WO2020246838A1 - 시분할 듀플렉스 안테나 장치 - Google Patents

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WO2020246838A1
WO2020246838A1 PCT/KR2020/007308 KR2020007308W WO2020246838A1 WO 2020246838 A1 WO2020246838 A1 WO 2020246838A1 KR 2020007308 W KR2020007308 W KR 2020007308W WO 2020246838 A1 WO2020246838 A1 WO 2020246838A1
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antenna
path
signal
noise amplifier
division duplex
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PCT/KR2020/007308
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김덕용
윤민선
정배묵
최창섭
이수원
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주식회사 케이엠더블유
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    • H04B1/02—Transmitters
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H04B1/44—Transmit/receive switching
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex

Definitions

  • the present invention relates to a time-division duplex antenna apparatus, in particular, separating a transmitter and a receiver circuit of an antenna device, and receiving a low noise amplifier (LNA) of the receiver circuit with a receiving antenna of the receiver.
  • LNA low noise amplifier
  • the present invention relates to a time division duplex antenna device that reduces signal loss by placing between filters, thereby minimizing noise figure (NF) and extending uplink coverage of a system.
  • the receiver structure of the conventional antenna device is largely composed of a signal receiving end including a receiving antenna and a filter, and a signal processing end including a low noise amplifier (LNA), an AD converter, and a digital signal processor (FPGA).
  • a remote radio head (RRH) which is connected to an antenna and performs processing of transmission/reception radio signals, may be considered as a representative signal processing stage.
  • the signal receiving end and the signal processing end are connected with a cable, the signal receiving end transmits the filtered received signal through the receiving antenna to the signal processing end through the cable, and the signal processing end receives the received signal input through the cable. After converting the digital signal, the digital signal is processed and transmitted to the antenna controller.
  • a frequency-division duplex (FDD) method and a time-division duplex (TDD) method are used as a method of sharing transmission and reception signals together using one transmission line or an antenna.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an antenna device according to the prior art, and FIG. 1A illustrates a configuration of a frequency division duplex (FDD) antenna device.
  • FDD frequency division duplex
  • a power amplifier (PA) 14 on the transmitting side is connected to the filter 15 on the transmitting side, and a low noise amplifier (LNA) 13 on the receiving side.
  • PA power amplifier
  • LNA low noise amplifier
  • the transmitting-side filter 15 and the receiving-side filter 12 have a structure in which a single transmission/reception antenna 11 is connected.
  • signal loss increases in a process in which a received signal received through a transmission/reception antenna is transmitted to a signal processing terminal through a cable.
  • the signal coming through the antenna is accompanied by thermal noise and, as it travels along the cable, the signal power decreases as much as the loss of the cable line, and this loss increases as the length of the cable increases, and accordingly, the noise figure It worsens (Noise Figure, NF) and limits the system's uplink coverage expansion.
  • FIG. 1B shows a configuration of a time division duplex (TDD) type antenna device 20.
  • the TDD antenna device 20 uses the same frequency through one filter 22 when the mobile station and the base station transmit and receive signals, but the use time is different. Separate the transmitted and received signals.
  • a power amplifier (PA) 25 on the transmitting side and a low noise amplifier (LNA) 24 on the receiving side are connected to a switch 23, respectively.
  • the switch 23 has a structure in which the power amplifier (PA) 25 on the transmitting side or the low noise amplifier (LNA) 24 on the receiving side are connected to the filter 22 connected to the transmission/reception antenna 21.
  • the uplink reception performance acts as a limiting factor, it is necessary to design a network based on uplink.
  • the main factor affecting the uplink reception performance is signal loss from the antenna to the low noise amplifier (LNA).
  • LNA low noise amplifier
  • An object of the present invention is to separate a transmitter and a receiver circuit of a time-division duplex (TDD) type antenna device, and by disposing a low noise amplifier (LNA) of the receiver circuit between the receive antenna and the receive filter of the receiver, It is intended to provide a time division duplex (TDD) antenna device capable of reducing signal loss and thus minimizing the noise figure (NF) of the system and extending the uplink coverage of the system.
  • TDD time-division duplex
  • the time division duplex antenna apparatus for transmitting and receiving downlink and uplink in a time-division duplex (TDD) method, at least one A transmitter comprising a transmission antenna module of, and transmitting a downlink signal through a first path; A receiver including at least one receiving antenna module and receiving an uplink signal through a second path separated from the first path without overlapping with the first path; And a controller for controlling the transmitter and the receiver in a time division duplex method.
  • TDD time-division duplex
  • the transmission antenna module may include a power amplifier provided on the first path and amplifying power of a transmission signal; A transmission filter provided on the first path and filtering a frequency of a transmission signal amplified by the power amplifier to generate the downlink signal; And at least one transmission antenna provided on the first path and transmitting the downlink signal generated by filtering by the transmission filter.
  • the receiving antenna module may include at least one receiving antenna provided on the second path and receiving the uplink signal; A low noise amplifier provided on the second path and low-noise amplifying the uplink signal received by the receiving antenna; And a reception filter provided on the second path and filtering a frequency of the uplink signal low-noise amplified by the low-noise amplifier.
  • the low noise amplifier may be disposed between the reception antenna and the reception filter along the second path through which the uplink signal is received.
  • a distance between the reception antenna along the second path and the low noise amplifier may be shorter than a distance between the transmission antenna along the first path and the power amplifier.
  • the receiving antenna module may include a plurality of receiving antennas.
  • the reception antenna module may further include a synthesizer provided between the low noise amplifier and the reception filter along the second path and for synthesizing a plurality of uplink signals received by a plurality of reception antennas.
  • the low noise amplifier may be provided between each receiving antenna of the plurality of receiving antennas and the synthesizer along the second path.
  • the reception antenna module may further include a filter provided between each reception antenna and the low noise amplifier along the second path and configured to prevent saturation of the low noise amplifier.
  • the receiving filter is provided between the output terminal of the synthesizer and the controller along the second path, and an out of band signal from a received signal synthesized and output from the plurality of uplink signals by the synthesizer Can be configured to block.
  • the receiver may include a plurality of receiving antenna modules.
  • the receiver is provided between a plurality of receive antenna modules and the controller along the second path, and combines a plurality of received signals generated by the plurality of receive antenna modules to form a multi-beam. ) May be further included.
  • the receiver may not include a transmission/reception switching switch for controlling the transmitter and the receiver in a time division duplex method on the second path.
  • the receiver may be configured as a separate circuit separate from the transmitter.
  • the controller operates the power amplifier when transmitting a downlink signal and stops the operation of the low noise amplifier; When receiving an uplink signal, it may be configured to stop the operation of the power amplifier and operate the low noise amplifier.
  • the low noise amplifier may be directly connected to the output terminal of the receiving antenna.
  • the present invention by separating the transmitter and receiver circuits of the antenna device of the time division duplex method, and placing a low noise amplifier (LNA) of the receiver circuit between the receive antenna and the receive filter of the receiver, signal loss is reduced and thus the system There is an effect that can improve the antenna performance by minimizing the noise figure (NF).
  • LNA low noise amplifier
  • NF noise figure
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an antenna device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a structure of a transmitter/receiver of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a receiver constituting a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a time division duplex antenna device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a receiver constituting a time division duplex antenna device according to another embodiment of the present invention.
  • receiving antenna 123 low noise amplifier
  • AD converter 127 signal processor
  • controller 140 butler matrix
  • ' ⁇ unit' eg, signal processing unit, etc.
  • ' ⁇ group' eg, controller, signal processor, etc.
  • the functions provided by' ⁇ unit' and' ⁇ group' may be performed separately by a plurality of elements, or may be integrated with other additional elements.
  • The' ⁇ unit' and' ⁇ group' in the present specification are not necessarily limited to software or hardware, and may be configured to be in an addressable storage medium, or may be configured to reproduce one or more processors.
  • a transmitter and a receiver do not overlap each other. It is configured to transmit and receive a downlink signal and an uplink signal in a time division duplex (TDD) method through paths.
  • the transmitter and the receiver are composed of separate and separate circuits, and are configured not to share a filter for frequency filtering.
  • the receiver may not include at least one of a cable, a filter, and a transmission/reception switching switch (TDD switch) between the low noise amplifier and the reception antenna, and thus, a distance between the reception antenna and the low noise amplifier may be minimized, thereby reducing signal loss. Accordingly, it is possible to minimize the noise figure (NF) of the time-division duplex antenna device and extend the uplink coverage of the time-division duplex antenna device.
  • TDD switch transmission/reception switching switch
  • LNA low noise amplifier
  • 'NF' noise figure
  • SNR signal to noise ratio
  • the level of the input signal needs to be increased.
  • the battery consumption of the terminal generating the input signal increases, or the cell coverage of the base station decreases, resulting in a problem that the number of base stations must be increased.
  • radio wave attenuation is severe, and in particular, cell coverage of uplink is reduced.
  • a single transmit/receive antenna is connected to a filter, and at this time, a transmitting power amplifier (PA) and a receiving-side low noise amplifier (LNA) are respectively connected to the filter, so that a signal received through the antenna is It is a structure that is filtered by a filter and then transferred to a low noise amplifier.
  • PA transmitting power amplifier
  • LNA receiving-side low noise amplifier
  • NF The biggest factor affecting NF is loss, and the loss in front of the low-noise amplifier deteriorates NF as it is.
