KR100351657B1 - 다단 증폭단을 갖는 광대역 선형 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 WLL, IMT-2000와 같은 광대역 무선통신 서비스 시스템에서 사용하는데 필요한 수천 MHz 대역의 주파수를 생성할 수 있는 광대역 선형 증폭기에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은 직렬 연결되어 각기 입력되는 신호를 증폭하며, 전단의 광대역 선형 증폭단에 의해 증폭된 신호의 이득을 보상하여 원하는 이득을 갖는 상기 광대역 주파수 신호를 생성하는 다수개의 광대역 선형 증폭단을 포함한다. 따라서, 전단의 광대역 증폭단에서 생성된 증폭된 신호의 이득을 보상함으로써, 최종단에서 원하는 광대역 주파수 신호를 생성할 수 있다.

Description

다단 증폭단을 갖는 광대역 선형 증폭기{BROAD BAND LINEAR AMPLIFIER WITH A MULTIPLE AMPLIFICATION STAGES}

본 발명은 무선통신 시스템에 적용가능한 선형 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티 미디어 서비스를 제공하는 WLL(Wireless Local Loop), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000 등의 무선통신 서비스 시스템에서 광대역 무선 신호를 전송하는 데 필요한 광대역 주파수 신호를 생성하는 다단 구성의 광대역 선형 증폭기에 관한 것이다.

잘 알려진 바와같이, CDMA(Code Division Multiple Access) 방식의 무선접속 규격을 사용하는 시스템은 협대역 CDMA 방식과 광대역 CDMA 방식으로 구분된다. 협대역 CDMA 방식을 이용하는 셀룰러, 개인휴대통신(PCS : personal communication service)등과 같은 무선 통신 시스템은 기지국에서 생성된 중간 주파수(Intermediate Frequency : IF) 대역의 신호를 각각의 무선통신 서비스 사업자에게 할당된 무선 주파수(Radio Frequency : RF) 대역, 예를 들면, 셀룰러의 경우에는 800 MHz 대역, PCS의 경우에는 1.8 GHz 대역의 신호를 증폭 변환하는 선형 증폭기를 사용한다. 도 1에는 상술한 수십 내지 수백 MHz 대역의 주파수를 생성하는 선형 증폭기의 블록 구성도가 도시된다.

도시된 바와 같이, 선형 증폭기는 협대역 입력 정합 회로(102), 증폭 블록(104) 및 협대역 출력 정합 블록(106)을 포함한다.

협대역 입력 정합 회로(102)는, 도 2a에 주파수 특성 G_S곡선으로 도시된 바와 같이, 신호원에서 최대 전력을 꺼낼 수 있도록 신호원의 내부 저항과 부하 저항을 맞추어 리액턴스 특성을 맞춤으로써, 신호원과 증폭 블록(104)내 증폭기간의 임피던스 매칭(반사파를 제거하는 입력 정합)을 수행한다. 협대역 입력 정합 회로(102)에서 임피던스 정합된 신호는 증폭 블록(104)으로 제공된다.

증폭용의 트랜지스터 소자를 구비하는 증폭 블록(304)은 임피던스 매칭된 입력신호를 적절한 이득 범위로 증폭하는 것으로, 여기에서 적절한 이득 레벨로 증폭된 주파수 신호, 즉 수십 MHz 대역의 주파수 신호는 다음단의 협대역 출력 정합 블록(306)으로 전달된다. 이때, 증폭 블록(304)에서는 LPF의 특성을 갖는 능동 소자의 특성을 나타내는 데, 주파수 특성(G_D)은 도 2b에 도시된 바와 같다.

도 2c에 도시된 주파수 특성(G_L)을 발생하는 협대역 출력 정합 블록(306)은 증폭 블록(304)에서의 출력과 도시 생략된 부하간의 임피던스를 매칭시키는 기능을 수행하며, 이러한 출력 정합을 통해 부하 효율이 최대로 되는 전력이 부하로 제공될수 있다.

따라서, 상술한 바와같은 협대역 선형 증폭기는 도 2d에 도시된 바와 같은 이득 G, 즉 G_S·G_D·G_L로 되는 이득(G)을 갖는 수십 MHz의 주파수 대역의 신호를 생성한다.

