KR20130033392A - 트렌지스터 입력 부정합을 갖는 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

전력 증폭기는 제공되며 입력 모듈을 포함한다. 입력 모듈은 무선 주파수 신호(radio frequency signal)를 수신하도록 구성되고, 출력 신호를 생성한다. 각 임피던스 변환 모듈은 출력 신호를 가지며, 변압기에서 각각 하나의 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 각 스위치 모듈은 트랜지스터(transistor)를 포함하며, 하나의 임피던스 변환 모듈의 출력과 연결된다. 트랜지스터는 입력 임피던스를 가지며, 증폭된 신호를 출력한다. 각 출력 임피던스는 각 하나의 입력 임피던스에 일치하지 않는다.

Description

트렌지스터 입력 부정합을 갖는 전력 증폭기{POWER AMPLIFIER WITH TRANSISTOR INPUT MISMATCHING}
본 발명은 무선 주파수(RF, radio frequency) 전력 증폭기의 안정성 및 RF 전력 증폭기의 구조에 관련된 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 8월 31일에 출원된, 미국 특허 번호 13/222,202 및 2010년 9월 9일에 출원된, 미국 가출원 번호 61/381,284의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 전체 공개내용이 여기에서 참조로 통합된다.
본 섹션은 본 발명과 관현한 배경 기술을 제공한다. 본 섹션은 반드시 종래 기술이 아니다.
여러 산업은 전압 정재파비(VSWR, voltage standing wave ratio) 부하를 구동하는 신호를 증폭시키기 위해 RF 전력 증폭기(RF power amplifiers)를 사용한다. 비 제한 예로서, RF 발생기(RF generator)는 다중 RF 전력 증폭기를 포함할 수 있다. RF 전력 증폭기는 플라즈마 챔버(plasma chamber)와 같은, 부하를 구동하는데 사용될 수 있다. RF 전력 증폭기로부터 복합 전력은 직접 회로(integrated circuit), 태양전지판(solar panels), 컴팩트 디스크(CDs, compact disks), 디지털 다기능(또는 비디오) 디스크(DVDs, digital versatile disc), 등 다양한 구성요소를 제조하도록 플라즈마 챔버(plasma chamber)를 구동한다.
전력 증폭기는 안정성 작동 조건을 충족해야 한다. 안정성 조건은 의사 주파수의 도입 없이 기본 주파수 출력 신호 제공을 포함할 수 있다. 기본 주파수는 전력 증폭기 및 또는 전력 증폭기의 작동 주파수에 의해 수신된 입력 신호의 주파수를 나타낼 수 있다. 또한 안정성 조건은 개방 회로 및/ 또는 단락 회로와 부하가 있는 데서 기본 주파수 출력 신호 제공을 포함할 수 있다.
다양한 기술은 전력 증폭기의 안정성을 제공하는데 사용된다. 기술은 연속, 분로 및 피드백 기술을 포함한다. 이러한 기술이 기본 주파수(예를 들어, 40 메가헤르츠(MHz))에서 작동될 때, 특정 부하 및 입력 신호 단계에 대한 전력 증폭기 안정성을 제공하는데 효과적이지 못하다. 입력 신호 외에 다양한 주파수 신호는 전력 증폭기가 불안정할 때, 전력 증폭기의 출력에서 생성된다. 다양한 주파수 신호의 주파수는 (i) 약 절반의 기본 주파수의 신호 및 (ii)기본 주파수 주위의 측파대 주파수에 근접한 다른 신호를 포함한다.
전력 증폭기는 제공되며 입력 모듈을 포함한다. 입력 모듈은 무선 주파수 신호(radio frequency signal)를 수신하도록 구성되고, 출력 신호를 생성한다. 각 임피던스 변환 모듈은 출력 신호를 가지며, 변압기에서 각각 하나의 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 각 스위치 모듈은 트랜지스터(transistor)를 포함하며, 하나의 임피던스 변환 모듈의 출력과 연결된다. 트랜지스터는 입력 임피던스를 가지며, 증폭된 신호를 출력한다. 각 출력 임피던스는 각 하나의 입력 임피던스에 일치하지 않는다.
다른 기능에서, 전력 증폭기는 제공되고 입력 모듈을 포함한다. 입력 모듈은 변압기를 포함하고, 제 1 무선 주파수 신호를 수신하도록 구성된다. 변압기는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함한다. 제 1 단부는 제 1 무선 주파수 신호에 기반한 제 1 출력 신호를 출력하도록 구성된다. 제 2 단부는 제 1 무선 주파수 신호에 기반한 제 2 출력 신호를 출력하도록 구성된다. 제 1 정전용량(capacitance)은 제 1 단부와 직렬로 있으며, 제 1 출력 임피던스를 가진다. 제 2 정전용량은 제 2단부와 직렬에 있으며, 제 2 출력 임피던스를 가진다. 제 1 변압기는 제 1 정전용량과 연결된 제어 단자(control terminal)를 포함하고, 제 1 입력 임피던스를 가지며, 증폭된 제 1 신호를 출력한다. 제 1 입력 입피던스는 제 1 출력 임피던스와 일치하지 않는다. 제 2 변압기는 제 2 정전용량과 연결된 제어 단자를 포함하며, 제 2 입력 임피던스를 가지고, 증폭된 제 2 신호를 출력한다. 제 2 입력 임피던스는 제 2 출력 임피던스와 일치하지 않는다.
