KR100406872B1 - 전력 증폭기의 혼변조 성능 개선을 위해 다이오드 믹서를이용한 포스트디스토션 선형화기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 포스트디스토션 선형 전력증폭기의 실시예는, 두개의 반송파를 입력하며 RF 전력 증폭기를 포함한 주경로와 반송파를 제거해 혼변조 성분만 가지는 포스트디스토터(postdistortor)의 보조경로 나누어져, 상기 포스트디스토터에 의해 처리된 신호를 RF 전력 증폭기에서 생성된 혼변조 신호와 결합 제거하여 순수한 반송파만 증폭시켜 출력하는 RF 전력증폭기를 구비하여 이루어진다.

이때 포스트디스토터는 RF 전력증폭기와 병렬로 정렬하여 후단에서 결합되어 RF 전력증폭기를 선형화하기 위한 선형화기이며, 상기 입력된 두개의 반송파를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기, 선형경로에서 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 가변 위상변환기, 상기 가변 위상변환기의 출력신호를 입력하여 비선형경로와 발생하는 주 신호 제거를 위한 크기차를 조절하는 가변 감쇄기, 비선형경로에서는 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하고 믹서에서 발생하는 혼변조신호 생성을 조절하는 고정 감쇄기, 혼변조 발생하는 믹서, 선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로로 이루어져 제 2 90°하이브리드 결합기를 통해 나오는 출력을 혼변조 성분만 포함하도록 이루어져, 이후 혼변조 신호 성분의 크기를 조절하기 위한 가변 감쇄기, RF 전력 증폭기의 혼변조 신호를 제거하기 위해 보상되는 Error Amp로 이루어진다.

본 발명은 IMT-2000 위성통신기지국, IMT-2000 중계기, PCS 이동통신기지국, PCS 중계기, GSM 이동통신기지국, GSM 중계기, 지상 마이크로파 무선 시스템, Cellular폰용 이동통신기지국 및 Cellular폰용 중계기를 포함하는 무선 통신 시스템의 채널 용량을 증대시키기 위해 사용될 수 있다.

Description

전력 증폭기의 혼변조 성능 개선을 위해 다이오드 믹서를 이용한 포스트디스토션 선형화기 {A postdistortion linearizer using diode mixer for improving intermodulation distortion of power amplifier}

본 발명은 RF 전력 증폭기의 신호 증폭 시 발생하는 상호 혼변조 왜곡(IMD: Inter-Modulation Distortion) 성분의 제거를 위해 RF 전력 증폭기와 반대되는 특성을 갖는 혼변조 성분을 다이오드 믹서를 이용하여 개선하는 포스트디스토션 선형화 기술에 관한 것이다.

일반적으로 이동통신과 위성통신에 있어 필수적인 RF 고출력 증폭기(HighPower Amplifier)는 비선형(Nonlinear)특성을 가지며 최대 출력을 발생시키기 위하여 포화영역(Saturation region)에서 동작하게 된다. 상기와 같은 경우, RF 고출력 증폭기가 포화영역 부근에서 동작시, 다중 반송파(Multi-carrier)가 전력증폭기로 입력될 때 비선형 특성으로 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 이들 다중 반송파가 상호 혼변조 왜곡성분(Inter-modulation Distortion: IMD)을 발생시키게 되므로, 증폭기의 성능은 크게 저하된다. 이러한 상호 혼변조 왜곡성분들을 기존의 필터를 이용해서 제거하는 것은 매우 힘들며, 통화 품질에도 커다란 영향을 미치는 시스템 전체의 잡음원으로 작용한다.

이러한 혼변조 성분을 줄이기 위한 대표적인 방법으로 피드포워드(Feedforward)방법, 프리디스토션(Predistortion)과 피드백(Feedback) 방법을 이용한 선형화 기술이 널리 사용된다. 본 발명은 혼변조 성분을 개선을 위해 포스트디스토션의 지연선로로 인한 전력 손실의 문제를 개선하기 위한 목적으로 한다.

도 1은 포스트디스토션 시스템 구성도이고, 도 2는 도 1의 각 구간에서 나타나는 특성을 그래프로 표현한 것이다. 포스트디스토션 시스템의 이론적인 동작은 다음과 같다.

