KR100519700B1 - 선형 전력 증폭기의 최적 루프 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최적의 선형성을 구현하기 위하여 제 1 루프에서 독립적으로 검출된 신호의 전력값이 최소가 되도록 루프를 제어하는 단계에 제 2 루프의 최적 제어 단계를 추가하여 선형 전력 증폭기의 선형성을 최대로 유지하는 방법을 제시하며, 본 발명에 따른 방법은 입력된 2개의 반송파가 주 경로 및 보조 경로로 분기되어, 주 경로에는 제 1 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기, 주 증폭기 그리고 제 2 지연 선로가 직렬로 연결되며, 보조 경로에는 제 1 지연 선로와 제 2 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기 및 에러 증폭기가 직렬로 연결되어 있는 선형 전력 증폭기에서, 제 1 루프에서 검출된 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 1 루프를 제어하는 단계; 출력단에서의 불요파 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 2 루프를 제어하는 단계; 및 제 1 및 제 2 루프 제어 단계 후, 출력단에서 검출된 불요파 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 1 루프를 다시 제어하는 단계 및 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수 상태가 변하는 경우 각 단계의 제어를 선택적으로 수행하는 단계를 포함함으로서 선형 전력 증폭기의 전체적인 선형성을 향상시킨다.
Description
본 발명은 전력 증폭기의 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 이동통신 기지국과 중계기의 핵심 장비인 선형 전력 증폭기(linear power amplifier)의 선형성을 개선하기 위한 루프 제어 방법에 관한 것이다.
위성 통신, 이동 통신과 같은 장거리 무선 통신 시에는 신호를 단 한번에 전송할 수 없기 때문에 일정 거리마다 중계국 또는 기지국을 설치하여 신호를 증폭한 후 증폭된 신호를 송출한다. 이때 사용되는 전력 증폭기는 부하에 전력을 공급하는 것을 목적으로 하며, 저주파 전력 증폭기와 고주파 전력 증폭기로 구분된다.
전력 증폭기는 일그러짐이 적고, 효율적으로 전력을 부하에 공급할 수 있는 것이 중요하며, 일반적으로 최대 출력을 얻기 위하여 비선형(non-linear) 특성을 갖는 포화 영역(saturation region)에서 동작하게 된다. 그러나 이 경우 멀티 캐리어(multi carrier)가 전력 증폭기로 입력될 때, 이들 멀티 캐리어가 상호 혼변조 왜곡 성분(intermodulation distortion)을 발생하게 되므로 증폭기의 성능은 크게 저하된다.
이런 상호 혼변조 성분들은 통화 품질에도 커다란 영향을 미치는 일종의 잡음으로 작용하며, 특히 기존의 필터를 이용하여 제거하는 것이 매우 어렵다. 이러한 전력 증폭기의 비선형 특성을 줄이기 위한 대표적인 방법으로서 피드 포워드 (feed forward)를 이용한 선형화 방법이 사용된다.
도 1은 일반적인 피드 포워드 방식의 선형 전력 증폭기의 개략적인 구성을 나타낸 도면으로서, 이러한 선형 전력 증폭기의 기능을 간단히 설명하면 다음과 같다.
입력된 2개의 반송파는 전력 분배기(1)에 의해 나누어진 후 주 경로(a)와 보조 경로(b)로 분기된다. 주 경로(a)를 지나는 반송파는 제 1 제어 요소인 가변 감쇄기(11)와 가변 위상 변화기(12)를 통과하여 주 증폭기(13)로 입력된다. 주 증폭기(13)의 비선형 특성으로 인하여 반송파가 증폭되면서 혼변조 성분들이 함께 발생한다.
주 증폭기(13)의 출력 신호는 제 1 방향성 결합기(2)를 통과하여 손실 없이 주 경로(a)의 제 2 지연 선로(24; delay line)로 전달되고, 제 1 방향성 결합기(2)에서 검출된 신호는 보조 경로(b)의 전력 결합기(3)에 입력된다.
