KR20000030272A - 이동 통신 단말기의 정진폭 추적 증폭기의 이득 개선 방법 - Google Patents

Abstract

이동 통신 단말기의 전력증폭기의 실제 평균 출력 레벨은 최대치의 약 천 배정도 작게 나온다. 이 것은 단말기의 효율이 전력 증폭기의 동작상태에 따라서 0.1%-2%로 된다는 것을 의미한다. 이러한 문제해결을 위해 단말기의 출력 레벨에 따라 바이어스 전압을 바꾸어 주는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 사용하면 전력 레벨이 낮아질 경우 효율성 저하를 막을 수 있다. 그러나 이러한 바이어스 전압을 변화시켜주는 회로를 제작하였을 때 발생하는 실제 문제점은 전력 증폭기내 능동 소자의 임피이던스가 변화한다는 점이다. 이 임피이던스 변화는 전력 증폭기의 출력 레벨의 변화와 동작점의 변화로 인하여 발생하는 데 전력 증폭기의 이득 감소와 효율 감소를 야기하며 증폭기의 반사 계수의 증가로 증폭기의 안정도를 나쁘게 하는 결과를 초래한다. 본 발명은 비선형 반도체 소자가 역방향 전압이 걸렸을 때 캐패시턴스 성분이 증가한다는 것을 착안하여 전력 증폭기의 전력 레벨이 높은 경우와 낮은 경우에 이 신호를 직류신호화 하여 이것을 비선형 반도체 소자에 역방향 전압을 걸어주면 부정합되는 임피이던스 부분을 보정할 수 있어서 전력 증폭기의 부정합 문제를 해결할 수 있다. 이것은 긍극적으로 단말기의 전체 효율을 개선시켜서 배터리의 사용 시간을 연장시키는 효과와 전력 증폭기를 안정화시키는 데 기여할 것이다.

Description

이동 통신 단말기의 정진폭 추적 증폭기의 이득 개선 방법{The method for improving the gain of envelope tracking amplifier for wireless communication}

발명이 속하는 기술 분야

본 발명은 기존의 이동 통신 단말기에 사용되는 고출력 증폭기의 이득과 효율을 개선시키는 방법에 관한 것이다.

종래의 기술

이동 통신에서 사용되는 RF 전력 증폭기는 변조의 정확성과 주파수 재생을 제한하기 위해 높은 선형성을 요구한다. 비선형성으로 인해 발생하는 왜곡 현상을 최소화하기 위해 전력증폭기는 A급 혹은 AB급으로 동작된다. 전력 증폭기가 A급, AB급으로 동작될 때 최대전력보다 낮은 전력이 출력될 때 효율도 같이 감소한다. CDMA혹은 다른 전송방식에서 기지국과 단말기 사이의 변화되는 거리, 다중경로와 세도우 페이딩등에 적응하기 위해 단말기의 출력 전력은 변화하게 된다. 무선통신 시스템에서 배터리의 수명과 간섭 효과를 제한하기 위해 능동 궤환 제어(active feedback control)를 이용하여 단말기의 RF출력을 제어한다. 이 경우 단말기의 출력전력의 확률분포가 최근 도1과 같이 발표되었는데 최대출력이 1W 정도인 실제 1mW근처에서 출력되고, 최대출력이 출력되는 경우는 극소수의 시간인 것으로 나타났다. 이 때 효율은 A급인 경우는 출력의 감소와 함께 같이 감소하기 때문에 0.1%로 감소하고, AB급인 경우는 제곱근에 반비례하기 때문에 2%로 감소한다. 이러한 배터리의 비효율성을 극복하기 위하여 단말기에서 저전력이 출력되면 도 2와 같이 직류 바이어스값을 변화시키므로 동작점을 좌측으로 이동시킨다. 이것은 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급 전압을 줄이므로 가능하게 된다. 단말기의 출력전력이 감소하면 이와 같이 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 증폭기의 효율성이 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 이러한 증폭기를 정진폭 추적 증폭기(envelope tracking amplifier)라 한다.

