KR20120007426A - 부하 임피던스를 선택 가능한 전력 증폭기 및 부하 임피던스를 선택하여 신호를 증폭하는 방법 - Google Patents

부하 임피던스를 선택 가능한 전력 증폭기 및 부하 임피던스를 선택하여 신호를 증폭하는 방법 Download PDF

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KR20120007426A
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Abstract

본 발명은, 공급 전압 단자, 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 공급 전압 단자에서 공급 전압을 받고, 입력 포트를 통하여 입력 신호를 수신하여, 수신된 입력 신호를 증폭하고 출력 포트를 통하여 증폭된 출력 신호를 출력하도록 구성된 전력 증폭기와, 전력 증폭기의 출력 포트에 연결되는 입력 단자와 부하에 연결되는 출력 단자를 포함하는 가변 임피던스 정합 회로와, 공급 전압을 측정하는 전압 측정기를 포함하여, 측정된 공급 전압과 역치 전압을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 가변 임피던스 정합 회로를 제어하여 전력 증폭기의 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 제어기를 포함하는 장치를 제공한다.

Description

부하 임피던스를 선택 가능한 전력 증폭기 및 부하 임피던스를 선택하여 신호를 증폭하는 방법 {POWER AMPLIFIER WITH SELECTABLE LOAD IMPEDANCE AND METHOD OF AMPLIFYING A SIGNAL WITH SELECTABLE LOAD IMPEDANCE}
본 발명은 신호를 증폭하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신호를 증폭하는 전력 증폭기에 공급되는 전압의 크기에 따라 전력 증폭기의 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스의 크기를 조정하여 전력 증폭기의 효율과 선형성을 조절하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
핸드폰과 같은 휴대용 전자 기기는 그 크기가 중요한 디자인 요소인 만큼, 전력을 공급하기 위해 그 안에 설치된 배터리의 용량(capacity) 또는 크기 또한 중요한 디자인 요소이다. 따라서, 휴대용 전자 기기 내의 부품들의 전력 소모는 전력 효율 면에서의 설계 제한을 받는다. 스마트폰과 같이, 많은 수의 부품을 사용하여 매우 다양한 특징 및 기능을 제공하는 복잡한 휴대용 전자 기기의 경우에는, 높은 전력 효율을 요구하는 제한 사항이 심지어 더욱 엄격해지는 것이 보통이다. 특히, 휴대용 전자 기기 내의 전력 소모량이 큰 부품 중에서도 전력 증폭기의 전력 효율을 제어하는 것이 중요한데, 이는 휴대용 전자 기기가 켜져 있고 통신 기능이 작동할 수 있는 동안 전력 증폭기도 줄곧 동작하기 때문이다.
전력 증폭기의 설계에는 그 전력 효율뿐만이 아니라 선형성도 또 하나의 중요한 요소이다. 예를 들어, 전력 증폭기에 의해 발생하는 고조파 왜곡의 크기는, 전력 증폭기에 있어 중요한 파라미터인 선형성에 달려 있다. HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution) 등과 같은 복잡한 방식을 사용하는 통신 시스템은 높은 선형성을 요구하고, 그 엄격한 선형성 요건을 해결하기 위해서, 예를 들어, 더 큰 백오프(back-off)를 구현하기도 한다.
그러나, 전력 증폭기 설계에 있어, 높은 선형성 요건과 높은 전력 효율 요건 모두를 만족하는 것은 상당히 어려운 일이다. 즉, 전력 증폭기의 선형성을 높이면 전력 효율이 낮아지고, 반대로 전력 효율을 높이면 선형성이 낮아지는 경향이 있다. 예를 들어, 비교적 좋은 선형성을 가지는 Class A의 전력 증폭기는 상대적으로 전력 효율이 떨어진다. 비교적 좋은 전력 효율을 가지는 Class B의 전력 증폭기는 반대로 선형성이 떨어진다. 이로 인해, 회로 설계자들은 전력 증폭기가 특정 수준을 만족하는 선형성과 전력 효율을 각각 가지는 선에서 절충하는 것에 그쳐야 했다.
본 발명은, 선형성 요건과 전력 효율 요건 모두를 해결할 수 있는 신호 증폭 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공급 전압 단자, 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 상기 공급 전압 단자에서 공급 전압을 받고, 상기 입력 포트를 통하여 입력 신호를 수신하여, 상기 수신된 입력 신호를 증폭하고 상기 출력 포트를 통하여 증폭된 출력 신호를 출력하도록 구성된 전력 증폭기와, 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에 연결되는 입력 단자와, 부하에 연결되는 출력 단자를 포함하는 가변 임피던스 정합 회로, 및 상기 공급 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정기를 포함하여, 상기 측정된 공급 전압과 역치 전압을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 가변 임피던스 정합 회로를 제어하여 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 제어기를 포함하는 장치가 제공된다.
