KR20020068735A

KR20020068735A - 전력증폭기의 선형화 장치 및 방법 그리고 그에 따른선형전력증폭기

Info

Publication number: KR20020068735A
Application number: KR1020010008987A
Authority: KR
Inventors: 김철동; 김홍기; 류지현
Original assignee: 세원텔레텍 주식회사
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2002-08-28

Abstract

본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 특히 비선형 전달 함수를 이용함으로서 비선형성을 개선하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기의 구현에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 입력된 신호를 주경로 및 보조 경로로 분배하는 입력신호 분배; 상기 주경로로 분배된 입력신호를 일정 정도 증폭하여 출력하는 입력신호 증폭; 상기 보조 경로로 분배된 입력신호의 제거, 그리고 상기 분배된 입력신호에 해당하는 혼변조 신호를 발생하는 혼변조 신호 발생; 상기 발생된 혼변조 신호의 세기 및 위상을 조정하는 혼변호 신호 감쇄 및 위상변환; 상기 세기 및 위상 조정된 혼변조 신호를 일정 정도 증폭하는 에러증폭; 상기 주경로 상에서 증폭된 입력 신호와 상기 보조경로 상에서 증폭된 혼변조 신호를 결합하여 출력하는 신호 결합; 을 수행하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 특징으로 한다.

Description

전력증폭기의 선형화 장치 및 방법 그리고 그에 따른 선형전력증폭기{APPARATUS FOR REMOVING A UNWANTED FREQUENCY BAND SIGNALS IN LINEAR POWER AMPLIFIER OF FEEDFORWARD TYPE AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 특히 비선형 전달 함수를 이용함으로서 비선형성을 개선하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기의 구현에 관한 것이다.

최근의 CDMA 방식 및 기타 방식의 셀룰러 이동통신시스템 등과 같은 통신시스템들의 경우, 신호 변조 방식으로 통상 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 또는 QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying) 등과 같은 선형 변조 방식을 채택함으로서 간섭(Interference)에 강하도록 하고 있으며 그에 따라 통신의 품질이 높아지도록 하고 있다. 이는 CDMA방식 외, 기타 통신 시스템들에 있어서도 공통적인 사항이 된다.

그러나, 상기 선형 변조 방식들은 그러한 장점을 가지고 있음에도 불구하고 일정 이상의 가입자 가입이 이루어질 경우, 이는 간섭을 증가시키게 되어 가입자들 모두에게 원할한 상태로 통신 서비스를 제공하는 것이 곤란하였다. 이는 또 다른 측면으로 가입자수 대비 주파수 대역의 부족 문제에 기인한 것으로, 이의 문제는 무선 주파수 대역의 추가적인 할당 외에는 별도의 해결이 있을 수 없게 된다.

이에, 최근에는 무선 주파수 대역의 추가적인 할당 없이도 다수의 가입자들로 원할한 통신 서비스 제공을 위해, 앞서와 같은 선형 변조 방식 외에 FA(Frequency Allocation) 할당 방식을 제안하여 실시하고 있다. 이는 이동통신시스템의 기지국으로 FA를 여러개 할당하는 방식이 되며, 한정된 무선 주파수 대역을 최대한 효율적으로 이용하도록 하는 방식이 된다.

이처럼, FA를 할당하는 방식이 보급되면서, 이동통신 시스템의 양방통신에 있어 기지국으로 필히 구비되는 송신용 전력증폭기로 보다 개선된 선형성이 요구되고 있다. 이에 통상은 별도의 선형화 장치를 전력 증폭기로 부가하여 전력증폭기 자체가 가지는 비선형성을 개선하도록 함으로서 전력증폭기의 선형성을 확보하고 있다.

앞서 설명에서는 CDMA 방식 및 그에 따른 FA 할당 방식의 통신 시스템으로 적용되는 전력증폭기의 선형성의 확보 문제를 대표적 실 예로서 언급하고 있으나, 그 외, 통상 전력증폭기가 적용되어 사용되는 무선 방식의 통신시스템 및 기기들 전반에 있어서도 상기 전력증폭기의 비선형성 개선 해당 통신시스템의 성능 향상에 매우 중요한 부분이 된다. 아울러, 다양한 형태로서 전력증폭기의 선형성 개선 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.

첨부된 도 1 및 도 2, 도 3 각각은 통상 사용되는 비선형성 개선을 위해 별도의 선형화 장치를 구성한 전력증폭기의 내부 구성을 보여주는 도면이다. 상기 도면상에 도시된 전력 증폭기들의 경우 모두 별도의 선형화 장치를 일정 형태로 구현한 후, 이를 대상이 되는 전력증폭기로 부가함으로서 전력증폭기가 가지는 비선형성을 극복하도록 하고 있다.

첨부된 도 1은 통상의 피드 포워드포워드(Feed-Forward) 방식에 따른 선형화 장치가 구성된 전력증폭기의 내부 구성도이다. 상기 전력증폭기를 통상 피드포워드선형 전력증폭기라 칭하고 있다.

