KR100353313B1 - 전력제어회로및이동전화의전력효율을향상시키는방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 주파수 이동 유닛의 효율을 향상시키는 회로에 관한 것이다. 이동 전화 유닛이 기지국의 소정의 신호 세기 범위내에 있으면, 전송 회로로부터 전력 증폭 회로가 바이패스된다. 그러나, 기지국과 이동 유닛 사이의 신호 세기가 낮으면, 전력 증폭기가 턴온되고, 전송 신호는 증폭된 후에 이동 유닛의 안테나를 통해 전송된다.

Description

전력 제어 회로 및 이동 전화의 전력 효율을 향상시키는 방법{METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCING TRANSMITTER CIRCUIT EFFICIENCY OF MOBILE RADIO UNITS}
본 발명은 무선 주파수(radio frequency: RF)의 전력 레벨 제어 회로에 관한 것으로서, 특히 이동 전화 유닛의 전력 증폭기의 효율을 향상시키는 회로에 관한 것이다.
셀룰라 및 다른 휴대용 무선 전화(이하, 이동 유닛이라 칭함)는 소형화 및 경량화 추세이다. 이동 유닛을 동작시키는데 필요한 전력은 통상적으로 배터리로부터 제공된다. 전형적으로 배터리는 이동 유닛에서 가장 많은 부피 및 무게를 차지하는 소자이므로, 이동 유닛에 필요한 전력을 줄이면 배터리의 크기를 더욱 줄일 수 있으며, 이에 따라 이동 유닛의 전체적인 크기 및 무게를 줄일 수 있다.
모든 무선 주파수(RF) 통신 시스템에 있어서, 신호 전송에 필요한 전력은 이용가능한 에너지의 상당 부분을 소비한다. 전송 회로의 효율이 향상되면 전력 소비가 감소되며, 그 결과 이동 유닛의 전원을 구동하는데 필요한 배터리의 크기도 줄어든다. 또한, 효율이 향상되어 전력 소비가 줄어들면 내부 전력 소실(dissipation)로 인해 야기되는 열이 감소된다.
전형적인 이동 유닛의 전송 회로는 RF 소스, 구동 증폭 회로, 전력 증폭 회로 및 안테나를 포함한다. (때때로, 구동 증폭기 및 전력 증폭기는 함께 2 스테이지(two-stage) 전력 증폭 회로라 칭한다.)
전형적으로 이동 유닛이 활성화되면, 구동 증폭기 및 전력 증폭기가 연속적으로 턴온된다. 하지만, 본 출원인은 이동 유닛으로부터 기지국에 신호를 전송하는데 필요한 전력이 반드시 구동 증폭기 및 전력 증폭기의 전체 동작 전력일 필요가 없는 것으로 파악하였다. 즉, 다수의 응용 분야에 적용되는 (예를 들어, 셀의가장자리 근처 및 구조의 배후의) 전력 증폭기는 실제로 시간의 약 20%만을 필요로 하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이동 유닛을 사용하고 있는 대부분의 시간 동안 구동 증폭기는 기지국에 의해 픽업될 만큼 충분히 강력한 신호를 독자적으로 발생시킬 수 있다.
현재 전력 증폭기의 효율을 향상시키기 위한 여러 방안들이 제안되었다. 이들 방안들은 선형 전력 증폭기의 드레인 또는 콜렉터의 공급 전압과, 쿼시 선형 증폭기(quasi-linear amplifiers)의 사용과, 비선형 보상 회로(예를 들어, 피드백으로 제어되는 전치보상 회로(feedback controlled predistortion circuit))의 사용을 제어하는 회로를 포함한다. 하지만, 전술한 각각의 방안들은 부가적이고 통상적으로 복잡한 회로가 필수적으로 제공되며, 선형적인 증폭을 바람직하게 유지시키기 어려운 문제점을 갖고 있다(이것은 이동 유닛이 처해있는 열악한 환경 조건으로 인해 특히 그렇다).
본 발명은 이동 유닛의 전송기 회로의 효율을 향상시키는 방법 및 장치를 포함한다. 특히, 본 발명은 전송기 회로의 전력 증폭기 스테이지(stage)의 동작을 제어하는 전력 제어 회로를 포함한다.
