KR20050038711A - 도허티 앰프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도허티 증폭기에 있어서, RF 입력 포트와, 서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와, 상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하는 전력 분배기와, 상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와, 피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인과, 상기 트랜스미션 라인 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

도허티 앰프{Doherty Amplifier}

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로써, 특히 비교적 넓은 주파수 범위에 걸쳐 비교적 높은 출력 전력 레벨에서 양호한 위상 및 진폭 선형성을 갖는 고출력 전력을 제공하는 도허티 증폭기에 관한 것이다.

무선 주파수와 마이크로파 통신 시스템은 전력 증폭기의 선형성과 효율에 관해 항상 증가하는 요구에 직면해 있다. 전력 증폭기를 거친 진폭/위상 변조된 무선 주파수(Radio Frequency)신호는 시간에 따라 포락선이 가변하는 특성을 갖으며 증폭기의 비선형 특성으로 인하여 입력 신호에 대한 이득 저하와 입력 주파수 외의 상호 변조(Inter-Modulation)으로 인한 주파수 성분 등의 왜곡 성분이 발생된다. 이러한, 전력 증폭기의 비선형 특성은 인접 채널에 영향을 주게 시스템 전체 용량을 저하시키게 된다. 따라서 전력증폭기의 선형성은 증폭기의 중요한 파리미터중의 하나로 엄격히 제한되고 있다. 전력증폭기의 선형성을 증가시키기 위하여 전력증폭기의 최대 출력 전력에서 Back-off시켜 사용하는 방법이 사용되고 있으며 Muti-Carrier 신호의 경우 포락선이 시간에 따라 변화하여 평균 출력 전력과 피크전력의 비(PAR: Peak to Average Ratio)는 대략 7~10 dB정도로, 증폭기에서는 최대 출력 전력보다 7~10 dB낮은 출력 전력에서 사용하게 된다.

그러나, 이때 증폭기의 효율은 증폭기의 최대 전력에서는 높은 효율을 보이지만 출력 전력이 낮아지면 지수적으로 감소하여 효율이 상당히 저하된다.

최근의 기술동향은 선형화 기술의 발전과 더불어 전력 증폭기의 효율 개선에 초점이 맞춰지고 있으며 전력 증폭기의 효율 개선을 위한 다양한 방법들이 제안되고 있고, '배킹-오프'된 전력 상태하에서 효율을 확장시키기 위한 한가지 확립된 기술로서 '도허티' 증폭기를 들 수 있는데, 상기 도허티 증폭기의 일 예가 도 1에 개요적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 도허티 앰프는 클래스 AB 또는 클래스 B 모드에서 동작하는 캐리어(Carrier) 앰프(120)와 입력 전력에 따른 온/오프 특성을 얻기 위하여 클레스 B 또는 클래스 C 모드에서 동작하는 피킹(Peaking) 앰프(160)를 포함한다. 상기 피킹 앰프(160)는 입력 전력이 낮을 때 오프되고, 입력 전력이 높을 때는 구동된다. 여기서, 도허티 앰프는 저전력일 때 캐리어 앰프(120)에서 바라본 부하가 고 전력일 때보다 2배 증가되도록 하여 출력 전력을 증가시키도록 구성되어, 저 출력 전력일 때의 효율을 개선시킨다.

상술한 바와 같이 피킹 앰프(160)의 동작에 따라 케리어 앰프(120)의 부하가 변하도록 하는 것을 로드 변조(load modulation)라고 하는데, 이는 캐리어 앰프 출력단에 특성임피던스 Zo, 길이 /4 인 트랜스미션 라인인 임피던스 트랜스포머(140)를 연결하고 그 출력단에 다시 Zo/2 부하(170)와 피킹 앰프의 출력단을 연결하게 함으로써 구현한다.

