KR101691418B1 - 도허티 증폭기에서 피킹 증폭기의 성능을 최적화시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

도허티 증폭기에서 피킹 증폭기의 성능을 최적화시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도허티(Doherty) 증폭기의 성능 향상을 위한 것으로, 입력 신호를 2 이상의 정수인 N개의 전력 신호들로 분리하는 분리기와, 제1DC(Direct Current) 바이어스(bias)를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기와, 상기 제1DC 바이어스보다 낮은 제2DC 바이어스를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 N-1개의 피킹(peaking) 증폭기와, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스보다 작아지도록, 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 도허티 결합기와, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기에 의해 증폭된 신호를 출력하는 출력 부하를 포함한다.

Description

도허티 증폭기에서 피킹 증폭기의 성능을 최적화시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MAXIMIZING PERFORMANCE OF PEAKING AMPLIFIER IN DOHERTY AMPLIFIER}
본 발명은 도허티(Doherty) 증폭기에 관한 것으로, 특히, 도허티 증폭기에서 피킹(peaking) 증폭기의 성능을 최적화시킴으로써 상기 도허티 증폭기의 전체적인 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
무선통신 시스템에서 기지국 및 단말의 송신 신호는 무선 채널을 통해 전달되기 때문에, 심한 감쇄를 겪게 된다. 따라서, 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.
상기 송신기의 증폭 기능을 위해 사용되는 다양한 증폭기들 중 하나로서, 도허티(Doherty) 증폭기가 있다. 상기 도허티 증폭기는 캐리어(carrier) 증폭기 및 피킹(peaking) 증폭기로 구성된다. 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기는 서로 다른 크기의 DC(Direct Current) 바이어스(bias)를 사용하며, 이에 따라, 동작되는 입력 신호의 범위가 다르다. 즉, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기는 서로 다른 급(class)의 증폭기들이다. 예를 들어, 상기 캐리어 증폭기는 A급 또는 AB급, 상기 피킹 증폭기는 C급으로 동작한다.
상기 캐리어 증폭기가 상기 피킹 증폭기에 비해 높은 DC 바이어스를 사용하는 경우, 상기 도허티 증폭기를 구성하는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기의 입출력은 도 1a에 도시된 바와 같다. 상기 도 1a에서, 가로축은 입력 전압을 의미하며 세로축은 출력 전류를 나타낸다. 상기 도 1a에 도시된 바와 같이, 기존의 도허티 증폭기에서 실선으로 도시된 캐리어 증폭기의 입출력 관계는 최대 입력시 최대 출력에 도달하지만, 점선으로 도시된 피킹 증폭기의 입출력 관계는 최대 입력시에도 최대 출력에 도달하지 못한다. 즉, 상기 캐리어 증폭기는 높은 DC 바이어스를 사용하므로 작은 입력 신호에 의해서도 동작한다. 하지만, 상기 피킹 증폭기는 낮은 DC 바이어스를 사용하므로 임계치 이상의 입력 신호에 의해서만 동작한다. 즉, 도허티 증폭기는 임계치 미만의 낮은 입력에서는 상기 캐리어 증폭기만을 동작시키고 높은 출력에서는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기를 동시에 동작시켜 높은 신호대 피크 전력비(PAR : Peak to Average Ratio)을 갖는 변조 신호(modulation signal)를 고효율(High Drain efficiency)로 증폭한다. 상기 캐리어 증폭기에 비해 낮은 입력 DC 바이어스를 인가받는 상기 피킹 증폭기는 동작점(bias point)이 다르기 때문에, 상기 피킹 증폭기가 상기 캐리어 증폭기와 같은 출력 부하를 사용한다면 최대 출력에 도달할 수 없다.