상기 피드포워드 선형 전력증폭기의 경우, 인가되는 반송파 신호를 주 경로(Main Path)와 보조 경로(Sub Path)로 나눈 후, 주경로 상의 반송파 신호(혹은 톤신호 및 그에 상응하는 신호들)는 전력증폭기로서의 메인증폭기(Main Amp) 110을 통해 일정 레벨로 증폭 처리하여 출력한다. 상기 메인증폭기 110의 출력 신호들에 있어 혼변조 신호들은 커플러(Coupler) 112를 통해 선별 출력되고, 이는 다시 감쇄기(Attenuator) 113을 통해 일정 레벨 감쇄된다. 상기 감쇄된 신호는 상기 보조 경로로 나뉘어진 후 제1지연루프(1st Delay Loop) 122를 통해 지연된 신호와 상쇄커플러(Cancellation Coupler) 124를 통해 혼변조 신호의 상쇄에 따른 합성 처리가 이루어진다. 상기 상쇄커플러 124를 통해 합성 처리된 결과의 신호는 다시 에러증폭기(Error Amp) 126을 통해 에러 보정 및 증폭된다. 그리고 상기 에러 보정 및 증폭된 신호는 상기 주 경로 상에서 증폭 처리된 후 제2지연루프(2st Delay Loop) 114를 통해 소정 지연된 신호와 출력단(Output) 130을 통해 합성된 후 출력된다. 상기 합성을 통해 혼변조 왜곡 신호들이 상쇄된 상태로 출력된다.

이와 같은 동작의 실시 결과로서, 상기 도 1에 있어 도시된 피드포워드 선형 전력증폭기는 그 선형화 개선 효과가 상대적으로 뛰어난 것으로 현재에 있어 평가되고 있으며, 이로 인하여 상기 피드포워드 선형 전력증폭기는 가장 널리 사용되는 전력 증폭기가 되고 있다.

참고로, 실제 네트워크 분석기를 통한 측정치 결과를 보면 그 선형화 개선 정도가 통상 30dB 정도 갖는 것으로 알려지고 있다.

이는 통상의 선형 전력증폭기 대비 상당히 뛰어난 선형화 특성을 나타내는 수치가 된다.

그러나, 상기 피드포워드 선형 전력증폭기는, 신호 증폭시 혼변조 왜곡 신호와 동시에 발생될 수 있는 불요파 대역 신호들의 감쇄에 있어서는 그에 상응하는 적절한 효과를 가져다 주지 못하였다. 이는 피드포워드 선형 전력증폭기의 선형성 개선시 적절히 해소하지 못하는 문제점이 되었다.

또한, 상기 피드포워드 선형 전력 증폭기의 경우, 도면상의 구성 상태로서 유추할 수 있듯이, 그 내부 구성이 매우 복잡함을 알 수 있다. 내부 구성이 복잡함의 사실은 실제 상기 피드포워드 선형 전력증폭기를 상용화 제품으로 제작시 제품의 크기 증가. 제조 단가의 상승, 부품의 다수 사용 문제를 야기하도록 한다.

특히, 소형화된 통신기기의 사용이 필요할 경우, 상기 피드포워드 방식 선형 전력증폭기를 적용하는 것은 적절한 선택이 되지 않는다.

다음으로, 도 2는 비선형성 극복을 위해 기존 제안되어 실시되고 있는 전치왜곡(Pre-Distortion) 방식의 선형화 장치가 적용된 선형 전력증폭기의 내부 구성도이다. 이를 통상 전치왜곡 선형 전력증폭기라 칭하며, 이는 상기 도 1에 도시된 피드포워드 선형 전력증폭기와 또 다른 선형화 방식을 채택하고 있는 전력증폭기이다. 최근 상기 피드포워드 선형 전력증폭기와 더불어 가장 널리 사용되는 선형 전력증폭기가 되기도 한다.

상기 전치왜곡 선형 전력증폭기는, 인가되는 반송파 신호를 소정 전치왜곡부(Pre-Distorter) 210을 통해 미리 전치 왜곡 처리한다. 그리고 상기 전치왜곡 처리된 신호를 일정 레벨로 메인증폭기 212를 통해 증폭한 후 출력한다. 즉, 미리 전치왜곡 신호를 발생하여 이를 인가되는 신호에서 전치왜곡 신호 부분과 상쇄 처리한 후, 그 나머지 부분을 증폭하여 출력하는 방식이다.

상기 전치왜곡 선형 전력증폭기는 도면상의 그 구성 상태를 통해 유추할 수 있듯이, 그 내부 구성이 매우 단순한 특성을 갖는다. 이는 앞서 설명한 피드포워드 선형 전력증폭기 구성에 대비함으로서 보다 확연히 알 수 있는 사실이다.

따라서 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기는 보다 간소하고 소형화된 통신 시스템, 그리고 보다 제조 비용의 절감이 요구되는 상황에서 널리 사용되고 있다.

그러나, 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기의 경우, 선형성 개선 정도는 기타 선형 전력증폭기에 대비하여 상대적으로 부족하게 된다. 이러한 상황은 보다 높은 성능을 요하는 통신시스템으로 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기의 적용이 매우 곤란할 수 있을 것임을 인지시켜 준다.

더구나 CDMA 및 그에 상응하는 이동통신 시스템들의 경우 앞서 이미 설명된 상황에 근거 보다 높은 선형성 요구가 되는데, 그러한 통신 시스템들로 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기는 적합하게 사용되기 곤란하다.

참고로, 실제 스펙트럼 분석기를 통한 측정치 결과를 보면 그 선형화 개선 정도가 통상 5dB 내지 10dB 정도 갖고 있는 것으로 알려지고 있다. 이는 통상의 선형 전력증폭기 대비 선형화 정도가 상당히 낮은 상태에 있음을 보여주는 수치이다.