한편, 전세계적으로 기존 통신망이 고도화, 초고속화, 광대역화, 멀티미디어화 함으로써 이에 따른 가입자의 욕구를 충족시키기 위하여 음성, 테이터, 영상 등의 멀티미디어 서비스를 수천 MHz(예를들면, 2300 - 2500MHz)의 주파수 대역을 사용하여 광대역, 초고속으로 전송하는 WLL, IMT-2000 시스템이 제안되어 있다.

그러나, 상술한 바와같은 구성을 갖는 종래기술의 선형 증폭기에서는 WLL,IMT-2000 시스템의 구현에 필요한 수천 MHz의 주파수 대역을 생성할 수 없기 때문에, 이의 실현을 위한 새로운 광대역 선형 증폭기가 필요하다.

본 발명은 상기한 점에 착안하여 안출한 것으로, 광대역 무선통신 시스템의 구현에 필요한 수천 MHz 대역의 주파수를 생성할 수 있는 광대역 선형 증폭기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 신호원에서 발생된 입력 신호를 수천 MHz의 광대역 주파수 신호로 증폭하는 광대역 선형 증폭기에 있어서, 직렬 연결된 다수개의 광대역 선형 증폭단으로, 각기 입력 신호를 증폭하며, 전단의 광대역 선형 증폭단에 의해 증폭된 신호의 이득을 보상하여 원하는 이득을 갖는 상기 광대역 주파수 신호를 생성하는 상기 다수개의 광대역 선형 증폭단; 상기 다수개의 광대역 선형 증폭단의 최종 광대역 선형 증폭단에서 생성된 상기 광대역 주파수 신호와 상기 광대역 선형 증폭기의 부하간 임피던스를 정합시키는 광대역 출력 정합 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 각각의 상기 광대역 선형 증폭단은: 상기 각각의 광대역 선형 증폭단으로 제공되는 입력신호의 주파수 특성을 평탄하게 변경하는 주파수 특성 보상 수단; 상기 특성 보상된 입력신호와 부하간 임피던스를 정합시키는 광대역 입력 정합 수단; 상기 임피던스 정합된 입력신호를 기설정된 이득 범위내에서 소정 레벨로 증폭함으로써, 상기 수천 MHz의 주파수 대역을 갖는 전단의 증폭 블록에서 출력된 신호의 이득을 보상하여 다음단의 상기 광대역 선형 증폭기의 입력으로 제공하는 증폭 수단; 상기 증폭 수단의 출력신호에서 평탄화 특성을 보상한 다음 상기 증폭 수단의 입력측으로 궤환시키는 제 1 보상 수단; 상기 증폭 수단의 출력신호에서 온도 변화에 따른 잡음지수 및 이득 보상을 수행한 다음 상기 증폭 수단의 입력측으로 궤환시키는 제 2 보상 수단; 상기 각각의 증폭 블록의 출력에 연결되어, 상기 증폭 블록에 의해 증폭된 신호에 포함된 짝수 하모닉 성분을 제거하는 λ/4 회로; 상기 각각의 증폭 블록의 출력에 연결되어, 상기 증폭 블록에 의해 증폭된 신호에 포함된 홀수 하모닉 성분을 제거하는 λ/12 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래기술의 협대역 선형 증폭기의 블록구성도,

도 2는 종래 기술의 협대역 선형 증폭기의 각 구성요소에서의 주파수 특성도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다단 광대역 선형 증폭기의 블록구성도,

도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 다단 광대역 선형 증폭기의 각 구성요소에서의 주파수 특성도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

