KR101405338B1

KR101405338B1 - 로드-라인 적응

Info

Publication number: KR101405338B1
Application number: KR1020097002358A
Authority: KR
Inventors: 아드리아누스 반 베주이젠
Original assignee: 퀄컴 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2014-06-10
Also published as: JP5317969B2; US8436694B2; US20090174496A1; EP2039001B1; WO2008007330A3; WO2008007330A2; EP2039001A2; JP2009543499A; KR20090039743A

Abstract

본 발명 전반에 개시된 개념에 따라, 전력 증폭기(300) 출력에 접속되는 로드-라인의 예정된 로드 라인 임피던스로 로드 임피던스(z 로드)를 적응식 매칭하는 회로는 전력 트랜지스터와 적응식 매칭 네트워크(101) 사이에 고정된 매칭 네트워크(201)를 포함하며, 고정된 매칭 네트워크는 높은 전력에서 비교적 낮은 삽입 손실을 유도하는 임피던스 인버터로서 작용한다. 결과는 임피던스-반전 네트워크가 임피던스 변화시 10 팩터 이상에 대해 이용될 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 전력 트랜지스터와 인접한 고정된 매칭 네트워크의 사용은 기본 주파수에서 (가변) 로드 임피던스와 무관하게 예정된 고조파 주파수에서 명확한 로드 임피던스 및/또는 전송 영점의 구현을 가능케한다.

Description

로드-라인 적응 {LOAD-LINE ADAPTATION}

본 발명은 청구항 1항에 따른 전력 증폭기 출력에 접속되는 로드-라인의 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응성 매칭시키는 회로, 및 청구항 15항에 따른 전력 증폭기 출력에서 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응성 매칭시키는 방법에 관한 것이다.

공통적으로, 전력 증폭기(PA)는 이들의 로드-라인은 통상적으로 최대 전력 출력을 위해 최적화되기 때문에, 중간 출력 전력에서 낮은 전력 효율을 겪게 된다. 로드-라인 스위칭 및 로드-라인 적응에 대한 개념들은 공지되어 있다. 이를 테면, PIN-다이오드 스위치 캐패시터는 GSM(Global System for Mobile communication)-시스템에서의 사용을 위해 송신기의 BGY270 전력 증폭기에서 구현된다.

EP 1 401 047호는 RF-MEMS의 "자력성(self-actuation)"에 관한 것으로, 전력 증폭기의 로드-라인을 적응식으로 설정하기 위해 가변 캐패시터는 고정된 매칭 네트워크와 조합되어 이용된다. 고정된 네트워크는 네트워크의 임의의 특정한 특성을 나타내지 않고, "다수의 전송 라인들"로 구현되는 것으로 개시되어 있다.

말하자면, 원칙적으로 출력 전력의 함수로서 로드-라인의 적응은, 2003 뮌헨 33차 유럽 마이크로웨이브 컨퍼런스, PP 375-377 지.레우찌(G, Leuzzi), 씨.미첼 리(C. Micheli)의 "모바일 통신 애플리케이션들에 대한 가변-로드 일정 효율 전력 증폭기"에서 수집될 수 있는, 중간 전력 레벨들에서 전력 증폭기 효율을 개선시키기 위해 적용될 수 있다. 이론 및 시뮬레이션들에 따라, 단일 L-네트워크는 큰 임피던스 변형비에 대한 과도한 삽입 손실(insertion loss)을 부여한다.

또한, 네트워크 분석은 고정된 인덕터 및 가변 캐패시터의 조합으로서 가변 인덕터의 구현은 심지어 삽입 손실을 악화시키는 것으로 나타났다. 이는 통상적으로 큰 임피던스 변형비가 요구되는 높은 출력 레벨에서 막대한 PA 효율 경감을 야기시키기 때문에, 상당히 바람직하지 못하다.

대부분의 전력 증폭기들은 이들의 로드-라인이 최대 출력 전력을 위해 최대화되기 때문에, 중간 출력 전력 레벨들에서의 낮은 효율을 겪게 된다. 또한, 대부분의 전력 증폭기들은 종종 중간 전력 레벨들에서 그리고 단지 가끔씩은 최대 저력에서 동작한다. 또한, 회로 부재들의 주어진 양질 계수(Q;quality factor)에 대해, 네트워크 삽입 손실들은 임피던스 변형비가 증가하도록 증가한다. 결과적으로, 가변 매칭 네트워크들의 손실들은 최대 출력 전력에서 가장커지는 경향이 있다. 또한, 전력 증폭기 매칭 네트워크들은 공통적으로 고조파에 대해 동조되는 LC-공진 회로들로 실현되는 고조파들의 상당한 제거를 제공해야 한다. 따라서, 고정된 LC-공진 회로를 갖는 출력 매칭 네트워크의 실현은 기본 주파수에서 로드-라인을 동조시키기 위해 가변 LC-네트워크의 필요조건과는 상반된다.

따라서, 본 발명의 목적은 출력 전력 레벨들에 따라 넓은 임피던스 범위에 대해 로드 임피던스를 적응시키기 위한 적응성 로드-라인 매칭 네트워크를 제공하는 것이다. 따라서, 전력 증폭기가 중간 출력 전력 레벨들에서 동작할 때 에너지가 절감될 수 있다.

적어도 하나의 목적들은 청구항 1항에 따른 회로에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 전력 증폭기 출력에 접속되는 로드-라인의 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응성 매칭시키는 회로는,

- 매칭된 임피던스로 로드 임피던스의 변형을 위해 로드 임피던스에 접속된 가변 임피던스 매칭 네트워크; 및

- 예정된 로드-라인 임피던스로 매칭된 임피던스의 변형을 위해 가변 임피던스 매칭 네트워크에 접속되는 고정된 임피던스 반전(inverting) 네트워크

를 포함하며, 가변 임피던스 매칭 네트워크는 적어도 하나의 가변 회로 부재를 포함하며, 가변 회로 부재의 임피던스는 가변 임피던스 매칭 네트워크에 의한 매칭이 적용되는 제어 세팅(setting)에 의해 제어될 수 있도록 제어 세팅 입력에 의해 제어된다.

목적들중 적어도 하나는 청구항 15항의 방법에 의해 달성된다. 따라서, 전력 증폭기 출력에서 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응성 매칭시키는 방법은,

- 로드 임피던스를 매칭된 임피던스로 변환하기 위해 가변 임피던스 매칭 네트워크를 조절하는 단계; 및

고정된 임피던스 반전 네트워크에 의해 매칭된 임피던스를 예정된 로드-라인 임피던스로 반전하는 단계

를 포함하며, 상기 조절하는 단계는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스를 설정하는 단계를 포함한다.

회로의 일 실시예에 따라, 가변 임피던스 매칭 네트워크는 2개의 가변 회로 부재를 포함하며, 제 1 회로 부재는 로드 임피던스와 직렬로 접속되며 제 2 회로 부재는 로드 임피던스와 병렬로 접속된다.

