KR20060088255A

KR20060088255A - 시분할 듀플렉스 시스템의 ｒｆ 송수신기

Info

Publication number: KR20060088255A
Application number: KR1020050009085A
Authority: KR
Inventors: 정혜숙
Original assignee: 정혜숙
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-04

Abstract

본 발명은 시분할 듀플렉스 시스템에 있어서 고출력 RF 신호를 스위칭하기 위한 RF 송수신기에 관한 것으로, RF 증폭기; RF 증폭기로부터 RF 신호를 입력받아 증폭시키는 고출력 증폭기; 고출력 증폭기 후단에 형성된 제 1 RF 스위치; 스퓨리어스 신호를 차단하는 제 1 대역 통과 필터; 및 RF 신호를 공간을 통하여 송출하는 송신 안테나;를 포함하는 송신부와, RF 신호를 수신하는 수신 안테나; 스퓨리어스 신호를 차단하는 제 2 대역 통과 필터; 저잡음 증폭기; 및 저잡음 증폭기 후단에 형성된 제 2 RF 스위치;를 포함하는 수신부로 구성된 RF 송수신기를 제공한다. 이에 따르면, 시분할 듀플렉스 시스템에 있어서 서큘레이터를 이용하지 않고 분리된 송수신 안테나를 사용함으로써 저출력 RF 스위치로 고출력 RF 스위칭이 가능하므로, RF 송수신 시스템의 신뢰성이 증가하고 RF 송수신기의 생산 비용이 절감된다.

시분할 듀플렉스, TDD, 송수신 안테나, 아이솔레이션, 스위치, 열잡음

Description

시분할 듀플렉스 시스템의 ＲＦ 송수신기 {RF transmitting and receiving apparatus in time division duplex system}

도 1은 종래 기술에 따른 시분할 듀플렉스(TDD) 시스템의 고출력 RF 신호를 스위칭하는 송수신기에 대한 일실시예의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 시분할 듀플렉스 시스템의 고출력 RF 신호를 스위칭하는 송수신기에 대한 다른 실시예의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 시분할 듀플렉스 시스템의 고출력 RF 신호를 스위칭하는 송수신기의 구성을 나타낸 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

100, 200, 300, 307: 무선 안테나 102, 202, 302, 309: 대역 통과 필터

203: RF 서큘레이터 103, 205, 208, 304, 309: RF 스위치

104, 204, 303: 고출력 증폭기 206, 305: RF 증폭기

105, 210, 311: 저잡음 증폭기

본 발명은 시분할 듀플렉스(Time Division Duplex, 이하 "TDD"라 함) 시스템 에 있어서 고출력 RF 신호를 스위칭하기 위한 RF 송수신기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 증폭기 후단에 발생하는 RF 스위치의 삽입 손실(insertion loss)을 절감시킬 수 있도록 저출력 RF 스위치를 사용하여 고출력 RF 신호를 스위칭하기 위한 RF 송수신기에 관한 것이다.

일반적으로, TDD 시스템은 동일한 송수신 주파수를 사용하되 정해진 시간 주기에 의해 송신과 수신을 선택하여 처리하기 위해 송신 신호의 출력단과 수신 신호의 입력단을 스위치로 스위칭하는 방식을 사용하고 있다.

도 1은 상기 종래 기술에 따른 TDD 시스템에서 RF 송수신기의 프론트 엔드(front-end)에 고출력 RF 스위치를 사용하여 고출력 RF 신호를 스위칭하는 송수신기의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, RF 신호 수신시, 무선 안테나(100)로부터 입력된 신호는 동축 케이블(101)을 거쳐 대역 통과 필터(Band Pass Filter, 이하 "BPF"라 함)(102)를 통과하게 된다. RF 신호는 BPF(102)를 통과하면서 대역 외의 불필요한 스퓨리어스 신호가 제거된 후, 고출력 RF 스위치(103)로 인가된다. RF 신호는 고출력 RF 스위치 (103)의 제어 상태에 따라 저잡음 증폭기 (Low Noise Amplifier, 이하 "LNA"라 함)(105)로 인가되어 증폭이 이루어진 후, 수신측으로 전달된다.

반대로 RF 신호 송신시에는, 송신측에서 입력된 RF 신호가 고출력 증폭기 (104), 고출력 RF 스위치(103), BPF(102) 및 동축 케이블(101)을 순서대로 거친 후, 무선 안테나(100)를 통해 송신된다.

