KR20170102169A - 무선 주파수 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

무선 주파수 전력 증폭기
입력 쿼드런트 커플러(quadrant coupler) 및 출력 쿼드런트 커플러, 그리고 그들 사이에 단일 트랜지스터로 이루어질 수 있는 두 개의 증폭기를 포함하는 전력 증폭기가 기술된다. 전력 증폭기는 임피던스 정합을 제공하기 위해서 출력 커플러의 격리된 포트로 신호를 제공하기 위한 수단을 더 포함한다. 이러한 장치에 따르면 두 개의 증폭기의 출력에서 트랜지스터 정합 네트워크가 필요 없으며, 따라서 전력 증폭기가 도허티 전력 증폭기와 비교할 때 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 작동가능해진다.

Description

무선 주파수 전력 증폭기
본 발명은 개선된 평형 무선 주파수 전력 증폭기에 관한 것이다.
전력 증폭기가 소비하는 전력을 매우 효율적으로 감소시킬 필요가 있으며, 그러면 냉각 필요성도 줄어들게 된다. 이것은 전력 증폭기가 제한된 파워 서플라이를 가진 애플리케이션에서 사용되는 경우에 특히 중요하다.
수 십 년 동안에 효율적인 무선 주파수 전력 증폭기(radio frequency power amplifier; RFPA)를 설계하는 기술이 널리 채용되어 왔다. 그러나, 종래의 RFPA의 효율은 출력 전력이 감소됨에 따라 매우 빨리 열화되기 때문에(일반적으로 '파워 백-오프(power back-off)' 또는 PBO라고 불림), 무선 시스템은 아주 엄격한 효율 요건을 도입한다. 이것은, 변조 사이클의 낮은 포인트에서 낮은 효율을 가지는 전력 증폭기(PA)에 기인하여 변조된 송신의 효율이 낮아지기 때문에, 진폭 변조된 무선 시스템이 RFPA의 피크 효율보다 훨씬 낮은 효율을 가질 것이라는 것을 의미한다.
이러한 문제에 대한 몇 가지 부분적인 솔루션이 제안되어 왔고, 이들 중 현대 모바일 통신 시스템에서 광범위하게 사용되는 "도허티(Doherty)" 전력 증폭기(PA)가 가장 유명하다. 도허티 전력 증폭기는 통상적으로 상이한 동작 클래스에 속하고, 피킹(peaking) 증폭기가 규정된 입력 전력 범위에 걸쳐 메인 증폭기와 함께 동작하도록 구현되는 메인 증폭기 및 피킹 증폭기를 포함한다.
그러나, 도허티 PA는 제한된 동작 대역폭을 가지고, 따라서 군용 레이더 및 전자전(electronic warfare; EW) 시스템에는 거의 사용되지 않는다. 이러한 제한사항은 더 큰 대역폭을 요구하는 새로운 모바일 통신 시스템을 개발하는데 있어서도 문제점이 될 것이다.
US2005134377(Dent)은 직교적으로 작동되는 두 개의 증폭 디바이스 및 쿼드커플러(quadcoupler)의 보조 포트에 그리고 따라서 증폭기의 출력 포트에 제공되는 인공 반사 신호를 생성하는 보조 증폭기를 기술한다. 인공 반사 신호는 두 개의 증폭기로부터의 출력 신호의 위상으로부터 180o의 위상 오프셋을 가져서 저항성 부하를 제공하고, 따라서 증폭기에게는 부하 임피던스 비정합이 일어난 것으로 보인다. 일차 증폭기는 그들의 출력에서 일차 증폭기를 시스템의 임피던스에 정합시키는 트랜지스터 정합 네트워크를 가질 것이다. 그러나, 트랜지스터 정합 네트워크의 임피던스를 변경하는 것이 어렵기 때문에, 이러한 증폭기 회로는 여전히 제한된 동작 대역폭의 어려움을 겪을 것이다.
본 발명에 따르면, 무선 주파수 전력 증폭기로서, - 입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 트랜지스터를 각각 포함하는 두 개의 증폭기를 포함하는 평형 증폭기를 포함하고, 상기 무선 주파수 전력 증폭기는, 신호를 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공함으로써, 상기 두 개의 증폭기의 출력으로 제공되는 임피던스를 변경 및/또는 변조하기 위한 수단을 더 포함하고, 또한 트랜지스터 기생 효과에 대해 튜닝하도록, 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 신호의 위상 및/또는 진폭을 변경하여 임피던스 정합 및/또는 임피던스 변조를 제공하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기가 제공된다.
이러한 장치는 전통적인 평형 증폭기와 비교할 때 더 넓은 입력 전력 범위에 걸쳐 무선 주파수 전력 증폭기의 효율을 확장시킨다. 임피던스 정합 및/또는 변조가 평형 디바이스 포트에서 수행될 수 있기 때문에, 증폭기는 트랜지스터 정합 네트워크가 필요가 없고, 따라서 본 발명의 전력 증폭기는 물리적으로 더 작아지고 전통적인 도허티 PA 및 US2005134377의 회로와 비교할 때 더 넓은 대역폭에 걸쳐 작동할 수 있다.
무선 주파수 전력 증폭기는 바람직하게는 그 출력이 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 보조 증폭기를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 출력 커플러의 격리된 포트로 제공된 신호는 평형 증폭기의 입력 포트로 제공된 신호와 실질적으로 동일한 주파수를 가질 수 있지만, 바람직하게는 상기 입력 신호에 대해 처방된 상대 위상 및 진폭을 가진다.
입력 신호는 상기 평형 증폭기의 입력 및 상기 출력 커플러의 격리된 포트 양자 모두로 제공되는 것이 바람직하다. 그러면, 평형 증폭기로 입력되는 신호와 동일한 특성을 가지는 신호를 출력 커플러의 격리된 포트로 제공하는 편리한 방법이 제공된다.
