브리드(410)를 포함하는 구조로서 도 1과 동일한 기능 및 구조를 갖는다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중입출력 증폭기의 자동 교정 기능을 위한 위상 및 진폭 부정합 교정 회로의 구성을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 자동 교정 기능 시스템 기능을 위한 위상 및 진폭 부정합 교정 회로의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 위상 및 진폭 부정합 교정 회로는 Pilot Signal Generator(510), QPSK 변조기(520), 신호선택 BPSK 복조기(Phase-Selected BPSK Demodulator, 550), 그리고 신호처리기(DSP, 540)를 포함할 수 있다.

Pilot Signal Generator(510)는 파일럿 신호를 생성한다.

QPSK 변조기(520)는 파일럿 신호를 QPSK(quadrature phase shift keying)신호로 변조한다.

신호선택 BPSK 복조기(550)는 변조된 QPSK신호와 출력포트별 출력신호를 결합하여 QPSK 신호 중 I신호 혹은 Q신호의 한 경로 신호만을 복조한다.

신호처리기(540)는 입력신호로부터 예측되는 출력신호와 복조된 출력신호를 비교하여 크기/위상 조정회로에서 복조된 출력신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 전달한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 위상 및 진폭 부정합 교정 회로 내의 신호선택 복조기(550)의 세부 구성을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 신호선택 복조기(550)는 BPSK 복조기(610, 630, 640, 650) 및 스위치(620)를 포함할 수 있다.

BPSK 복조기는 위상 천이기(611), 신호결합기(612, 613), 전력검출기(power detector, 630), 필터(filter, 640), 비교기(650)를 포함할 수 있다. 이러한 구조로부터 출력 단자의 신호의 크기 및 위상의 변형 신호를 추출한다.

일반적인 곱셈 혼합(multiplicative mixing) 방식이나 Multi-port 수신기를 기반으로 한 직접 변환 복조기는 혼합기부터 Parallel-to-serial(P/S) 변환기(converter)까지 I/Q 신호 경로가 분리되어 있다.

다시 말해서, 일반적인 QPSK 신호의 동기 검출은 입력 변조 신호를 90도 위상 차이를 갖는 위상이 서로 다른 국부 발진(LO:Local Oscillator) 신호로 상관시켜서 [±1, ±1]의 심볼과 최대한 비슷한 값을 결정하게 된다.

이후 P/S 변환기가 심볼을 두 비트(bit) 값으로 바꾸어서 원래의 기저대역 이진 데이터를 복원하게 된다. 이에 QPSK 변조 신호를 수신하기 위해서 국부 발진기 신호에서 I/Q 신호를 생성하고, I/Q 신호를 분리하여 I/Q 각각의 경로에 혼합기를 이용하여 변조 신호를 복조한다.

하지만 도 6의 구조는 스위치 단의 입력 신호의 위상에 따라 원하는 I± 또는 Q± 신호 중에서 특정 데이터를 선택적으로 복원할 수 있는 구조이다. 따라서 기존 구성도에 비하여 회로의 크기를 반으로 줄일 수 있고, 소비 전력 또한 반으로 줄일 수 있다.

또한 선택적 신호의 복원으로 인하여 도 4의 각각의 출력에서 나오는 특정 위상의 신호와 변조신호를 신호처리기(540)에서 비교하여 도 1의 다중입출력 증폭기 회로에서 나타나는 부정합을 보정할 수 있다.

각각의 구성에 따른 기본적인 동작원리는 다음과 같으며, 출력 신호에 따른 위상 및 진폭의 보정에 관한 구체적인 내용은 이하에서 자세히 설명한다.

도 5의 QPSK 변조기(520)는 Pilot LO signal을 QPSK 변조신호로 만든다. 변조된 Pilot 신호는 선호선택 복조기(550)에서 위상 및 진폭 검증하기 위한 각 노드의 출력 신호와 결합하여 복조한다.

복조한 신호를 비교기를 거친 후 DSP에서 QPSK 신호의 각 위상에 맞는 신호와 비교하여 원하는 출력 진폭이 나올 때까지 위상을 보정한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기(550)의 세부 구성의 타임 도메인 그래프를 나타낸 도면이다.

