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1. (WO2019050264) CIRCUIT DE FORMATION DE FAISCEAU POUR RADAR ET COMMUNICATION MOBILE 5G
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

5  

과제 해결 수단

6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25  

발명의 효과

26   27   28  

도면의 간단한 설명

29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103   104   105   106   107   108   109   110   111   112   113   114   115   116   117   118   119   120   121   122   123   124   125   126   127   128   129   130   131   132   133   134   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145   146   147   148   149   150   151   152   153   154   155   156   157   158   159   160   161   162   163   164   165  

산업상 이용가능성

166   167   168  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

도면

1   2a   2b   3   4a   4b   5a   5b   5c   6a   6b   6c   6d   7   8   9   10   11   12   13a   13b   14a   14b   15a   15b   16   17a   17b   18a   18b   19   20a   20b  

명세서

발명의 명칭 : 5G 이동통신 및 레이더용 빔포밍 회로

기술분야

[1]
본 발명은 신호 처리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빔포밍(beam-forming) 시스템에 적용하기 위한, 5G 이동통신 및 레이더용 빔포밍 회로에 관한 것이다.

배경기술

[2]
최근 연구되고 있는 5G 이동통신 시스템은, 4G 이동통신 시스템인 LTE(long term evolution)에 비해 약 수십 배에서 수백 배의 네트워크 용량을 필요로 한다. 이 때, 넓은 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터파 통신을 기반으로 한 통신 기술이 연구되고 있다. 밀리미터파 대역에서는 기존의 4G 이동통신 시스템의 주파수 대역보다 송수신 신호가 약해지기 때문에, 이러한 문제를 극복하기 위해 빔포밍(beam-forming) 등의 기술이 이용될 수 있다.
[3]
무선통신에서 빔포밍은 스마트 안테나(smart antenna)의 한 방식으로, 안테나의 빔이 해당 단말에게만 국한하여 비추도록 하는 기술이다. 최근에는 안테나를 배열화하여 구현하고 배열 내의 각 채널 간의 위상 차이를 통해 안테나 빔의 방향을 조절하는 빔포밍 기술이 주목받고 있다. 이 때, 각 채널마다 하나의 안테나 및 하나의 빔포밍 회로를 필요로 하므로, 전체 칩 크기 및 전체 전력 소모가 증가할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 빔포밍 회로를 상대적으로 간단하게 구현하기 위한 연구가 진행되고 있다.
[4]
한편, 종래의 빔포밍 회로는 위상 조절을 위한 위상 천이기(phase shifter)와 이득 조절을 위한 VGA(variable gain amplifier) 또는 감쇠기(attenuator)를 포함한다. 이 때, 수동(passive) 방식의 위상 천이기 및 감쇠기는 삽입 손실이 상대적으로 크므로, 이를 보상하기 위해 이득 증폭기(gain amplifier)를 추가함에 따라 크기 및 전력 소모가 증가하는 문제가 있었다. 감쇠기 역시 삽입 손실이 상대적으로 크므로 수동 방식의 위상 천이기와 동일한 문제가 있었으며, 고해상도(high resolution)의 표현이 어렵다는 문제가 있었다. VGA는 이득 조절의 동적 범위(dynamic range)가 좁은 문제가 있었다. 또한, 이득 조절을 VGA 또는 감쇠기에만 의존하는 경우에, 전체 효율 및 선형성의 증가가 어렵다는 문제가 있었다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[5]
본 발명의 일 목적은 초소형, 저전력 및 고성능 특성을 가지도록 구현될 수 있는 5G 이동통신 및 레이더용 빔포밍 회로를 제공하는 것이다.

과제 해결 수단

[6]
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로는 멀티 모드 전력 증폭기, 가변 이득 저잡음 증폭기, 가변 이득 위상 천이기 및 제1 스위치 회로를 포함한다. 상기 멀티 모드 전력 증폭기는 송신 모드에서 제1 RF 입력 신호를 기초로 발생되는 제1 RF 중간 신호를 증폭하여 안테나를 통해 전송하고자 하는 제1 RF 출력 신호를 발생하고, 제1 제어 신호에 기초하여 제1 송신 이득 조절 기능을 수행한다. 상기 가변 이득 저잡음 증폭기는 수신 모드에서 상기 안테나를 통해 수신되는 제2 RF 입력 신호를 증폭하여 제2 RF 중간 신호를 발생하고, 제2 제어 신호에 기초하여 제1 수신 이득 조절 기능을 수행한다. 상기 가변 이득 위상 천이기는 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 상기 제1 RF 중간 신호를 발생하고 제3 제어 신호에 기초하여 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행하며, 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호를 발생하고 상기 제3 제어 신호에 기초하여 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 상기 제1 스위치 회로는 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호를 수신하여 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 상기 제2 RF 출력 신호를 수신하여 출력한다.
[7]
일 실시예에서, 상기 빔포밍 회로는 제2 스위치 회로, 제3 스위치 회로 및 제4 스위치 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 스위치 회로는 상기 멀티 모드 전력 증폭기 및 상기 제1 스위치 회로 중 하나를 상기 가변 이득 위상 천이기와 연결할 수 있다. 상기 제3 스위치 회로는 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 및 상기 제1 스위치 회로 중 하나를 상기 가변 이득 위상 천이기와 연결할 수 있다. 상기 제4 스위치 회로는 상기 멀티 모드 전력 증폭기 및 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 중 하나를 상기 안테나와 연결할 수 있다.
[8]
일 실시예에서, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 회로, 상기 제3 스위치 회로, 상기 가변 이득 위상 천이기, 상기 제2 스위치 회로, 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제4 스위치 회로 및 상기 안테나를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화될 수 있다. 상기 수신 모드에서 상기 모드 선택 신호에 기초하여 상기 안테나, 상기 제4 스위치 회로, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제3 스위치 회로, 상기 가변 이득 위상 천이기, 상기 제2 스위치 회로 및 상기 제1 스위치 회로를 순차적으로 연결하는 제2 경로가 활성화될 수 있다.
[9]
일 실시예에서, 상기 빔포밍 회로는 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로, 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로 및 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제1 스위치 회로 및 상기 가변 이득 위상 천이기 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제1 스위치 회로 및 상기 가변 이득 위상 천이기 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 및 상기 안테나 사이에 배치될 수 있다.
[10]
일 실시예에서, 상기 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 제1 전송선 라인, 제2 전송선 라인, 제3 전송선 라인 및 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 상기 제1 전송선 라인은 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 입력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제2 전송선 라인은 상기 제1 스위치 회로의 제1 단자와 연결될 수 있다. 상기 제3 전송선 라인은 상기 가변 이득 위상 천이기의 출력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제1 스위칭 소자는 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 입력 단자에 상기 제1 전송선 라인과 병렬 연결될 수 있다.
[11]
일 실시예에서, 상기 송신 모드에서 상기 제1 스위칭 소자는 단선(open)되고, 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 출력되는 상기 제1 RF 중간 신호가 상기 제1, 제2 및 제3 전송선 라인들을 통해 상기 멀티 모드 전력 증폭기에 제공될 수 있다. 상기 수신 모드에서 상기 제1 스위칭 소자는 단락(short)되고, 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 출력되는 상기 제2 RF 출력 신호가 상기 제2 및 제3 전송선 라인들을 통해 상기 제1 스위치 회로에 제공될 수 있다.
[12]
일 실시예에서, 상기 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 제4 전송선 라인, 제5 전송선 라인, 제6 전송선 라인 및 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 상기 제4 전송선 라인은 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 출력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제5 전송선 라인은 상기 제1 스위치 회로의 제2 단자와 연결될 수 있다. 상기 제6 전송선 라인은 상기 가변 이득 위상 천이기의 입력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제2 스위칭 소자는 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 출력 단자에 상기 제4 전송선 라인과 병렬 연결될 수 있다.
[13]
일 실시예에서, 상기 송신 모드에서 상기 제2 스위칭 소자는 단락되고, 상기 제1 스위치 회로로부터 수신되는 상기 제1 RF 입력 신호가 상기 제5 및 제6 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공될 수 있다. 상기 수신 모드에서 상기 제2 스위칭 소자는 단선되고, 상기 가변 이득 위상 저잡음 증폭기로부터 출력되는 상기 제2 RF 중간 신호가 상기 제4, 제5 및 제6 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공될 수 있다.
[14]
일 실시예에서, 상기 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는 제7 전송선 라인, 제8 전송선 라인, 제9 전송선 라인, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 상기 제7 전송선 라인은 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 출력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제8 전송선 라인은 상기 안테나와 연결될 수 있다. 상기 제9 전송선 라인은 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 입력 단자와 연결될 수 있다. 상기 제3 스위칭 소자는 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 출력 단자에 상기 제7 전송선 라인과 병렬 연결될 수 있다. 상기 제4 스위칭 소자는 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 입력 단자에 상기 제9 전송선 라인과 병렬 연결될 수 있다.
[15]
일 실시예에서, 상기 송신 모드에서 상기 제3 스위칭 소자는 단선되고 상기 제4 스위칭 소자는 단락되며, 상기 멀티 모드 전력 증폭기로부터 출력되는 상기 제1 RF 출력 신호가 상기 제7 및 제8 전송선 라인들을 통해 상기 안테나에 제공될 수 있다. 상기 수신 모드에서 상기 제3 스위칭 소자는 단락되고 상기 제4 스위칭 소자는 단선되며, 상기 안테나로부터 수신되는 상기 제2 RF 입력 신호가 상기 제8 및 제9 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 저잡음 증폭기에 제공될 수 있다.
[16]
일 실시예에서, 상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 이득은 제1 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 단위보다 작은 제2 단위만큼 조절될 수 있다.
[17]
일 실시예에서, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제1 이득 영역에서 제3 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 이득 영역과 다른 제2 이득 영역에서 상기 제2 단위만큼 조절될 수 있다.
[18]
일 실시예에서, 상기 제1 제어 신호에 기초하여 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 증폭 모드가 변경될 수 있다.
[19]
일 실시예에서, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기는 상기 제2 제어 신호에 기초하여 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행할 수 있다.
[20]
일 실시예에서, 상기 가변 이득 위상 천이기는 상기 제3 제어 신호에 기초하여 적어도 두 개의 동상(in-phase) 벡터들과 적어도 두 개의 직각 위상(quadrature) 벡터들의 크기 및 방향을 조절하고, 상기 적어도 두 개의 동상 벡터들 및 상기 적어도 두 개의 직각 위상 벡터들을 더하여, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하거나 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절할 수 있다.
[21]
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로는 멀티 모드 전력 증폭기, 가변 이득 저잡음 증폭기, 제1 가변 이득 위상 천이기, 제2 가변 이득 위상 천이기, 제1 스위치 회로 및 제2 스위치 회로를 포함한다. 상기 멀티 모드 전력 증폭기는 송신 모드에서 제1 RF 입력 신호를 기초로 발생되는 제1 RF 중간 신호를 증폭하여 안테나를 통해 전송하고자 하는 제1 RF 출력 신호를 발생하고, 제1 제어 신호에 기초하여 제1 송신 이득 조절 기능을 수행한다. 상기 가변 이득 저잡음 증폭기는 수신 모드에서 상기 안테나를 통해 수신되는 제2 RF 입력 신호를 증폭하여 제2 RF 중간 신호를 발생하고, 제2 제어 신호에 기초하여 제1 수신 이득 조절 기능을 수행한다. 상기 제1 가변 이득 위상 천이기는 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 상기 제1 RF 중간 신호를 발생하고, 제3 제어 신호에 기초하여 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 상기 제2 가변 이득 위상 천이기는 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호를 발생하고, 제4 제어 신호에 기초하여 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 상기 제1 스위치 회로는 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호를 상기 제1 가변 이득 위상 천이기에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 제2 가변 이득 위상 천이기로부터 상기 제2 RF 출력 신호를 수신하여 출력한다. 상기 제2 스위치 회로는 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 출력 신호를 상기 안테나에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 입력 신호를 상기 가변 이득 저잡음 증폭기에 제공한다.
[22]
일 실시예에서, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 회로, 상기 제1 가변 이득 위상 천이기, 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제2 스위치 회로 및 상기 안테나를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화될 수 있다. 상기 수신 모드에서 상기 모드 선택 신호에 기초하여 상기 안테나, 상기 제2 스위치 회로, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제2 가변 이득 위상 천이기 및 상기 제1 스위치 회로를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화될 수 있다.
[23]
일 실시예에서, 상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 이득은 제1 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 단위보다 작은 제2 단위만큼 조절될 수 있다.
[24]
일 실시예에서, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제1 이득 영역에서 제3 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 이득 영역과 다른 제2 이득 영역에서 상기 제2 단위만큼 조절될 수 있다.
[25]
일 실시예에서, 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제3 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제3 단위보다 작은 제4 단위만큼 조절될 수 있다.