상술한 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각의 최대 출력의 합보다 낮은 출력을 발생시킨다. 이에 따라, 최대 출력이 감소할 뿐만 아니라 고효율로 동작하는 영역도 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 도허티(Doherty) 증폭기의 최대 출력을 증가시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 도허티 증폭기 내의 피킹(peaking) 증폭기의 출력을 최적화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기가 모두 동작하는 시, 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스(load impedance) 및 상기 피킹 증폭기의 부하 임피던스를 상이하게 하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각의 최대 출력을 유도하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 도허티(Doherty) 증폭기 장치는, 입력 신호를 N개의 전력 신호들로 분리하는 분리기와, 제1DC(Direct Current) 바이어스(bias)를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기와, 상기 제1DC 바이어스보다 낮은 제2DC 바이어스를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 N-1개의 피킹(peaking) 증폭기와, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스보다 작아지도록, 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 도허티 결합기와, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기에 의해 증폭된 신호를 출력하는 출력 부하를 포함하며, 상기 N은 2 이상의 정수인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따르면, 도허티 증폭기의 동작 방법은, 입력 신호를 N개의 전력 신호들로 분리하는 과정과, 제1DC 바이어스를 사용하여 동작하는 캐리어 증폭기를 통해 분리된 신호들 중 하나를 증폭하는 과정과, 상기 제1DC 바이어스보다 낮은 제2DC 바이어스를 사용하여 동작하는 N-1개의 피킹 증폭기를 통해 N-1개의 분리된 신호들을 증폭하는 과정과, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스가 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스보다 작아지도록, 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정과, 출력 부하를 통해 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기에 의해 증폭된 신호를 출력하는 과정을 포함하며, 상기 N은 2 이상의 정수인 것을 특징으로 한다.
도허티(Doherty) 증폭기에서, 캐리어(carrier) 증폭기 및 피킹(peaking) 증폭기에 비대칭 부하 임피던스를 부여함으로써, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각의 최대 출력을 유도하고, 이로 인해, 상기 도허티 증폭기의 성능이 개선된다.
도 1a은 일반적인 도허티 증폭기의 입력 신호 및 출력 신호의 관계를 도시하는 도면,
도 1a은 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 입력 신호 및 출력 신호의 관계를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 도허티 결합기의 동작을 도시하는 도면,
도 4a는 최대 출력 시 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 부하 임피던스가 균일한 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 특성을 도시하는 도면,
도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 특성을 도시하는 도면,
도 5a는 최대 출력 시 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 부하 임피던스가 균일한 2 경로(2-way) 도허티 증폭기의 성능을 도시하는 도면,
도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 2-경로 도허티 증폭기의 성능을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 N-경로(N-way) 도허티 증폭기의 구조를 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 도허티(Doherty) 증폭기 내의 피킹(peaking) 증폭기의 출력을 최적화하기 위한 기술에 대해 설명한다. 즉, 본 발명은 상기 도허티 증폭기 내의 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기가 도 1b와 같은 입출력 관계를 가지도록 하기 위한 기술에 대해 설명한다. 즉, 본 발명은, 도 1a와 같이 상기 캐리어 증폭기의 최대 출력 시 피킹 증폭기가 최대 출력에 도달하지 못하는 것이 아닌, 도 1b와 같이 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기가 모두 최대 출력에 도달하는 도허티 증폭기를 구성하기 위한 기술에 대해 설명한다.
상기 도 1b를 참고하면, 도허티 증폭기 내의 캐리어 증폭기의 입출력 관계는 실선으로 도시되고, 최대 입력일 때 최대 출력에 도달한다. 또한, 피킹 증폭기의 입출력 관계는 점선으로 도시되어 있으며, 최대 입력일 때 최대 출력에 도달한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 입력전력분리기(input power splitter)(210), 피킹증폭기(220), 캐리어증폭기(230), 도허티결합기(Doherty Combiner)(240), 출력부하(ouput load)(250)를 포함하여 구성된다.