한편, 보조 경로(b)를 지나는 반송파는 제 1 지연 선로(14)를 통과하게 되며, 따라서 반송파가 주 경로(a) 상의 주 증폭기(13)를 통과하는데 발생된 지연시간을 보상하게 된다. 제 1 방향성 결합기(2)에서 검출된 주 증폭기(13)의 출력 신호와 보조 경로(b)의 제 1 지연 선로(14)를 통과한 신호가 전력 결합기(3)에서 결합하면 반송파 신호는 제거되고 혼변조 신호만이 출력된다. 이때, 반송파 신호의 제거 정도를 제 1 루프 검출 전력값(L1)으로 나타낼 수 있다.
전력 결합기(3)에서 출력된 혼변조 성분의 신호는 제 2 제어 요소인 가변 감쇄기(21)와 가변 위상 변화기(22)를 통과하여 에러 증폭기(23)로 입력된다. 한편, 주 경로(a)의 제 1 방향성 결합기(2)를 통과한 주 증폭기(13)의 출력 신호는 제 2 지연 선로(24)를 통과함으로써 보조 경로(b)의 에러 증폭기(24)에서 발생하는 지연 시간을 보상받는다. 주 경로(a)의 제 2 지연 선로(24)를 통과한 주 증폭기(13)의 출력과 보조 경로(b)의 에러 증폭기(23)의 출력은 제 2 방향성 결합기(4)로 입력, 결합되어 주 증폭기(13)에서 발생된 혼변조 신호를 상쇄하게 된다.
이와 같은 구성을 가진 기지국 또는 중계기용 선형 전력 증폭기에 있어서, 그 선형 특성을 계속 유지하기 위하여 루프 제어를 실행하게 되는데, 일반적인 루프 제어 방식은 각각의 루프에서 검출된 전력값이 최소가 되도록 독립적으로 제어한다.
제 1 루프에서는 주신호를 최대한 상쇄시켜서 불요파 성분만을 추출하는 것을 목적으로 하며, 검출되는 전력값(L1)이 최소가 되는 지점이 주신호가 최대한 감쇄된 상태이기 때문에 제 1 루프의 검출 전력값(L1)이 최소가 되도록 제어함으로써 이상적인 제 1 루프 제어가 이루어진다.
제 2 루프에서는, 주증폭기에서 증폭된 신호에서 불요파 성분을 제거하는 기능을 수행하는데, 불요파 성분만을 검출하여 이 검출된 전력값이 최소가 되도록 제어하면 선형 전력 증폭기의 안정된 선형 특성이 나오게 된다. 이와 같이 제 1 루프와 제 2 루프에서 각각 검출된 전력값이 최소가 되도록 독립적으로 제어되는 방식이 기존의 루프 제어 방식이다.
위에서 설명한 기존의 선형 전력 증폭기 루프 제어 방식의 경우, 각 루프에서 검출된 전력값이 최소가 되도록 제어가 이루어지나, 이러한 제어 방식은 전체 선형 전력 증폭기에서의 최적의 선형 제어로는 수행되지 못한다는 단점이 있다. 즉, 제 1 루프의 전력 최소화 방식은 제 1 루프에서 보았을 경우, 최적의 제어가 이루어진 것으로 판단되지만, 제 2 루프를 포함한 전체 선형 전력 증폭기의 제어에 있어서의 제 1 루프의 최적 제어 지점과는 다를 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명은 선형 전력 증폭기의 제어 과정에서 발생되는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최적의 선형성을 구현할 수 있는 선형 전력 증폭기 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기존의 루프 제어 방법에서 독립적으로 검출된 전력값이 최소값이 되도록 루프를 제어하는 단계와는 별도로 제 1 루프에 대한 최적 제어를 추가함으로써 선형 전력 증폭기의 선형성을 최대로 유지할 수 있다.
상술한 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 방법은 입력된 2개의 반송파가 주 경로 및 보조 경로로 분기되어, 주 경로에는 제 1 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기, 주증폭기 그리고 제 2 지연 선로가 직렬로 연결되며, 보조 경로에는 제 1 지연 선로와 제 2 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기 및 에러 증폭기가 직렬로 연결되어 있는 선형 전력 증폭기에서, 제 1 루프에서 검출된 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 1 루프를 제어하는 단계; 출력단에서의 불요파 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 2 루프를 제어하는 단계; 제 1 및 제 2 루프 제어 단계 후, 출력단에서 검출된 불요파 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 1 루프를 다시 제어하는 최적 제어 단계를 단계 및 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수 상태가 변하는 경우 각 단계의 제어를 선택적으로 수행하는 단계를 포함함으로써 선형 전력 증폭기의 전체적인 선형성이 향상된다.
