KR100372012B1 - 개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기, 이를 이용한이동 통신 단말기 및 그에 관한 효율 개선 방법 - Google Patents

개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기, 이를 이용한이동 통신 단말기 및 그에 관한 효율 개선 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기, 이를 이용한 이동 통신 단말기 및 그에 관한 효율 개선 방법에 관한 것으로서, 임피이던스 보정회로로서 가변인덕터 또는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너를 이용하여, 전력 증폭기의 RF신호에서 검출된 직류신호가 가변인덕터 또는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너에 인가되게 하여 가변 임피던스가 생기게 하고, 전력 증폭기의 신호 레벨이 변하면 임피던스도 같이 변하게 함으로써, 이렇게 변화된 임피던스는 전력 레벨과 동작점의 변화로 발생된 임피이던스의 변화를 보정하게 하는 바, 결과적으로 가변인덕터 또는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너를 이용해 이동통신 단말기의 전력 증폭기의 효율을 개선시키게 하는 것이 가능하게 된다.

Description

개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기, 이를 이용한 이동 통신 단말기 및 그에 관한 효율 개선 방법{ENVELOPE TRACKING AMPLIFIER HAVING IMPROVED EFFICIENCY, TERMINAL FOR MOBILE COMMUNICATION USING THE SAME, AND METHOD FOR IMPROVING GAIN RELATING THERETO}
본 발명은 기존의 이동 통신 단말기에 사용되는 고출력 증폭기의 효율을 개선시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 직류-직류 변환기에 의해 직류 공급 전압이 변할 경우 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로 및 이를 이용한 이동통신 단말기 그리고 그에 관련된 효율 개선 방법에 관한 것이다.
이동통신에서 사용되는 RF 전력 증폭기는 변조의 정확성과 주파수 재생을 제한하기 위해 높은 선형성을 요구한다. 비선형성으로 인해 발생하는 왜곡 현상을 최소화하기 위해 전력증폭기는 A급 혹은 AB급으로 동작된다. 전력 증폭기가 A급 또는 AB급으로 동작될 때 최대전력보다 낮은 전력이 출력되면 효율도 같이 감소한다.
그런데, CDMA 혹은 다른 전송방식에서 기지국과 단말기 사이의 가변적인 거리, 다중경로와 셰도우 페이딩 등에 적응하기 위해 단말기의 출력 전력은 변화하게 된다. 그리고 무선 통신 시스템에서 배터리의 수명과 간섭 효과를 제한하기 위해 능동 궤환 제어(active feedback control)를 이용하여 단말기의 RF출력을 제어한다. 이 경우 단말기의 출력전력의 확률분포가 최근 도 1과 같이 발표되었는데 최대출력이 1W 정도인 경우 실제 1mW근처에서 출력되고, 최대출력이 출력되는 경우는 극소수의 시간인 것으로 나타났다. 이 때 효율은 A급인 경우는 출력의 감소와 함께 같이 감소하기 때문에 0.1%로 감소하고, AB급인 경우는 제곱근에 반비례하기 때문에 2%로 감소한다.
이러한 배터리의 비효율성을 극복하기 위한 고효율 파워 증폭기에 관한 것으로, Gary Hanington 등의 논문 "High-Efficiency Power Amplifier Using Dynamic Power-Supply Voltage for CDMA Applications" (IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 8, AUGUST 1999, pp. 1471-1476) 가 있다. 상기 논문에 개시되어 있는 파워 증폭기는, 단말기에서 저전력이 출력되면 상기 논문의 도 2와 같이 직류 바이어스 값을 변화시키므로 동작점을 좌측으로 이동시킨다. 이것은 상기 논문의 도 3과 같이, 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급전압을 줄이므로 가능하게 된다. 단말기의 출력전력이 감소하면 이와 같이 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 증폭기의 효율성이 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 이러한 증폭기를 포락선 추적 증폭기(envelope tracking amplifier)라 한다.
