KR20080045890A - 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기에 관한 것으로서, 무선 통신 시스템에서 사용되는 다수개의 전력 증폭기에서 발생되는 전력을 전송선 변압기를 이용하여 결합함으로써 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라 큰 출력전력으로 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
전송선, 변압기, 전력 증폭기, 전력 결합기

Description

전력 결합기를 이용한 전력 증폭기{POWER AMPLIFIER USED POWER COMBINER}
도 1은 일반적인 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 여러 개의 증폭단을 사용하여 큰 출력 전력을 내기 위한 일반적인 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 전력 결합기의 기본 구성 요소인 전송선 및 전송선에 흐르는 신호 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 전력 결합기에 적용되는 일반적인 전송선 변압기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 전송선 변압기를 이용한 전력 결합기의 기본 구조를 나타낸 회로 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제 3실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제 4실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제 5실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 11은 도 10에 의한 전력 증폭기를 실제 레이아웃한 집적 회로의 사진이다.
도 12는 도 11에 의한 전력 증폭기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 6에 의한 전력 증폭기에서 전력 결합기를 이루는 전송선 변압기를 나선형 변압기로 변형한 회로 구성도이다.
- 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 -
300, 607 : 전송선 변압기
401, 402, 503, 504 : 전송선
501, 502, 603, 604, 701, 702, 801, 802, 901, 902 : 증폭단
500 : 전력 결합기
505 : 접지
600 : 전력 증폭기
1301, 1302 : 나선형 변압기
본 발명은 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 통신 시스템에서 사용되는 다수개의 전력 증폭기에서 발생되는 전력을 전송선 변압기를 이용하여 결합함으로써 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라 큰 출력전력으로 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기에 관한 것이다.
이와 같은 전력 결합기 및 전력 증폭기는 무선통신 시스템의 송신단에서 고주파 신호를 큰 출력 전력을 송신하는데 흔히 사용된다.
도 1은 일반적은 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 전력 트랜지스터(101)로 구성되는 증폭단을 나타낸 것이고, 정합회로(102)는 출력단(103)에 연결되는 부하저항 값을 전력 트랜지스터(101)가 큰 전력을 발생하는데 알맞은 부하저항 값으로 변환 시키게 된다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 출력단(103)에 연결 되는 부하저항 값은 50 Ω 이지만, Rload_optimum 값은 50 Ω 이 아니기 때문에 정합회로(102)가 필요로 한다.
만약 도 1에 나타낸 전력 증폭기 보다 더 큰 출력 전력을 얻기 위해서는 101 보다 더 큰 증폭단이 필요로 한다.
도 2는 여러개의 증폭단을 사용하여 큰 출력 전력을 내기 위한 일반적인 증폭기 구조를 나타낸 도면이다.
도 2의 201은 101을 여러개 사용함으로서 101 보다 더 큰 전력 트랜지스터로 구성되는 증폭단을 나타낸 것이다.
여기에 도시된 바와 같이 일반적인 전력 증폭기의 경우 각각의 증폭단(201)에서 발생하는 출력 전력은 전력 결합기 및 정합회로(202)에 의하여 결합 된다. 이때, 정합회로(202)에서 전력을 결합함에 있어, 전력의 손실을 최소화 하는 방향으로 설계되어야 한다.
일반적인 경우, 정합회로(202)는 인덕터나 캐패시터 등과 같은 수동소자의 조합으로 구성이 된다.
하지만, CMOS가 집적 되는 실리콘 기판 위에서 형성되는 이러한 수동소자들은 기생저항 성분이 커서, 전력 결합기 및 정합 회로(202)를 구성함에 있어 많은 전력 손실을 야기 하게 된다.
현재 기술 단계에서는 수 와트 급의 출력 전력을 내는 전력 증폭기를 실리콘 기판 위에서 형성 할 경우, 전력 결합기 및 정합 회로에서 발생하는 전력 손실은 전력 트랜지스터에서 발생하는 전력의 50 % 이상에 달한다.