본 발명에 따른 루프 제어 방법에서의 최적 제어 단계는, 제 1 루프와 제 2 루프가 안정된 이후, 루프 검출기에서 검출된 불요파 성분의 전력값을 제 1 루프에서 분석, 확인하는 단계; 제 1 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계; 제 1 루프 제어후, 변화된 불요파 성분의 전력값을 다시 분석, 확인하는 단계; 제어 이전의 불요파 전력값과 제어 이후의 불요파 전력값을 비교하는 단계; 제어 이후의 불요파의 전력값이 상승한 경우, 제 1 루프의 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계; 제어 이후의 불요파의 전력값이 감소한 경우, 불요파 전력값이 최소로 낮아졌는지 확인하는 단계; 불요파의 전력값이 최소값이 아닌 경우, 제 1 루프의 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계를 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 루프 제어 방법은 선형 전력 증폭기의 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수 상태가 변화된 경우, 제 1 루프 제어 단계, 제 2 루프 제어 단계 및 최적 제어 단계를 다시 수행하며, 선형 전력 증폭기의 상태가 변화되지 않은 경우 제 2 루프 제어 단계를 반복적으로 실행함으로써 최적의 루프 제어 상태를 유지할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 2는 제 1 루프 제어 과정을 도시한 흐름도, 도 3은 제 2 루프 제어 과정을 도시한 흐름도, 도 4는 최적 루프 제어 과정을 도시한 흐름도 그리고 도 5는 최적 루프 제어 안정화 과정을 도시한 흐름도로서, 본 발명에 따른 루프 제어 방법은 4 단계로 진행되며, 각 단계를 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
제 1 단계 (도 2)
본 발명에 따른 루프 제어 방법의 제 1 단계는 도 1의 좌측부인 제 1 루프 즉, 주 선로(a)에 설치된 가변 감쇄기(11)와 가변 위상 변화기(12)를 제어하는 단계이다.
도 1에서, 전술한 바와 같이 전력 결합기(3)를 통하여 출력되는 신호에서 원신호의 상쇄 정도를 확인하기 위하여 제 1 루프 검출 전력값(L1)을 확인한다(단계 102). 검출된 전력값이 최소가 되도록 제 1 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 제어한다(단계 103 및 단계 104).
그 후, 단계 102에서의 제 1 루프 검출 전력값(L1)과 단계 105에서의 제어된 전력값을 비교한다(단계 106). 단계 105에서의 전력값이 단계 106에서의 전력값보다 크면 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 다시 제어하며, 그 결과 단계 105에서의 전력값이 단계 106에서의 전력값보다 작으면 검출된 신호의 전력값이 최소값임을 확인(단계 107)한다. 확인된 검출 신호의 전력값이 최소값이 아닌 경우, 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 다시 제어하여 제 1 루프 검출 전력값이 최소값이 되도록 한다.
제 2 단계 (도 3)
제 1 루프의 제어가 종료된 후 실시되는 제 2 단계는 주증폭기(13)에서 증폭된 상태로 출력된 주신호와 제 1 루프에서 검출된 불요파 성분을 에러 증폭기(23)를 통하여 증폭, 결합함으로써 진행되며, 이 과정에서 주증폭기(13)에서 발생된 불요파 성분은 제거된다. 제어 목표가 되는 불요파 신호의 최소 전력값은 전력 증폭기의 최종 출력단에서 검출되며, 실질적인 제어가 이루어지도록 루프 검출기(도시되지 않음)를 통해 불요파의 전력값이 제어부에 전달된다.
최종 출력단에서 검출된 신호(L2)를 분석하여 주신호의 존재 여부와 위치를 판단하며(단계 202), 주신호의 존재 여부와 위치에 따라 주증폭기(13)에서 발생된 불요파 성분만을 검출하고, 분석한다(단계 203).