발명의 효과

[26]
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로는, 위상과 이득을 독립적으로 한 번에 조절하는 가변 이득 위상 천이기를 포함하며, 이에 따라 VGA 또는 감쇠기를 제거함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 감소될 수 있다. 가변 이득 위상 천이기를 이용함으로써, 삽입 손실을 줄이고 이득 변화에 따른 위상 오차를 최소화시킬 수 있다. 또한, 송신 경로 및 수신 경로가 하나의 가변 이득 위상 천이기를 공유함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 더욱 감소될 수 있다. 또한, 스위치 회로들을 임피던스 매칭 회로들에 집적하여 구현함으로써, 크기 및 면적이 더욱 감소될 수 있다.
[27]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로는, 멀티 모드 전력 증폭기 및 가변 이득 위상 천이기를 이용하여 송신 이득 조절 기능을 분산시킴으로써, 송신 이득 조절의 동적 범위 및 해상도가 증가할 수 있다. 또한, 복수 개의 이득 모드를 가지도록 멀티 모드 전력 증폭기를 구현하는 경우에 상대적으로 낮은 전력에서의 효율이 증가하고 낮은 이득을 가지는 구간에서 효율이 증가할 수 있으며, 이와 함께 능동 인터 스테이지 매칭단을 적용하여 선형성을 향상시킬 수 있다.
[28]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로는, 가변 이득 저잡음 증폭기 및 가변 이득 위상 천이기를 이용하여 수신 이득 조절 기능을 분산시킴으로써, 수신 이득 조절의 동적 범위 및 해상도가 증가할 수 있다. 또한, 가변 이득 저잡음 증폭기가 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행함에 따라, 위상 오차를 더욱 감소시킬 수 있다.