전력 제어 회로는 구동 증폭기 및 전력 증폭기를 포함하며, 이들 증폭기 각각은 입력 및 출력을 갖는다. 구동 증폭기의 입력은 전력 제어 회로의 입력으로 정의(define)된다. 또한, 전력 제어 회로는 두개의 3-웨이 스위치(three-wayswitches)를 포함한다. (각각의 3-웨이 스위치는 공통 터미널에 선택적으로 연결되는 두개의 터미널을 갖는다.) 제 1의 3-웨이 스위치의 공통 터미널은 구동 증폭기의 출력에 연결된다. 제 1의 3-웨이 스위치의 제 1의 선택가능한 터미널은 전력 증폭기의 입력에 연결된다. 제 2의 3-웨이 스위치의 공통 터미널은 전력 제어 회로의 출력으로 정의되며 안테나에 연결된다. 제 2의 3-웨이 스위치의 제 1의 선택가능한 터미널은 전력 증폭기의 출력에 연결되고, 제 2의 3-웨이 스위치의 제 2의 선택가능한 터미널은 제 1의 3-웨이 스위치의 제 2의 선택가능한 터미널에 연결된다.
제어 수단은 상기 전력 증폭기 및 상기 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치의 동작을 제어하는데 사용된다. 제어 수단은 이동 유닛의 수신기 회로를 포함한다. 정규 동작 동안에는 전력 증폭기가 사용되지 않으며 제어 수단은 이러한 전력 증폭기를 바이패스(bypass)시킨다. 이것은 전력 증폭기를 비활성화시켜 구동 증폭기로부터의 출력 신호가 제 1의 3-웨이 스위치를 거쳐 제 2의 3-웨이 스위치를 통해 안테나로 라우팅되도록 함으로써 달성된다. 수신기 회로가 기지국으로부터의 신호 세기가 사전결정된 값 이하로 떨어진 것으로 검출하면 수신기 회로는 "약한 신호 세기"의 제어 신호를 제어 수단에 전송한다. 만일 제어 수단이 약한 신호 세기 제어 신호를 수신하면, 제어 수단은 전력 증폭기를 활성화시켜 구동 증폭기가 제 1의 3-웨이 스위치를 통해 전력 증폭기에 연결되도록 하고 전력 증폭기의 출력이 제 2의 3-웨이 스위치를 통해 안테나에 연결되도록 한다. 즉, 제 2의 선택가능한 터미널을 거치는 제 1의 3-웨이 스위치와 제 2의 3-웨이 스위치간의 연결이인터럽트되고, 각각의 3-웨이 스위치의 제 1의 선택가능한 터미널이 각각의 공통 터미널에 연결된다.
몇몇 셀룰러 전화 시스템에 있어서, 기지국은 이동 유닛으로부터 수신된 신호를 감시한다. 기지국이 수신 신호 세기가 사전결정된 레벨 미만으로 떨어진 것으로 검출하면, 기지국은 이동 유닛이 전송 전력을 증가시키도록 하는 신호를 이동 유닛에게 다시 전송한다. (이것은 RF 소스의 출력 전력을 변경하거나, 여러 트랜지스터들 중 하나의 게이트 전압을 증가시키거나 혹은 여러 트랜지스터들 중 하나의 베이스 전류를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.) 전력 제어 회로의 제어 수단은 이동 유닛의 수신기 회로와 통신을 용이하게 하기 위해 기지국으로부터 "전송기의 증가된 전력" 신호를 사용하여 전력 증폭기와 3-웨이 스위치의 동작을 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 이동 RF 이동 유닛(즉, IS-136 TDMA 시스템)의 전형적인 전력 증폭기 응답의 그래프.