도 3은 상기 도 1 및 도 2에 있어 도시된 피드포워드 방식, 그리고 전치왜곡 방식 각각이 가지는 문제점들을 해소하고자 최근 새로이 제안된 선형화 장치가 적용된 선형 전력증폭기의 구성을 나타내는 도면이다. 통상 상기 도 3에 도시된 전력증폭기를 전치포워드(Pre-Forward) 선형 전력증폭기라 칭하고 있다.

상기 전치포워드 선형 전력증폭기는 상기 피드포워드 선형 정력증폭기의 선형화 개선 정도, 그리고 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기의 구성의 단순화를 동시에 만족하도록 하는 전력증폭기가 된다.

이는 인가되는 반송파 신호에 있어 보조 경로상의 신호와 포워딩된 메인증폭기 310의 출력 신호를 PWC 디지털 제어부 312로 인가 한 후, 그 결과를 통해 상기 메인증폭기 310로부터 출력되는 혼변조 신호 상쇄를 행하도록 한다.

상기 전치포워드 선형 전력증폭기는 미합중국 법인 "Paradigm Wireless Systems"사에 의해 제안되어 실시되고 있는 방식이다. 이의 상세한 동작 및 구성 내역은 인터넷 웹 사이트 "WWW.PWSCOM.COM"을 참조함으로서 알 수 있다.

한편, 상기 전치포워드 선형 전력증폭기 경우, 그 구성이 상기 피드포워드 선형 전력증폭기에 대비 간소하며, 아울러, 그 선형화 개선 정도는 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기와 유사한 것으로 평가되고 있다

즉, 상기 전치포워드 선형 전력증폭기는 그 구성의 단순함과 상대적인 선형화 개선 정도를 갖는 이점이 있으나, 아직 까지는 상기 피드포워드 선형 전력 증폭기 대비 선형화 개선 정도는 낮은 상태에 있게 된다.

이의 원인으로, 상기 "Paradigm Wireless Systems"사의 전치포워드 선형 증폭기는, 앞서 도 1을 참조로 설명된 피드포워드 방식을 보다 적절히 적용하지 못함에 그러한 것으로 파악되고 있다.

결국, 최근 이동통신 및 그에 상응하는 통신시스템으로 적용될 수 있는 전력증폭기로, 상기 피드포워드 선형 전력증폭기 이상 및 그에 상응하는 정도의 선형성, 그리고, 상기 전치왜곡 선형 전력증폭기 정도의 구성 단순화를 동시에 만족하도록 하는 전력증폭기의 요구는 지속적으로 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 가장 큰 목적은, 전력증폭기의 선형화 정도를 보가 개선할 수 있으며, 아울러 보다 간소화된 구성을 갖도록 하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 제공함에 있다.

본 발명의 보다 구체적인 목적은, 기존 피드포워드 선형 전력 증폭기가 가지는 포워딩의 효과에 따른 선형화 개선 정도를 만족하도록 하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 제공함에 있다.

또 다른 측면에서 본 발명의 목적은, 신호 처리시 전력증폭기가 발생하는 AM-AM 및 AM-PM의 세기 및 위상 왜곡을 비선형전달 특성을 이용 제거하도록 하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 제공함에 있다.

또 다른 측면에서 본 발명의 목적은, 통상의 선형 전력증폭기와 그에 부가 구성되는 선형화 장치의 비선형 전달함수를 도출하고, 도출된 결과를 이용하여 선형화 정도를 개선하는 전력증폭기의 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 제공함에 있다.

그 외, 본 발명의 목적은, 기존 피드포워드 및 전치왜곡 선형 전력증폭기가 가지는 이점, 즉, 선형화 개선 정도와 구성의 단순 정도 상호 모두를 만족할 수 있도록 하는 선형 전력증폭기에 있어서 부가되는 선형화 장치 및 그 방법, 그리고 그에 따른 선형 전력증폭기를 제공함에 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력된 신호를 주 경로 및 보조 경로로 분배하고, 상기 주 경로상의 신호를 상기 전력증폭기로 인가하는 분배기와; 상기 분배된 보조 경로상의 신호를 입력받아 제거하며, 상기 제거된 입력 신호에 해당하는 혼변조 신호를 발생하는 혼변조 발생기와; 상기 발생된 혼변조 신호의 세기 및 위상을 조정하는 가변 감쇄 및 위상변환기와; 상기 세기 및 위상 조정된 혼변조 신호를 일정 정도로 증폭하는 에러증폭기와; 상기 전력증폭기를 통해 증폭된 신호와 상기 에러증폭기를 통해 증폭된 혼변조 신호를 결합하여 출력하는 결합기로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 입력된 신호를 주경로 및 보조 경로로 분배하는 입력신호 분배 과정과; 상기 주경로로 분배된 입력신호를 일정 정도 증폭하여 출력하는 입력신호 증폭 과정과; 상기 보조 경로로 분배된 입력신호의 제거, 그리고 상기 분배된 입력신호에 해당하는 혼변조 신호를 발생하는 혼변조 신호 발생 과정과; 상기 발생된 혼변조 신호의 세기 및 위상을 조정하는 혼변호 신호 감쇄 및 위상변환 과정과; 상기 세기 및 위상 조정된 혼변조 신호를 일정 정도 증폭하는 에러증폭 과정과; 상기 주경로 상에서 증폭된 입력 신호와 상기 보조경로 상에서 증폭된 혼변조 신호를 결합하여 출력하는 신호 결합 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다 .