일 실시예에서, 제 1 및 제 2 가변 회로 부재들은 가변 캐패시터들이다. 가변 캐패시터는 스위치가능하게 병렬-접속된 캐패시터들의 어레이로서 구현될 수 있다. 스위치가능한 이러한 캐패시터들은 소위 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)을 포함하는 MEMS 기술로 구현될 수 있다. MEMS는 마이크로-센서들 및 마이크로 스위치들, 마이크로 캐패시터들 및 마이크로 인덕터들 등과 같은 액추에이터들의 수집물을 포함한다. 라디오 주파수(RF) 회로들에 MEMS 통합으로 우수한 성능 레벨들 및 낮은 제조 비용들을 갖는 시스템들을 산출된다. 마이크로 및 밀리미터 웨이브 시스템들에 MEMS 기반 제조 기술들의 통합은 MEMS 액추에이터들, 안테나들, 스위치들 및 전송 라인들을 갖는 IC에 실용적인(viable) 루트들을 제공한다. 형성되는 시스템들은 증가된 대역폭 및 증가된 방사 효율로 동작하며 무선(wireless) 개인용 통신 장치의 확장 영역내에서의 구현을 위한 상당한 유효범위(scope)를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 제 1 가변 회로 부재는 가변 인덕터를 더 포함할 수 있다. 가변성(variability)을 제공하기 위해, 가변 인덕터는 가변 캐패시터의 도입과 유사하게, 스위치가능한 병렬 또는 직렬 접속된 인덕터들의 어레이를 포함할 수 있다. 가변 인덕터 및 가변 또는 고정된 캐패시터의 직렬 회로에 의해, 비교적 높은 고정된 인덕턴스 값을 요구하지 않는 가변 인덕터가 구현될 수 있다. 스위치(switched) 인덕터들(또는 코일들) 및 가변 캐패시터들을 갖는 가변 임피던스 스위칭 네트워크에 가변의 직렬 성분의 도입에 의해, 높은 Q-계수를 갖는 가변 인덕터가 달성될 수 있다. 이로써, 동조(tuning) 범위와 연관된 삽입 손실들 간의 균형(trade-off)이 개선될 수 있다. 다시, 스위치가능한 이러한 인덕터는 가변 캐패시터와 유사하게, MEMS 기술에서 제어가능하게 구성될 수 있다. 개별적으로 적용되는 제어 세팅는 해당 "인덕터"-레지스터에 저장된 디지털 코드와 상응되게 이용되며, "인덕터"-레지스터의 출력은 가변 인덕터가 인덕터 레지스터에 저장된 디지털 코드에 의해 제어가능하도록, 구현된 스위치 인덕터들에 접속된다.

따라서, 가변 임피던스 매칭 네트워크에서 스위치가능한 회로 부재들, 이를 테면 앞서 언급된 가변 캐패시터들 또는 가변 인덕터들은 개별 MEM-스위치들을 온 및 오프로 스위칭하는 개별 회로 부재들에 대한 외부 세팅들에 의해 또는 온 및 오프로 스위칭될 수 있는 개별 MEM-캐패시터들 및/또는 MEM-인덕터들에 의해 제어가능하게 배열될 수 있다. 요구되는 제어 세팅는 개별 레지스터에 저장될 수 있는 디지털 코드에 해당하는 세팅이 적용되도록 구현될 수 있다. 개별 레지스터(들)의 출력은 가변 회로 부재들이 개별 레지스터에 저장된 디지털 코드에 의해 제어가능하도록 스위치된 회로 부재들과 접속된다. 병렬 또는 직렬 접속된 회로 부재들이 이진 가중되도록 스위치가능한 회로 부재들이 구성될 경우, 레지스터의 디지털 코드는 회로 부재의 가변 값이 순차적으로(stepwise) 설정될 수 있도록, 개별 가변 회로 부재에 대한 개별 설정 값과 직접적으로 대응된다. 따라서, 레지스터에 저장된 이진 코드의 최하위 비트는 회로 부재의 값의 가장작은 가변 스텝(variable step)에 해당한다.

본 발명의 제 1 면에 따라, 가변 임피던스 매칭 네트워크는 제어 회로에 의해 피드 포워드(feed forward) 제어되게 배열된다. 따라서, 제어 회로는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 저장된 교정 데이터를 포함하는 룩업 테이블을 구현하기 위해 몇 개의 레지스터들 또는 메모리와 같은 저장 수단을 포함할 수 있다. 교정 데이터는 개별 기준 설계 회로로부터 추론될 수 있다. 또한, 룩업 테이블에서, 교정 데이터는 가변 매칭 네트워크에 대해 요구되는 최적의 세팅이 룩업 테이블로부터 추론될 수 있도록 전력 증폭기의 몇 가지 상이한 출력 전력 레벨들로 맵핑된다.

본 발명의 제 2 면에 따라, 회로는 매칭된 임피던스의 특성들을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기를 더 포함한다. 이는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 적응성 제어의 옵션을 제공한다. 이러한 적응성 제어는 개별적으로 구성된 제어 회로에 의해 구현될 수 있다. 기본적으로, 제어 회로는 전력 증폭기 출력의 실제 전력 레벨에 따라 매칭된 임피던스의 검출된 특성들에 응답하여, 가변 임피던스 매칭 네트워크의 세팅을 조절하도록 구성된다.

제 2 면의 일 실시예에서, 제어 회로는 앞서 개시된 것처럼 구현될 수 있는 룩업 테이블을 포함한다. 룩업 테이블에는 각각 적용되는 세팅에 대한 가변 임피던스 매칭 네트워크를 개시하는 파라미터 데이터가 저장될 수 있다. 가변 임피던스 매칭 네트워크의 반응(behavior)을 나타내는 이러한 파라미터 데이터는 당업자에게 공지되어 있어 상세한 설명이 필요 없는, S-파라미터 데이터, H-파라미터 데이터, Z-파라미터 데이터, 및 Y-파라미터 데이터중 적어도 하나일 수 있다. 이제, 제어 회로는 매칭된 임피던스 및 실제 세팅의 해당 파라미터 데이터의 검출된 특성들로부터 실제 로드 임피던스를 계산한 다음, 계산된 실제 로드 임피던스와 실제 출력 전력 레벨로부터 가변 임피던스 네트워크에 대해 요구되는 새로운 세팅을 계산하여, 전력 증폭기로부터 로드 임피던스로 최적의 전력 전송을 달성하도록 구성된다.

제 2 면의 또 다른 실시예에서, 적응성 제어를 위한 제어 회로는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 매칭된 임피던스의 검출된 특성들에 응답하여 단계적으로 가변 임피던스 매칭 네트워크의 세팅을 조절하도록 구성된다. 또 다른 구성에서, 설정/설정치들의 변화는 최적의 매칭에 도달할 때까지 예정된 방향으로 수행된다.

일반적으로, 가변 임피던스 매칭 네트워크는 매칭된 임피던스가 실질적으로 식

에 따라 계산되는 기준 임피던스 (R_ref)에 따라 설정되도록, 적용되는 제어 세팅에 의해 제어되며, Zo는 고정된 임피던스 반전 매칭 네트워크의 특성 임피던스이며, P_load는 요구되는 출력 전력이며, U_supply는 공급 전압이며, U_sat는 전력 증폭기의 콜렉터 포화 전압이다.

본 발명의 제 3 면에 따라, 고정된 임피던스 반전 네트워크는 전송 영점을 포함할 수 있다. 이러한 전송 영점은 예정된 주파수들의 제거(rejection)를 위해 설계될 수 있다. 또한, 고정된 임피던스-반전 네트워크는 기본 주파수에서의 로드 임피던스와 무관한 예정된 제 2 고조파에서 명확한(well-defined) 로드 임피던스를 제공하도록 설계된다.

EDGE(Enhanced Data rates for Global Evolution)를 제공하는 규격에 따라 이를 테면 W-CDMA(Wide Band Code Division Multiple Access) 시스템 또는 GSM(Global Communications Sytem)에서 사용되는 장치의 송신기 유니트에서 구현되는 본 발명에 따른 회로에 의해 바람직한 결과가 얻어진다.

전력 증폭기 출력에서 로드 임피던스를 예정된 로드-라인 임피던스와 적응성 매칭시키는 방법과 관련하여, 상기 방법은 앞서 개시된 것처럼 적응 회로와 기본적으로 동일한 장점들을 제공한다.

따라서, 본 발명의 제 1 면에 따라, 상기 방법은 적어도 하나의 가변 회로 부재에 대해 요구되는 세팅을 룩업 테이블로부터 추론하는 단계, 및 적어도 하나의 가변 회로 부재에 추론된 세팅을 적용함으로써 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스를 설정하는 단계를 더 포함하며, 룩업 테이블은 가변 임피던스 매칭 네트워크의 저장된 교정 데이터 및 전력 증폭기 출력의 상이한 출력 전력 레벨들로 맵핑되는 교정 데이터를 포함한다.

