KR101686351B1 - 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치 - Google Patents

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양영구
강현욱
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따라 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 주 증폭부, 제1 보조 증폭부 및 제2 보조 증폭부를 포함할 수 있다. 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치의 주 증폭부의 주 전력용량, 제1 보조 증폭부의 제1 보조 전력용량 및 제2 보조 증폭부의 제2 보조 전력용량이 1:m:n의 상대적 비율을 가지고, m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택되며, 백오프(Back-off) 값이 m+n에 의해 결정될 수 있다.

Description

3-웨이 도허티 전력증폭기 장치{3-WAY DOHERTY POWER AMPLIFIER}
본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 도허티 전력증폭기에 관한 것이다.
최근의 무선 통신 시스템은 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하면서 동시에 높은 데이터 용량을 처리할 수 있도록 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 높은 첨두치 대비 평균 전력비(PAPR, Peak to Average Power Ratio)를 가지는 변조 방식을 이용한다.
이렇게 높은 PAPR을 가지는 변조 방식에서 전력증폭기(PA, Power Amplifier)는 효율을 최대화하기 위해 클래스 C, D, E 또는 F와 같은 고효율의 전력증폭기를 채택할 수 있다. 다만, 이러한 전력증폭기들은 압축 영역, 즉 포화 영역에서는 고효율로 동작할 수 있지만, 압축 영역의 비선형성 때문에 추가적인 선형화 기법이 요구되고, 시스템 전체적으로 보았을 때에는 효율이 그다지 개선되지 않는다.
선형성을 개선하기 위해서, 전력증폭기들은, 최대 전력점보다 낮은, 즉 백오프(back-off)된 영역에서 동작할 수 있다. 하지만, 백오프 영역에서 동작하는 전력증폭기들은 효율이 포화 영역에서 동작하는 경우에 비해 많이 낮아진다. 선형성을 보장하기 위해 무선 통신 시스템이 대부분의 운영 시간 동안에 PAPR보다 낮은 백오프 영역에서 동작한다면, 결과적으로 평균 전력에서 효율이 더 나빠질 것이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 포락선 추적(ET, Envelope Tracking) 전력 증폭 방식, 포락선 제거 복원(EER, Envelope Elimination and Restoration) 전력 증폭 방식, 도허티 방식 등의 전력증폭기들이 제안되었다.
ET 방식은 고정적으로 전력 증폭기에 바이어스를 인가하는 대신에 무선(RF) 입력 신호의 포락선(envelope)에 따라 전압 레벨이 변조되는 바이어스 및 무선 입력 신호를 선형 모드 전력 증폭기에 인가하는 방식이고, EER 방식은 포락선에 따라 변조된 바이어스 및 리미터(limiter)를 이용하여 포락선이 제거되어 위상 성분만 남은 입력 신호를 스위칭 모드 전력 증폭기에 인가하는 방식이다. 이러한 ET 방식과 EER 방식은 구성이 복잡한 반면에, 도허티 전력증폭기는 구조가 간단하면서도 평균전력에서 선형성과 효율을 만족시킬 수 있다.
도허티 전력증폭기는 부하 변조기법을 이용하며, 낮은 출력전력에서는 주 증폭기만 동작시키고, 높은 출력전력에서는 주 증폭기와 보조 증폭기를 함께 동작시켜 평균전력 동작 시에 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 주 증폭기와 보조 증폭기가 서로 다른 바이어스 조건으로 동작하므로 IMD3(3차 혼변조, 3rd order intermodulation, IM3라고도 함) 성분이나 IMD5 성분이 줄어들고, 이에 따라 선형성도 개선된다.
특히 3-웨이 도허티 전력증폭기는 두 개의 보조 증폭기들을 포함하며, 3 개의 바이어스 조건에서 동작하므로, 선형성이 더욱 개선된다. 통상적인 3-웨이 도허티 전력증폭기는 최대 출력전력 지점에 대해 9.5dB 낮은 백오프 영역에서 최대 효율을 가진다. 종래의 이동통신용 변조 방식들은 PAPR이 9dB 이상인 경우가 많아 9.5dB의 백오프 영역에서 최대 효율을 가지며 구조가 간단한 3-웨이 도허티 전력증폭기의 장점이 부각될 수 있었다.