경로 A-B, A-C:

입력 RF신호는 전력 분배기를 통해 같은 크기와 위상으로 주 경로와 보조 경로 나누어진다.

경로 B-B':

RF 전력 증폭기는 비선형(Nonlinear)특성을 갖는 포화영역에서 동작되어 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생한다. 도 2b는 RF 전력 증폭기의 특성을 나타내는 그래프와 같다.

경로 C-C':

포스트디스토터(postdistorter)는 입력 RF신호에 대하여 포스트디스토션 함수인 β(Vi)가 RF 전력 증폭기에서 생성되는 왜곡성분 F(Vi)정확히 반대되는 특성을 갖도록 만들어 준다. β(Vi)의 그래프는 도 2a와 같다.

경로 B'/C'-D:

RF 전력 증폭기에서 생성되는 왜곡성분 F(Vi)와 반대되는 특성을 갖는 포스트디스토터(postdistorter)의 함수인 β(Vi)가 전력 합성기로 결합될 시 선형적으로 출력신호로 나오게 된다. 결과는 도 2c와 같다.

도 3은 일반적인 포스트디스토션 선형화기의 회로 구성도이고 도 4는 도 3 회로 각 부분에서의 신호 파형도를 나타낸다. 일반적인 포스트디스토션 방식 선형화기의 동작 원리는 다음과 같다.

경로 A-B:

도 3에서 입력단자(RFin)에서 2개의 반송파가 RF 전력 증폭기에 인가되면 포화영역에서의 비선형 특성으로 출력 신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생한다. 이때 지점 A의 신호 파형은 도 2(a)와 같으며 지점 B의 신호 파형은 도 2(b)와 같은 신호이다.

경로 B-C, B-D:

도 3에서 RF 전력 증폭기의 비선형 특성으로 증폭된 반송파와 혼변조 왜곡 성분은 전력 분배기(Power Divider)에 의해 주 경로 (C)와 보조 경로 (D)로 나누어진다. 지점 C와 D의 신호 파형은 도 2(b)와 같은 신호이다.

경로 C-C':

주 경로는 지연선로(delay line)를 사용하여, 보조 경로에서 상호 혼변조 발생기(Inter-Modulation Generator), 가변 위상변환기(Variable Phase shifter), 가변 감쇄기(Variable Atttenuator)와 에러 증폭기에서 발생하는 시간 지연을 보다 정확히 보상하도록 해야한다. 이때 신호 파형은 도 2(b)와 같이 변함이 없다.

경로 D-D':

보조 경로에서 전력 분배기를 통과한 신호는 상호 혼변조 발생기에 의해 혼변조 신호를 생성하려 이를 가변 감쇄기, 위상변환기와 에러 증폭기를 거쳐 주 경로의 혼변조 성분의 진폭과 위상이 180°차이가 나도록 조절하도록 한다. 이때 신호 파형은 도 2(c)와 같다.

경로 C'/D'-E:

주 경로와 보조 경로에서의 신호가 전력 결합기(Power Combiner)에 의해 합쳐지게 되면 주 경로의 혼변조 신호와 보조 경로의 혼변조 신호의 위상이 180°반전되어 출력 신호로 나오는 상호 혼변조 신호가 제거되어 된다. 이때 신호 파형은 도 2(d)와 같다.

이와 같은 종래의 포스트디스토션 방식의 선형화기는 혼변조 성분을 전력 증폭기의 후단에서 선택, 혼변조 발생기와 에러 증폭기를 이용하여 혼변조 성분을 개선하지만 지연 선로의 따른 전력 손실과 효율의 문제를 완전히 제거 할 수 없다. 혼변조 발생기가 DC 전력을 많이 소모하여 선형화기의 전체적인 효율이 떨어진다.

또한 종래에는 지연 시간을 보상하기 위해 사용하는 지연 선로는 혼변조 발생기, 가변 위상변환기, 감쇄기, 에러 증폭기의 시간 지연을 보상하기 위해 길어지며 제거하기 힘든 단점이 있다.