도 2는 종래의 RF 전력 증폭기 회로의 배선도.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 RF 전력 증폭기의 배선도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 전력 제어 회로12 : RF 소스
13 : 안테나14 : 구동 증폭기
16 : 전력 증폭기19 : 제어 수단
20, 22 : 3-웨이 스위치
도 1을 참조하면, 이동 유닛이 특정한 전력 레벨에서 신호를 전송하는 시간 비가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 시간 비가 약 37%인 경우 이동 유닛의 RF 전송 회로의 출력 전력은 4dBm을 초과하지 않는다. 이동 유닛의 출력 전력이 16dBm이면, 기지국과 약 80%의 시간 비로 통신을 유지하는데 충분하다. 구동 증폭기는 전형적으로 16dBm 신호를 출력하므로, 전형적인 RF 전송 회로의 전력 증폭기는 전형적인 구동 증폭기로부터의 신호가 기지국과 RF 접촉하여 유지하는데 충분하지 않은 20%의 시간 비 동안에만 온 상태가 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전형적인 이동 유닛의 종래의 전송 회로는 RF 소스(12), 구동 증폭기 회로(14), 전력 증폭기 회로(16), 안테나(13) 및 주 제어 회로(24)를 포함한다. 종래의 전력 제어 회로를 이용하여 전송 회로의 효율을 향상시키는 공통적인 방안은 전력 증폭기의 게이트 및/또는 소스 전압을 조정하는 것이다. 이동 유닛이 턴온되면, 구동 회로(14) 및 전력 증폭기(16)도 연속적으로 턴온된다. 전체 출력 전력 레벨에서, PAE(power added efficiency)은 약 50%를 갖는다. 그러나, 이용 유닛은 (반드시 구비될 필요가 없는 전력 증폭기를 갖는) 기지국 근처에서 대부분의 시간을 소비하기 때문에 PAE는 매우 낮다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 제어 회로(10)가 도시되어 있다. 전력 제어 회로(10)는 구동 증폭기(14), 전력 증폭기(16), 3-웨이 스위치(20, 22) 및 제어 수단(19)을 포함한다. 구동 증폭기(14)에 입력되는 신호는 일반적으로 전력 제어 회로(10)의 입력으로 정의된다.
바람직한 실시예에 있어서, 도시된 바와 같이 3-웨이 스위치(20, 22)는 전력 증폭기 앞단과 뒷단의 전송 라인에 제각기 삽입된다. 각각의 3-웨이 스위치는 공통 터미널에 선택적으로 연결되는 두개의 터미널을 갖고 있다. (비록 매뉴얼로 동작되는 3-웨이 스위치를 사용하는 것도 가능하지만, 전술한 3-웨이 스위치는 스위칭을 제어하는 전자 수단을 구비하는 것이 바람직하다.)
제 1의 3-웨이 스위치(20)의 공통 터미널은 구동 증폭기(14)의 출력에 연결된다. 제 1의 3-웨이 스위치(20)의 제 1의 선택가능한 터미널은 전력 증폭기(16)에 연결된다. 제 2의 3-웨이 스위치(22)의 공통 터미널은 일반적으로 전력 제어회로(10)의 출력으로 정의되며 안테나(13)에 연결된다. 제 2의 3-웨이 스위치(22)의 제 1의 선택가능한 터미널은 전력 증폭기(16)의 출력에 연결된다. 제 1의 3-웨이 스위치(20) 및 제 2의 3-웨이 스위치(22)의 제 2의 선택가능한 터미널은 서로 연결된다.
일반적으로 제어 수단(19)은 3-웨이 스위치(20, 22)의 선택가능한 동작 및 전력 증폭기(16)의 활성을 제어하는 두개의 모드를 갖고 있다. 따라서, 제어 수단(19)은 3-웨이 스위치(20, 22) 및 전력 증폭기(16)의 동작을 제어하는 기제품의 디지탈 회로(off-the-shelf digital circuits)를 바람직하게 포함한다. 제어 수단(19)은 수신기가 제공한 외부 제어 신호에 응답한다. 제 1 모드 에서는 전력 증폭기가 비활성화되어 RF 신호가 구동기(14)로부터 3-웨이 스위치(20, 22)를 거쳐 안테나에 직접 라우팅된다. 제 2 모드 에서는 전력 증폭기(16)가 활성화되어 RF 신호가 구동 증폭기(14)로부터 제 1의 3-웨이 스위치(20)를 통해 전력 증폭기(16), 제 2의 3-웨이 스위치(22) 및 안테나(13)에 순차적으로 라우팅된다.
바람직한 실시예에 있어서, 이동 유닛의 수신기 회로는 이동 유닛의 사용자에게 기지국으로부터 수신된 신호의 세기의 일반적 표시를 제공하는 신호 세기 계측기(signal strength meter)를 포함한다. 기지국으로부터의 신호 세기가 약하면(예를 들어, 이동 유닛이 셀의 가장자리에 위치하면) 신호 세기 계측기는 낮은 신호 세기를 나타낼 것이다. 신호 세기 계측기는 기지국으로부터 수신된 신호의 전압을 검출하는 검출 회로를 포함한다. 제어 수단(19)을 트리거시키는 검출 회로는 용이하게 변경될 수 있다.
