KR20140064095A

KR20140064095A - 트랜스포머 기반 ｒｆ 스위치 및 그 스위칭 방법

Info

Publication number: KR20140064095A
Application number: KR1020120131030A
Authority: KR
Inventors: 김기진; 안광호; 박상훈
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-05-28
Also published as: US9293797B2; US20140139298A1; KR101428003B1

Abstract

트랜스포머 기반 RF 스위치 및 그 스위칭 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 RF 스위치는, 1차측이 송신단에 연결되고 2차측이 안테나에 연결된 송신단 트랜스포머와 1차측이 안테나에 연결되고 2차측이 수신단에 연결된 수신단 트랜스포머를 포함하고, 송신 모드에서는 송신단 트랜스포머가 턴-온 되고, 수신 모드에서는 수신단 트랜스포머가 턴-온 된다. 이에 의해, 직렬 연결된 트랜지스터에 의한 스위칭이 아닌 트랜스포머 기반의 스위칭이 가능하게 되어, 높은 아이솔레이션(High Isolation) 뿐만 아니라, 높은 선형성(High linearity)과 낮은 삽입 손실(Low insertion loss) 모두를 구비한 RF 스위치 구현이 가능해진다.

Description

트랜스포머 기반 ＲＦ 스위치 및 그 스위칭 방법{RF Switch with Transformer and Switching Method thereof}

본 발명은 RF 스위치(Radio Frequency Switch)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 TDD 시스템에서 RF 프런트 엔드에 사용되는 RF 스위치에 관한 것이다.

도 1은 TDD 시스템에서 RF 프런트 엔드(RF Front End)를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 RF 프런트 엔드는 송신 모드에서는 수신단(Rx)이 동작하지 않고, 수신 모드에서는 송신단(Tx)이 동작하지 않기 때문에, 하나의 안테나로 운용가능하다. 단, 스위치가 더 필요하다.

송신단(Tx)의 출력을 높이기 위한 PA(Power Amplifier)는 주로 차동 방식으로 설계되고, LNA(Low Noise Amplifier)도 RF 프런트 엔드 모듈 내부의 common mode noise와 ground effect를 최소화 하기 위해 차동 방식으로 설계된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, RF 프런트 엔드에는 발룬을 더 필요로 한다.

도 1에 도시된 스위치와 발룬들을 조합하여 모듈로 제작한 것을 AFE(Analog Front End)라고 한다. Multi-band, Multi-mode 무선통신 환경으로 인해, AFE의 제조 비용과 시스템 크기의 증가가 문제되고 있다.

AFE의 문제 줄이고자 Chip으로 이 모듈을 대체하고자 하는 기술이 제시되었는데, 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 CMOS 트랜지스터 기반으로 설계된 RF 스위치이다.

도 2에 도시된 RF 스위치는 송신단(Tx)과 수신단(Rx)에 대칭이 되도록 트랜지스터들이 배열되어 있다. "SW"가 high 레벨이면 T_s2가 턴-온 되고 T_p2가 턴-오프 되면서, 수신단(Rx)이 안테나와 연결된다. 이때, 송신단(Tx)에서는 T_s1이 턴-오프 되어 안테나로부터 송신단(Tx)으로 신호가 유입되는 것을 막고, T_p1이 턴-온 되어 T_s1를 통과한 신호를 접지시킴으로서 아이솔레이션(isolation)을 보장한다.

하지만, 송신단(Tx)에서 출력되는 송신 신호는 PA를 거친 고출력 신호이다. 따라서, 고출력 신호에 대해 비선형성을 보이는 T_s1를 통과하는 과정에서 선형성을 보장할 수 없음은 물론 많은 손실을 발생시킨다.

수신단(Rx)에 의해서도, T_s2에 의해 발생하는 손실이 시스템 전체 잡음 특성(noise figure)를 떨어뜨리는 문제가 있다.

