KR20010081045A - 정이득, 정위상 무선 주파수 전력 블록 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예를 들어, RF 증폭기 장치에서 사용하기 위한 정이득, 정위상 RF 전력 블록에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 전력 블록은 공통 히트 싱크상에 RF 전력 트랜지스터 장치와 공통 위치되는 DC/DC 전원 회로를 포함한다. 전원 회로는 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는다. RF 전력 트랜지스터 장치는 입력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖고, RF 신호를 수신 및 증폭하도록 또한 구성된다. 전원 회로는 바람직하게는 정전원 전압을 설정하는 제 1 레이저 트림 가능 저항과, 바이어스 전압을 설정하는 제 2 레이저 트림 가능 저항을 포함한다. 이러한 방법으로, 정전원 및 바이어스 전압은 전력 블록 장치를 조립하는 동안 원하는 레벨로 쉽게 동조될 수 있다. 입력 및 증폭된 RF 신호는 비교적 높은 임피더스 예를 들어, 대략 50Ω에 일치된다.

Description

정이득, 정위상 무선 주파수 전력 블록{CONSTANT GAIN, CONSTANT PHASE RF POWER BLOCK}

예를 들어, 무선 통신 네트워크의 증폭기와 같은 무선 주파수(RF) 전력 트랜지스터의 사용은 널리 공지되어 있다. 개인 휴대 통신 서비스(PCS)와 같은 무선 서비스에 대한 최근 상당히 증가한 요구로 인해, 무선 네트워크의 동작 주파수가 상당하게 증가되어, 현재 기가 헤르츠(GHz)에 이르고 있다. 이러한 높은 주파수에서, RF 전력 트랜지스터 증폭기 장치의 일관된 성능 특성이 더욱 더 복잡하게 되었다.

특히, RF 증폭기는 CDMA, HDTV, WCDMA, GSM 등과 같은 새로운 디지털 시스템의 요구를 충족시키기 위해 고도의 선형 성능을 필요로 한다. 메인(main) 전력이 작동하지 않고 백업 DC 배터리가 파손되어 있을지라도, 전력 트랜지스터 장치가 동일한 출력 특성을 유지할 것으로 기대되기 때문에, 셀룰러 시스템에서 특히 필요하다. 그러한 백업 DC 배터리 시스템에 의해 공급되는 전압이 광범위하게 변화할 수 있기 때문에 이것은 문제로 된다.

장치가 갖는 고유 변수 때문에, RF 전력 트랜지스터를 대량으로 생산하는 것 또한 문제점이다. 특히, 트랜지스터 장치는 특히 가변 입력 전압에 대해 신호 위상 편이 및 출력 이득에서 고유 변화를 갖는다. 따라서, 상업적인 실시에 있어서, 예상되는 동작 전압의 범위에 대해 각각의 RF 트랜지스터 장치를 먼저 특징지우고, 이어서, 원하는 출력 이득 및 위상을 전달하도록 장치를 "동조"시키려고 시도하는데 상당한 시간 및 노력이 필요하다. 그러나, 트랜지스터가 동일한 동작 전압 변화에 대해 상이한 이득 및/또는 위상 변화를 종종 나타낸다는 사실 때문에, 트랜지스터 장치를 성공적으로 동조시키는 능력은 제한된다.

하나의 공지된 기술은 트랜지스터 출력을 더 높은 임피던스 예를 들어, 50 Ω에 일치시키는 것이고, 이러한 기술은 상이한 증폭기 회로 구성에 위치됨으로써 야기되는 이득 또는 위상의 변화의 가능성을 크게 감소시킨다. 이러한 기술이 상이한 트랜지스터 장치 사이의 일정한 성능 이득 및 위상 지연 출력을 입증하는데 있어서의 문제점을 크게 감소시킬 수 있지만, 문제점을 완전하게 해결하지는 못한다. 이것은 충분히 큰 샘플 크기를 취하는 경우에, 모든 RF 트랜지스터가 임의의 특정 전압에 대해 이득 및 위상 지연 변화를 갖기 때문이다. 이러한 변화는 개량된 RF 증폭기의 대량 생산을 과도하게 시간 소비적이고 고가이게 할 수 있다. 또한, 기지국이 메인 전력을 잃어 배터리 백업 상태로 갈 때와 같이, 증폭기에 제공되는 동작 전압이 변화하는 경우에, 장치에서의 이득 및 위상 지연 변화는 시간 소비적이고 고가의 개별적인 "트라이 및 페일(try and fail)" 동조 없이는 알 수 없다.