그러나, 최신의 이동통신용 변조 방식들은 CFR(Crest Factor Reduction) 기술, 즉 다수의 주파수 성분을 갖는 신호가 합쳐질 때 발생하는 피크 파워 성분을 신호 특성의 저하 없이 감소시키는 기술을 채택함에 따라, PAPR을 6~7 dB 정도로 낮출 수 있게 되었고, 그에 따라 백오프도 작아지는 편이 유리하게 되었다. 기존의 3-웨이 도허티 증폭기는 9.5dB의 백오프 값이 사실상 고정되어 있고 줄이기 어려우므로, 최신의 변조 방식들에서는 적용하기 어렵게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변조 방식의 PAPR에 맞춰 백오프 영역을 조절할 수 있는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변조 방식의 PAPR에 맞춰 최적의 전력효율을 보이는 백오프 영역에서 동작할 수 있는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변조 방식의 PAPR에 맞춰 백오프 영역을 조절하면서 선형성을 확보할 수 있는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 주 증폭부, 제1 보조 증폭부 및 제2 보조 증폭부를 포함하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치로서, 상기 주 증폭부의 주 전력용량, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 보조 전력용량 및 상기 제2 보조 증폭부의 제2 보조 전력용량은 1:m:n의 상대적 비율을 가지고, m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택되며, 백오프(Back-off) 값이 m+n에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 백오프 값은 10log(1+m+n)2)(dB)로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 백오프 값은 m+n>2 이면 9.5dB보다 크고, m+n=2이면 9.5dB이며, m+n<2이면 9.5dB보다 작게 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 주 증폭부에서 증폭된 주 전류는 주 오프셋라인과 제1 λ/4 임피던스 변환부를 지나고, 상기 제1 보조 증폭부에서 증폭된 제1 보조 전류는 제1 보조 오프셋라인을 지나며, 상기 제2 보조 증폭부에서 증폭된 제2 보조 전류는 제2 보조 오프셋라인을 지나고, 상기 주 전류, 상기 제1 및 제2 보조 전류들은 합산되어 제2 λ/4 임피던스 변환부를 지나 무선 출력 단자로 제공될 경우에, 상기 주 오프셋라인 및 상기 제1 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0이고, 상기 제1 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/m이며, 상기 제2 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/n이고, 상기 제2 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0/√(1+m+n)로 결정되며, Z0는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에 연결되는 안테나의 임피던스일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 주 증폭부의 등가 부하 임피던스는 Z0 ~ (1+m+n)Z0 사이에서 부하 변조될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 바이어스 전압은 상기 제2 보조 증폭부의 제2 바이어스 전압과 다르게 설정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는, 무선 입력 신호를 분할하는 분할부; 상기 분할부에서 분할된 분할 입력 신호들 중 하나를 상기 제1 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제1 위상각만큼 보상하는 제1 위상 보상부; 및 상기 분할 입력 신호들 중 다른 하나를 상기 제2 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제2 위상각만큼 보상하는 제2 위상 보상부를 더 포함하고, 상기 제1 위상각은 상기 제2 위상각과 다르게 설정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 무선 입력 신호를 세 분할 입력 신호들로 분할하는 분할부; 상기 분할부에서 분할된 분할 입력 신호들 중 하나를 상기 제1 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제1 위상각만큼 보상하는 제1 위상 보상부; 및 상기 분할 입력 신호들 중 다른 하나를 상기 제2 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제2 위상각만큼 보상하는 제2 위상 보상부를 더 포함하며, 상기 분할 입력 신호들 중 나머지 하나는 상기 주 증폭부로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 주 증폭부에서 증폭된 주 전류는 주 오프셋라인과 제1 λ/4 임피던스 변환부를 지나고, 상기 제1 보조 증폭부에서 증폭된 제1 보조 전류는 제1 보조 오프셋라인을 지나며, 상기 제2 보조 증폭부에서 증폭된 제2 보조 전류는 제2 보조 오프셋라인을 지나고, 상기 주 전류, 상기 제1 및 제2 보조 전류들은 합산되어 제2 λ/4 임피던스 변환부를 지나 무선 출력 단자로 제공되도록 연결되며, 상기 제1 위상각은 90°+θc-θp1이고, 상기 제2 위상각은 90°+θc-θp2이며, 여기서 θc는 상기 주 오프셋라인이 변환하는 위상각, θp1는 상기 제1 보조 오프셋라인이 변환하는 위상각 및 θp2는 상기 제2 보조 오프셋라인이 변환하는 위상각일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 위상각은 상기 제2 위상각과 다르게 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 주 증폭부, 제1 보조 증폭부 및 제2 보조 증폭부를 포함하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치로서, 상기 주 증폭부의 주 전력용량, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 보조 전력용량 및 상기 제2 보조 증폭부의 제2 보조 전력용량은 1:m:n의 상대적 비율을 가지고, m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택되며, 상기 제1 및 제2 보조 증폭부들은 입력 신호의 전압이 상기 입력 신호의 최대 전압의 1/(1+m+n)을 넘어가면 동작하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에 따르면, 변조 방식의 PAPR에 맞춰 최적의 전력효율을 보이는 백오프 영역에서 동작하도록 3-웨이 도허티 전력증폭기를 설계할 수 있다.
