KR100294710B1 - 기지국 증폭기의 안정화 장치 - Google Patents

Abstract

이동 통신에 있어서, 특히 이동 통신 시스템에서 기지국 증폭기에 사용되는 커플러의 격리 포트를 이용하여 기지국의 신호 증폭을 보다 안정화시키기 위한 장치에 관한 것으로, 입력되는 신호를 각 경로로 분리하여 일정 이득만큼 증폭한 후 증폭된 각 경로의 신호를 다시 결합하여 출력하는 평형 증폭기에서, 신호 분리 또는 결합을 위해 상기 평형 증폭기의 입력단 및 출력단에 각각 위치하는 커플러와, 상기 입력단 커플러로부터 반사된 하나 또는 그 이상의 신호 입력을 일정 이득만큼 증폭하기 위한 추가된 경로상의 예비 증폭 소자를 포함하여 구성되는 기지국 증폭기의 안정화 장치에 관한 것이다.

Description

기지국 증폭기의 안정화 장치{Apparatus for stabilizing of Base station Amplifier}

본 발명은 이동 통신에 관한 것으로, 특히 이동 통신 시스템에서 기지국 증폭기에 사용되는 커플러의 격리 포트를 이용하여 기지국의 신호 증폭을 보다 안정화시키기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 기지국의 최종단에는 신호 증폭을 위한 고주파 증폭기(RF Amplifier)와 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)가 장착되어 있다.

이들 고주파 증폭기 및 저잡음 증폭기는 주로 평형 증폭기(Balanced Amplifier)로 설계되는 것이 보통이며, 평형 증폭기는 증폭 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 기지국 평형 증폭기의 구성을 나타낸 블록구성도이다.

도 1을 참조하면, 평형 증폭기는 왜곡 성분 특성을 향상시키기 위해 기지국에 설치되며, 두 개의 신호 경로 중 어느 한쪽의 트랜지스터가 전기적으로 오동작할 때에도 동작한다.

즉 한 경로의 트랜지스터(4 또는 5)가 오동작을 일으킬 때는 단지 전력 이득 특성만 떨어진 상태로 나머지 트랜지스터(5 또는 4)를 이용하여 증폭 동작을 수행토록 되어 있다.

또한 평형 증폭기는 평형 구조를 갖기 때문에 3㏈ 커플러(Coupler)(1,8)를 입력단과 출력단에 각각 구비한다.

입력단의 3㏈ 커플러(1)는 입력되는 신호를 각각 90˚ 위상차가 나는 두 신호로 나누어 각 경로를 경유토록 하며, 이 때 각 경로의 신호는 최초 입력된 신호 전력의 1/2이 된다.

각 경로를 경유하는 신호는 동일한 이득(G1)을 갖는 트랜지스터(4,5)에 의해 증폭된 후 출력단의 3㏈ 커플러(8)에서 다시 결합된다.

상기한 내용을 보다 상세하게 설명하면, 입력 포트를 통해 입력된 신호는 전력 'P_in'으로 3㏈ 커플러(1)에 입력된다.

3㏈ 커플러(1)는 입력된 신호 전력(P_in1)을 1/2로 분리한 후 각 경로를 거치도록 한다. 따라서 각 경로의 신호 전력은 'P_in/2' 이 된다.

이들 각 경로 신호는 트랜지스터(4,5)에서 이득(G1)만큼 보상된 후 3㏈ 커플러(8)에 입력된다. 여기서 출력단의 3㏈ 커플러(8)에 입력되는 신호는 각각 '(P_in*G1)/2' 의 전력을 갖는다.

결국 최종 출력 포트를 통해 출력되는 신호는 'P_in*G1'의 전력을 갖으며, 도시된 평형 증폭기는 기지국이 안정된 서비스를 수행할 수 있도록 상기한 설명과같이 항상 정상적으로 동작해야 한다.

도 2 는 종래 기술에 따른 기지국 평형 증폭기의 오동작을 설명하기 위한 블록구성도이다.

도 2에 도시된 평형 증폭기는 도 1에 도시된 평형 증폭기와 동일한 구성을 갖는 것으로, 단지 경로B에 있는 트랜지스터(5)가 전기적으로 오동작을 일으켰을 경우를 나타낸 것이다. 따라서, 경로B는 개방상태(OPEN)이다.

