KR20030080528A - 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기 및이를 이용한 이동통신이나 위성통신 단말기 - Google Patents

임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기 및이를 이용한 이동통신이나 위성통신 단말기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 션트 스위치로 모든 임피던스 추적이 가능하도록, 션트 임피던스 보정회로(100, 200)와 입출력 정합회로(21, 22) 사이에 90°(270°) 지연선을 삽입함으로써 시리즈 임피던스 보정회로 삽입과 동등한 효과를 가지도록 함으로써 션트 임피던스 및 시리즈 임피던스 추적이 가능한 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기를 제공하는 것이다.

Description

임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기 및 이를 이용한 이동통신이나 위성통신 단말기{ENVOLOPE TRACKING POWER AMPLIFIER HAVING IMPEDANCE MATCHING CIRCUITS, AND TERMINAL FOR MOBILE COMMUNICATION OR SATELLITE COMMUCATION USING THE SAME}
본 발명은 기존의 이동통신 단말기에 사용되는 고출력 증폭기의 효율을 개선시키는 장치에 관한 것으로, 특히 능동소자의 임피던스 변화에 따른 정합회로의 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기, 및 이를 이용한 이동통신이나 위성통신 단말기에 관한 것이다.
CDMA 다중화 방식을 이용하는 이동통신에서 사용되는 RF 전력 증폭기는 변조의 정확성과 주파수 재생을 제한하기 위해 높은 선형성을 요구한다. 비선형성으로 인해 발생하는 왜곡 현상을 최소화하기 위해 전력증폭기는 A급 혹은 AB급으로 동작된다. 전력 증폭기가 A급 또는 AB급으로 동작될 때 최대전력보다 낮은 전력이 출력되면 효율도 같이 감소한다.
그런데, CDMA 방식의 기지국과 단말기 사이의 가변적인 거리, 다중경로와 셰도우 페이딩 등에 적응하기 위해 단말기의 출력 전력은 변화하게 된다. 그리고 무선 통신 시스템에서 배터리의 수명과 간섭 효과를 제한하기 위해 능동 궤환 제어(active feedback control)를 이용하여 단말기의 RF출력을 제어한다. 이 경우 단말기의 출력전력의 확률분포는 도 1과 같은 바, 최대출력이 1W 정도인 경우 실제 1mW근처에서 출력되고, 최대출력이 출력되는 경우는 극소수의 시간인 것으로 나타났다. 이 때 효율은 A급인 경우는 출력의 감소와 함께 같이 감소하기 때문에 0.1%로 감소하고, AB급인 경우는 제곱근에 반비례하기 때문에 2%로 감소한다.
이러한 배터리의 비효율성을 극복하기 위한 고효율 파워 증폭기에 관한 것으로, 'Gary Hanington' 등의 논문 "High-Efficiency Power Amplifier Using Dynamic Power-Supply Voltage for CDMA Applications" (IEEE Transactions On Microwave Theory Techniques, Vol. 47, No. 8, August 1999, pp. 1471-1476) 가 있다. 상기 논문에 개시되어 있는 파워 증폭기는, 단말기에서 저전력이 출력되면 상기 논문의 도 2와 같이 직류 바이어스 값을 변화시키므로 동작점을 좌측으로 이동시킨다. 이것은 상기 논문의 도 3과 같이, 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급전압을 줄이므로 가능하게 된다. 단말기의 출력전력이 감소하면 이와 같이 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 증폭기의 효율성이 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 이러한 증폭기를 포락선 추적 증폭기(envelope tracking amplifier)라 한다.
DC-DC 변환기(1)에 의해 가변 바이어스 직류 전압을 공급받는 포락선 추적 증폭기를 갖는 회로를 도 2를 참조하여 설명한다.
RF 입력이 RF 신호 입력단(7)으로부터 입력되어 전력 증폭부(10)에 의해 증폭된 후, 증폭된 RF 출력이 안테나(8)를 통해 출력된다. 한편, 상기 전력 증폭부(10)는, MESFET(13)을 포함하며, 단자 P1을 통해 RF 입력단에, 단자 P2를 통해 안테나와 접속되는 바, 다시 상기 단자 P1은 입력 정합 회로(11)에, 상기 단자 P4와 상기 안테나에 접속된다.
