KR20110097246A - 도허티 증폭기에서 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 장치 - Google Patents

도허티 증폭기에서 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도허티 증폭기에 관한 것으로, 도허티 증폭기는, 캐리어 증폭기 및 적어도 하나의 피킹 증폭기로 전력 신호를 제공하는 전력 분배기와, 상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 캐리어 증폭기와, 임계치 이상의 전력을 갖는 신호가 입력되면, 상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기와, 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 부하 임피던스를 조절하는 오프셋 라인들과, 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 상기 캐리어 증폭기의 최대 출력 전력 시의 부하 임피던스의 2배보다 큰 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스를 생성하는 도허티 회로를 포함한다.

Description

도허티 증폭기에서 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 장치{APPARATUS FOR IMPROVING PERFORMANCE AT LOW POWER REGION IN DOHERTY AMPLIFIER}
본 발명은 도허티(Doherty) 증폭기에 관한 것으로, 특히, 도허티 증폭기에서 피킹(peaking) 증폭기가 동작하지 아니하는 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 도허티 증폭기는 쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter-wave transformer, λ/4 line)를 사용해서 캐리어(carrier) 증폭기 및 피킹(peaking) 증폭기를 병렬로 연결하는 구조를 가진다. 전력 레벨이 증가함에 따라 상기 피킹 증폭기가 부하(load)에 공급하는 전류의 양이 증가되고, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각의 부하 임피던스의 조절을 통해 효율이 높아진다.
초고주파 도허티 증폭기는 1936년에 「W.H. Doherty」에 의해서 제안되었으며, 초기에 고출력 장파(LF : Low Frequency) 진공관 또는 고출력 중파(MF : Medium Frequency) 진공관을 이용한 방송장치의 진폭 변조(AM : Amplitude Modulation) 전송기(transmitter)로서 고안되었다. 이후, 진공관이 아닌 물성 디바이스(solid-state device)를 사용하여 도허티 증폭기의 구현을 위한 여러 가지 제안들이 있었으며, 실질적인 구현을 위해서 많은 연구가 진행되었다.
상기 도허티 증폭기로 불리는 비대칭 전력 결합을 통한 전력 증폭기는 고효율 및 고 선형성을 이루었고, 특히, 이동통신 시스템의 기지국 및 단말의 도허티 증폭기에 대하여 많은 성능 개선이 있었다. 고주파 대역에서의 도허티 증폭기는 입력 전력 분배기, 캐리어/피킹 증폭기간의 위상을 동기화하기 위한 전송 라인, 서로 동일한 값이 출력되도록 하면서 각각의 증폭기의 입/출력 정합 회로를 구성하여 하나의 증폭기에서 최대 출력을 내도록 구현된 캐리어/피킹 증폭기, 피킹 증폭기 미동작 시 출력 임피던스를 크게하여 적절한 부하 변조(load modulation) 현상이 일어나도록 하는 오프셋라인(offset line) 및 도허티 동작을 위한 쿼터 웨이브 전송 라인으로 구성된다.
상술한 바와 같은 구성은 트랜지스터의 출력부에 정합 회로를 배치하고, 정합 회로에 이어 오프셋 라인을 배치함으로써 실수부 뿐만 아니라 허수부의 정합도 가능하게 함으로써 증폭기의 출력을 최대한 얻음과 동시에 도허티 동작을 끌어내기 위함이다. 또한 도허티 증폭기를 더욱 일반화하고, 효율 및 선형성을 최적화 할 수 있는 구조인 N-경로(N-way) 도허티 증폭기에 대해서도 연구되었고, 일반적인 도허티 증폭기보다 더욱 낮은 파워 레벨에서부터 점진적으로 고효율을 끌어내는 N-스테이지(N-stage) 도허티 전력 증폭 방식 또한 연구되었다. 한편, 피킹 증폭기의 낮은 바이어스로 인해 제대로 최대 출력을 내지 못하는 문제를 해결하기 위해 포락선 트랙킹(envelope tracking) 장치를 이용한 도허티 증폭기가 구현된 바 있고, 입력 전력 분배를 다르게 하는 비대칭 전력 구동을 이용한 도허티 증폭기의 연구가 진행이 되어졌다.
