KR100996045B1 - 효율성이 부가된 전력과 증가된 백오프 전력을 지니는ｎ-웨이 ｒｆ 전력 확장기 - Google Patents

Abstract

개선된 효율을 지닌 전력의 광범위에 대한 RF 신호를 확장하기 위한 RF 전력 확장기는 전력의 제 1 범위에 대한 RF 신호를 확장하기 위한 그리고 전력의 광범위의 최댓값 이하의 전력 포화 레벨을 지니는 메인 확장기(20)를 포함한다. 다수의 보조 확장기들(21, 22, 23)은 상기 메인 확장기(20)가 포화에 다다른 이후에 확장된 출력 신호를 연속적으로 제공하기 위해 바이어스 되고 있는 상기 보조 확장기들(21, 22, 23)의 각각을 지닌 상기 메인 확장기(20)와 함께 평행하게 연결된다. 상기 입력 신호는 신호 분리기(32)를 통해 메인 확장기(20)와 다수의 보조 확장기들(21,22,23) 로 제공되고 그리고 상기 메인 확장기(20)와 다수의 보조 확장기들(21,22,23)로부터 확장된 출력 신호들을 수신하기 위한 출력은 저항성 로드 R/2를 포함한다. 상기 분리된 입력 신호는 90도 변압기(30)를 통해 메인 확장기(20)로 적용되고, 그리고 보조 확장기들(21,22,23)의 출력은 90도 변압기들(24,25,26)을 통해 출력 로드(28)로 적용된다. 포화 이전에 작동할 때, 상기 메인 확장기(20)는 2R의 로드로 전력을 전송하고, 상기 메인 확장기(20)는 최대 전력에서 전류의 1/2인 로드로 전류를 전송하고 그리고 상기 확장기는 포화된다.

Description

효율성이 부가된 전력과 증가된 백오프 전력을 지니는 Ｎ-웨이 ＲＦ 전력 확장기{N-WAY POWER AMPLIFIER WITH INCREASED BACKOFF POWER AND POWER ADDED EFFICIENCY}

당해 발명은 RF 전력 확장기에 관한 것이며, 보다 상세히 현대 무선 통신 시스템에 적합한 RF 전력에 관한 것으로, 이는 디지털 수정이 이용되고 있는 곳에서 기지국들에서 출력 전력의 넓은 범위를 요구하는 것이다.

기지국에서 전력 확장기들은 피크 전력보다 훨씬 낮은 출력 전력 레벨에서 종종 작동한다. 불행하게도, 상기 백-오프 전력 레벨은 송신기에서 전력 확장기의 효율을 감소시킨다. 종래의 확장기에서 효율성과 입력 구동 레벨간의 직접적 관계가 있다. 그러므로 높은 효율성( DC에서 RF 전환 효율성)은 RF 입력 전력 레벨이 확장기를 포화 쪽으로 구동하기 위해 충분히 높게 될 때까지 획득되지 않는다. 다중 반송파 통신 시스템에서, 확장기가 가능한 선형으로 유지되는 이래로, 고 효율성 지역은 사용될 수 없었다.

백-오프 전력 레벨에서 개선된 효율성을 제공하는 종래의 전력 확장기 디자인은 Doherty 확장기이고, 이는 보조 또는 피크 확장기로부터 그리고 메인 확장기로부터 전력을 결합한다. W.H. Doherty, " A New High-Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves," Proc. IRE Vol. 24, No.9, pp 1163-1182, 1936 을 보라. 종 래의 Doherty 구조에서, 반송파 확장기(10)와 피크 확장기(12)는 도 1(A)에서 보이는 것과 같이 로드(load) R 로 최적 효율을 지닌 최대 전력을 전송하기 위해 디자인 된다. 메인 또는 반송파 확장기는 상기 피크 확장기가 일부 최소 스레쉬홀드를 초과하는 신호만을 확장하기 위해 디자인 되는 정상 Class B 확장기이다. LDMOS 전력 트랜지스터를 위해, 이는 Class C와 유사한 작동을 위한 핀치-오프(pinch-off) 전압 하의 트랜지스터의 DC 바이어싱에 의해 수행될 수 있다. 두 개의 확장기들의 출력들은 임피던스 R 의 1/4 파 전송 라인에 의해 그리고 상기 피크 확장기의 출력에 부착되는 최적 로드 R의 1/2의 로드에 의해 연결된다. 상기 RF 입력 전력은 상기 피크 확장기의 입력에서 1/4파 지연과 함께 동일하게 분배되고, 따라서, 로드 R/2에서 두 개의 확장기들의 출력 전력이 동상이 될 것이라는 것을 확실히 한다.

