KR200252145Y1 - 광대역 전력 증폭기의 혼변조 성능 개선을 위해 다이오드믹서를 이용한 소형 프리디스토션 선형화기 - Google Patents

Abstract

본 고안에 따른 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기의 바람직한 실시예는, 두개의 반송파를 입력하며 내부의 반송파 전송경로가 선형경로와 비선형경로로 이루어지는 프리디스토터(predistortor) 및 상기 프리디스토터에 의해 처리된 신호를 입력하여 RF 전력 증폭기에서 생성된 혼변조 신호를 제거하여 순수한 반송파만 증폭시켜 출력하는 RF 전력증폭기를 구비하여 이루어진다.

이때 상기 프리디스토터는 상기 RF 전력증폭기의 앞단에 결합되어 상기 RF 전력증폭기를 선형화하기 위한 선형화기이며, 상기 입력된 두개의 반송파를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기, 선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 가변 위상변환기, 상기 가변 위상변환기의 출력신호를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로, 혼변조신호를 발생시키는 믹서, 비선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하고 상기 믹서에서 발생된 혼변조신호가 선형경로로 재주입되는 것을 막기위한 아이솔레이터(isolator), 상기 믹서에 의해 발생된 혼변조신호를 입력하여 주신호와 혼변조신호 성분의 크기를 조절하기 위한 가변 감쇄기 및 상기 지연선로를 통한 선형경로측 신호와 상기 가변 감쇄기를 통한 비선형경로측 신호를 결합하기 위한 제 2 90°하이브리드 결합기를 포함하여 이루어진다.

본 고안은 IMT-2000 위성통신기지국, IMT-2000 중계기, PCS 이동통신기지국,PCS 중계기, GSM 이동통신기지국, GSM 중계기, 지상 마이크로파 무선 시스템, Cellular폰용 이동통신기지국 및 Cellular폰용 중계기를 포함하는 무선 통신 시스템의 채널 용량을 증대시키기 위해 사용될 수 있다.

Description

광대역 전력 증폭기의 혼변조 성능 개선을 위해 다이오드 믹서를 이용한 소형 프리디스토션 선형화기{A small-sized predistortion linearizer using diode mixer for improving intermodulation distortion of broadband power amplifier}

본 고안은 광대역 전력 증폭기의 신호 증폭 시 발생하는 상호 혼변조 왜곡(IMD: Inter-Modulation Distortion) 성분의 제거를 위해 전력 증폭기와 반대되는 특성을 갖는 혼변조 성분을 다이오드 믹서를 사용하여 개선하는 소형 프리디스토션 선형화 기술에 관한 것이다.

유·무선 통신을 위해 사용되며 특히 이동통신과 위성통신에 있어 필수적인 고출력 증폭기(High Power Amplifier)는 최대 출력을 발생시키기 위하여 비선형(Nonlinear)특성을 갖는 포화영역(Saturation region)에서 동작하게 된다. 그러나 고출력 증폭기가 포화영역 부근에서 동작하게 되면 비선형 특성에 의해서 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생하게 되므로 증폭기의 성능은 크게 저하된다. 따라서 입력되는 신호의 레벨을 수 dB 백-오프(Back-off)시켜 동작시키거나 전력 용량이 큰 트랜지스터(Transistor)로 바꿔야 하는 문제점이 있다. 또한 상호 혼변조 성분들은 필터를 이용하여 제거하기 매우 힘들어 시스템 전체의 잡음원으로 작용하여 전송품질을 저하시키는 요인이 된다.

이러한 혼변조 성분을 줄이기 위한 대표적인 방법으로 피드포워드(Feedforward)방법, 프리디스토션(Predistortion)과 피드백(Feedback) 방법을 이용한 선형화 기술이 널리 사용된다. 그러나 최근에는 국내외적으로 멀티캐리어(Multi-carrier) 신호증폭의 요구로 기지국용 전력 증폭기의 혼변조 사항이 엄격하여졌기 때문에 피드포워드 방식을 변형한 Dual-loop Feedforward나 Predistorter와 Feedforward를 결합시킨 방식을 사용하여 이러한 성능을 만족시키려하고 있다.

