KR100420394B1 - 증폭기의 비선형성을 이용한 전치 왜곡형 선형증폭기의선형전력증폭 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 선형전력증폭기는, 증폭기 고유의 비선형성에 의하여 나타나는 혼변조 왜곡성분(IMD)을 다른 증폭기의 비선형 특성인 혼변조 왜곡성분(IMD)을 이용하여 상쇄시키는 선형화 방법을 사용한다. 이 전력증폭기는 최종단에서 발생하게 될 혼변조 왜곡성분(IMD)을 예측하고 전치왜곡단에서 예측된 IMD와 동일한 진폭과 반대 위상 및 시간지연을 맞추어 증폭할 신호에 삽입하면 증폭하는 과정에서 IMD 성분이 발생하지만 미리 넣어준 IMD 성분과 결합이 되면서 상쇠가 이루어지록 하는 방법으로 혼변조 왜곡성분을 최소화한다. 또한 증폭기의 게이트 바이어스를 조정하여 IMD가 최소로 생기는 전압을 찾아내고 이 상태를 온도나 출력전력에 따라 계속 조정함으로써 최적의 상태를 유지한다.

Description

증폭기의 비선형성을 이용한 전치 왜곡형 선형증폭기의 선형전력증폭 방법{A LINEAR POWER AMPLIFICATION METHOD FOR A PRE-DISTORTION TYPE LINEAR RF POWER AMPLIFIER USING A CHARACTERISTICS OF NON-LINEARITY OF RF AMPLIFIER}

본 발명은 무선통신 시스템을 위한 선형화 전력증폭기의 비선형성을 이용한 전치 왜곡형 선형증폭기의 전력증폭방법에 관한 것이다. 무선통신 시스템을 위한 선형화 전력증폭기의 유형에는 프리디스토션(Pre-Distortion)방식, 피드포워드(Feed-forward)방식 및 백오프(Back-off)방식 등이 있으며, 본 발명은 이 가운데에서 프리디스토션 방식에 관한 것이다. 본 발명에 따른 선형증폭기의 전력증폭방법은 전치왜곡부분을 증폭기의 고유한 특성인 비선형성을 이용하여 증폭단에서 발생되는 상호왜곡성분을 최소화하는 방법으로서 내장된 스펙트럼 분석기와 신호처리기(DSP) 등이 필수적으로 동반되며 이들에 기반하여 제어되고 최적화된다.

이 분야와 관련된 선행 기술로는 본 출원인 등에 의해 2001년 9월 11일 대한민국 특허청에 등록된 특허 제 0309720 호 "지연보상을 위한 증폭기를 가지는 피드포워드 방식의 선형 전력증폭기"가 있다.

그러나 상기 기술은 프리디스토션 방식에 따른 선형증폭기의 전력증폭 방법에 대하여는 개시하고 있지 않았다.

더구나 종래에는 선형증폭기의 고유성질인 비선형성을 이용하여 증폭단에서 발생하는 상호왜곡성분을 최소화 하는 방법에 대하여 알려져 있지 않았다. 따라서 무선채널에서 발생하는 간섭이 문제가 될 수밖에 없었고 채널의 수를 효율적으로 활용할 수 없었다.

본 발명은 프리디스토션(Pre-Distortion)방식의 다중주파수 증폭기를 구성하여 전력을 증폭하는 방법에 있어서 전치왜곡부분을 증폭기의 고유한 특성인 비선형성을 이용하여 발생시킨 후, 이 왜곡성분을 증폭전단에 삽입한 후 증폭최종단에서 증폭되는 과정에서 발생하는 왜곡성분을 최소화 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 증폭기 내부에 내장된 스펙트럼 분석기와 신호처리장치(DSP)를 사용하여 비선형 왜곡성분을 감시하며 최종 증폭단에서 발생되는 왜곡성분과 가장 유사한 형태가 만들어지도록 조정하고, 상호왜곡변조(IMD)가 최소로 발생할 수 있는 증폭기의 바이어스를 찾아내도록 조정하는 기술을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 전치 왜곡형 선형증폭기의 구성도이다.

도 2은 본 발명에 의한 전치 왜곡형 선형증폭기의 동작을 나타내는 분석도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 >

101,111,112,113,117: 방향성 결합기 102,104,107: 위상변환기

103,105,108: 진폭감쇄기 106,122: 지연소자

109,110,114,115,116,124: 증폭기 118: 아이쏠레이터(isolator)

119,123: PD 제어기 120,121: 분배기

125: 신호처리기(DSP) 126: PC(GUI)

127: 스펙트럼 분석기 130: 전치왜곡단

140: 전력증폭기단. 주증폭단

< 바람직한 일 실시예 >

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 전치왜곡(Pre-Distortion)방식의 선형화 증폭기는 전치왜곡단과 주증폭단으로 구성된다.

전치왜곡단은 상호왜곡변조(IMD)를 발생시키는 부분과, 발생된 IMD가 변형없이 입력된 원래신호와 상쇄가 계속 유지되도록 해주는 주신호 상쇄부와, IMD의 각 차수별 IMD가 최종단에서 생길 IMD와 유사한 상태가 되도록 제어해 주는 IMD제어부로 구성된다.