즉, 도허티 증폭기는 캐리어 앰프에서 바라본 부하의 임피던스가 입력 전력에 따라 변화하도록 하는 로드 변조(load modulation) 방법을 사용하고 있다. 낮은 출력 전력에서는 피킹 앰프는 오프되고 캐리어 앰프의 부하가 2배 증가하여 캐리어 앰프의 출력 전력이 2배 증가되게 된다. 따라서 피킹 앰프가 오프되어 출력전력이 감소되는 부분을 로드 변조를 통하여 보상하게 된다. 그러나, 캐리어 앰프와 피킹 앰프의 평형(Balanced)구조와 비교해 볼 때, 상기와 같은 구성의 도허티 증폭기는 동일한 출력 전력의 캐리어 앰프가 구동하는 출력은 2배 증가되므로 효율은 증가하지만, 더 많은 상호 변조(Inter-Modulation)성분을 생성하기도 한다. 또한 입력전력이 높아지면서 피킹 앰프가 구동되면 피킹 앰프는 클래스 B 혹은 클래스 C급으로 동작시키기 때문에 입력전력이 높아지면서 상호 변조 성분은 더욱 증가되어 도허티 앰프의 선형성은 더욱 악화되는 문제점이 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 상호 변호 신호 성분이 상쇄되도록 하여 선형성을 개선하는 도허티 앰프를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도허티 증폭기에 있어서, RF 입력 포트와, 서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와, 상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하는 전력 분배기와, 상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와, 피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인과, 상기 트랜스미션 라인 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도허티 증폭기에 있어서, RF 입력 포트와, 서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와, 상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하는 전력 분배기와, 상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와, 피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인과, 상기 캐리어 앰프의 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도허티 증폭기에 있어서, RF 입력 포트와, 서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와, 상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하고, 피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 디바이더와, 상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와, 상기 피킹 앰프 또는 캐리어 앰프의 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상세 동작 및 구조에 대하여 상세히 설명한다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명은 캐리어 앰프 또는 피킹 앰프의 입력단에 위상 조절 장치를 삽입하여 각각의 앰프를 통과하여 나온 상호 변조(Inter-Modulation)신호 성분을 상쇄시키는 도허티 앰프를 제안한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 도허티 앰프는 위상 조절기의 위치 등에 따라 다양한 실시 예들로 구현될 수 있다.

그러면 상술한 본 발명에 따른 도허티 앰프의 일 실시예를 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 도허티 앰프는 RF포트와, 상기 RF 포트로의 입력전력을 분배하기 위한 전력 분배기(210)와, 상기 전력 분배기(210)에서 분기된 입력전력을 증폭하기 위한 캐리어 앰프(220)와 피킹 앰프(270), 상기 캐리어 앰프 및 피크 앰프의 출력에 직렬로 각각 연결되는 출력 정합 회로(230, 280), 상기 피킹 앰프(270)의 출력에 따라 캐리어 앰프(220)의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머(240), 피킹 앰프(270) 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인(260), 상기 트랜스미션 라인(260) 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기(250)로 구성되어진다.

상기 위상조절기(250)로 위상조절이 가능한 전압 제어 위상 쉬프터(voltage controlled phase shifter)가 사용될 수 있고, 상기 트랜스미션 라인(240)으로 위상이 고정된 임의의 특성임피던스를 갖는 동축선로(Coaxial line), 스트립 라인(strip line), 마이크로 스트립라인(Microstrip line), 코플래너 웨이브가이드(Coplanar Waveguide), 슬랏라인(Slot line), 핀라인(Fin line)등의 트랜스미션 라인이 사용될 수 있다.

상기와 같이 구성된 도허티 증폭기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 도허티 증폭기는 캐리어 앰프(220)에서 바라본 임피던스가 입력 전력에 따라 변화하여 낮은 전력에서는 높은 임피던스를, 높은 전력에서는 낮은 임피던스를 갖는다. 즉, 캐리어 앰프(220) 출력단에 임피던스 트랜스포머(240)와, 상기 트랜스포머(240)의 출력단에 피킹 앰프(270)의 출력단이 연결되어 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프에서 바라본 부하가 변화한다.

