KR20210003210A - 멀티-대역 밀리미터파 5g 통신을 위한 송신 및 수신 스위치 및 브로드밴드 전력 증폭기 매칭 네트워크 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따르면, 송신/수신(T/R) 스위치는 송신 포트와 안테나 포트 사이의 송신 스위치; 수신 포트와 안테나 포트 사이의 수신 스위치; 송신 스위치와 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 송신 인덕터; 및 송신 스위치와 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 수신 인덕터를 포함한다. T/R 스위치는 전력 증폭기(PA) 출력 매칭 회로와 함께 공동-설계될 수 있다.
Description
본 출원은 2018년 4월 27일자로 출원된 미국 정규 출원 제 15/965,694호를 우선권으로 주장한다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 무선 통신 디바이스들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 통신 디바이스의 송신/수신 스위치 및 브로드밴드 전력 증폭기 매칭 네트워크에 관한 것이다.
5G 통신은 24 GHz 내지 43 GHz의 주파수 범위에서의 광대역 동작을 요구하여, 광대역 및 효율적인 무선 송신기를 필요로 한다. 전통적으로, 전력 증폭기(PA) 및 송신/수신(T/R) 스위치는 단일 표준 50 Ω 인터페이스를 이용하여 별개로 설계된다. 이들 회로들의 분리는 송신 대역폭, 출력 전력 및 효율성을 희생할 수 있다.
주요 송신기 규격들(예컨대, 대역폭, 출력 전력 및 효율성)은 PA 능동 트랜지스터들을 지나 로케이팅되는 컴포넌트들, 예컨대 PA 출력 매칭 네트워크 및 T/R 스위치에 의해 실질적으로 관리되거나 좌우된다. 따라서, PA 출력 매칭 네트워크들 및 T/R 스위치의 공동-설계는 송신기 성능을 개선시키기 위한 고유한 장점 및 이점을 제공할 수 있다.
더욱이, T/R 스위치는, 송신 및 수신 분기들이 별개의 매칭 인덕터들을 가지면, 더 큰 설계 자유도 및 개선된 임피던스 매칭을 유리하게 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부한 도면들의 도들에서 제한이 아니라 예로서 예시되며, 도면들에서, 유사한 참조들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1은 일 실시예에 따른, 무선 통신 디바이스의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 전력 증폭기 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 5는 일 실시예에 따른 PA 출력 매칭 네트워크 및 T/R 스위치를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 PA 출력 매칭 네트워크 및 T/R 스위치를 도시한다.
도 7의 그래프들(a 내지 c)은 출력 매칭 회로 그 자체와 T/R 스위치에 연결된 출력 매칭 회로 사이의 비교를 도시한다.
도 8의 그래프들(a 내지 c)은 공동-설계된 출력 매칭 회로 및 T/R 스위치의 실수 임피던스, 허수 임피던스, 및 수동 손실을 도시한다.
도 9는 T/R 스위치의 일 실시예를 도시한다.
도 1은 일 실시예에 따른, 무선 통신 디바이스의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 전력 증폭기 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다.
도 5는 일 실시예에 따른 PA 출력 매칭 네트워크 및 T/R 스위치를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 PA 출력 매칭 네트워크 및 T/R 스위치를 도시한다.
도 7의 그래프들(a 내지 c)은 출력 매칭 회로 그 자체와 T/R 스위치에 연결된 출력 매칭 회로 사이의 비교를 도시한다.
도 8의 그래프들(a 내지 c)은 공동-설계된 출력 매칭 회로 및 T/R 스위치의 실수 임피던스, 허수 임피던스, 및 수동 손실을 도시한다.
도 9는 T/R 스위치의 일 실시예를 도시한다.
본 발명들의 다양한 실시예들 및 양상들은 아래에서 논의되는 세부사항들을 참조하여 설명될 것이며, 첨부한 도면들은 다양한 실시예들을 예시할 것이다. 다음의 설명 및 도면들은 본 발명을 예시하며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항들이 설명된다. 그러나, 특정한 예시들에서, 본 발명들의 실시예들의 간결한 논의를 제공하기 위해 잘-알려진 또는 종래의 세부사항들은 설명되지 않는다.
