KR20000050041A - 전치보정회로 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 믹서와 FET를 사용한 혼변조 발생기를 이용하여 ALC기능을 가지는 전치보정회로(predistorter)를 설계하는 기술에 관한 것이다.

이같은 본 발명에 따르면, 먼저 믹서와 FET를 이용한 혼변조 발생기의 경우 기존의 다이오드를 이용한 회로와는 달리 정합이 필요없어 설계가 용이하고 광대역성을 얻을 수 있으며, 혼변조 발생기의 특성도 개선시킬 수 있는 바, 그 실험의 측정결과를 통해 감쇠기와 위상변환기의 바이어스 전압을 조정하면 더 나은 대역폭을 얻을 수 있도록 하고, 동시에 ALC기능을 갖도록 전치보정회로를 설계하여 기존의 다이오드나 FET를 이용한 전치보정회로에 비해 넓은 입력전력의 변화 범위 내에서 일정한 출력의 주신호와 IMD성분을 얻을 수 있어, 이를 전력증폭기에 적용할 경우에는 입력전력의 변화에 따라 보다 안정된 출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 리미터회로를 대체할수 있고, 더불어 통신시스템에서의 IMD나 ACPR을 만족시킬 수 있는 효과를 제공함에 있다.

Description

전치보정회로 설계방법{The plan method of a predistorter}

본 발명은 믹서와 FET를 사용한 혼변조 발생기를 이용하여 ALC기능을 가지는 전치보정회로(predistorter)를 설계하는 기술에 관한 것으로서, 특히 입력전력의 크기가 변하고 입력의 수가 많은 경우에도 기본 주파수 크기와 3차 혼변조 신호의 크기 차이가 일정레벨(예: -35dBc) 이상되는 주파수대역이 광대역성(예: 30MHz)을 가지도록 하고, 입력이 부호분할다원접속(CDMA) 신호로 FA(Frequency Allocation)의 수가 많은 경우도 중심주파수와 떨어진 일정주파수(예: 1.98MHz)에서 기본신호와 혼변조신호의 크기 차이가 일정레벨(예: -47dBc) 이상되는 주파수 대역이 광대역성(예: 30MHz)을 갖도록 한 후 이를 전력증폭기(power amplifier)에 적용하여 IMD(Intermodulation Distortion) 특성을 개선시킨 전치보정회로 설계방법에 관한 것이다.

상기 혼변조 발생기는 순수 반송파들을 입력받아 혼변조 왜곡 신호들을 발생시키는 소자로서 전치보정회로 방식의 선형화기를 구현하기 위한 것으로 도 1에 그 사용상의 개념을 도시하였다.

주지된 바와같이, 현재의 이동통신 및 위성통신에서는 높은 출력의 선형 전력증폭기를 요구하고 있다.

일반적으로 전력증폭기의 출력을 높이게 되면 진폭 및 위상왜곡이 증가하고, 전력증폭기에 두 개 이상의 반송파가 입력되면 상호변조에 의한 인접채널의 간섭(crosstalk)이 발생하게 된다.

이를 줄이는 선형화 방법으로는 feedback, feedforward, predistortion방식 등이 있으나, 상기 feedback방식은 증폭 이득의 감소와 협대역을 가지는 단점이 있고, feedforword방식은 개선효과는 뛰어나지만 큰 용적과 용량을 필요로 하고 회로가 복잡한 단점이 있으며, 전치보정회로 방식은 소형화가 가능하기 때문에 최근에는 소형, 경량의 저전력 소모 전치보정회로 방식의 선형화기가 주로 사용되고 있다.

그러나, 기존의 전치보정회로 방식의 선형화기들은 입력레벨의 변동이나 선형화기 자체 조정으로 인한 출력레벨의 변화가 심해 실제 증폭기에 적용시 큰 단점으로 작용하고 있다.

