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KR100471157B1 - 증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈 - Google Patents

증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈 Download PDF

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KR100471157B1
KR100471157B1 KR10-2002-0080251A KR20020080251A KR100471157B1 KR 100471157 B1 KR100471157 B1 KR 100471157B1 KR 20020080251 A KR20020080251 A KR 20020080251A KR 100471157 B1 KR100471157 B1 KR 100471157B1
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South Korea
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antenna
amplifier
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signal
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최주영
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 기본적인 안테나 스위칭 구조로부터 안테나단으로의 송수신신호의 스위칭과 함께 송신신호의 전력증폭을 수행할 수 있어, 휴대단말기의 비용절감 및 소형화를 도모할 수 있는 증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈을 제공하기 위한 것이다. 이러한 본 발명의 안테나 스위칭 모듈은 능동소자(active element)와 제어신호(Vc)에 따라 상기 능동소자를 온/오프 구동시키며 증폭률을 결정하는 바이어스회로로 구현되어 상기 송신단(TX)으로 인가된 송신신호를 차단 또는 증폭출력시키는 증폭기와, 상기 증폭기와 안테나단(ANT) 사이에 구비되며 증폭기의 출력신호에 포함된 고조파성분의 제거하는 로우패스필터와, 수신신호의 파장에 대한 λ/4 길이로 상기 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하는 전송라인과, 상기 전송라인의 수신단과 연결된 일단과 그라운드사이에 구비되어 제어신호(Vc)에 따라 온/오프 스위칭하는 스위칭다이오드로 구성하여, 스위칭 기능 뿐만아니라 송신신호의 증폭까지 가능하게 한 것이다.

Description

증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈{ANTENNA SWITCHING MODULE HAVING AMPLIFICATION FUNCTION}
본 발명은 휴대 단말기에서 하나의 안테나를 통해 무선신호를 송수신하기 위한 안테나 스위칭 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안테나단으로의 송수신신호의 스위칭과 함께 송신신호의 전력증폭을 수행할 수 있는 증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 핸드폰이나 PDA(Personal Data Assistant) 등과 같은 휴대 단말기는 사용 장소의 제약을 해결할 수 있도록 무선채널을 통해 데이터 또는 음성신호를 송수신하는 장치로서, 미관이나 사이즈 문제를 고려하여 대부분 하나의 안테나만을 구비시키고, 인쇄회로기판내의 송수신단이 교대로 안테나에 접속되도록 하는 구조를 이용한다.
최근 들어, 휴대 단말기의 소형화가 진행되면서, 이에 따라 휴대 단말기용 RF 부품의 개발방향이 소형화, 모듈화, 다기능화로 맞춰지고 있으며, 따라서 안테나단으로 연결되는 RF회로들이 각각 모듈화되고 있다. 그중에서, 상기 안테나에 연결되어 두 신호의 접속을 교대로 스위칭하는 회로를 모듈화한 안테나 스위칭 모듈(Antenna Switching Module , 이하 ASM이라 한다)이 제공되고 있으며, 이외에 상기 ASM의 수신단측에 수신신호를 필터링하는 쏘필터를 더 포함시킨 프런트엔드모듈(Front End Module, 이하 FEM)이 등장하였고, 더하여, ASM과 송신신호를 송출레벨로 전력증폭시키는 전력증폭모듈(Power Amp Module, 이하 PAM)를 단일 모듈로 구성하려는 시도까지 이루어지고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 안테나 스위칭 모듈의 구조를 보인 도면으로서, 도시된 바와 같이, 안테나 스위칭 모듈은 기본적으로, 송신단(TX)으로부터 인가된 송신신호에 포함되는 고조파(harmonic frequency) 성분을 제거하는 로우패스필터(Low Pass Filter)(11, 21)와, 송신단(TX)에서 안테나단(ANT)으로의 송신신호 전달을 연결 또는 차단시키는 제1스위칭다이오드(12, 22)와, 상기 안테나단(ANT)과 수신단(RX) 사이를 연결하며 수신주파수에 대한 λ/4 길이를 갖는 전송라인(Transmission line)(13, 23)과, 수신단(RX)에서 상기 안테나단(ANT)으로의 수신신호 전달을 연결 또는 차단시키는 제2스위칭다이오드(14, 24)로 구성된다.
상기 구성에서, 제1,2스위칭다이오드(12, 14, 22, 24)의 연결방향에 따라서, 도 1 및 도 2와 같이 제1,2스위칭다이오드(12, 14, 22, 24)의 온/오프를 제어하는 제어신호(Vc)의 인가 구조가 달라진다.