본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에 따르면, 변조 방식의 PAPR에 맞춰 백오프 영역을 조절하면서 선형성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 예시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치의 전류 및 전압 특성을 각각 예시한 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치의 전력 효율 특성을 종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기 및 클래스 B 전력증폭기의 전력 효율들과 각각 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에서 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정하였을 경우에, 전력 효율 특성 및 이득을 예시한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에서 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정하였을 경우에, 2-tone 시뮬레이션으로 얻은 3차 혼변조(IMD3) 특성을 예시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에서 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정하였을 경우에, 2-tone 시뮬레이션으로 얻은 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 예시한 그래프이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 예시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치(10)는 분할부(11), 위상 보상부(12), 주 증폭부(13), 제1 보조 증폭부(14), 제2 보조 증폭부(15), 위상 오프셋라인(16), 제1 λ/4 임피던스 변환부(17) 및 제2 λ/4 임피던스 변환부(18)를 포함할 수 있다. 주 증폭부(13)는 캐리어(Carrier) 증폭기로도 불리며, 보조 증폭부들(14, 15)은 각각 피킹(Peaking1, Peaking2) 증폭기들로 불릴 수 있다.
분할부(11)는 무선 입력 신호(RF_IN)를 3-웨이 분할하여 세 개의 분할 입력 신호들을 생성한다. 분할 입력 신호들은 각자 위상들은 서로 같고 크기는 무선 입력 신호(RF_IN)의 1/3로 줄어들 수 있다.
분할부(11)에서 분할된 분할 입력 신호들은 위상 보상부(12)에 인가될 수 있다.
이론적으로 종래의 도허티 전력증폭기는 낮은 크기의 입력 신호에서는 보조 증폭기들의 출력 임피던스가 무한대, 즉 개방된 상태여서 보조 증폭기들이 출력 신호에 기여하지 않아야 하고, 입력 신호가 예를 들어 최대 크기의 절반 이상으로 커지면 비로소 보조 증폭기들의 출력 임피던스가 점점 낮아지면서 주 증폭기와 보조 증폭기들이 함께 출력 신호에 기여하도록 동작하여야 한다. 그런데, 실제 구현될 때에는 보조 증폭기들은 기생 임피던스를 갖기 때문에 출력 임피던스가 무한대로 나타나지 않는다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 주 증폭부와 보조 증폭부들에 후속하는 위치에 위상 오프셋라인(offset line)을 각각 삽입함으로써, 낮은 전력 레벨에서 보조 증폭기들이 사실상 개방된 것처럼 만들 수 있다. 이에 따라, 보조 증폭기들 뒷단에서 위상 오프셋라인들에 의해 오프셋될 위상을 보상하기 위해 보조 증폭기들의 앞단에 위상 보상부들이 필요하다.
위상 보상부(12)는 제1 보조 증폭부(14)를 위한 제1 위상 보상부(121)와 제2 보조 증폭부(15)를 위한 제2 위상 보상부(122)를 포함할 수 있다. 주 증폭부(13)에 대해 입력되는 분할 입력 신호는 무선 입력 신호에 대해 그 위상이 동일한 정위상(in-phase)이다. 반면에, 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)로 입력되는 분할 입력 신호들은 무선 입력 신호에 대해 기본적으로 위상이 90° 늦은 직교 위상(quadrature)이다. 도허티 동작을 위해 후술할 주 증폭부(13)의 후단에 90° 위상 변환을 하는 제1 λ/4 임피던스 변환부(17)가 추가되는데, 이를 보상하기 위해, 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)로 분할 입력 신호들이 입력되기 전에 90° 위상 변환을 수행할 필요가 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 위상 보상부들(121, 122)은 분할 입력 신호들의 위상을 90°씩 각각 변환할 수 있다.