본 발명의 목적은 종래의 포스트디스토션 방식의 선형화기가 갖고 있는 혼변조 성분을 전력 증폭기의 후단에서 선택하는 지연 선로의 따른 전력 손실과 효율의 문제를 개선할 수 있는 포스트디스토션 선형 전력 증폭기를 제공하는 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 포스트디스토션 선형화기를 전력 증폭기와 병렬로 연결하여 주 증폭기의 왜곡 특성을 정확하게 보상하도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 시간 지연을 보상하기 위한 지연 선로를 제거하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 혼변조 발생기를 믹서로 사용할 때 50Ω으로 종단하여 대역폭이 넓은 혼변조 발생기로 설정하여 성능을 광대역에서 개선하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전력 증폭기에서 발생되는 성분과 반대되는 특성을 갖는 선형화기의 왜곡성분을 발생하여 전력 증폭기 후단에서 합성할 때 혼변조신호를 상쇄시켜 증폭기의 반송파 대 혼변조 비(Carrier to Inter-Modulation Ratio; C/I)를 개선시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적과 장점은 하기된 발명의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조하면 보다 명백해질 것이다.

도 1은 포스트디스토션 시스템의 구성도.

도 2는 도 1 각 구간의 특성곡선.

도 3은 일반적인 포스트디스토션 선형화기의 구성도.

도 4는 도 3 각 부분의 신호 파형도.

도 5는 본 발명에 따른 믹서를 이용한 포스트디스토션 선형화기의 구성도.

도 6은 도 5 각 부분의 신호 파형도.

< 제 1 실시예 >

본 발명에 따른 포스트디스토션 선형 전력증폭기의 실시예는, 두개의 반송파를 입력하며 RF 전력 증폭기를 포함한 주경로와 반송파를 제거해 혼변조 성분만 가지는 포스트디스토터(postdistortor)의 보조경로 나누어져, 상기 포스트디스토터에 의해 처리된 신호를 RF 전력 증폭기에서 생성된 혼변조 신호와 결합 제거하여 순수한 반송파만 증폭시켜 출력하는 RF 전력증폭기를 구비하여 이루어진다.

이때 포스트디스토터는 RF 전력증폭기와 병렬로 정렬하여 후단에서 결합되어 RF 전력증폭기를 선형화하기 위한 선형화기이며, 상기 입력된 두개의 반송파를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기, 선형경로에서 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 가변 위상변환기, 상기 가변 위상변환기의 출력신호를 입력하여 비선형경로와 발생하는 주 신호 제거를 위한 크기차를 조절하는 가변 감쇄기, 비선형경로에서는 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하고 믹서에서 발생하는 혼변조 신호 생성을 조절하는 고정 감쇄기, 혼변조 발생하는 믹서, 선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로로 이루어져 제 2 90°하이브리드 결합기를 통해 나오는 출력을 혼변조 성분만 포함하도록 이루어져, 이후 혼변조 신호 성분의 크기를 조절하기 위한 가변 감쇄기, RF 전력 증폭기의 혼변조 신호를 제거하기 위해 보상되는 Error Amp로 이루어진다.

본 실시예에 있어서, 주 경로에 전력 증폭기 특성을 보상하기 위해 보조 경로에 사용되는 믹서의 LO 신호 입력단자에 소정 크기의 저항 50Ω을 결합하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 주 경로와 보조 경로의 신호 파형은 전력 분배기에 의해 나누어지고 RF 전력 증폭기로 출력되는 혼변조 신호의 위상과 포스트디스토션에 의해 발생하는 혼변조 신호의 위상은 180°반전된 신호이다. 상기 보조 경로의 시간 지연을 보상하기 위해 사용한 주 경로에 지연 선로를 제거하는 것이 바람직하다.

이때 상기 포스트디스토터에 혼변조 발생기로 사용되는 믹서는 다이오드 믹서이며, 상기 RF 전력증폭기에 혼변조 성분과 같은 특성을 갖는 믹서를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 포스트디스토션 선형화기는 두 개의 반송파가 제거되고 혼변조 성분만 발생한다. RF 전력 증폭기의 출력 전력 손실을 줄이기 위해 방향성 결합기를 사용하는 것이 바람직하다.

이제 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작원리에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 다이오드 믹서를 이용한 포스트디스토션 방식의 선형화기의 회로 구성도를 나타내며, 도 6은 도 5의 각 부분에서의 신호 파형도를 나타낸다. 본 발명의 다이오드 믹서를 이용한 포스트디스토션 방식의 선형화기 동작 원리는 다음과 같다.

