KR101709347B1 - 결합셀 도허티 전력 증폭 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결합셀을 이용하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 입력 전력을 분배하여 캐리어 증폭부 및 N-1개의 피킹 증폭부로 출력하는 전력 분배기와, 상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는 상기 캐리어 증폭부와, 상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 피킹(Peaking) 전력 증폭기를 포함하는, 상기 N-1개의 피킹 증폭부와, 상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부에서 증폭된 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력하는 전력 결합기를 포함하며, N은 상기 캐리어 증폭부의 수와 상기 N-1개의 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타내며, M은 하나 이상의 정수를 나타냄을 특징으로 한다.
전력 증폭기, 도허티 전력 증폭기, 캐리어 증폭기, 피킹 증폭기, 결합셀

Description

결합셀 도허티 전력 증폭 장치 및 방법{A COMBINED CELL DOHERTY POWER AMPLIFY APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 결합셀을 이용하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 전력 증폭 장치의 효율 개선을 위해 도허티 전력 증폭 장치(Doherty Power Amplifier)가 제시되고 있다. 상기 도허티 전력 증폭 장치는 캐리어 전력 증폭기(Carrier Power Amplifier)와 하나 이상의 피킹 전력 증폭기(Peaking Power Amplifier)가 병렬로 결합되는 구조를 가진다. 하나의 캐리어 전력 증폭기와 N-1개의 피킹 전력 증폭기를 포함하는 전력 증폭 장치를 N-way 도허티 전력 증폭 장치라고 한다.
이하 도 1을 참조하여, 종래의 N-way 도허티 전력 증폭 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 N-way 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 N-way 도허티 전력 증폭 장치는 전력 분배기(Power Splitter)(100), 캐리어 전력 증폭기(102), N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104), 제1오프셋 전송 선로(122)~제N오프셋 전송 선로(124) 및 전력 결합기(Power Combiner)(106)를 포함한다.
상기 전력 분배기(100)는 입력되는 전력을 90도의 위상차를 가지는 N개의 전력으로 분배하고, 상기 분배된 N개의 전력을 상기 캐리어 전력 증폭기(102) 및 피킹 전력 증폭기(104)로 출력한다. 그리고, 상기 캐리어 전력 증폭기(102) 및 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)는 각각 입력되는 전력을 증폭하고, 상기 제1오프셋 전송 선로(122)~제N오프셋 전송 선로(124)를 통해 상기 증폭된 전력을 상기 전력 결합기(106)로 출력한다.
상기 캐리어 전력 증폭기(102)는 입력단(Gate or Emitter)에 임계값(Threshold) 이상의 높은 입력 DC 바이어스를 사용하여, 입력되는 전력의 크기와 관계없이 항상 동작한다. 이에 반해, 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)는 상기 임계값 미만의 낮은 입력 DC 바이어스를 사용하여, 입력되는 전력이 기준 전력 이상의 전력 크기를 갖는 고전력인 경우에만 상기 입력되는 전력에 대한 증폭 동작을 수행한다.
즉, 입력되는 전력이 상기 기준 전력 미만의 크기를 갖는 저전력인 경우에는 상기 캐리어 전력 증폭기(102)만이 동작되고, 입력되는 전력이 고전력인 경우에는 상기 캐리어 전력 증폭기(102)와 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)가 동시에 동작되어, 입력 전력이 높은 신호대 피크 전력비(Peak to Average Ratio: PAR)를 가지는 경우에 고효율(High Drain efficiency)로 증폭된다. 상기 N-way 도허티 전력 증폭 장치의 경우 최대 출력 보다 -20×log(N)dB 작은 출력에서 최대 효율을 가지도록 동작한다.
상기 제N오프셋 전송 선로(122)는 상기 캐리어 전력 증폭기(102)로부터 출력된 전력이 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)로 흘러 들어가지 않고 상기 전력 결합기(106)로 출력되도록, 상기 캐리어 전력 증폭기(102)로부터 출력된 전력의 출력 방향을 제어한다. 그리고, 제1~제N-1오프셋 전송 선로(123~124)는 각각 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104) 중 해당 피킹 전력 증폭기로부터 출력된 전력이 상기 캐리어 전력 증폭기(102) 및 다른 피킹 전력 증폭기들로 흘러 들어가지 않고 상기 전력 결합기(106)로 출력되도록, 해당 피킹 전력 증폭기로부터 출력된 전력의 출력 방향을 제어한다.
