KR20030076618A - 고효율 광대역 선형 무선 전력 증폭기 - Google Patents

고효율 광대역 선형 무선 전력 증폭기 Download PDF

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KR20030076618A
KR20030076618A KR10-2003-7009594A KR20037009594A KR20030076618A KR 20030076618 A KR20030076618 A KR 20030076618A KR 20037009594 A KR20037009594 A KR 20037009594A KR 20030076618 A KR20030076618 A KR 20030076618A
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제임스이. 미츠라프
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모토로라 인코포레이티드
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Abstract

3G 셀룰러 및 광대역 CDMA 시스템과 같은 광대역 무선 응용에서 상당한 상호변조 왜곡 또는 스펙트럼 성장없이 실질적으로 선형으로 증폭된 출력 신호를 제공하기 위한 입력 신호의 전력 증폭을 위해 본 발명의 장치(150), 시스템(100) 및 방법(400 - 440)들이 개시된다. 바람직한 시스템(100) 실시예는 입력 신호로부터의 엔벨로프 검출기 전압을 결정하기 위한 엔벨로프(110) 검출기; 공급 전압을 바람직하게는 엔벨로프 검출기 전압의 실질적으로 양자화된 복제로서 결정하기 위한 트랙킹 전원(120); 공급 전압에 응답하여, 대응하는 위상 조정 및 대응하는 이득 조정을 결정하고 대응하는 위상 조정 및 대응하는 이득 조정을 사용하여 입력 신호를 수정하여 전력 증폭용 조절된 입력 신호를 생성하기 위한 입력 신호 컨디셔너(150)를 포함한다. 바람직한 시스템(100)의 실시예는 공급 전압을 사용하여 동작하고, 조절된 입력 신호를 증폭하여 증폭된 출력 신호를 생성하는 전력 증폭기를 더 포함한다. 바람직한 실시예에서 대응하는 위상 조정 및 대응하는 이득 조정은 공급 전압의 가변 범위에 대한 전력 증폭기의 위상 응답 및 진폭 응답의 구분적인 선형 맵핑으로부터 각각 개별적이고 독립적으로 결정된다.

Description

고효율 광대역 선형 무선 전력 증폭기{HIGH EFFICIENCY WIDEBAND LINEAR WIRELESS POWER AMPLIFIER}
무선 주파수(RF) 전력 증폭기와 같은 무선 전송 응용 전력 증폭기는 광범위한 통신 및 다른 전자 응용에 이용된다. 이상적으로는, 전력 증폭기의 입출력 전달 함수는 선형이고, 입력 신호와 완전 동일하고 진폭이 증가된 것으로 전력 증폭기의 출력에서 나타나야 한다.
또한, 더 큰 효율을 위해서, 셀룰라 시스템과 같은 다양한 RF 시스템은 전력 증폭기를 실제 출력 전력이 그의 최고 전력 출력 레벨 바로 아래가 되도록 그의 포화 레벨 가까이에서 구동하려고 한다. 이 전력 출력 레벨은 일반적으로 전력 증폭기에 공급되는 공급 전압(또는 공급 전력)과 관련이 있는 것으로, 공급 전압이 크면 증폭기로부터의 출력 전압도 따라서 커지고, 더 높은 전력 입력 신호를 위해서는, 증폭기를 포화 레벨 또는 그 근처로 유지하는 데 필요한 실제 출력 전력이 따라서 커진다. 그러나, 다양한 종래의 증폭기에 있어서는, 전력 증폭기에 공급되는전압은 고정되어 있다. 증폭기로부터의 실제 전력 출력이 수 오더의 범위로 크기가 변화하는 일반적인 환경에서, 고정된 공급 전압을 사용하는 것은 매우 비효율 적인 것인데, 출력 전력은 흔히 최고치보다 낮은 오더이고, 전력 증폭기는 그 포화 레벨이나 그 근처로 유지되기 때문이다.
전력 증폭기를 포화 레벨 근처로 유지하기 위해 공급 전압을 변화시키는 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 시간에 따라 입력 신호가 변화하는 동안 전력 증폭기를 포화 근처로 유지시키기 위하여 전력 증폭기로의 공급 전압을 변경하거나, 변조시키는 한가지 기술은 PSM(power supply modulation)이다. PSM에 있어서, 증폭기의 공급 전압은 입력 신호의 변이에 트랙킹하는데, 일반적으로 트랙킹 전원와 접속된 신호 검출기를 이용한다. 그러나, 종래의 기술의 다양한 PSM 기술은 에서는 협대역 응용에 적용하기에는 대개 한계가 있거나, 효율성이 좋지 않았다.
