KR100542444B1 - 전력 증폭기의 전치왜곡장치 - Google Patents

전력 증폭기의 전치왜곡장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 증폭기의 전치왜곡장치에 관한 것으로, 입력신호를 Q 경로 신호와 I 경로 신호로 분배하는 분배기; 90°하이브리드 커플러와 상기 90°하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 Q 경로 신호를 인가받아 Q 경로 신호 이득의 변화 및 Q 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 거쳐 제 1 혼변조 신호를 출력하는 제 1 반사형 혼변조 발생기; 90°하이브리드 커플러와 상기 90°하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 I 경로 신호를 인가받아 I 경로 신호 이득의 변화 및 I 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 거쳐 제 2 혼변조 신호를 출력하는 제 2 반사형 혼변조 발생기; 및 상기 제 1 혼변조 신호와 상기 제 2 혼변조 신호를 입력받아 상호 결합하여 출력하는 결합기로 구성된다. 따라서, 다양한 이득 및 위상 특성을 갖는 전치왜곡 신호를 출력 가능한 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 제공한다.
전치왜곡장치, 카테시안 벡터 변조기 구조, 반사형 혼변조 발생기

Description

전력 증폭기의 전치왜곡장치{Pre-distortion apparatus of power amplitude}
도 1은 종래의 반사형(reflection type) 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도,
도 2는 종래의 카테시안 형태(Cartesian type)의 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 카테시안 벡터 변조기 구조를 이용한 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도,
도 4a는 도 3에서의 반사형 혼변조 발생기의 쇼트키 다이오드 저항 변위에 따른 위상 시프트 특성을 보여주는 그래프, 도 4b는 도 3에서의 출력신호 다이어그램이 모든 사분면에 존재함을 보여주는 도면,
도 5a는 고정된 입력전력 조건에서 도 3의 출력신호 다이어그램을 나타낸 도면, 도 5b는 Q 경로의 이득이 0.1인 경우 도 3의 이득 및 위상의 기울기 특성을 나타낸 그래프, 도 5c는 정규화된 Q 경로 신호의 이득과 위상 시프트에 따른 도 3의 이득 기울기 특성을 나타낸 그래프, 도 5d는 정규화된 Q 경로 신호의 이득과 위상 시프트에 따른 도 3의 위상 기울기 특성을 나타낸 그래프,
도 6a는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 압축 및 위상 지연 특성의 그래프, 도 6b는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 확장 및 위상 지연 특성의 그래프, 도 6c는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 압축 및 위상 전진 특성의 그래프, 도 6d는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 확장 및 위상 전진 특성의 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101, 201, 301, 302, 303 : 90°하이브리드 커플러(90° Hybrid coupler),
102, 305, 306, 307, 308 : 쇼트키 다이오드(Schottky diode),
103 : 정합회로(Matching circuit),
104 : 병렬 캐패시터(Parallel capacitor),
105 : 개방 회로 선로(Open-circuited line),
202, 304 : 동위상 결합기(In-phase combiner),
210, 220 : 듀얼-게이트 에프이티(Dual-gate FET),
310 : 제 1 반사형 혼변조 발생기(Reflection IM generator),
320 : 제 2 반사형 혼변조 발생기(Reflection IM generator),
110, 230, 330 : 신호입력단,
120, 240, 340 : 신호출력단,
350 : 쇼트키 다이오드의 등가회로.
본 발명은 전력 증폭기의 전치왜곡장치(Pre-distortion apparatus of power amplitude)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신호입력단의 90°의 위상 시프트를 가지는 90°하이브리드 커플러, 쇼트키 다이오드를 포함하여 특성 임피던스 부근에서 180°의 갑작스러운 위상 시프트를 가지는 반사형 혼변조 발생기 및 동위상 결합기를 카테시안 벡터 변조기(Cartesian vector modulator)구조로 배열하여 다양한 이득 및 위상 특성을 갖는 전치왜곡 신호가 출력되도록 하는 전력 증폭기의 전치왜곡장치에 관한 것이다.