입력 정합 회로(11)는 상기 MESFET(13)의 게이트에, 출력 정합 회로(12)는 상기 MESFET(13)의 드레인 측에 접속되는 바, 상기 MESFET(13)의 게이트 및 드레인은 동시에 단자 P3을 통해 Vgg 바이어스 전압을 공급하는 Vgg 전압 공급부(6) (바이폴라형 트랜지스터의 경우에는 Vbb 전압 공급부) 및 단자 P2를 통해 Vdd 바이어스 전압을 공급하는 Vdd 전압 공급부(1) (바이폴라형 트랜지스터의 경우에는 Vcc 전압 공급부) 에 각각 접속된다. 상기 Vgg 전압 공급부(6) 및 Vdd 전압 공급부(1)와 단자 P3 및 P2 간에는, 각각 AC 차단 인덕터(L1, L2)가 삽입되는 것이 바람직하다.
한편, RF 신호 입력단(7)과 단자 P1 간에는 방향성 결합기(4)가 삽입되어 RF 입력 신호를 검출하며, 검출된 입력 신호는 포락선 검출기(5)에 의해 포락선을 검출하게 된다. 검출된 포락선 신호(PD)의 크기에 종속적인 Vdd 직류 전류가 MESFET(13)의 드레인 측에 바이어스 전압으로서 입력된다. 상기 가변 Vdd 전압의 공급부(1)는 직류-직류 변환기(2), 그에 대한 전압 공급원(3), 증폭기, 및 도 3 에 도시된 바와 같은 다수의 저항과 캐패시터 소자들을 포함한다.
따라서, 단말기의 출력전력이 감소하면, 도 5 에서와 같이, 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 동작점이 A점에서 C점으로 이동되며, 역으로 단말기의 출력전력이 증가하면 동작점이 C점에서 A점으로 이동하여 단말기의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 최근 이동통신, 위성통신 등 무선통신을 이용한 개인 통신기기의 수요는 점차 확대되면서, 무선 통신 서비스의 품질도 소형화, 다양화, 광대역화, 고품질화가 요구되고 있다. 이렇게 발전하는 무선통신 서비스에서 가장 큰 문제가 되고있는 것은 배터리 수명이 짧다는 것이다. 또한 소형화되는 단말기에 비하여 배터리의 크기와 용량은 제한되어 있다. 현재 단말기내에서 고출력 증폭기(Power Amplifier Module, PAM)는 단말기의 전체 직류전력의 60%에서 70%까지 소모하는 것으로 알려져 있다. 특히 CDMA신호를 이용할 경우 효율을 높이기 위해 낮은 점에서 동작시키게 되면 소위 스펙트럼 증식(spectral regrowth) 현상으로 인하여 ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) 특성이 급격하게 악화되고, 2차 효과로써 변조 정밀도(modulation accuracy) 까지 떨어지는 경향이 있다. 일반적으로 IMT-2000은 W-CDMA와 CDMA2000 모두 CDMA기술을 사용하기 때문에 증폭기회로가 ACPR특성과 효율을 만족하기 위하여 동작점을 AB급에 동작하도록 되어 있다.
한편, 단말기에서 출력되는 RF신호는 기지국에 도착하였을 때 항상 일정한 신호로 도착하도록 단말기에서 자동적으로 출력이 조절되고 있다. 또한, 단말기와 기지국 사이의 변화하는 거리, 셰도우 페이딩 등으로 인하여 단말기에서 출력되는 출력 레벨은 0dBm 전후이고, 최대출력이 출력될 확률은 1% 전후인 것으로 보고되었다. 최근 이러한 출력 레벨의 확률분포 함수는 계속 발표되어져 왔다. 현재 사용되고 있는 전력 증폭기는 낮은 전력이 출력될 확률이 높지만 실제로는 동작점이 높은 바이어스 전압에 의해 고정되어 있으므로 효율의 손실이 심하다. 상술한 바와 같은 포락선 추적 증폭기는 이러한 낮은 전력 크기로 출력될 때 바이어스 전압을 낮게 조절함으로 낮은 전력레벨에서의 효율을 높여 배터리의 사용 시간의 연장을 시도하였다. IMT-2000과 같은 제 3세대 이동통신 단말기의 고출력 증폭기에 있어서 CDMA2000과 W-CDMA 두 방식 모두 CDMA방식을 사용하여 AB급으로 동작됨으로 이러한포락선 추적 증폭기는 향후 효율을 획기적으로 높인다는 점에서 매우 관심을 끌 것으로 생각된다.
