KR200225410Y1 - 고주파 전력 합성 증폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 고주파 전력 합성 증폭 장치에 관한 것으로, 그 내부로 적어도 한 개 이상 구비되는 고주파 선형 전력 증폭기의 장애 발생에 따른 전력 합성 손실 문제를 해소하는 고주파 전력 합성 증폭 장치에 관한 것이다. 이러한 본 고안은 2n (n=1,2,3, ... ,n) x 2n 하이브리드 매트릭스(또는 버틀러 매트릭스) 형태의 콤바이너/디바이더(type combiner/divider) 와, 상기 콤바이너/디바이더의 신호 입력 및 출력 경로를 각각 스위칭하는 (2n)P(2n+1)T의 고주파 스위치와, 상기 (2n)P(2n+1)T의 고주파 스위치의 스위칭 경로 상으로 전송되는 고주파 신호를 증폭하는 고주파 선형 전력 증폭기와, 상기 고주파 선형 증폭기의 동작 장애 발생을 감지하여 그에 따라 상기 고주파 스위치의 스위칭을 제어하는 장애 발생 감지 및 스위칭 제어부와, 상기 고주파 스위치의 스위칭 제어에 따라 형성된 신호 입력 및 출력 경로상의 고주파 신호를 증폭하는 리던던시 고주파 선형 전력 증폭기로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

고주파 전력 합성 증폭 장치{A HIGH BAND FREQUENCY POWER COMBINER AMPLIFING APPARATUS}

본 고안은 고주파 전력 합성 증폭 장치에 관한 것으로, 그 내부로 적어도 한 개 이상 구비되는 고주파 선형 전력 증폭기의 장애 발생에 따른 전력 합성 손실 문제를 해소하는 고주파 전력 합성 증폭 장치에 관한 것이다.

최근의 이동 통신 기술의 발전에 기인하여, 기존 사용되었던 아날로그 방식의 신호 처리 외에 디지털 방식의 신호 처리 기술이 새로이 제안되어 실시되고 있다. 실 예로서, 기존 FM방식 등 아날로그 방식으로 무선 신호를 처리하는 이동 통신 장비들의 사용은 줄어들고, CDMA나 TDMA 방식 등과 같은 디지털 방식으로 무선 신호를 처리하는 이동 통신 기술의 실시가 이루어지고 있다.

그러한, 디지털 방식의 이동 통신 기술에 따라 제조되는 이동통신 장비들은, 크게 기지국 및 중계기, 그리고 단말기 등으로 구성되는데, 이들의 경우 통상 모뎀을 통해 얻어진 소전력의 디지털 변조신호를 증폭하여 안테나로 공급하도록 하는 동작을 행한다. 그러한 동작을 행하는 기기를 통상 고주파 전력 증폭기라 칭한다. 상기 고주파 전력 증폭기는 안테나에 충분한 전력세기를 갖는 신호가 공급될 수 있도록 그에 따른 신호의 증폭을 이루는 동작을 행하는 장치가 되며, 이는 RF(Radio Frequency) 및 MW(Microwave) 주파수 대역의 고주파 신호의 전력세기를 증폭하는 장치가 된다.

이러한 상기 고주파 전력증폭기는 단지 한 개 구비되어 RF 및 MW 시스템에 적용되어 실시되는 경우가 있으나, 이동 통신 등 기지국이나 중계기 등에 사용되는 전력 증폭기의 경우 그의 가격 및 크기, 기술 등의 제약에 따라, 여러개의(n개의) 전력 증폭기(P₀Watt급)를 사용할 수밖에 없다. 그리고 여러개의 전력 증폭기(n-way)를 사용함에 별도의 전력 합성기(power combiner)를 이용하여 전력을 합성함으로서 보다 더 큰 전력 (n x P₀Watt)을 발생하도록 하고 있으며, 그러한 증폭장치를 이용하는 것이 일반적이다.

또한 이동통신용 기지국 및 중계기 등의 시스템에서는 3섹터(sector) 또는 6섹터(sector) 등의 멀티-섹터(multi-sector)방식을 사용하는데, 종래 기술에 있어서는 2n개의 전력증폭기를 m개의 ( 1 ≤ m ≤ 2n )입력단자 m개의 출력단자를 갖는 고주파 전력 합성장치를 사용한다. 이는 다중-입력/다중-출력(multi-input/multi-output) 전력 합성장치로서 구성되어 사용된다.

그리고, 도 1a에 도시된 바와 같은 통상의 전력합성장치인 윌킨슨(Wilkinson), 90˚ Hybrid, Switchable type divider/combiner를 입/출력 갯수( m개 ) 만큼 복수 개를 사용하여 실시하도록 하고 있다.

상기 도 1a에 있어 도시된 바와 같은 고주파 전력 합성 증폭 장치의 구성은, 복수개의 전력증폭기를 한 조의 divider/combiner를 사용하여 한 개의 입/출력 경로를 이루며, 복수개의 입/출력 경로가 필요할 경우 필요한 만큼의 경로를 임의로 증설하면 된다.