상기 예에 따른 송수신기는 RF 스위치가 1개만 사용되고 그 구조가 간단하다 는 이점이 있는 반면에, 스위치가 고출력용이어야 하므로 비용이 매우 증가할 뿐만 아니라 송수신 시스템의 신뢰성에 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 인해 종래 TDD 방식에서 고출력 RF 신호를 스위칭하기 위한 다른 예로 RF 송수신기의 프론트 엔드에 서큘레이터를 사용함으로써 저출력 RF 스위치로 고출력 RF 신호를 스위칭하는 방식이 소개되어 있다.

도 2는 종래 TDD 시스템에서 고출력 RF 신호를 저출력 RF 스위치로 스위칭하는 송수신기에 대한 다른 실시예의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2를 도 1과 비교하면, 송수신 경로의 교차 단자에 고출력 RF 스위치가 RF 서큘레이터(203)로 대치되었다는 점이 주목된다.

도 2에 도시된 RF 서큘레이터(203)는, 3개 단자, 즉 무선 안테나(200) 방향의 단자, 수신 경로 방향의 단자 및 송신 경로 방향의 단자로 이루어져 있는데, 각 단자 사이의 화살표 방향은 순방향의 신호 흐름을 나타내는 것이다. 순방향으로의 신호는 매우 적은 삽입 손실(대략 0.5dB 내외) 특성을 가져서 신호를 이 순방향으로 전달해 주는 역할을 하지만, 그 역방향으로의 신호는 매우 큰 감쇠 특성(대략 30dB 내외)을 가져서 역방향으로 신호가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 다만, 이 때 순방향으로 전달된 신호가 흐르는 단자의 부하에서 정합 특성이 완전하지 못하여 반사 성분이 생기면, 그 반사 성분만큼은 다시 순방향으로 이웃 단자에 전달될 것이다.

도 2를 참조하면, RF 신호 송신시, 송신측에서 입력된 RF 신호는 저출력 RF 스위치(205)의 제어 상태에 따라 RF 증폭기(206)로부터 고출력 증폭기(204)로 인가 된 후, 고출력 증폭기(204) 후단에 구비된 RF 서큘레이터(circulator)(203)로 인가된다. 이후, RF 신호는 BPF(202)에서 스퓨리어스 신호가 제거되고, 동축 케이블 (201)을 거쳐서 무선 안테나(200)를 통해 송신된다.

이 때, 고출력 증폭기(204) 출력단의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 특성 및 RF 서큘레이터(203)의 아이솔레이션(isolation) 특성의 불량으로 인해 수신부의 LNA(210)에 RF 송신 신호가 입력될 수 있다. 따라서, RF 서큘레이터(203)에 연결된 수신부를 종단기(209)와 연결시킴으로써 반사에 의해 재송신되는 신호를 제거하고 동시에 LNA(210)를 보호할 수 있게 된다.

또한, 상기 종단기(209)는, 송신 RF 신호가 존재하지 않는 경우라도, 상온(25℃=298K)에서 약 -174dBm/Hz의 백색 잡음으로 존재하는 열잡음(thermal noise)등이 송신 경로상의 증폭기(204, 206)를 거치면서 증폭되어 수신 신호에 잡음을 유발하는 것을 차단하게 된다.

반대로, RF 신호 수신시에는, 무선 안테나(200)를 통해 유입된 RF 신호가 송신부로 유입되더라도 고출력 증폭기(204) 입력단을 종단기(207)와 연결시켜, 유입된 RF 신호가 차단된다.

그러나, RF 서큘레이터(203)의 단자간 아이솔레이션 특성은 일반적으로 약 30dB이고, 고출력 증폭기(204)의 이득 및 잡음 지수(noise factor)는 각각 15dB로 설계되어 있는 것으로 가정하면, 고출력 증폭기(204)의 출력단에서는 -174dBm/Hz + 30dB의 잡음 레벨이 출력되고, 이러한 잡음 레벨은 RF 서큘레이터(203)의 포트간 아이솔레이션에 의해 30dB가 감쇠되어 -174dBm/Hz으로 수신부의 RF 스위치(208)로 누설된다. 이 정도의 잡음 레벨은 잡음 지수 성분을 증가시켜, 수신부의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR) 특성을 악화시킨다.