기지국으로부터 수신된 신호 세기가 사전결정된 레벨 또는 전압 미만으로 떨어지면, 검출 회로는 외부 제어 신호를 제어 수단에 전송하고, 제어 수단(19)은 전력 증폭기(16)를 활성화시키고 제 1의 3-웨이 스위치(20)를 동작시켜 구동 증폭기(14)의 출력이 전력 증폭기(16)의 입력에 제공되도록 하고 제 2의 3-웨이 스위치(22)를 동작시켜 전력 증폭기(16)의 출력이 안테나(13)에 제공되도록 한다. 그 결과, 원하는 전송 신호가 구동 증폭기(14)로부터 전력 증폭기(16)를 통과한 다음 안테나(13)로부터 방출된다.
검출 회로가 기지국으로부터 일반적으로 강한 신호(즉, 사전결정된 레벨 또는 전압을 초과하는 신호)를 수신하면, 검출 회로는 제어 수단(19)을 리셋시켜 전력 증폭기(16)가 턴오프되도록 하고 3-웨이 스위치(20, 22)의 선택가능한 연결이 변경되도록 한다. 이 기간 동안 이동 유닛으로부터의 전송 신호는 구동 증폭기(14)의 출력으로부터 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치(20, 22)를 통해 안테나(13)로 제공되며, 비활성 전력 증폭기(16)를 바이패스시킨다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 이동 유닛(예를 들어, IS-95 코드 분할 다중 액세스)으로부터 수신된 신호 세기를 능동적으로 감시하는 기지국을 구비한 종래의 셀룰라 전화 시스템과 함께 사용한다. 초기화 및 통신 링크업(link up) 동안 기지국은 이동 유닛으로부터 수신된 신호 세기를 감시한다. 이동 유닛으로부터 수신된 신호 세기가 하나 이상의 사전결정된 레벨 아래로 떨어지면, 기지국은 이동 유닛이 출력 전력을 증가시키도록 하는 신호를 이동 유닛에게 반환(return)한다. 이동 유닛으로부터 수신된 신호 세기가 하나 이상의 사전결정된 레벨을 초과하면, 기지국은 이동 유닛이 출력 전력을 감소시키도록 하는 신호를 이동 유닛에게 반환한다. 이동 유닛은 (예를 들어, RF 소스의 출력 전력을 변경하거나 증폭기의 게이트 또는 소스 전류를 조정함으로써) 전송기 회로의 이득을 증분적으로 증가시키거나 혹은 감소시키는 제어 회로(24)(도 2를 참조)를 구비한다.
본 발명은 이러한 능동 감시 시스템에서 기지국으로부터 신호를 채택하여 제어 수단(19)을 트리거(trigger)시키는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 능동 감시 시스템의 전송기의 이득 제어 회로와 독립적으로 사용하거나 이 제어 회로를 부가하여 사용할 수 있다. 기지국이 이동 유닛으로부터 수신된 신호 세기가 약한 것으로 검출하면(사전결정된 신호 세기 레벨 미만으로 떨어지면), 기지국은 이동 유닛이 출력 신호의 전력(즉, 전송 전력)을 증가시키도록 하는 신호를 이동 유닛에게 반환한다. 이동 유닛의 수신기는 기지국으로부터 전송기의 증가된 전력 제어 신호를 분석하고, 이를 제어 수단(19)에 제공하여 전력 증폭기(16)가 활성화되도록 해서 구동 증폭기(14)로부터의 신호가 제 1의 3-웨이 스위치(20)를 거쳐 전력 증폭기(16)에 제공된 다음 제 2의 3-웨이 스위치(22)를 거쳐 최종적으로 안테나에 제공되도록 한다. 이동 유닛이 기지국으로부터 감소된 전력 신호를 수신하면 이동 유닛은 전력 증폭기(16)를 비활성화시키고 3-웨이 스위치(20, 22)의 선택가능한 터미널을 세트시켜 전력 증폭기(16)가 바이패스되도록 한다. 따라서, 이들 두 실시예에서 외부 제어 신호를 수신하는 이동 유닛의 제어 회로(19)는 일반적으로 동일하지만, 각각의 실시예에 대한 수신기는 사전결정된 신호를 약간씩 다르게 분석한다.
본 발명은 바람직한 실시예로 기술되었지만, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명이 본 발명의 정신 및 영역을 벗어나지 않은 범위내에서 여러가지 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 특허 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 영역내에서 모든 변경 및 수정을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 이동 유닛이 기지국의 신호 세기 범위내에 있는 경우 전력 증폭기를 바이패스시키고 기지국과 이동 유닛 사이의 신호 세기가 약한 경우에 전력 증폭기를 턴온시켜 무선 주파수 이동 유닛의 효율을 향상시키는 장점을 제공한다.