무선 주파수 전력 증폭기는 보조 증폭기로 제공되는 신호를 변경하기 위한 수단을 포함한다.
입력 커플러 및 출력 커플러는 직교 커플러인 것이 바람직하다.
본 발명은 다음 도면을 참조하여 예시를 통하여 이제 설명될 것이다:
도 1 은 출력 커플러의 격리된 포트를 구동하는 보조 증폭기를 가지는 평형 증폭기를 포함하는 부하 변조형 무선 주파수 평형 증폭기의 개략도이다; 그리고
도 2 는 도 1 의 개략도의 회로 분석도이다.
도 1 을 참조하면, 입력 직교 커플러(1), 출력 직교 커플러(2), 및 두 개의 3W 증폭기(3, 4)를 포함하는 평형 증폭기가 도시된다. 이러한 실시예에서, 두 개의 3W 증폭기(3, 4)는 더 복잡한 장치 및/또는 상이한 전력 레벨들이 사용될 수 있는 단일 트랜지스터들이다. 또한, 평형 증폭기의 출력 직교 커플러(2)에 연결되어 후술되는 방식으로 부하 평형을 제공하는 보조 1W 증폭기(5)가 도시된다.
입력 직교 커플러(1)는 증폭될 신호(17)를 수신하기 위한 입력 포트(6), 정합된 임피던스(8)에서 종단되는 격리된 입력 포트(7), 및 두 개의 출력(9, 10)을 가진다. 각각의 출력(9, 10)에서 나오는 신호는 90 도 위상차를 가진다. 이러한 장치는 증폭기(3, 4)에 의해 입력(6)을 향해 반사된 신호들이 서로 상쇄된다는 이점을 제공한다.
출력(9, 10)으로부터의 신호는 각각의 증폭기(3, 4)로 공급된다. 증폭기(3, 4)의 출력들은 이제 출력 직교 커플러(2)의 입력 포트(11, 12)로 공급된다.
입력 직교 커플러(1)의 입력(6)으로 공급된 입력 신호(17)는 또한, 선택적으로 후술되는 신호 변경 수단(16)을 통해 보조 증폭기(5)로 공급된다.
보조 증폭기(5)의 출력은 출력 직교 커플러(2)의 격리된 포트(14)로 제공된다. 다음 설명은, 이러한 구성을 통해, 보조 증폭기(5)에 의해 포트(14)로 제공되는 부하 변조가 두 개의 증폭기(3, 4)로 제공되는 임피던스를 변조하는 역할을 한다는 것을 보여준다.
부하 변조 평형 증폭기의 중요한 특징이 도 2 에 도시된 개략도를 사용해서 시연된다. 도 1 의 트랜지스터(3, 4, 5)는 전류 싱크로서 표현된다. 관례가 같이, 도 2 에서 출력 포트(13)는 ①로 표현되고, 포트(12 및 11)는 각각 ② & ④로 표현되며, 포트(14)는 ③으로 표현된다.
부하 변조 평형 증폭기의 특징 및 동작은 3dB 직교 커플러에 대한 4-포트 임피던스 행렬을 고려함으로써 결정될 수 있다:
Figure pct00001
이로부터, 평형 포트(12) ② 및 평형 포트(11)④에서의 임피던스는 다음처럼 표시될 수 있다:
Figure pct00002
여기에서 I bal 은 평형 디바이스 전류이고, I mod 는 보조 증폭기(5)에 의해 포트(14)③로 공급되는 전류이다. 따라서 I mod 의 값이 달라지면, 포트(11)④ 및 포트(12)②에 의해 각각의 증폭기(4, 3)로 제공되는 임피던스 Z2 Z4가 이에 따라 변동된다.
보조 증폭기 디바이스(5)에 의해 포트(14)로 공급되는 전류를 변경함으로써, 포트(6)로의 입력 신호(17)의 전력이 감소할 때(파워 백-오프) 최적 효율이 유지되도록, I mod 를 변조하는 것이 가능하다.
보조 디바이스(5)의 출력을 제어하기 위해서 포트(6)로의 입력 신호(17)(변경되거나 수단(16)에 의함)를 사용하면, 증폭기(3, 4)로 제공되는 임피던스를 포트(6)로의 입력 신호의 전력의 변동에 맞도록 변경하는 편리한 방법을 제공한다.
또한, 에너지가 보존되기 때문에, 3 개의 증폭기(3, 4, 5)의 결합 전력이 출력 포트(13)① 나타날 것이다; 예를 들어, 도 1 에서 출력 직교 커플러의 포트(13)①에서의 최종 출력은, 출력 직교 커플러(2)의 포트(12)②, 포트(14)③, 포트(11)④ 에 제공되는 세 개의 개별 출력들의 합인 7W일 것이다.
시스템은 출력 커패시턴스와 같은 트랜지스터 기생 효과에 대해 튜닝하도록 보조 증폭기(5)에 의해 출력되는 신호의 진폭 및 위상을 제어하기 위한 수단(16)을 더 포함한다. 이러한 방식으로 증폭기(3, 4)의 출력에서 트랜지스터 정합 네트워크의 필요성이 없어지는 것이 가능하다. 보조 증폭기(5)로의 입력 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 것은, 당업자에게 잘 알려진 장치 및 방법, 예를 들어 가변 감쇠기 및/또는 4-사분 위상 천이기를 사용해서 이루어질 수 있다.
증폭기(3, 4, 5)의 전력은 증폭기(3, 4)가 실질적으로 동일하게 유지되기만 하면 도 1 에 대해 설명된 것으로부터 변경될 수 있다. 거의 모든 애플리케이션에서, 보조 증폭기(5)의 전력은 제 1 및 제 2 증폭기(3, 4)의 전력보다 더 적을 것이지만, 반드시 그래야 하는 것은 아니다.
전술된 부하 변조 무선 주파수 평형 전력 증폭기는 RF 및 마이크로파 범위의 주파수로 한정되지 않는 신호 주파수와 함께 사용되기 위해 적용가능할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
입력(6)으로 공급되는 입력 신호가 보조 증폭기(5) 및/또는 진폭 및 위상을 제어하기 위한 수단(16)에도 역시 공급되지만, 어떤 애플리케이션에서는 보조 증폭기(5) 또는 수단(16)으로 공급되는 신호는 상이한 소스로부터 독립적으로 생성될 수도 있다.
일 변형예에서, 보조 증폭기(5)는 그 자체이거나 재귀적 구성에서 부하 변조 평형 증폭기를 포함할 수도 있다.