그러나 상기 도 1a에 있어서의 구성에서는 각 경로가 서로 분리되어 있기 때문에 각 경로에 사용된 전력증폭기는 다른 경로에서 사용할 수 없게 되는 문제가 있다.

예를 들어 각 전력증폭기(PA) 당 1 Watt의 전력증폭기를 각 경로당 2개씩 배치하고, 3개의 경로를 사용한다고 가정하면 총 PA가 6개가되므로 가용한 총출력 전력은 6 Watt가 된다. 이때 각 경로의 출력은 PA가 모두 정상 동작할 경우 2 Watt씩 될 것이다. 그런데 1번 경로의 필요 전력이 1 Watt로 줄어들고 2번 경로의 필요 전력이 3 Watt로 늘어나는 경우가 발생하였다면 이러한 종래의 구성에서는 다른 경로의 PA를 이용할 수 없기 때문에 대응이 불가능하게 된다. 또한 1번 경로의 PA_2에서 장애가 발생될 경우, Wilkinson 및 90^oHybrid 등의 non-switchable type 전력 합성기를 사용한 장치는 1번 경로 출력 전력이 2 Watt에서 0.5 Watt로 감쇄되는 단점을 지니며, Switchable type 전력 합성기를 사용한다 하더라도 1번 경로가 1 Watt로 감쇄되고 나머지 경로는 2 Watt를 유지하므로 경로별 출력불균형 상태가 되는 문제점은 여전하다.

또 한편으로 상기한 종래 기술의 문제를 해소하고자 하는 도 1b에 도시된 바와 같은 구성의 고주파 전력 합성 증폭 장치가 제안되었다.

도 1b에 따른 구성에서는, m ( 1 ≤ m ≤ 2n )개의 입력 및 출력과 2n개의 전력증폭기와 2n x 2n Hybrid ( or Butler ) Matrix type divider/combiner로 구성되어 m개의 신호 경로를 갖는 것을 특징으로 한다. 이의 장점은 임의의 한 경로에서 2n개의 전력증폭기를 독점하여 사용할 수도 있고 여러 경로에서 필요한 만큼의 전력을 각각 나누어서 사용할 수도 있기 때문에 상기 도 1a에 도시된 바와 같은 고주파 전력 합성 증폭장치에 있어서 발생된 문제점을 극복할 수는 있었다.

그러나 상기 도 1b에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 장치에서는 모든 경로의 신호가 2n개의 전력증폭기를 모두 통과하기 때문에 임의의 한 전력 증폭기 중에서 장애가 발생될 경우 모든 경로에 전력손실을 발생시키게 되며 각 경로간 누설(isolation)이 나빠지는 문제점이 있다.

실 예를 들어 경로가 2개이고 (m=2) 1 Watt급 증폭도 1인 전력증폭기가 2개이고 2 x 2 Hybrid Matrix divider/combiner(n=1)로 구성되는 합성 증폭 장치를 사용하였다고 가정하자 그리고 그 상태에서 PA1과 PA2가 모두 정상 동작할 경우 도 3에 도시된 동작 테이블(Table)과 같은 각 경로의 신호는 2개의 전력증폭기를 전체 또는 양분하여 자유롭게 사용할 수 있다.

그러나 만일, 소정의 원인에 의거 한 개의 전력증폭기에서 장애가 발생되었다면, 도 3에 도시된 동작 테이블처럼 각 경로의 신호가 분리되지 못하고 섞이게 되어 각 경로신호의 누설(isolation)이 발생되는 문제가 있게 된다. .

참고로, 상기 하이브리드 매트릭스 형태의 divider/combiner 구조는 ' Jeff Merrill, Anaren Microwave Inc, '4X4 Hybrid Matrix Power Amplifier', Wireless Design&Development 10.'98.'에 그 실 예가 도시되어있다.

따라서 본 고안의 목적은, 그 내부로 적어도 한 개 이상 구비되는 고주파 선형 전력 증폭기의 장애 발생에 따른 전력 합성 손실 문제를 해소하는 고주파 전력 합성 증폭 장치을 제공함에 있다.

또한 본 고안의 목적은, 앞서 언급된 종래 기술에 따른 고주파 전력 증폭기의 전력합성 장치에 있어 발생되는 전력손실 및 신호 격리도 저하에 따른 문제들을 해소할 수 있는 Switched Hybrid ( or Butler ) Matrix 형태의 전력 합성 증폭장치를 구현함에 있다.

이러한 목적을 달성하고자 본 고안은, Hybrid ( or Butler ) Matrix type divider/combiner에, 별도의 (2n) P(2n+1)T의 고주파 Switch를 추가함을 특징으로 하여 이를 통해 전력 증폭기의 장애 시에 있어 발생되는 전력 손실 현상 및 신호 격리 저하 등의 문제점을 해소할 수 있는 고주파 전력 합성 증폭 장치를 제안한다.

