KR100526293B1 - 자동 전력 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GSM 이동 통신 단말기용 전력 증폭기의 출력단의 RF 신호를 감지하여 상기 증폭기의 이득을 조절하는 자동 전력 제어 장치(APC)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자동 전력 제어 장치는, 전력 증폭기의 출력단에 흐르는 RF 신호에 의하여 형성되는 자기장을 이용하여 상기 RF 신호에 대응하는 교류 전압을 생성하는 전력 검출장치와, 상기 전력 검출장치에 연결되고, 상기 전력 검출장치로부터 수신한 교류 전압을 DC 직류 전압으로 변환하는 DC 디텍터, 및 상기 전력 증폭기의 출력 전력을 제어하기 위하여, 소정의 기준 전압값과 상기 DC 디텍터의 출력 전압의 차이에 대응하는 보상 전압을 상기 전력 증폭기에 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동 전력 제어 장치{AUTOMATIC POWER CONTROL}
본 발명은 GSM(Global System for Mobile communication) 이동 통신 단말기용 전력 증폭기(Power Amplifier: 이하 'PA'라 칭함)에 관한 것으로, 상기 전력 증폭기의 출력단의 RF 신호를 감지하여 상기 증폭기의 이득을 조절하는 자동 전력 제어 장치(Automatic Power Control: 이하 'APC'라 칭함)에 관한 것이다.
도1은 일반적인 GSM 이동 통신 단말기용 전력 증폭기(PA)의 회로도이다.
일반적으로, 전력증폭기(PA)(110)는 이동 통신 단말기가 기지국으로 송신하는 신호를 필요한 크기로 증폭하는 회로이다. 도1을 참조하면, 전력증폭기(110)의 입력단(111)에는 저전력의 RF 신호가 입력된다. 이와 같은 저전력의 RF 신호는 입력 정합 회로(112)를 경유하여 다단의 트랜지스터(113, 114, 115)에서 원하는 크기의 고전력 RF 신호로 증폭된다. 이후 이와 같이 증폭된 고전력의 RF 신호는 출력 정합 회로(116)를 경유하여 출력단(117)에 연결된 안테나(120)를 통하여 기지국(도시되지 않음)으로 방사된다.
이러한 전력 증폭기(110)는 이동 통신 단말기 사용자간 신호의 간섭이 발생하는 문제 또는 이동 통신 단말기 배터리 용량에 한계가 있는 문제 등으로 인하여 상기 전력 증폭기(110)의 이득(gain)을 상황에 따라 조절하여야 한다. 또한 상기 전력 증폭기(110)는 통신 규정에 따라 특정 범위내에서 운용되어야 한다. 그러나, 상기 전력 증폭기(110) 자체의 비선형성 및 온도에 대한 불안정성 등으로 인하여 그 제어가 용이하지 않다.
따라서 이와 같은 문제를 극복하고 상기 전력 증폭기(110)의 이득 조절을 위하여 추가적으로 자동 전력 제어 장치(APC)가 필요한다.
상기 자동 전력 제어 장치가 상기 전력증폭기의 출력값을 판단하기 위하여 사용되는 방식에는 개루프(open-loop) 방식과 폐루프(closed-loop) 방식이 있다. 개루프 방식이란 전력 증폭기(110)의 바이어스(bias) 부근(118)에 인가되는 전류 신호 또는 전압 신호를 감지한 후, 이를 이용하여 전력 증폭기(110)의 이득을 제어하는 방식이다. 그러나 개루프 방식은 전력 증폭기(110)의 이득 제어를 위하여, 상기 전력 증폭기(110)의 출력을 이용하지 않고서 바이어스 부근(118)의 전류 또는 전압신호를 이용하는 간접적인 방법에 해당한다.
반면에 폐루프 방식이란 송신 안테나(120) 바로 앞에 있는 전력 증폭기 출력단(117)에서 전자파(EM-wave) 세기를 측정한 후, 이를 직접 이용하여 전력 증폭기(110)의 이득을 제어하는 방식이다. 그러나, 폐루프 방식에는 상기 전력증폭기 출력단(117)에 전자기 결합 현상을 이용한 커플러(coupler)를 이용한다. 그러나 이러한 커플러가 원하는 커플링 계수(Coupling Ratio)를 갖도록 조절하는 작업이 용이하지 않으며, 복잡한 회로를 구성해야 하는 문제가 있다.
