KR100291146B1

KR100291146B1 - 선형전력증폭장치

Info

Publication number: KR100291146B1
Application number: KR1019980020812A
Authority: KR
Inventors: 김범만; 김영식; 양영구; 강상훈
Original assignee: 정명식; 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2001-07-12
Also published as: KR20000000892A

Abstract

본 발명은 입력되는 입력 신호를 소정의 증폭도로 증폭하는 메인 전력 증폭기를 구비한 선형 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 본 발명의 장치는 소정 경로를 통해 입력되는 RF 입력 신호(x(t))를 소정의 증폭도로 증폭하여 증폭된 신호(y(t))를 출력하는 메인 전력 증폭기(100)와, 상기 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 신호(x(t))와 상기 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 신호(y(t))간의 오차를 연산하여, 상기 메인 전력 증폭기(100)의 증폭 왜곡에 대응되는 역 왜곡 신호(e(t))를 검출하는 오차 신호 연산부(200)와, 상기 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 입력 신호(x(t))에 상기 역왜곡 신호(e(t))를 가산한 추정 입력 신호(u(t))를 생성하여 상기 메인 전력 증폭기(100)의 입력으로 제공하는 추정 입력 신호 생성부(300)를 포함한다.

Description

선형 전력 증폭 장치{LINEAR POWER AMPLIFIER}

본 발명은 선형 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 특히 고조파 궤환 신호 제거를 이용한 선형 전력 증폭 장치에 관한 것이다.

최근들어, 디지탈 변조 방식을 이용한 다양한 무선 통신 서비스가 시작되면서, 고선형성을 구비한 선형 전력 증폭 장치의 필요가 증가되고 있는 추세이며, 이러한 선형 전력 증폭 장치는 용도에 따라 단말기용과 기지국용으로 구분할수 있다.

선형 전력 증폭 장치의 선형화 특성은 일반적으로 PCS의 경우 IMD₃30dBc와기지국용의 경우, IMD₃60dBc 정도이며, 더불어 고출력 전력과 고호율 특성까지 요구하고 있는 실정이다. 특히 고선형성이 요구되는 기지국용은 최소한의 인가 전력으로 입력 신호의 조건이나 외부 환경의 영향을 받지 않아야 하며, 증폭기의 구현과 동작에 허용차가 확보되어야 한다.

일반적으로 위성 기지국용, 이동통신 기지국용 및 지상 M/W 중계기용 대전력 증폭기의 선형화 기법으로는 입력 전력의 백오프(back-off), 피드 포워드(feed forward)방식, 피드백(feedback) 방식, 프리디스토션(predistortion) 방식이 있다.

여기에서, 입력 전력의 백 오프 방식은 트랜지스터의 비선형 특성으로 인해 대전력 증폭기의 입력 전력을 낮추어서 왜곡의 정도를 허용할수 있는 선형적인 영역에서 전력 소자를 동작시키는 것으로, 고가인 전력 소자의 출력 특성을 충분히 활용하지 못하는 단점과, 이로 인한 증폭기의 부피 증가 및 효율 특성의 저하를 가져오며, 특히 효율 특성의 저하로 인하여, 대전력 증폭기의 방열 문제 해결과, 큰용량의 전원 공급기를 필요로하는 문제점이 있다.

피드 포워드 방식은 증폭기의 출력에서 혼변조 왜곡 신호만을 추출한후 다시 증폭기의 출력에 역위상으로 결합시켜, 선형성을 향상시킨 방식으로서, 왜곡 개선 효과가 비교적 탁월하나, 증폭기의 부피가 커지고, 회로의 복잡, 신호 전력의 손실이 발생하며, 동작시 허용차가 작아 많은 실험적 조정 단계를 거쳐야 하는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.

