KR20010059650A - 과전력 경보를 막기 위한 고전력 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과전력 경보 발생을 막는 기능을 갖는 고전력 증폭기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 저이득 증폭기(100)에서 입력신호를 증폭한다. 그리고 이 증폭된 신호를 받은 전압가변감쇄기(110)에서는 출력신호가 높을 때 프로세서로부터 입력되는 전압에 의해 동작되어 전력 제한을 한다. 그 입력신호와 출력신호의 크기와 위상의 오차가 프로세서의 제어에 따라 오차 보상부(120)에서 보상된 후 전치 증폭기에 입력된다. 이를 최종적으로 주 증폭기(140)에서 증폭한다. 이 증폭된 출력신호와 상기 입력신호의 크기와 위상을 신호 비교 및 변환부(150)에서 비교하여 각 차이만큼의 전압신호로 변환시킨다. 입력 및 출력신호 감지부(160)(170)에서는 입력 및 출력신호를 감지하여 프로세서에 제공한다. 그리고 프로세서(180)에서는 상기 오차에 상응된 전압으로 오차 보상부를 제어하고, 출력신호 감지부에서 감지된 신호 레벨을 계속적으로 감지하여 기준신호와 비교하며, 출력신호 레벨이 높을 때 전압 가변 감쇄기를 동작시켜 출력신호 레벨이 일정하게 되도록 제어하고, 입력신호 감지부로부터의 입력신호 레벨에 따른 전압 변화의 값에 반비례하도록 조정하는 전압을 상기 전압 가변 감쇄기에 제공해준다. 이에 따라서, 본 발명은 기존에 전력 증폭기를 적용한 시스템에서 과도한 입력신호에 의한 전력 증폭기의 과전력 경보 발생과, 시스템 호 절단과 전력 증폭기에 가해지는 손상을 최소로 할 수 있게 된다.

Description

과전력 경보를 막기 위한 고전력 증폭기{High Power Amplifier for preventing over power alarm}

본 발명은 선형화기를 적용하는 고전력 증폭기(High Power Amplifier)에 관한 것으로서, 특히 과전력 경보(over power alarm)를 막는 기능을 갖는 고전력 증폭기에 관한 것이다.

종래의 기술은, 기지국의 신호를 멀리 전달하기 위해 고전력 증폭기를 사용하였다. 이러한 고전력 증폭기를 이동통신 시스템에 적용하여 운용할 경우 과도한 입력신호에 대한 별도의 보호없이 사용함으로써, 시스템과 전력 증폭기에 피해를 입히며, 호 절단 등의 문제점이 있었다. 그리하여 낮은 입력신호에 대해서는 정상적으로 동작을 하였지만, 입력신호가 높아질 경우에는 시스템 차원에서의 보호 기능이 없었다.

또한, 종래의 기술에서는 여러 선형화기, 예를 들면 전치보상(Predistortion)방식, 피드 포워드(Feed forward) 방식, 포락선 피드 백(Feed back) 방식 등의 선형화기를 사용하여 출력신호가 높아질 경우에 발생되는 상호변조왜곡(IMD) 악화를 최소로 줄이는 방식이었지만, 최대 출력신호에 대한 보상과 일정한 최대 출력 레벨을 유지하는 기능은 없었다.

상술한 종래기술의 방식중 도 1에 도시된 바와 같은 피드 포워드 방식과 도 2에 도시된 바와 같은 전치보상 방식의 전력증폭기의 구성이, 본 발명과 가장 크게 차이가 나는 점은 종래기술에서는 증폭기 입력단에 전압 가변 감쇄기(Voltage Variable Attenuator, VVA)를 적용하여 증폭기 최대 출력 레벨 부근에서 전력 레벨을 일정하게 유지하는 기능을 추가하여 기존의 과전력 경보 발생을 막는 것이다.

가장 대표적인 두가지 에러 정정 방식을 고려해 볼 때, 상기한 피드 포워드 방식과 전치보상 방식을 들 수 있다.