그러나 이와 같이 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급전압을 변화시키면, 전체적인 효율관점에서 기존의 방식보다는 진전이 있지만, 동작점의 변화와 단말기의 전력 레벨의 변화로 인하여 전력증폭기의 입출력단의 임피이던스가 변하게 된다. 이러한 입출력단의 임피이던스 변화는 전력증폭기의 부정합을 일으켜효율을 감소시키게 하는 문제점을 안고 있다. 이러한 전력 증폭기의 효율 감소는 결과적으로 각각의 동작점에서 정합시켰을 때보다는 효율의 감소를 가져온다. 더구나, 변화하는 임피던스 전압으로 인한 부정합은 증폭기의 반사계수를 높여서 증폭기의 불안정성을 증가시킨다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 전력 증폭기의 전력 레벨과 동작점의 변화로 발생하는 임피던스의 변화를 보정해줄 회로를 구성하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 대한민국 특허출원 제 2000-7665 호 및 동 제 2000-24461 호와 관련되며, 상기 출원 내용은 본 명세서에 참조된다. 다만, 전자는 국내우선권 주장이 되었으며, 후자는 본 출원에 대한 공지된 선행기술은 아니다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 임피이던스 보정회로로서 비선형 반도체 소자인 초고주파 가변인덕턴스 소자 및 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너를 이용한다. 전력 증폭기의 RF신호에서 검출된 직류신호가 초고주파 가변인덕턴스 소자 또는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너에 인가되면 인덕턴스 또는 임피던스가 생기게 된다. 전력 증폭기의 신호 레벨이 변하면 인덕턴스 또는 임피던스도 같이 변하게 된다. 이렇게 변화된 인덕턴스 또는 임피던스는, RF전력 레벨의 변화 및/또는 트랜지스터의 바이어스 동작점의 변화로 발생된 임피이던스의 변화를 보정하게 된다. 결과적으로 비선형 반도체 소자를 이용해 이동통신 단말기의 전력 증폭기의 효율을 개선시키게 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 추가의 목적이나 효과는, 첨부한 도면을 참고하여 기술한 이하의발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 제 1 종래의 이동 통신 단말기의 출력 전력레벨의 실제 확률 분포를 나타낸다.
도 2는 제 2 종래의 RF증폭기의 직류바이어스 변화에 따른 동작점 변화를 나타낸다.
도 3은 제 2 종래의 이동 통신 단말기의 효율개선을 위한 직류-직류 변환기를 갖는 포락선 추적 증폭기 회로도이다.
도 4a는 가변인덕터를 사용하는 본 발명의 일 실시예에 관한 직류-직류 변환기에 의해 직류 공급 전압이 변할 경우 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로이다.
도 4b는 도 4a에서 가변인덕터 대신 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너를 사용하는 도 4a에 대응하는 회로이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 관한 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로의 입력측 임피던스 보정회로의 일 예를 나타낸다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 관한 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로의 출력측 임피던스 보정회로의 일 예를 나타낸다.
도 5c 및 도 5d는 각각 도 5a 및 도 5b의 변형예이다.
도 6a 내지 6d는 초고주파용 가변인덕턴스 소자에 임피던스 소자가 연결되어 있는 또다른 실시예들로서, 도 6b는 다수개의 상기 소자가 병렬로 접속되어 있는 변형예이고, 도 6c는 다수개의 상기 소자가 직렬로 접속되어 있는 변형예이고, 도 6d는 도 6a의 상기 가변인덕턴스 소자에 임피던스 소자들이 직렬 및 병렬로 접속되어 있는 변형예를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 여전히 또다른 실시예에 관한 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로의 입력측 임피던스 보정회로의 일 예를 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 여전히 또다른 실시예에 관한 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로의 출력측 임피던스 보정회로의 일 예를 나타낸다.
도 7c 및 도 7d는 각각 도 7a 및 도 7b의 변형예이다.
도 8 (a) 및 (b)는 각각, 저전력 및 고전력일 경우의 방향성 결합기에서 추출된 신호의 파형을 나타낸다.
도 9 (a) 및 (b)는 각각, 도 8 (a) 및 (b)의 경우의 소신호 및 대신호일 경우의 MESFET의 드레인에 공급되는 동적 직류 바이어스 전압 파형을 나타낸다.
도 10은 도 8 (a) 및 (b)의 경우의 소신호 및 대신호일 경우의 스미스 챠트에서의 임피던스 변화를 나타낸다.
도 11은 도 8 (a) 및 (b)의 경우의 소신호 및 대신호일 경우의 포락선 검출기의 검출신호를 나타낸다.
도 12a 및 12b는 각각, 도 8 (a) 및 (b)의 경우의 소신호 및 대신호일 경우의 직류증폭기의 출력신호의 파형의 일 예들을 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : Vdd 전압 공급부 2 : 직류-직류 변환기
3 : 전압 공급원 4 : 방향성 결합기
5 : 포락선 검출기 6 : Vgg 전압 공급부
7 : RF 신호 입력단 8 : 안테나
10 : 전력 증폭부
11 : 입력 정합 회로 12 : 출력 정합 회로
13 : MESFET
14 : 방향성 결합기 15 : 포락선 검출기
21 : 입력 정합 회로 22 : 출력 정합 회로
23 : 능동 소자
24, 27 : 직류 증폭기 25, 28, 25', 28' : λ/4 전송선로
26, 29 : 초고주파 가변인덕턴스 소자
26', 29' : 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너
100, 100', 100", 100"a : 입력측 임피던스 보정회로
200, 200', 200", 200"a : 출력측 임피던스 보정회로
L1, L2 : AC 차단 인덕터 C1, C2 : 바이패스용 캐패시터
C3-C6 : DC 차단 캐패시터
즉, 이상의 본 발명의 일 측면인 포락선 추적 증폭기의 일 실시예에 의하면, 변화하는 RF 입력 신호에 의해 동적 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류-직류 변환기를 포함하는 직류 바이어스 전압 공급부(1)를 포함함으로써, 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 포락선 추적 증폭기에 있어서, 상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 수단(4; 14); 상기 RF 신호 추출 수단(4, 14)에 의해 추출된 신호로부터 포락선 신호를 검출하는 검출기(5; 15); 및 각각이 상기 검출기의 출력 신호에 결합되어 있는 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26 또는 29)를 포함하며, 상기 능동소자(23)의 입력측이나 출력측 또는 입출력측에 접속되는 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100 또는 200; 100' 또는 200'; 100" 또는 200"; 100"a 또는 200"a); 를 포함하며, 상기 RF 신호의 신호레벨이나 상기 증폭기의 동작점 또는 양자가 모두 바뀌는 경우에도, 상기 능동소자가 상기 임피던스 보정회로에 의해 보정된 입력 또는 출력 임피던스를 받아 입력정합이나 출력정합 또는 입출력정합이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26 또는 29)는 적어도 하나의 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너(26' 또는 29')로 대체될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 검출기는, 상기 검출기(5; 15)의 신호를 조절하는 직류조절기(24 또는 27)에 접속되는 것이 좋다.
