KR20200122918A - Beamforming system and calibration method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a beamforming antenna system and a calibration method thereof. The beamforming antenna system comprises: a plurality of power amplifiers each outputting a transmission signal; a delta-sigma-modulated DC-DC conversion unit generating a power supply voltage which varies in response to the output power of the plurality of power amplifiers in a delta-sigma modulation method, and supplying the generated power voltage to the plurality of power amplifiers; and a first amplifier amplifying a first signal among signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers in a calibration mode. The beamforming antenna system further includes a baseband unit receiving a first baseband signal corresponding to the first signal and setting a reference voltage input to the delta-sigma modulation DC-DC conversion unit using the first baseband signal.

Description

빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법{BEAMFORMING SYSTEM AND CALIBRATION METHOD THEREOF}Beamforming antenna system and its calibration method {BEAMFORMING SYSTEM AND CALIBRATION METHOD THEREOF}

본 발명은 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a beamforming antenna system and a calibration method thereof.

5G 네트워크 및 군수용 무선통신망 구축에 필요한 기술의 하나로서, 밀리미터파 대역에서 다수의 안테나 배열(antenna array)를 이용한 빔포밍(beamforming) 기술이 개발되어 왔다. 그러나 빔포밍 기술은 다수의 안테나 배열을 위한 다수의 전력 증폭기로 인해서 에너지 소모가 많고 다수의 구성 요소 간의 교정(calibration) 비용 등의 문제로 배터리로 동작하는 단말기에는 적용이 어려웠다. As one of the technologies required to build a 5G network and military wireless communication network, a beamforming technology using a plurality of antenna arrays in the millimeter wave band has been developed. However, the beamforming technology is difficult to apply to a battery-operated terminal due to problems such as high energy consumption due to a large number of power amplifiers for a large number of antenna arrays and a calibration cost between a large number of components.

무선통신 시스템에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력증폭기(Power Amplifier, PA)의 효율을 높이기 위한 기술들이 제안되었다. 대표적인 기술로는 전력증폭기(PA)의 전원 전압을 증폭기 출력 신호의 포락선에 맞추어 전력 소모를 줄이는 포락선추적(Envelope Tracking, ET) 방식과 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압 수준으로 전원 전압을 조정하는 평균전력추적(Average Power Tracking, APT) 방식이 있다. 그리고 최대 출력에서 6dB back-off 조건에서 최대 효율 갖는 Doherty 방식(S. Cripps, Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design, Artech House, 2002)이 있다. 한편, 상기 방식들을 2가지 이상을 조합하는 기법이 있다. 예를 들어, ET와 ATP 방식을 조합하여 전체 출력전력에 대해 높은 효율을 얻은 방식으로 미국등록특허번호 9,991,856가 있다. Technologies have been proposed to increase the efficiency of a power amplifier (PA) that consumes the most power in a wireless communication system. Typical technologies include Envelope Tracking (ET), which reduces power consumption by matching the power supply voltage of the power amplifier (PA) to the envelope of the output signal of the amplifier, and adjusts the power voltage to the average voltage level for a certain section of the transmission signal. There is an average power tracking (APT) method. And there is a Doherty method (S. Cripps, Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design, Artech House, 2002) that has maximum efficiency under 6dB back-off condition at maximum output. Meanwhile, there is a technique of combining two or more of the above methods. For example, there is U.S. Patent No. 9,991,856 as a method of obtaining high efficiency with respect to the total output power by combining the ET and ATP methods.

그러나 기존의 방식들은 다수의 PA, 다수의 위상 변위기, 다수의 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LAN)가 배열(array) 구조로 한 칩에 집적된 빔포밍 시스템에서 효율적으로 APT 또는 ET를 적용하는 방식은 제시되지 않았다. However, the existing methods are an array structure of multiple PAs, multiple phase shifters, and multiple low noise amplifiers (LANs), in which APT or ET is efficiently applied in a beamforming system integrated on one chip. No method was presented.

한편, 최근에 빔포밍 안테나 시스템에 APT 또는 ET를 적용하는 방안으로 미국공개특허번호 2018/0262994이 있다. 이 발명에서는 빔포밍 전치부(Front End Module, FEM)을 구성하는 복수의 PA의 전원은 각각 복수의 전원공급기에 연결되고, 전원공급기의 입력으로 송신 신호의 포락선 신호를 받도록 하여, APT 또는 ET가 적용되었다. 그러나 이 발명의 구조에서는 전원공급기가 포락선 신호의 빠른 변동에 대응하여 PA에 전원을 공급하는 방법을 제공하지 않고 있으며 빔 형성에 필수적인 다수의 PA간의 교정 방법을 제공하지 않고 있다. 한편, 전원공급기로서 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 DC-DC 변화기 구조를 적용하면, 전원공급기의 주기적인 펄스 신호에 의한 스퓨리어스 하모닉스(spurious harmonics) 신호가 PA 출력에서 발생할 수 있다. On the other hand, recently, as a method of applying APT or ET to a beamforming antenna system, there is US Patent Publication No. 2018/0262994. In this invention, the power of a plurality of PAs constituting a beamforming front part (Front End Module, FEM) is connected to a plurality of power supplies, respectively, and receives the envelope signal of the transmission signal through the input of the power supply, so that APT or ET is applied. Became. However, in the structure of this invention, the power supply does not provide a method of supplying power to the PA in response to a rapid fluctuation of the envelope signal, and does not provide a method of calibrating a plurality of PAs essential for beam formation. On the other hand, if a PWM (Pulse Width Modulation) type DC-DC converter structure is applied as a power supply, a spurious harmonics signal by a periodic pulse signal of the power supply may be generated at the PA output.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전력 소모를 줄이고 다수의 PA 간의 교정을 수행할 수 있는 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a beamforming antenna system capable of reducing power consumption and performing calibration between a plurality of PAs, and a calibration method thereof.

본 발명의 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 시스템이 제공된다. 상기 빔포밍 안테나 시스템은, 송신 신호를 각각 출력하는 복수의 전력증폭기, 상기 복수의 전력증폭기의 출력 전력에 대응하여 변동되는 전원 전압을 델타-시그마 변조방식으로 생성하며, 상기 전원 전압을 상기 복수의 전력 증폭기에 공급하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부, 수신 신호를 증폭하며, 교정 모드에서 상기 다수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호 중 제1 신호를 증폭하는 제1 증폭기, 그리고 상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a beamforming antenna system is provided. The beamforming antenna system generates a plurality of power amplifiers each outputting a transmission signal, a power supply voltage that varies in response to the output power of the plurality of power amplifiers by a delta-sigma modulation method, and generates the power supply voltage by the plurality of power amplifiers. A delta-sigma-modulated DC-DC converter supplied to a power amplifier, a first amplifier amplifying a received signal and amplifying a first signal among signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers in a calibration mode, and the first A baseband unit configured to receive a first baseband signal corresponding to a signal and set a reference voltage input to the delta-sigma-modulated DC-DC converter by using the first baseband signal.

상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하여 상기 제1 증폭기로 출력하는 선택기를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system may further include a selector receiving signals proportional to output signals of the plurality of power amplifiers, selecting the first signal, and outputting the first signal to the first amplifier.

상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 각각 생성하여 상기 선택기로 출력하는 복수의 커플러를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system may further include a plurality of couplers respectively generating signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers and outputting them to the selector.

상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기일 수 있다. The first amplifier may be a low noise amplifier.