상기 Doherty 확장기는 그의 최적 로드보다 두 배 더 큰 로드 임피던스로 Class B 메인 확장기를 작동시킴으로써 압축 전에 고 효율성을 획득한다. 이 확장기는 그의 최대 전력의 반에서 압축하고 피크 효율성에 도달한다. 제 2의 또는 피크 확장기는 입력 신호의 피크 동안에만 액티브이고 그리고 상기 메인 확장기의 출력에서 로드 임피던스가 명백하도록 수정하기 위해 사용된다. 최대 효율성은 상기 제 2 확장기가 그의 최대 전력을 산출할 때 다시 획득된다. 따라서 상기 제 1 확장기는 바깥쪽으로의 전력의 6dB 범위를 위한 포화의 가장에서 유지되고 그리고 거의 피크 효율성이 유지될 수 있다.

상기 Doherty 확장기로의 입력 RF 전력이 피크 확장기를 켤 수 있을 만큼 충분하지 않을 때, 출력 전력의 모든 것은 상기 메인 또는 반송파 확장기에 의해 제 공된다. 상기 피크 확장기가 off 일 때, 그의 출력 임피던스는 매우 놓고 그리고 반송파 확장기의 출력 전력은 거의 도 1(B)에 보이는 것과 같이 로드 R/2로 전송된다. 1/4 파 변압기에서 반송파 확장기로 실질적으로 표현되는 상기 로드는 2R이다. 상기 장치 전류는 그러므로, 상기 전압이 포화되는 동안, 최대 전력에서 전송되는 것의 1/2 이다. 이는 그의 최대 출력 전력의 반을 전송하는 장치에서 초래한다. 전류의 RF 그리고 DC 성분들이 그들의 피크 전압의 반이기 때문에, 상기 효율성은 최대 선형 효율성을 지닌 로드로 제공되고 있는 상기 반송파 확장기의 최대 출력 전력의 반을 지는 그의 최대에서 이다.

충분한 입력 RF 전력이 도1(A)에서와 같이 피크 확장기가 포화되어가는 것을 허용하기 위해 제공되고, 두 개의 평행한 확장기들은 심지어 최대 출력 전력을 로드 R/2로 전송한다. 각 확장기에 명백한 상기 로드는 최적 로드 R이고, 그리고 1/4 파의 양 끝에서 로드는 R에서 남아있을 것이다. 상기 피크 확장기는 상기 반송파 확장기가 포화되기 시작하자마자 작동을 시작하기 위해 디자인 된다. 최대 선형 효율성은 이 지점에서 획득된다. 입력 RF 구동부가 증가함에 따라, 상기 피크 확장기는 켜지고 로드로 출력 전력을 전송하기 시작한다. 상기 피크 확장기에 의해 제공되는 부가적 전류는 1/4파 변압기의 출력에서 로드 임피던스를 증가하는 효과를 지닌다. 상기 변압기의 반송파 확장기 종단부에서 효율적 변화는 그의 전압이 포화상태를 유지하는 동안 상기 반송파 확장기가 더 많은 전력을 전송하는 것을 가능하게 하고 명백한 로드 임피던스의 감소가 될 것이다. 상기 제한들 간의 효율성은 상기 피크 확장기의 충격 계수(duty factor)가 상대적으로 낮기 때문에 최대로부터 약간 떨어질 것이다.