200, 300 : 주파수 특성 보상 블록 304, 404 : 광대역 입력 정합 블록

306, 406 : 증폭 블록 308, 408 : 제 1 보상 블록

310, 410 : 제 2 보상 블록 312, 412 : λ/4 회로

314, 414 : λ/12 회로 500 : 광대역 출력 정합 블록

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광대역 선형 증폭기의 블록구성도로써, 직렬로 연결된 다수개의 광대역 증폭단, 예를 들면 두 개의 광대역 증폭단(300) 및 (400)과 광대역 출력 정합 블록(500)을 포함한다. 제 1 광대역 선형 증폭단(300)은 신호원으로부터 제공된 전력을 증폭하여 도 4d에 도시된 바와 같은 1차 이득(G)을 갖는 수십 MHz의 주파수 대역의 신호를 생성하며, 제 2 광대역 선형 증폭단(400)은 전단의 제 1 광대역 선형 증폭단(400)에 의해 생성된 1차 이득(G)을 갖는 주파수 대역의 신호를 재차 증폭하여 1차 이득보다 향상된 원하는 2차 이득(G)(도시안됨)을 갖는 수십 MHz 대역의 주파수 신호를 생성한다. 실질적으로, 광대역 선형 증폭기를 하나의 광대역 선형 증폭단(300)으로 구성하면, 실질적으로 원하는 수십 MHz 대역의 주파수 신호를 생성할 수 있지만, 원하는 이득보다 낮은 이득값의 출력이 생성된다. 따라서, 제 2 광대역 선형 증폭단(400)의 제 1 선형 증폭기(300)에서 생성된 주파수 신호를 다시 한 번 증폭하여 원하는 이득을 갖는 광대역 주파수 신호를 얻을 수 있다. 비록 본 발명에서는 단지 두단의 선형 증폭단(300, 400)을 직렬로 연결한 구성을 가지고 있을 지라도, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 둘 이상의 다단 증폭단을 연결함으로써 원하는 이득을 갖는 광대역 주파수 신호를 얻을 수 있다는 것을 알 것이다.

각각의 제 1 및 제 2 증폭단(300) 및 (400)은 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 각각의 증폭단(300; 400)은 주파수 특성 보상 블록(302; 402), 광대역 입력 정합 블록(304; 404), 증폭 블록(306; 406), 제 1 보상 블록(308; 408), 제 2 보상 블록(310; 410), λ/4 회로(312; 412) 및 λ/12 회로(314; 414)를 포함한다.

먼저, 주파수 특성 보상 블록(200)은 신호원으로부터 제공되는 전력 신호의 특성을 변경하여 증폭기의 주파수 특성을 보상, 즉 광대역 입력 정합 블록(304)에서의 주파수 특성(G_S)과 광대역 출력 정합 블록(330)에서의 주파수 특성(G_L)을 쉽게 실현할 수 있도록 입력 신호의 주파수 특성을 보상한다. 주파수 특성 보상 블록(200)에 의한 주파수 특성 보상을 통하여 도 4a에 도시된 바와 같은 플랫(flat)한 주파수 특성(G_C)을 갖는 출력을 얻을 수 있다.

제 1 광대역 선형 증폭단(300)에서, 광대역 입력 정합 블록(304)은 주파수 특성 보상 블록(200)에 의해 주파수 특성이 보상된 신호에서 최대 전력을 꺼낼 수있도록 입력 신호의 내부 저항과 부하 저항을 맞추어 리액턴스 특성을 맞춤으로써, 입력 신호와 증폭 블록(306)간의 광대역 임피던스 매칭(반사파를 제거하는 입력 정합)을 수행하는 것으로, 예를들면, 수천 MHz에 대응할 수 있도록 임피던스를 정합시켜 증폭 블록(306)으로 제공한다. 광대역 입력 정합 블록(304)에서 출력된 신호의 주파수 특성(G_S)은 도 4b에 도시된다.

보다 상세히 말해서, 정합하는 주파수에서 멀어지면 부정합으로 인해 증폭기의 주파수 대역이 좁아지기 때문에 손실에 의한 잡음지수(NF : Noise Figure)의 악화가 문제되지 않는 범위에서 정합 소자에 저항 성분을 포함하여 정합회로에 의한 협대역화를 방지할 수 있으며, 흩어짐이나 온도 특성에 의한 주파수 특성의 안정화를 도모할 수 있다.

증폭 블록(306)은 입력신호를 적절한 이득 범위에서 증폭하는 FET 소자를 포함할 수 있는 데, 이러한 FET는 그 특성상 최저 잡음 지수와 최대 가용 이득을 동시에 만족시키는 것이 어렵다. 즉, 입력 신호를 최적 입력단 반사계수에 정합시키면 최대 가용 이득을 얻을 수 있으나 증폭기의 잡음지수값이 증가하게 되는 문제가 있으며, 반대로 입력 신호를 최저 잡음지수에 정합시키면 최대 가용 이득이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상반되는 잡음과 이득의 관계를 고려하여 스미스 챠트상에서 잡음 지수원과 이득원이 교차하는 점을 선택하여 입력 소스 임피던스값으로 설정하는 것이 바람직하다.

