KR20230075636A - 저잡음 수동소자 믹서 시스템 - Google Patents

Abstract

저잡음 수동소자 믹서 시스템으로, 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)에 연결된 한 쌍의 믹서 스위치(M₁, M₂, M₃, M₄)로 구성된 믹서부를 포함하며, 상기 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)에 분리된 2개의 인덕터((L₃, L₄)로부터 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템이 제공된다.

Description

저잡음 수동소자 믹서 시스템{Low-noise passive emixer system}

본 발명은 저잡음 수동소자 믹서 시스템에 관한 것이다.

차세대 무선 통신 시스템 (5G, B5G, 6G)에서는 통신 용량 증가와 다중 유저 접속을 위해서 많은 수의 안테나를 사용하는 Massive MIMO 기술이 유망할 것으로 전망된다.

하지만 이런 시스템에서는 각 안테나 마다 RF front-end와 주파수 변환기가 필요하고 안테나 수가 증가할 수록 시스템을 구성하는 요소 회로들의 전력 소모량 또한 비례해서 증가하기에 전력소모가 높다는 문제점이 있다.

이러한 점에서 수동 주파수 변환기 (passive mixer)는 회로 자체에서 전력을 소모하지 않으면서 RF에 실린 신호를 baseband 대역으로 변환할 수 있다는 점에서 이점이 있다. 또한 주파수 변환에 능동 소자를 사용하지 않기 때문에 외부 간섭 신호에도 둔감하다는 장점도 있다.

낮은 주파수 (<6 GHz) 대역에서는 수신단에서 저잡음 증폭기 (LNA)를 사용하지 않고 수동 믹서를 바로 RF첫 단에 붙이는 Mixer-first receiver 구조의 연구 또한 폭넓게 진행되었다.

그러나 동작 주파수가 올라감에 따라서 믹서를 구동하는 local oscillator (LO)의 이상적인 파형 구성에 한계가 있고, 이로 인해서 믹서의 잡음 지수 성능이 크게 제한된다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 외부 소자 없이 내부의 회로구성만으로 우수한 잡음 지수를 가지는 수동믹서 시스템을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 저잡음 수동소자 믹서 시스템으로, 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)에 연결된 한 쌍의 믹서 스위치(M₁, M₂, M₃, M₄)로 구성된 믹서부를 포함하며, 상기 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)는 분리된 2개의 인덕터((L₃, L₄)로부터 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 저잡음 수동소자 믹서 시스템은, 3개의 커패시터(C₁ ~ C₃), 그리고 4개의 인덕터(L₁ ~ L₄) 로 구성되며, 상기 믹서부에 RF 신호를 인가하기 위한 RF 입력부를 더 포함하며, 상기 RF 입력부는 RF 수신기; 3개의 커패시터(C₁ ~ C₃); 및 4개의 인덕터(L₁ ~ L₄) 로 구성되며, 상기 인덕터는 RF 수신기와 연결되어 외부에서 방생할 수 있는 정전기 (Electrostatic discharge)로부터 회로를 보호하는 인덕터(L₁); 상기 RF 신호를 받아 2개의 인덕터(L₃, L₄)로 분리하는 인덕터(L₂)로 구성된 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 커패시터, 상기 인덕터(L₁)이 유발하는 Impedance matching 오류를 보상하기 위하여 상기 RF 수신기와 연결된 커패시터(C₁); 외부와 저잡음 수동소자 믹서 시스템을 분리하기 위하여 상기 RF 수신기와 직렬연결된 커패시터(C₂); 및 상기 2개의 노드(X_I, X_Q)를 분리하여 상기 2개의 노드 사이에 직렬연결된 커패시터(C₃)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 2개의 인덕터(L₃, L₄)는 동일 크기이며, 상기 인덕터(L₂, L₃, L₄ ) 크기는 상기 믹서 시스템의 임피던스를 RF 포트 임피던스와 매칭되도록 결정된다.

본 발명에 따른 주파수 직접 변환 수신 시스템은, 종래의 기술과 비교하여 잡음 지수 측면에서 효과가 있으며, 추가적인 전력 소모 없이 수동 소자의 배치 만을 통해 성능 향상을 유도할 수 있다. 또한 칩 내에서의 설계를 통해 적용할 수 있는 구조이기 때문에 집적에 용이하며, 우수한 잡음 지수 성능을 보인다는 점에서 LNA가 들어가지 않는 mixer-first receiver 기반의 MIMO 시스템에서 활용도가 높을 것으로 전망된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 믹서 시스템 회로도이다.
도 2 및 3은 각각 도 1의 수동 믹서 시스템의 믹서부와 RF 입력부 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 믹서 시스템의 C₃ 값 변화에 따른 noise figure과 Conversion gain 성능 변화값이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 믹서 시스템 회로의 설계도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.