도면의 간단한 설명

[29]
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[30]
도 2a 및 2b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 1의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[31]
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[32]
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 멀티 모드 전력 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[33]
도 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 가변 이득 위상 천이기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[34]
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 송신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[35]
도 8 및 9는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 가변 이득 저잡음 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[36]
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 수신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[37]
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[38]
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[39]
도 13a, 13b, 14a, 14b, 15a 및 15b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 12의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[40]
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[41]
도 17a 및 17b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 16의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[42]
도 18a 및 18b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 송신 모드 및 수신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[43]
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 포함하는 빔포밍 시스템을 나타내는 블록도이다.
[44]
도 20a 및 20b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[45]
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
[46]
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[47]
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
[48]
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
[49]
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
[50]
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
[51]
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
[52]
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다. 도 2a 및 2b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 1의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[53]
도 1을 참조하면, 빔포밍 회로(5000)는 멀티 모드 전력 증폭기(multi mode power amplifier; MM-PA)(5100), 가변 이득 저잡음 증폭기(variable gain low noise amplifier; VG-LNA)(5200), 가변 이득 위상 천이기(variable gain phase shifter; VG-PS)(5300) 및 제1 스위치 회로(5410)를 포함한다. 빔포밍 회로(5000)는 제2 스위치 회로(5420), 제3 스위치 회로(5430) 및 제4 스위치 회로(5440)를 더 포함할 수 있다.
[54]
멀티 모드 전력 증폭기(5100)는 송신 모드에서 안테나(5010)를 통해 전송하고자 하는 송신 신호를 증폭하고, 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 상기 송신 신호에 대한 제1 송신 이득 조절 기능을 수행한다. 도 4a 및 4b를 참조하여 후술하는 것처럼, 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 멀티 모드 전력 증폭기(5100)의 증폭 모드가 변경될 수 있다.
[55]
가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 수신 모드에서 안테나(5010)를 통해 수신되는 수신 신호를 증폭하고, 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 상기 수신 신호에 대한 제1 수신 이득 조절 기능을 수행한다. 도 8 및 9를 참조하여 후술하는 것처럼, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행할 수 있다.
[56]
가변 이득 위상 천이기(5300)는 상기 송신 모드에서 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 송신 신호에 대한 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 독립적으로 한 번에 수행하고, 상기 수신 모드에서 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 수신 신호에 대한 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 독립적으로 한 번에 수행한다. 가변 이득 위상 천이기(5300)는 상기 송신 모드 및 상기 수신 모드 모두에서 이용될 수 있으며, 가변 이득 위상 천이기(5300)의 구체적인 동작에 대해서는 도 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c 및 6d를 참조하여 후술하도록 한다.
[57]
제1 스위치 회로(5410)는 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)를 수신하거나 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 출력하는 제1 단자, 제2 스위치 회로(5420)의 제3 단자와 연결되는 제2 단자, 및 제3 스위치 회로(5430)의 제3 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다. 제2 스위치 회로(5420)는 가변 이득 위상 천이기(5300)의 출력 단자와 연결되는 제1 단자, 멀티 모드 전력 증폭기(5100)의 입력 단자와 연결되는 제2 단자, 및 제1 스위치 회로(5410)의 상기 제2 단자와 연결되는 상기 제3 단자를 포함한다. 제3 스위치 회로(5430)는 가변 이득 위상 천이기(5300)의 입력 단자와 연결되는 제1 단자, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)의 출력 단자와 연결되는 제2 단자, 및 제1 스위치 회로(5410)의 상기 제3 단자와 연결되는 상기 제3 단자를 포함한다. 제4 스위치 회로(5440)는 안테나(5010)와 연결되는 제1 단자, 멀티 모드 전력 증폭기(5100)의 출력 단자와 연결되는 제2 단자, 및 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)의 입력 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다. 예를 들어, 제1 내지 제4 스위치 회로들(5410, 5420, 5430, 5440) 각각은 상기 제2 및 제3 단자들(또는 포트들) 중 하나를 상기 제1 단자(또는 포트)와 전기적으로 연결하는 SPDT(single pole double throw) 스위치의 형태로 구현될 수 있다.
[58]
모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 제1 내지 제4 스위치 회로들(5410, 5420, 5430, 5440)의 연결 상태가 제어될 수 있다. 제1 스위치 회로(5410)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)를 수신하거나 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 출력하도록 연결될 수 있다. 제2 스위치 회로(5420)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 멀티 모드 전력 증폭기(5100) 및 제1 스위치 회로(5410) 중 하나를 가변 이득 위상 천이기(5300)와 연결할 수 있다. 제3 스위치 회로(5430)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 및 제1 스위치 회로(5410) 중 하나를 가변 이득 위상 천이기(5300)와 연결할 수 있다. 제4 스위치 회로(5440)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 멀티 모드 전력 증폭기(5100) 및 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 중 하나를 안테나(5010)와 연결할 수 있다.
[59]
도 2a를 참조하면, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 제1 스위치 회로(5410)의 상기 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제2 스위치 회로(5420)의 상기 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제3 스위치 회로(5430)의 상기 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결되며, 제4 스위치 회로(5440)의 상기 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 스위치 회로(5410), 제3 스위치 회로(5430), 가변 이득 위상 천이기(5300), 제2 스위치 회로(5420), 멀티 모드 전력 증폭기(5100), 제4 스위치 회로(5440) 및 안테나(5010)를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화될 수 있다. 상기 제1 경로는 송신 경로라고 부를 수 있다.
[60]
제1 스위치 회로(5410)는 외부(예를 들어, 외부의 신호 처리부)로부터 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)를 수신한다. 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)는 제3 스위치 회로(5430)를 거쳐 가변 이득 위상 천이기(5300)에 제공된다. 가변 이득 위상 천이기(5300)는 제3 제어 신호(CONT3)를 기초로 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)를 발생한다. 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)는 제2 스위치 회로(5420)를 거쳐 멀티 모드 전력 증폭기(5100)에 제공된다. 멀티 모드 전력 증폭기(5100)는 제1 제어 신호(CONT1)를 기초로 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)를 증폭하여 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)를 발생한다. 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)는 제4 스위치 회로(5440)를 거쳐 안테나(5010)에 제공되며, 안테나(5010)를 통해 외부(예를 들어, 외부의 통신 단말기)로 전송된다.
[61]
상기 송신 모드에서, 멀티 모드 전력 증폭기(5100)는 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 상기 제1 송신 이득 조절 기능을 수행하며, 가변 이득 위상 천이기(5300)는 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 제2 송신 이득 조절 기능 및 상기 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 다시 말하면, 멀티 모드 전력 증폭기(5100) 및 가변 이득 위상 천이기(5300)를 이용하여, 상기 송신 모드에서 이득 조절 기능을 분산시킬 수 있다.
[62]
도 2b를 참조하면, 상기 수신 모드에서 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 제1 스위치 회로(5410)의 상기 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제2 스위치 회로(5420)의 상기 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제3 스위치 회로(5430)의 상기 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결되며, 제4 스위치 회로(5440)의 상기 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 안테나(5010), 제4 스위치 회로(5440), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200), 제3 스위치 회로(5430), 가변 이득 위상 천이기(5300), 제2 스위치 회로(5420) 및 제1 스위치 회로(5410)를 순차적으로 연결하는 제2 경로가 활성화될 수 있다. 상기 제2 경로는 수신 경로라고 부를 수 있다.
[63]
안테나(5010)는 외부(예를 들어, 외부의 통신 단말기)로부터 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)를 수신한다. 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)는 제4 스위치 회로(5440)를 거쳐 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)에 제공된다. 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 제2 제어 신호(CONT2)를 기초로 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)를 증폭하여 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)를 발생한다. 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)는 제3 스위치 회로(5430)를 거쳐 가변 이득 위상 천이기(5300)에 제공된다. 가변 이득 위상 천이기(5300)는 제3 제어 신호(CONT3)를 기초로 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 발생한다. 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)는 제2 스위치 회로(5420) 및 제1 스위치 회로(5410)를 거쳐 출력되며, 외부(예를 들어, 외부의 신호 처리부)로 제공된다.
[64]
상기 수신 모드에서, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 상기 제1 수신 이득 조절 기능을 수행하며, 가변 이득 위상 천이기(5300)는 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 제2 수신 이득 조절 기능 및 상기 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 다시 말하면, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 및 가변 이득 위상 천이기(5300)를 이용하여, 상기 수신 모드에서 이득 조절 기능을 분산시킬 수 있다. 한편, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행할 수 있다.
[65]
종래의 빔포밍 회로에서, 송신 경로는 전력 증폭기, 위상 조절을 위한 위상 천이기, 및 이득 조절을 위한 VGA 또는 감쇠기를 포함하고, 손실 보상을 위한 증폭기를 추가로 포함한다. 이와 유사하게, 수신 경로는 저잡음 증폭기, 위상 천이기, 및 VGA 또는 감쇠기를 포함하고, 손실 보상을 위한 증폭기를 추가로 포함한다. 또한, 송신 경로 및 수신 경로 중 하나를 활성화시키기 위한 두 개의 스위치를 포함한다. 다시 말하면, 종래의 빔포밍 회로는 10개의 개별 블록을 포함하도록 구현되어, 상대적으로 크기 및 면적이 크고 전력 소모량이 크다는 문제가 있었다.