한편, 상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 부하 임피던스의 크기를, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 부하 임피던스의 크기보다 크게 하도록 상기 가변 임피던스 정합 회로를 제어할 수도 있다.
또한, 상기 가변 임피던스 정합 회로는, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과, 제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고 제 2 단은 스위치를 통해서 그라운드에 연결되는 제 1 캐패시터와, 제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고 제 2 단은 그라운드에 연결되는 제 2 캐패시터를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때에는 상기 스위치를 열고, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때에는 상기 스위치를 닫도록 제어할 수도 있다.
또는, 상기 가변 임피던스 정합 회로는, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과, 제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고 제 2 단은 그라운드에 연결되는 제 1 캐패시터와, 제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고 제 2 단은 스위치를 통해서 그라운드에 연결되는 제 2 캐패시터를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때에는 상기 스위치를 열고, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때에는 상기 스위치를 닫도록 제어할 수도 있다.
또는, 상기 가변 임피던스 정합 회로는, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과, 제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고, 제 2 단은 그라운드에 연결되는 바랙터 다이오드와, 제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고, 제 2 단은 그라운드에 연결되는 캐패시터를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 바랙터 다이오드의 캐패시턴스가 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 캐패시턴스보다 작게 조정되도록 상기 바랙터 다이오드를 조절할 수도 있다.
한편, 상기 제어기는 상기 전력 증폭기의 온도를 측정하고 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하도록 구성된 온도 측정기를 또한 포함할 수도 있다.
또한, 상기 공급 전압을 상기 전력 증폭기에 공급하는 배터리를 또한 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 전력 증폭기의 입력 포트에 신호를 제공하는 단계, 상기 전력 증폭기에 공급 전압을 제공하는 단계, 상기 전력 증폭기로 상기 신호를 증폭하고, 증폭된 출력 신호를 상기 전력 증폭기의 출력 포트에서 출력하는 단계, 상기 공급 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 공급 전압과 역치 전압을 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는 신호를 증폭하는 방법이 제공된다.
한편, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 부하 임피던스가, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 부하 임피던스보다 크게 조정되게 할 수도 있다.
또한, 상기 전력 증폭기의 온도를 측정하는 단계와, 상기 온도 측정에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하는 단계를 또한 포함할 수도 있다.
또한, 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 상기 임피던스를 조정하는 단계는, 상기 전력 증폭기의 출력 포트에 연결된 임피던스 정합 회로 내의 바랙터 다이오드의 적용되는 전압을 조정하는 단계를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 상기 임피던스를 조정하는 단계는, 상기 전력 증폭기의 출력 포트에 연결된 임피던스 정합 회로 내의 캐패시터를 그라운드에 연결하거나 그라운드로부터의 연결을 끊는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 공급 전압 단자, 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 상기 공급 전압 단자에서 공급 전압을 받고, 상기 입력 포트를 통하여 입력 신호를 수신하여, 상기 수신된 입력 신호를 증폭하고 상기 출력 포트를 통하여 증폭된 출력 신호를 출력하도록 구성된 전력 증폭기, 및 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하도록 구성된 회로를 포함하고, 상기 공급 전압이 제 1 전압값을 가질 때, 상기 회로는 상기 부하 임피던스가 제 1 임피던스값을 가지도록 조정하고, 상기 공급 전압이 상기 제 1 전압보다 작은 제 2 전압값을 가질 때, 상기 회로는 상기 부하가 사기 제 1 임피던스값보다 작은 제 2 임피던스값을 가지도록 조정하는 장치가 제공된다.
한편, 상기 회로는, 상기 전력 증폭기에 연결되는 입력 단자와 부하에 연결되는 출력 단자를 가지는 가변 임피던스 정합 회로를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 가변 임피던스 정합 회로는 바랙터 다이오드를 포함하고, 상기 부하 임피던스는 상기 바랙터 다이오드에 적용되는 전압에 의해서 조정될 수도 있다.
한편, 상기 회로는 상기 전력 증폭기의 온도에 응하여 상기 부하 임피던스를 조정할 수도 있다.
또한, 상기 전력 증폭기에 상기 공급 전압을 공급하는 배터리를 또한 포함할 수도 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면등레 통합되어 있다.
