KR20210148351A

KR20210148351A - 다중-대역 밀리미터파 무선 통신을 위한 광대역 수신기

Info

Publication number: KR20210148351A
Application number: KR1020217037243A
Authority: KR
Inventors: 민 유 후앙; 토마스 첸
Original assignee: 스위프트링크 테크놀로지스 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-12-07
Also published as: EP3956981A1; JP2022529195A; CA3137133A1; JP7441240B2; WO2020214733A1; CN113491066A; EP3956981A4

Abstract

RF 수신기는 RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low-noise amplifier), 변압기-기반 IQ 생성기 회로, 하나 이상의 부하 저항기들, 하나 이상의 믹서 회로 및 하향변환기를 포함한다. 변압기-기반 IQ 생성기는 LO로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하기 위한 것이다. 부하 저항기들은 변압기-기반 IQ 생성기의 출력에 커플링된다. 부하 저항기들 각각은 차동 LOI 및 LOQ 신호들 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압에 커플링한다. 믹서들은 동위상 RF(RFI) 신호 및 직교 RF(RFQ) 신호를 생성하기 위해 LNA에 의해 증폭된 RF 신호들을 수신하고 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하도록 LNA 및 변압기-기반 IQ 생성기에 커플링된다. 하향변환기는 RFI 신호 및 RFQ 신호를 IF 신호들로 하향 변환하기 위한 것이다.

Description

다중-대역 밀리미터파 무선 통신을 위한 광대역 수신기

[0001] 본 출원은 2018년 4월 5일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/946,716호의 CIP(continuation-in-part)이다. 본 출원은 또한, 2019년 4월 19일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/836,295호를 우선권으로 주장한다. 위에서 언급된 출원의 개시내용은 그 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다.

[0002] 본 발명의 실시예들은 일반적으로 무선 통신 디바이스들에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 실시예들은 통신 디바이스에 대한 다중-대역 이미지-거부 수신기에 관한 것이다.

[0003] 차세대 5G 통신 디바이스들의 경우, AR(augmented reality)/VR(virtual reality) 및 5세대(5G) MIMO(multiple-input and multiple-output)와 같은 다수의 애플리케이션들에 대해 더 높은 데이터 레이트를 요구한다. mm-파(millimeter-wave) 주파수를 향한 설계 시프트는 이러한 더 높은 데이터 레이트를 지원한다. 한편, 더 높은 데이터 레이트를 가능하게 하기 위해 더 넓은 대역폭이 요구된다. 예컨대, 더 넓은 대역폭은 24, 28, 37 및 39GHz 대역들을 포함한 5G 스펙트럼을 커버해야 한다.

[0004] 낮은 중간 주파수(IF) 수신기 아키텍처는 플리커(flicker) 노이즈 및 DC 오프셋과 같은 제로-IF 하향-변환 수신기(zero-IF down-conversion receiver)로부터의 단점들을 회피하기 위해 통신 디바이스들에 대해 널리 사용될 수 있다. 그러나 저-IF 수신기에 대한 mm-파 광대역 동위상 직교(IQ) 국부 발진기(local oscillator; LO) 생성은 수신기의 하향-변환 믹서들의 성능을 매우 손실성으로 저하시킬 수 있다. mm-파 주파수에서 광대역 이미지 거부를 갖는 온-칩 수신기에 대한 필요성이 존재한다.

[0005] 본 발명의 실시예들은 유사한 참조번호들이 유사한 엘리먼트들을 표시하는 첨부된 도면들의 도해들에서, 제한으로서가 아니라 예로서 예시된다.
[0006] 도 1은 일 실시예에 따른 무선 통신 디바이스의 예를 예시하는 블록도이다.
[0007] 도 2는 일 실시예에 따른 RF 프론트엔드 집적 회로의 예를 예시하는 블록도이다.
[0008] 도 3은 일 실시예에 따른 RF 트랜시버 집적 회로를 예시하는 블록도이다.
[0009] 도 4는 일 실시예에 따른 광대역 수신기 회로의 예를 예시하는 개락도이다.
[0010] 도 5는 일 실시예에 따른 변압기-기반 IQ 생성기의 예를 예시하는 개략도이다.
[0011] 도 6은 일 실시예에 따라 상이한 부하 저항기들을 갖는 전압 이득의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
[0012] 도 7은 일 실시예에 따른 변압기-기반 IQ 생성기 레이아웃의 예를 예시하는 블록도이다.
[0013] 도 8은 일 실시예에 따른 믹서의 예를 예시하는 개략도이다.
[0014] 도 9는 일 실시예에 따라 T/R 스위치와 LNA 사이의 임피던스 매칭 네트워크를 예시하는 개략도이다.

[0015] 본 발명들의 다양한 실시예들 및 양상들은 이하에 논의되는 세부사항들을 참조하여 설명될 것이며, 첨부 도면들은 다양한 실시예들을 예시할 것이다. 이하의 설명 및 도면들은 본 발명을 예시하고 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 다수의 특정 세부사항들이 본 발명의 다양한 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 소정의 경우들에서, 본 발명들의 실시예들에 대한 간결한 논의를 제공하기 위해 잘 알려진 또는 종래의 세부사항들은 설명되지 않는다.