먼저, 피드 포워드 방식을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

이에 도시된 바와 같이, 입력신호(1)에는 상호변조왜곡 성분이 존재하지 않는다. 이러한 입력신호(1)는 주 경로와 캐리어(Carrier) 제거 경로로 나누어져 전달된다. 주 경로로는, 입력신호(1)가 전압 가변 감쇄기(VVA 1)/전압 가변 위상 천이기VVP 1(Voltage Variable Phase shifter 1)(10)와 이득/위상 천이기(미도시됨)를 거친 후 주 증폭기(11)에서 증폭된다. 이 주 증폭기(11)를 통해 증폭된 신호(2)에는 상호변조왜곡(IMD) 성분이, 도시된 파형에서와 같이 존재한다. 이렇게 주 증폭기(11)에서 출력된 신호는 캐리어 제거 경로인 루프 1(Loop 1)에서와 같이 제 2 지연소자(16)를 거친 후 주 증폭기(11)를 지난 후 커플링된 신호와 더해져서 캐리어 성분이 제거된 신호(3)를 제 1 지연소자(12)를 거쳐 출력한다. 그 캐리어 성분이 제거된 신호(3)에서 발생된 상호변조왜곡 성분은 다시 이득/위상 조정부분(미도시됨)을 통과한 후, 에러 증폭기(13)를 거친다. 에러 증폭기(13)를 거친 신호는 상호변조왜곡 성분을 증폭시킨 신호로서, 주 경로를 거친 신호와 합산기(15)에서 더해진다. 이때, 에러 증폭기(13)를 거친 후, 주 경로에 더해진 신호는 주 증폭기(11)에서 발생된 상호변조 왜곡 성분과 반대가 되는 신호를 발생시키므로 전체적으로는 입력 신호와 똑같은 신호가 최종적으로 출력된다.

다음으로, 상기한 전치보상 방식의 경우는, 입력신호가 전치보상기/모듈레이터(21)를 거쳐 주 증폭기(22)를 거친 후 발생되는 상호변조왜곡 성분을 고려하여 미리 입력신호에 주 증폭기에서 발생되는 상호변조왜곡 성분과 반대가 되는 성분을 만든다. 이때 다이오드나 트랜지스터의 비선형성을 이용하여 입력 상호변조(Intermodulation, IM) 성분을 발생시킨다. 이러한 전치보상의 경우는, 입력 초단에서 상호변조(IM) 성분을 발생시키므로, 상기 피드 포워드 방식에 비해 가격이 낮다. 또한, 피드 백 성분을 가지고 있지 않으므로 회로가 간단하다.

상기와 같이 적용된 선형화기인 전력 증폭기를 사용한 시스템의 동작을 살펴보면, 기존 전력 리미트 기능을 적용하지 않은 전력 증폭기의 경우는 다음과 같다.

먼저, 입력 레벨이 낮은 경우, 증폭기는 정상 동작을 한다. 그리고, 증폭기 출력단에서 최대 출력신호가 나올 때까지 입력신호 레벨을 증가시킨다. 이에 따라 증폭기에서는 최대 출력이 방사된다. 이때, 최대 출력 레벨 이상으로 입력신호가 증가하는 경우 전력 증폭기가 견딜 수 있는 출력 레벨인지 판단한다. 이 판단에 의해 견딜 수 있는 출력 레벨이면 상호변조왜곡(IMD) 성분의 열화가 발생되지만 정상 동작되어 시스템은 정상 동작된다. 또한 상기 판단에 의해 전력 증폭기가 견딜 수 없는 출력 레벨이면 전력 증폭기의 과전력 경보 및 셧 다운(Shut down) 신호를 발생한 후, 시스템 블럭 발생 및 호가 끊어진다. 이와 같이 증폭기 최대 출력 레벨 이상으로 입력신호가 입력되면 전력증폭기는 과전력 경보를 발생시키고, 시스템의 경우는 블록을 발생시킨다. 그로 인해 시스템에 걸려 있던 호가 끊기게 된다. 그리고 전력 증폭기는 셧 다운이 되었으므로 외부에서 인위적으로 인에이블(enable) 명령을 가해 전력 증폭기를 정상 동작시킬 수 있다.

