KR20110037033A - 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동부와, 구동부에 연결된 선단부에 전력분배기가 구비된 도허티(Doherty) 구조의 전력증폭부를 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치에 있어서, 상기 구동부는 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기, 상기 주 증폭기와 병렬로 연결되어 피크 신호를 증폭하는 피킹 증폭기, 상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 입력단에 입력 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기, 상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 출력단에 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 제1 λ/4 트랜스포머 및, 상기 피킹 증폭기와 제1 λ/4 트랜스포머에 일끝단이 연결되고, 상기 전력증폭부의 전력분배기에 타끝단이 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 제2 λ/4 트랜스포머를 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 구동단을 도허티 구조로 설계하여 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화를 최소화시키고, 구동단이 전력증폭단의 아날로그 전치왜곡 역할을 담당하게 하여 선형성을 최적화한 것이다.
2단, 전력, 증폭, 도허티, 전치, 왜곡

Description

2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치{TWO-STAGE POWER AMPLIFIER MIXING BIAS}
본 발명은 전력 증폭단이 도허티 구조로 되고, 구동단이 기존의 클래스 AB구조 대신 도허티 구조로 대체된 2단 도허티 구조로 된 것으로, 본 발명의 구동단을 도허티 구조로 설계하여 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화를 최소화시키고, 구동단이 전력증폭단의 아날로그 전치왜곡 역할을 담당하게 하여 선형성을 최적화한, 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
현재, 이동 통신 시스템에서 전력 증폭기는 기지국(BS: Base Station) 및 이동 단말(MS: Mobile Station)들의 최종 출력단에 구비되어 낮은 레벨의 입력 신호, 예컨대 베이스 밴드(Base Band) 신호를 높은 레벨의 출력 신호, 예컨대 RF 밴드 신
호로 증폭한다. 이때, RF 밴드 신호는 전력 증폭기가 비선형성이면 신호의 왜곡 성분이 발생하며, 이러한 전력 증폭기의 비선형 특성은 입력 신호에 대한 이득 저하와 입력 주파수 이외의 상호 변조(Inter-Modulation)로 인한 주파수 성분을 생성한다. 그에 따라, 상기 생성된 주파수 성분은 인접 채널에 영향을 주어 시스템 전체 성능을 저하시키므로 상기 선형성은 전력 증폭기에서 중요한 특성이다.
한편, 상기 전력 증폭기는 입력 신호의 대역폭에 따라 단일 반송파를 사용하는 단일 반송파 전력 증폭기(SCPA: SingleCarrier Power Amplifier, 이하 'SCPA'라 칭하기로 한다)와 다중 반송파를 사용하는 다중 반송파 전력 증폭기(MCPA: Multi Carrier Power Amplifier, 이하 'MCPA'라 칭하기로 한다)로 나눌 수 있다. 상기 SCPA는 단일 반송파, 즉 1FA 신호를 증폭하므로 선형성 확보를 위한 복잡하고 정교한 선형화가 불필요하며, 단지 최대 출력 전력에서 PAR(Peak to Average Power Ratio)만큼 백오프(Back-Off)하여 사용하면 된다. 상기 MCPA는 다중 반송파, 예컨대 와이브로 시스템일 경우는 3FA 신호를, CDMA 시스템일 경우는 8∼15FA 신호를 증폭하므로 광대역의 상호 변조 성분을 제거하기 위해 선형화가 필요하다.
또한, 최근에는 이동 통신 시스템에 다중 안테나 기술을 적용하여 빔 포밍(Beam Forming), 다이버시티(Diversity) 등으로 전송 속도와 용량을 증대시키는 기술들이 적용되고 있다. 이러한 다중 안테나 기술은, 여러 개의 안테나를 사용하므로 전력 증폭기 측면에서 전체의 출력 전력은 같지만 개별 안테나를 구동시키는 전력 증폭기의 출력 전력이 낮아지는 이점이 있다. 상기 다중 안테나 기술을 이동 통신 시스템에 적용할 경우, 상기 이동 통신 시스템의 활용성을 향상시키기 위해 MCPA로 동작하는 멀티 모드용 전력 증폭기가 제안되었다.