일반적인 통신 시스템에서는 송신단의 안테나에서 높은 출력으로 전자파를 송신하여야 원거리의 수신단에서 신호를 수신할 수 있다. 전력 증폭기란 이러한 통신 시스템의 최종단에 위치하여 입력신호를 원하는 수준의 높은 전력으로 증폭하여 안테나에 전송시켜 주는 모듈로써 주로 트랜지스터를 사용하여 제작한다.
이동통신의 발전에 따라 출력이 높은 전력 증폭기 뿐만 아니라 선형 특성이 좋은 전력 증폭기의 요구가 더욱 증가하고 있다.
전력 증폭기의 가장 중요한 특성 중 하나가 혼변조(IMD : Inter-Modulation Distortion)인데 고출력 전력 증폭기는 최대 출력을 얻기 위해 디바이스를 비선형 영역에서 동작시켜야하지만, 이에 따른 왜곡 때문에 입력 전력을 낮추어 선형 영역에서 동작시키는 백-오프(Back-off) 방식을 이용한다. 이 방식은 많은 수의 트랜지스터를 필요로 하고, 그에 따른 부피 증가와 전력효율의 감소, 방열 문제 그리고 더 큰 전원을 공급해야하는 단점이 있다.
고출력 전력 증폭기의 단점을 보완하는 방법이 선형화기를 사용한 선형 전력 증폭기(LPA : Linearized Power Amplifier)의 사용이다. 선형화에는 여러 가지 방식이 있지만 가장 널리 사용되는 방식에는 전치왜곡장치(Predistorter) 방식과 피드-포워드(Feed-forward) 방식이 있다.
전치왜곡장치(Predistorter)는 선형화 시킬 전력 증폭기의 입·출력 특성을 미리 조사하여 입력단에 전력 증폭기에서 발생할 혼변조 신호에 대해 반대되는 신호를 인가하여 혼변조 특성을 개선시키는 방식으로 넓은 대역폭과 간단한 회로구성으로 구현이 가능하다는 장점이 있다. 한편, 피드-포워드 방식은 최종 출력단에서 증폭기에서 발생한 혼변조 성분을 빼줌으로써 선형화 시키는 방법이다.
상기 방식 중에서 성능에 비해 비용이 저렴하고, 보다 넓은 대역폭에서도 동작하는 선형화 방법으로 전치왜곡 방식이 많이 사용된다. 이와 같은 전치왜곡 방식은 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성과는 반대로 입력신호를 미리 왜곡시켜서 전력 증폭기의 입력으로 제공하면 결과적으로 선형성이 개선된 결과를 얻게 된다.
전력 증폭기의 비선형 특성은 입력신호전력의 증가에 따른 출력신호 전력의 변화를 나타내는 AM/AM(Amplitude Modulation to Amplitude Modulation) 특성과 입력신호 전력의 증가에 따른 출력신호의 위상변화를 나타내는 AM/PM(Amplitude Modulation to Phase Modulation) 특성으로 표현된다.
전력 증폭기의 AM-AM 특성과 AM-PM 특성은 다음과 같은 4 가지의 형태로 구분되어 진다.
1) 이득 압축(Gain compression)과 위상 지연(Phase lag),
2) 이득 확장(Gain expansion)과 위상 지연(Phase lag),
3) 이득 압축(Gain compression)과 위상 전진(Phase advance),
4) 이득 확장(Gain expansion)과 위상 전진(Phase advance).
상기 AM-AM 특성과 AM-PM 특성을 개선하기 위해서, 전력 증폭기의 전치왜곡장치가 사용되어 질 수 있다. 종래에 다양한 이득 및 위상 특성을 보상하기 위한 여러 가지 전력 증폭기의 전치왜곡장치가 제안되었다.
도 1은 종래의 반사형(reflection type) 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전기적 매뉴얼 튜닝(Electrically manual tuning)을 통해 다른 이득 및 위상 특성을 제공하는 전치왜곡장치를 나타낸다.
도 1의 반사형 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도에서, 90°하이브리드 커플러(101)는 신호입력단(110)을 통한 입력신호(RFin)를 동위상 성분과 90°의 위상차 성분으로 나누어지도록 한다.