상술한 바와 같이, 다양한 도허티 전력 증폭 기술이 개발되었으나, 이동통신 시스템의 기지국 및 단말이 점차 소형화되고 가격 감소의 필요성이 증가됨에 따라, 종래의 도허티 증폭기보다 높은 효율, 특히, 변조 신호 인가 시 평균 출력 전력에서의 높은 효율이 요구된다. 도 1은 이상적인 도허티 증폭기와 B급(class B) 증폭기의 효율 및 도허티 증폭기를 효율 측면에서 구현하는데 있어서, 실제 구현이 용이한 도허티 증폭기의 개략적인 효율 특성, 그리고 7.8dB의 PAPR(Peak to Average Power Ratio)를 갖는 무선 통신 기지국용 WiMAX(World interoperability for microwave access)의 크기 확률 분포 함수(Probability Density Function) 및 전력 발생 함수(Power Generation Function)를 도시하고 있다. 상기 도 1에서, 도허티 타입I(type I)의 경우 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 최대 전력 영역에서 부적절한 부하 변조에 의해 최대 전력 영역에서 효율이 감소 된 것을 나타내며, 도허티 타입II(type II)는 피킹 증폭기의 출력 임피던스가 작아서 발생 될 수 있는 캐리어 출력 전력 누설 혹은 온 저항에 의해 캐리어 증폭기가 충분히 포화 동작을 하지 않아서 발생하는 효율 감소 등의 영향에 의해 백오프 된 영역에서의 효율 감소를 나타낸다. 각각의 효율 특성에 대해 변조 신호를 인가하였을 때, PAPR만큼 백오프(back-off) 된 평균 전력 영역에서의 효율은 하기 <수학식 1>과 같이 계산될 수 있으며, 계산된 결과는 하기 <표 1>과 같다.
Figure pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기 ηavg는 평균 효율, 상기 Pout , max는 최대 출력 전력, 상기 Pout은 출력 전력, 상기 pdf(Pout)는 출력 전력의 확률 분포 함수를 의미한다.
B급 이상적 도허티 타입I 타입II
효율 31.6% 61.6% 59.4% 56.3%
상기 <표 1>에 나타난 바와 같이, 도허티 타입I은 이상적인 도허티 증폭기와 거의 유사한 효율을 가지며, 이를 통해 백오프 된 영역에서의 효율이 최대 전력 영역에서의 효율에 비해 전체 효율 특성에 더 많은 영향을 주는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 효율을 향상시키기 위한 장치을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 도허티 증폭기에서 피킹 증폭기가 동작하지 아니하는 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 장치을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 도허티 증폭기에서 낮은 전력 영역에서 캐리어 증폭기의 효율을 최대화하여 PAPR을 갖는 변조 신호에 대해서 효율을 향상시키기 위한 장치을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 견지에 따르면, 도허티 증폭기 장치는. 캐리어 증폭기 및 적어도 하나의 피킹 증폭기로 전력 신호를 제공하는 전력 분배기와, 상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 캐리어 증폭기와, 임계치 이상의 전력을 갖는 신호가 입력되면, 상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기와, 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 부하 임피던스를 조절하는 오프셋 라인들과, 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 상기 캐리어 증폭기의 최대 출력 전력 시의 부하 임피던스의 2배보다 큰 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스를 생성하는 도허티 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도허티 증폭기에서, 낮은 전력 영역에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 종래보다 크게 함으로써, 증폭 효율이 증가된다.
도 1은 일반적인 도허티 증폭기의 개략적인 효율 특성을 도시하는 도면,
도 2a는 이상적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 부하선(load line)을 도시하는 도면,
도 2b는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 부하선을 도시하는 도면,
도 2c는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 온 저항(Ron)에 따른 부하 임피던스를 도시하는 도면,
도 2d는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 온 저항(Ron)에 따른 출력 전력을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2-경로 방식의 도허티 증폭기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 N-경로 방식의 도허티 증폭기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 등가 회로를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2-경로 방식의 도허티 증폭기의 회로 구성을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2-경로 방식의 도허티 증폭기의 회로 구성을 도시하는 도면,
도 8은 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 효율 특성을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기와 종래의 도허티 증폭기의 CW 신호에 대한 효율 특성을 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기와 종래의 도허티 증폭기의 WiMAX 신호에 대한 효율 특성을 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참고와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 도허티 증폭기에서 피킹 증폭기가 동작하지 아니하는 낮은 전력 영역에서의 효율을 향상시키기 위한 기술에 대해 설명한다.
