KR100845661B1 - 비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기에 관한 것으로, 입력신호를 동위상 성분과 90도의 위상차 성분으로 나누는 제1하이브리드 커플러, 동위상 성분의 신호를 입력으로 받아 비선형신호를 발생시키는 상호변조 왜곡신호 발생기, 90도의 위상차 성분의 신호에 대해 요구되는 위상으로 고정하여 선형신호를 출력하는 위상 고정기, 상기 선형신호 및 비선형신호를 합쳐 180도 위상전이된 선형신호와, 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 출력하는 제2하이브리드 커플러를 구비하고, 상기 상호변조 왜곡신호 발생기는 하이브리드 커플러를 이용하여 반사형 구조를 가지고, 3 단자의 능동소자를 이용하여 제어신호에 따라 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 발생시킨다.

Description

비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기{Linearizer having inter-modulation distorter}

도 1은 일반적인 전력증폭기의 구성 및 이것의 주파수 특성을 설명하는 도면,

도 2는 일반적인 전치왜곡기의 구성 및 이것의 주파수 특성을 설명하는 도면,

도 3은 휴대용 전력증폭기에 일반적으로 적용되는 선형화 기법을 설명하는 회로도,

도 4는 쇼트키 다이오드를 이용한 종래의 전치왜곡기를 설명하는 회로도,

도 5는 기지국 시스템에 적용되는 종래의 전치왜곡기를 설명하는 도면,

도 6은 기지국 시스템에 적용되는 종래의 전치왜곡기를 설명하는 도면,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기를 설명하는 도면,

도 8은 도 7에 도시된 상호변조 왜곡신호 발생기의 구체적인 구성을 설명하는 도면이다.

본 발명은 이동통신용 휴대장치나 휴대 인터넷용 휴대장치에 적용되는 전력증폭기에 관한 것으로, 구체적으로 선형성을 구현하기 위해 비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 전력증폭기의 주파수 특성을 설명하는 도면으로서, (a)는 입력신호의 주파수 스펙트럼, (b)는 전력증폭기의 블록도, (c)는 출력신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 일반적인 전력 증폭기는 최대 출력점 근처에서 동작하기 때문에, 입력신호만 증폭하여 출력하는 것이 아니라 입력신호와 관계없는 왜곡신호(2f1-f2, 2f2-f1)를 함께 출력하게 된다. 따라서, 이를 통신시스템에 사용하면 통신신호에 왜곡이 일어나며, 인접채널에 영향을 미쳐 인접채널의 통신을 방해하게 된다. 이에 전력증폭기에 선형화 방식을 적용함으로써 비선형신호가 없는 최종출력신호가 출력될 수 있도록 하여, 왜곡 및 인접채널의 영향을 막을 필요가 있다.

특히, 크기의 제약을 갖고 설계되는 휴대장치의 전력증폭기의 집적회로에서는 선형성을 구현하기 위해 구동 증폭기 및 출력증폭기의 바이어스(전원)를 조정하기도 하고, 간단한 선형화기법을 적용하여 선형성을 개선하고자 해왔다. 그러나 디지털 통신이 발전하면서 WCDMA 방식을 넘어 휴대 인터넷 등의 통신방식이 제안되고 있고, 이에 따라 기존보다 신호대역을 크게 점유하는 광대역 신호대역을 사용하고, 16-QAM(Quadrature amplitude modulation), 64-QAM 등의 고계(High order)의 변조기법을 사용하여 멀티미디어 서비스를 지향하게 되었다. 이 때문에 출력신호에 대한 피크 대 평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio)가 높아져 비선형 특성을 더 욱 발생시키는 통신구조가 되었고, 또한 이동통신에서는 OFDM이라는 다중 반송파 기법까지 적용되어 비선형성 성분을 더욱 발생시키는 구조가 되었다.

