KR102581784B1 - 광대역 도허티 증폭기 - Google Patents

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Abstract

광대역 도허티 증폭기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는, 캐리어 증폭기, 캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터, 피크 증폭기 및 피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터를 포함한다. 이에 의해, 도허티 증폭기 회로의 ITR을 잘 분배하고 조절 할 수 있는 구조를 통해, 결과적으로 협대역 특성을 가지고 있는 도허티 구조를 광대역에서 동작시킬 수 있게 된다.

Description

광대역 도허티 증폭기{Broadband Doherty Amplifier}
본 발명은 통신 부품용 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 설계 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 특성을 갖는 도허티 증폭기(Doherty Amplifier)에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 도허티 증폭기의 구조를 도시한 도면이다. 도허티 증폭기의 전력 증폭기들은, 도시된 바와 같이, 캐리어 증폭기(Carrier Amplifier)와 피크 증폭기(Peak Amplifier)로 나뉜다. 전력 증폭기의 바이어스는, 캐리어 증폭기의 경우 Class AB로 피크 증폭기의 경우 Class C로 인가하기 때문에, 낮은 입력 파워가 들어오면 캐리어 증폭기만 동작하게 된다.
캐리어 증폭기가 최적의 출력을 낼 수 있는 임피던스를 Rocp라고 하면, 캐리어 증폭기와 피크 증폭기의 크기가 같은 기존 도허티 증폭기에서는 임피던스 인버터의 임피던스 Z2를 Rocp로 두고 RL'은 Rocp/2가 되도록 설계한다.
최근 이동통신에서 필요로 하는 파워를 만족하기 위한 Rocp값은 수 Ω대 인데, 3.5Ω의 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
낮은 입력 파워에서는 캐리어 증폭기만 동작하게 되고 피크 증폭기는 동작하지 않으므로, 최대 출력 임피던스가 무한대가 된다. 결과적으로 캐리어 증폭기에서는 2*Rocp가 출력 임피던스로 보이게 된다. 그러면, Z2를 통한 ITR(Impedance Transforming Ratio)는 4가 되고 Z1을 통한 ITR은 ~28.5(50/1.75)가 된다.
ITR은 임피던스를 변환하는 비로써 이 비가 낮을수록 매칭 대역폭이 넓어지므로, 대역폭과 반비례 관계에 있는 파라미터이다. 이에 따르면, 기존 구조에 최근 증폭기에 사용되는 수치를 적용했을 때, 너무 높은 ITR로 인해 광대역 도허티 증폭기를 만들 수 어렵다는 결과에 이르게 된다.
도 2에서는 도 1의 캐리어 증폭기와 피크 증폭기의 크기가 같을 때 도허티 증폭기의 효율을 보여주고 있다. 도허티 증폭기의 장점은 도 2에 도시된 바와 같이, 최대 출력에서만 효율이 높은 기존 증폭기와는 다르게 캐리어 증폭기만 동작하는 구간에서도 한 번의 높은 효율을 더 나타내 주어서 Back off 시 높은 효율을 얻을 수 있다는 것이다.
기존 캐리어 증폭기와 피크 증폭기의 크기가 같은 구조에서는, 낮은 구간의 효율 피크가 최대 파워에서 -6dB back-off 되는 구간에서 나타나게 된다. 최근 이동통신 신호의 PAPR(Peak to Average Ratio)가 커지면서 -6dB에서 추가적인 효율 개선을 보이는 구조보다 더 낮은 Back off Power에서 효율을 얻었으면 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
이런 방법으로는 피크 증폭기의 크기를 캐리어 증폭기 보다 N배 크게 하는 방법이 있는데, 이렇게 했을 때 Back off Peak Point는 아래 수식(1)과 같이 나타난다.
(1)
하지만, 이 경우 RL'은 Rocp/(N+1)가 되는데, 이는 ITR을 더욱 나쁘게 만들어 광대역 도허티 증폭기를 만드는 문제를 더욱 악화시킨다.
도 3에는 개선된 도허티 증폭기의 구조를 도시하고 있다. 피크 증폭기와 캐리어 증폭기의 후단에 임피던스 매칭 회로 회로를 추가로 삽입하여, 낮은 Rocp 포인트를 더 높은 임피던스로 변환시켜 전체 ITR을 낮추려는 의도이다.
앞의 예제 수치에서 ITR max가 28.5가 나왔던 것을 고려하면 본 개선된 구조에서는 RL'을 9.35로 셋팅하여 ITR을 5.34로 줄일 수 있어 훨씬 대역폭을 넓힐 수 있는 강점이 있다.
