KR101643287B1 - 클래스 f가 적용된 비대칭 도허티 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 2-way로 구성된 비대칭 도허티 증폭기에 관한 것으로서, RF 신호를 입력받는 구동 증폭기; 비대칭 분배기로서, 상기 구동 증폭기로부터 출력된 RF 신호를 병렬로 배치된 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기로 각각 분배하는 분배기; 입력된 RF 신호의 캐리어를 증폭하는 캐리어 증폭기; 입력된 RF 신호의 피크 전력을 증폭하는 피킹 증폭기; 상기 캐리어 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 캐리어 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 캐리어 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 1 클래스 F; 상기 제 1 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 1 정합회로; 상기 피킹 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 피킹 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 피킹 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 2 클래스 F; 상기 제 2 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 2 정합회로; 및 상기 제 1 정합회로 및 제 2 정합회로의 출력단과 연결되어 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하고, 도허티 동작을 위한 임피던스를 조절하는 쿼터 웨이브 트랜스포머; 를 포함한다.

Description

클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기{ASYMMETRIC DOHERTY AMPLIFIER USING CLASS F}

본 발명은 비대칭 도허티 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 클래스 F(Class-F)의 포화 효율 개선효과를 비대칭 도허티에 적용함으로써, 이동통신용 증폭기의 평균전력에서 사용할 때에도 효율 개선효과를 유지하는 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기에 관한 것이다.

도허티 증폭기와 관련해서는, 한국공개특허 제10-2006-0032270호(이하, '선행문헌') 외에 다수 등록 및 공개되어 있다.

상기한 선행문헌은, 쿼터 웨이브 트랜스포머(λ/4 라인)를 사용해서 캐리어 증폭기와 피크 증폭기를 병렬로 연결하여 구성된 도허티 증폭기에 있어서, 하나의 입력신호를 제1 경로와 제2 경로로 분할하고 위상차를 보상하기 위하여 버퍼 증폭기를 구비하고, 상기 버퍼 증폭기의 베이스 단자와 입력신호단자와 연결하여 상기 버퍼증폭기의 컬렉터 단자 출력을 제1 경로로, 상기 버퍼 증폭기의 에미터 단자 출력을 제2 경로로 구성하며, 상기 제1 경로로부터 출력된 신호가 캐리어 증폭기의 입력으로 사용되고, 상기 제2 경로로부터 출력된 신호는 피크 증폭기의 입력으로 사용되는 능동 위상 보상기를 포함함을 특징으로 한다.

한편, 이동통신 기지국 및 중계기의 송신용 고출력 전력 증폭기는 소모전력 효율을 개선하기 위해 입력신호의 PAR에 따른 비율에 따라 비대칭 증폭기를 사용하는데, 2개의 FET를 사용하여 구성할 경우, 출력 용량이 다른 FET 2개를 사용하며, 입력 전력신호는 도허티 구조 증폭기의 입력측에서 일정비율로 나누어지고, 각각의 FET에서 증폭되어 출력 도허티 증폭기에서 전력 합성된다.

이때, 증폭기는 일반적으로 입력 PAR만큼 백업(Back-up)된 평균 출력 전력(Average Power) 지점에서 동작하게 되는데, 평균 출력 전력 지점에서 효율을 높이기 위해서는 기본적으로 백업(Back-up)되지 않은 최대 출력 전력(Peak Power)지점에서의 효율이 높아야 한다.

그러나, 현재까지 도허티 증폭기의 최대 출력전력에서의 효율을 높이기 위한 방안 제시나 노력이 없었다.