상기 입력전력분리기(210)는 상기 도허티 증폭기로 입력되는 신호를 2개의 전력 신호들로 분리하고, 상기 2개의 전력 신호들을 상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230)로 제공한다. 이때, 상기 2개의 전력 신호들은 90°의 위상 차를 갖는다. 예를 들어, 상기 입력전력분리기(210)는 윌킨슨 디바이더(Wilkinson divider) 및 커플러(coupler) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단, 상기 윌킨슨 디바이더가 상기 입력전력분리기(210)로서 사용되는 경우, 상기 윌킨슨 디바이더는 동일 위상의 신호들을 출력하므로, 상기 2개의 신호들 중 하나의 신호의 위상을 조절함으로써 상기 2개의 신호들 간 90°의 위상 차를 발생시키는 구성이 추가적으로 포함된다.
상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230)는 DC 바이어스를 사용하는 전력 증폭기로서, 상기 캐리어증폭기(230)가 상기 피킹증폭기(220)에 비하여 높은 DC 바이어스를 사용한다. 따라서, 상기 피킹증폭기(220)가 동작하는 입력 신호 전력의 최소값은 상기 캐리어증폭기(230)가 동작하는 입력 신호 전력의 최소값보다 높다. 즉, 상기 피킹증폭기(220)의 동작에 대한 임계치 미만의 전력을 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 캐리어증폭기(230)만이 동작하며, 이 경우, 상기 피킹증폭기(220)는 오픈(open) 회로와 같은 상태이다.
상기 도허티결합기(240)는 Rβ∠90°의 특성 임피던스(characteristic impedance)를 갖는 제1임피던스변환선로(impedance transformer line)(242) 및 Rα∠90°의 특성 임피던스를 갖는 제2임피던스변환선로(244)를 이용하여 상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스(load impedance)를 형성한다. 상기 제1임피던스변환선로(242)는 상기 캐리어증폭기(230)의 출력단과 연결되고, 상기 제2임피던스변환선로(244)는 상기 피킹증폭기(220)의 출력단과 연결된다. 그리고, 상기 제1임피던스변환선로(242) 및 상기 제2임피던스변환선로(244)는 상기 피킹증폭기(220)의 출력단에 위치한 노드A(246)를 통해 연결된다. 상기 도허티결합기(240)에 의해 형성되는 상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 값은 상기 피킹증폭기(220)의 상태에 따라 변화한다. 여기서, 상기 도 2에 도시된 바와 달리, 상기 도허티결합기(240)의 제1임피던스변환선로(242) 및 제2임피던스변환선로(244)는 저항, 인덕터(inductor), 캐패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 출력부하(250)는 증폭된 신호를 출력하며, R0의 임피던스를 갖는다.
상기 도허티결합기(240)의 기능을 등가 회로를 이용하여 표현하면 도 3a 및 도 3b와 같다. 상기 도 3a 및 상기 도 3b는 상기 도허티결합기(240)의 이상적인 동작에 대응되는 등가 회로를 도시하고 있다. 상기 도 3a 및 상기 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 도허티결합기(240)의 이상적인 동작은 상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230) 각각이 전류원(current source)들(310, 320)과 같이 동작하며, 상기 전류원들(310, 320)이 출력결합부하(330)로 전류를 공급하는 것이다. 여기서, 상기 출력결합부하(330)는 상기 제2임피던스변환선로(244) 및 상기 출력부하(250)를 포함한다.
입력 신호의 전력이 상기 임계치 미만인 경우, 상기 도 3a에 도시된 바와 같이 캐리어전류원(310)만이 동작하며, 피킹전류원(320)은 동작하지 않는다. 따라서, 결합 지점(340)의 출력단 부하 임피던스 Z'c는 상기 출력결합부하(330)와 동일하게 된다. 여기서, 상기 결합 지점(340)는 상기 노드A(246)와 대응된다. 반대로, 입력 신호의 전력이 상기 임계치 이상인 경우, 상기 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 캐리어전류원(310) 및 상기 피킹전류원(320)이 모두 동작하며, 이에 따라, 최대 출력 시, 상기 결합 지점(340)의 출력단 부하 임피던스 Z'c는 상기 도 3a에 도시된 상기 출력결합부하(330)의 2배가 된다. 상술한 바와 같이 상기 부하 임피던스가 변화되는 과정은 부하 변조(load modulation)라 불린다.