즉, 도 1에 도시된 안테나 스위칭 모듈의 경우는, 하이레벨의 제어신호(Vc)를제1스위칭다이오드(12)의 캐소드로 인가하면, 제1스위칭다이오드(12)가 턴온되고, 또한, 애노드단이 접지된 제2스위칭다이오드(14)가 턴온되면서, 송신신호에 대해서는 송신단(TX)과 로우패스필터(11)를 경유하여 안테나단(ANT)으로 이어지는 경로가 형성되고, 수신신호에 대해서는 안테나단(ANT)에서 전송라인(13)을 경유하여 그라운드로 연결되는 경로가 형성된다. 따라서, 송신신호가 안테나를 통해 송출되고, 수신신호는 그라운드로 바이패싱되어 수신단(RX)에 전달되지 않는다.
반대로, 로우레벨의 제어신호(Vc)가 인가되면, 제1스위칭다이오드(12)와 제2스위칭다이오드(14)가 턴오프되어, 안테나단(ANT)과 송신단(TX)간의 경로는 차단되고, 안테나단(ANT)에서 수신단(RX)로 이루어지는 경로가 형성된다. 따라서, 안테나(ANT)로 수신된 수신신호가 전송라인(13)을 거쳐 수신단(RX)으로 출력된다.
그리고, 도 2에 도시된 안테나 스위칭 모듈의 경우는, 제2스위칭다이오드(24)의 애노드단으로 하이레벨의 제어신호(Vc)를 인가하면, 제2스위칭다이오드(24)와 제1스위칭다이오드(22)가 턴온되어, 송신단(TX)에서 안테나단(ANT)로의 신호경로가 연결되고, 수신신호는 접지로 바이패스되어 수신단(RX)으로 인가되지 못하며, 반대로 제2스위칭다이오드(24)의 애노드단으로 로우레벨의 제어신호(Vc)를 인가하면, 제2스위칭다이오드(24) 및 제1스위칭다이오드(22)가 턴오프되어, 안테나단(ANT)에서 수신단(RX)로의 신호 경로가 형성된다. 이때, 상기 로우패스필터(11, 21)는 전단에 위치한 전력증폭모듈(도시생략)로부터 발생한 불필요한 고조파 성분을 제거하고 송신신호만을 안테단(ANT)으로 전달하는 기능을 수행하며, 전송라인(13, 23)은 수신주파수대역에 동조하여, 고전력의 송신신호가 수신단(RX)으로 유입되는 것을 방지한다.
따라서, 상기와 같은 안테나 스위칭 모듈을 구비한 휴대단말기에서는 상기 안테나 스위칭 모듈에 마크와 스페이스가 나타나는 클럭신호를 제어신호(Vc)로 인가하여, 송신모드와 수신모드를 시분할로 동작시켜 송수신을 실행하고 있다.
이러한 기존의 안테나 스위칭 모듈을 사용할 경우, 모듈의 송신단측 전단에 송신신호를 증폭하는 전력증폭모듈을 별도로 구비하여야 하며, 이는 휴대단말기의 소형화에 불리하게 작용한다.
따라서, 안테나 스위칭 모듈와 전력증폭모듈을 하나의 부품으로 구현하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
도 3은 이러한 시도의 일환으로 상술한 ASM과 전력증폭모듈(PAM)을 하나의 부품으로 구성한 종래의 모듈을 도시한 것으로서, 이는 단지 기존의 PAM(32)과 ASM(31)의 구성은 그대로 유지한 채, 하나의 LTCC 기판에 각각의 회로를 장착하여 구현한 것이다.