도 7에 나타낸 그래프는 스위치(620)에 의해 서로 다른 위상을 갖는 출력 신호를 입력받아 위상에 따라 도 6에 나타난 신호선택 복조기(550)의 세부 구성에 따라 나타나는 타임 도메인 그래프를 나타낸 것이다.

도 7의 그래프에서 가장 먼저 나타낸 그래프는 601 노드의 신호와 602 노드의 신호의 위상차이가 0도일 때의 각 노드의 출력 결과이며, 이후에 나타낸 그래프는 각각 601 노드와 602 노드의 위상차이 별로 신호선택 복조기의 각 노드 별로 출력되는 신호를 나타낸 것이다.

결국, 신호선택 복조기(550)에서 최종적으로 출력되는 신호는 607로 나타낸 노드를 통하여 출력되며 이는 도 5에 나타난 551 라인을 거쳐 신호처리기(540)로 입력된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수동 소자를 이용하여 전력 결합기(combiner)를 구현한 랫 래이스 커플러(rat race coupler)를 나타낸 도면이다.

RAT race coupler는 동일 주파수 신호를 결합(combine) 또는 분배(split) 역할을 한다. 본 발명에서 사용되는 랫 래이스 커플러(Rat race coupler)로는 도 6의 610 의 회로를 구현할 수 있다.

602에 입력된 신호의 위상이 0도 라고 가정하면 도 6의 602 신호가 180도 위상 천이기(611)를 통해서 180도 신호의 위상이 바뀌게 되고, 0도와 180도 신호가 각각 601의 신호와 결합(combine)되면 603과 604의 신호가 나오게 된다.

다시 말하면 604는 601과 602의 합(sum) 신호가 나오고, 603은 601신호와 602신호의 차(difference) 신호가 나오게 된다. 이를 표현한 것이 도 8에 나타낸 랫 래이스 커플러(Rat race coupler)이다.

따라서, 전력 검출기(630)와 필터(640)를 거친 605과 606은 도 7에 나타나 바와 같으며 두 검출된 복조 신호가 180도 위상 반전이 있게 된다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기에서 스위치를 통하여 특정 위상 0도, 90도, 180도, 270도의 위상이 인가되었을 때 출력 노드의 결과 타임 도메인 그래프를 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예로 I1에 신호가 인가 되었을 때 보정 과정 중 S2에서 신호를 받았을 때 DSP에 인가되는 복조신호를 보여 주고 있다.

신호선택 복조기(550)에서 스위치(620)를 통하여 특정 위상 0도, 90도, 180도, 270도의 위상이 인가되었을 때 출력 노드(607)의 결과 타임 도메인 그래프이다.

도 9에 나타난 그래프는 스위치(620)에 의해서 선택된 LO 위상 중에서 S2가 선택되었을 때 QPSK 신호에서 90도 신호와 동일한 데이터만 복원됨을 보여 주고 있다. 만약 입력 신호간의 특정 위상 오차가 발생한다면, 도 11의 실선 결과처럼 신호의 크기가 작거나, 데이터의 형태가 왜곡되어 나타날 것이다. 자세한 내용은 도 11에서 상세히 설명한다.

QPSK 변조기(520)에 의해서 QPSK(I/Q신호 모두)신호는 RF 주파수에 실려 변조되고 변조된 신호가 신호선택 복조기(550)에 인가된다. 그러나 신호선택 복조기(550)에서 입력되는 출력신호는 스위치(620)에 의해 두 개(I/Q신호 모두)가 아닌 하나의 경로만 있기 때문에 출력 신호는 602에 인가되는 LO신호의 위상에 의해서 결정된다.

602에 입력되는 위상을 알고 있기 때문에 QPSK 신호 중 607에서 출력되는 신호를 예상할 수 있으므로, 이를 이용하여 실제 607에 출력되는 신호와 비교하고 위상보정을 수행하게 된다.

도 10a 내지 10d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호선택 복조기에서 스위치를 통하여 출력 노드의 결과 타임 도메인을 측정하는 다중입출력 증폭기를 나타낸 도면이다.