본 발명의 제 2 면에 따라, 상기 방법은 매칭된 임피던스의 적어도 하나의 특징들을 검출하는 단계를 더 포함한다. 이는 실제 출력 전력 레벨에 따라 매칭된 임피던스의 검출된 적어도 하나의 특성들에 응답하여 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스 설정을 가능케 한다.

따라서, 일 실시예에 따라, 상기 방법은 각각의 적용된 세팅에 대한 가변 임피던스 매칭 네트워크를 나타내는 저장된 파라미터 데이터를 갖는 룩업 테이블로부터 매칭된 임피던스의 검출된 특성들에 따른 실제 로드 임피던스 및 실제 세팅의 해당 파라미터 데이터를 추론하는 단계; 추론된 실제 로드 임피던스 및 실레 출력 전력 레벨로부터 가변 임피던스 네트워크에 대한 새로운 세팅을 계산하는 단계; 및 새로운 세팅의 적용에 의해 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스 세팅을 조절하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예에 따라, 상기 방법은 최적의 매칭이 달성될 때까지, 매칭된 임피던스의 검출된 적어도 하나의 특성들에 응답하여, 예정된 방향으로 단계적으로 적어도 하나의 가변 회로 부재의 세팅을 조절하는 단계를 더 포함한다.

이를 종합하면, 전반적 아이디어는 전력 트랜지스터와 적응성 매칭 네트워크 사이의 고정된 매칭 네트워크를 사용의 인지에 있으며, 고정된 네트워크의 기본 특성은 1/4파 전송 라인과 마찬가지로, 상당량의 반응성 임피던스를 도입하지 않고도 실수형(real) 로드 임피던스를 반전시키는 것이다. 이러한 임피던스 인버터의 사용은 높은 전력에서 상대적으로 낮은 삽입 손실을 유도한다. 또한, 고정된 매칭 네트워크의 사용은 전송 영점의 구현을 위해, 이를 테면 고조파 제거 및/또는 제 2 고조파에서 전력 증폭기에 명확한(well defined) 로드 임피던스 제공, 이를 테면 기본 주파수에서 (가변) 로드 임피던스와 무관한 인버스(inverse) 클래스-F 동작을 얻는 것이 허용된다.

앞서 개시된 본 발명의 면들은 광범위한 적용 분야를 가지며, 특히 전력 증폭기들은 셀률러 폰들, WLAN(무선지역통신망) 장비 등에서와 같은 가변 출력 전력 레벨들에서 동작한다.

첨부되는 도면들을 참조로 고려되는 하기 설명들로부터 또 다른 목적 및 특징들이 명확해질 것이다. 그러나, 도면들은 단지 도시를 위한 것으로 본 발명의 범주를 제한하고자하는 것은 아니며, 본 발명의 범주는 단지 첨부되는 청구항들을 통해서 이루어져야 한다. 도면들은 본 발명에 개시되는 구조물들 및 과정들을 개념적으로 도시하기 위한 것이다.

도 1은 로드-라인 적응 개념의 전형적 원리를 나타낸다.

도 2는 고정된 임피던스 반전 네트워크 및 피드 포워드 제어 가변 매칭 네트워크를 가지는 전력 증폭기 실시예의 회로도이다.

도 3은 적응성 제어 가변 임피던스 매칭 네트워크를 갖는 전력 증폭기의 실시예의 회로도이다.

도 4는 자체-제한, 반복형 적응성 제어 가변 임피던스 매칭 네트워크를 갖는 전력 증폭기의 실시예의 회로도이다.

도 5a-5e는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 제 1 구현의 네트워크 특성을 나타낸다.

도 6a-6c는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 제 2 구현의 네트워크 특성을 나타낸다.

도 7a, 7b는 고정된 임피던스 반전 네트워크의 네트워크 특성들을 나타낸다.

도 8a-8f는 로드-라인 적응 네트워크들의 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에서 제시되는 적응성 로드-라인 매칭 네트워크들의 일반적 개념을 나타낸다. 먼저, 가변 매칭 네트워크(100)는 로드 임피던스(R_load)를 매칭된 임피던스(R_m)로 변환시키며, 매칭은 매칭된 임피던스(R_m)가 기준 값(R_ref)와 같아지도록 배열될 수 있다. 다음, Z₀의 특성 임피던스를 갖는 고정된 임피던스-반전 네트워크(200)는 매칭된 임피던스(R_m)를 로드-라인 임피던스(R_II)로 변환시키며, 로드-라인 임피던스(R_II)는 U_supply에 접속된 트랜지스터에 의해 부호화된 전력 증폭기(300)의 출력에 접속된다.

최적의 효율은 하기 식에 따른 전력 증폭기의 실제 출력 전력의 함수로서, 매칭된 임피던스(R_m)가 R_ref와 같아지도록 적응성 매칭 네트워크를 설정함으로써 얻어진다:

(0)

따라서, 요구되는 출력 전력(P_load), 공급 전압(U_supply), 전력 증폭기(300)의 콜렉터 포화 전압(U_SAT), 및 특성 임피던스(Z₀)에 대한 선험적 지식(priori knowledge)에 의해, 요구되는 기준 값(R_ref)이 결정될 수 있다. Zm의 허수부는 제로로 유지되어야 하는 반면, 고정된 임피던스 반전 네트워크(200)는 전체 임피던스 반전 네트워크(200)는 전체 임피던스 변형 범위에 대해 이러한 제로의 리액턴스를 보존해야 한다는 것이 주지된다.

로드-라인 적응에 대해 본 발명에 개시되는 개념에 따라, 가변 매칭 네트워크(100)의 세팅은 (i) 피드 포워드 제어 로드-라인 적응, 또는 (ii) 적응식 제어 로드-라인 적응으로 구현될 수 있다.

피드 포워드 제어 시스템과 관련하여, 이러한 방안은 가변 매칭 네트워크의 완벽한(complete) 지식을 기초로하며 따라서 하기에 보다 상세히 설명될 미스매칭 검출기를 요구하지 않는다. 이후, 예를 들어 안테나 로드 임피던스일 수 있는 일정한 로드 임피던스(R_load)가 가정될 때, 매칭 네트워크는 가변 매칭 네트워크(100)의 확대된 교정 데이터를 갖는 룩업 테이블을 이용하는 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 룩업 테이블에서 가변 매칭 네트워크(100)의 교정 데이터는 전력 증폭기(300)의 다양한 출력 전력 레벨들로 맵핑된다.

적응식 제어 시스템의 경우, 미스매칭 검출기가 제공되며, 미스매칭 검출기는 실제 요구되는 출력 전력 레벨들에 따라 가변 매칭 네트워크(100)의 조절을 위해 이용되는 매칭된 임피던스(R_m)에 대한 정보를 검출한다. 적응 범위내에서 적응식 제어 시스템은 앞서 언급된 피드 포워드 제어 시스템에 대한 장점인 로드 임피던스(R_load)의 미스매칭에 대체할 수 있다.

적응식 제어는 다수의 상이한 알고리즘들로 구현될 수 있다. 이들중 2개는 예를 들어, 하기에 간략히 논의된다, 즉 :

(a) 1-스텝 알고리즘; 및

(b) 반복형 알고리즘.