도 1은 프리디스토션 시스템 구성도이고, 도 2는 도 1의 각 구간에서 나타나는 특성을 그래프로 표현한 것이다. 프리디스토션 시스템의 이론적인 동작은 다음과 같다.

경로 A-B:

프리디스토터(Predistorter)(10)는 입력 RF신호에 대하여 프리디스토션 함수인 β(V_i)가 RF 증폭기(20)에서 생성되는 왜곡성분 F(α)와 정확히 반대되는 특성을 갖도록 만들어 준다. β(V_i)의 그래프는 도 2a와 같다.

경로 B-C:

RF 증폭기(20)에서의 특성은 도 2b에서 나타내는 그래프와 같다. 이로부터도 2a와 정확히 반대되는 특성을 가짐을 알 수 있다.

경로 C-RF _out :

RF출력에서 프리디스토터(10)와 RF증폭기(20)의 반대되는 특성이 결합될 시 왜곡성분이 보상되어 입력신호 대 출력신호가 선형적으로 나타난다. 결과는 도 2c와 같다.

도 3은 일반적인 프리디스토션 선형화기의 회로 구성도이고 도 4는 도 3 회로 각 부분에서의 신호 파형도를 나타낸다. 일반적인 프리디스토션 방식 선형화기의 동작 원리는 다음과 같다.

경로 A-B, A-C:

도 3에서 입력단자(RF_in)에서 2개의 반송파가 프리디스토터에 인가되면 전력 분배기(Power Divider)(110)에 의해 반송파가 선형 경로 (B)와 비선형 경로 (C)로 나누어진다. 이때 지점 A의 신호 파형은 도 2(a)와 같으며 지점 B와 C의 신호 파형은 도 2(a)와 같은 신호이다.

경로 B-B':

선형 경로는 위상변환기(phase shifter)(120)와 지연선로(delay line)(130)를 사용하여, 비선형 경로에서 상호 혼변조 발생기(Inter-Modulation Generator)(150), 가변 감쇄기(Variable Atttenuator)(160)와 위상변환기(170)에서 발생하는 지연 시간을 보다 정확히 보상하도록 한다. 이때 신호 파형은 도 2(a)와 같이 변함이 없다.

경로 C-C':

비선형 경로에서 전력 분배기(110)를 통과한 신호는 상호 혼변조 발생기(150)에 의하여 RF 증폭기(180)에 입력할 혼변조 성분을 생성시키며 이를 가변 감쇄기(160)와 위상변환기(170)의 조절에 의하여 선형 경로의 성분과 진폭과 위상이 180°차이가 나도록 조절하여 선형 경로와 결합하도록 한다. 이때 신호 파형은 도 2(b)와 같다.

경로 B'/C'-D:

선형 경로와 비선형 경로에서의 신호가 전력 결합기(Power Combiner)(140)에 의해 합쳐지게 되면 도 2(c)와 같이 주 신호와 위상이 180°반전된 상호 혼변조 신호를 만들어 RF 증폭기(180)의 입력으로 들어간다.

경로 D-E:

도 2(c)와 같은 선형 경로와 비선형 경로의 결합에 의해 만들어진 신호는 RF 증폭기(180)의 입력으로 들어가 RF증폭기(180)에서 생성되는 혼변조 신호와 반대가되므로 제거되어 순수 반송파 신호만 증폭되어 나온다. 이때 신호는 도 2(d)와 같다.

이와 같은 종래의 프리디스토션 방식의 선형화기는 IMD 특성 개선효과는 있지만 전력 분배·결합기(110)(140)와 180°위상변환기(120)(170)에 의하여 대체적으로 부피가 커지며, 혼변조 발생기(150)가 DC 전력을 많이 소모하여 선형화기의 전체적인 효율이 떨어진다. 또한 장시간 동작시에는 IMD 특성의 변화를 유발시켜 선형화기 전체 성능을 저하시킨다.

또한 종래에는 혼변조 발생기(150)로 다이오드나 RF 증폭기를 주로 사용하여 DC 전력 소모가 많았으며 믹서를 사용할 경우 LO 포트에 신호를 인가하는 불편함이 있었다.

