KR20070048422A - 고주파 증폭기의 바이어스 최적화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

고주파 전력 증폭기의 선형성을 유지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전력 증폭기로 입력되는 신호를 커플링(Coupling)하는 커플러(Coupler)와, 상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하여 상기 신호의 레벨에 따라 상기 전력 증폭기에 제공하는 바이어스 전압을 결정하는 바이어스 제어기와, 상기 바이어스 제어기로부터 제공받은 바이어스 전압을 이용하여 입력 신호의 선형성을 유지하며 증폭하는 전력 증폭기를 포함하여, 전 출력 영역에서 선형성 특성을 개선시키며, 상호변조 신호왜곡(IMD) 불균형 현상을 제거하여 전치 왜곡기 사용 시 IMD 캔설레이션(Cancellation) 양을 증대시키고, 출력 레벨이 감소하여도 항상 선형성이 최적화되므로 높은 출력의 단일 FA 조건과 낮은 출력의 다중 FA조건에 대해서 한가지의 전력 증폭기를 사용할 수 있는 이점이 있다.
전력 증폭기, 바이어스 전압, 선형성, 출력 레벨

Description

고주파 증폭기의 바이어스 최적화 장치 및 방법{OPTIMIZED BIASING APPARATUS AND METHOD IN RF AMPLIFIER}
도 1은 종래 기술에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 바이어스 제어기의 상세 구조를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기에서 바이어스 전압을 최적화하기 위한 절차를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기의 ACLR특성을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기의 바이어스 전압의 변화를 나타내는 그래프, 및
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 출력 레벨에 따른 RF 전력 증폭기의 소모 전류의 변화를 나타내는 그래프.
본 발명은 전력 증폭기의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 전력 증폭기의 입력신호 레벨에 따라 최적의 바이어스 전압을 적응적으로 공급해주기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전력 증폭기는 입력되는 신호의 전력을 증가시키기 위해 사용되는 것으로, 상기 신호의 전력을 증가시키는데 있어서 입력되는 신호를 왜곡시키지 않고 단지 선형적으로 신호의 세기만을 증가시키는 증폭기가 가장 이상적이라고 할 수 있다. 그러나, 모든 신호 증폭기는 다수의 능동소자를 가지므로, 이들 능동소자의 비선형 특성으로 인해 상기 전력 증폭기의 출력신호에 왜곡이 발생한다.
상기 출력 신호의 왜곡이 발생하는 경우, 이동통신 시스템과 같은 다수의 반송파를 증폭시켜야 되거나, 주파수 효율이 우수한 디지털 변조 방식을 적용한 무선 송신기를 사용하는 경우에 신호 증폭기의 비선형 특성에 의해 발생되는 상호변조 신호왜곡(IMD : Inter Modulation Distortion) 성분 때문에 전체 성능에 심각한 영향을 미치게 된다.
따라서, 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하기 위해 상기 전력 증폭기에 입력되는 신호의 선형성이 최적화 되도록 상기 전력 증폭기에 일정한 바이어스 전압을 인가한다.
도 1은 종래 기술에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전력 증폭기(101)에 일정한 전력의 신호가 입력될 경우, DC 전력 공급부(103)에서 게이트 바이어스 전압(Gate Bias Voltage)을 상기 전력 증폭기(101)에 제공하여 상기 입력되는 신호를 선형적으로 증폭시킨다.
상술한 방법은 특정레벨의 입력 신호에 맞는 바이어스 전압을 제공하기 때문에 상기 특정레벨의 입력 신호에 대해서만 전력 증폭기의 선형성이 유지된다. 따라서, 입력 신호의 레벨 변화에 따라 적응적으로 바이어스 전압을 변화시켜주는 바아어스 적응(Bias Adaptation) 방식이 사용되고 있다. 상기 바이어스 적응 방식은, 신호의 포락선 크기에 따라 전력 증폭기의 공급 전원의 전압을 변화시켜주는 방식이다.
하지만, 상기 바이어스 적응 방식은, 입력 신호의 크기가 일정 크기 이상인 경우에 한해서 공급 전원을 증가시키므로 평균입력 전력이 변하는 경우 고주파 전력 증폭기의 특성이 변화되어 최적의 효과를 낼 수 없다. 또한, 상기 전력 증폭기는 협대역 단일 부반송파 전력 증폭기(Single Carrier Power Amplifier)로 사용하다가 출력 레벨이 낮아지면서 다중 부반송파 전력 증폭기(Multi Carrier Power Amplifier)가 필요하게 될 경우(예 : 스마트 안테나), 상기 전력 증폭기를 교체해야하는 문제가 발생할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고주파 전력 증폭기의 입력 신호의 레벨에 따라 적응적으로 최적의 바이어스 전압을 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고주파 전력 증폭기의 입력 신호의 레벨에 따라 적응 적으로 최적의 바이어스 전압을 제공하여 단일 부반송파/다중 부반송파의 전력 증폭기를 하나의 전력 증폭기에서 구현하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 고주파 전력 증폭기의 선형성을 유지하기 위한 장치는, 전력 증폭기로 입력되는 신호를 커플링(Coupling)하는 커플러(Coupler)와, 상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하여 상기 신호의 레벨에 따라 상기 전력 증폭기에 제공하는 바이어스 전압을 결정하는 바이어스 제어기와, 상기 바이어스 제어기로부터 제공받은 바이어스 전압을 이용하여 입력 신호의 선형성을 유지하며 증폭하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 견지에 따르면, 고주파 전력 증폭기의 선형성을 유지하기 위한 방법은, 전력 증폭기의 입력 신호를 커플링(Coupling)하여 상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하는 과정과, 상기 확인된 입력 신호 레벨에 따라 바이어스 전압을 결정하여 상기 전력 증폭기에 제공하는 과정과, 상기 제공받은 바이어스 전압을 이용하여 상기 입력 신호의 선형성을 유지하며 증폭하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단 된 경우 그 상세 한 설명은 생략한다.