즉, 저 전력일 때는 피킹 앰프(270)가 오프되어 캐리어 앰프에서 바라본 부하의 임피던스는 2*Zo가 되게 되고, 고 전력일 때는 피킹 앰프가 구동되어 피킹 앰프의 출력 전류로 인하여 임피던스 트랜스포머 출력단에 부하 임피던스가 Zo/2에서 Zo가 되어 캐리어 앰프에서 바라본 임피던스는 Zo가 되어 최대 출력 전력으로 구동된다.

상기 트랜스미션 라인(260)은 상기 캐리어 앰프(220)측에서의 신호와 피킹 앰프(270)측에서의 신호를 동위상으로 합쳐지도록 한다. 위상 조절기(250)는 상기 트랜스미션 라인(260)에 의해 기본 신호 외에 상호 변조 신호가 합쳐져 도허티 앰프의 선형성을 악화시키는 것을 해결하기 위해, 캐리어 앰프측 패스와 피킹 앰프측 패스의 상호 변조 성분을 180도 역위상되도록 위상조절하여 상기 두 패스간의 상호 변조 성분을 상쇄시킨다.

상기 피킹 앰프(270)는 클래스 B급 이하의 스위칭 모드로 구동하기 때문에 클래스 AB급으로 동작시키는 캐리어 앰프에 비하여 입력 신호에 대한 상호 변조 성분이 크고 위상변화 또한 크게 된다. 따라서 입력단에서 위상 튜닝성분을 이용하여 두 패스간의 기본(fundamental)신호에 대한 위상차를 약간 다르게 하였을 경우, 상호 변조 성분의 위상차는 기본(fundamental)신호의 위상차보다 더 큰 차이를 보이게 된다. 결국 두 패스의 위상차로 인하여 발생하는 기본(fundamental)신호의 감쇄보다 상호 변조 성분의 역위상으로 발생하는 선형성 개선 효과가 훨씬 크다.

상기 출력 정합 회로는 직렬 인덕턴스 또는 전송 라인 및 분로 커패시턴스 또는 개방 스터브로 구현될 수 있다. 동작시에 캐리어 증폭기가 온되고 피크 증폭기가 오프되었을 때, 정합 네트워크는 비교적 높은 임피던스를 제공한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 도허티 앰프는 상기 도 2의 도시된 도허티 앰프에서 피킹 앰프(270)의 입력단에 위치하던 위상 조절기(250)를 캐리어 앰프(330)의 입력단에 연결하는 구성을 갖는다. 상기 도 3에 도시된 도허티 앰프의 작용은 상기 도 2에서 설명한 바와 같으므로 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 도허티 앰프의 구조를 도시한 도면이다. 도 4를 살펴보면, 캐리어 증폭기와 피크 증폭기 신호가 위상이 같게 결합되도록 하기 위해 도 2의 전력 분배기 및 트랜스미션 라인 대신에 90위상차를 갖는 디바이더(410)가 제공된다. 상기 디바이더(410)의 하나의 출력단은 캐리어 앰프(420)의 입력에 연결되고, 반면 다른 출력단은 피킹 앰프(460)의 입력에 연결된다. 상기 도 4에 도시된 도허티 앰프의 작용은 상기 도 2에서 설명한 바와 같으므로 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조를 도시한 도면으로, 상기 도 4에 도시된 도허티 앰프의 피킹 앰프 입력단에 위치한 위상 조절기가 캐리어 앰프(530)의 입력단에 연결된 구성을 갖는다. 상기 도 5에 도시된 도허티 앰프의 작용은 상기 도 2에서 설명한 바와 같으므로 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조를 도시한 도면으로, 상기 도 2에 도시된 도허티 앰프의 위상 조절기의 위상은 제어 전압에 의해 제어되며, 도허티 앰프의 출력단에 연결된 포락선 검출기(695)에서 출력 전력을 검출하면 전압 제어 회로(690)는 출력전력에 따라 제어 전압을 변화시켜 위상조절기의 위상을 가변시키게 된다.

