KR101383484B1 - LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기의 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기인 도허티 증폭기에 있어서, 병렬로 연결되는 전계 효과형 트랜지스터 소자가 GaN인 캐리어 증폭기와 전계 효과형 트랜지스터 소자가 LDMOS인 피킹 증폭기로 구성되어 기존의 Doherty 증폭기 구조와 비교하여 효율은 LDMOS FET 대비 현저히 높으면서도, GaN FET을 사용한 제품보다 가격은 현저히 절감되는 효과가 있다.

Description

LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기{Doherty RF Power Amplifier using LDMOS FET and GaN FET}

본 발명은 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기를 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 Lateral Double diffused MOS 전계 효과형 트랜지스터(LDMOS FET 이하, LDMOS FET) 및 질화갈륨 전계 효과형 트랜지스터(GaN FET 이하, GaN FET)를 이용한 도허티(Doherty) 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 무선통신 시스템에서 기지국 및 단말의 송신 신호는 무선 채널을 통해 전달되기 때문에 심한 감쇄를 겪으므로 상기 기지국 및 상기 단말의 송신기는 송신 신호를 증폭하여야 한다. 따라서, 통신 품질의 향상을 위해 증폭기(amplifier)가 상기 송신기의 핵심적인 기능을 담당한다고 할 수 있다. 근래에 이동통신 기지국 및 중계기의 송신용 고출력 전력증폭기는 효율을 개선하기 위하여 도허티 증폭기를 주로 사용하고 있다. 통상적으로, 도허티 증폭기(Doherty Amplifier)는 쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter wave transformer)(λ/4 line)를 사용해서 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬로 연결하는 방식으로 구성된다. 이러한 도허티 증폭기에 있어서는, 전력 레벨에 따라 피킹 증폭기가 로드에 공급하는 전류의 양을 달라지게 함으로써 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하여 그 효율을 높일 수 있었다. 그리고 전계 효과형 트랜지스터 소자로는 주로 다수 캐리어 소자로서 빠른 스위칭 응답, 높은 입력 임피던스를 갖는 대표적인 수평형 전력소자인 실리콘 기반의 LDMOS(Lateral Double diffused MOS)가 주로 쓰인다. 하지만 최근에는 LDMOS 대비 Peak Drain Efficiency가 2배정도 높은 소자인 GaN HEMT소자가 등장하여 각광을 받고 있지만 가격이 LDMOS의 약 10배 정도가 되어, 군사용 무선통신장비 같은 고부가가치의 제품에 주로 적용되고, 이동통신과 같은 상업적 분야에는 적용하기에는 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

한국특허공개공보 제10-2003-0014556호(2003.03.08)

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 기존의 Doherty 증폭기 구조에서 효율은 LDMOS FET 대비 상당히 높으면서도, GaN FET을 사용한 제품보다는 가격이 상당히 절감되는 Doherty 증폭기를 개발하는 것에 목적이 있다.

목적을 달성하기 위한 구성으로는 다음과 같다. 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기의 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기인 도허티 증폭기에 있어서, 병렬로 연결되는 전계 효과형 트랜지스터 소자가 GaN인 캐리어 증폭기와 전계 효과형 트랜지스터 소자가 LDMOS인 피킹 증폭기로 구성되는 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기이다.

본 발명의 다른 특징으로는, 상기 캐리어 증폭기 1개와 피킹 증폭기 n개를 추가로 병렬 구성하거나 상기 캐리어 증폭기 1개와 캐리어 증폭기의 n배의 출력전력 용량을 갖는 피킹 증폭기 1개를 병렬 구성한다.

본 발명의 또 다른 특징으로는, 입력되는 전압을 승압시켜 상기의 피킹 증폭기에 추가 전압을 고주파 입력 신호의 크기에 따라 선택적으로 공급하는 드레인 바이어스 모듈레이션 회로를 포함한다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 기존의 캐리어 및 피킹 증폭기를 동일한 FET로 사용하는 Doherty 증폭기 구조와 비교하여 효율은 LDMOS FET 대비 상당히 높으면서도, GaN FET을 사용한 제품보다는 가격이 상당히 절감되는 효과가 있다. 그리고, 기존의 비대칭 도허티 증폭기의 경우 피킹 증폭기는 캐리어 증폭기의 n배 갯수의 FET를 사용한다. 따라서, 기존의 캐리어 및 피킹 증폭기가 모두 GaN FET로 구성된 비대칭 도허티를 본 발명에 따라 구성할 경우 캐리어 증폭기의 n배 개수의 피킹 증폭기를 LDMOS로 사용하거나, 또는 n배 용량의 피킹 증폭기를 LDMOS로 사용함으로, 캐리어 및 피킹 증폭기 모두를 GaN FET를 사용하는 대칭 도허티 증폭기를 본 발명에 따라 구성하는 것 보다 훨씬 더 가격을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 이통 통신 분야뿐만 아니라, AM, QAM, QPSK, OFDM 입력 신호의 크기가 변화하는 Modulation 신호를 사용하는 군사용, 디지털 방송, 같은 다양한 무선 통신 분야의 고출력 증폭기에 적용이 가능하다.