또한, RF 서큘레이터(203)의 단자간 제한된 아이솔레이션 특성(일반적으로 약 30dB)으로 인해 고출력 증폭기(204)의 이득이 제한을 받게 되므로, 매우 높은 출력에서는 RF 스위치(205)로 저출력 RF 스위치가 아닌 고출력 RF 스위치를 사용해야 한다는 문제점이 있다. 더욱이, 고출력 증폭기는 고이득(일반적으로 30dB에서 55dB)을 갖는 모듈로 형성되어 있는데, 고출력 증폭기 내부에 RF 스위치가 내장되어 있어서 시스템과의 인터페이스가 복잡해진다는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 서큘레이터를 사용하지 않으면서도 TDD 시스템의 고출력 증폭기 후단에 발생하는 고출력 RF 스위치의 삽입 손실(insertion loss)을 절감시킬 수 있도록 저출력 RF 스위치를 사용하여 고출력 RF 신호를 스위칭하기 위한 RF 송수신기를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 RF 송수신기는, RF 신호를 입력받아 증폭시키는 RF 증폭기; RF 증폭기로부터 RF 신호를 입력받아 증폭시키는 고출력 증폭기; 제 1 단자는 고출력 증폭기 후단에 연결되고, 제 2 단자는 RF 증폭기에 연결되며, 제 3 단자는 접지된 제 1 RF 스위치; 고출력 증폭기로부터 인가된 RF 신호는 통과시키고, 통과 대역 외의 스퓨리어스 신호를 차단하는 제 1 대 역 통과 필터; 및 제 1 대역 통과 필터로부터 출력된 RF 신호를 공간을 통하여 송출하는 송신 안테나;를 포함하는 송신부와, 공간으로부터 RF 신호를 수신하는 수신 안테나; 수신 안테나로부터 인가된 RF 신호는 통과시키고, 통과 대역 외의 스퓨리어스 신호를 차단하는 제 2 대역 통과 필터; 제 2 대역 통과 필터로부터 출력된 RF 신호를 저잡음 증폭시켜 출력하는 저잡음 증폭기; 및 제 1 단자는 저잡음 증폭기 후단에 연결되고 제 2 단자는 제 2 대역 통과 필터에 연결되며 제 3 단자는 접지된 제 2 RF 스위치;를 포함하는 수신부로 구성된다.

상기 송신 안테나와 수신 안테나는 이격되어 형성됨으로써 RF 송신부의 고출력 증폭기의 이득에 영향을 주지 않는 아이솔레이션(isolation) 특성을 갖도록 형성된다.

바람직하게는 상기 제 1 및 제 2 RF 스위치는 저출력 스위치로 구성된다.

이하에서, 본 발명에 따른 시분할 듀플렉스 시스템의 RF 송수신기를 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 시분할 듀플렉스 시스템의 고출력 RF 신호를 스위칭하는 송수신기의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 3을 참조하면, RF 신호 송신시, 송신 RF 신호는 RF 증폭기(305)에서 증폭된 후, 단자의 일측이 접지된 RF 스위치(304)의 제어 상태에 따라 고출력 증폭기(303)에 인가된다. 이후, 고출력 증폭기(303)에서 증폭된 송신 RF 신호는 BPF(302)를 거쳐 통과 대역 외의 스퓨리어스(spurious) 신호가 제거되고, 동축 케이블(301)을 거쳐 송신 안테나(300)를 통해 공간으로 방사된다. 이 때, 송신 RF 신호가 송신되지 않는 경우에 RF 스위치(304) 는 고출력 증폭기(303)의 입력을 종단기(306)로 연결시켜 접지시킴으로써 열잡음(thermal noise)을 증폭하는 RF 증폭기(305)의 출력을 제거하여 송신 안테나(300)를 통하여 방사되는 열잡음 레벨을 최소화시키게 된다.

반대로 RF 신호 수신시, 수신 RF 신호는 수신 안테나(307) 및 동축 케이블(308)을 거쳐 BPF(309)에서 대역 외의 스퓨리어스 신호가 제거된다. BPF(309)를 통과한 수신 RF 신호는 RF 스위치(310)의 제어 상태에 따라 LNA(312)로 인가되어 증폭된다. 이 때, 수신 RF 신호가 수신되지 않는 경우에 RF 스위치(310)는 BPF(309)의 출력을 종단기(311)로 연결시켜 접지시킴으로써, 고출력 송신 RF 신호가 LNA(312)로 입력되는 것을 방지하게 된다.