그러면, 도 7 내지 도 9를 참조하여 상기 위상 조절 장치의 동작에 따른 효과에 대해 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

우선 캐리어 앰프와 피킹 앰프 각각의 2 톤(tone) 특성을 살펴보면, 도 7은 캐리어 앰프의 3차 상호 변조 성분의 진폭을 나타낸 그래프로 입력전력에 비례하여 큰 위상 변화없이 상호 변조 성분이 증가함을 알 수 있다. 도 8은 피킹 앰프의 3차 상호 변조 성분의 진폭을 나타낸 그래프로서 도 7의 캐리어 앰프의 IM 그래프 기준으로 위상을 변화시켜 캐리어 앰프의 IM성분과 180도 위상차를 갖도록 한 그래프이다. 이 때 두 신호 성분이 서로 더해지면 도허티 앰프의 IM특성이 개선됨을 예측할 수 있다.

도 9는 기존 도허티 앰프 구조와 본 발명에서 제안한 도허티 앰프 구조의 IMD3(3차 변조 프로덕트)특성을 도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에서 위상 조절을 통하여 동일한 출력 전력에서 3차 변조 프로덕트가 5~7 dBc 개선됨을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 도허티 앰프에서 캐리어 앰프 출력전력 증가와 피킹 앰프의 비선형 특성으로 인한 선형성 악화의 단점을 보완하고자 위상조절장치를 추가하므로써, 캐리어 앰프의 상호 변조 성분과 피킹 앰프의 상호 성분이 180도 위상차로 서로 상쇄되도록 하여 기존 도허티 앰프의 선형성 악화라는 단점을 개선한다는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도허티 앰프의 구조도.

도 7은 캐리어 앰프의 3차 변조 프로덕트를 도시한 그래프.

도 8은 피킹 앰프의 3차 변조 프로덕트를 설명하기 위한 그래프.

도 9는 종래 기술 및 본 발명에 따른 3차 변조 프로덕트를 비교하기 위한 그래프.

Claims (3)

1. 도허티 증폭기에 있어서,

   RF 입력 포트와,

   서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와,

   상기 RF 포트로부터의 출력 전력을 분배하여 상기 캐리어 증폭기와 상기 피킹 앰프의 상기 제 1 입력 및 제 2 입력으로 출력하는 전력 분배기와,

   상기 제 1출력 및 제 2 입력에 연결되어, 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스를 변환하는 임피던스 트랜스포머와,

   상기 전력 분배기의 출력단과 상기 제 2 입력 사이에 연결되어 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인과,

   상기 제 1 입력 또는 트랜스미션 라인의 앞단에 위치하여, 캐리어 앰프 및 피킹 앰프가 90도의 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
2. 도허티 증폭기에 있어서,

   RF 입력 포트와,

   서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와,

   상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하는 전력 분배기와,

   상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와,

   피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 트랜스미션 라인과,

   상기 캐리어 앰프의 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 하는 도허티 증폭기.
3. 도허티 증폭기에 있어서,

   RF 입력 포트와,

   서로 대칭적인 제 1 입력과 제 1 출력을 갖는 캐리어 앰프 와 제 2 입력과 제 2 출력을 갖는 피킹 앰프와,

   상기 반송파 증폭기와 상기 피크 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력을 상기 RF 입력 포트에 연결하고, 피킹 앰프 입력 단에서 캐리어 앰프 패스와의 위상차를 보상해주기 위한 90도 위상차를 갖는 디바이더와,

   상기 피킹 앰프의 출력에 따라 캐리어 앰프의 부하 임피던스 변환을 위한 임피던스 트랜스포머와,

   상기 피킹 앰프 또는 캐리어 앰프의 입력단에 위치하여 캐리어 앰프 혹은 피킹 앰프 패스에서 두 패스가 위상차를 갖도록 하기 위한 위상조절기로 구성됨을 특징으로 하는 도허티 증폭기.