도 1은 기존의 도허티 증폭기 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기의 구성도.
도 3은 캐리어 증폭기에 따른 피킹 증폭기 개수에 따른 도허티 효율 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기에 드레인 바이어스 모듈레이션 회로를 추가한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기의 구성도이다. 이를 참조하여 본 발명의 따른 구성요소 및 작동순서를 설명하면 다음과 같다.

기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기의 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기인 도허티 증폭기에 있어서, RF(Radio Frequency)가 입력되면, 드라이브 앰프(10)를 거쳐 대칭 또는 비대칭 분배기(11)에 의하여 각각 병렬로 배치된 캐리어 증폭기(20)와 피킹 증폭기(30)로 분배된다. 상기의 캐리어 증폭기(20)는 GaN 소자를 이용한 FET로 구성되며, 피킹 증폭기(30)는 LDMOS 소자를 이용한 FET로 구성된다. 상기 캐리어 증폭기(20)에서 증폭된 RF는 제 1출력 정합회로(21)를 거친 후 쿼터 웨이브 트랜스포머(22) 거친다. 그리고, 상기 피킹 증폭기(30)에서 증폭된 RF는 제 2출력 정합회로(31)를 거치고, 상기의 쿼터 웨이브 트랜스포머(22)를 거친 RF와 같이 합성되어 출력하는 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기이다.

도 3은 캐리어 증폭기(20)에 따른 피킹 증폭기(30) 개수에 따른 도허티 효율 그래프로서 캐리어 증폭기(20)가 1개일 경우 피킹 증폭기(30)가 각각 1개, 2개, 3개일 경우 출력 전력 back-off에 따른 도허티 증폭기의 효율 개선량을 나타낸다. 그래프에 2-Way는 캐리어 증폭기(20)와 피킹 증폭기(30)가 각각 1개씩 있는 도허티 증폭기이고, 3-Way는 캐리어 증폭기(20)가 1개, 피킹 증폭기(30)가 2개이며, 4-Way는 캐리어 증폭기(20)가 1개, 피킹 증폭기(30)가 3개일 경우를 나타낸다. 따라서, 본 발명에 따른 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기에서 상기 캐리어 증폭기(20) 1개와 피킹 증폭기(30) n개를 추가로 병렬 구성하여 효율을 개선할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기에 드레인 바이어스 모듈레이션 회로를 추가한 구성도로서 입력되는 전압을 승압시켜 상기의 피킹 증폭기(30)에 추가 전압을 고주파 입력 신호의 크기에 따라 선택적으로 공급하는 드레인 바이어스 모듈레이션 회로(40)를 포함하는 도허티 증폭기이다. 상기 드레인 바이어스 모듈레이션 회로는(40) 고주파 입력 신호가 입력되는 포락선 검출기 및 상기 포락선 검출기의 출력 신호를 입력으로 받으며, 상기 포락선 검출기의 출력 신호의 크기에 따라 선택적으로 온/오프되어 상기 피킹 증폭기(30)를 구성하는 트랜지스터의 드레인에 추가 전압을 공급하거나 차단하는 일 이상의 트랜지스터를 포함할 수 있다.

본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

10. 드라이브 앰프 11. 대칭 또는 비대칭 분배기
20. 캐리어 증폭기 21. 제 1출력 정합회로
22. 쿼터 웨이브 트랜스포머 30. 피킹 증폭기
31. 제 2출력 정합회로 40. 드레인 바이어스 모듈레이션 회로

Claims (3)

1. 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기의 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고효율 변조 증폭기인 도허티 증폭기에 있어서,
   병렬로 연결되는 전계 효과형 트랜지스터 소자가 GaN인 한 개의 캐리어 증폭기(20);와
   전계 효과형 트랜지스터 소자가 LDMOS이며 상기의 캐리어 증폭기(20)의 개수에 n배 또는 상기의 캐리어 증폭기(20)의 n배의 출력을 갖는 한 개의 피킹 증폭기(30);와
   입력되는 전압을 승압시켜 상기의 피킹 증폭기(30)에 추가 전압을 고주파 입
   력 신호의 크기에 따라 선택적으로 공급하는 드레인 바이어스 모듈레이션 회로(40);로 구성되는 LDMOS FET 및 GaN FET를 이용한 도허티 증폭기.
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