증폭 블록(306)에서의 출력은 FET의 주파수 특성에 의해 대역내의 주파수에서 이득이 평탄하지 않게 되는 데, 제 1 보상 블록(308)은 증폭 블록(306)내 FET의 출력을 증폭 블록(306)의 입력측(즉, 게이트)으로 궤환시켜 평탄화 특성을 보상한다. 즉, 중심 주파수를 증폭 블록의 주파수 대역 외의 높은 주파수로 선택하여 주파수 특성이 양의 기울기인 곳을 이용함으로써 평탄화를 도모한다. 이를 위하여, 전대역에 걸쳐서 입, 출력 임피던스가 순저항이 되어 있는 것, 즉 각 정수의 선택에 따라서 대역폭을 바꿀 수 있는 특징을 갖는 T형 밴드패스 필터를 평탄화 보상 수단으로 이용할 수 있다. 따라서, 증폭 블록(306)내 FET에서의 출력 주파수는 일정 레벨의 평탄도를 유지하게 된다. 이러한 증폭 블록(306)에서의 주파수 특성(G_D)은 일예로서 도 4c에 도시된 바와 같다.

제 2 보상 블록(310)은 광대역의 잡음 특성, 즉 온도의 변화에 기인하는 증폭기의 이득 변화를 보상, 즉 증폭기의 동작 온도와 바이어스 전압의 변동에 작은 영향을 받으면서 잡음지수가 작은 출력 이득을 얻을 수 있도록 증폭 블록(306)내 FET의 출력을 증폭 블록(306)의 입력측(즉, 게이트)으로 궤환시켜 온도 변화에 따른 잡음지수 및 이득 보상을 수행한다.

한편, 증폭 블록(306)에 의해 증폭된 도 4c에 도시된 바와 같은 주파수 특성(G_D)을 갖는 주파수 신호는 증폭 과정중에 하모닉(harmonic) 성분이 포함될 수 있으며, 그 결과 주파수 신호의 선형성이 저하될 수도 있다. λ/4 회로(312)와 λ/12 회로(314)는 입력 신호의 양호한 선형성을 실현하기 위하여 증폭 블록(306)의 출력으로부터 하모닉 성분을 제거하는 기능을 수행한다. λ/4 회로(312)는 2fo,4fo, . . . 등의 짝수 하모닉 성분을 제거하며, λ/12 회로(314)는 3fo, 5fo, . . . 등의 홀수 하모닉 성분을 제거한다. 그 결과, 증폭 블록(306)의 출력 신호의 주파수 특성 곡선(G_D)은 보다 양호한 직선성을 갖게되어 제 2 광대역 선형 증폭단(400)으로 인가된다.

제 2 광대역 선형 증폭단(400)은 실질적으로 제 1 광대역 선형 증폭단(300)과 동일한 구성을 가지며, 또한 각각의 구성요소 역시 유사한 기능을 수행한다.

광대역 입력 정합 블록(404)은 제 1 광대역 선형 증폭단(300)의 증폭 블록(306)으로부터 제공된 선형성이 향상된 주파수신호에 대하여 입력 신호의 내부 저항과 부하 저항을 맞추어 리액턴스 특성을 맞춤으로써, 입력된 신호와 증폭 블록(406)간의 광대역 임피던스 매칭을 수행한다. 광대역 입력 정합 블록(404)에 의해 임피던스가 정합된 주파수 신호는 증폭 블록(406)으로 제공된다.

증폭 블록(406) 역시 내부적으로 FET 소자를 포함하며, FET의 증폭 작용에 의해 입력된 신호를 적절한 이득 범위에서 증폭한다. 제 1 보상 블록(308)은 증폭 블록(406)내 FET의 출력을 증폭 블록(406)의 입력측(즉, 게이트)으로 궤환시켜 증폭 블록(406)의 출력 주파수를 보상하여 평탄화하며, 제 2 보상 블록(410)은 증폭 블록(406)의 출력을 증폭 블록(406)의 입력측(즉, 게이트)으로 궤환시켜 온도 변화에 따른 잡음지수 및 이득 보상을 수행한다.

λ/4 회로(412)와 λ/12 회로(414)는 각기 증폭 블록(406)에 의해 증폭된 주파수 신호로부터 2fo, 4fo, . . . 등의 짝수 하모닉 성분과 3fo, 5fo, . . . 등의홀수 하모닉 성분을 제거함으로써, 제 1 광대역 선형 증폭단(300)에 의해 생성된 증폭 신호의 주파수 특성 곡선(G_D)이 강한 선형성을 갖게한다. λ/4 회로(412)와 λ/12 회로(414)에 의해 강한 선형성을 갖도록 보상된 신호는 광대역 출력 정합 블록(412)으로 제공된다.