90°하이브리드 커플러(101)를 통과한 입력신호의 하나는 개방 선로 라인(105)에 적용되는데, 여기에 적용된 모든 신호는 개방 선로 라인(105)의 위상 변화량을 가진 선형 성분을 반사하여 신호출력단(120)으로 들어가게 된다. 90°하이브리드 커플러(101)를 통과한 입력신호의 다른 하나는 정합회로(103)와 병렬 캐패시터(104)를 통해 쇼트키 다이오드(102)에 적용되어, 비선형 성분을 발생시키게 된다. 쇼트키 다이오드(102)에 도달한 대부분의 전력은 신호출력단(120)으로 들어가게 된다. 이와같이, 개방 선로 라인(105)과 쇼트키 다이오드(102)에 의하여 반사된 신호는 90°하이브리드 커플러(101)에서 결합하여 신호출력단(120)으로 출력된다.
이와같이, 90°하이브리드 커플러(101)에서는 두 개의 포트(Port)에서 반사된 신호들의 결합을 통하여 전치왜곡 신호를 얻게된다. 여기에서, 전치왜곡 신호를 발생시키기 위해 필요한 위상 변화량은 개방 선로 라인(105)의 길이를 조절하여 얻게 된다.
그러나, 도 1에서 제시된 전기적 매뉴얼 튜닝을 통한 방법은 전력 증폭기의 다양한 이득 및 위상에 대한 전치왜곡 신호를 얻는 데 일정한 한계를 나타내는 문제점이 있다. 즉, 전력 증폭기의 비선형 특성은 출력 전력에 따라 변화하는 경향이 있기 때문에 전치왜곡 신호를 정확히 얻는데 한계가 있고, 도 1에 의하는 경우 전력 증폭기의 비선형 특성이 바뀌는 경우 그에 상응하게 정합회로(103)를 조절해 주어야 한다는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 카테시안 형태(Cartesian type) 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 카테시안 형태(Cartesian type) 전력 증폭기 전치왜곡장치의 신호입력단(230)에서의 입력신호(PDin)는 90도 하이브리드 커플러(201)에서 두 개의 동일한 크기를 가지며, 90°의 위상차를 가지는 신호들로 분리된다. 분리된 신호들은 비선형 동작을 가지는 바이어스된 듀얼-게이트 에프이티(dual-gate FET)(210)(220)에 각각 입력된다. 듀얼-게이트 에프이티(210)(220)에 입력된 신호들은 동위상 결합기(202)로 출력되어 결합된다. 동위상 결합기(202)에서는 입력된 신호들을 결합하여 신호출력단(240)으로 전치왜곡된 출력신호(PDout)를 출력하게 된다. 두 개의 듀얼-게이트 에프이티(210)(220)에서의 비선형성은 각각의 듀얼-게 이트 에프이티(210)(220)의 직류 바이어스(바이어스 B, 바이어스 A)를 조절함으로써 제어할 수 있게 된다. 도 2에 의하는 경우 이론적으로 두 가지의 이득(gain)과위상(phase) 특성을 얻을 수 있다.
그러나, 도 2에서 제시된 종래의 카테시안 형태 전력 증폭기 전치왜곡장치는, 제시된 배열의 위상 시프트 한계성 때문에 단지 2 가지의 이득 및 위상 특성만을 제공한다는 문제점이 있다. 여기에서 위상 시프트의 한계성이란, 도 2와같은 구조에서 선택되는 소자(듀얼-게이트 에프이티)에 따라 위상 시프트가 좌우된다는 것이다. 선택되는 소자의 특성에 의하여 위상 시프트가 줄어들게 되면 혼변조 신호를 개선할 수 있는 범위가 감소하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 신호입력단의 90°의 위상 시프트를 가지는 90°하이브리드 커플러, 쇼트키 다이오드를 포함하여 특성 임피던스 부근에서 180°의 갑작스러운 위상 시프트를 가지는 반사형 혼변조 발생기 및 동위상 결합기를 카테시안 벡터 변조기(Cartesian vector modulator)구조로 배열하여 다양한 이득 및 위상 특성을 갖는 전치왜곡 신호가 출력되도록 하는 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전력 증폭기의 비선형성 보상을 위한 전치왜곡장치를 구현하는 경우에, 전력 증폭기의 비선형 특성에 따른 종래의 전치왜곡장치의 전기적 매뉴얼 튜닝에 의하는 방식, 선택되는 소자에 따라 위상 변화량이 발생하는 방식에 의하지 않고 전치왜곡 신호를 발생 할 수 있다. 