1-스텝 알고리즘과 관련하여, 예를 들어 가변 매칭 네트워크(100)의 각각의 세팅에 대한 S-파라미터 데이터를 갖는 룩업 테이블이 이용된다. S-파라미터 데이터는 예를 들어, 기준 설계 회로의 교정으로부터 얻어질 수 있다. 전자 회로들에서, 복잡한 산란 파라미터들 또는 S-파라미터들은 선형 네트워크가 전송 라인으로 삽입될 때 이동 파들의 산란 및 반사를 나타낸다. S-파라미터의 사용이 통상적이지만 높은-주파수 분야로 제한되지 않으며, 종종 전송선 도표(Smith chart)와 같이 주파수의 함수로서 측정되고 표시된다. 각각의 포트에 대해, 적용된(입사) 및 반사된 파가 측정된다. 입사파가 네트워크를 통해 이동할 때, 산란 파라미터에 의해 값이 배가된다(즉, 증가되며 위상(phase)은 변한다). S-파라미터들은 가변 임피던스 매칭 네트워크(1900)로서 선형 장치의 특성을 완전히 나타낸다. 개별 S-파라미터들은 미소하며(dimensionless), 복잡한 숫자들로 통상적으로 크기 및 위상으로 표현된다. 분야에 따라, 낮은 주파수들에 대해, H-, Y-, 및 Z-파라미터들은 가변 매칭 네트워크(100)를 나타내는데 이용될 수 있다.

가변 임피던스 매칭 회로에서 임피던스는 미스매칭 검출기에 의해 검출될 수 있으며, 가변 임피던스 매칭 네트워크(100)의 전류 세팅에 해당하는 S-파라미터 데이터는 실제 로드 임피던스(Z_load)를 계산하는데 이용될 수 있다. 이렇게 계산된 Z_load 및 요구되는 출력 전력 레벨로부터, 가변 임피던스 매칭 네트워크(100)에 대한 최적의 새로운 세팅이 각각 계산 또는 결정될 수 있다.

다음, 이를 테면 통신 시스템의 아이들(idle) 슬롯에서 또는 (시간) 슬롯 경계 동안, 송신기의 애프리케이션과 관련한 적절한 순간에, 가변 임피던스 매칭 네트워크(100)의 세팅이 업데이트된다. 가변 임피던스 매칭 네트워크(1900)의 임피던스 변형 특성들에 대한 상세한 선험적 지식의 사용은 "1-스텝" 알고리즘을 신속화시킨다.

대안적으로, 반복형 적응 알고리즘의 경우, 가변 임피던스 매칭 네트워크(100)에 대해 훨씬 적은 선험적 지식이 요구된다. 또한, 하기에서 보다 명확해 지겠지만, 단조(monotone) 제어는 최적의 세팅에 대한 적절한 수렴을 보증하기에 충분한다. 여기서, 미스매칭 검출기에 의해 검출된 미스매칭 정보는 단계적인 최적의 매칭이 달성될 때까지 적절한 방향으로 네트워크를 살짝 조절하는데 이용된다.

도 2를 참조로, 로드-라인 적응 개념의 구현들이 예를 들어 논의된다. 제시딘 피드 포워드 제어 출력 매칭의 회로 블록도, 특히 고정된 임피던스 매칭 네트워크 및 피드 포워드 제어 가변 매칭 네트워크를 갖는 전력 증폭기가 도시된다.

따라서, 가변 임피던스 매칭 네트워크(101)는 직렬의 인덕터(L_series), 평행한 가변 캐패시터(C_par), 및 직렬의 가변 캐패시터(C_series)를 갖는 L-네트워크를 포함한다. 가변 임피던스 매칭 네트워크(101)는 식(0)을 따라 로드 임피던스(R_LOAD)를 다운 컨버트시킨다(down-convert). 가변 캐패시터들( C_series 및 C_par)은 예를 들어, 스위치 캐패시터들(C, 2C, 4C, 8C 및 16C)의 5-비트 이진 가중 어레이를 포함하며, 이는 RF-MEMS로 구현될 수 있다. 각각의 스위치 캐패시터들(C, 2C, 4C, 8C 및 16C)의 세팅들은 개별 입력 SET에 의해 설정될 수 있는, 레지스터(120)에 저장된 디지털 코드에 의해 결정된다. 이를 테면, 3-와이어 버스(I2C)는 레지스터를 설정하기 위해, 예를 들어 송신기의 베이스-밴드 제어기인 제어 회로와의 인터페이스에 이용될 수 있다. 레벨 이동기(shifter)(110)는 통상적으로 약 3V인 레지스터(120)의 출력 전압을 스위치가능한 캐패시터들에 대해 보다 높은 제어 전압, 이를 테면 정전기 RF-MEMS 장치를 스위치하는데 요구되는 30V로 변환시킨다.

고정된 임피던스-반전 네트워크(201)는 특성 임피던스(Z₀), 예를 들어 현재 예에서 대략 8Ω인 것으로 간주되는 Z_o의 값을 갖는 임피던스 인버터로서 작용하는 2개의 네트워크로 구성된다. 본 실시예에서, 각각 병렬 분기부의 직렬의 공명 회로들은 제 2 및 제 3 고조파에서 주파수 성분들(2f₀, 3f₀)을 제거하도록 구성된다. DC-공급은 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)의 중심 노드에 적용되어, 임피던스는 로드-라인 임피던스 적응의 전체 범위에 대해 비교적 낮게(대략 8Ω) 유지될 수 있다. 또한, 예를 들어, DC-공급부는 비교적 작은 크기의 인덕터에 대한 공급부의 충분한 절연을 달성하도록 병렬 공진으로 구성된다.

즉, 도 2에서, 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)은 예시적 고조파 제거를 위해, 특정 주파수들의 제거를 제거하는 2f₀ 및 3f₀에서 직렬-LC 트랩들을 갖는 이중-L 네트워크와 같이, 공간을 절약하는 럼프형(lumped) 부재들로 구현될 수 있다. 전체 네트워크의 적응식 부분인 가변 임피던스 매칭 네트워크(101)는 임피던스 다운-컨버팅 단일-L 네트워크로, 직력의 분기부(101a)는 인덕터(L_series) 및 가변 캐패시터(C_series)로 구성되는 반면, 분로(shunt) 분기부(101b)는 가변 캐패시터(C_par)로 구성된다. 캐패시터들(C_series및 C_par)은 모두 RF-MEMS 기술에서 이진 가중 스위치 캐패시터 어레이들로 구현된다.

이제 도 3을 참조하며, 도 3은 고정된 임피던스 반전 네트워크(201) 및 적응식 제어 가변 매칭 네트워크(102)를 갖는 전력 증폭기(300)를 나타내며, 적응식 로드-라인은 본 발명의 특정 실시예에 따른 1-스텝 알고리즘을 기초로 제어된다. 도 3의 회로는 도 2의 피드백 제어 개념처럼 유사하게 가변 임피던스 매칭 네트워크(102) 및 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)를 포함한다.

그러나, 가변 임피던스 매칭 네트워크(102)의 분로 분기부(102b)의 스위치가능한 캐패서터(C_par)과 병렬 접속되는 추가의 인덕터(코일)(L_par)가 제공된다. 이는 용량성 로드들(Z_load)의 동조(tuning)를 허용한다. 또한, 기능성(functionality)이 확대된다. 또한, 도 2에 부가하여 2개의 네트워크들(102, 201) 사이의 위치에서 매칭된 임피던스(R_m)를 측정하기 위해 각각 미스매칭 또는 임피던스 검출기(130)가 제공된다. 본 실시예에서, 인덕터(L_series) 직렬 분기부(102a)는 임피던스 검출기(130)의 감지 부재로서 사용된다. 임피던스 검출기(130) 출력들(R_det, X_det)은 레지스터(120)에 다운로딩되는 새로운 적용가능 값 SET을 결정하기 위해, 제어 회로, 예를 들어 제어기(400)로 제공된다. 도 2의 경우, 임피던스 검출기(130)가 제공되지 않아, 캐패시터들(C_series및 C_par)의 최적의 세팅은 예를 들어, 50Ω인 Z_load의 공칭 로드 임피던스로 가정된다.