본 발명의 적용의 추가 영역은 상세한 설명, 청구항 및 도면에서 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 구체예는 설명을 목적으로 하며 공개의 범위를 제한하지 않는다.
여기에 설명된 도면은 선택된 실시 예의 오직 설명을 목적으로 하여 모든 가능한 구현에 있으며 본 명세서의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명의 전력 증폭기 모듈을 포함하는 전력 발전 시스템의 블록도이다;
도 2는 본 발명의 전력 증폭기 모듈의 블록도이다; 및
도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기 모듈 선단부의 개략도이다;
대응 도면 부호는 도면의 여러 면을 통해 해당 부분 을 나타낸다.
첨부된 도면에서 설명하는 예를 참조하여 본 발명의 다양한 구체예를 상세히 기술할 것이다.
본 발명의 실시 예는 철저하게 제공되고, 기술에 능숙한 사람에게 범위를 충분히 전달한다. 많은 구체적인 내용은 본 발명의 구체 예의 철저한 이해를 제공하기 위해, 예를 들어 특정 구성의 예, 장비, 방법이 명시되어 있다. 특정 세부 사용이 사용될 필요가 없는 기술에 능숙한 그들이 알 수 있다. 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 구현되며, 본 발명의 범위의 제한을 해석할 수 있다. 일부 구체 예에서 유명한 과정, 유명한 장비 구조와 유명한 기술은 자세하게 명시되어 있지 않다.
용어 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 그리고 "가지는(having)"은 명시된 기능, 정수,단계, 작동, 요소 그리고/또는 구성요소를 포함한다. 그러나 하나 또는 더 많은 다른 기능 추가, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소 그리고 또는 그룹에 관한 존재를 제외하지 않는다. 여기서 설명된 단계, 프로세스 그리고 작동은 명확히 식별되지 않는 논의 또는 그려진 특정 순서에서 그들의 절차는 반드시 필요로 하지 않는다. 그것은 또한 추가 또는 대체 단계에서 사용할 수 있는 것을 이해한다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "위에(on)", "에 맞물린(engaged to)", "에 연결된(connected to)" 또는 "에 결합된(coupled to)"이라고 지칭될 때, 이는 다른 구성요소 또는 층에 직접 위에 있거나, 직접 맞물리거나, 직접 연결되거나 또는 직접 결합될 수도 있고, 또는 다른 요소 또는 층이 삽입되어 있을 수도 있다. 반대로, 요소에 다른 요소 또는 층 "직접 위에", "에 직접 맞물려", "에 직접 연결된" 또는 "에 직접 결합된"이라고 지칭될 때, 다른 요소 또는 층이 거기에 삽입되지 않는다. (예를 들면, "사이(between)" 대 "바로 사이(directly between)", "인접한(adjacent)" 대 "바로 인접한(directly adjacent)", 등의) 요소 사이의 관계를 기술하기 위하여 사용된 다른 낱말도 동일한 방법으로 해석되어야 한다. 여기에 사용된 용어 "및/또는(and/or)"은 연관된 열거 아이템의 하나 이상 중 하나 및 모든 조합을 포함한다.
여기서 다양한 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 부분을 기술하기 위하여 용어 제1, 제2, 제3 등이 이용될지라도, 이 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 부분은 이 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 다른 영역, 층 또는 부분과 한 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분을 구별하기 위하여 이용될 수도 있다. 문맥에서 명확하게 나타내지 않는 한, "제1", "제2" 및 다른 수 용어와 같은 용어가 여기에 사용될 때 순서를 함축하지 않는다. 따라서, 하기에서 논의된 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분은 예시적인 구체예의 가르침에서 벗어나지 않고 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분이라고도 불릴 수 있다.
"내부(inner)", "외부(outer)", "아래(beneath)", "아래(below)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등과 같은, 공간에 관련되는 용어는 여기서 설명을 용이하게 하기 위해 도면에서 도시된 대로 다른 요소 또는 특징에 대한 한 요소 또는 특징의 관계를 설명하도록 이용된다. 공간에 관련되는 용어는 도면에서 묘사된 방향에 대하여 부가적으로 사용 중인 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하는 것으로 예정될 수도 있다. 예를 들면, 도면의 장치가 회전하는 경우, 다른 요소 또는 특징의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로서 기술되는 요소는 다른 요소 또는 특징 "위(above)"를 향하는 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래(below)"는 상하 방향의 모두를 포함할 수 있다. 장치는 (90 도 또는 다른 방향으로 회전하여) 다르게 향할 수 있으며 그러므로 여기서 이용되는 공간 관련 기술용어를 해석할 수 있다.
