KR100507592B1

KR100507592B1 - 효율적 신호 전력 증폭을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100507592B1
Application number: KR10-1999-7010083A
Authority: KR
Inventors: 로버트 이. 스텐겔; 스코트 에이. 올슨
Original assignee: 모토로라 인코포레이티드
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2005-08-10
Also published as: EP0979551A1; KR20010012138A; WO1998051007A1; US5892395A; CN1254453A; AU7276998A; JP2001527722A

Abstract

장치(100)는 조합 회로(125)로부터의 전력 복구를 이용하여 효율을 향상시킨다. 전력 조합기(125)는 입력 신호(113, 114)의 조합으로부터 다수의 출력 신호(127, 133)를 발생한다. 전력 조합기로부터의 출력 신호들 중의 하나는 전력 복구 회로(135)에 결합되며, 에너지는 바람직하게는 차후의 사용을 위해 복구되고 저장된다.

Description

효율적 신호 전력 증폭을 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT SIGNAL POWER AMPLIFICATION}

본 발명은 무선 주파수(RF) 증폭기에 관한 것으로서, 특히 다중 신호 경로로부터의 신호들에 대한 전력 조합에 관한 것이다.

아날로그 신호 기법, 예를 들어, 주파수 변조(FM)는 전통적으로 무선 설계자가 매우 효과적인 비선형 전력 증폭기를 사용하여 무선 주파수(RF) 전력 신호를 전송하는 것을 가능케 하였다. 그러나, 디지탈 변조에서는 디지탈 정보를, 전송되는 신호의 진폭 및 위상으로 표현하는 일이 있어 선형 전력 증폭이 요구되는 일이 있다. 일반적으로, 선형 증폭기는 어떤 정해진 비선형 증폭기만큼 효율적이지 못한데, 그 이유는 증폭된 신호의 전체 사이클에 걸쳐 선형 증폭기가 활성 상태를 유지함으로써 전력을 소모하기 때문이다. 반면에, 비선형 증폭기, 예를 들어 C급, D급, E급, F급, G급 및 S급 증폭기는 증폭된 신호의 1/2 사이클 미만의 기간에 걸쳐서만 전력을 소모한다. 각종 응용 분야에서 특히 이동 휴대형 전자 제품에서 디지탈 변조의 인기가 점증하고 있어, 전형적으로 비선형 증폭과 연관된 전력 효율을 선형 증폭에서도 얻는 것이 필요하다. 선형 증폭기의 효율을 향상시키는 데 사용되는 종래 기술의 방법들이 개시되어 있는데, 이 방법들은 일반적으로 부하 또는 전원 변조를 사용하여 효율을 증대시키는 것이다. 그러나, 이러한 방법들은 그 구현 방식이 복잡하므로, 실질적으로 복잡하지 않은 방식으로 효율적인 신호 전력 증폭을 제공하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 시스템의 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전력 조합기의 상세도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전력 조합기의 제2 실시예이다.

도 4는 전력 복구 회로의 양호한 실시예의 개략도이다.

본 발명은 다수의 신호들 조합하는 경우에 예를 들어 다수의 증폭 경로로부터의 신호들을 조합하는 경우에 에너지 복구를 제공하는 것이다. 전력 조합기는 입력 신호들의 조합으로부터 다수의 출력 신호를 발생한다. 전력 조합기로부터의 출력 신호들 중의 하나는 전력 복구 회로에 결합되며 에너지가 복구되고 바람직하게는 차후의 사용을 위해 저장된다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 시스템(100)의 개략적인 블록도로서, 무선 시스템(100)은 그의 동작 제어를 위한 제어기(105)를 구비한다. 이 무선 시스템(100)은 또한 송신기(140) 및 수신기(115)를 구비하는데, 이들 송신기(140) 및 수신기(115)는 송/수신(T/R) 스위치(130)를 통해 안테나(139)에 결합된다. 무선 시스템(100)은 안테나(139)로부터의 RF 수신 신호(137)를 수신기(115)로 향하게 하는 수신 모드로 동작할 수 있다. 수신기(115)는 RF 수신 신호(137)로부터 도출된 수신 베이스밴드 신호(108)를 제어기(105)에 제공한다.