설명할 목적으로, 두 개의 RF 트랜지스터 장치가 28 V dc의 입력 전압에서11dB의 출력 이득, 6도 위상 변화를 갖도록 동일한 증폭기 회로에서 각각 동조될 수 있을지라도, 27.5 V dc로의 입력 전압의 강하는 예를 들어, 10.9 dB 및 6도 위상 지연으로의 하나의 변화와, 10.7 dB 및 5.8도 위상 지연으로의 또 다른 변화의 출력을 갖는 각각의 RF 트랜지스터에서 상이한 결과를 초래한다. 트랜지스터 장치 사이의 동작 특성에서의 이러한 차이는 RF 트랜지스터의 생산자 및 사용자에게 있어 문제점이 된다.

따라서, 입력 전압의 넓은 변화에 대해 정이득 및 위상 지연 출력을 갖는 RF 전력 트랜지스터 증폭기 장치를 제공하는 것이 유리하다.

본 발명은 일반적으로 전력 트랜지스터 분야에 관한 것으로, 특히, 예를 들어, 높은 주파수 무선 통신 네트워크의 기지국 수신기에서 사용하기 위한 정이득, 정위상 RF 전력 트랜지스터 블록을 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제공되는 정이득, 정위상 RF 전력 블록의 간략화한 블록도.

도 2는 전력 블록의 각각의 dc/dc 컨버터 및 RF 트랜지스터 구성 요소에 대한 공통 히트 싱크의 사용을 도시하는, 바람직한 정이득, 정위상 지연 RF 전력 블록의 기본 설계의 부분 측면도.

도 3은 도 2의 RF 전력 블록에서 사용하기 위한 바람직한 dc/dc 컨버터 회로의 개략도.

도 4는 도 2의 RF 전력 블록에서 사용하기 위한 바람직한 RF 증폭기 회로의 개략도.

제 1 양상에 따라, 본 발명은 예를 들어, RF 증폭기 장치에서 사용하기 위한 정이득, 정위상 RF 전력 블록을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 전력 블록은 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 DC/DC 전원 회로를 포함한다. 전력 트랜지스터 회로는 전원 회로에 인접하게 제공되고, 전력 트랜지스터 회로는 입력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖고, RF 신호를 수신 및 증폭하도록 또한 구성된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 전원 회로는 전원 및 바이어스 전압 레벨을 설정하는 수단을 포함한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 제 1 레이저 트림 가능 저항이 전원 전압을 설정하기 위해 제공되고, 제 2 레이저 트림 가능 저항이 바이어스 전압을 설정하기 위해 제공된다. 이러한 방법으로, 정전원 및 바이어스 전압은 전력 블록 장치를 조립하는 동안 원하는 레벨로 쉽게 동조될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 전원 및 바이어스 전압은 각각의 포텐셔미터를 사용하여 설정된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 전원 회로는 세픽(sepic) 컨버터(즉, 입력 전압을 승압 또는 감압시키는) 또는 순방향(forward) 컨버터(즉, 입력 전압을 감압시키는)를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 입력 및 증폭된 RF 신호는 비교적 높은 임피던스 예를 들어, 바람직한 실시예에서 대략 50Ω에 각각 일치된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명은 히트 싱크(heat sink)를 포함하는 증폭기 장치를 제공한다. 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 DC/DC 전원 회로는 히트 싱크에 고정되는 변압기 하우징을 포함한다. 입력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 전력 트랜지스터 장치는 히트 싱크에 고정되는 장착 플랜지(mounting flange)를 포함한다. 본 발명의 또 다른 양상에 따라, 변압기 하우징 및 플랜지는 서로 근접하게 히트 싱크에 부착된다.

당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 본 발명의 또 다른 양상 및 장점은 이하에서 나타난다.