따라서, 종래의 전력증폭기와 안테나 스위칭 단일 모듈은 하나의 부품으로 구성되기는 하였으나, 기존의 PAM 회로 및 ASM 회로가 그대로 유지되었기 때문에, 사이즈 감소효과를 기대하기는 어렵다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 그 목적은 추가적인 회로부가없이 기본적인 안테나 스위칭 회로로 구현하여 안테나단으로의 송수신신호의 스위칭과 함께 송신신호의 전력증폭을 수행할 수 있는 증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전력증폭기의 증폭률을 일부 분산하여 안테나 스위칭 모듈에서 수행가능하도록 함으로써, 전력증폭기를 소형화시키거나 전력증폭기 자체의 기능을 완전히 수행할 경우 전력증폭기를 제거함으로써 휴대단말기의 비용절감 및 소형화를 도모할 수 있는 증폭기능을 구비한 안테나 스위칭 모듈을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 안테나단(ANT)을 송신단(TX) 또는 수신단(RX)에 선택연결하는 안테나 스위칭 모듈에 있어서,
능동소자(active element)와, 제어신호(Vc)에 따라 상기 능동소자를 온/오프 구동시키며 증폭률을 결정하는 바이어스회로로 구현되어 상기 송신단(TX)으로 인가된 송신신호를 차단 또는 증폭출력시키는 증폭기;
상기 증폭기와 안테나단(ANT) 사이에 구비되며 증폭기의 출력신호에 포함된 고조파성분의 제거 및 신호매칭을 위한 로우패스필터 및 매칭회로부;
수신신호의 파장에 대한 λ/4 길이로 상기 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하는 전송라인; 및
상기 전송라인의 수신단과 연결된 일단과 그라운드사이에 구비되어 제어신호(Vc)에 따라 온/오프 스위칭하는 스위칭다이오드로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈에 있어서, 상기 증폭기는 스위칭 및 증폭용 능동소자로서 하나 이상의 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 연결하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈에 있어서, 상기 증폭기는 스위칭 및 증폭용 능동소자로서 하나 이상의 전계효과 트랜지스터(FET)를 연결하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈에 있어서, 상기 로우패스필터 및 매칭회로부의 로우패스필터는 안테나(ANT)단과 증폭기 및 전송라인의 접점 사이에 구비되고, 매칭회로는 상기 증폭기의 출력측에 구비되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 구성 및 작용에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 기본 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
상기 첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈은 송신단(TX)으로부터 입력되는 송신신호를 소정 레벨 증폭하며 제어신호(Vc)에 따라서 온/오프스위칭하는 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과, 상기 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과 안테나단(ANT) 사이에 구비되어 송신신호에 포함된 고조파성분을 제거하여 안테나로 인가하는 로우패스필터(42)와, 수신신호의 파장(λ)에 대해 λ/4 길이를 갖으며 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하는 전송라인(43)과, 상기 전송라인(43)의 수신단(RX)과 연결된 일단과 그라운드 사이에 구비되며 상기 제어신호(Vc)에 따라서 온/오프스위칭동작하는 스위칭다이오드(44)로 구성된다.
상기 구성수단들은 하나의 모듈로 구현된 것이며, 상기 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과 스위칭다이오드(44)의 온/오프 스위칭동작은 모듈 외부로부터 인가되는 로우 또는 하이레벨의 제어신호에 따라서 제어된다.
상기 구성에 있어서, 상기 스위칭다이오드(44)는 도 2에 도시된 종래의 안테나 스위칭 모듈에서와 같이 캐소드가 전송라인(23)에 연결되고 애노드가 접지되도록 연결할 수 도 있으며, 이 경우, 입력되는 제어신호의 방향이 상기 도 4에 도시된 바와 같이 반대로 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈은 일반적인 안테나 스위칭 모듈과 유사한 구조로 구성된다. 다만, 송신단(TX)측의 단순히 온/오프스위칭동작만을 하는 스위칭다이오드 대신에 신호의 증폭과 온/오프가 동시에 가능한 증폭기능을 갖는 스위칭소자, 예를 들어, 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)와 같은 능동소자 및 이를 구동하는 바이어스(bias) 회로로 구현한 것이다.
그리고, 그 동작을 살펴보면, 종래와 마찬가지로, 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과 스위칭다이오드(44)가 오프상태일 경우, 안테나단(ANT)에서 수신단(RX)으로의 신호 경로가 형성되어, 안테나단(ANT)로 수신된 수신주파수신호가 전송라인(43)을 통해서 수신단(RX)으로 출력된다. 이때, 수신신호의 파장에 대한 λ/4길이를 갖는 전송라인(43)에 의해서, 수신주파수 신호만이 통과하고 그 대역외 신호는 제거된다.
반대로, 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과 스위칭다이오드(44)가 온상태인 경우, 송신단(TX)에서 안테나단(ANT)으로 이어지는 신호경로가 형성되어, 송신단(TX)로 입력된 송신신호가 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)과 로우패스필터(42)를 통해서 안테나단(ANT)으로 출력된다. 이때, 상기 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)은 입력된 송신신호를 설정된 이득만큼 증폭시키고, 로우패스필터(42)는 종래와 마찬가지로 송신단(TX)에서 발생된 고조파 성분을 제거하고, 송신대역의 신호만을 통과시킨다. 따라서, 상기 송신단(TX)로부터 입력된 송신신호는 소정 레벨증폭된 후 안테나를 통해 방사된다.
그러므로, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈을 적용하는 경우, 전단의 전력증폭기모듈은 상기 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)에서 제공하는 이득만큼 낮은 레벨의 송신신호를 출력하면 된다. 따라서, 그만큼 전력증폭기모듈의 부담을 감소시킬 수 있으며, 또한 증폭기능을 갖는 스위칭수단(41)에서 다단계로 능동소자를 연결하여 요구되는 송출레벨을 만족시킬 수 있는 경우, 전력증폭기모듈을 제거하는 효과까지 기대할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈은 기본적인 안테나 스위칭 구조만으로서 안테나 스위칭 모듈 및 전력 증폭 모듈의 기능까지 수행토록 하는 효과를 제공할 수 있다.
