KR100665010B1 - 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불필요한 전력 소모를 최소화하면서 효율적인 전력증폭을 통해 배터리 전원 소모를 줄일 수 있는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치에 관한 것으로서, 그 구성은 송신신호를 입력받아 1차 증폭하는 이득조절용 제1증폭단; 상기 제1증폭단의 누설전력을 입력받아, 상기 누설신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출기; 상기 포락선 검출기에서 검출된 포락선 크기에 따라 적절한 전력증폭량을 결정하고 그에 따라 DC 바이어스전압을 조정하는 DC 변조기; 상기 제1증폭단으로부터 출력된 송신신호를 상기 포락선 검출기 및 DC 변조기의 처리시간 만큼 지연시키는 딜레이부; 및 상기 딜레이부를 통해 소정 시간 지연 출력된 송신신호를 상기 DC 변조기를 통해 변조된 DC 바이어스에 따른 증폭률로 증폭하는 제2증폭단을 포함하여 이루어진다.

전력증폭기, 바이어스 변조, 누설전력, 차폐코일, 커플러

Description

누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치{Bias modulated power amplifer using leakage power}

도 1은 종래의 바이어스 변조방식의 전력 증폭 장치를 나타낸 블럭도이다.

도 2는 본 발명에 의한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치를 나타낸 블럭도이다.

도 3은 커플러와 누설전력의 전력 검출치를 비교한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 커플러 12 : 포락선 검출기

13 : DC 변조기 14a : 제1증폭단

14b : 제2증폭단 21 : 차폐 코일

22 : 지연부

본 발명은 바이어스 변조방식의 전력 증폭 장치에 관한 것으로서, 보다 상세 하게는 불필요한 전력 소모를 최소화하면서 효율적인 전력증폭을 통해 배터리 전원 소모를 줄일 수 있는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치에 관한 것이다.

배터리로 동작하는 무선 장치에 있어서는, 휴대의 편의를 위한 소형화와 함께 배터리 수명 연장을 위한 저전력 설계가 가장 중요한 해결 과제이다.

송신신호를 소정의 전력으로 증폭하여 안테나를 통해 송출하는 전력증폭기는 상술한 무선 장치에 있어서 전력 소모가 가장 큰 소자이다.

특히, 신호를 무선으로 교환하는 무선 장치에서, 신호의 전달거리가 짧은 경우, 낮은 전력으로 송신신호를 보내더라도 충분히 전달될 수 있지만, 신호의 전달거리가 길어지는 경우, 혹은 주파수 대역의 혼잡도가 큰 경우에는, 신호를 안정되게 전달하기 위하여 고전력으로 신호를 송출하여야 한다. 따라서, 전력증폭기를 저전력으로 설계하는 경우, 통신거리에 제약이 발생되며, 반대로 전력증폭기를 고전력으로 설계하는 경우, 통신거리를 제약을 받지 않고 신호를 전송할 수 는 있지만 배터리 수명이 줄어드는 문제점이 있다.

따라서, 기존에는 전력소모를 줄이면서 효율적인 동작을 가능케 하기 위하여 바이어스 변조방식의 전력증폭장치를 제안하였다.

도 1은 종래의 바이어스 변조방식 전력증폭 장치의 구조를 나타낸 회로도이다.

상기 도 1을 참조하면, 종래의 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치는 송신신호의 전달라인에 구비되어 전달되는 송신신호의 일부를 검출하는 커플러(11)와, 상기 커플러(11)로부터 출력되는 송신신호의 커플링신호의 포락선을 감지하는 포락선 검출기(envelop detector)(12)와, 상기 포락선 검출기(12)로부터 검출된 저주파의 포락선 신호에 따라서 입력된 DC 전원을 바이어스 변조하는 DC 변조기(13)와, 상기 DC 변조기(13)로부터 바이어스변조된 전원에 의해 비선형영역에서 동작하는 전력증폭기(14)로 이루어진다.

이때, 상기 전력증폭기(14)는 보다 효율적인 전력증폭을 위하여 송신신호를 이득 증폭하는 제1증폭단(14a)과, 상기 제1증폭단(14a)에서 출력된 송신신호를 높은 전력으로 증폭하는 제2증폭단(14b)을 포함하는 다단증폭기로 구성된다.

그리고, 상기 DC 변조기(13)와 DC 전원을 인가하는 파워서플라이(미도시)는 신호의 역류를 방지하기 위하여 차폐코일(13a)을 통해 연결된다.

상기 구조에 따르면, 커플러(11)를 통해 전력증폭기(14)로 인가되는 송신신호의 파워를 일부 커플링하여 포락선검출기(12)로 인가하는데, 상기 커플러(11)에 의해 커플링된 신호는 송신신호에 비하여 미약한 크기이지만, 포락선 정보는 동일하게 갖고 있게 된다. 따라서, 상기 포락선 검출기(12)는 입력된 커플링신호에서 포락선을 감지하여, 송신신호의 전력레벨을 검출한다. 상기 포락선 검출기(12)에서 검출된 송신신호의 전력레벨은 DC 변조기(13)로 인가되어, 전력증폭기(14)의 바이 어스전압 변조에 이용된다. 상기 DC 변조기(13)에서의 바이어스변조는 검출된 송신신호의 순시 전력레벨을 이용하여 적절한 순시 전력 증폭량을 결정하고, 상기 결정된 전력증폭량으로 증폭이 이루어지도록 상기 전력증폭기(14)로 인가되는 DC 바이어스전압을 조정하는 것이다.