예를 들어, EER(Envelope Elimination Restoration)로 알려진 종래의 한 PSM 기술은 리미터를 이용하여 전력 증폭기에 실질적으로 일정한 구동 레벨을 공급하여 증폭기를 엄격한 포화 상태에 유지시키고 효율성을 증가시킨다. 그러나, 리미터를 사용하면, 증폭기에 입력되는 RF 신호의 대역폭을 상당히 확장시키고, 입력 신호 엔벨로프를 매우 정확하게 트랙킹할 것이 요구되고, 전원 스위칭 주파수를 RF 입력 신호의 광대역의 10 배 이상이 될 것을 요구한다. 이들 스위칭 주파수가 증가하면, 트랙킹 전원 내의 트랜지스터는 효율이 떨어져 큰 전력 손실을 낳게 된다. 결과적인 리미터의 대역폭 확장으로 증폭기의 대역폭 용량 또한 입력 신호의 대역폭보다 상당히 증가할 것이 요구되고, EER 구성을 AM(amplitude modulation) RF 방송과 같은 협대역 응용으로 제한한다.
ET(Envelope Tracking)로 알려진 종래의 다른 PSM 기술은 EER의 리미터를 사용하지 않으므로, 더 높은 대역폭 응용에 적합할 것이다. 그러나, 엔벨로프 트랙킹을 사용하면, 전력 증폭기의 출력 신호에 있어서 이득 왜곡, 위상 왜곡, 및 다른 전압 변이 등의 상당한 비선형성이 나타난다. 구체적으로, LDMOS(laterally diffused MOSFET)를 포함하는 전력 증폭기 회로는 입력 전압에 대해 우수한 선형성을 나타내지만, 이러한 LDMOS 와 다른 형태의 전력 증폭기는 공급 전력의 함수로서의 이득과 위상의 변형(variation)이 크다. PSM 기술이 증폭 효율성을 위해 이용되는 경우, 이들 비선형성은 멀티캐리어 FDMA(frequency division multiple access) 또는 TDMA(time division multiple access) 시스템의 IMD(intermodulation distortion)와 CDMA(code division multiple access) 시스템의 스펙트럼 성장(spectral growth)을 유발한다. 이들 다양한 변형은 또한 출력 신호 품질을 떨어뜨리고 데이터 처리량(throughput)을 감소시키는 등 다른 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 3G와 다은 광대역 셀룰라 또는 RF 응용 등의 광대역(broadband 또는 wideband) 응용에 있어서, 고효율의 전력 증폭기를 제공하는 장치, 방법 및 시스템이 요구된다. 이러한 장치, 방법 및 시스템은 위상, 이득, 및 다른 변형을 최소화하하면서 선형 파워 증폭을 제공하여야 한다. 또한, 이러한 장치, 방법 및 시스템은 효율적인 비용으로 기존의 셀룰라 기지국과 같은 기존의 RF 전송 시스템에서 구현될 수 있어야 한다.
본 발명은 일반적으로 전력 증폭기에 관한 것이고, 구체적으로는 광대역 CDMA와 3G 셀룰라 시스템과 같은 무선 응용에 있어서, 고효율의 광대역 선형 무선 전력 증폭기에 관한 장치, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 응용에서 높은 효율의 광대역의 선형 전력 증폭을 위해 제공되는 장치 및 시스템의 실시예를 도시하는 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 무선 응용에서 높은 효율의 광대역의 선형 전력 증폭을 위한 예시적인 입력 신호 전압, 예시적인 엔벨로프 검출기 전압, 및 예시적인 트랙킹 전원 공급 전압을 도시하는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 무선 응용에서 높은 효율의 광대역의 선형 전력 증폭을 위한 예시적인 비선형 위상 변동, 비선형 위상 변동에 대한 예시적인 부분 선형 매핑, 및 위상 조절에 대한 예시적인 부분 선형 매핑을 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 무선 응용에서 높은 효율의 광대역의 선형 전력 증폭을 위한 예시적인 비선형 이득 조절, 비선형 이득 변동에 대한 예시적인 부분 선형 매핑, 및 이득 조절에 대한 예시적인 부분 선형 매핑을 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 무선 응용에서 높은 효율의 광대역의 선형 전력 증폭을 제공하기 위한 방법의 실시예를 도시하는 흐름도.
본 발명의 장치, 방법 및 시스템은 입력 신호의 전력 증폭을 위해 제공되어, 현저한 상호 변조 왜곡 또는 스펙트럼 성장을 발생시키지 않고, 3G 셀룰라 및 대역 CDMA 시스템 등의 대역 무선 어플리케이션들에 대해 거의 선형의 증폭된 출력 신호를 제공한다.
