KR20200043803A - 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법 - Google Patents

3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법 Download PDF

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KR20200043803A
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김종헌
김지연
강윤호
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 장치는 주 전력 증폭기, 주 전력 증폭기와 공통의 입력 단자를 갖는 제1 보조 전력 증폭기와 제2 보조 전력 증폭기 및 각 전력 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기를 포함하고, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기는 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)의 크기에 따라 백-오프(back-off) 구간을 조정하기 위하여 미리 정해진 임피던스로 조절된다. 본 발명에 의하면, 복잡한 외부 회로를 추가적으로 설치하지 않고 출력단에 연결되는 불균형 임피던스 변조기를 사용하여 변조기의 임피던스를 조절하는 것만으로도 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)에 따라 출력전력의 백-오프 구간을 용이하게 조절할 수 있다.

Description

3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법{Three-Stage Unbalanced Doherty Power Amplifier and Design Method thereof}
본 발명은 불균형 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주 전력 증폭기와 2단의 보조 전력 증폭기로 이루어진 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 무선 통신 분야에서는 다양한 멀티미디어 정보를 이동 환경에서도 빠른 속도로 송수신하기 위해 높은 피크전력 대 평균전력비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 가지는 신호를 사용하고 있다. 특히, 선형성과 백-오프에서 높은 효율을 얻기 위하여 도허티 전력 증폭기(Doherty Power Amplifier)를 널리 사용하고 있으며, 입력신호의 피크전력 대 평균전력비가 점점 증가함에 따라 기존에 사용하던 2단 전력 증폭기보다는 3단 도허티 전력 증폭기나 비대칭 2단 도허티 전력 증폭기 등을 사용하여 출력전력의 백-오프(OPBO: Output Power Back-Off) 구간을 확장하고 있다.
이와 같이, 3단 도허티 전력 증폭기나 비대칭 2단 도허티 전력 증폭기 등을 사용할 경우 백-오프 구간은 확장되었으나, 최대 출력 구간과 백-오프 구간 사이에서 효율 감소가 많이 일어나는 문제점이 발생하기 때문에 최대 출력 구간과 백-오프 구간 사이의 효율 감소를 줄일 수 있는 3단 도허티 전력 증폭기(Three-Stage Doherty Power Amplifier)가 제안되었다.
종래의 3단 도허티 전력 증폭기는 입력신호의 피크전력 대 평균전력비와 백-오프 구간을 비슷하게 맞추기 위하여 각각의 전력 증폭기마다 드라이브 전력 증폭기를 따로 설계하여 각 전력 증폭기의 전류를 조절하거나, 보조 전력 증폭기의 게이트 전원을 통해 전류의 흐름을 제어하는 방식을 사용하였다.
하지만, 입력신호의 피크전력 대 평균전력비와 백-오프 구간을 비슷하게 맞춰주기 위하여 종래와 같은 방식을 사용할 경우, 추가적으로 설치되는 외부 회로에 의해 전력 증폭기의 복잡성이 커지고, 전류의 흐름 변화로 인해 임피던스 부정합이 발생되는 문제점이 있었다.
한국공개특허공보 제2005-0031663호(공개일 2005. 04. 06.)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 복잡한 외부 회로를 추가적으로 설치하지 않고 출력단에 연결되는 불균형 임피던스 변조기를 사용하여 변조기의 임피던스를 조절하는 것만으로도 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)에 따라 출력전력의 백-오프 구간을 용이하게 조절할 수 있는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 명시적으로 언급된 목적 이외에도, 후술하는 본 발명의 구성으로부터 달성될 수 있는 다른 목적도 포함한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치는 주 전력 증폭기, 상기 주 전력 증폭기와 공통의 입력 단자를 갖는 제1 보조 전력 증폭기와 제2 보조 전력 증폭기, 및 각 전력 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기는 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)의 크기에 따라 백-오프(back-off) 구간을 조정하기 위하여 미리 정해진 임피던스로 조절된다.