또한, 본 고안은, 2n x 2n ( n= 1,2,3,...,n ) Hybrid Matrix ( or Butler Matrix ) type combiner/divider와 (2n) P(2n+1)T type 고주파 스위치와 고주파 선형 전력 증폭기로 이루어짐을 특징으로 하는 Switched Hybrid Matrix Amplifier System을 제안한다.

도 1a 는 종래 기술에 따른 고주파 전력 합성 증폭 장치의 실시 예를 보여주는 구성도.

도 1b 는 종래 또 다른 기술에 고주파 전력 합성 증폭 장치의 실시 예를 보여주는 도면.

도 2는 상기 도 1b에 따른 고주파 전력 합성 증폭 장치에 있어서 2 x 2 하이브리드 매트릭스 증폭기의 내부 구성 및 그에 따른 동작 테이블을 나타낸 도면.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 전력 합성 증폭 장치의 구성도.

도 4는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 전력 합성 증폭 장치에 있어 적용되는 (2n)P(2n+1)T 고주파 스위치의 구체 구성도.

이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 부가된 참조 부호를 통해 본 고안을 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 고안의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 고안이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 전력 합성 증폭 장치의 구성도로서, Switched Hybrid Matrix Amplifier System (이하 'SHMA'라 칭함)의 구성도 이다.

상기 도 3을 참조하면, 본 고안에 따른 SHMA는 2n+1개의 전력증폭기(PA)를 구비하여 저전력의 PA 입력 신호 세기를 필요한 크기의 전력으로 증폭한다.

각각의 PA는 장애발생시 장애 발생 경보를 발생하는 기능을 갖는다. 또한 2n x 2n Hybrid Matrix Network (이하 'HMN'이라 칭함)를 입력단과 출력단쪽에 구비하여 각 입력신호를 2n개의 전력증폭기에 균등하게 분배 및 합성하여 각 PA의 전력을 합성하는 동작을 행한다.

그리고 입력 및 출력측의 HMN과 PA사이에 (2n)P(2n+1)T의 고주파 스위치와 장애 발생 경보 감지 및 스위치 구동장치를 구비하여 2n개의 PA가 모두 정상 동작 시 'R 경로'를 폐쇄하여 상기 R경로의 PA를 제외한 나머지 2n개의 PA 경로로 연결하도록 동작시키며, 2n개의 PA중 임의의 한 PA에서 장애발생경보가 발생되면 '장애 발생 경보 감지 및 스위치 구동장치'에서 이 경보를 감지하고 그 장애가 발생된 경로를 폐쇄시키고 R경로로 절체 시켜 SHMA가 다시 정상 동작하도록 한다.

이러한 구성 및 동작을 통해 임의의 한 경로에서 장애가 발생되더라도 장애발생 이전의 상태를 그대로 유지하게 된다.

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

따라서, 본 고안의 실시를 통해, 고주파 전력 합성 증폭 장치에 있어 구비되는 고주파 선형 전력 증폭기의 장애 발생에 따른 전력 합성 손실 문제를 해소할 수 있는 이점이 있다.

또한, HMA로 고주파 스위치 및 상기 스위치의 제어 장치를 적용함으로서 임의의 한 경로에서 전력증폭기 장애가 발생될 경우에 있어서도, 고주파 전력이득과 고주파 전력손실 및 각 경로별 격리도 특성이 장애발생 이전의 상태와 전혀 다를 것이 없는 완벽한 절체 시스템을 구현할 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 고주파 전력 합성 증폭 장치에 있어서,

   2n (n=1,2,3, ... ,n) x 2n 매트릭스형태의 콤바이너/디바이더(type combiner/divider)와,

   상기 콤바이너/디바이더의 신호 입력 및 출력 경로를 각각 스위칭하는 (2n)P(2n+1)T의 고주파 스위치와,

   상기 (2n)P(2n+1)T의 고주파 스위치의 스위칭 경로 상으로 전송되는 고주파 신호를 증폭하는 고주파 선형 전력 증폭기와,

   상기 고주파 선형 증폭기의 동작 장애 발생을 감지하여 그에 따라 상기 고주파 스위치의 스위칭을 제어하는 장애 발생 감지 및 스위칭 제어부와,

   상기 고주파 스위치의 스위칭 제어에 따라 형성된 신호 입력 및 출력 경로상의 고주파 신호를 증폭하는 리던던시 고주파 선형 전력 증폭기로 이루어짐을 특징으로 하는 고주파 전력 합성 증폭 장치.
2. 제1항에 있어서, 2n (n=1,2,3, ... ,n) x 2n 콤바이너/디바이더는,

   하이브리드 형태 및 버틀러 매트릭스 형태임을 특징으로 하는 고주파 전력 합성 증폭 장치.