본 발명에 따르면, 전력 증폭기에 공급되는 배터리의 출력 전압의 크기가 비교적 큰 구간에서는, 전력 증폭기의 선형성 초과분을 이용하고 희생하여 전력 증폭기의 전력 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 캐패시터와 스위치 같은 간단한 구성 요소로 전력 증폭기의 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정함으로써, 전력 증폭기의 선형성과 전력 효율을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전력 증폭기의 온도를 측정하고 그 측정된 온도를 고려하여 부하 임피던스의 크기를 조정함으로써, 온도가 다소 높아진 상황에서도 전력 증폭기의 정상 동작을 위한 최소한의 선형성 요건을 만족하면서 전력 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 배터리로부터 전력 증폭기에 공급되는 출력 전압의 시간에 따른 변화를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 일반적인 전력 증폭기의 예시적인 특성 곡선과 예시적인 로드 라인의 변화를 전류-전압 평면 위에 도시한다.
도 4a는 가변 임피던스 정합 회로의 첫 번째 예를 도시한다.
도 4b는 스위치의 제어에 따라 도 4a의 가변 임피던스 정합 회로에 의해 전력 증폭기에 제시되는 부하 임피던스의 크기가 변화하는 것을 스미스 차트 상에서 도시한다.
도 5a는 가변 임피던스 정합 회로의 두 번째 예를 도시한다.
도 5b는 스위치의 제어에 따라 도 5a의 가변 임피던스 정합 회로에 의해 전력 증폭기에 제시되는 부하 임피던스의 크기가 변화하는 것을 스미스 차트 상에서 도시한다.
도 6a는 가변 임피던스 정합 회로의 세 번째 예를 도시한다.
도 6b는 바랙터 다이오드의 제어에 따라 도 6a의 가변 임피던스 정합 회로에 의해 전력 증폭기에 제시되는 부하 임피던스의 크기가 변화하는 것을 스미스 차트 상에서 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 신호 증폭기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 8은 전력 증폭기의 온도와 그 전력 증폭기를 위한 가변 임피던스 정합 회로를 제어하기 위한 역치 전압 사이의 예시적인 관계를 도시한다.
이하의 상세한 설명에서, 본원의 가르침에 따른 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위하여, 상세한 구제적 사항을 개시하는 예시적인 실시예들이 제시되는데, 이는 설명을 위한 것이지 한정을 위한 것이 아니다. 그러나, 여기에 개시된 상세한 구체적 사항으로부터는 벗어나는 본원의 가르침에 따른 다른 실시예가 청구항의 범위 내에 속한다는 것은 당업자에게 자명하다. 또한, 예시적인 실시예들의 서술을 모호하게 하지 않기 위해서, 잘 알려진 장치와 방법에 대한 서술은 생략될 수도 있다. 그러한 장치와 방법은 본원의 가르침의 범위 내에서 명확하다.
별도로 서술하지 않는 한, 제1장치가 제2장치에 연결(connect)된다고 서술하는 것은, 하나 이상의 중개 장치가 제1장치와 제2장치를 서로 연결하기 위하여 사용되는 경우를 포함한다. 그러나, 제1장치가 제2장치에 직접 연결되어 있다고 서술하는 것은, 어떠한 중개 또는 개입 장치도 없이 제1장치와 제2장치가 서로 연결되는 경우만을 포함한다. 유사하게, 신호가 장치에 커플링(coupling) 된다고 서술하는 것은, 하나 이상의 중개 장치가 그 신호를 그 장치에 커플링 하기 위하여 사용되는 경우를 포함한다. 그러나, 신호가 장치에 직접 커플링 된다고 서술하는 것은, 어떠한 중개 또는 개입 장치도 없이 그 신호가 그 장치에 커플링 되는 경우만을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
배터리가 전력 증폭기를 포함하는 장치(예를 들어, 핸드폰)에 출력 전압을 공급하는 동안, 그 출력 전압은 동일하게 유지되지 않는다. 배터리에 이미 충전되어 있던 전기 에너지를 소모함에 따라, 출력 전압은 점점 작아진다. 한편, 출력 전압이 작아진 때에도 전력 증폭기의 정상 동작을 위한 최소한의 선형성 요건을 만족할 수 있도록 전력 증폭기가 설계되기 때문에, 반대로 출력 전압이 비교적 큰 때에는 상기 최소한의 선형성 요건을 초과하는 과도한 선형성을 달성하는 경향이 있다. 이러한 선형성의 초과 달성은 전력 효율 면에 있어서 바람직하지 않거나 불필요한 감소를 야기할 수 있다.