이상은 본 발명의 기본원리를 설명하기 위한 안테나 스위칭 모듈의 기본 구조를 보인 것으로서, 이하, 실제 실시예를 참조하여 구성 및 작용을 설명한다.
도 5는 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 구성을 보인 블록도로서, 상기 도면을 참조하면, 상기 안테나 스위칭 모듈은 능동소자(active element)와 제어신호(Vc)에 따라 상기 능동소자를 온/오프 구동시키며 증폭률을 결정하는 바이어스회로로 구현된 증폭기(51)와, 상기 증폭기(51)와 안테나단(ANT) 사이에 구비되며 증폭기(51)의 출력신호에 포함된 고조파성분의 제거 및 신호매칭을 위한 로우패스필터 및 매칭회로부(52)와, 수신신호의 파장에 대한 λ/4 길이로 상기 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하는 전송라인(53)과, 상기 전송라인(53)의 수신단(RX)과 연결된 일단과 그라운드사이에 구비되어 제어신호(Vc)에 따라 온/오프 스위칭하는 스위칭다이오드(54)로 구성된다.
상기 구성에 있어서, 상기 증폭기(51)는 하나의 능동소자로 구현될 수 도 있으며, 둘 이상의 능동소자를 캐스캐이드로 연결하여 다단 증폭기로 구현될 수 도 있다. 다만, 에너지를 발생시키는 능동소자를 제어신호(Vc)에 따라서 순방향활성모드 또는 차단모드로 동작모드를 전환시키도록 바이어스회로가 구성되어야 한다.
이러한 능동소자와, 저항, 캐패시터 및 코일과 같은 수동소자를 이용한 증폭회로의 구성 방법은 전기회로분야에서 일반적으로 잘 알려져 있으며, 본 발명에서 요구되는 증폭기능 및 온/오프스위칭기능을 모두 구비한다면 기존의 어떠한 증폭회로라도 이용 가능하다. 그리고, 상기 증폭기(51)는 능동소자가 턴온시 바이어스회로에 의해 설정되는 이득으로 입력신호를 증폭하게 된다. 이런 증폭기(51)를 구성하는 능동소자로는 바이폴라 접합 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터 및 그 외에 어떠한 트랜지스터라도 이용가능하다.
그리고, 로우패스필터 및 매칭회로부(52)에서, 로우패스필터는 기존의 안테나 스위칭 모듈에서와 마찬가지로 송신단(TX)에서 발생할 수 있는 고조파 성분이 안테나단(ANT)으로 인가되는 것을 저지하는 수단으로서, 안테나단(ANT)과 송수신단(TX, RX)의 연결접점(a)의 사이에 구비될 수 도 있다. 그리고, 상기 매칭회로는 증폭기(51)의 출력임피던스에 대한 정합을 이루어 신호손실을 감쇄시키기 위한 것으로서, 로우패스필터와 함께 구현될 수 도 있고, 상기 증폭기(51) 내에 바이어스회로와 함께 구현될 수 도 있다.
상기 도 5에서, 제어신호(Vc)에 따라서, 증폭기(51) 및 스위칭다이오드(54)가 턴온 또는 턴오프되는데, 예를 들어, 제어신호(Vc)로 하이레벨전압이 인가되면, 상기 증폭기(51) 및 스위칭다이오드(54)는 순방향 활성모드로 동작하여, 온상태가 되며, 반대로 로우레벨전압이 인가되면, 상기 증폭기(51) 및 스위칭다이오드(54)는 차단모드가 되어, 턴오프된다. 이에 따른 안테나스위칭모듈의 스위칭동작은 기존과 동일하다.
이상 설명한 도 5의 안테나 스위칭 모듈은 각 회로들이 단일 칩으로 구현된 것이다.
도 6 및 도 7은 상기 도 5에 보인 안테나 스위칭 모듈에 대한 실시예를 각각 보인 것으로서, 도 6의 안테나 스위칭 모듈은 바이폴라 접합 트랜지스터로 구현한 예를 보인 것이며, 도 7은 전계효과 트랜지스터로 구현한 경우를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 첫 번째 실시예에 의한 안테나 스위칭 모듈은 상기 도 5의 증폭기(51)로서 바이폴라 접합 트랜지스터(61)을 사용한 것으로서, 상기 바이폴라 접합 트랜지스터(61)의 베이스단을 송신단(TX)에 연결함과 동시에 제어신호(Vc)입력단에 연결하였으며, 콜렉터단은 동작전원(Vcc) 및 로우패스 및 매칭회로(62)의 입력에 연결하고, 이미터단은 접지되도록 연결구성한다.