또한 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100 또는 200)의 각각은, 상기 직류조절기(24; 27)의 출력단에 일측이 접속된 λ/4 전송선로(25; 28)을 더 포함하며, 상기 λ/4 전송선로의 타측에는 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26; 29)가 접속됨과 동시에, 상기 접속점은 다시 상기 능동소자의 게이트(베이스)측이나 드레인(콜렉터)측에 병렬접속되거나,
상기 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100' 또는 200')의 각각은, 상기 직류조절기(24; 27)의 출력단에 일측이 접속된 λ/4 전송선로(25; 28)를 더 포함하며, 상기 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26; 29)가 접속되며, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자의 타측은 상기 능동소자의 게이트(베이스)측이나 드레인(콜렉터)측에 병렬접속되거나,
상기 입력측에 접속되는 임피던스 보정회로(100" 또는 100"a)는, 상기 직류조절기(24)의 출력단에 일측이 접속된 제1 λ/4 전송선로(25)를 더 포함하며, 상기 제1 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26)가 접속되며, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자는 상기 RF 입력측과 상기 능동소자의 게이트(베이스)측 간에 삽입되며, 상기 출력측에 접속되는 임피던스 보정회로(200" 또는 200"a)는, 상기 직류조절기(27)의 출력단에 일측이 접속된 제1 λ/4 전송선로(28)를 더 포함하며, 상기 제1 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 출력측 초고주파 가변인덕턴스 소자(29)가 접속되며, 상기 출력측 초고주파 가변인덕턴스 소자는 상기 RF 출력측과 상기 능동소자의 드레인(콜렉터)측 간에 삽입되는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 직류조절기(24; 27)의 출력단과 상기 λ/4 전송선로(25; 28)의 접점에는 일측이 접지된 바이패스용 캐패시터(C1; C2)가 접속되거나, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자의 애노드에는, 일측이 접지된 인덕터(L11; L12)가 접속된다.
또한 바람직하게는, 상기 λ/4 전송선로(25, 25'; 28, 28')의 적어도 하나는 쵸크 코일이다.
또한 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26; 29)에는, 적어도 하나의 임피던스 소자를 포함하는 임피던스부(Z)가 직렬이나 병렬 또는 직병렬로 삽입된다.
본 발명의 다른 측면인 이동 통신 단말기에 의하면, 이상의 포락선 추적 증폭기를 이용하여 효율개선을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 측면인 포락선 추적 증폭기의 효율 개선 방법에 의하면, 변화하는 RF 입력 신호에 의해 동적 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류-직류 변환기를 포함하는 직류 바이어스 전압 공급부(1)를 포함함으로써, 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 포락선 추적 증폭기의 효율 개선 방법에 있어서, 상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 단계; 상기 추출된 신호(PD)로부터 검출 신호를 검출하는 단계; 및 상기 조절된 신호(PC, PC')를 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26 또는29) 또는 적어도 하나의 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너(26' 또는 29')에 인가하여 상기 능동소자(23)의 입력이나 출력 또는 입출력 임피던스를 보정하는 단계; 를 포함함으로써, 상기 RF 입력신호의 신호레벨이나 상기 증폭기의 동작점 또는 양자가 모두 바뀌는 경우에도, 상기 능동소자가 상기 보정된 입력이나 출력 또는 입출력 임피던스에 의해, 입력정합이나 출력정합 또는 입출력정합이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 관련된 DC-DC 변환기(1)에 의해 가변 바이어스 직류 전압을 공급받는 포락선 추적 증폭기를 갖는 회로를 도 3을 참조하여 설명한다.