도 1은 전력 발전 시스템(10)을 나타낸다. 전력 발전 시스템(10)은 증폭기 입력 모듈(12), 드라이버 모듈(14), 전력 증폭기(PA) 모듈(또는 단순 PA)(16) 및 부하(18)을 포함한다. 증폭기 입력 모듈(12)은 조절된 신호(22)를 생성하기 위해 무선 주파수(RF) 신호(20)을 조건으로 하며 수신한다. 예를 들어, 증폭기 입력 모듈(12)은 전치 증폭기(pre-amplifier)를 포함한다. 조절된 신호(22)는 드라이버 모듈(14)에 제공된다. 드라이버 모듈(14)의 출력은 고출력 RF PA 모듈일 수 있는 PA 모듈(16)로 수신된다. 비 제한 예로서, PA 모듈(16)은 2.5킬로와트(kW) 또는 그 이상의 전력 출력을 제공할 수 있다. PA 모듈(16)의 출력은 부하(18)를 구동한다.
부하(18)는 RF 신호에 의해 구동되는 장치 또는 다수의 요소를 포함할 수 있고, 비 제한 예로서 플라즈마 챔버를 포함한다. 부하(18)는 일치하지 않는 광대역 부하(즉, 부정합 종단부 저항을 가지는 케이블), 일치하지 않는 협대역 부하(즉, 2-요소 정합 네트워크)를 포함할수 있다.
또한 도 2를 참조하여, PA 모듈(16)의 예를 나타낸다. 전력 증폭기 모듈 (16')은 선단부 모듈(50), 컴바이너 모듈(combiner module, 52) 및 출력 모듈(54)을 포함할 수 있다. 선단부 모듈(50)은 입력 PA 모듈(56), 임피던스 변환 모듈(58, 60) 및 스위치 모듈(62, 64)을 포함할 수 있다. 입력 PA 모듈(56)은, 다양한 주파수일 수 있고 다양한 단계를 가질 수 있는 진동 입력 신호(예를 들어, 입력 신호(20))를 수신한다. 입력 PA 모듈(56)은 각 임피던스 변환 모듈(58, 60)에 입력 신호를 제공한다. 입력 PA 모듈(56)은 입력 PA 모듈(56)의 입력(66) 및 임피던스 변환 모듈(58, 60) 사이에 임피던스 변환을 제공한다. 입력 PA 모듈(56) 및 임피던스 변환 모듈(58, 60)은 PA 모듈(16`)(예를 들어, 드라이버 모듈(14)로부터 장치 업스트림 또는 드라이버 모듈의 출력 임피던스(예를 들어, 50옴(Ω)에 관련된 입력 임피던스 정합을 제공한다.
임피던스 변환 모듈(58, 60)은 스위치 모듈(62, 64)에 입력 신호를 제공하며, 멀티플 태스크(multiple tasks)를 실행한다. 태스크는 입력 PA 모듈(56) 및 스위치 모듈(62, 64) 사이 임피던스 변환 : 스위치 모듈(62, 64)의 입력(68, 70)에서 입력 임피던스 증가: PA 모듈(16`)의 입력 임피던스 정합을 제공할 수 있도록 기여: 스위치 모듈(62, 64)로부터 수신된 반사 전력 분산; 등을 포함한다. 스위치 모듈(62, 64)은 임피던스 변환 모듈(58, 60)로부터 각각의 출력 신호를 수신하며, 증폭된 신호(72, 74)를 생성한다. 컴바이너 모듈(combiner module, 52)은 증폭된 신호(72, 74)를 결합하며, 출력 모듈(54)을 통해 부하(18)에 제공되는 결합된 출력 신호(76)을 생성한다. 예 컴바이너 모듈은 U.S. 출원 번호 12/763,640에서 공지되며, 여기서 참조에 의해 완전한 형태로 통합된다. 출력 모듈(54)은 결합된 출력 신호(76)를 수신하며, PA 출력 신호(78)을 생성하기 위해 필터링(filtering) 및 컨디셔닝(conditioning)을 제공한다. PA 출력 신호(78)은 부하(18)에 적용된다. 예 출력 모듈은 U.S. 출원 번호 12/763,640에 공지되며, 여기에 참조에 의해 완전한 형태로 통합된다.
또한 도 3을 참조하여, 선단부 모듈(50)(50`로 증명된)의 예시 개략도를 나타낸다. 선단부 모듈(50`)은 입력 PA 모듈(56`), 임피던스 변환 모듈(58`, 60`) 및 스위치 모듈(62`, 64`)을 포함한다.
입력 PA 모듈(56`)은 인덕턴스(inductance) L1, 정전용량(capacitance) C1 및 변압기(transformer) T1를 포함할 수 있다. 인덕턴스(inductance) L1은 입력 신호(예를 들어, 입력 신호(20))를 수신한다. LC 회로 형태의 인덕턴스(inductance) L1 및 정전용량(capacitance) C1은 입력 PA 모듈(56`)(예를 들어, 드라이버 모듈(14))로부터 장치 업스트림의 출력 임피던스(예를 들어, 50Ω)와 일치하도록 임피던스 변환을 제공한다. 변압기 T1은 1차 권선(primary winding, 100)에서 출력 신호를 수신하며, 변압기 T1의 2차 권선(primary winding, 102)으로 코어를 걸쳐 입력 신호를 변환한다. 다양한 실시예에서, 변압기 T1은 부동 중앙 탭(floating center tap)을 가지는 단일 평형 변압기(single-ended balanced transformer)이다. 변압기 T1의 2차 권선(102)의 단부는 임피던스 변환 모듈(58`, 60`)의 각 하나와 연결된다.
