KR101284814B1 - 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기 - Google Patents

구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도허티 전력증폭기를 구성하는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 앞단에 구동 증폭기를 각각 연결하여 높은 이득과 높은 효율을 얻을 수 있도록 한 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 입력 신호를 제 1 경로부와 제 2 경로부로 분배하는 하이브리드 전력 분배기와; 상기 하이브리드 전력 분배기에서 출력되는 신호를 입력받으며, 캐리어 증폭기, 제 1 피킹 증폭기 및 제 2 피킹 증폭기를 구동 제어하기 위한 구동증폭기를 포함하고, 상기 구동증폭기의 후단에는 상기 캐리어 증폭기, 제 1 피킹 증폭기 및 제 2 피킹 증폭기가 각각 연결되고, 상기 제 1 경로부는 낮은 입력 전력에서 높은 효율을 발생시키고, 상기 제 2 경로부는 높은 출력 범위에서 높은 효율과 이득을 유지시키도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기 {3-way Doherty Power Amplifier using Driving Amplifier}
본 발명은 구동증폭기를 이용한 3-웨이(way) 도허티 전력증폭기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 도허티 전력증폭기를 구성하는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 앞단에 구동 증폭기를 각각 연결하여 높은 이득과 높은 효율을 얻을 수 있도록 한 구동증폭기를 이용한 3-웨이(way) 도허티 전력증폭기에 관한 것이다.
도허티 전력증폭기는 낮은 출력 전력에서 높은 효율을 발생할 수 있는 장점으로 현재까지 널리 연구되고 있다. 하지만 최근 통신 시스템에 사용되는 변조 신호들은 9 dB 이상의 높은 PAPR (peak-to-average power ratio)를 가지며, 일반적인 도허티 전력증폭기는 6dB BOP(back-off power)에서 높은 효율을 가지는 한계가 있기 때문에 이를 보상하기 위해 더욱 확장된 개념의 도허티 전력증폭기가 제안되었다. 더 많은 BOP에서 높은 효율을 가지기 위한 방법으로 N-way, 비대칭 도허티 전력증폭기들이 개발되어 왔지만, 이들 또한 BOP구간에서 높은 효율을 발생시킨 후 이득과 효율이 감소하고, 최대 출력 전력을 발생시키지 못하는 단점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3-way 도허티 전력증폭기(100)를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 입력된 신호는 전력 분배기(101)를 통해 동일한 크기를 가지고 각 전송선로를 통해 나누어진다. 나뉜 신호는 피킹 증폭기(105, 106)의 입력부의 앞단에 삽입된 λ/4 전송선로(102)에 의해 90도 위상차를 가진 채, 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)에 각각 입력된다. 입력 정합 회로(103)는 각 전송선로마다 위치하는 제1 정합회로, 제2 정합회로 및 제3 정합회로로 구성되어 있고, 각 증폭기(104, 105, 106)의 입력 임피던스를 정합한다. 출력 정합 회로(107)는 제4 정합회로, 제5 정합회로 및 제6정합회로로 구성되며, 각 증폭기(104, 105, 106)의 이득과 효율을 최적화시킨다.
입력전력이 미리 설정된 것보다 낮은 입력 범위에서는 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)는 동작하지 않고 캐리어 증폭기(104)만 동작한다. 이 설정값은 회로의 설계자들에 의해 미리 결정된다.
캐리어 증폭기(104)만 동작하는 낮은 입력 범위에서는 λ/4 전송선로(111)에 의해서 캐리어 증폭기(104)의 출력부에 부하 임피던스가 증가한다.
이때, 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)로 캐리어 증폭기(104)의 출력이 누설되는 것을 막기 위해서, 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)의 출력부에 50Ω 전송선로(109, 110)가 삽입되었다. 이는 캐리어 증폭기(104) 출력에서 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)로 바라보는 임피던스가 큰 값을 가지도록 만들어준다.
각 피킹 증폭기에 삽입된 50Ω 전송선로(109, 110) 만큼의 신호 지연을 보상하기 위하여, 캐리어 증폭기(104)의 출력부에도 50Ω 전송선로(108)를 추가로 연결한다.