상기 미리 정해진 임피던스는 목표 백-오프 구간을 설정하기 위하여 목표 백-오프에서 산출되는 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비와, 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비를 이용하여 결정될 수 있다.
상기 백-오프 구간은 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비율을 증가시키는 것에 의해 확장될 수 있다.
상기 백-오프 구간은 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비율을 감소시키는 것에 의해 축소될 수 있다.
상기 제1 불균형 임피던스 변조기는 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력단과, 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드 사이에 연결되고, 상기 제2 불균형 임피던스 변조기는 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드와, 부하 사이에 연결되고, 상기 제3 불균형 임피던스 변조기는 상기 주 전력 증폭기의 출력단과, 상기 부하 사이에 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 주 전력 증폭기, 상기 주 전력 증폭기와 공통의 입력 단자를 갖는 제1 보조 전력 증폭기와 제2 보조 전력 증폭기, 각 전력 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기를 포함하는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법은 입력신호로 사용될 모듈레이션 신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)를 이용하여 목표 백-오프 구간을 설정하는 단계, 상기 목표 백-오프에서 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 주 전력 증폭기에서 출력되는 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류의 비율을 산출하는 단계 및 상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 단계는 상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 주 전력 증폭기, 상기 제1 보조 전력 증폭기 및 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력단에 서로 연결된 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하여 구조를 결정할 수 있다.
상기 목표 백-오프에서 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 주 전력 증폭기에서 출력되는 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류의 비율을 산출하는 단계는 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 제1 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비와, 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비를 통해 유연한 백-오프 비를 산출할 수 있다.
상기 제1 불균형 임피던스 변조기는 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력단과, 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드 사이에 연결되고, 상기 제2 불균형 임피던스 변조기는 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드와, 부하 사이에 연결되고, 상기 제3 불균형 임피던스 변조기는 상기 주 전력 증폭기의 출력단과, 상기 부하 사이에 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치 및 그의 설계 방법에 따르면, 복잡한 외부 회로를 추가적으로 설치하지 않고 출력단에 연결되는 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 조절하는 것만으로도 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)에 따라 출력전력의 백-오프 구간을 용이하게 조절하여 효율성과 선형성을 최적화할 수 있는 장점이 있다.
게다가, 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 경우, 2번의 백 오프 출력에서 효율의 최대점이 나타나기 때문에 백 오프 출력과 최대 출력 사이의 효율 감소를 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 상술된 것에 국한되지 않고 후술하는 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 다른 효과도 본 발명의 효과에 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 주 전력 증폭기, 제1 보조 전력 증폭기 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 등가 회로도이다.
도 4는 일반적인 도허티 전력 증폭 장치들과 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 효율 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 드레인 효율과 이득을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 과정을 보여주는 동작 흐름도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 개략적인 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치(1)는 불균형 도허티 전력 증폭기에 3단 전력 증폭기의 구조를 접목시킨 것으로, 전력 분배부(100), 입력 정합부(200), 출력 정합부(300), 주 전력 증폭기(400), 제1 보조 전력 증폭기(500), 제2 보조 전력 증폭기(600), 각 전력 증폭기(400~600)의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700)를 포함하여 구성된다.
전력 분배부(100)는 입력신호의 전력을 주 전력 증폭기(400), 제1 보조 전력 증폭기(500) 및 제2 전력 보조 증폭기(600)에 분배하여 제공할 수 있다. 분배된 입력신호의 전력은 주 전력 증폭기(400), 제1 보조 전력 증폭기(500) 및 제2 보조 전력 증폭기(600)에 각각 제공되어 주 전력 증폭기(400), 제1 보조 전력 증폭기(500) 및 제2 보조 전력 증폭기(600)를 동작시키도록 구성될 수 있다.
입력 정합부(200)는 전력 분배부(100)를 통해 인가된 신호를 각 전력 증폭기(400~600)에 정합시키고, 출력 정합부(300)는 각 전력 증폭기(400~600)에서 증폭된 신호를 정합하여 출력할 수 있다.