무선 시스템(100)은 또한 제어기(105)에 의해 송신기(140)를, 베이스밴드 신호(107)를 처리하게 하는 송신 모드로 동작할 수 있다. 송신기(140)는 신호 변조기(110) 및 선형 증폭기(150)를 구비한다. 양호하게는, 선형 증폭기(150)는 비선형 성분(non-linear components: LINC) 타입의 선형 증폭기이다. 신호 변조기(110)는 제어기(105)로부터 송신 베이스밴드 신호(107)를 수신하여 RF 변조된 신호(113, 114)를 발생한다. 선형 증폭기(150)는 증폭기 경로, 즉 증폭기 회로(117, 119)를 구비하는데, 이들 증폭기 회로(117, 119)는 RF 변조된 신호(113, 114)를 증폭하고, 전력 조합기(125)에 입력 신호(120, 123)를 공급한다. 일 실시예에서, 증폭 회로(117, 119)는 C급 증폭 모드로 동작한다. LINC 증폭의 경우, RF 변조된 신호(113, 114)는 증폭이 동일하고 일정하게 되도록 설계되며, 또한 특정의 가변 위상 관계가 RF 변조된 신호들(113과 114)간에 존재하도록 신호 변조기(110)에 의해서 변조된다. 전력 조합기(125)는 입력 신호(120, 123)를 수신하도록 결합되며, 이들 입력 신호(120, 123)를 조합하여 출력 신호(127)를 형성한다. 일 실시예에서, 출력 신호(127)는 증폭 변조된 RF 신호로서, 그 출력 신호(127)의 정보는 제1 출력 신호(127)의 위상 및 진폭으로 표현된다. 출력 신호(127)는 그 다음 T/R 스위치(130)에 전달되어 안테나(139)를 통해 송신된다. 전력 조합기(125)는 또한 송/수신 스위치(130)로 전달되지 않은 RF 전력을, 전력 복구 신호로서 작용하는 다른 출력 신호(133)로서 전력 복구 회로(135)에 전달한다. 양호한 실시예에서, 전력 복구 회로(135)는 에너지 저장 소자, 예를 들어 에너지 셀을 구비하는데, 이 에너지 저장 소자는 전력 복구 신호에 의해 충전되는 것으로서, 무선 시스템(100)에 전력을 공급하기 위해 사용된다.

도 2는 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 도시하는 회로도이다. RF 변조된 신호(113, 114)는 제각기 제1 및 제2 증폭 회로(117, 119)에 결합된다. 전력 조합기(125)는 두 개의 입력 포트(210, 220)와 두 개의 출력 포트(215, 230)를 구비한다. 출력 포트(215)는 RF 전력을 조합기(125)로부터 선택적으로 출력시키는 것으로서, 송신 소자, 예를 들어 안테나에 결합된다. 다른 출력 포트(230)는 RF 전력을 조합기(125)로부터 선택적으로 출력시키는 것으로서, 후술하는 바와 같이 전력 복구 회로(135)에 결합된다. 두 개의 증폭 회로(117, 119)는 제각기 조합기의 입력 포트(210, 220)로 입력 신호를 배향시키도록 결합된다. 양호한 실시예에서, 증폭 회로(117, 119)는 비선형 증폭기이며, 그들 증폭 회로(117, 119)에 의해서 발생되는 입력 신호(120, 123)는 일정한 진폭과 특정의 위상 관계를 갖는데, 이들 일정한 진폭과 특정의 위상 관계는 RF 변조된 신호(113, 114)에서도 나타난다. 4개의 임피던스 트랜스포머(235, 237, 240, 243)는 각각의 임피던스 트랜스포머가 각각의 입력 포트와 각각의 출력 포트 사이에 결합되는 방식으로 전력 조합기(125)내에 구비된다. 각각의 임피던스 트랜스포머는 출력 포트(215, 230)에서의 전력 신호 조합이 용이하도록 선택된 위상 시프트를 가져, 최대 전력이 그들 두 출력 포트 중의 하나에 존재할 때 최소 전력이 나머지 하나의 출력 포트에 존재하도록 한다. 어느 쪽이던지 간에 출력 포트(215, 230)에 존재하는 전력 레벨은 기본적으로 입력 신호(120, 123)의 합 또는 차로서, 그 전력 레벨은 RF 변조된 신호(113, 114)의 상대 위상을 조정하는 것에 의해서 제어 가능하다. 양호한 실시예에서, 임피던스 트랜스포머(235, 237, 240, 243)는 전송 라인으로서, 제각기 90°, 90°, 270° 및 90°의 위상 시프트를 갖는다.