상기 도 2를 참고하면, 상기 부하 변조를 일으키는 상기 노드A(246) 및 상기 캐리어증폭기(230) 사이에 상기 제1임피던스변환선로(242)가 위치한다. 상기 부하 변조 동작 및 상기 제1임피던스변환선로(242)에 의해, 최대 출력 시 및 낮은 출력 시, 상기 캐리어증폭기(230) 및 상기 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스가 조절된다. 여기서, 상기 부하 임피던스의 값은 입력 신호의 범위에 대한 출력 신호의 범위를 결정한다. 예를 들어, 상기 피킹증폭기(220) 및 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스가 동일한 경우, 상기 출력 신호의 범위는 도 4a와 같다. 반면, 상기 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스가 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스보다 작은 경우, 상기 출력 신호의 범위는 도 4b와 같다. 상기 도 4a 및 상기 도 4b에서, 가로축의 Vdd는 출력 전압을 의미하며, 세로축의 Idd는 출력 전류를 의미한다. 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류는 서로 위상이 180°차이를 가지므로 매 순간의 전압과 전류 상태를 도시하면 특정 기울기를 가진 직선으로 연결될 수 있다. 상기 직선을 부하선(Load Line)이라 하며, 상기 직선의 기울기는 상기 캐리어 증폭기(230) 및 상기 피킹 증폭기(220)의 부하 임피던스의 역수 값을 의미한다. 따라서, 상기 부하선의 기울기를 통해 해당 증폭기의 부하 임피던스 값이 확인될 수 있으며, 상기 부하선의 궤적이 지나가는 최대 전압 값 및 최대 전류 값을 통해 해당 증폭기가 낼 수 있는 최대 출력 전력이 확인된다. 상기 도 4b를 상기 도 4a와 비교하면, 상기 피킹 증폭기(230)의 부하 임피던스가 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이때, 최대 전압 값은 동일하고 최대 전류 값이 2배로 증가한 것이 관찰된다. 이는 상기 피킹 증폭기(220)의 부하 임피던스가 상기 캐리어 증폭기(230)의 부하 임피던스보다 작아짐에 따라 최대출력이 증가됨을 나타내는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기 최대 출력 시 상기 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스가 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스보다 작아지도록 상기 도허티결합기(240)를 구성한다. 즉, 하나의 피킹 증폭기를 사용하는 실시 예에 따른 도허티 증폭기는, 낮은 출력 시 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 Zc가 상기 R0의 2배가 되게 하고, 상기 최대 출력 시 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 Zc가 상기 출력부하(250)의 임피던스 R0와 같아짐과 동시에 상기 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스를 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스보다 작아지게 함으로써, 상기 피킹증폭기(220)의 최대 출력을 유도한다. 이에 따라, 상기 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스가 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스와 동일한 경우, 도 5a와 같이 최대 전력 부근의 일부 영역에서 손실(loss)가 발생하는데 반해, 본 발명에 따르는 경우, 도허티 증폭기는 도 5b에 도시된 바와 같이 최대 출력으로부터 -20×log(2)인 -6dB까지의 영역에서 손실 없이 고효율로 동작 가능하다. 이를 위해, 상기 제1임피던스변환선로(242)의 특성 임피던스 Rβ는 상기 출력부하(250)의 임피던스 R0보다 작게 설정되고, 상기 제2임피던스변환선로(244)의 특성 임피던스 Rα는 상기 출력부하(250)의 임피던스 R0를
Figure 112010029756251-pat00001
로 나눈 값보다 작게 설정되어야 한다. 왜냐하면, 고출력에서 부하 변조의 결과로서 상기 제1임피던스변환선로(242)를 포함하는 상기 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스가 R0가 되도록 하기 위해, 결합 부하의 임피던스가 R0/2가 되어야 하기 때문이다.