바이폴라 접합 트랜지스터는 일반적으로, 이미터(emitter), 베이스(base) 및 컬렉터(collector)로 구성된 3요소 디바이스로서 바이폴라 트랜지스터 또는 접합 트랜지스터라고도 한다. 상기 바이폴라 트랜지스터는 공통의 반도체층을 공유하는 두 개의 접합으로 형성되는데, 각 접합의 바이어스방향에 따라서 4 가지 동작모드가 존재한다.
이러한 바이폴라 접합 트랜지스터의 동작모드에 대해서 간단히 설명하면, 이미터-베이스간이 순방향으로 바이어스되고, 콜렉터-베이스 간이 역방향으로 바이어스될 경우, 바이폴라 트랜지스터는 순방향 활성모드(forward-active)로 동작하여, 이미터-베이스 바이어스 레벨(VBE)의 변화가 이미터전류(IE) 값을 조절하고, 이 전류(IE) 값에 따라서 콜렉터전류(IC)가 조절되는 것으로서, 증폭기로 사용될 수 있다.
그 다음, 이미터-베이스 접합 및 컬렉터-베이스 접합 모두가 역바이어스인 경우는 차단모드(cutoff mode)라 하며, 열린 스위치와 근사하게 동작하며, 반대로, 이미터-베이스 접합 및 컬렉터-베이스 접합 모두가 순바이어스로 되면, 포화모드(saturation mode)로서 닫혀진 스위치의 상태와 같아진다.
마지막으로, 이미터-베이스 접합은 역바이어스이고, 콜렉터-베이스접합은 순바이어스가 걸리면, 해당 바이폴라 트랜지스터는 역방향 활성모드(reverse-active or inverted mode)로서, 이 동작모드는 아날로그 스위칭 회로 또는 디지털 회로에서 응용된다.
본 발명에서는 상기 바이폴라 트랜지스터의 순방향 활성모드 및 차단모드를 응용한 것으로서, 상기 안테나 스위칭 모듈에 구비되는 바이폴라 트랜지스터(61)의 컬렉터-베이스접합에 역바이어스를 건 상태에서, 그 이미터-베이스 접합을 순바이어스 또는 역바이어스로 전환시킴으로써, 상기 바이폴라 트랜지스터(61)가 증폭기 또는 열린 스위치로 동작하도록 제어하는 것이다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 바이폴라 트랜지스터(61)의 콜렉터는 전원단(VCC) 및 로우패스필터 및 매칭회로부(62)에 연결되고, 이미터는 그라운드로 연결하고, 베이스는 송신단(TX) 및 제어신호(Vc)입력단에 연결함으로써, 제어신호(Vc)로 거의 0V의 신호가 인가될 경우, 이미터-베이스 접합에 역바이어스가 되어, 상기 바이폴라트랜지스터(61)가 차단모드로 되어, 열린 스위치와 마찬가지로 베이스로 인가된 송신신호를 콜렉터측으로 전달하지 않는다. 반대로 제어신호(Vc)에서 소정 레벨의 전압(예를 들어, 4V)이 인가될 경우, 이미터-베이스 접합이 순바이어스로 전환되어, 송신단(TX)으로부터 입력되어 베이스로 인가된 송신신호가 콜렉터측에 증폭되어 나타난다. 이때, 입력신호에 대한 출력신호의 전압이득은 상기 바이폴라 트랜지스터(61)의 주변에 연결된 수동소자(저항, 콘덴서 및 코일)에 의해서 결정된다. 따라서, 상기 바이폴라 트랜지스터(61)의 바이어스 회로를 어떻게 구성하느냐에 따라서 신호의 증폭률이 결정된다. 그리고, 그 외의 로우패스 및 매칭회로부(62)와 전송라인(63) 및 스위칭다이오드(64)는 도 5에 도시한 로우패스 및 매칭회로부(52)와 전송라인(53) 및 스위칭다이오드(54)와 동일한 작용을 한다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 두 번째 실시예에 의한 안테나 스위칭 모듈은 도 5에서 설명한 증폭기(51)로서 전계효과 트랜지스터(71)을 사용한 것이다.
상기 전계효과 트랜지스터는 일반적으로, n형 또는 p형 반도체 막대의 양 끝에 옴접촉으로 드레인(drain) 및 소스(source)단을 형성하고, 상기 반도체 막대에 형성된 두 개의 얇은 p+ 또는 n+영역을 전기적으로 연결하기 위한 게이트(gate)단으로 이루어지며, 이때, 상기 두 개의 게이트 사이의 반도체 영역을 채널(channel)이라 하며, 이를 통해 다수의 캐리어가 소스와 드레인 사이를 움직이도록 된 것으로서, 게이트와 소스간의 전압에 의해 소스와 드레인 사이의 전류를 제어할 수 있는 트랜지스터를 말한다.