  • the NF of the system is greatly improved when the NF at the front of the receiver is small and the gain is large.
  • losses occur in filters, cables, and transmission/reception switching switches (TDD switches) in the process from the antenna to the low-noise amplifier, and this loss causes the NF of the entire system to deteriorate. Occurs. Therefore, at the receiving end, it is required to minimize the loss from the antenna input to the front end of the low noise amplifier.
  • TDD switches transmission/reception switching switches
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing a structure of a transmitter/receiver of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • the time division duplex antenna apparatus 100 includes a transmitter 110, a receiver 120, and a controller 130 that controls the transmitter 110 and the receiver 120 in a time division duplex method. .
  • the transmitter 110 includes at least one transmit antenna module.
  • the receiver 120 includes at least one receiving antenna module.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 are each composed of one transmitting antenna module 110a and one receiving antenna module 120a, but the transmitter 110 and/or the receiver ( 120) may be composed of a plurality of transmit antenna modules and/or a plurality of transmit antenna modules.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 may be implemented as separate circuits separated from each other.
  • the meaning that the transmitter 110 and the receiver 120 are'separated' is not limitedly interpreted as being separated in a form in which the two circuits do not have a physical coupling relationship with each other, and the transmitter 110 and the receiver 120 Means that they do not share a common signal transmission line (cable) with each other.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 may be configured to transmit and receive downlink signals and uplink signals through different paths P1 and P2 separated from each other in a time division duplex manner.
  • the transmitter 110 may transmit a downlink signal through the first path P1.
  • the receiver 120 may receive an uplink signal through the second path P2.
  • the receiver 120 receives the uplink signal through the second path P2 separated from the first path P1 without overlapping the first path P1 through which the downlink signal is transmitted from the transmitter 110. I can.
  • the transmit antenna module 110a may include a power amplifier 112, a transmit filter 114, and at least one transmit antenna 115.
  • the power amplifier 112 is provided on the first path P1 and may amplify the power of the transmission signal to a predetermined level or higher in order to transmit the downlink signal.
  • the power amplifier 112 may be, for example, a linear power amplifier (LPA), a high power amplifier (HPA), etc., but is not limited thereto, and any one capable of amplifying the power of a transmission signal is not limited. All can be used.
  • LPA linear power amplifier
  • HPA high power amplifier
  • the operation of the power amplifier 112 may be controlled by the controller 130 according to a downlink transmission mode or an uplink reception mode.
  • the power amplifier 112 is stopped (stopped) while receiving an uplink signal by the receiver 120, and can be operated only while transmitting a downlink signal by the transmitter 110.
  • Stopping the operation of the power amplifier 112 may prevent, for example, from applying an operating voltage to active elements (eg, transistors) provided in the power amplifier 112, or applying a voltage to stop the operation of the active elements. It can be implemented in such a way as to do so.
  • active elements eg, transistors
  • the power amplifier 112 may be operated by applying an operating voltage to active elements (eg, transistors) provided in the power amplifier 112.
  • active elements eg, transistors
  • the operation or shutdown of the power amplifier 112 is not limited to this illustrated method.
  • the transmission signal amplified by the power amplifier 112 may be input to the transmission filter 114.
  • the transmission filter 114 is provided on the first path P1 and may filter the frequency of the transmission signal amplified by the power amplifier 112 using an internal resonator (not shown).
  • a downlink signal may be generated by filtering a signal of a predetermined frequency band by the transmission filter 114.
  • the transmission filter 114 may be provided as a band pass filter, a band stop filter, a low pass filter, a high pass filter, etc. according to the set downlink frequency, but is not limited thereto.
  • the downlink signal generated by filtering by the transmission filter 114 may be input to the transmission antenna 115.
  • the transmission antenna 115 is provided on the first path P1 and may transmit a downlink signal generated by filtering by the transmission filter 114 to the outside.
  • the transmission antenna 115 may be provided as a dipole antenna, a mono pole antenna, etc., but is not limited thereto, and various directional or omnidirectional antennas capable of transmitting a downlink signal may be used. I can.
  • the dipole antenna refers to an antenna that emits or receives radio waves by installing two straight conductors side by side
  • the monopole antenna refers to an antenna that operates as half of the dipole antenna.
  • a directional antenna refers to an antenna that radiates or radiates a signal in a specific direction or receives a signal in a specific direction.
  • An omni-directional antenna refers to an antenna that exhibits an omni-directional radiation pattern on a single plane without a specific direction.
  • the reception antenna module 120a may include at least one reception antenna 122, a low noise amplifier 123, and a reception filter 124.
  • the receiving antenna 122 is provided on the second path P2 and may receive an uplink signal.
  • the receiving antenna 122 may be provided as a dipole antenna, a mono pole antenna, etc., but is not limited thereto, and all directional or omnidirectional antennas capable of receiving an uplink signal may be used. I can.
  • the uplink signal received by the receiving antenna 122 may be input to the low noise amplifier 123.
  • the low noise amplifier 123 is provided on the second path P2 and may low noise amplify the uplink signal received by the reception antenna 122.
  • the low-noise amplifier 123 may be, for example, an Esaki diode amplifier, a parametric amplifier, or a major amplifier, but is not particularly limited and can be used as long as it can amplify the received signal with low noise. Do.
  • the low noise amplifier 123 may be directly connected to the output terminal of the receiving antenna 122.
  • the low noise amplifier 123 may be connected to the output terminal of the receiving antenna 122 through a signal line such as a cable.
  • Components such as filters excluding the transmission/reception switching switch (TDD switch) may be additionally connected between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123.
  • a component such as a filter connected between the receiving antenna 122 and the low noise amplifier 123 may be a component having a size smaller than that of the transmission filter 114 of the transmitter 110.
  • the size of the transmission filter 114 used for the transmission line for strict control of the transmission signal is large, but the present invention Since the time division duplex antenna device according to the embodiment of the present invention uses a transmission line and a reception line separately, there is no need to use a large size filter such as the transmission filter 114 between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123. .
  • the filter applied between the low-noise amplifier 123 is small, it is possible to reduce the loss of a received signal input from the receiving end to the low-noise amplifier 123.
  • the operation of the low noise amplifier 123 may be controlled by the controller 130 according to a downlink transmission mode or an uplink reception mode.
  • the low-noise amplifier 123 stops (stops) an operation while transmitting a downlink signal by the transmitter 110 and may operate only while receiving an uplink signal by the receiver 120.
  • Stopping the operation of the low-noise amplifier 123 may prevent, for example, from applying an operating voltage to the active elements (eg, transistors) provided in the low-noise amplifier 123, or applying a voltage to stop the operation of the active elements. It can be implemented in such a way as to do so.
  • the active elements eg, transistors
  • the low noise amplifier 123 may be operated by applying an operating voltage to active elements (eg, transistors) provided in the low noise amplifier 123.
  • active elements eg, transistors
  • the operation or interruption of operation of the low noise amplifier 123 is not limited to this illustrated method.
  • the uplink signal low noise amplified by the low noise amplifier 123 may be input to the reception filter 124.
  • the reception filter 124 is provided on the second path P2 and may filter the frequency of the uplink signal low noise amplified by the low noise amplifier 123 using an internal resonator (not shown).
  • the reception filter 124 may be provided as a band pass filter, a band stop filter, a low pass filter, a high pass filter, etc. according to a set uplink frequency, but is not limited thereto.
  • the low noise amplifier 123 may be disposed between the reception antenna 122 and the reception filter 124 along the second path P2 through which an uplink signal is received.
  • a conventional transmission/reception switch (TDD switch) may not be provided in the second path P2 of the receiver 120.
  • a filter or a transmission/reception switching switch is arranged between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123.
  • the low noise amplifier 123 can be disposed at a close distance to the reception antenna 122, the distance between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123 along the second path P2 can be minimized.
  • the distance between the receiving antenna 122 along the second path P2 and the low noise amplifier 123 may be provided shorter than the distance between the transmitting antenna 115 and the power amplifier 12 along the first path P1. I can.
  • a distance between the reception antenna 122 of the receiver 120 and the low noise amplifier 123 may be provided shorter than the distance between the transmission antenna 115 of the transmitter 110 and the transmission filter 114.
  • the distance between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123 may be zero.
  • the received signal input to the low noise amplifier 123 may maintain the original signal as it is or may include only a minimum amount of noise.
  • signal loss from the reception antenna 122 to the front end of the low-noise amplifier 123 is minimized, and accordingly, the noise figure (NF) of the system as a whole is improved, thereby improving the antenna performance.
  • NF noise figure
  • the controller 130 may process an internal signal and transmit it to the outside through the transmitter 110. In addition, the controller 130 may process a signal received through the receiver 120 and transmit predetermined information included in the received signal to a device connected to the antenna device. The controller 130 may control the operation of the power amplifier 112 of the transmitter 110 and the low noise amplifier 123 of the receiver 120 according to whether a downlink signal is transmitted or an uplink signal is received.
  • the controller 130 may operate the power amplifier 112 of the transmitter 110 and stop the operation of the low-noise amplifier 123 of the receiver 120 when transmitting a downlink signal. In addition, the controller 130 may stop the operation of the power amplifier 112 of the transmitter 110 and operate the low noise amplifier 123 of the receiver 120 when receiving an uplink signal.