주증폭단은 기존의 방식과 같은 형태로 LDMOS FET나 GaAs FET로 구성된다.

전치왜곡단으로 출력되는 의도된 왜곡신호는 증폭기 입력단에서 적절한 수준으로 입력된 손상되지 않은 신호와 결합되어 증폭단으로 입력되며 증폭단에서 주 신호가 증폭되는 과정에서 IMD를 수반하지만 입력된 의도된 왜곡 신호와 결합되어 상쇄되므로 발생되는 IMD가 최소화 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작원리에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 의한 전치왜곡방식 선형화 증폭기의 구성도이다.

전력증폭기단(140)의 비선형 특성에 의하여 발생하는 상호왜곡변조(IMD)를 최소화하기 위하여 전치왜곡단(130)이 전력증폭기단(140)의 앞단에 구성된다. 전치왜곡단은 상호왜곡변조(IMD) 발생부, 주신호 상쇠부, IMD 제어부로 구성된다.

IMD 발생부는 증폭기(109)와 (110)에 의하여 동작이 되며 증폭최종단(116)에서 발생할 IMD를 유사한 모양으로 만드는 역할을 하며 주로 전치왜곡단 종단 모방증폭기(110)에 의존한다.

그리고 주신호 상쇠부는 의도적으로 만들어 낸 상호왜곡변조 성분만을 추출하기 위한 것으로 위상변환기(107)과 진폭감쇠기(108)로 주신호의 상쇄가 최적값이 되도록 조정해 주는 부분이며 분배기(121)에서 두개의 경로로 나누어 한쪽 경로는 임의 상호왜곡변조를 하기 위한 곳으로 보내지며 한쪽 경로는 지연소자(122)를 경유하여 시간 보상을 하여 전달이 되며, 방향성 결합기(111)에서 왜곡된 신호와손상이 되지 않은 주신호가 반대 위상으로 만나게 하여 주신호 성분만 제거한다.

또한 IMD 제어부는 위상변환기(104)와 진폭감쇠기(105)를 조정하여 발생할 IMD성분과 유사하도록 적절한 상태를 유지하는데, 위상변환기(104)는 온도에 따른 위상의 변화를 조정하며 진폭감쇠기(105)는 온도나 입력전력에 따른 적절한 수준의 IMD를 만들도록 조정된다. 전치왜곡단에서 IMD를 만들고 그중 주신호를 제거하여 손상된 왜곡성분만을 만들어내는 과정에서 지연이 발생하며 발생된 시간은 지연소자(106)에서 보상되며 이것은 동축케이블이나 지연 필터로 구성된다. 이렇게 만들어진 IMD는 방향성결합기(113)에서 삽입이 되며 주신호와 함께 주증폭단(140)으로 입력되고 증폭되는 과정에서 수반되는 상호왜곡변조에 의하여 발생하는 왜곡신호와 결합되여 상쇠되어 발생하는 IMD성분을 최소화 할 수 있다. 그리고 발생하는 IMD성분은 스펙트럼 분석기가 최종단을 항상 감시함으로써 모든 경우에 있어 IMD 발생량이나 주신호 감쇠량을 인지할 수 있기 때문에 이에 따른 반응(Feedback)을 신호처리장치(DSP)(125)로 줄 수 있기 때문에 가장 좋은 조건을 유지할 수 있다.

본 발명에 의한 전치왜곡형 선형증폭기는 증폭기 고유의 비선형성에 기인하는 상호왜곡성분(IMD)을 다른 증폭기를 주증폭기 전단에 추가하여 유사한 상호왜곡변조(IMD) 신호를 만들어 주신호에 포함시켜 증폭시킴으로써 증폭기의 비선형성을 개선할 수 있다. 이에 따라 무선채널에서 발생하는 간섭을 최소화 하여 사용 가능한 채널 수를 늘일 수 있으며, 방법적인 측면에서 내장된 스펙트럼 분석기를 적용함으로써 항상 최적의 상태를 유지할 수 있다.

Claims (7)

1. 주증폭단 앞에 상호왜곡변조신호(IMD) 발생부, 주신호 상쇄부 및 IMD 제어부로 이루어지는 전치왜곡단이 설치된 전치 왜곡형 무선(RF) 선형증폭기의 선형전력증폭 방법에 있어서,

   전치왜곡단이 주증폭단에서 발생할 것으로 예측되는 IMD와 같은 신호를 만드는 단계;

   변형없이 전치왜곡단에 입력된 원래 신호를 상쇄하고 상기 만들어진 신호만 추출하는 단계;

   상기 추출된 신호를 주증폭단에서 발생할 것으로 예측되는 IMD 성분과 같도록 유지시키는 단계;

   상기 예측되는 IMD 성분과 같도록 유지된 신호를 주신호와 함께 주증폭단으로 입력하여 증폭하는 단계; 및

   상기 증폭 단계에서 상호왜곡변조에 의해 발생한 신호를 이용하여 상기 입력된 IMD 성분을 상쇄시켜 IMD 성분을 최소화 하는 단계를 구비하는, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 스펙트럼 분석기(Spectrun Analyzer)와 신호처리장치(DSP)를 사용하여 주증폭단의 출력을 감시하는 단계; 및