이러한 휴대 단말기용 전력증폭기의 선형성 특성을 개선하기 위해 가장 간단히 적용되는 방식이 도 2와 같이 전치왜곡 방식이다. 도 2의 (a)는 입력신호, (b)는 전치 왜곡기의 출력신호, (c)는 출력신호, (d)는 전치왜곡기가 적용된 전력증폭기의 블록도를 나타낸다. 이러한 전치왜곡 방식은 선형성 개선방법에 있어서 가장 간단한 구조를 가지기 때문에 휴대용 전력증폭기에 종종 적용되고 있다. 전치왜곡방식은 전력증폭기 출력단이 왜곡될 것으로 인식하고, 이 왜곡될 신호만큼 역 왜곡된 신호를 입력단에 강제로 입력시켜줌으로써, 출력단의 왜곡 신호를 개선시키는 방식이다. 즉, 전치왜곡기의 출력은 왜곡신호가 원 신호에 정확히 역위상(180도) 되어야 하고, 왜곡신호 레벨이 전력증폭기의 왜곡신호를 상쇄시키는 양만큼이 되어야 한다.

이외에도 휴대통신 단말기용 전력증폭기에 사용되는 다양한 선형성 개선 기법이 도 3~7에 도시되어 있다.

도 3은 공개특허 제2005-66955호에 개시된 방법으로서, 출력신호에 따라서 능동소자의 동작 바이어스가 조절될 수 있도록 하여 최대출력에서 선형성을 개선하는 것이다. 도 4는 공개특허 제2006-9720호에 개시된 방법으로서, 전치왜곡기 형태로서 쇼트키 다이오드를 간단히 회로에 적용하여 선형성을 개선시키는 것이다.

그리고 기지국이나 지상국 시스템에 적용되는 전력증폭기의 선형화 특성 개선을 위해, 도 5 및 도 6과 같은 구조의 쇼트키 다이오드를 이용한 전치왜곡 방식 이 사용되어 왔다. 도 5는 공개특허 제2004-106018호에 개시된 방법으로서, 제1 및 제2왜곡성분 발생부, 제1 및 제2바이어스부, 결합부를 이용하는 것이고, 도 6은 공개특허 제2005-79713호에 개시된 방법으로서, 두 경로의 양쪽에 쇼트키 다이오드를 사용하여 구조화한 혼변조 발생기를 사용하는 것이다.

그러나 무선통신에서 멀티미디어를 지향하면서 신호가 광대역화 되고, OFDM 또는 64-QAM등의 고계(High Order)의 변조기법을 적용하면서, 이상과 같은 종래의 방법들은 선형성 개선에 한계가 있었다. 즉, 선형성 개선 능력이 지극히 제한적이며, 입출력 동작에 있어서도 한계를 가지기 때문에, 적용에서도 제한적이었다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 차세대 통신방식의 발전에 따라 단말기용 전력증폭기의 어려워진 선형성 특성을 만족시키기 위해 선형성 개선 능력이 탁월한 선형화기를 제공하는 것을 목표로 한다.

또한, 본 발명의 선형화기에 적용된 반사형 구조의 상호변조 왜곡신호 발생기에 3단자의 능동소자를 적용하고 포화영역(BJT의 경우 포화영역, FET/CMOS 경우 선형영역)에서 동작하도록 함으로써 충분한 비선형 왜곡신호를 얻음과 동시에, 전력증폭기의 출력레벨에 따라 나타난 비선형 왜곡신호성분을 정확히 제거하기 위해 제어신호를 적용함으로써 항상 선형화 특성이 뛰어난 선형화기를 제공하는 것을 목표로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력신호를 동위상 성분과 90도의 위상차 성분으로 나누는 제1하이브리드 커플러, 동위상 성분의 신호를 입력으로 받아 비선형신호를 발생시키는 상호변조 왜곡신호 발생기, 90도의 위상차 성분의 신호에 대해 요구되는 위상으로 고정하여 선형신호를 출력하는 위상 고정기, 상기 선형신호 및 비선형신호를 합쳐 180도 위상전이된 선형신호와, 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 출력하는 제2하이브리드 커플러를 구비하고, 상기 상호변조 왜곡신호 발생기는 하이브리드 커플러를 이용하여 반사형 구조를 가지고, 3 단자의 능동소자를 이용하여 제어신호에 따라 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 발생시키는 선형화기를 제공한다.