본 발명에서의 전치왜곡장치에서 4 가지의 서로 다른 이득 및 위상 특성을 얻기 위해 반사형 혼변조 발생기들의 바이어스 전압을 조절해 줌으로써 전력 증폭기의 비선형성 보상을 위한 최적의 이득 및 위상의 특성을 제공하는 데 그 목적이 있다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 전력 증폭기의 전치왜곡장치의 바람직한 일 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 입력신호를 Q 경로 신호와 I 경로 신호로 분배하는 분배기; 90°하이브리드 커플러와 상기 90°하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 Q 경로 신호를 인가받아 상기 Q 경로 신호 이득의 변화 및 상기 Q 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 거쳐 제 1 혼변조 신호를 출력하는 제 1 반사형 혼변조 발생기; 90°하이브리드 커플러와 상기 90°하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 I 경로 신호를 인가받아 상기 I 경로 신호 이득의 변화 및 상기 I 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 거쳐 제 2 혼변조 신호를 출력하는 제 2 반사형 혼변조 발생기; 및 상기 제 1 혼변조 신호와 상기 제 2 혼변조 신호를 입력받아 상호 결합하여 출력하는 결합기로 이루어진 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 포함한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 카테시안 벡터 변조기 구조를 이용한 전력 증폭기 전치왜곡장치의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전치왜곡장치는 신호입력단(330), 90°하이브리드 커플러(301), 반사형 혼변조 발생기(310)(320), 동위상 결합기(304) 및 신호출력단(340)을 포함한다.
이와같이 구성된 전치왜곡 선형화 장치는 신호입력단(330)의 90° 하이브리드 커플러(301)와 반사형 혼변조 발생기(310)(320)에서 위상 시프트가 이루어지게 된다.
신호입력단(330)의 하이브리드 커플러(301)는 신호입력단(330)을 통한 입력신호(Vin)를 동위상 성분과 90°의 위상차 성분으로 나누어지도록 위상 시프트를 제공한다.
또한, 반사형 혼변조 발생기(310)(320)에서도 위상 시프트가 이루어지게 되는데 이에 대하여 살펴보기로 한다.
반사형 혼변조 발생기(310)는 90°하이브리드 커플러(303)와 쇼트키 다이오드(307)(308)로 이루어져 있다. 또한, 반사형 혼변조 발생기(320)는 90°하이브리드 커플러(302)와 쇼트키 다이오드(305)(306)로 이루어져 있다.
쇼트키 다이오드(305), (306), (307), (308)의 각각에 해당하는 등가회로는 참조번호 350에서 보는 바와 같이 저항(
Figure 112004005001868-pat00001
)과 커패시터(
Figure 112004005001868-pat00002
)로 나타낼 수 있다.
쇼트키 다이오드(307), (308), (305), (306) 각각의 부하 임피던스는 식(1)과 같다.
Figure 112004005001868-pat00003
(1)
쇼트키 다이오드(305), (306), (307), (308) 각각의 부하 어드미턴스는 식(2)와 같다.
Figure 112004005001868-pat00004
(2)
반사형 혼변조 발생기(310), (320)에서의 반사계수는 식(3)과 같다.
Figure 112004005001868-pat00005
(3)
여기에서
Figure 112004005001868-pat00006
는 특성 임피던스의 역이다. 식(3)의 반사계수는, 식(4)의 반사형 혼변조 발생기(310), (320)의 반사계수에 대한 이득과 식 (5)의 반사형 혼변조 발생기(310), (320)의 반사계수에 대한 위상으로 나타낼 수 있다.
Figure 112004005001868-pat00007
(4)
Figure 112004005001868-pat00008
(5)
식(5)를 통하여 위상 시프트 특성이 계산되어지는데, 상기 위상 시프트 특성은 다이오드 저항 함수로 나타낼 수 있다.