도 3은 윌킨슨(Wilkinson) 타입의 조합기(170)를 사용하는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, RF 변조된 신호(113, 114)는 제각기 제1 및 제2 증폭 회로(117, 119)에 결합된다. 윌킨슨 조합기(170)는 두 개의 입력 포트(310, 320)와 하나의 출력 포트(315)를 구비한다. 출력 포트(315)는 RF 전력을 조합기(170)로부터 선택적으로 출력시키는 것으로서, 송신 소자, 예를 들어 안테나에 결합된다. 두 개의 증폭 회로(117, 119)는 제각기의 입력 포트(310, 320)로 증폭된 RF 전력 신호를 배향시키도록 조합기(170)에 결합된다. 차동 RF/직류(DC) 콘버터(335) 형태의 전력 복구 회로도 입력 포트(310, 320)에 결합되어, 입력 포트(310, 320)의 신호들이 180°의 위상차를 가질 때 차동 RF/DC 콘버터(335)가 최대 DC 전력을 발생하도록 동작한다. 입력 포트(310, 320)의 신호들이 동상일 때 차동 RF/DC 콘버터(335)는 최소 DC 전력을 발생할 것이다. 최대 RF 전력은 입력 포트(310, 320)의 신호들이 동상일 때 출력 포트(315)에 나타나는 반면에, 최소 전력은 입력 포트(310, 320)의 신호들이 180°의 위상차를 가질 때 출력 포트(315)에 나타날 것이다. 윌킨슨 조합기(170)는 두 개의 임피던스 트랜스포머(325, 330)를 갖는데, 이들 두 개의 임피던스 트랜스포머는 각각의 임피던스 트랜스포머가 각각의 입력 포트와 각각의 출력 포트 사이에 결합되는 방식으로 구성된다. 임피던스 트랜스포머(325, 330)는 제각기 동일한 위상 시프트를 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 임피던스 트랜스포머(325, 330)는 각각 90°의 위상 시프트를 갖는다.

도 4는 싱글-엔디드(single-ended) RF/DC 콘버터(135)에 대한 양호한 실시예를 도시하는 개략도로서, 싱글-엔디드 RF/DC 콘버터(135)는 싱글-엔디드 입력 포트(440)를 갖는 전파 정류 회로(full wave rectifier circuit)이다. 싱글-엔디드 RF/DC 콘버터(135)는 전력 복구 신호(133)를 직렬 캐패시터(435)를 통해 제1 다이오드(425)의 애노드 및 제2 다이오드(430)의 캐소드에 결합시킨다. 제2 다이오드(430)의 애노드 및 제1 다이오드(425)의 캐소드는 충전 캐패시터(420)를 통해 결합된다. DC 전력은 전력 복구 신호(133)가 존재할 때 충전 캐패시터(420)의 양단간에 저장된다. 다이오드(425, 430)는 쇼트키 다이오드인 것이 바람직하다.

본 발명은 종래 기술을 상당히 개선시킨다. 구체적으로 말해서, 본 발명은 조합기로부터 출력되나 유용한 부하로 배향되지 않는 전력을 단순히 소모하는 것이 아니라 주어진 제품에서 다른 용도로 사용하기 위해 저장한다. 또한, 조합 기법을 비선형 증폭기 및 전력 복구 회로와 관련시켜 사용하여 아주 효과적인 선형 증폭기를 형성할 수 있다. 또한, 효율적인 선형 증폭기를 위한 다른 기법들과는 달리, 본 발명은 피드백 루프의 대역폭 제한이 없게 된다.