본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 실시예와 함께 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 장소들에서의 어구 "일 실시예에서"의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭할 필요는 없다.
일부 실시예들에 따르면, 무선 통신을 위한 전자 회로는 송신/수신(T/R) 스위치를 포함한다. T/R 스위치는, 송신 포트와 안테나 포트 사이의 송신 스위치; 수신 포트와 안테나 포트 사이의 수신 스위치; 송신 스위치와 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 송신 인덕터; 및 송신 스위치와 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 수신 인덕터를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 무선 통신을 위한 전자 회로는 T/R 스위치 및 전력 증폭기 매칭 네트워크를 갖는 공동-설계된 회로일 수 있다. 매칭 네트워크는, 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터; 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩(on-chip) 변압기; 및 브로드밴드 온-칩 변압기와 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 포함할 수 있으며, 여기서 매칭 네트워크 회로의 출력 포트는 T/R 스위치의 송신 포트에 커플링된다.
일부 실시예들에 따르면, 매칭 네트워크 회로는 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터; 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩 변압기를 포함하며, 여기서 브로드밴드 온-칩 변압기는 1차 권선 및 2차 권선을 포함하고, 2차 권선은 부분 권선이다. 매칭 네트워크 회로는 브로드밴드 온-칩 변압기와 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 포함한다.
일 양상에서, 브로드밴드 온-칩 변압기의 1차 및 2차 권선들은 평면 8각형 권선들을 포함한다. 다른 실시예에서, 1차 권선의 평면 8각형 권선은 평면 축을 따라 2차 권선들의 평면 8각형 권선에 전자기적으로 커플링된다. 다른 실시예에서, 1차 및 2차 권선들은 유전체 층에 의해 분리된다. 1차 및 2차 권선들은 집적 회로(IC)의 일부로서 상이한 기판 층들 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 2차 권선의 부분 권선은 대략 1.5 턴(turn)의 권선을 포함한다. 일 실시예에서, 1차 권선은 바이어스 전압을 입력 포트의 회로에 공급하기 위해 전력 공급 소스에 커플링된다. 일 실시예에서, 2차 권선은 적어도 2개의 전도성 층들을 포함한다.
다른 양상에 따르면, 2-스테이지 전력 증폭기(PA)는 제1 증폭기 스테이지, 제2 증폭기 스테이지, 제1 증폭기 스테이지와 제2 증폭기 스테이지 사이에 커플링된 제1 매칭 네트워크 회로, 및 제2 증폭기 스테이지의 출력 포트에 커플링된 제2 매칭 네트워크 회로를 포함한다. 제2 매칭 네트워크는 제2 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터; 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩 변압기를 포함하며, 여기서 브로드밴드 온-칩 변압기는 1차 권선 및 2차 권선을 포함하고, 2차 권선은 부분 권선이다. 1차 및 2차 권선들은 집적 회로의 일부로서 상이한 기판 층들 상에 배치될 수 있다. 제2 매칭 네트워크는 브로드밴드 온-칩 변압기와 제2 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 포함한다.
다른 양상에 따르면, RF 전단 집적 회로(IC) 디바이스는 송신된 신호를 증폭시키기 위한 2-스테이지 전력 증폭기(PA)를 포함한다. PA는 제1 증폭기 스테이지, 제2 증폭기 스테이지, 제1 증폭기 스테이지와 제2 증폭기 스테이지 사이에 커플링된 제1 매칭 네트워크 회로, 및 제2 증폭기 스테이지의 출력 포트에 커플링된 제2 매칭 네트워크 회로를 포함한다. 제2 매칭 네트워크는 제2 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터; 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩 변압기를 포함하며, 여기서 브로드밴드 온-칩 변압기는 1차 권선 및 2차 권선을 포함하고, 2차 권선은 부분 권선이다. 1차 및 2차 권선들은 집적 회로의 일부로서 상이한 기판 층들 상에 배치될 수 있다. 제2 매칭 네트워크는 브로드밴드 온-칩 변압기와 제2 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무선 통신 디바이스의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다. 도 1을 참조하면, 단순히 무선 디바이스로 또한 지칭되는 무선 통신 디바이스(100)는 무엇보다도, RF 전단 모듈(101) 및 베이스밴드 프로세서(102)를 포함한다. 무선 디바이스(100)는 임의의 종류의 무선 통신 디바이스들, 이를테면 예컨대, 모바일 폰들, 랩톱들, 태블릿들, 네트워크 어플라이언스 디바이스들(예컨대, 사물 인터넷 또는 IOT 어플라이언스 디바이스들) 등일 수 있다.