이와 같은 종래의 선형화기에서는 단지 자동이득조정(Automatic Gain Control) 루프에 의해 이득을 일정하게 유지하는 기능만을 포함하였으며, 과도한 입력신호에 대한 보호기능이 없었다. 그 결과, 과도한 입력신호에 의해 증폭기의 셧 다운 또는 피해를 유발시켰으며, 그로 인해 시스템의 호가 끊기는 등 여러 문제점을 안고 있었다. 종래의 시스템에서는 불안정한 입력 신호에 대한 대책이 거의 없었다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기존에 적용된 여러가지 선형화기 입력단에 전압 가변 감쇄기(VVA)와 증폭기의 최대 출력레벨을 일정하게 유지하는 전력 제한 방법을 적용하여 자동 레벨 조정(Automatic Level Control) 기능을 수행하도록 한다.

이러한 본 발명은 기존 전력 증폭기를 적용한 시스템에서 과도한 입력신호에 의한 전력 증폭기의 과전력 경보 발생, 시스템 호 절단과 전력 증폭기에 가해지는 손상을 최소로 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해서, 본 발명에서는 증폭기의 최대 출력 레벨 부근에서 입력신호의 변화에 대해 출력 신호의 레벨을 일정하게 유지하여서 과도한 입력신호에 관계없이(약 10dB 정도) 최대 출력 레벨을 일정하게 유지하고자 한다.

도 1은 피드포워드 방식을 사용한 종래기술의 일 예에 따른 구성도,

도 2는 전치보상 방식을 사용한 종래기술의 다른 예에 따른 구성도,

도 3은 본 발명의 과전력 경보 발생을 막기 위한 구성도,

도 4는 전력 증폭기의 이득특성 및 최대 출력 레벨 부근의 범위를 나타낸 도면,

도 5는 고주파 전력에 대한 다이오드 검출 특성도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 저이득 증폭기 110 : 제 1 전압 가변 감쇄기

120 : 오차 보상부 130 : 전치 증폭기

140 : 주 증폭기 150 : 신호 비교 및 변환부

160 : 입력신호 감지부 170 : 출력신호 감지기

180 : 프로세서

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 과전력 경보를 막는 기능을 갖는 고전력 증폭기의 구성도이다.

도 3에 도시된 본 발명의 구성은, 입력 신호를 저이득으로 증폭하는 저이득 증폭기(100)와, 프로세서로부터 출력된 제 1 제어신호에 따라 저이득 증폭기(100) 출력신호의 전력을 제한하는 제 1 전압 가변 감쇄기(110)와, 프로세서로부터 출력된 제 2 제어신호에 따라 제 1 전압 가변 감쇄기(110)의 출력신호의 위상 및 크기를 보상해주는 오차 보상부(120)와, 오차 보상부에서 출력된 신호의 크기를 증폭시키는 전치 증폭기(130)와, 최종적으로 원하는 신호 크기 레벨까지 증폭시키는 주 증폭기(140)와, 전치 증폭기(130)에 입력되는 신호와 주 증폭기(140)에서 출력되는 신호의 크기와 위상을 비교하여 각 차이만큼의 전압신호로 변환시키는 신호 비교 및 변환부(150)와, 저이득으로 증폭된 입력 신호를 감지하는 입력신호 감지부(160)와, 주 증폭기로부터 출력되는 신호를 감지하는 출력신호 감지부(170)와, 그리고 출력신호 감지부(170)에서 감지된 신호레벨과 기준신호를 비교하여 그 감지된 신호레벨이 기준신호 레벨보다 높은 경우 제 1 전압 가변 감쇄기(110)를 동작시키고, 입력신호 감지부(160)로부터 감지된 입력신호 레벨에 따른 전압 변화값에 반비례하도록 제 1 제어신호를 제 1 전압 가변 감쇄기(110)에 제공하고, 신호 비교 및 변환부(150)에서 변환된 오차에 상응된 전압에 따라 오차 보상부(120)에 제 2 제어신호를 출력하는 프로세서(180)로 구성되어 있다.