Doherty 확장기의 고 효율 작동의 범위를 확장하기 위한 시도들이 이루어져 왔다. 예를 들어, Iwamoto et al 은 반송파 그리고 피크 확장기들 그리고 입력에서균등하지 않은 전력 분리기에서 스케일 된 트랜지스터들 또는 다른 크기들의 트랜지스터들을 이용하여 12 dB 백-오프 회로를 생산해 왔다. Iwamoto et al 의 "An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency Over a Wide Power Range," 2001 IEEE MTT-S Digest, Phoeniz, AZ 를 보라. 이 기술은 명백히 상기 전체 출력 전력이 낮을 때(10 와트보다 낮을 때) 명백히 잘 작동하나 상기 출력 전력이 10-100 watt CW 범위일 때 제한된 개선을 지닌다.

당해 발명은 RF 전력 확장기를 위한 고 효율 작동의 확장된 범위를 제공한다.

당해 발명에 따라, RF 전력 확장기는 최대 백-오프 전력 작동을 위한 메인 또는 반송파 확장기와 전력 요구들을 순차적으로 증가하기 위한 작동들을 시작하기에 적합하게 바이어스 된 다수의 보조 또는 피크 확장기들을 포함한다. 각 피크 확장기는 피크 효율성이 유지될 수 있는 전력 범위에서 6dB의 증가를 제공할 수 있다. N 웨이 분리기가 입력 신호를 메인 확장기 그리고 N-1 피크 확장기에 제공하기 위해 요구되는 이래로, 분리기에서 제한적 전력 손실은 일부 효율성의 하락을 일으킨다.

선호되는 실시예에서, 4-way 확장기가 제공되고 그리고 4-웨이 전력 분리기 에 의해 모드 구동되는 3개의 피크 확장기들과 메인 확장기를 포함한다. 이론적으로, 이 확장기는 18dB까지 효율적 전력의 범위를 확장시킨다. 효율적 전력 범위에서 그러한 확장은 피크에 대한 평균 전력 비율이 13dB 만큼 높을 수 있는 곳에서 광대역 CDMA(W-CDMA) 또는 OFDM 과 같은 수정 구조들을 이용하는 디지털 통신 시스템에서 매우 중요하다. 상기 4-웨이 구조는 또한 2-웨이 확장기 배열에 비해 3dBm의 전체 전력 증가를 제공한다. 따라서 120 와트 피크 확장기는 30 와트 트랜지스터들을 이용하는 각 확장기 경로(반송파 그리고 3 피크 확장기)를 지는 4-웨이 배열에 의해 제공될 수 있다.

도 1(A) 그리고 도 1(B) 는 종래 Doherty 확장기의 구조이다.

도 2 는 당해 발명의 한 실시예에 따른 4-웨이 전력 확장기의 구조이다.

도 3 은 도 2 의 4-웨이 확장기의 더 상세한 구조이다.

도 4 는 도 2 그리고 도 3에 따른 시뮬레이트 된 전력 확장기를 위한 전력 부가 효율성과 전력-out 대 전력-in을 표시하는 그래프이다.

당해 발명은 메인 반송파 확장기와 N-1 피크 확장기를 위한 N-웨이 분리기의 공급과 다수의 피크 확장기들의 부가를 지닌 Doherty 전력 확장기의 수정으로서 간주될 수 있다. 상기 확장기의 실질적 구조를 쉽게 하기 위해, 피크 확장기에 대한 입력과 반송파 확장기의 출력에서 종래의 Doherty 확장기 1/4파 변압기는 수행에 영향을 미치지 않고 변환된다. 단지 하나의 단일 90도(1/4 파) 위상 길이가 반송파 확장기 입력에서 필요로 되고 그 결과 멀티웨이 전력 분리기를 통해 다중 피크 확장기들의 더 쉬운 구현이 허용된다.