상기 제1 증폭기는, 상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터, The first amplifier, a first amplifier transistor for amplifying the received signal,

상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고 상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함할 수 있다. A second amplifier transistor that amplifies the first signal, and a load unit connected to an output terminal of the first amplifier transistor and an output terminal of the second amplifier transistor and performing a frequency tuning operation.

상기 제1 증폭기 트랜지스터는 상기 제1 증폭기를 포함하는 수신부가 수신 동작을 수행할 시에 턴온될 수 있으며, 상기 제2 증폭기 트랜지스터는 상기 기준 전압에 대한 교정 과정을 수행할 시에 턴온될 수 있다. The first amplifier transistor may be turned on when a receiving unit including the first amplifier performs a reception operation, and the second amplifier transistor may be turned on when a calibration process for the reference voltage is performed.

상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정할 수 있다. The baseband unit may set the gains of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal.

상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하며, 상기 그래프를 이용하여 상기 기준 전압에 대한 정보를 도출할 수 있다. The baseband unit may calculate graphs representing output characteristics of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal, and derive information on the reference voltage using the graphs.

상기 빔포밍 안테나 시스템은, 상기 제1 신호에 대한 위상을 조정하는 위상 변위기, 상기 위상 변위기의 출력에 대해서 주파수를 하향 변환하는 하향 변환부, 그리고 상기 하향 변환부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 제1 베이스 밴드 신호를 상기 베이스밴드부로 출력하는 아날로그디지털 변환부를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system includes a phase shifter for adjusting a phase of the first signal, a down-conversion unit for down-converting a frequency with respect to an output of the phase shifter, and an output signal of the down-conversion unit into a digital signal. Thus, it may further include an analog-to-digital conversion unit for outputting the first baseband signal to the baseband unit.

상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부는 상기 기준 전압에 비례하는 상기 전원 전압을 생성할 수 있다. The delta-sigma modulation DC-DC converter may generate the power voltage proportional to the reference voltage.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, RF 전치단을 포함하는 빔포밍 안테나 시스템이 상기 RF 전치단에 대한 교정을 수행하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 RF 전치단에 포함된 복수의 전력증폭기의 출력 신호에 대응하는 신호 중 제1 신호를 선택하는 단계, 상기 제1 신호를 수신부에 포함된 제1 증폭기를 통해 증폭하는 단계, 상기 증폭된 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정하는 단계를 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method in which a beamforming antenna system including an RF preposition performs calibration on the RF preposition. The method comprises the steps of selecting a first signal from among signals corresponding to output signals of a plurality of power amplifiers included in the RF preposition, amplifying the first signal through a first amplifier included in a receiver, the The method may include generating a first baseband signal corresponding to the amplified first signal, and setting gains of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal.

상기 방법은, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하는 단계, 그리고 상기 그래프를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기에 공급할 전원 전압을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method includes calculating graphs representing output characteristics of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal, and deriving power voltages to be supplied to the plurality of power amplifiers using the graphs. It may contain more.

상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 전원 전압을 생성하여 상기 복수의 전력증폭기에 제공하며 델타시그마 변조를 수행하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부를 더 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 도출된 전원 전압을 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system may further include a delta-sigma-modulated DC-DC converter that generates the power supply voltage and provides it to the plurality of power amplifiers and performs delta-sigma modulation, and the method uses the derived power supply voltage. Thus, the step of deriving a reference voltage input to the delta sigma modulation DC-DC conversion unit may further include.

상기 교정은 상기 빔포밍 안테나 시스템이 단말기에 탑재되기 전이나 상기 빔포밍 안테나 시스템이 상기 단말기에 탑재된 후 상기 단말기의 초기 구동될 시에 수행될 수 있다. The calibration may be performed before the beamforming antenna system is mounted on the terminal or when the terminal is initially driven after the beamforming antenna system is mounted on the terminal.

상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기일 수 있다. The first amplifier may be a low noise amplifier.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 시스템이 제공된다. 상기 빔포밍 안테나 시스템은, 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 전력증폭기, 델타시그마 변조를 통해 상기 복수의 전력증폭기에 전원 전압을 공급하며, 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압으로 상기 전원 전압을 조정하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부, 상기 복수의 전력증폭기의 출력단에 각각 연결되며 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 생성하는 복수의 커플러, 그리고 수신 신호를 증폭하는 복수의 저잡음증폭기를 포함할 수 있으며, 상기 비례하는 신호 중 제1 신호는 상기 복수의 저잡음증폭기 중 제1 저잡음증폭기에 입력될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a beamforming antenna system is provided. The beamforming antenna system supplies power voltages to the plurality of power amplifiers through a plurality of power amplifiers outputting a beamforming signal, delta-sigma modulation, and adjusts the power supply voltage to an average voltage for a predetermined period of a transmission signal. A delta-sigma-modulated DC-DC converter, a plurality of couplers each connected to the output terminals of the plurality of power amplifiers and generating signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers, and a plurality of low noise amplifiers amplifying received signals A first signal among the proportional signals may be input to a first low noise amplifier among the plurality of low noise amplifiers.

상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하는 선택기를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system may further include a selector for receiving the proportional signal and selecting the first signal.

상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 더 포함할 수 있다. The beamforming antenna system receives a first baseband signal corresponding to the first signal, and sets a reference voltage input to the delta-sigma modulated DC-DC converter using the first baseband signal. It may further include.

상기 제1 저잡음증폭기는, 상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터, 상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고 상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함할 수 있다. The first low-noise amplifier is connected to a first amplifier transistor for amplifying the received signal, a second amplifier transistor for amplifying the first signal, and an output terminal of the first amplifier transistor and an output terminal of the second amplifier transistor. It may include a load unit that performs a tuning operation.

상기 제1 증폭기 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 서로 다른 시간에 턴온될 수 있다. The first amplifier transistor and the second transistor may be turned on at different times.

본 발명의 실시예에 따르면 델타시그마 변조 기반의 DC-DC 변환부를 이용하여 전력증폭기에 공급할 전원 전압을 생성함으로써, 전력 소모를 줄일 수 있고 빠른 부하 전력 변동에 적합한 APT 송신기를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, by generating a power supply voltage to be supplied to a power amplifier using a delta-sigma modulation-based DC-DC converter, it is possible to reduce power consumption and provide an APT transmitter suitable for rapid load power change.

본 발명의 실시예에 따르면 RF 전치부의 교정 과정을 낮은 하드웨어 복잡 및 비용으로 구현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the calibration process of the RF preposition can be implemented with low hardware complexity and cost.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 커플러와 복수의 PA 간의 연결관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNA를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템의 교정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부의 빠른 과도 응답을 나타내는 시뮬레이션 그래프다.1 is a diagram illustrating a beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a connection relationship between a plurality of couplers and a plurality of PAs according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an LNA according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of calibrating a beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention.
5 is a simulation graph showing a fast transient response of a DSM DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the embodiments of the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 델타-시그마 변조 기반의 평균전력추적(APT) 방식이 적용된다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템 및 그 교정 방법에 대해서 설명한다. In the beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention, an average power tracking (APT) method based on delta-sigma modulation is applied. A beamforming antenna system and a calibration method thereof according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템을 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)은 안테나부(110), RF(Radio Frequency) 전치부(Front End Module, FEM)(120), 베이스밴드부(130), 델타시그마변조(Delt-Sigma Modulation, DSM) DC(Direct Current)-DC(Direct Current) 변환부(140), 디지털아날로그 변환부(Digital-to-Analog Converter, DAC)(150), 송신기 상향변환부(Transmitter UpConversion, Tx U/C)(160), 아날로그디지털 변환부(Analog-to-Digital Converter, ADC)(170), 수신기 하향변환부(Receiver DownConversion, Rx D/C)(180), 그리고 RF 증폭기(190)를 포함한다. 도 1에서, DAC(150), Tx U/C(160), 전력 분배기(123), PA(121), 그리고 위상 변위기(122)는 송신부를 형성하고, LNA(124), 위상 변위기(125), 전력 결합기(126), Rx D/C, 그리고 ADC(170)는 수신부를 형성한다. As shown in FIG. 1, the beamforming antenna system 100 according to an embodiment of the present invention includes an antenna unit 110, a radio frequency (RF) front end module (FEM) 120, and a baseband unit 130. , Delta-Sigma Modulation (DSM) DC (Direct Current)-DC (Direct Current) converter 140, Digital-to-Analog Converter (DAC) 150, transmitter upconversion Transmitter upconversion (Tx U/C) 160, analog-to-digital converter (ADC) 170, receiver downconversion (Rx D/C) 180, and It includes an RF amplifier 190. In FIG. 1, the DAC 150, Tx U/C 160, the power divider 123, the PA 121, and the phase shifter 122 form a transmitter, and the LNA 124, the phase shifter ( 125), the power combiner 126, Rx D/C, and the ADC 170 form a receiver.