도 4a에서는, 180°의 갑작스러운 위상 변화(transition)는 특성 임피던스 주위에서 발생되는 것을 나타내고 있다. 쇼트키 다이오드에 인가되는 바이어스 전압을 변화시킴으로써 이론적으로 저항(Rd)은 무한대 옴(θ)(개방)에서 영 옴(θ)(단락) 사이에서 변화하게 된다. 식(3)의 반사계수 공식에 의하면 이득은 저항(Rd)이 50 옴(θ)에서 가장 큰 감쇠를 가지고, 위상은 50 옴(θ)보다 크면 양(+)의 값을 가지고, 50 옴(θ)보다 작으면 음(-)의 값을 가지며, 50 옴(θ)에서 180°의 위상 변화량을 보이는 것을 볼 수 있다. 이러한 변화 효과는 신호의 극성 표시의 변 화를 위해서 사용된다. 신호의 극성 선택은 본 발명의 실시예의 출력신호가 도면 4b에서 보여주듯이 모든 사분면에서 나타나도록 한다. 그래서 본 발명의 바람직한 실시예는 위상 시프트를 위한 복잡한 회로의 구현 없이 360° 위상 시프트를 가질 수 있다.
신호입력단(330)를 통하여 입력된 입력신호(Vin)는 90°하이브리드 커플러(301)에 전달된다. 90°하이브리드 커플러(301)를 통하여 출력된 신호는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112004005001868-pat00009
(6)
Figure 112004005001868-pat00010
(7)
상기 (6) 신호는 입력신호에서의 진폭에서 3dB 감쇄를 가지는 진폭을 가지고, 위상은 90°의 위상차를 가지고 Q 경로(path)로 전달된다. 한편, 상기 (7)신호는 입력신호에서의 진폭에서 3dB 감쇄를 가지는 진폭을 가지고, 위상은 동위상으로 I 경로(path)로 전달된다.
여기에서 90°하이브리드 커플러(301)는 두 개의 출력을 각각 반반씩의 전력, 즉 -3dB 커플러로서 입력 전력을 균등하게 배분하는 일종의 전력 분배기(Power Devider) 역할을 하게 된다. 신호입력단(330)측에서의 종단저항(50θ)은 아이솔레이션(isolation) 역할을 하게 된다. 상기 90°하이브리드 커플러(301)는 흔히 3dB quadrature coupler 또는 branch line coupler라고도 한다.
상기에서와 같이, 분리된 입력신호의 하나는 Q 경로의 제 1 반사형 혼변조 발생기(310)로 진행하며, 다른 하나는 I 경로의 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)로 진행한다.
제 1 반사형 혼변조 발생기(310)와 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)의 반사 계수는 쇼트키 다이오드(307), (308), (305), (306)의 비선형성을 포함한다고 본다.
일반적으로, 쇼트키 다이오드(307), (308), (305), (306)는 일정한 전압과 입력 전력을 인가하게 되면 어느 시점에서 급격하게 비선형으로 동작하게 되는데 이때의 이득과 위상이 일반적인 증폭기와는 반대인 특성을 얻는데 용이한 다이오드이다. 제 1 반사형 혼변조 발생기(310)와 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)의 각각에 대하여 바이어스 시키는 제 1 바이어스 전압(VQ)과 제 2 바이어스 전압(VI)은 원하는 형태의 이득 및 위상 특성을 얻기 위해 인가된다. 상기 인가되는 제 1 바이어스 전압(VQ)과 제 2 바이어스 전압(VI)은 조절 가능하도록 구성된다.
제 1 반사형 혼변조 발생기(310)와 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)에서의 출력신호는 아래 식(8)과 식(9)에서 보는바와 같이 다이오드(307), (308), (305), (306)의 비선형성을 가진 반사 계수를 포함한다.
Figure 112004005001868-pat00011
(8)
Figure 112004005001868-pat00012
(9)
여기에서,
Figure 112004005001868-pat00013
와
Figure 112004005001868-pat00014
는 각각 Q 경로와 I 경로의 반사계수이다.
상기 Q 경로에서의 출력신호와 I 경로에서의 출력신호는 동위상 결합기(304) 에서 결합되어 진다. 동위상 결합기(304)에서는 Q 경로에서의 제 1 혼변조 발생기(310)의 입력신호*반사계수에 해당하는 식(8)과 I 경로에서의 제 2 혼변조 발생기(320)의 입력신호*반사계수에 해당하는 식(9)를 결합하여 이를 신호출력단(340)으로 출력하게 된다. 여기에서, 동위상 결합기(304)에서 Q 경로 신호와 I 경로 신호를 결합하는 경우에 전치왜곡 신호가 발생하게 된다.