도 2 는 당해 발명에 따른 전력 확장기의 한 실시예의 블락 다이어그램으로서, 이는 출력 로드(28)에 연결된 90도 변압기들(24,25,26)을 통해 연결된 피크 확장기와 함께 반송파 확장기(20) 그리고 3개의 피크 확장기들(21,22,23)을 포함한다. 단일 90도 변압기(30)는 4-웨이 분리기(32)를 반송파(20)에 연결한다. 피크 확장기의 각각에 기초한 DC 바이어스를 적합한 값으로 세팅함으로서, 상기 부가된 피크 확장기는 Doherty 액션이 확장되는 것을 허용한다. 먼저 위에서 부가되는 각 피크 확장기를 위해, 피크 효율성이 유지될 전력 범위에서 대응하는 6dB의 증가가 있다. 효율성에서 일부 하락은 N-웨이 분리기에서 한정된 손실에 따른 결과가 될 것이다. 상기 4-웨이 확장기는 18dB의 이론적 값으로 효율적 전력의 범위로 확장된다. 위에서 설명한 것과 같이, 그러한 확장은 피크 대 평균 전력 비율이 13dB 만큼 높을 수 있는 곳에서 수정 구조를 이용하는 디지털 통신 시스템에서 매우 중요하다. 상기 4-웨이 구조는 2-웨이 종래의 Doherty 회로에 비해 3dBm의 전체 전력 증가를 제공한다. 따라서 120 와트 피크 확장기는 30 와트 트랜지스터를 이용하는 각 경로(반송파 그리고 3 피크 확장기들)를 지는 4-웨이 Doherty 배열에 의해 제공될 수 있다.

도 3은 울트라 RF 양수인으로부터 30 와트 LDMOSFET 전력 트랜지스터들을 이 용하여 시뮬레이트 되는 도 2 의 확장기의 더 상세한 구조이며, 이는 메인 확장기 트랜지스터(40)와 3개의 피크 확장기 트랜지스터들(41-43)을 포함한다. 입력 신호들의 4-웨이 분리기는 2-웨이 분리기들(44,46 그리고 48)에 의해 제공된다. 메인 트랜지스터 확장기(40)는 분리기(46)를 입력 정합 회로(52)에 연결하는 90도 변압기를 포함한다. 게이트 바이어스(54), 드레인 바이어스(56), 출력 정합 회로(58), 그리고 오프셋 마이크로스트립 위상 길이(60)는 직렬적으로 위상 분리기(46)와 변압기(64)와 저항적 로드(65)를 포함하는 출력 간의 확장기에 연결된다. 피크 확장기의 각각은 도 2에서 보이는 것과 같이 확장 회로를 상기 로드로 연결하는 변압기(66)를 지닌다. 하모닉 결과는, 예를 들어, 그라운드 된 인덕터나 커패시터, 트랜지스터 출력으로 출력 하모닉을 되돌리기 위해 반사하는 출력 정합 회로(58)에서 포함될 수 있고, 그 결과 피크 효율성이 증가된다. 피크 확장기의 각각은 입력 신호 강도가 증가됨에 따라 피크 확장기의 순차적 작동을 제공하는 케이트 바이어스 회로를 지닌 유사한 입력 그리고 출력 회로들을 지닌다.

도 3의 4-웨이 확장기는 출력 전력, 전력 부가 효율성(PAE) 그리고 이득을 위해 UMTS 대역(2110-2170 MHz)에 대해 Agilent ADS 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이트 된다. 도 4 는 150와트(52 dBm)에 가까운 포화된 출력을 지닌 23-43 dBm으로부터 확장되는 입력 전력들의 범위에 대한 PAE 와 마찬가지로, 입력 RF 전력에 대한 출력 RF 전력을 보여준다. 상기 출력 전력 레벨이 42dBm(10dB 백오프)로 백오프 될 때, PAE 는 46%이다. 종래의 확장기는 동일한 백-오프 전력을 위해 10% 이하의 PAE를 지닐 것이다. 종래의 2-웨이 Doherty 확장기는 23%의 대응하는 PAE를 지닐 것이다. 확장기의 전체 동적 범위에 대해 이득 선형성을 유지하기 위한 수정 지점에서 트랜지스터들은 연속적으로 켜지고 피크 확장기를 위한 바이어스 전압들의 선택에서 그것은 중요하다.