안테나부(110)는 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 안테나 소자(111), 그리고 복수의 안테나 소자(111)에 각각 연결되며 송신과 수신을 스위칭하는 송수신 스위치(112)를 포함한다. The antenna unit 110 includes a plurality of antenna elements 111 for outputting a beamforming signal, and a transmission/reception switch 112 connected to the plurality of antenna elements 111, respectively, for switching transmission and reception.

RF 전치부(120)는 복수의 전력증폭기(Power Amplifier, PA)(121), 복수의 PA(121)의 입력에 각각 연결되며 송신 신호의 위상을 조정하는 복수의 위상변위기(122), 전력 분배기(123), 복수의 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LNA), 복수의 저잡음증폭기(124)의 출력에 각각 연결되며 수신 신호의 위상을 조정하는 복수의 위상변위기(125), 전력 결합기(126), 복수의 커플러(127), 그리고 선택기(Multiplexer, MUX)(128)을 포함한다. RF 전치부(120)에서 복수의 위상 변위기(122), 전력 분배기(123), 복수의 위상 변위기(125), 그리고 전력 결합기(126)는 본 발명이 속한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 PA(121)는 동일한 기저대역 신호에 대해서 동작하는 전력 증폭기이다. The RF preposition unit 120 is connected to the inputs of a plurality of power amplifiers (PAs) 121 and a plurality of PAs 121, respectively, and a plurality of phase shifters 122 that adjust the phase of a transmission signal, a power divider (123), a plurality of low noise amplifiers (LNA), a plurality of phase shifters 125, which are respectively connected to the outputs of the plurality of low noise amplifiers 124 and adjust the phase of the received signal, and a power combiner 126 , A plurality of couplers 127, and a selector (Multiplexer, MUX) (128). In the RF preposition 120, a plurality of phase shifters 122, a power divider 123, a plurality of phase shifters 125, and a power combiner 126 are those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs. As can be seen, detailed descriptions will be omitted. Meanwhile, the plurality of PAs 121 according to the embodiment of the present invention are power amplifiers that operate on the same baseband signal.

본 발명의 실시예 따른 복수의 PA(121)는 전원 전압(VDDPA)을 DSM DC-DC 변환부(140)로부터 공급 받으며, 송신 신호를 각각 증폭한다. 즉, APT(Average Power Tracking)을 통해 전력 소비를 줄이기 위해, 복수의 PA(121)의 전원 전압(VDDPA)은 DSM DC-DC 변환부(140)로부터 공급 받는다. 그리고 DSM DC-DC 변환부(140)에 의해, 전원 전압(VDDPA)은 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압 수준으로 유지되고 변동된다. The plurality of PAs 121 according to an exemplary embodiment of the present invention receive a power supply voltage VDD PA from the DSM DC-DC converter 140 and amplify a transmission signal, respectively. That is, in order to reduce power consumption through average power tracking (APT), the power voltages VDD PA of the plurality of PAs 121 are supplied from the DSM DC-DC converter 140. In addition, by the DSM DC-DC converter 140, the power supply voltage VDD PA is maintained and varied at the average voltage level for a predetermined period of the transmission signal.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 커플러(127)와 복수의 PA(121) 간의 연결관계를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수의 커플러(127)는 각각 복수의 PA(121)의 출력단에 자기적으로 결합되며 출력 신호에 비례하는 신호를 생성하여 선택기(128)로 제공한다. 즉, 복수의 PA(121)의 출력단에는 일반적으로 인턱터 또는 트랜스포머가 있는데, 복수의 커플러(127)는 이러한 인덕터(또는 트랜스포머)에 자기적으로 결합되어, PA(121)의 출력 신호에 비례하는 신호를 선택기(128)로 출력한다. 2 is a diagram illustrating a connection relationship between a plurality of couplers 127 and a plurality of PAs 121 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a plurality of couplers 127 are magnetically coupled to the output terminals of the plurality of PAs 121, respectively, and generate a signal proportional to the output signal and provide it to the selector 128. That is, there is generally an inductor or a transformer at the output terminal of the plurality of PAs 121, and the plurality of couplers 127 are magnetically coupled to such an inductor (or transformer), and a signal proportional to the output signal of the PA 121 Is output to the selector 128.

본 발명의 실시예에 따른 선택기(128)는 커플러(127)로부터 입력되는 신호 중 교정(calibration) 대상을 선택한다. 설명의 편의 상, 선택기(128)가 선택한 신호를 '루프백(loopback) 신호'라 한다. 선택기(128)는 베이스밴드 모뎀(130)의 제어 의해 순차적으로 루프백 신호를 선택할 수 있다. 그리고 선택기(128)은 선택한 신호(즉, 루프백 신호)를 복수의 LNA(124) 중 하나의 LNA로 출력한다. The selector 128 according to an embodiment of the present invention selects a calibration target among signals input from the coupler 127. For convenience of explanation, the signal selected by the selector 128 is referred to as a'loopback signal'. The selector 128 may sequentially select a loopback signal under the control of the baseband modem 130. In addition, the selector 128 outputs the selected signal (ie, a loopback signal) to one of the plurality of LNAs 124.

복수의 LNA(124)는 송수신 스위치(112)로부터 수신 신호를 각각 입력 받아 저잡음으로 증폭한다. 그리고, 선택기(128)로부터 루프백 신호를 입력 받은 하나의 LNA(124)는 루프백 신호도 증폭하여 베이스밴드부(130)로 입력되도록 한다. 복수의 LNA(124)가 루프백 신호를 증폭하는 방법은 아래의 도 3에서 더욱 상세하게 설명한다. The plurality of LNAs 124 receive each received signal from the transmission/reception switch 112 and amplify it with low noise. In addition, one LNA 124 receiving a loopback signal from the selector 128 also amplifies the loopback signal and inputs it to the baseband unit 130. A method of amplifying the loopback signal by the plurality of LNAs 124 will be described in more detail in FIG. 3 below.