여기에서, 90°하이브리드 커플러(301), 제 1 반사형 혼변조 발생기(310), 상기 제 2 반사형 혼변조 발생기(320) 및 동위상 결합기(304)는 카테시안 벡터 변조기 구조로 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.
Q 경로의 신호에 I 경로의 신호를 결합함으로써, 출력단자(340)를 통하여 출력되는 출력신호(Vout)는 식(10)과 같다.
Figure 112004005001868-pat00015
(10)
식(10)에서 우변의 첫째 항으로 전체 항을 나누게 되면 식(11)에서 보는바와 같이 정규화된 전치왜곡 선형화기 신호를 얻을 수 있다.
Figure 112004005001868-pat00016
(11)
식(11)은 식(12)와 같은 폴라(polar) 형식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112004005001868-pat00017
(12)
식(12)는
Figure 112004005001868-pat00018
로 나타낼 수 있다. θ 는 I 경로의 위상에 관한 Q 경로의 위상이고, 전치왜곡장치의 출력에서 결합된 신호의 위상차로 볼 수 있다. 따라서, 전체의 신호 위상 시프트는 위상차(θ)로 볼 수 있다.
본 발명의 실시예의 아날로그 전치왜곡장치의 주요 동작은 Q 경로와 I 경로를 통하여 출력되는 신호의 합을 통해 신호 출력단(340)에서 360°의 위상 시프트와 이득 변화를 얻을 수 있다는 것이다.
본 발명의 실시예의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다. 90°위상차 전류와 동위상 전류는 쇼트키 다이오드(307), (308), (305), (306)에 적용된다. 상기 90°위상차 전류와 동위상 전류는 쇼트키 다이오드(307), (308), (305), (306)를 통해 흐르며 90° 위상차 저항과 동위상 저항을 발생하게 된다. 상기 90°위상차 전류와 동위상 전류는 각각 완벽하게 분리되며 원하는 위상 시프트 값과 이득 변화 값을 위한 각각의 전류 변화도 가능하다. 위상 시프트는 비선형 이득 및 위상 특성을 제공하는 제 1 반사형 혼변조 발생기(310)와 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)의 각각에 대하여 제 1 바이어스 전압(VQ)와 제 2 바이어스 전압(VI)에 의해 조절된다.
도 5a는 고정된 입력전력 조건에서 도 3에서의 출력 벡터 다이어그램을 나타낸 도면으로 본 발명의 일실시예의 Q 경로와 I 경로의 신호 벡터 결합을 보여주고 있다. 여기에서, I 경로의 신호를 기준 신호로 본다. I 경로의 이득은 1이며 위상은 0이다. Q 경로의 이득은 r 이며 위상은 θ이다. 고정된 출력하에서, 전체 신호의 위상 시프트에 대한 본 발명의 일실시예에 따른 이득 및 위상의 특성들은 계산되어 질 수 있다. 도 5a에서 코사인 법칙을 이용하여, 이득 및 위상 특성을 계산하면 다음과 같은 식(13)과 식(14)로 나타낸다.
Figure 112004005001868-pat00019
(13)
Figure 112004005001868-pat00020
(14)
특정 지점에서의 이득 및 위상의 기울기는 두 개의 변수로 인해 편미분을 사용하여 계산할 수 있다. 따라서, 이득 및 위상의 기울기 특성은 각각 식(15)와 식(16)과 같다.
Figure 112004005001868-pat00021
(15)
Figure 112004005001868-pat00022
(16)
식(15)와 식(16)을 이용하여, 이득 및 위상의 기울기 특성은 계산되어 질 수 있으며, 이에 대한 결과들은 전체의 신호 위상 시프트에 대하여 나타내어 질 수 있다.
도 5b는 Q 경로 신호의 이득이 0.1인 경우 도 3에서의 이득 및 위상 기울기 특성을 나타낸 그래프이다. 여기에서, Q 경로 신호의 이득은 0.1로 고정되어 있다.