바람직한 시스템(100)의 실시예는 엔벨로프 검출기(envelope detector)(110), 트랙킹 전원(120), 입력 신호 컨디셔너(150), 및 전력 증폭기(170)를 포함한다. 엔벨로프 검출기(110)는 입력 신호로부터 엔벨로프 검출기 전압을 결정하기 위해 이용되고, 트랙킹 전원 공급기(120)는 엔벨로프 검출기 전압으로부터의 공급 전압을 바람직하게는 거의 양자화된 버전의 엔벨로프 검출기 전압으로서 결정하기 위해 이용된다. 전력 증폭기를 그 포화 레벨 또는 그 근처에서 유지시키기 위해 공급 전압이 이용된다. 입력 신호 컨디셔너(150)는 입력 신호를 미리 왜곡시키거나(predistort) 조절하는데 이용되어 조절된 입력 신호를 생성하여, 조절된 입력 신호가 공급 전압을 이용하는 전력 증폭기(170)에 의해 증폭되는 경우, 증폭된 출력 신호가 입력 신호의 거의 선형의 증폭된 복제가 되도록 한다.
공급 전압에 응답하여, 입력 신호 컨디셔너(150)는 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절을 결정한다. 바람직한 실시예에서, 대응하는 위상 조절은 공급 전압에 응답하여 복수개의 소정의 위상 조절들 중에서 선택되고, 대응하는 이득 조절 역시 공급 전압에 응답하여 복수개의 소정의 이득 조절들 중에서 선택된다.복수개의 소정의 위상 조절들 및 복수개의 소정의 이득 조절들은 개별적으로 및 독립적으로, 양호하게는 전력 증폭기의 위상 응답 및 이득 응답의 각각의 부분 선형 매칭으로부터 공급 전압의 변동 범위까지 결정된다. 그 다음에 입력 조절기는 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절을 이용하여 입력 신호를 변경하여 조절된 입력 신호를 생성한다.
바람직한 시스템(100)의 실시예는 또한 입력 신호를 공급 전압과 동기화하는 제1 지연 회로(160), 및 공급 전압을 조절된 입력 신호와 동기화하는 제2 지연 회로(165)를 포함한다.
본 발명의 장치, 방법 및 시스템의 실시예는 3G 및 다른 광대역 셀룰러 또는 RF 응용 등의 대역(또는 광대역) 응용에서, 현저한 대역폭의 제한 없이, 상호 변조 왜곡 없이, 그리고 스펙트럼의 성장 없이 높은 효율성의 전력 증폭을 제공한다. 본 발명의 다양한 실시예들은 선형의 전력 증폭을 효과적으로 제공하여, 임의의 위상, 이득 및 다른 왜곡들을 최소화한다. 또한, 본 발명의 장치, 방법, 및 시스템은 비용면에서 효과적이며, 기존의 셀룰라 기지국 등과 같은 기존의 RF 전송 시스템에서 구현할 수 있다.
본 발명의 다수의 다른 이점 및 특징들은 이하의 상세한 설명 및 실시예로부터, 특허청구범위로부터, 및 첨부하는 도면으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 다양한 형태의 실시예에 가능하고, 본 명세서의 상세한 특정 실시예는 본 명세서의 도면에 도시되고 명세서에 기술되지만, 이러한 본 발명의 개시는 본 발명의 원리의 예시로서 이해되는 것으로 예시된 특정 실시예로 본 발명을 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 광대역 응용을 위한 정확한 선형 고효율 전력 증폭에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명의 장치, 방법 및 시스템 실시예들은, 3G 및 다른 광대역 셀룰러 또는 RF 응용과 같은, 광대역 응용에서, 상당한 대역폭의 한계없이, 상호변조 왜곡없이, 또한 스펙트럼 성장(spectral growth)없이도 이러한 고효율 전력 증폭을 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은 선형 전력 증폭을 효과적으로 제공하고, 임의의 위상, 이득 및 다른 왜곡들을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치, 방법 및 시스템은 비용효과적이고 기존의 셀룰러 기지국과 같은 기존의 RF 전송 시스템에서 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 응용에서 고효율, 광대역 선형 전력 증폭을 제공하기 위한 장치(150) 및 시스템(100)의 실시예들을 도시하는 블록도이다. 시스템(100)은 바람직하게는 3G 셀룰러 시스템, 광대역 CDMA, 또는 다른 셀룰러 PCS 또는 RF 통신 시스템과 같은 무선 통신용 기지국 또는 다른 트랜시버 내에 포함된다. 시스템(100)은 입력 신호 컨디셔너 장치(150), 엔벨로프 검출기(110), 트랙킹 전원(120), 및 전력 증폭기("PA")(170)를 포함한다. 전력 증폭기(710)는 바람직하게는 라인(171) 상의 증폭된, 출력 신호의 무선 전송을 위한 안테나(또는 안테나 어레이)(175)에 결합된다. 아래에서 자세하게 설명하는 바와 같이, 입력신호가 조절된(conditioned) 상태에서 (라인(122) 상의) 전력 증폭기(170)에 공급 전압의 보다 정확한 동기화를 제공하기 위하여, 시스템(100)은 바람직하게는 각각 제1 및 제2 지연 회로(160, 165)를 포함한다.