라디오 수신기 회로에서, RF 전단은 믹서 스테이지까지 포함하여 안테나 사이의 모든 회로부에 대한 일반적인 용어이다. 그것은, 오리지널 인입 라디오 주파수의 신호가 더 낮은 중간 주파수(IF)로 변환되기 전에 그 신호를 프로세싱하는 수신기의 모든 컴포넌트들로 이루어진다. 마이크로파 및 위성 수신기들에서, 그것은 종종 LNB(low-noise block) 또는 LND(low-noise downconverter)로 지칭되며, 종종 안테나에 로케이팅되어, 안테나로부터의 신호가 더 쉽게 처리되는 중간 주파수로 수신기의 나머지에 전달될 수 있다. 베이스밴드 프로세서는 모든 라디오 기능들(안테나를 요구하는 모든 기능들)을 관리하는 네트워크 인터페이스에서의 디바이스(칩 또는 칩의 일부)이다.
일 실시예에서, RF 전단 모듈(101)은 하나 이상의 RF 트랜시버들을 포함하며, 여기서 RF 트랜시버들 각각은 다수의 RF 안테나들 중 하나를 통해 특정한 주파수 대역(예컨대, 주파수들의 특정한 범위, 이를테면 중첩하지 않는 주파수 범위들) 내에서 RF 신호들을 송신 및 수신한다. RF 전단 IC 칩은 RF 트랜시버들에 커플링된 주파수 합성기를 더 포함한다. 주파수 합성기는, RF 트랜시버가 대응하는 주파수 대역 내에서 RF 신호들을 믹싱, 변조 및/또는 복조할 수 있게 하기 위해, LO(local oscillator) 신호를 생성하여 RF 트랜시버들 각각에 제공한다. RF 트랜시버들 및 주파수 합성기는 단일 RF 전단 IC 칩 또는 패키지로서 단일 IC 칩 내에 통합될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다. 도 2를 참조하면, RF 전단(101)은 무엇보다도, 멀티-대역 RF 트랜시버(211)에 커플링된 주파수 합성기(200)를 포함한다. 트랜시버(211)는 RF 안테나(221)를 통해 하나 이상의 주파수 대역들 또는 넓은 범위의 RF 주파수들 내에서 RF 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된다. 일 실시예에서, 트랜시버(211)는 주파수 합성기(200)로부터 하나 이상의 LO 신호들을 수신하도록 구성된다. LO 신호들은 하나 이상의 대응하는 주파수 대역들에 대해 생성된다. LO 신호들은 대응하는 주파수 대역들 내에서 RF 신호들을 송신 및 수신하려는 목적을 위하여 트랜시버에 의해 믹싱, 변조, 복조되는 데 이용된다. 하나의 트랜시버 및 안테나만이 도시되어 있지만, 트랜시버들 및 안테나들의 다수의 쌍들이 각각의 주파수 대역들에 대해 하나씩 구현될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른, RF 전단 집적 회로를 예시한 블록 다이어그램이다. 도 3을 참조하면, 주파수 합성기(300)는 위에서 설명된 바와 같은 주파수 합성기(200)를 표현할 수 있다. 일 실시예에서, 주파수 합성기(300)는 브로드밴드 송신기(301) 및 브로드밴드 수신기(302)에 통신가능하게 커플링되며, 이들은 트랜시버(211)와 같은 트랜시버의 일부일 수 있다. 브로드밴드 송신기(301)는 다수의 주파수 대역들에 대해 RF를 송신한다.
