KR20030019311A

KR20030019311A - 무선주파수 선형 전력 증폭기의 성능을 개선하기 위한전력 부스터 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20030019311A
Application number: KR1020027010249A
Authority: KR
Inventors: 남키와이.
Original assignee: 패러다임 와이어리스 시스템즈, 인코포레이티드
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2003-03-06
Also published as: US6396350B2; US20010052817A1; WO2001059924A1; GB2375667A; AU2001236914A1; DE10195520T1; GB0220803D0; GB2375667B; KR100800381B1; CN100426661C; CN1422454A

Abstract

일반적으로, 본 발명은 RF 전력 증폭기의 성능을 개선하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증폭기 신호의 상호변조 왜곡을 감소시키기 위해 RF 선형 전력 증폭기와 함께 전력 부스터를 사용하는 것에 관한 것이다.

Description

무선주파수 선형 전력 증폭기의 성능을 개선하기 위한 전력 부스터 방법 및 장치{POWER BOOSTER METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF RADIO FREQUENCY LINEAR POWER AMPLIFIERS}

셀룰러 시스템 오퍼레이터와 같은 통신 서비스 공급자들은 미국 연방 통신 위원회(FCC)에 의해 부과되는 매우 엄격한 대역폭 사용 스펙트럼 제약을 받는다. FCC는 무선 주파수 스펙트럼 내에서 송신 채널을 허가하며, 인접하는 송신 채널로의 신호 스트레이(stray) 또는 스필(spill)에 의해 야기되는 간섭을 방지하기 위해 소정의 방출 제한 마스크 내에서 신호가 제한될 것으로 요구한다. "방출 마스크(emission mask)"는 전력 스펙트럼 밀도 엔벨로프(power spectrum density envelope)이며, 허용되는 최대 방출 전력은 공칭 할당 중심 주파수로부터 오프셋되는 주파수의 함수에 따라 변화된다. 다시 말하면, 방출 마스크는 채널 할당 내의각 주파수에 대해 특정 주파수에서 방출될 수 있는 최대 전력을 결정한다. 이것은 측파대 스필오버(sideband spillover), 즉 허가된 채널 외부의 에너지의 양이 급격하게 감쇠될 것을 요구한다.

CDMA 또는 TDMA와 같은 현대의 디지털-기반 변조 포맷을 구현하는 경우에 이러한 방출 마스크 요건을 충족시키는 것은 특히 어렵다. 이러한 변조를 이용하여 FCC 요건을 충족시키기 위해 측파대를 감쇠시키는 것은 매우 선형적인 신호 처리 시스템 및 부품을 필요로 한다. 무선 주파수에서 선형적인 부품, 특히 전력 증폭기를 설계하는 것은 비용이 많이들고, 실현이 어려운 일이다.

RF(무선주파수)(radio-frequency) 선형 전력 증폭기(LPA)는 통상적으로 송신 신호의 전력을 승압(boost)시키기 위해 디지털 셀룰러 기지국에 사용된다. 셀룰러 통신을 위한 RF 전력 증폭기는 통상적으로 MHZ 또는 GHZ 주파수 영역에서 동작한다. 송신 신호를 승압하는 것은 통상적으로 높은 비율의 피크-평균 전력 출력(다이나믹 헤드룸), 통상적으로는 적어도 10dB를 갖는 LPA를 필요로 한다. 승압된 신호를 왜곡시키지 않고 측파대 스필오버를 최소화하면서 이러한 다이나믹 헤드룸(dynamic headroom)을 제공할 수 있는 LPA를 설계하는 것이 요구된다.

통상적으로, 종래의 LPA 설계는 보다 새로운 구현에 의해 요구되는 점점 더 높아지는 다이나믹 헤드룸을 실현하기 위해 추가적인 RF 전력 트랜지스터의 수를 증가시키는 것에 의존해왔다. 그러나, 추가적인 RF 전력 트랜지스터를 이용하는 것은 LPA의 전체적인 부품수, 제조비용 및 DC 전류 소비를 상승시키는 매우 바람직스럽지 못한 영향을 주었다.

선형 RF 전력 증폭기를 설계하는데 있어서 기본적인 문제는 전력 증폭기가 고유적으로 비선형 소자이며 원하지 않는 상호변조 왜곡(IMD)을 발생한다는 것이다.