상기 전력 결합기(106)는 상기 캐리어 전력 증폭기(102) 및 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)에서 각각 출력되는 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 최종 출력단(112)으로 출력한다. 상기 전력 결합기(106)는 제1임피던스 트랜스포머(Impedence Transformer)(108) 및 제2임피던스 트랜스포머(110)를 포함한다.
먼저, 상기 제2임피던스 트랜스포머(110)는
Figure 112009077785872-pat00001
/
Figure 112009077785872-pat00002
(N은 캐리어 전력 증폭기의 수와 피킹 전력 증폭기의 수를 합한 정수를 나타냄)의 특성 임피던스(Characteristic Impedance) 값을 가진다. 그리고, 상기 제2임피던스 트랜스포머(110)는 상기 제1임피던스 트랜스포머(108)의 출력단에서 출력되는 제1전력과 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)로부터 출력되는 제2전력이 결합되어 생성된 결합 전력이 출력되는 지점에서의 부하 임피던스(이하 '결합 부하 임피던스'라 칭 함) 값(ZL)이 최종 출력단(112)의 부하 임피던스(이하 '출력 부하 임피던스'라 칭함) 값의 N분의 1배(R0/N)가 되도록, 상기 결합 부하 임피던스 값을 조정한다.상기 제1임피던스 트랜스포머(108)는 R0의 특성 임피던스 값을 가지며, 상기 캐리어 전력 증폭기(102)의 출력단에서의 부하 임피던스 값(Zc)을 변경하기 위한 동작을 수행한다.
구체적으로, 상기 제1임피던스 트랜스포머(108)는 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 고전력이 입력되어 상기 캐리어 전력 증폭기(102)와 상기 N-1개의 피킹 전력 증폭기(103~104)가 모두 동작되는 경우, 상기 캐리어 전력 증폭기(102)의 출력단에서의 부하 임피던스 값(Zc)을 상기 출력 부하 임피던스 값에 대응되는 값(R0)으로 설정한다.
그리고, 상기 제1임피던스 트랜스포머(108)는 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 저전력이 입력되어 상기 캐리어 전력 증폭기(102)만이 동작되는 경우, 상기 캐리어 전력 증폭기(102)의 출력단에서의 부하 임피던스 값(Zc)을 상기 출력 부하 임피던스 값의 N배의 값(N·R0)으로 설정한다.
상기 전력 결합기(106)와 같이, 피킹 전력 증폭기(104)의 동작 여부에 따라 캐리어 전력 증폭기(102)의 출력단에서의 부하 임피던스를 변경시키는 것을 부하 변조(Load Modulation)라 한다. 이러한 부하 변조에 따라, 저전력이 입력되는 경우 고전력이 입력될 때보다 최종 출력되는 전력의 이득은 N배가 되므로, N-way 도허티 전력 증폭 장치는 선형적인 입출력을 가질 수 있다.
한편, 최근 보다 높은 전력을 출력할 수 있도록 복수개의 도허티 전력 증폭장치를 결합하여 사용하는 방법이 요구되고 있다. 이에 따라, 복수개의 도허티 전력 증폭 장치를 전력의 손실없이 효율적으로 결합하여 사용할 수 있도록 하는 방법이 필요로 되고 있다.
본 발명은 결합셀을 이용하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명은 하나 이상의 캐리어 전력 증폭기와 하나 이상의 피킹 전력 증폭기를 각각 셀 단위로 결합하여 전력의 손실없이 고전력을 출력할 수 있도록 하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명은 효율적으로 전력을 증폭하고 출력할 수 있도록 하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명에서 제안하는 장치는 전력 증폭 장치에 있어서, 입력 전력을 분배하여 캐리어 증폭부 및 N-1개의 피킹 증폭부로 출력하는 전력 분배기와, 상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는 상기 캐리어 증폭부와, 상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 피킹(Peaking) 전력 증폭기를 포함하는, 상기 N-1개의 피킹 증폭부와, 상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부에서 증폭된 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력하는 전력 결합기를 포함하며, N은 상기 캐리어 증폭부의 수와 상기 N-1개의 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타내며, M은 하나 이상의 정수를 나타냄을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 방법은 전력 증폭 장치의 전력 증폭 방법에 있어서, 입력 전력을 분배하여 캐리어 증폭부 및 N-1개의 피킹 증폭부로 출력하는 과정과, 상기 전력 분배기에서 출력된 전력을, M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는, 상기 캐리어 증폭부를 통해 증폭하는 과정과, 상기 전력 분배기로부터 출력된 전력을, M개의 피킹(Peaking) 전력 증폭기를 포함하는, 상기 N-1개의 피킹 증폭부를 통해 증폭하는 과정과, 상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부로부터 출력되는 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력하는 과정을 포함하며, N은 상기 캐리어 증폭부의 수와 상기 N-1개의 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타내며, M은 하나 이상의 정수를 나타냄을 특징으로 한다.