더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.

이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.

또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.

한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.

하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.

또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.

이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 수동 직접 변환 믹서 입력 단의 수동 소자들(커패시터, 인덕터)의 배치를 통해 싸인파(sinewave)를 국부 발진 신호로 사용하더라도 좋은 성능을 보이는 4-경로 수동 믹서(4-path passive mixer) 시스템을 제공한다.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-경로 수동 믹서 시스템의 전체 구성도이다. 본 발명은 도 1의 구성을 가지는 4-경로 수동 믹서 시스템을 통하여 입력 단 수동 소자들(C₁ ~ C₃, L₁ ~ L₄)의 특수한 배열을 통해 추가적인 에너지 소모 없이 mixer의 성능을 개선할 수 있는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다.

도 2 및 3은 각각 도 1의 수동 믹서 시스템의 믹서부와 RF 입력부 회로도이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 믹서 시스템은, 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)에 연결된 한 쌍의 믹서 스위치(M₁, M₂, M₃, M₄)로 구성된 믹서부를 포함하며, 각 노드(X_I, X_Q)에는 분리된 인덕터(L₂, L₃)와 연결되며, 상기 2개 노드는 분리된 인덕터(L₂, L₃)로부터 인가되는 신호를 각각 한 쌍의 믹서로 인가하게 된다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 믹서 시스템을 회로 관점에서 보다 상세히 설명한다.

도 1의 1은 single-to-differential balun, I/Q 생성기 그리고 LO 증폭기로 구성되는 직교국부발진(quadrature LO) 생성 회로이다. 이 회로는 외부(LO_IN)로부터 공급되는 LO 를 발룬(balun)을 통해 차동(differentia) 신호로 변환되고 이 신호는 I/Q 생성기를 지나면서 0°, 90°, 180°, 270° (LO_I+, LO_I, LO_Q+, LO_Q) 4개의 quadrature 신호로 나뉘어진다. 마지막으로 이 신호들이 LO buffer를 통해 증폭되어 mixer switch에 인가된다.

도 2는 도 1의 2로 표시되는 믹서부로 네 개의 NMOS transistor 스위치(M₁~M₄)로 이루어져 있으며 각 transistor의 bulk ('b') 부분은 RF적으로 부동 상태에 있다. 이 네 transistor들의 gate ('g') 로, 1 에서 생성된 4개의 다른 위상을 가진 LO가 각각 인가된다.

도 3은 도 1의 3으로 표시되는 RF 인가부로, RF신호가 외부로부터 mixer로 입력되는 부분으로 총 3개의 커패시터(C₁ ~ C₃), 그리고 4개의 인덕터(L₁ ~ L₄) 로 구성되어 있다. 특히 본 발명은 상술한 바와 같이 인덕터(L₁)과 이로부터 동일크기로 분리되는 2개의 인덕터(L₂, L₃)를 통하여 charge sharing을 효과적으로 억제하는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다.

C₂는 외부와 믹서의 DC 바이어스를 분리하는 기능을 하며 L₁은 외부에서 방생할 수 있는 정전기 (Electrostatic discharge) 로부터 회로를 보호하는 기능을 한다.

C₁ 은 L₁ 이 유발하는 Impedance matching 오류를 보상한다. L₂는 C₂에 직렬로 연결되며 RF 신호를 동일 크기로 L₃, L₄로 분리한다. 상기 분리된 L₃, L₄은 두 개의 노드, 즉, 위쪽 노드 (X_I) 와 아래쪽 노드 (X_Q) 로 연결된다. L₂, L₃, L₄ 의 값은 믹서의 입력 impedance를 RF 포트 impedance (50 Ω)와 매칭 시킬 수 있게 하는 값으로 결정된다.

또한 노드 X_I과 X_Q 사이에는 C₃ 가 연결되어 있다. 이때 X_I 는 LO_I+, LO_I 로 구동되는 swtich (M₁, M₂)의 source 노드에 연결되어 있으며 X₄는 Q+, Q- 에 의해 driving 되는 switch (M₃, M₄) 에 연결된다. 마지막으로 M₁~M₄ 에서 샘플링 된 신호는 I 쪽 (M1, M2)은 TIA_I 그리고 Q 쪽 (M₃, M₄)은 TIA_Q를 통해 증폭 되어 외부로 출력된다.

