KR101500570B1 - 비대칭 도허티 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비대칭 도허티 전력 증폭기에 관한 것으로서, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 FET를 동일 소자로 구현함으로써 전력 효율을 최대화할 수 있는 비대칭 도허티 전력 증폭기에 관한 것이다. 이를 위해 RF 입력신호를 분배하는 분배 수단, 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 캐리어 신호를 증폭하는 캐리어 신호 증폭 수단, 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 피크 신호를 증폭하는 피크 신호 증폭 수단, 및 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단으로부터 각각 증폭되어 출력된 RF 전력 신호를 결합하는 전력 결합 수단을 포함하며, 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단은 서로 최대 출력 용량이 동일한 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기기 개시된다.

Description

비대칭 도허티 전력 증폭기{Asymmetric Doherty Amplifier}
본 발명은 비대칭 도허티 전력 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 FET를 동일 소자로 구현함으로써 전력 효율을 최대화할 수 있는 비대칭 도허티 전력 증폭기에 관한 것이다.
현대 이동 통신 시스템은 한정된 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용하기 위해 디지털 변조 통신 방식을 사용하고 있다. 디지털 변조된 신호는 일정 레벨까지 전력 증폭되어 기지국 또는 중계기의 안테나를 통해 방사된다. 이때 기저대역 신호의 입력전력을 원하는 전력까지 증폭하기 위해서는 전력 증폭기의 선형 특성이 양호하여야 한다. 따라서 높은 선형 특성을 만족시키기 위해 일반적으로 전력 증폭기는 A급 또는 AB급 모드로 동작되고 있다.
한편, 최근에는 선형 특성이 우수하면서도 효율이 높은 전력 증폭기를 요구하고 있는 실정이다. 고효율을 달성하기 위한 방법으로서 증폭기 자체의 효율을 높이는 것과 부가적인 선형화 회로의 효율을 높이는 것으로 나누어 생각할 수 있다. 전자의 경우는 도허티, LINC(LInear amplification using Nonlinear Components), EER(Envelope Elimination and Restoration), 바이어스 적응 제어 등의 방법이 있다.
이 중 도허티의 경우에는 이동통신 기지국 및 중계기의 송신용 고출력 전력 증폭기의 소모전력 효율을 개선하기 위해 입력신호의 PAR(Peak-to-Average Ratio)에 따른 비율에 따라 비대칭 증폭기를 사용한다. 2개의 FET를 사용하여 구성할 경우 서로 출력 용량이 다른 FET가 사용되며, 입력 전력신호는 도허티 구조 증폭기의 입력측에서 일정비율로 서로 나누어지고 각각의 FET에서 증폭되어 전력이 합성된다. 이때 각 FET의 경로 이득, 위상, 지연 등의 전기적 특성이 서로 동일하여야 최대의 성능을 얻을 수 있다. 그러나 비대칭 도허티에서 사용되는 각 FET는 서로 출력용량이 다르기 때문에 FET 자체가 가지고 있는 게인(Gain), 지연(Delay), 위상(Phase) 등의 특성이 서로 상이하여 외부에서 동일한 특성을 갖도록 조절해주는 것이 어려운 문제점이 있다.
선행기술문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-1107827(발명의 명칭 : 최소 출력 네트워크를 포함한 3-웨이 도허티 증폭기)에 따르면 종래의 도허티 증폭기와 동일하게 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 3-웨이로 구현시 서로 다른 전기적 특성을 구비한 FET 소자를 이용하는 발명에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 서로 다른 전기적 특성을 구비한 FET 소자를 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기에 이용하는 종래의 N-way 도허티 증폭기를 서로 동일한 FET 소자를 이용한 2-way 도허티 증폭기로 구현하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, RF 입력신호를 분배하는 분배 수단, 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 캐리어 신호를 증폭하는 캐리어 신호 증폭 수단, 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 피크 신호를 증폭하는 피크 신호 증폭 수단, 및 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단으로부터 각각 증폭되어 출력된 RF 전력 신호를 결합하는 전력 결합 수단을 포함하며, 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단은 서로 최대 출력 용량이 동일한 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단은, 서로 병렬로 구비되어 각각의 출력 전력이 전력 결합 수단에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 피크 신호 증폭 수단에 입력되는 RF 신호는, 캐리어 신호 증폭 수단에 입력되는 RF 신호에 비해 입력 신호의 전력의 크기가 상대적으로 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단의 출력 용량은, RF 입력신호의 PAR(peak-to-average ratio)에 따라 결정되며, 캐리어 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 기 결정된 기준전압이 공급되고, 피크 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 RF 입력신호의 PAR에 따라 결정된 출력 용량에 맞는 전압이 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 캐리어 신호 증폭 수단 및 피크 신호 증폭 수단의 출력 용량은, RF 입력신호의 PAR(peak-to-average ratio)에 따라 결정되며, 캐리어 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 기 결정된 기준전압이 공급되고, 피크 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 검출된 RF 입력신호의 포락선 신호와 기 결정된 문턱 전압의 비교에 따라 기준전압에 일정 배수를 곱한 전압이 공급되는 것을 특징으로 한다.