실시예에 따라, 변환될 위상의 크기는 반드시 90°에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제1 위상 보상부(121)는 분할부(11)에서 분할된 분할 입력 신호들 중 하나를 제1 보조 증폭부(14)로 제공하면서, 나중에 주 오프셋라인(161)과 제1 보조 오프셋라인(162)에 의해 오프셋될 위상도 함께 고려하여 결정되는 제1 위상각만큼 분할 입력 신호의 위상을 보상할 수 있다.
이 경우에, 제1 위상각은 90°+θc-θp1이다. θc는 주 증폭부(13)에 이어지는 주 오프셋라인(161)이 변환하는 위상각이고, θp1는 제1 보조 오프셋라인(162)이 변환하는 위상각이다.
마찬가지로, 제2 위상 보상부(122)는 분할 입력 신호들 중 다른 하나를 제2 보조 증폭부(15)로 제공하면서 나중에 주 오프셋라인(161)과 제2 보조 오프셋라인(163)에 의해 오프셋될 위상도 함께 고려하여 결정되는 제2 위상각만큼 분할 입력 신호의 위상을 보상할 수 있다.
예를 들어, 제2 위상각은 90°+θc-θp2이다. θc는 주 증폭부(13)에 이어지는 주 오프셋라인(161)이 변환하는 위상각이고, θp2는 제2 보조 오프셋라인(163)이 변환하는 위상각이다.
실시예에 따라, 제1 위상각과 제2 위상각은 서로 다르게 설정될 수 있다.
분할 입력 신호를 주 증폭부(13)에 인가하는 경로와, 위상 보상된 분할 입력 신호들을 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)의 각각에 인가하는 경로들은 각 증폭기들의 앞뒤에 임피던스 정합 회로들과 커플링 커패시터들을 각각 가진다. 임피던스 정합 회로들은 도 1에서 누은 凸 형태로 표시된다.
주 증폭부(13), 제1 보조 증폭부(14) 및 제2 보조 증폭부(15)는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치(10)의 핵심 요소들이다.
통상적으로, 도허티 증폭기의 높은 효율은 능동 소자를 이용하여 낮은 전력 레벨에서는 부하 임피던스를 큰 값을 갖게 하고 높은 전력 레벨에서는 부하 임피던스를 줄이는 부하 변조(Load modulation)에서 나온다.
이에 따라, 입력 신호의 크기가 작은 구간에서는 주 증폭부(13)만 구동되고, 입력 신호의 크기가 큰 구간에서는, 예를 들어 최대 신호 크기의 1/(1+m+n) 이상의 구간에서는, 주 증폭부(13)와 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)을 모두 구동한다.
종래의 도허티 증폭기는 주 증폭부와 보조 증폭부들을 구성하는 능동 소자들의 크기와 전력 구동 능력이 모두 동일하고 출력 임피던스가 모두 동일하게 설계하므로, 주 증폭부의 등가 부하 임피던스는 Z0 ~ 3Z0 사이에서 부하 변조된다. 입력 신호의 크기가 작아 보조 증폭부들이 개방될 때에 주 증폭부의 등가 부하 임피던스는 3Z0이고, 입력 신호의 크기가 최대일 때에 주 증폭부의 등가 부하 임피던스는 Z0이다.
반면에, 본 발명의 도허티 전력증폭기 장치(10)는 주 증폭부(13)의 주 전력용량, 제1 보조 증폭부(14)의 제1 보조 전력용량 및 제2 보조 증폭부(15)의 제2 보조 전력용량은 1:m:n의 상대적 비율을 가지도록 설계된다. 여기서 m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택될 수 있다. 전력용량은 해당 능동 소자가 구동할 수 있는 최대 전력(Watt)을 의미한다. 만약 같은 동작 전압 하에서 동작한다면 전력용량의 상대적 비율은 전류를 구동하는 능력의 상대적 비율이고, 제조 공정이 같다면 능동소자의 채널폭의 상대적 비율로 결정될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 도허티 전력증폭기 장치(10)의 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스는 Z0 ~ (1+m+n)Z0 사이에서 부하 변조된다. 입력 신호의 크기가 작아 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)이 개방될 때에 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스는 (1+m+n)Z0이고, 입력 신호의 크기가 최대일 때에 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스는 Z0이다.