먼저 본 발명의 기술적 근거에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 이상적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 부하선(load line)을 도시하고 있다. 여기서, 상기 이상적인 도허티 증폭기는 온 저항(Ron)의 값이 0인 경우를 의미한다. 상기 도 2a에서, 가로축인 Vds는 출력 전압, 세로축인 Ids는 출력 전류를 의미한다. 또한, Ropt는 전력 증폭기가 최대 전력을 출력할 시의 출력 임피던스를 의미한다.
캐리어 증폭기가 최대 전력을 출력할 때의 부하선(200)을 살펴보면, 출력 임피던스, 출력 전력 및 효율은 하기 <수학식 2>와 같이 표현된다.
Figure pat00002
상기 <수학식 2>에서, 상기 Ropt는 최대 출력 전력 시, 전력 증폭기의 출력 정합 임피던스, 상기 V1은 기본파 전압 성분, 상기 Vdc는 직류 전압 성분, 상기 θ는 증폭기의 컨덕션 앵글(conduction angle), 상기 I1(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 P1 , Ropt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 출력 전력, 상기 ηRopt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 효율, 상기 Pdc는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 전력 증폭기에 인가되는 직류 전력, 상기 Idc(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 직류 전류 성분을 의미한다.
상기 θ는 A급 증폭기의 경우 2π, AB급의 경우 2π 내지 π, B급의 경우 π, C급의 경우 π보다 작은 값을 가진다. 그리고, 상기 I1(θ) 및 상기 Idc(θ)는 하기 <수학식 3>과 같다.
Figure pat00003
상기 <수학식 3>에서, 상기 θ는 증폭기의 컨덕션 앵글, 상기 I1(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 Imax는 증폭기의 최대 출력 전류, 상기 Idc(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 직류 전류 성분을 의미한다.
일반적인 도허티 증폭기의 경우, 피킹 증폭기가 동작하지 않는 낮은 전력 영역에서, 캐리어 증폭기는 2Ropt의 출력 임피던스를 갖고 동작을 한다. 이 경우의 부하선(202)을 살펴보면, 출력 임피던스, 출력 전력 및 효율은 하기 <수학식 4>과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
상기 <수학식 4>에서, 상기 2Ropt는 출력 정합 임피던스, 상기 V1은 기본파 전압 성분, 상기 Vdc는 직류 전압 성분, 상기 θ는 증폭기의 컨덕션 앵글, 상기 I1(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 P1 ,2 Ropt는 출력 정합 임피던스가 2Ropt인 경우의 출력 전력, 상기 P1 , Ropt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 출력 전력, 상기 η2 Ropt는 출력 정합 임피던스가 2Ropt인 경우의 효율, 상기 Pdc는 출력 정합 임피던스가 2Ropt인 경우의 전력 증폭기에 인가되는 직류 전력, 상기 Idc(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 직류 전류 성분을 의미한다.
상기 <수학식 2> 및 상기 <수학식 4>를 통해서 이상적인 도허티 증폭기는 최대 전력에 비해 3dB 감소된 전력이 출력될 때 최대 효율에 도달함이 확인된다. 이는 피킹 증폭기가 동작하기 전에 캐리어 증폭기가 충분히 포화 동작 수행함으로써 효율이 최대화됨을 의미한다.
도 2b는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 부하선을 도시하고 있다. 상기 도 2b에서, 가로축인 Vds는 출력 전압, 세로축인 Ids는 출력 전류를 의미한다. 또한, Ropt는 전력 증폭기가 최대 전력을 출력할 시의 출력 임피던스를 의미한다.
상기 도 2b에 도시된 바와 같이, 일반적인 도허티 증폭기의 경우 온 저항(Ron)이 0이 아니므로, 니(knee) 전압(Vk)이 존재한다. 상기 도 2b에 도시된 일반적인 도허티 증폭기의 최대 전력 출력 시 부하선(204)을 살펴보면, 출력 임피던스, 출력 전력 및 효율은 하기 <수학식 5>와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
상기 <수학식 5>에서, 상기 Ropt는 출력 정합 임피던스, 상기 V1은 기본파 전압 성분, 상기 Vdc는 직류 전압 성분, 상기 Vk는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 니(knee) 전압, 상기 θ는 증폭기의 컨덕션 앵글, 상기 I1(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 P1 , Ropt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 출력 전력, 상기 ηRopt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 효율, 상기 Pdc는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 전력 증폭기에 인가되는 직류 전력, 상기 Idc(θ)는 상기 컨덕션 앵글에 따른 직류 전류 성분을 의미한다.