이하 본 발명의 고주파 전력 증폭기(RF Power Amplifier)의 입력 신호의 레벨에 따라 적응적으로 바이어스 전압(Gate Bias Voltage)을 변화시켜 제공하기 위한 기술에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이 상기 RF전력 증폭기는 전력 증폭기(201), 커플러(Coupler)(203), 바이어스(Bias) 제어기(205) 및 DC 전력 공급기(207)를 포함하여 구성된다.
커플러(203)는 전력 증폭기(201)로 입력되는 RF 입력신호를 커플링(Coupling)하여 바이어스 제어기(205)로 출력한다.
상기 바이어스 제어기(205)는 상기 커플러(203)에서 커플링된 RF신호에 대해 최적의 선형성을 유지하기 위한 바이어스 전압을 선택하여 상기 전력 증폭기(201)에 제공한다.
상기 RF신호에 따른 바이어스 전압을 선택하는 상기 바이어스 제어기(205)의 상세 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 RF신호 검출기(301), 아날로그/디지털 변환기(Analog/Digital Convertor)(303), 바이어스 결정기(305), 및 디지털/아날로그 변환기(Digital/Analog Convertor)를 포함하여 구성된다.
RF신호 검출기(301)는 상기 커플러(203)에서 커플링된 RF신호를 제공받아 상기 RF신호의 전압을 검출한다. 아날로그/디지털 변환기(303)는 상기 RF신호 검출기(301)로부터 제공받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
바이어스 결정기(305)는 상기 아날로그/디지털 변환기(303)로부터 제공받은 신호를 이용하여 상기 전력 증폭기(201)에 제공한 바이어스 전압을 결정한다. 다시 말해, 상기 바이어스 결정기(305)는 상기 RF신호 검출기(301)에서 검출된 RF신호의 레벨(전압)을 미리 정해진 바이어스 전압 테이블에 적용하여 상기 RF신호의 선형성을 유지하며 증폭할 수 있는 바이어스 전압을 결정하여 출력한다. 여기서, 상기 바이어스 전압 테이블은, 상기 전력 증폭기의 선형성을 유지하도록 실험을 통해 획득한 입력 신호의 레벨에 따른 최적의 바이어스 값을 포함한다.
디지털/아날로그 변환기(307)는 상기 바이어스 결정기(305)의 디지털 출력 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 전력 증폭기(201)에 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기에서 바이어스를 최적화하기 위한 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저, RF전력 증폭기는 401단계에서 상기 커플러(203)를 이용하여 상기 전력 증폭기(201)로 입력되는 RF신호를 커플링힌다.
이후, 상기 RF전력 증폭기는 403단계로 진행하여 상기 RF신호 검출기(301)에서 커플링된 RF신호의 전압을 확인한다.
상기 RF신호의 전압을 확인한 후, 상기 RF전력 증폭기는 405단계로 진행하여 미리 정해진 바이어스 전압 테이블에서 상기 확인된 RF신호에 해당하는 바이어스 전압을 선택한다. 여기서, 상기 바이어스 전압 테이블은, 상기 전력 증폭기의 선형성을 유지하도록 실험을 통해 획득한 입력 신호의 레벨에 따른 최적의 바이어스 값 을 포함한다.
이후, 상기 RF전력 증폭기는 407단계로 진행하여 상기 선택된 바이어스 전압을 상기 전력 증폭기(201)에 제공하여 상기 입력되는 RF신호의 선형성을 유지하며 증폭한다. 이후, 상기 RF전력 증폭기는 본 알고리즘을 종료한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기의 ACLR특성을 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 이하 설명에서 가로축은 입력되는 RF신호의 전력(dBm)을 나타내고, 세로축은 인접채널 누설비(Adjacent Channel Leakage power Ratio : 이하, ACLR이라 칭함)[-dBr]를 나타낸다. 또한, 이하 설명은, 종래 기술과 본 발명에 따른 1FA(Frequency Allocation)를 기준으로 중심대비 -4.77MHz 오프셋과 +4.77MHz 오프셋에서의 ACLR 특성의 차이를 나타낸다.