도 1을 계속 참조하면, (라인(101) 상의) 입력 신호를 트랙킹하고 (라인(122) 상의 가변 공급 전압을 전력 증폭기(170)공급하며, 전력 증폭기(170)를 포화 상태 또는 포화에 근접한 상태로 관리하고 입력 신호의 넓은 가변 범위에 대해 전력 증폭기의 효율을 증가시키기 위하여 엔벨로프 검출기(110) 및 트랙킹 전원(120)이 사용된다. 본 발명에 따른, 입력 신호 컨디셔너 장치(150)는 비선형위상 맵퍼(mapper)(125), 위상 조절기(130), 비선형 이득 맵퍼(135), 및 이득 조절기(140)를 포함한다. 아래에 자세하게 설명하는 바와 같이, 입력 신호 컨디셔너 장치(150)는 반드시 (제1 지연 회로(160)에 의해 지연된) (라인(161) 상의) 입력 신호를 미리 왜곡(predistort)(또는 조절)하여 트랙킹 전원(120)에 의해 제공되는 (라인(121, 122) 상의 공급 전압의 변화로부터 전력 증폭기(170) 내에 도입되는 임의의 위상 및 이득 왜곡을 중화시킨다. 결과적으로, 전력 증폭기(170)로의 공급 전압을 가변하기 위하여 엔벨로프 검출기(110) 및 트랙킹 전원(120)의 사용과 함께 입력 신호 컨디셔너 장치(150)를 사용함으로써 증폭된 출력 신호 상의 위상 및 이득 왜곡을 최소화하고 광대역 응용에서의 선형, 고효율 전력 증폭을 효과적으로 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 응용에서의 고효율, 광대역 선형 전력 증폭을 위한, 예시적인 입력 신호 전압(205), 예시적인 엔벨로프 검출기 전압(210), 및 예시적인 트랙킹 전력 공급 전압(220)을 나타내는 도면이다. 도 1 및 2를 참조하면, 엔벨로프 검출기(110)는 예시적인 입력 신호 전압(205)을 검출하는 엔벨로프 등 (라인(101)상의) 입력 신호의 "엔벨로프"를 트랙킹하거나 검출하여 예시적인 엔벨로프 검출기 전압(210) 등의 엔벨로프 검출기 전압 또는 신호 (라인(111)상의 출력)를 생성한다. 그후, 트랙킹 전원(120)은 엔벨로프 검출기 전압(예를 들어, 엔벨로프 검출기 전압(210))을 더 트랙킹 (또는 양자화)하고 엔벨로프 검출기(110)로부터 직접 일반적으로 이용가능한 레벨과 비교하여 더 높은 또는 더 큰 레벨의 공급 전압 및 전류를 전력 증폭기(170)에 제공한다. 바람직한 실시예에서, 더 빠른 동작및 더 높은 대역폭 용량 (예를 들어 10 MHz 이상)을 위하여, 트랙킹 전원(120)은, 전력 증폭기(170)에 (라인(121)상이며 및 라인(122)상의 제 2 지연 회로(165)가 뒤따르는) 예시적인 전원 전압(220)등의 양자화된 전원 전압 또는 신호를 제공하면서 스텝핑(step)되거나 스위칭된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 트랙킹 전원(120)으로부터 출력된 예시적인 전원 전압(220)은 대략 예시적인 엔벨로프 검출기 전압(210)의 스텝핑되거나 양자화된 버전 또는 복제이고, 또한, 예를 들어, 왜곡(221, 222)에 의해 도시된 바와 같이 다양한 링잉(ringing), 오버슈트, 및 다른 전압 왜곡을 포함할 수 있다. (라인(101) 상의) 입력 신호를 트랙킹함으로써, 엔벨로프 검출기(110)와 트랙킹 전원(120)은 (라인(122) 상의) 전력 증폭기(170)에 가변 공급 전압을 제공하고 전력 증폭기(170)가 입력 신호의 크기의 넓은 범위에 걸쳐 포화 또는 그 근처에 유지되도록 하여, 입력 신호의 매우 효율적인 증폭을 제공한다.