도 1은 비선형성 극복을 위해 기존 제안되어 실시되는 피드포워드(Feed-Forward) 방식 선형 전력증폭기의 내부 구성도.

도 2는 비선형성 극복을 위해 기존 제안되어 실시되는 전치왜곡(Pre-Distortion) 방식 선형 전력증폭기의 내부 구성도.

도 3은 비선형성 극복을 위해 기존 제안되어 실시되는 전치포워드(Pre-Forward) 방식 선형 전력증폭기의 내부 구성도.

도 4는 본 발명의 실시에 있어 제안되는 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수 설명에 있어 참조되는 통상의 비선형 전력증폭기를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 실시에 있어 제안되는 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수 설명에 있어 참조되는 상기 도 1에 도시된 비선형 전력증폭기의 I, Q 등가회로를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 실시에 있어 제안되는 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수 설명에 있어 참조되는 선형 전력증폭기의 구성도.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 비선형성 극복을 위해 제안되는 비선형 전달함수를 이용한 선형화장치가 부가된 선형 전력증폭기의 내부 구성도.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기로 구성되는 혼변조 신호 발생기(IMG)의 내부 구성 실 예를 보여주는 도면.

도 9a는 통상의 비선형 특성을 갖는 전력증폭기의 AM-AM 특성을 나타내는 도면.

도 9b는 통상의 비선형 특성을 갖는 전력증폭기의 AM-PM 특성을 나타내는 도면.

도 10a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기의 AM-AM 특성을 나타내는 도면.

도 10b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기의 AM-PM 특성을 나타내는 도면.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기의 C/I 개선 정도를 기존 비선형 특성을 갖는 전력 증폭기에 대비하여 나타내는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 부가된 참조 부호를 통해 본 발명을 설명함에 있어, 비록 다른 도면상에 표시된 참조 부호일 지라도 동일한 구성 요소를 나타내는 경우에는 동일한 참조부호를 사용하고 있음에 유의해야 한다.

또한 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 실시에 따른 선형화 장치, 그리고 상기 선형화 장치가 부가되어 구성된 비선형 전달 함수를 이용한 선형 전력증폭기의 설명에 앞서, 통상의 전력증폭기가 가지는 비선형성 및 그를 통한 비선형 전달 함수를 첨부된 도 4 및 도 5, 도 6을 참조함으로서 이하 설명한다.

상기 도 4는 본 발명의 실시에 있어 제안되는 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수를 설명함에 참조되는 통상의 비선형 특성을 가지는 전력증폭기를 나타내는 도면이며, 상기 도 5는 상기 도 1에 도시된 비선형 전력증폭기의 I, Q 등가회로를 나타내는 도면이다. 그리고, 상기 도 6은 본 발명의 실시에 있어 제안되는 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기에 있어 비선형 전달함수를 설명함에 참조되는선형 전력증폭기의 내부 구성을 나타내는 도면이다.

통상의 전력증폭기가 가지고 있는 비선형성은 AM(AmplitudeModulation) - AM(AmplitudeModulation)과 AM(AmplitudeModulation) - PM(PhaseModulation)으로 칭해지며 발생되는 세기 및 위상 왜곡을 통해 설명된다. 이는 "Stephen A. Mass, Nonlinear Microwave Circuits, Artech House, 1988 pp.1-16"을 참조함으로서 알 수 있다.

상기 전력 증폭기가 가지는 비선형성은 전력증폭기로 입력되어 통과되어 출력된 신호에 새로운 주파수 성분이 다량으로 포함되는 문제를 낳게 된다.

한편, 전력증폭기는 입력 신호가 증가됨에 따라, 즉 입력신호의 세기가 증가함에 따라 이득이 작아지고, 위상이 왜곡되는 현상을 야기하며, 이는 전력증폭기의 전형적인 현상이다.

상기 이득 및 위상 왜곡 현상을 설명함에 있어 상기 전력증폭기의 입력신호를 하기 수학식 1과 같이 표현한다.

그리고, 상기 도 4에 도시된 비선형 특성을 갖는 전력증폭기를 참조하여, 이득 압축 함수 (Gain Compression Function)를 a(v)라고 가정하고 위상 왜곡 함수를 p(v)라고 가정한다. 그러면 여파-출력(Filter-Out)된 신호를 제외할 경우, 상기 전력증폭기의 출력신호는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2에 나타낸 비선형 전력증폭기의 출력신호는 극형식 형태로 변환하여 나타낼 수 있으며, 상기 극형식 형태는 상기 비선형 전력증폭기의 비선형 전달특성을 나타낸다. 그리고 상기 극형식 형태는 다시 직교 좌표 형태로 변환이 가능하게 된다.

상기 수학식 2는 "Steve C. Cripps, RF Power Amplifiliers for Wireless Communications, Artech House, 1999, pp. 1-17"를 참조함으로서 알 수 있다.

상기 직교 좌표 형태로 변환된 형태를 상기 비선형 전력증폭기의 I,Q 비선형 전달함수라 할 수 있다. 그러한 경우, 상기 비선형 전력증폭기를 선형화 함에 있어서 선형화 장치의 전달함수가 상기 비선형 전력증폭기의 전달함수와 역을 가져야 하는 특성을 알 수 있게 된다.

참고로, 전체 선형 전력증폭기의 전달함수는 전력증폭기와 선형화 장치 전달함수의 수퍼포지션(Superposition)으로 나타낼 수 있다.