[66]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(5000)는, 위상과 이득을 독립적으로 한 번에 조절하는 가변 이득 위상 천이기(5300)를 포함하며, 이에 따라 VGA 또는 감쇠기를 제거함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 감소될 수 있다. 또한, 상기 송신 경로 및 상기 수신 경로가 하나의 가변 이득 위상 천이기(5300)를 공유함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 더욱 감소될 수 있다. 가변 이득 위상 천이기(5300)를 이용함으로써, 이득 변화에 따른 위상 오차를 최소화시킬 수 있다.
[67]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(5000)는, 상기 송신 경로에 포함되는 멀티 모드 전력 증폭기(5100) 및 가변 이득 위상 천이기(5300)를 이용하여 송신 이득 조절 기능을 분산시킴으로써, 전력 증폭기만을 이용하여 이득을 조절하는 종래의 빔포밍 회로와 비교하였을 때, 송신 이득 조절의 동적 범위가 증가할 수 있다. 또한, 복수 개의 이득 모드를 가지도록 멀티 모드 전력 증폭기(5100)를 구현하는 경우에 상대적으로 낮은 전력(또는 파워)에서의 효율이 증가하고 낮은 이득을 가지는 구간에서 효율이 증가할 수 있으며, 이와 함께 능동 인터 스테이지(active inter-stage) 매칭단을 적용하여 선형성을 향상시킬 수 있다.
[68]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(5000)는, 상기 수신 경로에 포함되는 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 및 가변 이득 위상 천이기(5300)를 이용하여 수신 이득 조절 기능을 분산시킴으로써, 저잡음 증폭기만을 이용하여 이득을 조절하는 종래의 빔포밍 회로와 비교하였을 때, 수신 이득 조절의 동적 범위가 증가할 수 있다. 또한, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)가 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행함에 따라, 위상 오차를 더욱 감소시킬 수 있다.
[69]
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[70]
도 3을 참조하면, 빔포밍 회로(5000a)는 멀티 모드 전력 증폭기(5100a), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a), 가변 이득 위상 천이기(5300a) 및 제1 스위치 회로(5410)를 포함한다. 빔포밍 회로(5000a)는 제2 스위치 회로(5420), 제3 스위치 회로(5430), 제4 스위치 회로(5440), 제1 임피던스 매칭 회로(5510a), 제2 임피던스 매칭 회로(5510b), 제3 임피던스 매칭 회로(5520a), 제4 임피던스 매칭 회로(5520b), 제5 임피던스 매칭 회로(5530a) 및 제6 임피던스 매칭 회로(5530b)를 더 포함할 수 있다.
[71]
멀티 모드 전력 증폭기(5100a), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a) 및 가변 이득 위상 천이기(5300a)는 차동(differential) 형태로 구현되는 것을 제외하면, 도 1의 멀티 모드 전력 증폭기(5100), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 및 가변 이득 위상 천이기(5300)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 이 때, 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN), 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID), 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT), 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN), 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID) 및 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)는 한 쌍의 차동 신호일 수 있다. 제1 내지 제4 스위치 회로들(5410, 5420, 5430, 5440)은 도 1의 제1 내지 제4 스위치 회로들(5410, 5420, 5430, 5440)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
[72]
제1 임피던스 매칭 회로(5510a)는 멀티 모드 전력 증폭기(5100a)의 입력 단자들과 연결되고, 제2 임피던스 매칭 회로(5510b)는 멀티 모드 전력 증폭기(5100a)의 출력 단자들과 연결되고, 제3 임피던스 매칭 회로(5520a)는 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a)의 입력 단자들과 연결되고, 제4 임피던스 매칭 회로(5520b)는 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a)의 출력 단자들과 연결되고, 제5 임피던스 매칭 회로(5530a)는 가변 이득 위상 천이기(5300a)의 입력 단자들과 연결되며, 제6 임피던스 매칭 회로(5530b)는 가변 이득 위상 천이기(5300a)의 출력 단자들과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제6 임피던스 매칭 회로들(5510a, 5510b, 5520a, 5520b, 5530a, 5530b) 각각은 평행하게 배치되는 두 개의 전송선 라인들(또는 전송선로들 또는 배선들)을 포함하는 전송 라인 트랜스포머(transmission line transformer; TLT)로 구현될 수 있고, 발룬(balanced-to-unbalanced; BALUN) 및 임피던스 매칭(impedance matching) 네트워크의 역할을 수행할 수 있다.
[73]
제1 및 제2 임피던스 매칭 회로들(5510a, 5510b)은 각각 멀티 모드 전력 증폭기(5100a)에 대한 입력 및 출력 임피던스 매칭 회로들이라고 부를 수 있고, 제3 및 제4 임피던스 매칭 회로들(5520a, 5520b)은 각각 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a)에 대한 입력 및 출력 임피던스 매칭 회로들이라고 부를 수 있으며, 제5 및 제6 임피던스 매칭 회로들(5530a, 5530b)은 각각 가변 이득 위상 천이기(5300a)에 대한 입력 및 출력 임피던스 매칭 회로들이라고 부를 수 있다.
[74]
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 멀티 모드 전력 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[75]
도 1, 3 및 4a를 참조하면, 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)의 증폭 모드가 변경될 수 있다. 도 4a의 예에서, 제1 증폭 모드(MODE1)와 제2 증폭 모드(MODE2) 사이에 약 8 dB의 이득 차이가 존재하는 것을 확인할 수 있다.
[76]
일 실시예에서, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)는 병렬 연결된 두 개의 증폭단들을 포함하여 구현될 수 있으며, 두 개의 증폭단들 중에서 하나만을 활성화하거나 두 개의 중폭단들 모두를 활성화하는 방식으로 상기 증폭 모드가 변경될 수 있다,
[77]
도 1, 3 및 4b를 참조하면, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 제1 증폭 모드(MODE1)로 동작하는 경우에, 선형 영역에서 약 10 dB의 이득이 감소하면(예를 들어, 약 0 dB 근처에서), 약 60 mW의 전력이 소모되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 제2 증폭 모드(MODE2)로 동작하는 경우에는, 동일한 조건에서 전력 소모가 절반으로 줄어 약 30 mW의 전력이 소모되는 것을 확인할 수 있다.
[78]
이로부터, 전력 증폭기가 모든 이득 조절을 담당하는 것은 동적 범위 확보에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 전력 효율 측면에서도 좋지 않은 것을 확인할 수 있다. 단일 모드(예를 들어, 제1 증폭 모드(MODE1))로 동작하는 종래의 전력 증폭기와 비교하였을 때, 본 발명의 실시예들에 따른 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)는 이득 조절의 동적 범위를 넓힐 수 있으며, 멀티 모드 기능을 통하여 낮은 전력에서의 효율 및 낮은 이득을 가지는 상황에서의 효율을 증가시킬 수 있다.
[79]
한편, 도 4a 및 4b를 참조하여 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 두 개의 증폭 모드들(MODE1, MODE2) 중 하나로 동작하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 멀티 모드 전력 증폭기는 세 개 이상의 복수의 증폭 모드들 중 하나로 동작하도록 구현될 수도 있다.
[80]
도 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 가변 이득 위상 천이기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[81]
도 5a를 참조하면, 종래의 위상 천이기에서는, 하나의 동상(in-phase) 벡터(VI+)와 하나의 직각 위상(quadrature) 벡터(VQ+)의 크기 및 방향을 조절하고, 이를 더하여 출력 신호를 발생하였다. 이 경우, 위상 조절에는 효과적이나 이득 조절이 어렵다는 문제가 있었다. 다시 말하면, 종래의 위상 천이기에서는 이득 원(gain circle)(실선 표시 부분)이 고정되어 있었다.
[82]
도 1, 3, 5b 및 5c를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)에서는, 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 적어도 두 개의 동상 벡터들과 적어도 두 개의 직각 위상(quadrature) 벡터들의 크기 및 방향을 조절하고, 상기 동상 벡터들 및 상기 직각 위상 벡터들을 더하여 출력 신호를 발생함으로써, 하나의 블록으로 위상과 이득을 독립적으로 한 번에 효과적으로 조절할 수 있다.
[83]
예를 들어, 도 5b에 도시된 것처럼, 제1 및 제2 동상 벡터들(VI1+, VI2+)과 제1 및 제2 직각 위상 벡터들(VQ1+, VQ2+)을 모두 정방향의 벡터로 설정하고, 동상 벡터들(VI1+, VI2+) 및 직각 위상 벡터들(VQ1+, VQ2+)을 더하여 출력 신호를 발생할 수 있다. 또한, 도 5c에 도시된 것처럼, 제1 동상 벡터(VI1+)와 제1 직각 위상 벡터(VQ1+)를 정방향의 벡터로 설정하고, 제2 동상 벡터(VI2-)와 제2 직각 위상 벡터(VQ2-)를 역방향의 벡터로 설정하며, 동상 벡터들(VI1+, VI2-) 및 직각 위상 벡터들(VQ1+, VQ2-)을 더하여 출력 신호를 발생할 수 있다. 도 5b의 이득 원(실선 표시 부분)과 비교하였을 때, 도 5c의 이득 원(실선 표시 부분)이 작아진 것을 확인할 수 있으며, 이득이 감소하였음을 확인할 수 있다.
[84]
이와 함께, 도 5b의 벡터들(VI1+, VI2+, VQ1+, VQ2+) 및/또는 도 5c의 벡터들(VI1+, VI2-, VQ1+, VQ2-)의 크기를 조절하여 제1 사분면에서 위상을 조절할 수 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 상기 벡터들의 방향을 다르게 설정하여 제2, 제3 또는 제4 사분면에서 위상을 조절할 수도 있다. 한편, 도 5b 및 5c를 참조하여 두 개의 동상 벡터들 및 두 개의 직각 위상 벡터들을 이용하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 세 개 이상의 복수의 동상 벡터들 및 세 개 이상의 복수의 직각 위상 벡터들을 이용하도록 구현될 수도 있다.
[85]
도 5a를 참조하여 상술한 동작을 수행하기 위해, 종래의 위상 천이기는 하나의 벡터 합 셀(vector summation cell) 및 이와 연결되는 두 개의 전류 제어 회로들을 구비하는 벡터 합 회로를 포함하여 구현되었다. 상기 벡터 합 셀에 의해 벡터들(예를 들어, VI+, VQ+)의 방향이 결정되고, 상기 전류 제어 회로들에 의해 전류들의 크기(또는 비율)를 조절하여 대응하는 벡터들(예를 들어, VI+, VQ+)의 크기를 조절하며, 이 때 상기 전류들의 합은 항상 일정하게 유지하였다.
[86]
도 5b 및 5c를 참조하여 상술한 동작을 수행하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)는 상기 벡터 합 회로의 구조를 변경할 수 있다.
[87]
도 6a를 참조하면, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)에 포함되는 벡터 합 회로의 제1 실시예는, 출력 단자에 공통 연결되는 두 개의 벡터 합 셀들(5310a, 5310b) 및 이와 연결되는 두 개의 전류 제어 회로들(5315a, 5315b)을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로들(5315a, 5315b)은 벡터 합 셀들(5310a, 5310b)에 의해 공유될 수 있다. 도 6a에 도시된 구조를 셀 분리(cell separation) 방식으로 부를 수 있다.
[88]
벡터 합 셀(5310a)에 의해 제1 동상 벡터 및 제1 직각 위상 벡터(예를 들어, VI1+ 및 VQ1+)의 방향이 결정되고, 벡터 합 셀(5310b)에 의해 제2 동상 벡터 및 제2 직각 위상 벡터(예를 들어, VI2+ 및 VQ2+)의 방향이 결정될 수 있다. 벡터 합 셀들(5310a, 5310b)의 크기 비율(예를 들어, 벡터 합 셀들(5310a, 5310b)에 포함되는 트랜지스터들의 W/L 비율)에 의해 상기 제1 및 제2 동상 벡터들 간의 크기 비율(또는 상기 제1 및 제2 직각 위상 벡터들 간의 크기 비율)이 결정되고, 전류 제어 회로들(5315a, 5315b)에 의해 상기 제1 동상 벡터와 상기 제1 직각 위상 벡터들 간의 크기 비율(또는 상기 제1 동상 벡터와 상기 제1 직각 위상 벡터들 간의 크기 비율)이 결정될 수 있다. 벡터 합 셀들(5310a, 5310b) 및 전류 제어 회로들(5315a, 5315b)을 흐르는 전체 전류의 합은 항상 일정하게 유지될 수 있다.
[89]
도 6b를 참조하면, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)에 포함되는 벡터 합 회로의 제2 실시예는, 출력 단자에 공통 연결되는 두 개의 벡터 합 셀들(5320a, 5320b) 및 이와 연결되는 네 개의 전류 제어 회로들(5325a, 5325b, 5325c, 5325d)을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로들(5325a, 5325b)은 벡터 합 셀(5320a)과 연결되고, 전류 제어 회로들(5325c, 5325d)은 벡터 합 셀(5320b)과 연결될 수 있다. 도 6b에 도시된 구조를 전류 분리(current separation) 방식으로 부를 수 있다.
[90]
벡터 합 셀(5320a)에 의해 제1 동상 벡터 및 제1 직각 위상 벡터(예를 들어, VI1+ 및 VQ1+)의 방향이 결정되고, 벡터 합 셀(5320b)에 의해 제2 동상 벡터 및 제2 직각 위상 벡터(예를 들어, VI2+ 및 VQ2+)의 방향이 결정될 수 있다. 전류 제어 회로들(5325a, 5325b)에 의해 상기 제1 동상 벡터 및 상기 제1 직각 위상 벡터의 크기 및 비율이 결정될 수 있고, 전류 제어 회로들(5325c, 5325d)에 의해 상기 제2 동상 벡터 및 상기 제2 직각 위상 벡터의 크기 및 비율이 결정될 수 있다. 벡터 합 셀들(5320a, 5320b) 및 전류 제어 회로들(5325a, 5325b, 5325c, 5325d)을 흐르는 전체 전류의 합은 항상 일정하게 유지될 수 있다.
[91]
도 6c를 참조하면, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)에 포함되는 벡터 합 회로의 제3 실시예는, 출력 단자에 공통 연결되는 네 개의 벡터 합 셀들(5330a, 5330b, 5330c, 5330d) 및 이와 연결되는 네 개의 전류 제어 회로들(5335a, 5335b, 5335c, 5335d)을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로들(5335a, 5335b)은 벡터 합 셀들(5330a, 5330b)에 의해 공유될 수 있고, 전류 제어 회로들(5335c, 5335d)은 벡터 합 셀들(5330c, 5330d)에 의해 공유될 수 있다. 도 6c에 도시된 구조를 셀 분리 방식과 전류 분리 방식이 결합된 하이브리드(hybrid) 방식으로 부를 수 있다.
[92]
벡터 합 셀들(5330a, 5330b) 및 전류 제어 회로들(5335a, 5335b)을 포함하는 제1 회로는 도 6a의 제1 실시예와 유사하게 동작할 수 있고, 벡터 합 셀들(5330c, 5330d) 및 전류 제어 회로들(5335a, 5335b)을 포함하는 제2 회로 역시 도 6a의 제1 실시예와 유사하게 동작할 수 있다. 상기 제1 회로 및 상기 제2 회로는 도 6b의 제2 실시예와 유사하게 동작할 수 있다. 벡터 합 셀들(5330a, 5330b, 5330c, 5330d) 및 전류 제어 회로들(5335a, 5335b, 5335c, 5335d)을 흐르는 전체 전류의 합은 항상 일정하게 유지될 수 있다.
[93]
도 6d를 참조하면, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)에 포함되는 벡터 합 회로의 제4 실시예는, 출력 단자에 연결되는 하나의 벡터 합 셀(5340) 및 이와 연결되는 네 개의 전류 제어 회로들(5345a, 5345b, 5345c, 5345d)을 포함할 수 있다.