피드백 방식은 증폭기를 통과한 신호의 일부를 하이브리드 결합기를 통해 궤환시키고, 이 궤환된 신호들이 가변 감쇄 및 가변 위상 변환을 통해 순방향 경로로 역으로 합쳐지도록 함으로서, 전체 출력 신호를 선형화 시키는 방식이다. 이러한 피드백 방식은 출력 전력의 일부를 부궤환시킴으로서, 전체 증폭 이득이 감소되고, 궤환 회로의 시간 지연으로 인한 특성 변화가 발생하며, 증폭기의 발진 가능성이 높은 단점이 있다. 전체 증폭 이득의 감소와 동작의 불안정성을 보완하기 위해 기본파 출력 신호 성분을 제외한 2차 고조파 성분 궤환을 이용한 선형화 방법이 요용되는데, 이 방식은 이상적인 경우 특정 입력 전력에서 3차 상호 혼,변조 왜곡 신호를 완전히 제거할수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 2차 고조파 성분만의 궤환 방식은 전력 증폭기의 증폭 특성에 영향을 주지 않은 특성이 있으나, 궤환 과정이 계속 반복되어 궤환 회로의 최적 크기와 위상 조건이 계속 변하므로, 왜곡 개선 정도에 한계가 있고, 최적 조건이 궤환 위상에 너무 민감할 뿐만 아니라 선형성 개선 지점 근처에 왜곡을 증가시키는 지점이 존재하여 더욱 정확한 정합이 요구되는 문제점이 있다.

프리디스토션 방식은 입력 RF(Radio Frequency) 신호가 전력 증폭기로 인해 발생될 왜곡 성분을 감안하여, 입력 RF신호를 전력 증폭기의 왜곡 성분에 대응하는 역 왜곡특성을 미리 가지게 함으로서, 출력 신호를 선형화시키는 방식으로, 광대역 폭과 넓은 동작 범위를 가지며, 회로 구성이 간단하고, 소형 및 경량으로 구현할수 있는 장점이 있으나, 선형성 개선 효과가 크지않고 입력 RF신호가 역왜곡 특성을 가지게함에 따라 입력 신호의 감쇄를 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 간단한 회로 구성으로 외부 조건의 변화에 비교적 안정되고, 허용차가 비교적 큰 선형 전력 증폭 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선형 전력 증폭 장치는 소정 경로를 통해 입력되는 RF 입력 신호를 소정의 증폭도로 증폭하여 증폭된 신호를 출력하는 메인 전력 증폭기; 상기 메인 전력 증폭기에 입력되는 신호와 상기 메인 전력 증폭기에서 출력되는 신호간의 오차를 연산하여, 상기 메인 전력 증폭기의 증폭 왜곡에 대응되는 역 왜곡 신호를 검출하는 오차 신호 연산부; 상기 메인 전력 증폭기에 입력되는 입력 신호에 상기 역왜곡 신호를 가산한 추정 입력 신호를 생성하여 상기 메인 전력 증폭기의 입력으로 제공하는 추정 입력 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 전력 증폭 장치의 전체 구성도,

도 2는 상기 도 1의 각부 신호 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 메인 전력 증폭기

200 : 오차 신호 연산부

300 : 추정 입력 신호 생성부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형 전력 증폭 장치가 도시된다. 도 1을 참조하면, 선형 전력 증폭 장치는 메인 전력 증폭기(100), 오차 신호 연산부(200), 추정 입력 신호 생성부(300)로 구성된다.

여기에서, 메인 전력 증폭기(100)는 입력 신호를 소정의 증폭도로 증폭하여 출력하는 작용을 한다.