이제 도 4를 참조하며, 도 4에는 반복형 적응 알고리즘을 기초로, 제시된 적응식 로드-라인 임피던스 적응의 회로 블록도가 도시된다. 회로도는 자체-제한 반복형 로드-라인 적응의 실시예이다.

구적(quadrature) 검출기(131)는 감지 레지스터(R_sense)를 통해 검출된 임피던스(R_det)의 실수부를 결정한다. 상기 검출된 직렬 임피던스(R_det)는 개별 제어 회로(미도시)에 의해 회로에 적용되며 상기 식(0)에 따라 결정되는 기준 값(R_ref)과 비교된다. 에러 신호 ERR의 부호는 카운트 업 또는 다운으로 카운터(124)를 설정하여, 16C, 8C, 4C, 2C 및 C의 값들을 갖는 이진 가중 캐패시터들로 구성되는 병렬 캐패시터(C_par)의 스위치들을 레지스터/레벨-이동기(114)를 통해 개별적으로 설정함으로써, 에러 신호를 최소화시킨다. 다시, 용량성 로드들(Z_load)의 적응식 조절을 허용하기 위해, 가변 임피던스 매칭 네트워크(103)의 스위치가능 캐패시터(C_par)와 병렬 접속되는 추가의 인덕터(코일)(L_par)가 제공된다.

직렬 캐패시터(Cseries)는 좌측 L_series 상의 분기부 전류(i)와 노드 전압(u) 간의 위상차를 감지하는 위상 검출기(132)에 의해 제어된다. 앞서 카운터(124)와 유사한 방식으로, 검출된 위상의 부호는 레지스터/레벨 이동기(112)를 통해 직렬 캐패시터(C_series)의 값들이 설정되도록 업/다운 카운터(122)의 모드를 설정한다.

가변 임피던스 매칭 네트워크의 가변 회로 부재들(C_par 및 C_series)을 자체-제한 방식으로 조절하는 적응식 루프들(LOOP1 및 LOOP2)에 의해, 실수 로드 임피던스 R_load =R_e(Z_load)가 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)에 제공될 수 있다. 결과적으로, 두개의 루프들(LOOP1, LOOP2)의 적응 범위내에서, 로드-라인 임피던스가 실제 로드 임피던스(Z_load)와 사실상 무관해지는 것이 달성될 수 있다.

기준 값(R_ref)의 결정을 위해, 상이한 방법들이 사용될 수 있으며, 이를 테면 상기 개시된 식(0)은 최적의 효율과 관련하여 기준 값(R_ref)을 계산하는데 이용될 수 있다는 것이 주지된다. 말하자면, 식(0)은 본 발명의 개념을 제한하고자하는 것이 아니라, 기준 값(R_ref)을 결정하는 대안적 방안중 하나이다.

또한, 최적의 효율을 위한 기준 값(R_ref) 및/또는 다양한 출력 전력 레벨들에서의 선형성 및 동작 주파수들의 교정은 PAM/폰 제조 후 수행될 수 있다. 통상적으로, 보다 높은 R_II가 선택되면, 보다 나은 효율이 달성되나, 한번 포화되면, 왜 곡(distortion)이 악화될 수 있다. 따라서, GSM EDGE 및 W-CDMA와 같은 선형 시스템에 대해, 효율성과 선형성 간에는 균형이 이루어져야 한다.

또한, 2004년 9월, 에이.반 베주이젠(A. van Bezooijen), 알. 마뮤디(R. Mahmoudi), 에이. 에이치.엠. 반 로르무드(A.H.M. van Roermund)의 "심각한 미스매칭 조건들하에서 선형성을 보전하는 적응식 전력 증폭기 개념들"이란 무선 통신용 전력 증폭기들에 대한 IEEE 논제 워크샵에서, 또는 2005년 10월 에이.반 베주이젠(A. van Bezooijen), 알. 마뮤디(R. Mahmoudi), 에이. 에이치.엠. 반 로르무드(A.H.M. van Roermund)의 "안테나 미스매칭 조건들하에서 전력 증폭기 선형성을 보전하는 적응식 방안들"이란 회로 및 시스템들 파트-1(vol 52, nr 10, pp2101-2108)의 IEEE 보고에서 처럼, 최소 콜렉터 피크 전압의 검출은 기준 값(R_ref)을 조절하는데 이용될 수 있다. 따라서 로드-라인의 전체 적응식 제어가 달성될 수 있다.

하기에서, 네트워크 특성들에 대한 소정의 많은 정보는 본 발명에 개시되는 개념의 이해를 돕기 위해 개시된다. 먼저, 가변 임피던스 매칭 네트워크와 관련하여, 동조가능한(tuneable) 직렬 인덕터를 갖춘 가변 L-네트워크는 도 5a의 개략적 회로도에 의해 도시된 것처럼 분석될 수 있다. 특히, 가능성있는 임피던스 적응 범위, 최대-대-최소 캐패시터 비율 및 단일 L-네트워크의 삽입 손실에 대한 수학적 분석은 다음과 같이 주어질 수 있다. 따라서, 이러한 파라미터들간의 균형에 대한 통찰이 제공될 수 있다. 보다 상세한 정보는 1967, 미국 뉴욕, 아나톨 아이. 지베 레브(Anatol I.Zverev), 존 윌리(John Wiley) 및 선스, 인크.(Sons, Inc.)의 "필터 합성 핸드북"을 참조로 이루어진다.

따라서, 단일 L-네트워크에 대해, 실수 로드 임피던스(R_load)는 리액턴스들(XL, XC)이 식들(1) 및 (2)를 따를 경우, 하위 실수부 매칭된 임피던스(Rm)과 매칭될 수 있다:

X_L = R_m·Q₁ (1) 및

(2)

여기서, 네트워크의 로딩된(loaded) 양질 계수(Q)(Q₁)는 로딩된-Q가 이러한 비율이 1보다 상당히 클 때 임피던스 변환비(R_load/R_m)의 스퀘어 루트와 비례한다는 것을 나타내는 식(3)에 의해 부여된다:

(3)

도 5b 및 도 5c는 주파수(f)는 약 900MHz이고 50Ω을 갖는 R_load에 대한 전형적인 값들에 대해 도시된다.

도 5b는 매칭된 임피던스(R_m)의 함수로서 로딩된 양질 계수(Q)를 나타내며, R_load는 50Ω이며 주파수(f)는 약 900MHz인 것으로 가정된다. 도 5c는 R_m의 함수로 서 회로 부재들(C_par)(도 5c의 좌측 축) 및 L_series(도 5d의 우측 축)의 성분 값들을 나타내며, R_load는 50Ω이며 주파수(f)는 약 900MHz이며, 캐패시터의 Q-계수(Qc_par)는 100인 것으로 가정된다. 여기서, 캐패시터(C_par)와 달리, 직렬 인덕터(L_series)는 최대치 이상을 가져 R_m이 50Ω에 도달할 때 그 값이 급격히 감소되된다는 것이 주지된다. 식(1)에 식(3)을 대입함으로써,

(4)가 생성되며,

이는

(5)일 때 최대치를 갖는다.

이는

(6)에 대해 참(true)인 것으로 유지되며,

(7)이다.

따라서, 동조가능한 직렬 리액턴스(X_L)는

와 같은 R_m에 대해

의 최대치를 갖는다. 낮은 로딩 양질-계수(Q)로 인해, 이러한 최대치는 다소 넓다. 따라서, 50Ω 로드는 직렬 인덕터를 동조시키지 않고도 약 40 내지 10Ω로 다소 정확히 매칭될 수 있다. 임피던스 동조 범위가 40 내지 2Ω 범위로 연장될 때 인덕터 최대치-대-최소치 비율은 2.5가 요구된다.