  • the receiver 120 may include a receiving antenna module 121 and a signal processing unit 125.
  • the reception antenna module 121 may include at least one reception antenna 122, a low noise amplifier 123, and a reception filter 124.
  • At least one reception antenna 122 may receive an external signal and output it to the low noise amplifier 123 of the reception antenna module 121.
  • the receiving antenna 122 may be implemented as, for example, a patch antenna.
  • the low noise amplifier 123 may be disposed to correspond to each receiving antenna 122. Each low-noise amplifier 123 may be connected to an output terminal of a corresponding receiving antenna 122 to amplify a received signal output from the corresponding receiving antenna 122.
  • the received signal input to the low noise amplifier 123 may maintain the original signal as it is or may include only minimal noise.
  • Each low noise amplifier 123 may amplify a received signal input from a corresponding receiving antenna 122 and output it to the receiving filter 124.
  • the reception filter 124 may filter the received signal amplified by the low noise amplifier 123 into a reception frequency band and transmit it to the signal processing unit 125.
  • the signal processing unit 125 may be connected to the receiving antenna module 121 by a cable.
  • the signal processing unit 125 may include an analog to digital (AD) converter 126 and a signal processor 127.
  • AD analog to digital
  • the AD converter 126 may convert the input analog-type reception signal into a digital signal.
  • the AD converter 126 may transfer the converted digital signal to the signal processor 127.
  • the signal processor 127 may correspond to a field programmable gate array (FPGA). Of course, any other circuit structure that processes signals from the antenna receiver may be applicable.
  • the signal processor 127 may output the digital signal converted by the AD converter 126 to the controller 130.
  • 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of a time division duplex antenna device according to an embodiment of the present invention. 2 to 4, 5A and 5B, the controller 130 operates the power amplifier 112 of the transmitter 110 when transmitting the downlink signal (S1), and the low noise amplifier of the receiver 120 You can stop the operation of (123). The controller 130 may stop the operation of the power amplifier 112 of the transmitter 110 and operate the low noise amplifier 123 of the receiver 120 when receiving the uplink signal (S2).
  • the controller 130 recognizes whether the signal is a transmission signal or a reception signal according to the size of a signal (eg, 0 ⁇ 3.3V) sent from the operator, and when a signal of the size of the transmission signal is input, the transmitter 110 ), and when a signal having a received signal level is input, the parts corresponding to the receiver 120 may be operated.
  • a signal eg, 0 ⁇ 3.3V
  • the controller 130 synchronizes the control commands of the power amplifier 112 and the low-noise amplifier 123 at the time of mode switching between downlink transmission and uplink reception, as shown in FIG. 5A, and the power amplifier 112 ) And the operation of the low noise amplifier 123 can be switched at the same time.
  • the controller 130 is the power amplifier 112 and the low-noise amplifier so that the operation switching of the power amplifier 112 and the low-noise amplifier 123 is performed at different times, as shown in FIG. 123) can also control the timing of the control command.
  • the controller 130 receives the uplink from the downlink transmission (S1) in order to minimize the interference phenomenon that the downlink signal transmitted from the transmitter 110 is reflected by various surrounding environments and introduced into the receiver 120.
  • S2 the mode is switched to (S2), after stopping the operation of the power amplifier 112, the low noise amplifier 123 may be operated after a set time ⁇ T has elapsed from the time when the operation of the power amplifier 112 is stopped.
  • the set time ( ⁇ T) for determining the time difference between the operation stop time of the power amplifier 112 and the operation start time of the low noise amplifier 123 is, for example, the interference signal generated by the downlink signal flowing into the receiver 120 It may be calculated from a time when it falls below a preset reference interference level.
  • the controller 130 variously changes the time interval between the power amplifier 112 stopping the operation and the low noise amplifier 123 starting the operation, and the interference level between the transmitted signal and the received signal in the receiver 120 /Or the noise figure of the received signal is measured, and the set time from the time when the interference level between the transmitted signal and the received signal in the receiver 120 becomes less than the reference interference level, or the time when the noise figure of the received signal becomes minimum ( ⁇ T) can also be calculated.
  • FIG. 6 is a block diagram of a time division duplex antenna device according to another embodiment of the present invention.
  • the time division duplex antenna apparatus 100 according to the embodiment shown in FIG. 6 is different from the above-described embodiment in that the receiver 120 further includes a filter 128 and a combiner 129.
  • the receiving antenna module of the receiver 120 may include a plurality of receiving antennas 122.
  • the plurality of receiving antennas 122 may constitute an array antenna.
  • the synthesizer 129 may be provided between the low noise amplifier 123 and the reception filter 124 along the second path P2 of the receiver 120.
  • the synthesizer 129 may synthesize a plurality of uplink signals received by the plurality of reception antennas 122.
  • the low noise amplifier 123 may be provided between each receiving antenna 122 and the synthesizer 129 along the second path P2.
  • the filter 128 may be provided between each receiving antenna 122 and the low noise amplifier 123 along the second path P2.
  • the filter 128 is, for example, the saturation of the low-noise amplifier 123 that may occur when a signal according to the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) out of band blocking standard is applied. ) Can be configured to prevent.
  • 3GPP 3rd Generation Partnership Project
  • the receiving filter 124 may be provided between the output terminal of the synthesizer 129 and the controller 130 along the second path P2.
  • the reception filter 124 may be configured to block an out of band signal from a reception signal synthesized and output from a plurality of uplink signals by the synthesizer 129.
  • the transmit antenna module of the transmitter 110 may include a plurality of transmit antennas 115.
  • the plurality of transmit antennas 115 may constitute an array antenna.
  • the divider 116 may distribute power of the downlink signal, distribute it to a plurality of transmission antennas 115, and output the power.
  • An isolator may be provided between the power amplifier 112 and the transmission filter 114.
  • a transmission/reception switching switch (TDD switch) is not disposed between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123. Accordingly, since the low noise amplifier 123 can be disposed at a close distance to the reception antenna 122, the distance between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123 along the second path P2 can be minimized.
  • the distance between the receiving antenna 122 along the second path P2 and the low noise amplifier 123 may be provided shorter than the distance between the transmitting antenna 115 and the power amplifier 112 along the first path P1. I can. Accordingly, signal loss from the reception antenna 122 to the front end of the low noise amplifier 123 is minimized, and accordingly, a noise figure (NF) of the system as a whole is improved, and antenna performance may be improved.
  • NF noise figure
  • the transmission filter 114 of the transmitter 110 should be designed with a large size in order to filter a transmission signal of relatively high power, but the filter 128 provided between the reception antenna 122 and the low noise amplifier 123 is a transmitter ( It can be designed to have a smaller size than the transmission filter 114 used in 110). Accordingly, in the embodiment of FIG. 6, the distance between the low noise amplifier 123 of the receiver 120 and the reception antenna 122 may be designed to be shorter than the distance between the transmit antenna 115 and the power amplifier 112 of the transmitter 110. .
  • a filter 128 is added in front of the low-noise amplifier 123 of the receiver 120 to reduce the noise figure in front of the low-noise amplifier 123.
  • a reception filter 124 is added between the rear end of the low noise amplifier 123 and the front end of the controller 130 to reduce the noise figure of the synthesized uplink signal after being amplified by a plurality of low noise amplifiers 123 And it is possible to protect the digital stage of the controller 130 from noise. Accordingly, it is possible to effectively reduce both the noise index of the front/rear stage of the low noise amplifier 123 and the noise index of the digital stage of the controller 130 by the two-stage filter composed of the filter 128 and the reception filter 124.
  • the reception line can use a filter of a required size in consideration of the noise figure of the reception signal (uplink signal). The benefits that can be reduced are provided.
  • the receiver 120 includes a plurality of reception antenna modules 120a and 120b, and further includes a Butler Matrix 140 , There is a difference from the above-described embodiments.
  • the Butler matrix 140 is used to distribute one input signal to N signals or to combine N input signals into one output terminal.
  • the Butler matrix uses a microstrip line, a strip line, a coaxial line, a wave guide, or the like, depending on the size of a transmitted signal.
  • the Butler matrix 140 may be provided between the plurality of receiving antenna modules 120a and 120b and the controller 130 along the second path P2.
  • the Butler matrix 140 may include a hybrid coupler and a phase shifter.
  • the Butler matrix 140 has a structure in which beamforming is possible using a plurality of hybrid couplers, and when one port is selected by a switch positioned at the front end, one antenna radiation pattern corresponding thereto is determined.
  • the Butler matrix 140 may be of various types such as a 2 ⁇ 2 matrix, a 4 ⁇ 4 matrix, and an 8 ⁇ 8 matrix.
  • the low noise amplifier may be directly connected to the output terminal of the reception antenna without connecting a cable between the reception antenna and the low noise amplifier.
  • the noise figure (NF) of the received signal input to the low-noise amplifier is 1.6dB, which reduces the noise figure of the received signal by 4dB compared to the conventional time division duplex antenna device, and accordingly, the gain of the receive antenna is 1.5dB. It can be improved.
  • an effect of improving uplink coverage of about 1.68 times in distance and 2.82 times in area can be obtained.
  • the embodiments described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component.
  • some of the devices, methods, and components described in the embodiments e.g., signal processing unit, signal processor, controller, etc.