경로 RFin-A, RFin-A':

도 5에서 2개의 반송파가 선형화기의 입력단자(RFin)로 인가되면 전력 분배기에 의해 주 경로 (A)와 보조 경로 (A')로 나누어진다. 이때 지점 A와 A'의 신호 파형은 같은 위상과 크기를 가진 도 6(a)와 같은 신호가 된다.

경로 A-B:

주 경로는 가변 위상 변환기와 포화영역에서 동작시 비선형(Nonlinear)특성으로 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생하는 RF 전력 증폭기로 구성된다. 도 6(b)는 RF 전력 증폭기의 특성을 나타내는 그래프와 같다.

경로 A'-B':

보조 경로에 RF 입력 신호(RFin)는 혼변조 발생기(Inter-Modulation Generator)에 인가되어 선형 경로와 비선형 경로로 나누어진다. 이때에 출력 신호는 2개의 반송파가 제거된 혼변조 성분만 에러 증폭기 입력단으로 들어간다. 이때의 신호 파형은 도 6(c)와 같다.

경로 B'-B'':

선형 경로와 비선형 경로와의 결합으로 생성된 혼변조 신호들은 에러 증폭기로 입력되어 RF 전력 증폭기에서 생성되는 혼변조 신호를 제거하기 위해 증폭되어 방향성 결합기에 입력된다. 이때 신호는 도 6(c)와 같다.

경로 B/B''-C:

주 경로와 보조 경로에서 방향성 결합기에 입력된 신호들이 결합한다. RF 전력 증폭기의 혼변조 신호는 보조 경로에서 주 신호 제거, 같은 크기와 위상이 180°반전된 혼변조 신호를 발생하여 결합 할 때 제거된다. 이때의 신호 파형은 도 6(d)와 같다.

도 7과 도 8은 본 발명의 다이오드 믹서를 이용한 혼변조 발생기(Inter-Modulation Generator)의 구성 및 동작원리에 대하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 혼변조 발생기의 회로 구성도를 나타내며, 도 8은 도 7의 각 부분에서의 신호 파형도를 나타낸다. 본 발명의 다이오드 믹서를 이용한 혼변조 발생기의 동작 원리는 다음과 같다.

경로 A-B, A-B':

도 7에서 지점 A에 2개의 반송파가 인가되면 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 반송파가 선형 경로와 비선형경로로 나누어진다. 이때 지점 B와 B'의 신호 파형은 위상이 제 1 90°하이브리드 결합기로 인해 90°차이를 가진 도 8(a)와 같은 신호가 된다.

경로 B-C:

선형 경로는 가변 위상 변환기와 감쇄기를 사용하여 비선형 경로에서의 2개 반송파를 제거하기 위해 두 경로의 위상차와 크기차를 조정하여 제2 90°하이브리드 결합기에 입력된다. 이때 신호 파형은 도 8(a)와 같다.

경로 B'-C':

비선형 경로에서 RF 전력 증폭기 특성을 보상하는 방법으로 LO 신호 입력에 50Ω 저항을 결합하는 믹서를 사용하였다. 여기서 지연 선로는 선형 경로에서 가변위상 변환기와 감쇄기로 발생하는 시간 지연을 보상하기 위해 사용하였다. 이때 신호 파형은 도 8(b)와 같다.

경로 C/C'-D:

선형 경로와 비선형 경로에서 제 2 90°하이브리드 결합기에 입력된 신호들이 결합할 때 두 경로에 같은 크기와 위상이 180°반전된 2개 반송파는 제거되어 지점 B'의 출력은 반송파가 제거된 혼변조 성분만 에러 증폭기 입력단으로 들어간다. 이때의 신호 파형은 도 8(c)와 같다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 RF 전력 증폭기의 신호 증폭기 발생하는 상호 혼변조 왜곡(IMD: Inter-Modulation Distortion) 성분의 제거를 위해 RF 전력 증폭기와 반대되는 특성을 갖는 혼변조 성분을 다이오드 믹서를 이용하여 개선하는 포스트디스토션 선형화기이다. 혼변조 발생기로 다이오드 믹서를 사용하여 DC 전력 손실을 줄였으며, 발생하는 혼변조 신호에 2개의 반송파를 제거하여 RF 전력 증폭기에 영향을 주지 않도록 RF 전력 증폭기와 병렬로 정렬하여 후단에서 결합하여 개선시켰다.