일예로, 주 증폭기에서의 AM-AM, AM-PM 변환특성을 보상하기 위해 혼변조 발생기는 동일 크기의 진폭과 역위상을 가지는 혼변조 신호를 만들어야 하는 바, 이를 위해 큰 소스 인덕터를 갖는 전계효과트랜지스터(FET: field effect transistor)를 이용한 선형화기가 제시되었으나 입력전력크기가 20dBm 이하일 경우 그 적용에 어려움이 있으며, 기존의 선형화기들은 신호를 선형경로와 비선형 경로의 두 경로로 분리하고 비선형 경로에 증폭기나 다이오드 같은 소자를 사용하여 적분모터(IM: integration motor)를 생성하고 그 출력에서 두 경로를 다시 결합하는 방식을 채택하게 되었다.

그러나, 비선형 경로를 단일 경로로 구성할 경우 회로 구성은 간단해지나 주 신호를 충분히 억압할 수 없기 때문에 제어정도에 따라 IM신호 크기와 주 신호크기가 변하게 되어 일정한 출력을 얻기가 사실상 어려웠다.

이 때문에 복잡성과 회로구현의 어려움에도 불구하고 비선형 경로를 이중으로 구성하여 주 신호크기의 변화를 최소화할 수밖에 없었다.

더불어, 상기 전치보정회로 방식의 선형화기에는 혼변조 발생기가 사용되며 보편적인 제작방법들로 schottky diode의 비선형 특성을 이용한 방법이나 FET의 포화영역 및 Pinch-off영역의 비선형특성을 이용한 방법 등이 있다.

그러나, schottky diode의 비선형 특성을 이용하는 혼변조 발생기는 혼변조 신호와 기본 주파수의 차이가 가장 클 때의 다이오드 입력 임피던스로 매칭을 해 주어야 한다.

이때 다이오드의 임피던스를 측정하기 위해서 circulator와 가변 튜너를 필요로 하는 등 다소 복잡한 과정을 거쳐야 한다.

한편, 도 2는 다이오드를 이용한 혼변조 발생기의 구조를 나타낸 것으로서, open stub를 이용하여 매칭을 해 주어야 하는 단점을 내포하고 있다.

또한, 상기 schottky diode를 이용한 전치보정회로 방식의 선형화기들은 입력이 부호분할다원접속 신호일 때 FA수가 많으면(예: 12FA) 필요한 만큼의 혼변조신호를 발생시키지 못하기 때문에 전력증폭기의 특성을 개선하지 못하는 단점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 비선형 소자인 mixer와 모놀리식 마이크로웨이브 IC(MMIC: monolithic microwave IC) FET증폭기인 AH1을 이용한 소형의 전치보정회로 방식 선형화기 설계를 통해 다양한 크기와 위상을 가지는 혼변조신호를 발생시키므로서 입력 FA수가 많은 경우에도 전력증폭기의 IMD특성을 개선시키는 전치보정회로를 설계하려는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명은 전치보정회로의 출력신호를 검출하여 입력단의 감쇠기를 제어하므로서 입력전력의 크기 변동에 관계없이 일정한 IM레벨을 얻도록하고, 전치보정회로 자체가 자동전력레벨제어(ALC; Automatic power Level Control) 기능을 갖도록 하거나 또는 입력단에서의 limiter 기능을 대체할 수 있도록 하므로서, IM신호 크기와 주 신호크기의 변화됨을 방지하면서 일정한 출력을 얻을 수 있도록 하고, 더불어 회로의 복잡성을 해소하면서 회로구현의 간편화를 이루도록 하려는데 또 다른 목적이 있는 것이다.

도 1은 종래 전치보정회로 방식의 선형화기 동작상태도.

도 2는 종래 다이오드를 이용한 혼변조발생기의 구조도.

도 3은 본 발명 전치보정회로를 설계를 위한 single-balanced 믹서의 구조도.

도 4는 본 발명의 일실시예로서 믹서와 FET를 캐스캐이드로 연결한 전치보정회로의 구조도.

도 5는 본 발명의 일실시예로 ALC기능을 가지는 전치보정회로의 구조도.

도 6은 본 발명의 일실시예로 AH1 게이트 바이어스전압에 따른 전치보정회로의 IMD변화 특성도.

도 7은 본 발명의 일실시예로 입력전력변화에 따른 전치보정회로의 원신호 및 혼변조신호의 출력특성도.

도 8은 본 발명의 일실시예로 전치보정회로가 연결된 전력증폭기의 입력변화에 따른 출력특성도.