도 5b를 참조하면, 고정된 입력전력 하에서 4 가지 형태의 이득 및 위상 특성들을 가질 수 있음을 볼 수 있다.
1) 음의 이득 기울기와 양의 위상 기울기를 가진 영역 I은 이득 압축 및 위상 전진의 특성을 갖는다.
2) 음의 이득 기울기와 음의 위상 기울기를 가진 영역 II은 이득 압축 및 위상 지연의 특성을 갖는다.
3) 양의 이득 기울기와 양의 위상 기울기를 가진 영역 III은 이득 확장 및 위상 전진의 특성을 갖는다.
4) 양의 이득 기울기와 음의 위상 기울기 가진 지역 IV는 이득 확장 및 위상 지연의 특성을 갖는다.
도 5c는 정규화된 Q 경로 신호의 이득과 위상 시프트에 따른 도 3에서의 이득 기울기 특성을 나타낸 그래프, 도 5d는 정규화된 Q 경로 신호의 이득과 위상 시프트에 따른 도 3에서의 위상 기울기 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5c와 도 5d는 정규화된 Q 경로 신호의 이득 기울기 특성과 위상 기울기 특성을 나타낸 그래프로서 모든 사분면에서 이득 및 위상의 특성을 각각 가질 수 있음을 보여주고 있다.
도 6a는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 압축 및 위상 지연 특성의 그래프, 도 6b는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 확장 및 위상 지연 특성의 그래프, 도 6c는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 압축 및 위상 전진 특성의 그래프, 도 6d는 도 3에서의 소정 조건에서 측정된 이득 확장 및 위상 전진 특성의 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제 1 바이어스 전압(VQ)과 제 2 바이어스 전압(VI)은 제 1 반사형 혼변조 발생기(310)와 제 2 반사형 혼변조 발생기(320)의 각각에 인가되는 바이어스 전압을 나타낸다.
도 6a는 제 1 바이어스 전압(VQ) = 307.9 mV와 제 2 바이어스 전압(VI) = 0.0 mV의 테스트 조건에서 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 이득 압축 및 위상 지연 특성을 나타내고 있다.
이와같은 이득과 위상 특성은 AB급과 B급 전력 증폭기와 같이 큰 출력 백-오 프에서 이득 확장과 위상 전진 특성을 갖는 전력 증폭기에 적합하다.
도 6b는 제 1 바이어스 전압(VQ) = 450.6 mV와 제 2 바이어스 전압(VI) = 297.6 mV의 테스트 조건에서 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 이득 확장 및 위상 지연 특성을 나타내고 있다.
이와같은 이득과 위상 특성은 낮은 출력 백-오프 또는 P1dB 근처에서 이득 압축과 위상 전진 특성을 갖는 전력 증폭기에 적합하다.
도 6c는 제 1 바이어스 전압(VQ) = 0.0 mV와 제 2 바이어스 전압(VI) = 326.8 mV의 테스트 조건에서 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 이득 압축 및 위상 전진 특성을 나타내고 있다.
이와같은 이득과 위상 특성은 AB급과 B급 전력 증폭기와 같이 큰 출력 백-오프에서 이득 확장과 위상 지연 특성을 갖는 전력 증폭기에 적합하다.
도 6d는 제 1 바이어스 전압(VQ) = 323.7 mV와 제 2 바이어스 전압(VI) = 450.1 mV의 테스트 조건에서 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 이득 확장 및 위상 전진 특성을 나타내고 있다.
이와같은 이득과 위상 특성은 낮은 출력 백-오프 또는 P1dB 근처에서 이득 압축 및 위상 지연 특성을 갖는 전력 증폭기에 적합하다.
상기 도 6a 내지 도 6d에서 살펴본 바와 같이, 4 가지 형태로써 측정된 이득 및 위상 특성은 도5b에서 살펴본 바와 같이 고정된 입력전력에서 계산된 이득 및 위상 특성과 마찬가지로 두 개의 바이어스 전압을 조절함으로써 얻을 수 있음을 볼 수 있다.
나아가, 본 발명의 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 피드-포워드 전력 증폭 기에 추가하여 구성하면, 이동 통신 중계기나 기지국에서 사용하던 종래의 피드-포워드 전력 증폭기보다 더 우수한 선형성을 얻을 수 있을 것이다.