앞서 도 3a 내지 3d에 나타낸 바와 같이 다중입출력 증폭기의 입력 단자와 출력 단자는 서로 하나의 쌍을 이루고 신호의 경로도 예측된다. 따라서 신호선택 복조기에서는 고전력 증폭기 이후에 출력되는 모든 신호의 경로로부터 신호를 입력받아 위상 및 진폭을 보상한다.

이와 같이 도 10a 내지 10d는 S1 내지 S6의 신호를 신호선택 복조기에서 스위칭하여 입력받아야 하므로, 입력 단자 별로 출력되는 모든 신호의 경로로부터 서로 다른 위치의 S1 내지 S6의 신호를 입력받는 것을 나타낸 것이다.

신호선택 복조기에는 S1부터 S6까지 모든 신호가 순차적으로 입력되어야 한다. 각각의 출력에서 나오는 초기의 신호는 위상/진폭 보정을 거치지 않은 신호들이고, 각각의 위상/진폭 부정합은 각각 출력 전까지의 경로상에 나타나는 부정합에 의해서 발생되는 에러들이다. 따라서 입력 신호에서 가장 가까운 신호부터 순차적으로 보정 절차를 수행함으로써 최종 신호까지 발생하는 신호를 보정할 수 있게 된다.

도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 노드의 결과 타임 도메인 그래프로부터 위상보정을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 10a 내지 10d에서 S1 내지 S6의 출력신호의 위상은 정해져 있다. 그리고 위상 및 진폭의 보정은 S1부터 S6까지 순차적으로 보정 과정을 수행한다. 따라서 S1 보정시에 출력에 어떤 신호가 나올지(점선)는 정해져 있기 때문에 출력 신호와 QPSK신호 중 출력에 나올 예상 신호를 신호처리기(540)에서 비교하여 원하는 신호가 나올 때까지 위상을 변화시켜주는 신호를 내보내면 된다.

만일 위상이 틀어져 있다면, 607 출력 신호가 도 11과 같이 나오게 된다. 검정 라인이 점선과 같아질 때까지 위상 보정을 하면 된다.