위에서, 오차 보상부(120)는, 프로세서(180)의 제어에 의해 입력신호와 출력신호 크기의 오차를 보상해주기 위한 제 2 전압 가변 감쇄기(121)와, 프로세서의 제어에 의해 입력신호와 출력신호의 위상의 오차를 보상해주기 위한 전압 가변 위상 천이기(VVP)(122)로 구성된다.

또한, 신호 비교 및 변환부(150)는, 전치증폭기(130)에 입력되는 신호를 소정 시간 지연하기 위한 지연소자(151)와, 주 증폭기(140)의 출력신호를 감쇄시키기 위한 제 2 감쇄기(152)와, 그 지연소자(151)의 출력신호와 주 증폭기(140)의 출력신호의 크기를 비교하여 그 차이를 출력하는 크기 비교부(154)와, 그 지연소자(151)의 출력신호와 주 증폭기(140)의 출력신호의 위상을 비교하여 그 차이를 출력하는 위상 비교부(155)와, 크기 비교부(154)와 위상 비교부(155)에서 출력된 각 차이 신호에 상응한 전압신호로 변환시켜 프로세서(180)에 출력하는 제 1 및 제 2 로우패스필터(LPF)(156)(157)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

입력 신호 레벨이 낮은 경우, 본 발명의 고전력 증폭기는 정상으로 동작한다. 그러다가 고전력 증폭기의 출력이 최대될 때까지 입력신호 레벨을 증가시킨다. 그리고 고전력 증폭기에서는 최대 출력을 방사한다. 최대 출력레벨 이상으로 입력신호가 증가하는 경우 출력 전력을 감지한 전압 레벨이 기준 전압 레벨보다 높지 않으면 고전력 증폭기에서는 계속적으로 최대 출력을 방사한다. 그런데, 출력전력을 감지한 전압 레벨이 기준 전압 레벨보다 높은 경우 제 1 전압 가변 감쇄기(110)를 동작시킨다. 이렇게 하여 고전력 증폭기의 출력레벨을 일정하게 유지시키면 과전력 경고 경보를 발생한다. 그리고나서, 입력신호 레벨이 최대 출력 레벨을 발생시키는 레벨보다 10dB 이상 높은 경우 전력 증폭기 셧 다운 시키고, 시스템 블럭 발생 및 호를 끊는다. 그러나 10dB 이하인 경우에는, 제 1 전압 가변 감쇄기(110)가 동작하며 출력 레벨을 일정하게 유지 및 과전력 경고 경보는 그대로 유지시킨다. 이때 시스템은 정상으로 동작한다. 다시 말하면, 본 발명을 적용한 시스템의 작용을 살펴보면 다음과 같다.본 발명에 따른 고전력 증폭기의 입력 신호가 낮은 경우에는 기존의 증폭기와 동일하게 동작이 된다. 입력신호가 높아져 증폭기의 최대 출력을 내는 레벨까지 증가하고, 그 이상으로 입력신호가 증가하면 본 발명에서는 내부 자동레벨조정(ALC) 기능을 동작시켜 출력신호 레벨을 일정하게 유지한다. 자동레벨조정(ALC) 기능을 수행할 경우, 고전력 증폭기는 출력신호 감지기에서 감지한 레벨과 프로세서에 입력되는 기준전압값을 비교하여 만약 출력신호가 더 크면 그 때부터 제 1 전압 가변 감쇄기(VVA1)를 동작시킨다. 이때, 프로세서에 입력되는 기준 레벨은 미리 출력단에 전력 계측기(미도시됨)를 이용하여 여러번 최대 출력 레벨을 측정한 후, 출력 신호 감지기에서 얻어지는 전압값을 평균내어서 고정한다. 그리고 제 1 전압 가변 감쇄기(VVA1)를 동작시킴과 동시에 고전력 증폭기에서는 과전력 경고 경보를 발생하여 사용자로 하여금 지금 최대 출력 레벨 이상에서 동작하며 전압 가변 감쇄기를 동작시킨다는 사실을 알린다. 만약, 사용자가 과전력 경고 경보를 감지하여, 입력신호를 낮추면 다시 정상적으로 기존의 증폭기와 동일하게 동작하지만, 감지하지 못하고 입력신호를 계속 증가하는 경우는 입력단에 위치한 제 1 전압 가변 감쇄기를 동작시켜 출력신호를 일정하게 유지한다.