도 1은 재충전 사이에 시간에 따라 배터리 공급 전압, 즉, VSUPPLY의 크기가 어떻게 변화하는지를 도시한다. 배터리를 최대로 충전하였을 때, 공급 전압(VSUPPLY)의 최대 크기는 VMAX이다. 전력 증폭기를 포함하는 장치에 배터리가 공급 전압(VSUPPLY)을 공급함에 따라, 시간이 흐르면서 공급 전압(VSUPPLY)의 크기가 줄어든다. 전력 증폭기가 정상적으로 동작하는 것을 보장하기 위한 최소한의 선형성 요건을 여전히 만족하는 공급 전압(VSUPPLY)의 최소 크기는 VMIN이다. 공급 전압(VSUPPLY)의 크기가 VMIN보다 작은 상황에서는 전력 증폭기가 정상적으로 동작하리라고 기대하지 않거나 그럴 필요가 없기 때문에, 전력 증폭기의 동작이 중지되거나, 사용자에게 이 사실을 통지하도록 구성될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 전력 증폭기가 정상적으로 동작하는 것을 보장하기 위한 최소한의 선형성 요건을 만족하는 공급 전압(VSUPPLY)의 크기가 VMIN이기 때문에, 공급 전압(VSUPPLY)의 크기가 VMIN보다 큰 구간에서 전력 증폭기(100)는 상기 최소한의 선형성 요건을 넘는 선형성의 초과분을 얻는다. 또한, 공급 전압(VSUPPLY)이 클수록 전력 증폭기의 선형성의 초과분의 양이 크다. 선형성과 전력 효율 사이에는 트레이드 오프가 존재한다는 것을 생각한다면, 공급 전압(VSUPPLY)의 크기가 커서 선형성의 초과분이 클수록 전력 증폭기의 전력 효율이 낮아질 것이라고 예상할 수 있다. 전력 증폭기를 포함하는 장치에 있어서, 공급 전압(VSUPPLY)이 VMIN보다 상당히 큰 때의 선형성의 초과분을 줄임으로써 전력 증폭기의 전력 효율을 높이는 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭기(10)의 구성을 개략적으로 도시한다. 신호 증폭기(10)는 전력 증폭기(100), 배터리(200), 가변 임피던스 정합 회로(300) 및 제어기(400)를 포함한다. 전력 증폭기(100)는 입력 포트(102), 출력 포트(104) 및 공급 전압 단자(106)를 포함한다. 공급 전압(VSUPPLY)(또는 구동 전압)은 배터리(200)로부터 공급 전압 단자(106)에 공급된다. 전력 증폭기(100)는 입력 신호를 입력 포트(102)에서 수신하고, 이를 증폭하여 출력 포트(104)에서 출력 신호를 출력한다. 그 증폭된 신호는 가변 임피던스 정합 회로(300)를 통해, 예를 들어, 안테나와 같은 부하(도시되지 않음)에 전달된다. 제어기(400)는 공급 전압(VSUPPLY)을 측정하는 전압 측정기(410)를 포함하고, 그 측정된 공급 전압(VSUPPLY)에 기초하여 가변 임피던스 정합 회로(300)를 제어한다.
신호 증폭기(10)는, 예를 들어, 핸드폰과 같은 휴대용 전자 기기일 수 있고, 배터리(200)는 전력 증폭기(100)에 공급 전압(VSUPPLY)을 공급하기 위한 장치와 같은 재충전 가능한 전지일 수 있다. 제어기(400)에 의해 제어된 가변 임피던스 정합 회로(300)의 동작의 예에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다.
우선, VMAX와 VMIN 사이에 적절한 값을 역치 전압, 즉, VCRITICAL로서 선택한다. 그리고, 전압 측정기(410)가 공급 전압(VSUPPLY)을 측정하고, 측정된 공급 전압(VSUPPLY)에 기초하여 제어기(400)가 가변 임피던스 정합 회로(300)를 제어함으로써 전력 증폭기(100)의 출력 포트(104)에서의 부하 임피던스(ZO)의 크기를 조정한다. 상세한 실시예에서는, 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 역치 전압(VCRITICAL) 사이에 있는 동안의 부하 임피던스(ZO)의 크기를, 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 있는 동안의 부하 임피던스(ZO)의 크기보다 크게 조정한다. 부하 임피던스(ZO)의 조정에 따른 전력 증폭기(100)의 선형성과 전력 효율이 어떻게 변화하는지에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
도 3은 일반적인 전력 증폭기의 예시적인 특성 곡선(characteristic curve, C)과 예시적인 로드 라인들(load line, 직선 L1, L2)을 전류-전압 평면 위에 도시한 것이다. 전력 증폭기의 부하 임피던스를 크게 하면, 로드 라인은 L1에서 L2로 변경된다. 또한, 이와 같은 로드 라인의 변경에 따라서, 동작점(operating point)도 O1에서 O2로 변경되고, 전류 스윙과 전압 스윙도 작아진다. 그 결과로서, 부하로 전달되는 전력 증폭기의 출력 전력이 감소되고, 전력 증폭기의 선형성도 악화된다. 한편, 출력 전력이 감소되면서 전력 증폭기의 소모 전력도 감소되기 때문에, 전력 증폭기의 전력 효율은 향상된다. 요약하면, 전력 증폭기(100)의 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 높임으로써, 선형성은 악화되지만 전력 효율은 높아지는 트레이드 오프를 얻을 수 있다.