일 실시예에서, 송신기(301)는 필터들(303), 믹서들(304), 및 전력 증폭기(305)를 포함한다. 필터들(303)은 목적지로 송신될 송신(TX) 신호들을 수신하는 하나 이상의 저역-통과(LP) 필터들일 수 있으며, TX 신호들은 베이스밴드 프로세서(102)와 같은 베이스밴드 프로세서로부터 제공될 수 있다. 믹서들(301)(또한 상향-변환 믹서들로 지칭됨)은 주파수 합성기(300)에 의해 제공된 LO(local oscillator) 신호들에 기반하여 TX 신호들을 하나 이상의 캐리어 주파수 신호로 믹싱 및 변조하도록 구성된다. 이어서, 변조된 신호들은 전력 증폭기(305)에 의해 증폭되고, 이어서, 증폭된 신호들은 안테나(310)를 통해 원격 수신기에 송신된다.
RF 전단 집적 회로는 수신기(302)를 포함할 수 있다. 수신기(302)는 저잡음 증폭기(LNA)(306), 믹서(들)(307), 및 필터(들)(308)를 포함한다. LNA(306)는 안테나(310)를 통해 원격 송신기로부터 RF 신호들을 수신하고 수신된 RF 신호들을 증폭시키기 위한 것이다. 이어서, 증폭된 RF 신호들은 주파수 합성기(300)에 의해 제공된 LO 신호에 기반하여 믹서(들)(307)(또한, 하향-변환 믹서로 지칭됨)에 의해 복조된다. 이어서, 복조된 신호들은 저역-통과 필터일 수 있는 필터(들)(308)에 의해 프로세싱된다. 일 실시예에서, 송신기(301) 및 수신기(302)는 송신 및 수신(T/R) 스위치(309)를 통해 안테나(310)를 공유한다. T/R 스위치(309)는 특정한 시점에 안테나(310)를 송신기(301) 또는 수신기(302) 중 어느 하나에 커플링시키기 위해 송신기(301)와 수신기(302) 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 오직 한 쌍의 송신기 및 수신기가 도시되어 있지만, 다수의 쌍들의 송신기들 및 수신기들이 다수의 주파수 대역들 각각에 대해 하나씩 주파수 합성기(300)에 커플링될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른, 전력 증폭기(PA) 집적 회로의 일 예를 예시한 블록 다이어그램이다. 도 4를 참조하면, PA(400)는 도 3의 PA(305)일 수 있다. PA(400)는 드라이버 스테이지(401), 스테이지간 매칭 네트워크(402), 출력 스테이지(403), 및 출력 매칭 네트워크(404)를 포함할 수 있다. 스테이지간 매칭 네트워크(402) 및 출력 매칭 네트워크(404)는 PA(400)에 대한 전력 전달을 최대화시키기 위해 드라이버 스테이지(401) 및 출력 스테이지(403)에 의해 관측되는 임피던스들을 매칭시킬 수 있다. 예컨대, 스테이지간 매칭 네트워크(402)는, PA(400)의 입력 포트로부터 출력 스테이지(403)로의 전력 전달을 최대화시키기 위해, 드라이버 스테이지(401)의 출력 포트에서 관측되는 임피던스 및 출력 스테이지(403)의 입력 포트에서 관측되는 임피던스에 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 각각 매칭시킬 수 있다. 출력 매칭 네트워크(404)는 출력 스테이지(403)로부터 PA(400)의 출력 포트로의 전력 전달을 최대화시키기 위해 출력 스테이지(403)의 출력 포트로부터 관측되는 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 마지막으로, 출력 매칭 네트워크(404)는 PA(400)의 싱글-엔디드(single-ended) 출력 포트에 차동-싱글-엔디드 변환을 제공할 수 있다.
