KR20140116439A - 대역폭 확장된 도허티 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도허티 전력 증폭기의 새로운 구조를 제공한다. 본 발명은 1/4 파장 선로들의 사용을 감소시키고, 도허티 전력 증폭기의 Q 점을 낮춘다. 본 방법은 더 단순하고 더 편리한 설계에 의해서 DPA 대역폭을 확장하고, 작은 크기의 설계를 용이하게 한다.

Description

대역폭 확장된 도허티 전력 증폭기{BANDWIDTH-EXTENDED DOHERTY POWER AMPLIFIER}
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것인데, 보다 상세하게는, 대역폭 확장된 도허티 전력 증폭기에 관한 것이다.
효율적 DPA(Doherty power amplifier)가 통신 시스템에서 점점 더 인기를 얻고 있다. 그러나, DPA는 매우 협소한 대역폭 및 큰 크기라는 결점들을 갖는다. DPA의 협대역 속성은 주로 협대역 믹서의 협대역 속성으로 인한 것이다. 출력 믹서가 일반적으로 더 높은 Q 점을 갖는 한편, 더 높은 Q 점은 더 좁은 대역폭을 초래한다. 예로서 평형 형(balance-type) DPA에 대해, Q 점은 0.76에 달한다. 그러나, 큰 크기 속성은 DPA 출력 믹서가 두 개의 1/4 파장 선로(λ/4)를 이용한다는 사실에 기인한다. 특히 900MHz 시스템에 대해, PCB 재료로서 로저스의 고주파 인쇄 회로 기판(PCB) 재료 RO4350B를 사용할 때, 1/4 파장 선로의 길이는 약 47mm이다; 따라서, 크기 설계는 그 규모가 축소될 수 없다.
작금에, DPA에 대해 대역폭을 확장하기 위한 방식은 도 1에 도시된 바와 같이 제안되었다. 이 방식에서, 35.3 Ohm의 1/4 파장 선로(101)가 레이아웃상에 도허티 믹서의 1/4 파장 선로를 갖는 미러를 형성하도록 접지된다. DPA가 비교적 낮은 입력 전력으로 작동할 때, 피킹 증폭기(peaking amplifier)가 닫히고, 반송파 증폭기(carrier amplifier)는 고 저항 상태에서(일반적으로 100 Ohm에서) 작동할 것이다. 35.3 Ohm의 1/4 파장 선로(101)를 갖는 DPA에 대해, 저항 산포(resistance dispersion)는 고 임피던스에서 작동하는 반송파 증폭기를 구비한 보통 DPA의 그것보다 더 수렴될 것이다. 그러므로, 대역폭 확장된 DPA의 대역폭은 도 2에 도시된 바와 같이, 대역폭 비확장된 DPA의 그것보다 훨씬 넓을 것이다.
그러나, 요즈음 소형 설계가 유행하고 있다. 상기 방식이 광대역 DPA를 설계하기 위한 아이디어를 제공하기는 하지만, 추가의 35.3 Ohm 1/4 파장 선로는 더 많은 공간을 차지한다. 이는 전력 증폭기의 PCB(printed circuit board) 설계에 대해 문제가 된다.
종래 기술의 상기 단점을 해결하기 위해, 본 발명은 Q 점을 낮추고 1/4 파장 도선들의 사용을 감축하기 위해서 도허티 전력 증폭기의 신규 구조를 제공한다. 본 방법은 더 단순하고 더 편리한 설계에 의해 DPA 대역폭을 확장하고 또한 축소된 크기의 설계를 용이하게 한다.
특정하게는, 본 발명의 일 실시예에 따라 도허티 전력 증폭기가 제공되는데, 이 증폭기는, 도허티 전력 증폭기의 입력 신호가 입력되는 입력 전력 분배기 -입력 전력 분배기의 한 출력은 반송파 증폭기에 연결되고, 입력 전력 분배기의 다른 출력은 제1의 1/4 파장 선로에 연결되고, 제1의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 피킹 증폭기에 연결되고, 반송파 증폭기의 한 말단은 제2의 1/4 파장 선로에 연결되고, 제2의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 피킹 증폭기에 연결됨-; 및 도허티 전력 증폭기의 신호 출력 지점으로서 제2의 1/4 파장 선로와 피킹 증폭기 사이의 접합 지점(junction point)을 포함한다.
본 발명의 하나의 양호한 실시예에 따라, 제2의 1/4 파장 선로의 특성 임피던스
Figure pct00001
은 하기 수학식에 의해 결정된다.
Figure pct00002
,
여기서,
Figure pct00003
는 전력비이다.
본 발명의 하나의 양호한 실시예에 따라, 피킹 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00004
는 하기 수학식에 의해 결정된다:
Figure pct00005
,
여기서,
Figure pct00006
는 전력비이다.
본 발명의 하나의 양호한 실시예에 따라, 입력 신호가 낮을 때, 피킹 증폭기는 닫히고, 반송파 증폭기는 고 임피던스 상태로 작동하고, 여기서 반송파 증폭기의 임피던스는 하기 수학식에 의해 결정된다:
Figure pct00007
,
여기서,
Figure pct00008
는 전력비이다.
본 발명의 기타 목적 및 효과는 본 발명의 더 철저한 이해를 위해 첨부 도면과 연계하여 취해진 하기 설명을 통해 더 명확해지고 이해하기에 쉬워질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 제각기 기존의 대역폭 확장된 DPA의 원리 다이어그램 및 레이아웃 다이어그램를 보여준다.
도 2a 및 도 2b는 제각기 기존 대역폭 확장된 DPA의 임피던스 산포 특성 및 대역폭을 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 제각기 본 발명의 실시예에 따른 대역폭 확장된 DPA의 원리 다이어그램 및 레이아웃 다이어그램을 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 제각기 본 발명의 실시예에 따른 대역폭 확장된 DPA의 임피던스 산포 특성 및 대역폭을 보여준다.
도 5는 대역폭 확장된 DPA가 소 신호 입력에서 작동할 때 본 발명의 일 실시예에 따른 대역폭 확장된 DPA의 등가 회로 다이어그램을 보여준다.
도 6은 대역폭 확장된 DPA가 대 신호 입력에서 작동할 때 본 발명의 실시예에 따른 대역폭 확장된 DPA의 등가 회로 다이어그램를 보여준다.
도 7은 MD7IC2755NR1을 이용하는 평형 형 DPA에서 채택된 전통적 방식과 본 발명의 해결책 사이의 성능 비교를 보여준다.
도 8은 MRF8S21120HR3 및 MRF8S21201HR3을 이용하는 비평형 형 DPA에서 채택된 전통적 설계와 본 발명의 해결책 사이의 성능 비교를 보여준다.
이상의 첨부 도면들 전부에서, 유사한 참조 번호들은 동일하거나, 유사하거나 대응하는 특징들 또는 기능들을 가리킨다.
본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 상세히 기술된다.
