KR20010056818A

KR20010056818A - 프리-피드포워드 선형화 방식 선형증폭기

Info

Publication number: KR20010056818A
Application number: KR1019990058437A
Authority: KR
Inventors: 신건일
Original assignee: 신건일
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2001-07-04

Abstract

본 발명은 새로운 구조의 Feedforward 방식 LPA 를 구현하기 위한 방법으로써, 기존 Feedforward 방식 LPA 의 구조를 변경하여 기존 LPA 낮은 효율성을 개선하였으며 상당한 전력개선효과를 기대할 수 있는 발명이다.

Feedforward 방식의 LPA 는 현재 위성지구국, 이동통신 기지국, 대형중계기에서 사용되고 있는 가장 좋은 성능을 낼 수 있지만 구조상 낮은 효율성을 갖는다. 본 발명에서는 기존의 Feedforward 방식 LPA 의 구조를 변경하여 고효율의 Pre-Feedforward 증폭기로 개선하였다.

기본 원리는 Feedforward 선형화 방식 LPA 에서 Main Amplifier 에서 발생한 IMD 성분을 추출하여 Error Amplifier 에서 증폭하는데 소요되는 시간차이를 보상하기 위하여 두 번째 지연선로가(2nd delay line) 필요하지만, Main Amplifier 에서 발생할 IMD 를 미리 모방하는 방법으로 만들어내어 두 번째 지연선로를 제거한 변형된 Feedforward 선형화 방식 LPA 인 Pre- Feedforward 선형화 방식 LPA 를 설계하는 방식에 관한 발명(고안)이다. -1.5~-3dB 의 감쇠량을 주는 2nd delay line(지연 선로)가 없기 때문에 신호가 감쇠되지 않고 출력된다. 이것은 신호전력 출력의 40~100%의 상승효과를 기대할 수 있다.

Description

프리-피드포워드 선형화 방식 선형증폭기{ Pre-Feedforward linearized type linear power Amplifier}

본 발명은 새로운 구조의 Feedforward 선형화 방식 LPA 를 구현하기 위한 방법으로써, 기존 Feedforward 선형화 방식 LPA 의 구조를 변경하여 기존 LPA 낮은 효율성을 개선하였으며 상당한 전력 개선효과를 기대할 수 있는 발명이다.

무선통신 분야에서 Feedforward 선형화 방식 LPA 는 다중 주파수나 CDMA 신호를 증폭하여 큰 전력으로 만든 후 공중 채널로 신호를 전송하기 위해서는 선형증폭기(LPA; Linear Power Amplifier)가 필수적이다. 현재 위성지구국, 이동 통신 기지국, 대형중계기에서 사용되고 있으며 오래 전부터 Feedforward 선형화 방법과 같은 여러 기술들을 적용하여 원래 물리적으로 비선형적인 특성을 갖는 증폭기를 선형화하여 사용하고 있다. Multi-tone 의 RF 신호를 증폭기로 전력 증폭을 할 경우 이 증폭기 자체의 비선형성에 기인하는 IMD(Inter-Modulation Distortion)가 발생하여 인접 채널의 신호에 악영향을 주기 때문에 통화 품질을 저해하고 채널(사용자) 수를 제한 시키는 결과 초래한다. 따라서 이와 같은 왜곡신호를 보상하기 위하여 현재까지 제안된 선형화 기법에는 feedforward, Predistortion, Feedback, Back-off 방식들이 있으며 이들 선형화 방식에는 각기 장·단점이 있다. 간단히 보면 Feedforward 방식은 IMD 를 제거하는 가장 좋은 성능을 보이지만 회로가 복잡하고 효율이 상대적으로 낮다. Predistortion 방식은 비교적 간단하지만 IMD 를 제거하는 성능 면에서 떨어지며 Feedback 방식은 가장 간단한 방식이지만 IMD 를 제거하는 성능도 좋지 않고 협대역에서만 가능하다.