한국공개특허 제10-2006-0032270호.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 기존의 동일하지 않은 FET 2개를 사용하는 비대칭 도허티 증폭기 구조에서 클래스 F(Class-F) 회로 기술을 접목하여 증폭기를 구현함으로써, 도허티 증폭기에 있어서 최대 출력전력의 효율을 높이도록 하며, 실제 사용하는 평균전력에서의 효율을 높이도록 함에 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 2-way로 구성된 비대칭 도허티 증폭기에 관한 것으로서, RF 신호를 입력받는 구동 증폭기; 비대칭 분배기로서, 상기 구동 증폭기로부터 출력된 RF 신호를 병렬로 배치된 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기로 각각 분배하는 분배기; 입력된 RF 신호의 캐리어를 증폭하는 캐리어 증폭기; 입력된 RF 신호의 피크 전력을 증폭하는 피킹 증폭기; 상기 캐리어 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 캐리어 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 캐리어 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 1 클래스 F; 상기 제 1 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 1 정합회로; 상기 피킹 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 피킹 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 피킹 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 2 클래스 F; 상기 제 2 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 2 정합회로; 및 상기 제 1 정합회로 및 제 2 정합회로의 출력단과 연결되어 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하고, 도허티 동작을 위한 임피던스를 조절하는 쿼터 웨이브 트랜스포머; 를 포함한다.

또한 상기 캐리어 증폭기는, GaN 소자를 이용한 FET로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 피킹 증폭기는, LDMOS 소자를 이용한 FET로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 비대칭 도허티의 증폭기의 최대 출력 전력(Peak Power) 지점에서의 효율을 개선할 수 있으며, 궁극적으로 실제 사용하는 평균 전력(Average Power) 지점에서의 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 N-way 도허티 증폭기에 관한 구성도.
도 2 는 N-way 도허티 증폭기의 각 way에 따른 효율 그래프.
도 3 은 클래스 F 증폭기의 이상적인 출력 전압 및 전류 파형을 보이는 그래프.
도 4 는 본 발명에 따른 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기에 관한 구성도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기에 관하여 도 1 내지 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기의 동작 설명에 앞서, N-way 도허티 증폭기에 관하여 먼저 살펴보도록 한다.

도 1 은 동일한 소자를 사용할 때의 N-way 도허티 증폭기에 관한 구성도이며, 도 2 는 N-way 도허티 증폭기의 각 way에 따른 효율 그래프이다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 3-way의 경우, 약 -12dB 출력전력 백-오프(Output Back-off)에서 최대의 효율을 구현할 수 있다.

즉, 입력 PAR이 -12dB의 전력 신호가 3-way 도허티 증폭기에 입력될 때, 증폭기의 출력용량에서 -12dB 백업(back-up)된 지점에서 평균 전력이 출력되게 사용할 때 최대의 효율을 얻을 수 있는 것이다.

증폭기의 출력 용량은 주로 P1dB 또는 Psat(peak output power)를 참조하며, 3-way의 최대출력용량은 3개의 FET를 합한 양이다.

이때 도 1 을 살피면, 캐리어 증폭기는 항상 1개로 고정되며, 각 way에 따라 피킹 증폭기가 증가한다. 따라서, 3-way의 경우 2개의 피킹 증폭기를 2배의 용량을 갖는 1개의 FET을 사용하여 피킹 증폭기를 구현하며, 이때 입력 전력 분배기를 3-way에서 2:1(-5dB)의 방향성 커플러를 사용하면 결국 3way와 동일한 효과를 구현할 수 있으며, 이때는 용량이 다른 2개의 FET를 사용하여 도허티 증폭기를 구현함으로 비대칭 도허티 증폭기라 부른다.

2개의 FET만을 사용하려는 이유는 증폭기의 크기를 줄일 수 있으며, 2개의 FET보다 2배 용량의 1개 FET가 일반적으로 가격이 싸며, 3개의 FET의 주변 소요 주변 부품과 비교할 때 전체적으로 원가 절감이 되기 때문이다.

클래스 F(Class-F) 증폭기는 도 3 에 도시된 바와 같이, 기본적으로 입력 신호 주기 동안 출력 전압 파형과 출력 전류 파형의 오버랩(overlap)을 없앰으로써 DC 전력 소모를 최소화하는 방식이다.