본 발명에 따른 믹서 구조는 상술한 바와 같이 M₁~M₄ 스위치가 한 노드에 모두 연결되어 있는 종래의 믹서와 비교해 더 좋은 주파수 변환 이득과 잡음 지수 성능을 얻을 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

앞서 설명된 바와 같이, 싸인파(sinewave)를 통해 switch가 구동되는 밀리미터파 믹서에서는 인접한 phase끼리 LO가 겹치는 현상으로 인해 charge sharing이 발생한다. 하지만, 하나 떨어진 phase끼리 (LO_I+ & LO_I), (LO_Q+ & LO_Q) 이런 겹침 현상이 일어나지 않는다. 즉, M₁, M₂끼리, 그리고 M₃, M₄ 끼리는 X_I, X_Q 노드를 통해 연결되어 있어도 charge sharing이 발생하지 않는데, 따라서, 해결 돼야 할 것은 M₁-M₃, M₁-M₄, M₂-M₃, M₂-M₄ 사이의 겹침 문제인데, 본 발명은 상술한 바와 같이 L₃, L₄, C₃가 이 문제를 완화시킨다.

즉, 종래의 mixer 회로와 같이 X_I 노드와 X_Q 노드가 바로 연결되어 있다면, LO가 겹치는 동안 charge sharing이 발생한다. 그러나 제안된 구조에서는, L₃ 그리고 L₄로 인해 charge sharing되는 경로가 큰 impedance 보여서 charge sharing이 억제된다.

하지만, L₃ 과 L₄ 가 무한정 클 수는 없는데, 그 이유는 이 소자들이 입력 impedance matching에 영향을 미치기 때문에 값이 제한되고, 또한 인덕터 자기공진주파수 (SRF) 에 의해서 크기 제한이 생기기 때문이다. C₃ 는 X_I, X_Q 사이에서 병렬로 연결돼 있어서 입력 impedance 매칭에 영향을 거의 미치지 않지만 charge sharing path에서는 L₃, L₄ 와 병렬 관계를 갖기 때문에 최적의 값 설정을 통해 동작 주파수에서 이들과 공진하여 　charge sharing 억제 효과를 극대화 할 수 있다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 회로를 28 GHz 중심 주파수에 시뮬레이션 했을 때 C₃ 의 변화 따른 수신기의 잡음 지수와 주파수 변환 이득 성능을 보여주는 결과이다.

도 4을 참조하면, 두 성능 모두 특정 C₃ 값 (20 fF ~ 25 fF) 에서 최적의 값을 보이고 있다.

도 5는 상용 28nm bulk CMOS 공정을 통하여 도 1의 회로의 제작 도면으로 약 0.228 mm²의 사이즈로 설계되었으며, 이는 별도의 외부 소자 없이 칩 내에서의 설계를 통해 적용할 수 있는 구조이기 때문에 집적에 용이하며, 우수한 잡음 지수 성능을 보인다.

Claims (5)

1. 저잡음 수동소자 믹서 시스템으로,
   분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)에 연결된 한 쌍의 믹서 스위치(M₁, M₂, M₃, M₄)로 구성된 믹서부를 포함하며, 상기 분리된 2개의 노드(X_I, X_Q)는 분리된 2개의 인덕터((L₃, L₄)로부터 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저잡음 수동소자 믹서 시스템은,
   3개의 커패시터(C₁ ~ C₃), 그리고 4개의 인덕터(L₁ ~ L₄) 로 구성되며, 상기 믹서부에 RF 신호를 인가하기 위한 RF 입력부를 더 포함하며,
   상기 RF 입력부는 RF 수신기; 3개의 커패시터(C₁ ~ C₃); 및 4개의 인덕터(L₁ ~ L₄) 로 구성되며,
   상기 인덕터는 RF 수신기와 연결되어 외부에서 방생할 수 있는 정전기 (Electrostatic discharge)로부터 회로를 보호하는 인덕터(L₁);
   상기 RF 신호를 받아 2개의 인덕터(L₃, L₄)로 분리하는 인덕터(L₂)로 구성된 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 커패시터, 상기 인덕터(L₁)이 유발하는 Impedance matching 오류를 보상하기 위하여 상기 RF 수신기와 연결된 커패시터(C₁); 외부와 저잡음 수동소자 믹서 시스템을 분리하기 위하여 상기 RF 수신기와 직렬연결된 커패시터(C₂); 및 상기 2개의 노드(X_I, X_Q)를 분리하여 상기 2개의 노드 사이에 직렬연결된 커패시터(C₃)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 2개의 인덕터(L₃, L₄)는 동일 크기인 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템.
5. 제 4항에 있어서
   상기 인덕터(L₂, L₃, L₄ ) 크기는 상기 믹서 시스템의 임피던스를 RF 포트 임피던스와 매칭되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 저잡음 수동소자 믹서 시스템.

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