본 고안의 목적은 혼변조 발생기로 다이오드 믹서를 사용하여 DC 전력 손실을 줄이고 장시간 동작 시 발생하는 혼변조 특성변화에 따른 문제점을 개선할 수 있는 프리디스토션 선형 전력 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 프리디스토션 시스템의 구성도.

도 2는 도 1 각 구간의 특성곡선.

도 3은 일반적인 프리디스토션 선형화기의 구성도.

도 4는 도 3 각 부분의 신호 파형도.

도 5는 본 고안에 따른 믹서를 이용한 소형 프리디스토션 선형화기의 구성도.

도 6은 도 5 각 부분의 신호 파형도.

< 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 >

10: 프리디스토터 20,180,280: RF 전력증폭기

100,200: 프리디스토션 선형전력증폭기 110: 전력분배기

120,170: 위상변환기 130,230: 지연선로

140: 전력결합기 150: 혼변조 발생기

160,270: 가변감쇄기 210,240: 하이브리드 결합기

220: 가변 위상변환기 250: 아이솔레이터

260: 믹서

< 실시예 >

본 고안에 따른 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기의 바람직한 실시예는,두개의 반송파를 입력하며 내부의 반송파 전송경로가 선형경로와 비선형경로로 이루어지는 프리디스토터(predistortor) 및 상기 프리디스토터에 의해 처리된 신호를 입력하여 상기 RF 전력증폭기에서 생성된 혼변조 신호를 제거하여 순수한 반송파만 증폭시켜 출력하는 RF 전력증폭기를 구비하여 이루어진다.

이때 상기 프리디스토터는 상기 RF 전력증폭기의 앞단에 결합되어 상기 RF 전력증폭기를 선형화하기 위한 선형화기이며, 상기 입력된 두개의 반송파를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기, 선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 가변 위상변환기, 상기 가변 위상변환기의 출력신호를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로, 혼변조신호를 발생시키는 믹서, 비선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하고 상기 믹서에서 발생된 혼변조신호가 선형경로로 재주입되는 것을 막기위한 아이솔레이터(isolator), 상기 믹서에 의해 발생된 혼변조신호를 입력하여 주신호와 혼변조신호 성분의 크기를 조절하기 위한 가변 감쇄기 및 상기 지연선로를 통한 선형경로측 신호와 상기 가변 감쇄기를 통한 비선형경로측 신호를 결합하기 위한 제 2 90°하이브리드 결합기를 포함하여 이루어진다.

본 실시예에 있어서, 비선형 경로에서 전력증폭기 특성을 보상하기 위해 상기 믹서의 LO 신호 입력단자에 소정 크기의 저항을 결합하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 소정 크기의 저항은 50Ω인 것이 바람직하다.

그리고 상기 선형경로와 비선형경로의 신호파형은 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 90°의 위상차를 갖으며, 상기 RF증폭기에 입력되는 혼변조 신호는 주신호와 위상이 180°반전된 신호이다.

이때 상기 믹서는 다이오드 믹서이며, 상기 RF 전력증폭기로는 고출력 전력증폭기를 사용하는 것이 바람직하다.

또 상기 프리디스토터는 피드포워드 선형기에 탑재하여 사용하는 것이 바람직하고, 상기 프리디스토터는 IMT-2000 위성통신기지국, IMT-2000 중계기, PCS 이동통신기지국, PCS 중계기, GSM 이동통신기지국, GSM 중계기, 지상 마이크로파 무선 시스템, Cellular폰용 이동통신기지국 및 Cellular폰용 중계기를 포함하는 무선 통신 시스템의 채널 용량을 증대시킨다.

그리고 상기 선형화기에 상기 RF 전력증폭기에서 발생되는 성분과 반대되는 특성을 갖는 왜곡성분을 미리 입력시키고, 상기 선형화기는 상기 RF 전력증폭기내에 삽입되는 것이 바람직하다.

이제 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안의 구성 및 동작원리에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 5는 본 고안에 따른 믹서를 이용한 프리디스토션 방식의 선형화기의 회로 구성도를 나타내며, 도 6은 도 5의 각 부분에서의 신호 파형도를 나타낸다. 본 고안의 믹서를 이용한 프리디스토션 방식의 선형화기 동작 원리는 다음과 같다.