제 1 임피던스 변환 모듈(58`)은 인덕턴스(inductance) L2, 저항(resistance) R1, 정전용량(capacitance) C2 및 저항 R2를 포함한 제 1 바이어스 회로(biasing circuit, 103) 및 전압 소스(voltage source, V1)을 포함한다. 인덕턴스(inductance, L2) 및 정전용량(capacitance, C2)은 2차 권선(102)의 제 1 단부(104) 및 제 1 스위치 모듈(62`)의 스위치 소자(switch element) Q1(예를 들어, 메탈- 옥사이드- 반도체 전계 효과 트렌지스터(field-effect transistor, MOSFET))의 게이트 입력(gate input, 106)사이에 직렬로 있다. 저항 R1은 분로 저항(shunt resistance)이며, 제 1 단부(108) 및 제 2 단부(110)를 포함한다. 저항(resistance) R1의 제 1 단부(108)는 인덕턴스(inductance) L2의 출력(112) 및 정전용량 C2의 입력(114)과 연결된다. 저항 R1의 출력(118)은 제 2 단부(110)는 접지(ground, 116)과 연결된다. 저항 R2는 게이트 입력(gate input, 106) 및 전압 소스(voltage source) V1 사이에 연결된다. 전압 소스(voltage source) V1은 저항(resistance) R2 및 접지(ground, 116) 사이에 연결된다. 저항(resistance) R2 및 전압 소스(voltage source, V1)은 게이트 입력(gate input, 116)에 제 1 바이어스 전압(ground)을 제공한다.
제 2 임피던스 변환 모듈(60`)는 인덕턴스 L3, 저항 R3, 정전용량 C3 및 저항 R4를 포함한 제 2 바이어스 회로(119) 및 전압 소스 V2를 포함한다. 인덕턴스(inductance) L3 및 정전용량(capacitance) C3은 2차 권선(secondary winding, 102)의 제 2 단부(120) 및 제 2 스위치 모듈(switch module, 64`)의 스위치 소자(switch element) Q2(예를 들어, MOSFET)의 게이트 입력(gate input, 122) 사이에 직렬로 있다. 정전용량 R3는 분로 저항(shunt resistance)이며 제 1 단부(124) 및 제 2 단부(126)을 포함한다. 저항(R3)의 제 1 단부(124)는 인덕턴스 L3의 출력(128) 및 정전용량 C3의 입력(130)과 연결된다. 정전용량 R3의 제 2 단부(126)는 접지(116)와 연결된다. 정전용량 C3의 출력(132)은 게이트 입력(122)와 연결된다. 저항 R4는 게이트 입력(gate input, 122) 및 전압 소스(voltage source) V2사이에 연결된다. 전압 소스 V2는 저항(resistance) R4 및 접지(ground, 116) 사이에 연결된다. 저항(resistance) R3 및 전압 소스 V2는 게이트 입력(122)에 제 2 바이어스 전압(bias voltage)을 제공한다. 제 2 바이어스 전압(bias voltage)은 제 1 바이어스 전압과 같거나 다를 수 있다.
인덕턴스(inductances) L1, L2, L3, 정전용량(capacitances) C1, C2, C3, 저항(resistances) R1, R2, R3, R4 및 전압 소스(voltage sources) V1 및 V2는 각각의 입력 및 출력 단부(또는 단자)를 가지며, 이들은 도 3과 같이 및/또는 여기에 설명된대로 연결된다. 입력 및 출력 단부는 대응하는 입력, 입력 임피던스(input impedances), 출력 및 출력 임피던스(output impedances)를 가진다.
정전용량 C2 및 C3는 입력 임피던스 및 스위치 소자 Q1 및 Q2의 게이트 입력(106, 122)의 리액턴스(reactance)를 증가 시킨다. 비 제한 예로서, 각 정전용량 C2 및 C3의 정전용량 값은 1000 피코 패러드(pF)보다 작을 수 있다. 한 예의 구현에서, 각 정전용량 값은 약 560pF±10pF이며, 각 정전용량 C2, C3는 양 7.5Ω의 리액턴스(reactance)를 가진다. 예를 들어, 정전용량 C2, C3의 정전용량 값은 작동 주파수에 기반하여 다양할 수 있다. 정전용량 C2 및 C3는 스위치 소자 Q1 및 Q2의 입력 임피던스에 관한 일치하는 정합 임피던스(conjugate impedance match)를 제공하지 않으나, 반대로 일치하지 않는 임피던스를 제공한다.
정전용량 C2, C3는 직류(direct current, DC) 연결 정전용량에 비해 다르게 실행된다. DC 연결 정전용량은 높은 주파수(즉, 무시해도 좋은 임피던스를 가진)에서 단락회로로 실행된다. 예를 들어, DC 연결 정전용량은 5000pF의 정전용량 값 및 0.75Ω의 리액턴스(reactance)를 가질수 있다. DC 연결 정전용량은 증가된 임피던스 및 정전용량 C2, C3의 리액턴스(reactance)를 제공하지 않으며 따라서, 정전용량 C2, C3로 전력 발전 시스템 안정성을 제공할 수 없다.