또한, 캐리어증폭기(104), 제1 피킹 증폭기(105) 및 제 2피킹 증폭기(106)의 출력 임피던스와 3-way 도허티 증폭기의 특성 임피던스 사이의 임피던스를 매칭하기 위해서 출력 임피던스 변환 전송선로(112)를 출력에 연결한다.
3-웨이(way) 도허티 전력증폭기(100)에 입력되는 전력이 미리 설정된 값보다 높아지면 캐리어 증폭기(104)와 제 1 피킹 증폭기(105) 및 제 2 피킹 증폭기(106)가 동시에 동작하게 된다. 일반적으로 N-way 도허티 전력증폭기는 입력에 N-way 전력 분배기를 이용하기 때문에 캐리어 증폭기의 이득이 낮아지고, BOP에서 높은 효율을 보인 후에 포화 출력 전력에 이르기까지 이득과 효율이 감소하는 특성을 보인다.
도 2는 종래 기술에 따른 역 클래스 E(inverse class-E) 전력증폭기(200)을 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 입력 정합 회로(201)에 의해 전력증폭기(203)의 입력 임피던스가 정합된다. 출력 정합 회로(207)에 의해 전력증폭기(203)의 출력 임피던스가 정합된다. 2차 고조파 조절 선로(202)에 의해 전력증폭기(203)로 입력된 신호의 2차 고조파 성분이 최소화되고, 출력 고조파 조절 선로(206)에 의해서는 모든 고조파 임피던스가 입력 임피던스보다 상대적으로 작아지기 때문에 높은 효율을 얻는 장점이 있다.
그러나 전술한 기존의 3-way 도허티 전력증폭기(203)는 큰 BOP에서 높은 효율의 특성을 갖지만, 낮은 출력 범위에서 높은 효율을 가진 뒤 다시 최대 출력 범위에서 높은 효율을 가지기 전까지는 효율과 이득이 감소하는 단점이 있다. 또한 소자의 비선형 특성인 soft turn-on 현상으로 인해 피킹 증폭기가 최대 출력 전력을 발생시키지 못함으로써 효율이 감소하는 단점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 넓은 출력범위에서도 일정하게 높은 효율과 이득을 발생할 수 있는 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 캐리어 전력증폭기의 앞단에는 클래스 AB(class-AB) 바이어스의 구동 증폭기를, 피킹 전력증폭기들의 앞단에는 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스의 구동 증폭기를 각각 연결함으로써 넓은 출력범위에서 높은 효율과 이득을 얻을 수 있도록 한 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 구동증폭기를 이용한 3-웨이(way) 도허티 전력증폭기는, 입력신호가 제 1 단자에 입력되는 구동 캐리어 증폭기, 제 1 단자가 상기 구동 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 캐리어 증폭기, 입력신호가 제 1 단자에 입력되는 구동 피킹 증폭기, 제 1 단자가 상기 구동 피킹 증폭기의 제 2 단자에 연결되고 제 2 단자가 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 제 1 피킹 증폭기, 제 1 단자가 상기 구동 피킹 증폭기의 제 2 단자에 연결되고 제 2 단자가 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 제 2 피킹 증폭기를 포함하되, 제 1 동작영역에서는 상기 구동 캐리어 증폭기 및 상기 캐리어 증폭기만 동작하도록 설정되고, 제 2 동작영역에서는 상기 구동 피킹 증폭기 및 상기 제 1 피킹 증폭기가 추가로 더 동작하도록 설정되고, 제 3 동작영역에서는 상기 제 2 피킹 증폭기가 다시 추가로 더 동작하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기는 큰 BOP에서 높은 효율을 가진 후 효율과 이득이 감소하는 한계를 극복하여 넓은 출력범위에서도 높은 효율과 이득을 얻을 수 있으며, 또한 구동 증폭기로 인해 soft turn-on 현상을 극복함에 따라 피킹 증폭기를 최대 출력전력까지 발생시켜 높은 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 기존의 3-way 도허티 전력증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 기존의 역 클래스 E(inverse class-E) 전력증폭기(200)을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기(300)의 