본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

110 하이브리드
120 입력 하이브리드 네트워크
130 출력 하이브리드 네트워크
140 고전력 증폭기

Claims

다중빔 안테나 시스템에서 출력전력을 제어하는 다중입출력 증폭기(Multiport Amplifier)에 있어서,
상기 다중입출력 증폭기를 구성하는 입력 하이브리드 네트워크 또는 출력 하이브리드 네트워크의 비선형성에 의해 발생하는 신호의 크기와 위상의 오차를 조정하는 크기/위상 조정회로; 및
상기 다중입출력 증폭기의 출력포트별로 실제 출력되는 신호의 크기 및 위상을 상기 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력되는 입력신호로부터 예측되는 출력포트별 출력신호의 크기 및 위상과 일치되도록 상기 크기/위상 조정회로를 제어하는 교정회로;를 포함하는 다중입출력 증폭기.
제 1 항에 있어서, 상기 교정회로는
파일럿 신호를 QPSK(quadrature phase shift keying)신호로 변조하는 QPSK변조부;
상기 변조된 QPSK신호와 상기 출력포트별 출력신호를 결합하여 복조하는 신호선택 복조부; 및
상기 입력신호로부터 예측되는 출력신호와 상기 복조된 출력신호를 비교하여 크기/위상 조정회로에서 상기 복조된 출력신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 전달하는 신호처리부;를 포함하는 다중입출력 증폭기.
제 2 항에 있어서, 상기 QPSK변조부는
상기 입력포트에 입력되는 파일럿 신호를 I 및 Q신호를 포함하는 QPSK신호로 변조하여 상기 신호선택 복조부에 전달하는 다중입출력 증폭기.
제 2 항에 있어서, 상기 신호선택 복조부는
상기 출력포트별 출력신호를 순차적으로 스위칭하는 스위치;
상기 변조된 QPSK신호에 상기 스위칭된 출력신호를 위상 변환하여 결합하는 신호결합부; 및
상기 결합된 두 신호를 비교하여 두 신호의 차(difference)신호를 출력하는 비교부;를 포함하는 다중입출력 증폭기.
제 4 항에 있어서, 상기 스위치는
상기 출력포트별 출력신호에 대해 순차적으로 소정의 위상을 갖는 출력신호를 스위칭하는 다중입출력 증폭기.
제 4 항에 있어서, 상기 스위치는
상기 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력신호가 입력되는 경우 예측되는 상기 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 하나 이상의 신호를 전달받아 위상에 따라 스위칭하는 다중입출력 증폭기.
제 6 항에 있어서, 상기 스위치는
상기 다중입출력 증폭기가 4개의 입력포트 및 4개의 출력포트로 이루어진 경우, 상기 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 6개의 신호를 전달받아 위상에 따라 스위칭하는 다중입출력 증폭기.
제 4 항에 있어서, 상기 신호결합부는
상기 변조된 QPSK신호에 상기 스위칭된 출력신호를 결합하는 제1결합부;
상기 스위칭된 출력신호의 위상을 반대로(+180°) 바꾸는 위상변환부; 및
상기 변조된 QPSK신호에 상기 위상변환부에서 변환된 출력신호를 결합하는 제2결합부;를 포함하는 다중입출력 증폭기.
제 8 항에 있어서, 상기 신호결합부는
상기 변조된 QPSK신호가 입력되는 제1단자;
상기 스위칭된 출력신호가 입력되는 제2단자;
상기 제1결합부에서 생성된 신호를 출력하는 제3단자; 및
상기 제2결합부에서 생성된 신호를 출력하는 제4단자;를 포함하는 랫 래이스 커플러(rat-race coupler)로 이루어진 다중입출력 증폭기.
제 8 항에 있어서,
상기 제1결합부에서 생성된 신호와 상기 제2결합부에서 생성된 신호 각각에 대한 전력을 검출한 전력신호를 생성하는 전력검출부; 및
상기 생성된 전력신호의 고조파 성분 및 노이즈를 제거하는 필터부;를 더 포함하는 다중입출력 증폭기.
제 10 항에 있어서, 상기 비교부는
상기 제1결합부에서 생성된 신호에 대한 전력신호와 상기 제2결합부에서 생성된 신호에 대한 전력신호를 비교하여 두 신호의 차신호를 출력하는 다중입출력 증폭기.
제 4 항에 있어서, 상기 신호처리부는
상기 입력신호로부터 예측되는 출력신호를 기준으로 상기 크기/위상 조정회로에서 상기 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 상기 크기/위상 조정회로에 전달하는 다중입출력 증폭기.
제 6 항에 있어서, 상기 신호처리부는
상기 스위치가 전달받은 각각의 신호에 대한 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 상기 크기/위상 조정회로에 전달하는 다중입출력 증폭기.
제 7 항에 있어서, 상기 신호처리부는
상기 스위치가 전달받은 6개의 신호에 대한 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 제어신호를 생성하여 상기 크기/위상 조정회로에 전달하는 다중입출력 증폭기.
제 12 항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크기/위상 제어회로는
상기 전달받은 제어신호에 따라 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 다중입출력 증폭기.
다중빔 안테나 시스템에서 출력전력을 제어하는 다중입출력 증폭기(Multiport Amplifier)를 통한 다중입출력 증폭방법에 있어서,
상기 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력되는 파일럿 신호를 I 및 Q신호를 포함하는 QPSK신호로 변조하는 단계;
상기 다중입출력 증폭기의 출력포트별 출력신호를 순차적으로 스위칭하는 단계;
상기 변조된 QPSK신호에 상기 스위칭된 출력신호를 결합하는 단계;
상기 변조된 QPSK신호에 상기 스위칭된 출력신호의 위상이 반대로(+180°) 바뀐 출력신호를 결합하는 단계; 및
상기 결합된 두 신호를 비교하여 두 신호의 차(difference)신호를 출력하는 단계;
상기 입력신호로부터 예측되는 출력신호를 기준으로 상기 차신호의 크기 및 위상을 조정하는 단계;를 포함하는 다중입출력 증폭방법.
제 16 항에 있어서, 상기 각각의 단계는
상기 다중입출력 증폭기의 특정 입력포트에 입력신호가 입력되는 경우 예측되는 상기 출력 하이브리드 네트워크 상의 출력신호의 진행경로로부터 출력되는 하나 이상의 신호에 대해 반복하여 수행하는 다중입출력 증폭방법.