피크 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은, RF 입력신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출 수단, 검출된 포락선 신호와 기 결정된 문턱 전압을 비교하는 비교 수단, 및 검출된 포락선 신호가 기 결정된 문턱 전압 보다 큰 경우에는 상기 기준전압에 일정 배수를 곱한 드레인 전압이 공급되고, 그렇지 않은 경우에는 상기 기준전압을 공급하는 드레인 전압 공급 수단에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 동일한 FET 소자를 이용하기 때문에 전기적 특성이 서로 동일하여 도허티 증폭기의 구현이 쉽고, 전력 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 종래의 N-way 도허티 증폭기를 2-way 도허티 증폭기로 구현함으로써 증폭기의 크기 및 개수를 줄일 수 있어 제품의 사이즈를 소형화하고 제품의 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 동일한 FET 소자를 이용하기 때문에 생산 공정에서 증폭기의 튜닝 시간을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 의하면 동일한 FET 소자를 이용하기 때문에 전기적 특성이 서로 동일하여 FET의 드레인 전압이 바뀌더라도 전기적 특성이 전혀 다른 FET 소자의 사용시보다 전력 효율이 향상되어 에너지 절감에 기여할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 N-way 도허티 증폭기의 구성을 나타낸 도면도이고,
도 2는 종래의 N-way 도허티 증폭기의 효율을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 비대칭 도허티 전력 증폭기의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 프리스케일사의 FET MRFE6V25L의 특성 그래프를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 포락선 추적 수단을 사용한 경우의 비대칭 도허티 증폭기의 구성을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 피킹 증폭기의 드레인 단자에 입력되는 전압의 출력 파형을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<비대칭 도허티 전력 증폭기의 구성 및 기능>
종래의 도허티 증폭기는 기본 신호(캐리어 신호)를 증폭하는 주 증폭기(캐리어 증폭기)와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기(피킹 증폭기)를 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기이다. 고효율을 달성하기 위해 저출력에서는 캐리어 증폭기만 동작하고 고출력에서는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 병행해서 동작하도록 한다. 이때 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기는 출력 용량이 서로 다른 FET 소자를 이용하게 된다. 통상적으로 캐리어 증폭기는 클래스 B에, 피킹 증폭기는 클래스 C에 동작점이 잡혀 있고, 캐리어 증폭기가 포화되는 시점에서 피킹 증폭기가 동작을 시작한다.
한편, N-way 도허티 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이 1개의 캐리어 증폭기(210)와 복수의 피킹 증폭기(220)로 구성된다. 피킹 증폭기(220)의 개수는 구현하고자 하는 N-way에 따라 알맞게 선정할 수 있을 것이다.
전력 분배기(100)는 입력되는 RF 신호를 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 구비된 개수에 따라 분배한다. 일예로 3-way인 경우 캐리어 증폭기 1개와 피킹 증폭기 2개가 서로 병렬로 전기적으로 결합되며, 전력 분배기(100)는 RF 입력신호를 3갈래로 분배하여 각각 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기에 입력되도록 한다.
전력 분배기(100)에서 분배된 신호 중 하나는 캐리어 증폭기(210)로 입력되고, 나머지는 각각 피킹 증폭기(220)로 입력된다. 다만, 피킹 증폭기(220)로 입력되기 전에 증폭기 출력단의 위상 차이를 보상하기 위해서 Ro옴의 특성 임피던스를 가지는 딜레이 라인(10)이 전력 분배기(100)와 피킹 증폭기(220) 사이에 전기적으로 각각 결합된다.
전력 분배기(100)로부터 캐리어 증폭기(210)로 입력된 신호는 캐리어 증폭기(210)의 설정된 게인에 따라 전력 증폭되어 출력되며, 전력 분배기(100)로부터 복수의 피킹 증폭기(220)로 각각 입력된 신호는 특정 시점(통상적으로 캐리어 증폭기가 포화되는 시점)에서 피킹 증폭기의 설정된 게인에 따라 전력 증폭되어 출력된다.
캐리어 증폭기(210) 및 피킹 증폭기(220)의 바로 뒤 단에는 각각 소정의 길이 θc와 θp를 갖는 오프셋 라인(20)이 구비된다. 오프셋 라인(20)은 부하 임피던스(Ro)가 변조되는 상황에서 캐리어 증폭기(210)의 출력 정합을 이루게 하고, 피킹 증폭기(220)가 단절되었을 때에 개방 출력 임피던스를 이루게 한다. 이러한 오프셋 라인(20)에 의해 부하 임피던스 변조가 적절히 이루어져 비대칭 출력 결합을 하게 되고 전력 누출을 최소화할 수 있다.