따라서, 도 2에 도시된 RF 스위치는, 높은 아이솔레이션(High isolation)은 보장할 수 있지만, 비선형성과 높은 삽입 손실이라는 부작용을 드러낸다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 높은 아이솔레이션(High Isolation) 뿐만 아니라, 높은 선형성(High linearity)과 낮은 삽입 손실(Low insertion loss)의 성능을 갖는 RF 스위치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, RF 스위치는, 1차측이 송신단에 연결되고, 2차측이 안테나에 연결된 송신단 트랜스포머; 및 1차측이 안테나에 연결되고, 2차측이 수신단에 연결된 수신단 트랜스포머;를 포함하고, 송신 모드에서는, 상기 송신단 트랜스포머가 턴-온 되고, 수신 모드에서는, 상기 수신단 트랜스포머가 턴-온 된다.

그리고, 상기 송신 모드에서는, 상기 수신단 트랜스포머가 턴-오프 되고, 상기 수신 모드에서는, 상기 송신단 트랜스포머가 턴-오프 될 수 있다.

또한, 상기 송신단 트랜스포머의 1차측에 병렬 연결되어, 상기 송신 모드에서 턴-오프 되어 상기 송신단을 개방시키는 송신단 스위치; 및 상기 수신단 트랜스포머의 2차측에 병렬 연결되어, 상기 수신 모드에서 턴-오프 되어 상기 수신단을 개방시키는 수신단 스위치;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 송신단 스위치는, 상기 수신 모드에서 턴-온 되어 상기 송신단을 단락시키고, 상기 수신단 스위치는, 상기 송신 모드에서 턴-온 되어 상기 수신단을 단락시킬 수 있다.

또한, 상기 송신단 트랜스포머의 2차측과 상기 수신단 트랜스포머의 1차측은 직렬 연결되어 있을 수 있다.

그리고, 상기 송신단 트랜스포머의 2차측과 상기 수신단 트랜스포머의 1차측에 병렬로 연결되며, 다수의 커패시터들을 선택적으로 조합하여 임피던스 매칭을 수행하는 CSA(Capacitor Switch Array);를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, RF 스위칭 방법은, 송신 모드에서, 1차측이 송신단에 연결되고 2차측이 안테나에 연결된 송신단 트랜스포머를 턴-온 시키는 단계; 및 수신 모드에서, 1차측이 안테나에 연결되고 2차측이 수신단에 연결된 수신단 트랜스포머를 턴-온 시키는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 직렬 연결된 트랜지스터에 의한 스위칭이 아닌 트랜스포머 기반의 스위칭이 가능하게 되어, 높은 아이솔레이션(High Isolation) 뿐만 아니라, 높은 선형성(High linearity)과 낮은 삽입 손실(Low insertion loss) 모두를 구비한 RF 스위치 구현이 가능해진다.

도 1은 TDD 시스템에서 RF 프런트 엔드를 도시한 도면,
도 2는 CMOS 트랜지스터 기반 RF 스위치의 회로도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스포머 기반 RF 스위치의 회로도,
도 4는, 도 3에 도시된 트랜스포머의 등가 회로도,
도 5는, 도 4에 도시된 등가 회로로부터 트랜스포머의 전력 전달 특성을 간략하게 모델링한 회로도,
도 6은 본 실시예에 따른 RF 스위치의 삽입 손실과 아이솔레이션 특성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 그리고,
도 7은 본 실시예에 따른 RF 스위치의 CSA에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스포머 기반 RF(Radio Frequency) 스위치의 회로도이다. 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)는 TDD 방식의 무선통신을 위한 RF 프런트 엔드에서 송신단(Tx)과 수신단(Rx) 간의 매칭 및 아이솔레이션을 위한 스위치이다.

본 실시예에 따른 RF 스위치(100)는 트랜스포머를 기반으로 한 스위칭 동작으로, 송수신단 간의 높은 아이솔레이션(High Isolation), 높은 선형성(High linearity) 및 작은 삽입 손실(Low insertion loss)을 구현한다.

이와 같은 성능을 보이는 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)는, CSA(Capacitor Switch Array)(110), 수신단 트랜스포머(121), 송신단 트랜스포머(122), 수신단 스위치(131) 및 송신단 스위치(132)를 구비한다.

수신단 트랜스포머(121)는, 1차측이 안테나에 연결되고, 2차측은 수신단(Rx)에 연결된다. 반대로, 송신단 트랜스포머(122)는, 1차측이 송신단(Tx)에 연결되고, 2차측은 안테나에 연결된다.