이때 상기 상호변조 왜곡신호 발생기는 하이브리드 커플러의 2개의 출력단자에 반사형 구조로 연결된 2개의 능동소자를 포함하되, 상기 능동소자가 BJT인 경우 포화영역에서 동작하고, 베이스에 제어신호가 입력되고, 콜렉터는 접지로 연결되며, 에미터가 출력단으로 연결되고, 상기 능동소자가 FET 또는 CMOS인 경우 선형영역에서 동작하고, 게이트에 제어신호가 입력되고, 드레인은 접지로 연결되며, 소스가 출력단으로 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상호변조 왜곡신호 발생기의 하이브리드 커플러의 특성임피던스(Zo)와 능동소자의 출력 저항(Rs)이 같은 것이 바람직하다.

더욱이, 선형화기가 적용되는 전력증폭기의 최종 출력신호 레벨에 따라 제어신호가 조절될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

더욱이, 능동소자의 베이스 또는 게이트에 입력되는 제어신호에 따라 상호변 조 왜곡신호 발생량을 조절할 때, 베이스 또는 게이트에는 인덕터를 연결하고, 에미터 또는 소스에는 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 연결하여 정합시키는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비선형 왜곡신호 발생기가 적용된 선형화기를 설명하는 도면으로서, 도 7의 (a)는 입력신호의 주파수 스펙트럼, (b)는 선형화기의 블록도, (c)는 출력신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 도 8은 도 7에 도시된 상호변조 왜곡신호 발생기의 구체적인 구성을 설명하는 도면이다.

도 8을 참조하면, 상호변조 왜곡신호 발생기는 하이브리드 커플러(108)를 사용하여 반사형 구조로 구조화되고, 상호변조 왜곡신호 발생 장치로는 3단자의 능동소자(110,112), 예를 들어 BJT(bipolar junction transistor), FET(field effect transistor), CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)를 사용한다. 이때 능동소자(110,112)의 바이어스 동작점은 BJT의 경우 포화영역, FET/CMOS 경우 선형 영역에 있도록 회로를 구현하여 상호변조 왜곡신호를 발생시킨다.

도 7에 의한 선형화기는 도 8에 도시된 상호변조 왜곡신호 발생기(102)로 비선형 경로를 이루게 하고, 선형경로를 개별적으로 구성하여 2개의 경로로 구조화시킨 전치왜곡기의 선형화 기법이다. 출력단에서 선형신호의 위상은 180도이고 비선형신호는 0도이므로, 선형경로와 비선형 경로가 180도 위상차가 발생하여 합쳐져 출력되도록 구조화시킨 것이다(도 7의 (c) 참조). 구체적으로, 선형경로에서는 입력신호의 손실을 최소화하면서 90도의 위상차 성분의 신호에 대해 요구되는 위상으로 고정하여 선형신호를 출력하는 위상 고정기(104)만을 적용하고, 비선형경로에서는 입력되는 RF 신호에 의해서 비선형 왜곡신호를 발생시키는 상호변조 왜곡신호 발생기를 사용한다.

도 7에 도시된 선형화기는 입력단에 입력신호를 동위상 성분과 90도의 위상차 성분으로 나누는 제1하이브리드 커플러(100)와, 출력단에 선형신호와 상호변조 왜곡신호를 합쳐 출력하는 제2하이브리드 커플러(106)를 사용한다. 제2하이브리드 커플러(106)의 출력 신호는 개별적인 두개의 경로를 거쳐서 얻어지기 때문에 종래의 전치왜곡기와 다르게 RF 입력신호는 선형경로에서만 동작하여 정확한 레벨로 출력되도록 하면서, 비선형경로에서 얻어지는 비선형 신호는 제어신호에 따라 원하는 비선형 레벨로 조절되어 출력되도록 하여, 정해진 선형신호 상태에서 원하는 비선형 신호 레벨을 얻을 수 있는 구조를 갖도록 한 것이다.