본 발명의 대역폭 확장된 DPA 설계에서, 1/4 파장 선로들의 사용이 감소된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 대역폭 확장된 도허티 전력 증폭기는, 도허티 전력 증폭기의 입력 신호가 입력되는 입력 전력 분배기 -입력 전력 분배기의 한 출력은 반송파 증폭기에 연결되고, 입력 전력 분배기의 다른 출력은 제1의 1/4 파장 선로에 연결되고, 제1의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 피킹 증폭기에 연결되고, 반송파 증폭기의 한 말단은 제2의 1/4 파장 선로에 연결되고, 제2의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 피킹 증폭기에 연결됨-; 및 도허티 전력 증폭기의 신호 출력 지점으로서 제2의 1/4 파장 선로와 피킹 증폭기 사이의 접합 지점을 포함한다.
본 발명에서, 제2의 1/4 파장 선로(201)의 특성 임피던스
Figure pct00009
및 피킹 증폭기(202)의 부하 임피던스
Figure pct00010
가 결정되어야 한다.
제2의 1/4 파장 선로의 특성 임피던스
Figure pct00011
는 하기 수학식에 의해 결정된다:
Figure pct00012
여기서,
Figure pct00013
는 DPA의 전력비이다.
피킹 증폭기(202)의 부하 임피던스
Figure pct00014
는 하기 수학식에 의해 결정된다:
Figure pct00015
여기서
Figure pct00016
는 DPA의 전력비이다.
전력비 1:1을 갖는 평형 형 DPA에 대해,
Figure pct00017
=1,
Figure pct00018
는 70.7 Ohm이고, 피킹 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00019
는 100 Ohm에 매칭된다. 전력비 1:2를 갖는 비평형 형 DPA에 대해,
Figure pct00020
=2,
Figure pct00021
는 86.6 Ohm이고, DPA의 피킹 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00022
는 75 Ohm이다.
입력 신호가 낮을 때 피킹 증폭기는 닫힌다.
이 시점에서, 반송파 증폭기는 도 5a에 도시된 대로 고 임피던스 상태에서 작동한다.
반송파 증폭기의 임피던스
Figure pct00023
는 하기와 같이 계산된다:
Figure pct00024
여기서
Figure pct00025
는 DPA의 전력비이다.
전력비 1:1을 갖는 평형 형 DPA에 대해, 반송파 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00026
는 100 Ohm인 한편, 전력비 1:2를 갖는 비평형 형 DPA에 대해 반송파 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00027
는 150 Ohm이다.
입력 신호가 매우 클 때, 피킹 증폭기는 포화 상태에 도달할 것이고, 피킹 증폭기의 부하 임피던스 는 수학식 2에 보여진 바와 같다.
이 시점에서, 반송파 증폭기의 부하 임피던스는 50 Ohm이다. 제2의 1/4 파장 선로(201)를 통한 임피던스는
Figure pct00029
Ohm으로 변환되고, 및 도 6에 도시된 대로 피킹 증폭기의 부하 임피던스
Figure pct00030
, 즉 50 Ohm과 병렬로 연결된다.
입력 신호가 소 신호로부터 대 신호로 스위칭될 때, 반송파 증폭기의 부하 임피던스는 50 Ohm으로 축소되고, 피킹 증폭기의 부하 임피던스는
Figure pct00031
로 축소된다.
이런 본 발명의 설계는 피킹 증폭기(202)의 특성 임피던스 및 제2의 1/4 파장 선로의 특성 임피던스를 수정하여, DPA 믹서의 임피던스가 50 Ohm에 유지되도록 한다. 믹서의 임피던스가 50 Ohm까지 상승하기 때문에, 입력 신호가 상대적으로 작고 피킹 증폭기가 작동하지 않을 때, 제2의 1/4 파장 선로(201)의 임피던스는 25 Ohm 대신에 50 Ohm으로부터 고 임피던스(일반적으로 100 Ohm)로 변환된다. 이런 방식으로, 도허티 믹서의 Q 점은 성공적으로 낮춰질 수 있다. 예를 들어, 평형 형 DPA에 대해 본 발명을 적용함으로써, Q 점은 0.33까지 낮춰질 수 있는 반면, 보통의 종래의 평형 형 DPA의 Q 점은 0.76이다.
도 4에 도시된 대로, 본 발명에 따른 새로운 대역폭 확장된 DPA의 임피던스 산포 특성 및 대역폭은 전통적 DPA의 것들에 대해 모두 우월하다. 또한, 믹서의 회로부는 하나의 1/4 파장 선로를 채택할 뿐이다. 그러므로, 더 작은 크기가 도 4b에 도시된 대로 달성된다. 다시 말하면, 본 발명을 적용함으로써, DPA의 출력 믹서는 하나의 1/4 파장 선로를 사용할 뿐인데, 이는 Q 값을 낮추고 또한 대역폭 확장과 크기 소형화라는 기술적 효과를 달성할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 전통적 해결책과 본 발명의 해결책의 기술적 효과들 사이의 비교를 제공한다.
도 7에 도시된 대로, MD7IC2755NR1 전력 증폭기를 이용하는 평형 형 DPA에서 전통적 해결책과 본원 발명 해결책을 적용하는 것 사이의 성능 비교는, 본 발명을 적용함으로써 DAP 드레인 효율이 전통적 설계와 비교하여 6% 향상될 수 있고, 드레인 효율 및 피킹 전력이 200 MHz의 대역폭 내에서 모두 매끄럽다는 것을 보여준다. 도 8에 도시된 대로, MRF8S21120HR3 및 MRF8S21201HR3 전력 증폭기를 이용하는 비평형 형 DPA에서 전통적 해결책과 본원 발명 해결책을 적용하는 것 사이의 성능 비교는, 본원 발명의 대역폭 확장된 DPA는 전통적 설계를 넘어서는 더 매끄러운 드레인 효율성 및 피킹 효율성을 획득할 수 있다는 것을 보여준다. 상기 MD7IC2755NR1, MRF8S21120HR3 및 MRF8S21201HR3는 전력 증폭기 장치의 모델들이다.
본원 발명은 LTE, WCDMA, WiMAX, 기타 등등을 포함하여, 임의의 시스템을 위한 전력 증폭기 설계에 적용될 수 있다.
변형들 및 변경들이 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 본 발명의 제각기 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 것을 상기 기술로부터 이해해야 한다. 본 명세서의 기술은 예시적인 것이고, 제한하고자 하는 의도는 없다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (4)