이후, 검출된 불요파 신호의 전력값이 최소가 되도록 제 2 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기(22) 및 가변 감쇄기(21)를 제어한다(단계 204 및 단계 205). 제 2 루프 제어 요소의 제어후, 변화된 불요파 성분의 검출값을 분석하며(단계 206), 이후 단계 203에서의 불요파의 전력값과 단계 206에서의 전력값을 비교한다(단계 207).
두 전력값을 비교하여 단계 206에서의 전력값이 크면 가변 위상 변화기(22) 및 가변 감쇄기(21)를 다시 제어하며, 작으면 검출된 불요파 신호(L2)가 최소값이 되었는지를 확인한다(단계 208). 확인된 검출값이 최소값이 아닌 경우, 가변 위상 변화기(22) 및 가변 감쇄기(21)를 다시 제어하여 불요파의 전력값이 최소가 되도록 한다.
제 3 단계 (도 4)
독립적인 제 1 단계와 제 2 단계의 제어 과정을 반복함으로써 기본적인 피드포워드 선형 전력 증폭기의 선형성은 구현된다. 하지만, 피드포워드 선형 전력 증폭기의 전체 성능으로 판단하였을 경우, 제 1 단계의 제어 지점, 즉 제 1 루프에서 검출되는 전력값이 최소점으로 제어되는 지점이 최적의 선형성을 확보하는 제어 지점은 아니다. 왜냐하면, 제 1 루프에서의 제어는 전체 선형성을 최적화시키도록 동작되는 것이 아니라, 단지 제 2 루프로 입력되는 신호의 크기를 줄이도록, 즉 최대한 주신호를 감쇄시키도록 제어하는 것이기 때문에, 선형 전력 증폭기의 전체 선형성이 최대로 되는 지점과는 차이가 발생되는 것이다. 물론, 제 1 루프의 제어를 처음부터 전체 선형 전력 증폭기의 선형성을 개선시키도록 제어하기 위하여 제 1 루프의 검출값이 아닌 제 2 루프에서 검출된 불요파 성분의 전력값이 낮아지도록 제어를 수행할 수 있지만, 이 경우에는 제 1 루프 자체의 제어 목적을 완전히 상실하여 과도한 신호의 크기가 제 2 루프, 즉 에러 증폭기로 인가되어 장치의 손상을 유발할 가능성이 있다.
따라서, 본 발명에서는 제 1 루프와 제 2 루프의 제어가 완료된 후, 선형 전력 증폭기의 선형성을 극대화하기 위하여 제 2 루프의 불요파 성분의 전력값을 이용, 이 전력값이 최소화되도록 제 1 루프를 다시 한번 작동시키는 제 3 단계의 최적 제어 단계를 수행한다.
상술한 제 1 루프와 제 2 루프가 독립적으로 안정화되었을 때, 제 1 루프의 검출 전력값이 아닌 루프 검출기에서 검출된 불요파 신호(L2)를 분석하여(단계 301) 불요파 성분의 전력값이 최소가 되도록 제 1 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 제어한다(단계 302 및 단계 303).
제어후, 변화된 불요파 성분의 검출값을 분석한다(단계 304). 이후, 단계 301의 전력값과 단계 304에서의 전력값을 비교하여(단계 305) 단계 305에서의 전력값이 크면 제 1 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 다시 제어하며, 작으면 불요파 신호(L2)의 최소 검출값을 확인한다(단계 306). 확인된 검출값이 최소값이 아닌 경우, 가변 위상 변화기(12) 및 가변 감쇄기(11)를 다시 제어하여 최종적으로 선형 전력 증폭기의 선형성이 최대가 되도록 한다.