본 발명의 목적은 기존의 Feedforward 방식 LPA 가 선형성은 우수하지만 효율이 낮은 단점으로 인하여 큰 출력을 내는 것이 곤란하기 때문에 이 효율을 개선하기 위한 것이며, 효율을 높이기 위해서는 구조적인 변경이 필요하였고, 높은 효율의 Pre-Feedforward 증폭기를 고안해 내었다.

부연 설명하면, 이 Feedforward 방식의 LPA 는 IMD(Inter-Modulation Distortion) 특성이 - 60dB 이하로 가장 좋은 성능을 낼 수 있지만, 구조상 효율이6% 미만으로 매우 낮은데 제안된 방법의 경우 10%까지 효율을 높이는 것이 가능하다.

도 1 은 여러 개의 주파수를 증폭하기 위한 방법.

도 2 는 기존Feedforward 방식 LPA 동작 설명(개념)도.

도 3 은 Feedforward 방식 LPA 세부 블록도.

도 4 는 Feedforward 방식 LPA의 각 부분별 주파수 및 전력 스펙트럼

도 5 는 제안된 Pre-Feedforward 방식 LPA 동작 설명(개념)도.

도 6 은 Pre-Feedforward 방식 LPA 세부 블럭도.

도 7 은 Pre-Feedforward 방식 LPA의 각 부분별 주파수 및 전력 스펙트럼

상기 목적 상 구성되는 부분들은 신호를 증폭하는 Pre Amplifier 와 Main Amplifier, IMD 를 미리 발생시키는 Mimic Amplifier, Signal Canceling Amplifier, 지연선로 및 이 부분의 상쇠량을 조정하는 Vector Modulator, 발생된 순수 모방 IMD 를 증폭하는 Pre Amplifier 와 Error Amplifier 및 상쇠량을 조정하는 Vector Modulator 로 구성이 된다. 그리고 Feedforward 선형화 방식 LPA 와 비교해 보면 Main Amplifier 에서 발생한 IMD 성분을 추출하여 Error Amplifier 에서 증폭하는데 소요되는 시간차이를 보상하기 위한 두 번째 지연선로가(2nd delay line) 제거되었다. 이 부분에서의 감쇠량은 -1.5 ~ -3dB 정도인데 이것으로 인하여 신호가 감쇠되지 않고 출력된다. 이것은 신호전력 출력의 40~100%의 상승효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 내용은 도면을 참조로 하여 자세하게 설명할 것이며, 우선 기존 Feedforward 선형화 방식 LPA 의 구성과 동작 원리를 설명한 후, 제안된 방법인 Pre-Feedforward 선형화 방식 LPA 구성과 동작원리를 설명할 것이다. 내용은 다음과 같다

제 1 도는 여러 개의 주파수를 증폭하기 위한 방법이다. (1)은 HPA로서 선형화 보상장치가 없는 RF 증폭기이며 여러 개의 신호를 한번에 증폭할 경우 IMD 를 발생하기 때문에 단일 신호를 증폭한 후에 결합기(2)를 사용하여 증폭한 여러 신호를 결합하여 전송채널로 보낸다. (b)는 LPA 로서 선형화 부분이 추가된 증폭기이다. 이 경우는 여러 신호를 결합한 후에 하나의 선형증폭기를 사용하여 증폭을 수행하므로 시스템이 간단해지며 장치제조가격과 공간을 절약할 수 있다.