한편, 이렇게 각 증폭부들(13, 14, 15)의 전력용량들의 상대적 비율이 1:m:n인 경우에, 백오프(Back-off) 값은 m+n에 의해 결정될 수 있다.
종래의 도허티 증폭기는 동일한 전력 구동 능력을 가지는 능동 소자들에 기반하기 때문에, 예를 들어 전치왜곡회로(predistortion)와 같은 부가적인 회로들이 추가되지 않는 이상, 백오프 값은 9.5dB로 정해진다.
반면에, 본 발명의 도허티 전력증폭기 장치(10)에서, 백오프 값은 m+n>2 이면 9.5dB보다 크고, m+n=2이면 9.5dB이며, m+n<2이면 9.5dB보다 작게 결정될 수 있다. 예를 들어, m=0.5, n=0.5이면, 9.5dB보다 작은 백오프 지점에서 동작할 때에 선형성을 확보하면서 높은 효율을 얻을 수 있다.
좀더 구체적으로, 본 발명의 도허티 전력증폭기 장치(10)에서, 백오프 값은 10log(1+m+n)2)(dB)로 결정될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)의 전력용량들이 서로 다르게 설정될 수 있으므로, 제1 보조 증폭부(14)의 제1 바이어스 전압(VGS,P1)과 제2 보조 증폭부(15)의 제2 바이어스 전압(VGS,P1)도 서로 다르게 설정될 수 있다. 주 증폭부(13)의 바이어스 전압(VGS,C)은 제1 바이어스 전압(VGS,P1) 및 제2 바이어스 전압(VGS,P1) 중 어느 하나와 같을 수도 있고, 모두와 다를 수도 있다. 이렇듯, 주 증폭부(13), 제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)의 바이어스 조건들을 전부 또는 일부 다르게 하면서 선형성을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 도허티 전력증폭기는 부하 변조를 이용하는데, 낮은 전력 레벨에서 보조 증폭부들이 비활성화되더라도 보조 증폭부들의 기생 임피던스 때문에 부하 변조가 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이를 개선하기 위해, 보조 증폭부들에 후속하여 위상 오프셋라인을 첨가하여 낮은 전력 레벨에서 보조 증폭부들이 개방된 것처럼 보이게 할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 도허티 전력증폭기 장치(10)도 각 증폭부들(13, 14, 15)에 이어 위상 오프셋라인(16)을 포함할 수 있다.
위상 오프셋라인(16)은 주 오프셋라인(161), 제1 보조 오프셋라인(162)과 제2 보조 오프셋라인(163)으로 구성될 수 있다.
한편, 도허티 증폭기의 기본 원리에 따라, 주 증폭부(13)가 증폭한 신호에 90° 변환을 해주어야 하는데, 이를 위해 제1 λ/4 임피던스 변환부(17)가 주 오프셋라인(161)에 후속하여 추가된다.
또한, 위상 오프셋라인(16)과 제1 λ/4 임피던스 변환부(17)를 거친 신호들이 무선 출력 단자에서 출력되기에 앞서 임피던스 매칭되도록, 제2 λ/4 임피던스 변환부(18)가 더 추가된다.
이에 따라, 주 증폭부(13)에서 증폭된 주 전류(IC)는 주 오프셋라인(161)과 제1 λ/4 임피던스 변환부(17)를 각각 지나고, 제1 보조 증폭부(14)에서 증폭된 제1 보조 전류(IP1)는 제1 보조 오프셋라인(162)을 지나며, 제2 보조 증폭부(15)에서 증폭된 제2 보조 전류(IP2)는 제2 보조 오프셋라인(163)을 지나고, 주 전류(IC), 제1 및 제2 보조 전류들(IP1, IP2)은 출력 전류로 합쳐져서 제2 λ/4 임피던스 변환부(18)를 지나 무선 출력 신호(RF_OUT)로 출력된다.