선형성(linearity)이란 입력 신호와 출력 신호 사이에 실질적으로 일정한(선형의) 이득이 존재하는 전력 증폭기의 특성을 말한다. 통상적으로, 전력 증폭기는 단지 입력 신호 전압 레벨의 범위에 대해서만 선형 이득을 나타낸다. 이 범위는 종종 전력 증폭기의 선형 영역으로 불린다. 만일 입력 신호 전압이 선형 영역에 대한 최소 전압보다 아래에 있거나 또는 선형 영역에 대한 최대 전압보다 위에 있으면, 상호변조 왜곡이 발생한다.

상호변조 왜곡은 RF 입력 신호로부터 분리되고 구별되는 증폭된 RF 출력 신호에서 스퓨어리스 신호로서 자체적으로 나타난다. IMD는 입력 신호로부터의 상이한 주파수들이 입력 신호에 존재하지 않았던 합주파수(sum frequency) 및 차주파수(difference frequency)를 생성하기 위해 혼합될 때 발생한다. 이것은 선형 영역 외부에서 동작할 때 증폭기 소자들의 동작의 결과이다.

그러므로, 실질적으로 선형 특성을 갖고, 측대파 스필오버 및 상호변조 왜곡을 모두 최소화하고, 종래의 LPA에 비해 DC 전류 소비를 증가시키지 않는 선형 RF 전력 증폭기가 요구된다.

본 발명은 일반적으로 전력 증폭기 시스템에 관한 것으로서, 특히 상호변조 왜곡(intermodulation distortion)을 최소화함으로써 무선주파수 전력 증폭기의 선형성(linearity)을 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도1은 RF 전력 증폭기의 선형성을 증가시키기 위한 본 발명의 제1 실시예의 시스템-레벨 도면.

도2는 30W(와트)의 RF 전력 출력에서 동작하는 선형 전력 증폭기의 전달 특성을 도시한 도면.

도3은 30W의 RF 전력 출력에서 동작하며 본 발명의 전력 부스터가 추가된 선형 전력 증폭기의 전달 특성을 도시한 도면.

도4는 RF 전력 증폭기의 선형성을 증가시키기 위한 본 발명의 제2 실시예의 시스템-레벨 도면.

도5는 RF 전력 증폭기의 선형성을 증가시키기 위한 본 발명의 제3 실시예의 시스템-레벨 도면.

RF 전력 증폭기의 성능을 개선하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 특히, 증폭기 신호의 상호변조 왜곡을 감소시키기 위해 RF 선형 전력 증폭기와 함께 전력 부스터를 사용함으로써, 실질적으로 선형 특성을 갖고, 측대파 스필오버 및 상호변조 왜곡을 모두 최소화하고, 종래의 LPA에 비해 DC 전류 소비를 증가시키지 않는 선형 RF 전력 증폭기가 제공될 수 있다.

도1은 신호 입력 포트(104), 신호 출력 포트(106) 및 전원 전압 포트(108)를 구비한 종래의 RF 선형 전력 증폭기(LPA)(102)가 예시된 본 발명의 제1 실시예를도시하고 있다. 또한, 도1에는 LPA(102)의 전체 출력 전력을 샘플링하기 위한 전력 검출기(110)가 도시되어 있으며, 이것은 마이크로프로세서(112)에 연결되어 있다. 마이크로프로세서(112)는 전력 검출기(110)로부터 마이크로프로세서(112)에 의해 수신되는 출력 전력 측정에 기초하여 제1 포트(116)로부터 제2 포트(118)까지의 DC 전압을 증가시키도록 전력 부스터(power booster)(114)에 명령하도록 구성된다. 제2 포트(118)는 LPA(102)의 전원 전압 포트(108)에 연결된다. 일실시예에서, 전력 검출기(110)는 RMS(root-mean-square) 전력 검출기가 될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전력 부스터(114)는 제1 포트(116)로부터 제2 포트(118)까지의 DC 전압을 증가시킬 수도 있고 감소시킬 수도 있다. 그러므로, 마이크로프로세서(112)는 또한 DC 전압을 증가시키거나 감소시키도록 전력 부스터(114)에 명령하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 전력 부스터는 전력 증폭기에 보다 큰 전압 또는 보다 작은 전압을 제공하도록 적응형 및 동적인 방식으로 조정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 머신-판독가능 매체는 전력 부스터의 구성(configuration)을 조정하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 즉, 머신-판독가능 매체 내의 명령어는 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 전력 증폭기로의 소스 전압을 증가 또는 감소시키도록 전력 부스터를 구성하게 한다.