보다 구체적으로, 도 3에 도시된 구성에 의거하여 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

저이득 증폭기(100)로 입력된 신호는 두 신호의 경로로 나누어진다. 주 경로로 나뉘어진 신호는 제 1 전압 가변 감쇄기(VVA1)(110)를 거쳐 제 2 전압 가변 감쇄기(VVA2)(121)와 전압 가변 위상 천이기(122)로 구성되어 오차 보상부(120)를 통과한다. 이때, 제 1 전압 가변 감쇄기(110)에서는 출력 신호가 높아져 전력제한(Power limit) 기능을 수행할 경우에 프로세서(180)에서 발생시키는 전압에 의해 동작한다. 이 제 1 전압 가변 감쇄기(110)의 선형성을 유지하는 동작 범위는 최소 10dB이며, 이때의 제 1 전압 가변 감쇄기(110)의 기울기는 입력신호 감지부(160)에 포함되는 제 1 감쇄기(161)를 거친 입력신호 감지기(162)에서 입력 레벨에 따른 전압 변화의값에 반비례하도록 프로세서(180)에서 조정한다. 또한 프로세서(180)에서는 전력 제한 기능을 시작함과 동시에 과전력 경고 경보를 발생하여 사용자로 하여금 비정상적인 입력이 가해지고 있다는 사실을 알린다.

그리고 오차 보상부(120)내 제 2 전압 가변 감쇄기(121)와 전압 가변 위상 천이기(122)에서는, 입력신호와 출력신호를 비교하여, 발생된 오차만큼을 보상하기 위해 동작하는 피드백(feedback) 회로로서, 크기와 위상의 오차를 보상해준다. 아울러, 온도 및 외부환경에 의해 변화된 슬로우(slow) 변화에 대해서도 보상을 한다.

이와 같이 입력신호에서 출력신호의 왜곡을 보상한 신호는 전치 증폭기(130)에 입력되고 다시 주 증폭기(140)를 거쳐 최종 출력신호로 출력된다. 이때, 크기 비교부(154)와 위상 비교부(155)에서는 실제 입력신호와 출력신호를 감지하여 그차이 만큼을 출력하며, 이러한 차이 신호가 제 1 및 제 2 로우패스필터(156)(157)를 거쳐 일정한 전압신호로 프로세서(180)에 입력된다. 이에 따라, 프로세서(180)에서는 출력단에서 감지한 신호레벨을 기준 전압으로 삼고, 계속하여 주 증폭기(140)로부터 출력된 신호의 레벨을 감지하여 비교한다. 그래서, 만약 출력 신호 레벨이 10dB 보다 더 높은 경우에는 제 1 전압 가변 감쇄기(110)를 동작시켜 최대 출력신호를 일정하게 유지하며, 동시에 입력신호 레벨을 감지하여 그와 반비례하는 전압을 제 1 전압 가변 감쇄기(110)에 발생한다.

이와 같은 원리로 출력신호 레벨을 일정하게 유지할 수 있으며, 최대로 선형성을 유지할 수 있는 범위는 다이오드에서 RF 입력신호에 따라 전압을 선형적으로 발생할 수 있으며, 전압 변동에 의해 감쇄를 선형적으로 변화시킬 수 있는 범위(10dB 정도)이다.

한편, 도 4는 전력 증폭기의 이득특성 및 최대 출력 레벨 부근의 범위를 나타낸다. 이에 도시된 바와 같이, 도 4는 다이오드 감지회로의 오차를 보상하기 위해서 (max +1)dB에서 부터 전압 가변 감쇄기를 동작하도록 하였으며(제한 부분을 단지 최대 신호(max PWR)에서 잡는 경우에는 다이오드 감지회로의 부정확한 감지 때문에 실제 증폭기의 출력신호레벨은 최대 이하가 될 수 있다), 또한 출력신호 레벨과 기준 전압의 비교회로에서 발생되는 오차를 보상하기 위해, 전압 가변 감쇄기를 동작하는 시작범위를 (max +1)±1dB로 정한다. 즉, 전력 제한 기능이 동작하는 시점은 항상 최대 전력 이상이 된다. 출력 레벨을 일정하게 유지하는 범위는 +10dB 내외로 정하였다. 10dB의 경우는 10배의 출력에 해당하며, 만약 이 레벨 이상으로입력신호가 증가하면, 입력 신호 감지기(162)에서는 높은 전압을 발생하고, 프로세서(180)에서는 증폭기를 셧 다운 시킨다.