이때, 주 오프셋라인(161) 및 제1 λ/4 임피던스 변환부(17)의 임피던스 크기는 각각 Z0이고, 제1 보조 오프셋라인(162)의 임피던스 크기는 Z0/m이며, 제2 보조 오프셋라인(163)의 임피던스 크기는 Z0/n이고, 제2 λ/4 임피던스 변환부(18)의 임피던스 크기는 Z0/√(1+m+n)로 결정될 수 있다. 여기서, Z0는 무선 출력 신호(RF_OUT)를 방사할 안테나의 임피던스로서 예를 들어 50 옴이다.
이러한 구성에서, 각 지점의 등가 임피던스는 다음과 같이 설명될 수 있다.
주 오프셋라인(161)을 고려한 주 증폭부(13)의 부하 등가 임피던스(ZC)는 낮은 입력 신호 레벨에서 (1+m+n)Z0이고, 높은 입력 신호 레벨에서 Z0이다.
제1 λ/4 임피던스 변환부(17)에서 바라본 출력 등가 임피던스(ZC ')는 낮은 입력 신호 레벨에서 Z0/(1+m+n)이고, 높은 입력 신호 레벨에서 Z0이다.
제1 보조 오프셋라인(162)에서 바라본 출력 등가 임피던스(ZP1)는 낮은 입력 신호 레벨에서 ∞이고, 높은 입력 신호 레벨에서 Z0/m이다.
제2 보조 오프셋라인(163)에서 바라본 출력 등가 임피던스(ZP2)는 낮은 입력 신호 레벨에서 ∞이고, 높은 입력 신호 레벨에서 Z0/n이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치의 전류 및 전압 특성을 각각 예시한 그래프들이다.
도 2 (a)를 참조하면, 입력 신호의 크기 증감에 대해 주 증폭부(13)의 반송파 전류("Carrier"로 표시됨)는 선형적으로 증감한다.
제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)의 피킹 전류들("Peaking1"과 "Peaking2"로 각각 표시됨)은 입력 신호의 전압이 최대 크기의 1/(1+m+n)을 넘어가면("Peaking turn on timing"으로 표시됨) 발생하기 시작하며, 전력용량들의 상대적 비율을 의미하는 m과 n의 설정에 따라 다른 기울기를 가지고 선형적으로 각각 증감할 수 있다. 종래의 도허티 전력증폭기라면 m과 n이 모두 1이고, 피킹 전류들의 그래프들은 입력 신호의 전압이 최대일 때에 피킹 전류들의 크기가 반송파 전류의 크기와 같아지는 기울기를 가지고 나타난다.
반면에, 본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치(10)는 백오프 지점에 따라 m과 n을 적절히 선택할 수 있다.
도 2 (b)를 참조하면, 입력 신호의 크기가 낮을 때에 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스("Carrier"로 표시됨)는 (1+m+n)Z0이고, 입력 신호의 크기가 최대 크기의 1/(1+m+n)을 넘어가기("Peaking turn on timing"으로 표시됨) 전까지는 보조 증폭부들(14, 15)이 개방되어 있으므로 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스는 (1+m+n)Z0를 유지한다.
입력 신호의 크기가 최대 크기의 1/(1+m+n)을 넘어가면, 입력 신호의 크기가 증가함에 따라, 주 증폭부(13)의 등가 부하 임피던스는 점점 줄어들기 시작하며, 입력 신호의 전압이 최대 크기에 도달하면 Z0에 수렴한다.
제1 및 제2 보조 증폭부들(14, 15)의 등가 부하 임피던스들("Peaking1"과 "Peaking2"로 각각 표시됨)은 입력 신호의 전압이 최대 크기의 1/(1+m+n)을 넘어가면("Peaking turn on timing"으로 표시됨) 개방 상태인 무한대에서 줄어들기 시작하며, 입력 신호의 크기가 증가함에 따라, 전력용량들의 상대적 비율을 의미하는 m과 n의 설정에 따라 반비례하면서 줄어들다가, 입력 신호의 전압이 최대 크기에 도달하면, 각각 Z0/m과 Z0/n에 수렴한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치의 전력 효율 특성을 종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기 및 클래스 B 전력증폭기의 전력 효율들과 각각 비교한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래의 클래스 B 전력증폭기는 사각형 표시들을 이은 실선과 같은 효율을 가진다. 선형성이 나쁜 높은 전력 레벨에서 효율이 좋지만 선형성이 좋은 낮은 전력 레벨에서 성능이 급격히 나빠진다.