또한, 수신단 트랜스포머(121)의 2차측에는 수신단 스위치(131)가 병렬 연결된다. 그리고, 송신단 트랜스포머(122)의 1차측에는 송신단 스위치(132)가 병렬 연결된다.

송신 모드에서 "SW"는 High 레벨이고, "SWb(ar)"는 Low 레벨이다.

따라서, 송신 모드에서는, 송신단 트랜스포머(122)가 턴-온 되고, 수신단 트랜스포머(121)가 턴-오프 된다. 또한, 송신단 스위치(132)가 턴-오프되어 송신단(Tx)을 개방시켜, 송신단(Tx)에서 출력되는 송신 신호를 송신단 트랜스포머(122)를 통해 안테나로 전달한다.

반면, 수신단 스위치(131)는 턴-온 되어 수신단(Rx)을 단락시켜, 송신 신호의 수신단(Rx) 유입을 이중으로 차단한다.

반대로, 수신 모드에서 "SW"는 Low 레벨이고, "SWb(ar)"는 High 레벨이다.

따라서, 수신 모드에서는, 수신단 트랜스포머(121)가 턴-온 되고, 송신단 트랜스포머(122)가 턴-오프 된다. 또한, 수신단 스위치(131)가 턴-오프되어 수신단(Rx)을 개방시켜, 안테나로부터 수신단 트랜스포머(122)를 통해 유입되는 수신 신호를 수신단(Rx)으로 전달한다.

반면, 송신단 스위치(132)는 턴-온 되어 송신단(Tx)을 단락시켜, 수신 신호의 송신단(Tx) 유입을 이중으로 차단한다.

수신단 트랜스포머(121)의 1차측과 송신단 트랜스포머(122)의 2차측은 직렬 연결되어 있다. 그리고, 직렬 연결된 수신단 트랜스포머(121)의 1차측과 송신단 트랜스포머(122)의 2차측에는 CSA(110)가 병렬로 연결되어 있다.

CSA(110)는 다수의 커패시터들과 이들 각각에 직렬 연결된 스위치들을 구비하고 있다. CSA(110)는 스위치들로 커패시터들을 선택적으로 조합하여 임피던스 매칭을 수행한다. 최대 전송 효율을 위해서는, 트랜스포머(121, 122)의 입력측 인덕턴스와 CSA(110)의 커패시턴스에 의한 주파수가 공진 주파수가 되어야 한다.

본 실시예에 따른 RF 스위치(100)에서 수신단 스위치(131)와 송신단 스위치(132)는 각각 수신단(Rx)과 송신단(Tx)에 병렬 연결되도록 하여, 이들이 직렬로 연결되는 경우에 발생하는 비선형과 손실 문제를 해결하였다.

또한, 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)에서는, 수동 소자 특성을 나타내는 트랜스포머들(121, 122)을 이용하여, 아이솔레이션 보장 외에, 수동 소자 특성에 기인한 선형성을 확보하였다.

뿐만 아니라, 트랜스포머들(121, 122)이 자체적으로 발룬 기능을 제공하여, 수신단(Rx)과 송신단(Tx) 모두에서 발룬을 배제시키는 것이 가능해졌다.

이에 따라, 직렬 연결된 스위치(트랜지스터)에 의한 손실 발생은 물론, 발룬에 의한 손실을, 트랜스포머 삽입 손실로 집적화시켜 최소화시켰다.

그리고, PA와 LNA의 최적 성능을 위해 필요한 임피던스 매칭을 위한 인덕턴스는 트랜스포머(121, 122) 측에서 제공하므로 별도의 인덕터를 구비시키지 않아도 되어, 부품 감소 외에 삽입 손실 감소를 이룰 수 있게 된다.

도 4는 도 3에 도시된 트랜스포머(121, 122)의 등가 회로이고, 도 5는 도 4에 도시된 등가 회로로부터 트랜스포머(121, 122)의 전력 전달 특성을 간략하게 모델링한 회로도이다.

도 5에서 도시된 회로도에서 전력 전달 함수를 산출하면 아래와 같다.