따라서 현재 기술 단계에서는 실리콘 기판 위에서 모든 수동소자를 집적화 한 전력 증폭기의 상용화가 매우 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 현재 대부분의 전력 증폭기는 수동소자의 기생저항 성분이 적은 화합물 반도체를 이용하거나, 수동소자는 집적화 하지 않고, off-chip 상에서 구현 하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 해결 방법은 전력 증폭기의 제작 시 많은 비용이 필요하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 사용되는 다수개의 전력 증폭기에서 발생되는 전력을 전송선 변압기를 이용하여 결합함으로써 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라 큰 출력전력으로 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기는 서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 1내지 제 2증폭단과 제 1전송선 변압기의 제 1전송선과 제 2전송선의 일측에 각각 연결되고, 서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 3내지 제 4증폭단과 제 2전송선 변압기의 제 3전송선과 제 4전송선의 일측에 각각 연결되며, 제 1전송선 변압기의 제 2전송선의 타측과 제 2전송선 변압기의 제 3전송선의 타측이 접지를 통해 서로 연결되고, 제 1전송선 변압기의 제 1전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 제 5전송선의 일측에 연결되고, 제 2전송선 변압기의 제 4전송선의 타측과 제 3전송선 변압 기의 6전송선의 일측에 연결되며, 제 3전송선 변압기의 제 5전송선은 출력저항을 매개로 접지와 연결되고, 제 3전송선 변압기의 제 6전송선은 접지와 연결되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 각 제 3전송선 변압기는 출력저항과 접지가 각각 공통으로 연결되어 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 출력저항 및 접지 사이에 제 4전송선 변압기가 매개되며, 전력 증폭기의 각 제 3전송선 변압기의 서로 다른 출력은 서로 연결되고, 각 제 3전송선 변압기의 또 다른 서로 다른 출력은 각각 제 4전송선 변압기의 제 7전송선과 제 8전송선에 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기의 전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기는 서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 1내지 제 2증폭단 중 제 1증폭단은 제 1내지 제 2전송선 변압기의 제 1과 제 3전송선의 일측에 연결되며, 제 2증폭단은 제 1내지 제 2전송선 변압기의 제 2와 제 4전송선의 일측에 연결되고, 제 1전송선 변압기의 제 2전송선의 타측과 제 2전송선 변압기의 제 3전송선의 타측이 접지를 통해 서로 연결되고, 제 1전송선 변압기의 제 1전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 제 5 전송선의 일측에 연결되고, 제 2전송선 변압기의 제 4전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 6전송선의 일측에 연결되며, 제 3전송선 변압기의 제 5전송선은 출력저항을 매개로 접지와 연결되고, 제 3전송선 변압기의 제 6전송선은 접지와 연결되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 각 제 3전송선 변압기는 출력저항과 접지가 각각 공통으로 연결되어 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 출력저항 및 접지 사이에 제 4전송선 변압기가 매개되며, 전력 증폭기의 각 제 3전송선 변압기의 서로 다른 출력은 서로 연결되고, 각 제 3전송선 변압기의 또 다른 서로 다른 출력은 각각 제 4전송선 변압기의 제 7전송선과 제 8전송선에 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 위와 같이 이루어진 전력 증폭기의 전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명은 전력 증폭기에서 발생되는 전력을 전송선 변압기를 이용하여 결합함으로써 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라 큰 출력전력으로 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 전력 결합기의 기본 구성 요소인 전송선 및 전송선에 흐르는 신호 파형을 나타낸 것이다.
이때, 302는 일반적인 AC 신호를 전달하는 선로(301)를 통하여 전송 되는 AC 신호의 파형을 보여주고 있다.
여기에 도시된 바와 같이 point A 의 경우는 전압이 '0'이지만, point B 에서는 전압이 '1V'이고, point D 에서는 전압이 '-1V'가 된다. 일반적으로, 수 MHz의 AC 신호는 파장의 길이가 매우 길어, 이와 같은 특성을 보기 위해서는 매우 긴 선로가 필요하지만, 수 GHz의 AC 신호는 파장의 길이가 매우 짧아서, 수 mm 혹은 수백 um 의 길이를 가지는 선로에서도 이와 같은 같은 특성을 가진다.