[0016] 본 명세에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 장소들에서 "일 실시예에서"라는 문구의 출현들이 모두 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

[0017] 실시예들의 대응하는 도면들에서, 신호들은 라인들로 표현된다는 것에 주의한다. 일부 라인들은 더 많은 구성 신호 경로들을 표시하도록 더 두꺼울 수 있고 그리고/또는 주 정보 흐름 방향을 표시하도록 하나 이상의 단부들에 화살표들을 가질 수 있다. 이러한 표시들은 제한으로 의도되지 않는다. 오히려, 라인들은 회로 또는 로직 유닛의 보다 쉬운 이해를 가능하게 하기 위해 하나 이상의 예시적인 실시예들과 관련하여 사용된다. 설계 요구들 또는 선호도들에 의해 지시된 바와 같은 임의의 표현된 신호들은 실제로 어느 방향으로든 이동할 수 있고 임의의 적합한 유형의 신호 체계로 구현될 수 있는 하나 이상의 신호들을 포함할 수 있다.

[0018] 명세서 전반에 걸쳐 그리고 청구항들에서, "연결되는"이란 용어는 어떠한 중개 디바이스들도 없이 연결된 사물들 간의 직접적인 전기적 연결을 의미한다. "커플링"이라는 용어는 연결된 사물들 간의 직접적인 전기적 연결 또는 하나 이상의 수동 또는 능동 중개 디바이스들을 통한 간접적인 연결을 의미한다. "회로"라는 용어는 원하는 기능을 제공하기 위해 서로 협력하도록 배열되는 하나 이상의 수동 및/또는 능동 컴포넌트들을 의미한다. "신호"라는 용어는 적어도 하나의 전류 신호, 전압 신호 또는 데이터/클록 신호를 의미한다. 단수("a", "an" 및 "the")의 의미는 복수 참조들을 포함한다. "의(in)"의 의미는 "내에(in)" 및 "상에(on)"를 포함한다.

[0019] 본원에서 사용된 바와 같이, 달리 특정되지 않는 한, 공통 객체를 설명하기 위해 서수 형용사들 "제1", "제2" 및 "제3" 등의 사용은 단지, 유사한 객체들의 상이한 경우들이 참조되고 있음을 표시할 뿐이고 그렇게 설명된 객체들은 시간적으로든, 공간적으로든, 서열순으로든 또는 임의의 다른 방식으로든 주어진 시퀀스로 있어야 한다는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 "실질적으로"라는 용어는 타겟의 10 % 내에 있음을 지칭한다.

[0020] 본원에서 설명된 실시예들의 목적들을 위해, 달리 특정되지 않는 한, 트랜지스터들은, 드레인, 소스, 게이트 및 벌크 단자들을 포함하는 MOS(metal oxide semiconductor) 트랜지스터들이다. 소스 및 드레인 단자들은 동일한 단자들일 수 있으며, 본원에서 상호 교환 가능하게 사용된다. 당업자들은 다른 트랜지스터들, 예컨대, 바이폴라 접합 트랜지스터들 ― BJT PNP/NPN, BiCMOS, CMOS 등이 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.

[0021] 본 발명의 일 양상에 따르면, RF 수신기는 RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low-noise amplifier), 변압기-기반 IQ 생성기 회로, 하나 이상의 부하 저항기들, 및 하나 이상의 믹서들을 갖는 하향변환기를 포함한다. 변압기-기반 IQ 생성기는 LO로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하도록 구성된다. 부하 저항기들은 변압기-기반 IQ 생성기의 출력에 커플링된다. 부하 저항기들 각각은 차동 LOI 및 LOQ 신호들 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압에 커플링하도록 구성된다. 믹서들은 증폭된 RF 신호들을 IF 신호들 ― 이는 신호 프로세싱 모듈 또는 신호 프로세서 이를테면, DSP(digital signal processor)에 의해 프로세싱될 수 있음 ― 로 하향 변환하기 위해 LNA에 의해 증폭된 RF 신호들을 수신하고 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하도록 LNA 및 변압기-기반 IQ 생성기에 커플링된다.

[0022] 일 실시예에 따르면, 변압기-기반 IQ 생성기는 LO 신호에 기초하여 LOI+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOI(LOI+) 포트를 포함한다. 변압기-기반 IQ 생성기는 LO 신호에 기초하여 LOI- 신호를 생성하기 위한 음의 LOI(LOI-) 포트를 더 포함한다. LOI+ 및 LOI- 신호들은 차동 LOI 신호를 표현한다. 변압기-기반 IQ 생성기는 LO 신호에 기초하여 LOQ+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOQ(LOQ+) 포트 및 LO 신호에 기초하여 LOQ- 신호를 생성하기 위한 음의 LOQ(LOQ-) 포트를 더 포함한다. LOQ+ 및 LOQ- 신호들은 차동 LOQ 신호를 표현한다.

[0023] 일 실시예에서, 믹서들은 제1 믹서 및 제2 믹서를 포함한다. 하향변환기는 양의 동위상 IF(IFI+) 신호를 생성하기 위해 RF 신호를 LOI+ 신호와 혼합하도록 제1 믹서에 커플링된 제1 저역 통과 필터, 음의 동위상 IF(IFI-) 신호를 생성하기 위해 RF 신호를 LOI- 신호와 혼합하도록 제2 믹서에 커플링된 제2 저역 통과 필터, 및 제1 차동 IF 신호를 생성하기 위해 IFI+ 및 IFI- 신호들을 증폭하도록 제1 및 제2 저역 통과 필터들에 커플링되는 제1 IF 증폭기를 포함한다.