그런데, 상기와 같이 송신신호의 포락선을 검출하기 위해서 커플러(11)를 통해 송신신호의 일부를 커플링하는 경우, 상기 커플링(11)에 의해 커플링만큼 전력증폭기(14)로 인가되는 송신신호의 크기가 감쇄된다.

즉, 송신신호의 일부가 상기 커플링(11)을 통해 누설되어, 그 만큼 신호 손실이 이루어진다.

따라서, 상기 신호손실분만큼 전력증폭기(14)에서 더 증폭해 주어야 하며, 이와 같이 전력증폭기(14)의 증폭율이 커질 수록, 전원 소모가 증가되어 배터리 수명이 감소된다.

특히, 지그비(Zigbee) 방식의 개인무선망(WPAN : Wireless personal area network)에 있어서, 배터리에 의존해 동작하는 저전력, 고효율의 송수신기가 요구되면서, 전력증폭기에서의 전원소모를 더 많이 줄일 필요가 발생되었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목 적은 불필요한 전력 소모를 최소화하면서 효율적인 전력증폭을 통해 배터리 전원 소모를 줄일 수 있는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 바이어스 변조방식의 전력증폭 장치는,

송신신호를 입력받아 1차 증폭하는 이득조절용 제1증폭단;

상기 제1증폭단의 바이어스연결을 따라 누설된 전력을 입력받아, 상기 누설된 신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출기;

상기 포락선 검출기에서 검출된 포락선 크기에 따라 적절한 전력증폭량을 결정하고 그에 따라 DC 바이어스전압을 조정하는 DC 변조기;

상기 제1증폭단으로부터 출력된 송신신호를 상기 포락선 검출기 및 DC 변조기의 처리시간 만큼 지연시키는 딜레이부; 및

상기 딜레이부를 통해 소정 시간 지연 출력된 송신신호를 상기 DC 변조기를 통해 변조된 DC 바이어스전압에 따른 증폭률로 증폭하는 제2증폭단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 전력 증폭 장치에 있어서, 상기 포락선 검출기는 신호의 혼입 및 역류를 방지하는 차폐 코일을 통해 제1증폭단(14a)의 바이어스단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서, 동일한 작용을 수행하는 구성수단은 동일한 부호를 붙여 설명하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 의한 바이어스변조 방식의 전력 증폭 장치를 나타낸 블럭도이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 바이어스변조 방식의 전력 증폭 장치는 송신신호를 입력받아 1차 증폭하는 이득조절용 제1증폭단(14a)과, 상기 제1증폭단(14a)의 바이어스연결을 따라 누설된 전력을 입력받아, 상기 누설된 신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출기(12)와, 상기 포락선 검출기(12)에서 검출된 포락선 크기에 따라 적절한 전력증폭량을 결정하고 그에 따라 DC 바이어스전압을 조정하는 DC 변조기(13)와, 상기 제1증폭단(14a)으로부터 출력된 송신신호를 상기 포락선 검출기(12) 및 DC 변조기(13)의 처리시간 만큼 지연시키는 딜레이부(22)와, 상기 딜레이부(22)를 통해 소정 시간 지연 출력된 송신신호를 상기 DC 변조기(13)를 통해 변조된 DC 바이어스전압에 따른 증폭률로 증폭하는 제2증폭단(14b)을 포함한다.

상기 포락선 검출기(12)는 잡음의 유입등을 방지하기 위하여 상기 제1증폭단(14a)의 바이어스단에 차폐코일(21)을 통해 연결된다.

이하, 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 전력 증폭 장치의 작용을 설명한다.

일반적으로, 전력증폭기에 있어서, 이상적인 동작에서는 누설전력이 발생할 수 없으나, 실제 무선장치의 구비되는 전력증폭기의 동작에 있어서는, 바이어스 연결을 따라 증폭기 출력의 일부가 나타난다. 이렇게 누설된 전력은 출력신호와 전력 수준에서 차이가 있을 뿐 신호가 담고 있는 정보는 모두 포함된다.

본 발명은 이렇게 증폭기의 바이어스단을 따라 나타나는 누설전력이 신호 정보를 그대로 담고 있는 점에 착안하여 상기 누설전력을 통해 포락선 정보를 검출하고자 한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에서는 우선 전력증폭기(14)를 구성하는 2개의 증폭단에 있어서, 이득증폭단인 제1증폭단(14a)과 파워증폭을 담당하는 제2증폭단(14b)을 분리하였다. 그리고, 상대적으로 전력값이 작은 제1증폭단(14a)의 바이어스단으로 누설되는 전력을 이용한다.