또한 종래의 자동 전력 제어 장치에서는 커플러를 이용하여 상기 전력 증폭기(110)의 RF 전송 신호의 일부를 분기하고, 이를 가지고서 상기 전력 증폭기의 이득 제어에 이용한다. 따라서 종래의 자동 전력 제어 장치는 이동 통신 단말기의 전송 효율을 감소시키는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 PCB 기판 내부에 발생하는 자기장을 이용하여 상기 PCB 기판 상의 마이크로 스트립 형태의 전송라인을 따라 흐르는 RF 신호의 전력을 검출하는 전력 검출 장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로 스트립 형태의 전송 선로가 지원하는 모든 주파수 대역에서 용이하게 상대적인 전력을 측정할 수 있는 전력 검출 장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 소형의 간단한 구조로서 PCB 기판 내부에 발생하는 자기장을 이용하여 전력증폭기의 출력 전력을 제어할 수 있는 자동 전력 제어 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 검출 장치는, 적층 구조의 PCB 기판 내부에 소정의 면적을 갖는 폐루프 형상의 도전체로 구성되며, 상기 PCB 기판 상에 배열된 스트립 라인를 따라 RF 신호가 전송되는 경우에 상기 PCB 기판 내부에 형성되는 자기장을 이용하여 소정의 교류 전류를 검출하는 전력 검출부와, 상기 전력 검출부에 연결되며, 소정의 저항을 갖고 상기 교류 전류를 교류 전압으로 변환하는 전압 검출 라인, 및 일단이 상기 전력 검출부에 연결되고 타단은 상기 PCB 기판에 형성된 그라운드와 연결되어, 상기 전력 검출부를 접지시키기 위한 접지 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동 전력 제어 장치는, 전력 증폭기의 출력단에 흐르는 RF 신호에 의하여 형성되는 자기장을 이용하여 상기 RF 신호에 대응하는 교류 전압을 생성하는 전력 검출장치와, 상기 전력 검출장치에 연결되고, 상기 전력 검출장치로부터 수신한 교류 전압을 DC 직류 전압으로 변환하는 DC 디텍터, 및 상기 전력 증폭기의 출력 전력을 제어하기 위하여, 소정의 기준 전압값과 상기 DC 디텍터의 출력 전압의 차이에 대응하는 보상 전압을 상기 전력 증폭기에 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도2는 종래의 자동 전력 제어 장치(APC) 용 커플러이다.
도2를 참조하면, 이동 단말기용 고주파 회로 기판에서 주로 이용되는 전송 선로(Transmission Line)는 소정의 폭(W)을 갖는 마이크로 스트립 라인(microstrip line)(210)으로 형성된다. 이러한 스트립 라인(210)은 다층 구조로 되어 있는 PCB 기판(220) 위에 구성된다. 상기 스트립 라인(210)를 따라 RF 신호가 전송되는 경우에는, 상기 스트립 라인(210)의 주위로 전기장(E)이 형성된다. 상기 전기장(E)은 상기 스트립 라인(210)으로부터 상기 PCB 기판(220) 내부에 존재하는 그라운드(221)를 향하여, 상기 스트립 라인(210)의 약 1.3 배의 폭(1.3W)으로 형성된다.
종래의 커플러(230)는 상기 스트립 라인(210)과 인접하는 위치에서 상기 PCB 기판(220) 위에 구성된다. 그리고 종래의 커플러(230)는 상기 스트립 라인(210)의 주위에 발생하는 전기장(E')의 일부(E')를 이용하여 상기 RF 신호의 전력을 측정한다. 즉 상기 커플러(230)는 상기 스트립 라인(210)의 주위에 형성되는 전기장(E)의 일부(E')가 상기 커플러(230) 상으로 분기되도록 하고, 이렇게 분기된 전기장(E')을 이용하여 상기 RF 신호에 관한 전력을 측정하였다. 그러나, 이와 같은 전기장을 이용한 커플러(230)는 전송 신호의 일부분에 해당하는 전기장(E')이 상기 커플러(230)로 분기되고, 그 나머지만 안테나(120)로 공급되므로 이동 단말기의 전송 효율이 낮다는 문제가 있다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 검출 장치이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 검출 장치는 종래의 전기장을 이용한 커플러(230)와는 달리, 이동 단말기의 PCB 기판(220) 상의 스트립 라인(210)를 따라 RF 신호가 전송되는 경우에 상기 PCB 기판(220) 내부에 형성되는 자기장(H)을 검출하는 방법을 이용한다.
도3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 검출 장치(300)는 상기 PCB 기판(220) 내부에서, 소정의 면적을 갖는 폐루프 구조의 전력검출부(310), 소정의 저항(R)(321)을 갖는 전압 검출 라인(320)과, 접지라인(330)을 포함한다.
상기 전력 검출 장치(300)는 다음과 같은 방법으로 상기 스트립 라인(210)을 따라 전송되는 RF 신호의 전력을 검출할 수 있다.