RF 입력이 RF 신호 입력단(7)으로부터 입력되어 전력 증폭부(10)에 의해 증폭된 후, 증폭된 RF 출력이 안테나(8)를 통해 출력된다.
한편, 상기 전력 증폭부(10)는, MESFET(13)을 포함하며, 단자 P1을 통해 RF 입력단에, 단자 P2를 통해 안테나와 접속되는 바, 다시 상기 단자 P1은 입력 정합 회로(11)에, 상기 단자 P4와 상기 안테나에 접속된다.
입력 정합 회로(11)는 상기 MESFET(13)의 게이트에, 출력 정합 회로(12)는 상기 MESFET(13)의 드레인 측에 접속되는 바, 상기 MESFET(13)의 게이트 및 드레인은 동시에 단자 P3을 통해 Vgg 바이어스 전압을 공급하는 Vgg 전압 공급부(6) 및 단자 P2를 통해 Vdd 바이어스 전압을 공급하는 Vdd 전압 공급부(1)에 각각 접속된다.
상기 Vgg 전압 공급부(6) 및 Vdd 전압 공급부(1)와 단자 P3 및 P2 간에는,각각 AC 차단 인덕터(L1, L2)가 삽입되는 것이 바람직하다.
한편, RF 신호 입력단(7)과 단자 P1 간에는 방향성 결합기(4)가 삽입되어 RF 입력 신호를 검출하며, 검출된 입력 신호는 포락선 검출기(5)에 의해 포락선을 검출하게 된다.
검출된 포락선 신호(PD)의 크기에 종속적인 Vdd 직류 전류가 MESFET(13)의 드레인 측에 바이어스 전압으로서 입력된다.
상기 가변 Vdd 전압의 공급부(1)는 직류-직류 변환기(2), 그에 대한 전압 공급원(3), 증폭기, 및 도 3 에 도시된 바와 같은 다수의 저항과 캐패시터 소자들을 포함한다.
따라서, 단말기의 출력전력이 감소하면, 도 2 에서와 같이, 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 동작점이 좌측으로 이동되며, 역으로 단말기의 출력전력이 증가하면 동작점이 우측으로 이동하여 단말기의 효율을 향상시키게 된다.
다만, 이상의 도 3의 포락선 증폭기 회로에서는, DC 바이어스 전압 및 전류의 변화에 따라 능동소자(10)의 입출력 임피던스 역시 변하게 되는 바, 본 발명에 관한 능동소자의 임피던스 변화에 따른 정합회로를 갖는 포락선 증폭기 회로의 일 실시예에서는, 도 3 의 전력증폭부(10)가 도 4 의 회로로 대체된다.
도 4a는, 본 발명에 관한 일 실시예인 초고주파 가변인덕턴스 소자(26, 29)를 이용해 능동소자의 임피이던스에 정합이 되도록 보정한 회로도이며, 도 4b는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너(26', 29')를 이용해 능동소자의 임피이던스 정합이 되도록 보정한 회로도이다. 도 3에서의 전력 증폭부(10)의 해당 접속 단자 P1, P2, P3 및 P4 는 도 4a 및 도 4b 에서도 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 4b의 임피던스튜너를 직접회로로 구현하는 기술에 대해서는, "Chiao" 등의 논문 "MEMS Reconfigurable Vee Antenna" ('IEEE MTT Syposium 1999', pp. 1515-1518)에 소개되어 있으며, 액츄에이터가 동반되는 경우 전압에 따라 임피던스가 가변되어 임피던스 정합을 이루는 것이 가능하게 된다. 가변 인덕터 역시 최근의 MEMS (Micro Electro-Mechanical System : 극소 전자기계공학 시스템) 기술에 의해 당업자라면 용이하게 구현할 수 있을 것이다. 예를들면, 세개의 인덕터 L1, L2 및 L3에 각각 직렬로 스위치 SW1, SW2 및 SW3을 접속하고 (이때 상기 스위치들의 일단은 각각의 인턱터의 일측에 접속되고 타단은 상호 접속되며, 상기 인덕터들의 타단은 접지됨) 상기 스위치의 동작전압을 다르게 잡아주어 전압을 인가하면, 전체 인덕터는 L1, L2 및 L3 혹은 각각의 병렬이나 그 조합 형태로 되어서 동작 전압에 따라 다른 인덕터가 되어서, 결국 전체적으로 전압에 따라 인덕턴스가 변하는 가변 인덕터가 구현되는 것과 같다.
실시예에서는, 편의상 도 4a의 회로도를 참조하여 설명하며, 도 4a 의 회로도의 바이어스 전압은 앞서 설명한 직류-직류 변환기에 의해 전력증폭기의 전력 레벨에 따라 변화하도록 설계되어 졌다.
여기서 전력 증폭부의 입력단(P1)에 방향성 결합기(Directional coupler: 14)를 사용해 미약한 RF신호를 받는다.