위 전달 함수를 통해 알 수 있는 바와 같이, 수신단 스위치(131)와 송신단 스위치(132)의 on 저항값을 줄여주면 송신단(Tx)의 출력이 수신단(Rx)으로 전달되지 않고 대부분 안테나로 전달될 것임을 확인할 수 있다.

스위치(131, 132)의 저항은, 스위치(131, 132)의 '게이트 전압'과 '소스 전압 및 드레인 전압' 간의 차가 클수록 저항이 작아진다. 본 실시예에서는 트랜스포머(121, 122)의 center(virtual ground node)에 스위치(131, 132)의 게이트 전압과 반대 극성이 인가되도록 하였다. 따라서, 스위치(131, 132)의 턴-온 상태와 턴-오프 상태가 더욱 구분되어 아이솔레이션을 극대화시켰다.

도 6은 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)의 삽입 손실과 아이솔레이션 특성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타난 그래프에서, x축 단위는 GHz 이고 y축 단위는 dB 이다.

삽입 손실은 최소 1.8 dB로 나오는 것을 확인할 수 있다. 이는, 발룬에서의 손실과 임피던스 매칭을 위한 인덕터에서의 손실까지 모두 포함된 것을 감안한다면, 매우 작은 것으로 볼 수 있다.

또한, 아이솔레이션 특성을 살펴보면, 안테나에서 블럭킹된 포트로는 -26dB로, Tx와 Rx간의 아이솔레이션은 -31dB로, 각각 나타나 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)의 높은 아이솔레이션 특성을 확인할 수 있었다.

도 7은 본 실시예에 따른 RF 스위치(100)의 CSA(110)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7에 도시된 바에 따르면, 삽입 손실이 2dB인 구간이 3~4GHz으로, 광대역에서 RF 스위치(100)의 우수한 특성을 확인할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : RF 스위치
110 : CSA(Capacitor Switch Array)
121 : 수신단 트랜스포머
122 : 송신단 트랜스포머
131 : 수신단 스위치
132 : 송신단 스위치

Claims

1차측이 송신단에 연결되고, 2차측이 안테나에 연결된 송신단 트랜스포머; 및
1차측이 안테나에 연결되고, 2차측이 수신단에 연결된 수신단 트랜스포머;를 포함하고,
송신 모드에서는, 상기 송신단 트랜스포머가 턴-온 되고,
수신 모드에서는, 상기 수신단 트랜스포머가 턴-온 되는 것을 특징으로 하는 RF(Radio Frequency) 스위치.

제 1항에 있어서,
상기 송신 모드에서는, 상기 수신단 트랜스포머가 턴-오프 되고,
상기 수신 모드에서는, 상기 송신단 트랜스포머가 턴-오프 되는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.

제 1항에 있어서,
상기 송신단 트랜스포머의 1차측에 병렬 연결되어, 상기 송신 모드에서 턴-오프 되어 상기 송신단을 개방시키는 송신단 스위치; 및
상기 수신단 트랜스포머의 2차측에 병렬 연결되어, 상기 수신 모드에서 턴-오프 되어 상기 수신단을 개방시키는 수신단 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.

제 3항에 있어서,
상기 송신단 스위치는,
상기 수신 모드에서 턴-온 되어 상기 송신단을 단락시키고,
상기 수신단 스위치는,
상기 송신 모드에서 턴-온 되어 상기 수신단을 단락시키는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.

제 1항에 있어서,
상기 송신단 트랜스포머의 2차측과 상기 수신단 트랜스포머의 1차측은 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.

제 5항에 있어서,
상기 송신단 트랜스포머의 2차측과 상기 수신단 트랜스포머의 1차측에 병렬로 연결되며, 다수의 커패시터들을 선택적으로 조합하여 임피던스 매칭을 수행하는 CSA(Capacitor Switch Array);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 스위치.

송신 모드에서, 1차측이 송신단에 연결되고 2차측이 안테나에 연결된 송신단 트랜스포머를 턴-온 시키는 단계; 및
수신 모드에서, 1차측이 안테나에 연결되고 2차측이 수신단에 연결된 수신단 트랜스포머를 턴-온 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF(Radio Frequency) 스위칭 방법.