도 4를 참조하면, 드라이버 스테이지(401) 및 출력 스테이지(403)는 PA(400)의 증폭기 스테이지들이다. 일 실시예에서, 드라이버 스테이지(401) 및 출력 스테이지(403)는 차동 캐스코드(cascode) 증폭기 스테이지들이다. 차동 증폭기는 2개의 입력 전압들 사이의 차이를 증폭시키지만 2개의 입력들에 공통적인 임의의 전압을 억제하는 증폭기이다. 차동 증폭기들은 근처의 컴포넌트들 및 전력 공급부들로부터의 잡음과 같은 공통-모드 잡음 배제(rejection)를 제공한다. 캐스코드 증폭기는, 공통-게이트(또는 BJT들의 경우에는 공통-베이스) 스테이지에 공급되는 공통-소스(또는 BJT들의 경우에는 공통-이미터) 스테이지를 포함하는 2-스테이지 증폭기(예컨대, FET들 또는 BJT들)이다. 단일-스테이지 증폭기들과 비교하여, 캐스코드 증폭기들은 더 높은 입력 출력 격리도(즉, 입력 포트와 출력 포트 사이에 어떠한 직접적인 커플링도 존재하지 않으므로, 출력 포트로부터 입력 포트로의 역방향 송신의 누설을 감소시킴), 더 높은 입력 임피던스, 더 높은 출력 임피던스, 더 높은 이득, 및 더 높은 대역폭을 갖는다. 여기서, 드라이버 스테이지(401) 및 출력 스테이지(403)는 높은 출력 전력과 함께 큰 출력 스윙(swing), 넓은 대역폭을 달성하기 위해 차동 토폴로지를 캐스코드 토폴로지와 결합시키는 증폭기들을 포함한다.
송신/수신 스위치
이제 도 5를 참조하면, 송신 인덕터(LTX)(903)는 송신 스위치(901)와 송신 포트(905) 사이에 병렬로 커플링될 수 있다. 유사하게, 수신 인덕터(LRX)(904)는 수신 스위치(902)와 수신 포트(906) 사이에 병렬로 커플링될 수 있다.
송신 스위치(901) 및 수신 스위치(902)는, 송신 스위치의 제1 극(pole)이 온/폐쇄되고 그에 의해 출력 스테이지를 안테나에 연결할 때, 수신 스위치의 제1 극이 오프/개방되고 그에 의해 안테나로부터 LNA를 연결해제시키도록 하는, 동기식으로 동작하는 2개의 극들을 각각 가질 수 있다. 동시에, 송신 스위치의 제2 극이 오프/개방되고, 수신 스위치의 제2 극이 온/폐쇄되며, 그에 의해 입력을 LNA에 접지시킨다.
일 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 송신 및 수신 스위치들(901 및 902)의 극들 각각은, 위에서 설명된 바와 같이 극들을 제어하도록 Vctrl(1301) 및 역 Vctrl(1302)에 의해 교대로 동기화되는 제어 입력들을 갖는 하나 이상의 mosfet들을 포함한다.
유익하게, LTX 및 LRX는 TX 및 RX 경로들에서 임피던스 매칭을 최적화시키도록 사이징될 수 있다. 안테나(907)에서 단일 인덕터보다는 별개의 인덕터들(LTX 및 LRX)은 TX 및 RX 경로들에서 대역폭 및 삽입 손실을 최적화시키기 위한 부가적인 설계 자유를 제공한다. 따라서, 일 실시예에서, 안테나(907)에 어떠한 인덕터도 없다는 것을 유의한다.
공동-설계된 T/R 스위치 및 PA 출력 매칭 스테이지
유리하게, 인덕터들이 분리되어 있기 때문에, 인덕터들은 송신 및 수신 회로와는 별개로 공동-설계될 수 있다. 예컨대, 송신 인덕터(LTX)는 PA 출력 매칭 네트워크(404)와 공동-설계될 수 있는 반면, LRX는 LNA(306)와 공동-설계될 수 있다.
더욱이, PA 출력 매칭 네트워크는 LC 집중 엘리먼트(lumped element)들, 변압기들, 또는 송신-라인-기반 분산 컴포넌트들을 사용하여 구현될 수 있다. 칩 면적을 감소시키기 위해, PA 출력 매칭 네트워크(404)는 단일 인덕터 풋프린트(footprint)만을 점유하는 2개의 튜닝 커패시터들을 갖는 변압기-기반 매칭 네트워크를 사용한다.