L-네트워크 삽입 손실(IL)은

(8)로 표현될 수 있으며,

여기서, Q_L 및 Q_C는 각각 코일(인덕터) L_series 및 캐패시터 C_par의 양질 계수(Q)(또는 단락(short)에 대한 Q-계수)이다. 이러한 식은 삽입 손실이 로딩된 Q-계수와 비례하고 유효 성분 Q-계수의 역함수(inverse)(Q_C·Q_L/Q_C+Q_L)와 비례한다.

일정 성분의 Q-계수에 대해, 삽입 손실은 임피던스 변환비(R_load/R_m)에 따라 증가한다. 50Ω을 갖는 R_load에 대한 네트워크 삽입 손실의 전형적인 값(QL)은 100이며, 약 900MHz인 f가 도 5d에 도시되며, 도 5d는 50Ω 로드 임피던스가 단지 0.6 dB의 삽입 손실로 2Ω으로 하향 매칭된다는 것을 나타낸다.

가변 로드 조건들하에서, 가변 매칭 네트워크가 R_load1가 R_m1과 매칭되는 제 1 매칭 조건으로부터 R_load1가 R_m2과 매칭되는 제 2 매칭 조건으로 동조될 경우, 요구되는 캐패시터 비율은 하기 식으로 주어진다:

(9).

해당 인덕터 비율은 하기 식으로 주어진다:

(10).

R_load1=R_load2=50Ω에 대한 전형적인 값들이 도 5e에 도시된다. 이를 테면, 도 5e로부터, 50Ω 로드 임피던스가 6.6의 최대-대-최소 캐패시터 비율에 해당하는, 2.7pF로부터 17pF로 병렬 캐패시턴스를 변화시킴으로써 2에서 32Ω으로 매칭될 수 있다는 것을 추론할 수 있다.

가변 임피던스 매칭 네트워크와 관련한 제 2 분석이 설명되며, 고정된 직렬 인덕터(L_series), 동조가능 직렬 캐패시터(C_series), 및 동조가능한 병렬 캐패시터(C_par)를 갖는 가변 L-네트워크는 도 6a의 개략적 회로도에 의해 도시된 것처럼 분석될 수 있다. 이러한 회로는 도 2, 3 및 4의 실시예들에서 이용되는 아키텍쳐를 나타낸다.

로드 임피던스(R_load)를 매칭된 임피던스(R_m)으로 매칭시키기 위해, 요구되는 병렬 캐패시터 리액턴스(XC_par)는 식(11)로 표현될 수 있다.

(11)

여기서, 네트워크의 로딩된 Q-계수(Q₁)는 식(12)에 의해 제공된다.

(12)

식(11) 및 식(12)는 상기 식 (2) 및 식(3)과 동일하며, 요구되는 직렬 리액턴스는 R_load의 1/2의 최대치를 갖는다는 것이 추론된다. 고정된 직렬 인덕터(L_series)의 리액턴스는 가변 캐패시터(C_series)의 추가적인 네거티브 리액턴스가 허용되도록 크게 설정된다. 여기서, 고정된 직렬 인덕터(L_series)의 리액턴스에 대한 통상의 바람직한 선택은

X_L = R_load (13)이며,

직렬 캐패시터 리액턴스(X_Cseries)는

X_Cseries = Q₁R_m - R_load (14) 에 의해 제공된다.

이러한 조건에 대해, R_m의 함수로서 병렬 캐패시터 및 직렬 캐패시터 값들(C_par 및 C_series)의 일부 통상의 도면들은 도 6b에 제공되며, 병렬 캐패시터 값들은 도면의 좌측 축을 기준으로 다이아몬드로 도시되며 직렬 캐패시터 값들은 매칭된 임피던스 R_m의 함수로서 도면의 우측 축을 기준으로 정사각형으로 도시된다. R_load는 50Ω이고, L_series는 8.8nH이며, f는 900MHz인 것으로 가정된다.

동조가능한 직렬 캐패시터(C_series)를 갖는 이러한 가변 임피던스 매칭 네트워 크에 대해, 삽입 손실(IL)은 병렬 캐패시터 손실, 직렬 캐패시터 손실 및 직렬 인덕터 손실의 합으로 표현될 수 있다:

IL= IL_Cpar + IL_Cseris + IL_Lseris (15).

여기서,

이다.

직렬 분기부에서의 손실들은 로딩된 Q-계수의 정사각형과 비례한다는 것이 주지된다. 따라서, 통상적으로 직렬 분기부에서의 손실들은 특히 로딩된 Q-계수가 높은 경우, 병렬 분기부에서의 손실들을 지배하며, 이는 도 6c로부터 추론될 수 있으며, 도 6c는 Q_Lseries가 50이고, Q_Cpar이 100일 때 50Ω 로드를 2Ω으로의 매칭은 2.8dB의 삽입 손실을 야기시킨다는 것을 나타낸다.

이는 최대 출력 전력을 충족시켜야하는 높은 효율 사양(specification)을 요구하는 전형적인 전력 증폭기에 대해서는 너무 높다. 상대적인 높은 삽입 손실의 주요 원인은 비교적 큰 직렬 인덕터(가변 직렬 캐패시터와 조합)에 대한 요구에 있으며, 이는 R_m의 높은 값들과 매칭될 수 있도록 해당하는 큰 직렬 손실 임피던스를 갖는다. 이는 낮은 R_m 값들에 대한 매칭이 이루어질 때, 높은 로딩된 Q-계수를 산출한다. 그러나, 가변 직렬 캐패시터와 조합되는 2개 이상의 스위치 인덕터들의 사용을 통해 임피던스 동조 범위와 삽입 손실 간의 균형이 개선된다는 것이 밝혀졌다.

이제, 요구되는 고정된 임피던스 반전 네트워크(또는 단락을 위한 임피던스 인버터)와 관련한 소정의 분석이 제공된다. 고정된 임피던스 인버터는 넓은 임피던스 범위에 대해 실수부 로드 임피던스(R_load)를 실수부 매칭된 임피던스(R_m)으로 변환시키는데 이용될 수 있다. 이상적인 임피던스 인버터의 변형 기능은 식(19)에 의해 제공된다.

(19)

식(19)에서, Zo는 1/4-람다(λ/4) 마이크로 스트립-라인의 특성 임피던스와 같은 유사한 의미를 갖는다. 이러한 임피던스 인버터 기능의 접근은 도 7a에 도시된 것처럼 럼프형(lumped) 회로 구현에 의해 실현될 수 있다. 고정된 임피던스 반전 네트워크는 2개의 캐스캐이드형 L-네트워크들로 구성되며, 섹션 A의 로딩된 Q-계수(Q₁ _{_A}) 및 섹션 B의 Q₁ _{_B}는 동일하다. 이는 식(20)으로 표현된다:

Q_l _{_A} = Q_l _{_B} = Q_l(20).

네트워크 섹션 A 및 B 모두의 로딩된 Q-계수(Ql)은 식(21)에 의해 제공되거 나 또는 식(22)와 유사하다:

.

각각의 네트워크 설계 식들은 식(23) 내지 (25)에 의해 표현될 수 있다.

따라서, 각각 요구되는 인덕터 및 캐패시터 비율들은 식(27) 및 (28)로 표현될 수 있다.

상기 결론 및 결과를 기초로, 로드-라인 적응 회로 개념에 대한 시뮬레이션들은 전압 제어 가변 캐패시터들, 위상 검출기, 제어 회로소자, 및 전력 트랜지스 터에 대한 반응 모델들을 기초로 수행되었다. 모든 코일들(인덕터들)의 Q-계수는 50으로 설정되었고, 2개의 동조가능한(스위치가능한) 캐패시터들을 포함하는 모든 캐패시터들은 100으로 설정되었다.