주 전력 증폭기(400)는 낮은 입력전력 즉, 낮은 레벨을 가지는 입력신호에서 먼저 동작하도록 구성될 수 있고, 제1 보조 전력 증폭기(500) 및 제2 보조 전력 증폭기(600)는 제1 피킹(Peaking) 전력 증폭기 및 제2 피킹 전력 증폭기라고도 하며, 주 전력 증폭기(400)와 각각 병렬로 연결되어 주 전력 증폭기(400)와 공통의 입력 단자를 가지며, 주 전력 증폭기(400)가 동작하는 입력전력보다 상대적으로 높은 입력전력에서 동작하도록 구성될 수 있다.
그리고 각 전력 증폭기(400~600)의 출력단에는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)가 연결될 수 있다. 보다 자세하게는, 제1 불균형 임피던스 변조기(700a)는 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력단과, 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력과 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력이 합쳐지는 노드 사이에 연결되고, 제2 불균형 임피던스 변조기(700b)는 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력과 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력이 합쳐지는 노드와, 부하(RL) 사이에 연결되고, 제3 불균형 임피던스 변조기(700c)는 주 전력 증폭기(400)의 출력단과, 부하(RL) 사이에 연결될 수 있다.
제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)는 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)의 크기에 따라 백-오프(back-off) 구간을 조정하기 위하여 미리 정해진 임피던스로 조절될 수 있다.
보다 자세하게 설명하면, 제1 불균형 임피던스 변조기(700a)의 임피던스(Z01)를 조절하여 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류를 조절하고, 제2 불균형 임피던스 변조기(700b)의 임피던스(Z02)를 조절하여 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류를 조절하며, 제3 불균형 임피던스 변조기(700c)의 임피던스(Z03)를 조절하여 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류를 조절할 수 있는데, 이와 같이, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)를 조절하면 각 전력 증폭기(400~600)에서 출력되는 전류가 가변되어 전류 비율이 달라지기 때문에 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)의 크기에 맞게 백-오프 구간을 확장하거나 축소할 수 있다.
즉, 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류의 비율을 증가시켜 백-오프 구간을 확장시키고, 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류의 비율을 감소시켜 백-오프 구간을 축소시킬 수 있다.
보다 구체적으로는, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03) 조절을 통해 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류의 비율을 상대적으로 증가시켜 백-오프 구간을 일반적인 백-오프 구간보다 넓게 확장시키는 조정을 수행할 수 있다. 이와 같이, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)를 가변시켜 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 값은 낮추고 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류 값은 상대적으로 높아보이게 함으로써 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류의 비율을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 백-오프 구간의 크기를 확장시킬 수 있다.
그리고 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03) 조절을 통해 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류의 비율을 상대적으로 감소시켜 백-오프 구간을 일반적인 백-오프 구간보다 좁게 축소시킬 수 있다. 이와 같이, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)를 가변시켜 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 값은 낮추고 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류 값은 상대적으로 낮아보이게 함으로써 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류의 비율을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 백-오프 구간의 크기를 축소시킬 수 있다.
이때, 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)는 백-오프 구간을 목표 백-오프 구간으로 설정하기 위하여 목표 백-오프에서 산출되는 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류에 대한 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류의 비와, 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류에 대한 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류의 비를 이용하여 결정될 수 있다.
이하에서는 목표 백-오프 구간을 설정하기 위하여 전류 비율에 따라 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 과정에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 주 전력 증폭기, 제1 보조 전력 증폭기 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류 특성을 나타내는 그래프 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 2 및 도 3을 참조하면, K는 최대 입력 전압에 대한 입력 전압의 비율을 나타내고, 제1 백 오프 및 제2 백 오프에서의 전압 비율은 각각 K1 및 K2로 나타낼 수 있다. α는 주 전력 증폭기(Main PA)의 최대 전류(
Figure pat00001
) 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(Peaking1 PA)(Peaking2 PA)의 최대 전류(
Figure pat00002
)의 비율을 나타내고,
Figure pat00003
는
Figure pat00004
와 같다.