이 신호(PD)가 검출기(Detector: 15)에 가면 그 크기에 비례하여 직류신호(PDE)로 바뀐다. 이 신호는 직류증폭기(24, 27)와 같은 직류조절기를 거쳐서 필요한 크기의 직류 신호로 바뀌게 된다. 이때 상기 직류증폭기는 연산증폭기나 기타 능동소자로 설계가능하다. 다만, 본 발명에서 상기 직류조절기는 반드시 증폭기에 한하지 않으며 경우에 따라서는 진폭의 크기를 낮추어서 적당한 크기로 조절하는 것도 가능하다.
먼저, 직류 증폭기 24 의 출력단(C)은 입력측 임피던스 보정회로(100)와 접속됨과 동시에, 다른 두 접속단자(A, B)를 통해 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21) 사이에 삽입되는 바, 바람직하게는 상기 입력측 임피던스 보정회로(100)는 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21)와 DC차단 캐패시터(C3, C4)를 통해 접속된다.
마찬가지로, 직류 증폭기 27 의 출력단(C)은 출력측 임피던스 보정회로(200)와 접속됨과 동시에, 다른 두 접속단자(A, B)를 통해 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4) 사이에 삽입되는 바, 바람직하게는 상기 출력측 임피던스 보정회로(200)는 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4)과 DC차단 캐패시터(C5, C6)를 통해 접속된다.
이를 더 상술하면, 직류증폭기 24 의 출력은 λ/4 전송선로(25)를 통하여 가변인덕터(26)에 인가되는 바, λ/4 전송선로(25)와 가변인덕터(26)의 접속점(A 또는 B)은 동시에 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21)의 접속점에 접속된다.
직류증폭기 27 의 출력은 λ/4 전송선로(28)를 통하여 가변인덕터(29)에 인가되는 바, λ/4 전송선로(28)와 가변인덕터(29)의 접속점(A 또는 B)은 동시에 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4)에 각각 접속된다.
이 경우 λ/4 전송선로의 끝부분에 바이패스용 캐패시터(C1, C2)를 달아주어, 가변인덕터의 바이어스선에 걸리는 RF신호의 흐름을 차단한다. 더구나, 상기 바이패스 캐패시터(C1, C2)는 정합회로의 일부로도 이용될 수 있다. 상기 바이패스용 캐패시터(C1, C2) 및 가변인덕터(26, 29)의 타측 단자는 접지된다.
상기 λ/4 전송선로는 쵸크 코일을 사용하여도 같은 작용을 한다.
본 실시예에서는, 도 3 의 방향성 결합기(4) 및 검출기(5)와 별도의 방향성 결합기(14) 및 검출기(15)를 사용하였지만, 상기 직류증폭기(24, 27)의 입력측(P5)이 도 3 의 검출기(5)에 접속되어도 좋으며, 더구나 도 3 의 Vdd 전압 공급부(1)의 Vdd 바이어스 출력전압이 상기 직류증폭기(24, 27)의 입력으로 되는 것도 가능하다.
도 5a 및 도 5b 에는 본 발명의 다른 실시예에 관한 입출력측 임피던스 보정회로(100', 200')가 각각 도시되어 있다.
도 5a에서 보듯이, 상기 직류 증폭기 24 의 출력단(C)이 λ/4 전송선로(25)를 통하여 가변인덕터(26)에 인가되는 바, 가변인덕터(26)의 애노드가 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21)의 접속점(A 또는 B)에 접속된다.
역시 바람직하게는, 상기 입력측 임피던스 보정회로(100')는 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21)와 DC차단 캐패시터(C5, C6)를 통해 접속된다.
유사하게, 도 5b에서 보듯이, 마찬가지로 직류증폭기 27 의 출력은 λ/4 전송선로(28)를 통하여 가변인덕터(29)에 인가되는 바, 가변인덕터(29)의 애노드(A 또는 B)가 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4)의 접속점에 각각 접속된다.
이 경우 가변인덕터(26, 29)의 애노드에 인덕터(L11, L12)를 달아준다. 상기 인덕터(L11, L12)의 다른 쪽은 접지된다.
역시 상기 λ/4 전송선로는 쵸크 코일을 사용하여도 같은 작용을 한다.
역시 바람직하게는 상기 출력측 임피던스 보정회로(200')는 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4)과 DC차단 캐패시터(C5, C6)를 통해 접속된다.
아울러, 도 5c 및 도 5d에서 보듯이, 상기 가변인덕터(26, 29)의 애노드측(B)에, 일측이 접지된 또다른 제2 λ/4 전송선로(25')가, 상기 인덕터(L11, L12)와 병렬로 또는 상기 인덕터(L11, L12)를 대신하여, 접속될 수도 있다.