고조파 평형 시뮬레이션들은 로드-라인 적응 회로의 고정부 및 가변 부의 임피던스 변환 기능들을 검증하도록 수행되었다. 도 8a는 약 900MHz의 고정된 매칭의 통과대역 및 1800 및 2700MHz에서의 전송 영점들을 나타낸다. -20dBm의 입력 반사는 32Ω으로 로딩될 때 2Ω 소스 임피던스에 대한 적절한 매칭을 나타내다.

R_Ref가 32Ω에서 2Ω으로 변할 때, 도 8b에 도시된 것처럼 적응된 전력 증폭기(PA) 출력 로드 임피던스의 시뮬레이션된 실수부는 약 2Ω에서 거의 20Ω이 된다. 점선은 이상적인 회로로 얻어지는 임피던스 변환 팩터를 나타낸다.

2Ω에서 32Ω으로의 R_Ref를 동조시키는 전체 임피던스에 대해, 매칭 임피던스의 허수부는 매칭된 임피던스의 실수부의 10% 미만이며, 이는 도 8c의 우측면 Y축에 도시되며, 이는 실수부-대-실수부 임피던스 반전 네트워크가 정확힌 변환된다는 것을 나타낸다.

도 8d에서, 고정된 임피던스 인버터의 시뮬레이션된 반전 손실들이 도시되며, 여기서 적응식-L 네트워크 및 이들의 합은 콜렉터 로드 임피던스의 함수이며 Q_L은 50, Q_C는 100이고, f는 900MHz이다. 고정된 네트워크의 삽입 손실들(IL)은 상부 점선 곡선에 해당하며, 적응식 매칭은 중간의 실선 곡선에 해당하며, 이둘의 합은 하부 점선 곡선에 해당한다. 분명하게, 고정된 네트워크의 삽입 손실들은 8Ω의 매칭된 임피던스에 대해 가장 작으며, 이는 이들의 로딩된 Q-계수가 가장 작기 때문이다. 적응식 매칭은 2Ω의 매칭된 임피던스에 대해 비교적 작은 손실을 나타낸다. 결과적으로, 손실들은 높은 출력 전력에서 비교적 낮으며, 이는 회로 구성에 있어 장점이 된다. 사실상, 콜렉터 로드-라인은 너무 많은 삽입 손실을 유도하지 않으면서 2에서 약 20Ω으로 조작될 수 있다.

도 8e는 전송선 도표(Smith chart)를 나타내며, 이는 C_par에 의해 일정한 어드미턴스(원으로 표시됨)의 원형 세그먼트에 대한 50Ω 로드의 임피던스 변환 및 R_ref=2, 4, 8, 16 및 32Ω에 대해 C_series에 의한 실수부 임피던스(정사각형 표시)로의 변환을 나타낸다.

고정된 임피던스 반전 네트워크에 접속되며 적응식 다운-컨버팅 L-네트워크를 따르는 전력 트랜지스터의 효율성이 R_load는 50Ω이고 f는 900MHz인 2, 8, 및 32Ω의 기준 임피던스에 대해 시뮬레이션되어 도 8f와 비교되었다. 20dBm의 중간 출력에 대해, 발견된 효율성은 각각 13, 21 및 32%이며, 이는 중간 출력 전력 레벨에서, 두드러진 효율성 개선이 달성된다는 것을 나타낸다.

GSM/EDGE 및 W-CDMA 시스템들에서, 큰 슬롯-대-슬롯 출력 전력 변화가 발생한다. 결과적으로, 로드-라인의 빠른 적응식 제어가 요구된다. 피드 포워드 제어 또는 1-스텝 적응식 제어 알고리즘중 하나가 사용될 수 있다. 적응식 제어의 주요 장점은 로드 임피던스 변화에 대한 무관성에 있다. W-CDMA 동작은 핫(hot)-스위칭을 요구하는 반면, GSM/EDGE에서 가변 네트워크의 세팅은 아이들(idle) 슬롯 동안 업데이트될 수 있다.

이를 종합하면, 본 발명에 개시되는 일반적 개념은 전력 트랜지스터와 적응식 매칭 네트워크 사이에 고정된 매칭 네트워크를 포함하는 전력 증폭기 출력과 접속되는 로드-라인의 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응식 매칭시키기 위한 회로를 제공하여, 고정된 매칭 네트워크는 높은 전력에서 비교적 낮은 삽입 손실을 산출하는 임피던스 인버터로서 작용한다. 결과들은 임피던스 반전 네트워크가 임피던스 변화의 10 팩터 이상에 대해 이용될 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 전력 트랜지스터와 인접한 고정된 매칭 네트워크의 사용은 전송 영점 구현 및/또는 기본 주파수에서의 (가변) 로드 임피던스와 무관하게 예정된 고조파 주파수에서 명확한(well defined) 로드 임피던스를 허용한다.

본 발명은 도면 및 설명을 참조로 도시되고 개시되었지만, 이러한 도시 및 설명은 예시 또는 도시를 위한 것으로 제한을 위한 것은 아니며, 본 발명은 도시된 실시예들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 실시예에서 본 발명을 작동시키는 것이 가능하며 스위치 코일들은 가변 인덕터를 구현하는데 이용된다. 높은 Q-계수 가변 인더터의 이용을 통해, 동조 범위 및 관련된 삽입 손실들 간의 균형이 개선될 수 있다.

개시된 실시예들에 대한 다른 변형은 도면들, 설명들 및 첨부되는 청구항들을 통해 청구되는 발명 구현시 당업자들에 의해 인식 및 실행될 수 있다. 청구항들에서, "포함하는(comprising)"이란 용어는 다른 부재들 또는 단계들을 허용하며, 한계가 없는 단일 관사("a" 및 "an")의 물품은 다수를 허용한다. 단일 프로세서 또는 다른 유니트는 청구항들에서 인용되는 몇 개의 항목들의 기능들을 수행할 수 있다. 소정의 방안들이 상호 상이한 종속항들에서 이용되며 이는 이러한 방안들의 조합이 바람직하게 이용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 컴퓨터 프로그램은 적절한 매체, 이를 테면 다른 하드웨어들과 또는 다른 하드웨어의 부품으로서 함게 공급되는 고체-상태 저장 매체 또는 광학 저장 매체 상에 저장/분포될 수 있으나, 다른 형태, 이를 테면 인터넷 또는 다른 무선 또는 유선 전화통신 시스템들을 통해 분포될 수 있다. 청구항들에서의 임의의 기준 부호가 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 구성되서는 안된다.

Claims

전력 증폭기 출력에 접속되는 로드-라인의 미리 예정된 로드-라인 임피던스에 로드 임피던스를 적응식 매칭하기 위한 회로로서,

매칭된 임피던스(R_m, Z_m)로의 로드 임피던스(R_load;Z_load) 변환을 위해 상기 로드 임피던스(R_load;Z_load)에 접속되는 가변 임피던스 매칭 네트워크(100;101;102;103); 및

상기 미리 예정된 로드-라인 임피던스(R_ll, Z_ll)로의 상기 매칭된 임피던스(R_m, Z_m)의 변환을 위해 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(100;101;102;103)에 접속되는 고정된 임피던스 반전 네트워크(200; 201)

를 포함하고, 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(100;101;102;103)는 적어도 하나의 가변 회로 부재(101a, 101b; 102a, 102b; C_par, C_series)를 포함하며, 상기 가변 회로 부재(101a, 101b; 102a, 102b; C_par, C_series)의 임피던스는 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(100;101;102;103)에 의한 매칭이 적용되는 제어 세팅(applied control setting)에 의해 제어가능하도록, 제어 세팅 입력에 의해 제어가능하며,