클래스 F(Class-F)는 출력 파형의 오보랩(Overlap)을 없애기 위해, 증폭기가 포화되었을 때 고조파(Harmonic)를 제어하는 방식을 채택한다. 이때, 제어되는 고조파(Harmonic)의 수가 많아질수록 효율은 증가하지만 회로가 복잡해진다.

모든 고조파(harmonic)를 제어하는 것이 불가능하기 때문에, 클래스 F(Class-F)는 100의 효율을 달성할 수 없다.

클래스 F(Class-F)는 포화되었을 때 고조파(Harmonic)를 제어하여 효율이 최대가 되게 하는 방식이기 때문에, 포화 지점에서 백업(Back-up)이 많을수록 효율 개선 효과가 줄어든다.

따라서, 본 발명에서 적용하려고 하는 이동 통신용 CDMA, WCDMA, LTE 증폭기 등은 입력신호의 PAR 만큼 백업(Back-up)해야 되고, PAR는 일반적으로 8~12dB정도이기 때문에, 클래스 F(Class-F)만을 적용하는 증폭기는 실제로 사용하는 평균전력에서는 효율 개선량이 상당히 적게 된다.

본 발명에서는 이러한 클래스 F(Class-F)의 포화 효율 개선효과를 비대칭 도허티에 적용함으로써 이동 통신용 증폭기의 평균전력에서 사용할 때에도 효율 개선효과를 유지하는 기술을 제안한다.

도 4 는 본 발명에 따른 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기에 관한 구성도로서, 도시된 바와 같이 구동 증폭기(100), 분배기(200), 캐리어 증폭기(300), 피킹 증폭기(400), 제 1 클래스 F(500), 제 1 정합회로(600), 제 2 클래스 F(700), 제 2 정합회로(800) 및 쿼터 웨이브 트랜스포머(900)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 구동 증폭기(Drive amplifier)(100)는 RF(Radio Frequency) 신호를 입력받는다.

분배기(200)는 비대칭 분배기(uneven divider)로서, 구동 증폭기(100)로부터 출력된 RF 신호를 병렬로 배치된 캐리어 증폭기(300) 및 피킹 증폭기(700)로 각각 분배한다.

캐리어 증폭기(300)는 GaN 소자를 이용한 FET로 구성될 수 있으며, 입력된 RF 신호의 캐리어를 증폭한다.

피킹 증폭기(400)는 LDMOS 소자를 이용한 FET로 구성될 수 있으며, 입력된 RF 신호의 피크 전력을 증폭한다.

즉, 캐리어 증폭기(300) 및 피킹 증폭기(400)는 빠른 스위칭 응답 및 높은 입력 임피던스를 가지는 전계 효과형 트랜지스터 소자로서 질화갈륨 전계 효과형 트랜지스터(GaN FET) 및 Lateral Double diffused MOS 전계 효과형 트랜지스터(LDMOS FET)를 각각 이용할 수 있다.

이때, 하나의 캐리어 증폭기(300)에 다수개의 피킹 증폭기(400)가 병렬 연결될 수 있으나, 본 발명에서는 하나의 캐리어 증폭기(300)와 피킹 증폭기(400)가 2-way로 구성된다.

제 1 클래스 F(500)는 캐리어 증폭기(300)의 출력단과 연결되어, 캐리어 증폭기(300)의 고조파(harmonic)를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 캐리어 증폭기(300)를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩(overlap)을 제거하기 위해 고조파(harmonic)를 제어한다.

제 1 정합회로(600)는 제 1 클래스 F(500)의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시킨다.

제 2 클래스 F(700)는 피킹 증폭기(400)의 출력단과 연결되어, 피킹 증폭기(400)의 고조파(harmonic)를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 피킹 증폭기(400)를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩(overlap)을 제거하기 위해 고조파(harmonic)를 제어한다.

제 2 정합회로(800)는 제 2 클래스 F(700)의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시킨다.

쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter wave transformer)(λ/4 line)(900)는 제 1 정합회로(600) 및 제 2 정합회로(800)의 출력단과 연결되어 캐리어 증폭기(300)와 피킹 증폭기(400)를 병렬 연결하고, 도허티 동작을 위한 임피던스를 조절한다.

본 실시예에와 같이, 캐리어 증폭기(300)와 피킹 증폭기(400)를 2-way로 구성하고, 비대칭 분배기(200)와 쿼터 웨이브 트랜스포머(900)를 -5dB 방향성 결합기를 사용함으로써 3-way의 성능을 구현할 수 있다. 그리고, 비대칭 분배기(200)와 쿼터 웨이브 트랜스포머(900)를 -6dB 방향성 분배기를 사용함으로써 4-way의 성능을 구현할 수 있다.

이때, 입력 RF 신호의 PAR에 따라 캐리어 증폭기(300)와 피킹 증폭기(400)에 사용하는 FET의 용량을 결정하여 구현할 수 있다. FET의 용량을 결정하고 나면, 클래스 F(Class-F) 회로를 각 FET의 출력에 추가한다.

또한, 클래스 F(Class-F) 이후에 출력 정합회로를 위치시켜 FET와 클래스 F(Class-F) 회로를 포함한 임피던스를 감안하여 출력 정합회로를 설계한다.

이렇게 함으로써 N-way의 성능을 갖는 비대칭 2-way 도허티 증폭기를 작은 사이즈로 구현이 가능하며, 클래스 F(Class-F)를 회로를 이용하여 최대 출력 전력에서 효율이 최대가 되게 함으로써 도허티가 가지는 우수한 전력 효율 특성을 구현할 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 구동 증폭기 200: 분배기
300: 캐리어 증폭기 400: 피킹 증폭기
500: 제 1 클래스 F 600: 제 1 정합회로
700: 제 2 클래스 F 800: 제 2 정합회로
900: 쿼터 웨이브 트랜스포머

Claims (3)

1. 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 2-way로 구성된 비대칭 도허티 증폭기에 있어서,
   RF 신호를 입력받는 구동 증폭기;
   비대칭 분배기로서, 상기 구동 증폭기로부터 출력된 RF 신호를 병렬로 배치된 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기로 각각 분배하는 분배기;
   입력된 RF 신호의 캐리어를 증폭하는 캐리어 증폭기;
   입력된 RF 신호의 피크 전력을 증폭하는 피킹 증폭기;
   상기 캐리어 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 캐리어 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 캐리어 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 1 클래스 F;
   상기 제 1 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 1 정합회로;
   상기 피킹 증폭기의 출력단과 연결되어, 상기 피킹 증폭기의 고조파를 제어하기 위한 회로들을 포함하여 이루어져, 상기 피킹 증폭기를 통해 증폭된 RF 신호의 오버랩을 제거하기 위해 고조파를 제어하는 제 2 클래스 F;
   상기 제 2 클래스 F의 출력단과 연결되어, 출력 임피던스를 매칭시키는 제 2 정합회로; 및
   상기 제 1 정합회로 및 제 2 정합회로의 출력단과 연결되어 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하고, 도허티 동작을 위한 임피던스를 조절하는 쿼터 웨이브 트랜스포머; 를 포함하며,
   상기 분배기와 상기 쿼터 웨이브 트랜스포머를 -5dB 방향성 결합기로 형성하여 3-way의 성능을 구현하고, 상기 분배기와 상기 쿼터 웨이브 트랜스포머를 -6dB 방향성 분배기로 형성하여 4-way의 성능을 구현하는 것을 특징으로 하는 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐리어 증폭기는,
   GaN 소자를 이용한 FET로 구성되는 것을 특징으로 하는 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 피킹 증폭기는,
   LDMOS 소자를 이용한 FET로 구성되는 것을 특징으로 하는 클래스 F가 적용된 비대칭 도허티 증폭기.

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