[0024] 일 실시예에서, 믹서들은 제3 믹서 및 제4 믹서를 더 포함한다. 하향변환기는 양의 직교 IF(IFQ+) 신호를 생성하기 위해 RF 신호를 LOQ+ 신호와 혼합하도록 제3 믹서에 커플링된 제3 저역 통과 필터, 음의 직교 IF(IFQ-) 신호를 생성하기 위해 RF 신호를 LOQ- 신호와 혼합하도록 제4 믹서에 커플링된 제4 저역 통과 필터, 및 제2 차동 IF 신호를 생성하기 위해 IFQ+ 및 IFQ- 신호들을 증폭하도록 제3 및 제4 저역 통과 필터들에 커플링되는 제2 IF 증폭기를 더 포함한다. 일 실시예에서, 하향변환기는 제1 및 제2 차동 IF 신호들에 기초하여 제3 차동 IF 신호를 생성하기 위해 제1 IF 증폭기 및 제2 IF 증폭기에 커플링된 PPF(poly-phase filter), 및 제4 차동 IF 신호를 생성하기 위해 제3 차동 IF 신호를 증폭하도록 PPF에 커플링된 제3 IF 증폭기를 더 포함하고, 제4 차동 IF 신호는 신호 프로세싱 모듈에 의해 프로세싱된다.

[0025] 일 실시예에서, 부하 저항기들은 LOI+ 포트와 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제1 부하 저항기, LOI-포트와 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제2 부하 저항기, LOQ+ 포트와 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제3 부하 저항기, 및 LOQ 포트와 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제4 부하 저항기를 포함한다. 부하 저항기들 각각은 50 내지 500옴 범위에 있다. 차동 LOI 및 차동 LOQ 신호들은 25 내지 50 GHz(gigahertz) 범위에 있다.

[0026] 일 실시예에서, 각각의 믹서는 제1 스테이지 증폭기 ― 여기서 제1 스테이지 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 차동 트랜지스터(또는 metal-oxide semiconductor field-effect transistor, 약어로 MOSFET) 쌍을 포함하고, 제1 트랜지스터의 제1 게이트 단자와 제2 트랜지스터의 제2 게이트 단자는 혼합될 차동 RF 입력 신호를 수신하기 위한 차동 RF 입력 포트를 함께 형성함 ― , 및 제1 스테이지 증폭기에 커플링되는 제2 스테이지 증폭기를 포함하고, 제2 스테이지 증폭기는 제3 게이트 단자를 갖는 제3 트랜지스터 및 제4 게이트 단자를 갖는 제4 트랜지스터를 갖는 제2 차동 트랜지스터(또는 MOSFET) 쌍, 및 제5 게이트 단자를 갖는 제5 트랜지스터 및 제6 게이트 단자를 갖는 제6 트랜지스터를 갖는 제3 차동 트랜지스터 쌍을 포함하고, 제3 게이트 단자는 제5 게이트 단자에 커플링되고 제4 게이트 단자는 제6 게이트 단자에 커플링되며, 제3 게이트 단자 및 제5 게이트 단자는 믹서를 구동하기 위한 차동 LO 구동 신호를 수신하기 위한 차동 LO 입력 포트를 형성한다.

[0027] 다른 실시예에서, 제1 차동 트랜지스터 쌍의 제1 트랜지스터의 제1 드레인 단자는 제1 인덕터를 통해 제2 차동 트랜지스터 쌍의 제3 및 트랜지스터 제4 트랜지스터의 소스 단자들에 커플링되고, 제1 차동 트랜지스터 쌍의 제2 트랜지스터의 제2 드레인 단자는 제2 인덕터를 통해 제3 차동 트랜지스터 쌍의 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터의 소스 단자들에 커플링되고, 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 차동 인덕터 쌍을 형성한다. 다른 실시예에서, 제3 트랜지스터의 드레인 단자는 제1 출력으로서 제5 트랜지스터의 드레인 단자에 커플링되고, 제4 트랜지스터의 드레인 단자는 제2 출력으로서 제6 트랜지스터의 드레인 단자에 커플링되고, 제1 출력 및 제2 출력은 차동 혼합 신호를 출력하도록 차동 출력 포트를 형성하는,

[0028] 다른 양상에 따르면, RF 프론트엔드 회로는 안테나에 커플링되는 송신 및 수신(T/R) 스위치, RF 송신기, 및 RF 수신기를 포함하고, T/R 스위치는 특정 시점에 RF 송신기 또는 RF 수신기를 안테나에 커플링하도록 구성된다. RF 수신기는 위에서 설명된 바와 같은 컴포넌트들 중 적어도 일부를 포함한다. 추가 양상에 따르면, 모바일 디바이스는 안테나, RF 수신기, 및 신호 프로세서를 포함한다. RF 수신기는 위에서 설명된 바와 같은 컴포넌트들 중 적어도 일부를 포함한다.

[0029] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 디바이스의 예를 예시하는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 단순히 무선 디바이스로서 또한 지칭되는 무선 통신 디바이스(100)는 다른 것들 중에서도, RF 프론트엔드 모듈(101) 및 기저대역 프로세서(102)를 포함한다. 무선 디바이스(100)는 예컨대, 모바일 폰들, 랩톱들, 태블릿들, 네트워크 어플라이언스 디바이스들(예컨대, IOT(또는 Internet of thing) 어플라이언스 디바이스) 등과 같은 임의의 종류의 무선 통신 디바이스들일 수 있다.