한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 루프백 신호는 LNA(124)가 아닌 RF 증폭기(190)로 입력될 수 있다. 즉, 루프백 신호는 수신부의 증폭기인 LNA(124)와 RF 증폭기(190) 중 하나에 입력될 수 있다. PA(121)의 출력을 커플링한 신호인 루프백 신호는 신호 세기가 약하므로 증폭이 필요한데, 증폭을 위해 LNA(124)나 RF 증폭기(190)가 사용된다. 루프백 신호는 LNA(124)와 RF 증폭기(190) 중 하나에 입력되어 증폭될 수 있는데, 편의상 이하에서는 LNA(124)로 가정하여 설명한다. Meanwhile, as shown in FIG. 1, the loopback signal may be input to the RF amplifier 190 instead of the LNA 124. That is, the loopback signal may be input to one of the LNA 124 and the RF amplifier 190, which are amplifiers of the receiver. The loopback signal, which is a signal coupled to the output of the PA 121, has a weak signal strength and needs to be amplified. For amplification, the LNA 124 or the RF amplifier 190 is used. The loopback signal may be input to one of the LNA 124 and the RF amplifier 190 to be amplified. For convenience, it is assumed that the LNA 124 is described below.

베이스밴드부(130)는 디지털 신호인 베이스밴드 송신 신호를 생성하여 DAC(150)로 출력하며, ADC(170)로부터 디지털 신호인 베이스밴드 수신 신호를 수신한다. DAC(150)는 베이스밴드부(130)로부터 입력 받은 베이스밴드 송신 신호를 아날로그 신호로 변환하며, Tx U/C(160)는 베이스밴드 송신 신호의 주파수 대역을 RF 대역으로 상향 변환한다. 그리고 Rx D/C(180)는 RF 증폭기(190)의 출력 신호(RF대역 수신신호)의 주파수 대역을 베이스밴드로 하향 변환한다. ADC(170)는 베이스밴드 수신 신호를 디지털 신호로 변화하여 베이스밴드부(130)로 출력한다. 베이스밴드부(130)는 제어신호를 통해 복수의 위상 변위기(122), 복수의 위상 변위기(125), 복수의 PA(121), 그리고 복수의 LNA(124)를 제어한다. 즉, 베이스밴드부(130)는 복수의 위상 변위기(122)의 이득 및 복수의 위상 변위기(125)의 이득을 조정한다. 그리고 베이스밴드부(130)는 복수의 PA(121)의 이득 및 복수의 LNA(124)의 이득을 조정한다. The baseband unit 130 generates a baseband transmission signal, which is a digital signal, and outputs it to the DAC 150, and receives a baseband reception signal, which is a digital signal, from the ADC 170. The DAC 150 converts the baseband transmission signal received from the baseband unit 130 into an analog signal, and the Tx U/C 160 up-converts the frequency band of the baseband transmission signal into an RF band. Further, the Rx D/C 180 down-converts the frequency band of the output signal (RF band reception signal) of the RF amplifier 190 to the baseband. The ADC 170 converts the baseband received signal into a digital signal and outputs it to the baseband unit 130. The baseband unit 130 controls a plurality of phase shifters 122, a plurality of phase shifters 125, a plurality of PAs 121, and a plurality of LNAs 124 through a control signal. That is, the baseband unit 130 adjusts the gains of the plurality of phase shifters 122 and the gains of the plurality of phase shifters 125. In addition, the baseband unit 130 adjusts the gains of the plurality of PAs 121 and the gains of the plurality of LNAs 124.

한편, 루프백 신호가 LNA(124)로 입력되므로, 루프백 신호는 LNA(124), 위상 변위기(125), 전력 결합기(126), RF 증폭기(190), Rx D/C(180), 그리고 ADC(170)를 통해 베이스밴드부(130)로 입력된다. 본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)는 수신한 루프백 신호를 이용하여 교정을 수행하는데, 이는 아래의 도 4에서 더욱 상세하게 설명한다. On the other hand, since the loopback signal is input to the LNA 124, the loopback signal is the LNA 124, the phase shifter 125, the power combiner 126, the RF amplifier 190, Rx D/C 180, and the ADC It is input to the baseband unit 130 through 170. The baseband unit 130 according to an embodiment of the present invention performs calibration using the received loopback signal, which will be described in more detail in FIG. 4 below.

DSM DC-DC 변환부(140)는 기준 전압(Vref)을 베이스밴드부(130)으로부터 입력 받으며, 저항 분배기(divider)를 통해 전원 전압(VDDPA)에 대응하는 전압(이하, 피드백 전압(Vfeedback))을 피드백 받는다. DSM DC-DC 변환부(140)는 기준 전압(Vref)와 피드백 전압(Vfeedback)을 비교하여 델타시그마 변조를 수행함으로써, PA(121)의 전원 전압(VDDPA)을 출력한다. 즉, DSM DC-DC 변환부(140)는 피드백 과정을 통해 전원 전압(VDDPA)이 기준 전압(Vref)에 비례하도록 제어한다. 그리고, DSM DC-DC 변환부(140)가 출력(공급)하는 전원 전압(VDDPA)는 기준 전압(Vref)에 의해 결정되고 기준 전압(Vref)은 루프백 신호에 의해 사전에 미리 설정된다. 즉, 전원 전압(VDDPA)은 PA(121)의 출력특성에 의해 미리 설정된다. DSM DC-DC 변환부(140)는 PWM 기반 DC-DC 변환 방식과 달리 스위치를 온오프하는 주파수가 랜덤하면서 소정의 시간 내에서는 평균 주파수를 가지는 방식인데, 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다. The DSM DC-DC conversion unit 140 receives the reference voltage V ref from the baseband unit 130, and a voltage corresponding to the power supply voltage VDD PA through a resistance divider (hereinafter, the feedback voltage V feedback )). The DSM DC-DC converter 140 compares the reference voltage V ref and the feedback voltage V feedback to perform delta-sigma modulation, thereby outputting the power voltage VDD PA of the PA 121. That is, the DSM DC-DC converter 140 controls the power voltage VDD PA to be proportional to the reference voltage Vref through a feedback process. In addition, the power voltage VDD PA output (supplied) from the DSM DC-DC converter 140 is determined by the reference voltage Vref, and the reference voltage Vref is preset by the loopback signal. That is, the power supply voltage VDD PA is set in advance by the output characteristic of the PA 121. Unlike the PWM-based DC-DC conversion method, the DSM DC-DC conversion unit 140 is a method in which the frequency at which the switch is turned on and off is random and has an average frequency within a predetermined time. As those of ordinary skill in the field can know, a detailed description will be omitted.