그러나, 상술한 바와 같이, 가변 공급 전압을 전력 증폭기(170)에 공급하기 위한, 엔벨로프 검출기(110) 및 트랙킹 전원(120)에 의한 엔벨로프 트랙킹은 일반적으로 이득 왜곡, 위상 왜곡, 및 다른 기생 등의 전력 증폭기(170)의 (라인(171) 상의) 출력 신호의 상당한 비선형성을 유도한다. 특히, 전력 증폭기(170)의 (라인(171) 상의) 출력 신호의 이득 및 위상의 변화는 상관되거나 그렇지 않으면 (라인(122) 상의) 공급 전압의 함수로서 발생한다. 공급 전압의 함수으로서 전력 증폭기(170)의 출력 신호의 이득 및 위상의 이들 변화는 바람직하게는 전력 증폭기(170)의 초기 설계 또는 제조시에 칼리브레이션되거나 그렇지 않으면 경험적으로 결정될 수 있으며, 비선형 위상 맵퍼(mapper; 125) 및 비선형 이득 맵퍼(135)에서 각각 구현되는 (예를 들어, 도 3 및 4 에 도시된) 비선형 위상 및 이득 맵핑을 생성하는 데 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 응용의 고효율 광대역 선형 전력 증폭을 위한 공급 전압에 대하여, 예시적인 비선형 위상 변화(305), 비선형 위상 변화에 대한 예시적인 구분적(piecewise) 선형 맵핑 (점선 310, 315, 320), 위상 조절을 위한 예시적인 구분적 선형 맵핑 (라인 309, 314, 319)을 나타내는 그래프이다. 상술한 바와 같이, (라인(101) 상의) 입력 신호와 비교하여, (라인(171) 상의) 전력 증폭기(170)으로부터의 증폭된 출력 신호의 위상은 일반적으로 (라인(122) 상의) 전력 증폭기로의 공급 전압의 비선형 함수로서 가변하고, 예를 들어, 예시적인 비선형 위상 변화(305)를 공급하도록 칼리브레이션되거나 그렇지 않으면 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구분적 선형 근사는 예를 들어 비선형 위상 변화(점선 310, 315, 320)에 대한 예시적인 구분적 선형 맵핑을 초래하는 결정된 비선형 위상 변화에 수행된다. 입력 신호를 미리 왜곡하여 이 위상 변화를 수용하기 위하여, 비선형 위상 변화에 대한 구분적 선형 맵핑에 반대되는 왜곡이 이용되어, 위상 조절을 위한 예시적인 구분적 선형 맵핑(도 3의 실선 309, 314, 319로 도시)을 초래한다. 바람직한 실시예에서, 복수의 대응 위상 조절이 특정 공급 전압에 대응하는 계수의 소정 셋트로서 비선형 위상 맵퍼(125)에 저장된다. 결과적으로, 공급 전압 레벨(321) 등의 전력 증폭기(170)로의 임의의 주어진 공급 전압 (또는 공급 전압의 범위)에 대하여, 대응 위상 조절은 위상 조절(322) 등의 비선형 위상 맵퍼(125)에 의해 결정될 수 있다. 비선형 위상 맵퍼(125)에 의해 결정된 이 위상 조절은 (입력 신호 컨디셔너(150)의) 위상 조절기(130)에 의해 입력 신호의 위상을 미리 왜곡하거나 조절하는데 이용되어 (도 1의 라인(131) 상의) 중간 조절된 입력 신호를 형성한다; 이 중간 조절 입력 신호는 그후 이득 조절되어(이하), 조절된 입력 신호(예를 들어, 입력 신호가 위상 및 이득 변화에 대하여 미리 왜곡됨)를 생성하며, 조절된 입력 신호는, 트랙킹 전원(120)에 의해 제공된 공급 전압을 이용하여 증폭될때, 입력 신호의 일반적 또는 대략적으로 증폭된 선형 복제인 출력을 제공할 것이다.
도 4는, 본 발명에 따른 무선 어플리케이션 내의 고효율 광대역 선형 전력 증폭을 위한 공급 전압에 대하여, 예시적인 비선형 이득 (또는 진폭) 분산(variation)(325), 비선형 이동 분산으로의 예시적인 구분 선형 맵핑(piecewise linear mapping)(점선 330, 335 및 340), 및 이득 조절을 위한 예시적인 부분 선형 맵핑(선 329, 334 및 339)을 나타낸 그래프도이다. 전술한 바와 같이, [라인(171) 상의] 전력 증폭기(170)로부터의 증폭된 출력 신호의 이득은, [라인(101) 상의] 입력 신호와 비교하여, 일반적으로 [라인(122) 상의] 전력 증폭기로의 공급 전압의 비선형 함수로서 변화하며, 예를 들어 예시적인 비선형 이득 분산(325)을 제공하도록 보정 또는 결정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 결정된 비선형 이득 분산에 대해서도 구분 선형 근사가 이루어져서, 그 결과, 예를 들어 비선형 이득 분산[점선(330, 335, 340)]으로의 예시적인 구분 선형 맵핑을 유발한다. 입력 신호를 사전 왜곡(predistort)시켜 이러한 이득 분산을 조절하기 위하여, 비선형 이득 분산으로의 구분 선형 맵핑에 대향하는 왜곡이 이용되어, 이득 조절을 위한 예시적인 구분 선형 맵핑을 유발한다 [도 4의 실선(329, 334, 339)]. 바람직한 실시예에서, 복수의 대응하는 이득 조절은 특정 공급 전압에 대응하는 계수의 미리 정해진 집합으로서 비선형 이득 맵퍼(135)에 저장된다. 그 결과, 공급 전압 레벨(321)과 같이, 전력 증폭기(170)에 대한 임의의 주어진 공급 전압(또는 공급 전압의 범위)에 대하여, 대응하는 이득 조절은 이득 조절(323)과 같이 비선형 이득 맵퍼(135)에 의해 결정될 수 있다. 비선형 이득 맵퍼(135)에 의해 결정되는 이러한 이득 조절은, 중간 조절된(intermediate conditioned) 입력 신호[즉, 라인(131) 상의 위상 조절된 입력 신호]의 이득을 사전 왜곡 또는 조절하여, 조절된 입력 신호(conditioned input signal)를 생성하기 위해, 이득 조절기(140)에 의해 이용될 것이다. 위상 및 이득 분산 모두에 대해 사전 왜곡된 입력 신호인 조절된 입력 신호는, 트랙킹 전원(tracking power supply, 120)에 의해 제공되는 공급 전압을 이용하여 증폭될 때, 근사적으로(또는 대체로) 입력 신호의 증폭된 선형 복제(replica)인 출력 신호를 제공할 것이다.