이러한 전계효과 트랜지스터는 앞서 설명한 바이폴라 트랜지스터와 유사하게 옴(ohm)영역, 포화(saturation)영역, 항복(breakdown)영역, 및 차단(cutoff)영역으로 이루어진 4가지 동작영역을 갖으며, 각각의 동작영역에 대하여 간단하게 설명하면 다음과 같다.
옴(ohm)영역은 전압가변저항 영역이라고도 하며, 이때 전계효과 트랜지스터는 게이트-소스 전압(VGS)에 의해서 그 값이 결정되는 옴저항처럼 행동하며, 이때, 드레인전류(ID) 대 드레인-소스전압(VDS) 특성은 증가에 따라 감소된다. 그리고, 포화영역은 핀치 오프(pinch-off)영역이라고도 하는 것으로, 소정의 VGS가 인가된 상태에서 드레인-소스전압(VDS)를 핀치오프(pinch off) 전압이상으로 증가시키면 나타나는 드레인전류(ID)가 드레인-소스전압(VDS)에 관계없이 일정하게 유지되는 구간을 말하며, 이때, 드레인전류(ID)는 역바이어스 게이트소스전압(VGS)에 의존한다. 그 다음, 항복영역은 게이트접합에 애벌랜치 항복이 일어나 드레인전류가 무한대로 되는 구간으로서, 상기 애벌랜치를 일으키는 드레인-소스전압은 게이트-소스전압에 따라 다르다. 마지막으로 차단영역은 (여기에서, VP는 핀치오프전압이다)의 조건을 만족하는 구간으로서, 이때 드레인전류(ID)는 거의 0가 되며, 열린 스위치와 같은 상태가 된다.
본 발명은 상기와 같은 전계효과 트랜지스터의 동작영역중, 차단영역과 포화영역을 이용한 것으로서, 앞서 설명한 바와 같이, 게이트-소스전압(VGS)를 조절함으로써, 차단영역과 포화영역간의 전환이 가능하다.
즉, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈에서, 상기 전계효과 트랜지스터(71)를 게이트단은 송신단(TX) 및 제어신호(Vc)입력단에 연결하고, 드레인단은 로우패스필터 및 매칭회로부(72)에 연결하며, 소스단은 접지되도록 연결구성한 후, 제어신호(Vc)에 따라 전계효과 트랜지스터(71)의 게이트-소스전압(VGS)를 조절하여, 상기 전계효과 트랜지스터(71)를 차단 또는 증폭동작시킨다.
그 외에, 로우패스 및 매칭회로부(72)와 전송라인(73) 및 스위칭다이오드(74)는 도 5에 도시한 로우패스 및 매칭회로부(52)와 전송라인(53) 및 스위칭다이오드(54)와 동일한 작용을 한다.
도 8은 상기 도 7에 도시한 본 발명의 제2실시예에 의하여 실제로 구현된 안테나 스위칭 모듈의 상세 회로도로서, 상기 안테나 스위칭 모듈에서, 증폭기(81)는 게이트단이 송신단(TX)에 연결되고 소스단은 접지되며 드레인단은 로우패스필터부(82) 및 전송라인(83)에 연결한 전계효과 트랜지스터(Q1)와, 상기 트랜지스터(Q1)의 게이트단과 송신단(TX) 사이에 직렬로 구비되는 콘덴서(C1) 및 코일(L1,L3)와, 상기 코일(L1,L3)의 접점과 그라운드 사이에 직렬로 구비되는 코일(L2) 및 콘덴서(C2)와, 상기 트랜지스터(Q1)의 게이트와 그라운드 사이에 직렬로 구비되며 그 접점으로 제어신호(V2)가 인가되는 저항(R1) 및 캐패시터(C3)와, 상기 트랜지스터(Q1)의 드레인과 로우패스필터부(82) 사이에 직렬로 구비되는 코일(L4,L6) 및 캐패시터(C5)와, 상기 코일(L4,L6)의 접점과 그라운드 사이에 직렬로 구비되고 그 접점으로 바이어스전압(V1)이 인가되는 코일(L5) 및 캐패시터(C4)로 구성된다.
그리고, 로우패스필터부(82)는 도시된 바와 같이, 상기 증폭기(81)와 안테나단(ANT) 사이에 π형으로 결합된 다수의 코일(L7 ~ L11) 및 캐패시터(C6,C7)로 구성된다.