도 5a에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 상기 전력 증폭기의 ACLR 특성은 약 41dBm에서 최적화된다. 하지만, 스펙트럼 델타 마커(Spectrum Delta Marker) 값이 최적 레벨 이하(약 40dBm 이하)에서는 서로 일치하지 않는다. 즉, 상기 ACLR이 불균형(Imbalance)하게 나타난다. 상기 ACLR이 불균형하다는 것은 상기 전력 증폭기 입장에서 메모리 이펙트(Memory effect)가 존재한다는 것으로 출력 레벨이 변함에 따라 상기 ACLR이 나빠질 수도 있다. 여기서, 상기 메모리 이펙트는, 변조 주파수(Modulation Frequency)에 의해 생긴 상호변조 신호왜곡(Inter Modulation Distortion : 이하 IMD라 칭함) 하모닉 성분 중 주파수 대역에 있어 2차 하모닉 성분이 다시 동작 주파수 대역에 영향을 주어서 주파수 측면에서 IMD 불균형 형태로 나타나는 것을 의미한다.
반면에, 도 5b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전력 증폭기의 ACLR특성은 전 영역에 걸쳐 최적화되는 것을 나타낸다.
또한, 도 5c에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 전력 증폭기의 ACLR특성은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 ACLR특성에 비해 일정 레벨 이하(약 41dBm이하)에서는 특성 자체가 전체적으로 저하되는 것을 나타낸다. 여기서, 상기 도 5c는 도 5a와 도 5b를 같이 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 전력 증폭기의 바이어스 전압의 변화를 나타내는 그래프를 도시한다. 이하 설명에서 가로축은 입력되는 RF신호의 전력(dBm)을 나타내고, 세로축은 바이어스 전압(Vgs)을 나타낸다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 전력 증폭기에 제공되는 게이트 바이어스 전압은 전 영역에서 일정한 전압을 갖는 반면에, 본 발명에 따른 전력 증폭기에 제공되는 게이트 바이어스 전압은 출력 레벨의 변화에 따라 인가해주는 전압이 변하는 것을 나타낸다. 여기서, 상기 출력 레벨에 따른 게이트 바이어스 전압은 실험을 통해 미리 결정된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 출력 레벨에 따른 RF 전력 증폭기의 소모 전류의 변화를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 이하 설명에서 가로축은 입력되 는 RF신호의 전력(dBm)을 나타내고, 세로축은 드레인 효율(drain efficiency)을 나타낸다.
상기 도 7은 출력 레벨에 따른 증폭기의 효율 특성을 나타내는 것으로, 종래 기술과 본 발명에서 소모 전류 변화가 적기 때문에 효율 변화가 적음을 나타낸다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 고주파 전력 증폭기에서 출력레벨에 따라 최적의 바이어스 전압을 인가함으로써, 전 출력 영역에서 선형성 특성을 개선시키며, 상호변조 신호왜곡(IMD) 불균형 현상을 제거하여 전치 왜곡기 사용 시 IMD 캔설레이션(Cancellation) 양을 증대시킬 수 있다. 또한, 출력 레벨이 감소하여도 항상 선형성이 최적화되므로 높은 출력의 단일 FA 조건과 낮은 출력의 다중 FA조건에 대해서 한가지의 전력 증폭기를 사용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 고주파 전력 증폭기의 선형성을 유지하기 위한 장치에 있어서,
    전력 증폭기로 입력되는 신호를 커플링(Coupling)하는 커플러(Coupler)와,
    상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하여 상기 신호의 레벨에 따라 상기 전력 증폭기에 제공하는 바이어스 전압을 결정하는 바이어스(Bias) 제어기와,
    상기 바이어스 제어기로부터 제공받은 바이어스 전압을 이용하여 입력 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바이어스 제어기는,
    상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하는 신호 검출기와,
    상기 확인된 신호의 레벨에 따라 바이어스 전압을 결정하는 바이어스 결정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 바이어스 결정기는, 입력 신호의 레벨에 따른 바이어스 전압 테이블을 이용하여 상기 신호 검출기에서 확인된 신호의 레벨에 따른 바이어스 전압을 결정 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바이어스 전압 테이블은, 실험을 통해 각 입력신호의 레벨에 따른 바이어스 전압을 찾아 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 고주파 전력 증폭기의 선형성을 유지하기 위한 방법에 있어서,
    전력 증폭기의 입력 신호를 커플링(Coupling)하여 상기 커플링된 신호의 레벨을 확인하는 과정과,
    상기 확인된 입력 신호 레벨에 따라 바이어스(Bias) 전압을 결정하여 상기 전력 증폭기에 제공하는 과정과,
    상기 제공받은 바이어스 전압을 이용하여 상기 입력 신호의 선형성을 유지하며 증폭하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 입력 신호 레벨에 따른 바이어스 전압은,
    미리 정해진 바이어스 전압 테이블에서 상기 입력 신호 레벨을 맞는 바이어 스 전압을 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 바이어스 전압 테이블은, 실험을 통해 각 입력신호의 레벨에 따른 바이어스 전압을 찾아 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
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