아울러, 전력 증폭기에 있어서, 전술한 전력 증폭기의 선형성 뿐만 아니라 전력 증폭기의 효율성 또한 중요한 파라미터이다. 이러한 전력 증폭기의 효율성을 향상시키기 위해 도허티 증폭기(Doherty Amplifier)가 제안되었으며, 일반적인 평형증폭기(Balanced Amplifier)와는 달리 상기 도허티 증폭기는 캐리어 증폭 기(Carrier Amplifier)와 피킹 증폭기(Peaking Amplifier)가 비대칭 병렬로 결합된 구조이다. 보다 자세히 설명하면, 도허티 증폭기는, 이동 통신 시스템에서 고효율 변조방식에 사용되는 전력 증폭기의 일예로서, 1936년에 W. H. Doherty에 의해 처음 제안되었으며, 그 구조는 쿼터 웨이브 트랜스포머(Quarter Wave Transformer)(λ/4 트랜스포머)가 메인 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬로 연결하는 구조이다.
그리고, 상기 피킹 증폭기는 전력 레벨(Power Level)에 따라 부하(load)에 공급하는 전류의 양을 달리하는 방식을 통해 상기 메인 증폭기의 부하 임피던스(impedance)를 조절함으로써, 도허티 증폭기의 효율을 증가시킬 수 있다.
이러한 종래의 전력 증폭 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 전력증폭단이 도허티 구조로 되어 있고, 구동단이 클래스 AB구조로 되어 있어 구동단의 전력소비가 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화의 원인이 된다.
그리고, 선형성을 개선하기 위한 아날로그 전치왜곡(APD ; Analog Pre-Distortion)회로가 필요하여 회로가 복잡해지며, 아울러 간단한 전력증폭기 라인업(Lineup)으로 선형성과 효율을 최적화할 수 있는 전력증폭기 구조가 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화를 최소화시키고, 간단한 전력증폭기 라인업(Lineup)으로 선형성과 효율을 최적화할 수 있는 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치는
구동부와, 구동부에 연결된 선단부에 전력분배기가 구비된 도허티(Doherty) 구조의 전력증폭부를 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치에 있어서, 상기 구동부는 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기, 상기 주 증폭기와 병렬로 연결되어 피크 신호를 증폭하는 피킹 증폭기, 상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 입력단에 입력 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기, 상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 출력단에 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 제1 λ/4 트랜스포머 및, 상기 피킹 증폭기와 제1 λ/4 트랜스포머에 일끝단이 연결되고, 상기 전력증폭부의 전력분배기에 타끝단이 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 제2 λ/4 트랜스포머를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 구동부의 전력 분배기에 연결되어 게인 부스팅(Gain boosting) 기능을 수행하는 프리앰프(Pre-amp)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전력 증폭단이 도허티 구조로 되고, 구동단이 기존의 클래스 AB구조 대신 도허티 구조로 대체된 2단 도허티 구조인 것으로, 본 발명의 구동단을 도 허티 구조로 설계하여 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화를 최소화시키고, 구동단이 전력증폭단의 아날로그 전치왜곡 역할을 담당하게 하여 선형성을 최적화할 수 있다.
즉, 구동단의 주 증폭기와 피킹 증폭기 각각의 게이트 바이어스(Gate Bias)를 조정하여 전력증폭단의 전치왜곡 역할을 담당하게 할 수 있으며, 구동단의 게이트 바이어스를 조정하여 다양한 AM-to-AM과 AM-to-PM 특성을 얻을 수 있으며, 구동단과 전력증폭단의 주 증폭기와 피킹 증폭기의 게이트 바이어스들을 조정하여 전치왜곡된 전력증폭기를 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 2의 장치는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치를 도시한 것이다.
도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치는 구동단이 도허티 구조로 된 2단 도허티 구조인 것이다.