하지만, 전력 증폭기의 후단에 들어가는 매칭 회로가 추가적으로 들어가기 때문에, 그 만큼 삽입 손실을 증가시키고 결과적으로 효율을 떨어뜨리는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 차세대 이동통신의 전력 증폭기에 사용될 수 있는 광대역 도허티 증폭기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 도허티 증폭기는, 캐리어 증폭기; 캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터; 피크 증폭기; 및 피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터;를 포함한다.
그리고, 도허티 증폭기의 ITR(Impedance Transforming Ratio)은, 제1 임피던스 인버터의 임피던스와 제2 임피던스 인버터의 임피던스를 조정하여 조절할 수 있다.
또한, 도허티 증폭기의 ITR은, 도허티 증폭기의 대역폭이 증가하는 방향으로 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는, 제2 임피던스 인버터의 후단에 연결된 오프셋 라인;을 더 포함할 수 있다.
오프셋 라인은, 낮은 입력 파워에서 캐리어 증폭기만 동작할 때, 피크 증폭기가 open된 상태로 보이도록 기능할 수 있다.
오프셋 라인의 임피던스는, 제2 임피던스 인버터의 출력단에서 부하 임피던스일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는, 제1 임피던스 인버터의 후단과 오프셋 라인의 후단에 연결된 임피던스 매칭 회로;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는, 캐리어 증폭기의 전단에 연결된 위상 변환기;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 피크 증폭기의 전단에는, 위상 변환기가 연결되어 있지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도허티 증폭기의 전력 증폭 방법은, 캐리어 증폭기가 입력을 증폭하여 출력하는 단계; 캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터가, 캐리어 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계; 피크 증폭기가 입력을 증폭하여 출력하는 단계; 피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터가, 피크 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도허티 증폭기는, 입력을 분배하여 출력하는 하이브리드 커플러; 하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 캐리어 증폭기; 캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터; 하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 피크 증폭기; 피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도허티 증폭기의 전력 증폭 방법은, 하이브리드 커플러가, 입력을 분배하여 출력하는 단계; 캐리어 증폭기가, 하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 단계; 캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터가, 캐리어 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계; 피크 증폭기가, 하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 단계; 피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터가, 피크 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 도허티 증폭기 회로의 ITR을 잘 분배하고 조절 할 수 있는 구조를 통해, 결과적으로 협대역 특성을 가지고 있는 도허티 구조를 광대역에서 동작시킬 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 도허티 증폭기의 구조를 도시한 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 도허티 증폭기의 효율을 보여주는 도면,
도 3은 개선된 종래의 도허티 증폭기 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기의 회로도,
도 5는 낮은 파워에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프,
도 6은 최대 파워에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프,
도 7은 최대 파워에서 피크 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프,
도 8은, 도 4에 도시된 광대역 도허티 증폭기의 매칭 구조 만을 도시한 회로도,
도 9는, 도 8에 제시된 매칭 구조를 MMIC에 적용하기 위한 등가 회로를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 광대역 도허티 증폭기를 제시한다. 캐리어 증폭기에만 임피던스 인버터를 사용하여 캐리어 증폭기의 임피던스 변조(Impedance Modulation)에만 집중한 종래의 도허티 증폭기와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기는 캐리어 증폭기에도 임피던스 인버터를 사용한다.
이에 의해, 본 발명의 실시예에서는, 전체 회로의 ITR(Impedance Transforming Ratio)을 균등 배분하면서 낮추는 역할을 수행하도록 회로를 구성하여, 도허티 증폭기의 광대역화를 가능하게 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기의 회로도이다. 본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기는, 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)(110), 위상 변환기(Phase Shifter)(120), 캐리어 증폭기(Carrier Amplifier)(130), 임피던스 인버터(Impedance Inverter)-1(140), 피크 증폭기(Peak Amplifier)(150), 임피던스 인버터-2(160), 오프셋 라인(Offset Line)(170), 임피던스 매칭 회로(180)를 포함하여 구성된다.
하이브리드 커플러(110)는 입력되는 전력을 캐리어 증폭기(130) 측과 피크 증폭기(150) 측으로 분배하여 출력한다. 캐리어 증폭기(130)와 피크 증폭기(150)는 하이브리드 커플러(110)에서 분배된 출력을 증폭한다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기에서는, 캐리어 증폭기(130)의 후단에 임피던스 인버터-1(140)이 연결되어 캐리어 증폭기(130)에 의해 증폭된 전력에 대해 임피던스 변조를 수행하고, 피크 증폭기(150)의 후단에도 임피던스 인버터-2(160)가 연결되어 피크 증폭기(150)에 의해 증폭된 전력에 대해서도 임피던스 변조를 수행한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기의 회로 전체에 대한 ITR은 다음의 수식 (2)와 같이 설정할 수 있다.