이러한 원리에 기초하여, 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 역치 전압(VCRITICAL) 사이에 있는 동안에는 제어기(400)가 가변 임피던스 정합 회로(300)를 제어하여 부하 임피던스(ZO)의 크기를 비교적 크게 조정하여, 전력 증폭기(100)의 선형성을 낮추는 대신에 그 전력 효율을 높인다. 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)보다 큰 때에는, 선형성의 초과분이 존재하기 때문에, 상기한 바와 같이 선형성이 다소 낮아지더라도 전력 증폭기(100)가 정상 동작하기 위해 필요한 최소한의 선형성 요건을 만족하는 데에는 문제가 없다. 반대로, 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 있는 동안에는 제어기(400)가 가변 임피던스 정합 회로(300)를 제어하여 부하 임피던스(ZO)의 크기를 비교적 작게 조정하여 선형성을 향상시키고, 공급 전압(VSUPPLY)가 역치 전압(VCRITICAL)보다 작더라도 전력 증폭기(100)가 정상 동작하기 위해 필요한 최소한의 선형성 요건을 만족하는 데에 문제가 없게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 배터리의 공급 전압(VSUPPLY)은 어느 정도의 시간 동안은 서서히 감소하다가, 나머지 시간 동안에는 갑자기 급격하게 감소하는 모습을 보인다. 또한, 서서히 감소하는 구간이 급격하게 감소하는 구간보다 훨씬 긴 것이 보통이다. 따라서, 공급 전압(VSUPPLY)이 서서히 감소하는 구간으로부터 급격하게 감소하는 구간으로 갑자기 변화하는 지점 부근에 역치 전압(VCRITICAL)을 정한다면, 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)보다 큰 구간, 즉, 공급 전압(VSUPPLY)이 방전되는 시간 중 대부분의 구간에서 전력 증폭기(100)의 전력 효율을 향상할 수 있다.
이하에서는, 제어기(400)에 의해 제어되어 부하 임피던스(ZO)의 크기를 조정하기 위한 가변 임피던스 정합 회로(300)의 예를 살펴 본다.
도 4a는 가변 임피던스 정합 회로(300)의 첫 번째 예를 도시하고 있다. 바깥으로는 전력 증폭기(100)의 출력 포트와 부하에 각각 연결되는 도 4a의 가변 임피던스 정합 회로의 입력 포트와 출력 포트는 마이크로스트립 라인(M, 예를 들어, 50Ω 마이크로스트립 라인)에 의해 서로 연결된다. 마이크로스트립 라인 상의 적절한 위치에 제 1 션트 캐패시터(C1)의 일단이 연결되고 다른 일단은 스위치(310)를 통해서 그라운드에 연결된다. 제 2 션트 캐패시터(C2)의 일단은 도 4a의 가변 임피던스 정합 회로의 출력 포트에, 다른 일단은 그라운드에 연결된다.
도 4b는 스위치(310)의 제어에 따른 부하 임피던스(ZO)의 크기 변화를 스미스 차트 상에서 도시한 것이다. 측정된 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 역치 전압(VCRITICAL) 사이에 위치하는 경우에는, 스위치(310)가 열리도록 제어기(400)가 제어함으로써, 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 곡선 궤적을 따라 ‘A’점에 위치한다. 반대로, 측정된 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 위치하는 경우에는, 스위치(310)가 닫히도록 제어기(400)가 제어함으로써, 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 다른 점선 곡선 궤적을 따라 ‘B’점에 위치한다. ‘A’점에서의 임피던스의 크기가 ‘B’점에서의 것보다 크기 때문에, 공급 전압(VSUPPLY)이 클 때의 전력 증폭기(100)의 선형성의 초과분을 줄여 전력 효율을 높였다고 이해할 수 있다.