도 2는 종래의 N-way 도허티 증폭기의 효율을 도시한 것으로서, 3way의 경우 약 -12dB 출력 백-오프(back-off)에서 최대의 효율을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 이때 백-오프는 일반적으로 실제 이용 가능한 최대 전력점까지 사용하지 않고, 3 ~ 5dB 낮은 점에서 증폭기가 동작하게 하여 선형성을 확보하는 것을 의미한다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 입력 PAR의 -12dB의 전력신호가 4way 도허티 증폭기에 입력될 때 증폭기의 출력용량에서 -12dB 백-오프된 지점에서 평균전력이 출력되도록 사용하는 경우 최대의 효율을 얻을 수 있다. 증폭기의 출력 용량은 주포 P1dB 또는 Psat를 참조하며 4way의 최대 출력용량은 4개의 FET 출력을 합한 양이다.
한편, 도 1에 도시된 종래의 N-way 도허티 증폭기 중 캐리어 증폭기(210)는 항상 1개로 고정되며, N-way에 따라 피킹 증폭기(220)가 증가한다. 따라서 종래의 3way 도허티 증폭기의 경우 1개의 캐리어 증폭기와 2개의 피킹 증폭기를 사용한다.
이에 비해 본 발명에 따른 비대칭 도허티 전력 증폭기는 1개의 캐리어 증폭기와 종래 2개의 피킹 증폭기의 2배 용량을 갖는 1개의 FET를 사용하여 피킹 증폭기를 구현한다. 따라서 종래의 N-way 도허티 증폭기와 다르게 본 발명에 따른 비대칭 도허티 증폭기는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 전기적 특성(일예로서 게인, 딜레이, 위상)이 동일하도록 서로 출력 용량이 동일한 FET를 사용한다.
이때, 전력 분배기(100)를 3way에서 2:1(-5dB)의 방향성 커플러로 대체하면 결국 종래의 3way와 동일한 효과를 구현할 수 있다. 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 용량이 서로 동일하도록 FET를 선정하고, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 분배되는 입력신호의 전력량을 다르게 함으로써 본 발명에 따른 비대칭 도허티 전력 증폭기를 구성할 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 비대칭 도허티 전력 증폭기를 도시하고 있으며 종래의 3way 증폭기(1개의 캐리어 증폭기와 2개의 피킹 증폭기로 구성됨)와 동일한 성능을 발휘하도록 1개의 캐리어 증폭기(330)와 1개의 피킹 증폭기(340)로 구성된다. 이때, 캐리어 증폭기(330)와 피킹 증폭기(340)는 동일한 출력용량을 구비한 FET를 사용한다.
먼저, RF 입력신호가 드라이버 증폭기(310)에 의해 1차적으로 증폭되어 분배수단(320)으로 출력된다. 이때 분배 수단(320)은 -5dB 방향성 결합기에 의해 구체화될 수 있다. 만약 종래의 4way 도허티 증폭기를 본 발명에서와 같이 2way로 구현할 경우 분배 수단(320)은 -6dB 방향성 결합기에 의해 구체화될 수 있다.
드라이버 증폭기에서 출력된 RF 신호가 분배 수단(320)에 의해 비대칭적으로 캐리어 증폭기(330)와 피킹 증폭기(340)로 분배된다. 분배 수단(320)에서 캐리어 증폭기(330)로 입력되는 RF 신호는 캐리어 증폭기(330)의 게이트와 결합되며, 분배 수단(320)에서 피킹 증폭기(330)로 입력되는 RF 신호는 피킹 증폭기(340)의 게이트와 결합된다.
RF 입력신호의 PAR에 따라 캐리어 증폭기(330)와 피킹 증폭기(340)에서 사용하는 FET의 용량이 결정된다. 이때 결정되는 FET의 출력 용량은 캐리어 증폭기(330)와 피킹 증폭기(340) 모두 동일한 출력 용량을 가진 FET를 사용한다.
캐리어 증폭기(330)의 드레인과 피킹 증폭기(340)의 드레인은 각각 정합 회로(350)와 결합된다. 또한, 캐리어 증폭기(330)의 소스와 피킹 증폭기(340)의 소스는 각각 접지된다. 캐리어 증폭기(330)의 드레인 단자에는 외부 시스템에서 제공되는 대략 26 ~ 38[v]의 전압이 인가되며, 피킹 증폭기(340)의 드레인 단자에는 선정된 FET 출력 용량에 맞는 전압이 인가된다.