  • processor, controller Arithmetic Logic Unit (ALU)
  • ALU Arithmetic Logic Unit
  • digital signal One or more general-purpose computers such as a digital signal processor (Digital Signal Processor), microcomputer, Field Programmable Gate Array (FPGA), Programmable Logic Unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. Or it can be implemented using a special purpose computer.
  • the processing device may execute an operating system and one or more software applications executed on the operating system.
  • the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software.
  • a processing device that includes a plurality of processing elements and/or multiple types of processing elements. It will be understood that it can include.
  • the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller.
  • other Processing configurations are possible, such as a Parallel Processor.
  • Software may include a computer program, code, instruction, or a combination of one or more of them, and configure the processing unit to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device.
  • Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodyed in a transmitted signal wave.
  • the software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.
  • the low noise amplifier may be directly connected to the output terminal of the reception antenna without connecting a cable between the reception antenna and the low noise amplifier.
  • the noise figure (NF) of the received signal input to the low-noise amplifier is 1.6dB, which reduces the noise figure of the received signal by 4dB compared to the conventional time division duplex antenna device, and accordingly, the gain of the receive antenna is 1.5dB. It can be improved.
  • an effect of improving uplink coverage of about 1.68 times in distance and 2.82 times in area can be obtained.

Abstract

본 발명은 안테나 장치의 송신기와 수신기 회로를 분리하고, 수신기 회로의 저잡음 증폭기(LNA)를 수신기의 수신 안테나와 수신 필터 사이에 배치함으로써, 신호 손실을 감소시키고 그에 따라 시스템의 잡음지수(Noise Figure, NF)를 최소화하고 시스템의 상향링크 커버리지(coverage)를 확장할 수 있는 시분할 듀플렉스(Time-Division Duplex, TDD) 안테나 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치는 적어도 하나의 송신 안테나 모듈을 포함하고, 제1 경로를 통해 하향링크 신호를 송신하는 송신기; 적어도 하나의 수신 안테나 모듈을 포함하고, 상기 제1 경로와 중첩되는 부분 없이 상기 제1 경로로부터 분리된 제2 경로를 통해 상향링크 신호를 수신하는 수신기; 및 상기 송신기와 상기 수신기를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

시분할 듀플렉스 안테나 장치
본 발명은 시분할 듀플렉스 안테나 장치(Time-division duplex antenna apparatus)에 관한 것으로, 특히 안테나 장치의 송신기와 수신기 회로를 분리하고, 수신기 회로의 저잡음 증폭기(Low noise Amplifier, LNA)를 수신기의 수신 안테나와 수신 필터 사이에 배치함으로써, 신호 손실을 감소시키고 그에 따라 잡음지수(Noise Figure, NF)를 최소화하고 시스템의 상향링크 커버리지를 확장하는 시분할 듀플렉스 안테나 장치에 관한 것이다.
종래 안테나 장치의 수신기 구조는 크게, 수신 안테나와 필터를 포함하는 신호 수신단과, 저잡음 증폭기(Low noise Amplifier, LNA), AD 컨버터, 및 디지털 신호 처리기(FPGA) 등을 포함하는 신호 처리단으로 구성된다. 가령, 안테나와 연결되어 송수신 무선 신호의 처리를 수행하는 RRH(Remote Radio Head) 등이 대표적인 신호 처리단이라 할 수 있다.
통상적으로, 신호 수신단과 신호 처리단은 케이블로 연결되고, 신호 수신단은 수신 안테나를 통해 수신되어 필터링된 수신 신호를 케이블을 통해 신호 처리단으로 전송하고, 신호 처리단은 케이블을 통해 입력된 수신 신호를 디지털 신호로 변환한 후에 디지털 신호를 처리하여 안테나 제어기로 전달한다.
한편, 하나의 전송선이나 안테나를 이용하여 송수신 신호를 함께 공유하는 방법으로 주파수분할 듀플렉스(frequency-division duplex, FDD) 방식과 시분할 듀플렉스(Time-division duplex, TDD) 방식이 이용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면으로, 도 1의 (a)에는 주파수 분할 듀플렉스(FDD) 방식 안테나 장치의 구성이 나타나 있다. 도 1의 (a)를 참조하면, FDD 방식 안테나 장치(10)는 단말기인 이동국과 기지국이 신호를 송수신할 때, 신호 송신을 위한 송신측 필터(Tx Filter)(15)와 신호 수신을 위한 수신측 필터(Rx Filter)(12)를 통해 서로 다른 주파수를 사용함으로써 송신 채널과 수신 채널을 분리하여 통신한다.
이를 위해, FDD 방식 안테나 장치(10)는 송신측의 파워 증폭기(Power Amplifier, PA)(14)가 송신측 필터(15)와 연결되고, 수신측의 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(13)는 수신측 필터(12)와 연결되고, 송신측 필터(15) 및 수신측 필터(12)는 단일의 송수신 안테나(11)와 연결되는 구조를 갖는다. FDD 방식 안테나 장치(10)의 경우, 송수신 안테나를 통해 수신된 수신 신호가 케이블을 통해 신호 처리단으로 전달되는 과정에서 신호 손실(Signal Loss)이 증가하게 된다. 구체적으로, 안테나를 통해 들어오는 신호는 열잡음(thermal noise)과 함께, 케이블을 따라 진행해오면서 케이블 선로의 손실만큼 신호 전력도 줄어들게 되며, 이러한 손실은 케이블의 길이가 길어질수록 증가하게 되고, 그에 따라 잡음지수(Noise Figure, NF)를 악화시키고 시스템의 상향링크 커버리지(coverage) 확장을 제한하게 된다.
도 1의 (b)에는 시분할 듀플렉스(TDD) 방식 안테나 장치(20)의 구성이 나타나 있다. 도 1의 (b)를 참조하면, TDD 방식 안테나 장치(20)는 이동국과 기지국이 신호를 송수신할 때 하나의 필터(Filter)(22)를 통해 동일한 주파수를 사용하되, 그 사용시간을 달리하여 송신 신호와 수신 신호를 분리한다. TDD 방식 안테나 장치(20)는 송신측의 파워 증폭기(Power Amplifier, PA)(25)와, 수신측의 저잡음 증폭기(Low noise Amplifier, LNA)(24)가 스위치(Switch)(23)에 각각 연결되고, 이때 스위치(23)는 송신측의 파워 증폭기(PA)(25) 또는 수신측의 저잡음 증폭기(LNA)(24)를 송수신 안테나(21)와 연결된 필터(22)와 연결하는 구조를 갖는다.
TDD 방식 안테나 장치(20)의 경우, 송수신 안테나(21)를 통해 수신된 수신 신호가 케이블을 통해 신호 처리단으로 전달되는 과정뿐 아니라, 송수신 전환 스위치(TDD 스위치)에서도 신호 손실이 발생하게 되고, 그에 따라 잡음지수(Noise Figure, NF)가 악화되고 시스템의 상향링크 커버리지(coverage) 확장이 제한되는 문제가 있다. 이와 같이, 잡음지수 악화 및 상향링크 커버리지 확장 제한으로 인한 안테나 장치의 성능 저하를 방지하기 위해 신호 손실(signal loss)을 최소화하기 위한 노력이 필요하다.
이동통신에서의 기지국 커버리지는 특히 상향링크의 수신 성능이 제한 요소로 작용하기 때문에, 상향링크를 기준으로 망 설계를 할 필요가 있다. 상향링크의 수신 성능에 영향을 주는 주요 요소는 안테나부터 저잡음 증폭기(LNA)까지의 신호 손실이다. 5G 시스템과 같이 사용하는 주파수가 올라 갈수록 전파 특성상 자유공간전파손실이 증가하게 되고, 이로 인해 상향링크의 기지국 커버리지가 급격하게 줄어들게 된다.
본 발명의 목적은, 시분할 듀플렉스(Time-Division Duplex, TDD) 방식의 안테나 장치의 송신기와 수신기 회로를 분리하고, 수신기 회로의 저잡음 증폭기(LNA)를 수신기의 수신 안테나와 수신 필터 사이에 배치함으로써, 신호 손실을 감소시키고 그에 따라 시스템의 잡음지수(Noise Figure, NF)를 최소화하고 시스템의 상향링크 커버리지(coverage)를 확장할 수 있는 시분할 듀플렉스(TDD) 안테나 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치는, 시분할 듀플렉스(Time-division duplex, TDD) 방식으로 하향링크와 상향링크를 송수신하는 시분할 듀플렉스 안테나 장치에 있어서, 적어도 하나의 송신 안테나 모듈을 포함하고, 제1 경로를 통해 하향링크 신호를 송신하는 송신기; 적어도 하나의 수신 안테나 모듈을 포함하고, 상기 제1 경로와 중첩되는 부분 없이 상기 제1 경로로부터 분리된 제2 경로를 통해 상향링크 신호를 수신하는 수신기; 및 상기 송신기와 상기 수신기를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 송신 안테나 모듈은, 상기 제1 경로 상에 마련되고, 송신 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기; 상기 제1 경로 상에 마련되고, 상기 전력 증폭기에 의해 증폭된 송신 신호의 주파수를 필터링하여 상기 하향링크 신호를 생성하는 송신 필터; 및 상기 제1 경로 상에 마련되고, 상기 송신 필터에 의해 필터링되어 생성된 상기 하향링크 신호를 송신하는 적어도 하나의 송신 안테나를 포함할 수 있다.