이와 같은 특성을 가지는 전송 선로(301)를 전송선이라고 하고, 이러한 전송선은 나선형 인덕터와 같은 수동 소자에 비하여 전력 손실이 매우 적다.
따라서 본 발명에 의한 전력 결합기는 이와 같은 전송선이 기본 구성 요소로 형성됨에 따라 전력 결합기의 전력 손실은 일반적인 정합 회로에 비하여 매우 낮게 된다.
도 4는 본 발명에 의한 전력 결합기에 적용되는 일반적인 전송선 변압기를 나타낸 도면이다.
여기에서 '+' 부호 및 '-' 부호는 각각 AC 신호의 위상이 서로 반대인 것을 나타낸다.
도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 전송선 변압기(300)는 각각 전송선(401, 402)으로 구성 되어 있으며 서로 매우 인접하게 위치하고 있어, 각 전송선(401, 402)에서 발생하는 자기장에 의하여 각각에 흐르는 전류의 흐름이 영향을 받도록 되어 있다.
이때 전송선이라 함은 고주파 신호를 전송하는 선로를 지칭 하는 것이며, 이러한 전송선(401, 402)을 이용한 변압기(300)의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
만약 어느 한 전송선(401)에 I1이라는 전류가 흐르게 되면, I1에 의하여 전송선(401) 주위에는 자기장이 형성 된다. 이때, 다른 전송선(402)에는 I1에 의하여 형성되는 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 유도 되어 I2와 같은 전류가 발생하게 된다. 이때, VA1은 A1에서의 전압, VA2는 A2에서의 전압, VB1은 B1에서의 전압, VB2는 B2에서의 전압이라고 한다면, 각 전압은 다음 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
VA1-VB1 = VA2-VB2
상기와 같은 전송선 변압기(300)의 기본 원리를 바탕으로 도 4의 (B)를 해석하면 다음과 같다.
어느 순간 VA1과 VB1은 교류 전압원(voltage source, 403)에 의하여 각각 +V 및 -V가 되는 시점을 가정 할 수 있기 때문에 상기 전송선 변압기(300)의 기본 원 리에 의하여, 각각의 전송선(401, 402)에 흐르는 전류는 서로 크기는 같고 방향만 반대인 특성을 가진다. 또한 VA1=+V, VB1=-V 그리고 VB2=0 이므로, 수학식 1에 의하여 VB2는 2V 임을 쉽게 알 수 있다.
이때, 교류 전압원(403)에서 발생한 전력을 계산해 본다면, 전력은 전류와 전압의 곱으로 나타나게 되고, 만약 교류 신호라면 여기에 0.5를 곱해 줌으로써 A1에서의 전력은 0.5 x I x V 이고 B1에서의 전력은 0.5 x I x V 이다. 따라서, 교류 전압원(403)에서는 0.5 x I x V + 0.5 x I x V = I x V의 전력이 생성되었음을 알 수 있다. A2에서는 전류는 I 이고 전압은 2V 이므로, Rout으로 전달되는 전력은 0.5 x I x 2V = I x V 가 되어 교류 전압원(403)에서 발생된 전력이 모두 Rload로 전달되었음을 알 수 있다. 이때, 옴의 법칙에 의하여, Rout=2V/I가 되고, Rload_a=V/I, Rload_b=V/I 된다.
따라서, 2Rload_a=2Rload_b=Rout 의 관계식을 만족하게 되어 전송선(401, 402)에 의하여 임피던스의 변환이 가능함을 알 수 있다. 따라서, A1 및 B1에서의 전압은 +/- V로 스윙 한다면, A2에서는 +/- 2V로 스윙하게 되어 일반적인 변압기의 특성인 전압 변환이 가능함을 알 수 있다.
이와 같이 일반적으로 전송선을 이용한 변압기를 전송선 변압기라고 하며, 본 발명에서는 이러한 전송선 변압기가 기본 구성 요소로 형성 된다.