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 2단 전력증폭기의 입력 전력에 따른 출력 전력 특성이 다르게 동작함을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기(500)를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 중심주파수가 1GHz인 정현파가 입력신호로 사용되었을 경우에 출력전력에 따른 효율 및 이득 특성을 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기(300)의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 증폭기(300)는 구동 증폭기(301), 캐리어 증폭기(302), 피킹 증폭기(303), 제 1 λ/4 전송선로(304), 제 2 λ/4 전송선로(305)를 포함하여 이루어진다. 구동 증폭기(301)는 구동 캐리어 증폭기(301(a))와 구동 피킹 증폭기(301(b))를 포함하여 이루어진다. 피킹 증폭기(303)는 제 1 피킹 증폭기(303(a))와 제 2 피킹 증폭기(303(b))를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 증폭기(300)는 2개의 경로부를 가진다. 제 1경로부는 구동 캐리어 증폭기(301(a)), 캐리어 증폭기(302)를 경유한다. 제 2경로부는 구동 피킹 증폭기(301(b))를 경유하되, 병렬로 연결된 제 1 피킹 증폭기(303(a))와 제 2 피킹 증폭기(303(b))를 거치는 경로를 모두 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 증폭기(300)는 3개의 동작영역을 가진다. 제 1 동작영역에서는 구동 캐리어 증폭기(301(a)) 및 캐리어 증폭기(302)만 동작하도록 설정되고, 제 2 동작영역에서는 구동 피킹 증폭기(301(b)) 및 제 1 피킹 증폭기(303(a))가 추가로 더 동작하도록 설정되고, 제 3 동작영역에서는 제 2 피킹 증폭기(303(b))가 다시 추가로 더 동작하도록 설정된다.
낮은 입력 범위에서는 제 1 동작영역인 구동 캐리어 증폭기(301(a))와 캐리어 증폭기(302)만 동작하도록 설정되어 있다. 이때 제 1 λ/4 전송선로(304)에 의해 캐리어 증폭기(302)의 출력 임피던스는 증가하고, 비교적 낮은 출력 전력범위에서도 높은 효율을 낼 수 있다.
구동 캐리어 증폭기(301(a))와 캐리어 증폭기(302)는 클래스 AB(class AB) 바이어스를 사용한다.
구동 피킹 증폭기(301(b))는 구동 캐리어 증폭기(301(a))보다 높은 입력 범위에서 동작하도록 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스로 되어 있다. 덩달아 구동 피킹 증폭기(301(b))의 출력을 입력받는 제 1 피킹 증폭기(303(a))와 제 2 피킹 증폭기(303(b)) 또한 구동 캐리어 증폭기(301(a)) 보다 높은 입력에서 동작한다. 입력 크기가 증가함에 따라 제 2 동작영역인 구동 피킹 증폭기(301(b))가 동작을 시작하게 되고, 제 1 피킹 증폭기(303(a))도 동작한다. 제 1 피킹 증폭기(303(a))의 동작시점은 제 1 피킹 증폭기(303(a))가 위크 클래스 C(week class-C) 바이어스를 가지도록 설정되었기 때문에 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스를 가지는 제 2 피킹 증폭기(303(b))보다 빠르다.
입력의 크기가 더욱 증가하면 제 3 동작영역인 제 2 피킹 증폭기(303(b))도 동작하게 된다. 입력이 최대가 되면 구동 증폭기(301), 캐리어 증폭기(302) 및 피킹 증폭기(303)가 모두 동작하게 되어 도 3의 제 1 경로부 또는 제 1 동작영역만 동작할 때 보다 높은 효율을 발생한다.
제 1 λ/4 전송선로(304)에 의해 캐리어 증폭기(302)와 피킹 증폭기(303) 사이에 나타나는 위상지연을 보상하기 위해서 제 2 λ/4 전송선로(305)를 구동 피킹 증폭기(301(b))의 입력에 연결한다.
도 4의 윗 그림은 본 발명의 대표도인 도 3의 회로를 간략하게 2 단으로 표시한 회로도이다. 도 3의 구동 증폭기(301)은 도 4의 구동 전력 증폭기(401)로 간략히 표시되고, 도 3의 캐리어 증폭기(302), 제 1 피킹 증폭기(303a), 제 2 피킹 증폭기(303b)는 도 4의 주 전력 증폭기(402)로 표시되었다.