상기 수신 안테나 모듈은, 상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 상향링크 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신 안테나; 상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 수신 안테나에 의해 수신된 상기 상향링크 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기; 및 상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 저잡음 증폭기에 의해 저잡음 증폭된 상기 상향링크 신호의 주파수를 필터링하는 수신 필터를 포함할 수 있다. 상기 저잡음 증폭기는, 상기 상향링크 신호가 수신되는 상기 제2 경로를 따라 상기 수신 안테나와 상기 수신 필터 사이에 배치될 수 있다.
상기 제2 경로를 따르는 상기 수신 안테나와 상기 저잡음 증폭기 간의 거리는, 상기 제1 경로를 따르는 상기 송신 안테나와 상기 전력 증폭기 간의 거리보다 짧을 수 있다.
상기 수신 안테나 모듈은 상기 수신 안테나를 복수개 포함할 수 있다. 상기 수신 안테나 모듈은, 상기 제2 경로를 따라 상기 저잡음 증폭기와 상기 수신 필터 사이에 마련되고, 복수개의 수신 안테나에 의해 수신된 복수개의 상향링크 신호를 합성하는 합성기를 더 포함할 수 있다. 상기 저잡음 증폭기는, 상기 제2 경로를 따라 상기 복수개의 수신 안테나의 각 수신 안테나와 상기 합성기 사이에 마련될 수 있다.
상기 수신 안테나 모듈은, 상기 제2 경로를 따라 상기 각 수신 안테나와 상기 저잡음 증폭기 사이에 마련되고, 상기 저잡음 증폭기의 포화를 방지하도록 구성되는 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 수신 필터는, 상기 제2 경로를 따라 상기 합성기의 출력단과 상기 제어기 사이에 마련되고, 상기 합성기에 의해 상기 복수개의 상향링크 신호로부터 합성되어 출력되는 수신 신호에서 아웃 오브 밴드(Out of band) 신호를 차단하도록 구성될 수 있다.
상기 수신기는 상기 수신 안테나 모듈을 복수개 포함할 수 있다. 상기 수신기는, 상기 제2 경로를 따라 복수개의 수신 안테나 모듈과 상기 제어기 사이에 마련되고, 상기 복수개의 수신 안테나 모듈에 의해 생성된 복수개의 수신신호를 결합하여 멀티 빔을 형성하는 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)를 더 포함할 수 있다.
상기 수신기는, 상기 제2 경로 상에 상기 송신기와 상기 수신기를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하기 위한 송수신 전환 스위치를 구비하지 않을 수 있다. 상기 수신기는 상기 송신기와 분리된 별도의 회로로 구성될 수 있다. 상기 제어기는, 하향링크 신호 송신시 상기 전력 증폭기를 동작시키고, 상기 저잡음 증폭기의 동작을 중단시키고; 상향링크 신호 수신시 상기 전력 증폭기의 동작을 중단시키고, 상기 저잡음 증폭기를 동작시키도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 저잡음 증폭기는 상기 수신 안테나의 출력단에 직접 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 시분할 듀플렉스 방식의 안테나 장치의 송신기와 수신기 회로를 분리하고, 수신기 회로의 저잡음 증폭기(LNA)를 수신기의 수신 안테나와 수신 필터 사이에 배치함으로써, 신호 손실을 감소시키고 그에 따라 시스템의 잡음지수(Noise Figure, NF)를 최소화하여 안테나 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 시스템 잡음지수의 최소화로 인해 안테나 이득이 증가하여 특히 상향링크의 셀 커버리지(coverage)가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 송/수신기 구조를 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치를 구성하는 수신기의 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치를 구성하는 수신기의 구성도이다.
<부호의 설명>
100: 시분할 듀플렉스 안테나 장치 110: 송신기
110a: 송신 안테나 모듈 112: 전력 증폭기
113: 격리기 114: 송신 필터
115: 송신 안테나 116: 분배기
120: 수신기 120a, 120b, 121: 수신 안테나 모듈
122: 수신 안테나 123: 저잡음 증폭기
124: 수신 필터 125: 신호 처리부
126: AD 컨버터 127: 신호 처리기
128: 필터 129: 합성기
130: 제어기 140: 버틀러 매트릭스
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 '~부'(예를 들어, 신호 처리부 등), '~기'(예를 들어, 제어기, 신호 처리기 등)는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. '~부', '~기'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소에 의해 분리되어 수행되거나, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다. 본 명세서의 '~부', '~기'는 반드시 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되지 않으며, 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치는, 시분할 듀플렉스(Time-division duplex, TDD) 방식으로 하향링크 신호와 상향링크 신호를 송수신하는 시분할 듀플렉스 안테나 장치에 있어서, 송신기와 수신기가 서로 중첩되지 않는 경로들을 통해 시분할 듀플렉스(TDD) 방식으로 하향링크 신호 및 상향링크 신호의 송수신을 수행하도록 구성된다. 송신기와 수신기는 독립된 별개의 회로로 이루어지고, 주파수 필터링을 위한 필터를 공유하지 않도록 구성된다.
수신기는 저잡음 증폭기와 수신 안테나 사이에 케이블과 필터 및 송수신 전환 스위치(TDD 스위치) 중 적어도 하나가 구비되지 않을 수 있으며, 이로 인해 수신 안테나와 저잡음 증폭기 간의 거리를 최소화하여 신호 손실을 줄일 수 있다. 그에 따라 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 잡음지수(Noise Figure, NF)를 최소화하고 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 상향링크 커버리지(coverage)를 확장할 수 있다.
시분할 듀플렉스 방식의 안테나 장치에서 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)의 중요한 특성은 잡음지수(이하 'NF'라 함)이다. 잡음지수는 입력과 출력간 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)의 비로 나타나며, 저잡음 증폭기의 NF가 크면 저잡음 증폭기에서 발생하는 노이즈가 커서 작은 레벨의 신호가 노이즈에 묻히게 되는 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해 입력 신호의 레벨이 커져야 하는데, 이 경우 입력 신호를 발생시키는 단말의 배터리 소모가 커지거나, 기지국의 셀 커버리지가 줄어들게 되어 기지국의 수를 증가시켜야 하는 문제가 발생한다. 특히, 기존 주파수보다 높은 3.5 GHz를 사용하는 5G 환경에서는 전파 감쇄가 심해지고 특히 상향링크의 셀 커버리지가 줄어드는 문제가 발생한다.
도 1에 도시된 종래의 안테나 구조는 단일의 송수신 안테나가 필터와 연결되고, 이때 필터에 송신측 전력 증폭기(PA)와 수신측 저잡음 증폭기(LNA)가 각각 연결되어, 안테나를 통해 수신된 신호가 필터에 의해 필터링 된 후에 저잡음 증폭기로 전달되는 구조이다.
NF에 영향을 주는 가장 큰 인자는 손실(Loss)이며, 저잡음 증폭기 앞 단에서 손실은 그대로 NF를 악화시키게 된다. 또한, 시스템 전체의 NF를 결정짓는 가장 중요한 부분은 수신부 맨 앞부분의 NF 값이므로, 수신부 앞 부분에서의 NF가 작고 이득이 큰 경우 시스템의 NF가 크게 개선된다.
도 1에 도시된 종래의 안테나 구조에 따르면, 안테나로부터 저잡음 증폭기에 이르는 과정에서 필터, 케이블, 송수신 전환스위치(TDD 스위치)에서 손실이 발생하고, 이 손실로 인해 시스템 전체의 NF가 악화되는 문제가 발생한다. 따라서, 수신단에서는 안테나 입력에서부터 저잡음 증폭기 앞 단까지 손실을 최소화하는 것이 요구된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 송/수신기 구조를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 시분할 듀플렉스 안테나 장치(100)는 송신기(110), 수신기(120) 및 송신기(110)와 수신기(120)를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하는 제어기(130)를 포함한다.
송신기(110)는 적어도 하나의 송신 안테나 모듈을 포함한다. 수신기(120)는 적어도 하나의 수신 안테나 모듈을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서는 송신기(110)와 수신기(120)가 각각 하나의 송신 안테나 모듈(110a)과 하나의 수신 안테나 모듈(120a)로 구성되어 있으나, 송신기(110) 및/또는 수신기(120)는 복수개의 송신 안테나 모듈 및/또는 복수개의 송신 안테나 모듈로 구성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치(100)는 송신기(110)와 수신기(120)가 서로 분리된 별도의 회로로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 송신기(110)와 수신기(120)가 '분리'된다는 의미는 두 회로가 서로 물리적인 결합 관계를 가지지 않는 형태로 분리된 것으로 제한적으로 해석되지 않으며, 송신기(110)와 수신기(120)가 상호 간에 공통의 신호전달 라인(케이블)을 공유하지 않는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 송신기(110)와 수신기(120)가 서로 분리된 상이한 경로(P1, P2)를 통해 하향링크 신호 및 상향링크 신호를 시분할 듀플렉스 방식으로 송수신하도록 구성될 수 있다.