피킹 증폭기(340)의 드레인 단자에 공급되는 전압의 일예를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 프리스케일(Freescale)사의 FET MRFE6V25L의 출력 전력 용량과 드레인 단자의 입력 전압과의 관계가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 드레인 단자의 전압이 높을수록 출력 최대 용량이 커지는 것을 알 수 있으며, 따라서 피킹 증폭기(340)의 출력 용량이 결정되면 이에 맞는 드레인 전압을 DC-DC 컨버터(360)를 통해 공급한다.
상술한 바와 같이 종래의 N-way 도허티 증폭기(1) 성능을 갖는 비대칭 2Way 도허티 증폭기(3)를 아주 작은 사이즈로 구현함으로써 우수한 전력 효율 특성을 구현할 수 있다.
한편, 도 3의 DC-DC 컨버터(360)는 도 5의 포락선 추적 수단(460)으로 변경될 수 있다. 이하에서는 포락선 추적 수단(460)을 사용하는 경우의 일예를 설명하기로 한다. 다만, 도 3과 동일한 기능 및 구성의 설명은 생략하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이 포락선 추적 수단(460)을 사용하기 위해서는 커플러(410)에 의해 RF 입력신호를 샘플링한다. 샘플링된 RF 입력신호는 포락선 검출 수단에 의해 포락선 신호(510)가 도 6과 같이 검출된다. 비교 수단은 검출된 포락선 신호(510)를 문턱 전압(530,Vt)과 비교한다. 포락선 신호(510)가 문턱전압 보다 작을 경우에는 Vds를 그대로 피킹 증폭기(440)에 인가하고, 포락선 신호(510)가 문턱전압 보다 큰 경우에는 Vds*2의 전압을 출력한다. 이렇게 문턱전압과 비교함으로써 피킹 증폭기의 드레인 단자에 입력되는 전압의 출력 파형(520)이 도 6과 같이 나타난다. 예를 들어 Vds가 DC 28[v]인 경우 검출된 포락선 신호가 문턱 전압보다 작은 경우에는 28[v]가 피킹 증폭기의 드레인 단자에 입력되고, 검출된 포락선 신호가 문턱 전압보다 큰 경우에는 56[v]가 피킹 증폭기의 드레인 단자에 입력됨으로써 드레인 단자에 56[v]를 고정하는 증폭기보다 효율을 더 좋게 구현할 수 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
1 : 종래의 n-way 도허티 증폭기
3 : 본 발명에 따른 비대칭 도허티 증폭기
10 : 딜레이 라인
20 : 오프셋 라인
100 : N-way 전력 분배기
210 : 캐리어 증폭기
220 : 피킹 증폭기
310 : 드라이버 증폭기
320 : 방향성 결합기
330 : 캐리어 증폭기
340 : 피킹 증폭기
350 : 정합 회로
360 : DC-DC 컨버터
410 : 커플러
420 : 딜레이 라인
425 : 방향성 결합기
430 : 캐리어 증폭기
440 : 피킹 증폭기
450 : 정합 회로
460 : 포락선 추적 수단
510 : 포락선 신호
520 : 출력 파형
530 : 문턱전압

Claims (5)

  1. RF 입력신호를 분배하는 분배 수단,
    상기 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 캐리어 신호를 증폭하는 캐리어 신호 증폭 수단,
    상기 분배 수단으로부터 비대칭적으로 분배되어 입력된 RF 신호의 피크 신호를 증폭하는 피크 신호 증폭 수단, 및
    상기 캐리어 신호 증폭 수단 및 상기 피크 신호 증폭 수단으로부터 각각 증폭되어 출력된 RF 전력 신호를 결합하는 전력 결합 수단을 포함하며,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단 및 상기 피크 신호 증폭 수단은 서로 전기적 특성이 동일한 FET 소자이고,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단 및 상기 피크 신호 증폭 수단의 출력 용량은, RF 입력신호의 PAR(peak-to-average ratio)에 따라 결정되며,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 기 결정된 기준전압이 공급되고,
    상기 피크 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 RF 입력신호의 PAR에 따라 기 결정된 출력용량에 대응되는 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단 및 상기 피크 신호 증폭 수단은,
    서로 병렬로 구비되어 각각의 출력 전력이 상기 전력 결합 수단에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피크 신호 증폭 수단에 입력되는 RF 신호는,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단에 입력되는 RF 신호에 비해 입력 신호의 전력의 크기가 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단 및 상기 피크 신호 증폭 수단의 출력 용량은,
    RF 입력신호의 PAR(peak-to-average ratio)에 따라 결정되며,
    상기 캐리어 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 기 결정된 기준전압이 공급되고,
    상기 피크 신호 증폭 수단에 공급되는 드레인 전압은 검출된 RF 입력신호의 포락선 신호와 기 결정된 문턱 전압의 비교에 따라 상기 기준전압에 일정 배수를 곱한 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 비대칭 도허티 전력 증폭기.
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