본 발명의 바람직한 실시예가 제한하려는 목적이 아니라 예시할 목적으로 첨부한 도면에 도시되어 있고, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호가 부여되어 있다.

도 1을 참조하면, 바람직한 정이득, 정위상 지연 RF 전력 블록(20)은 통상적으로 입력으로서 가변 DC 전압(26)과, 출력으로서 정전원 전압(28) 및 정바이어스 전압(30)을 갖는 DC/DC 전원 회로(22)를 포함한다. 전원 회로(22)는 승압, 감압 또는 세픽 컨버터일 수 있고, 즉, 상기 컨버터는 출력 전원 전압(28)을 발생시키도록 입력 전압(26)을 승압 또는 감압할 수 있다.

하나의 예로서, 하나의 바람직한 실시예에서, 전원 회로(22)는 9에서 36 볼트 DC의 범위까지 변화할 수 있는 입력 전압(26)으로부터 대략 28 V DC의 정출력 전압을 제공할 수 있는 세픽 컨버터를 포함한다. 또 다른 예로서, 또 다른 바람직한 실시예에서, 전원 회로(22)는 36에서 72 V DC의 범위까지 변화할 수 있는 입력 전압(26)으로부터 대략 28 V DC의 정출력 전원 전압을 제공할 수 있는 감압 컨버터를 포함한다. 당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 임의의 수의 컨버터 토폴로지(topologies)가 사용될 수 있는데, 상기 컨버터 토폴로지는 다중 컨버터 토폴로지를 포함하고, 소정의 응용에서 볼 수 있는 특정 입력 전압 범위 및 요구되는 출력 전원 전압(28)에 따른다.

일반적으로, RF 전력 블록(20)은 입력으로서 정전원 전압(28) 및 정바이어스 전압(30)을 각각 갖는 RF 전력 트랜지스터 회로(24)를 또한 포함한다. 전력 트랜지스터 회로(24)는 또 다른 입력으로서, RF 신호 입력(32)을 수신하도록 구성되고, 여기서, RF 신호(32)는 전력 트랜지스터 회로(24)에 의해 증폭되어 출력(34)된다.

일반적으로 비교적 낮은 임피던스에서 동작하는 트랜지스터 회로(24)를 더욱 안정화시키기 위해, RF 입력 신호(32) 및 (증폭된) 출력 신호는 모두 비교적 높은 임피던스 예를 들어, 바람직한 실시예에서 50Ω에 일치된다.

제 1 레이저 트림 가능 저항(40)은 전원 전압을 설정하기 위해 사용되고, 제 2 레이저 트림 가능 저항(42)은 바이어스 전압을 설정하기 위해 사용된다. 이러한 방법으로, 조립하는 동안, 전원 및 바이어스 전압 출력(28 및 30)은 각각의 저항(40 및 42)의 일부분의 레이저 절삭(ablation)에 의해 조정(또는 "동조")될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예(도시 생략)에서, 전원 및 바이어스 전압은 각각의 퍼텐셔미터를 사용하여 설정될 수 있다.

종래의 기술에 대해 RF 전력 블록(20)의 장점은 RF 출력 신호(34)의 이득 및 위상 지연이 광범위한 입력 전압에 대해 일정하게 유지될 수 있다는 것이다. 증폭기 장치에 RF 전력 블록(20)을 배치하기 전에, 각각의 전원 및 바이어스 전압(28및 30)은 원하는 이득 및 위상 지연을 증폭된 RF 신호(34)에 제공하도록 동조(즉, 각각의 저항(40 및 42)의 일부분을 절삭함으로써)되는 것이 바람직하다. (전술한 바와 같이) 각각의 RF 전력 트랜지스터는 약간 상이한 성능 특성을 갖기 때문에, 각각의 입력 전압(28 및 30)은 장치 사이의 동일한 이득 및 위상 지연 출력을 얻기 위해 또한 변화할 수 있다. 다시 말해, 소정의 RF 전력 트랜지스터에서의 변화는 상기 트랜지스터가 "나타내는" 전압을 조정함으로써 보상된다.