DSM DC-DC 변환부(140)는 일반적인 PWM 기반의 DC-DC 변환기에 비해 출력단의 스퓨리어스 하모닉스(spurious harmonics)가 작고 과도응답(transient response) 세틀링 타임(settling time)이 작아서, 수십 us 이내의 빠른 부하전력 제어가 필요한 APT 송신기에 적합하다. 본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)은 전원 전압(VDDPA)이 송신 신호의 일정 구간(예를 들면, LTE 또는 5G에서의 서브프레임 구간)내의 평균 전력에 비례하는 값이 되도록, 기준 전압(Vref)을 설정할 수 있다. 일반적으로 이동통신 신호의 서브 프레임 구간은 500us이므로, 평균 전력의 변동을 추적하기 위해 DC-DC 변환기의 세틀링 타임(settling time)을 수십 us이내로 맞추는 게 필요하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)는 수 MHz 이상의 높은 샘플링 주파수(fs)로 동작하고 인덕터(141)로 구성된 LC 필터의 대역폭을 높일 수 있으므로, APT 동작을 위한 세틀링 타임(settling time) 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)의 빠른 과도 응답을 나타내는 시뮬레이션 그래프다. 도 3에 나타낸 바와 같이, PA(121)의 출력 신호(PAout)에 대응하여 전원 전압(VDDPA)이 빠르게 응답한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 DSM DC-DC 변환부(140)에서, 전원 전압(VDDPA)의 세틀링 타임이 APT의 파워 트래킹 요구 사항을 만족시킨다. The DSM DC-DC converter 140 has a smaller spurious harmonics at the output stage and a smaller transient response settling time than a typical PWM-based DC-DC converter. It is suitable for APT transmitters requiring fast load power control. Baseband unit 130 according to an embodiment of the present invention is a reference so that the power supply voltage (VDD PA ) is a value proportional to the average power in a certain period of the transmission signal (for example, a subframe period in LTE or 5G). The voltage (Vref) can be set. In general, since the subframe period of the mobile communication signal is 500us, it is necessary to set the DC-DC converter's settling time within tens of us to track the fluctuation of the average power. Accordingly, the DSM DC-DC conversion unit 140 according to an embodiment of the present invention operates at a high sampling frequency (fs) of several MHz or more and can increase the bandwidth of the LC filter composed of the inductor 141, thereby reducing the APT operation. It can satisfy the settling time requirement for 5 is a simulation graph showing a fast transient response of the DSM DC-DC converter 140 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the power supply voltage VDD PA responds quickly in response to the output signal PAout of the PA 121. That is, in the DSM DC-DC converter 140 according to an embodiment of the present invention, the settling time of the power supply voltage VDD PA satisfies the APT power tracking requirement.

한편, 도 1에서 인덕터(141)는 커패시터(도시하지 않음)과 함께 필터로서 동작하며, 수동 소자이므로 직접화되기 힘들므로 DSM DC-DC 변환부(140)의 외부에 있는 것으로 나타내었다. Meanwhile, in FIG. 1, the inductor 141 operates as a filter together with a capacitor (not shown), and since it is a passive element, it is difficult to be directly integrated, so it is shown that it is outside the DSM DC-DC converter 140.

빔포밍 신호를 형성하기 위한 복수의 PA(121)는 서로 균일한 특성을 가지는 것이 필요하며, 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)은 커플러(127) 및 선택기(128)를 포함하며 선택기(128)의 출력 신호(루프백 신호)가 LNA(124)로 입력된다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다. A plurality of PAs 121 for forming a beamforming signal need to have uniform characteristics with each other, and for this purpose, the beamforming antenna system 100 according to an embodiment of the present invention includes a coupler 127 and a selector 128 And the output signal (loopback signal) of the selector 128 is input to the LNA 124. Hereinafter, a specific configuration and operation of the LNA 124 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)를 나타내는 도면이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 선택기(128)의 출력신호인 루프백 신호는 복수의 LNA(124)의 하나의 LNA로 입력되는데, 도 3의 LNA(124)는 루프백 신호가 입력되는 LNA이다. 3 is a diagram illustrating an LNA 124 according to an embodiment of the present invention. As described above, the loopback signal, which is an output signal of the selector 128, is input to one LNA of the plurality of LNAs 124, and the LNA 124 of FIG. 3 is an LNA to which the loopback signal is input.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LNA(124)는 제1 증폭기 트랜지스터(1241), 제2 증폭기 트랜지스터(1242), 그리고 로드(load)부(1243)을 포함한다. As shown in FIG. 3, the LNA 124 according to the embodiment of the present invention includes a first amplifier transistor 1241, a second amplifier transistor 1242, and a load unit 1243.

제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 수신 신호(Rx 신호)를 증폭하는 메인 트랜지스터이다. 일반적으로 LNA는 수신 신호를 증폭하는 메인 트랜지스터를 포함하고 있는데, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)가 바로 메인 트랜지스터이다. The first amplifier transistor 1241 is a main transistor that amplifies a received signal (Rx signal). In general, the LNA includes a main transistor that amplifies a received signal, and the first amplifier transistor 1241 is the main transistor.

제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 루프백 신호를 증폭하는 트랜지스터이다. 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 선택기(128)의 출력 신호인 루프백 신호를 입력 받으며 루프백 신호를 증폭한다. The second amplifier transistor 1242 is a transistor that amplifies a loopback signal. The second amplifier transistor 1242 receives a loopback signal, which is an output signal of the selector 128, and amplifies the loopback signal.

한편, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)와 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 서로 다른 시간에 동작한다. 제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 빔포밍 안테나 시스템(100)의 수신 동작 시에 턴온되어 동작한다. 그리고 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 루프백 신호를 이용하여 교정 과정(교정 모드 시)을 수행할 때 턴온되어 동작한다. 즉, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)는 제2 증폭기 트랜지스터(1242)가 턴온되어 동작할 시에는 턴오프된다. Meanwhile, the first amplifier transistor 1241 and the second amplifier transistor 1242 operate at different times. The first amplifier transistor 1241 is turned on and operates when the beamforming antenna system 100 receives operation. In addition, the second amplifier transistor 1242 is turned on and operates when performing a calibration process (in calibration mode) using a loopback signal. That is, the first amplifier transistor 1241 is turned off when the second amplifier transistor 1242 is turned on and operates.

로드부(1243)는 제1 증폭기 트랜지스터(1241) 및 제2 증폭기 트랜지스터(1242)의 출력단과 연결되며 특정 주파수만 선택적으로 증폭하는 주파수 튜닝 동작을 수행한다. 로드부(1243)는 추가적인 증폭을 위해 트랜지스터를 포함하고 있으며 특정 주파수를 선택적으로 튜닝하기 위해 LC 필터 소자를 포함하고 있다. 로드부(1243)의 구체적인 회로 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바 구체적인 설명은 생략한다. The load unit 1243 is connected to the output terminals of the first amplifier transistor 1241 and the second amplifier transistor 1242 and performs a frequency tuning operation for selectively amplifying only a specific frequency. The load unit 1243 includes a transistor for additional amplification and an LC filter element to selectively tune a specific frequency. A specific circuit configuration of the load unit 1243 may be known to those of ordinary skill in the art, and thus a detailed description thereof will be omitted.

도 3을 참조하면, 제1 증폭기 트랜지스터(1241)과 제2 증폭기 트랜지스터(1242)는 로드부(1243)를 서로 공유하고 있으며 서로 동작에 영향을 미치지 않게 하기 위해 다른 시간에 턴온된다. Referring to FIG. 3, the first amplifier transistor 1241 and the second amplifier transistor 1242 share the load unit 1243 and are turned on at different times so as not to affect the operation of each other.

한편, 도 2를 참조하면, 커플러(127)가 PA(121) 특성에 영향을 주지 않기 위해, 커플러(127)는 PA(121)의 출력 단에 있는 인덕터 또는 트랜스포머 내에서 상대적으로 매우 작은 크기의 나선 인덕터(spiral)로 구현될 수 있다. 그리고 선택기(128)는 복수의 PA(121)로부터 최대한 가까이 배치될 수 있다. PA(121) 출력단의 인덕터 또는 트랜스포머에 의해 형성된 자기장은 유도성 결합(inductive coupling)을 통해 커플러(127)에 유도전류를 생성시키며, 이 유도전류는 저항(도시하지 않음)과 선택기(128)를 통해 전압 신호로 변환되어 LNA(124)로 인가된다. Meanwhile, referring to FIG. 2, in order that the coupler 127 does not affect the characteristics of the PA 121, the coupler 127 has a relatively very small size within the inductor or transformer at the output terminal of the PA 121. It may be implemented as a spiral inductor. In addition, the selector 128 may be disposed as close as possible from the plurality of PAs 121. The magnetic field formed by the inductor or the transformer at the output terminal of the PA 121 generates an induced current in the coupler 127 through inductive coupling, and the induced current creates a resistance (not shown) and a selector 128. It is converted into a voltage signal and applied to the LNA (124).