일단 입력 포트를 통해 입력된 신호는 전력 'P_in'으로 3㏈ 커플러(1)에 입력된다.

3㏈ 커플러(1)는 입력된 신호 전력(P_in1)을 1/2로 분리한 후 각 경로를 거치도록 하지만, 경로A만 정상적으로 동작하므로 전력 'P_in/2'인 한 신호만 트랜지스터(4)에서 이득이 보상된다.

그러나, 경로B를 거치는 신호는 반사되어 경로A를 거치는 신호에 대한 감쇄 작용을 하게 되며, 결국 출력단의 3㏈ 커플러(8)에서 출력되는 신호는 경로B의 반사신호의 전력에 의한 감쇄 작용으로 인해 최종 '(P_in*G1)/4' 의 전력을 갖는다.

이상에서 설명한 바와 같이 입력단과 출력단에 각각 3㏈ 커플러를 사용하는 기지국의 평형 증폭기에서 한 경로상 트랜지스터가 오동작하게 되면 정상적인 동작시에 비해 6㏈ 정도의 전력 손실이 생기게 된다.

따라서, 기지국의 성능이 저하된다. 즉 기지국의 수신 감도가 현저하게 저하되며 비트 에러율(BER : Bit Error Rate) 특성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 개선하기 위해 안출한 것으로, 기지국 평형 증폭기에서 한 경로상 트랜지스터가 오동작 하더라도 안정된 전력 이득 보상이 보장될 수 있도록 한 기지국 증폭기의 안정화 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화 장치의 특징은, 입력되는 신호를 각 경로로 분리하여 일정 이득만큼 증폭한 후 증폭된 각 경로의 신호를 다시 결합하여 출력하는 평형 증폭기에서, 신호 분리 또는 결합을 위해 상기 평형 증폭기의 입력단 및 출력단에 각각 위치하는 커플러와, 상기 입력단 커플러로부터 반사된 하나 또는 그 이상의 신호 입력을 일정 이득만큼 증폭하기 위한 추가된 경로상의 예비 증폭 소자를 포함하여 구성된다는 것이다.

바람직하게는, 상기 예비 증폭 소자가 상기 입력단 커플러와 상기 출력단 커플러의 각 격리 단자를 이용하여 생성된 상기 추가된 경로상에 구비되며, 상기 입력단 커플러에서 각 경로로 분리된 입력 신호의 증폭을 위한 각 증폭 소자와 동일한 이득으로 동작하는 것이다.

또한, 상기 예비 증폭 소자는 상기 입력단 커플러에서 각 경로로 분리된 입력 신호를 증폭하는 각 증폭 소자의 이득에 대해 정수배, 특히 동일한 이득으로 동작할 수 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 기지국 평형 증폭기의 구성을 나타낸 블록구성도.

도 2 는 종래 기술에 따른 기지국 평형 증폭기의 오동작을 설명하기 위한 블록구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 3㏈ 커플러의 정상 동작을 설명하기 위한 도면.

도 4 는 도 3에 도시된 3㏈ 커플러에 대한 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.

도 5 는 본 발명에 따른 3㏈ 커플러의 비정상적인 동작을 설명하기 위한 도면.

도 6 은 도 5에 도시된 3㏈ 커플러에 대한 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.

도 7 은 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화를 설명하기 장치 구성을 나타낸 도면.

도 8 은 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화를 위한 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.

도 9 는 기지국 증폭기의 정상동작 및 오동작에 따른 전력 전달 특성을 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 입력단 커플러 20 : 제1 증폭 소자

30 : 제2 증폭 소자 40 : 출력단 커플러

50 : 예비 증폭 소자

이하, 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화 장치에 대한 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에서는 기본적으로 증폭 소자인 트랜지스터가 오동작되더라도 입력단및 출력단 커플러의 격리 단자(Isolation Port)를 이용하여 안정된 이득을 얻도록 한다.

여기서 기존에는 격리 단자가 정해진 임피던스로 단락되어 있었으나, 본 발명에서는 입력단 격리 단자와 출력단 격리 단자를 이용하여 또다른 신호 경로를 만들기 때문에 기지국 평형 증폭기가 보다 안정한 동작을 수행할 수 있도록 한다.

다시 말하자면, 각 격리 단자를 접지 시키지 않고 여분의 트랜지스터를 포함한 또하나의 경로를 추가하여, 하나의 증폭용 트랜지스터가 오동작을 일으킬 때 추가된 경로로 신호 흐름을 자동으로 바꿔주도록 한다.