이상적인 도허티 증폭기의 경우와 달리, 일반적인 도허티 증폭기는 니(knee) 전압(Vk)의 영향을 받으므로, 출력 임피던스, 출력 전력 및 효율이 달라진다.
캐리어 증폭기의 출력 임피던스가 2Ropt인 때, 출력 전류 Ids의 최대값은 하기 <수학식 6>과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00006
상기 <수학식 6>에서, 상기 RCase1은 니(knee) 전압(Vk)가 존재할 때, 2Ropt 임피던스, 상기 V1은 기본파 전압 성분, 상기 Vdc는 직류 전압 성분, 상기 V'k는 출력 정합 임피던스가 2Ropt인 경우의 니(knee) 전압, 상기 θ는 증폭기의 컨덕션 앵글, 상기 I'1(θ)는 출력 정합 임피던스가 RCase1일 때, 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 I1(θ)는 출력 정합 임피던스가 Ropt이고 니(knee) 전압이 존재할 때, 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 i'max는 출력 정합 임피던스가 2Ropt인 경우의 최대 전류, 상기 Imax는 증폭기의 최대 출력 전류, 상기 Ron은 온 저항을 의미한다.
상기 도 2b에 도시된 부하선(202)을 살펴보면, 이상적인 도허티 증폭기의 경우 2Ropt로 동작할 때 출력 전류의 최대값은
Figure pat00007
이지만, 일반적인 도허티 증폭기의 경우 니(knee) 전압(Vk)으로 인해 출력 전류의 최대값은 상기
Figure pat00008
보다 더 크다. 또한, 일반적인 도허티 증폭기의 경우 Ropt에서 2Ropt가 됨에 따라 전압의 크기도 커진다.
도 2c는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스가 Ropt인 경우, 2Ropt인 경우, 2Ropt보다 큰 경우에 대한 온 저항(Ron)에 따른 부하 임피던스를 도시하고 있다.
도 2d는 일반적인 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 출력 임피던스가 Ropt인 경우, 2Ropt인 경우, 2Ropt보다 큰 경우에 대한 온 저항(Ron)에 따른 출력 전력을 도시하고 있다. 상기 도 2d를 참고하면, 2Ropt의 경우, 출력 전력이 최대 출력에 비해 3dB 보다 작게 백오프된다. 이는 낮은 전력 영역, 특히, 6dB 백오프 된 영역에서 효율이 최적화될 수 없음을 의미한다.
본 발명은 3dB 백오프 된 영역 및 낮은 출력 전력 영역에서의 효율을 최대화하기 위해, 피킹 증폭기 미동작 시의 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 2Ropt보다 크게 되도록 한다. 즉, 본 발명은 피킹 증폭기 미동작 시 최대 출력 전력 대비 3dB의 백오프가 일어나도록 캐리어 증폭기의 출력 임피던스를 설정한다. 이때, 동작할 수 있는 전류의 최대 크기는 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
상기 <수학식 7>에서, 상기 RCase2은 니(knee) 전압(Vk)가 존재할 때, 최대 출력 전력에 비해 절반의 전력이 출력 될 수 있도록 하는 출력 정합 임피던스, 상기 I"1(α)는 출력 정합 임피던스가 RCase2 일 때, 상기 컨덕션 앵글에 따른 기본파 전류 성분, 상기 Vdc는 직류 전압 성분, 상기 V"k는 출력 정합 임피던스가 2Ropt보다 큰 경우의 니(knee) 전압, 상기 P1 , Ropt는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 출력 전력, 상기 I1(α)는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 기본파 전류 성분, 상기 Vk는 출력 정합 임피던스가 Ropt인 경우의 니(knee) 전압, 상기 i"max는 출력 정합 임피던스가 2Ropt보다 큰 경우의 최대 전류, 상기 Ron은 온 저항, 상기 Imax는 증폭기의 최대 출력 전류를 의미한다.
상기 <수학식 7>을 및 도 2b의 부하선(208)을 참고하면, 니(knee) 전압(Vk)의 존재로 인해, 출력 전력이 최대 출력 전력의 3dB 백오프가 되기 위해서는 전류의 최대 크기가 더 작아져야 한다. 또한, 상기 도 2c 및 도 2d를 참고하면, 니(knee) 전압(Vk)으로 인해, 출력 전력을 최대 출력 전력의 3dB 백오프 시키기 위해서는 출력 임피던스가 2배 이상이 되어야 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2-경로(3-way) 방식의 도허티 증폭기의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 전력분배기(300), 전송라인(302), 캐리어증폭기(304), 피킹증폭기(306), 오프셋라인들(308 및 310), 제1쿼터웨이브전송라인(312), 제2쿼터웨이브전송라인(314)을 포함하여 구성된다.