LPA는 통상적으로 입력 포트와 출력 포트 사이에서 신호를 증폭하도록 구성된 RF 전력 트랜지스터를 포함한다. 통상적으로, 셀룰러 기지국은 기지국 내의 통신 장비에 +26 내지 +28 볼트 DC의 전원을 공급한다. 이것은 RF 전력 증폭기가 송신을 위해 제공할 수 있는 피크-평균 전력 출력 용량(다이나믹 헤드룸)을 제한한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, LPA(102)는 하나 또는 그 이상의 RF 수평 확산 금속 산화막 반도체(LDMOS:lateral diffusion metal oxide semiconductor) 전력 트랜지스터들로 이루어질 수 있다. MOS 소자들의 한가지 특성은 그것이 전압-제어 전류원과 유사하게 동작한다는 것이다. 그러므로, MOS 소자의 전력 출력은 거의 바이어스 전압의 제곱의 계수로서 증가된다. 결과적으로, LPA 내의 LDMOS 트랜지스터들의 바이어스 전압을 상승시키는 것은 그들의 다이나믹 헤드룸을 증가시키고, 그것에 의해 그들의 출력 선형성을 증가시키고 LPA의 전체적인 IMD 성능을 개선하게 된다.

도2는 도1과 유사하지만 전력 부스터 회로(114)가 없는 LPA의 성능을 도시하고 있다. 일례로, 진정한 CDMA 변조된 파형 또는 신호가 그래프로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 특정 송신 주파수, 변조방식 또는 신호 형태에 제한되지 않는다. 그러므로, 이러한 특정 그래프 및 데이터가 본 발명에 대한 제한요소로서 해석되어서는 안된다. 도2에서, 신호는 3개의 서로 다른 단계로 예시되었다. 제1 영역(202)은 증폭되지 않은 기준 신호를 나타내고, 제2 영역(204)은 증폭되지 않은 상태로부터 증폭된 상태로 천이할 때의 신호를 나타내고, 제3 영역(206)은 LPA에 의해 증폭된 이후의 신호를 나타낸다. 제3 영역(206)에서, 신호 전력은 30W이며, LPA는 그 최대 전력 출력 근처에서 동작하는 경우이다. 마커(208)에서 측정했을 때, 신호는 약 1.9468 GHZ에 집중되고, -41.33dBc에서 측정되는 IMD 성능을 갖는다.

도3은 전력 부스터 회로(114)를 포함하는 도1과 유사한 LPA의 성능을 도시하고 있다. 도2에서와 같이, 진정한 CDMA 변조된 파형이 그래프로 도시되어 있다. 제1 영역(302)은 증폭되지 않은 기준 신호를 나타내고, 제2 영역(304)은 증폭되지 않은 상태로부터 증폭된 상태로 천이할 때의 신호를 나타내고, 제3 영역(306)은 전력 부스터(114)가 추가된 LPA에 의해 증폭된 이후의 신호를 나타낸다. 제3 영역(306)에서, 신호 전력은 30W이며, 마커(308)에서 측정했을 때, 신호는 약 1.9468 GHZ에 집중되고, -48.67dBc에서 측정되는 IMD 성능을 갖는다. 이것은 도2에 도시된 전력 부스터가 없는 LPA보다 7dB 개선된 것이다.

따라서, 도1에 도시된 바와 같은 셋업은 기존의 셀룰러 기지국 내의 LPA로의 전압을 승압시키기 위해 사용될 수 있으며, 그에 따라 증폭된 신호의 IMD에서 원하는 감소를 실현하게 된다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 전력 부스터(114)(도1)는 IMD에서의 원하는 개선을 실현하기 위해 추가적인 1-20 볼트만큼 소스 전압(도1의 V+)을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 전력 부스터(114)(도1)는 추가적인 2-15 볼트만큼 소스 전압(도1의 V+)을 증가시킨다.

전력 부스터는 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 많은 통상적인 구성으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 일실시예에 있어서, 전력 부스터는 제1 포트로부터 제2 포트까지의 전압을 승압하거나 또는 감소시킬 수 있는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.

도4는 신호를 수신하기 위한 입력 포트(404), 압력 신호를 증폭하기 위한 종래의 LPA(402) 및 증폭된 신호를 제공하기 위한 출력 포트(406)를 구비한 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. LPA(402)는 전력 부스터(414)에 연결되고, 전력 부스터는 제1 포트(416)를 통해 전압원(V+)에 연결된다. 전력 부스터(414)는 제1 포트(416)로부터의 전압(V+)을 상승시키고, LPA(402)의 전원 전압 포트(408)에 증가된 전압(V++)을 공급하는 작용을 한다. 전술한 바와 같이, 증가된 전압은 LPA(402)의 출력 포트(406)에서 관측되는 증폭된 신호의 IMD를 감소시키는 작용을 한다.