본 발명은 하나 이상의 캐리어 전력 증폭기와 하나 이상의 피킹 전력 증폭기를 각각 셀 단위로 결합한 도허티 전력 증폭 장치를 사용함으로써 전력의 손실없이 고전력을 출력할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 도허티 전력 증폭 장치에서 효율적으로 입력되는 전력을 증폭하고 출력할 수 있는 이점이 있으며, 도허티 전력 증폭 장치 출력단에서의 손실을 줄임으로써 소모되는 전력을 감소시키고 평균 출력 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 평균 출력 효율의 향상으로 인해 도허티 전력 증폭 장치의 발열이 감소되어 방열 구조는 소형화될 수 있으며, 소형화된 방열 구조는 상기 도허티 전력 증폭 장치를 사용하는 시스템의 구현을 용이하게 할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 복수개의 전력 증폭기를 결합하여 고전력을 출력할 수 있도록 하는 전력 증폭 장치 및 방법을 제안한다. 본 발명에서는 상기 전력 증폭 장치를 일 예로 도허티 전력 증폭 장치로 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 전력 증폭 장치 및 방법이 도허티 전력 증폭 장치뿐만 아니라, 다른 전력 증폭 장치에도 적용되어 사용될 수 있음은 물론이다.
이하 본 발명의 제1실시 예에 따른 복수개의 도허티 전력 증폭 장치가 병렬 결합된 전력 증폭 장치에 대하여 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 2개의 도허티 전력 증폭 장치가 병렬 결합된 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 전력 증폭 장치는 각각 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)로 구성된 전력 분배기(300) 및 전력 결합기(340)와, 병렬 형태로 결합된 제1도허티 전력 증폭 장치(310) 및 제2도허티 전력 증폭 장치(320)를 포함한다.
상기 전력 분배기(300)는 입력되는 전력을 90도의 위상 차이를 갖는 동일한 크기의 두 개의 전력으로 분배하고, 상기 분배된 두 개의 전력을 각각 상기 제1도허티 전력 증폭 장치(310)와 제2도허티 전력 증폭 장치(320)로 출력한다.
상기 제1도허티 전력 증폭 장치(310)와 제2도허티 전력 증폭 장치(320)는 각 각 입력되는 전력을 증폭하고, 상기 증폭된 전력을 상기 전력 결합기(340)로 출력한다. 상기 제1도허티 전력 증폭 장치(310)와 제2도허티 전력 증폭 장치(320)는 도 1에서 설명한 종래의 도허티 전력 증폭 장치와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 상기 제1 및 제2 도허티 전력 증폭 장치(310, 320)의 구성부들에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 제1 및 제2도허티 전력 증폭 장치(310, 320)로부터 각각 전력이 출력되면, 상기 전력 결합기(340)는 상기 제1 및 제2 도허티 전력 증폭 장치(310, 320)에서 출력된 2개의 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력한다.
상기와 같이 구성된 전력 증폭 장치는 2개의 도허티 전력 증폭 장치가 결합됨에 따라 하나의 도허티 전력 증폭 장치가 사용되었을 때 보다 큰 최대 출력 전력을 갖는다. 하지만, 상기 전력 증폭 장치에서 전력 분배기(300)와 전력 결합기(340)가 하이브리드 커플러로 구성됨에 따라, 상기 전력 증폭 장치는 상기 제1 및 제2 도허티 전력 증폭 장치(310, 320) 각각이 사용될 때의 이득 보다 낮은 이득을 갖는다. 이는 하이브리드 커플러가 수동 소자로 구성되어 자체적으로 전력을 손실하기 때문이다.