[94]
하나의 벡터 합 셀(5340)을 이용하여 제1 및 제2 동상 벡터들(예를 들어, VI1+, VI2+)과 제1 및 제2 직각 위상 벡터들(예를 들어, VQ1+ 및 VQ2+)이 한 번에 선택될 수 있다. 전류 제어 회로들(5345a, 5345b, 5345c, 5345d)에 의해 상기 제1 및 제2 동상 벡터들과 상기 제1 및 제2 직각 위상 벡터들의 크기 및 비율이 결정될 수 있다. 벡터 합 셀(5340) 및 전류 제어 회로들(5345a, 5345b, 5345c, 5345d)을 흐르는 전체 전류의 합은 항상 일정하게 유지될 수 있다.
[95]
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 송신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[96]
도 1, 3 및 7을 참조하면, 상기 송신 모드에서, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)는 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 상기 제1 송신 이득 조절 기능을 수행하고, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)는 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 제2 송신 이득 조절 기능 및 상기 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 이 때, 상기 송신 경로 상의 배치를 고려하였을 때, 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 먼저 수행되고 이후에 상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행될 수 있다.
[97]
상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)에 대한 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)의 이득(예를 들어, 전력 이득)은 제1 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)에 대한 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)의 상기 이득은 상기 제1 단위보다 작은 제2 단위만큼 조절될 수 있다.
[98]
구체적으로, 도 7에 도시된 것처럼, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 제1 증폭 모드(예를 들어, 도 4a의 MODE1)로 동작하는 경우에 이득 영역(TX_PG1)에서 이득이 조절되고, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 제2 증폭 모드(예를 들어, 도 4a의 MODE2)로 동작하는 경우에 이득 영역(TX_PG1)과 다른(예를 들어, 이득 영역(TX_PG1)보다 낮은) 이득 영역(TX_PG2)에서 이득이 조절될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 이득 영역(TX_PG1)의 실선 및 이득 영역(TX_PG2)의 실선은 각각 도 4a의 제1 증폭 모드(MODE1)에서의 이득 곡선 및 제2 증폭 모드(MODE2)에서의 이득 곡선과 실질적으로 동일할 수 있다.
[99]
가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)는 도 5b 및 5c를 참조하여 상술한 위상 및 이득 조절 동작을 수행하여, 이득 영역(TX_PG1)에서 점선과 같이 이득을 조절하거나 이득 영역(TX_PG2)에서 점선과 같이 이득을 조절할 수 있다.
[100]
다시 말하면, 상기 송신 모드에서, 이득 조절의 MSB(most significant bit) 부분은 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)를 이용한 상기 제1 송신 이득 조절 기능에 의해 수행되고, 이득 조절의 LSB(least significant bit) 부분은 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)를 이용한 상기 제2 송신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 송신 이득 조절 기능에 의해 이득 영역들(TX_PG1, TX_PG2) 중 하나가 결정되고, 상기 제2 송신 이득 조절 기능에 의해 이득 영역들(TX_PG1, TX_PG2) 중 하나에서 세부적으로 이득이 조절될 수 있다. 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)를 이용한 상기 제1 송신 이득 조절 기능은 대략적(coarse) 이득 조절 기능이고, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)를 이용한 상기 제2 송신 이득 조절 기능은 미세(fine) 이득 조절 기능일 수 있다.
[101]
상술한 것처럼, 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a)가 이득 조절의 MSB 부분을 담당하고 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)가 이득 조절의 LSB 부분을 담당함으로써, 이득 조절의 동적 범위를 증가시킬 수 있고 미세한 이득 조절이 가능할 수 있다.
[102]
도 8 및 9는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로에 포함되는 가변 이득 저잡음 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[103]
도 1, 3 및 8을 참조하면, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)는 적어도 두 개의 증폭 회로들(5210)과, 이득 조절 및 위상 보상 회로(5220)를 포함한다.
[104]
증폭 회로들(5210) 각각은 차동 캐스코드(differential cascode) 형태로 구현되고, 적어도 하나의 제1 타입의 트랜지스터를 포함하여 구현될 수 있다. 이득 조절 및 위상 보상 회로(5220)는 가장 뒷단의 증폭 회로의 출력 단자와 연결되고, 상기 제1 타입과 반대되는 제2 타입의 제1 트랜지스터를 포함하며, 추가적으로 상기 제1 트랜지스터와 병렬 연결되는 제1 저항을 포함할 수 있다.
[105]
이득 조절 및 위상 보상 회로(5220)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 출력 신호의 이득을 조절하며 추가적으로 출력 신호의 위상 변화를 보상할 수 있다. 예를 들어, 제2 제어 신호(CONT2)를 상기 가장 뒷단의 증폭 회로에 포함되는 상기 제1 타입의 트랜지스터와 상기 제2 타입의 제1 트랜지스터에 대한 게이트 바이어스로 공통적으로 이용하며, 상기 제1 타입의 트랜지스터의 크기, 상기 제2 타입의 제1 트랜지스터의 크기 및 상기 제1 트랜지스터에 인가되는 바디 바이어스 전압(VPB)을 적절하게 설정함으로써, 이득 조절 기능과 위상 변화 보상 기능을 한 번에 그리고 동시에 수행할 수 있다.
[106]
도 8 및 9를 참조하면, 제2 제어 신호(CONT2)의 레벨을 증가시키는 경우에, 상기 제1 타입의 트랜지스터(예를 들어, NMOS 트랜지스터)의 임피던스는 입력 신호의 위상과 출력 신호의 위상의 차이가 증가하도록(즉, S21 값이 0보다 작은 범위에서 점점 작아지도록) 변화할 수 있다(CASEB). 또한, 제2 제어 신호(CONT2)의 레벨을 증가시키는 경우에, 상기 제2 타입의 제1 트랜지스터(예를 들어, PMOS 트랜지스터)의 임피던스는 입력 신호의 위상과 출력 신호의 위상의 차이가 감소하도록(즉, S21 값이 0보다 작은 범위에서 점점 커지도록) 변화할 수 있다(CASEC). 결과적으로, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)를 전체적으로 고려하였을 때(즉 CASEB와 CASEC를 종합적으로 고려하였을 때), 상기 제1 타입의 트랜지스터의 임피던스 변화와 상기 제2 타입의 제1 트랜지스터의 임피던스 변화에 기초하여, 입력 신호의 위상과 출력 신호의 위상의 차이는 기준 범위(RRNG) 내의 값을 가질 수 있으며(CASEA), 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 다시 말하면, 이득 조절 기능과 위상 변화 보상 기능이 동시에 수행됨을 확인할 수 있다.
[107]
일반적으로, 저잡음 증폭기는 첫 번째 증폭단에서 대부분의 잡음 지수(noise figure; NF) 특성이 결정되기 때문에, 도 8에 도시된 것처럼 출력단에 이득 조절 및 위상 보상 회로(5220)를 연결하는 경우에, 첫 번째 증폭단에서의 이득을 충분히 확보하여 잡음 지수 특성의 열화를 방지할 수 있다.
[108]
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 수신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[109]
도 1, 3 및 10을 참조하면, 상기 수신 모드에서, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 상기 제1 수신 이득 조절 기능을 수행하고, 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)는 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 제2 수신 이득 조절 기능 및 상기 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 이 때, 상기 수신 경로 상의 배치를 고려하였을 때, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 먼저 수행되고 이후에 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행될 수 있다.
[110]
상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)에 대한 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)의 이득(예를 들어, 전력 이득)은 제1 이득 영역에서 제3 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)에 대한 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)의 상기 이득은 상기 제1 이득 영역과 다른 제2 이득 영역에서 상기 제2 단위만큼 조절될 수 있다. 상기 제3 단위는 상기 제2 단위와 다를 수도 있고, 동일할 수도 있다.
[111]
구체적으로, 도 10에 도시된 것처럼, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)는 도 8 및 9를 참조하여 상술한 이득 조절 및 위상 변화 보상 동작을 수행하여, 이득 영역(RX_PG2)에서 점선과 같이 이득을 조절할 수 있다.
[112]
가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)는 도 5b 및 5c를 참조하여 상술한 위상 및 이득 조절 동작을 수행하여, 이득 영역(RX_PG1)에서 점선과 같이 이득을 조절할 수 있다. 상기 송신 모드 및 상기 수신 모드에서 동일한 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)를 이용하므로, 도 10의 이득 영역(RX_PG1)에서 점선의 배치는 도 7의 이득 영역(TX_PG1)에서 점선의 배치와 실질적으로 동일할 수 있다.
[113]
다시 말하면, 상기 수신 모드에서, 이득 조절의 제1 LSB 부분은 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)를 이용한 상기 제1 수신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있고, 이득 조절의 제2 LSB 부분은 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)를 이용한 상기 제2 수신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다. 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)를 이용한 상기 제1 수신 이득 조절 기능 및 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)를 이용한 상기 제2 수신 이득 조절 기능은 모두 미세 이득 조절 기능일 수 있다.
[114]
상술한 것처럼, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a) 및 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a)가 모두 이득 조절의 LSB 부분을 담당한다. 특히 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)의 이득이 크게 변하면 잡음 지수 특성이 열화될 수 있으므로, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a)가 보다 낮은 이득 영역을 담당함으로써, 잡음 지수 특성의 열화를 방지하면서 이득 조절의 동적 범위를 증가시킬 수 있다.
[115]
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[116]
도 11을 참조하면, 빔포밍 회로(6000)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100), 가변 이득 저잡음 증폭기(6200), 가변 이득 위상 천이기(6300) 및 제1 스위치 회로(6410)를 포함한다. 빔포밍 회로(6000)는 제1 스위치 임베디드(switch embedded) 임피던스 매칭 회로(6610), 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620) 및 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630)를 더 포함할 수 있다.
[117]
도 1의 스위치 회로들(5420, 5430, 5440)을 임피던스 매칭 회로들에 집적하여 도 11의 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610, 6620, 6630)로 구현한 것을 제외하면, 도 11의 빔포밍 회로(6000)는 도 1의 빔포밍 회로(5000)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 11의 멀티 모드 전력 증폭기(6100), 가변 이득 저잡음 증폭기(6200), 가변 이득 위상 천이기(6300) 및 제1 스위치 회로(6410)는 도 1의 멀티 모드 전력 증폭기(5100), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200), 가변 이득 위상 천이기(5300) 및 제1 스위치 회로(5410)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
[118]
제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6610)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100), 제1 스위치 회로(6410) 및 가변 이득 위상 천이기(6300) 사이에 배치될 수 있다. 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620)는 가변 이득 저잡음 증폭기(6200), 제1 스위치 회로(6410) 및 가변 이득 위상 천이기(6300) 사이에 배치될 수 있다. 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100), 가변 이득 저잡음 증폭기(6200) 및 안테나(6010) 사이에 배치될 수 있다.
[119]
모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 제1 내지 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610, 6620, 6630)의 연결 상태가 제어될 수 있다. 제1 내지 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610, 6620, 6630)의 동작은 도 1의 제2 내지 제4 스위치 회로들(5420, 5430, 5440)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
[120]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(6000)는, 위상과 이득을 독립적으로 한 번에 조절하는 가변 이득 위상 천이기(6300)를 포함하며, 송신 경로 및 수신 경로가 하나의 가변 이득 위상 천이기(6300)를 공유함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 감소될 수 있다. 또한, 스위치 회로들을 임피던스 매칭 회로들에 집적하여 구현함으로써, 4개의 개별 블록을 포함하도록 구현되어 크기 및 면적이 더욱 감소될 수 있다.
[121]
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(6000)는, 가변 이득 위상 천이기(6300)를 이용함으로써 이득 변화에 따른 위상 오차를 최소화시킬 수 있고, 멀티 모드 전력 증폭기(5100)를 이용함으로써 송신 이득 조절의 동적 범위, 상대적으로 낮은 전력에서의 효율, 낮은 이득을 가지는 구간에서의 효율 및 선형성을 향상시킬 수 있으며, 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)를 이용함으로써 수신 이득 조절의 동적 범위를 향상시키고 위상 오차를 더욱 감소시킬 수 있다.