전력 부스터(414)를 구성하기 위해, 전력 부스터(414)는 제3 포트(422) 및 제4 포트(424)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전력 부스터(414)의 출력 전압(V++)은 제3 포트(422)와 제4 포트(424) 사이의 저항성 부하(420)에 의해 설정될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 저항성 부하(420)는 전위차계(potentiometer)와 같은 수동으로 조정가능한 임피던스 부품이 될 수 있다. 제3 포트(422)와 제4 포트(424) 사이의 주어진 저항값에 대해, DC 전압 출력(V++)이 DC 전압 입력(V+)에 비해 증가되는 양은 일정하게 유지된다.

본 발명의 일실시예에서, 전력 부스터(414)는 그 전압 출력(V++)을 설정하기 위해 제3 포트(422)와 제4 포트(424) 사이의 전압차를 검출한다. 다른 실시예에서, 전력 부스터(414)는 제3 포트(422)와 제4 포트(424) 사이의 저항성 부하(420)를 통해 흐르는 전류를 측정함으로써 그 DC 전압 출력(V++)을 설정한다.

도5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 전력 부스터(514)의 제2 포트(518)에서 DC 출력 전압(V++)은 제1 포트(516)에서의 DC 입력 전압(V+)이 변화되는 경우에도 일정하다. 전력 부스터(514)는 제3 포트(522)에서의 전압을 제4 포트(524)에서의 기준 전압과 비교함으로써 제2 포트(518)에서의 DC 출력 전압(V++)을 조절할 수 있다. 제3 포트(522)에서 나타나는 전압은 DC 전압 출력 포트(518)와 제3 포트(522) 사이에 연결된 제1 저항(526)과 제3 포트(522)와 접지(530) 사이에 연결된 제2 저항(528)에 의해 형성된 분압기(voltage divider)의 결과이다. 기준 전압(510)은 전력 부스터(514)의 제4 포트(524)에 연결된다. 제4 포트(524)에서의 기준 전압과 제3 포트(522)에서의 전압을 비교함으로써, 전력 부스터(514)는 제2 포트(518)에서 그 DC 출력 전압(V++)을 소정의 상수값(cosntant value)으로 유지하도록 명령을 받을 수 있다. 소정의 상수값은 제4 포트(524)에 연결된 기준 전압(510)에 정비례할 수 있다.

비록 본 발명이 상세하게 설명되었지만, 이것은 단지 예로서 의도된 것이며, 제한하고자 하는 의도가 아니고, 본 발명의 사상 및 범위는 단지 특허청구범위에 의해서만 제한된다는 것을 이해할 것이다.

Claims

전력 증폭기의 상호변조 왜곡을 감소시키기 위한 방법에 있어서,

전력 증폭기에 신호를 제공하는 단계; 및

상호변조 왜곡을 감소시키기 위해 상기 전력 증폭기로의 전압원 전력을 승압하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 상기 전력 증폭기로의 전압원 전력을 승압하도록 전력 부스터를 구성하는 단계를 포함하는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 27 볼트 DC 이상 전압원을 승압하는 단계를 포함하는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 1-15 볼트 DC 만큼 전압원을 승압하는 단계를 포함하는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 2-8 볼트 DC 만큼 전압원을 승압하는 단계를 포함하는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력을 샘플링하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제6항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 상기 전력 증폭기의 출력을 샘플링하는단계에 기초하여 전력 부스터를 적응방식으로 승압하는 단계를 포함하는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하는 단계는 상기 전력 증폭기가 그 최대 전력 출력의 20% 내에서 동작하는 경우에만 수행되는

방법.
제1항에 있어서,

상기 전력 증폭기는 RF 선형 전력 증폭기인

방법.
제1항에 있어서,

상기 전력 증폭기는 수평 확산 금속 산화막 반도체 트랜지스터인

방법.
전력 증폭기의 상호변조 왜곡을 감소시키기 위한 장치에 었어서,

전력 증폭기; 및

전력 부스터를 포함하고,

상기 전력 부스터는,

전원에 연결된 제1 포트; 및

상기 전력 증폭기에 연결되어, 전압원 전력을 상기 전력 증폭기로 제공하기 위한 제2 포트를 포함하고,

상기 전력 부스터는 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트까지의 전압을 증가시키는

장치.
제11항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력 신호를 샘플링하기 위한 샘플링 장치