그리고, 상기 비선형 전력증폭기의 비선형 전달함수는 상기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 이는 삼각법 관계(Trigonometric Relationships)에 의해 하기 수학식 3과 같이 변형된다.

상기 수학식 3에서 i(v)는 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 상기 q(v)는 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

그리고, 상기 출력신호 는 상기 수학식 3에 나타낸 바와 같이 I,Q 비선형 전달함수로 표현이 가능하게 된다.

첨부된 도 5는 상기 도 4에 도시된 비선형 전력 증폭기의 비선형 전달함수를 I,Q 등가회로 형태로서 보여준다.

상기 도 5를 참조하면, 서로 다른 두 개의 I,Q Envelope 증폭기 510 및 520을 통과한 신호들 각각은 로컬발진기(Local Ocillator) 530으로부터 발진된 신호와혼합기(Mixer)들 512 및 522에 의해 상향변환(Up-Converting)된 후 출력된다. 상기 상향 변환된 신호들 각각은 90도 위상차를 두고 90도 하이브리드 커플러(90 deg hybrid coupler) 540, 즉 90도 방향성 결합기를 통해 결합되어 출력된다.

상기 결합되어 출력된 신호로서 상기 비선형 전력증폭기 통과한 신호가 표현된다.

따라서 전력증폭기의 I,Q 비선형 전달함수는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

이때, 통상 사용되는 스펙트럼 분석기를 이용하여 전력도메인 상에서 상기 전력증폭기로부터 측정된 데이터를 커브피팅(Curve Fitting)으로 계산하면 상기 i(v), 및 q(v) 는 다항식(Polynomial Equation) 형태로 나타낼 수 있다.

하기 수학식 7은 전력증폭기의 전달함수를 n차의 다항식(Polynomial Equation) 형태로 나타낸 것이다.

상술한 과정을 통해 상기 전력증폭기의 전달함수가 도출될 수 있다.

상기 도출된 전달함수를 참조할 경우, 첨부된 도 6에 도시된 바와 같은 선형 전력증폭기를 제안할 수 있다.

상기 도 6은 본 발명의 실시에 있어 제안되는 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수 설명에 있어 참조되는 선형 전력증폭기의 구성도가 된다.

이를 참조하면, 입력된 신호는 분배기 610을 통해 절반씩 나뉘어진다. 상기 나뉘어진 신호는 각각 전력증폭기 612와 선형화기 622를 통하며, 상기 전력증폭기 612와 상기 선형화기 622를 통한 신호는 다시 합성기 630을 통해 선형적으로 합성된 후 출력된다.

따라서, 상기 선형 전력증폭기의 전달함수를 구할 수 있으며, 이는 하기 수학식 8의 형태로서 나타낸다.

그리고 하기 수학식 9는 상기 선형화기 622의 전달함수를 나타낸다.

한편, 상기 전력증폭기 612를 선형화 시키기 위해서는 선형 전력증폭기 전달함수의 입력신호 세기와 무관한 상수를 가져야 한다.

따라서, 상기 선형화기 622의 전달함수는 하기 수학식 10 및 수학식 11에 나타난 계수 특성을 만족시켜야 한다.

이와 같은 수학식들을 통해 상기 선형 전력증폭기의 전달함수를 도출할 수 있다.

그리고, 상기 도출된 전달함수를 통해 본 발명의 실시에 따른 선형 전력증폭기를 구현할 수 있다.

첨부된 도 7은 바로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 비선형성 극복을 위해 제안되는 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기의 내부 구성도로서, 상기 도출된 선형 전력증폭기의 전달함수를 통해 제안되는 본 발명의 실시에 따른 선형화 장치가 구비된 선형 전력증폭기를 나타낸다.

상기 도 7을 참조함으로서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 증폭기의 선형화 장치 및 그에 따른 선형 전력증폭기의 구성을 이하 살펴본다.

먼저, 입력된 신호는 전력 분배기 710을 통해 주경로와 보조경로로 나뉘어진다. 상기 전력 분배기 710을 구현함에 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 "Wilkinson 2-way 전력 분배기"를 적용한다.

상기 주경로 상으로 나뉘어진 신호는 전력증폭기로서의 메인증폭기 712를 통해 일정 레벨 증폭된 후 출력된다. 참고로 상기 메인증폭기 712는 전력증폭기와 동일하며 설명의 편의 상 설명 상에서 메인증폭기 및 전력증폭기를 혼재하여 기술한다.

그리고, 상기 보조경로 상으로 나뉘어진 신호는 혼변조 발생기 722, 가변 감쇄 및 위상변환기 726을 거쳐 신호의 세기 조정 및 위상 조정이 이루어진다. 그리고 상기 세기 및 위상 조정된 신호는 에러 증폭기 728로 인가되어 일정 레벨 증폭된 후 출력된다.

상기 메인증폭기 712를 통해 증폭된 신호와 상기 에러 증폭기 728을 통해 증폭된 신호는 합성기(Coupler) 730을 통해 결합된 후 출력된다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어 상기 합성기 730은 10dB 합성기(Coupler) 가 적용된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기로 구성되는 혼변조 발생기의 내부구성을 보여주는 도면으로, 상기 도 7에 있어 도시된 선형 전력증폭기의 횬변조 발생기 722의 내부 구성을 상세히 보여주는 도면이다.