   위상변환기와 진폭감쇠기를 사용하여 상기 감시되는 주증폭단의 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 IMD 성분을 최소화 하는 단계는

   주증폭단내 종단모방증폭기의 게이트 바이어스를 조정하여 상기 IMD를 최소화 하는 전압을 찾는 단계; 및

   최적 상태를 유지하기 위해 상기 찾은 전압을 온도나 출력전력에 따라 계속하여 조정하는 단계를 구비하여 이루어지는 것이 특징인, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 주증폭단에서 발생할 것으로 예측되는 IMD 성분과 같도록 유지된 신호는 예측된 IMD와 진폭이 같고 위상이 반대이며 소정의 시간 지연을 갖고 주증폭단에 입력되는 것이 특징인, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 IMD 발생부는 복수개의 직렬연결된 증폭기를 포함하여 구성되며,

   상기 주신호 상쇄부는 위상변환기, 진폭감쇄기, 분배기, 지연소자로 구성되며,

   상기 IMD 제어부는 온도에 따른 위상 변화를 조정하는 위상변환기 및 온도나 입력전력에 따른 소정의 IMD를 만들도록 조정하는 진폭감쇄기를 포함하여 이루어지는 것이 특징인, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 변형 없이 전치왜곡단에 입력된 원래 신호를 상쇄하고 상기 만들어진 신호만 추출하는 단계는, 상기 변형 없이 입력된 원래 신호와 상기 만들어진 신호가 서로 위상이 반대가 되도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.
7. 주증폭단 앞에 상호왜곡변조신호(IMD) 발생부, 주신호 상쇄부 및 IMD 제어부로 이루어지는 전치왜곡단이 설치된 전치 왜곡형 무선(RF) 선형증폭기의 선형전력증폭 방법에 있어서,

   복수개의 직렬연결된 증폭기로 구성되는 상기 IMD 발생부를 통해 주증폭단의 비선형 특성에 의해 발생될 것으로 예측되는 IMD와 같은 신호를 만드는 단계;

   제1 위상변환기, 제1 진폭감쇄기, 제1 분배기, 제1 지연소자로 구성되며 상기 IMD 발생부의 전단에 위치하는 주신호 상쇄부는, 제1 진폭감쇄기의 일단이 상기 IMD 발생부의 증폭기중 전단에 위치한 증폭기로 입력되며, 제1 진폭감쇄기의 또 다른 일단은 제1 위상변환기와 연결되며, 제1 분배기의 출력단중 하나가 상기 제1 위상변환기로 연결되고 또 다른 출력단은 제1 지연소자의 일단에 연결되도록 구성함으로서, 전치왜곡단에 입력된 원래 신호와 만들어진 IMD 신호를 서로 반대 위상으로 만들어 상쇄함으로서 상기 만들어진 IMD 신호만 추출하는 단계;

   온도에 따른 위상 변화를 조정하는 제2 위상변환기, 온도나 입력전력에 따른 소정의 IMD를 만들도록 조정하는 제2 진폭감쇄기, 제2 분배기, 제2 지연소자로 구성되는 IMD 제어부를 상기 주신호 상쇄부의 전단에 위치하되, 제2 진폭감쇄기의 일단이 상기 제1 분배기에 연결되며, 제2 진폭감쇄기의 또 다른 일단은 제2 위상변환기와 연결되며, 제2 분배기의 출력단중 하나가 상기 제2 위상변환기로 연결되고 또 다른 출력단은 제2 지연소자의 일단에 연결되도록 구성함으로서 온도에 따른 위상변화를 조절하고 온도나 입력전력에 따라 IMD 신호를 조절하여 상기 추출된 IMD 신호를 주증폭단에서 발생할 것으로 예측되는 IMD 성분과 같도록 유지시키는 단계;

   상기 IMD 발생부의 종단 증폭기와 상기 제1 지연소자로부터의 출력신호를 제1 방향성 결합기를 통해 결합한 후, 상기 제2 지연소자를 통해 출력되는 신호와 다시 결합하여 상기 주증폭단으로 증폭 출력함으로서 주증폭단에서 발생하는 IMD 성분을 최소화 하는 단계;

   상기 주증폭단의 후단에 위치한 스펙트럼 분석기(Spectrun Analyzer)를 통해 IMD 신호 발생량과 전치왜곡단에 입력되는 원래 신호의 감쇄량을 감지한 후 신호처리장치(DSP)에 피드백시켜 주증폭단의 출력을 감시하는 단계; 및

   상기 신호처리장치의 제어에 의해 상기 전치왜곡단의 전단에 위치한 위상변환기와 진폭감쇠기를 통해 입력 신호를 제어하고, 주신호 상쇄부 및 IMD 제어부의 위상변환기와 진폭감쇄기를 제어하는 단계를 구비하는, 전치왜곡형 무선 선형전력증폭기의 선형전력증폭 방법.