이때, 상기 제1임피던스변환선로(242)의 특성 임피던스 Rβ 및 상기 제2임피던스변환선로(244)의 특성 임피던스 Rα의 구체적인 값은 다음과 같이 결정될 수 있다.
먼저, 본 발명은 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스 및 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스의 비율을 하기 <수학식 1>과 같이 정의한다.
Figure 112010029756251-pat00002
상기 <수학식 1>에서, 상기 u는 최대 출력인 때의 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스 대 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 비율, 상기 (peaking load impedance at maximum output)은 최대 출력인 때의 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스, 상기 (carrier load impedance at maximum output)은 최대 출력인 때의 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스를 의미한다.
상기 <수학식 1>가 같이 정의되는 비율 'u'를 이용하면, 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스 및 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스의 관계는 하기 <수학식 2>과 같이 표현될 수 있다. 여기서, 상기 u는 1보다 작은 값이 됨이 바람직하다.
Figure 112010029756251-pat00003
상기 <수학식 2>에서, 상기 Zp는 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스, 상기 RL은 출력결합부하(330)의 저항값, 상기 u는 최대 출력인 때의 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스 대 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 비율, 상기 Zc는 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스를 의미한다.
상기 <수학식 2>에 따라, 출력결합부하(330) RL, 제1임피던스변환선로(242)의 특성 임피던스 Rβ, 제2임피던스변환선로(244)의 특성 임피던스 Rα는 상기 출력부하(250)와 하기 <수학식 3>와 같은 관계를 가진다.
Figure 112010029756251-pat00004
Figure 112010029756251-pat00005
Figure 112010029756251-pat00006
상기 <수학식 3>에서, 상기 RL은 출력결합부하(330), 상기 Rβ는 제1임피던스변환선로(242)의 특성 임피던스, 상기 Rα는 제2임피던스변환선로(244)의 특성 임피던스, 상기 R0는 출력부하(250)의 임피던스, 상기 u는 최대 출력인 때의 피킹증폭기(220)의 부하 임피던스 대 캐리어증폭기(230)의 부하 임피던스 비율을 의미한다.
따라서, 상기 비율 'u' 값을 적절히 선택하고, 상기 'u' 값을 반영하여 상기 <수학식 3>과 같이 제1임피던스변환선로(242)의 특성 임피던스 및 제2임피던스변환선로(244)의 특성 임피던스를 설정함으로써, 본 발명에 따른 도허티 증폭기는 상기 도 4b와 같은 특성을 가진다. 이때, 상기 비율 'u'는 도허티 증폭기를 구성하는 각 소자의 구체적인 특성에 따라 달라질 수 있다.
상기 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 5b에서, 가로축의 'Pout/Peak Capacity'는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각의 가용한 최대 출력의 합 대비 도허티 증폭기에서 발생시키는 초고주파(RF : Radio Frequency) 출력 전력의 비를 dB단위로 환산한 값을 의미하며, 세로축의 'Drain Efficiency'는 소모되는 DC 전력 대비 발생되는 초고주파 출력 전력 값을 의미한다. 상기 도 5b에서 도허티 증폭기의 고효율 동작 영역은 최대 출력지점인 0dB부터 -6dB까지의 영역이며, 이는 부하 변조 동작이 원활히 수행됨을 전제로 가능하다. 만일, 본 발명에 따르지 않고 피킹 증폭기 및 캐리어 증폭기가 동일한 출력 부하를 가지는 경우, 상기 피킹 증폭기는 최대 출력에 도달할 수 없고, 이에 따라, 부하 변조 동작이 원활히 수행될 수 없다. 그 결과, 도허티 증폭기는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각의 가용한 최대출력의 합보다 작은 출력을 내게 되고, 이에 따라, 최대 출력이 감소할 뿐만 아니라, 고효율로 동작하는 영역도 축소된다.