비선형 위상 및 이득 조절과, 그들의 구분 선형 근사는, 일반적으로 서로 다르다는 점에 유의할 필요가 있다 [예를 들어, 예시적인 비선형 이득 분산(325)과 같은 비선형 이득 분산은, 예시적인 비선형 위상 분산(305)와 같은 비선형 위상 분산과는 다른 보정(그래프 또는 곡선) 및 다른 구분 선형 근사를 가짐]. 그 결과, 바람직한 실시예에서, 복수의 비선형 위상 조절 및 복수의 비선형 이득 조절의 각각은, 공급 전압의 함수로서, 개별적으로 그리고 독립적으로 보정 또는 결정된다. 또한, 중간 상태의 입력 신호가 생성된 후 위상 조절이 행해지거나, 이득 조절이위상 조절과 동시에 행해지는 것과 같이, 위상 및 이득 조절은 도 1에 도시된 것 이외의 임의의 순서로 발생할 수 있다는 점에도 유의할 필요가 있다.
다시 도 1을 참조하면, 임의의 주어진 시간에서의 임의의 주어진 입력 신호에 대하여, 엔벨로프 검출기(110)는 [라인(101) 상에서] 입력 신호의 "엔벨로프"를 트랙킹 또는 검출하여, 엔벨로프 검출기 전압을 생성한다 [라인(111) 상에서 출력]. 그 다음으로, 엔벨로프 검출기 전압을 더 트랙킹(또는 양자화)하고, 전력 증폭기(170)에 보다 더 높은 또는 큰 레벨의 공급 전압 및 전류를 제공하기 위하여, 트랙킹 전원(120)이 이용된다. 바람직한 실시예에서, 트랙킹 전원(120)은 스텝핑되거나(stepped) 스위칭되어, 전력 증폭기(170)에 양자화된 전력 공급 전압을 제공한다 [라인(121) 상에서, 제2 지연 회로(165)를 따라, 라인(122) 상에서]. 바람직한 실시예에서, 3개의 스텝 또는 양자화가 이용되지만, 추가의 스텝으로부터 얻을 수 있는 효율성의 증가는 트랙킹 전원(120)의 복잡성 증가로 인해 대체적으로 상실될 것이다. 엔벨로프 검출기(110) 및 트랙킹 전원(120)에 의한 이러한 트랙킹 동안 발생하는 임의의 지연을 조절하기 위하여, 제1 지연 회로(160)는, [라인(161) 상에서] 입력 신호를 지연시켜 라인(121) 상에서 대응하는 공급 전압과 동기화시킨다.
라인(121) 상의 공급 전압은 비선형 위상 맵퍼(125) 및 비선형 이득 맵퍼(135) 양자 모두에 입력된다. 전술한 바와 같이, [라인(121) 상에서] 공급 전압의 임의의 주어진 값에 대하여, 비선형 위상 맵퍼(125) 및 비선형 이득 맵퍼(135)는 각각 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절을 제공한다. 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절을 각각 이용하여, 위상 조절기(130) 및 이득 조절기(140)는 [라인(161) 상에서] (지연된) 입력 신호를 수정하여, [라인(151) 상에서] 전력 증폭기(170)에 사전 왜곡된 또는 조절된 입력 신호를 제공한다. 전술한 바와 같이, 예를 들어, 중간 위상 조절된 입력 신호 다음에 이득 조절이 후속하여 조절된 입력 신호를 생성하거나, 중간 이득 조절된 입력 신호 다음에 위상 조절이 후속하여 조절된 입력 신호를 생성하는 것과 같이, 이러한 이득 및 위상 조절은 임의의 순서로 발생할 수 있으며, 순차적으로 발생하는 경우, 중간 조절된 신호가 존재할 것이다.