따라서, 전력 분배기(300)와 전력 결합기(340)에 사용되는 2개의 하이브리드 커플러를 사용하는 상기 전력 증폭 장치는 하나의 하이브리드 커플러에서 발생하는 전력 손실값의 2배만큼 이득이 감소된다. 뿐만 아니라, 상기 전력 증폭 장치의 최대 출력 용량과 평균 출력값도 상기 전력 결합기(340) 하이브리드 커플러에서 발생하는 전력 손실값만큼 감소되어 상기 전력 증폭 장치의 효율은 저하된다. 또한, 전 력 결합기(340)는 하이브리드 커플러로 구성될 경우, 증폭된 전력의 결합을 위해 일반 전력 결합기에 비해 상당히 큰 용량을 가져야 하며, 상기 하이브리드 커플러의 4개의 포트(Port) 중 격리 포트(Isolation port)에서 사용되는 격리기(Isolator)도 파워 용량이 큰 소자를 사용해야 하는 문제가 있다. 그 밖에도 전력 분배기(300)와 전력 결합기(340)에 사용되는 하이브리드 커플러의 경우 항상 2개의 신호만을 분배 또는 결합하기 때문에, 최대 출력 용량 또한 항상 2의 제곱배로만 증가될 수 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 제2실시 예에서는 하나 이상의 캐리어 전력 증폭기와 하나 이상의 피킹 전력 증폭기를 각각 셀 단위로 결합하여 전력의 손실을 줄이고, 고전력을 출력할 수 있도록 하는 도허티 전력 증폭 장치 및 방법을 제안한다.
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 전력 분배기(400)와 M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는 캐리어 증폭부(410), M개의 피킹 전력 증폭기를 포함하는 N-1개의 피킹 증폭부(420~430) 및 전력 결합기(440)를 포함한다.
상기 전력 분배기(400)는 입력되는 전력을 N개의 신호로 나누고, 상기 N개의 전력을 각각 상기 캐리어 증폭부(410)과 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)로 출력한다.
상기 캐리어 증폭부(410)는 M개의 캐리어 전력 증폭기로부터 출력되는 전력 을 결합하여 출력하는 하나의 캐리어 결합 셀로 칭할 수 있으며, 상기 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)는 각각 M개의 피킹 전력 증폭기로부터 출력되는 전력을 결합하여 출력하는 피킹 결합 셀로 칭할 수 있다.
상기 캐리어 증폭부(410)은 제1입력 전력 분배기(412)와, 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)와 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)를 포함한다.
상기 제N입력 전력 분배기(412)는 상기 전력 분배기(400)로부터 출력되는 전력을 동위상(in-phase)으로 M개의 전력으로 나누고, 상기 M개의 전력을 각각 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)로 출력한다. 그러면, 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)는 각각 입력되는 전력을 증폭하고, 상기 증폭된 전력을 상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)로 출력한다.
상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)는 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)로부터 출력된 전력이 각각 다른 캐리어 전력 증폭기로 흘러 들어가지 않도록 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)로부터 출력된 전력의 출력 방향을 제어한다.
즉, 상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)는 각각 출력되는 전력이 결합되는 결합 지점(411)과 상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)의 출력 선로 사이의 부하 임피던스 값을 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)와 상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제 M오프셋 전송 선로(419)의 입력 선로 사이의 부하 임피던스 값보다 높은 값으로 설정한다.이에 따라, 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)로부터 출력된 전력은 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단으로 출력될 수 있다.
상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)로부터 출력된 전력은 상기 결합 지점(411)에서 결합된 후, 상기 전력 결합기(440)로 출력된다.
상기 N-1개의 피킹 증폭부들(420~430) 중 제N-1피킹 증폭부(420)는 제2입력 전력 분배기(422)와, 제1피킹 전력 증폭기(424) ~ 제M피킹 전력 증폭기(426)와 제1오프셋 전송 선로(428) ~ 제M오프셋 전송 선로(429)를 포함한다. 또한, 나머지 피킹 증폭부(430)도 상기 제1피킹 증폭부(404)와 유사하게, 제N-1입력 전력 분배기(432)와, 제1피킹 전력 증폭기(434) ~ 제M피킹 전력 증폭기(436)와 제1오프셋 전송 선로(438) ~ 제M오프셋 전송 선로(439)를 포함한다.
고전력이 입력되어 상기 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)가 동작하는 경우, 상기 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)에 포함된 제1오프셋 전송 선로(428,438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429,439)는 상기 캐리어 증폭부(410)에 포함된 상기 제1오프셋 전송 선로(418) ~ 제M오프셋 전송 선로(419)와 유사한 동작을 한다.
즉, 상기 제1오프셋 전송 선로(428~438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429~439)는 각각 결합 지점(421~431)과상기 제1오프셋 전송 선로(428~438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429~439) 의 출력 선로 사이의 부하 임피던스 값을 상기 제1피킹 전력 증폭기(424~434) ~ 제M피킹 전력 증폭기(426~436)와 상기 제1오프셋 전송 선 로(428~438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429~439)의 입력 선로 사이의 부하 임피던스 값보다 높은 값으로 설정함으로써, 상기 제1피킹 전력 증폭기(424~434) ~ 제M피킹 전력 증폭기(426~436)로부터 출력된 전력을 상기 피킹 증폭부들(420~430)의 출력단으로 출력되도록 제어한다.