테이블 1은 기존의 Doherty 확장기, Iwamoto et al.에 의해 설명되는 것과 같은 균등하지 않은 전력 분리를 지닌 2-웨이 Doherty 확장기, 당해 발명의 실시예에 따른 3-웨이(2 개의 피크 확장기들을 지닌 메인 확장기) 그리고 4-웨이 분리기(3 개의 피크 확장기들을 지닌 메인 확장기) 간의 비교를 보여준다. 주의할 것은 기존의 접근에 대해 PAE에서 4-웨이 확장기의 2의 요소에 의한 개선을 획득한다는 점이다.

당해 발명에 따른 N-웨이 Doherty 확장기는 입력/출력 전력 레벨의 전체 범위에 대한 선형 전력 확장기들을 위한 전력 부가 효율성에서 주된 개선점을 준다. 상기 확장기는 특히 고 전력 확장기들에 적합하다. 왜냐하면, 각 트랜지스터의 전력 요구는 역으로 다수의 전력 트랜지스터들의 수 N에 비례하기 때문이다. 종래의 2-웨이 Doherty 구조에서, 각 트랜지스터의 피크 전력 요구는 총 출력 전력의 1- 1/2가 될 것으로 강요된다. 그러한 조건은 반송파와 피크 확장기들을 위한 매우 낮은 입력 그리고 출력 임피던스를 초래하고 그리고 실질적 구현의 어려움들을 일으킨다. 당해 발명에서는, 각 트랜지스터는 1/N 출력 전력의 피크 전력 요구를 지닐 필요가 있고, 따라서, N 이 2보다 더 클 때 더 높은 입력과 출력 임피던스를 일으킨다. 게다가, 확장기에서 비효율성을 유지함으로써 발생되는 열은 더 작은 개개의 트랜지스터에 따른 더 큰 물리적 영역에 배분되고, 따라서 전체 열적 저항을 감소하게 된다.

Claims (14)

1. 광범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키기 위해 무선 통신 기지국에 사용되는 RF 전력 증폭기로서,

   a) 광범위 전력의 최대값 미만의 전력 포화 레벨을 지니고 그리고 제 1 범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키기 위해 측면 DMOS 트랜지스터를 포함하는 메인 증폭기,

   b) 상기 메인 증폭기에 병렬로 연결되는 측면 DMOS 트랜지스터들을 포함하는 복수의 보조 증폭기로서, 각각의 보조 증폭기는 메인 증폭기가 포화 상태에 다다른 이후에 증폭된 출력 신호를 순차적으로 제공하도록 바이어스되며, 또한 각각의 보조 증폭기는 유효 전력 증폭을 6dB 만큼 확장시키는 것을 특징으로 하는 상기 복수의 보조 증폭기,

   c) 입력 신호를 분리시켜서 메인 증폭기 및 복수의 보조 증폭기에 분리된 입력 신호를 공급하는 신호 분리기로서, 1/4파 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 신호 분리기, 그리고,

   d) 상기 메인 증폭기로부터, 그리고, 상기 복수의 보조 증폭기로부터 증폭된 출력 신호를 수신 및 결합시키는 출력으로서, 상기 출력에 구성되는 저항성 부하는 메인 증폭기의 출력에 연결되고 각각의 보조 증폭기의 출력에 1/4파 변압기를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 상기 출력