경로 RF _in -A, RF _in -A':

도 5에서 2개의 반송파가 선형화기의 입력단자(RF_in)로 인가되면 90°하이브리드 결합기(210)에 의해 반송파가 선형 경로 (A)와 비선형 경로 (A')로 나누어진다. 이때 지점 A와 A'의 신호 파형은 위상이 90°하이브리드 결합기(210)로 인해 90°차이를 가진 도 6(a)와 같은 신호가 된다.

경로 A-B:

선형 경로는 가변 위상 변환기(220)와 지연선로(230)를 사용하여 비선형 경로에서 발생할 수 있는 위상차와 지연시간을 보상하여 90°하이브리드 결합기(240)에 입력된다. 이때 신호 파형은 도 6(a)와 같다.

경로 A'-B':

비선형 경로에서 전력 증폭기 특성을 보상하는 방법으로 LO 신호 입력에 50Ω을 결합하는 믹서(260)를 사용하였다. 여기서 아이솔레이터(isolator)(250)는 90°하이브리드 결합기(210) 사용 시 선형경로로 믹서(260)에서 발생된 혼변조 신호가 재주입되지 않도록 하기 위하여 사용하였다. 이때 신호 파형은 도 6(b)와 같다.

경로 B'-B'':

비선형 경로에서의 가변 감쇄기(270)는 주전력 증폭기(280)에 입력되는 주신호와 혼변조 성분의 크기를 조절하기 위해 사용하였다. 이때 신호 파형은 도 6(b)와 같다.

경로 B/B''-C:

선형 경로와 비선형 경로에서 90°하이브리드 결합기(240)에 입력된 신호들이 결합하게 되어 주 신호와 위상이 180°반전된 혼변조 신호가 주전력 증폭기(280)의 입력단으로 들어간다. 이때의 신호 파형은 도 6(c)와 같다.

경로 C-D:

선형 경로와 비선형 경로와의 결합으로 생성된 신호들은 주전력 증폭기(280)로 입력되어 주전력 증폭기(280)에서 생성되는 혼변조 신호를 제거하여 순수한 반송파만 증폭되어 나온다. 이때 신호는 도 6(d)와 같다.

본 고안은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 고안의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 고안은 상기 고안의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 고안의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 고안은 고출력 전력 증폭기의 선형화 성능 개선을 위해 다이오드 믹서를 이용한 소형 프리디스토션 선형화기이다. 혼변조 발생기로 다이오드 믹서를 사용하여 DC 전력 손실을 줄였으며 이 프리디스토터를 선형화 하고자 하는 전력 증폭기의 앞단에 결합하여 혼변조 성능을 개선시켰다.

또한 기존 프리디스토션 방식에서의 단점인 선형 경로에서의 지연 선로의 길이를 줄였으며, 장시간 동작 시 혼변조 특성의 변화에 따른 영향을 믹서로 대치하여 개선시켰다. 즉 본 고안의 선형화기를 고출력 전력 증폭기의 앞단에 소형으로 삽입하여 혼변조 성분을 개선하였고, 피드포워드 방식에 다이오드 믹서를 사용한 프리디스토터를 적용함으로써 혼변조 개선량을 극대화 하였다.

그리고 입·출력에 90°하이브리드 결합기를 사용하여 큰 부피를 차지하던 가변 위상 변환기를 제거하였으며 이에 따른 선형 경로의 지연선로를 줄임으로써 전체적인 프리디스토터의 사이즈를 축소시켜 광대역 혼변조 특성을 이룰 수 있다.

이뿐 아니라 본 고안의 믹서를 이용한 소형 프리디스토터 선형화기를 고출력 전력 증폭기 및 피드포워드 선형기와 함께 적용한다면 혼변조 개선량의 극대화를 이룰 수 있다.

본 고안의 선형화기를 근간에 상용화 될 IMT-2000 뿐만 아니라 현재의 위성 통신 기지국 및 중계기, PCS와 GSM 이동 통신 기지국 및 중계기, 지상 마이크로파 무선 등의 다양한 무선 통신 시스템에 적용한다면 시스템의 채널 용량 증대, 낮은 DC 전력 소모, 저가격화와 소형화 등의 많은 이점을 갖게 되어 무선 통신을 이용하는 많은 가입자들에게 질 좋은 서비스와 무선통신에 대한 신뢰도 증대를 제공하게 될 것이다.