이를 참조하면, 상기 도시된 혼변조 발생기 722에는 비선형 소자인 Schottky 다이오드와 선형 소자인 저항을 방향성 결합기로 결합한다. 이를 통해 입력신호의 반송파(Carrier) 성분은 상쇄되고 혼변조 성분만 출력되도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 있어, 상기 정합회로는 도면상에 도시된 바와 같이 하나의 다이오드를 사용하도록 하며, 상기 하나의 다이오드를 통해 여러 개 서로 다른 비선형 전달 특성을 나타낼 수 있도록 구현된다.

상기 정합회로의 부가는 바로 서로 다른 비선형 전달 특성을 나타낼 수 있도록 함에 따른 구성이 된다.

그리고, 상기 혼변조 발생기로 입력되는 신호의 세기는 그 전단으로 부가되는 감쇄패드(Attenuation Pad)의 감쇄량을 이용하여 조정한다.

한편, 본 발명의 실시에 있어 상기 다이오드 전단의 상기 정합회로는 실시자의 요구에 따라 여러 가지 형태로서 변경될 수 있다. 또한 상기 혼변조발생기는 상기 다이오드 외 트랜지스터 등의 비선형성을 갖고 있는 다른 소자를 이용하여서도 실시될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시는 하나의 구성을 통해 요구되는 여러 가지 형태의 비선형 전달 특성을 획득될 수 있게 된다.

상기 획득된 여러 비선형 전달 특성에 있어 혼변조의 예측결과가 선형화 대상이 되는 전력증폭기와 가장 유사한 경우를 선택하도록 하며, 본 발명의 실시에 있어 가장 적합한 혼변조 상쇄 회로, 즉 선형화 장치를 구현할 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 혼변조 발생기의 실제 구현에 있어서는, 혼변조 신호들 중 가장 신호의 세기가 크며, 가장 비선형성 문제를 야기하는 3차 혼변조 신호만을 고려하도록 한다.

결국, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어, 상기 도 8에 도시된 바와 같은 혼변조 발생기를 통해 발생된 혼변조 신호는 이후 상기 도 7에 있어 도시된 가변감쇄기 724와 위상변환기 726을 통해 세기와 위상이 조정된 후, 상기 에러증폭기 728을 통해 다시 증폭된 후 출력되는 것이다.

그리고, 상기 에러증폭기 728을 통해 증폭되어 출력된 혼변조 신호는 상기 메인증폭기 712로부터 출력된 신호와 상기 합성기 730을 통해 결합되어 출력되는 것이다.

참고로, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제안된 선형 전력증폭기, 상기 도 7 상에 도시된 구성을 갖는 선형 전력증폭기는, 앞서 언급한 기존의 피드포워드(Feedforward) 선형 전력증폭기와 그 동작에 있어 일정정도 유사하게 된다.

이는 기존 피드포워드 방식이 가지는 높은 선형성 확보를 본 발명의 실시에 따른 선형 전력증폭기 상에서 달성하도록 함에 따른 것이다.

그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 선형 전력증폭기는 기존 피드포워드 방식과는 달리 메인증폭기의 출력단으로 별도의 지연회선(Delay Line) 혹은 지연루프(Delay Loop)를 더 부가하지 않아도 된다.

따라서, 본 발명의 실시에 따른 선형 전력증폭기는 기존 피드포워드 방식 대비 그 구성이 간소하게 되며, 아울러, 출력 전력의 불필요한 감쇄를 제거하도록 하게 되는 것이다.

결국, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 전력증폭기에서 메인증폭기와 선형화기의 비선형 전달함수는 각각 상기 수학식 7과 수학 식 9와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 전체 선형 전력증폭기의 비선형 전달 함수는 상기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

그리고, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 실제 구현된 회로에 있어 각 구성별 비선형 전달함수를 5차까지만 고려할 경우, 각각의 비선형 전달함수는 하기 수학식 12 및 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.

그리고, 전체 선형 전력증폭기의 비선형 전달함수는 각각의 전달함수의 Superposition이 되므로 하기 수학식 14와 같이 나타낸다.

하기 첨부된 표 1은 각 전달함수의 계수를 실제 계산하여 도출한 결과를 나타낸다. 상기 표 1은 상기 수학식 10과 수학식 11에 나타난 선형화 조건에 유사하게 만족시키는 계수 값들이 된다.

ORDER	POWER AMP.	LINEARIZER	LINEARPOWER AMP.
ORDER	REAL(a_P)	IMAG.(b_P)	REAL(a_L)	IMAG.(b_L)	REAL(a_LP)	IMAG(b_LP)
0	-10.2	14.9	-0.9	-2.8	-11.1	12.2
1	-36.6	-55.4	56.2	92.5	19.6	37.1
2	2359.2	5521.6	-3777.6	-7180.8	-1418.4	-1659.2
3	-53650.0	-209070.0	77390.0	2228000.0	23740.0	13730.0
4	588900.0	2532200.0	-681200.0	-2457200.0	-92300.0	75000.0
5	-2269500.0	-9982000.0	2215300.0	9131500.0	-54200.0	-850500.0

이를 참조하면, 선형화기의 상수항 계수들이 메인증폭기, 즉 전력증폭기의 상수항에 비해 상대적으로 작은 값을 가지며, 나머지 1차에서 5차까지의 값들은 상기 메인증폭기의 계수들과 비슷한 크기에 반대 부호를 가지는 특성이 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 선형 전력증폭기의 1차 이상의 계수들을 메인증폭기의 계수들과 비교해 보면 그 절대값이 상대적으로 많이 감소하였음의 사실 또한 알 수 있다. 이는 상기 메인증폭기가 그만큼 선형화 되었음을 의미하는 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 전력증폭기의 AM-AM, AM-PM 특성 각각이 첨부된 도 10a 및 도 10b에 그래프 형태로서 도시되어 있다.