광대역 출력 정합 블록(412)은 증폭 블록(406)내 FET가 고역 통과형의 LC회로로 구성될 때 부하 임피던스의 부하 효율이 최대가 되도록 증폭 블록(406)의 출력과 도시 생략된 부하간 임피던스를 매칭시키는 작용을 수행한다. 그 결과, 제 2 광대역 선형 증폭단(400)으로부터 생성된 주파수 신호는 도 4e에 예시된 이득 특성곡선(G)보다 향상된 이득을 나타낸다.

이와 관련하여, 제 2 광대역 선형 증폭단(400)의 각 구성요소에서 생성된 이득 특성은 도면에 도시하지 않았지만, 도 3에 도시된 이득 특성 곡선보다 양호한 특성을 갖는다는 것을 알아야 할 것이다.

따라서, 상술한 바와같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 다단 증폭단 구성을 갖는 광대역 선형 증폭기에 의해 WLL, IMT-2000 시스템에서 사용되는 수천 MHz(예를들면, 2300 - 2500MHz)의 향상된 이득을 갖는 대역의 주파수 신호를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와같이 본 발명에 따르면, 다단의 광대역 선형 증폭기를 통하여 신호원에서 제공되는 입력 신호의 주파수 특성을 입력 정합 및 출력 정합을 쉽게 실현할 수 있도록 보상해 주고, 증폭 블록의 출력을 궤환시켜 평탄화 특성을 보상해 주며, 또한 동작 온도와 바이어스 전압의 변동에 작은 영향을 받으면서 잡음지수가 작은 출력 이득을 얻을 수 있도록 보상해 주므로써, WLL, IMT-2000 시스템에서 필요로 하는 수천 MHz 대역의 주파수 신호를 생성할 수 있다.

Claims (3)

1. 신호원에서 발생된 입력 신호를 수천 MHz의 광대역 주파수 신호로 증폭하는 광대역 선형 증폭기에 있어서,

   직렬 연결된 다수개의 광대역 선형 증폭단으로, 각기 입력 신호를 증폭하며, 전단의 광대역 선형 증폭단에 의해 증폭된 신호의 이득을 보상하여 원하는 이득을 갖는 광대역 주파수 신호를 생성하는 다수개의 광대역 선형 증폭단과;

   상기 다수개의 광대역 선형 증폭단의 최종 광대역 선형 증폭단에서 생성된 상기 광대역 주파수 신호와 상기 광대역 선형 증폭기의 부하간 임피던스를 정합시키는 광대역 출력 정합 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 광대역 선형 증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 광대역 선형 증폭단은:

   상기 각각의 광대역 선형 증폭단으로 제공되는 입력신호의 주파수 특성을 평탄하게 변경하는 주파수 특성 보상 수단과;

   상기 특성 보상된 입력신호와 부하간 임피던스를 정합시키는 광대역 입력 정합 수단과;

   상기 임피던스 정합된 입력신호를 기설정된 이득 범위내에서 소정 레벨로 증폭함으로써, 상기 수천 MHz의 주파수 대역을 갖는 전단의 증폭 블록에서 출력된 신호의 이득을 보상하여 다음단의 상기 광대역 선형 증폭기의 입력으로 제공하는 증폭 수단과;

   상기 증폭 수단의 출력신호에서 평탄화 특성을 보상한 후, 상기 증폭 수단의 입력측으로 궤환시키는 제 1 보상 수단과;

   상기 증폭 수단의 출력신호에서 온도 변화에 따른 잡음지수 및 이득 보상을 수행한 후, 상기 증폭 수단의 입력측으로 궤환시키는 제 2 보상 수단;

   부하 임피던스의 부하 효율 증진을 위해 상기 증폭 수단의 출력신호와 부하간 임피던스를 정합시키는 광대역 출력 정합 수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 다단 광대역 선형 증폭기.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 광대역 선형 증폭단은:

   상기 각각의 증폭 블록의 출력에 연결되어, 상기 증폭 블록에 의해 증폭된 신호에 포함된 짝수 하모닉 성분을 제거하는 λ/4 회로와;

   상기 각각의 증폭 블록의 출력에 연결되어, 상기 증폭 블록에 의해 증폭된 신호에 포함된 홀수 하모닉 성분을 제거하는 λ/12 회로;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다단 광대역 선형 증폭기.