도 5는 본 발명에 적용되는 전송선 변압기를 이용한 전력 결합기의 기본 구조를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 전력 트랜지스터로 구성되는 증폭단(501, 502)에 입력 위상이 서로 반대인 RFin이 입력으로 인가 되면, 전력 트랜지스터(501, 502)의 출력 역시 -V 및 +V와 같이 위상이 서로 반대인 신호가 발생 된다. 따라서 도 4의 (B)에서의 교류 전압원(403)이 전력 트랜지스터(501, 502)로 대체 된 것이므로, 도 4의 (B)와 도 5는 동일한 회로도임을 알 수 있다.
이때, Rout의 값이 50 Ω이라면 Rload_a 및 Rload_b의 값은 모두 25 Ω이 된다. 따라서, 임피던스 변환 비(R)는 2가 된다. 이하 Rload_a 및 Rload_b의 값은 항상 동일하므로 Rload라고만 지칭 하도록 하겠다. 상기와 같이 50 Ω의 증폭기의 부하 저항 값은 Rload로 변환 되므로, 상기와 같은 전송선(503, 504)에 의한 전송선 변압기는 정합회로의 역할을 한다고 볼 수 있다.
따라서, 전력 결합기(500)의 출력은 다음 수학식 2와 같은 특성을 가진다.
Figure 112006085210264-PAT00001
Pout : 출력 전력
N : 증폭단의 개수
VDD : 증폭단의 전원 전압
Rload : 증폭단에서 보이는 부하 저항
R : 임피던스 변환 비
위에서 전력 결합기(500)의 출력전력을 상대적인 크기로 용이하게 비교하기 위하여, 수학식 2의 N과 R의 곱인 N x R 값을 이용할 경우 이론적으로 N x R의 값이 클수록 큰 출력전력을 가짐을 수학식 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 N=2 및 R=2이므로 N x R = 4가 된다.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 도 5에 도시된 전력 결합기의 출력 전력을 결합하기 위한 전력 증폭기(600)로써 전력 결합기(500)를 두 개 이용하여 구성된다.
즉, 각 전력 결합기(500)의 접지(505)를 서로 연결한다. 이때 접지(505)는 차동 증폭단의 원리에 의하여 AC적으로 가상 접지(Virtual ground)가 형성된다. 따라서, AC적으로 접지와 동일한 효과를 보이는 전원전압이 접지(505)로 인가되어도 회로의 AC 동작에는 아무런 지장을 주지 않는다. 따라서 접지(505)에는 전력 증폭기의 전원전압의 입력부로 활용이 가능하다.
또한, 전력 결합기(500)의 증폭단(603, 604, 605, 606)의 RFin 위상을 각각 -, +, - 및 + 로 해 준다면, 출력부(601, 602)의 전압은 각각 +2V 및 -2V가 된다. 그리고 출력부(601, 602)에서의 전압 및 전류는 또 다시 전송선 변압기(607)의 입력이 되어 출력단(608)에서는 +4V의 전압이 나타나게 된다.
이때, 증폭단(603, 604, 605, 606)에서 흐르는 전류의 크기가 1I라고 한다 면, 출력부(601, 602)에서 흐르는 전류의 크기도 1I가 되고, 전송선 변압기(607)에서 흐르는 전류의 크기 역시 1I가 된다. 따라서, 옴의 법칙에 의하여, 아래와 같은 수학식 3이 가능하다.
4V/I = Rout, 2V/I = Ra, V/I = Rload
따라서, Rout : Ra : Rload = 4 : 2 : 1 이 성립된다.
일반적으로 고주파 회로의 최종출력과 최종입력에 연결되는 부하저항은 50Ω 이므로, Rout 이 50 Ω일 경우 Ra 및 Rload 값은 각각 25 Ω 및 12.5 Ω이 된다. 따라서, N x R의 값은 N=4 이고 R=4가 되어 N x R = 16이 된다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 본 제 2실시예에서는 도 6에 도시된 전력 증폭기(600)를 두 개를 결합하여 구성된다.