[0030] 라디오 수신기 회로에서, RF 프론트엔드는, 믹서 스테이지를 포함하여 안테나까지 그 사이에 있는 모든 회로에 대한 일반 용어이다. 그것은 오리지널 인입 라디오 주파수의 신호를, 그 신호를 더 낮은 주파수, 예컨대, IF로 변환되기 전에 프로세싱하는 수신기 내의 모든 컴포넌트들로 구성된다. 마이크로파 및 위성 수신기들에서, 그것은 종종, LNB(low-noise block) 또는 LND(low-noise downconverter)로서 지칭되고, 종종 안테나에 또는 안테나 근처에 로케이팅되어, 안테나로부터의 신호가 보다 쉽게 처리되는 중간 주파수에서 수신기의 잔여부에 전달될 수 있다. 기저대역 프로세서는 모든 라디오 기능들(안테나를 요구하는 모든 기능들)을 관리하는 네트워크 인터페이스의 디바이스(칩 또는 칩의 부분)이다.

[0031] 일 실시예에서, RF 프론트엔드 모듈(101)은 하나 이상의 RF 트랜시버들을 포함하며, 여기서 RF 트랜시버들 각각은 다수의 RF 안테나들 중 하나를 통해 특정 주파수 대역(예컨대, 중첩되지 않는 주파수 범위들과 같은 특정 주파수 범위들) 내에서 RF 신호들을 송신 및 수신한다. RF 프론트엔드 IC 칩(101)은 RF 트랜시버들에 커플링된 IQ 생성기 및/또는 주파수 합성기를 더 포함한다. IQ 생성기 또는 생성 회로는 LO 신호를 생성하여 RF 트랜시버들 각각에 제공하여 RF 트랜시버가 대응하는 주파수 대역 내에서 RF 신호들을 혼합, 변조 및/또는 복조하는 것을 가능하게 한다. RF 트랜시버(들) 및 IQ 생성 회로는 단일 RF 프론트엔드 IC 칩 또는 패키지로서 단일 IC 칩 내에 통합될 수 있으며, 이는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

[0032] 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 프론트엔드 집적 회로의 예를 예시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, RF 프론트엔드(101)는 다른 것들 중에서도, 다중-대역 RF 트랜시버(211)에 커플링된 IQ 생성기 및/또는 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 IQ 생성기 및/또는 주파수 합성기(200)로부터 하나 이상의 LO 신호들을 수신하도록 구성된다. LO 신호들은 하나 이상의 대응하는 주파수 대역들에 대해 생성된다. LO 신호는 대응하는 주파수 대역들 내에서 RF 신호들을 송신 및 수신할 목적으로 트랜시버가 혼합, 복조, 변조, 복조하는 데 활용된다. 단 하나의 트랜시버 및 안테나만이 도시되지만, 각각의 주파수 대역들마다 하나씩, 트랜시버들 및 안테나들의 다수의 쌍들이 구현될 수 있다.

[0033] 도 3은 일 실시예에 따른 RF 트랜시버 IC(integrated circuit)를 예시하는 블록도이다. RF 트랜시버(300)는 도 2의 RF 트랜시버(211)를 표현할 수 있다. 도 3을 참조하면, 주파수 합성기(300)는 위에서 설명된 바와 같은 주파수 합성기(200)를 표현할 수 있다. 일 실시예에서, RF 트랜시버(300)는 주파수 합성기(300), 송신기(301) 및 수신기(302)를 포함할 수 있다. 주파수 합성기(300)는 LO 신호들을 제공하도록 송신기(301) 및 수신기(302)에 통신 가능하게 커플링된다. 송신기(301)는 다수의 주파수 대역들에 대한 RF 신호들을 송신할 수 있다. 수신기(302)는 다수의 주파수 대역에 대한 RF 신호들을 수신할 수 있다.

[0034] 수신기(302)는 LNA(low noise amplifier)(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 증폭하기 위한 것이다. 증폭된 RF 신호들은 그 후, IQ 생성기(317)에 의해 제공된 LO 신호에 기초하여 믹서(들)(307)(또한 하향-변환 믹서로서 지칭됨)에 의해 복조된다. IQ 생성기(317)는 위에서 설명된 바와 같은 IQ 생성기(200)를 표현할 수 있다. 일 실시예에서, IQ 생성기(317)는 단일 집적 회로로서 광대역 수신기(302)에 통합된다. 그 후, 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 특정 시점에 안테나(310)를 송신기(301) 또는 수신기(302) 중 어느 하나에 커플링하기 위해 송신기(301)와 수신기(302) 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 한 쌍의 송신기 및 수신기가 도시되어 있지만, 송신기들 및 수신기들의 다수의 쌍들 및/또는 자립형 수신기가 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 안테나(310)를 제외하고 도시된 바와 같은 모든 컴포넌트들은 집적 회로(예컨대, RF 프론트엔드 IC) 내에서 구현될 수 있다.

[0035] 도 4는 일 실시예에 따른 RF 수신기의 예를 예시하는 블록도이다. 도 4를 참조하면, RF 수신기(302)는 다른 것들 중에서도, RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low noise amplifier)(306), 변압기-기반 IQ 생성기(317), 하나 이상의 부하 저항기들(도시되지 않음), 하나 이상의 믹서들(307) 및 하향변환기를 포함한다. 변압기-기반 IQ 생성기(317)는 LO(315)로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하도록 구성된다. 부하 저항기들은 변압기-기반 IQ 생성기(317)의 출력에 커플링된다. 부하 저항기들 각각은 차동 LOI 및 LOQ 신호들(예컨대, 이 예에서 LOI+, LOI-, LOQ+ 또는 LOQ- 신호) 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압(도시되지 않음)에 커플링하도록 구성된다. 믹서들(307)은 RF 신호들을 IF 신호들 ― 이는 신호 프로세싱 모듈 또는 신호 프로세서 이를테면, DSP(digital signal processor)에 의해 프로세싱될 수 있음 ― 로 하향 변환하기 위해 LNA(306)에 의해 증폭된 RF 신호들을 수신하고 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하도록 LNA(306) 및 변압기-기반 IQ 생성기(317)에 커플링된다. 이 실시예에서, 하향변환기는 일 세트의 저역 통과 필터들(311), 일 세트의 하나 이상의 IF 증폭기들(312)(예컨대, 가변 이득 증폭기들), 다상 필터(313), 및 다른 IF 증폭기(314)에 의해 표현된다.