를 더 포함하는 장치.
제12항에 있어서,

상기 샘플링 장치는 RMS(root-mean-square) 검출기를 포함하는

장치.
제12항에 있어서,

상기 샘플링 장치 및 상기 전력 부스터에 연결되어, 상기 전력 증폭기의 출력의 측정된 샘플에 기초하여 상기 전력 부스터를 구성하기 위한 마이크로프로세서

를 더 포함하는 장치.
제11항에 있어서,

상기 전력 부스터는 상기 전력 부스터를 구성하기 위한 제3 및 제4 포트를 포함하는

장치.
제15항에 있어서,

상기 전력 부스터의 상기 제3 포트와 상기 제4 포트 사이에 연결되어, 상기 전력 부스터의 전력 출력을 구성하기 위한 조정 수단

을 더 포함하는 장치.
제15항에 있어서,

상기 조정 수단은 전위차계를 포함하는

장치.
제15항에 있어서,

상기 전력 부스터의 제4 포트에 연결되어, 상기 전력 부스터의 전력 출력을 구성하기 위한 기준 전압원 - 여기서, 상기 전력 부스터의 제3 포트는 상기 제2 포트에 연결됨 -

을 더 포함하는 장치.
제11항에 있어서,

상기 전력 증폭기는 RF 선형 전력 증폭기를 포함하는

장치.
제11항에 있어서,

상기 전력 증폭기는 다수의 트랜지스터를 포함하는

장치.
제20항에 있어서,

상기 전력 트랜지스터들은 수평 확산 금속 산화막 반도체 트랜지스터를 포함하는

장치.
전력 증폭기의 상호변조 왜곡을 감소시키기 위한 장치에 있어서,

전력 증폭기; 및

상호변조 왜곡을 감소시키기 위해 상기 전력 증폭기의 소스 전압을 승압하기 위한 수단

을 포함하는 장치.
제22항에 있어서,

상기 전력 증폭기로의 전압원 전력을 승압하도록 전력 부스터를 구성하기 위한 수단

을 더 포함하는 장치.
제22항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력을 샘플링하기 위한 수단

을 더 포함하는 장치.
제22항에 있어서,

상기 전압원 전력을 승압하기 위한 수단은 상기 전력 증폭기의 출력의 샘플링에 기초하여 상기 전력 부스터를 적응방식으로 구성하기 위한 수단을 포함하는

장치.
제22항에 있어서,

상기 전력 증폭기는 수평 확산 금속 산화막 반도체 트랜지스터를 포함하는

장치.
전력 증폭기의 소스 전압을 승압하기 위한 적어도 하나의 명령어를 포함하는 머신-판독가능 매체에 있어서,

상기 명령어는 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금,

상기 전력 증폭기로 증가된 소스 전압을 제공하도록 전력 부스터를 구성하는 단계를 포함하는 동작을 수행하도록 야기하는

머신-판독가능 매체.
제27항에 있어서,

상기 전력 증폭기로 감소된 소스 전압을 제공하도록 전력 부스터를 구성하기 위한 적어도 하나의 명령어

를 더 포함하는 머신-판독가능 매체.
제27항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력의 샘플을 얻기 위한 적어도 하나의 명령어

를 더 포함하는 머신-판독가능 매체.
제29항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력의 샘플에 기초하여 상기 전력 증폭기로의 소스 전압을 증가시커나 감소시키도록 전력 부스터를 적응방식으로 구성하기 위한 적어도 하나의 명령어

를 더 포함하는 머신-판독가능 매체.
전력 증폭기의 소스 전력을 승압하기 위한 시스템에 있어서,

상기 전력 증폭기로 증가된 소스 전압을 제공하도록 전력 부스터를 구성하기 위한 제1 서브-시스템

을 포함하는 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제1 서브-시스템은 상기 전력 증폭기로 감소된 소스 전압을 제공하도록 전력 부스터를 구성할 수 있는

시스템.
제31항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 출력의 샘플을 얻기 위한 제2 서브-시스템

을 더 포함하는 시스템.
제31항에 있어서,

상기 전력 증폭기로의 소스 전압을 증가 또는 감소시키도록 전력 부스터를 구성하기 위한 제2 서브-시스템

을 더 포함하는 시스템.