KR100657009B1

KR100657009B1 - 초광대역 상향 주파수 변환 장치

Info

Publication number: KR100657009B1
Application number: KR1020040106621A
Authority: KR
Inventors: 이승식; 김창완; 박봉혁; 김재영; 최상성
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-12-14
Also published as: KR20060067727A

Abstract

본 발명은 초광대역 상향 주파수 변환 장치에 관한 것으로, 특히 기저 대역 회로에서 공급되는 I, Q 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 I/Q 전압-전류 변환기(101, 102); 전류 신호로 변환된 기저 대역 신호와 한 개 이상의 국부 발진 신호를 혼합시켜 RF 대역의 신호로 변환하는 I/Q 주파수 상향 변환기(103, 104); 공통 부하인 합산 회로부(105); RF로 주파수 변환된 신호를 초 광대역에 걸쳐 이득을 제공하는 고주파 증폭기(106); 및 차동 신호를 단일 신호로 변환하는 능동 발룬(107)으로 구성된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명은 최소의 구성 부품을 이용하여 초 광대역에 걸쳐서 일정한 주파수 변환 이득을 얻을 수 있고, 또한 국부 발진기의 짝수 성분이 송신 안테나로 누설되는 현상을 막아주어 타 무선 송수신 시스템에 안좋은 영향을 미치는 정도를 최소한으로 줄여주는 뛰어난 효과가 있다.

초광대역, 상향 주파수 변환 믹서, 합산 회로, 고주파 증폭기, 능동 벌룬,

Description

초광대역 상향 주파수 변환 장치{ULTRA-WIDEBAND UP-CONVERSION MIXER}

도 1은 종래 상향 주파수 변환 장치의 구성을 나타낸 기능 블록도,

도 2는 또 다른 종래 상향 주파수 변환 장치의 구성을 나타낸 기능 블록도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 상향 주파수 변환 장치의 구성을 나타낸 기능 블록도,

도 4는 도 3에 따른 초광대역 상향 주파수 변환 장치에서 합산 회로부의 구성을 나타낸 회로도,

도 5는 도 3에 따른 초광대역 상향 주파수 변환 장치에서 누설 신호 제거 기능이 첨가 된 고주파 증폭기의 구성을 나타낸 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : I(In-Phase path)의 전압-전류 변환기

102 : Q(Quadrature-Phase path)의 전압-전류 변환기

103 : I(In-Phase path)의 주파수 상향 변환기

104 : Q(Quadrature-Phase path)의 주파수 상향 변환기

105 : 합산(Sum) 회로부 106 : 고주파 증폭기

107 : 능동 발룬(Active Balun)

본 발명은 직접 변환 방식에 적용되는 초광대역 상향 주파수 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초 광대역에 걸쳐 일정한 주파수 변환 이득을 제공하고, 국부 발진기에서 발생하는 다수의 고조파 신호가 안테나로 유입되는 성분을 최소화시켜 주는 초광대역 상향 주파수 변환 장치에 관한 것이다.

종래의 상향 주파수 변환 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같으며, 도 1 및 도 2에 나타난 상향 주파수 변환 장치는 협 대역을 이용하는 직접 변환 방식의 송신기 구조에 해당한다.

이하, 도 1에 도시된 종래 직접 변환 방식의 송신 장치를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 기저 대역의 신호는 I/Q 주파수 변환기(11)에 의해 주파수 상향 변조된 후 구동 증폭기(driver amplifier)(12)에 직접 입력되어 충분한 이득을 얻는다. 이 때, I/Q 주파수 상향 변환기(11)와 구동 증폭기(12)는 모두 협대역에서만 동작 될 수 있게 설계 되었다. 또한, 로컬(LO) 신호 방지를 위한 보상 회로(Calibration circuit)가 주파수 상향 변환 장치의 입력 단에 추가로 적용되어 기저 대역 모뎀으로부터 제어 신호를 받아서 로컬 신호 누설 방지를 최소화 시킨다.

한편, 종래의 또 다른 상향 주파수 변환 장치는 도 2에 도시된 바와 같으며, 이를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 1의 경우와 동일한 방법으로 기저 대역 신호가 I/Q 주파수 상향 변환기(21)를 통해 RF 신호로 변조되어 전력 증폭기(Power Amplifier)(22) 입력 단에 연결된다. 로컬로부터의 누설 신호는 상기 전력 증폭기(22) 입력 단에서 감지되어 보정 알고리즘(Correction Algorithm)(23)을 이용하여 다시 주파수 상향 변환기 입력에 되먹임(feedback)된다.