도 3 은 본 발명에 따른 3㏈ 커플러의 정상 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 도시된 3㏈ 커플러는 비교적 넓은 대역폭을 가지고 있으며, 입력 단자를 통한 신호를 분류하여 입력된 신호 전력에 대해 각각 1/2의 신호 전력을 갖는 신호를 커플링 단자(Coupling Port)와 쓰루 단자(Thru Port)로 출력시킨다.

이 때 격리 단자로는 아무런 신호 전달이 없다.

도 3에 도시된 정상적으로 동작하는 3㏈ 커플러의 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 도 4에 나타내었으며, 이 때 3㏈ 커플러는 2㎓의 대역폭을 가지며 50Ω의 임피던스 특성을 갖는다.

도 5 는 본 발명에 따른 3㏈ 커플러의 비정상적인 동작을 설명하기 위한 도면이다.

여기서는 정상적으로 동작하는 도 3에서와 달리 3㏈ 커플러의 두 출력 단자인 커플링 단자와 쓰루 단자가 개방되어 있는 경우를 보인 것이다.

이는 각 신호 경로상에 있는 증폭 소자인 트랜지스터가 전기적으로 오동작하는 경우일 수 있으며, 이에 대해 본 발명에서는 격리 단자를 사용하여 추가한 또하나의 신호 경로로 입력된 신호가 전달되도록 한다.

이에 대해 보다 상세한 설명을 덧붙이면 다음과 같다.

입력 단자를 통해 ' V∠0°'의 전압으로 입력되는 신호는 각각 분리되어 커플링 단자와 쓰루 단자로 출력된다.

이 때 이들 두 단자가 모두 개방되어 있으므로, '' 전력으로 커플링 단자에 출력된 신호는 전반사되어 다시 입력 단자 및 격리 단자로 분리되어 출력된다.

이와 마찬가지로 쓰루 단자 역시 개방되어 있으므로, '' 전력으로 쓰루 단자에 출력된 신호 또한 전반사되어 다시 입력 단자 및 격리 단자로 분리되어 출력된다.

이에 따라 격리 단자로 입력된 신호는 커플링 단자로부터 전반사되어 90°만큼 위상이 바뀐 신호와 쓰루 단자로부터 동일한 위상으로 반사된 신호가 더해진 것이므로 ''의 전압을 갖게 되며, 결국 격리 단자를 사용하여 추가된 또하나 경로의 트랜지스터는 입력되는 ''의 신호를 자신의 이득만큼 보상하게 된다.

상기 도 5에 도시된 3㏈ 커플러에 대한 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 도시된 시뮬레이션 결과는 입출력 종단 저항과 중심 주파수 2㎓인 커플러의 구성에 따른 것이며, S파라미터를 사용하고, 피씨비(PCB : Printed Circuit Board)를 사용하는 경우 기판 특성은 'Msub'를 사용한다.

여기서, m1은 전달함수 S21(포트1에서 포트2로 전달되는 전력비)을 ㏈로 나타낸 것이며, m2는 포트에서 반사되는 전력비 즉 반사계수를 나타낸 것이다.

여기서, m1과 m2는 2㎓에서 전달함수 S21, S11 특성에 따른 시뮬레이션 결과이다.

도 7 은 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화를 설명하기 위한 장치 구성을 나타낸 도면으로, 도 5에 도시된 3㏈ 커플러의 동작을 기본으로 하여 기지국 증폭기의 전체 동작을 설명하기로 한다.

여기서 각 경로에 사용되는 트랜지스터(20,30,50)는 증폭을 위해 구비된 소자이며 지금부터는 트랜지스터를 증폭 소자라 지칭하기로 한다.

도 7에 도시된 장치 구성에서는 제1 증폭 소자(20)를 갖는 경로A와, 제2 증폭 소자(30)를 갖는 경로B와, 예비 증폭 소자(50)를 갖는 추가된 경로C로 나뉜다.

먼저 입력 단자를 통해 ' V∠0°'의 전압을 갖는 신호가 입력된다.

이 때 입력단 커플러(10)는 입력되는 신호를 각각 분리하여, ''의 전력을 갖는 신호는 커플링 단자(경로A)로 또한 ''의 전력을 갖는신호는 쓰루 단자(경로B)로 출력시킨다.