종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기는 속이 찬 원형 표시들을 이은 실선과 같은 효율을 가진다. 선형성이 나쁜 높은 전력 레벨에서 효율이 좋으며, 선형성이 좋은 9.5dB 백오프 영역에서 높은 효율을 보인다. 하지만 종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기는 별도의 추가적 회로들을 이용하지 않는 이상 9.5dB의 백오프 지점을 변경할 수 없어 고출력에 적합하지 않다.
본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치(10)는 속이 빈 원형 표시들을 이은 실선들과 같은 효율을 가진다. 백오프 지점을 변경할 수 있어서 두 개의 그래프들이 표시되어 있다.
주 증폭부와 보조 증폭부들의 전력용량들의 상대적 비율을 1:m:n이라 할 때에 m+n>2이면 9.5dB보다 큰 백오프 지점에서 동작시킬 수 있다. m+n=이면 9.5dB의 백오프 지점에서 동작시킬 수 있고, 이는 종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기의 효율 그래프와 같다.
만약 m+n<2이면 9.5dB보다 작은 백오프 지점에서 동작시킬 수 있다. 속이 빈 원형 표시들을 이은 두 실선들 중 좌측의 실선을 보면, 최대 출력 지점에서 -6.5dB 백오프된 지점에서 최대 효율을 보인다. 이에 따라, 본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치(10)는 선형성을 유지하면서도 종래의 3-웨이 도허티 전력증폭기에 비해, 좀더 높은 출력을 감당할 수 있고, 그렇게 하기 위해 특별한 부가 회로를 필요로 하지도 않으므로 도허티 전력증폭기의 단순한 구조라는 장점을 희생하지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에서 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정하였을 경우에, 1-tone 시뮬레이션을 통해 얻은 전력 효율 특성 및 이득을 예시한 그래프들이다.
도 4를 참조하면, 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정한 경우에, 효율 곡선을 참조하면, 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 출력 전력이 50.2 dBm일 때 포화(Psat)되며 이때 효율이 약 80%로 가장 좋다. 하지만 이득 곡선을 보면, 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 최대 출력 전력(Psat)에서 이득이 급격히 감소하며 선형성을 잃는다.
효율 곡선은 출력 전력이 6.5dB 백오프된 43.7dBm인 지점(Pavg)부터 급격히 낮아지는 모습을 보이는데, 만약 6.5dB 백오프 지점에서 동작시킨다면, 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 효율, 선형성과 출력 측면에서 최적화된 성능을 얻을 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치는 6.0 ~ 7.0 dB 정도의 PAPR을 요구하는 최신의 변조 방식에 부응할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에서 전력 용량비를 1:0.5:0.5로 설정하였을 경우에, 2-tone 시뮬레이션을 통해 얻은 선형 특성들을 예시한 그래프들이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치와 동일한 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치를 6.5dB 백오프된 지점, 즉 평균전력(Pavg)을 43.7dBm으로 갖는 지점에서 동작시키는 경우에, 평균전력 부근에서 3차 혼변조의 크기가 기준인 -40dBc보다 낮으므로 선형성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 구체적으로 평균전력 43.7dBm에서 반송파 주파수의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)와 비선형 혼변조 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 차이는 -40.9dBc이어서 -40dBc보다 낮으므로 선형성이 우수하다는 것을 확인된다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치
11 분할부
12 위상 보상부
121 제1 위상 보상부
122 제2 위상 보상부
13 주 증폭부
14 제1 보조 증폭부
15 제2 보조 증폭부
16 위상 오프셋라인
161 주 오프셋라인
162 제1 보조 오프셋라인
163 제2 보조 오프셋라인
17 제1 λ/4 임피던스 변환부
18 제2 λ/4 임피던스 변환부

Claims (10)

  1. 주 증폭부, 제1 보조 증폭부 및 제2 보조 증폭부를 포함하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치로서,
    상기 주 증폭부의 주 전력용량, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 보조 전력용량 및 상기 제2 보조 증폭부의 제2 보조 전력용량은 1:m:n의 상대적 비율을 가지고, m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택되며,
    백오프(Back-off) 값이 m+n에 의해 결정되고,