제 4 단계 (도 5)
마지막 단계는 시스템 운영 조건의 변화 하에서도 최적의 제어 상태를 유지하기 위한 단계이다. 시스템 운영 조건의 변화에 따라 선형 전력 증폭기의 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수가 변화되며, 이들의 상태 변화 정도에 따라 제 1 루프 제어 또는 제 2 루프 제어를 선택, 반복 제어한다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 선형 전력 증폭기의 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수의 상태가 변화된 경우, 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계의 제어 과정을 다시 수행한다. 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수의 상태가 변화되지 않은 경우에는 제 2 단계인 제 2 루프 제어 단계를 계속 반복하며, 이러한 제 4 단계의 과정을 통하여 항상 안정된 최적 제어 상태를 유지할 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 선형 전력 증폭기의 선형성을 개선함으로써 제품의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다. 특히, 회로 및 기구적인 변화 없이 기존 선형 증폭기에 본 발명의 방법을 적용하는 것만으로도 증폭기의 선형성을 향상시킬 수 있기 때문에 간단하게 제품의 성능을 개선할 수 있고 그에 따라 제품의 신뢰성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 피드 포워드 방식의 선형 전력 증폭기의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 제 1 루프 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 3은 제 2 루프 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 4는 최적 루프 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 5는 최적 루프 제어 안정화 과정을 도시한 흐름도.
Claims (3)
- 입력된 2개의 반송파가 주 경로 및 보조 경로로 분기되어, 주 경로에는 제 1 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기, 주 증폭기 그리고 제 2 지연 선로가 직렬로 연결되며, 보조 경로에는 제 1 지연 선로와 제 2 루프를 구성하는 가변 감쇄기, 가변 위상 변화기 및 에러 증폭기가 직렬로 연결되어 있는 선형 전력 증폭기의 루프 제어 방법에 있어서,제 1 루프에서 검출된 최소 전력값을 갖도록 제 1 루프를 제어하는 단계 및 출력단에서의 불요파 신호가 최소 전력값을 갖도록 제 2 루프를 제어하는 단계 후, 검출기에서 검출된 불요파 신호의 크기를 줄이기 위하여 제 1 루프에서 검출된 신호가 아닌 출력단에서 검출된 불요파 신호가 최소화 되도록 제 1 루프를 제어하는 최적 제어 단계 및 시스템 운영 조건의 변화에 따라 최적 제어 상태를 유지하는 단계를 포함하여 선형 전력 증폭기의 전체적인 선형성을 향상시키는, 선형 전력 증폭기의 루프 제어 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 최적 제어 단계는,제 1 루프와 제 2 루프가 안정된 이후, 루프 검출기에서 검출된 불요파 성분의 전력값을 제 1 루프에서 분석, 확인하는 단계;제 1 루프 제어 요소인 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계;제 1 루프 제어후, 변화된 불요파 성분의 전력값을 다시 분석, 확인하는 단계;제어 이전의 불요파 전력값과 제어 이후의 불요파 전력값을 비교하는 단계;제어 이후의 불요파의 전력값이 상승한 경우, 제 1 루프의 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계;제어 이후의 불요파의 전력값이 감소한 경우, 불요파 전력값이 최소로 낮아졌는지 확인하는 단계;불요파의 전력값이 최소값이 아닌 경우, 제 1 루프의 가변 위상 변화기 및 가변 감쇄기를 제어하는 단계를 포함하여 선형 전력 증폭기의 선형성이 최대가 되도록 하는 선형 전력 증폭기의 루프 제어 방법.
- 제 1 항에 있어서, 최적 제어 상태 유지 단계는 선형 전력 증폭기의 온도, 출력 전력 및 주신호의 주파수 상태가 변화된 경우, 제 1 루프 제어 단계, 제 2 루프 제어 단계 및 최적 제어 단계를 다시 수행하며, 선형 전력 증폭기의 상태가 변화되지 않은 경우 제 2 루프 제어 단계를 반복적으로 실행하는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭기의 루프 제어 방법.
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|---|---|---|---|
| KR10-2003-0070314A KR100519700B1 (ko) | 2003-10-09 | 2003-10-09 | 선형 전력 증폭기의 최적 루프 제어 방법 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102080202B1 (ko) | 2019-08-23 | 2020-02-21 | 주식회사 패러다임 | 선형 전력 증폭 장치 |
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2003
- 2003-10-09 KR KR10-2003-0070314A patent/KR100519700B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
| KR102080202B1 (ko) | 2019-08-23 | 2020-02-21 | 주식회사 패러다임 | 선형 전력 증폭 장치 |
| KR102580013B1 (ko) | 2023-03-23 | 2023-09-18 | 문용길 | 선형전력증폭기 |
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