그러나 이러한 포락선 추적 증폭기가 동적인 바이어스로 인하여 RF 전력 신호의 크기에 따라 증폭기의 입력과 출력 임피던스가 변화하게 된다. 이러한 임피던스의 변화는 포락선 추적 증폭기의 이득을 감소시켜 효율을 떨어뜨리고 VSWR을 악화시켜 안정성을 악화시켜 전력증폭기의 파손이나 손상이 빈번하게 발생하게 된다. 더구나, 상기 DC-DC 변환기는 그라운드 특성이 좋지 않으며, 크기 및 전력손실이 크다는 단점이 있다.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이, RF 입력 신호가 인가되면 커플러에 의해서 포락선 검파기(Envelope Detector)와 전력증폭기로 각각 신호가 들어간다. 포락선 검파기로 들어온 RF신호는 직류로 바뀌게 된다. 이 직류 신호는 크기가 작기 때문에 직접 전력증폭기를 구동시킬 수 없다. 그래서 다음 단인 DC-DC 컨버터에서 전력증폭기를 구동시킬 수 있는 동적 바이어스로 변환시키게 된다. 즉 전력 크기에 따라 적합한 바이어스 동작점을 DC-DC 컨버터를 이용해서 조정한다. 그러나 증폭기의 정합 지점을 낮은 전력 크기에서 잡는다면 높은 전력 크기에 대해서 부정합이 발생한다. 이러한 높은 전력에서의 부정합으로 인하여 높은 전력 신호에서의 효율이 저하되고 이득이 감소한다. 또한 기존의 포락선 추적기에서 DC-DC 변환기를 이용할 경우 DC-DC 변환기가 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하기 때문에 이것으로 인하여 많은 특징이 발생하게 된다. 즉 RF전력이 크게 출력되면 DC-DC 변환기의 내부 트랜지스터의 과포화 상태를 일으켜 펄스파가 되도록 하여 DC-DC변환효율(conversion efficiency)을 이론적으로 100%가 되도록 한다. 그러나 통화빈도가 가장 많은 RF 신호 전력인 낮은 출력이 출력될 때는 내부 트랜지스터가 포화 상태로 변환되지 않아 펄스파의 형태를 잃어버리게 되어, 변환효율이 급격히 떨어지는 경향이 있다. 또한, 출력된 DC신호와 함께 강한 변조 주파수의 신호도 같이 출력되기 때문에 출력단에 저역 통과 여파기가 필요하게 된다. 이 경우 저역통과 여파기의 크기가 너무 큰 문제점을 가지고 있고, 여파기를 통과한 DC신호라고 하더라도 DC-DC 변환기 출력 DC 신호가 너무 크기 때문에 미약한 변조 주파수는 여전히 존재하여 전력증폭기의 ACPR특성을 악화시키게 된다. 게다가 DC-DC변환기 자체의 가격이 비싸며, 전력증폭기와 같은 반도체 공정을 거쳐야 하므로 접지 문제가 심각하다고 할 수 있다.
본 발명은, 본 발명자의 다른 발명에 관한 대한민국 특허 출원 제 2000-24461호, 제 2001-7115호 및 제 2001-25859호와 관련되며, 상기 출원 내용은 본 명세서에 편입되어지는 것으로 한다.
즉, 상기 출원 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 도 3에서와 같은 전력증폭기(23)의 전력 레벨과 동작점의 변화로 발생하는 임피던스의 변화를 보정해줄 회로를 구성하는 것이다. 따라서, 입력정합회로(21) 및 출력정합회로(22)에 각각 입력측 임피던스 보정회로(100) 및 출력측 임피던스 보정회로(200)가 접속된다. 이때, 상기 임피던스 보정회로(100, 200)는, 바렉터 다이오드와 같은 초고주파 가변커패시턴스 소자를 사용할 수도 있고, 초고주파 가변인덕턴스 소자 및 액츄에이터를 동반한 임피던스 튜너를 이용할 수도 있으며, 도 3에서와 같이 임피던스 보정회로용 스위치형 가변 임피던스(28, Z1; 28', Z1')를 이용할 수도 있다.
한편, 상술한 도 3의 회로는 병렬 삽입된(shunt) 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기의 개념도인데 반하여, 도 4에는 직렬 삽입된(series) 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기의 개념도가 도시되어 있다.
역시, 각각 임피던스(Z1; Z1') 및 임피던스 보정회로용 스위치(28a, 28b; 28a', 28b')를 포함하는 임피던스 보정회로(100', 200')를 갖는다.