(2)
(3)
(4)
위 수식에서 ITR은 캐리어 증폭기(130)의 후단에 연결된 임피던스 인버터-1(140)의 임피던스 Z1과 피크 증폭기(150)의 후단에 연결된 임피던스 인버터-2(160)의 임피던스 Z2를 조절하여, 회로 전체에서 균일한 ITR을 만족할 수 있게 되고, 이로 인해 전체적으로 광대역 설계를 할 수 있게 된다.
구체적으로, ITR을 최소로 만드는 임피던스 Z1과 임피던스 Z2를 구하면 된다. Ropt,p와 Ropt,c는 소자에서 주어지는 값이고, Rop=ITR*Ropt,p이며, Roc=ITR*Ropt,c이고, RL=ITR*RL’이므로, 임피던스 Z1과 임피던스 Z2는 다음의 수식과 같다.
(5)
(6)
따라서, 이러한 조건을 만족시키는 최소의 ITR을 찾으면 된다.
한편, 위 수식 (3)과 수식 (4)에 나타낸 바와 같이, Roc와 Rop는 캐리어 증폭기(130)의 전류(Ic)와 피크 증폭기(150)의 전류(Ip)의 함수이기 때문에, 캐리어 증폭기(130)와 피크 증폭기(150)의 크기를 다르게 적용하는 경우에도 광대역 특성은 그대로 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기에서는, 두 개의 임피던스 인버터(130,150)를 이용하여 임피던스 변조/매칭을 수행하여, 전체 회로의 ITR을 최저로 설계할 수 있다.
또한, 임피던스 인버터-2(160)의 후단에는 오프셋 라인(170)이 연결되어 있다. 오프셋 라인(170)은 임피던스 인버터들(130,140)의 정상 동작을 위해 추가로 삽입된 것이다. 낮은 입력 파워에서 캐리어 증폭기(130)만 동작할 때, 오프셋 라인(170)은 피크 증폭기(150)가 open된 상태로 보이도록 기능한다. 이에 따라, 오프셋 라인(170)의 임피던스 Z3는 임피던스 인버터-2(160)의 출력단에서 부하 임피던스인 Rop와 같은 임피던스로 구현한다.
한편, 임피던스 인버터-1(140)의 후단과 오프셋 라인(170)의 후단에는 임피던스 매칭 회로(180)가 연결되어 있다.
그리고, 캐리어 증폭기(130)의 전단에는 위상 변환기(120)가 연결되어 있다. 반면, 피크 증폭기(150)의 전단에는 위상 변환기가 연결되지 않는다. 임피던스 인버터-2(160)와 오프셋 라인(170)에 의해 달라지는 위상관계를 반영한 것이다.
도 5는 낮은 파워에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프이다. 시뮬레이션에서 Ropt,p = Ropt,c = 3.5Ω으로 설정하였으므로, 낮은 파워 즉, 캐리어 증폭기만 동작하는 영역에서 이론적인 Ropt,c는 7Ω이다.
도 5에서, 종래의 도허티 증폭기의 출력 임피던스는 파란색으로, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기의 출력 임피던스는 빨간색으로 각각 나타내었다. 10% 저항값이 변하는 것을 기준점으로 정하면, 종래의 도허티 증폭기는 대역폭이 6.3%인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기의 대역폭은 21.2%로 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는 낮은 파워 구간에서 충분히 광대역이 구현 가능한 것을 확인 할 수 있다.
도 6은 최대(Peak) 파워에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프이다. 시뮬레이션에서 Ropt,p = Ropt,c = 3.5Ω으로 설정하였으므로, 최대 파워에서는 이 출력 임피던스가 출력되어야 한다.
도 6에서, 종래의 도허티 증폭기의 출력 임피던스는 파란색으로, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기의 출력 임피던스는 빨간색으로 각각 나타내었다. 역시 10% 저항값이 변하는 것을 기준점으로 정하면, 종래의 도허티 증폭기는 대역폭이 6.3%인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기의 대역폭은 12.7%로 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는 최대 파워 구간에서 충분히 광대역이 구현 가능한 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 최대 파워에서 피크 증폭기의 출력 임피던스를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교한 그래프이다. 도시된 바에 따르면, 종래의 도허티 증폭기는 대역폭이 17%인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기의 대역폭은 36.1%로 나타났음을 확인할 수 있다.
출력 파워는 피크 증폭기의 전력과 캐리어 증폭기의 전력이 합쳐진 것이며, 크기 비가 1:1이 아닌 1:N인 구조에서는 캐리어 증폭기의 대역폭이 전체 동작에 더 큰 비중을 차지하고 있다는 점을 고려하면, 본 발명의 실시예에 따른 도허티 증폭기는 피크 파워 동작에서 더욱 광대역 특성을 보이고 있다고 확인할 수 있다.