[122]
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다.
[123]
도 12를 참조하면, 빔포밍 회로(6000a)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100a), 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a), 가변 이득 위상 천이기(6300a) 및 제1 스위치 회로(6410)를 포함한다. 빔포밍 회로(6000a)는 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6610a), 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620a) 및 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630a)를 더 포함할 수 있다.
[124]
도 12의 멀티 모드 전력 증폭기(6100a), 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a), 가변 이득 위상 천이기(6300a) 및 제1 스위치 회로(6410)는 도 3의 멀티 모드 전력 증폭기(5100a), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200a), 가변 이득 위상 천이기(5300a) 및 제1 스위치 회로(5410)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
[125]
제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6610a)는 제1 전송선 라인(M11), 제2 전송선 라인(M12), 제3 전송선 라인(M13) 및 제1 스위칭 소자(SW1)를 포함할 수 있다. 제1 전송선 라인(M11)은 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 입력 단자와 연결될 수 있다. 제2 전송선 라인(M12)은 제1 스위치 회로(6410)의 제2 단자 및 접지 단자와 연결될 수 있다. 제3 전송선 라인(M13)은 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 출력 단자와 연결될 수 있다. 제1 스위칭 소자(SW1)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 입력 단자에 제1 전송선 라인(M11)과 병렬 연결될 수 있고, 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 온/오프될 수 있다. 제1 및 제2 전송선 라인들(M11, M12)이 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 입력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있고, 제2 및 제3 전송선 라인들(M12, M13)이 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 출력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있다. 다시 말하면, 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 입력 임피던스 매칭 회로와 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 출력 임피던스 매칭 회로는 하나의 전송선 라인(M12)을 공유할 수 있다. 예를 들어, 각 전송선 라인은 임의의 금속을 포함할 수 있다.
[126]
제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620a)는 제4 전송선 라인(M21), 제5 전송선 라인(M22), 제6 전송선 라인(M23) 및 제2 스위칭 소자(SW2)를 포함할 수 있다. 제4 전송선 라인(M21)은 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 출력 단자와 연결될 수 있다. 제5 전송선 라인(M22)은 제1 스위치 회로(6410)의 제3 단자 및 접지 단자와 연결될 수 있다. 제6 전송선 라인(M23)은 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 입력 단자와 연결될 수 있다. 제2 스위칭 소자(SW2)는 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 출력 단자에 제4 전송선 라인(M21)과 병렬 연결될 수 있고, 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 온/오프될 수 있다. 제4 및 제5 전송선 라인들(M21, M22)이 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 출력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있고, 제5 및 제6 전송선 라인들(M22, M23)이 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 입력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있다. 다시 말하면, 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 출력 임피던스 매칭 회로와 가변 이득 위상 천이기(6300a)의 입력 임피던스 매칭 회로는 하나의 전송선 라인(M22)을 공유할 수 있다.
[127]
제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630a)는 제7 전송선 라인(M31), 제8 전송선 라인(M32), 제9 전송선 라인(M33), 제3 스위칭 소자(SW31) 및 제4 스위칭 소자(SW32)를 포함할 수 있다. 제7 전송선 라인(M31)은 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 출력 단자와 연결될 수 있다. 제8 전송선 라인(M32)은 안테나(6010) 및 접지 단자와 연결될 수 있다. 제9 전송선 라인(M33)은 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 입력 단자와 연결될 수 있다. 제3 스위칭 소자(SW31)는 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 출력 단자에 제7 전송선 라인(M31)과 병렬 연결될 수 있고, 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 온/오프될 수 있다. 제4 스위칭 소자(SW32)는 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 입력 단자에 제9 전송선 라인(M33)과 병렬 연결될 수 있고, 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 온/오프될 수 있다. 제7 및 제8 전송선 라인들(M31, M32)이 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 출력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있고, 제8 및 제9 전송선 라인들(M32, M33)이 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 입력 임피던스 매칭 회로로 동작할 수 있다. 다시 말하면, 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)의 출력 임피던스 매칭 회로와 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)의 입력 임피던스 매칭 회로는 하나의 전송선 라인(M32)을 공유할 수 있다.
[128]
도 13a, 13b, 14a, 14b, 15a 및 15b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 12의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 도 13a, 13b, 14a 및 14b는 제1 및 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610a, 6620a)과 관련된 동작을 나타내며, 도 15a 및 15b는 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630a)와 관련된 동작을 나타낸다.
[129]
도 13a를 참조하면, 상기 송신 모드에서, 제1 스위칭 소자(SW1)는 단선(open)되고, 제2 스위칭 소자(SW2)는 단락(short)될 수 있다. 이 경우, 제1 스위치 회로(6410)로부터 수신되는 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)는 제5 및 제6 전송선 라인들(M22, M23)을 통해 가변 이득 위상 천이기(6300a)에 제공될 수 있다. 가변 이득 위상 천이기(6300a)는 제3 제어 신호(CONT3) 및 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)에 기초하여 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)를 발생하며, 가변 이득 위상 천이기(6300a)로부터 출력되는 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)는 제1, 제2 및 제3 전송선 라인들(M11, M12, M13)을 통해 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)에 제공될 수 있다. 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)는 제1 제어 신호(CONT1) 및 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)에 기초하여 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)를 발생할 수 있다. 이 때, 제2 스위칭 소자(SW2)의 단락에 의해 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a) 쪽으로의 신호 누설이 방지될 수 있다.
[130]
도 13b를 참조하면, 상기 수신 모드에서, 제1 스위칭 소자(SW1)는 단락되고, 제2 스위칭 소자(SW2)는 단선될 수 있다. 이 경우, 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)는 제2 제어 신호(CONT2) 및 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)에 기초하여 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)를 발생하며, 가변 이득 위상 저잡음 증폭기(6200a)로부터 출력되는 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)는 제4, 제5 및 제6 전송선 라인들(M21, M22, M23)을 통해 가변 이득 위상 천이기(6300a)에 제공될 수 있다. 가변 이득 위상 천이기(6300a)는 제3 제어 신호(CONT3) 및 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)에 기초하여 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 발생하며, 가변 이득 위상 천이기(6300a)로부터 출력되는 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)는 제2 및 제3 전송선 라인들(M12, M13)을 통해 제1 스위치 회로(6410)에 제공될 수 있다. 제1 스위치 회로(6410)는 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 출력할 수 있다. 이 때, 제1 스위칭 소자(SW1)의 단락에 의해 멀티 모드 전력 증폭기(6100a) 쪽으로의 신호 누설이 방지될 수 있다.
[131]
도 14a를 참조하면, 인덕터들(L11, L12, L13, L21, L22, L23) 및 스위칭 소자들(SW12, SW22)을 더 포함하는 것을 제외하면, 도 14a의 동작은 도 13a의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 스위칭 소자(SW2)의 단락과 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620a)에 포함되는 인덕터들(L21, L22)에 의해 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)가 단선된 것처럼 보일 수 있다. 또한, 상기 송신 모드에서, 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6610a)에 포함되는 스위칭 소자(SW12)를 턴 온시켜 접지가 보이게 한 후 인덕터(L13)를 통과하여 제2 전송선 라인(M12)에서 보이는 실제 임피던스 값이 무한대로 보이는 경우에, 고립도(isolation) 특성을 약 20 dB 이상 개선할 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 넓은 동적 범위(wide dynamic range)(예를 들어, 약 18 dB 이상)를 갖는 가변 이득 위상 천이기를 구현할 수 있다.
[132]
도 14b를 참조하면, 인덕터들(L11, L12, L13, L21, L22, L23) 및 스위칭 소자들(SW12, SW22)을 더 포함하는 것을 제외하면, 도 14b의 동작은 도 13b의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 스위칭 소자(SW1)의 단락과 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6610a)에 포함되는 인덕터들(L11, L12)에 의해 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)가 단선된 것처럼 보일 수 있다. 또한, 상기 수신 모드에서, 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6620a)에 포함되는 스위칭 소자(SW22)를 턴 온시켜 접지가 보이게 한 후 인덕터(L23)를 통과하여 제5 전송선 라인(M22)에서 보이는 실제 임피던스 값이 무한대로 보이는 경우에, 고립도(isolation) 특성을 개선할 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 넓은 동적 범위(wide dynamic range)를 갖는 가변 이득 위상 천이기를 구현할 수 있다.
[133]
실시예에 따라서, 도 14a 및 14b의 인덕터들(L11, L12, L21, L22)만을 포함하고 인덕터들(L13, L23) 및 스위칭 소자들(SW12, SW22)이 생략되도록 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610a, 6620a)이 구현될 수도 있고, 도 14a 및 14b의 인덕터들(L13, L23) 및 스위칭 소자들(SW12, SW22)만을 포함하고 인덕터들(L11, L12, L21, L22)이 생략되도록 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들(6610a, 6620a)이 구현될 수도 있다.
[134]
도 15a를 참조하면, 상기 송신 모드에서, 제3 스위칭 소자(SW31)는 단선되고 제4 스위칭 소자(SW32)는 단락될 수 있다. 이 경우, 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)는 제1 제어 신호(CONT1) 및 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)에 기초하여 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)를 발생하고, 멀티 모드 전력 증폭기(6100a)로부터 출력되는 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)는 제7 및 제8 전송선 라인들(M31, M32)을 통해 안테나(6010)에 제공되고 안테나(6010)를 통해 출력될 수 있다. 이 때, 제4 스위칭 소자(SW32)의 단락에 의해 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a) 쪽으로의 신호 누설이 방지될 수 있다.
[135]
도 15b를 참조하면, 상기 수신 모드에서, 제3 스위칭 소자(SW31)는 단락되고 제4 스위칭 소자(SW32)는 단선될 수 있다. 이 경우, 안테나(6010)로부터 수신되는 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)는 제8 및 제9 전송선 라인들(M32, M33)을 통해 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)에 제공되고, 가변 이득 저잡음 증폭기(6200a)는 제2 제어 신호(CONT2) 및 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)에 기초하여 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)를 발생할 수 있다.
[136]
도시하지는 않았으나, 도 14a 및 14b를 참조하여 상술한 것처럼, 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로(6630a)는 실시예에 따라서 인덕터들을 더 포함할 수도 있다.
[137]
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 나타내는 블록도이다. 도 17a 및 17b는 송신 모드 및 수신 모드에서 도 16의 빔포밍 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[138]