제3 불균형 임피던스 변조기(700c)의 임피던스(Z03)는 주 전력 증폭기(Main PA)와 부하 사이에 있는 λ/4 임피던스 변환기의 임피던스를 나타내고, 제1 불균형 임피던스 변조기(700a)의 임피던스(Z01)는 제1 보조 전력 증폭기(Peaking1 PA)와 부하 사이에 있는 임피던스 변환기의 임피던스를 나타내고, 제2 불균형 임피던스 변조기(700b)의 임피던스(Z02)는 두 개의 보조 전력 증폭기(Peaking1 PA)(Peaking2 PA)와 부하 사이에 있는 임피던스 변조기의 임피던스를 나타낸다. R0/Y는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스인데, Y는 임의의 값으로 설정될 수 있지만, 최대 출력 전력에서 임피던스 부정합을 피하기 위하여 (2+α)가 되어야 한다.
그리고 최대 출력 전력에서 K는 1이 되고, 출력 전압(V0)은 다음의 [수식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00005
주 전력 증폭기(Main PA)의 전류 변화에서 동일한 전압을 독립적으로 유지하기 위하여 Zc는 Z0/α가 되어야 하고, 주 전력 증폭기(Main PA)의 출력단에 있는 임피던스 변환기의 임피던스 ZCT는 다음 [수식 2]를 이용하여 구할 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00006
이에 따라, 제3 불균형 임피던스 변조기(700c)의 임피던스(Z03)는 다음 [수식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00007
그리고 제2 불균형 임피던스 변조기(700b)의 임피던스(Z02) 및 제1 불균형 임피던스 변조기(700a)의 임피던스(Z01)는 각각 다음의 [수식 4] 및 [수식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 4]
Figure pat00008
[수식 5]
Figure pat00009
B2 백 오프에서 K2는
Figure pat00010
로 나타낼 수 있다.
제2 백 오프에서 출력 전압(
Figure pat00011
)은 하기의 [수식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 6]
Figure pat00012
그리고 전류 비율(α)은 다음 [수식 7]과 같다.
[수식 7]
Figure pat00013
제1 백 오프에서 출력 전압(
Figure pat00014
)은 하기의 [수식 8]과 같고, K1은 1/2이 된다.
[수식 8]
Figure pat00015
따라서, 백 오프 구간을 확장시키기 위해서는 전류 비율(α)이 1 보다 작아져야 하고, 백 오프 구간을 축소시키기 위해서는 전류 비율(α)이 1 보다 커져야 하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치(1)의 제1 불균형 임피던스 변조기(700a)의 임피던스(Z01), 제2 불균형 임피던스 변조기(700b)의 임피던스(Z02) 및 제3 불균형 임피던스 변조기(700c)의 임피던스(Z03) 조절을 통해 주 전력 증폭기(400), 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력 전류를 가변시켜 백-오프 구간을 입력신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)에 맞는 목표 백-오프 구간으로 설정할 수 있다.
도 4는 일반적인 도허티 전력 증폭 장치들과 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 효율 특성을 보여주는 그래프를 나타낸다.
도 4에서 파란색 곡선은 3단 대칭 도허티 전력 증폭 장치의 효율 특성을 나타내고, 검은색 곡선은 3-way 대칭 도허티 전력 증폭 장치 또는 비대칭 도허티 전력 증폭 장치의 효율 특성을 나타내며, 빨간색 곡선은 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 효율 특성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 일반적인 도허티 전력 증폭 장치의 백 오프는 -9dB를 나타내고 있는 반면에, 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 경우는 λ/4 임피던스 변환기의 임피던스를 조절하는 것에 의해 백 오프를 -10.5dB로 확장하거나 -8dB로 축소하는 것이 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 드레인 효율과 이득을 보여주는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 10.5dB로 확장된 백 오프 구간의 제1 효율 피크에서 드레인 효율은 62.5%, 이득은 10.8dB로 나타나고, 최대 출력 전력에서 드레인 효율은 74%, 이득은 10dB로 나타난다. 도 5b를 참조하면, 8dB로 축소된 백 오프 구간의 제1 효율 피크에서 드레인 효율은 63.4%, 이득은 12dB로 나타나고, 최대 출력 전력에서 드레인 효율은 65.7%, 이득은 10dB로 나타난다.