상기 가변 임피던스 매칭 네트워크는 상기 매칭된 임피던스가
에 따라 계산되는 기준 임피던스(R_ref)에 따라 설정되도록 상기 적용되는 제어 세팅에 의해 제어되고, 여기서 Z₀는 상기 고정된 임피던스 반전 네트워크의 특성 임피던스이며, P_load는 요구되는 출력 전력이고, U_supply는 공급 전압이며, U_sat는 전력 증폭기의 콜렉터 포화 전압인,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(100;101;102;103)는 적어도 2개의 가변 회로 부재들(101a, 101b; 102a, 102b; C_par, C_series)을 포함하고, 상기 가변 회로 부재들 중, 제 1 회로 부재(101a; 102a;C_series)는 상기 로드 임피던스(R_load;Z_load)와 직렬 접속되며 제 2 회로 부재(101b;102b;C_par)는 상기 로드 임피던스(R_load;Z_load)와 병렬 접속되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 회로 부재들은 가변 캐패시터들(C_par,C_series)을 포함하며, 가변 캐패시터(C_par,C_series)는 스위치가능하게 병렬 접속된 캐패시터들(C,2C,4C,8C,16C)의 이진 가중 어레이를 포함하며, 상기 적용되는 제어 세팅은 개별 레지스터(120;122;124)에 저장된 디지털 코드와 대응되며, 각각의 레지스터(120;122;124)의 출력은 상기 캐패시터들(C,2C,4C,8C,16C) 각각이 상기 개별 레지스터(120;122;124)에 저장되는 개별 디지털 코드에 의해 제어가능하도록, 개별 스위치 병렬 캐패시터들(C,2C,4C,8C,16C)에 접속되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 회로 부재는 가변 인덕터를 더 포함하며, 상기 가변 인덕터는 스위치가능한 병렬 접속된 인덕터들의 어레이를 포함하며, 상기 적용되는 제어 세팅은 인덕터 레지스터에 저장된 디지털 코드에 대응하며, 인덕터 레지스터의 출력은 상기 가변 인덕터가 상기 인덕터 레지스터에 저장된 상기 디지털 코드에 의해 제어가능하도록 상기 스위치가능한 병렬 접속된 인덕터들과 접속되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(101)는 제어 회로에 의해 피드 포워드(feed forward) 제어되며, 상기 제어 회로는 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 저장된 교정 데이터를 갖는 룩업 테이블을 포함하며, 상기 교정 데이터는 상기 전력 증폭기의 여러 상이한 출력 전력 레벨들로 맵핑되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 회로는 상기 매칭된 임피던스의 특성들을 검출하는 적어도 하나의 검출기(130;131;132)를 더 포함하며, 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(102;103)는 제어 회로(400;LOOP1,LOOP2)에 의해 적응식 제어되며, 상기 제어 회로는 실제 전력 레벨에 따라 상기 매칭된 임피던스의 검출된 특성들에 응답하여 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 세팅을 조절하도록 구성되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 6 항에 있어서,

상기 제어 회로(400)는 각각의 적용된 세팅에 대해 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(102)를 나타내는 저장된 파라미터 데이터를 갖는 룩업 테이블을 포함하며, 상기 제어 회로(400)는 상기 매칭된 임피던스의 검출된 특성들 및 실제 세팅의 해당 파라미터 데이터로부터 실제 로드 임피던스를 계산하고, 상기 계산된 실제 로드 임피던스 및 상기 실제 전력 레벨로부터 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(102)에 대한 새로운 세팅을 계산하도록 구성되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 7 항에 있어서,

상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 반응을 나타내는 상기 파라미터 데이터는 S-파라미터 데이터, H-파라미터 데이터, Z-파라미터 데이터, 및 Y-파라미터 데이터 중 적어도 하나를 포함하는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 6 항에 있어서,

상기 제어 회로(400)는 미리 예정된 시간들에 또는 미리 예정된 이벤트에 따라 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 세팅을 업데이트하도록 구성되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 6 항에 있어서,

적응식 제어를 위한 제어 회로(LOOP1, LOOP2)는 목표된 매칭이 달성될 때까지, 미리 예정된 방향으로 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크(103)의 검출된 매칭된 임피던스에 응답하여 단계적으로 조절되도록 구성되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)는 미리 예정된 주파수들의 제거를 위한 전송 영점(transmission zero)들을 포함하는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 고정된 임피던스 반전 네트워크(201)는 기본 주파수에서 상기 로드 임피던스와 무관한 미리 예정된 제 2 고조파 주파수에서 명확한(well defined) 로드 임피던스를 제공하는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 회로는 EDGE(Enhanced Data rates for Global Evolution)를 제공하는 규격에 따라, 글로벌 커뮤니케이션 시스템 또는 W-CDMA(Wide band Code Division Multiple Access) 시스템 중 하나에서의 사용을 위한 장치의 송신기 유닛에서 구현되는,

적응식 매칭하기 위한 회로.
전력 증폭기 출력에서 미리 예정된 로드-라인 임피던스로 로드 임피던스를 적응식 매칭하는 방법으로서,

로드 임피던스를 매칭된 임피던스로 변환하기 위해 가변 임피던스 매칭 네트워크를 조절하는 단계; 및

고정된 임피던스 반전 네트워크에 의해 상기 매칭된 임피던스를 미리 예정된 로드-라인 임피던스로 반전하는 단계

를 포함하고, 상기 조절하는 단계는 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스를 세팅하는 단계를 포함하며,

상기 가변 임피던스 매칭 네트워크는 상기 매칭된 임피던스가
에 따라 계산되는 기준 임피던스(R_ref)에 따라 설정되도록 적용되는 제어 세팅에 의해 제어되고, 여기서 Z₀는 상기 고정된 임피던스 반전 네트워크의 특성 임피던스이며, P_load는 요구되는 출력 전력이고, U_supply는 공급 전압이며, U_sat는 전력 증폭기의 콜렉터 포화 전압인,

적응식 매칭하는 방법.
제 15 항에 있어서,

룩업 테이블로부터 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재에 대해 요구되는 세팅을 유추하는 단계; 및

상기 적어도 하나의 가변 회로 부재에 상기 유추된 세팅을 적용함으로써 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스를 세팅하는 단계

를 더 포함하며, 상기 룩업 테이블은 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크의 저장된 교정 데이터를 포함하며, 상기 교정 데이터는 상기 전력 증폭기 출력의 상이한 출력 전력 레벨들로 맵핑되는,

적응식 매칭하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 매칭된 임피던스의 적어도 하나의 특성들을 검출하는 단계를 더 포함하는,

적응식 매칭하는 방법.
제 17 항에 있어서,

실제 출력 전력 레벨에 따라 상기 매칭된 임피던스의 검출된 적어도 하나의 특성들에 응답하여 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스를 세팅하는 단계를 더 포함하는,

적응식 매칭하는 방법.
제 18 항에 있어서,

각각 적용되는 세팅에 대해 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크를 나타내는 저장된 파라미터 데이터를 갖는 룩업 테이블로부터, 상기 매칭된 임피던스의 검출된 특성들 및 실제 세팅의 해당 파라미터 데이터에 따라 실제 로드 임피던스를 유추하는 단계;

상기 유추된 로드 임피던스 및 상기 실제 출력 전력 레벨로부터 상기 가변 임피던스 매칭 네트워크에 대한 새로운 세팅을 계산하는 단계; 및

상기 새로운 세팅의 적용에 의해 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재의 임피던스 세팅을 조절하는 단계

를 더 포함하는,

적응식 매칭하는 방법.
제 15 항에 있어서,

미리 예정된 시간들에 또는 미리 예정된 이벤트에 따라 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재의 세팅을 업데이트하는 단계를 더 포함하는,

적응식 매칭하는 방법.
제 17 항에 있어서,

목표된 매칭이 달성될 때까지, 상기 매칭된 임피던스의 검출된 적어도 하나의 특성들에 응답하여 미리 예정된 방향으로 단계적으로 상기 적어도 하나의 가변 회로 부재의 세팅을 조절하는 단계를 더 포함하는,

적응식 매칭하는 방법.