브로드밴드 출력 매칭 네트워크의 집중 모델 등가 회로는 도 6에 도시되어 있다. PA 출력 매칭 네트워크(404)는 온-칩 변압기(501), 디바이스 기생 커패시터(Cdev), 및 2개의 여분의 MOM 커패시터들(Cp 및 Cs)로 이루어진다. 물리적 변압기는, 자화 인덕터 및 누설 인덕터 그리고 접지에 션트된 기생 커패시터들(Cpar1 및 Cpar2)을 갖는 이상적인 변압기에 의해 모델링된다. 여기서, k는 자기 커플링 계수이고, n은 턴 라디오이고, Lp는 1차 자체-인덕턴스이다. Rp 및 Rs는 변압기의 손실을 모델링한다.
T/R 스위치의 경우, Ron(911, 914)은 스위치 트랜지스터의 온-저항을 모델링하고, Coff(912, 913)는 스위치 트랜지스터의 오프-커패시턴스를 모델링한다.
순간적으로 넓은 대역폭을 가능하게 하기 위해 고차 수동 네트워크가 형성된다. 따라서, 공동-설계된 회로에서, 각각의 회로 엘리먼트의 값은, 낮은 삽입 손실을 유지하면서 동작 대역폭에 걸쳐 PA 출력 스테이지(Ropt)에 의해 관측되는 최적의 로드 임피던스를 달성하도록 선택된다.
PA 출력 스테이지의 이득은 
로 정의되며, 여기서 gm은 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스이고, Z는 PA 출력 스테이지에 제시되는 로드 임피던스이며, Loss는 출력 매칭 네트워크의 수동 손실이다. 브로드밴드 매칭의 목적은 동작 주파수에 걸쳐 비교적 일정한 전력 이득을 달성하는 것이다. gm이 주파수 독립적이므로, 이것은, 넓은 대역폭에 걸쳐 비교적 일정한 |Z| 및 손실을 달성하기 위해 설계 목적을 바꾼다. 부가적으로, PA 트랜지스터들은 최대 출력 전력 및 효율성(로드-풀(load-pull) 조건)을 달성하도록 실수값 Z를 요구하며, 이는, 동작 주파수에 걸쳐, Z의 실수 부분이 Ropt(1010)에 가까워지고 허수 부분이 0에 가까워져야 한다는 것을 의미한다.
PA 출력 매칭이 처음에 T/R SW로부터의 영향을 고려하지 않으면서 50 Ω 안테나 임피던스에 대해 설계되면, 그것의 대역내 Z 변동 및 손실 변동은, 시스템 통합에서 T/R SW와 합쳐진 이후 더 커지게 된다. 예컨대, PA 출력 매칭 네트워크 그 자체의 손실 변동은 도 7의 그래프(c)에서 보여지는 바와 같이, T/R SW를 추가하지 않은 경우 0.4 dB이고, T/R SW와의 통합 이후 1.8 dB로 증가한다.
실제로, 도 7의 그래프들(a 내지 c)은 차동 출력 스테이지에 의해 관측되는 시뮬레이션된 로드 임피던스 및 시뮬레이션된 수동 손실을 보여준다. 이러한 시뮬레이션에서, PA 출력 매칭 네트워크는 원래, T/R SW를 고려하지 않으면서 50 Ω 안테나 임피던스에 대해 설계된다. T/R SW를 추가한 이후, 대역내 임피던스 변동 및 손실 변동이 더 커지게 된다.
따라서, 처음부터 T/R 스위치의 기생 커패시터(Coff)를 고려하고 그리고, 공동-설계된 회로를 구축함으로써, 예컨대 공동-설계된 T/R 스위치 및 출력 매칭 회로를 구축함으로써 그 기생 커패시터를 수동 네트워크 합성에 병합시키는 것이 중요하다. 변압기 파라미터들(k, n, 및 Lp), 2개의 튜닝 커패시터들(Cp 및 Cs) 및 T/R SW TX-경로 인덕터(LTX)가 브로드밴드 매칭을 달성하기 위해 공동-설계된다.