이와 같이, 주 전력 증폭기(400)와 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에 동일한 소자를 사용하면서 백-오프 구간의 크기를 입력신호의 PAPR 크기에 따라 용이하게 확장하거나 축소시킬 수 있는 기지국용 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치를 구현할 수 있다. 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치는 복잡한 입력 조절 회로 없이 전력 증폭기의 출력단에 있는 임피던스의 크기를 조절하여 간단히 임피던스 정합을 하는 것만으로 백-오프에서의 효율을 극대화시킬 수 있다.
하기에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 과정을 보여주는 동작 흐름도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 입력신호로 사용될 다중 반송파 변조 신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)를 이용하여 목표 백-오프 구간을 설정한다(S600). 여기서, 입력신호의 피크전력 대 평균전력비의 크기에 따라 백-오프 구간을 조정하기 위하여 입력신호로 사용될 변조 신호의 피크전력 대 평균전력비의 크기를 목표 백-오프 구간인 최대 백-오프 범위로 설정할 수 있다.
이때, 하기의 [수식 9] ~ [수식 11]을 이용하여 K1을 구할 수 있다.
[수식 9]
Figure pat00016
[수식 10]
Figure pat00017
[수식 11]
Figure pat00018
여기서, Pout,K1은 제1 백 오프 지점의 전력, K1은 제1 백 오프에서 최대 입력 전압에 대한 입력 전압의 비율,
Figure pat00019
는 최대 출력 전력, M1은 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류의 비율, M2는 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류의 비율,
Figure pat00020
은 제1 백 오프에서 주 전력 증폭기(400)에 흐르는 전류,
Figure pat00021
은 제1 백 오프에서 제1 보조 전력 증폭기(500)에 흐르는 전류이다.
다음으로, 하기의 [수식 12] ~ [수식 14]를 이용하여 K2를 구할 수 있다.
[수식 12]
Figure pat00022
[수식 13]
Figure pat00023
[수식 14]
Figure pat00024
여기서, Pout,K2는 제2 백 오프 지점의 전력, K2는 제2 백 오프에서 최대 입력 전압에 대한 입력 전압의 비율,
Figure pat00025
는 최대 출력 전력, M1은 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류의 비율, M2는 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류의 비율,
Figure pat00026
는 제2 백 오프에서 주 전력 증폭기(400)에 흐르는 전류이다.
상기한 수식들을 통해 백 오프는 전류의 비율과 관계가 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 백-오프에서 미리 정해진 알고리즘에 따라 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류의 비율을 산출한다(S610). 즉, 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류의 크기에 대한 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류의 비(M1)와, 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류의 크기에 대한 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류의 비(M2)에 관한 백-오프 비를 산출할 수 있다.
보다 자세하게는, 하기의 [수식 15]와 같이, 기본적인 B급 증폭기에 대한 수식을 이용하여 최대 출력 전력을 구할 수 있다.
[수식 15]
Figure pat00027
이와 더불어, 3단의 경우 출력 전류는 하기의 [수식 16]과 같이, 3개의 증폭기(400~600)의 출력 전류에 대한 합으로 이루어질 수 있다.
[수식 16]
Figure pat00028
이때, 최대 전력이 출력될 경우 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류는 다음의 [수식 17]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 17]
Figure pat00029
그리고 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류는 다음의 [수식 18]과 같고,
[수식 18]
Figure pat00030
제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류는 다음의 [수식 19]와 같다.
[수식 19]
Figure pat00031
여기서,
Figure pat00032
는 최대 출력 전력, M1은 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제1 보조 전력 증폭기(500)의 출력 전류의 비율, M2는 주 전력 증폭기(400)의 출력 전류 대비 제2 보조 전력 증폭기(600)의 출력 전류의 비율이다.