정전용량 C2 및 C3가 높은 임피던스 및 정전용량 C2 및 C3의 리액턴스(reactances) 때문에 단독(즉, 저항 R1 및 R2의 사용 없이)으로 사용되는 경우, 선단부 모듈(50`)의 입력 임피던스 정합이 어렵다. 저항 R1 및 R3는 인덕터(inductors) L2, L3의 출력(112, 128) 및/또는 선단부 모듈(50`)의 입력(예를 들어, 입력(66))에서 쉽게 정합될수 있는 입력 임피던스를 제공하기 위해 사용된다.
한 예의 구현에서, 각 저항 R1, R3는 약 50Ω 보다 작다. 명목상 또 다른 예의 구현에서, 40MHz 주파수에서 작동될 때, 저항은 약 12Ω±1Ω와 같다. 높은 임피던스 정합 값을 원하는 경우, 높은 저항 저항 값을 사용할 수 있다. 아직 명목상 또 다른 예의 구현으로, 60MHz 주파수로 작동될 때, 각 저항 R1, R3는 약 47Ω±1Ω이다. 예를 들어, 저항 R1 및 R3의 저항값은 작동 주파수에 기반하여 다양할 수 있다. 저항 R1 및 R3의 저항 값은 둘 이상의 PA 입력 반사 계수(input return loss, S11), PA 이득(gain, S21) 및 PA 안정성 사이의 절충관계를 바탕으로 할 수 있다. S21은 산란계수(scattering parameter)이며, 50Ω 종결된 출력의 순방향 전송 계수(forward transmission coefficient)이다.
저항 R1 및 R3는 정전용량 C2 및 C3의 입력(114, 130)에서 임피던스를 감소시킨다. 또한 저항 R1 및 R3는 스위치 모듈(62`, 64`)로부터 수신된 반사 전력을 분산시킨다. 수신된 드라이버 모듈(예를 들어, 드라이버 모듈(14))로부터 반사 전력을 예방할 수 있다. 반사 전력은 드라이버 모듈의 실행 및/또는 전단부 모듈(예를 들어, PA 모듈(16))의 PA 모듈과 병렬로 다른 PAs 작동의 실행에 부정적인 영향을 미친다. 특정 작동 주파수(예를 들어, 낮은 트랜지스터 이득에서 60MHz보다 큰)에서, 안정성 조건을 충족시키고 PA 모듈의 구조를 단순화할 경우, R1 및 R3는 포함되지 않는다.
제 1 스위치 모듈(62`)은 스위치 Q1을 포함한다. 제 2 스위치 모듈(64`)은 스위치 Q2를 포함한다. 스위치 Q1 및 Q2는 드레인(drains), 게이트(gates) 및 소스(sources)를 포함한다. 드레인(sources)은 스위치 소자 Q1 및 Q2의 출력 신호를 제공한다. 게이트(gates)는 정전용량 C2 및 C3의 출력(118, 132)과 연결된다. 소스(sources)는 접지(ground, 116)과 연결된다.
저항 R2 및 R4는 예를 들어, 100Ω보다 큰 저항 값을 가질 수 있다. 한 예의 구현에서, 저항 R2 및 R4는 1000Ω보다 크다. 또 다른 예의 구현에서, 저항 R1 및 R4는 각 약 10 킬로옴(kilo-Ohms, KOhms)이다. 저항 R2 및 R4의 증가된 저항 값은 증가된 안정성을 제공한다.
정전용량 C1, C2, C3, 변압기 T1, 인덕턴스(inductances) L1, L2, L3 및 저항 R1, R3는 임피던스 변환 및 전단부 모듈(50`)(예를 들어, 드라이버 모듈(driver module, 14))의 장치 스트림에 관련된 입력 임피던스 정합(input impedance matching)을 제공하기 위해 사용된다. 전단부 모듈(50`)의 입력(66) 사이 회로 소자(circuit element) 및 스위치 요소 Q1, Q2는 집합적으로 "PA 입력 네트워크(the PA input network)"라 불릴 수 있다. PA 입력 네트워크 인덕턴스(inductances) L1-L3, 정전용량(capacitances) C1-C3, 변압기 T1, 저항(resistances) R1-R4 및 전압 소스(voltage sources) V1-V2를 포함할 수 있다. 전단부 모듈(50`)(또는 스위치 소자 Q1, Q2)의 출력(140, 142) 사이의 회로 소자 및 출력(144) PA 모듈(16, 16`)은 집합적으로 "PA출력 네트워크(PA output network)"라 불릴 수 있다. PA 출력 네트워크는 출력 모듈(54) 및 컴바이너 모듈(52)의 소자를 포함할 수 있다.