따라서, 두 개의 전력 증폭기(600)의 각각의 접지 부분은 서로 연결시켜 다시 접지와 연결시키고 출력단은 서로 연결시켜 Rout 에 연결 하였다.
이때 접지(505)에는 AC적인 가상 접지가 형성되고, 증폭기의 전원전압의 입력부로 활용이 가능하다.
이와 같은 전력 증폭기의 증폭단(701, 702)의 RFin 위상을 각각 - 및 +로 해 준다면, 증폭단(701, 702)의 출력 전압은 각각 +V 및 -V가 되고 Rout에 흘러들어 가는 전류는 2I가 되게 됨에 따라 Rout에서의 전압은 4V가 된다. 따라서, 이 경우 Rload 및 Rout는 다음 수학식 4와 같이 계산 가능하게 된다.
4V/2I = Rout, V/I = Rload
따라서, Rout : Rload = 2 : 1 이 성립된다.
이와 같은 경우에는 N=8 이고, R=2이므로, N x R의 값은 16이 되어 도 6의 경우와 동일한 출력전력을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 제 3실시예에서는 도 6에 도시된 전력 증폭기(600)의 출력전력을 결합하고 전송선 변압기(300)를 추가하여 더 큰 출력전력을 얻기 위한 것으로써 전력 증폭기(600)를 두 개 결합하여 구성된다.
즉, 두 개의 전력 증폭기(600) 각각의 일측의 접지와 출력단을 서로 연결하고, 다른 측의 출력단과 접지는 각각 전송선 변압기(300)의 접지와 Rout에 연결된다.
이때, 증폭단(801, 802)의 RFin 위상을 각각 - 및 +로 해 준다면, 증폭 단(801, 802)의 출력전압은 각각 +V 및 -V가 되고 각각의 전력 증폭기(600)의 출력단(803, 804)에서의 전압은 각각 +4V 및 -4V가 되고, 흐르는 전류의 크기는 I가 됨에 따라 도 3에서 설명한 원리를 이용한다면 Rout에 걸리는 전압은 +8V가 되고 전류는 I가 된다.
따라서 앞서 설명한 방식을 그대로 이용한다면, R=8이 되고, N=8이 되어 N x R = 64가 된다.
여기에서도 AC적인 가상 접지(505)가 형성되고, 증폭기의 전원 전압의 입력부로 활용 가능하다.
따라서 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 결합기를 통해 위와 같은 방식으로 확장하여 출력 전력을 결합함으로써 더 큰 출력 전력을 얻을 수 있는 것이 가능하게 된다.
도 9는 본 발명의 제 4실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 전력 증폭기의 형태는 도 6에 도시된 전력 증폭기를 이루는 전력 결합기가 변형된 형태로써 전력 트랜지스터로 구성되는 증폭단(901, 902)의 하나의 출력이 두 개의 전송선 변압기의 일측 전송선에 각각 연결되고, 다른 하나의 출력이 두 개의 전송선 변압기의 타측 전송선에 각각 연결되어 두 개의 전송선 변압기로 분배되도록 연결되고, 두 개의 전송선 변압기의 각 출력단의 타측 및 일측은 서로 연결되고 일측 및 타측(601, 602)은 각각 다른 전송선 변압기의 전송선 과 각각 연결되어 접지와 부하단에 연결된다.
이때 증폭단(901, 902)의 RFin 입력 파형이 서로 위상이 반대라고 한다면, 증폭단(901, 902)의 출력 파형 역시 서로 위상이 반대가 된다. 만약 증폭단(901, 902)의 출력 전압이 각각 +V 및 -V라고, 각각 흐르는 전류의 크기가 2I라고 한다면, 이때 각 전송선에 흐르는 전류의 크기는 I가 되어 Rout으로 흘러 들어가는 전류의 크기도 I가 되고, 전압은 +4V가 된다.
이 경우 임피던스 변환비 R을 구하기 위해 다음 수학식 5를 사용한다.
4V/I = Rout, V/2I = Rload
따라서, Rout : Rload = 8 : 1이 성립된다.