본 고안은 기존 혼변조 발생기를 믹서로 사용할 때 50Ω으로 종단하여 대역폭이 넓은 혼변조 발생기로 설정하여 성능을 광대역에서 개선할 수 있다.

본 고안은 선형 경로와 비선형 경로의 분배와 결합 시 90°하이브리드 결합기를 사용하고, 90°하이브리드 결합기 사용 시 나타나는 선형경로와 비선형 경로간의 아이솔레이션(Isolation) 문제를 비선형 경로에서 아이솔레이터(Isolator)를 사용하여 개선하여 광대역에서 우수한 혼변조 성능을 갖는 소형 프리디스토터 선형화기를 제공한다.

본 고안은 선형화기를 전력 증폭기의 앞단에 삽입하여 주 증폭기의 왜곡 특성을 정확하게 보상한다.

본 고안은 전력 증폭기에서 발생되는 성분과 반대되는 특성을 갖는 왜곡성분을 미리 입력, 전력증폭기에서 발생되는 혼변조 신호를 상쇄시켜 증폭기의 반송파 대 혼변조 비(Carrier to Inter-Modulation Ratio; C/I)를 개선시키고 고출력 증폭기내에 프리디스토터를 소형으로 삽입할 수 있도록 하여 전체 선형화기의 크기를 줄인다.

Claims (9)

1. 두개의 반송파를 입력하며 내부의 반송파 전송경로가 선형경로와 비선형경로로 이루어지는 프리디스토터(predistortor); 및

   상기 프리디스토터에 의해 처리된 신호를 입력하여 내부에서 생성된 혼변조 신호를 제거하여 순수한 반송파만 증폭시켜 출력하는 RF 전력증폭기를 구비하여 이루어지는 프리디스토션 방식의 선형 전력증폭기에 있어서,

   상기 프리디스토터는 상기 RF 전력증폭기의 앞단에 결합되어 상기 RF 전력증폭기를 선형화하기 위한 선형화기이며,

   상기 입력된 두개의 반송파를 선형경로와 비선형경로로 나누기 위한 제 1 90°하이브리드 결합기;

   선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 위상차를 보상하는 가변 위상변환기;

   상기 가변 위상변환기의 출력신호를 입력하여 비선형경로에서 발생하는 지연시간을 보상하기 위한 지연선로;

   혼변조신호를 발생시키는 믹서;

   비선형경로에서 상기 제 1 90°하이브리드 결합기에 의해 나누어진 반송파를 입력하고 상기 믹서에서 발생된 혼변조신호가 선형경로로 재주입되는 것을 막기위한 아이솔레이터(isolator);

   상기 믹서에 의해 발생된 혼변조신호를 입력하여 주신호와 혼변조신호 성분의 크기를 조절하기 위한 가변 감쇄기; 및

   상기 지연선로를 통한 선형경로측 신호와 상기 가변 감쇄기를 통한 비선형경로측 신호를 결합하기 위한 제 2 90°하이브리드 결합기를 포함하여 이루어지는 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 비선형 경로에서 전력증폭기 특성을 보상하기 위해 상기 믹서의 LO 신호 입력단자에 소정 크기의 저항을 결합하는 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 소정 크기의 저항은 50Ω인 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 믹서는 다이오드 믹서인 것이 특징인, 프리디스토션선형 광대역 전력증폭기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 전력증폭기는 고출력 전력증폭기인 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
6. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 프리디스토터는 피드포워드 선형기인 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 통신 시스템에는 IMT-2000 위성통신기지국, IMT-2000 중계기, PCS 이동통신기지국, PCS 중계기, GSM 이동통신기지국, GSM 중계기, 지상 마이크로파 무선 시스템, Cellular폰용 이동통신기지국 및 Cellular폰용 중계기가 포함되는 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 선형화기는 상기 RF 전력증폭기내에 삽입되는 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 선형화기는 피드포워드 선형화기내에 삽입되는 것이 특징인, 프리디스토션 선형 광대역 전력증폭기.