상기 PCB 기판(220) 위에 구성된 스트립 라인(210)를 따라 RF 신호가 전송되는 경우에 상기 스트립 라인(210)의 하부에 적층구조로 형성되는 PCB 기판(220) 내부에는 상기 RF 신호에 대응하는 자기장(H)이 형성된다. 그리고 상기 전력 검출 장치(300)는 상기 자기장(H)이 상기 전력검출부(310)의 내부를 통과하도록 상기 PCB 기판(220)의 내부에 위치한다.
그러면 상기 루프 형상의 전력검출부(310) 내부를 통과하는 자속(magnetic flux)의 변화를 이용하여 하기 〈수학식1〉과 같이 전류 형태의 신호를 검출할 수 있다.
여기서, I는 전류이며, H는 자기장이고, 는 자속(electric flux)이다.
그리고, 이와 같이 검출한 전류 신호는 소정의 저항(R)을 갖는 상기 전압 검출 라인(320)의 일단에서 하기 〈수학식2〉와 같이 전압을 검출할 수 있다. 이때 상기 접지 라인(330)의 일단은 상기 전력 검출부(310)에 연결되고, 타단은 상기 PCB 기판의 그라운드(221)와 연결되어, 상기 전력 검출 장치(300)를 접지시킨다. 또한 상기 폐루프의 전력검출부(310)가 상기 소정의 저항(R)을 갖도록 형성함으로써, 상기 전압 검출 라인(320)은 상기 전력검출부(310)의 일부로 구성할 수도 있다.
V=IR
여기서, V는 전압이고, R은 상기 전압 검출 라인(320)에 연결된 소정의 저항(321)이다.
또한, 상기 자기장(H)이 상기 PCB 기판(220)에 따른 손실이 적을 경우에, 상기 전력 검출 장치(300)를 이용하여 상기 스트립 라인(210)의 길이방향으로 단위 면적당 흐르는 전력(Sarea)는 하기 〈수학식3〉와 같이 구할 수 있다.
여기서, Sarea는 단위 면적당 전력, E는 전기장, H는 자기장, η는 매질의 고유 임피던스(intrinsic impedance)이다.
상기 〈수학식1〉 내지 〈수학식3〉를 참조하면, 자기장의 세기(H)를 측정하는 것을 전류(I) 또는 전압(V)에 비례하는 물리량으로 나타남을 알 수 있다. 따라서 상기 스트립 라인(210)을 따라 전송되는 RF 신호에 대응하여 상기 PCB 기판(220) 내에 발생하는 자기장(H)을 이용하여, 상기 RF 신호에 비례하는 전력(Sarea)을 검출할 수 있다. 또한, 상기 〈수학식3〉에서 상기 RF 신호의 전력(Sarea) 및 상기 자기장의 세기(H)는 로그 스케일(log scale)에서는 선형 관계를 갖게 되므로, 이를 상기 자기장(H)을 이용하여 다른 신호의 제어가 용이하다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 자동 전력 제어 장치이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 전력 제어 장치는 상술한 자기장을 이용한 전력 검출 장치(300)와, DC 디텍터(DC Dector)(410)와, 제어부(420)를 포함한다.
상기 전력 검출장치(300)는 상술한 이동 단말기의 PCB 기판(220) 상의 스트립 라인(210)을 따라 RF 신호가 전송될 때, 상기 PCB 기판(220)에 내부에 발생하는 자기장(H)을 검출한다. 그리고 이러한 자기장(H)을 이용하여 상기 전력증폭기 출력단(117)을 흐르는 RF 신호에 대응하는 교류 전압을 출력한다.
상기 전력 검출장치(300)는 PCB 기판(220) 내부의 층간에 통과하는 경로에 해당하는 비아(via) 및 상기 적층 구조의 기판(220) 사이에 프린트(print)하는 방법을 이용하여 구현할 수 있다. 그리고 상기 전력 검출부(310)가 형성하는 폐루프는 상기 PCB 기판(220) 내부에 형성되는 자기장이 통과하는 위치에 구성하고, 사용 대역 주파수에 따라 그 면적을 정함으로써, 상기 전력 검출장치(300)가 검출하는 전력의 양을 용이하게 조절할 수 있다. 또한 상기 전력 검출장치(300)는 적층 구조의 PCB 기판(220) 내부에 프린트 방법 및 층간 비아(via)를 이용하여 용이하게 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전력 검출 장치(300)를 상기 전력증폭기(110)의 전력 제어에 이용하는 경우에는, 상기 마이크로 스트립 형태의 전송 선로(210)가 지원할 수 있는 모든 주파수 대역에서 단지 상기 전력 검출부(310)의 면적을 조절함으로써 상대적인 전력을 측정할 수 있다. 이러한 점에서 본 발명에 따른 전력 검출장치(300)는 기존의 전기장을 이용한 커플러가 매우 제한적인 주파수 대역에 대하여만 사용할 수 있다는 단점을 극복할 수 있다.