상술한 바와 같은 구조 및 임피던스 변환 선로들의 설정을 통해, 상기 도허티 증폭기의 최대 출력이 증가한다. 추가적으로, 도 5에서 도시된 고효율 동작영역을 6dB 이상으로 증가시키고자하는 목적에서, 본 발명은 다수의 피킹 증폭기들을 사용하는 방안을 제안한다. 즉, 본 발명은 다수의 피킹 증폭기들을 병렬로 배치하고, 합산된 다수의 피킹 증폭기들의 출력들을 N-경로(N-way) 도허티 결합기에 입력함으로써, 적절한 부하 변조를 제공한다. 이에 따른 도허티 증폭기의 구조는 도 6에 도시된 바와 같으며, 이 경우 도허티 증폭기는 최대 출력으로부터 -20×log(N)dB까지의 영역에서 고효율로 동작 가능하다.
상기 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 N-경로 도허티 증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 N-경로 도허티 증폭기는 입력전력분리기(input power splitter)(610), 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1)), 캐리어증폭기(630), 도허티결합기(Doherty Combiner)(640), 출력부하(650)를 포함하여 구성된다.
상기 입력전력분리기(610)는 상기 도허티 증폭기로 입력되는 신호를 입력 신호 전력의 1/N의 전력을 갖는 N개의 전력 신호들로 분리하고, 상기 N개의 전력 신호들을 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1)) 및 상기 캐리어증폭기(630)로 제공한다. 이때, 상기 N개의 전력 신호들 중 상기 캐리어증폭기(630)로 인가되는 1개의 신호 및 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))로 인가되는 N-1개의 신호들은 90°의 위상 차를 갖는다. 예를 들어, 상기 입력전력분리기(610)는 윌킨슨 디바이더(Wilkinson divider) 및 커플러(coupler) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단, 상기 윌킨슨 디바이더가 상기 입력전력분리기(610)로서 사용되는 경우, 상기 윌킨슨 디바이더는 동일 위상의 신호들을 출력하므로, 상기 N개의 신호들 중 하나의 신호의 위상을 조절함으로써 신호들 간 90°의 위상 차를 발생시키는 구성이 추가적으로 포함된다.
상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1)) 및 상기 캐리어증폭기(630)는 DC 바이어스를 사용하는 전력 증폭기로서, 상기 캐리어증폭기(630)가 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))에 비하여 높은 DC 바이어스를 사용한다. 따라서, 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))이 동작하는 입력 신호 전력의 최소값은 상기 캐리어증폭기(630)가 동작하는 입력 신호 전력의 최소값보다 높다. 즉, 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))의 동작에 대한 임계치 미만의 전력을 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 캐리어증폭기(630)만이 동작하며, 이 경우, 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))은 오픈(open) 회로와 같은 상태이다. 여기서, 상기 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))의 출력단들은 노드A(646)에서 모두 연결된다.
상기 도허티결합기(640)는 Rβ∠90°의 특성 임피던스를 갖는 제1임피던스변환선로(642) 및 Rα∠90°의 특성 임피던스를 갖는 제2임피던스변환선로(644)를 이용하여 상기 피킹증폭기(620) 및 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스를 형성한다. 상기 출력부하(650)는 증폭된 신호를 출력하며, R0의 임피던스를 갖는다.