제 2 도는 기존 Feedforward 방식 LPA 동작 설명(개념)도이다. (16)은 Wilkinson 커플러 형태의 전력 분배기 이며 여기서 Main Amplifier(4)로 가는 RF 신호와 IMD 신호를 만들기 위한 신호로 나누어진다. (4)는 Main Amplifier 이며 여기서 일반적으로 50dB 의 이득이 발생하며 전력을 증폭하지만 비선형적 특성에 의하여 IMD(Inter Modulation Distortion)을 만들어 낸다. 한편 1st Delay line(지연선로)(12)으로 입력된 신호는 Main Amplifier(4)에서 증폭하는 과정에서 발생된 소요시간을 보상해 주며, directional coupler(9)에서 왜곡된 일부 신호를 추출하고, 지연 보상된 신호를 directional coupler(11)에서 역으로 더하여 진폭과 위상을 상쇠 시키며 감쇠기 1(5)와 위상 변환기 1(6)를 조정하여 원래의 신호가 정확히 제거 되도록 조정해 준다. 이러한 방법으로 만들어진 순수 왜곡신호를 Error Amplifier(14)에서 증폭하여 감쇠기 2(7)와 위상 변환기 2(8)를 조정하여 canceling coupler(15)에서 Main Amplifier(4)에서 발생한 IMD 를 제거한다. 한편 2nd Delay line(13)은 Error Amplifier(14)에서 증폭하는데 걸린 소요시간을 보상해 준다. 결국 비선형성에 의하여 발생된 신호를 외부에서 똑 같은 IMD 신호를 만들어 서로 상쇠 시킴으로써 비선형성의 효과를 제거하는 방법이다.

제 3 도는 Feedforward 방식 LPA 세부 블록도이다. 전력분배기(splitter)(32)에서 나누어져 들어온 신호는 1st delayline(지연선로)(29)을 경유하여 Vector Modulator(17)로 입력 되며 이곳에서 미세하게 진폭과 위상이 조정된다. 또한 Main Amplifier(22)에서 원신호가 증폭되는 과정에서 IMD 가 발생하며, IMD 를 포함한 원신호는 일정량의 감쇠를 거친 후 canceling coupler(26)에서 두 신호가 역으로 결합되어 원신호가 상쇠된다. 원 신호가 제거 되어 IMD 성분 만을 가지는 신호는 두 번째 Vector Modulator(18)로 입력되며 Main Amplifier(22)에서 만들어진 IMD 성분을 제거할 수 있는 크기로 Error Amplifier(21)에서 증폭을 한다. 그 다음 directional coupler(23)에서 Main Amplifier(22)에서 출력된 IMD 를 포함한 신호와 역으로 결합하면 IMD 성분은 제거되고 원래 입력되었던 신호성분만 증폭된 상태로 출력된다. 여기서 Vector Modulator 는 진폭과 위상을 동시에 제어할 수 있다. 이것의 원리를 보면 I 와 Q 신호의 레벨을 각각 조정함으로써 가능하다. I 와 Q 신호를 동시에 크게 하거나 작게 하면 진폭에 관한 동작을 하며 I 와 Q 신호의 레벨이 상대적으로 변하면 위상이 조정된다. 입력된 신호를 기준으로 해서, 이 위상을 0°라 하고 기준 위상을 45°로 설정한 후 I 신호가 커지면 위상 0°쪽으로 이동하며 Q 의 신호가 커지면 90°쪽으로 이동한다.

제 4 도는 Feedforward 방식 LPA 의 각 부분별 주파수 및 전력 스펙트럼이다. (c)와 같은 신호가 Main Amplifier(22)로 입력되면 이것의 비선형성에 의하여 (d)와 같은 신호를 만들어낸다. Main Amplifier(22)에서 만들어진 신호와 원래 신호를 적절히 시간 보상을 한 후, 진폭과 위상을 정확히 조정하여 canceling coupler(26)에 역으로 결합시키면 서로 상쇠되어 (f)와 같은 IMD 성분 만 나오게된다. 이 신호를 Vector Modulator(18)을 경유하여 Error Amplifier(21)에서 증폭시킬 때 선형영역에서 증폭시키면 (g)와 같은 성분이 나타난다. 이 신호를 Main Amplifier(22)에서 만들어진 신호인(d)와 역으로 결합하여 상쇠시키면 최종 출력은 (e)와 같이 된다. 여기서 살펴보아야 할 사항은 IMD 신호를 증폭하는데 걸기는 시간을 보상하기 위하여 구성된 2nd delay line(지연 선로)(28)을 통과하면서 증폭된 신호가 -1.5~-3dB 정도의 손실이 초래된다는 것이며 주파수가 높아질수록 손실이 증가한다. 본 특허(고안)에서는 이 부분을 개선하고자 한다.