또한, 수신신호의 파장에 대해 1/4 길이를 갖는 전송라인(83)의 일단이 상기 로우패스필터(82)와 증폭기(81)에 공통으로 연결되고, 타단은 수신단(RX) 및 스위칭다이오드(84)의 애노드단에 연결된다. 그리고, 상기 스위칭다이오드(84)는 캐쏘드단이 접지되며, 애노드단으로 제어전압(V2)가 인가된다.
상기와 같이 구성된 안테나 스위칭 모듈의 동작을 살펴보면, 제어전압(V1)으로는 일정한 전압(동작전원)이 계속 인가되는 상태에서, 제어신호(V2)로 하이레벨전압신호를 인가하면, 전계효과트랜지스터(Q1)은 포화영역에서 동작하여, 상기 제어전압(V1)에 의한 드레인-소스전압에 비례한 드레인전류(ID)를 발생시키고, 이에 따라 송신단(TX)로 인가된 송신신호는 상기 트랜지스터(Q1)에 의하여 증폭출력되고, 로우패스필터부(82)를 통해 안테나단(ANT)으로 송출된다. 이때, 상기 증폭기(81)로부터 출력된 송신신호는 수신신호의 파장에 대한 1/4 길이를 갖는 전송라인(83)에 의해서 수신단(RX)으로는 전달되지 않는다. 또한 상기 하이레벨 제어전압(V2)에 의해서 스위칭다이오드(D2)가 턴온되어, 안테나단(ANT)으로 수신된 수신신호를 그라운드로 바이패스 시킨다.
반대로, 로우레벨의 제어신호(V2)가 인가되면, 상기 트랜지스터(Q1)의 차단영역에서 동작하여, 열린 스위치와 같은 상태가 된다. 따라서, 송신단(TX)로부터 인가된 송신신호가 안테나단(ANT)로 전달되지 않는다. 또한, 상기 로우레벨의 제어신호(V2)에 이해 스위칭다이오드(84)도 턴오프되고, 이에 안테나단(ANT)으로 입력된 수신신호가 전송라인(83)을 거쳐 수신단(RX)으로 출력된다.
도 9는 상기 도 8에 도시한 바와 같이 구현된, 송신대역의 중심주파수가 1747.5MHz 이고, 수신대역의 중심주파수가 1842.5MHz 인 안테나 스위칭 모듈의 동작특성을 측정한 결과를 보인 것으로서, (a)는 제어신호(V2)로 하이레벨전압이 인가된 경우, 즉, 송신모드로 동작시의 신호전달특성을 측정한 것으로서, 송신단(TX)에서 안테나단(ANT)로 전달되는 신호는 송신대역의 중심주파수(1747.5MHz)를 기준으로 약 75MHz 대역에서 +10 데시벨이상의 이득을 갖는데 반하여, 안테나단(ANT)에서 수신단(RX)으로의 특성은 수신대역에서 대략 -20 데시벨이상의 감쇄특성을 나타내었다.
이와 대비하여, (b)는 제어신호(V2)로서 로우레벨전압이 인가된 경우, 즉, 수신모드로 동작시의 신호전달특성을 측정한 그래프로서, 수신대역의 중심주파수(1842.5MHz)를 기준으로 약 75MHz 대역에서 안테나단(ANT)으로부터 수신단(RX)으로 전달되는 신호에 감쇄가 나타나지 않았으나, 송신단(TX)에서 안테나단(ANT)으로 전달되는 신호들은 약 -수십 데시벨의 감쇄특성을 나타내었다.
상기 도 9의 그래프를 볼 때, 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈은 송신신호를 보다 높은 레벨로 안테나단으로 송출하고, 수신신호를 감쇄없이 수신단으로 전달하는 것을 알 수 있다.
덧붙여, 앞서 설명한 바와 같이, 도 5 내지 도 8의 구성에 있어서, 스위칭다이오드(54, 64, 74, 84)는 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드가 전송라인(23)에 연결되고 애노드가 접지되도록 구성될 수 도 있으며, 이때, 제어신호(Vc)는 마찬가지로 애노드단으로 인가된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전력증폭모듈없이 안테나 스위칭 모듈만으로 송신신호를 증폭출력할 수 있도록 하는 우수한 효과가 있으며, 그 결과, 안테나 스위칭 모듈내에서의 증폭도를 조절함으로써, 전력증폭모듈의 부담을 줄이거나 전력증폭모듈 자체가 필요없어질 수 있으며, 이에 따라서 휴대단말기에 장착되는 부품수를 줄여, 휴대단말기의 비용절감 및 소형화를 도모할 수 있도록 한다.
본 발명은 상술한 구성에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 변형가능하다.
도 1은 종래 안테나 스위칭 모듈을 도시한 회로도이다.
도 2는 종래의 다른 안테나 스위칭 모듈을 도시한 회로도이다.