이제 도 8을 참조하면, T/R SW와 함께 PA 출력 매칭 네트워크를 공동-설계함으로써, 차동 출력 스테이지에 의해 관측되는 시뮬레이션된 로드 임피던스 및 시뮬레이션된 수동 손실이 그래프들(a 내지 c)에 도시되어 있다. 공동-설계된 출력 매칭 회로 및 T/R 스위치는 50 Ω에 가까운 로드 임피던스의 실수 부분 및 0에 가까운 로드 임피던스의 허수 부분을 갖는다. 대역내 수동 손실 변동은 0.8 dB이다.
전술한 명세서에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었다. 다음의 청구항들에 기재된 바와 같은 본 발명의 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 그에 대해 행해질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주될 것이다.
Claims (20)
- 무선 통신을 위한 전자 회로로서,
송신/수신(T/R) 스위치를 포함하며,
상기 T/R 스위치는,
송신 포트와 안테나 포트 사이의 송신 스위치;
수신 포트와 상기 안테나 포트 사이의 수신 스위치;
상기 송신 스위치와 상기 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 송신 인덕터; 및
상기 송신 스위치와 상기 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 수신 인덕터를 포함하는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
전력 증폭기(PA) 출력 매칭 네트워크 － 상기 PA 출력 매칭 네트워크는, 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터를 가짐 －;
상기 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩(on-chip) 변압기; 및
상기 브로드밴드 온-칩 변압기와 상기 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 더 포함하며,
상기 매칭 네트워크 회로의 출력 포트는 상기 T/R 스위치의 송신 포트에 커플링되는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제2항에 있어서,
상기 제1 커패시터, 상기 온-칩 변압기, 상기 매칭 회로의 제2 커패시터, 및 상기 T/R 스위치의 송신 인덕터 및 수신 인덕터의 조합은,
상기 PA 출력 매칭 네트워크의 입력 포트에서 최적의 저항(ROPT)과 실질적으로 동일한, 전자 회로의 실수 임피던스,
제로와 실질적으로 동일한, 상기 회로의 허수 임피던스, 및
낮은 삽입 손실
을 초래하는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제2항에 있어서,
상기 T/R 스위치 및 상기 PA 출력 매칭 네트워크는 공동-설계된 회로이며,
상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터, 상기 송신 인덕터, 및 변압기 파라미터들은,
안테나의 로드 임피던스,
상기 송신 스위치의 온-저항(on-resistance), 및
상기 송신 스위치의 오프-커패시턴스
에 매칭되는 브로드밴드 임피던스를 갖는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제2항에 있어서,
상기 PA 출력 매칭 네트워크 및 상기 T/R 스위치는 집적 회로인, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
상기 송신 인덕터는 상기 송신 스위치로부터의 기생 커패시턴스를 공진 아웃(resonate out)시키기 위한 인덕턴스를 가지며,
상기 수신 인덕터는 상기 수신 스위치의 기생 커패시턴스를 공진 아웃시키기 위한 인덕턴스를 갖는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
상기 송신 스위치는, 상기 송신 포트를 안테나에 연결시키는 "온(on)" 상태, 및 상기 송신 포트를 상기 안테나로부터 연결해제시키는 "오프(off)" 상태를 갖는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
상기 수신 스위치는, 상기 수신 포트를 안테나에 연결시키는 "온" 상태, 및 상기 수신 포트를 상기 안테나로부터 연결해제시키는 "오프" 상태를 갖는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
상기 송신 스위치 및 상기 수신 스위치는 각각, 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 제1항에 있어서,