상기 도허티결합기(640)의 상세한 구성을 살펴보면, 상기 제1임피던스변환선로(642)는 상기 캐리어증폭기(630)의 출력단과 연결되고, 상기 제2임피던스변환선로(644)는 상기 피킹증폭기(620)의 출력단과 연결된다. 그리고, 상기 제1임피던스변환선로(642) 및 상기 제2임피던스변환선로(644)는 상기 피킹증폭기(620)의 출력단에 위치한 노드A(646)를 통해 연결된다. 상기 도허티결합기(640)에 의해 형성되는 상기 피킹증폭기(620) 및 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스 값은 상기 피킹증폭기(620)의 상태에 따라 변화한다. 낮은 출력 시 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스 Zc가 상기 R0의 N배가 되며, 상기 최대 출력 시 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스 Zc가 상기 출력부하(650)의 임피던스 R0와 같아짐과 동시에 상기 피킹증폭기(620)의 부하 임피던스가 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스보다 작아진다. 이를 위해, 상기 제1임피던스변환선로(642)의 특성 임피던스 Rβ는 상기 출력부하(650)의 임피던스 R0보다 작게 설정되고, 상기 제2임피던스변환선로(644)의 특성 임피던스 Rα는 상기 출력부하(650)의 임피던스 R0를
Figure 112010029756251-pat00007
으로 나눈 값보다 작게 설정되어야 한다. 왜냐하면, 고출력에서 부하 변조의 결과로서 상기 제1임피던스변환선로(642)를 포함하는 상기 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스가 R0가 되도록 하기 위해, 결합 부하의 임피던스가 R0/N가 되어야 하기 때문이다. 예를 들어, 상기 제1임피던스변환선로(642)의 특성 임피던스 Rβ 및 상기 제2임피던스변환선로(644)의 특성 임피던스 Rα는 하기 <수학식 4>와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112010029756251-pat00008
Figure 112010029756251-pat00009
상기 <수학식 4>에서, 상기 Rβ는 제1임피던스변환선로(642)의 특성 임피던스, 상기 Rα는 제2임피던스변환선로(644)의 특성 임피던스, 상기 R0는 출력부하(650)의 임피던스, 상기 u는 최대 출력인 때의 피킹증폭기(620)의 부하 임피던스 대 캐리어증폭기(630)의 부하 임피던스 비율, 상기 N은 다수의 피킹증폭기들(620-1 내지 620-(N-1))의 개수 및 캐리어증폭기(630)의 개수의 합을 의미한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 도허티결합기(640)에서, 상기 제1임피던스변환선로(642) 및 상기 제2임피던스변환선로(644)는 T 또는 Pi 회로로 대체될 수 있다. 즉, 상기 도허티결합기(640)의 제1임피던스변환선로(642) 및 제2임피던스변환선로(644)는 저항, 인덕터(inductor), 캐패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (24)

  1. 도허티(Doherty) 증폭기 장치에 있어서,
    입력 신호를 N개의 전력 신호들로 분리하는 분리기와,
    제1DC(Direct Current) 바이어스(bias)를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기와,
    상기 제1DC 바이어스보다 낮은 제2DC 바이어스를 사용하여 상기 분리기로부터 제공되는 신호를 증폭하는 N-1개의 피킹(peaking) 증폭기와,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스보다 작아지도록, 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 도허티 결합기와,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기에 의해 증폭된 신호를 출력하는 출력 부하를 포함하며,
    상기 N은 2 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도허티 결합기는, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 출력이 최대화되도록 상기 각 증폭기의 부하 임피던스를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도허티 결합기는,
    상기 N-1개의 피킹 증폭기의 출력단과 연결되는 결합 노드와,
    상기 결합 노드 및 상기 캐리어 증폭기의 출력단 사이에 위치하는 제1임피던스 변환 선로(impedance transformer line)와,
    상기 결합 노드 및 출력 부하 사이에 위치하는 제2임피던스 변환 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스(characteristic impedance)는 상기 출력 부하의 임피던스를
    Figure 112010029756251-pat00010
    으로 나눈 값보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스는 상기 출력 부하의 임피던스보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스 및 상기 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스는, 하기 수식과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112010029756251-pat00011

    Figure 112010029756251-pat00012