Claims (6)

  1. 무선 주파수 소스, 안테나 및 수신기 회로를 구비한 이동 전화의 전력 제어 회로에 있어서,
    a) 상기 소스에 연결된 구동 증폭기와,
    b) 전력 증폭기와,
    c) 상기 구동 증폭기와 상기 전력 증폭기 사이에 연결되는 제 1의 3-웨이 스위치와,
    d) 상기 전력 증폭기, 상기 제 1의 3-웨이 스위치 및 상기 안테나의 사이에 연결되는 제 2의 3-웨이 스위치와,
    e) 상기 수신기 회로에 연결되어 상기 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치와 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 제어 수단을 포함하되,
    상기 제어 수단은 적어도 두 개의 모드, 즉 상기 전력 증폭기를 비활성화시킨 다음 상기 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치를 통해 상기 구동 증폭기와 상기 안테나를 연결시킴으로써 상기 전력 증폭기를 바이패스시키는 제 1 모드와, 상기 전력 증폭기를 활성화시키고, 상기 제 1의 3-웨이 스위치를 통해 상기 구동 증폭기와 상기 전력 증폭기를 연결시키며, 그리고 상기 제 2의 3-웨이 스위치를 통해 상기 전력 증폭기의 출력과 상기 안테나를 연결시키는 제 2 모드를 가지며, 상기 수신기 회로로부터의 제어 신호에 의해 상기 제어 수단의 모드가 세트되는
    전력 제어 회로.
  2. 제 4 항에 있어서,
    수신된 신호의 신호 세기가 사전결정된 레벨 미만일 경우 상기 제어 신호를 발생시키는 신호 세기 검출기(a signal strength detector)를 더 포함하는 전력 제어 회로.
  3. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 신호를 발신하는 기지국에 의해 발생되는 커맨드 신호를 해석하는 수단을 더 포함하는 전력 제어 회로.
  4. 다수의 셀룰라 전화와 적어도 하나의 기지국을 포함하는 셀룰라 전화 시스템에 사용되는 전력 제어 회로에 있어서,
    a) 구동 증폭기와,
    b) 전력 증폭기와,
    c) 상기 구동 증폭기와 상기 전력 증폭기 사이에 연결되는 제 1의 3-웨이 스위치와,
    d) 상기 전력 증폭기, 상기 제 1의 3-웨이 스위치 및 상기 안테나의 사이에 연결되는 제 2의 3-웨이 스위치와,
    e) 상기 기지국이 발신한 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치와 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 제어 수단을 포함하는
    전력 제어 회로.
  5. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 적어도 두 개의 모드, 즉 상기 전력 증폭기를 활성화시키고 상기 제 1의 3-웨이 스위치를 통해 상기 구동 증폭기와 상기 전력 증폭기를 연결시키는 제 1 모드와, 상기 전력 증폭기를 비활성화시킨 다음 상기 제 1 및 제 2의 3-웨이 스위치를 통해 상기 구동 증폭기와 상기 안테나를 연결시킴으로써 상기 전력 증폭기를 바이패스시키는 제 2 모드를 갖는 전력 제어 회로.
  6. 무선 주파수 소스, 안테나 및 수신기 회로를 갖는 이동 전화의 전력 효율을 향상시키는 방법에 있어서,
    a) 상기 소스에 의해 발생된 신호를 증폭하는 단계와,
    b) 상기 증폭된 소스 신호를 선택적으로 증폭하는 제 2 스테이지 증폭기를 제공하는 단계와,
    c) 외부로부터 발생된 제어 신호를 검출하는 단계와,
    d) 상기 제어 신호가 사전결정된 레벨을 초과하는 경우 상기 제 2 스테이지증폭기를 비활성화시키고 상기 제 2 스테이지 증폭기를 바이패스시키는 단계와,
    e) 상기 제어 신호가 사전결정된 레벨 미만인 경우 상기 제 2 스테이지 증폭기를 활성화시키고 상기 증폭된 소스 신호를 더욱 증폭하는 단계를 포함하는 이동 전화의 전력 효율을 향상시키는 방법.
KR1019980000489A 1997-01-13 1998-01-10 전력제어회로및이동전화의전력효율을향상시키는방법 KR100353313B1 (ko)

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