스위치 소자 Q1, Q2의 각 게이트 입력(106, 122)은 일치하지 않는다. 게이트 입력(106, 122)은 정전용량 C2, C3의 사용 때문에 일치하지 않는다. 정전용량이 제공되어서, 기본 작동 주파수에서 스위치 소자 Q1, Q2의 이득은 15db를 초과하지 않는다. 정전용량 C2, C3는 기본 작동 주파수 외에 주파수에서 이득이 감소된다. 정전용량 C2, C3는 안정성을 향상시키는 기본 작동 주파수의 반 또는 그 이하에서 PA 이득을 더 감소시키는 저주파 이득 롤 오프(low frequency gain roll off)를 제공한다. PA 출력 네트워크에서 회로 소자의 구성 및 회로 소자 때문에 스위치 소자 Q1, Q2 기본 작동 주파수의 반에서 최대(또는 최고) 이득을 얻는다. 정전용량 C2, C3가 충분한 안정성 마진(margin)을 제공하여서, 다양한 단계에서 작동 및 다양한 전압 정재파비(VSWR) 부하가 구동될 때, PA 모듈(16, 16`)을 포함하는 전력 발전 시스템(10) 및 드라이버 모듈(14)은 안정적으로 남아있다.
또한, 향상된 안정성을 제공하는 기본 작동 주파수로 작동될 때, 정전용량 C2, C3, 저주파 이득 롤 오프를 제공한다. 정전용량 C2, C3는 스위치 소자 Q1, Q2의 게이트 입력(106, 122)에 의해 보이는 임피던스(impedance)를 발생시키고, 높은 VSWR 부하로부터 높은 반사 RF 전력의 수신 동안 불안정한 스위치 소자 Q1, Q2의 민감성을 감소시킨다.
부정합 게이트 입력(또는 감소된 트랜지스터 입력 임피던스 정합(transistor input impedance matching))을 제공하는 것은 RF 디자이너로 종래 기법과 정 반대이다. 부정합 게이트 입력을 제공하는 것은 이득을 줄일 수 있다. 도 3의 구현은 접합 임피던스 정합(conjugate impedance matching)을 포함하지 않으나, 부정합 게이트 입력 임피던스(mismatched gate input impedances)를 제공한다. 이는 임피던스(impedance) 및 게이트 입력의 리액턴스(reactance)를 증가시킨다.
여기에 공지된 부정합 게이트 입력은 미리 결정된 임피던스(예를 들어, 50Ω)로 임피던스를 변환시키는 것이 어려울 수 있다. 이러한 이유로, 분로 저항은 통합(예를 들어, 저항 R1, R3)되며, 미리 결정된 임피던스에 동조되도록 PA 모듈(16, 16`)의 입력 임피던스(S11)를 허용한다. S11은 2-포트(입력/출력) 장치와 관련된 산란계수(scattering parameter)이며, 50Ω 종결된 출력에 대한 입력 반사계수(input reflection coefficient)이다. 따라서, 게이트 입력(106, 122)이 일치하지 않는 임피던스이지만, 예를 들어, PA 모듈(16, 16`)의 입력(66)은 드라이버 모듈(14)의 출력 임피던스에 일치하는 임피던스이다.
저항 R1 및 R3는 손실되는 역방향 차단 S12 메커니즘(reverse isolation S12 mechanisms)에 의해 PA 모듈(16, 16`)을 거친 부정합 부하(예를 들어, 도 1의 부하)로부터 반사 RF 전력을 허용한다. S12는 산란계수라 불리며 50Ω 종결된 입력의 역방향 전송 계수이다. 반사 전력은 PA 입력 네트워크로 통과되는 대신에 접지에 의해 저항 R1, R3를 통해 손실된다. 이는 안정성을 더 향상시킨다. 저항 R1, R3에 역방향 전력을 분산함으로써, 적은 역방향 전력은 드라이버(driver) 안정성을 향상시키는 드라이버 모듈(driver module, 14)에 나타난다. PA 모듈(16, 16`) 및/또는 드라이버 모듈(14)의 전력 손실을 최소화하는 스위치 소자 Q1, Q2의 출력측(output sides) 보다 스위치 소자 Q1, Q2의 입력측에서 역방향 에너지를 손실시키는 것은 부정적인 영향을 미치는 RF 데크 효율(deck efficiency)을 예방한다. 순방향 또는 역방향 에너지를 분산시키는 출력측에서 분로 저항을 통합하는것은, 전력 낭비(또는 전력 손실) 및 효율 감소를 야기한다.
위에 기술한 정전용량 C2, C3 및 저항 R1, R3의 통합은 작동 주파수의 무관한 다양한 단계의 VSWR 부하에 안정적으로 푸시-풀 토폴로지(push-pull topology)(예를 들어, 스위치 소자 Q1, Q2)에서 PA 트랜지스터를 허용한다. 트랜지스터 이득이 증가(스위치 소자 증가에 따라 이득이 감소되는 작동 주파수)하는 곳에서 작동의 저주파로 작동될 때 안정성이 제공된다. 여기에 공지된 구현은 증가된 출력 전력과 병렬로 사용될 때, 안정적으로 다양한 푸시-풀 PAsfmf 허용한다. 안정성 조건은 증가된 출력 레벨에서 작동되는 시스템에 대해 더 엄격할 수 있다. 구현은 안정성 조건을 만족시키기 위해 사용된다. 비록 전단부 모듈(50`)이지만 푸시-풀 구현에 대해 본질적으로 기술되며, 전단부 모듈의 기능은 전력 증폭기의 단일 구현으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 저항 R1, R3 및 정전용량 C2,C3 통합은 증가되는 PA 트랜지스터의 이득에서 작동 저주파를 포함하는 작동 주파수의 무관한 다양한 단계의 VSWR 부하에 PA 안정성을 제공하도록 단일 구현에서 통합된다.