도 3은 전력증폭기와 안테나 스위칭모듈이 단일 모듈로 구성된 종래의 프론트엔드 모듈을 나타낸 블록구성도이다.
도 4는 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 개념을 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 기본 구조를 보인 회로도이다.
도 6은 바이폴라 트랜지스터로 구현한 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈을 일 실시예를 보인 구성도이다.
도 7은 전계효과 트랜지스터로 구현한 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 다른 실시예를 보인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 안테나 스위칭 모듈의 상세 회로도이다.
도 9의 (a),(b)는 본 발명에 의한 안테나 스위칭 모듈의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
41 : 증폭기능을 갖는 스위치
42 : 로우패스필터
43 : 전송라인
44 : 스위칭다이오드
61 : 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transitor)
71 : 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)

Claims (5)

  1. 안테나단(ANT)을 송신단(TX) 또는 수신단(RX)에 선택연결하는 안테나 스위칭 모듈에 있어서,
    능동소자(active element)와 제어신호(Vc)에 따라 상기 능동소자를 온/오프 구동시키며 증폭률을 결정하는 바이어스회로로 구현되어 상기 송신단(TX)으로 인가된 송신신호를 차단 또는 증폭출력시키는 증폭기(51);
    상기 증폭기(51)와 안테나단(ANT) 사이에 구비되며 증폭기(51)의 출력신호에 포함된 고조파성분의 제거 및 신호매칭을 위한 로우패스필터 및 매칭회로부(52);
    수신신호의 파장에 대한 λ/4 길이로 상기 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하는 전송라인(53); 및
    상기 전송라인(53)의 수신단(RX)과 연결된 일단과 그라운드사이에 구비되어 제어신호(Vc)에 따라 온/오프 스위칭하는 스위칭다이오드(54)
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 증폭기능을 갖는 안테나 스위칭 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭기(51)는
    스위칭 및 증폭용 능동소자로서 하나 이상의 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는 증폭기능을 갖는 안테나 스위칭 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭기(51)는
    스위칭 및 증폭용 능동소자로서 하나 이상의 전계효과 트랜지스터(FET)를 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는 증폭기능을 갖는 안테나 스위칭 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 로우패스필터 및 매칭회로부(52)에서
    로우패스필터는 안테나(ANT)단과 증폭기(51) 및 전송라인(53)의 접점 사이에 구비되고,
    매칭회로는 상기 증폭기(51)의 출력측에 구비되는 것을 특징으로 하는 증폭기능을 갖는 안테나 스위칭 모듈.
  5. 안테나단(ANT)을 송신단(TX) 또는 수신단(RX)에 선택연결하는 안테나 스위칭 모듈에 있어서,
    상기 송신단(TX)에 직렬로 콘덴서(C1)와 두 코일(L1,L3)을 직렬로 연결하고, 상기 두 코일(L1,L3)의 접점을 직렬 연결된 코일(L2) 및 콘덴서(C2)를 통해 그라운드시키고, 상기 코일(L3)의 타단은 트랜지스터(Q1)의 게이트단에 연결함과 동시에 저항(R1)과 콘덴서(C3)를 통해서 그라운드시키고, 상기 저항(R1)과 콘덴서(C3)의 접점으로 제2제어전압(V2)이 인가되게 연결하고, 상기 트랜지스터(Q1)의 소스단에는 직렬연결된 두 코일(L4,L6)과 콘덴서(C5)를 연결하고, 상기 두 코일(L4,L6)의 접점을 코일(L5) 및 콘덴서(C4)를 통해 그라운드 시키면서, 상기 코일(L5)과 콘덴서(C4)의 접점으로 제1제어전압(V1)이 인가되도록 연결구성한 증폭회로부(81)와,
    상기 증폭회로부(81)의 캐패시터(C5)와 안테나단(ANT) 사이에 세 코일(L7,L9,L11)을 직렬로 연결하고, 상기 두 코일(L7,L9)의 접점을 코일(L8) 및 콘덴서(C6)를 통해 그라운드에 연결하고, 상기 두 코일(L9,L11)의 접점을 코일(L10) 및 콘덴서(C7)을 통해 그라운드에 연결하여 구성한 로우패스필터부(82)와,
    상기 로우패스필터부(82)의 코일(L7) 타단과 수신단(RX)를 연결하며 수신신호의 파장에 대한 λ/4 길이의 전송라인(83)과,
    상기 전송라인(83)의 타단에 애노드단이 연결되고 캐소드단은 접지되며, 그 애노드단으로 제2제어전압(V2)가 인가되도록 연결된 스위칭다이오드(84)로 구성되는 것을 특징으로 하는 증폭기능을 갖는 안테나 스위칭 모듈.
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