그런데, 대신호가 인가되면 도 4의 직렬삽입형에서는 스위치 회로에 대신호가 100% 지나가게 되어, 스위치 회로를 RF 반도체 소자로 만들 경우든 MEMS 스위치로 만들 경우든 부작용이 있다.
즉, 스위치 회로가 반도체 소자로 만들어지는 경우에는 비선형성으로 인하여 ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)에 악영향을 주게 되며, MEMS 소자로 만들어지는 경우에는 스위치 회로에 파워가 세서 정착이 되어 버리는 스틱션(Stiction) 현상이 생기게 된다. 결국 고출력일 경우에의 문제점 때문에, 도 3의 병렬삽입형(션트형)이 우수하다고 볼 수 있다.
한편, 포락선 추적 증폭기에서 대신호가 인가되면 도 5의 A점에서 동작이 되고, 소신호가 인가되면 점 B 및 C에서 동작이 된다. 그런데 도 6에서 보는 바와 같이, 임피던스가 점 O에서 점 B' 혹은 D'로 이동하게 되면 션트 스위치로 임피던스 추적이 가능하게 된다. 그러나, 점 A' 혹은 C'로 이동하게 되면 션트 스위치로서는임피던스 추적이 불가능하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 션트 임피던스를 시리즈 임피던스로 바꾸는 방법에 관한 것이다. 즉, 도 7에서 보는 바와 같이, 션트 임피던스 보정회로(100, 200)와 입출력 정합회로(21, 22) 사이에 90°(270°) 지연선을 삽입함으로써 시리즈 임피던스 보정회로 삽입과 동등한 효과를 가지도록 함으로써 션트 임피던스 및 시리즈 임피던스 추적이 가능한 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적이나 효과는, 첨부한 도면을 참고하여 기술한 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 일반적인 이동통신 단말기의 출력 전력레벨의 실제 확률 분포를 나타낸다.
도 2는 종래의 이동통신 단말기의 효율개선을 위한 직류-직류 변환기를 갖는 포락선 추적 증폭기 회로도이다.
도 3은 병렬 삽입된(shunt) 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기의 개념도이다.
도 4는 직렬 삽입된(series) 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기의 개념도이다.
도 5는 종래의 포락선 추적 증폭기의 직류바이어스 변화에 따른 동작점 변화를 나타낸다.
도 6은 종래의 포락선 추적 증폭기의 임피던스 변화에 따른 스미스챠트이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기 회로도이다.
도 8은 션트C 회로와 씨리즈L 회로가 등가 회로임을 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 90° 지연선로가 럼프드 회로로 구현될 수 있음을 설명하기 위한 회로도이다.
도 10은 90° 지연선로와 등가인 π형 회로의 럼프드 회로도.
도 11은 90° 지연선로와 등가인 T형 회로의 럼프드 회로도.
도 12는 270° 지연선로와 등가인 T형 및 π형 회로의 럼프드 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : Vdd 전압 공급부 2 : 직류-직류 변환기
3 : 전압 공급원 4 : 방향성 결합기
5 : 포락선 검출기 6 : Vgg 전압 공급부
7 : RF 신호 입력단 8 : 안테나
10 : 전력 증폭부 11 : 입력 정합 회로
12 : 출력 정합 회로 13 : MESFET
21 : 입력 정합 회로 22 : 출력 정합 회로
23 : 능동 소자 24, 25 : 90°(270°) 지연선로
28, 28a, 28b : 입력측 임피던스 보정회로용 스위치
28', 28a', 28b' : 출력측 임피던스 보정회로용 스위치
100, 100' : 입력측 임피던스 보정회로
200, 200' : 출력측 임피던스 보정회로
본 발명의 일 측면인 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기는, 변화하는 RF 입력 신호에 대해 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키며, 상기 변화하는 RF 입력 신호에 대응하는 신호에 의해 입력측 및 출력측 임피던스의 적어도 어느 하나를 가변시켜 임피던스 매칭을 행하는 입력측 임피던스 보정회로(100)나, 출력측 임피던스 보정회로(200) 또는 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)를 포함함으로써, 그리고 상기 임피던스 보정회로(100, 200)와 함께 보정된 총 입/출력측 임피던스에 의해 상기 능동소자(23)와 임피던스 정합을 행하는 입/출력 정합회로(21, 22)를 포함함으로써, 상기 능동소자의 임피던스 매칭을 시키면서 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 임피던스 보정회로를 갖는 파워증폭기로서, 상기 병렬접속(션트)되는 입력측 임피던스 보정회로(100)와 상기 입력 정합회로(21) 사이, 상기 출력측 임피던스 보정회로(200)와 상기 출력 정합회로(22) 사이, 또는 상기 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)와 상기 입/출력 정합회로(21, 22) 사이에 90°(270°) 지연선이나, 상기 지연선에 대신하여 90°(270°) 지연을 시키는 럼프드(lumped) 회로(도 10, 도 11 참조)가 삽입되어, 임피던스를 보정하도록 하되 션트 임피던스 변화는 물론 시리즈 임피던스 변화에 대해서도 추적이 가능한 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 측면인 이동통신이나 위성통신 단말기는, 상기 파워증폭기를 이용하여 효율개선을 행하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기 회로도이고, 도 8은 션트C 회로와 씨리즈L 회로가 등가 회로임을 설명하기 위한 회로도이다.