LNA(124)의 출력 신호는 위상 변위기(125), 신호결합기(126), Rx D/C(180), ADC(170)를 통해 베이스밴드부(130)로 입력된다. 루프백 신호는 커플러(127)를 통해 획득된 신호이므로 신호 크기가 낮으므로, LNA(124)를 통해 증폭될 수 있다. 그리고 루프백 신호는 송신 RF 신호와 비례하는 신호이므로 주파수가 높으므로, Rx D/C(180)에 의해 주파수를 낮출 수 있다. The output signal of the LNA 124 is input to the baseband unit 130 through the phase shifter 125, the signal combiner 126, the Rx D/C 180, and the ADC 170. Since the loopback signal is a signal obtained through the coupler 127, the signal level is low, and thus can be amplified through the LNA 124. In addition, since the loopback signal is a signal proportional to the transmitted RF signal, the frequency is high, and thus the frequency can be lowered by the Rx D/C 180.

본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드부(130)는 RF 전치단(120)에 대한 교정(calibration) 제어를 수행하는데, 이에 대해서는 아래의 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 베이스밴드부(130)의 교정 제어는 빔포밍 안테나 시스템(100)이 단말기 등에 탑재되기 전인 설계 단계에서 수행될 수 있고 탐재된 후에는 단말기의 초기 구동 시에 수행될 수 있다. The baseband unit 130 according to the embodiment of the present invention performs calibration control on the RF preposition 120, which will be described in detail with reference to FIG. 4 below. The calibration control of the baseband unit 130 may be performed at the design stage before the beamforming antenna system 100 is mounted on a terminal or the like, and after detection, may be performed at the initial driving of the terminal.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템(100)의 교정 방법을 나타내는 플로우차트이다. 4 is a flowchart showing a method of calibrating the beamforming antenna system 100 according to an embodiment of the present invention.

도 4의 교정 방법은 RF 전치부(120) 내부의 PA(121) 및 LNA(124)의 교정 방법을 중심으로 나타내었으나, 위상 변위기(122, 125), Tx U/C(160), 그리고 Rx D/C(180)에 대한 교정에도 적용 가능하다. 도 4의 교정 방법은 LNA(124)를 포함하는 수신부에 대해서 먼저 수행하고, 조정된 값을 수신부의 제어 레지스터에 설정하여 특성을 균일하게 만춘 후에 PA(121)를 포함하는 송신부에 대해서 수행한다. The calibration method of FIG. 4 is shown mainly on the calibration method of the PA 121 and the LNA 124 inside the RF anterior part 120, but the phase shifters 122 and 125, Tx U/C 160, and Rx It is also applicable to the calibration for the D/C 180. The calibration method of FIG. 4 is performed first on the receiving unit including the LNA 124, and after setting the adjusted value in the control register of the receiving unit to make the characteristic uniform, then the transmission unit including the PA 121 is performed.

먼저, 빔포밍 안테나 시스템(100)은 수신부의 교정(calibration)을 수행한다(S410). 수신부의 교정 시(즉, 교정 모드)에는 송신부는 디스에이블(disable) 또는 오프(off)되고, LNA(124)를 포함하는 수신부가 턴온된다. 그리고 복수의 LNA(124) 중 첫 번째 LNA는 스위치(112)를 통해 외부의 기준신호 발생기(도시 하지 않음)와 연결된다. 이때, 베이스밴드부(130)은 RX D/C(180)와 ADC(170)를 통해 입력되는 I채널(I1) 및 Q채널(Q1) 신호를 이용하여, 진폭((√I2+Q2)과 위상(φ1)을 계산한다. 베이스밴드부(130)은 계산한 진폭과 위상을 소정의 기준 값(기준 진폭 값(Ar1), 기준 위상 값(φr1))과 비교한 후, 차이에 해당하는 보정 값을 LNA(124) 및 위상 변위기(125)의 이득 미세조정 레지스터에 설정한다. 예를 들어, 초기 설정한 이득이 G1인데 수신된 신호의 진폭 이득이 공정 및 온도 변화 등으로 인해 G1-Δ1으로 측정된 경우, 베이스밴드부(130)는 LNA의 이득이 G1+Δ1이 되도록 미세조정 레지스터의 값을 변경한다. 이러한 과정이 모든 LNA에 대해서 반복적으로 적용되어, RF 전치부(120) 내부의 모든 LNA 및 위상 변위기에 대한 교정이 완료된다. First, the beamforming antenna system 100 performs calibration of the receiver (S410). During calibration of the receiver (ie, in the calibration mode), the transmitter is disabled or off, and the receiver including the LNA 124 is turned on. In addition, the first LNA among the plurality of LNAs 124 is connected to an external reference signal generator (not shown) through the switch 112. At this time, the baseband unit 130 uses the I channel (I 1 ) and Q channel (Q 1 ) signals input through the RX D/C 180 and the ADC 170, and the amplitude ((√I 2 +Q 2 ) and phase (φ 1 ) are calculated. The baseband unit 130 compares the calculated amplitude and phase with a predetermined reference value (reference amplitude value (A r1 ), reference phase value (φ r1 )), A correction value corresponding to the difference is set in the gain fine adjustment register of the LNA 124 and the phase shifter 125. For example, the initial set gain is G 1, but the amplitude gain of the received signal changes in process and temperature. If G 1- Δ 1 is measured due to the like, the baseband unit 130 changes the value of the fine adjustment register so that the gain of the LNA becomes G 1 +Δ 1. This process is repeatedly applied to all LNAs. , All LNAs and phase shifters in the RF preposition 120 are calibrated.

빔포밍 안테나 시스템(100)은 수신부의 교정이 완료한 경우, 송신부의 교정을 수행한다(S420). 먼저, 베이스밴드부(130)는 DSM DC-DC 변환부(140)를 동작시킨다. 그리고 루프백 신호가 인가되는 하나의 LNA(124)를 제외한 나머지 LNA는 디스에이블(disable)되고 송신부의 PA(121)가 턴온된다. 이때, 도 3을 참조하면, 루프백 신호가 인가되는 하나의 LNA(124) 내에서 제2 증폭기 TR(1242)와 로드부(1243)가 턴온된다. 베이스밴드부(130)는 최소 전원 전압 값(VPAmin)에 대응하는 기준 전압(Vref)을 설정하고 위상변위기(122)의 위상을 모두 초기 값(0)으로 설정한다. 베이스밴드부(130)는 선택기(128)를 통해 첫 번째 PA(121)와 LNA(124)를 연결시키며 수신부의 Rx D/C(180)와 ADC(170) 등을 인에이블(enable) 상태로 설정한다. 이때, 베이스밴드부(130)는 입력되는 I 채널 및 Q 채널 값 (I1, Q1)으로부터 진폭(√(I2+Q2))과 위상(φ1)을 계산한다. . 베이스밴드부(130)는 계산한 진폭과 위상을 소정의 기준 값(기준 진폭 값(Ar1), 기준 위상 값(φr1))과 비교한 후, 차이에 해당하는 보정 값을 PA(121) 및 위상 변위기(122)의 이득 미세조정 레지스터에 설정한다. 이러한 과정이 모든 PA에 대해서 반복적으로 적용되어, RF 전치부(120) 내부의 모든 PA 및 위상 변위기에 대한 교정이 수행된다. When the calibration of the receiving unit is completed, the beamforming antenna system 100 performs calibration of the transmitting unit (S420). First, the baseband unit 130 operates the DSM DC-DC converter 140. In addition, the remaining LNAs except for one LNA 124 to which the loopback signal is applied are disabled, and the PA 121 of the transmitter is turned on. At this time, referring to FIG. 3, the second amplifier TR 1242 and the load unit 1243 are turned on in one LNA 124 to which a loopback signal is applied. The baseband unit 130 sets a reference voltage V ref corresponding to the minimum power voltage value V PAmin and sets all phases of the phase shifter 122 to an initial value (0). The baseband unit 130 connects the first PA 121 and the LNA 124 through the selector 128, and sets the Rx D/C 180 and the ADC 170, etc. of the receiver to an enable state. do. At this time, the baseband unit 130 calculates the amplitude (√(I 2 +Q 2 )) and the phase (φ 1 ) from the input I channel and Q channel values (I 1 , Q 1 ). . The baseband unit 130 compares the calculated amplitude and phase with a predetermined reference value (reference amplitude value (A r1 ), reference phase value (φ r1 )), and then compares a correction value corresponding to the difference to the PA 121 and It is set in the gain fine adjustment register of the phase shifter 122. This process is repeatedly applied to all PAs, so that all PAs and phase shifters inside the RF preposition 120 are calibrated.