도 9a 및 도 9b는 기존 전력증폭기의 AM-AM, AM-PM 특성 각각을 보여주는 그래프 형태의 도면이다.

상기 도면들의 그래프는 측정으로 얻어진 결과이다. 상기 결과는 상기 표 1의 계수를 이용해 극형식(Polar Form)으로 나타내었을 경우에 있어서도 거의 동일한 결과가 얻어진다.

상기 도면상에 도시된 그래프를 살펴보면, 본 발명의 바람직한 실시를 통해 20dB의 전력 범위에서 3.4dB의 이득압축(Gain compression)과 7.5의 위상왜곡(Phase distortion)을 나타내던 전력증폭기가 0.7dB의 이득압축(Gain compression)과 2.9 의 위상왜곡(Phase distortion)을 갖는 전력증폭기로 선형화 되었음을 알 수 있다.

아울러, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기의 C/I 개선 정도를 기존 비선형 특성을 갖는 전력 증폭기에 대비하여 나타내는 도면이다.

상기 도 11은 1.855GHz 대역에서 2-톤(tone) 신호의 입력에 따른 테스트 결과를 보여준다.

상기 도 11을 참조함으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 선형 전력증폭기의 C/I 개선정도는 40dBc 이상 됨을 알 수 있다. 이는 1dB 이득압축점(Pin= -20dBm/tone) 이하에서의 결과가 된다.

그리고, 상기 도 11을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 증폭기의 경우 그 선형화 개선 정도가 대략 15dB 정도 됨을 알 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 실시에 따른 선형 전력증폭기의 구현과 그 진행 과정을 살펴본다.

먼저, 전력증폭기의 비선형 전달함수를 추출하고, 추출결과를 통해 Two Tone 신호가 입력되는 상황에서 발생하는 혼변조 신호의 세기를 예측한다. 그리고 상기 예측 결과를 통해 본 발명의 실시에 따른 선형화 장치를 구현하도록 한다.

이하 정리하면, 통상 전력증폭기의 비선형성은 AM-AM과 AM-PM으로 표현되는데, 이를 통해 상기 전력증폭기와 등가 적인 I,Q축 상의 비선형성을 유도할 수 있다. 그리고 상기 유도된 결과를 이용하여 전력증폭기의 I,Q 비선형 등가회로를 통한 혼변조 발생 예측을 진행하도록 한다.

상기 혼변조 예측 진행에 있어, 2-톤(Tone) 신호 입력시 증폭기의 동작 영역(낮은 입력 범위 제외)에서 측정치와 1dB 이내의 오차를 가지고 혼변조를 예측하도록 한다.

그리고, 전력증폭기의 전달함수를 이용함으로서 선형화 정도가 개선되는 선형 전력증폭기를 구현하도록 한다.

본 발명의 실시에 따른 구성에서, 전력증폭기와 선형화기의 비선형 전달함수가 상수항을 제외하고 나머지 항의 크기는 같게 되고 부호는 반대가 되는 전달 특성을 갖게 됨을 알 수 있다.

상기 전달함수를 이용 20dB의 입력 변화 범위에서 3.4 dB의 이득압축(Gain Compression)과 7.5 도의 위상 왜곡을 나타내는 전력 증폭기를 0.7 dB의 이득압축(Gain Compression)과 3 도의 위상 왜곡을 갖는 전력증폭기로 선형화 시키게 된다.

이 때 상기 전력증폭기는 2-톤(Tone) 입력시 전체 동작 영역(1dB Compression Point 아래)에서 약 40 dBc 이상의 3차 혼변조 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.

그 외, 본 발명의 실시에 있어 2-톤(Tone) 신호뿐 만 아니라 더 많은 반송파(Carrier) 신호나 CDMA신호에 대해서적절한 방법으로 입력신호의 파형을 모델링 한다면 동일한 방식으로 혼변조 예측이 가능하게 된다.

또한 실시자는 선형화기의 구현에 있어서 선형화 조건을 만족시키도록 적절한 비선형 전달함수를 가지는 더욱더 적절한 선형화기 구현을 행할 수 있으며, 이 경우 보다 개선된 선형화 개선 정도를 갖는 선형 전력증폭기의 구현이 가능하게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

따라서, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시는, 전력증폭기의 선형화 정도를 보가 개선할 수 있으며, 아울러 보다 간소화된 구성을 갖는 선형 전력증폭기를 구현할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시는 기존 피드포워드 선형 전력 증폭기가 가지는 포워딩의 효과에 따른 선형화 개선 정도를 만족하도록 하며, 그에 비하여 구성의 단순성이 증가되는 선형 전력증폭기를 구현할 수 있는 이점이 있다.