먼저, 본 발명에 관한 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기는, 도 7에서 보는 바와 같이, 션트 임피던스 보정회로(100, 200)와 입출력 정합회로(21, 22) 사이에 90°(270°) 지연선(24, 25)을 삽입함으로써 시리즈 임피던스 보정회로 삽입과 동등한 효과를 가지도록 함으로써 션트 임피던스 및 시리즈 임피던스 추적이 가능한 임피던스 보정회로를 갖도록 한다.
90°지연선을 사용함으로써 시리즈 임피던스 추적이 가능한 원리를 도 8을참조하여 설명하면, 도 8의 (a)에서 션트 C (26)와 저항 Z0의 지연선(24, 24')을 갖는 를 갖는 임피던스 보정회로의 각 지점에서의 입력 임피던스 Yin1, Yin2, Zin(Yin) 는 다음 수학식 1과 같다.
즉, 상기 도 8a의 회로는 수학식 1로 표현되므로 그 등가회로는 도 8 (b)와 같이 인덕터 L (27)을 갖는 회로와 등가이다. 여기에서 L=C·Z0 2이다.
그리고, 90° 지연선의 부하쪽 저항은 Zin=Z0이면 무시할 수 있다.
결과적으로 션트 C 회로(26)는 90° 지연선(24, 24')을 이용하여 도 8에서 보는 바와 같이 시리즈 L(27)로 고칠 수 있다.
또한 이와 같은 과정을 이용하면, 션트 L 회로(미도시됨)는 시리즈 C 회로로 바꿀 수 있다. 결국 90° 지연선을 이용하면 션트 회로를 시리즈 회로로 바꿀 수가 있기 때문에 90° 지연선 및 션트 임피던스 보정회로 구조이면 모든 임피던스를추적(tracking)할 수 있다.
이제, 본 발명의 제2 실시예를 첨부된 도면 도 9 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명한다. 도 9는 90° 지연선로가 럼프드 회로로 구현될 수 있음을 설명하기 위한 회로도이고, 도 10은 90° 지연선로와 등가인 π형 회로의 럼프드(Lumped) 회로도이며, 도 11은 90° 지연선로와 등가인 T형 회로의 럼프드 회로도이다.
90° 지연선의 크기는 이동통신 주파수에서는 반도체 공정으로 만들기에는 너무 크다. 일례로 셀룰라 방식에서 90° 지연선의 길이는 3-4 ㎝에 달하게 된다. 따라서, 이것을 럼프드(limped) 회로로 구현하게 되면, 극단적으로 크기를 줄일 수 있게 된다.
먼저, 도 9를 참조하면, (a)에서 보는 바와 같은 파라미터 Z0및 β를 갖는 지연선(24)은 (b)의 π형 럼프드 회로로 바꿀 수가 있게 된다.
도 9(a)의 90° 지연선의 ABCD 파라미터는, 수학식 2와 같게 된다.
또한, 도 9(b)의 π형 럼프드 회로의 ABCD 파라미터는, 수학식 3과 같게 된다
이때, 수학식 2 와 수학식 3이 같기 위해서는,
XcBc=1,
XL=Z0, 및
Bc=Y0(=1/Z0) 로 되어야 하는 바,
상기 조건을 만족하게 되면, 수학식 2와 수학식 3은 같게 되고, 도 9의 (a)의 90° 지연선은 (b)의 π형 회로와 동등하게 된다. 이를 도 10에 표현하였다.