도 5의 경우는 다이오드 감지회로의 동작특성을 나타낸 것으로서, 출력 신호 레벨을 일정하게 유지하기 위해서는 입력 RF 신호에 대한 출력 전압값이 일정하게 유지되는 선형 범위를 선택할 필요가 있다. 즉, 입력신호의 변화에 대한 출력전압의 변화가 일정하지 않으면 전압 가변 감쇄기에서 정해지는 감쇄값을 정확하게 유지할 수 없어 결국은 증폭기의 출력 값이 흔들리는 결과를 초래한다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

종래에 자동이득조정 선형화기를 적용한 전력 증폭기의 입력단에 입력신호 감지부와 전압 가변 감쇄기를 추가하여 최대 출력 레벨 이상의 입력신호에 대해서도 일정한 출력 레벨을 유지할 수 있게 구성하였다. 그 결과, 전력 증폭기 측면에서는 과도한 입력신호에 대해 과전력 경보가 발생하지 않고 약 10dB 정도의 범위 동안 정상적으로 동작하며, 시스템 차원에서 과도한 입력신호에 의해 블록이 걸리고, 호가 절단되는 문제점을 막을 수 있다. 그러므로, 시스템의 효율적 운용과 호 절단으로 발생되는 금전적 손실을 막을 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 입력 신호를 저이득으로 증폭하는 저이득 증폭기;

   제 1 제어신호에 따라 상기 저이득 증폭기 출력신호의 전력을 제한하는 제 1 전압 가변 감쇄기;

   제 2 제어신호에 따라 상기 제 1 전압 가변 감쇄기의 출력신호의 위상 및 크기를 보상하는 오차 보상부;

   상기 오차 보상부에서 출력된 신호의 크기를 증폭시키는 전치 증폭기;

   최종적으로 원하는 신호 크기 레벨까지 증폭시키는 주 증폭기;

   상기 전치 증폭기에 입력되는 신호와 상기 주 증폭기에서 출력되는 신호의 크기와 위상을 비교하여 각 차이만큼의 전압신호로 변환시키는 신호 비교 및 변환부;

   상기 저이득 증폭기에서 증폭된 입력 신호를 감지하는 입력신호 감지부;

   상기 주 증폭기로부터 출력되는 신호를 감지하는 출력신호 감지부; 및

   상기 출력신호 감지부에서 감지된 신호레벨과 기준신호를 비교하여 상기 감지된 신호 레벨이 기준신호 레벨 보다 높은 경우 상기 제 1 전압 가변 감쇄기를 동작시키고, 상기 입력신호 감지부로부터 감지된 입력신호 레벨에 따른 전압 변화값에 반비례하도록 상기 제 1 제어신호를 상기 제 1 전압 가변 감쇄기에 제공하고, 상기 신호 비교 및 변환부에서 변환된 오차에 상응된 전압에 따라 상기 오차 보상부에 상기 제 2 제어신호를 출력하는 프로세서로 구성되어, 과도한 입력 신호에 의한 전력 증폭기의 과전력 경보 발생을 막는 것을 특징으로 하는 과전력 경보를 막기 위한 고전력 증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 오차 보상부는,

   상기 프로세서의 제어에 의해 입력신호와 출력신호 크기의 오차를 보상해주기 위한 제 2 전압 가변 감쇄기와;

   상기 프로세서의 제어에 의해 입력신호와 출력신호의 위상의 오차를 보상해주기 위한 전압 가변 위상 천이기로 구성된 것을 특징으로 하는 과전력 경보를 막기 위한 고전력 증폭기.