제 5 도는 제안된 Pre-Feedforward 방식 LPA 동작 설명(개념)도이다. 본 발명(고안)에서 제안하는 방법으로 원래신호는 전력분배기(Splitter)(33)에서 -3dB 씩 나누어진다. -3dB 는 증폭하기 위한 신호이며, 나머지 -3dB 는 Main Amplifier(48)에서 발생한 IMD 를 제거하기 위한 신호이다. 입력된 신호는 Main Amplifier(48)에서 비선형적인 특성에 의하여 왜곡을 수반하며 증폭이 된다. delay line1(지연 선로)(34)는 Main Amplifier(48)에서 증폭을 하는 과정에서 소요되는 시간을 일부 보상하기 위한 것이다. Mimic Amplifier(37)은 Pre Amplifier(49) Main Amplifier(48)에서 증폭되는 신호를 모방하기 위한 증폭기이다. Mimic Amplifier(37)에서 만들어진 신호가 Main Amplifier(48)에서 만들어진 신호와 같다고 가정하면 Signal Canceller Amplifier(신호 제거증폭기)(40)에서는 선형 증폭을 하여 Mimic Amplifier(37)에서 만들어진 IMD 가 포함된 신호를 canceling coupler(61)에서 역으로 결합하여 상쇠시키면, 처음에 입력된 신호 만 제거되고 모방된 IMD 성분 만 남는다. 그 다음 이 모방된 IMD 성분을 Main Amplifier(48)에서만들어진 IMD 성분 만큼 적절히 증폭하여 IMD canceling coupler(47)에서 이 두 신호를 역으로 결합시키면 IMD 성분이 제거된 원래 입력되었던 순수한 신호가 증폭이 되어 출력된다. delay line2(35)는 Mimic Amplifier(37)에서 발생하는 시간지연을 보상하는 장치이며 감쇠기 1(38)와 위상변환기 1(39)는 Mimic Amplifier(37)에서 발생된 모방된 IMD 을 제외한 원래신호를 제거하기 위하여 Signal Canceller Amplifier(신호 제거증폭기)(40)의 진폭과 위상 출력을 정밀하게 조정하는 역할을 한다. 또한, 감쇠기 2(43)와 위상변환기 2(44)는 Main Amplifier(48)에서 만들어진 IMD 의 수준 만큼 Error Amplifier(46)에서 증폭될 IMD 성분의 진폭과 위상을 정확히 제어하는 역할을 한다. 이렇게 IMD 의 진폭과 위상을 적절하게 증폭하여 IMD Canceling Coupler(47)에서 역으로 결합시켜 Main Amplifier(48)에서 만들어진 IMD 를 제거 시킬 수 있고, 처음 입력되었던 신호는 순수하게 증폭이 되어 출력된다. 이 제안에서 변경된 사항은 2nd Delay Line(지연 선로)이 없는 것이다.