입력 신호 컨디셔너(150)에 의한 위상 및 이득 결정 및 조절 동안에 발생하는 임의의 지연을 조절하기 위하여 제2 지연 회로(165)를 사용하여 (라인(122) 상의) 전원 전압을 지연시켜 (라인(151) 상의) 대응하는 조절 입력 신호와 동기시킨다. 이어서, (라인(122) 상의) 전력 증폭기(170)에 대한 전원 전압은, 비선형 위상 및 이득 맵퍼(125, 135)에 입력으로서 앞서 제공되고 위상 및 이득 조절을 결정하는 데 사용되어 입력 신호를 미리 왜곡시킴으로써 조절된 입력 신호를 생성하는 (라인(121) 상의) 전원 전압과 동일한 값이 된다. 결과적으로, 전력 증폭기(170)에 의해 라인(122) 상의 동기화된 전원 전압을 이용한 조절 입력 신호의 증폭은 라인(171) 상의 입력신호의 위상 또는 이득 왜곡 없이 대체적으로 선형이고, 증폭된 복제 신호를 생성하게 된다. 이어서, 증폭된 신호는 예컨대 안테나(175)를 통한 방송에 사용될 수 있다. 또한, 대응하는 입력 신호의 트랙킹에 의해 임의의 순간에 결정되는 가변 전원 전압을 이용하면 전력 증폭기(170)의 최대 출력이 따라서변하게 되어 전력 증폭기가 광범위한 입력 신호 전력 레벨에서 포화 상태로 또는 그 가까이로 유지될 수 있게 된다.
본 발명의 특히 중요하고 신규한 특징은 엔벨로프 검출기(110)로부터의 (라인(111) 상의) 엔벨로프 검출기 전압이 아닌 트랙킹 전원(120)으로부터의 라인(121) 상의 전원 전압의 입력 신호 컨디셔너(150)로의 입력이다. 결과적으로, 입력 신호 컨디셔너(150)는 조절된 입력 신호에 위상 및 이득 조절을 제공하여 오버슈트, 링잉 및 도 2에 도시된 왜곡(221, 222)과 같은 다른 비선형 왜곡을 추가적으로 조절할 수 있게 되는데, 이러한 왜곡을 조절하지 못할 경우에는 증폭된 출력 신호의 선형성에 악영향을 미치게 된다. 또한, 이러한 양자화된 트랙킹 전원(120)의 이용은 연속 트랙킹 전원의 대역폭 제한을 피하게 되며, 10 MHz 이상의 대역폭과 같은 광대역 응용에 시스템(100)을 이용할 수 있게 된다.
도 5는 무선 응용에서 고효율 광대역 선형 전력 증폭을 제공하기 위한 방법 실시예를 나타내는 흐름도로서 본 발명의 유용한 개요를 제공한다. 바람직한 실시예에서 (시작 단계 400과 복귀 단계 440 이외의) 방법의 각 단계는 도 1의 시스템(100) 회로의 계속적인 동작에 의해 설명될 수 있는 바와 같이 입력신호가 증폭되어야 하는 한 기본적으로 연속적으로 실시된다. 도 5를 참조하면, 방법은 시작 단계 400에서 시작되고, 단계 405에서 바람직하게는 엔벨로프 검출기(110)에 의해 입력 신호를 엔벨로프 트랙킹하여 엔벨로프 검출기 전압(또는 신호)을 생성하게 된다. 그 다음, 단계 410에서 바람직하게는 트랙킹 전원(120)에 의해 엔벨로프 검출기 전압이 양자화되어 전원 전압(또는 신호)이 생성된다. 단계 415에서 바람직하게는 각각의 비선형 위상 맵퍼(125) 및 비선형 이득 맵퍼(135)에 의해 전원 전압으로부터 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절이 결정된다. 전술한 바와 같이, 바람직한 실시예에서 포텐셜 전원 전압의 전범위에서 복수의 대응 위상 조절 및 복수의 대응 이득 조절이 보상되거나 결정되며, 바람직하게는 비선형 위상 맵퍼(125) 및 비선형 이득 맵퍼(135)에 각각 대응하는 계수로서 저장된다.
도 5를 참조하면, 단계 420에서 입력신호는 바람직하게는 제1 지연 회로(160)에 의해 전원 전압과 동기화된다. 그 다음, 단계 425에서 바람직하게는 위상 조절기(130) 및 이득 조절기(140) 각각에 의해, 동기화된(또는 지연된) 입력신호가 대응하는 위상 조절 및 대응하는 이득 조절을 이용하여 수정되어 조절된 입력 신호가 생성된다. 예컨대, 바람직한 실시예에서 위상 조절기(130) 및 이득 조절기(140)는 배수기로서 구현되어, 대응하는 위상 조절 계수 및 대응하는 이득 조절 계수를 각각 입력신호에 곱하여 라인(151) 상의 조절된 입력 신호를 생성할 수 있다. 전력 증폭기(170)에 대한 전원 전압은 단계 430에서 바람직하게는 제2 지연 회로(165)에 의해, 조절된 입력 신호와 동기화된다. 단계 435에서, 동기화된 전원 전압을 이용하여 예컨대 전력 증폭기(170)에 의해 조절된 입력신호가 증폭되어 라인(171) 상의 전송용 출력 신호가 생성된다. 방법은 더 이상 증폭을 필요로 하는 입력신호가 없을 때 복귀 단계 440에서 끝날 수 있지만, 전술한 바와 같이 바람직한 실시예에서 (시작 단계 400 및 복귀 단계 440 이외의) 방법의 각 단계는 효과적으로 연속적으로 실시된다.