도 16을 참조하면, 빔포밍 회로(7000)는 멀티 모드 전력 증폭기(7100), 가변 이득 저잡음 증폭기(7200), 제1 가변 이득 위상 천이기(7300), 제2 가변 이득 위상 천이기(7350), 제1 스위치 회로(7410) 및 제2 스위치 회로(7420)를 포함한다.
[139]
도 1의 가변 이득 위상 천이기(7300)를 두 개의 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)로 분리하여 구현한 것을 제외하면, 도 16의 빔포밍 회로(7000)는 도 1의 빔포밍 회로(5000)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 16의 멀티 모드 전력 증폭기(7100), 가변 이득 저잡음 증폭기(7200) 및 제2 스위치 회로(7420)는 도 1의 멀티 모드 전력 증폭기(5100), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200) 및 제4 스위치 회로(5440)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
[140]
제1 가변 이득 위상 천이기(7300)는 상기 송신 모드에서 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 송신 신호에 대한 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 독립적으로 한 번에 수행한다. 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)는 상기 수신 모드에서 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 수신 신호에 대한 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 독립적으로 한 번에 수행한다. 실시예에 따라서, 제1 및 제2 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)은 서로 동일한 타입일 수도 있고 서로 다른 타입일 수도 있다.
[141]
제1 스위치 회로(7410)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 제1 및 제2 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350) 중 하나와 연결될 수 있다.
[142]
도 17a를 참조하면, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 제1 스위치 회로(7410)의 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제2 스위치 회로(7420)의 제1 및 제2 단자들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 스위치 회로(7410), 제1 가변 이득 위상 천이기(7300), 멀티 모드 전력 증폭기(7100), 제2 스위치 회로(7420) 및 안테나(7010)를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화될 수 있다. 상기 제1 경로는 송신 경로라고 부를 수 있다.
[143]
제1 스위치 회로(7410)는 외부(예를 들어, 외부의 신호 처리부)로부터 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)를 수신하여 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)에 제공한다. 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)는 제3 제어 신호(CONT3)를 기초로 제1 RF 입력 신호(RF_TX_IN)에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)를 발생한다. 멀티 모드 전력 증폭기(7100)는 제1 제어 신호(CONT1)를 기초로 제1 RF 중간 신호(RF_TX_MID)를 증폭하여 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)를 발생한다. 제1 RF 출력 신호(RF_TX_OUT)는 제2 스위치 회로(7420)를 거쳐 안테나(7010)에 제공되며, 안테나(7010)를 통해 외부(예를 들어, 외부의 통신 단말기)로 전송된다.
[144]
상기 송신 모드에서, 멀티 모드 전력 증폭기(7100)는 제1 제어 신호(CONT1)에 기초하여 상기 제1 송신 이득 조절 기능을 수행하며, 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)는 제3 제어 신호(CONT3)에 기초하여 상기 제2 송신 이득 조절 기능 및 상기 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 다시 말하면, 멀티 모드 전력 증폭기(7100) 및 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)를 이용하여, 상기 송신 모드에서 이득 조절 기능을 분산시킬 수 있다.
[145]
도 17b를 참조하면, 상기 수신 모드에서 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 제1 스위치 회로(7410)의 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결되고, 제2 스위치 회로(7420)의 제1 및 제3 단자들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 안테나(7010), 제2 스위치 회로(7420), 가변 이득 저잡음 증폭기(7200), 제2 가변 이득 위상 천이기(7350) 및 제1 스위치 회로(7410)를 순차적으로 연결하는 제2 경로가 활성화될 수 있다. 상기 제2 경로는 수신 경로라고 부를 수 있다.
[146]
안테나(7010)는 외부(예를 들어, 외부의 통신 단말기)로부터 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)를 수신한다. 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)는 제2 스위치 회로(7420)를 거쳐 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)에 제공된다. 가변 이득 저잡음 증폭기(5200)는 제2 제어 신호(CONT2)를 기초로 제2 RF 입력 신호(RF_RX_IN)를 증폭하여 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)를 발생한다. 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)는 제4 제어 신호(CONT4)를 기초로 제2 RF 중간 신호(RF_RX_MID)에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)를 발생한다. 제2 RF 출력 신호(RF_RX_OUT)는 제1 스위치 회로(7410)를 거쳐 출력되며, 외부(예를 들어, 외부의 신호 처리부)로 제공된다.
[147]
상기 수신 모드에서, 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 상기 제1 수신 이득 조절 기능을 수행하며, 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)는 제4 제어 신호(CONT4)에 기초하여 상기 제2 수신 이득 조절 기능 및 상기 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행한다. 다시 말하면, 가변 이득 저잡음 증폭기(7200) 및 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)를 이용하여, 상기 수신 모드에서 이득 조절 기능을 분산시킬 수 있다. 한편, 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)는 제2 제어 신호(CONT2)에 기초하여 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행할 수 있다.
[148]
본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(7000)는, 위상과 이득을 독립적으로 한 번에 조절하는 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)을 포함함으로써, 크기, 면적 및 전력 소모가 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로(7000)는, 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)을 이용함으로써 이득 변화에 따른 위상 오차를 최소화시킬 수 있고, 멀티 모드 전력 증폭기(7100)를 이용함으로써 송신 이득 조절의 동적 범위, 상대적으로 낮은 전력에서의 효율, 낮은 이득을 가지는 구간에서의 효율 및 선형성을 향상시킬 수 있으며, 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)를 이용함으로써 수신 이득 조절의 동적 범위를 향상시키고 위상 오차를 더욱 감소시킬 수 있다.
[149]
도시하지는 않았으나, 도 12를 참조하여 상술한 것처럼, 실시예에 따라서 제1 및 제2 스위칭 회로들(7410, 7420)을 임피던스 매칭 회로들에 집적하여 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로들로 구현할 수도 있다.
[150]
일 실시예에서, 제1 및 제2 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)은 서로 동일한 타입일 수 있다. 이 경우, 도 7을 참조하여 상술한 것처럼, 상기 송신 모드에서 이득 조절의 MSB 부분은 멀티 모드 전력 증폭기(7100)를 이용한 상기 제1 송신 이득 조절 기능에 의해 수행되고, 이득 조절의 LSB 부분은 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)를 이용한 상기 제2 송신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다. 또한, 도 10을 참조하여 상술한 것처럼, 상기 수신 모드에서 이득 조절의 제1 LSB 부분은 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)를 이용한 상기 제1 수신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있고, 이득 조절의 제2 LSB 부분은 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)를 이용한 상기 제2 수신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다.
[151]
다른 실시예에서, 제1 및 제2 가변 이득 위상 천이기들(7300, 7350)은 서로 다른 타입일 수 있다. 이 경우, 도 7을 참조하여 상술한 것처럼, 상기 송신 모드에서 이득 조절의 MSB 부분은 멀티 모드 전력 증폭기(7100)를 이용한 상기 제1 송신 이득 조절 기능에 의해 수행되고, 이득 조절의 LSB 부분은 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)를 이용한 상기 제2 송신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 도 7의 예와 유사하게, 상기 수신 모드에서 이득 조절의 MSB 부분은 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)를 이용한 상기 제2 수신 이득 조절 기능에 의해 수행되고, 이득 조절의 LSB 부분은 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)를 이용한 상기 제1 수신 이득 조절 기능에 의해 수행될 수 있다. 가변 이득 저잡음 증폭기(7200)가 이득 조절의 LSB 부분을 담당함으로써, 잡음 지수 특성의 열화를 방지할 수 있다.
[152]
도 18a 및 18b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로의 송신 모드 및 수신 모드에서의 이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
[153]
도 18a를 참조하면, 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)는 항상 송신 이득 조절의 LSB 부분을 담당하도록 구현될 수 있으며, 이에 따라 미세한 이득 조절이 가능할 수 있다. 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)가 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)와 동일한 타입인 경우에, 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)를 이용하여 미세한 이득 조절이 가능할 수도 있다.
[154]
도 18b를 참조하면, 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)가 제1 가변 이득 위상 천이기(7300)와 서로 다른 타입인 경우에, 제2 가변 이득 위상 천이기(7350)는 수신 이득의 MSB 부분을 담당하도록 구현될 수 있으며, 이에 따라 이득 조절의 동적 범위를 증가시킬 수 있다.
[155]
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로를 포함하는 빔포밍 시스템을 나타내는 블록도이다.
[156]
도 19를 참조하면, 빔포밍 시스템(8000)은 송수신기(8100), 복수의 빔포밍 회로 어레이들(8200a, 8200b, ..., 8200h), 안테나 배열(8300) 및 제어 로직(8400)을 포함한다. 도 19는 8*8 채널의 능동 위상 배열 시스템을 예시하였으나, 빔포밍 시스템에 포함되는 구성요소들의 개수는 실시예에 따라서 다양하게 변경될 수 있다.
[157]
송수신기(8100)는 송신 모드에서 암/복호화, 변/복조 등의 동작을 수행하여, 송신하고자 하는 데이터를 기저 대역의 신호, 중간 주파수 대역의 신호 및 RF(radio frequency) 대역의 신호로 순차적으로 변환하여 복수의 빔포밍 회로 어레이들(8200a~8200h)에 제공한다. 송수신기(8100)는 수신 모드에서 복수의 안테나들(8300) 및 복수의 빔포밍 회로 어레이들(8200a~8200h)을 통해 수신된 RF 대역의 신호에 대한 암/복호화, 변/복조 등의 동작을 수행하여, 중간 주파수 대역의 신호, 기저 대역의 신호 및 데이터로 순차적으로 변환한다.
[158]
복수의 빔포밍 회로 어레이들(8200a~8200h)은 복수의 빔포밍 회로들을 포함한다. 예를 들어, 빔포밍 회로 어레이(8200a)는 제1 내지 제8 빔포밍 회로들(BFIC1-1, BFIC1-2, ..., BFIC1-8)을 포함한다. 도시하지는 않았지만, 빔포밍 회로 어레이들(8200b~8200h) 역시 복수의 빔포밍 회로들을 각각 포함할 수 있다.
[159]
복수의 빔포밍 회로 어레이들(8200a~8200h)에 포함되는 복수의 빔포밍 회로들(예를 들어, BFIC1-1, BFIC1-2, ..., BFIC1-8) 각각은, 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 회로일 수 있다. 예를 들어, 각 빔포밍 회로는 멀티 모드 전력 증폭기, 가변 이득 저잡음 증폭기 및 적어도 하나의 가변 이득 위상 천이기를 포함하여 구현되며, 크기 및 면적이 감소되는 초소형 특성, 전력 소모가 감소되는 저전력 특성, 삽입 손실이 감소되고(저손실) 이득 조절 시 위상 오차가 감소되는(고선형) 고성능 특성 등을 가짐으로써, 빔포밍 시스템(8000)의 성능이 향상될 수 있다.
[160]
안테나 배열(8300)은 복수의 안테나들을 포함한다. 각 안테나는 대응하는 빔포밍 회로와 연결되어 신호를 송/수신할 수 있다.
[161]
제어 로직(8400)은 복수의 빔포밍 회로들(예를 들어, BFIC1-1, BFIC1-2, ..., BFIC1-8)을 제어하기 위한 제어 신호들(CONT)을 발생한다. 예를 들어, 제어 신호들(CONT)은 복수의 제1 제어 신호(CONT1)들, 복수의 제2 제어 신호(CONT2)들 및 복수의 제3 제어 신호(CONT3)들을 포함할 수 있고, 복수의 제4 제어 신호(CONT4)들을 더 포함할 수 있다.
[162]
도 20a 및 20b는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
[163]
도 20a를 참조하면, 모든 안테나들이 동일한 크기의 빔들을 서로 다른 방향으로 방사하는 경우에 에너지의 낭비가 발생할 수 있다. 예를 들어, 원하는 방향의 빔(DB)과 원하지 않는 방향의 빔(UB)이 동일한 크기로 방사됨에 따라 RF 에너지의 집중이 어려울 수 있다.
[164]
도 20b를 참조하면, 원하는 방향의 빔(DB)은 유지하고, 원하지 않는 방향의 빔(UB)은 빔포밍 회로를 이용하여 이득 및 위상을 조절하여 억제된 빔(SB)으로 변환함으로써, 원하는 방향으로 RF 에너지를 효과적으로 집중시킬 수 있다.
[165]
한편, 빔포밍 회로가 멀티 모드 전력 증폭기(5100, 5100a, 6100, 6100a, 7100), 가변 이득 저잡음 증폭기(5200, 5200a, 6200, 6200a, 7200) 및 가변 이득 위상 천이기(5300, 5300a, 6300, 6300a, 7300, 7350) 만을 포함하는 경우에 기초하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이득을 더욱 증가시키기 위해 추가적인 이득 증폭기가 가변 이득 위상 천이기의 앞단 또는 뒷단에 배치될 수도 있고, 그 밖에 이득 증가, 위상 오차 감소, 선형성 증가 등을 위한 적어도 하나의 블록이 추가될 수도 있다. 또한, 실시예에 따라서, 송신 경로 상의 가변 이득 위상 천이기 및/또는 수신 경로 상의 가변 이득 위상 천이기가 능동 방식의 위상 천이기 및 VGA로 대체될 수도 있다.