PA는 일반적으로 비선형 특성을 가지므로 디지털 사전왜곡(Digital Pre-Distortion, DPD) 기법을 통해 선형성을 향상시킬 필요가 있다. 이를 위해, RF 도메인(domain)에서, 이득대비 출력전력에 대한 특성 그래프 계산이 필요하다. 상기 S420 단계에 대한 기본적인 교정 과정을 마친 후에, DSM DC-DC 변환기(140)에 의해 제어되는 PA의 출력 특성을 측정하기 위한 S430 단계가 복수의 PA(121)에 대해서 순차적으로 수행된다. 즉, 베이스밴드부(130)는 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프를 계산한다(S430). 먼저, 베이스밴드부(130)는 DSM DC-DC 변환기(140)의 상기 S420 단계의 최소 전원 전압(VPAmin) 대비 일정 값(ΔVr) 높은 값에 대응하는 기준 전압(Vref)을 설정한다. 다음으로, 베이스밴드부(130)는 선택기(128)를 통해 k번째(k는 임의의 정수) PA(121)와 LNA(124)를 연결시키며 수신부의 Rx D/C(180)와 ADC(170) 등을 인에이블(enable) 상태로 설정한다. 이때, 베이스밴드부(130)는 입력되는 I 채널 및 Q 채널 값 (Ik, Qk)으로부터 진폭(√(I2+Q2))과 위상(φk)을 계산한 후 이 값을 DPD 테이블에 저장한다. 이러한 과정이 PA의 최대전압에 해당하는(대응되는) 기준 전압(Vref)까지 반복적으로 수행된다. 즉, 베이스밴드부(130)는 이전의 전원 전압 값(VPAmin +ΔVr)보다 더욱 높은 값에 대응하는 기준 전압을 설정하면서, PA의 최대전압에 해당하는 기준 전압(Vref)까지 반복적으로 수행한다. 이를 통해, DPD 연산에 필요한 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프가 계산될 수 있다. 이와 같은 빔형성 PA의 입력 대비 출력전력 특성 그래프가 계산되는 경우, 베이스밴드부(130)는 원하는 PA의 출력전력에 대응하는 기준전압(Vref)을 도출할 수 있다. Since PA generally has nonlinear characteristics, it is necessary to improve linearity through a digital pre-distortion (DPD) technique. To this end, it is necessary to calculate a characteristic graph for output power versus gain in the RF domain. After completing the basic calibration process for step S420, step S430 for measuring the output characteristic of the PA controlled by the DSM DC-DC converter 140 is sequentially performed on the plurality of PAs 121. That is, the baseband unit 130 calculates an output power characteristic graph versus the input of the beamforming PA (S430). First, the baseband unit 130 sets a reference voltage (V ref ) corresponding to a predetermined value (ΔV r ) higher than the minimum power voltage (V PAmin ) of the DSM DC-DC converter 140 in step S420. Next, the baseband unit 130 connects the k-th (k is an arbitrary integer) PA 121 and the LNA 124 through the selector 128, and the Rx D/C 180 and the ADC 170 of the receiver Set the back to the enable state. At this time, the baseband unit 130 calculates the amplitude (√(I 2 +Q 2 )) and the phase (φ k ) from the input I channel and Q channel values (I k , Q k ) and then converts these values into a DPD table. Save it to. This process is repeatedly performed up to the reference voltage (V ref ) corresponding to (corresponding to) the maximum voltage of the PA. That is, the baseband unit 130 repeatedly performs up to the reference voltage Vref corresponding to the maximum voltage of the PA while setting a reference voltage corresponding to a value higher than the previous power voltage value V PAmin +ΔV r . . Through this, a graph of the output power characteristics versus the input of the beamforming PA required for DPD calculation may be calculated. When the graph of output power versus input of the beamforming PA is calculated, the baseband unit 130 may derive a reference voltage Vref corresponding to the desired output power of the PA.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 전력 소모를 절감할 수 있는 효율적인 RF 전치부를 제공할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나 시스템은 RF 전치부의 교정 과정을 낮은 하드웨어 복잡 및 비용으로 구현할 수 있다. Such a beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention can provide an efficient RF preposition unit capable of reducing power consumption. In addition, the beamforming antenna system according to an embodiment of the present invention can implement a calibration process of the RF preposition with low hardware complexity and cost.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims (20)