[0036] 이 예에서, LNA(306)의 출력 및 변압기-기반 IQ 생성기(317)의 출력에 커플링된 4개의 믹서들이 존재한다. 변압기-기반 IQ 생성기(317)의 출력은 LO(315)에 의해 제공되는 오리지널 LO 신호(예컨대, LOIN+ 및 LOIN-)에 기초한 4개의 LO 신호들(예컨대, LOI+, LOI-, LOQ+ 및 LOQ- 신호)을 포함한다. LOI+ 및 LOI-는 차동 동위상 신호를 표현하고 LOQ+ 및 LOQ-는 차동 직교 신호를 표현한다. LOIN+ 및 LOIN-은 변압기-기반 IQ 생성기(317)에 대한 차동 LO 입력 신호를 표현한다. 저역 통과 필터들(311)은 RF 신호를 IF 신호(이 예에서는 IFI+, IFI-, IFQ+ 및 IFQ- 신호들)로 변환하기 위해 대응하는 믹서로부터의 RF 신호들에 대해 저역 통과 동작을 수행하도록 믹서들(307) 각각에 대해 하나씩 4개의 저역 통과 필터들을 포함한다. 쌍의 IFI+ 및 IFI- 신호들은 IF 증폭기들(312A)의 차동 입력으로 공급되는 반면, 쌍의 IFQ+ 및 IFQ- 신호들은 IF 증폭기(312B)의 차동 입력으로 공급된다. IF 증폭기들(312)(집합적으로 IF 증폭기들(312A 및 312B)에 의해 표현됨)의 출력들은 PPF(313)의 입력에 커플링된다. 다른 IF 증폭기(314)는 IF 신호들을 추가로 증폭하기 위해 PPF(313)의 출력에 커플링된다. IF 증폭기(314)에 의해 생성된 증폭된 IF 신호들은 신호 프로세서(예컨대, DSP 또는 기저대역 프로세서)에 의해 추가로 다운스트림에서 프로세싱될 수 있다.

[0037] PPF(313)는 더 높은 주파수의 노이즈를 필터링할 수 있고 4개의 동위상 및 직각위상 신호들을 차동 쌍의 IF 신호들, 예컨대, IFI+, IFI-, IFQ+, 및 IFQ- 신호들로 다시 재결합할 수 있다. PPF(313)는 RC_CR(resistive-capacitive capacitive-resistive) PPF이다. PPF(313)는 바람직하지 않은 신호 노이즈(예컨대, IF 주파수들의 범위 외부의 고주파수 노이즈)를 필터링할 수 있으며, 4개의 동위상 및 직교 신호들 예컨대, IFI+, IFI-, IFQ+ 및 IFQ- 신호들을 차동 쌍의 중간 IF 신호들로 결합할 수 있다. 마지막으로, 증폭기(314)는 차동 중간 IF 신호들을 추가로 증폭하여 출력으로서 IF+ 및 IF-를 생성한다.

[0038] 도 5는 일 실시예에 따른 변압기-기반 IQ 생성기의 예를 예시하는 개략도이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따르면, 변압기-기반 IQ 네트워크로서 또한 지칭되는 변압기-기반 IQ 생성기(317)는 LO(315)로부터 생성된 LO 입력 신호들(LOIN+ 및 LOIN-)에 기초하여 LOI+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOI(LOI+) 포트 및 LOI- 신호를 생성하기 위한 음의 LOI(LOI-) 포트를 포함한다. LOI+ 및 LOI- 신호는 차동 동위상 신호를 표현하며, LOQ+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOQ(LOQ+) 포트, 및 LOQ- 신호를 생성하기 위한 음의 LOQ(LOQ-) 포트가 있다. LOQ+ 및 LOQ- 신호는 차동 직교 신호를 표현한다. 출력 신호들(LOI+, LOI-, LOQ+ 및 LOQ-)은 각각 믹서들(307)의 입력들에 제공된다. 변압기-기반 IQ 생성기(317)의 예가 도 7에 도시된다.

[0039] 일 실시예에 따르면, 부하 저항기(RL)는 출력 포트들(LOI+, LOI-, LOQ+ 및 LOQ-) 각각과 바이어스 전압(Vbias) 사이에 커플링된다. 변압기-기반 IQ 생성기(317)의 출력 단자에 부하 저항기를 연결함으로써, 출력 임피던스가 증가할 수 있으며, 이는 차례로 믹서의 입력에 인가되는 전압을 증가시킨다. 더 높은 입력 전압은 믹서의 더 높은 변환 이득으로 이어질 것이다. 도 6은 50 내지 500옴의 부하 저항기의 경우의 전압 이득의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

[0040] 도 8은 일 실시예에 따른 믹서 회로를 예시하는 개략도이다. 도 8을 참조하면, 믹서(307)는 제1 믹서(801) 및 제2 믹서(802)를 포함하는 IQ 이중 평형 믹서이다. 믹서는 신호의 주파수 변환 또는 변조를 수행할 수 있는 3 포트 디바이스이다. 수신기의 경우, 믹서는 IF 신호를 생성하기 위해 LO 신호를 사용하여 RF 신호를 하향-변환(또는 복조)한다. 일 실시예에서, 믹서(307)는 2개의(또는 이중) 평형 길버트(Gilbert) 믹서들(801 및 802)을 포함한다. 이중 평형 믹서들(801-802)은 차동 IF 신호들을 생성하기 위해 차동 LO 신호들을 사용하여 차동 RF 신호를 하향-변환(또는 복조)한다.