오차 신호 연산부(200)는 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 신호(x(t))와 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 신호(y(t))간의 오차를 연산하여, 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡에 대응되는 역 왜곡 신호(e(t))를 검출하는 것으로, 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 추정 입력 신호(u(t))를 제 1 커플링비로 샘플링한 제 1 샘플링 신호를 검출하는 커플러(210)와, 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 출력 신호(y(t))를 제 2 커플링비로 샘플링한 제 2 샘플링 신호를 검출하는 커플러(220)와, 커플러(220)에서 출력한 제 2 샘플링 신호의 크기를 제 1 감쇄율만큼 감쇄시키는 가변 감쇄기(250)와, 가변 감쇄기(250)의 출력을 위상 반전시키는 위상 변환기(230)와, 커플러(210)의 출력이 일입력단에 인가되고, 위상 변환기(230)의 출력이 타입력단에 인가되어, 입력되는 두 신호를 합성하는 신호 합성기(240)와, 신호 합성기(240)에서 출력되는 합성 신호의 크기를 제 2 감쇄율만큼 감쇄시키는 가변 감쇄기(260)와, 신호 합성기(240)에서 출력되는 합성 신호의 위상을 소정 위상만큼 변환시켜 역왜곡 신호를 발생하는 위상 변환기(270)으로 구성된다.

추정 입력 신호 생성부(300)는 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 입력 신호(x(t))에 위상 변환기(270)에서 발생한 역왜곡 신호를 가산한 추정 입력 신호(u(t))를 생성하여 메인 전력 증폭기(100)의 입력으로 제공하는 것으로, 위상 변환기(270)의 역 왜곡 신호를 대역 필터링하는 대역 통과 필터(330)와, 대역 통과 필터(330)의 출력 신호를 소정 증폭도로 증폭하는 피딩 증폭기(310) 및, 입력 신호(x(t))와 피딩 증폭기(310)의 출력 신호를 합성하여 추정 입력 신호(u(t))를 생성하는 커플러(320)로 구성된다.

이와같이 구성된 선형 전력 증폭 장치에 있어서, 메인 전력 증폭기(100)는 외부로부터 입력되는 신호를 소정의 증폭도로 증폭하는데, 이때, 시스템 특성상,메인 전력 증폭기(100)의 출력은 고조파 왜곡 신호를 갖게 된다. 따라서, 본 발명은 메인 전력 증폭기(100)의 입력과, 출력간의 오차를 통해, 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡 정도를 예측하고, 메인 전력 증폭기(100)에 입력하고자 했던 원래의 입력 신호에 역왜곡 신호를 가산한 추정 입력 신호를 생성하여, 생성된 추정 입력 신호가 실질적인 메인 전력 증폭기(100)의 입력 신호로 작용하도록 함으로서, 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡을 감쇄시킨다는 데 그 특징이 있는 것으로, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 선형 전력 증폭 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

커플러(210)는 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 추정 입력 신호(u(t))(도 2a)를 제 1 커플링비로 샘플링한 제 1 샘플링 신호(도 2b)를 검출하여 신호 합성기(240)의 일입력단에 제공한다. 커플러(220)는 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 출력 신호(y(t))(도 2c)를 제 2 커플링비로 샘플링한 제 2 샘플링 신호(도 2d)를 검출하여 가변 감쇄기(250)에 제공한다. 가변 감쇄기(250)는 제 2 샘플링 신호의 크기를 소정의 감쇄율로 감쇄시켜 위상 변환기(230)에 제공하고, 위상 변환기(230)는 감쇄된 제 2 샘플링 신호의 위상을 180。 반전시켜(도 2e) 신호 합성기(240)의 타입력단에 제공한다.

신호 합성기(240)는 제 1 샘플링 신호와, 위상 변환기(230)에 의해 180。위상 반전된 제 2 샘플링 신호를 합성하여 오차 신호를 생성한다. 신호 합성기(240)에서 생성된 오차 신호를 가변 감쇄기(260)에 의해 소정 감쇄율로 감쇄된후, 위상 변환기(270)에 의해 위상이 조정되어 출력된다(도 2f). 이때, 위상 변환기(270)의출력 신호는 실질적으로, 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡 특성을 상쇄시키기 위한 역왜곡 신호(e(t))라 할수 있다.