이하, 도 8에 도시된 상호변조 왜곡신호 발생기에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 도 8의 상호변조 왜곡신호 발생기(102)에 능동소자(110,112)를 적용하는데 있어서, 전력증폭기에 사용된 동일한 능동소자를 적용하여 하이브리드 커플러(108)의 두개의 출력단자에 회로화하는 반사형 형태로 구조화시켰다. 반사형으로 구조화하게 되면 상호변조 왜곡신호 발생기(102)에 입력되는 RF 입력신호는 모두 제거될 수 있는 구조를 가지면서도, RF 입력에 의해서 발생되는 상호변조 왜곡신호는 손실 없이 출력되도록 하는 구조를 갖는다.

여기서, 비선형 특성만을 얻기 위해 능동소자(110,112)의 동작점을 포화영역(BJT의 경우 포화영역, FET/CMOS 경우 선형영역)에서 동작하도록 함과 동시에, 하이브리드 커플러와 함께 반사형 구조에 의해 능동소자가 동작하도록 하여, 능동소자(110,112)의 포화영역 동작에 따른 비선형신호가 최대의 출력을 얻을 수 있도록 하면서, 동시에 커플러(108)에 입력되는 RF 신호가 최대로 제거되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 출력단에서는 순수하게 비선형 왜곡신호만을 얻을 수 있게 된다.

구체적으로, 반사형 구조에서 입력되는 원신호의 제거특성은 커플러(108)의 특성 임피던스(Zo)와 능동소자(110,112)의 출력 임피던스(Rs +jXs)로 표현된다. 즉, 원신호의 제거량은

로 표현될 수 있다. 상기 식에서 만약 Xs가 0이라면, 상기 식은 다음 식과 같이 다시 나타낼 수 있다.

이러한 식을 Rs 와 Zo의 관계식을 이용하여 제거량 특성을 그래프로 나타내면 도 9와 같다. 즉 도 9에서 볼 수 있는 것처럼, 도 8에 도시된 반사형 구조에서 커플러의 특성임피던스(Zo)와 능동소자의 출력 저항(Rs)이 같다면, 입력신호 성분이 완전히 제거될 수 있고, 능동소자의 상호변조 신호만의 출력을 얻을 수 있다.

상호변조 왜곡신호 발생기(102)에서 이러한 특성을 얻기 위해 능동소자(110,112)의 베이스(FET 또는 CMOS 경우는 게이트)에는 제어신호가 입력되어 상호변조 왜곡신호 발생량을 조절하도록 하고, 출력신호는 에미터(FET 또는 CMOS 경우는 소스)로 출력 신호를 얻도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 능동소자(110,112)의 콜렉터(FET 또는 CMOS 경우는 드레인)는 포화영역 동작의 극대화를 위해 접지(GND)로 연결하여 동작시키는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, RF 입력 신호에 의해 능동소자가 온오프되어 스위칭 동작을 하게 되고, 따라서 f1, f2의 RF 입력 신호에 대해 2f1-f2, 2f2-f1 등의 왜곡신호를 출력하게 된다.

이때 능동소자(110,112)의 제어신호는 전력증폭기(미도시, 도 2의 (d)에서 구동 및 출력 증폭기와 동일함)의 출력 레벨에 따라 달라지는 상호변조 왜곡신호에 적합하도록 조정한다. 이는 출력레벨에 따라 비선형 레벨이 다르기 때문에 각 출력레벨에 따라 선형화기의 적합한 비선형 레벨을 얻도록 하여서 각 출력 레벨에 적합한 비선형 신호가 전력증폭기에 입력되도록 함으로써 전력증폭기의 최종출력을 효과적으로 개선시키기 위해서이다. 보통 전력증폭기의 최종 출력신호 레벨이 커질수 록 비선형 왜곡신호 성분이 커지므로, 최종 출력신호와 연관되어 제어전압이 조절될 수 있도록 회로를 구조화 하고, 전력증폭기의 종류의 동작 차이에 따라 오프셋값이 적용되도록 하면 모든 출력레벨에 적합한 선형화기를 이룰 수 있다.