    여기서, 상기 Rβ는 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스, 상기 Rα는 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스, 상기 R0는 상기 출력 부하의 임피던스, 상기 u는 최대 출력인 때의 상기 피킹 증폭기의 부하 임피던스 대 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스 비율, 상기 N은 다수의 피킹 증폭기들의 개수 및 상기 캐리어 증폭기의 개수의 합을 의미함.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로 및 상기 제2임피던스 변환 선로는, 90°의 위상 값을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리기는, 상기 캐리어 증폭기로 제공되는 신호 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기로 제공되는 신호 간 90°의 위상 차를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리기는, 커플러(coupler) 및 윌킨슨 디바이더(Wilkinson divider) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도허티 결합기는, 저항, 인덕터(inductor), 캐패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도허티 결합기는, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스가 상기 출력 부하의 임피던스와 같고 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 출력 부하의 임피던스보다 작아지도록 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 도허티 결합기는, 상기 캐리어 증폭기가 동작하고 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 동작하지 아니하는 때, 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스가 상기 출력 부하의 임피던스의 N배가 되도록 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 도허티(Doherty) 증폭기의 동작 방법에 있어서,
    입력 신호를 N개의 전력 신호들로 분리하는 과정과,
    제1DC(Direct Current) 바이어스(bias)를 사용하여 동작하는 캐리어 증폭기를 통해 분리된 신호들 중 하나를 증폭하는 과정과,
    상기 제1DC 바이어스보다 낮은 제2DC 바이어스를 사용하여 동작하는 N-1개의 피킹(peaking) 증폭기를 통해 N-1개의 분리된 신호들을 증폭하는 과정과,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스보다 작아지도록, 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정과,
    출력 부하를 통해 상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기에 의해 증폭된 신호를 출력하는 과정을 포함하며,
    상기 N은 2 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정은,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 출력이 최대화되도록 상기 각 증폭기의 부하 임피던스를 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    부하 임피던스들을 형성은, 도허티 결합기에 의해 수행되며,
    상기 도허티 결합기는,
    상기 N-1개의 피킹 증폭기의 출력단과 연결되는 결합 노드와,
    상기 결합 노드 및 상기 캐리어 증폭기의 출력단 사이에 위치하는 제1임피던스 변환 선로(impedance transformer line)와,
    상기 결합 노드 및 출력 부하 사이에 위치하는 제2임피던스 변환 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스(characteristic impedance)는 상기 출력 부하의 임피던스를
    Figure 112010031352403-pat00013
    으로 나눈 값보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스는 상기 출력 부하의 임피던스보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스 및 상기 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스는, 하기 수식과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112010031352403-pat00014

    Figure 112010031352403-pat00015

    여기서, 상기 Rβ는 제1임피던스 변환 선로의 특성 임피던스, 상기 Rα는 제2임피던스 변환 선로의 특성 임피던스, 상기 R0는 상기 출력 부하의 임피던스, 상기 u는 최대 출력인 때의 상기 피킹 증폭기의 부하 임피던스 대 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스 비율, 상기 N은 다수의 피킹 증폭기들의 개수 및 상기 캐리어 증폭기의 개수의 합을 의미함.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1임피던스 변환 선로 및 상기 제2임피던스 변환 선로는, 90°의 위상 값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기로 제공되는 신호 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기로 제공되는 신호는, 90°의 위상 차를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 입력 신호의 분리는, 커플러(coupler) 및 윌킨슨 디바이더(Wilkinson divider) 중 하나를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 부하 임피던스들의 형성은, 저항, 인덕터(inductor), 캐패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 도허티 결합기를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정은,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 모두 동작하는 때, 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스가 상기 출력 부하의 임피던스와 같고 상기 N-1개의 피킹 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)가 상기 출력 부하의 임피던스보다 작아지도록 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정은,
    상기 캐리어 증폭기가 동작하고 상기 N-1개의 피킹 증폭기가 동작하지 아니하는 때, 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스가 상기 출력 부하의 임피던스의 N배가 되도록 각 증폭기의 부하 임피던스들을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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