도 8에는 도 4에 도시된 광대역 도허티 증폭기 중 임피던스 인버터-1(140), 임피던스 인버터-2(160), 오프셋 라인(170), 임피던스 매칭 회로(180)로 구성되는 매칭 구조만을 도시한 회로도이다. 도 8에서 임피던스 인버터-1(140), 임피던스 인버터-2(160), 오프셋 라인(170)는 모두 TL(Transmission Line)으로 구현하였다.
도 9에는, 도 8에 제시된 매칭 구조를 MMIC에 적용하기 위해, 이를 C-L-C 등가 회로로 나타내었다.
지금까지, 광대역 도허티 증폭기에 대해, 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시에에서는, 차세대 이동통신 전력 증폭기 부품에 사용될 도허티 광대역 구조를 새롭게 제시하였는데, 도허티 전력증폭기 회로의 ITR을 잘 분배하고 조절 할 수 있는 구조로써, 결과적으로 협대역 특성을 가지고 있는 도허티 구조를 광대역으로 동작시킬 수 있도록 하였다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기는, Peak to Average Power Ratio가 높은 이동통신용 부품에 활용가능한데, 특히 5G와 같은 차세대 통신은 광대역 특성을 요구하고 있어 본 발명의 실시예에 따른 광대역 도허티 증폭기는 더욱 요원하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)
120 : 위상 변환기(Phase Shifter)
130 : 캐리어 증폭기(Carrier Amplifier)
150 : 피크 증폭기(Peak Amplifier)
140,160 : 임피던스 인버터(Impedance Inverter)
170 : 오프셋 라인(Offset Line)
180 : 임피던스 매칭 회로

Claims (12)

  1. 캐리어 증폭기;
    캐리어 증폭기의 전단에 연결된 위상 변환기;
    캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터;
    피크 증폭기; 및
    피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터;를 포함하고,
    피크 증폭기의 전단에는,
    위상 변환기가 연결되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    도허티 증폭기의 ITR(Impedance Transforming Ratio)은,
    제1 임피던스 인버터의 임피던스와 제2 임피던스 인버터의 임피던스를 조정하여 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    도허티 증폭기의 ITR은,
    도허티 증폭기의 대역폭이 증가하는 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제2 임피던스 인버터의 후단에 연결된 오프셋 라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    오프셋 라인은,
    낮은 입력 파워에서 캐리어 증폭기만 동작할 때, 피크 증폭기가 open된 상태로 보이도록 기능하는 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    오프셋 라인의 임피던스는,
    제2 임피던스 인버터의 출력단에서 부하 임피던스인 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  7. 청구항 4에 있어서,
    제1 임피던스 인버터의 후단과 오프셋 라인의 후단에 연결된 임피던스 매칭 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 캐리어 증폭기의 전단에 연결된 위상 변환기가, 입력의 위상을 조정하는 단계;
    캐리어 증폭기가, 위상 변환기의 출력을 증폭하여 출력하는 단계;
    캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터가, 캐리어 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;
    피크 증폭기가 입력을 증폭하여 출력하는 단계;
    피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터가, 피크 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;를 포함하고,
    피크 증폭기의 전단에는,
    위상 변환기가 연결되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기의 전력 증폭 방법.
  11. 입력을 분배하여 출력하는 하이브리드 커플러;
    하이브리드 커플러에서 분배된 출력의 위상을 변환하는 위상 변환기;
    위상 변환기의 출력을 증폭하는 캐리어 증폭기;
    캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터;
    하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 피크 증폭기;
    피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터;를 포함하고,
    피크 증폭기의 전단에는,
    위상 변환기가 연결되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
  12. 하이브리드 커플러가, 입력을 분배하여 출력하는 단계;
    캐리어 증폭기의 전단에 연결된 위상 변환기가, 하이브리드 커플러에서 분배된 출력의 위상을 변환하는 단계;
    캐리어 증폭기가, 위상 변환기의 출력을 증폭하는 단계;
    캐리어 증폭기의 후단에 연결된 제1 임피던스 인버터가, 캐리어 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;
    피크 증폭기가, 하이브리드 커플러에서 분배된 출력을 증폭하는 단계;
    피크 증폭기의 후단에 연결된 제2 임피던스 인버터가, 피크 증폭기의 출력에 대해 임피던스 변조를 수행하는 단계;를 포함하고,
    피크 증폭기의 전단에는,
    위상 변환기가 연결되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 도허티 증폭기의 전력 증폭 방법.
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