이와 같이 수학식 5로부터, R은 8이 되어 Rout 이 50 Ω이고 한다면, Rload는 6.25 Ω이 된다. 또한 증폭단의 개수 N은 2가 된다. 따라서, N x R의 값은 16이 된다.
도 10은 본 발명의 제 5실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 전력 증폭기는 도 7에 도시된 전력 증폭기를 도 9와 같은 전력 결합기의 형태를 변형한 구조와 동일하다.
이때 각 전송선 및 Rout에 흐르는 전류 및 각 지점의 전압을 살펴볼 때 N 및 R을 구하기 위하여 다음과 같은 수학식 6에 의해 가능하다.
4V/2I = Rout, V/2I = Rload
따라서, Rout : Rload = 4 : 1이 성립된다.
이와 같이 수학식 6으로부터, R은 4가 되며, 증폭단의 개수가 4개이므로 N=4가 된다. 따라서, N x R의 값은 16이 된다.
위와 같이 변형된 도 9와 도 10의 전력 결합기에서도 AC적인 가상 접지(505)가 형성되고, 증폭기의 전원 전압의 입력부로 활용 가능하다.
한편, 도 8에 도시된 전력 증폭기의 구조에서도 도 9의 전력 결합기로 변형하여 확장할 수 있다.
도 11은 도 10에 의한 전력 증폭기를 실제 레이아웃한 집적 회로의 사진으로써 RFCMOS 0.18 ㎛ 공정을 이용하여 레이아웃한 사진이다.
1101은 본 발명에 의한 전력 결합기를 나타내고 있다. 이때, 전력 결합기를 형성하고 있는 전송선은 재질이 알루미늄으로 되어 있으며, 두께는 약 2.5 ㎛ 이고 폭은 20 ㎛으로 형성 하였다.
도 12는 도 11에 의한 전력 증폭기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.
여기에 도시된 컴퓨터 모사 결과는 회로의 동작 주파수는 1.8GHz 이고 입력 전력은 일정한 값으로 고정 하였으며, 회로의 전원 전압의 크기를 0.5 V부터 3.3 V 까지 변화 시키면서 효율과 출력 전력을 살펴 본 것이다. 도 11에서와 같이 최고 출력 전력은 약 34.5 dBm으로 나왔고, 이때 효율은 48 %의 값을 얻었다. 이러한 결과는 1.8 GHz 동작 주파수에서 와트 급 출력 전력을 가지는 증폭기의 효율로서 매우 높은 값이다.
이와 같이 본 발명에 의한 전력 증폭기는 각 증폭단에서 발생하는 출력 전력을 효율적으로 결합함을 알 수 있다.
한편, 도 13은 도 6에 의한 전력 증폭기에서 전력 결합기를 이루는 전송선 변압기를 나선형 변압기로 변형한 회로 구성도이다.
여기에서는 전송선 변압기와 일반적인 나선형 변압기의 기본 동작 원리는 동일하기 때문에 전송선 변압기를 이용한 본 발명에 의한 전력 결합기에서 전송선 변압기는 나선형 변압기로 대체 가능하다.
즉, 도 13의 (B)에 도시된 나선형 변압기(1301, 1302) 각각의 감은 비 (turn-ratio)가 1:1이라면, 앞서 기술한 전송선 변압기를 이용한 전력 결합기와 동일한 특성을 가지게 되고, 앞서 기술한 바와 같이 N 값 및 R 값의 계산도 동일해 진다. 하지만, 만약 나선형 변압기의 감은 비가 1:1이 아니고, 1:N 혹은 N:1이 된다면, 다음 수학식 7에서 보인 나선형 변압기의 감은 비에 따른 1차측과 2차측의 전류 비 그리고 전압 비의 계산식에 의하여, 각 나선형 변압기의 1차측 혹은 2차측에 흐르는 전류 및 전압의 크기를 해석 가능해지고, 이에 따라, Rout 값에 따른 Rload 값의 계산이 가능해 진다.