도 9는 본 발명의 일실시예로 전치보정회로가 연결된 15W 전력증폭기에 4 FA CDMA신호가 인가되었을 때의 출력특성도.

도 10은 본 발명의 일실시예로 전치보정회로가 연결된 15W 전력증폭기에 9 FA CDMA신호가 인가되었을 때의 출력특성도.

도 11은 본 발명의 일실시예로 전치보정회로가 연결된 15W 전력증폭기에 12 FA CDMA신호가 인가되었을 때의 출력특성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 전치보정회로 설계의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 일실시예는 첨부된 도 3의 믹서구조로부터 RF단자를 입력, IF단자를 단락시키고 LO단자를 출력으로, 또는 LO단자를 단락시키고 IF단자를 출력으로 사용하여 다이오드(D1)(D2)의 비선형 특성을 이용하고, 또한 FET의 비선형성을 이용하기 위해 FET의 게이트에 음의 전압을 인가하여 IMD성분을 조절할 수 있도록 도 4에 도시된 바와같이 cascade로 연결한 회로를 구성하고, 도 5에 도시된 바와같이 검출기(detector), ALC 제어기(controller), 감쇠기(attenuator)와 연결하여 회로를 구성함이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와같이, 원 신호원을 일정데시벨(예: 3dB) 방향성 결합기로 나눈 후 한쪽 경로의 믹서(10)를 IF부분 또는 LO부분은 터미널(termination)시켜 RF 원 신호원외에 비선형 왜곡된 혼변조신호가 발생하도록 한 후, 발생된 혼변조신호가 FET를 통과하면서 다양한 크기와 위상을 갖도록 하는 혼변조발생기 단계와;

다른 한쪽 경로는 원 신호원의 위상이 상기 경로를 통과한 원 신호원의 위상과 동일하도록 벡터변조(vector modulator)(20)를 통과시켜 전력합성기(30)를 통해 합하는 단계와;

상기 설계된 혼변조발생기의 출력을 검출하는 검출기(detector)에서 검출된 신호를 이용하여 전치보정회로의 앞단에 위치한 감쇠기의 바이어스 전압을 조정함으로써 입력의 변화에도 출력되는 IMD특성이 일정하도록 개선시킨 전치보정회로를 설계하는 단계; 로 진행되는 것이다.

여기서, 상기 완성된 혼변조 발생기를 이용한 전치보정회로의 설계를 보다 구체적으로 첨부된 도 4와 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 믹서(10)는 M/A Com사의 EMRS-25H를 , 믹서(10)의 낮은 출력을 보상하기 위한 MMIC 증폭기는 ERA-5SM을 사용하였으며, 출력단에 위치한 방향성 결합기의 결합계수는 15dB이고 검출기(40)에 사용된 다이오드(D)는 HP사의 HSMS-2820을 사용하였고, 입력단에 사용된 가변감쇠기(50)는 HSMP-3814를 사용하였다. 사용한 기판은 유전율 4.2, 두께 1.55MM인 에폭시 기판을 사용하였다.

상기 가변감쇠기(50)의 가변 감쇠량은 약 17dB 정도로서 검출기(40)에 사용된 다이오드(D)가 충분히 동작할 수 있는 범위이다.

따라서, 상기 가변감쇠기(50)를 통해 감쇠된 신호가 전치보정회로(60)를 통해 검출기(40)로 입력되면, 상기 검출기(40)에 포함된 다이오드(D)가 가변감쇠량에 따라 동작하게 되므로, 상기 다이오드(D)의 동작에 따라 ALC제어부(70)는 가변감쇠기(50)에서 이루어지는 전력레벨의 감쇠량을 자동으로 제어하게 되는 것이다.

여기서, 증폭기(AH1)의 입력전력이 0dBm 이고 드레인에 인가된 전압이 2.5V일 때 게이트의 바이어스전압에 따른 IMD변화량은 도 6에서와 같이 나타난다.

또한, 상기 설계된 전치보정회로의 특성을 측정하기 위해 입력을 -5dBm ~ 4dBm 사이의 값으로 인가하였을 때 전치보정회로의 출력 중 원신호 및 3차, 5차,7차 IM신호의 변화를 도 7에 도시하였으며, 상기 설계된 전치보정회로를 사용한 전력증폭기의 입력변화에 따른 출력변화를 도 8에 도시하였다.