[0041] 예컨대, 믹서(801)는 예컨대, LNA(306)로부터 수신된 차동 RF 신호를 표현하는 양의 RF 입력 신호(RF+) 및 음의 RF 입력 신호(RF-)를 수신한다. 입력 RF 신호들(RF+ 및 RF-)은 차동 동위상 LO 신호들(예컨대, LOI+ 및 LOI- 신호)과 혼합되어 IFI+ 및 IFI- 신호들을 생성한다. LOI+ 및 LOI- 신호들은 도 4의 IQ 생성기(317)와 같은 mm-파 광대역 IQ 생성 회로에 의해 생성된다. 유사하게, 믹서(802)는 RF+ 및 RF- 신호들을 수신하고 mm-파 광대역 IQ 생성 회로 이를테면, 도 4의 IQ 생성기(317)에 의해 생성된 차동 직교 LO 신호들(예컨대, LOQ+ 및 LOQ- 신호들)과 혼합하여, IFQ+ 및 IFQ- 신호들을 생성한다. 일부 실시예들에서, 믹서들(801-802) 각각은 하나 이상의 차동 증폭기 스테이지들을 포함할 수 있다.

[0042] 도 8을 참조하면, 2 스테이지 차동 증폭기의 경우, 증폭기는 제1 스테이지로서 공통 소스 차동 증폭기 및 제2 스테이지로서 게이트-커플링 차동 증폭기를 포함할 수 있다. 믹서들(801-802)의 공통 소스 차동 증폭기 스테이지는 각각 차동 신호들(RF+ 및 RF-)을 수신할 수 있다. 믹서(801)의 게이트-커플링 차동 증폭기 스테이지는 차동 동위상 신호들(LOI+ 및 LOI-)을 수신한다. 믹서(802)의 게이트-커플링 차동 증폭기 스테이지는 차동 직교 신호들(LOQ+ 및 LOQ-)을 수신한다. 그 후, RF 신호는 IF 신호를 생성하기 위해 LO 신호에 의해 하향-변환된다. 제2 스테이지는 믹서들(801-802) 내로의 고주파 노이즈 주입들을 최소화하기 위해 1차 저역-통과 필터들일 수 있는 저역-통과 필터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 저역-통과 필터는 커패시터와 병렬의 부하 저항기를 갖는 수동 저역 통과 필터를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 스테이지 차동 증폭기는 차동 인덕터들을 통해 제2 스테이지 차동 증폭기에 커플링된다. 일 실시예에서, 믹서들(801-802)은 단일 모놀리식 집적 회로 상에서 mm-파 IQ 생성 회로, 이를테면, 도 4의 mm-파 IQ 생성 회로(317)와 공동 설계된다. 일 실시예에서, 차동 인덕터 쌍은 2개의 차동 증폭기 스테이지들 사이의 전류 이득을 픽업(pick up)하는데 사용될 수 있다. 더 양호한 성능을 위해 4개의 인덕터들이 포함되며, 예컨대, 2개의 차동 인덕터 쌍들이 이중 IQ 믹서들 각각에 대해 사용된다. 그러나 4개의 인덕터들은 넓은 점유면적(large foot)을 포함한다.

[0043] 도 9는 성능을 추가로 개선하기 위한 임피던스 매칭 네트워크를 갖는 T/R 스위치(309) 및 LNA(306)의 공동 설계를 예시하는 개략도이다. LNA(306)는 광대역 프론트엔드로서 역할을 하기 위해 2개의 스테이지들에서 상이한 공진 부하들로 설계되었다. T/R 스위치(309) 및 오프-상태 PA로부터의 기생 커패시터들의 부하 효과를 완화하기 위해, 별개의 션트 인덕터들이 TX/RX 입력들에 인가된다. RX 입력 션트 인덕터(LRX)는 추가로, 제1 스테이지 LNA의 Lg, Ls 및 Cgs와 공동 설계되며, 이는 광대역 입력 마칭(wideband input marching)을 위한 고차 네트워크를 생성한다.

[0044] 위의 명세서에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었다. 첨부된 청구항들에 기술된 본 발명의 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 대한 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims

RF(radio frequency) 수신기 회로로서,
RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low noise amplifier);
국부 발진기로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하기 위한 변압기-기반 동위상 직교(IQ) 생성기;
상기 변압기-기반 IQ 생성기의 출력에 커플링된 복수의 부하 저항기들 ― 상기 부하 저항기들 각각은 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압에 커플링함 ― ; 및
상기 증폭된 RF 신호들을 중간 주파수(IF) 신호들로 하향 변환하기 위해 상기 증폭된 RF 신호들을 수신하고 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하기 위해 상기 LNA 및 상기 변압기-기반 IQ 생성기에 커플링된 하나 이상의 믹서들을 갖는 하향 변환기를 포함하고,
상기 IF 신호들은 신호 프로세싱 모듈에 의해 프로세싱되는,
RF 수신기 회로.
제1 항에 있어서,
상기 변압기-기반 IQ 생성기는,
상기 LO 신호에 기초하여 LOI+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOI(LOI+) 포트;
상기 LO 신호에 기초하여 LOI- 신호를 생성하기 위한 음의 LOI(LOI-) 포트 ― 상기 LOI+ 및 LOI- 신호들은 상기 차동 LOI 신호를 표현함 ― ;
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOQ(LOQ+) 포트; 및
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ- 신호를 생성하기 위한 음의 LOQ(LOQ-) 포트를 포함하고, 상기 LOQ+ 및 LOQ- 신호들은 상기 차동 LOQ 신호를 표현하는,
RF 수신기 회로.
제2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 믹서들은 제1 믹서 및 제2 믹서를 포함하고, 상기 하향변환기는,
양의 동위상 IF(IFI+) 신호를 생성하기 위해 상기 RF 신호들을 LOI+ 신호와 혼합하도록 상기 제1 믹서에 커플링된 제1 저역 통과 필터;
음의 동위상 IF(IFI-) 신호를 생성하기 위해 상기 RF 신호들을 LOI- 신호와 혼합하도록 상기 제2 믹서에 커플링된 제2 저역 통과 필터; 및
제1 차동 IF 신호를 생성하기 위해 상기 IFI+ 및 IFI- 신호들을 증폭하도록 상기 제1 및 제2 저역 통과 필터들에 커플링되는 제1 IF 증폭기를 더 포함하는,
RF 수신기 회로.
제3 항에 있어서,
하나 이상의 믹서들은 제3 믹서 및 제4 믹서를 더 포함하고, 상기 하향변환기는,
양의 직교 IF(IFQ+) 신호를 생성하기 위해 상기 RF 신호들을 LOQ+ 신호와 혼합하도록 상기 제3 믹서에 커플링된 제3 저역 통과 필터;
음의 직교 IF(IFQ-) 신호를 생성하기 위해 상기 RF 신호들을 LOQ- 신호와 혼합하도록 상기 제4 믹서에 커플링된 제4 저역 통과 필터; 및
제2 차동 IF 신호를 생성하기 위해 상기 IFQ+ 및 IFQ- 신호들을 증폭하도록 상기 제3 및 제4 저역 통과 필터들에 커플링되는 제2 IF 증폭기를 더 포함하는,
RF 수신기 회로.
제4 항에 있어서,
상기 하향변환기는,
상기 제1 및 제2 차동 IF 신호들에 기초하여 제3 차동 IF 신호를 생성하기 위해 상기 제1 IF 증폭기 및 상기 제2 IF 증폭기에 커플링된 PPF(poly-phase filter); 및
제4 차동 IF 신호를 생성하기 위해 상기 제3 차동 IF 신호를 증폭하도록 상기 PPF에 커플링된 제3 IF 증폭기를 더 포함하고,
상기 제4 차동 IF 신호는 상기 신호 프로세싱 모듈에 의해 프로세싱되는,
RF 수신기 회로.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 부하 저항기들은,
상기 LOI+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제1 부하 저항기;
상기 LOI-포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제2 부하 저항기;
상기 LOQ+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제3 부하 저항기; 및
상기 LOQ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제4 부하 저항기를 포함하는,
RF 수신기 회로.
제1 항에 있어서,
상기 부하 저항기들 각각은 50 내지 500옴 범위에 있는,
RF 수신기 회로.
제1 항에 있어서,
상기 차동 LOI 및 상기 차동 LOQ 신호들은 25 내지 50 GHz(gigahertz) 범위에 있는,
RF 수신기 회로.
제1 항에 있어서,
상기 믹서들 각각은,
제1 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 차동 트랜지스터 쌍을 갖는 제1 스테이지 증폭기 ― 상기 제1 트랜지스터의 제1 게이트 단자와 상기 제2 트랜지스터의 제2 게이트 단자는 혼합될 차동 RF 입력 신호를 수신하기 위한 차동 RF 입력 포트를 함께 형성함 ― ; 및
제3 게이트 단자를 갖는 제3 트랜지스터 및 제4 게이트 단자를 갖는 제4 트랜지스터를 갖는 제2 차동 트랜지스터 쌍, 및 제5 게이트 단자를 갖는 제5 트랜지스터 및 제6 게이트 단자를 갖는 제6 트랜지스터를 갖는 제3 차동 트랜지스터 쌍을 갖는 제2 스테이지 증폭기를 포함하고,
상기 제3 게이트 단자는 상기 제5 게이트 단자에 커플링되고 상기 제4 게이트 단자는 상기 제6 게이트 단자에 커플링되며, 상기 제3 게이트 단자 및 상기 제5 게이트 단자는 믹서를 구동하기 위한 차동 LO 구동 신호를 수신하기 위한 차동 LO 입력 포트를 형성하는,
RF 수신기 회로.
제9 항에 있어서,
상기 제1 차동 트랜지스터 쌍의 제1 트랜지스터의 제1 드레인 단자는 제1 인덕터를 통해 상기 제2 차동 트랜지스터 쌍의 상기 제3 및 트랜지스터 제4 트랜지스터의 소스 단자들에 커플링되고, 상기 제1 차동 트랜지스터 쌍의 제2 트랜지스터의 제2 드레인 단자는 제2 인덕터를 통해 상기 제3 차동 트랜지스터 쌍의 상기 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터의 소스 단자들에 커플링되는,
RF 수신기 회로.