도 4의 아래 그림은 구동 전력 증폭기(401)와 주 전력 증폭기(402)가 직렬로 연결된 2단 전력 증폭기에서 각 증폭기의 바이어스에 따른 출력전력 특성을 도시하고 있다.
도4의 그래프를 수식으로 표현하면 도 4의 수식
Figure 112011083920389-pat00001
으로 나타낼 수 있으며, 이는 출력전력의 변화와 입력전력의 변화에 대한 게이트 바이어스의 변화를 나타낸 것이다.
구동 전력증폭기(401)를 클래스 AB(class-AB) 바이어스에 고정시키고 주 전력증폭기(402)를 클래스 AB(class-AB), 위크 클래스 C(week class-C), 딥 클래스C(deep class-C) 바이어스로 점차 바꿔 2단 전력증폭기(400)의 출력을 비교해 본 결과, 게이트 바이어스가 점점 낮아짐에 따라 더욱 가파른 기울기를 얻음을 확인할 수 있다.
마찬가지로, 구동 전력증폭기(401)를 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스에 고정시키고 주 전력증폭기(402)를 위크 클래스 C(week class-C), 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스로 바꿔 출력을 비교해 본 결과, 더욱 가파른 기울기를 갖는 출력을 얻음을 확인할 수 있다.
출력의 기울기를 조절할 수 있는 특성을 이용하여, 소자의 비선형 특성인 soft turn-on 현상을 보상함으로써 높은 효율을 유지할 수 있다.
또한, 도 4의 그래프를 보면 클래스 AB(class-AB) 바이어스의 구동증폭기 보다 위크 클래스 C(week class-C) 바이어스의 구동증폭기가 더 높은 입력 전력에 동작하고, 위크 클래스 C(week class-C) 바이어스의 구동증폭기 보다 딥 클래스C(deep class-C) 바이어스의 구동증폭기가 더 높은 입력 전력에 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기(500)를 보다 더 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 하이브리드 전력분배기(501), 구동 증폭기(502), 제 1 전력분배기(503), 캐리어 증폭기(504), 제 1 전송선로(505), 제 2 전력분배기(506), 제 1 피킹 증폭기(507), 제 2 전송선로(508), 제 2 피킹 증폭기(509), 제 3 전송선로(510), 제 1 λ/4 전송선로(511), 출력임피던스 변환 전송선로(512)를 포함하여 이루어진다. 구동 증폭기(502)는 구동 캐리어 증폭기(502(a))와 구동 피킹 증폭기(502(b))를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 증폭기(500)는 2개의 경로부를 가진다. 제 1경로부는 하이브리드 전력분배기(501)로부터 출발하여 구동 캐리어 증폭기(502(a)), 제 1 전력분배기(503), 캐리어 증폭기(504),제 1 전송선로(505) 및 제 1 λ/4 전송선로(511)를 경유한다. 제 2경로부는 하이브리드 전력분배기(501)로부터 출발하여 구동 피킹 증폭기(502(b))와 제 2 전력분배기(506)를 경유하되, 병렬로 연결된 제 1 피킹 증폭기(507)와 제 2 피킹 증폭기(509)를 거치는 경로를 모두 포함한다. 제 1 피킹 증폭기(507)는 제 2 전송선로(508)와 연결되고, 제 2 피킹 증폭기(509)는 제 3 전송선로(510)와 연결되어 있다. 또한, 제 1 λ/4 전송선로(511)의 출력과 제 2 전송선로(508)의 출력 그리고 제 3 전송선로(510)의 출력은 출력임피던스 변환 전송선로(512)와 연결되어 있다.
하이브리드 전력분배기(501)에는 도 3에서 도시된 것과 같은 제 2 λ/4 전송선로(305)가 포함되어 있다.