또한 기존 포스트디스토션 방식과 다르게 혼변조 발생기를 RF 전력 증폭기와 병렬로 정렬하여 후단에서 결합하여 혼변조 왜곡 성분을 제거하기 쉽게 하였다.

그리고 기존 포스트디스토션 방식에서의 단점인 에러 전력 증폭기의 시간 지연을 보상하기 위해 사용한 지연 선로의 길이를 제거하였으며, 이로 지연 선로에 따른 전력 손실과 효율의 문제를 개선하였다.

본 발명은 IMT-2000 위성통신기지국, IMT-2000 중계기, PCS 이동통신기지국, PCS 중계기, GSM 이동통신기지국, GSM 중계기, 지상 마이크로파 무선 시스템, Cellular폰용 이동통신기지국 및 Cellular폰용 중계기를 포함하는 무선 통신 시스템의 채널 용량을 증대시키기 위해 폭넓게 사용될 수 있다.

Claims (13)

1. 입력 고주파 신호를 주경로와 보조경로로 분배하는 전력 분배기;

   상기 주경로로 분배된 신호의 위상을 변화시키는 제 1 가변 위상변환기;

   상기 제 1 가변 위상변환기를 연결해 신호를 증폭하여 혼변조 왜곡된 신호를 출력하는 주 전력증폭기;

   상기 보조경로로 분배된 신호를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기;

   상기 선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 제 2 가변 위상변환기;

   상기 선형경로에서 비선형경로에 믹서에 의해 발생된 혼변조신호 중 주신호 성분의 크기와 제 2 가변 위상변환기의 출력 주신호를 조절하기 위한 제 1 가변 감쇄기;

   상기 비선형경로에서 혼변조신호를 발생시키는 믹서;

   상기 혼변조신호를 발생하는 믹서의 출력신호를 입력으로 하여 선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로;

   상기 제 1 가변 감쇄기의 출력신호와 상기 지연선로를 통한 비선형경로측 신호를 결합하는 제 2 90°하이브리드 결합기;

   상기 제 2 90°하이브리드 결합기의 출력신호를 감쇄시키는 제 2 가변 감쇄기;

   상기 제 2 가변감쇄기의 출력신호를 증폭하는 에러 증폭기; 및

   상기 주 전력 증폭기의 혼변조 출력신호와 상기 에러 증폭기 출력신호를 결합하는 제 1 방향성 결합기를 포함하는, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 선형 전력 증폭기의 주 경로에 사용하는 지연 선로를 제거하기 위해, 상기 보조 경로에 위치한 혼변조 발생기와 에러 증폭기의 동작 시간을 주 경로에 위치한 주 전력증폭기의 동작시간과 같도록 하는, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼변조 발생기에 사용한 믹서는 다이오드 믹서인 것이 특징인, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
4. 제 1 항 또는 제3항에 있어서, 상기 비선형 경로에서 전력증폭기 특성을 보상하기 위해 상기 믹서의 LO 신호 입력단자에 소정 크기의 저항을 결합하는 것이 특징인, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 혼변조 발생기에 선형경로와 비선형경로의 신호파형은 상기 제 190°하이브리드 결합기에 의해 90°의 위상차를 갖게 되는 것이 특징인, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 혼변조 발생기는 선형경로에 가변 위상변환기와 가변 감쇄기를 통과한 신호와 상기 믹서를 통과한 신호가 제290° 하이브리드 결합기에 의해 위상차는 180°로 주신호가 제거되는 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
7. 제1항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 보정경로에서 에러 증폭기를 통과한 신호는 주경로에서 방향성 결합기로 인가되는 신호의 혼변조 성분과 크기는 같고 위상은 180°차이가 나는, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 선형화기에 상기 RF 전력증폭기에서 발생되는 성분과 반대되는 특성을 갖는 왜곡성분을 미리 만들어 출력에 방향성 결합기에 합치는, 포스트디스토션 방식의 선형 전력증폭기.
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