도 3에서, 송신 안테나(300)와 수신 안테나(307) 사이에 점선으로 표시된 부분은 양 안테나가 이격되어 아이솔레이션 특성을 갖는 것을 의미하는데, 통상적으로 송수신 안테나(300, 307)의 이격 거리가 1.5m 이상이면, 양 안테나간의 아이솔레이션 특성은 70dB 이상 확보될 수 있다.

한편, 동축 케이블(301, 307) 및 BPF(302, 309)의 삽입 손실이 각각 4dB 및 1dB라 가정하고, 고출력 증폭기(303)의 이득이 55dB, 잡음 지수가 5dB라 가정하고, 본 발명에 따른 RF 송수신기의 잡음 레벨을 살펴보기로 한다.

RF 스위치(304)가 고출력 증폭기(303)의 입력을 종단기(306)에 연결시키고 있는 경우, 고출력 증폭기(303)의 잡음 레벨은 -174dBm/Hz + 55dB(고출력 증폭기의 이득) + 5dB(고출력 증폭기의 잡음 지수)이 될 것이다. 이 경우, 수신 안테나(307)에 도달하는 잡음 레벨은 BPF(302) 및 동축 케이블(301)의 삽입 손실과 송수신 안 테나간의 아이솔레이션 특성을 고려하면, -174dBm/Hz + 60dB - 1dB(BPF 삽입 손실) - 4dB(동축 케이블 삽입 손실) - 70dB(송수신 안테나간 아이솔레이션 특성) = -174dBm/Hz - 15dB 이 될 것이다. 이러한 레벨은 열잡음 레벨 이하의 것으로서 수신 안테나(306)로 수신되는 RF 신호에 전혀 영향을 끼칠 수 없게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 RF 송수신기는 프론트 엔드에 서큘레이터를 사용하는 대신에 송수신 안테나를 각각 사용하여 송신 경로와 수신 경로를 별개로 함으로써, 충분한 아이솔레이션 특성을 얻을 수 있게 되므로, 저출력 RF 스위치를 사용하여 고출력 RF 스위칭이 가능하게 되는 것이다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 시분할 듀플렉스 시스템의 RF 송수신기에 따르면, 서큘레이터를 사용하지 않고 별개의 송수신 안테나를 사용함으로써 저출력 RF 스위치로 고출력 RF 스위칭을 행할 수 있다. 따라서, 고이득의 모듈로 구성되는 고출력 증폭기에 RF 스위치를 삽입할 필요가 없게 되어 RF 스위칭 인터페이스가 불필요하게 된다. 또한, 저출력 RF 스위치를 사용하므로, RF 송수신 시스템의 신뢰성이 증가하고, RF 송수신기 제작 비용이 절감된다.

Claims

송신부 및 수신부로 이루어진 시분할 듀플렉스 시스템의 RF 송수신기에 있어서,

상기 송신부는, RF 신호를 입력받아 증폭시키는 RF 증폭기; 상기 RF 증폭기로부터 RF 신호를 입력받아 증폭시키는 고출력 증폭기; 제 1 단자는 상기 고출력 증폭기 후단에 연결되고, 제 2 단자는 상기 RF 증폭기에 연결되며, 제 3 단자는 접지된 제 1 RF 스위치; 상기 고출력 증폭기로부터 인가된 RF 신호는 통과시키고, 통과 대역 외의 신호를 차단하는 제 1 대역 통과 필터; 및 상기 제 1 대역 통과 필터로부터 출력된 RF 신호를 공간을 통하여 송출하는 송신 안테나;를 포함하고,

상기 수신부는, 공간으로부터 RF 신호를 수신하는 수신 안테나; 상기 수신 안테나로부터 인가된 RF 신호는 통과시키고, 통과 대역 외의 신호를 차단하는 제 2 대역 통과 필터; 상기 제 2 대역 통과 필터로부터 출력된 RF 신호를 저잡음 증폭시켜 출력하는 저잡음 증폭기; 및 제 1 단자는 상기 저잡음 증폭기 후단에 연결되고, 제 2 단자는 상기 제 2 대역 통과 필터에 연결되며, 제 3 단자는 접지된 제 2 RF 스위치;를 포함하되,

상기 송신 안테나와 수신 안테나는, 공간(air)상에서 이격되어 형성됨으로써 아이솔레이션 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 시분할 듀플렉스 시스템의 RF 송수신기.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 RF 스위치 중 적어도 하나는 저출력 RF 스위치인 것을 특징으로 하는 시분할 듀플렉스 시스템의 RF 송수신기.