한편, 도 11에는 90° 지연선(a)을 T형 회로(b)로도 나타낼 수 있음을 보이고 있다.
마찬가지 방법으로 90° 지연선을 이용하여 션트 회로에서 시리즈 회로의 구현이 가능하며, 결국 시리즈 임피던스 추적이 가능하게 된다.
실시예 1에서, 90° 지연선 대신 270° 지연선을 사용하더라도 똑같은 기능을 하게 되는 바, 도 12의 (a) 및 (b)는 각각 270° 지연선로와 등가인 T형 및 π형 회로의 럼프드 회로도이다. 도 12에서 Xc=Z0이고, BL=Y0=1/Z0이다.
다른 한편, Hiroshi Okazaki 외 2인의 논문 "Efficiency Transmission-Power-Control Scheme for Ku-Band High-Power Amplifiers in Portable User EarthTerminals" (IEEE MTT Vol. 49, No. 6, JUNE 2001)에서 보듯이, 멀티미디어 위성 통신에서 소형 휴대 사용자 단말기의 HPA(High Power Amplifier)의 중요한 부분은 전력절감 기술이다. 그런데, 위성과 단말기 사이에서의 전파전달 손실은 날씨 상태에 달려 있다 (소위 "rain-attenuation effect). 즉, 사용자 단말기는 우천 감쇠 효과를 조절하기 위하여 전력전달 제어를 요하게 되는데, 즉, 출력 파워는 맑은 날씨에서는 낮게 되고 비오는 날씨에서는 높게 되도록 조절되어 진다. 대부분 맑은 날씨이기 때문에, '저 전력 출력'에서 전력소모는 결정적인 요소가 되며, 최소화되어져야 한다.
K. Ohata 외 4인의 논문 "Bi-derectional Multimedia Satellite Communication System using Ultra small User Terminal" (Acta Astronautical, Vol. 48, No. 5-12, pp. 401-409, 2001) 에서는 이상의 위성 통신 규격에 대하여 언급하고 있다. 즉, 이동통신이 최대 27dBm 출력을 발하는데 비해, 위성통신은 최대 25 dBm 출력을 발하고, 대부분은 17.8 dBm 출력을 발하게 도니다.
이러한 상황 때문에, 상기 이동 통신에서의 전력 절감 기술은 위성 통신 기술에서도 그대로 채용될 수 있게 된다.
이상, 본 발명에 의하면, 도 5에서와 같이 변화하는 RF신호에 대하여, 그 신호와 비례하는 DC 전압을 추출하기 위하여 방향성 결합기 및 포락선 검출기를 사용하여 전력레벨에 따라 그 값에 비례하는 직류전압을 도출하며, 이 직류전압은 전압 조절기에 의하여 적절한 바이어스 전압으로 인가되어 변화하는 RF 전력신호에 대하여 이와 비례하는 DC전압을 커플링 인덕터를 통하여 트랜지스터나 MOSFET 등의 능동소자(23)의 베이스(또는 게이트)에 공급함으로써 베이스/게이트 전류를 변화시켜 PAM의 소모전력을 줄이게 된다.
이 경우 베이스/게이트 전압의 변화범위가 현재 상용으로 쓰는 제품의 경우('Conexant'사의 RM914: CDMA방식인 경우 국내 시장점유율이 가장 높음) 2.7V에서 3.0V까지 변화하게 된다. 즉 RF 신호전력이 낮은 경우 2.7V에서 베이스/게이트 전압이 동작되도록 하고, RF 신호 전력이 높으면 3.0V에서 동작이 되도록 사용하면 RF전력 변화에 따른 동작점의 변화를 도 5에서와 같이 A에서 B로 유도하여 낮은 전력이 출력될 때 불필요한 전력 소모를 막을 수 있다.
그러나, 이 경우에도 RF 신호 전력의 변화로 인한 TR의 임피던스의 변화를 보정해야 하는데 본 발명은 도 7에서 보는 바와 같이 동작점의 변화에 따라 임피던스 보정회로(100, 200)에 의해 임피던스가 변화하여 임피던스를 보정하도록 하되, 특히 션트 임피던스 변화는 물론, 시리즈 임피던스 변화에 대해서도 추적이 가능하도록 된다.