도 5a는 가변 임피던스 정합 회로의 두 번째 예를 도시하고 있다. 바깥으로는 전력 증폭기(100)의 출력 포트와 부하에 각각 연결되는 도 5a의 가변 임피던스 정합 회로의 입력 포트와 출력 포트는 마이크로스트립 라인(M, 예를 들어, 50Ω 마이크로스트립 라인)에 의해 서로 연결된다. 마이크로스트립 라인 상의 적절한 위치에 제 1 션트 캐패시터(C3)의 일단이 연결되고 다른 일단은 그라운드에 연결된다. 제 2 션트 캐패시터(C4)의 일단은 가변 임피던스 정합 회로의 출력 포트에 연결되고 다른 일단은 스위치(320)를 통해서 그라운드에 연결된다.
도 5b는 스위치(320)의 제어에 따른 부하 임피던스(ZO)의 크기 변화를 스미스 차트 상에서 도시한 것이다. 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 역치 전압(VCRITICAL) 사이에 위치하는 경우에는, 스위치(320)가 열리도록 제어기(400)가 제어함으로써, 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 곡선 궤적을 따라 ‘A’점에 위치한다. 반대로, 공급전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 위치하는 경우에는, 스위치(320)가 닫히도록 제어기(400)가 제어함으로써, 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 다른 점선 곡선 궤적을 따라 ‘B’점에 위치한다. ‘A’점에서의 부하 임피던스(ZO)의 크기가 ‘B’점에서의 것보다 크기 때문에, 공급 전압(VSUPPLY)이 클 때의 전력 증폭기(100)의 선형성의 초과분을 줄여 전력 효율을 높였다고 이해할 수 있다.
도 6a는 가변 임피던스 정합 회로의 세 번째 예를 도시하고 있다. 바깥으로는 전력 증폭기(100)의 출력 포트와 부하에 각각 연결되는 도 6a의 가변 임피던스 정합 회로의 입력 포트와 출력 포트는 마이크로스트립 라인(M, 예를 들어, 50Ω 마이크로스트립 라인)에 의해 서로 연결된다. 마이크로스트립 라인 상의 적절한 위치에 바랙터 다이오드(330)의 일단이 연결되고 다른 일단은 그라운드에 연결된다. 캐패시터(C5)의 일단은 가변 임피던스 정합 회로의 출력 포트에 연결되고 다른 일단은 그라운드에 연결된다.
도 6b는 바랙터 다이오드(330)의 캐패시턴스의 조절에 따른 부하 임피던스(ZO)의 크기 변화를 스미스 차트 상에서 도시한 것이다. 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 역치 전압(VCRITICAL)사이에 위치하는 때의 바랙터 다이오드(330)의 캐패시턴스가 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 위치하는 때의 캐패시턴스보다 작도록 제어기(400)는 바랙터 다이오드(330)를 제어한다. 결과로서, 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)보다 클 때의 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 곡선 궤적을 따라 ‘A’점에 위치하고, 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)보다 작을 때의 부하 임피던스(ZO)는 스미스 차트 상의 다른 점선 곡선 궤적을 따라 ‘B’점에 위치하게 한다. ‘A’점에서의 부하 임피던스(ZO)의 크기가 ‘B’점에서의 것보다 크기 때문에, 공급 전압(VSUPPLY)이 클 때의 전력 증폭기(100)의 선형성의 초과분을 줄여 전력 효율을 높였다고 이해할 수 있다.
도 4a, 5a, 6a의 실시예들은 단지 가변 임피던스 정합 회로(300)의 예로서 제시된 것이고, 가변 임피던스 정합 회로(300)는 부하 임피던스(ZO)의 크기를 조절할 수 있는 다른 회로에 의해서도 구현될 수 있다.
또한, 가변 임피던스 정합 회로(300)가 바랙터 다이오드를 사용하는 신호 증폭기(10)(예를 들어, 도 6a)의 대체적인 실시예에서, 제어기(400)는, 공급 전압(VSUPPLY)을 역치 전압에 비교하는 대신에, 측정된 공급 전압(VSUPPLY)의 함수 관계로서 바랙터 다이오드에 적용되는 전압(결과적으로는 바랙터 다이오드의 캐패시턴스)을 조절할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서는 다양한 공급 전압(VSUPPLY)의 측정값을 가변 임피던스 정합 회로(300)의 바랙터 다이오드에 적용되는 제어 전압의 대응값에 매핑(mapping)하는 룩업 테이블(look-up table)을 제어기(400)가 포함하여, 공급 전압(VSUPPLY)의 모든 값에 대해서 바람직한 부하 임피던스를 전력 증폭기(100)의 출력 포트(104)에 제시하는 것도 가능하다. 또 하나의 실시예에서는 공급 전압(VSUPPLY)의 측정값에 대응하여 바랙터 다이오드에 적용될 제어 전압의 값을 산출하는 식(예를 들어, 다항식의 형태)을 프로세서가 포함하여, 가변 임피던스 정합 회로(300)을 제어하고 바람직한 부하 임피던스를 전력증폭기(100)의 출력 포트(104)에 제시하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 신호 증폭기(20)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 7에 도시된 구성 요소 중 도 1의 것과 공통되는 것은 동일한 부재 번호를 사용하고, 그 상세한 설명을 생략한다.