도 3의 그래프는 전력증폭기의 출력전력과, 도 1에 도시한 커플러(11)에서 검출된 신호 전력과, 본 발명에 제1증폭단(14a)의 바이어스 라인으로 누설되는 신호의 전력을 측정하여 비교한 것으로서, 상기를 볼 때, 누설신호가 신호크기나 커플러(11)의 커플링신호와 대비하여, 전력크기에 있어서 작지만, 제어에 따른 전력 변화는 동일하여, 대상이 되는 전력값의 변화는 그대로 검출할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 제1증폭단(14a)의 누설전력을 이용하면서, 누설 전력값이 미약하기 때문에, 상기 제1증폭단(14a)에서 전력을 최대한 충분히 키우도록 하여, 충분한 크기의 누설전력이 검출되도록 한다. 더하여, 상기 제1증폭단(14a)에서는 바이어스 변조를 수행하지 않도록 하며, 제2증폭단(14b)을 통해서만 바이어스 변조를 수행한다. 이때, 제1증폭단(14a)는 이득 스테이지로서 파워스테이지인 제2증폭단(14b)에 비하여 전력값이 작기 때문에, 제1증폭단(14a)의 바이어스 변조를 수행하지 않더라도 증폭장치의 전체 효율에는 영향을 미치지 않는다.

그리고, 상기 제1증폭단(14a)의 누설전력이 포락선검출기(12)로 인가되도록 연결하는데 있어서, 잡음의 혼입을 방지하기 위하여, 상기 제1증폭단(14a)의 바이어스단에는 차폐 코일(21)을 구비시킨다.

더하여, 상기 제1증폭단(14a)의 누설전력으로부터 포락선을 검출하여 DC 바이어스변조를 수행하는데 까지 소정의 시간이 소요되므로, 동기를 위하여, 상기 제1증폭단(14a)과 제2증폭단(14b)의 사이에 딜레이부(22)를 더 구비시켜, 상기 DC 변조기(13)의 DC바이어스 변조신호와, 상기 제1증폭단(14a)의 출력신호가 동시에 제2증폭단(14b)에 인가되도록 한다.

따라서, 송신신호는 제1증폭단(14a)로 입력되어 증폭된 후, 딜레이부(22)를 통해 소정 시간 지연된 후 제2증폭단(14b)로 인가된다.

이때, 상기 제1증폭단(14a)의 출력신호에 대한 누설전력은 포락선검출기(12) 로 입력되며, 포락선 검출기(12)는 상기 제1증폭단(14a)의 출력신호에 대한 포락선을 검출하여 DC 변조기(13)에 제공하고, DC 변조기(13)는 입력된 포락선에 대응한 전력크기로부터 적절한 증폭량을 설정하여 제2증폭단(14b)의 바이어스전압을 변조한다.

상기 제2증폭단(14b)는 딜레이부(22)로부터 입력된 제1증폭단(14a)의 출력신호를 해당 신호의 전력크기에 대응하는 적절한 증폭량으로 증폭하여 출력하게 된다.

결과적으로, 본 발명에 의한 전력 증폭 장치는, 신호 손실을 줄이면서, 송출 전력을 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 상기에 한정되지 않고 여러가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한 이루어질 수 있다.

상술한 바에 의하면, 본 발명은 전력증폭기의 바이어스 연결라인을 따라 나타나는 누설전력을 통해 송신신호의 포락선을 검출하여 전력증폭기의 바이어스 변조를 수행토록 함으로서, 종래와 같이 바이어스 변조를 위한 별도의 신호 손실분이 발생하지 않으며, 결과적으로 전력증폭기 자체에서의 신호손실을 감소시킴으로서, 불필요한 손실에 따른 전원 소모를 줄여, 배터리 수명을 보다 더 연장시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 송신신호를 입력받아 1차 증폭하는 이득조절용 제1증폭단(14a);

   상기 제1증폭단(14a)의 바이어스연결을 따라 누설된 전력을 입력받아, 상기 누설된 신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출기(12);

   상기 포락선 검출기(12)에서 검출된 포락선 크기에 따라 적절한 전력증폭량을 결정하고 그에 따라 DC 바이어스전압을 조정하는 DC 변조기(13);

   상기 제1증폭단(14a)으로부터 출력된 송신신호를 상기 포락선 검출기(12) 및 DC 변조기(13)의 처리시간 만큼 지연시키는 딜레이부(22); 및

   상기 딜레이부(22)를 통해 소정 시간 지연 출력된 송신신호를 상기 DC 변조기(13)를 통해 변조된 DC 바이어스전압에 따른 증폭률로 증폭하는 파워증폭용 제2증폭단(14b)

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1증폭단(14a)의 바이어스단과 상기 포락선 검출기(12)는 차폐코일(21)을 통해 연결되어, 신호의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1증폭단은 누설전력의 크기가 소정 기준치에 도달하도록 증폭율을 최대로 설정하는 것을 특징으로 하는 누설전력을 이용한 바이어스 변조 방식 전력 증폭 장치.

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