  1. 도허티 전력 증폭기로서,
    상기 도허티 전력 증폭기의 입력 신호가 입력되는 입력 전력 분배기 -상기 입력 전력 분배기의 한 출력은 반송파 증폭기에 연결되고, 상기 입력 전력 분배기의 다른 출력은 제1의 1/4 파장 선로에 연결되고, 상기 제1의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 피킹 증폭기에 연결되고, 상기 반송파 증폭기의 한 말단은 제2의 1/4 파장 선로에 연결되고, 상기 제2의 1/4 파장 선로의 다른 말단은 상기 피킹 증폭기에 연결됨-; 및 상기 도허티 전력 증폭기의 신호 출력 지점으로서 상기 제2의 1/4 파장 선로와 상기 피킹 증폭기 사이의 접합 지점
    을 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2의 1/4 파장 선로의 특성 임피던스
    Figure pct00032
    은,
    Figure pct00033

    에 의해 결정되고,
    여기서,
    Figure pct00034
    는 전력비인 도허티 전력 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피킹 증폭기의 부하 임피던스
    Figure pct00035
    는,
    Figure pct00036

    에 의해 결정되고,
    여기서,
    Figure pct00037
    는 전력비인 도허티 전력 증폭기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 신호가 작을 때, 상기 피킹 증폭기는 닫히고, 상기 반송파 증폭기는 고 임피던스 상태로 작동하고, 상기 반송파 증폭기의 임피던스는,
    Figure pct00038

    에 의해 결정되고,
    여기서,
    Figure pct00039
    는 전력비인 도허티 전력 증폭기.
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