또한, 동적 바이어스 전압회로는, 기지국이나 단말기의 주제어 회로(미도시됨)로부터의 이득제어신호가 모뎀으로부터 입력단자를 통해 입력되고, 기준전압 발생기로부터의 기준전압이 인가되어 조정된 바이어스 직류전압이 인덕터를 통해 능동소자(23)의 베이스(게이트) 단자로 인가되어 전압조정을 함과 동시에, 조정된 전압이 입력측 및 출력측 스위치 제어신호 생성부로 인가되어 제1 실시예에서와 마찬가지로 임피던스 매칭을 행하게 될 수도 있다.
또한, RF 입력은 RF 출력과 대응관계에 있기 때문에, RF 입력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하는 대신, RF 출력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하더라도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있으며, RF 신호를 추출할 때에 방향성 결합기 대신 파워 디바이더와 같은 다른 소자를 사용하여 RF 신호를 추출할 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게는 당연한 것으로 여겨질 것이다.
이상 본 발명을 첨부도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, RF 신호 전력의 변화로 인한 TR의 임피던스의 변화를 보정해야 하는데 동작점의 변화에 따라 임피던스 보정회로(100, 200)에 의해 임피던스가 변화하여 임피던스를 보정하도록 하되, 특히 션트 임피던스 변화는 물론, 시리즈 임피던스 변화에 대해서도 추적이 가능한 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 변화하는 RF 입력 신호에 대해 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키며, 상기 변화하는 RF 입력 신호에 대응하는 신호에 의해 입력측 및 출력측 임피던스의 적어도 어느 하나를 가변시켜 임피던스 매칭을 행하는 입력측 임피던스 보정회로(100)나, 출력측 임피던스 보정회로(200) 또는 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)를 포함함으로써, 그리고 상기 임피던스 보정회로(100, 200)와 함께 보정된 총 입/출력측 임피던스에 의해 상기 능동소자(23)와 임피던스 정합을 행하는 입/출력 정합회로(21, 22)를 포함함으로써, 상기 능동소자의 임피던스 매칭을 시키면서 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 임피던스 보정회로를 갖는 파워증폭기로서,
    상기 병렬접속(션트)되는 입력측 임피던스 보정회로(100)와 상기 입력 정합회로(21) 사이, 상기 출력측 임피던스 보정회로(200)와 상기 출력 정합회로(22) 사이, 또는 상기 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)와 상기 입/출력 정합회로(21, 22) 사이에, 90°(270°) 지연선이 삽입되어, 임피던스를 보정하도록 하되 션트 임피던스 변화는 물론 시리즈 임피던스 변화에 대해서도 추적이 가능한 것을 특징으로 하는 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기.
  2. 변화하는 RF 입력 신호에 대해 전력 증폭부(10)의 능동소자(23)의 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키며, 상기 변화하는 RF 입력 신호에 대응하는 신호에 의해 입력측 및 출력측 임피던스의 적어도 어느 하나를 가변시켜 임피던스 매칭을 행하는 입력측 임피던스 보정회로(100)나, 출력측 임피던스 보정회로(200) 또는 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)를 포함함으로써, 그리고 상기 임피던스 보정회로(100, 200)와 함께 보정된 총 입/출력측 임피던스에 의해 상기 능동소자(23)와 임피던스 정합을 행하는 입/출력 정합회로(21, 22)를 포함함으로써, 상기 능동소자의 임피던스 매칭을 시키면서 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 임피던스 보정회로를 갖는 파워증폭기로서,
    상기 병렬접속(션트)되는 입력측 임피던스 보정회로(100)와 상기 입력 정합회로(21) 사이, 상기 출력측 임피던스 보정회로(200)와 상기 출력 정합회로(22) 사이, 또는 상기 입/출력측 임피던스 보정회로(100, 200)와 상기 입/출력 정합회로(21, 22) 사이에, 90°(270°) 지연을 시키는 럼프드(lumped) 회로(도 10, 도 11, 도 12 참조)가 삽입되어, 임피던스를 보정하도록 하되 션트 임피던스 변화는 물론 시리즈 임피던스 변화에 대해서도 추적이 가능한 것을 특징으로 하는 임피던스 보정회로를 갖는 포락선 추적 파워증폭기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에서의 상기 파워증폭기를 이용하여 효율개선을 행하는 것을 특징으로 하는 이동통신이나 위성통신 단말기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100967847B1 (ko) * 2008-03-31 2010-07-05 재단법인서울대학교산학협력재단 증식형 소자를 이용한 고주파 스위치 회로

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