전술한 바로부터 명백하듯이 본 발명의 다양한 실시예에 많은 이점이 있다.본 발명의 장치, 방법 및 시스템 실시예는 3G 및 다른 광대역 셀룰러 또는 RF 응용과 같은 광대역 응용에서 심각한 대역폭 제한, 상호변조 왜곡 및 스펙트럼 증가 없이 고효율 전력 증폭을 제공한다. 본 발명의 다양한 실시예는 위상, 이득 및 다른 왜곡을 최소화한 선형 전력 증폭을 효과적으로 제공한다. 또한, 본 발명의 장치, 방법 및 시스템은 비용 효과적이며, 기존의 셀룰러 기지국과 같은 기존의 RF 전송 시스템에서 구현이 가능하다.
전술한 바로부터 본 발명의 신규한 개념의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명된 특정 방법 및 장치에 대한 어떠한 제한도 의도되지 않으며, 추론되지 말아야 한다. 물론 청구범위의 범위에 있는 모든 변형 및 수정은 청구범위에 포함되는 것이다.

Claims (10)

  1. 증폭된 출력 신호를 생성하기 위한 입력 신호의 파워 증폭 시스템에 있어서,
    상기 입력 신호로부터 엔벨로프 검출기 전압을 결정하도록 동작되는 엔벨로프 검출기;
    상기 엔벨로프 검출기에 결합되어 동작되는 트랙킹 전원 - 상기 트랙킹 전원은 상기 엔벨로프 검출기 전압으로부터 공급 전압을 결정하도록 동작됨 - ;
    상기 트랙킹 전원에 결합되어 동작되는 입력 신호 컨디셔너 - 상기 입력 신호 컨디셔너는 상기 공급 전압에 응답하여, 대응 위상 조절 및 대응 이득 조절을 결정하도록 동작되며, 또한 상기 대응 위상 조절 및 상기 대응 이득 조절을 이용하여 상기 입력 신호를 수정하도록 동작하여 조절된 입력 신호를 생성함 - ; 및
    상기 공급 전압의 수신을 위해 상기 트랙킹 전원에 결합되어 동작되고, 상기 입력 신호 컨디셔너에 결합되어 동작되며 상기 조절된 입력 신호를 증폭함으로써 상기 증폭된 출력 신호를 생성하는 전력 증폭기
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 신호 컨디셔너에 결합되어 동작됨으로써 상기 트랙킹 전원로부터의 상기 공급 전압에 상기 입력 신호를 동기화시키는 제1 지연 회로를 더 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 트랙킹 전원에 결합되어 동작됨으로써 상기 입력 신호 컨디셔너로부터의 상기 조절된 입력 신호에 상기 공급 전압을 동기화시키는 제2 지연 회로를 더 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 트랙킹 전원은 또한 상기 엔벨로프 검출기 전압의 실질적으로 양자화된 버젼으로서 상기 공급 전압을 결정하도록 동작되는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증폭된 출력 신호는 상기 입력 신호의 실질적으로 선형인 복제 신호(replica)인 시스템.
  6. 증폭된 출력 신호를 생성하기 위한 입력 신호의 파워 증폭 방법에 있어서,
    (a) 상기 입력 신호를 엔벨로프 검출하여 엔벨로프 검출기 전압을 결정하는 단계;
    (b) 상기 엔벨로프 검출기 전압으로부터 공급 전압을 결정하는 단계;
    (c) 상기 공급 전압에 응답하여, 대응 위상 조절 및 대응 이득 조절을 결정하는 단계;
    (d) 상기 대응 위상 조절 및 상기 대응 이득 조절을 이용하여 상기 입력 신호를 수정함으로써 조절된 입력 신호를 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 공급 전압을 이용하여, 상기 조절된 입력 신호를 증폭함으로써 상기 증폭된 출력 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 (d)는 상기 입력 신호를 상기 공급 전압에 동기화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 단계 (e)는 상기 공급 전압을 상기 조절된 입력 신호에 동기화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 공급 전압은 상기 엔벨로프 검출기 전압의 실질적으로 양자화된 버젼으로서 결정되는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 증폭된 출력 신호는 상기 입력 신호의 실질적 선형 복제 신호인 방법.
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