즉, 위상 변환기(270)의 출력은, 이후에 대역 통과 필터(330) 및 피딩 증폭기(310)를 경유한후, 메인 전력 증폭기(100)의 원래의 입력(x(t))과 가산되어, 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는데, 이때, 위상 변환기(270)에서 출력된 역왜곡 신호가 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡 특성을 상쇄시켜주는 작용을 하는 것이다.

대역 통과 필터(330)는 역왜곡 신호의 주파수 대역을 제한하여 피딩 증폭기(310)에 제공하고, 피딩 증폭기(310)는 대역 제한된 역왜곡 신호를 소정의 증폭도로 증폭하여 커플러(320)의 일입력단에 제공한다. 커플러(320)의 타 입력단에는 메인 전력 증폭기(100)에 입력하고자 했던 원래의 입력 신호(x(t))(도 2g)가 입력된다. 따라서, 커플러(320)의 입력 신호(x(t))와 피딩 증폭기(310)에서 제공한 역왜곡 신호를 가산하여 추정 입력 신호(u(t))를 생성하고, 생성된 추정 입력 신호(u(t))를 메인 전력 증폭기(100)에 제공한다. 메인 전력 증폭기(100)는 원래의 입력 신호(x(t))와 역왜곡 신호(e(t))로 이루어진 추정 입력 신호(u(t))가 입력되면, 이를 소정의 증폭도로 증폭하여 출력하는데, 이때 추정 입력 신호(u(t))에 포함된 역 왜곡 신호(e(t))에 의해 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡 특성이 상쇄되는 것이다.

이와 같이 동작하는 본 발명의 실시예에 따른 선형 전력 증폭 장치를 복소 영역에서 해석하면 다음과 같다.

예를들어, 도 1 에서, 포트③에서 포트①까지의 복소 경로 이득이이고, U는 추정 입력 신호, X는 메인 전력 증폭기(100)의 원래의 입력 신호, E는 역왜곡 신호라 할 때, 추정 입력 신호U는 수학식 1과 같이 나타낼수 있다.

또한 포트ⓛ'에서 포트③'까지의 복소 경로 이득이이고, 포트④에서 포트③'까지의 복소 경로 이득이이며,이 포트⑤에서 포트④까지의 복소 경로 이득이라 할 때, 역왜곡 신호E는 수학식 2와 같이 나타낼수 있다.

이때,이다.

한편, 포트①'에서부터 포트②를 경유하여, 포트⑤까지의 복소 경로 이득이이고,가 메인 전력 증폭기(100)의 고조파 왜곡 성분이라 할 때, 메인 전력 증폭기(100)의 출력Y는 수학식 3과 같이 나타낼수 있다.

따라서, 수학식 1과, 수학식 2, 및 수학식 3에 의거하여 추정 입력 신호U는 수학식 4과 같이 나타낼수 있고, 메인 전력 증폭기(100)의 출력Y는 수학식 5와 같이 나타낼수 있게된다.

수학식 5에서 보면, 우측의 첫 번째항은 기본파 신호를 나타내고, 우측의 두 번째항이 고조파 왜곡 성분라 할수 있다. 따라서, 기본파 신호만을 증폭시키기 위해서는 수학식 5의 우측 두 번째항을 0으로 근접시켜야만 하며, 이를 위해가 1이 되도록 설정함이 바람직하다. 그러면, 수학식 5의 우측 첫 번째항에서이 메인 전력 증폭기(100)의 출력 이득으로 매우 큰 값을 갖게 된다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명은 전력 증폭기의 이득 특성과 고조파 왜곡신호의 제거가 각 커플러의 커플링 비율과, 궤환 증폭기의 이득에 의해 결정되므로, 메인 전력 증폭기의 허용차에 영향을 주지 않으며, 보다 안정적이고, 고선형 영역에서 동작하는 효과가 있다.

