KR100712712B1 - 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치는 캐스코드 구조로 연결된 제1 및 제2트랜지스터를 포함하되, 상기 제1트랜지스터의 입력단에 변환하고자 하는 RF신호를 입력하고, 상기 제2트랜지스터의 입력단에 LO신호를 입력하여, 상기 제1트랜지스터의 출력단으로 주파수 하향 변환된 출력신호를 출력하도록 하며, 상기 제1트랜지스터와 상기 제2트랜지스터의 임피던스를 원하는 주파수 대역에 정합되도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 하나의 혼합기를 이용하여 다양한 주파수 대역에서 동작하도록 함으로써, 전체 시스템을 단순화할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 대역 선택이 가능하도록 하여 각 대역에서 독립된 혼합기로써 동작 가능하도록 함으로써, 광대역 혼합기와 달리 우수한 주파수 혼합 특성을 유지할 수 있다.

주파수 혼합기, 다중대역, 선택, 가변 커패시터, 임피던스 정합

Description

재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치{RECONFIGURABLE MULTIBAND MIXER}

도 1은 종래의 스위칭 방식의 다중대역 주파수 혼합 장치의 구조도,

도 2는 종래의 광대역 주파수 혼합 장치의 구조도,

도 3은 본 발명에 따른 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치의 일실시예 구조도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300 : 캐스코드 트랜지스터부 310 : 신호 입력부

320 : LO신호 입력부 330 : 신호 출력부

340 : 입력신호 정합부 350 : LO신호 정합부

360 : 출력신호 정합부 370 : 바이어스 전압 인가부

380, 390 : 가변 커패시터

본 발명은 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차세대 이동 통신 핵심 기술인 SDR(Software Defined Radio) 적용 등에 사용하기 위한, 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 주파수 혼합 장치(mixer)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; 이하, 간단히 'FET'라 함)의 비선형성을 이용하여 두 주파수의 혼변조된 신호를 추출해내는 회로이다. 즉, 두 개의 주파수 F₁과 F₂를 섞으면 F₁+F₂, F₁-F₂ 등의 2차 혼변조(cross modulation) 성분들이 발생하는데, 여기서 주로 두 주파수의 차를 출력해내는 것이다.

최근 무선통신 기술이 발달함에 따라, 다중대역에서 동작하는 주파수 혼합기의 개발이 활발하다.

이러한 다중대역 주파수 혼합 장치에 대한 종래기술로서, ["A wideband RF front-end for multi-band multi-standard hight-linearity low-IF wireless receiver", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.37, no.9, pp.1162-1168, Sep. 2002](이하, 논문1]이라 함) 및 ["A 0.9-2.6 GHz broadband RF frond-end chip-set with a direct conversion architecture", IEICE Trans. Comm., vol.E85-B, no.12, pp.2732-2740, Dec,2002](이하, '논문2'라 함)이 개시되어 있다.

상기 논문1은 원하는 서비스 대역에 대한 주파수 혼합기를 각각 구현하여, 스위치를 통해 대역을 선택하는 것이며, 상기 논문2는 광대역 혼합기를 이용하여 다중대역에서 동작 가능하도록 한 것이다.

그러나, 상기 논문1은 다수의 혼합기를 두어 하나의 다중대역 주파수 혼합 장치를 구현하는 것이므로, 전체 시스템이 매우 복잡한 문제점이 있으며, 상기 논문2는 광대역 특성에 따라 대역 외 신호에 의한 고조파(harmonics) 성분이 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 시스템을 이용하여 다중대역의 동작이 가능하도록 함으로써, 그 구조가 간단한 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 동작하고자 하는 대역을 선택할 수 있도록 함으로써, 다양한 주파수 대역에서 동작하더라도 대역외 신호에 의한 고조파 성분을 억제할 수 있는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 변환하고자 하는 무선주파수(RF)신호와, 국부발진기(LO)신호를 그 입력으로 하여, 하향 변환된 주파수를 출력하기 위한, 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 있어서, 상기 RF신호의 임피던스를 정합하기 위한 제1정합부; 상기 LO신호의 임피던스를 정합하기 위한 제2정합부; 상기 제1 및 제2정합부의 앞단에 각각 배치되는 제1 및 제2가변 커패시터; 및 상기 제1 및 제2정합부의 출력신호를 입력으로 하는 2개의 단일 트랜지스터(제1 및 제2트랜지스터)가 캐스코드 구조로 연결되어, 주파수 하향 변환된 출력신호를 출력하기 위한 트랜지스터부를 포함하되, 상기 제1 및/또는 제2가변 커패시터의 커패시턴스를 각각 제어하는 직류 바이어스 전압을 변경하여, 동작하고자 하는 동작 주파수에서 임피던스 정합이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치가 제공된다.