산업상 이용가능성

[166]
본 발명은 빔포밍 회로를 포함하는 다양한 통신 장치 및 시스템과 이를 포함하는 다양한 전자 장치 및 시스템에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 휴대폰(mobile phone), 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC(personal computer), 노트북(laptop computer), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(digital camera), 휴대용 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, 사물 인터넷(internet of things; IoT) 기기, 만물 인터넷(internet of everything; IoE) 기기, 가상 현실(virtual reality; VR) 기기, 증강 현실(augmented reality; AR) 기기 등과 같은 다양한 전자 기기에 유용하게 이용될 수 있다.
[167]
특히, 본 발명은 5G 이통통신 시스템(예를 들어, 약 28 GHz, 40 GHz 등), 군용 레이더 및 통신 시스템(예를 들어, X band, Ku band, W band 등), 위성통신 시스템(예를 들어, Ka band 등), 자동차용 레이더(예를 들어, 자율주행 자동차)(예를 들어, 약 79 GHz 등), 무선 전력 전송(예를 들어, 약 5.8 GHz 등) 등에 유용하게 이용될 수 있다.
[168]
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

청구범위

[청구항 1]
송신 모드에서 제1 RF 입력 신호를 기초로 발생되는 제1 RF 중간 신호를 증폭하여 안테나를 통해 전송하고자 하는 제1 RF 출력 신호를 발생하고, 제1 제어 신호에 기초하여 제1 송신 이득 조절 기능을 수행하는 멀티 모드 전력 증폭기; 수신 모드에서 상기 안테나를 통해 수신되는 제2 RF 입력 신호를 증폭하여 제2 RF 중간 신호를 발생하고, 제2 제어 신호에 기초하여 제1 수신 이득 조절 기능을 수행하는 가변 이득 저잡음 증폭기; 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 상기 제1 RF 중간 신호를 발생하고 제3 제어 신호에 기초하여 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행하며, 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호를 발생하고 상기 제3 제어 신호에 기초하여 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행하는 가변 이득 위상 천이기; 및 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호를 수신하여 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 상기 제2 RF 출력 신호를 수신하여 출력하는 제1 스위치 회로를 포함하는 빔포밍 회로.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 멀티 모드 전력 증폭기 및 상기 제1 스위치 회로 중 하나를 상기 가변 이득 위상 천이기와 연결하는 제2 스위치 회로; 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 및 상기 제1 스위치 회로 중 하나를 상기 가변 이득 위상 천이기와 연결하는 제3 스위치 회로; 및 상기 멀티 모드 전력 증폭기 및 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 중 하나를 상기 안테나와 연결하는 제4 스위치 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 3]
제 2 항에 있어서, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 회로, 상기 제3 스위치 회로, 상기 가변 이득 위상 천이기, 상기 제2 스위치 회로, 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제4 스위치 회로 및 상기 안테나를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화되고, 상기 수신 모드에서 상기 모드 선택 신호에 기초하여 상기 안테나, 상기 제4 스위치 회로, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제3 스위치 회로, 상기 가변 이득 위상 천이기, 상기 제2 스위치 회로 및 상기 제1 스위치 회로를 순차적으로 연결하는 제2 경로가 활성화되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 4]
제 1 항에 있어서, 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제1 스위치 회로 및 상기 가변 이득 위상 천이기 사이에 배치되는 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로; 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제1 스위치 회로 및 상기 가변 이득 위상 천이기 사이에 배치되는 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로; 및 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기 및 상기 안테나 사이에 배치되는 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 5]
제 4 항에 있어서, 상기 제1 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는, 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 입력 단자와 연결되는 제1 전송선 라인; 상기 제1 스위치 회로의 제1 단자와 연결되는 제2 전송선 라인; 상기 가변 이득 위상 천이기의 출력 단자와 연결되는 제3 전송선 라인; 및 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 입력 단자에 상기 제1 전송선 라인과 병렬 연결되는 제1 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 6]
제 5 항에 있어서, 상기 송신 모드에서 상기 제1 스위칭 소자는 단선(open)되고, 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 출력되는 상기 제1 RF 중간 신호가 상기 제1, 제2 및 제3 전송선 라인들을 통해 상기 멀티 모드 전력 증폭기에 제공되며, 상기 수신 모드에서 상기 제1 스위칭 소자는 단락(short)되고, 상기 가변 이득 위상 천이기로부터 출력되는 상기 제2 RF 출력 신호가 상기 제2 및 제3 전송선 라인들을 통해 상기 제1 스위치 회로에 제공되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 7]
제 5 항에 있어서, 상기 제2 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 출력 단자와 연결되는 제4 전송선 라인; 상기 제1 스위치 회로의 제2 단자와 연결되는 제5 전송선 라인; 상기 가변 이득 위상 천이기의 입력 단자와 연결되는 제6 전송선 라인; 및 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 출력 단자에 상기 제4 전송선 라인과 병렬 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 8]
제 7 항에 있어서, 상기 송신 모드에서 상기 제2 스위칭 소자는 단락되고, 상기 제1 스위치 회로로부터 수신되는 상기 제1 RF 입력 신호가 상기 제5 및 제6 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공되며, 상기 수신 모드에서 상기 제2 스위칭 소자는 단선되고, 상기 가변 이득 위상 저잡음 증폭기로부터 출력되는 상기 제2 RF 중간 신호가 상기 제4, 제5 및 제6 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 위상 천이기에 제공되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 9]
제 7 항에 있어서, 상기 제3 스위치 임베디드 임피던스 매칭 회로는, 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 출력 단자와 연결되는 제7 전송선 라인; 상기 안테나와 연결되는 제8 전송선 라인; 및 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 입력 단자와 연결되는 제9 전송선 라인; 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 출력 단자에 상기 제7 전송선 라인과 병렬 연결되는 제3 스위칭 소자; 및 상기 가변 이득 저잡음 증폭기의 입력 단자에 상기 제9 전송선 라인과 병렬 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 10]
제 9 항에 있어서, 상기 송신 모드에서 상기 제3 스위칭 소자는 단선되고 상기 제4 스위칭 소자는 단락되며, 상기 멀티 모드 전력 증폭기로부터 출력되는 상기 제1 RF 출력 신호가 상기 제7 및 제8 전송선 라인들을 통해 상기 안테나에 제공되며, 상기 수신 모드에서 상기 제3 스위칭 소자는 단락되고 상기 제4 스위칭 소자는 단선되며, 상기 안테나로부터 수신되는 상기 제2 RF 입력 신호가 상기 제8 및 제9 전송선 라인들을 통해 상기 가변 이득 저잡음 증폭기에 제공되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 11]
제 1 항에 있어서, 상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 이득은 제1 단위만큼 조절되고, 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 단위보다 작은 제2 단위만큼 조절되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 12]
제 11 항에 있어서, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제1 이득 영역에서 제3 단위만큼 조절되고, 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 이득 영역과 다른 제2 이득 영역에서 상기 제2 단위만큼 조절되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 13]
제 1 항에 있어서, 상기 제1 제어 신호에 기초하여 상기 멀티 모드 전력 증폭기의 증폭 모드가 변경되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 14]
제 1 항에 있어서, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기는 상기 제2 제어 신호에 기초하여 위상 변화 보상 기능을 추가적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 15]
제 1 항에 있어서, 상기 가변 이득 위상 천이기는 상기 제3 제어 신호에 기초하여 적어도 두 개의 동상(in-phase) 벡터들과 적어도 두 개의 직각 위상(quadrature) 벡터들의 크기 및 방향을 조절하고, 상기 적어도 두 개의 동상 벡터들 및 상기 적어도 두 개의 직각 위상 벡터들을 더하여, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하거나 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 16]
송신 모드에서 제1 RF 입력 신호를 기초로 발생되는 제1 RF 중간 신호를 증폭하여 안테나를 통해 전송하고자 하는 제1 RF 출력 신호를 발생하고, 제1 제어 신호에 기초하여 제1 송신 이득 조절 기능을 수행하는 멀티 모드 전력 증폭기; 수신 모드에서 상기 안테나를 통해 수신되는 제2 RF 입력 신호를 증폭하여 제2 RF 중간 신호를 발생하고, 제2 제어 신호에 기초하여 제1 수신 이득 조절 기능을 수행하는 가변 이득 저잡음 증폭기; 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 상기 제1 RF 중간 신호를 발생하고, 제3 제어 신호에 기초하여 제2 송신 이득 조절 기능 및 송신 위상 조절 기능을 한 번에 수행하는 제1 가변 이득 위상 천이기; 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 중간 신호에 대한 이득 및 위상을 한 번에 조절하여 제2 RF 출력 신호를 발생하고, 제4 제어 신호에 기초하여 제2 수신 이득 조절 기능 및 수신 위상 조절 기능을 한 번에 수행하는 제2 가변 이득 위상 천이기; 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 입력 신호를 상기 제1 가변 이득 위상 천이기에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 제2 가변 이득 위상 천이기로부터 상기 제2 RF 출력 신호를 수신하여 출력하는 제1 스위치 회로; 및 상기 송신 모드에서 상기 제1 RF 출력 신호를 상기 안테나에 제공하고, 상기 수신 모드에서 상기 제2 RF 입력 신호를 상기 가변 이득 저잡음 증폭기에 제공하는 제2 스위치 회로를 포함하는 빔포밍 회로.
[청구항 17]
제 16 항에 있어서, 상기 송신 모드에서 모드 선택 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 회로, 상기 제1 가변 이득 위상 천이기, 상기 멀티 모드 전력 증폭기, 상기 제2 스위치 회로 및 상기 안테나를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화되고, 상기 수신 모드에서 상기 모드 선택 신호에 기초하여 상기 안테나, 상기 제2 스위치 회로, 상기 가변 이득 저잡음 증폭기, 상기 제2 가변 이득 위상 천이기 및 상기 제1 스위치 회로를 순차적으로 연결하는 제1 경로가 활성화되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 18]
제 16 항에 있어서, 상기 제1 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 이득은 제1 단위만큼 조절되고, 상기 제2 송신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제1 RF 입력 신호에 대한 상기 제1 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 단위보다 작은 제2 단위만큼 조절되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 19]
제 18 항에 있어서, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제1 이득 영역에서 제3 단위만큼 조절되고, 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제1 이득 영역과 다른 제2 이득 영역에서 상기 제2 단위만큼 조절되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.
[청구항 20]
제 18 항에 있어서, 상기 제2 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 이득은 제3 단위만큼 조절되고, 상기 제1 수신 이득 조절 기능이 수행되는 경우에, 상기 제2 RF 입력 신호에 대한 상기 제2 RF 출력 신호의 상기 이득은 상기 제3 단위보다 작은 제4 단위만큼 조절되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 회로.

도면

[도1]

[도2a]

[도2b]

[도3]

[도4a]

[도4b]

[도5a]

[도5b]

[도5c]

[도6a]

[도6b]

[도6c]

[도6d]

[도7]

[도8]

[도9]

[도10]

[도11]

[도12]

[도13a]

[도13b]

[도14a]

[도14b]

[도15a]

[도15b]

[도16]

[도17a]

[도17b]

[도18a]

[도18b]

[도19]

[도20a]

[도20b]