상기 제1오프셋 전송 선로(428~438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429~439)로부터 출력된 전력은 상기 전력 결합기(440)로 출력된다.
저전력이 입력되어 상기 캐리어 전력 증폭부(410)만이 동작할 때에도 상기 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)에 포함된 제1오프셋 전송 선로(428~438) ~ 제M오프셋 전송 선로(429~439)는 상기 전력 결합기(440)의 결합 지점(441)에서 N-1개의 피킹 증폭부(420~430)의 출력 선로들의 부하 임피던스 값을 높여, 상기 전력 결합기(440)에 입력된 캐리어 전력 증폭부(410)로부터 출력된 전력이 상기 피킹 증폭부들(420~430)로 흘러 들어가지 않도록 출력 방향을 제어한다.
한편, 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)는 각각 동일한 부하 임피던스 값 즉, 종래의 도허티 전력 증폭 장치에서 캐리어 전력 증폭기의 출력단의 부하 임피던스 값(Zc)(이하 '캐리어 출력단 부하 임피던스 값'이라 칭함)에 대응하는 크기의 전력을 출력한다.
이에 따라, 상기 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)로부터 출력되는 전력이 합쳐지는 결합 지점(411)에서의 부하 임피던스 값은 각각 캐리어 출력단 부하 임피던스 값의 M 배(M·Zc)의 값이 된다.
또한, 상기 피킹 증폭부들(420~430) 중 제N-1피킹 증폭부(420) 내에 포함된 제1피킹 전력 증폭기(424) ~ 제M피킹 전력 증폭기(426)는 각각 종래의 도허티 전력 증폭 장치에서 피킹 전력 증폭기의 출력단의 부하 임피던스 값(Zp, N-1)(이하 '피킹 출력단 부하 임피던스 값'이라 칭함)에 대응하는 크기의 전력을 출력한다.
이에 따라, 상기 제1피킹 전력 증폭기(424) ~ 제M피킹 전력 증폭기(426)의 출력단에서의 부하 임피던스 값은 각각 상기 피킹 출력단 부하 임피던스 값의 M 배(M· Zp, N-1)가 된다.
그리고, 나머지 피킹 증폭부(430)도 상기 제1피킹 증폭부(420)와 유사하게, 상기 제1피킹 전력 증폭기(434) ~ 제M피킹 전력 증폭기(436)의 출력단에서의 부하 임피던스 값이 각각 상기 피킹 출력단 부하 임피던스 값의 M 배(M·Zp,N-1)의 값이 된다.
한편, 상기 캐리어 증폭부(410) 내의 구성부들은 입력되는 전력의 크기에 상관없이 항상 동작하고, 상기 피킹 증폭부들(420~430) 내의 구성부들은 입력되는 전력의 크기가 기준 전력 이상의 고전력인 경우에 동작한다.
상기 전력 결합기(440)는 상기 캐리어 증폭부(410) 및 상기 피킹 증폭부들(420~430)로부터 출력되는 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력한다.
구체적으로 상기 전력 결합기(440)를 설명하면 다음과 같다.
상기 전력 결합기(440)는 제1임피던스 트랜스포머(Impedence Transformer)(442) 및 제2임피던스 트랜스포머(444)를 포함한다.
먼저, 상기 제2임피던스 트랜스포머(444)는 R0/
Figure 112009077785872-pat00003
( N은 캐리어 증폭부의 수와 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타냄)의 특성 임피던스 값을 가진다. 그리고, 상기 제2임피던스 트랜스포머(444)는 상기 제1임피던스 트랜스포머(442)의 출력단에서 출력되는 제1전력과 상기 피킹 증폭부들(420~430)로부터 출력되는 제2전력이 결합되는 결합 지점(441)에서의 부하 임피던스(이하 '결합 부하 임피던스'라 칭함) 값(ZL)이 최종 출력단(450)의 부하 임피던스(이하 '출력 부하 임피던스'라 칭함) 값의 (N ·M)분의 1배(R0/(N ·M))가 되도록 상기 결합 부하 임피던스 값을 조정한다.
상기 제1임피던스 트랜스포머(442)는 R0/M의 특성 임피던스(Characteristic Impedance) 값을 가지며, 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스 값을 변경하기 위한 동작을 수행한다.