제10 항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터는 차동 인덕터 쌍을 형성하는,
RF 수신기 회로.
제11 항에 있어서,
상기 차동 인덕터 쌍은 공통 가상 접지를 공유하는 단일 인덕터 풋프린트를 포함하는,
RF 수신기 회로.
제9 항에 있어서,
상기 제3 트랜지스터의 드레인 단자는 제1 출력으로서 상기 제5 트랜지스터의 드레인 단자에 커플링되고, 상기 제4 트랜지스터의 드레인 단자는 제2 출력으로서 상기 제6 트랜지스터의 드레인 단자에 커플링되고, 상기 제1 출력 및 상기 제2 출력은 차동 혼합 신호를 출력하도록 차동 출력 포트를 형성하는,
RF 수신기 회로.
RF(radio frequency) 프론트엔드 회로로서,
안테나에 커플링되는 송신 및 수신(T/R) 스위치;
상기 안테나를 통해 RF 신호들을 송신하도록 상기 T/R 스위치에 커플링된 RF 송신기; 및
상기 안테나를 통해 RF 신호들을 수신하도록 상기 T/R 스위치에 커플링되는 RF 수신기를 포함하고, 상기 T/R 스위치는 특정 시점에 상기 RF 송신기 또는 상기 RF 수신기를 상기 안테나에 커플링하고, 상기 RF 수신기는,
RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low noise amplifier),
국부 발진기로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하기 위한 변압기-기반 동위상 직교(IQ) 생성기,
상기 변압기-기반 IQ 생성기의 출력에 커플링된 복수의 부하 저항기들 ― 상기 부하 저항기들 각각은 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압에 커플링함 ― , 및
상기 증폭된 RF 신호들을 중간 주파수(IF) 신호들로 하향 변환하기 위해 상기 증폭된 RF 신호들을 수신하고 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하기 위해 상기 LNA 및 상기 변압기-기반 IQ 생성기에 커플링된 하나 이상의 믹서들을 갖는 하향 변환기를 포함하고,
상기 IF 신호들은 신호 프로세싱 모듈에 의해 프로세싱되는,
RF 프론트엔드 회로.
제14 항에 있어서,
상기 변압기-기반 IQ 생성기는,
상기 LO 신호에 기초하여 LOI+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOI(LOI+) 포트;
상기 LO 신호에 기초하여 LOI- 신호를 생성하기 위한 음의 LOI(LOI-) 포트 ― 상기 LOI+ 및 LOI- 신호들은 상기 차동 LOI 신호를 표현함 ― ;
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOQ(LOQ+) 포트; 및
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ- 신호를 생성하기 위한 음의 LOQ(LOQ-) 포트를 포함하고, 상기 LOQ+ 및 LOQ- 신호들은 상기 차동 LOQ 신호를 표현하는,
RF 프론트엔드 회로.
제15 항에 있어서,
상기 복수의 부하 저항기들은,
상기 LOI+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제1 부하 저항기;
상기 LOI-포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제2 부하 저항기;
상기 LOQ+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제3 부하 저항기; 및
상기 LOQ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제4 부하 저항기를 포함하는,
RF 프론트엔드 회로.
제14 항에 있어서,
상기 부하 저항기들 각각은 50 내지 500옴 범위에 있는,
RF 프론트엔드 회로.
모바일 디바이스로서,
안테나;
상기 안테나를 통해 RF 신호들을 수신하기 위한 RF(radio frequency) 수신기; 및
IF 신호들을 프로세싱하기 위한 신호 프로세서를 포함하고,
상기 RF 수신기는,
RF 신호들을 수신 및 증폭하기 위한 LNA(low noise amplifier),
국부 발진기로부터 수신된 LO(local oscillator) 신호에 기초하여 차동 동위상 국부 발진기(LOI) 신호 및 차동 직교(LOQ) 신호를 생성하기 위한 변압기-기반 동위상 직교(IQ) 생성기,
상기 변압기-기반 IQ 생성기의 출력에 커플링된 복수의 부하 저항기들 ― 상기 부하 저항기들 각각은 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들 중 하나를 미리 결정된 바이어스 전압에 커플링함 ― , 및
상기 증폭된 RF 신호들을 중간 주파수(IF) 신호들로 하향 변환하기 위해 상기 증폭된 RF 신호들을 수신하고 상기 차동 LOI 및 LOQ 신호들과 혼합하기 위해 상기 LNA 및 상기 변압기-기반 IQ 생성기에 커플링된 하나 이상의 믹서들을 갖는 하향 변환기를 포함하고, 상기 IF 신호들은 신호 프로세싱 모듈에 의해 프로세싱되는,
모바일 디바이스.
제18 항에 있어서,
상기 변압기-기반 IQ 생성기는,
상기 LO 신호에 기초하여 LOI+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOI(LOI+) 포트;
상기 LO 신호에 기초하여 LOI- 신호를 생성하기 위한 음의 LOI(LOI-) 포트 ― 상기 LOI+ 및 LOI- 신호들은 상기 차동 LOI 신호를 표현함 ― ;
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ+ 신호를 생성하기 위한 양의 LOQ(LOQ+) 포트; 및
상기 LO 신호에 기초하여 LOQ- 신호를 생성하기 위한 음의 LOQ(LOQ-) 포트를 포함하고, 상기 LOQ+ 및 LOQ- 신호들은 상기 차동 LOQ 신호를 표현하는,
모바일 디바이스.
제19 항에 있어서,
상기 복수의 부하 저항기들은,
상기 LOI+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제1 부하 저항기;
상기 LOI-포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제2 부하 저항기;
상기 LOQ+ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제3 부하 저항기; 및
상기 LOQ 포트와 상기 미리 결정된 바이어스 전압 사이에 커플링된 제4 부하 저항기를 포함하는,
모바일 디바이스.