하나의 예로서, 두 개의 예시적인 RF 전력 블록(20 및 20'로서 표시됨)이 이하의 특성을 갖는다. 블록 20에서, 11dB의 정출력 이득 및 6.2도 위상 지연을 얻기 위해, 입력 전원 및 바이어스 전압은 28.2 V 및 3.5 V로 각각 동조된다. 블록 20'에서, 11 dB의 동일한 정출력 이득 및 6.2도의 위상 지연을 얻기 위해, 입력 전원 및 바이어스 전압은 27.9 V 및 3.3 V로 각각 동조된다. 그러나, 본 발명의 이러한 양상의 장점은 초기 입력 전압(28 및 30)이 동조되면, 출력 이득 및 위상이 상이한 장치 사이에서 및 광범위한 입력 전압에 대해 실질적으로 동일해진다는 것이다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 또 다른 양상이 이하에 기술된다.

RF 전력 블록(50)을 포함하는 증폭기 장치는 예를 들어, 구리 또는 알루미늄으로 제조되는 금속 히트 싱크(52)를 포함한다. 히트 싱크의 상부에는 인쇄 회로(pc) 기판(58)이 접착된다. RF 전력 블록(50)의 변압기 하우징(54) 및 RF 전력 트랜지스터 장치(56)를 각각 수용하도록 히트 싱크(52)에 형성되는 장치 우물(55 및 57)을 갖는 히트 싱크(52)의 다른 부분은 노출되어 있다. 특히, 변압기 하우징(54)의 하부 표면(53)은 (예를 들어, 땜납, 나사 또는 임의의 다른 허용되는방법에 의해) 장치 우물(55)의 히트 싱크 표면에 부착된다. 트랜지스터 장치(56)의 장착 플랜지(51)의 하부 표면(59)은 장치 우물(57)의 히트 싱크 표면에 유사하게 부착된다.

변압기 하우징(54)은 리드(62 및 64)를 갖고, 트랜지스터 장치(56)는 pc 기판(58)에 결합된 리드(66 및 68)를 갖고, 여기서, 각각의 리드(62,64,66,68)는 단지 예시하기 위해 도시되어 있다. 실제로, 각각의 장치(54 및 56)는 특정 실시예에 따라, pc 기판에 결합되는 복수의 다른 리드를 갖는다. 전력 블록(50)은 pc 기판(58)상에 배치되고, 하나 이상의 리드(62 및 64)를 통해 변압기 하우징(54)의 변압기(도시 생략)에 결합되는 전원 제어 회로(70)를 더 포함한다. 바이어스 제어 회로(72)가 변압기 하우징(54) 및 RF 트랜지스터 장치(56) 사이에서 pc 기판상에 위치되어, 하나 이상의 리드(62 및 64)를 통해 변압기에 그리고, 하나 이상의 리드(66 및 68)를 통해 트랜지스터 장치에 접속된다. 또 다른 RF 신호 처리 회로(74)가 하나 이상의 리드(66 및 68)를 통해 전력 트랜지스터 장치(56)에 또한 결합된다.

당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, RF 전력 블록이 사용되는 특정 응용에 따라 예를 들어, 플레이너(planar) 또는 인터그레이티드 마그네틱(integrated magnetics)과 같은 또 다른 전원 구성 기술이 사용될 수 있다.

RF 전력 트랜지스터 장치와 같이, 변압기(그에 따른 하우징(54))는 상당한 열을 발생시키므로, 직접 히트 싱크 접촉을 필요로 한다. 히트 싱크(52)가 통상의 RF 장치 가격의 실질적인 부분을 나타내기 때문에, 장치(54 및 56)를 모두 동일한히트 싱크(52)상에 공통 배치하는 것은 상당한 가격 절감을 제공한다.

도 3 및 4는 본 발명의 바람직한 RF 전력 블록(20)의 개략도이고, 도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기 위해 제공된다. 여기서, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호가 부여되어 있다. 일반적으로, 전원 회로는 1차측 권선(82) 및 하나 이상의 2차 권선(84)을 갖는 변압기(80)를 포함한다. 전원의 동작은 PWM 제어 회로(88)에 의해 동작되는 1차 권선 트랜지스터 스위치(86)에 의해 제어된다. 출력 바이어스 전압은 트랜지스터(90)를 통해 설정된다.