송신기(110)는 제1 경로(P1)를 통해 하향링크 신호를 송신할 수 있다. 수신기(120)는 제2 경로(P2)를 통해 상향링크 신호를 수신할 수 있다. 수신기(120)는 송신기(110)에서 하향링크 신호가 송신되는 제1 경로(P1)와 중첩되는 부분 없이 제1 경로(P1)로부터 분리된 제2 경로(P2)를 통해 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
송신 안테나 모듈(110a)은 전력 증폭기(112)와, 송신 필터(114) 및 적어도 하나의 송신 안테나(115)를 포함할 수 있다. 전력 증폭기(112)는 제1 경로(P1) 상에 마련되고, 하향링크 신호를 송신하기 위해 송신 신호의 전력을 일정 레벨 이상으로 증폭할 수 있다.
전력 증폭기(112)는 선형 전력 증폭기(Linear Power Amplifier, LPA), 고전력 증폭기(High Power Amplifier, HPA) 등을 예로 들 수 있으나, 이에 제한되지 않고 송신 신호의 전력을 증폭할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 모두 사용 가능하다.
전력 증폭기(112)는 하향링크 송신 모드 혹은 상향링크 수신 모드에 따라 제어기(130)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 전력 증폭기(112)는 수신기(120)에 의해 상향링크 신호를 수신하는 동안에는 동작이 중단(정지)되고, 송신기(110)에 의해 하향링크 신호를 송신하는 동안에만 작동될 수 있다.
전력 증폭기(112)의 작동 중단은 예를 들어, 전력 증폭기(112)에 구비된 능동소자들(예컨대, 트랜지스터들)에 동작 전압이 인가되지 않게 하거나, 능동소자들의 동작을 중단하기 위한 전압을 인가하는 등의 방법으로 실행될 수 있다.
반대로, 전력 증폭기(112)에 구비된 능동소자들(예컨대, 트랜지스터들)에 동작 전압을 인가하는 등의 방법으로 전력 증폭기(112)를 동작시킬 수 있다. 그러나, 전력 증폭기(112)의 동작 또는 작동 중단이 이러한 예시된 방법으로 제한되는 것은 아니다.
전력 증폭기(112)에 의해 증폭된 송신 신호는 송신 필터(114)로 입력될 수 있다. 송신 필터(114)는 제1 경로(P1) 상에 마련되고, 전력 증폭기(112)에 의해 증폭된 송신 신호의 주파수를 내부 공진기(미도시)를 이용하여 필터링할 수 있다. 송신 필터(114)에 의해 소정 주파수 대역의 신호가 필터링됨으로써 하향링크 신호가 생성될 수 있다.
송신 필터(114)는 설정된 하향링크 주파수에 따라 대역 통과 필터, 대역 저지 필터, 저역 통과 필터, 고주파 통과 필터 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
송신 필터(114)에 의해 필터링되어 생성된 하향링크 신호는 송신 안테나(115)로 입력될 수 있다. 송신 안테나(115)는 제1 경로(P1) 상에 마련되고, 송신 필터(114)에 의해 필터링되어 생성된 하향링크 신호를 외부로 송신할 수 있다. 송신 안테나(115)는 다이폴(dipole) 안테나, 모노 폴(mono pole) 안테나 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 하향링크 신호를 송신할 수 있는 지향성 혹은 무지향성의 다양한 안테나가 모두 사용될 수 있다.
여기서, 다이 폴 안테나는 두 개의 직선으로 된 도체를 나란히 설치하고 전파를 발사하거나 수신하는 안테나를 말하며, 모노 폴 안테나는 다이 폴 안테나의 절반으로 동작하는 안테나를 말한다. 또한, 지향성 안테나는 특정한 방향으로 신호를 복사 또는 방사하거나 특정 방향의 신호를 수신하는 안테나를 말한다. 무지향성 안테나는 특정 방향이 없이 단일 평면상에서 전방향성의 방사 패턴을 보이는 안테나를 말한다.
수신 안테나 모듈(120a)은 적어도 하나의 수신 안테나(122)와, 저잡음 증폭기(123) 및 수신 필터(124)를 포함할 수 있다. 수신 안테나(122)는 제2 경로(P2) 상에 마련되고, 상향링크 신호를 수신할 수 있다. 수신 안테나(122)는 다이폴(dipole) 안테나, 모노 폴(mono pole) 안테나 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 상향링크 신호를 수신할 수 있는 지향성 혹은 무지향성의 다양한 안테나가 모두 사용될 수 있다.
수신 안테나(122)에 의해 수신된 상향링크 신호는 저잡음 증폭기(123)로 입력될 수 있다. 저잡음 증폭기(123)는 제2 경로(P2) 상에 마련되고, 수신 안테나(122)에 의해 수신된 상향링크 신호를 저잡음 증폭할 수 있다.
저잡음 증폭기(123)는 에사키 다이오드(Esaki diode) 증폭기, 파라메트릭(Parametric) 증폭기, 메이저(Maser) 증폭기 등을 예로 들 수 있으나, 수신 신호를 저잡음 증폭할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 모두 사용 가능하다.
실시예에서, 저잡음 증폭기(123)는 수신 안테나(122)의 출력단에 직접 연결될 수 있다. 또는, 저잡음 증폭기(123)는 수신 안테나(122)의 출력단에 케이블 등의 신호 라인을 통해 연결될 수도 있다.
수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에는 송수신 전환 스위치(TDD 스위치)를 제외한 필터 등의 부품이 추가로 연결될 수도 있다. 이 경우 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 연결되는 필터 등의 부품은 송신기(110)의 송신 필터(114) 보다 작은 크기를 가지는 부품일 수 있다.
송신기(110)의 송신 라인에서 출력되는 송신 신호의 전력은 수신 라인의 수신 신호의 전력 보다 크기 때문에 송신 신호의 엄격한 제어를 위해 송신 라인에 사용되는 송신 필터(114)의 사이즈가 크지만, 본 발명의 실시예에에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치는 송신 라인과 수신 라인을 별도로 사용하기 때문에 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 송신 필터(114)와 같은 큰 사이즈의 필터를 사용할 필요가 없다.
따라서, 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 필터가 구비되더라도, 수신 신호(상항링크 신호)의 잡음지수를 고려하여 필요한 사이즈의 작은 필터를 사용하는 것으로도 충분하므로, 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 적용되는 필터의 크기가 작아 수신단에서 저잡음 증폭기(123)로 입력되는 수신 신호의 손실을 줄일 수 있다.
저잡음 증폭기(123)는 하향링크 송신 모드 혹은 상향링크 수신 모드에 따라 제어기(130)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 저잡음 증폭기(123)는 송신기(110)에 의해 하향링크 신호를 송신하는 동안에는 동작이 중단(정지)되고, 수신기(120)에 의해 상향링크 신호를 수신하는 동안에만 작동될 수 있다.
저잡음 증폭기(123)의 작동 중단은 예를 들어, 저잡음 증폭기(123)에 구비된 능동소자들(예컨대, 트랜지스터들)에 동작 전압이 인가되지 않게 하거나, 능동소자들의 동작을 중단하기 위한 전압을 인가하는 등의 방법으로 실행될 수 있다.
반대로, 저잡음 증폭기(123)에 구비된 능동소자들(예컨대, 트랜지스터들)에 동작 전압을 인가하는 등의 방법으로 저잡음 증폭기(123)를 동작시킬 수 있다. 그러나, 저잡음 증폭기(123)의 동작 또는 작동 중단이 이러한 예시된 방법으로 제한되는 것은 아니다.
저잡음 증폭기(123)에 의해 저잡음 증폭된 상향링크 신호는 수신 필터(124)로 입력될 수 있다. 수신 필터(124)는 제2 경로(P2) 상에 마련되고, 저잡음 증폭기(123)에 의해 저잡음 증폭된 상향링크 신호의 주파수를 내부 공진기(미도시)를 이용하여 필터링할 수 있다. 수신 필터(124)는 설정된 상향링크 주파수에 따라 대역 통과 필터, 대역 저지 필터, 저역 통과 필터, 고주파 통과 필터 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서, 저잡음 증폭기(123)는 상향링크 신호가 수신되는 제2 경로(P2)를 따라 수신 안테나(122)와 수신 필터(124) 사이에 배치될 수 있다. 수신기(120)의 제2 경로(P2)에는 종래의 송수신 전환 스위치(TDD 스위치)가 구비되지 않을 수 있다.
이와 같은 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 및 수신 필터(124)의 배치 구조에 따르면, 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 필터나 송수신 전환 스위치(TDD 스위치) 등이 배치되지 않으며, 저잡음 증폭기(123)를 수신 안테나(122)와 근접한 거리에 배치할 수 있어 제2 경로(P2)를 따라 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리가 최소화될 수 있다.
실시예에서, 제2 경로(P2)를 따르는 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리는 제1 경로(P1)를 따르는 송신 안테나(115)와 전력 증폭기(12) 간의 거리보다 짧게 제공될 수 있다. 또한, 수신기(120)의 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리는 송신기(110)의 송신 안테나(115)와 송신 필터(114) 간의 거리보다 짧게 제공될 수도 있다.