본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 증폭기(500)는 3개의 동작영역을 가진다. 제 1 동작영역에서는 구동 캐리어 증폭기(502(a)), 제 1 전력분배기(503), 캐리어 증폭기(504) 및 제 1 λ/4 전송선로(511)만 동작하도록 설정되고, 제 2 동작영역에서는 구동 피킹 증폭기(502(b))와 제 2 전력분배기(506) 및 제 1 피킹 증폭기(507)가 추가로 더 동작하도록 설정되고, 제 3 동작영역에서는 제 2 피킹 증폭기(509)가 다시 추가로 더 동작하도록 설정되었다.
이러한 도면을 통해 본 발명에 따른 구동증폭기를 이용한 3-way 도허티 전력증폭기에 대해 구체적으로 설명한다.
입력된 신호는 하이브리드 전력분배기(501)를 통해 동일한 크기의 신호가 90도의 위상차를 가지고 각 전송선로로 나누어진다. 입력 신호 크기가 낮은 제 1 동작 영역에서는 구동 캐리어 증폭기(502(a))만 동작하고 구동 피킹 증폭기(502(b))는 동작하지 않도록 설정되어 있다.
제 1 동작영역에서는 구동 캐리어 증폭기(502(a))와 캐리어 증폭기(504)는 두 증폭기 모두 클래스 AB(class-AB) 바이어스를 가지도록 설정되어 있기 때문에, 구동 캐리어 증폭기(502(a))가 동작되면 캐리어 증폭기(504)도 동시에 동작한다.
구동 캐리어 증폭기(502(a))와 달리 구동 피킹 증폭기(502(b))는 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스를 가지도록 설정되어 있다. 클래스 AB(class-AB) 바이어스를 사용하는 증폭기의 경우 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스를 사용하는 증폭기보다 낮은 입력전력에서 동작한다. 따라서 클래스 AB(class-AB) 바이어스를 사용하는 증폭기가 출력 전력이 발생하는 구간에서도 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스를 사용하는 증폭기는 출력 전력이 발생하지 않는 구간이 생긴다. 예컨대 도 4에서는 VGSd = 딥 클래스 C 이고, VGSm = 위크 클래스 C(Weak Class-C)의 출력 전력이 발생하기 이전 구간에서 VGSd = 클래스 AB를 사용하는 모든 증폭기의 출력 전력이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, VGSd = 딥 클래스 C를 사용하는 증폭기는 출력 전력이 발생하지 않는 구간이 생긴다.
도 4의 그래프를 참조하면, 클래스 AB(class-AB) 바이어스를 사용하는 증폭기와 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스를 사용하는 증폭기의 입력 전력에 따른 출력 전력이 발생하는 영역이 다르게 동작하는 것을 확인할 수 있다.
구동 캐리어 증폭기(502(a))를 통과한 입력 신호는 제 1 전력분배기(503)에 의해 같은 크기와 위상을 갖는 두 개의 신호로 분리되어 하나는 캐리어 증폭기(504)의 입력으로, 다른 하나는 터미네이트(terminated)된다. 터미네이트 동작을 나타내기 위해 제 1 전력분배기(503)의 분리된 두 개의 신호 가운데 하나를 편의상 화살표로 도시하였다.
제 1 전력분배기(503)는 캐리어 증폭기(504)와 제 1 피킹 증폭기(507) 및 제 2 피킹 증폭기(509)로 입력되는 신호가 같은 크기, 같은 위상을 가지게 한다. 캐리어 증폭기(504)에 의해 증폭된 신호는 제 1 λ/4 전송선로(511)에 의해 출력 임피던스가 증가하였으므로, 캐리어 증폭기(504)에 의해 증폭된 신호는 낮은 출력 전력 범위에서는 높은 효율을 발생할 수 있다.
입력 신호의 크기가 점점 증가함에 따라서 구동 피킹 증폭기(502(b))가 동작하게 된다. 구동 피킹 증폭기(502(b))를 통과한 입력 신호는 제 2 전력분배기(506)에 의해 같은 크기와 위상을 갖는 두 개의 신호로 분리되어 각 전송선로로 나누어진다.