Claims (9)

  1. 무선 주파수 전력 증폭기로서,
    입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 트랜지스터를 각각 포함하는 두 개의 증폭기를 포함하는 평형 증폭기(balanced amplifier)를 포함하고,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는,
    신호를 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공함으로써 상기 두 개의 증폭기의 출력으로 제공되는 임피던스를 변경 및/또는 변조하기 위한 수단을 포함하고,
    트랜지스터 기생 효과에 대해 튜닝하도록 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 신호의 위상 및/또는 진폭을 변경하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 신호는 상기 평형 증폭기의 입력 포트로 제공되는 신호와 실질적으로 동일한 특성을 가지는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 신호는 상기 평형 증폭기의 입력 포트로 제공되는 신호와 실질적으로 동일한 주파수를 가지는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는 상기 신호를 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공하도록 배열되는 보조 증폭기를 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 신호는 상기 평형 증폭기의 입력 및 상기 출력 커플러의 격리된 포트 양자 모두로 제공되는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  6. 제 4 항을 인용하는 제 5 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는 상기 보조 증폭기로의 입력 신호를 변경하기 위한 수단을 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는 상기 보조 증폭기로 제공되는 신호의 위상 및/또는 진폭을 변경하기 위한 수단을 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  8. 무선 주파수 전력 증폭기로서,
    입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 있는 두 개의 증폭기를 포함하는 평형 증폭기를 포함하고,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는, 신호를 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공함으로써, 상기 두 개의 증폭기의 출력으로 제공되는 임피던스를 변경 및/또는 변조하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
  9. 무선 주파수 전력 증폭기로서,
    입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 트랜지스터를 각각 포함하는 두 개의 증폭기를 포함하는 평형 증폭기를 포함하고,
    상기 무선 주파수 전력 증폭기는,
    신호를 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공함으로써 상기 두 개의 증폭기의 출력으로 제공되는 임피던스를 변경 및/또는 변조하기 위한 수단을 포함하고,
    임피던스 정합을 제공하도록 상기 출력 커플러의 격리된 포트로 제공되는 신호의 위상 및/또는 진폭을 변경하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 주파수 전력 증폭기.
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