제 6 도는 Pre-Feedforward 방식 LPA 세부 블록도이다. Pre Amplifier(69)와 Main Amplifier(70)로 구성된 증폭회로는 IMD 제거용 보상회로가 없는 HPA(전력증폭기)와 동일하다. 하측 IMD 발생부분은 IMD 를 모방하여 미리 만드는 부분으로 Mimic Amplifier(59), Signal Canceller Amplifier(신호 제거증폭기)(57), Vector Modulator(58)로 구성되며, Main Amplifier(70)에서 나올 IMD 를 모방하여 만들어 내는 것이 부분으로 Mimic Amplifier(59)이고, Signal Canceller Amplifier(신호 제거증폭기)(57)는 모방되어 만들어진 신호 중 원래 입력된 신호를 제거하는 역할을 한다. Canceling Coupler(61)에서는 비선형성에 의하여 왜곡될 신호를 모방한신호가 원신호와 역으로 결합되어 상쇠되면, IMD 성분만 추출이 되어 이 성분을 Error Amplifier(66)에서 증폭하여 IMD Canceling Coupler(67)로 보낸다. 그리고 Vector Modulator2(63)은 모방된 IMD 의 진폭과 위상을 정확히 조정하는 역할을 한다. 그 다음 IMD Canceling Coupler(67)에서는 Main Amplifier(70)의 비선형성에 의하여 왜곡된 신호와 Mimic Amplifier(59)에서 만들어진 모방된 IMD 를 증폭하여 역으로 결합시키면 서로 상쇠되어 원래 입력된 신호성분만 증폭되어 출력된다.

제 7 도는 Pre-Feedforward 방식 LPA 의 각 부분별 주파수 및 전력 스펙트럼이다. (h)를 입력되는 신호라고 가정하면 Main Amplifier(70)에서 발생되는 신호는 (i)와 같다. 비선형성에 기인하여 (i)에서 보여진 것과 같이 여러 주파수 항들이 발생한다. Mimic Amplifier(59)의 출력과 Signal Canceller Amplifier(신호 제거증폭기)(57)의 출력이 Signal Canceling Coupler 에서 만나 서로 상쇠되면 (k)와 같이 출력되지만 신호의 진폭이 매우 작기 때문에 Error Amplifier(66)에서 증폭이 되며 이것의 출력은 (m)과 같다. Error Amplifier(66)의 출력인 (m)과 Main Amplifier(70)의 출력인 (i)가 IMD Canceling Coupler(67)에서 결합되어 상쇠되면 최종 출력의 결과는 (j)와 같다.

여기에서 2nd delay line(지연 선로)가 없기 때문에 신호가 감쇠되지 않았다. 이 감쇠량은 -1.5~-3dB 정도이며 제안된 방법을 적용하면 이 손실분을 절약할 수 있다.

Feedforward 선형화 방식 LPA(도 6)는 Main Amplifier 발생한 IMD 성분을 추출하여 Error Amplifier 에서 증폭하는데 소요되는 시간차이를 보상하기 위한 두 번째 지연선로가(2nd delay line) 제거되어, 감쇠를 주는 부분이 없기 때문에 -1.5~-3dB 의 전력이 감쇠되지 않고 출력된다. 이것은 신호전력 출력의 40~100%의 상승효과를 기대할 수 있다.

Claims

Feedforward 선형화 방식 LPA(도 3)에서 Main Amplifier(22)에서 발생한 IMD 성분을 추출하여 Error Amplifier(21)에서 증폭하는데 소요되는 시간차이를 보상하기 위하여 두 번째 지연선로(2nd delay line)(28)가 필요하지만, Pre-Feedforward 선형화 방식 LPA(도 6)에서 Main Amplifier (70) 에서 발생할 IMD 를 미리 모방하는 방법으로 Mimic Amplifier(IMD 모방 증폭기)(59)에서 만들어 내어 두 번째 지연선로(28)를 제거한 변형된 Feedforward 선형화 방식 선형증폭기인 Pre-Feedforward 선형화 방식 선형증폭기(LPA)
1 항에 있어서, Main Amplifier(70) 에서 발생할 IMD 예측하여, IMD 를 모방하는 Mimic Amplifier(IMD 모방 증폭기) (59)와 Signal Canceling Amplifier(신호 제거증폭기) (57)과 Vector Modulator(58)를 사용하여 필요한 IMD 를 미리 만드는 IMD 발생기 부분