물론, 상기 도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있는 상기 실시예들의 임피던스 보정회로(100'; 200')의 경우, 상기 직류증폭기(24; 27)의 출력단과 상기 제1 λ/4 전송선로(25; 28)의 접점에는, 일측이 접지된 바이패스용 캐패시터(C1; C2)가 접속되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 도 4, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 방식은 가변인덕터(26, 29)가 능동소자(23)와 병렬로 접속되는 방식인 바, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 가변인덕터(26, 29)의 캐소드측에 임피던스 소자(Z)를 삽입하는 것도 가능하다.
그리고, 이때 상기 추가되는 임피던스 소자(Z)는 캐패시턴스 소자이거나 인덕터 소자이거나 또는 이들 중의 적어도 하나와 저항 성분과의 결합일 수가 있다.
아울러, 상기 가변인덕터(26, 29)는 도 6b에서 보는 바와 같이 여러 개의 병렬접속된 가변인덕터들의 결합일 수도 있으며, 도 6c에서 보는 바와 같이 여러 개의 직렬접속된 가변인덕터들의 결합일 수도 있으며, 도 6b 및 6c의 직병렬접속된 가변인덕터들의 결합일 수도 있다.
더구나, 도 6d에서 보는 바와 같이, 도 6a의 가변인덕터(26, 29)의 캐소드 측에 직렬로 임피던스 소자를 추가하는 것 외에, 상기 다이오드(26, 29)와 병렬로 임피던스 소자를 추가하여 직병렬로 접속하는 것도 가능하다.
도 7a 및 도 7b 에는 본 발명의 또다른 실시예에 관한 입출력측 임피던스 보정회로(100", 200")가 각각 도시되어 있다.
도 7a에서 보듯이, 상기 직류 증폭기 24 의 출력단(C)이 λ/4 전송선로(25)를 통하여 반도체 소자인 가변인덕터(26)에 인가되는 바, 제1 λ/4 전송선로(25)와 가변인덕터(26)의 접속점(A)이 방향성 결합기(14)에 접속되며, 상기 가변인덕터(26)의 애노드측(B)이 입력 정합회로(21)에 접속됨과 동시에 또다른 제2 λ/4 전송선로(25')에 접속된다.
역시 바람직하게는 상기 입력측 임피던스 보정회로(100')는 방향성 결합기(14) 및 입력 정합회로(21)와 DC차단 캐패시터(C5, C6)를 통해 접속된다.
유사하게, 도 7b에서 보듯이, 상기 직류 증폭기 27 의 출력단(C)이 λ/4 전송선로(28)를 통하여 반도체 소자인 가변인덕터(29)에 인가되는 바, 제1 λ/4 전송선로(28)와 가변인덕터(29)의 접속점(A)이 출력 정합회로(22)에 접속되며, 상기 가변인덕터(29)의 애노드측(B)이 RF 출력단(P4)에 접속됨과 동시에 또다른 제2 λ/4 전송선로(28')에 접속된다.
이 경우 제1 λ/4 전송선로(25, 28)의 끝부분에 바이패스용 캐패시터(C1, C2)를 달아주어, 가변인덕터의 바이어스선에 걸리는 RF신호의 흐름을 차단한다. 상기 바이패스용 캐패시터(C1, C2) 및 제2 λ/4 전송선로(25', 28')는 접지된다.
한편, 도 7c 및 도 7d에서 보는 바와 같이, 도 7a 및 도 7b의 경우와는 달리, 제1 λ/4 전송선로(25; 28)와 가변인덕터(26; 29)의 접속점(B)이 입력 정합회로(21) 및 RF 출력단(P4)에 각각 접속되며, 상기 가변인덕터(29)의 애노드측(A)이 RF 입력단(P1) 및 출력 정합회로(22)에 각각 접속됨과 동시에 또다른 제2 λ/4 전송선로(28')에 접속되는 것도 가능하다.
역시 상기 λ/4 전송선로는 쵸크 코일을 사용하여도 같은 작용을 한다. 역시 바람직하게는 상기 출력측 임피던스 보정회로(200')는 출력 정합회로(22) 및 RF 출력단(P4)과 DC차단 캐패시터(C5, C6)를 통해 접속된다.
이상, 본 발명의 동작을 설명한다.
먼저, 종래 기술의 동작을 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하면, 도 3의 포락선 추적 증폭기 회로에서 저전력이 출력되면, 방향성 결합기(4)에서 추출된 파형은 도 8(a)에서와 같은 소신호가 된다.
이 신호가 검출기(5)에 인가되면 미약한 DC 전압이 나오게 되고, 결과적으로 도 9(a)에서와 같은 낮은 바이어스 전압(Vdd1)이 MESFET(13)의 드레인에 인가된다.반대로 고전력이 출력되면, 도 8(b)에서와 같은 대신호가 방향성 결합기에서 추출되고, 도 9(b)에서와 같은 높은 DC 바이어스 전압(Vdd2)이 MESFET(13)의 드레인에 인가된다 (이때, Vdd2Vdd1).