또 다른 실시예에서, 예를 들어, 장치의 실제 이득 및 위상 지연의 피드백 모니터링(monitoring)에 기초하여 PWM 제어기(88)의 듀티 사이클(duty cycle)을 조정함으로써, 전원 및 바이어스 전압을 동적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 시스템은 전력 블록의 이득 및 위상 지연을 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 하지만, 이러한 시스템을 실시하는 데에는 더 많은 비용을 필요로 한다.

정이득, 정위상 지연 RF 전력 블록의 바람직한 실시예 및 응용이 도시 및 설명되어 있지만, 당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 많은 변경 및 응용이 본 발명의 개념에서 벗어남 없이 가능하다.

따라서, 개시된 본 발명의 범위는 첨부한 청구 범위에 따라 제한되는 것 외에는 제한되어서는 안된다.

Claims (15)

1. 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 DC/DC 전원 회로, 및

   입력으로서 전원 및 바이어스 전압을 갖고, RF 신호를 수신 및 증폭하도록 또한 구성되는 RF 전력 트랜지스터 회로를 포함하는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원 회로는 세픽(sepic) 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원 회로는 감압(step down) 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원 회로는 승압(step up) 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.
5. 히트 싱크,

   입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖고, 상기 히트 싱크상에 고정되는 변압기 하우징을 포함하는 DC/DC 전원 회로, 및

   입력으로서 전원 및 바이어스 전압을 갖고, 상기 변압기 하우징에 근접하게 상기 히트 싱크에 고정되는 플랜지를 포함하는 RF 전력 트랜지스터 장치를 포함하는 증폭기 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전력 트랜지스터 장치는 또 다른 입력으로서 RF 신호를 수신하고, 상기 RF 신호를 증폭하고, 출력으로서 상기 증폭된 RF 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 입/출력 RF 신호는 높은 임피던스에 각각 일치되는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 입/출력 RF 신호는 대략 50Ω의 임피던스에 각각 일치되는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 전원 회로는 전원 전압을 동조시키는 수단 및 바이어스 전압을 동조시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 전원 및 바이어스 전압 동조 수단은 상기 전원 전압을 설정하는 제 1 레이저 트림 가능 저항 및 상기 바이어스 전압을 설정하는 제 2 트림 가능 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
11. 히트 싱크,

    입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖고, 상기 전원 전압을 설정하는 수단과, 상기 바이어스 전압을 설정하는 수단과, 히트 싱크에 고정되는 하우징을 포함하는 DC/DC 전원 회로,

    입력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖고, 히트 싱크에 고정되는 플랜지를 포함하고, 또 다른 입력으로서 RF 신호를 수신하고, 상기 RF 신호를 증폭하고, 출력으로서 상기 증폭된 RF 신호를 제공하도록 또한 구성되는 RF 전력 트랜지스터 장치를 포함하는데,

    상기 입/출력 RF 신호는 비교적 높은 임피던스에 각각 일치되는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 입/출력 RF 신호는 대략 50Ω의 임피던스에 각각 일치되는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 전원 하우징 및 플랜지는 서로 근접하게 상기 히트 싱크에 부착되는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
14. 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 DC/DC 전원 회로,

    입력으로서 전원 및 바이어스 전압을 갖고, RF 신호를 수신 및 증폭하도록 또한 구성되는 RF 전력 트랜지스터 회로를 포함하는데,

    상기 전원 회로는 전원 전압을 설정하는 제 1 레이저 트림 가능 저항과, 바이어스 전압을 설정하는 제 2 레이저 트림 가능 저항을 포함하는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.
15. 입력으로서 가변 DC 전압과, 출력으로서 정전원 전압 및 정바이어스 전압을 갖는 DC/DC 전원 회로,

    입력으로서 전원 및 바이어스 전압을 갖고, RF 신호를 수신 및 증폭하도록또한 구성되는 RF 전력 트랜지스터 회로를 포함하는데,

    상기 전력 트랜지스터 회로는 증폭된 RF 신호를 출력하고, 상기 입/출력 RF 신호는 높은 임피던스에 각각 일치되는 정이득, 정위상 지연 RF 이득 블록.