Claims

전력증폭기의 선형화 장치에 있어서,

입력된 신호를 주 경로 및 보조 경로로 분배하고, 상기 주 경로상의 신호를 상기 전력증폭기로 인가하는 분배기와,

상기 분배된 보조 경로상의 신호를 입력받아 제거하며, 상기 제거된 입력 신호에 해당하는 혼변조 신호를 발생하는 혼변조 발생기와,

상기 발생된 혼변조 신호의 세기 및 위상을 조정하는 가변 감쇄 및 위상변환기와,

상기 세기 및 위상 조정된 혼변조 신호를 일정 정도로 증폭하는 에러증폭기와,

상기 전력증폭기를 통해 증폭된 신호와 상기 에러증폭기를 통해 증폭된 혼변조 신호를 결합하여 출력하는 결합기로 이루어짐을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
제1항에 있어서, 상기 분배기는,

2-웨이(Way) 전력 분배기로 구현됨을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
제1항에 있어서, 상기 혼변조 발생기는,

비선형 소자로서 쇼트키(Schottky) 다이오드와,

선형 소자로서 저항과,

상기 다이오드와 상기 저항을 결합함으로서 입력되는 신호의 반송파 성분을 제거하여 혼변조 신호를 출력하는 결합기를 더 구비하고 있음을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
제3항에 있어서, 상기 쇼트키(Schottky) 다이오드 및 저항은,

전단으로 정합회로를 더 부가하고 있음을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
제3항에 있어서, 상기 결합기는,

90도 방향성 결합기로 구현됨을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
제1항에 있어서, 상기 혼변조 발생기는,

감쇄량을 통해 입력되는 신호의 세기를 조정하는 감쇄패드를 더 구비하고 있음을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 장치.
비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기에 있어서,

입력되는 신호를 두 경로로 분배하는 분배기와,

상기 분배된 신호에 있어 어느 한 경로의 신호를 하기 수학식 15의 전달함수 특성에 따라 처리하여 증폭 출력하는 전력증폭기와,

상기 분배된 신호에 있어 또 다른 경로의 신호를 하기 수학식 16의 전달함수 특성에 따라 선형화 처리하여 출력하는 선형화 장치와,

상기 전력증폭기 및 상기 선형화장치의 출력을 각각 입력받아 하기 수학식17에 따른 전달함수 특성을 갖도록 결합하여 출력하는 결합기로 이루어짐을 특징으로 하는 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기.

여기서, 상기 i(v) 및 q(v)는{v}_{out}(t)의 삼각법 관계(Trigonometric Relationships)에 따라 각각및가 되며,

상기는 상기 전력증폭기의 전달함수,

상기은 상기 선형화 장치의 전달함수,

상기는 상기 선형 전력증폭기의 전달함수가 됨.
제7항에 있어서, 상기 선형화 장치는,

하기 수학식 18의 계수 특성을 만족하는 전달함수 특성에 따라 입력되는 신호를 선형화 처리하여 출력함을 특징으로 하는 비선형 전달함수를 이용한 선형 전력증폭기
전력증폭기의 선형화 방법에 있어서,

입력된 신호를 주경로 및 보조 경로로 분배하는 입력신호 분배 과정과,

상기 주경로로 분배된 입력신호를 일정 정도 증폭하여 출력하는 입력신호 증폭 과정과,

상기 보조 경로로 분배된 입력신호의 제거, 그리고 상기 분배된 입력신호에 해당하는 혼변조 신호를 발생하는 혼변조 신호 발생 과정과,

상기 발생된 혼변조 신호의 세기 및 위상을 조정하는 혼변호 신호 감쇄 및 위상변환 과정과,

상기 세기 및 위상 조정된 혼변조 신호를 일정 정도 증폭하는 에러증폭 과정과,

상기 주경로 상에서 증폭된 입력 신호와 상기 보조경로 상에서 증폭된 혼변조 신호를 결합하여 출력하는 신호 결합 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 방법.
제9항에 있어서, 상기 입력신호 분배 과정은,

2-웨이(Way) 전력 분배 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 방법.
제9항에 있어서, 상기 혼변조 신호 발생 과정은,

입력되는 신호를 감쇄량을 통해 조정하는 입력신호 세기 조정 과정과,

상기 세기 조정된 입력신호의 반송파 성분을 제거하는 반송파 성분 제거 과정과,

상기 반송파 성분 제거된 입력신호를 혼변조 신호로서 출력하는 혼변조 신호 출력 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전력증폭기의 선형화 방법.
비선형 전달함수를 이용한 전력증폭기의 선형화 과정에 있어서,

입력되는 신호를 두 경로로 분배하는 분배 과정과,

상기 분배된 신호에 있어 어느 한 경로의 신호를 하기 수학식 19의 전달함수 특성에 따라 증폭 출력하는 입력신호 증폭 과정과,

상기 분배된 신호에 있어 또 다른 경로의 신호를 하기 수학식 20의 전달함수 특성에 따라 선형화 처리하여 출력하는 입력신호 선형화 과정과,

상기 증폭 및 선형화되어 출력된 신호 각각을 입력받아 하기 수학식 21에 따른 전달함수 특성을 갖도록 결합하여 출력하는 결합 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 비선형 전달함수를 이용한 전력증폭기의 선형화 방법.

여기서, 상기 i(v) 및 q(v)는의 삼각법 관계(Trigonometric Relationships)에 따라 각각및가 되며,

상기는 상기 입력신호 증폭 과정에서의 전달함수,

상기은 상기 선형화 과정에서의 전달함수,

상기는 상기 결합 과정에서의 전달함수가 됨.
제12항에 있어서, 상기 선형화 과정은,

하기 수학식 22의 계수 특성을 만족하는 전달함수 특성에 따라 입력되는 신호를 선형화 처리하여 출력하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 비선형 전달함수를 이용한 전력증폭기의 선형화 과정.