구체적으로, 상기 제1임피던스 트랜스포머(442)는 고전력이 입력되어 상기 캐리어 증폭부(410) 및 상기 피킹 증폭부들(420~430)로부터 전력이 출력되는 경우, 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스 값(Zc)을 상기 출력 부하( 임피던스 값(R0)의 1/M배의 값(R0/M)으로 설정한다.
그리고, 상기 제1임피던스 트랜스포머(442)는 상기 캐리어 증폭부(410)에서만 전력이 출력되는 경우, 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스 값을 상기 출력 부하 임피던스 값의 N/M배(R0·N/M)로 설정한다.
상기와 같은 제1임피던스 트랜스포머(442)의 동작은 상기 캐리어 증폭부 (410) 내의 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)의 출력단에서의 부하 임피던스의 값이 결합 지점(411)의 부하 임피던스 값의 M배의 값이 되기 때문에, 상기 캐리어 증폭부(410) 내의 제1캐리어 전력 증폭기(414) ~ 제M캐리어 전력 증폭기(416)의 출력단에서의 부하 임피던스를 종래의 캐리어 전력 증폭 장치의 출력단에서의 부하 임피던스 값과 동일한 부하 임피던스 값을 갖도록 하기 위해 수행된다.
상기와 같은 전력 결합부(440)의 동작에 따라 상기 최종 출력단(450)에서는 전력의 손실없이 (N ·M)개의 전력 증폭기가 결합되었을 때만큼의 큰 최대 출력 전력을 출력할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 전력 증폭 장치의 일 예를 보인 도면이다.
도 5에 도시된 전력 증폭 장치는 피킹 증폭부와 캐리어 증폭부를 각각 하나씩 포함하며, 상기 피킹 증폭부와 캐리어 증폭부 내에 각각 피킹 전력 증폭기와 캐리어 전력 증폭기를 두 개씩 포함하는 전력 증폭 장치이다.
상기 전력 증폭 장치는 전력 분배기(500), 피킹 증폭부(510), 캐리어 증폭부(520) 및 전력 결합기(540)를 포함한다. 상기 피킹 증폭부(510)는 제1입력 전력 분배기(512), 제1피킹 전력 증폭기(516), 제2피킹 전력 증폭기(514), 제3오프셋 전송 선로(519) 및 제4오프셋 전송 선로(518)를 포함하며, 상기 캐리어 결합 셀(520)은 제2입력 전력 분배기(522), 제1캐리어 전력 증폭기(526), 제2캐리어 전력 증폭 기(524), 제1오프셋 전송 선로(529) 및 제2오프셋 전송 선로(528)를 포함한다. 그리고 상기 전력 결합기(540)는 제1임피던스 트랜스포머(542) 및 제2임피던스 트랜스포머(544)를 포함한다.
상기 전력 증폭 장치의 구성부들은 도 4에서 각각 N과 M이 2인 경우일 때의 전력 증폭 장치의 구성부들과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기와 같은 전력 증폭 장치에서는 상기 캐리어 증폭부(520)와 상기 피킹 증폭부(510) 모두에서 전력이 출력되는 경우, 상기 캐리어 증폭부(520)의 출력단에서의 부하 임피던스(Zc)와 상기 피킹 증폭부(510)의 출력단에서의 부하 임피던스 값(Zp)은 상기 최종 출력부하(550)의 임피던스 값(R0)의 1/2 배의 값(Zc= Zp=1/2·R0)으로 설정된다.
상기 제1전력 및 제2전력은 상기와 같이 설정된 부하 임피던스 값들에 따라 결합된 후 출력된다.
한편, 상기 전력 증폭 장치에서는 저전력이 입력되어 상기 캐리어 증폭부(520)로부터만 전력이 출력되는 경우, 상기 캐리어 증폭부(520)의 출력단에서의 부하 임피던스(Zc)가 상기 최종 출력단(500)의 부하 임피던스 값과 동일하게(2/2·R0)으로 설정된다.
이에 따라, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 전력의 손실없이 하나의 도허티 전력 증폭 장치가 사용되었을 때에 비해 2배의 높은 전력을 출력할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 동작 과정을 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 동작 과정을 보인 도면이다. 도 6에서는 이해를 돕기 위해, 도 4의 구성부들을 참조로 하여 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 도허티 전력 증폭 장치는 600 단계에서 전력이 입력되었는지 판단한다. 그리고 상기 도허티 전력 증폭 장치는 602 단계에서 입력된 전력이 기준 전력 이상의 고전력인지를 판단한다.