즉, 전력 증폭단이 도허티 구조로 되고, 구동단이 기존의 클래스 AB구조 대신 도허티 구조로 대체된 2단 도허티 구조인 것이다.
좀 더 상세하게는, 본 발명의 구동단을 도허티 구조로 설계하여 전체 전력증폭기의 효율 성능 열화를 최소화시키고, 구동단이 전력증폭단의 아날로그 전치왜곡 역할을 담당하게 하여 선형성을 최적화한 것이다.
구체적으로는, 구동단의 주 증폭기와 피킹 증폭기 각각의 게이트 바이어스(Gate Bias)를 조정하여 전력증폭단의 전치왜곡 역할을 담당하게 한 것이다.
그리고, 구동단의 게이트 바이어스를 조정하여 다양한 AM-to-AM과 AM-to-PM 특성을 얻을 수 있는 구조로 된 것이다.
아울러, 구동단과 전력증폭단의 주 증폭기와 피킹 증폭기의 게이트 바이어스들을 조정하여 전치왜곡된 전력증폭기를 구현한 것이다.
첨부된 도면을 살펴보면, 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치는 크게, 프리앰프(Pre-amp)(201), 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202), 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203), 구동단 전력 분배기(204), 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205), 구동단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(206), 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207), 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208), 전력증폭단 전력 분배기(209), 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210), 전력증폭단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(211)를 포함하여 이루어진다.
즉, 게인 부스팅(Gain boosting) 기능을 수행하는 프리앰프(Pre-amp)(201), 기본 신호를 증폭하는 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202), 피크 신호를 증폭하는 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203), 구동단의 주 증폭기(202)와 피킹 증폭기(203) 각각에 입력 신호의 전력을 분배하는 구동단 전력 분배기(204), 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205), 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 구동단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(206), 기본 신호를 증폭하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207), 피크 신호를 증폭하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208), 전력증폭단의 주 증폭기(207)와 피킹 증폭기(208) 각각에 입력 신호의 전력을 분배하는 전력증폭단 전력 분배기(209), 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210), 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(211)를 포함하여 이루어진다.
프리앰프(Pre-amp)(201)는 입력단이 신호 입력 포트(Pin)와 연결되고, 출력단이 구동단 전력 분배기(204)에 직렬로 연결된 것 즉, 구동단의 주 증폭기(202)와 피킹 증폭기(203) 각각에 입력 신호의 전력을 분배하는 구동단 전력 분배기(204)에 직렬로 연결된 것으로, 게인 부스팅(Gain boosting) 기능을 수행한다.
구동단 주 증폭기(202)는 입력단이 구동단 전력 분배기(204)에 연결되고, 출력단이 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205)에 직렬로 연결되며 즉, 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205)에 직렬로 연결되며, 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203)와는 병렬로 연결된 구조로 된 것으로, 기본 신호를 증폭한다.
구동단 피킹증폭기(203)는 입력단이 구동단 전력 분배기(204)에 연결되고, 출력단이 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205)와 제2 λ/4 트랜스포머(206) 각각에 연결되며 즉, 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 구동단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(205)와, 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 구동단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(206) 각각에 연결되며, 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202)와는 병렬로 연결된 구조로 된 것으로, 피크 신호를 증폭한다.
구동단 전력 분배기(204)는 입력단이 프리앰프(Pre-amp)(201)에 연결되고, 출력단이 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202)와 피킹 증폭기(203)에 연결된 것 즉, 구동단 도허티 증폭기의 기본 신호를 증폭하는 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202)와, 구동단 도허티 증폭기의 피크 신호를 증폭하는 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203)에 연결된 것으로, 구동단의 주 증폭기(202)와 피킹 증폭기(203) 각각에 입력 신호의 전력을 분배한다.
구동단 제1 λ/4 트랜스포머(205)는 일끝단이 구동단 도허티 증폭기의 주 증폭기(202)에 연결되고, 타끝단이 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203)와, 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 구동단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(206)에 연결된 것으로, 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행한다.