제 1 피킹 증폭기(507)와 제 2 피킹 증폭기(509)는 각각 위크 클래스 C(week class-C), 딥 클래스 C(deep class-C) 바이어스로 설정되었기 때문에, 제 1 피킹 증폭기(507)가 먼저 동작하고 뒤이어 제 2 피킹 증폭기(509)가 동작한다.
제 1 피킹 증폭기(507)가 동작하는 구간은 제 2 동작 영역에 해당하고, 제 2 피킹 증폭기(509)가 추가로 더 동작하는 구간은 제 3 동작 영역에 해당한다.
이러한 동작 영역들은 후술하여 설명할 도 6에 잘 도시되어 있다. 이처럼 두 피킹 증폭기의 동작 시점이 서로 다른 차이점으로 인해 제 2 경로부의 출력 신호는 제 1 경로부 출력 신호에 비해 포화 출력 전력에 이르기까지 더 높은 효율을 유지할 수 있다.
잘 알려진 바와 같이 도허티 증폭기에서는 트랜지스터를 이용한 증폭기를 사용하며 이는 soft turn-on 현상을 일으키기도 한다. Soft turn-on 현상은 일반적인 증폭기의 비선형적인 특성으로 모든 트랜지스터가 가지고 있는 특성이다. 이는 증폭기가 켜질 때 시간에 따라 선형적으로 출력이 증가하여야 하지만, 소자 내의 비선형적인 특성 때문에 초반에는 느리게 증폭하다가 조금 시간이 지난 후 선형적으로 증폭하는 현상을 일컫는다.
본원 발명에서의 도허티 증폭기에서는 캐리어 증폭기, 피킹 증폭기 등 종류에 상관없이 그 세부 회로 구조는 도 2와 같은 역 클래스 E 전력증폭기 형태를 사용한다. 이는 트랜지스터를 이용한 증폭기이며, 신호의 고조파 성분을 제어하고 높은 효율을 가지는 장점이 있지만 한편으론 soft turn-on 현상을 일으키기도 한다.
그러나 도 5에서와 같이 본원 발명에서의 도허티 증폭기에서 모든 증폭기의 세부구조를 역 클래스 E 전력 증폭기와 같은 구조를 취하면서도 구동 증폭기(502)를 도허티 증폭기의 첫 단에 추가하면 이와 같은 soft turn-on 현상이 보상될 수 있다.
구동 증폭기(502)와 캐리어 증폭기(504), 구동 증폭기(502)와 제1 피킹 증폭기(507) 및 구동증폭기(502)와 제2 피킹 증폭기(509)는 각각 직렬로 구성된다. 구동 증폭기(502)를 구성하고 있는 구동 캐리어 증폭기(502(a))와 구동 피킹 증폭기(502(b))는 서로 다르게 바이어스가 설정되어 있어 입력 전력의 범위에 따라 출력 전력이 발생하는 시점이 다르다.
soft turn-on 현상을 보상하기 위해, 구동 피킹 증폭기(502(b))를 제 1 피킹 증폭기(507)와 제 2 피킹 증폭기(509)에 직렬로 연결하여 사용한다. 제 1 피킹 증폭기와 제 2 피킹 증폭기가 구동 피킹 증폭기(502(b))를 직렬로 사용하여 turn on 될 때 좀 더 급격한 기울기로 증가하여 soft turn-on 현상으로 효율이 떨어지는 것을 방지하도록 한다.
또한, 제 1 피킹 증폭기와 제 2 피킹 증폭기가 동시에 동작하게 되면, 효율의 피크값을 얻고 다시 포화상태에 이르는 과정에서 효율이 떨어지는 문제가 발생되기도 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 제 1 피킹 증폭기가 먼저 동작하고 제 2 피킹 증폭기가 순차적으로 동작하도록 설계함으로써, 효율의 피크값을 얻고 그 효율을 유지하도록 하였다.
이와 같이, soft turn-on 현상을 보상하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이(way) 도허티 전력증폭기는 그렇지 않은 경우보다 더욱 높은 효율을 얻을 수 있다.
구동 캐리어 증폭기(502(a))와 캐리어 증폭기(504)만 동작하는 입력 신호의 크기는 구동 피킹 증폭기(502(b))가 동작을 시작하는 입력 신호의 크기에 비해 작다.