상기 전력분배기(300)는 상기 도허티 증폭기로 입력되는 신호를 2개의 전력 신호들로 분리하고, 상기 2개의 전력 신호들을 상기 피킹증폭기(306) 및 상기 캐리어증폭기(304)로 제공한다. 상기 전송라인(302)는 상기 캐리어증폭기(304)로 제공되는 신호 및 상기 피킹증폭기(306)로 제공되는 신호 간 위상 동기를 일치시킨다.
상기 피킹증폭기(306) 및 상기 캐리어증폭기(304)는 상기 전력분배기(300)로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭한다. 이때, 상기 피킹증폭기(306) 및 상기 캐리어증폭기(304) 각각을 동작하게 하는 입력 신호의 전력 범위가 상이하다. 즉, 상기 피킹증폭기(306)가 동작을 시작하는 입력 신호의 전력은 상기 캐리어증폭기(304)가 동작을 시작하는 입력 신호의 전력보다 크다. 따라서, 상기 캐리어증폭기(304)가 동작하더라도, 상기 피킹증폭기(306)는 동작하지 아니하는 전력 범위가 존재한다. 예를 들어, 상기 피킹증폭기(306) 및 상기 캐리어증폭기(304)는 DC(Direct Current) 바이어스를 사용하는 전력 증폭기로서, 상기 캐리어증폭기(304)가 상기 피킹증폭기(306)에 비하여 높은 DC 바이어스를 사용한다. 따라서, 상기 피킹증폭기(306)는 상기 캐리어증폭기(304)에 비하여 높은 전력을 갖는 입력 신호가 인가될 때 동작한다. 즉, 상기 피킹증폭기(306)의 동작에 대한 임계치 이하의 전력을 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 캐리어증폭기(304)만이 동작하며, 이 경우, 상기 피킹증폭기(306)는 오픈(open) 회로와 같은 상태이다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 캐리어증폭기(304) 및 상기 피킹증폭기(306)가 동일한 값의 특성 임피던스(예 : 50Ω) 하에서 동일한 출력 값을 가짐으로써 증폭기들(304 및 206) 모두가 최대 출력에 도달하도록, 상기 캐리어증폭기(304) 및 상기 피킹증폭기(306)의 입/출력 정합 회로는 동일하게 구현될 수 있다. 또는, 상기 캐리어증폭기(304)의 출력 임피던스가 상기 피킹증폭기(306)의 출력 임피던스보다 더 크도록 구현될 수 있다.
상기 오프셋라인들(308 및 310)은 상기 피킹증폭기(306) 미동작 시 부하 변조가 수행되도록 한다. 예를 들어, 상기 캐리어증폭기(304)의 후단에 연결된 오프셋라인(308)은 부하 변조가 실수 성분뿐만 아니라 허수 성분에 대해서도 발생하게하며, 상기 피킹증폭기(306)의 후단에 연결된 오프셋라인(310)은 상기 피킹증폭기(306)가 동작하지 않을 때 출력 임피던스를 큰 값이 되도록 함으로써 상기 캐리어증폭기(304)의 출력 전력 누설을 막고, 정확한 부하 변조가 일어나게 한다.
상기 제1쿼터웨이브전송라인(312) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)는 상기 피킹 증폭기의 동작 여부에 따라 부하 임피던스를 변화시키는 도허티 동작을 위한 구성이다. 설명의 편의를 위해, 본 발명은 상기 제1쿼터웨이브전송라인(312) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)의 조합을 '도허티 회로'라 칭한다. 상기 도허티 회로는 상기 피킹증폭기(306) 및 상기 캐리어증폭기(304)의 부하 임피던스를 형성한다. 상기 제1쿼터웨이브전송라인(312) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 제1쿼터웨이브전송라인(312)은 상기 오프셋라인들(308 및 210) 사이에 위치하며, 임피던스 인버터(impedance inverter) 역할을 수행한다. 즉, 상기 제1쿼터웨이브전송라인(312)은 부하 임피던스 출력을 역으로 변화시킨다. 예를 들어, 상기 제1쿼터웨이브전송라인(312)은 부하 임피던스 출력 R0/M을 MR0으로 변화시킨다. 여기서, 상기 M은 양의 정수이다.