그러나 이와 같이 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급전압을 변화시키면 전체적인 효율관점에서 기존의 방식보다는 진전이 있지만 동작점과 단말기의 전력 레벨의 변화로 인하여 전력증폭기의 입출력단의 임피이던스가 변하게 된다. 이러한 입출력단의 임피이던스 변화는 전력증폭기의 부정합을 일으켜 이득을 감소시키게 하는 문제점을 안고 있다. 이러한 전력 증폭기의 이득 감소는 결과적으로 각각의 동작점에서 정합시켰을 때보다는 효율의 감소를 가져온다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 전력 증폭기의 전력 레벨과 동작점의 변화로 발생하는 임피던스의 변화를 보정해줄 회로를 구성해야 한다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 임피이던스 보정회로로써 비선형 반도체 소자를 이용한다. 전력 증폭기의 RF신호에서 검출된 직류신호가 비선형 반도체 소자(예, 바렉터 다이오드)에 역방향 전압으로 인가되면 캐패시턴스가 생기게 된다. 전력 증폭기의 신호 레벨이 변하면 캐패시턴스도 같이 변하게 된다. 이렇게 변화된 캐패시턴스는 전력 레벨과 동작점의 변화로 발생된 임피이던스의 변화를 보정하게 된다. 결과적으로 비선형 반도체 소자를 이용해 이동 통신 단말기의 전력 증폭기의 이득을 개선시키고 효율도 향상시키게 하는 것이 본 발명의 특징이다.

도 1은 이동 통신 단말기의 출력 전력레벨의 실제 확률 분포

도 2는 RF증폭기의 직류바이어스 변화에 따른 동작점 변화

도 3은 이동 통신 단말기의 효율개선을 위한 직류-직류 변환기의 회로도

도 4는 직류-직류 변환기에 의해 직류 공급 전압이 변할 경우 능동소자의 임피이던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로

도 5는 캐패시턴스의 조정을 위한 비선형 반도체 소자의 직,병렬 회로

도 6은 전송선로를 이용한 비선형 반도체 소자의 인덕턴스화

도 7은 전송선로에 인턴던스 조정을 위한 직병렬회로

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 4은 비선형 소자를 이용해 능동소자의 변화된 임피이던스에 정합이 되도록 보정한 회로도이다. 회로도의 바이어스 전압은 앞서 설명한 직류-직류 변환기에 의해 전력증폭기의 전력 레벨에 따라 변화하도록 설계되어졌다. 여기서 전력 증폭기의 입력단에 방향성 결합기(Directional coupler)를 사용해 미약한 RF신호를 받는다. 이신호가 검출기(Detector)에 가면 그 크기에 비례하여 직류신호로 바귄다. 이 신호는 직류증폭기(Op-amp나 기타 능동소자로 설계가능함)를 거쳐서 필요한 크기의 직류 신호로 바뀌게 된다. 이 직류신호는전송선을 이용하여 비선형 반도체 소자에 역방향으로 인가된다. 이 경우전송선의 끝부분에 바이패스용 캐패시턴스를 달아주어 비선형 반도체 소자의 바이어스선에 걸리는 RF신호의 흐름을 차단한다. 이것은 쵸우크 코일을 사용하여도 같은 작용을 한다. 역방향으로 바이어스된 비선형 반도체 소자는 변화하는 직류전압에 의해 변형된 캐패시턴스로 입력과 출력쪽에 변화되는 임피이던스를 보정하게 된다.

이상에서 상술한 바와같이 실제 이동 통신 단말기의 직류-직류 변환기의 변화하는 공급전압으로 인해 발생하는 전력 증폭기의 입출력단의 부정합은 단말기 전체효율에 나쁜 영향을 미치게 된다. 비선형 반도체 소자를 이용한 임피이던스 정합효과로 인하여 증폭기의 이득이 개선되며 긍극적으로 전체적인 효율이 증가하게 되어 배터리의 사용 시간이 연장되는 효과를 갖게되는 것이다.

Claims (4)

1. 전력 증폭기의 동작점과 신호레벨이 바뀔 경우(둘 중 하나만 바뀔 수도 있음) 능동 소자의 임피이던스가 바뀌는 데, 비선형 반도체 소자를 입력 회로, 출력 회로 혹은 입출력 회로에 연결하여 역방향 전압을 걸어주어 전력 증폭기의 임피이던스를 보정하는 방법
2. 도 5와 같이 비선형 반도체 소자의 캐패시턴스로의 동작범위가 제한되어 있으므로 이것을 직렬회로, 병렬회로, 직병렬회로의 혼합으로 연결시켜 동작범위를 증가시키는 방법.
3. 이 비선형 반도체 소자는 캐패시턴스의 역할만 하는데 도 6와 같이 전송선 끝 부분에 연결하면 인덕턴스의 값을 도출하는 방법.
4. 청구항 2에서와 똑같이 비선형 반도체 소자의 인덕턴스 값의 범위를 확장시키기 위해 도 7과 같이 직렬회로 또는 병렬회로로 연결하는 방법.