이때, 상기 트랜지스터부로부터 수신한 주파수 하향 변환된 출력신호의 임피던스를 정합하기 위한 제3정합부를 더 포함할 수 있으며, 상기 트랜지스터부의 제1트랜지스터의 입력단 및 출력단과, 상기 제2트랜지스터의 입력단으로 직류 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 또한, 상기 직류 바이어스 전압을 변경하여, 상기 트랜지스터부의 가변 이득을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 트랜지스터부의 상기 제1 및 제2트랜지스터는, 전계 효과 트랜지스터(FET)일 수도 있으며, 양극 접합 트랜지스터(BJT)일 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 있어서, 캐스코드 구조로 연결된 제1 및 제2트랜지스터를 포함하되, 상기 제1트랜지스터의 입력단에 변환하고자 하는 RF신호를 입력하고, 상기 제2트랜지스터의 입력단에 LO신호를 입력하여, 상기 제1트랜지스터의 출력단으로 주파수 하향 변환된 출력신호를 출력하도록 하며, 상기 제1트랜지스터와 상기 제2트랜지스터의 임피던스를 원하는 주파수 대역에 정합되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치가 제공된다.

이때, 제1트랜지스터의 입력단 및 출력단과, 상기 제2트랜지스터의 입력단으 로 직류 바이어스 전압을 인가할 수 있으며, 상기 직류 바이어스 전압을 변경하여, 상기 제1 및 제2트랜지스터의 가변 이득을 제어할 수도 있다.

여기서, 상기 제1 및 제2트랜지스터는, FET일 수도 있으며, BJT일 수도 있다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 설명에 앞서, 종래의 다중대역 주파수 혼합 장치에 대하여 더욱 상세하게 설명하고, 그 문제점을 해결하는 본 발명을 설명하는 것으로 한다.

도 1은 종래의 스위칭 방식의 다중대역 주파수 혼합 장치의 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 스위칭 방식의 다중대역 주파수 혼합 장치는, 각 동작 주파수 대역에 따라 최적화된 주파수 혼합기(Mixer 1~Mixer n)가 설계되어 구현되어 있다.

따라서, 상기 도 1에 도시된 주파수 혼합 장치는 다중대역 시스템임에도 불구하고 우수한 주파수 혼합기 특성을 얻을 수 있지만, 원하는 동작 대역의 수만큼 주파수 혼합기 회로가 구성되어야 하며, 각 혼합기를 스위치(110)로 제어해야 하기 때문에 전체 시스템이 복잡해진다. 또한 신규 서비스 추가 및 서비스 제거에 따른 시스템 재설계 및 변경이 필요하기 때문에, 주파수 혼합기 사용에 제한을 받게 되는 문제점이 있다.

도 2는 종래의 광대역 주파수 혼합 장치의 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 광대역 주파수 혼합 장치는 하나의 혼합기로 다양한 주파수 대역에서 동작 가능하기 때문에 시스템을 간소화시킬 수 있고, 서비스의 변화에 따른 별도의 주파수 혼합기 추가 및 제거 작업 없이 범용으로 사용이 가능하다. 하지만, 광대역 신호를 동시에 처리하기 때문에 시스템의 잡음 및 간섭 신호가 증가하게 된다. 이를 개선하기 위해 Q 값(대역폭)이 우수한 필터가 필요하지만, 다중 대역을 동시에 만족하기 위한 대역통과 필터를 구현하기가 어려운 문제점이 있다.

이하, 도 3을 참조로 본 발명의 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 대하여 상세히 설명하기로 하자.