여기서, 능동소자(110,112)의 베이스(FET 또는 CMOS 경우는 케이트)를 이용하여 제어신호에 따라 상호변조 왜곡신호 발생량을 조절할 때 위상 변화량을 최소화하여야 하는데, 이를 위해 베이스(FET 또는 CMOS 경우는 케이트)에는 인덕터를 연결하고, 에미터(FET 또는 CMOS 경우는 소스)에는 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 형태로 정합을 하면서 동시에 최대한 작은 소자값을 적용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 도 7에 도시된 선형화기 출력의 선형경로와 비선형 경로가 정확히 180도로 합쳐져야 하는데, 베이스(FET 또는 CMOS 경우는 게이트) 바이어스 조정에 따른 능동소자의 기생성분의 변화에 의한 위상 변화량이 클수록 위상오차가 발생하고, 이에 따라 선형화기의 선형신호와 비선형신호의 출력되는 신호가 원하는 위상값에서 벗어나는 결과가 발생되어 선형성 개선 결과를 열화 시키기 때문이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 선형화기가 원신호와 왜곡신호의 위상 및 레벨을 별도로 제어할 수 있도록 개별적인 경로를 두고 있기 때문에, 정확한 왜곡신호의 역위상을 만들어 줄 수 있을 뿐만 아니라, 원신호의 손실 없이 정확한 왜곡신호의 레벨을 설정할 수 있다는 장점을 갖는다.

또한, 이동통신용 휴대장치에 적용되는 전력증폭기 반도체, 예를 들어 MMIC(Microwave Monolithic IC) 등에서는 쇼트키 다이오드(Shottky diode)를 이용한 상호변조 왜곡신호 발생기의 구현이 어려운데, 본 발명에서는 상호변조 왜곡신호 발생기에서 쇼트키 다이오드를 이용하는 대신 전력 증폭기에 사용하였던 능동소자를 사용하였기 때문에, 전력증폭기에서 출력된 동일한 성분의 왜곡신호를 얻을 수 있어 성능이 뛰어난 효과가 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (4)

1. 입력신호를 동위상 성분과 90도의 위상차 성분으로 나누는 제1하이브리드 커플러;

   동위상 성분의 신호를 입력으로 받아 비선형신호를 발생시키는 상호변조 왜곡신호 발생기;

   90도의 위상차 성분의 신호에 대해 요구되는 위상으로 고정하여 선형신호를 출력하는 위상 고정기;

   상기 선형신호 및 비선형신호를 합쳐 180도 위상전이된 선형신호와, 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 출력하는 제2하이브리드 커플러를 구비하고,

   상기 상호변조 왜곡신호 발생기는 하이브리드 커플러를 이용하여 반사형 구조를 가지고, 3 단자의 능동소자를 이용하여 제어신호에 따라 조절된 비선형 신호레벨의 상호변조 왜곡신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 선형화기.
2. 제1항에 있어서, 상기 상호변조 왜곡신호 발생기는

   하이브리드 커플러의 2개의 출력단자에 반사형 구조로 연결된 2개의 능동소자를 포함하되,

   상기 능동소자가 BJT인 경우 포화영역에서 동작하고, 베이스에 제어신호가 입력되고, 콜렉터는 접지로 연결되며, 에미터가 출력단으로 연결되고,

   상기 능동소자가 FET 또는 CMOS인 경우 선형영역에서 동작하고, 게이트에 제어신호가 입력되고, 드레인은 접지로 연결되며, 소스가 출력단으로 연결되는 것을 특징으로 하는 선형화기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 선형화기가 적용되는 전력증폭기의 최종 출력신호 레벨에 따라 제어신호가 조절되는 것을 특징으로 하는 선형화기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 능동소자의 베이스 또는 게이트에 입력되는 제어신호에 따라 상호변조 왜곡신호 발생량을 조절할 때, 위상 변화를 최소화 하도록 정합시키는 것을 특징으로 하는 선형화기.

Images