Claims

선형 전력 증폭 장치에 있어서:

소정 경로를 통해 입력되는 RF 입력 신호(x(t))를 소정의 증폭도로 증폭하여 증폭된 신호(y(t))를 출력하는 메인 전력 증폭기(100);

상기 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 신호(x(t))와 상기 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 신호(y(t))간의 오차를 연산하여, 상기 메인 전력 증폭기(100)의 증폭 왜곡에 대응되는 역 왜곡 신호(e(t))를 검출하는 오차 신호 연산부(200);

상기 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 입력 신호(x(t))에 상기 역왜곡 신호(e(t))를 가산한 추정 입력 신호(u(t))를 생성하여 상기 메인 전력 증폭기(100)의 입력으로 제공하는 추정 입력 신호 생성부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 오차 신호 연산부(200)는:

상기 메인 전력 증폭기(100)에 입력되는 상기 추정 입력 신호(u(t))를 기설정된 제 1 커플링비로 샘플링한 제 1 샘플링 신호를 검출하는 제 1 커플러(210);

상기 메인 전력 증폭기(100)에서 출력되는 출력 신호(y(t))를 기설정된 제 2 커플링비로 샘플링한 제 2 샘플링 신호를 검출하는 제 2 커플러(220);

상기 제 2 샘플링 신호를 위상 반전시키는 제 1 위상 변환기(230);

상기 제 1 샘플링 신호가 일입력단에 입력되고, 상기 위상 반전된 제 2 샘플링 신호가 타입력단에 입력되면, 상기 일입력단과 타입력단에 입력되는 신호를 합성하여 상기 역왜곡 신호(e(t))를 생성하는 신호 합성기(240)를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 오차 신호 연산부(200)는:

상기 제 2 커플러(220)와 상기 제 1 위상 변환기(230) 사이에 접속되어, 상기 제 2 샘플링 신호의 크기를 기설정된 제 1 감쇄율만큼 감쇄시키는 제 1 가변 감쇄기(250);

상기 신호 합성기(240)에서 출력되는 합성 신호의 크기를 기설정된 제 2 감쇄율만큼 감쇄시키는 제 2 가변 감쇄기(260)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 오차 신호 연산부(200)는:

상기 신호 합성기(240)에서 출력되는 합성 신호의 위상을 소정 위상만큼 변환시켜, 상기 합성 신호의 위상을 상기 입력 신호(x(t))의 위상과 정반대가 되도록 하는 제 2 위상 변환기(270)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 추정 입력 신호 생성부(300)는:

상기 오차 신호 연산부(200)의 역왜곡 신호를 기설정된 증폭도로 증폭하는 피딩 증폭기(310);

상기 입력 신호(x(t))와 상기 피딩 증폭기(310)의 출력 신호를 합성하여 상기 추정 입력 신호(u(t))를 생성하는 제 3 커플러(320)를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 추정 입력 신호 생성부(300)는:

상기 오차 신호 연산부(200)의 역왜곡 신호를 대역 필터링하여 상기 피딩 증폭기(310)에 제공하는 대역 통과 필터(330)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 커플러(210)의 입력단, 상기 신호 합성기(240)의 일입력단 및 상기 신호 합성기(240)의 출력단을 경유하는 제 1 경로의 제 1 복소 이득과, 상기 피딩 증폭기(310)의 입력단 및 상기 제 3 커플러(320)의 출력단을 경유하는 제 2 경로의 제 2 복소 이득과의 곱이 1이 되도록 설정한 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.
제 4 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 커플러(210)의 입력단, 상기 신호 합성기(240)의 일입력단, 상기 제 2 가변 감쇄기(260) 및 상기 제 2 위상 변환기(270)의 출력단을 경유하는 제 1 경로의 제 1 복소 이득과, 상기 대역 통과필터(330)의 입력단, 상기 피딩 증폭기(310) 및 상기 제 3 커플러(320)의 출력단을 경유하는 제 2 경로의 제 2 복소 이득과의 곱이 1이 되도록 설정한 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭 장치.