당업자라면 알 수 있듯이, 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 수많은 수정, 변경, 변형, 대체 등이 가능할 것이다.

Claims

제1 및 제2 입력 신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2 입력 신호의 합을 나타내는 제1 출력 신호와 상기 제1 입력 신호와 제2 입력 신호간의 차를 나타내는 제2 출력 신호를 발생하는 전력 조합기와,

상기 제1 및 제2 출력 신호 중의 한 출력 신호에 결합되는 전력 복구 회로

를 포함하고,

상기 전력 조합기는 제1, 제2, 제3 및 제4 포트를 구비하며,

상기 제1 및 제2 포트는 상기 제1 및 제2 입력 신호에 각각 결합되고,

상기 제3 및 제4 포트는 상기 제1 및 제2 출력 신호를 각각 공급하며,

상기 제1 출력 신호는 상기 제1 입력 신호의 일부와 상기 제2 입력 신호의 일부로부터 발생되고, 상기 제1 입력 신호의 일부와 상기 제2 입력 신호의 일부는 제1 위상차를 가지며,

상기 제2 출력 신호는 상기 제1 입력 신호의 일부와 상기 제2 입력 신호의 일부로부터 발생되고, 상기 제1 입력 신호의 일부와 상기 제2 입력 신호의 일부는 제2 위상차를 가지며, 상기 제2 위상차는 상기 제1 위상차에 180°를 더한 것과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 포트와 상기 제3 포트 사이에 결합된 제1 임피던스 트랜스포머와,

상기 제2 포트와 상기 제3 포트 사이에 결합된 제2 임피던스 트랜스포머와,

상기 제2 포트와 상기 제4 포트 사이에 결합된 제3 임피던스 트랜스포머와,

상기 제4 포트와 상기 제1 포트 사이에 결합된 제4 임피던스 트랜스포머

를 더 포함하고,

상기 제1, 제2 및 제4 임피던스 트랜스포머 각각은 실질적으로 90°의 위상 시프트를 가지며,

상기 제3 임피던스 트랜스포머는 실질적으로 270°의 위상 시프트를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
효율적인 전력 증폭 방법에 있어서,

합 및 차 조합을 사용하여 2개의 무선 주파수 입력 신호를 조합하여 진폭 변조된 신호와 전력 복구 신호를 발생하는 단계와,

상기 전력 복구 신호로부터 도출된 에너지를 전력원으로서 재사용하기 위해 저장하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 효율적 전력 증폭 방법.
제3항에 있어서,

상기 2개의 입력 신호는 서로에 대해 일정한 진폭과 가변 위상 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 효율적 전력 증폭 방법.
제4항에 있어서,

상기 2개의 무선 주파수 입력 신호를 조합하는 상기 단계는,

상기 2개의 입력 신호간에 서로에 대해 제1 크기의 위상 시프트를 제공하여 상기 진폭 변조된 신호를 발생하는 단계와,

상기 2개의 입력 신호간에 상기 제1 크기의 위상 시프트에, 서로에 대해 실질적으로 180°의 부가적인 위상 시프트를 더한 위상 시프트를 제공하여 상기 전력 복구 신호를 발생하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 효율적 전력 증폭 방법.
송신기에서 무선 주파수 에너지를 복구하는 방법에 있어서,

소정의 가변 위상 관계를 갖고 실질적으로 일정한 진폭을 갖는 제1 및 제2 증폭된 무선 주파수 신호를 발생하는 단계와,

합 및 차 조합기를 사용하여 상기 제1 및 제2 증폭된 무선 주파수 신호를 조합하여 진폭 변조된 무선 주파수 신호와 전력 복구 무선 주파수 신호를 발생하는 단계와,

상기 전력 복구 무선 주파수 신호를 직류 전력 신호로 변환하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기에서의 무선 주파수 에너지 복구 방법.
제6항에 있어서,

상기 직류 전력 신호를 사용하여 에너지 셀을 재충전시키는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기에서의 무선 주파수 에너지 복구 방법.
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