캐리어 증폭기(504)의 출력 전력이 제 1 피킹 증폭기(507)와 제 2 피킹 증폭기(509)로 누설되는 전력을 방지하기 위해 제 2 전송선로(508)와 제 3 전송선로(510)를 각각의 출력부에 연결 된다.
제 2 전송선로(508)와 제 3 전송선로(510)로 인하여 발생한 위상차를 보상하기 위해서 제 1 전송선로(505)를 캐리어 증폭기(504)의 출력부에 삽입된다.
캐리어 증폭기(504), 제 1 피킹 증폭기(507) 및 제 2 피킹 증폭기(509)의 출력 임피던스와 3-way 도허티 증폭기의 특성 임피던스 사이의 임피던스를 매칭하기 위해서 출력 임피던스 변환 전송선로(512)를 출력에 연결된다.
도 6은 본 발명에 있어서 중심주파수가 1 GHz인 정현파가 입력신호로 사용되었을 경우, 출력전력에 따른 효율 및 이득 특성을 도시한 것이다. 큰 BOP구간에서 높은 효율을 가진 후 효율과 이득이 감소하는 종래의 도허티 증폭기와는 다르게, 본 발명의 도허티 증폭기는 종래의 도허티 증폭기 보다 더 높은 효율을 가진 후에도 계속 높은 효율을 유지하고, 이득 또한 감소하지 않고 일정하게 높은 값을 유지함을 확인할 수 있다.
도 5의 회로와 도 6의 그래프를 구체적으로 비교하면 제 1 경로부의 구동 캐리어 증폭기(502(a)), 제 1 전력분배기(503) 및 캐리어 증폭기(504)가 동작하는 제 1 동작 영역은 출력전력(total average power)이 35.02 dBm이하이며, 출력전력(total average power)이 35.02 dBm 일때의 출력 전력에서 39.38 %의 총 효율(total drain efficiency)과 31.02 dB의 총 이득(total gain)을 나타내었다.
제 1 경로부와 더불어 제2 경로부의 구동 피킹 증폭기(502(b))와 제 1 피킹 증폭기(507)가 동작하는 제 2 동작 영역은 출력전력(total average power)이 35.02 dBm부터 시작된다.
제2 경로부의 제 2 피킹 증폭기(509) 마저 동작을 시작하는 제 3 동작 영역은 출력전력(total average power)이 39.76 dBm부터이며, 이 영역에서는 모든 증폭기가 동작한다.
출력전력(total average power)이 39.76 dBm 일때의 출력 전력에서는 47.78 %의 총 효율과 32.76 dB의 총 이득을, 출력전력(total average power)이45.68 dBm일때의 출력 전력에서는 66.82 %의 총 효율과 35.18 dB의 총 이득을 각각 얻었다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 특히 구체적인 수치에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니며, 이러한 수치들은 설계환경이나 공정변수 등에 따라 얼마든지 바뀔 수 있는 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
301: 구동 증폭기 301(a): 구동 캐리어 증폭기
301(b): 구동 피킹 증폭기 302: 캐리어 증폭기
303: 피킹 증폭기(303) 303(a): 제 1 피킹 증폭기
303(b): 제 2 피킹 증폭기 304: 제 1 λ/4 전송선로
305: 제 2 λ/4 전송선로 501: 하이브리드 전력분배기
502: 구동 증폭기 502(a): 구동 캐리어 증폭기
502(b): 구동 피킹 증폭기 503: 제 1 전력분배기
504: 캐리어 증폭기 505: 제 1 전송선로
506: 제 2 전력분배기 507: 제 1 피킹 증폭기
508: 제 2 전송선로 509: 제 2 피킹 증폭기
510: 제 3 전송선로 511: 제 1 λ/4 전송선로
512: 출력임피던스 변환 전송선로

Claims (16)

  1. 입력신호가 제 1 단자에 입력되는 구동 캐리어 증폭기;
    제 1 단자가 상기 구동 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 캐리어 증폭기;
    상기 입력신호가 제 1 단자에 입력되는 구동 피킹 증폭기;
    제 1 단자가 상기 구동 피킹 증폭기의 제 2 단자에 연결되고 제 2 단자가 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 제 1 피킹 증폭기;
    제 1 단자가 상기 구동 피킹 증폭기의 제 2 단자에 연결되고 제 2 단자가 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자에 연결된 제 2 피킹 증폭기;를 포함하되,
    상기 구동캐리어 증폭기, 상기 캐리어 증폭기, 상기 구동 피킹 증폭기, 상기 제1 피킹 증폭기, 상기 제2 피킹 증폭기는 서로 같거나 다른 클래스 바이어스에 고정되며,
    상기 캐리어 증폭기 보다 상기 제1 피킹 증폭기의 게이트 바이어스가 더 낮고,