그런데 도시된 바와 같이 경로A와 경로 B가 모두 개방되어 있으므로, 입력단 커플러(10)에서 출력된 각 단자 신호는 다시 반사되어 입력 단자와 격리 단자의 입력으로 작용한다.

결국 격리 단자에는 커플링 단자로부터 ''의 신호가 90°만큼 위상이 바뀌어 입력되며, 쓰루 단자로부터 ''의 신호가 그대로 입력된다.

이에 따라 격리 단자로 입력된 신호는 ''의 전압을 갖게 되며, 격리 단자로 입력된 ''의 신호는 예비 증폭 소자에 의해 이득(G3)이 보상된 후 출력단의 커플러(40)에 제공된다.

출력단 커플러(40)는 격리 단자로 입력된 신호로부터 다음 식 1과 같은 전압과 위상을 갖는 신호를 최종 출력시킴으로써 기지국 증폭기의 동작을 위한 신호 흐름을 보다 안정되도록 해준다.

도 8 은 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화를 위한 시뮬레이션 회로 구성 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로, 도 7에 도시된 일 예를 설명하기 위한것이다.

도 8은 도 7에 도시된 각 경로의 증폭 소자(20,30,50)가 전력 이득 '1'을 갖는다는 가정하에서 제1 증폭 소자(20)와 제2 증폭 소자(30)가 모두 끊어 지고, 예비 증폭 소자(50)만 동작하는 경우의 시뮬레이션 결과이다.

여기서 경로A 또는 경로B가 오동작할 때 경로C로 신호 흐름을 바꿔 주어 기지국 평형 증폭기의 특성을 유지시켜 준다.

이 때 예비 증폭 소자(50)가 커플링 단자로 연결되어 있다.

그러나, 경로C의 예비 증폭 소자(50)는 제1 증폭 소자(20) 또는 제2 증폭 소자(30)에 비해 정수배 만큼의 전력 이득을 갖도록 설계할 수도 있다.

도 9 는 기지국 증폭기의 정상동작 및 오동작에 따른 전력 전달 특성을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 도시된 각 도면은 도 7에 도시된 각 경로의 증폭 소자가 각각 전력이득 1인 경우를 가정한 것이다.

도 9a는 세 경로의 증폭 소자 중 예비 증폭 소자가 오동작하는 경우에 대한 전력 전달 특성을 나타낸 것으로, 이 때는 기존 평형 증폭기의 특성을 그대로 유지한다.

도 9b는 세 경로의 증폭 소자가 모두 정상적으로 동작하는 경우에 대한 전력 전달 특성을 나타낸 것으로, 이 때도 기존 평형 증폭기의 특성을 그대로 유지한다.

도 9c는 경로A 또는 경로B에 위치한 증폭 소자 중 어느 하나와 경로C의 증폭 소자가 동시에 오동작하는 경우를 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 기지국 증폭기의 안정화 장치ㄹ는, 정해진 임피던스로 단락되어 있던 격리 단자를 이용하여 하나의 신호 경로를 추가로 구비함으로써 기지국 증폭기의 신호 흐름을 장기간 유지해 줄 수 있다.따라서 기지국 증폭기가 오래동안 안정된 상태로 동작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 입력되는 신호를 각 경로로 분리하여 일정 이득만큼 증폭한 후 증폭된 각 경로의 신호를 다시 결합하여 출력하는 평형 증폭기에서,

   신호 분리 또는 결합을 위해 상기 평형 증폭기의 입력단 및 출력단에 각각 위치하는 커플러와;

   상기 입력단 커플러로부터 반사된 하나 또는 그 이상의 신호 입력을 일정 이득만큼 증폭하기 위한 추가된 경로상의 예비 증폭 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기지국 증폭기의 안정화 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 증폭 소자는 상기 입력단 커플러와 상기 출력단 커플러의 각 격리 단자를 이용하여 생성된 상기 추가된 경로상에 구비되는 것을 특징으로 하는 기지국 증폭기의 안정화 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 증폭 소자는, 상기 입력단 커플러에서 각 경로로 분리된 입력 신호를 증폭하는 각 증폭 소자의 이득에 대해 정수배가 되는 이득으로 동작하는 것을 특징으로 하는 기지국 증폭기의 안정화 장치.