하지만, 상술한 도 1 및 도 2의 종래 상향 주파수 변환 장치는 협대역으로 설계가 되어서 UWB(Ultra wide band)와 같은 광대역 시스템에 적용 할 수 없고, 주파수 천이(Hopping)를 하는 초 광대역 시스템(UWB)에서는 다수의 국부 발진기에서 발생하는 각각의 로컬 신호에 대하여 누설을 방지해야 하는 복잡한 보상 회로가 필요한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 초 광대역에 걸쳐 일정한 이득을 제공하여 기존의 협대역을 이용한 무선 송수신기에서 사용되는 주파수 상향 장치의 협 대역 주파수 특성의 한계를 극복하고, 그 뿐만 아니라 누설되는 다수 국부 발진 주파수 성분을 최소화시켜 줌으로써 다른 무선 수신기의 수신 성능에 미치는 영향을 최소화시켜 주기 위한 초광대역 상향 주파수 변환 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 초광대역 상향 주파수 변환 장치는, 초 광대역 상향 주파수 변환 장치에 있어서,

기저 대역 회로에서 공급되는 I, Q 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 I/Q 전압-전류 변환기;

상기 I/Q 전압-전류 변환기를 통해 전류 신호로 변환된 기저 대역 신호와 국부 발진기에서 발생한 한 개 이상의 국부 발진 신호를 혼합시켜 RF 대역의 신호로 변환하는 I/Q 주파수 상향 변환기;

상기 I/Q 주파수 상향 변환기의 각각의 출력 신호를 합산하는 공통 부하인 합산 회로부;

상기 합산 회로부의 출력 신호인 RF로 주파수 변환된 신호를 초 광대역에 걸쳐 이득을 제공하는 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기; 및

상기 고주파 증폭기의 차동 신호를 단일 신호로 변환하는 능동 발룬으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 초광대역 상향 주파수 변환 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 초 광대역 상향 주파수 변환 장치의 기능 블록도로써, I(In-Phase path)/Q(Quadrature-Phase path) 전압-전류 변환기(101, 102), I/Q 주파수 상향 변환기(103, 104), 합산(SUM) 회로부(105), 누설 신호 제거 기능이 첨 가된 고주파 증폭기(106) 및 능동 발룬(Active Balun)(107)으로 구성되어 있다.

이 때, 본 발명의 초 광대역 상향 주파수 변환 장치는 기저대역(Baseband) 회로에서 들어오는 I/Q 전압형태 신호가 상기 I/Q 전압-전류 변환기(101, 102)에 의해서 전류 신호로 변환 되고, 전류 신호로 변환된 기저대역 신호는 상기 I/Q 주파수 상향 변환기(103, 104)에 의해서 국부 발진기에서 들어오는 로컬 신호와 혼합되어 로컬 중심 주파수로 상향 주파수 변환된다. 여기서 국부 발진기에서 들어오는 로컬 신호는 일반적으로 고정된 한 개의 주파수 이거나, 주파수 천이(hopping)를 하는 시스템에서는 채널 수 만큼 많을 수 있다.

한편, 상기 I/Q 주파수 상향 변환기(103, 104)의 각각의 출력은 상기 합산 회로부(105)에서 기저대역의 주파수와 국부 발진기의 주파수가 더해진 주파수 성분만 전압 형태로 발생된다. 이 때, 상기 합산 회로부(105)는 초 광대역에 걸쳐 동일한 이득을 제공하기 위해 도 4와 같이 인덕터(L1, L2)와 저항(R1, R2)이 직렬로 연결된 회로로 구성 된다.

또한, 상기 합산 회로부(105)의 출력 단에서는 상기 주파수 변환기(103, 104)에 의해서 상향 주파수 변환된 신호 성분과 국부 발진기의 누설 신호가 동시에 존재 하는데, 각각 차동 모드(Differential mode)와 동상 모드(Common-mode) 형태로 존재하게 된다. 이 때, 국부 발진기의 누설 신호는 송신 안테나로 흘러 들어가서 다른 시스템 수신단의 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에, 누설량은 엄격히 제한되어야 한다. 따라서, 상기 상향 주파수 변환기(103, 104) 다음 단에 누설된 동상 신호 형태의 국부 발진기 신호를 억제하는 회로가 필요로 한다.

도 5는 상기 합산 회로부(105) 다음 단에 위치하는 누설 신호 제거 기능이 첨가된 상기 고주파 증폭기(106)의 구조도를 보인 것으로, 이는 차동 신호에 대해서는 초 광대역에 걸쳐 일정한 이득(Gain)을 제공하지만, 동상 입력 신호는 제거하는 특성을 가진다.

이 때, 도 5의 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기의 동작 원리를 살펴보면, 제 1 MOS 트랜지스터(M1)와 제 4 MOS 트랜지스터(M4) 및 제 2 MOS 트랜지스터(M2)와 제 3 MOS 트랜지스터(M3)의 입력은 각각 연결되어 있으며, 두 개의 입력 단(IN+, IN-)으로부터 차동 신호와 동상 신호를 제 1 MOS 트랜지스터(M1)와 제 2 MOS 트랜지스터(M2)에 의한 공통 소스 증폭기로 동작하고, 제 3 MOS 트랜지스터(M3)와 제 4 MOS 트랜지스터(M4)에 의한 공통 드레인 회로로 동작하게 된다. 한편, 차동 입력 신호에 대해서는 제 1, 2 MOS 트랜지스터(M1, M2)는 부하 로드(1/gm3 및 1/gm4)가 각각 연결된 공통소스(Common-source) 증폭기로 작동하고, 동시에 제 3, 4 MOS 트랜지스터(M3, M4)는 공통드레인(Common-drain, or Source-follower) 증폭기로 작동한다.