상기 도허티 전력 증폭 장치는 604 단계에서 상기 입력된 전력이 고전력으로 판단된 경우, 606 단계로 진행하여 캐리어 증폭부(410) 및 피킹 증폭부들(420~430)을 온(ON)한다. 그리고, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 입력된 전력을 상기 캐리어 증폭부(410) 및 피킹 증폭부들(420~430)의 수에 따라 분배한 후, 상기 분배한 전력을 상기 캐리어 증폭부(410) 및 피킹 증폭부들(420~430)로 출력한다.
상기 도허티 전력 증폭 장치는 608 단계에서 상기 캐리어 증폭부(410) 및 피킹 증폭부들(420~430)에서 각각 출력되는 전력이 결합되는 전력 결합기(440)의 결합 지점(441)에서의 부하 임피던스를 설정한다. 즉, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 결합 지점(441)에서의 부하 임피던스 값(ZL)을 출력 부하 임피던스 값(R0)의 (N ·M)분의 1배의 값(즉, ZL =R0/(N ·M))으로 설정한다.
그리고, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 610 단계에서 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스를 조정한다. 구체적으로, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스의 값(Zc)을 상기 출력 부하 임피던스 값(R0)의 1/M배의 값(즉, Zc=R0/M) 으로 설정한다.
이어, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 캐리어 증폭부(410) 및 피킹 증폭부들(420~430)로부터 각각 전력이 출력되면, 612 단계에서 상기 전력 결합기(440)를 통해 상기 출력된 전력을 결합한 후 결합된 전력을 출력한다.
한편, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 604 단계에서, 상기 입력된 전력이 저전력으로 판단된 경우, 614 단계로 진행하여 캐리어 증폭부를 온(ON)하고, 피킹 증폭부는 오프(OFF)한다. 그리고, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 입력된 전력을 상기 캐리어 증폭부(410)로 출력한다.
상기 도허티 전력 증폭 장치는 616 단계에서 상기 전력 결합기(440)의 결합 지점(441)에서의 부하 임피던스를 설정한다. 즉, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 결합 지점(441)에서의 부하 임피던스 값(ZL)을 상기 출력 부하 임피던스 값의 M분의 1배의 값(즉, ZL= R0/M)으로 설정한다.
그리고, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 618 단계에서 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스를 설정한다. 구체적으로, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 캐리어 증폭부(410)의 출력단에서의 부하 임피던스의 값(Zc)을 출 력 부하 임피던스 값(R0)의 N/M배의 값(즉, Zc=R0·N/M)으로 설정한다.
이어, 상기 도허티 전력 증폭 장치는 상기 캐리어 증폭부(410)로부터 전력이 출력되면, 620 단계에서 상기 출력된 전력을 결합한 후 결합된 전력을 출력한다.
전술한 바와 같은 과정에 따라 상기 도허티 전력 증폭 장치는 전력의 손실없이 고전력을 출력할 수 있도록 하는 이점이 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 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 N-way 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도면,
도 2는 종래의 N-way 도허티 전력 증폭 장치의 동작을 보인 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 일 예를 보인 도면으로 2개의 도허티 전력 증폭 장치가 병렬 결합된 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도면,
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도면,
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 일 예를 보인 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 동작 과정을 보인 도면.