구동단 제2 λ/4 트랜스포머(206)는 일끝단이 구동단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(203)와, 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행 하는 제1 λ/4 트랜스포머(205)에 연결되고, 타끝단이 전력증폭단의 주 증폭기(207)와 피킹 증폭기(208) 각각에 입력 신호의 전력을 분배하는 전력증폭단 전력 분배기(209)에 직렬로 연결된 것으로, 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환한다.
전력증폭단 주 증폭기(207)는 입력단이 전력증폭단 전력 분배기(209)에 연결되고, 출력단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210)에 직렬로 연결되며 즉, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210)에 직렬로 연결되며, 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208)와는 병렬로 연결된 구조로 된 것으로, 기본 신호를 증폭한다.
전력증폭단 피킹증폭기(208)는 입력단이 전력증폭단 전력 분배기(209)에 직렬로 연결되고, 출력단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210)와, 제2 λ/4 트랜스포머(211) 각각에 연결되며 즉, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제1 λ/4 트랜스포머(210)와, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(211) 각각에 연결되며, 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207)와는 병렬로 연결된 구조로 된 것으로, 피크 신호를 증폭한다.
전력증폭단 전력 분배기(209)는 입력단이 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 구동단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(206) 에 직렬로 연결되고, 출력단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207)와 피킹 증폭기(208)에 연결된 것 즉, 전력증폭단 도허티 증폭기의 기본 신호를 증폭하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207)와, 전력증폭단 도허티 증폭기의 피크 신호를 증폭하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208)에 연결된 것으로, 전력증폭단의 주 증폭기(207)와 피킹 증폭기(208) 각각에 입력 신호의 전력을 분배한다.
전력증폭단 제1 λ/4 트랜스포머(210)는 일끝단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 주 증폭기(207)에 연결되고, 타끝단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208)와, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 전력증폭단 도허티 증폭기의 제2 λ/4 트랜스포머(211) 각각에 연결된 것으로, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행한다.
전력증폭단 제2 λ/4 트랜스포머(211)는 일끝단이 전력증폭단 도허티 증폭기의 피킹 증폭기(208)와, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 제1 λ/4 트랜스포머(210)에 연결되고, 타끝단이 출력포트(Pout)에 연결된 것으로, 전력증폭단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환한다.
도 1은 종래 전력 증폭 장치를 도시한 도면
도 2는 본 발명에 따른 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치를 도시한 도면
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
201 : 프리앰프(Pre-amp) 202 : 구동단 주 증폭기
203 : 구동단 피킹 증폭기 204 : 구동단 전력 분배기
205 : 구동단 제1 λ/4 트랜스포머 206 : 구동단 제2 λ/4 트랜스포머
207 : 전력증폭단 주 증폭기 208 : 전력증폭단 피킹 증폭기
209 : 전력증폭단 전력 분배기 210 : 전력증폭단 제1 λ/4 트랜스포머
211 : 전력증폭단 제2 λ/4 트랜스포머

Claims (2)

  1. 구동부와, 구동부에 연결된 선단부에 전력분배기가 구비된 도허티(Doherty) 구조의 전력증폭부를 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치에 있어서,
    상기 구동부는
    기본 신호를 증폭하는 주 증폭기;
    상기 주 증폭기와 병렬로 연결되어 피크 신호를 증폭하는 피킹 증폭기;
    상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 입력단에 입력 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기;
    상기 주 증폭기와 피킹 증폭기의 각 출력단에 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하 변조(Load modulation) 기능을 수행하는 제1 λ/4 트랜스포머; 및
    상기 피킹 증폭기와 제1 λ/4 트랜스포머에 일끝단이 연결되고, 상기 전력증폭부의 전력분배기에 타끝단이 연결되어 구동단 도허티 증폭기의 부하(Load)를 50Ω으로 변환하는 제2 λ/4 트랜스포머를 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부의 전력 분배기에 연결되어 게인 부스팅(Gain boosting) 기능을 수행하는 프리앰프(Pre-amp)를 더 포함하여 이루어진 2단 연결 바이어스 혼합 전력 증폭 장치.
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