저잡음 증폭기(123)를 케이블을 사용하지 않고 수신 안테나(122)의 출력단에 직접 결합시키는 경우, 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리는 0 이 될 수도 있다. 이 경우, 저잡음 증폭기(123)로 입력되는 수신 신호는 원본 신호를 그대로 유지하거나 혹은 최소한의 노이즈 만을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 수신 안테나(122)에서부터 저잡음 증폭기(123) 전단까지의 신호 손실이 최소화되고, 그에 따라 시스템 전체의 잡음지수(Noise Figure, NF)가 개선되어 안테나 성능이 향상될 수 있다. 수신기(120)의 세부 구조는 도 4의 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제어기(130)는 내부의 신호를 처리하여 송신기(110)를 통해 외부로 송신할 수 있다. 또한, 제어기(130)는 수신기(120)를 통해 수신된 신호를 처리하여 수신 신호에 포함된 소정의 정보를 안테나 장치와 연결된 장치로 전달할 수 있다. 제어기(130)는 하향링크 신호 송신 혹은 상향링크 신호 수신 여부에 따라 송신기(110)의 전력 증폭기(112) 및 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)의 동작을 제어할 수 있다.
제어기(130)는 하향링크 신호 송신 시에 송신기(110)의 전력 증폭기(112)를 가동함과 동시에 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)의 가동을 중단할 수 있다. 또한, 제어기(130)는 상향링크 신호 수신 시에 송신기(110)의 전력 증폭기(112)의 가동을 중단함과 동시에 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)를 가동시킬 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치를 구성하는 수신기의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 수신기(120)는 수신 안테나 모듈(121)과, 신호 처리부(125)를 포함할 수 있다. 먼저, 수신 안테나 모듈(121)은 적어도 하나 이상의 수신 안테나(122), 저잡음 증폭기(123) 및 수신 필터(124)를 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 수신 안테나(122)는 외부의 신호를 수신하여 수신 안테나 모듈(121)의 저잡음 증폭기(123)로 출력할 수 있다. 수신 안테나(122)는 예를 들어, 패치 안테나로 구현될 수 있다.
저잡음 증폭기(123)는 각 수신 안테나(122)와 대응되도록 배치될 수 있다. 각각의 저잡음 증폭기(123)는 대응되는 수신 안테나(122)의 출력단과 연결되어, 해당 수신 안테나(122)로부터 출력되는 수신 신호를 증폭시킬 수 있다.
이때, 저잡음 증폭기(123)를 수신 안테나(122)의 출력단에 연결함에 따라 저잡음 증폭기(123)로 입력되는 수신 신호는 원본 신호를 그대로 유지하거나 혹은 최소한의 노이즈 만을 포함할 수 있다.
각 저잡음 증폭기(123)는 대응되는 수신 안테나(122)로부터 입력된 수신 신호를 증폭하여 수신 필터(124)로 출력할 수 있다. 이때, 수신 필터(124)는 저잡음 증폭기(123)에 의해 증폭된 수신 신호를 수신 주파수 대역으로 필터링하여 신호 처리부(125)로 전달할 수 있다. 신호 처리부(125)는 수신 안테나 모듈(121)과 케이블로 연결될 수 있다.
신호 처리부(125)는 AD(Analog to Digital) 컨버터(126) 및 신호 처리기(127)를 포함할 수 있다. AD 컨버터(126)는 수신 필터(124)에 의해 필터링된 신호가 케이블을 통해 입력되면, 입력된 아날로그 형태의 수신 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
AD 컨버터(126)는 변환된 디지털 신호를 신호 처리기(127)로 전달할 수 있다. 여기서, 신호 처리기(127)는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA)가 해당될 수 있다. 물론, 그 외에도 안테나 수신기의 신호를 처리하는 회로 구조라면 어느 것이든 해당될 수 있다. 신호 처리기(127)는 AD 컨버터(126)에 의해 변환된 디지털 신호를 제어기(130)로 출력할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 2 내지 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제어기(130)는 하향링크 신호 송신(S1) 시에 송신기(110)의 전력 증폭기(112)를 동작시키고, 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)의 동작을 중단시킬 수 있다. 제어기(130)는 상향링크 신호 수신(S2) 시에는 송신기(110)의 전력 증폭기(112)의 동작을 중단시키고, 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)를 동작시킬 수 있다.
실시예에서, 제어기(130)는 사업자가 보내는 신호의 크기(예를 들어, 0 ~ 3.3V)에 따라 송신 신호인지 수신 신호인지를 인식하고, 송신 신호 크기의 신호가 입력된 경우, 송신기(110)에 해당하는 부품들을 동작시키고, 수신 신호 크기의 신호가 입력된 경우, 수신기(120)에 해당하는 부품들을 동작시킬 수 있다.
실시예에서, 제어기(130)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 하향링크 송신과 상향링크 수신 간의 모드 전환 시에 전력 증폭기(112)와 저잡음 증폭기(123)의 제어 명령을 동기화하여 전력 증폭기(112)와 저잡음 증폭기(123)의 동작을 동시에 전환시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제어기(130)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기(112)와 저잡음 증폭기(123)의 동작 전환이 상이한 시점에서 수행되도록 전력 증폭기(112)와 저잡음 증폭기(123)의 제어 명령의 타이밍을 제어할 수도 있다. 일 예로, 제어기(130)는 송신기(110)로부터 송신된 하향링크 신호가 다양한 주변 환경에 의해 반사되어 수신기(120)에 유입되는 간섭 현상을 최소화하기 위하여, 하향링크 송신(S1)으로부터 상향링크 수신(S2)으로 모드 전환 시, 전력 증폭기(112)의 동작을 중단시킨 후, 전력 증폭기(112)의 동작을 중단시킨 시점으로부터 설정 시간(ΔT) 경과 후에 저잡음 증폭기(123)를 동작시킬 수 있다.
전력 증폭기(112)의 동작 중단 시점과 저잡음 증폭기(123)의 동작 개시 시점 간의 시간 차이를 결정하는 설정 시간(ΔT)은 예를 들어, 하향링크 신호가 수신기(120)에 유입되어 발생한 간섭 신호가 미리 설정된 기준 간섭 레벨 미만으로 되는 시간으로부터 산출될 수 있다. 다른 예로, 제어기(130)는 전력 증폭기(112)의 동작 중단 시점과 저잡음 증폭기(123)의 동작 개시 시점 간의 시간 간격을 다양하게 변화시키면서 수신기(120)에서의 송신 신호와 수신 신호 간의 간섭 레벨 및/또는 수신 신호의 잡음지수를 측정하고, 수신기(120)에서의 송신 신호와 수신 신호의 간섭 레벨이 기준 간섭 레벨 미만이 되는 시간, 또는 수신 신호의 잡음지수가 최소가 되는 시간 등으로부터 설정 시간(ΔT)을 산출할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 구성도이다. 도 6에 도시된 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치(100)는 수신기(120)가 필터(128)와 합성기(Combiner)(129)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 수신기(120)의 수신 안테나 모듈은 수신 안테나(122)를 복수개 포함할 수 있다. 복수개의 수신 안테나(122)는 배열 안테나(array antenna)를 구성할 수도 있다. 합성기(129)는 수신기(120)의 제2 경로(P2)를 따라 저잡음 증폭기(123)와 수신 필터(124) 사이에 마련될 수 있다. 합성기(129)는 복수개의 수신 안테나(122)에 의해 수신된 복수개의 상향링크 신호를 합성할 수 있다. 저잡음 증폭기(123)는 제2 경로(P2)를 따라 각 수신 안테나(122)와 합성기(129) 사이에 마련될 수 있다.
필터(128)는 제2 경로(P2)를 따라 각 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 마련될 수 있다. 실시예에서, 필터(128)는 예를 들어, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 아웃 오브 밴드 차단(Out of band blocking) 규격에 의한 신호가 인가될 때 발생할 수 있는 저잡음 증폭기(123)의 포화(Saturation)를 방지하도록 구성될 수 있다.
수신 필터(124)는 제2 경로(P2)를 따라 합성기(129)의 출력단과 제어기(130) 사이에 마련될 수 있다. 수신 필터(124)는 합성기(129)에 의해 복수개의 상향링크 신호로부터 합성되어 출력되는 수신 신호에서 아웃 오브 밴드(Out of band) 신호를 차단하도록 구성될 수 있다.
송신기(110)의 송신 안테나 모듈은 송신 안테나(115)를 복수개 포함할 수 있다. 복수개의 송신 안테나(115)는 배열 안테나(array antenna)를 구성할 수도 있다. 분배기(Divider)(116)는 하향링크 신호의 전력을 분배하여 복수개의 송신 안테나(115)로 분배하여 출력할 수 있다. 전력 증폭기(112)와 송신 필터(114) 사이에는 격리기(isolator)가 마련될 수 있다.
도 6의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치(100)는 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 송수신 전환 스위치(TDD 스위치)가 배치되지 않는다. 따라서, 저잡음 증폭기(123)를 수신 안테나(122)와 근접한 거리에 배치할 수 있어 제2 경로(P2)를 따라 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리가 최소화될 수 있다.
실시예에서, 제2 경로(P2)를 따르는 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 간의 거리는 제1 경로(P1)를 따르는 송신 안테나(115)와 전력 증폭기(112) 간의 거리보다 짧게 제공될 수 있다. 따라서, 수신 안테나(122)에서부터 저잡음 증폭기(123) 앞단까지의 신호 손실이 최소화되고, 그에 따라 시스템 전체의 잡음지수(Noise Figure, NF)가 개선되어 안테나 성능이 향상될 수 있다.