신호 증폭기(20)는 전력 증폭기(100)의 온도를 측정하고, 측정된 온도에 기초하여 역치 전압(VCRITICAL)을 조정한다. 실제 전력 증폭기의 전력 효율은 100%가 아니기 때문에, 전력 증폭기가 필연적으로 가열되고, 결과적으로 그 열 때문에 그 전력 증폭기의 선형성은 악화된다. 공급 전압(VSUPPLY)이 역치 전압(VCRITICAL)보다 큰 때에도, 높은 온도에서의 선형성 악화로 인해 아마 낮은 온도에서는 선형성의 초과분이었을 것이 줄어들거나 심지어 아예 없어질 수도 있다. 따라서, 높은 온도에서는 선형성의 초과분이 줄어든다는 점을 보상하기 위하여, 전력 증폭기(100)의 온도가 높아질 때는 역치 전압(VCRITICAL)을 크게 할 수 있다. 결론적으로, 신호 증폭기(20)의 실시예에서는, 크게 한 역치 전압(VCRITICAL)보다 공급 전압(VSUPPLY)이 커서 선형성의 초과분이 충분히 큰 때에만 전력 증폭기(100)의 선형성과 전력 효율을 교환할 수 있다.
신호 증폭기(10)와 비교할 때, 신호 증폭기(20)의 제어기(700)는 온도 측정기(420)를 더욱 포함한다. 온도 측정기(420)는 전력 증폭기(100)의 온도를 측정한다. 제어기(700)는 측정된 온도에 기초하여 역치 전압(VCRITICAL)을 조정하고, 공급 전압(VSUPPLY)이 VMAX와 조정된 역치 전압(VCRITICAL) 사이에 있는 동안의 부하 임피던스(ZO)를, 공급 전압(VSUPPLY)이 조정된 역치 전압(VCRITICAL)과 VMIN 사이에 있는 동안의 부하 임피던스(ZO)보다 크게 조절한다. 역치 전압(VCRITICAL)을 조정함에 있어서, 반드시 정비례까지는 아니더라도, 전력 증폭기(100)의 온도에 역치 전압(VCRITICAL)이 비례하는 것이 바람직하다. 또한, 역치 전압(VCRITICAL)을 전력 증폭기(100)의 온도에 대한 함수 관계로 미리 설정해 두는 것도 가능하다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 역치 온도(TCRITICAL)를 미리 정해 두고, 전력 증폭기의 온도가 TCRITICAL보다 작은 구간에서는 역치 전압(VCRITICAL)을 조정하지 않고 일정한 값으로 유지하고, 반면, 온도가 TCRITICAL보다 큰 구간에서는 역치 전압(VCRITICAL)이 그 온도에 비례하는 크기를 갖도록 역치 전압(VCRITICAL)을 조정하는 것도 가능하다.
신호 증폭기(20) 내에서 온도 측정기(420)가 전압 측정기(410)와 별도로 구비되는 것처럼 묘사되었다. 그러나, 다른 실시예에서는 전압 측정기(410)와 함께 일체로서 형성되도록 구성하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 발명의 이해를 위하여 그 실시예를 기술하였으나, 당업자라면 알 수 있듯이, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형, 변경 및 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 사상 및 범주에 속하는 모든 변형 및 변경을 특허청구범위에 의하여 모두 포괄하고자 한다.