전단부 모듈(50`)은 드라이버 모듈(14)에서 사용될 수 있다. 드라이버 모듈(14) 및 PA 모듈(16)의 내부 구성은 동일할 수 있다. 드라이버 모듈(14)로 전단부 모듈(50`)의 통합은 다양한 단계에서 작동될 때, 밴드 에너비 분산 부하의 밖으로 또는 높은 VSWR 과부하로 PA 모듈(16)이 구동될 때, 안정적으로 푸시-풀 구동 기단(driver stage)을 허용한다. 드라이버 모듈(14)에서 불안정성을 제거하는 드라이버 모듈(14) 보조의 전단부 모듈에서 정전용량 C2, C3 및 저항 R1, R3의 통합은 다양한 단계의 전력 발전 시스템(10)의 안정성을 증가시킨다.
도 3의 구현은 다양한 PA 입력 전압, PA 부하, 작동 단계 및 작동 주파수에 대한 광대역 또는 측파대에 인접한 안정성을 제공한다. 구현은 미리 결정된 임피던스(예를 들어, 50Ω)로 정확하게 일치되는 PA의 입력 임피던스를 허용한다. 또한, 안정성은 PA 스위치 소자(트랜지스터(transistor)) 특성(예를 들어, 트랜지스터 이득, 입력 정전용량 등에서 에서 변화)정상 변화가 있는 데서 제공된다.

Claims (20)

  1. 전력 증폭기로서,
    변압기를 포함하고, 제 1 무선 주파수 신호를 수신하도록 형성되며, 출력 신호를 발생시키는 제 1 입력 모듈;
    각각 출력 임피던스를 가지며, 변압기로부터 각 하나의 출력 신호를 수신하도록 형성된 임피던스 변환 모듈; 및
    각각 트랜시스터를 포함하고, 하나의 임피던스 변환 모듈의 출력과 연결되는 스위치 모듈;을 포함하며,
    상기 트랜지스터는 입력 임피던스를 가지며, 증폭된 신호를 출력하고,
    상기 각 출력 임피던스가 각 하나의 입력 임피던스와 일치하지 않는, 전력 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 전력 증폭기는,
    입력 및 출력을 가지는 인덕턴스(inductance); 및
    인덕턴스(inductance)의 출력 및 변압기의 입력에 연결되는 제 1 단자를 가지는 정전용량을 포함하며,
    상기 인덕턴스(inductance)의 입력은 제 1 무선 주파수 신호를 수신하도록 형성되는, 전력 증폭기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 임피던스 변환 모듈은 스위치 모듈로부터 수신된 반사 전력을 각각 분산시키도록 형성되는, 전력 증폭기.
  4. 제 1항에 있어서,
    각 상기 임피던스 변환 모듈은 정전용량을 포함하며,
    정전용량은 변압기의 각 출력와 직렬로 연결되며, 각 하나의 트랜지스터의 제어 입력과 연결되는, 전력 증폭기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 출력 임피던스는 정전용량의 출력 임피던스인, 전력 증폭기.
  6. 제 4항에 있어서,
    각 상기 임피던스 변환 모듈(impedance transformation modules)은 변압기 및 각 하나의 정전용량의 입력 사이의 각 하나의 정전용량과 직렬인 인덕턴스(inductance)를 더 포함하는, 전력 증폭기.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 임피던스 변환 모듈(impedance transformation modules)의 정전용량은 트랜지스터의 제어 단자에서 리액턴스(reactances) 및 입력 임피던스(input impedances)를 증가시키는, 전력 증폭기.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 임피던스 변환 모듈(impedance transformation modules)의 정전용량은 전력 증폭기의 기본 작동 주파수와 다른 주파수에서 이득을 감소시키는, 전력 증폭기.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 각 임피던스 변환 모듈은 임피던스 변환 모듈(impedance transformation modules)의 정전용량 중 하나의 입력 및 전압 기준 단자(voltage reference terminal) 사이에 연결된 저항을 더 포함하는, 전력 증폭기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 저항은 정전용량의 입력에서 임피던스를 감소시키며, 스위치 모듈에 의해 수신된 반사 전력을 분산시키는, 전력 증폭기.
  11. 제 9항에 있어서,
    각 상기 임피던스 변환 모듈은 인덕턴스(inductance)를 더 포함하며;
    상기 저항은 트랜지스터의 임피던스 부정합 및 인덕턴스(inductance)의 임피던스 정합 출력 정전용량을 보상하는, 전력 증폭기.
  12. 제 4항에 있어서,
    각 상기 임피던스 변환 모듈은 바이어스 회로(biasing circuit)를 더 포함하며;
    상기 바이어스 회로(biasing circuit)는 정전용량 중 하나의 출력와 연결되고, 바이어스 전압(bias voltage)을 발생시키도록 형성되는, 전력 증폭기.