    상기 제1 피킹증폭기 보다 상기 제2 피킹 증폭기의 상기 게이트 바이어스가 더 낮으며,
    제 1 동작영역에서는 상기 구동 캐리어 증폭기 및 상기 캐리어 증폭기만 동작하도록 설정되고, 제 2 동작영역에서는 상기 구동 피킹 증폭기 및 상기 제 1 피킹 증폭기가 추가로 더 동작하도록 설정되고, 제 3 동작영역에서는 상기 제 2 피킹 증폭기가 다시 추가로 더 동작하도록 설정된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자 및 상기 구동 피킹 증폭기의 제 1 단자에는 각각 임피던스 정합을 위한 제 1 λ/4 전송 선로 및 제 2 λ/4 전송 선로가 연결된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  3. 제 1항에 있어서,
    제 2 동작영역은 상기 입력신호의 크기가 상기 제 1 동작영역 보다 더 큰 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  4. 제 1항에 있어서,
    제 3 동작영역은 상기 입력신호의 크기가 상기 제 2 동작영역 보다 더 큰 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  5. 제 1항에 있어서,
    딥 클래스 C(deep class C)영역에 동작하도록 바이어스 되어 있는 상기 구동 피킹 증폭기가 포함된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  6. 제 1항에 있어서,
    위크 클래스 C(weak class C) 영역 및 딥 클래스 C(deep class C)영역에 각각 동작하도록 바이어스 되어 있는 상기 제 1 피킹 증폭기 및 상기 제 2 피킹 증폭기가 포함된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 λ/4 전송 선로 및 제 2 λ/4 전송 선로는 상기 입력신호의 위상을 4분의 1 주기만큼 지연시키는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 입력신호를 제 1 경로부 및 제 2 경로부로 나누어
    상기 제 1 경로부의 상기 입력신호는 상기 구동 캐리어 증폭기의 제 1 단자에 입력하고,
    상기 제 2 경로부의 상기 입력신호는 상기 구동 피킹 증폭기의 제 1 단자에 입력하는 하이브리드 전력 분배기가 포함된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 구동 캐리어 증폭기의 제 2 단자 및 상기 구동 피킹 증폭기의 제 2 단자에는 제 1 전력 분배기 및 제 2 전력 분배기가 각각 연결되어 있는 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자, 상기 제 1 피킹 증폭기의 제 2 단자 및 상기 제 2 피킹 증폭기의 제 2 단자에는 각각 제 1 전송선로, 제 2 전송선로 및 제 3 전송선로가 각각 연결되어 있는 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력 증폭기.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 캐리어 증폭기는,
    역 클래스E(inverse class-E) 전력증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 피킹 증폭기는,
    역 클래스 E(inverse class-E) 전력증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 제 2 전송선로는,
    상기 제 1 피킹 증폭기가 동작하지 않을 때 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자 전력이 상기 제 1 피킹 증폭기 방향으로 누설되는 것을 막는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 제 2 피킹 증폭기는,
    역 클래스 E(inverse class-E) 전력증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 제 3 전송선로는,
    상기 제 2 피킹 증폭기가 동작하지 않을 때 상기 캐리어 증폭기의 제 2 단자 전력이 상기 제 2 피킹 증폭기 방향으로 누설되는 것을 막는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
  16. 제8항에 있어서, 상기 하이브리드 전력 분배기는 제 2 λ/4 전송 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동증폭기를 이용한 3-웨이 도허티 전력증폭기.
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