상기 송신 스위치 및 상기 수신 스위치는 각각 2개의 극(pole)들을 포함하며,
"온" 포지션에서,
제1 극이 폐쇄되어, 개개의 포트를 상기 안테나 포트에 연결시키고,
제2 극이 개방되어, 공통 리턴에 대해 개개의 포트를 연결해제시키고, 그리고
"오프" 포지션에서,
상기 제1 극이 개방되어, 상기 개개의 포트를 상기 안테나 포트로부터 연결해제시키고, 그리고
상기 제2 극이 폐쇄되어, 개개의 라인을 상기 공통 리턴에 연결시키는, 무선 통신을 위한 전자 회로. - 라디오 주파수(RF) 전단 회로로서,
송신/수신(T/R) 스위치를 포함하며,
상기 T/R 스위치는,
송신 포트와 안테나 포트 사이의 송신 스위치;
수신 포트와 상기 안테나 포트 사이의 수신 스위치;
상기 송신 스위치와 상기 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 송신 인덕터; 및
상기 송신 스위치와 상기 송신 포트 사이에 병렬로 커플링된 수신 인덕터를 포함하는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
전력 증폭기(PA) 출력 매칭 네트워크 － 상기 PA 출력 매칭 네트워크는, 매칭 네트워크 회로의 입력 포트에 병렬로 커플링된 제1 커패시터를 가짐 －;
상기 제1 커패시터에 병렬로 커플링된 브로드밴드 온-칩 변압기; 및
상기 브로드밴드 온-칩 변압기와 상기 매칭 네트워크 회로의 출력 포트 사이에 직렬로 커플링된 제2 커패시터를 더 포함하며,
상기 매칭 네트워크 회로의 출력 포트는 상기 T/R 스위치의 송신 포트에 커플링되는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제12항에 있어서,
상기 제1 커패시터, 상기 온-칩 변압기, 상기 매칭 회로의 제2 커패시터, 및 상기 T/R 스위치의 송신 인덕터 및 수신 인덕터의 조합은,
상기 PA 출력 매칭 네트워크의 입력 포트에서 최적의 저항(ROPT)과 실질적으로 동일한, 전자 회로의 실수 임피던스,
제로와 실질적으로 동일한, 상기 회로의 허수 임피던스, 및
낮은 삽입 손실
을 초래하는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제12항에 있어서,
상기 T/R 스위치 및 상기 PA 출력 매칭 네트워크는 공동-설계된 회로이며,
상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터, 상기 송신 인덕터, 및 변압기 파라미터들은,
안테나의 로드 임피던스,
상기 송신 스위치의 온-저항, 및
상기 송신 스위치의 오프-커패시턴스
에 매칭되는 브로드밴드 임피던스를 갖는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제12항에 있어서,
상기 PA 출력 매칭 네트워크 및 상기 T/R 스위치는 집적 회로인, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
상기 송신 인덕터는 상기 송신 스위치로부터의 기생 커패시턴스를 공진 아웃시키기 위한 인덕턴스를 가지며,
상기 수신 인덕터는 상기 수신 스위치의 기생 커패시턴스를 공진 아웃시키기 위한 인덕턴스를 갖는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
상기 송신 스위치는, 상기 송신 포트를 안테나에 연결시키는 "온" 상태, 및 상기 송신 포트를 상기 안테나로부터 연결해제시키는 "오프" 상태를 갖는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
상기 수신 스위치는, 상기 수신 포트를 안테나에 연결시키는 "온" 상태, 및 상기 수신 포트를 상기 안테나로부터 연결해제시키는 "오프" 상태를 갖는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
상기 송신 스위치 및 상기 수신 스위치는 각각, 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는, 라디오 주파수 전단 회로. - 제11항에 있어서,
상기 송신 스위치 및 상기 수신 스위치는 각각 2개의 극들을 포함하며,
"온" 포지션에서,
제1 극이 폐쇄되어, 개개의 포트를 상기 안테나 포트에 연결시키고,
제2 극이 개방되어, 공통 리턴에 대해 개개의 포트를 연결해제시키고, 그리고
"오프" 포지션에서,
상기 제1 극이 개방되어, 상기 개개의 포트를 상기 안테나 포트로부터 연결해제시키고, 그리고
상기 제2 극이 폐쇄되어, 개개의 라인을 상기 공통 리턴에 연결시키는, 라디오 주파수 전단 회로.
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