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   복수의 보조 증폭기들은 3개의 피크 증폭기들이고, 확장된 유효 전력 증폭은 18 dB인 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
4. 삭제
5. 삭제
6. 광범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키는 RF 전력 증폭기에 있어서,

   a) 광범위의 전력의 최대값 미만인 전력 포화 레벨을 가지면서, 제 1 범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키는 메인 증폭기,

   b) 메인 증폭기에 병렬로 연결되는 복수의 보조 증폭기로서, 각각의 보조 증폭기는 메인 증폭기가 포화 상태에 도달한 후 증폭된 출력 신호를 순차적으로 제공하도록 바이어스되며, 복수의 보조 증폭기는 세개의 피크 증폭기이고 확장된 유효 전력 증폭은 18dB이며, 메인 증폭기와 각각의 보조 증폭기는 측면 DMOS 트랜지스터를 한개씩 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 복수의 보조 증폭기,

   c) 입력 신호를 분리시켜서 메인 증폭기 및 복수의 보조 증폭기에 분리된 입력 신호를 공급하는 신호 분리기로서, 상기 신호 분리기는 메인 증폭기의 입력에 연결되는 1/4파 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 신호 분리기, 그리고,

   d) 상기 메인 증폭기로부터, 그리고, 상기 복수의 보조 증폭기로부터 증폭된 출력 신호를 수신 및 결합시키는 출력으로서, 상기 출력에 구성되는 저항성 부하는 메인 증폭기의 출력에 연결되고 그 값은 임피던스 R의 1/2이며, 각각의 보조 증폭기는 임피던스 R의 1/4파 전송 라인을 통해 상기 저항성 부하에 연결되는 것을 특징으로 하는 상기 출력

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
7. 제 6 항에 있어서, 포화 이전에 상기 메인 증폭기는 2R의 부하에 전류를 공급하고 그에 의해 전류는 상기 증폭기가 포화될 때의 최대 전력 전류의 1/2인 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
8. 삭제
9. 삭제
10. 광범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키는 RF 전력 증폭기에 있어서,

    a) 광범위의 전력의 최대값 미만인 전력 포화 레벨을 가지면서, 제 1 범위의 전력에 대해 RF 신호를 증폭시키는 메인 증폭기,

    b) 메인 증폭기에 병렬로 연결되는 복수의 보조 증폭기로서, 각각의 보조 증폭기는 메인 증폭기가 포화 상태에 도달한 후 증폭된 출력 신호를 순차적으로 제공하도록 바이어스되는 것을 특징으로 하는 상기 복수의 보조 증폭기,

    c) 입력 신호를 분리시켜서 메인 증폭기 및 복수의 보조 증폭기에 분리된 입력 신호를 공급하는 신호 분리기, 그리고,

    d) 상기 메인 증폭기로부터, 그리고, 상기 복수의 보조 증폭기로부터 증폭된 출력 신호를 수신 및 결합시키는 출력으로서, 상기 출력에 구성되는 저항성 부하는 메인 증폭기의 출력에 연결되고 그 값은 임피던스 R의 1/2이며, 각각의 보조 증폭기는 임피던스 R의 1/4파 전송 라인을 통해 상기 저항성 부하에 연결되는 것을 특징으로 하는 상기 출력

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
11. 제 10 항에 있어서, 포화 이전에, 상기 메인 증폭기는 2R의 부하에 전류를 공급하고 그에 의해 전류는 상기 증폭기가 포화될 때 최대 전력 전류의 1/2인 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
12. 제 1, 6, 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 분리기는 각각의 보조 증폭기에 직접 연결되고, 각각의 보조 증폭기에 의해 증폭되는 신호는 입력 신호와 동일한 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
13. 제 1, 6, 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 메인 증폭기가 오프셋 마이크로스트립 위상 길이를 통해 상기 출력에 연결되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.
14. 제 13 항에 있어서, 메인 증폭기와 오프셋 마이크로스트립 위상 길이 간에 출력 정합 회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 증폭기.

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