따라서 나선형 변압기를 사용하는 경우도 앞서 기술한 방식을 이용하여 쉽게 N 값과 R 값을 알 수 있게 된다.
Figure 112006085210264-PAT00002
N : 나선형 변압기의 감은 비,
V1 : 변압기의 1 차 측의 두 포트의 전압차이,
I1 : 변압기의 1 차 측에 흐르는 전류의 크기,
V2 : 변압기의 2 차 측의 두 포트의 전압차이,
I2 : 변압기의 2 차 측에 흐르는 전류의 크기.
상기한 바와 같은 본 발명은 무선 통신 시스템에서 사용되는 다수개의 전력 증폭기에서 발생되는 전력을 전송선 변압기를 이용하여 결합함으로써 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라 큰 출력전력으로 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 1내지 제 2증폭단과 제 1전송선 변압기의 제 1전송선과 제 2전송선의 일측에 각각 연결되고,
    서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 3내지 제 4증폭단과 제 2전송선 변압기의 제 3전송선과 제 4전송선의 일측에 각각 연결되며,
    상기 제 1전송선 변압기의 제 2전송선의 타측과 상기 제 2전송선 변압기의 제 3전송선의 타측이 접지를 통해 서로 연결되고,
    상기 제 1전송선 변압기의 제 1전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 제 5전송선의 일측에 연결되고,
    상기 제 2전송선 변압기의 제 4전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 6전송선의 일측에 연결되며,
    상기 제 3전송선 변압기의 제 5전송선은 출력저항을 매개로 접지와 연결되고,
    상기 제 3전송선 변압기의 제 6전송선은 접지와 연결되어 이루어진 것
    을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  2. 제 1항에 의해 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 각 제 3전송선 변압기는 출력저항과 접지가 각각 공통으로 연결되어 결합된 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1내지 제 3전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  4. 제 1항에 의해 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 상기 출력저항 및 상기 접지 사이에 제 4전송선 변압기가 매개되며, 상기 전력 증폭기의 각 상기 제 3전송선 변압기의 서로 다른 출력은 서로 연결되고, 각 상기 제 3전송선 변압기의 또 다른 서로 다른 출력은 각각 상기 제 4전송선 변압기의 제 7전송선과 제 8전송선에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1내지 제 4전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  6. 서로 상반된 위상의 고주파를 증폭하여 출력하는 제 1내지 제 2증폭단 중 상기 제 1증폭단은 제 1내지 제 2전송선 변압기의 제 1과 제 3전송선의 일측에 연결되며,
    상기 제 2증폭단은 상기 제 1내지 제 2전송선 변압기의 제 2와 제 4전송선의 일측에 연결되고,
    상기 제 1전송선 변압기의 제 2전송선의 타측과 상기 제 2전송선 변압기의 제 3전송선의 타측이 접지를 통해 서로 연결되고,
    상기 제 1전송선 변압기의 제 1전송선의 타측과 제 3전송선 변압기의 제 5전송선의 일측에 연결되고,
    상기 제 2전송선 변압기의 제 4전송선의 타측과 상기 제 3전송선 변압기의 6전송선의 일측에 연결되며,
    상기 제 3전송선 변압기의 제 5전송선은 출력저항을 매개로 접지와 연결되고,
    상기 제 3전송선 변압기의 제 6전송선은 접지와 연결되어 이루어진 것
    을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  7. 제 6항에 의해 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 각 상기 제 3전송선 변압기는 상기 출력저항과 상기 접지가 각각 공통으로 연결되어 결합된 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 제 1내지 제 3전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  9. 제 6항에 의해 이루어진 전력 증폭기를 복수개 결합하되 상기 출력저항 및 상기 접지 사이에 제 4전송선 변압기가 매개되며, 상기 전력 증폭기의 각 상기 제 3전송선 변압기의 서로 다른 출력은 서로 연결되고, 각 상기 제 3전송선 변압기의 또 다른 서로 다른 출력은 각각 상기 제 4전송선 변압기의 제 7전송선과 제 8전송 선에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1내지 제 4전송선 변압기를 나선형 변압기로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기.
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