상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)은 출력단 및 상기 오프셋라인(310) 사이에 위치한다. 종래의 도허티 증폭기에 따르면, 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)의 특성 임피던스(RT)는 상기 피킹증폭기(306) 미동작 시의 상기 캐리어 증폭기(304)의 부하 임피던스가 상기 피킹증폭기(306) 동작 시 상기 캐리어 증폭기(304)의 부하 임피던스의 2배가 되도록 설계된다. 예를 들어, 종래의 도허티 증폭기에 따르면,상기 도허티 증폭기의 출력 부하 저항(R0)이 50Ω인 경우, 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)의 특성 임피던스(RT)는
Figure pat00010
Ω이다. 이에 따라, 상기 피킹증폭기(306) 미동작 시, 상기 캐리어증폭기(304)의 출력 임피던스는 100Ω이 되고, 따라서, 백오프된 영역에서 고효율 특성을 얻을 수 있다. 반면, 상기 캐리어증폭기(304) 및 상기 피킹증폭기(306)가 모두 동작하는 때, 상기 캐리어증폭기(304)의 출력 임피던스는 100Ω에서 50Ω으로, 상기 피킹증폭기(306)의 출력 임피던스는 ∞에서 50Ω으로 부하 변조된다. 하지만, 본 발명은 상기 캐리어증폭기(304)의 정합 임피던스를 보다 크게 설정함으로써, 상기 피킹증폭기(306) 미동작 시 상기 캐리어증폭기(304)가 백오프 된 영역에서 충분한 포화 동작을 수행하도록 한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따르는 도허티 증폭기에 구비된 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314)의 특성 임피던스(RT)는
Figure pat00011
Ω보다 작은 값으로 설계된다. 이를 통해, 상기 피킹증폭기(306)가 동작하지 않는 낮은 전력 영역에서 상기 캐리어증폭기(304)는 100Ω 보다 큰 출력 임피던스를 갖으며, 이로써 백오프 된 영역에서의 효율이 증가된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기는 상기 제2쿼터웨이브전송라인(314), 이와 동일한 목적의 전송 라인 또는 집중 소자(lumped element), 또는, 둘 이상 결합 등을 통해 낮은 전력 영역에서 종래의 도허티 증폭기보다 더 큰 상기 캐리어증폭기(304)의 출력 임피던스를 가지도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 N-경로 방식의 도허티 증폭기의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 N-경로전력분배기(400), 전송라인들(402), 캐리어증폭기(404), N-1개의 피킹증폭기들(406), 오프셋라인들(408), 제1쿼터웨이브전송라인(410), 제2쿼터웨이브전송라인(412)을 포함하여 구성된다.
상기 N-경로전력분배기(400)는 상기 도허티 증폭기로 입력되는 신호를 N개의 전력 신호들로 분리하고, 상기 N개의 전력 신호들을 상기 피킹증폭기들(406) 및 상기 캐리어증폭기(404)로 제공한다. 상기 전송라인들(402)은 상기 캐리어증폭기(404)로 제공되는 신호 및 상기 피킹증폭기들(406)로 제공되는 신호 간 위상 동기를 일치시킨다.
상기 캐리어증폭기(404) 및 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)은 상기 N-경로전력분배기(400)로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭한다. 이때, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406) 및 상기 캐리어증폭기(404) 각각을 동작하게 하는 입력 신호의 전력 범위가 상이하다. 즉, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)이 동작을 시작하는 입력 신호의 전력은 상기 캐리어증폭기(404)가 동작을 시작하는 입력 신호의 전력보다 크다. 따라서, 상기 캐리어증폭기(404)가 동작하더라도, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)은 동작하지 아니하는 전력 범위가 존재한다. 예를 들어, 상기 캐리어증폭기(404) 및 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)은 DC(Direct Current) 바이어스를 사용하는 전력 증폭기로서, 상기 캐리어증폭기(404)가 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)에 비하여 높은 DC 바이어스를 사용한다. 따라서, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)은 상기 캐리어증폭기(404)에 비하여 높은 전력을 갖는 입력 신호가 인가될 때 동작한다. 즉, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)의 동작에 대한 임계치 이하의 전력을 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 캐리어증폭기(404)만이 동작하며, 이 경우, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)는 오픈 회로와 같은 상태이다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 캐리어증폭기(404) 및 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)이 동일한 값의 특성 임피던스(예 : 50Ω) 하에서 동일한 출력 값을 가짐으로써 증폭기들(404 및 306) 모두가 최대 출력에 도달하도록, 상기 캐리어증폭기(404) 및 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)의 입/출력 정합 회로는 동일하게 구현될 수 있다. 또는, 상기 캐리어증폭기(404)의 출력 임피던스가 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)의 출력 임피던스보다 더 크도록 구현될 수 있다.