따라서, 출력 단에서는 제 1, 2 MOS 트랜지스터(M1, M2)의 입력 신호 위상과 180도 위상 차이가 나는 증폭된 신호와 제 3, 4 MOS 트랜지스터(M3, M4) 입력 위상과 동일한 위상의 신호가 동 위상으로 합해져서 이득을 가지게 된다. 하지만, 동 위상 입력 신호에 대해서는 제 1, 2, 3 MOS 트랜지스터(M1, M2, M3), 그리고 제 4 MOS 트랜지스터(M4)의 출력 신호는 출력 단에서 서로 반대 위상으로 만나게 되어 서로 제거가 된다. 이 때, 도 5의 주요 3dB 주파수는 제 3, 4 MOS 트랜지스터 (M3, M4)가 공통 드레인 회로로 동작하기 때문에, 3dB 주파수가 MOS 소자의 컷-오프 주파수(cut-off frequency)(ωt) 까지 가능하고, 이로 인해 제 1, 2 MOS 트랜지스터(M1, M2)에 의한 3-dB 주요 극점(Dominant pole)에 의해 하기의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

ω3-dB =1/(2*π*1/gm*Cpara)

여기서, "gm"는 제 3, 4 MOS 트랜지스터(M3, M4)의 트랜스컨덕턴스(Trans-conductance)이고, "Cpara"는 제 1, 2 MOS 트랜지스터(M1, M2)의 드레인 노드(node)에서의 기생 커패시턴스 성분이다. 결국 도 5의 고대역 3-dB 주파수는 이득과 대역폭의 곱이 일정한 성질(gain-bandwidth product) 이론에 의해 "gm3,4" 값을 크게 할수록 광대역 특성이 좋아지게 되고, 광대역에 걸쳐 일정한 이득을 제공 할 수 있게 된다.

도 5의 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기(106)는 제안하는 초 광대역 상향 주파수 변환 장치에서 주파수 변환기의 출력단에서 차동 신호 형태를 갖는 상향 주파수 변환된 정보 신호에 대해서는 초 광대역에 걸쳐 일정한 이득을 제공하고, 동상 신호 형태의 누설 로컬 신호에 대해서는 억압시키는 역할을 동시에 한다. 또한, 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기(106)의 차동 출력 신호는 능동 발룬(107)에 의해 단일 신호 형태로 변환된다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 초광대역 상향 주파수 변환 장치에 의하면, 최소한의 구성 부품을 이용하여 초 광대역에 걸쳐서 일정한 주파수 변환 이득을 얻을 수 있고, 또한 주파수 상향 변환기 출력에서 발생되는 국부 발진기의 짝수 성분이 송신 안테나로 누설되는 현상을 막아주어 타 무선 송수신 시스템에 안좋은 영향을 미치는 정도를 최소한으로 줄여주는 뛰어난 효과가 있다.

Claims

초 광대역 상향 주파수 변환 장치에 있어서,

기저 대역 회로에서 공급되는 I, Q 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 I/Q 전압-전류 변환기;

상기 I/Q 전압-전류 변환기를 통해 전류 신호로 변환된 기저 대역 신호와 국부 발진기에서 발생한 한 개 이상의 국부 발진 신호를 혼합시켜 RF 대역의 신호로 변환하는 I/Q 주파수 상향 변환기;

상기 I/Q 주파수 상향 변환기의 각각의 출력 신호를 합산하는 공통 부하인 합산 회로부;

상기 합산 회로부의 출력 신호인 RF로 주파수 변환된 신호를 초 광대역에 걸쳐 이득을 제공하는 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기; 및

상기 고주파 증폭기의 차동 신호를 단일 신호로 변환하는 능동 발룬으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 상향 주파수 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 합산 회로부는, 초 광대역에 걸쳐 일정한 이득을 제공하기 위해 내/외장 인덕터(L1, L2)와 내/외장 저항(R1, R2)의 직렬연결 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 초광대역 상향 주파수 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 누설 신호 제거 기능이 첨가된 고주파 증폭기는, 4개의 MOS 트랜지스터(M1, M2, M3, M4)로 구현되되, 공통 소스 MOS 트랜지스터의 출력이 공통 드레인 MOS 트랜지스터의 출력에 연결되고, 공통 소스 MOS 트랜지스터와 공통 드레인 MOS 트랜지스터의 게이트에 입력이 동시에 인가되는 차동 증폭기 형태로 구현됨을 특징으로 하는 초광대역 상향 주파수 변환 장치.