도 3은 본 발명에 따른 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치의 일실시예 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주파수 혼합 장치는, 캐스코드 트랜지스터부(cascode transistor)(300), 신호 입력부(310), 국부 발진기(local oscillator; 이하, 간단히 'LO '라 함) 신호 입력부(320), 신호 출력부(330), 입력신호 정합부(340), LO신호 정합부(350), 출력신호 정합부(360), 바이어스 전압 인가부(370), 제1 및 제2가변 커패시터(capacitor)(380, 390)를 포함하여 구성된다. 한편, 상기 캐스코드 트랜지스터부(300)의 동작 바이어스(bias) 신호로서, 상단 트랜지스터의 출력단와 상/하단 트랜지스터의 입력단에 직류 바이어스 신호를 인가할 수 있다.

상기 캐스코드 트랜지스터부(300)는 반도체 소자로서, 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; 이하, 간단히 'FET'라 함)나 양극 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor; 이하, 간단히 'BJT'라 함)와 같은 단일 트랜지스터를 캐스코드 구조로 연결하여 구성하여 혼합기(MIXER)를 구현한 것이다. 다만, 설명의 편의를 위하여 상기 도 3에 도시된 단일 트랜지스터는 FET로 하기로 한다.

상기 신호 입력부(310)는 본 발명의 주파수 혼합 장치의 외부와 연결되어, 변환하고자 하는 무선 주파수(radio frequency; 이하, 간단히 'RF'라 함)신호를 입력받는 기능을 담당한다. 상기 LO신호 입력부(320)는 본 발명의 주파수 혼합 장치를 구동하기 위하여, LO 신호가 인가된다. 상기 신호 출력부(330)는 본 발명에 의해 주파수가 혼합된 출력신호가 출력되는 기능을 담당하는 것이다.

상기 입력신호 정합부(340)는 상기 신호 입력부(310)로부터 수신한 입력신호의 임피던스를 정합하는 기능을 담당하며, 상기 LO신호 정합부(350)는 상기 LO신호 입력부(320)로부터 수신한 LO신호의 임피던스를 정합하는 기능을 담당한다. 한편, 상기 출력신호 정합부(360)는 상기 캐스코드 트랜지스터부(300)로부터 수신한 신호의 임피던스를 정합하여, 상기 신호 출력부(330)로 전달하는 기능을 담당한다.

상기 바이어스 전압 인가부(370)는 상기 가변 커패시터(380, 390)의 커패시턴스(capacitance) 값을 제어하는 바이어스 전압을 인가하는 기능을 담당한다.

한편, 상기 캐스코드 트랜지스터부(300)의 동작 바이어스(bias) 신호로서, 상단 트랜지스터의 출력단와 상/하단 트랜지스터의 입력단에 인가되는 직류 바이어스 전압을 제어하여, 상기 캐스코드 트랜지스터부(300)의 가변이득을 제어할 수 있고 , 이를 통해 선택된 주파수 대역에서의 성능 제어가 가능하게 된다.

이하, 상기 도 3에 도시된 본 발명의 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치의 동작을 설명하기로 한다.

본 발명에 따라, 2개의 FET 또는 BJT를 캐스코드 구조로 구성하여 혼합기(MIXER)를 구현하고, 상측 게이트인 상기 신호 입력부(310)에 변환하고자 하는 RF 신호를, 하측 게이트인 상기 LO신호 입력부(320)에 혼합기를 구동하기 위한 LO신호를 나누어 입력하며, 상측 트랜지스터의 출력단(A)으로 변환된 신호가 출력되는 저중간주파수(low-intermediate frequency; 이하, 간단히 'Low-IF'라 함) 하향 변환 주파수 혼합 장치를 구성한다.

이러한 캐스코드 구조의 혼합기를 포함하는 본 발명의 주파수 혼합 장치는 RF신호와 LO신호가 서로 다른 단자로 입력되기 때문에, 비평형 구조의 혼합임에도 불구하고 우수한 단자간 격리도 특성을 유지할 수 있다.

이때, 각 신호의 입출력단에는 각 신호의 주파수에 따라 임피던스를 정합하기 위한 정합부(340, 350, 360)가 구성된다. 출력단의 경우, Low-IF 시스템에서는 입력 신호의 대역과 상관없이 항상 일정한 주파수로 하향 변환되기 때문에, 상기 출력신호 정합부(360)는 별도의 제어가 필요하지 않다. 그러나, RF 및 LO신호의 입 력단은 동작 주파수가 지속적으로 바뀌기 때문에 정합부(340, 350)가 변화되어야 한다.