송신 신호를 각각 출력하는 복수의 전력증폭기,
상기 복수의 전력증폭기의 출력 전력에 대응하여 변동되는 전원 전압을 델타-시그마 변조방식으로 생성하며, 상기 전원 전압을 상기 복수의 전력 증폭기에 공급하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부,
수신 신호를 증폭하며, 교정 모드에서 상기 다수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호 중 제1 신호를 증폭하는 제1 증폭기, 그리고
상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. A plurality of power amplifiers each outputting a transmission signal,
A delta-sigma-modulated DC-DC converter that generates a power voltage that varies in response to the output power of the plurality of power amplifiers in a delta-sigma modulation method, and supplies the power voltage to the plurality of power amplifiers
A first amplifier amplifying a received signal and amplifying a first signal among signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers in a calibration mode, and
Beamforming antenna including a baseband unit receiving a first baseband signal corresponding to the first signal and setting a reference voltage input to the delta-sigma-modulated DC-DC converter using the first baseband signal system. 제1항에 있어서,
상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하여 상기 제1 증폭기로 출력하는 선택기를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
A beamforming antenna system further comprising a selector for receiving signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers, selecting the first signal, and outputting the first signal to the first amplifier. 제2항에 있어서,
상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 각각 생성하여 상기 선택기로 출력하는 복수의 커플러를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 2,
A beamforming antenna system further comprising a plurality of couplers respectively generating signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers and outputting them to the selector. 제1항에 있어서,
상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기인 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
The first amplifier is a beamforming antenna system of a low noise amplifier. 제1항에 있어서,
상기 제1 증폭기는,
상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터,
상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고
상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
The first amplifier,
A first amplifier transistor amplifying the received signal,
A second amplifier transistor amplifying the first signal, and
A beamforming antenna system comprising a load unit connected to an output terminal of the first amplifier transistor and an output terminal of the second amplifier transistor and performing a frequency tuning operation. 제5항에 있어서,
상기 제1 증폭기 트랜지스터는 상기 제1 증폭기를 포함하는 수신부가 수신 동작을 수행할 시에 턴온되며,
상기 제2 증폭기 트랜지스터는 상기 기준 전압에 대한 교정 과정을 수행할 시에 턴온되는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 5,
The first amplifier transistor is turned on when the receiving unit including the first amplifier performs a reception operation,
The second amplifier transistor is turned on when performing a calibration process for the reference voltage. 제1항에 있어서,
상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
The baseband unit is a beamforming antenna system configured to set gains of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal. 제7항에 있어서,
상기 베이스밴드부는 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하며, 상기 그래프를 이용하여 상기 기준 전압에 대한 정보를 도출하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 7,
The baseband unit calculates a graph representing output characteristics of the plurality of power amplifiers by using the first baseband signal, and derives information on the reference voltage using the graph. 제1항에 있어서,
상기 제1 신호에 대한 위상을 조정하는 위상 변위기,
상기 위상 변위기의 출력에 대해서 주파수를 하향 변환하는 하향 변환부, 그리고
상기 하향 변환부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여, 상기 제1 베이스 밴드 신호를 상기 베이스밴드부로 출력하는 아날로그디지털 변환부를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
A phase shifter for adjusting the phase of the first signal,
A down conversion unit for down-converting a frequency with respect to the output of the phase shifter, and
A beamforming antenna system further comprising an analog-to-digital converter for converting the output signal of the down converter into a digital signal and outputting the first baseband signal to the baseband. 제1항에 있어서,
상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부는 상기 기준 전압에 비례하는 상기 전원 전압을 생성하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 1,
The delta-sigma modulation DC-DC converter generates the power supply voltage proportional to the reference voltage. RF 전치단을 포함하는 빔포밍 안테나 시스템이 상기 RF 전치단에 대한 교정을 수행하는 방법으로서,
상기 RF 전치단에 포함된 복수의 전력증폭기의 출력 신호에 대응하는 신호 중 제1 신호를 선택하는 단계,
상기 제1 신호를 수신부에 포함된 제1 증폭기를 통해 증폭하는 단계,
상기 증폭된 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 생성하는 단계, 그리고
상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기의 이득을 설정하는 단계를 포함하는 방법. A method of performing calibration for the RF preposition by a beamforming antenna system including an RF preposition,
Selecting a first signal from among signals corresponding to output signals of a plurality of power amplifiers included in the RF preposition,
Amplifying the first signal through a first amplifier included in a receiving unit,
Generating a first baseband signal corresponding to the amplified first signal, and
And setting gains of the plurality of power amplifiers by using the first baseband signal. 제11항에 있어서,
상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 복수의 전력증폭기의 출력 특성을 나타내는 그래프를 계산하는 단계, 그리고
상기 그래프를 이용하여, 상기 복수의 전력증폭기에 공급할 전원 전압을 도출하는 단계를 더 포함하는 방법. The method of claim 11,
Calculating a graph representing the output characteristics of the plurality of power amplifiers using the first baseband signal, and
The method further comprising the step of deriving a power supply voltage to be supplied to the plurality of power amplifiers by using the graph. 제12항에 있어서,
상기 빔포밍 안테나 시스템은 상기 전원 전압을 생성하여 상기 복수의 전력증폭기에 제공하며 델타시그마 변조를 수행하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부를 더 포함하며,
상기 도출된 전원 전압을 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 도출하는 단계를 더 포함하는 방법. The method of claim 12,
The beamforming antenna system further includes a delta sigma modulation DC-DC converter configured to generate the power supply voltage and provide it to the plurality of power amplifiers and perform delta sigma modulation,
The method further comprising deriving a reference voltage input to the delta-sigma modulated DC-DC converter using the derived power voltage. 제11항에 있어서,
상기 교정은 상기 빔포밍 안테나 시스템이 단말기에 탑재되기 전이나 상기 빔포밍 안테나 시스템이 상기 단말기에 탑재된 후 상기 단말기의 초기 구동될 시에 수행되는 방법. The method of claim 11,
The calibration is performed before the beamforming antenna system is mounted on the terminal or when the terminal is initially driven after the beamforming antenna system is mounted on the terminal. 제11항에 있어서,
상기 제1 증폭기는 저잡음증폭기인 방법. The method of claim 11,
Wherein the first amplifier is a low noise amplifier. 빔포밍 신호를 출력하는 복수의 전력증폭기,
델타시그마 변조를 통해 상기 복수의 전력증폭기에 전원 전압을 공급하며, 송신 신호의 일정 구간에 대한 평균 전압으로 상기 전원 전압을 조정하는 델타시그마변조 DC-DC 변환부,
상기 복수의 전력증폭기의 출력단에 각각 연결되며 상기 복수의 전력증폭기의 출력신호에 비례하는 신호를 생성하는 복수의 커플러, 그리고
수신 신호를 증폭하는 복수의 저잡음증폭기를 포함하며,
상기 비례하는 신호 중 제1 신호는 상기 복수의 저잡음증폭기 중 제1 저잡음증폭기에 입력되는 빔포밍 안테나 시스템. A plurality of power amplifiers that output a beamforming signal,
A delta-sigma-modulated DC-DC converter configured to supply a power supply voltage to the plurality of power amplifiers through delta-sigma modulation, and adjust the power supply voltage to an average voltage for a predetermined section of a transmission signal,
A plurality of couplers each connected to the output terminals of the plurality of power amplifiers and generating signals proportional to the output signals of the plurality of power amplifiers, and
It includes a plurality of low noise amplifiers amplifying the received signal,
A beamforming antenna system wherein a first signal of the proportional signals is input to a first low noise amplifier of the plurality of low noise amplifiers. 제16항에 있어서,
상기 비례하는 신호를 입력 받으며 상기 제1 신호를 선택하는 선택기를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 16,
A beamforming antenna system further comprising a selector for receiving the proportional signal and selecting the first signal. 제16항에 있어서,
상기 제1 신호에 대응하는 제1 베이스밴드 신호를 입력 받으며, 상기 제1 베이스밴드 신호를 이용하여 상기 델타시그마변조 DC-DC 변환부에 입력되는 기준 전압을 설정하는 베이스밴드부를 더 포함하는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 16,
Beamforming further comprising a baseband unit receiving a first baseband signal corresponding to the first signal and setting a reference voltage input to the delta-sigma-modulated DC-DC converter using the first baseband signal Antenna system. 제16항에 있어서,
상기 제1 저잡음증폭기는,
상기 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기 트랜지스터,
상기 제1 신호를 증폭하는 제2 증폭기 트랜지스터, 그리고
상기 제1 증폭기 트랜지스터의 출력단과 상기 제2 증폭기 트랜지스터의 출력단에 연결되며 주파수 튜닝 동작을 수행하는 로드부를 포함하는 빔포밍 안테나 시스템.The method of claim 16,
The first low noise amplifier,
A first amplifier transistor amplifying the received signal,
A second amplifier transistor amplifying the first signal, and
A beamforming antenna system comprising a load unit connected to an output terminal of the first amplifier transistor and an output terminal of the second amplifier transistor and performing a frequency tuning operation. 제19항에 있어서,
상기 제1 증폭기 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 서로 다른 시간에 턴온되는 빔포밍 안테나 시스템. The method of claim 19,
The beamforming antenna system in which the first amplifier transistor and the second transistor are turned on at different times.
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