즉, 도 8(a) 및 도 9(a)에서와 같은 경우, 능동소자(23)의 스미스 챠트의 임피던스가 도 10에서 점 "A"라면, 도 8(b) 및 도 8(b)에서와 같은 경우, 임피던스는 도 10에서의 점 "B"로 이동하게 된다. 이와 같이 임피던스가 바이어스 점과 전력레벨의 변화에 의해 바뀌게 되면 "A"점에 정합이 되어 있던 회로가 "B"에 있게 되면 부정합이 발생되어 효율저하와 시스템의 불안정성을 야기시킨다. 반대로, 정합회로를 "B"점에 맞추면, "A"점에 있을 때 (즉, 낮은 전력일 경우), 부정합이 발생하여 마찬가지로 효율저하와 시스템의 불안정성을 증가시킨다.
본 발명에서는 Q점(동작점)의 변화와 전력레벨의 변화에 대해 임피던스가 변화하면 전력이 높아졌을 때와 낮아졌을 때의 각각 검출기에서 나오는 DC 신호가 차이가 생기게 되는 바, 따라서 도 4 의 포락선 검출기(15)로부터 나오는 신호값(PDE)은 도 11에서와 같다.
즉, 포락선 검출기(15)의 신호가 소신호일 때(도 8(a) 참조), 검출기로부터의 직류전압(PDE)은 PDEa이고, 포락선 검출기(15)의 신호가 대신호일 때(도 8(b) 참조), 검출기로부터의 전압(PDE)은 PDEb가 된다. 따라서, 이상의 검출기로부터의 전압(PDE)이 PDEa로부터 PDEb로 변함에 따라, 직류증폭기(24, 27)의 출력이 도 12a에서의 PCa로부터 PCb로 변하게 되며, 결과적으로 입출력 임피던스를 보정하게 된다.
여기서, 도 12a의 경우에는 신호 PC를 임피던스 보정을 위해 직류증폭기를 거치는 동안 비례관계를 만들어 주었고, 도 12b의 경우에는 반비례 관계를 만들어 주었다. 그러나 비례관계와 반비례관계 중 어느 것으로 할 것인가의 선택은 임피던스 보정 방식에 의해 결정될 수 있으며, PCa와 PCb의 크기는 직류증폭기 내에서 조정이 가능하다. 그 크기 또한 임피던스 보정에 의해 결정이 가능하다. 또한, LC회로를 가변인덕터에 부가함으로써, 전 스미스 챠트의 보정이 가능함은, 본 분야의 통상의 전문가에게는 용이하게 이해될 것이다.
결국, 본 발명에 의하면, 초고주파 가변인덕턴스 소자는 변화하는 직류전압에 의해 변형된 인덕턴스로 나타나므로, 입력측과 출력측에 변화되는 임피이던스를 제공하여, 전체 임피던스를 보정하게 되며, 입출력 정합을 가능하게 한다.
본 명세서에서는, 능동소자로서 FET를 예로들어 설명하였으나, 상기 능동소자는 바이폴라 트랜지스터의 경우에도 그대로 적용될 수 있으며, 이 경우에 Vdd 는 콜렉터 바이어스 전압을, Vgg 는 베이스 바이어스 전압을 나타내게 된다.
또한, RF 입력은 RF 출력과 대응관계에 있기 때문에, RF 입력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하는 대신, RF 출력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하더라도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있으며, RF 신호를 추출할 때에 방향성 결합기 대신 파워 디바이더와 같은 다른 소자를 사용하여 RF 신호를 추출할 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게는 당연한 것으로 여겨질 것이다.
이상 본 발명을 첨부도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 종래의 포락선 추적 증폭기 회로를 사용한 이동통신 단말기에서는, 실제 이동통신 단말기의 직류-직류 변환기의 변화하는 공급전압으로 인해 발생하는 전력 증폭기의 입출력단의 부정합으로 말미암아 단말기 전체효율에 나쁜 영향을 미치게 되었으나, 본 발명의 경우에는, 간단한 구성을 추가함에 의해, 초고주파 가변인덕턴스 소자 또는 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너를 이용한 임피이던스 정합 효과로 인하여 전체적인 효율이 증가하게 되어 배터리의 사용 시간이 2배 가량 연장되는 효과를 갖게 됨과 동시에, 임피던스 정합으로 인하여 반사계수가 좋아져 증폭기가 안정하게 된다는 장점이 있게 되는 것이다.