상기 오프셋라인들(408)은 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)이 동작하지 않을 때 부하 임피던스 출력을 크게 하여 적절한 부하 변조가 수행되도록 한다. 예를 들어, 상기 캐리어증폭기(404)의 후단에 연결된 오프셋라인은 부하 변조가 실수 성분뿐만 아니라 허수 성분에 대해서도 발생하게하며, 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)의 후단에 연결된 오프셋라인은 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406)가 동작하지 않을 때 출력 임피던스를 큰 값이 되도록 함으로써 상기 캐리어증폭기(404)의 출력 전력 누설을 막고, 정확한 부하 변조가 일어나게 한다.
상기 제1쿼터웨이브전송라인(412) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인(414)는 상기 피킹 증폭기의 동작 여부에 따라 부하 임피던스를 변화시키는 도허티 동작을 위한 도허티 회로이다. 상기 도허티 회로는 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406) 및 상기 캐리어증폭기(404)의 부하 임피던스를 형성한다. 상기 제1쿼터웨이브전송라인(412) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인(414)에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 제1쿼터웨이브전송라인들(412) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)은 상기 N-1개의 피킹증폭기들(406) 및 상기 캐리어증폭기(404)의 부하 임피던스를 형성한다. 상기 제1쿼터웨이브전송라인들(412) 및 상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 제1쿼터웨이브전송라인들(412)은 상기 오프셋라인들(408) 사이에 위치하며, 임피던스 인버터 역할을 수행한다. 즉, 상기 제1쿼터웨이브전송라인들(412)은 부하 임피던스 출력을 역으로 변화시킨다. 예를 들어, 상기 제1쿼터웨이브전송라인들(412)은 부하 임피던스 출력 R0/M을 MR0으로 변화시킨다. 여기서, 상기 M은 양의 정수이다.
상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)은 출력단 및 상기 오프셋라인(410) 사이에 위치한다. 종래의 도허티 증폭기에 따르면, 상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)의 특성 임피던스(RT)는 상기 피킹증폭기들(406) 미동작 시의 상기 캐리어 증폭기(404)의 부하 임피던스가 상기 피킹증폭기들(406) 동작 시 상기 캐리어 증폭기(404)의 부하 임피던스의 N배가 되도록 설계된다. 예를 들어, 종래의 도허티 증폭기에 따르면, 상기 도허티 증폭기의 출력 부하 저항이 50Ω인 경우, 상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)의 특성 임피던스(RT)는
Figure pat00012
Ω이다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따르는 도허티 증폭기에 구비된 상기 제2쿼터웨이브전송라인들(414)의 특성 임피던스(RT)는
Figure pat00013
Ω보다 작은 값으로 설계된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기의 등가 회로를 도시하고 있다.
상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 등가 회로는 캐리어전류원(500), 피킹전류원(502), 제1쿼터웨이브전송라인(504), 제2쿼터웨이브전송라인을 통해 변환된 도허티 증폭기의 부하 임피던스(506)를 포함한다.
종래의 도허티 증폭기의 경우, 부하 임피던스(506) ZL/δ는 ZT/2(ZL=ZT/2, δ=1)이다. 이 경우, 상기 피킹전류원(502)이 동작하지 않을 때, 상기 캐리어전류원(500)의 출력 임피던스는 2ZT가 된다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기 경우, δ은 1보다 작으므로, 상기 피킹전류원(502) 미동작 시, 상기 캐리어 전류원(500)의 출력 임피던스는 2ZT보다 큰 값을 가지게 되고, 이로써 낮은 전력 영역에서의 효율이 최대화된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2-경로 방식의 도허티 증폭기의 회로 구성을 도시하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 전력분배기(600), 캐리어 증폭기 및 피킹 전력 증폭기의 물성 소자(602)를 포함하여 구현된다. 여기서, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기는 동일한 크기의 트랜지스터를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 도허티 증폭기는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기의 위상 동기 일치를 위한 전송라인(604), 상기 캐리어 증폭기를 위한 입력 정합 회로(606), 상기 피킹 증폭기를 위한 입력 정합 회로(608), 상기 캐리어 증폭기를 위한 출력 정합 회로(610), 상기 피킹 증폭기를 위한 출력 정합 회로(612), 오프셋라인들(614), 제1쿼터웨이브전송라인(616), 제2쿼터웨이브전송라인(618)을 포함하여 구현된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2-경로 방식의 도허티 증폭기의 회로 구성을 도시하고 있다. 상기 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 도허티 증폭기는 전력분배기(700), 캐리어 증폭기 및 피킹 전력 증폭기의 물성 소자(702)를 포함하여 구현된다. 여기서, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기는 동일한 크기의 트랜지스터를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 도허티 증폭기는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기의 위상 동기 일치를 위한 전송라인(704), 상기 캐리어 증폭기를 위한 입력 정합 회로(706), 상기 피킹 증폭기를 위한 입력 정합 회로(708), 상기 캐리어 증폭기를 위한 출력 정합 회로(710), 상기 피킹 증폭기를 위한 출력 정합 회로(712), 오프셋라인들(714), 제1쿼터웨이브전송라인(716), 임의의 길이의 전송라인(717) 및 상기 전송라인(717)과 병렬로 연결된 축전지(720)를 포함하여 구현된다.