Claims (12)

  1. 결합셀 도허티 전력 증폭 장치에 있어서,
    입력 전력을 분배하여 캐리어 증폭부 및 N-1개의 피킹 증폭부로 출력하는 전력 분배기와,
    상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는 상기 캐리어 증폭부와,
    상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 증폭하는, M개의 피킹(Peaking) 전력 증폭기를 포함하는, 상기 N-1개의 피킹 증폭부와,
    상기 캐리어 증폭부 및 상기 N-1개의 피킹 증폭부에서 증폭된 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력하는 전력 결합기를 포함하며,
    N은 상기 캐리어 증폭부의 수와 상기 N-1개의 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타내며, M은 1보다 큰 정수를 나타내고,
    상기 전력 결합기는,
    상기 캐리어 증폭부의 출력단에서의 부하 임피던스 값을 조정하는 제1임피던스 트랜스포머(Impedance Transformer)와,
    상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부에서 출력되는 전력이 결합되는 결합 지점에서의 부하 임피던스 값을 조정하는 제2임피던스 트랜스포머를 포함하고,
    상기 제1임피던스 트랜스포머의 특성 임피던스(Characteristic Impedance)는 최종 출력 부하 임피던스 값의 1/M의 값으로 설정됨을 특징으로 하는 결합셀 도허티 전력 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭부는,
    상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 M개로 분배하는 제1입력 전력 분배기와,
    상기 M개의 캐리어 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력이 상기 캐리어 증폭부의 출력단으로 출력되어 결합되도록, 상기 M개의 캐리어 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력의 출력 방향을 제어하는 M개의 오프셋 전송 선로를 포함하는 결합셀 도허티 전력 증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 N-1개의 피킹 증폭부 각각은,
    상기 전력 분배기에서 출력된 전력을 M개로 분배하는 제2입력 전력 분배기와,
    상기 M개의 피킹 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력이 상기 피킹 증폭부의 출력단으로 출력되어 결합되도록, 상기 M개의 피킹 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력의 출력 방향을 제어하는 M개의 오프셋 전송 선로를 포함하는 결합셀 도허티 전력 증폭 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2임피던스 트랜스포머의 특성 임피던스(Characteristic Impedance)는 최종 출력 부하 임피던스 값의 1/
    Figure 112016104131416-pat00004
    의 값으로 설정됨을 특징으로 하는 결합셀 도허티 전력 증폭 장치.
  7. 결합셀 도허티 전력 증폭 장치의 전력 증폭 방법에 있어서,
    입력 전력을 분배하여 캐리어 증폭부 및 N-1개의 피킹 증폭부로 출력하는 과정과,
    전력 분배기에서 출력된 전력을, M개의 캐리어 전력 증폭기를 포함하는, 상기 캐리어 증폭부를 통해 증폭하는 과정과,
    상기 전력 분배기로부터 출력된 전력을, M개의 피킹(Peaking) 전력 증폭기를 포함하는, 상기 N-1개의 피킹 증폭부를 통해 증폭하는 과정과,
    상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개 의 피킹 증폭부로부터 출력되는 전력을 결합하고, 상기 결합된 전력을 출력하는 과정을 포함하며,
    N은 상기 캐리어 증폭부의 수와 상기 N-1개의 피킹 증폭부의 수를 합한 정수를 나타내며, M은 1보다 큰 정수를 나타내고,
    상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부로부터 출력되는 전력을 결합하는 과정은,
    제1임피던스 트랜스포머(Impedance Transformer)에 의해 상기 캐리어 증폭부의 출력단에서의 부하 임피던스 값을 조정하는 과정과,
    제2임피던스 트랜스포머에 의해 상기 캐리어 증폭부와 상기 N-1개의 피킹 증폭부로부터 출력되는 전력이 결합되는 결합 지점에서의 부하 임피던스 값을 조정하는 과정을 포함하고,
    상기 제1임피던스 트랜스포머의 특성 임피던스 값(Characteristic Impedance)은 최종 출력 부하 임피던스 값의 1/M의 값으로 설정됨을 특징으로 하는 전력 증폭 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 분배기로부터 출력된 전력을 상기 캐리어 증폭부를 통해 증폭하는 과정은,
    상기 전력 분배기로부터 출력된 전력을 분배하여 상기 M개의 캐리어 전력 증폭기 각각으로 출력하는 과정과,
    상기 M개의 캐리어 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력이 상기 캐리어 증폭부의 출력단으로 출력되어 결합되도록 상기 M개의 캐리어 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력의 출력 방향을 제어하는 과정을 포함하는 전력 증폭 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전력 분배기로부터 출력된 전력을 상기 N-1개의 피킹 증폭부를 통해 증폭하는 과정은,
    상기 N-1개의 피킹 증폭부 중 하나가 상기 전력 분배기로부터 출력된 전력 신호를 분배하여 상기 M개의 피킹 전력 증폭기로 출력하는 과정과,
    상기 M개의 피킹 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력 신호가 상기 N-1개의 피킹 증폭부 중 하나의 출력단으로 출력되도록, 상기 M개의 피킹 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력 신호의 출력 방향을 제어하는 과정과,
    상기 M개의 피킹 전력 증폭기 각각에서 출력되는 전력 신호를 결합하여 하나의 전력 신호를 생성하고, 상기 생성된 전력 신호를 출력하는 과정을 포함하는 전력 증폭 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제2임피던스 트랜스포머의 특성 임피던스 값(Characteristic Impedance)은 최종 출력 부하 임피던스 값의 1/
    Figure 112016104131416-pat00005
    의 값으로 설정됨을 특징으로 하는 전력 증폭 방법.
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