송신기(110)의 송신 필터(114)는 상대적으로 높은 전력의 송신 신호를 필터링하기 위해 큰 크기로 설계되어야 하지만, 수신 안테나(122)와 저잡음 증폭기(123) 사이에 마련된 필터(128)는 송신기(110)에서 사용되는 송신 필터(114) 보다 작은 크기로 설계 가능하다. 따라서, 도 6의 실시예에서, 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123)와 수신 안테나(122) 간의 거리는 송신기(110)의 송신 안테나(115)와 전력 증폭기(112) 간의 거리보다 짧게 설계 가능하다.
도 6의 실시예에 의하면, 잡음지수(Noise Figure, NF)를 줄이기 위해, 수신기(120)의 저잡음 증폭기(123) 전단에 필터(128)를 추가하여 저잡음 증폭기(123) 전단의 잡음지수를 줄일 수 있으며, 저잡음 증폭기(123)의 후단과 제어기(130)의 전단의 사이에 수신 필터(124)를 추가하여 다수의 저잡음 증폭기(123)에 의해 증폭된 후 합성된 상향링크 신호의 잡음지수를 저감하고 제어기(130)의 디지털단을 잡음으로부터 보호할 수 있다. 이에 따라, 필터(128)와 수신 필터(124)로 이루어지는 2단 필터에 의해 저잡음 증폭기(123)의 전/후단의 잡음지수와 제어기(130)의 디지털단 전단의 잡음지수를 모두 효과적으로 줄일 수 있다.
종래의 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 경우, 송신 라인의 전력이 크고 규격이 수신 라인보다 엄격하기 때문에 송신 라인에 맞추어 필터 사이즈가 큰 것을 사용할 수 밖에 없었으며, 이로 인해 수신단의 신호 손실이 큰 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의하면, 송신 라인과 수신 라인을 별도로 사용하기 때문에 수신 라인은 수신 신호(상항링크 신호)의 잡음지수를 고려하여 필요한 사이즈의 필터를 사용하면 되므로, 수신단의 신호 손실을 줄일 수 있는 이점이 제공된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치를 구성하는 수신기의 구성도이다. 도 7에 도시된 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치(100)는 수신기(120)가 수신 안테나 모듈(120a, 120b)을 복수개 포함하고, 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)(140)를 더 포함하는 점에서, 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다.
여기서, 버틀러 매트릭스(140)는 한 개의 입력 신호를 N개의 신호로 분배하거나 N개의 입력 신호를 한 개의 출력 단자로 결합해 주기 위해 사용된다. 이러한 버틀러 매트릭스는 전송되는 신호의 크기에 따라, 마이크로 스트립 선로(microstrip line), 스트립 선로(strip line), 동축 선로(coaxial line), 도파관(wave guide) 등을 사용한다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 버틀러 매트릭스(140)는 제2 경로(P2)를 따라 복수개의 수신 안테나 모듈(120a, 120b)과 제어기(130) 사이에 마련될 수 있다. 버틀러 매트릭스(140)는 하이브리드 커플러(hybrid coupler)와 위상 쉬프터(phase shifter)를 포함하여 구성될 수 있다. 버틀러 매트릭스(140)는 다수의 하이브리드 커플러를 이용하여 빔포밍을 가능하도록 한 구조로, 앞단에 스위치가 위치하여 하나의 포트를 선택하면 그에 해당하는 하나의 안테나 방사패턴이 결정된다.
버틀러 매트릭스(140)에 의해, 복수개의 수신 안테나 모듈(120a, 120b)에 의해 생성된 복수개의 수신신호를 결합(Combine)하여 수신 빔의 조향성을 얻거나 멀티 수신 빔(multi-beam) 특성을 얻을 수 있으며, 안테나 이득(Gain)을 높일 수 있다. 버틀러 매트릭스(140)는 2Х2 매트릭스, 4Х4 매트릭스, 8Х8 매트릭스 등의 다양한 유형이 모두 사용 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 수신기는 수신 안테나와 저잡음 증폭기 사이를 케이블로 연결하지 않고, 저잡음 증폭기가 수신 안테나의 출력단에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 저잡음 증폭기로 입력되는 수신 신호의 잡음지수(NF)는 1.6dB로 종래의 시분할 듀플렉스 안테나 장치와 비교하여 4dB 만큼 수신 신호의 잡음지수가 감소되고, 그에 따라 수신 안테나의 이득은 1.5dB 만큼 향상될 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 안테나 장치와 비교하여 거리로는 약 1.68배, 면적으로는 약 2.82배의 상향링크 커버리지 개선 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/ 또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소 중의 일부(예를 들어, 신호 처리부, 신호 처리기, 제어기 등), 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
처리 장치는 운영 체제 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리요소를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor) 와 같은, 다른 처리 구성(Processing configuration)도 가능하다. 소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.
소프트웨어 및/ 또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody) 될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 안테나 장치의 수신기는 수신 안테나와 저잡음 증폭기 사이를 케이블로 연결하지 않고, 저잡음 증폭기가 수신 안테나의 출력단에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 저잡음 증폭기로 입력되는 수신 신호의 잡음지수(NF)는 1.6dB로 종래의 시분할 듀플렉스 안테나 장치와 비교하여 4dB 만큼 수신 신호의 잡음지수가 감소되고, 그에 따라 수신 안테나의 이득은 1.5dB 만큼 향상될 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 안테나 장치와 비교하여 거리로는 약 1.68배, 면적으로는 약 2.82배의 상향링크 커버리지 개선 효과를 얻을 수 있다.

Claims (11)

  1. 시분할 듀플렉스(TDD: Time-division duplex) 방식으로 하향링크 신호와 상향링크 신호를 송수신하는 시분할 듀플렉스 안테나 장치에 있어서,
    적어도 하나의 송신 안테나 모듈을 포함하고, 제1 경로를 통해 하향링크 신호를 송신하는 송신기;
    적어도 하나의 수신 안테나 모듈을 포함하고, 상기 제1 경로와 중첩되는 부분 없이 상기 제1 경로로부터 분리된 제2 경로를 통해 상향링크 신호를 수신하는 수신기; 및
    상기 송신기와 상기 수신기를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하는 제어기를 포함하는 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 모듈은,
    상기 제1 경로 상에 마련되고, 송신 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기;
    상기 제1 경로 상에 마련되고, 상기 전력 증폭기에 의해 증폭된 송신 신호의 주파수를 필터링하여 상기 하향링크 신호를 생성하는 송신 필터; 및
    상기 제1 경로 상에 마련되고, 상기 송신 필터에 의해 필터링되어 생성된 상기 하향링크 신호를 송신하는 적어도 하나의 송신 안테나를 포함하고,
    상기 수신 안테나 모듈은,
    상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 상향링크 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신 안테나;
    상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 수신 안테나에 의해 수신된 상기 상향링크 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기; 및
    상기 제2 경로 상에 마련되고, 상기 저잡음 증폭기에 의해 저잡음 증폭된 상기 상향링크 신호의 주파수를 필터링하는 수신 필터를 포함하고,
    상기 저잡음 증폭기는, 상기 상향링크 신호가 수신되는 상기 제2 경로를 따라 상기 수신 안테나와 상기 수신 필터 사이에 배치되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 경로를 따르는 상기 수신 안테나와 상기 저잡음 증폭기 간의 거리는, 상기 제1 경로를 따르는 상기 송신 안테나와 상기 전력 증폭기 간의 거리보다 짧은, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수신 안테나 모듈은 상기 수신 안테나를 복수개 포함하고,
    상기 수신 안테나 모듈은,
    상기 제2 경로를 따라 상기 저잡음 증폭기와 상기 수신 필터 사이에 마련되고, 복수개의 수신 안테나에 의해 수신된 복수개의 상향링크 신호를 합성하는 합성기를 더 포함하고,
    상기 저잡음 증폭기는, 상기 제2 경로를 따라 상기 복수개의 수신 안테나의 각 수신 안테나와 상기 합성기 사이에 마련되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신 안테나 모듈은,
    상기 제2 경로를 따라 상기 각 수신 안테나와 상기 저잡음 증폭기 사이에 마련되고, 상기 저잡음 증폭기의 포화를 방지하도록 구성되는 필터를 더 포함하는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수신 필터는,
    상기 제2 경로를 따라 상기 합성기의 출력단과 상기 제어기 사이에 마련되고, 상기 합성기에 의해 상기 복수개의 상향링크 신호로부터 합성되어 출력되는 수신 신호에서 아웃 오브 밴드(Out of band) 신호를 차단하도록 구성되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 수신 안테나 모듈을 복수개 포함하고,
    상기 수신기는, 상기 제2 경로를 따라 복수개의 수신 안테나 모듈과 상기 제어기 사이에 마련되고, 상기 복수개의 수신 안테나 모듈에 의해 생성된 복수개의 수신신호를 결합하여 멀티 빔을 형성하는 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)를 더 포함하는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는, 상기 제2 경로 상에 상기 송신기와 상기 수신기를 시분할 듀플렉스 방식으로 제어하기 위한 송수신 전환 스위치를 구비하지 않는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 송신기와 분리된 별도의 회로로 구성되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    하향링크 신호 송신시 상기 전력 증폭기를 동작시키고, 상기 저잡음 증폭기의 동작을 중단시키고;
    상향링크 신호 수신시 상기 전력 증폭기의 동작을 중단시키고, 상기 저잡음 증폭기를 동작시키도록 구성되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
  11. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는 상기 수신 안테나의 출력단에 직접 연결되는, 시분할 듀플렉스 안테나 장치.
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