10: 신호 증폭기
100: 전력 증폭기
102: 입력 포트
104: 출력 포트
106: 공급 전압 단자
200: 배터리
300: 가변 입피던스 정합 회로
330: 바랙터 다이오드
400: 제어기
410: 전압 측정기
420: 온도 측정기
700: 제어기
M: 마이크로스트립 라인
C1, C3: 제 1 션트 캐패시터
C2, C4: 제 2 션트 캐패시터
C5: 캐패시터

Claims (19)

  1. 공급 전압 단자, 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 상기 공급 전압 단자에서 공급 전압을 받고, 상기 입력 포트를 통하여 입력 신호를 수신하여, 상기 수신된 입력 신호를 증폭하고 상기 출력 포트를 통하여 증폭된 출력 신호를 출력하는 전력 증폭기와,
    상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에 연결되는 입력 단자와, 부하에 연결되는 출력 단자를 포함하는 가변 임피던스 정합 회로와,
    상기 공급 전압을 측정하는 전압 측정기를 포함하고, 상기 측정된 공급 전압과 역치 전압을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 가변 임피던스 정합 회로를 제어하여 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 제어기를 포함하는
    신호 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 부하 임피던스의 크기를, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 부하 임피던스의 크기보다 크게 하도록 상기 가변 임피던스 정합 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 정합 회로는,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과,
    제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고 제 2 단은 스위치를 통해서 그라운드에 연결되는 제 1 캐패시터와,
    제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고 제 2 단은 그라운드에 연결되는 제 2 캐패시터를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때에는 상기 스위치를 열고, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때에는 상기 스위치를 닫도록 제어하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 정합 회로는,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과,
    제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고 제 2 단은 그라운드에 연결되는 제 1 캐패시터와,
    제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고 제 2 단은 스위치를 통해서 그라운드에 연결되는 제 2 캐패시터를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때에는 상기 스위치를 열고, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때에는 상기 스위치를 닫도록 제어하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 정합 회로는,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 연장하는 마이크로스트립 라인과,
    제 1 단은 상기 입력 단자와 상기 출력 단자의 사이에서 상기 마이크로스트립 라인에 연결되고, 제 2 단은 그라운드에 연결되는 바랙터 다이오드와,
    제 1 단은 상기 출력 단자에 연결되고, 제 2 단은 그라운드에 연결되는 캐패시터를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 바랙터 다이오드의 캐패시턴스가 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 캐패시턴스보다 작게 조정되도록 상기 바랙터 다이오드를 조절하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전력 증폭기의 온도를 측정하고 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하는 온도 측정기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전력 증폭기의 온도를 측정하고 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하는 온도 측정기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 전압을 상기 전력 증폭기에 공급하는 배터리를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  9. 전력 증폭기의 입력 포트에 신호를 제공하는 단계와,
    상기 전력 증폭기에 공급 전압을 제공하는 단계와,
    상기 전력 증폭기로 상기 신호를 증폭하고, 증폭된 출력 신호를 상기 전력 증폭기의 출력 포트에서 출력하는 단계와,
    상기 공급 전압을 측정하는 단계와,
    상기 측정된 공급 전압과 역치 전압을 비교하는 단계와,
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는
    신호 증폭 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 클 때의 상기 부하 임피던스가, 상기 측정된 공급 전압이 상기 역치 전압보다 작을 때의 상기 부하 임피던스보다 크게 조정되는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 온도 측정에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 온도에 기초하여 상기 역치 전압을 조정하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 상기 임피던스를 조정하는 단계는, 상기 전력 증폭기의 출력 포트에 연결된 임피던스 정합 회로 내의 바랙터 다이오드의 적용되는 전압을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 상기 임피던스를 조정하는 단계는, 상기 전력 증폭기의 출력 포트에 연결된 임피던스 정합 회로 내의 캐패시터를 그라운드에 연결하거나 그라운드로부터의 연결을 끊는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 방법.
  15. 공급 전압 단자, 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 상기 공급 전압 단자에서 공급 전압을 받고, 상기 입력 포트를 통하여 입력 신호를 수신하여, 상기 수신된 입력 신호를 증폭하고 상기 출력 포트를 통하여 증폭된 출력 신호를 출력하는 전력 증폭기와,
    상기 전력 증폭기의 상기 출력 포트에서 보이는 부하 임피던스를 조정하는 회로를 포함하고,
    상기 공급 전압이 제 1 전압값을 가질 때, 상기 회로는 상기 부하 임피던스가 제 1 임피던스값을 가지도록 조정하고, 상기 공급 전압이 상기 제 1 전압보다 작은 제 2 전압값을 가질 때, 상기 회로는 상기 부하가 상기 제 1 임피던스값보다 작은 제 2 임피던스값을 가지도록 조정하는
    신호 증폭 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 회로는, 상기 전력 증폭기에 연결되는 입력 단자와 부하에 연결되는 출력 단자를 가지는 가변 임피던스 정합 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 정합 회로는 바랙터 다이오드를 포함하고,
    상기 부하 임피던스는 상기 바랙터 다이오드에 적용되는 전압에 의해서 조정되는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.

  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 회로는 상기 전력 증폭기의 온도에 응하여 상기 부하 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기에 상기 공급 전압을 공급하는 배터리를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는
    신호 증폭 장치.
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