    상기 주 증폭부에서 증폭된 주 전류는 주 오프셋라인과 제1 λ/4 임피던스 변환부를 지나고, 상기 제1 보조 증폭부에서 증폭된 제1 보조 전류는 제1 보조 오프셋라인을 지나며, 상기 제2 보조 증폭부에서 증폭된 제2 보조 전류는 제2 보조 오프셋라인을 지나고, 상기 주 전류, 상기 제1 및 제2 보조 전류들은 합산되어 제2 λ/4 임피던스 변환부를 지나 무선 출력 단자로 제공될 경우에,
    상기 주 오프셋라인 및 상기 제1 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0이고, 상기 제1 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/m이며, 상기 제2 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/n이고, 상기 제2 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0/√(1+m+n)로 결정되며,
    Z0는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에 연결되는 안테나의 임피던스인 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 백오프 값은 10log(1+m+n)2)(dB)로 결정되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 백오프 값은 m+n>2 이면 9.5dB보다 크고, m+n=2이면 9.5dB이며, m+n<2이면 9.5dB보다 작게 결정되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 주 증폭부의 등가 부하 임피던스는 Z0 ~ (1+m+n)Z0 사이에서 부하 변조되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 바이어스 전압은 상기 제2 보조 증폭부의 제2 바이어스 전압과 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 무선 입력 신호를 세 분할 입력 신호들로 분할하는 분할부;
    상기 분할부에서 분할된 분할 입력 신호들 중 하나를 상기 제1 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제1 위상각만큼 보상하는 제1 위상 보상부; 및
    상기 분할 입력 신호들 중 다른 하나를 상기 제2 보조 증폭부로 제공하면서 위상을 제2 위상각만큼 보상하는 제2 위상 보상부를 더 포함하며,
    상기 분할 입력 신호들 중 나머지 하나는 상기 주 증폭부로 제공되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 주 증폭부에서 증폭된 주 전류는 주 오프셋라인과 제1 λ/4 임피던스 변환부를 지나고, 상기 제1 보조 증폭부에서 증폭된 제1 보조 전류는 제1 보조 오프셋라인을 지나며, 상기 제2 보조 증폭부에서 증폭된 제2 보조 전류는 제2 보조 오프셋라인을 지나고, 상기 주 전류, 상기 제1 및 제2 보조 전류들은 합산되어 제2 λ/4 임피던스 변환부를 지나 무선 출력 단자로 제공되도록 연결되며,
    상기 제1 위상각은 90°+θc-θp1이고,
    상기 제2 위상각은 90°+θc-θp2이며,
    여기서 θc는 상기 주 오프셋라인이 변환하는 위상각, θp1는 상기 제1 보조 오프셋라인이 변환하는 위상각 및 θp2는 상기 제2 보조 오프셋라인이 변환하는 위상각인 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 위상각은 상기 제2 위상각과 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
  10. 주 증폭부, 제1 보조 증폭부 및 제2 보조 증폭부를 포함하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치로서,
    상기 주 증폭부의 주 전력용량, 상기 제1 보조 증폭부의 제1 보조 전력용량 및 상기 제2 보조 증폭부의 제2 보조 전력용량은 1:m:n의 상대적 비율을 가지고, m과 n은 각각 0보다 큰 실수로서 동시에 1이 되지 않도록 선택되며,
    상기 제1 및 제2 보조 증폭부들은 입력 신호의 전압이 상기 입력 신호의 최대 전압의 1/(1+m+n)을 넘어가면 동작하도록 설정되되,
    상기 주 증폭부에서 증폭된 주 전류는 주 오프셋라인과 제1 λ/4 임피던스 변환부를 지나고, 상기 제1 보조 증폭부에서 증폭된 제1 보조 전류는 제1 보조 오프셋라인을 지나며, 상기 제2 보조 증폭부에서 증폭된 제2 보조 전류는 제2 보조 오프셋라인을 지나고, 상기 주 전류, 상기 제1 및 제2 보조 전류들은 합산되어 제2 λ/4 임피던스 변환부를 지나 무선 출력 단자로 제공될 경우에,
    상기 주 오프셋라인 및 상기 제1 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0이고, 상기 제1 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/m이며, 상기 제2 보조 오프셋라인의 임피던스 크기는 Z0/n이고, 상기 제2 λ/4 임피던스 변환부의 임피던스 크기는 Z0/√(1+m+n)로 결정되며,
    Z0는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치에 연결되는 안테나의 임피던스인 것을 특징으로 하는 3-웨이 도허티 전력증폭기 장치.
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