Claims (8)

  1. 변화하는 RF 입력 신호에 의해 동적 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류-직류 변환기를 포함하는 직류 바이어스 전압 공급부(1)를 포함함으로써, 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 포락선 추적 증폭기에 있어서,
    상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 수단(4; 14);
    상기 RF 신호 추출 수단(4, 14)에 의해 추출된 신호로부터 포락선 신호를 검출하는 검출기(5; 15); 및
    각각이 상기 검출기의 출력 신호에 결합되어 있는 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26 또는 29)를 포함하며, 상기 능동소자(23)의 입력측이나 출력측 또는 입출력측에 접속되는 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100 또는 200; 100' 또는 200'; 100" 또는 200"; 100"a 또는 200"a);
    를 포함하며,
    상기 RF 신호의 신호레벨이나 상기 증폭기의 동작점 또는 양자가 모두 바뀌는 경우에도, 상기 능동소자가 상기 임피던스 보정회로에 의해 보정된 입력 또는 출력 임피던스를 받아 입력정합이나 출력정합 또는 입출력정합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기(5; 15)의 신호를 조절하는 직류조절기(24 또는 27)를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100 또는 200)의 각각은, 상기 직류조절기(24; 27)의 출력단에 일측이 접속된 λ/4 전송선로(25; 28)를 더 포함하며, 상기 λ/4 전송선로의 타측에는 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26; 29)가 접속됨과 동시에, 상기 λ/4 전송선로(25; 28)와 상기 가변인덕턴스 소자(26; 29)의 접속점은 다시 상기 능동소자의 게이트(베이스)측이나 드레인(콜렉터)측에 병렬접속되는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기(5; 15)의 신호를 조절하는 직류조절기(24 또는 27)를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100' 또는 200')의 각각은, 상기 직류조절기(24; 27)의 출력단에 일측이 접속된 제1 λ/4 전송선로(25; 28)를 더 포함하며, 상기 제1 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26; 29)가 접속되며, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자의 타측은 상기 능동소자의 게이트(베이스)측이나 드레인(콜렉터)측에 병렬접속되는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기(5)의 신호를 조절하는 직류조절기(24)를 더 포함하며,
    상기 입력측에 접속되는 임피던스 보정회로(100" 또는 100"a)는, 상기 직류조절기(24)의 출력단에 일측이 접속된 제1 λ/4 전송선로(25)를 더 포함하며, 상기 제1 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26)가 접속되며, 상기 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자는 상기 RF 입력측과 상기 능동소자의 게이트(베이스)측 간에 삽입되는 것을 것을 특징으로 하는 포락선 추적 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기(15)의 신호를 조절하는 직류조절기(27)를 더 포함하며,
    상기 출력측에 접속되는 임피던스 보정회로(200" 또는 200"a)는, 상기 직류조절기(27)의 출력단에 일측이 접속된 제1 λ/4 전송선로(28)를 더 포함하며, 상기 제1 λ/4 전송선로의 타측에는, 상기 출력측 초고주파 가변인덕턴스 소자(29)가 접속되며, 상기 출력측 초고주파 가변인덕턴스 소자는 상기 RF 출력측과 상기 능동소자의 드레인(콜렉터)측 간에 삽입되는 것을 것을 특징으로 하는 포락선 추적 증폭기.
  6. 변화하는 RF 입력 신호에 의해 동적 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류-직류 변환기를 포함하는 직류 바이어스 전압 공급부(1)를 포함함으로써, 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 포락선 추적 증폭기에 있어서,
    상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 수단(4; 14);
    상기 RF 신호 추출 수단(4, 14)에 의해 추출된 신호로부터 포락선 신호를 검출하는 검출기(5; 15); 및
    각각이 상기 검출기의 출력 신호에 결합되어 있는 적어도 하나의 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너(26' 또는 29')를 포함하며, 상기 능동소자(23)의 입력측이나 출력측 또는 입출력측에 접속되는 적어도 하나의 임피던스 보정회로(100 또는200);
    를 포함하며,
    상기 RF 신호의 신호레벨이나 상기 증폭기의 동작점 또는 양자가 모두 바뀌는 경우에도, 상기 능동소자가 상기 임피던스 보정회로에 의해 보정된 입력 또는 출력 임피던스를 받아 입력정합이나 출력정합 또는 입출력정합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개선된 효율을 갖는 포락선 추적 증폭기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에서의 상기 포락선 추적 증폭기를 이용하여 효율개선을 행하는 이동 통신 단말기.
  8. 변화하는 RF 입력 신호에 의해 동적 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류-직류 변환기를 포함하는 직류 바이어스 전압 공급부(1)를 포함함으로써, 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 포락선 추적 증폭기의 효율 개선 방법에 있어서,
    상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 단계;
    상기 추출된 신호(PD)로부터 검출 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 신호를 적어도 하나의 초고주파 가변인덕턴스 소자(26 또는 29) 또는 적어도 하나의 액츄에이터를 동반한 임피던스튜너(26' 또는 29')에 인가하여 상기 능동소자(23)의 입력이나 출력 또는 입출력 임피던스를 보정하는 단계;
    를 포함함으로써, 상기 RF 입력신호의 신호레벨이나 상기 증폭기의 동작점 또는 양자가 모두 바뀌는 경우에도, 상기 능동소자가 상기 보정된 입력이나 출력 또는 입출력 임피던스에 의해, 입력정합이나 출력정합 또는 입출력정합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 증폭기의 효율 개선 방법.
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