본 발명의 아날로그 전치왜곡 선형화 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 전력 증폭기의 전치왜곡장치에 관한 것으로 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전력 증폭기의 전치왜곡장치는 입력 하이브리드 커플러의 90° 위상 시프트와 쇼트키 다이오드를 이용하여 180°의 갑작스러운 위상 시프트를 가지는 혼변조 발생기를 통해 발생된 비선형 성분들을 동위상 결합기에서 결합시켜 얻어진 360° 위상 시프트가 이루어지는 특성을 이용하여 4 가지의 서로 다른 이득 및 위상의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명의 전력 증폭기의 전치왜곡장치에 따르면, 다양한 전력 증폭기의 비선형 특성에 대하여 적용 가능하므로 종래의 전력 증폭기 전치왜곡장치와 같이 특정 전력 증폭기에만 사용할 수 있는 전치왜곡장치를 대체할 수 있다는 효과가 있다.
셋째, 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 통하여 보다 간소하고 소형화된 통신 시스템, 그리고 보다 제조 비용의 절감이 요구되는 상황에서 널리 사용할 수 있다.
넷째, 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 통하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선하여 인접 채널의 영향을 최소화함으로써 이동 통신 시스템의 통화 품질을 개선하고 가입자 용량을 크게 할 수 있다.
나아가, 본 발명의 전력 증폭기의 전치왜곡장치를 피드-포워드 전력 증폭 기에 추가하여 구성하면, 이동 통신 중계기나 기지국에서 사용하던 종래의 피드-포워드 전력 증폭기보다 더 우수한 선형성을 얻을 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 입력신호를 Q 경로 신호와 I 경로 신호로 분배하는 90° 하이브리드 커플러로 이루어진 분배기;
    상기 90° 하이브리드 커플러와 90° 하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 Q 경로 신호를 인가받아 상기 Q 경로 신호 이득의 변화 및 상기 Q 경로 신호 위상의 180° 범위 내에서 시프트를 거쳐 제 1 혼변조 신호를 출력하는 제 1 반사형 혼변조 발생기;
    90° 하이브리드 커플러와 상기 90° 하이브리드 커플러의 2개 포트에 각각 쇼트키 다이오드가 연결되어 있는 구조로 이루어져, 상기 분배기로부터 I 경로 신호를 인가받아 상기 I 경로 신호 이득의 변화 및 상기 I 경로 신호 위상의 180° 범위 내에서 시프트를 거쳐 제 2 혼변조 신호를 출력하는 제 2 반사형 혼변조 발생기; 및
    상기 제 1 반사형 혼변조 발생기의 반사계수와 상기 Q 경로 신호를 곱한 신호인 제 1 혼변조 신호와 상기 제 2 반사형 혼변조 발생기의 반사계수와 상기 I 경로 신호를 곱한 신호인 제 2 혼변조 신호를 입력받아 상호 결합하여 출력하는 동위상 결합기로 이루어진 전력 증폭기의 전치왜곡장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반사형 혼변조 발생기에는 상기 Q 경로 신호 이득의 변화 및 상기 Q 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 위하여 제 1 바이어스 전압(VQ)을 인가하고,
    상기 제 2 반사형 혼변조 발생기에는 상기 I 경로 신호 이득의 변화 및 상기 I 경로 신호 위상의 180°범위 내에서 시프트를 위하여 제 2 바이어스 전압(VI)을 인가하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 전치왜곡장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 바이어스 전압(VQ)과 상기 제 2 바이어스 전압(VI)은 조절이 가능하며,
    상기 제 1 바이어스 전압(VQ)과 상기 제 2 바이어스 전압(VI)의 조절에 따라 이득 압축과 위상 전진, 이득 압축과 위상 지연, 이득 확장과 위상 전진, 및 이득 확장과 위상 지연에 해당하는 4가지 형태의 이득 특성과 위상 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 전치왜곡장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배기, 상기 제 1 반사형 혼변조 발생기, 상기 제 2 반사형 혼변조 발생기 및 상기 결합기는 카테시안 벡터 변조기 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 전치왜곡장치.
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