도 8은 도허티 증폭기에서 캐리어 증폭기의 효율 특성을 도시하고 있다. 상기 도 8을 참고하면, 2배의 부하 임피던스에 대해서는 3dB 백오프 된 영역에서 캐리어 증폭기가 충분히 포화 동작을 하지 않아 최대 효율이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 온 저항을 고려하여 2.6배의 부하 임피던스를 이용하여 설계하였을 경우, 약 3dB 백오프 된 영역에서 충분한 포화 동작을 통해 최대 효율이 발생하며, 큰 부하 임피던스로 인해 낮은 전력 영역 전반에 대해서 고효율의 특성이 나타난다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기와 종래의 도허티 증폭기의 CW 신호에 대한 효율 특성을 도시하고 있다. 상기 도 9를 참고하면, 본 발명의 도허티 증폭기가 낮은 전력 영역에 대해서 종래의 도허티 증폭기에 비해 고효율 특성이 나타난다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 도허티 증폭기와 종래의 도허티 증폭기의 WiMAX 신호에 대한 효율 특성을 도시하고 있다. 상기 도 10을 참고하면, 본 발명의 도허티 증폭기가 낮은 전력 영역에 대해서 종래의 도허티 증폭기에 비해 고효율 특성이 나타난다. 더욱이, 모든 전력 영역에 대해서 약 4% 정도의 효율 증가가 확인된다.
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.

Claims (8)

  1. 도허티 증폭기 장치에 있어서,
    캐리어 증폭기 및 적어도 하나의 피킹 증폭기로 전력 신호를 제공하는 전력 분배기와,
    상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 캐리어 증폭기와,
    상기 전력 분배기로부터 입력되는 신호의 전력을 증폭하는 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기와,
    상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 부하 임피던스를 조절하는 오프셋 라인들과,
    상기 적어도 하나의 피킹 증폭기 미동작 시, 상기 캐리어 증폭기의 최대 출력 전력 시의 부하 임피던스의 2배보다 큰 상기 캐리어 증폭기의 부하 임피던스를 생성하는 도허티 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기의 출력 경로들이 만나는 노드에서의 임피던스는 R0/N보다 작은 것을 특징으로 하는 장치,
    여기서, 상기 R0는 도허티 증폭기의 출력 부하 저항, 상기 N은 상기 캐리어 증폭기의 개수 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기의 개수의 합을 의미함.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도허티 회로는, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기의 출력 경로들이 만나는 노드에 연결되는 쿼터 웨이브 전송 라인(λ/4 tranmission line)을 포함하며,
    상기 쿼터 웨이브 전송 라인의 특성 임피던스는
    Figure pat00014
    보다 작은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 도허티 회로는, 임피던스 인버터(impedance inverter) 역할을 수행하는 쿼터 웨이브 전송 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도허티 회로는, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기의 출력 경로들이 만나는 노드에 연결되는 마이크로스트립 선로(microstrip line) 또는 집중 소자(lumped component)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기 및 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기는, 동일한 크기의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기의 입력 정합 및 출력 정합을 위한 정합 회로들과,
    상기 적어도 하나의 피킹 증폭기의 입력 정합 및 출력 정합을 위한 정합 회로들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 증폭기에 인가되는 DC 바이어스가 상기 적어도 하나의 피킹 증폭기에 인가되는 DC 바이어스 보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
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