  13. 제 1항에 있어서,
    결합된 출력 신호를 발생시키기 위해 트랜지스터의 출력와 결합하도록 형성되는 컴바이너 모듈(combiner module); 및
    전력 증폭기 출력 신호를 발생시키기 위해 결합된 출력 신호를 걸러내도록 형성되는 출력 모듈을 더 포함하는, 전력 증폭기.
  14. 전력 발전 시스템으로서,
    제 2 무선 주파수 신호를 수신하도록 형성되며, 조절된 신호를 발생시키는 제 2 입력 모듈;
    조절된 신호를 수신하고 제 1 무선 주파수 신호를 발생시키도록 형성된 드라이버 모듈;
    제 13항의 전력 증폭기; 및
    전력 증폭기 출력 신호를 수신하도록 구성된 부하;를 포함하는 전력 발전 시스템.
  15. 전력 증폭기로서,
    변압기를 포함하며, 제 1 무선 주파수 신호를 수신하도록 형성된 입력 모듈;
    제 1 단부와 직렬이며, 제 1 출력 임피던스를 가지는 제 1 정전용량;
    제 2 단부와 직렬이며, 제 2 출력 임피던스를 가지는 제 2 정전용량;
    제 1 정전용량과 연결된 제어 단자를 포함하고, 제 1 입력 임피던스를 가지며, 제 1 증폭 신호를 출력하는 제 1 트랜지스터; 및
    제 2 정전용량과 연결된 제어 단자를 포함하고, 제 2 입력 임피던스를 가지며, 제 2 증폭 신호를 출력하는 제 2 트랜지스터;를 포함하며,
    상기 변압기는,
    제 1 무선 주파수 신호에 기반한 제 1 출력 신호를 출력하도록 형성된 제 1 단부; 및
    제 1 무선 주파수 신호에 기반한 제 2 출력 신호를 출력하도록 형성된 제 2단부; 를 포함하며
    상기 제 1 입력 임피던스는 제 1 출력 임피던스와 일치하지 않으며;
    상기 제 2 입력 임피던스는 제 2 출력 임피던스와 일치하지 않는, 전력 증폭기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 입력 전력 증폭기는,
    입력 및 출력을 가지는 인덕턴스(inductance);
    인덕턴스(inductance)의 출력 및 변압기의 입력에 연결된 제 1 단자를 가지는 정전용량; 을 포함하며,
    상기 인덕턴스(inductance)의 입력은 제 1 무선 주파수 신호를 수신하도록 형성되는, 전력 증폭기.
  17. 15항에 있어서,
    제 1 단부 및 제 1 정전용량 사이에서 직렬로 있는 제 1 인덕턴스(inductance);
    제 1 단자 및 제 2 단자를 가지는 제 1 정전용량;
    제 2 단부 및 제 2 정전용량 사이에서 직렬로 있는 제 2 인덕턴스(inductance); 및
    제 1 단자 및 제 2 단자를 가지는 제 2 정전용량;을 더 포함하며,
    상기 제 1 저항의 제 1 단자는 제 1 인덕턴스(inductance) 및 제 1 정전용량의 입력와 연결되며; 상기 제 1 저항의 제 2 단자는 기준 전압을 수신하고;
    상기 제 2 저항의 제 1 단자는 제 2 인덕턴스(inductance) 및 제 2 정전용량의 입력와 연결되며; 상기 제 2 저항의 제 2 단자는 기준 전압을 수신하는, 전력 증폭기.
  18. 제 17항에 있어서,
    제 1 저항은
    제 1 정전용량의 입력에서 임피던스를 감소시키며, 제 1 트랜지스터에 의해 수신된 제 1 반사 전력 신호를 분산시키고,
    제 1 인덕턴스의 출력을 인피던스 일치하도록 제 1 정전용량의 출력 및 제 1 트랜지스터의 입력의 임피던스 미정합(mismatching)을 보상하며;
    제 2 저항은,
    제 2 정전용량의 입력에서 임피던스를 감소시키며, 제 2 트랜지스터에 의해 수신된 제 2 반사 전력 신호를 분산시키고,
    제 2 인덕턴스의 출력과 인피던스가 일치하도록 제 2 정전용량의 출력 및 제 2 트랜지스터의 입력의 임피던스 미정합을 보상하는, 전력증폭기.
  19. 제 15항에 있어서,
    제 1 바이어스 전압(bias voltage)을 발생시키도록 형성된 제 1 바이어스 회로(biasing circuit); 및
    제 2 바이어스 전압(bias voltage)을 발생시키도록 형성된 제 2 바이어스 회로(biasing circuit);를 더 포함하며,
    상기 제 1 정전용량의 출력 및 제 1 트랜지스터의 제어 단자가 제 1 바이어스 전압(bias voltage)을 수신하며;
    상기 제 2 정전용량의 출력 및 제 2 트랜지스터의 제어 단자가 제 2 바이어스 전압을 수신하는, 전력 증폭기.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 정전용량은,
    제 1 트랜지스터 및 제 2 트랜지스터의 제어 단자에서 입력 임피던스(input impedances) 및 저항을 증가시키며,
    전력 증폭기의 기본 작동 주파수와 다른 주파수에서 이득을 감소시키는, 전력 증폭기.
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