우선, 상기 가변 커패시터(380, 390)의 커패시턴스 값을 임의의 값으로 고정되도록 상기 바이어스 전압 인가부(370)를 통하여 직류 바이어스 회로(도시되지 않음)로부터 인가받은 바이어스 전압을 고정한 후, 제1의 동작 주파수 f₁에 임피던스 정합이 되도록 한다.

그 후, 추가로 동작시키고자 하는 동작 주파수에 임피던스 정합이 되도록 바이어스 전압을 변화시킨다. 이때 RF 입력신호 및 LO 신호는 동시에 변화시킬 수 있으며, 각각 별도의 바이어스 회로를 두어, 각각 다른 바이어스 전압을 인가하여 상기 입력신호 정합부(340) 및 상기 LO신호 정합부(350)를 제어할 수 있다.

또한, 상기 가변 커패시터(380, 390)의 커패시턴스는 상기 바이어스 전압 인가부(370)에서 입력되는 제어 바이어스 전압에 따라 연속적으로 변화되기 때문에, 특정 동작 주파수 대역에서 동작함에도 불구하고 광대역 주파수 혼합기와 같이 다양한 주파수 대역에서 동작 가능하고, 또한, 가변 커패시터의 커패시턴스 가변 범위를 확장시키면, 보다 넓은 동작 영역을 갖는 다중대역 주파수 혼합 장치의 구현이 가능할 수 있다.

일반적으로 다양한 주파수 대역에서 동작하는 소자들의 경우, 각 대역에서의 특성에 편차가 발생한다. 본 발명의 다중대역 주파수 혼합 장치는, 상측 게이트에 인가되는 직류 바이어스 전압을 제어함으로써 구현된 주파수 혼합기의 출력 신호의 전력 레벨을 제어할 수 있다. 따라서 혼합 장치의 가변 이득을 제어함으로써 각 동작대역에 따라 혼합 장치의 특성을 자유롭게 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 하나의 혼합기를 이용하여 다양한 주파수 대역에서 동작하도록 함으로써, 전체 시스템을 단순화할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 대역 선택이 가능하도록 하여 각 대역에서 독립된 혼합기로써 동작 가능하도록 함으로써, 광대역 혼합기와 달리 우수한 주파수 혼합 특성을 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대역 선택에 대해 디지털 신호 처리(digital signal processs; DSP) 방식 등을 이용한 소프트웨어 제어를 가능케 함으로써, 대역 선택 및 그 동작 특성에 대한 제어가 가능하고, 이를 통해 차세대 이동 통신 기술의 핵심인 SDR 기술에 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 변환하고자 하는 무선주파수(RF)신호와, 국부발진기(LO)신호를 그 입력으로 하여, 하향 변환된 주파수를 출력하기 위한, 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치에 있어서,

   상기 RF신호의 임피던스를 정합하기 위한 제1정합부;

   상기 LO신호의 임피던스를 정합하기 위한 제2정합부;

   상기 제1 및 제2정합부의 앞단에 각각 배치되는 제1 및 제2가변 커패시터; 및

   상기 제1 및 제2정합부의 출력신호를 입력으로 하는 2개의 단일 트랜지스터(제1 및 제2트랜지스터)가 캐스코드 구조로 연결되어, 주파수 하향 변환된 출력신호를 출력하기 위한 트랜지스터부

   를 포함하되, 상기 제1 및/또는 제2가변 커패시터의 커패시턴스를 각각 제어하는 직류 바이어스 전압을 변경하여, 동작하고자 하는 동작 주파수에서 임피던스 정합이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 트랜지스터부로부터 수신한 주파수 하향 변환된 출력신호의 임피던스를 정합하기 위한 제3정합부를 더 포함하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 트랜지스터부의 제1트랜지스터의 입력단 및 출력단과, 상기 제2트랜지스터의 입력단으로 직류 바이어스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 직류 바이어스 전압을 변경하여, 상기 트랜지스터부의 가변 이득을 제어하는 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 트랜지스터부의 상기 제1 및 제2트랜지스터는,

   전계 효과 트랜지스터(FET)인 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 트랜지스터부의 상기 제1 및 제2트랜지스터는,

   양극 접합 트랜지스터(BJT)인 것을 특징으로 하는 재구성 가능한 다중대역 주파수 혼합 장치.
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