상기 DC 디텍터(410)는 상기 전력 검출장치(300)에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 상기 DC 검출기(410)는 예를 들어 다이오드를 이용하여 구현할 수 있다.
상기 제어부(420)는 이동 단말기의 저주파 신호를 처리하는 베이스 밴드부(미도시)로부터 제공되는 소정의 기준 전압값과 상기 DC 디텍터(410)의 출력값과의 차이에 대응하는 보상 전압을 상기 전력 증폭기(110)에 제공한다. 상기 제어부(420)로부터 제공된 보상 전압은 상기 전력 증폭기(110) 내부의 바이어스 제어부(119)를 통하여 다수의 트랜지스터(113, 114, 115)로 공급되고, 상기 트랜지스터(113, 114, 115)는 상기 보상 전압에 따라 상기 전력증폭기(110)의 출력 전력을 조절한다. 상기 제어부(420)는 예를 들어 소정의 에러 증폭기(Error Amp)와 커패시터(C)를 포함하는 적분기(integrator)로 구성될 수 있다. 이때 상기 에러 증폭기의 정(+) 입력에는 상기 베이스 밴드부(미도시)로부터 제공되는 소정의 기준 전압값이 제공되고, 부(-) 입력으로는 상기 DC 디텍터(410)의 출력 전압이 제공될 수 있다.
이와 같은 방법에 의하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 전력 제어 장치(400)는 소형의 간단한 구조를 갖고서 상기 전력증폭기(110)에 대한 출력 전력을 조절하게 된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면 전력증폭기의 출력 전력에 손실이 발생하지 않으므로 이동단말기의 전송효율이 증가되는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 간단한 구조의 자동 전력 제어 장치를 이용하여 전력 증폭기의 출력 전력을 제어할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 PCB 기판 상의 마이크로 스트립 형태의 전송 선로가 지원할 수 있는 모든 주파수 대역에서 상대적인 전력을 용이하게 측정할 수 있다.
도1은 일반적인 GSM 이동 통신 단말기용 전력 증폭기(PA)의 회로도,
도2는 종래의 자동 전력 제어 장치(APC) 용 커플러,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 검출 장치,
도4는 본 발명의 실시예에 따른 자동 전력 제어 장치.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
110: 전력증폭기(PA) 111: 입력단
112: 입력 정합 회로 113 내지 115: 트랜지스터
116: 출력 정합 회로 117: 출력단
118: 바이어스 부근 119: 바이어스 제어부
120: 안테나 210: 스트립 라인
220: PCB 기판 221: 그라운드
230: 커플러 300: 전력 검출 장치
310: 전력검출부 320: 전압 검출 라인
321: 저항 330: 접지 라인
410: DC 디텍터 420: 제어부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 이동통신 단말기에서, 베이스 밴드 처리부로부터 수신한 신호를 소정의 전력으로 증폭하는 전력증폭기의 출력을 제어하는 자동 전력 제어 장치에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 출력단에 흐르는 RF 신호에 의하여 형성되는 자기장을 이용하여 상기 RF 신호에 대응하는 교류 전압을 생성하는 전력 검출장치;
    상기 전력 검출장치에 연결되고, 상기 전력 검출장치로부터 수신한 교류 전압을 DC 직류 전압으로 변환하는 DC 디텍터;및
    상기 전력 증폭기의 출력 전력을 제어하기 위하여, 소정의 기준 전압값과 상기 DC 디텍터의 출력 전압의 차이에 대응하는 보상 전압을 상기 전력 증폭기에 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전력 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전력 검출 장치는,
    적층 구조의 PCB 기판 내부에 소정의 면적을 갖는 폐루프 형상의 도전체로 구성되며, 상기 PCB 기판 상에 배열된 스트립 라인를 따라 RF 신호가 전송되는 경우에 상기 PCB 기판 내부에 형성되는 자기장을 이용하여 소정의 교류 전류를 검출하는 전력 검출부;
    상기 전력 검출부에 연결되며, 소정의 저항을 갖고 상기 교류 전류를 교류 전압으로 변환하는 전압 검출 라인;및
    일단이 상기 전력 검출부에 연결되고 타단은 상기 PCB 기판에 형성된 그라운드와 연결되어, 상기 전력 검출부를 접지시키기 위한 접지 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전력 제어 장치.
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