이하, 상기 본 발명의 측정결과에 대해 살펴보면, 측정은 HP8753E 네트워크 분석기와 HP8593E 스펙트럼 분석기를 이용하였으며, 2-tone실험을 하기 위한 두 주파수는 f1=1,855MHz, f2=1,856.25MHz로 그 간격을 1.25MHz로 하였다.

여기서, 측정된 결과로부터 전치보정회로가 ALC로 동작하는 영역에서 3차부터 7차까지의 IM이 입력전력의 증가에도 불구하고 균일하게 억압됨을 알 수 있으며, ALC기능을 가지는 전치보정회로를 사용하였을 경우 넓은 입력전력 변화 범위 내에서 16dBc 이상의 개선효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 입력전력 억압효과는 물론 리미터(limiter)회로로도 사용할 수 있는 효과가 있음을 알수 있다.

한편, 전치보정회로의 입력으로 4 FA 뿐만 아니라 9 FA나 12 FA의 CDMA 신호가 인가될 때도 전치보정회로가 ALC로 동작하면서 전력증폭기의 IM특성을 개선하는지 측정하기 위해 15W 전력증폭기와 연결하여 주파수범위가 869MHz ~ 894MHz인 4 FA CDMA신호를 전치보정회로에 입력으로 인가했을 때의 출력특성을 도 9a에 나타내었고, 전치보정회로가 연결되지 않은 15W 전력증폭기의 출력특성을 도 9b에 나타내었으며,

도 10a는 9 FA 부호분할다원접속(CDMA: code division multiple access)신호를 전치보정회로가 연결된 15W 전력증폭기의 입력으로 인가했을 때의 출력특성이고, 전치보정회로가 연결되지 않은 15W 전력증폭기의 출력특성을 도 10b에 나타내었으며,

도 11a는 12 FA인 CDMA신호를 전치보정회로가 연결된 15W 전력증폭기의 입력으로 인가했을 때의 출력특성이고, 전치보정회로가 연결되지 않은 15W 전력증폭기의 출력특성을 도 11b에 나타내었다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 믹서와 FET를 이용하여 기존의 다이오드를 이용한 회로와는 달리 정합이 필요없어 설계가 용이하고 광대역성을 얻을 수 있으며, FA수가 많은 CDMA신호가 입력으로 사용될 때에도 전력증폭기의 IMD를 개선시킬 수 있는 바, 그 실험의 측정결과를 통해 벡터변조의 바이어스 전압을 조정하면 더 나은 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, ALC기능을 가지도록 하므로써 기존의 다이오드나 FET를 이용한 전치보정회로에 비해 넓은 입력전력의 변화 범위 내에서 일정한 출력의 주신호와 혼변조신호를 얻을 수 있으므로 이를 전력증폭기에 적용할 경우에는 입력전력의 변화에 따라 보다 안정된 출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 리미터회로를 대체할 수 있고, 더불어 통신시스템에서의 IMD나 ACPR을 만족시킬 수 있는 효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 믹서의 IF부분이나 LO부분을 터미널(termination)시켜 설계한 전치보정회로에 FET를 이용한 전치보정회로를 캐스캐이드로 연결하므로써 다양한 크기와 위상을 가지는 혼변조신호를 발생시키는 단계와;

   상기 설계된 혼변조발생기의 특성을 통해 FA수가 많은 CDMA신호의 IMD특성을 개선시킨 전치보정회로를 설계하는 단계; 로 진행함을 특징으로 하는 전치보정회로 설계방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 설계된 혼변조발생기의 출력을 검출하여 혼변조발생기의 입력단에 있는 감쇠기의 바이어스를 조정하므로써 입력전력의 크기에 적절히 대응하면서 설계된 혼변조발생기의 특성을 통해 IMD특성을 개선시키도록 자동전력레벨제어(ALC)의 기능을 갖는 전치보정회로를 설계함을 특징으로 하는 전치보정회로 설계방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 자동전력레벨제너(ALC)의 기능을 갖도록 설계된 전치보정회로를 PCS, DCS, IMT-2000에 적용할 수 있도록 설계됨을 특징으로 하는 전치보정회로 설계방법.