그 다음으로, 주 전력 증폭기(400)에서 출력되는 전류 대비 제1 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)에서 출력되는 전류의 비율에 맞게 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700: 700a~700c)의 임피던스를 산출할 수 있다(S620). 즉, 주 전력 증폭기(400), 제1 보조 전력 증폭기 및 제2 보조 전력 증폭기(500)(600)의 출력단에 서로 불균형하게 연결된 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)를 산출할 수 있다. 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기(700a~700c)의 임피던스(Z01~Z03)를 산출하는 구체적인 방법에 대해서는 앞서 기술한 [수식 1]~[수식 8]을 참고하도록 한다.
다음으로, 시뮬레이션을 통해 로드 모듈레이션, 전류비, 전력 대비 효율 그래프를 확인할 수 있다(S630).
예를 들면, 하기의 [표 1]은 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 로드 모듈레이션 시뮬레이션 결과로, 10.5dB로 백-오프 구간의 확장 시 임피던스를 보여준다.
Back off-2 Back off-1 Peak
주 증폭기 240 158 76
보조 증폭기 1 ∞ 250 50
보조 증폭기 2 ∞ ∞ 50
[표 1]을 참조하면, 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치로 낮은 레벨의 입력신호가 인가되었을 경우, 주 전력 증폭기의 임피던스는 240Ω, 제1 및 제2 보조 전력 증폭기의 임피던스는 무한대를 유지하고 있으나, 중간 레벨의 입력신호가 인가되면, 주 전력 증폭기의 임피던스는 240Ω에서 158Ω으로 변하고, 제1 보조 전력 증폭기의 임피던스는 무한대에서 250Ω으로 변하고, 제2 보조 전력 증폭기는 무한대를 계속 유지할 수 있다. 최대 레벨의 입력신호가 인가되면, 주 전력 증폭기의 임피던스는 76Ω으로 변하고, 제1 및 제2 보조 전력 증폭기는 50Ω으로 변할 수 있다. 그리고, 주 전력 증폭기의 임피던스인 76Ω은 임피던스 변조기를 통해 주 전력 증폭기의 최종 출력단에서는 50Ω으로 나타난다.
한편, 8dB로 백-오프 구간이 축소될 경우 임피던스는 하기의 [표 2]와 같이 달라질 수 있다.
Back off-2 Back off-1 Peak
주 증폭기 130 100 43
보조 증폭기 1 ∞ 200 50
보조 증폭기 2 ∞ ∞ 50
이와 같이, 출력단에 있는 임피던스를 조절하여 백 오프 값과 입력신호의 PAPR 크기에 따라 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치를 제작할 경우 외부적인 추가 회로 없이 효율과 선형성 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함한다. 이 매체는 앞서 설명한 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다. 이 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 매체의 예에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 자기-광 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치 등이 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치
100: 전력 분배부
200: 입력 정합부
300: 출력 정합부
400: 주 전력 증폭기
500: 제1 보조 전력 증폭기
600: 제2 보조 전력 증폭기
700: 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기

Claims (9)

  1. 주 전력 증폭기,
    상기 주 전력 증폭기와 공통의 입력 단자를 갖는 제1 보조 전력 증폭기와 제2 보조 전력 증폭기, 및
    각 전력 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기는,
    입력신호의 피크전력 대 평균전력비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)의 크기에 따라 백-오프(back-off) 구간을 조정하기 위하여 미리 정해진 임피던스로 조절되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 미리 정해진 임피던스는,
    목표 백-오프 구간을 설정하기 위하여 목표 백-오프에서 산출되는 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비와, 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비를 이용하여 결정되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치.
  3. 제 1 항에서,
    상기 백-오프 구간은,
    상기 주 전력 증폭기의 출력 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비율을 증가시키는 것에 의해 확장되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 백-오프 구간은,
    상기 주 전력 증폭기의 출력 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비율을 감소시키는 것에 의해 축소되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치.
  5. 제 1 항에서,
    상기 제1 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력단과, 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드 사이에 연결되고,
    상기 제2 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드와, 부하 사이에 연결되고,
    상기 제3 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 주 전력 증폭기의 출력단과, 상기 부하 사이에 연결되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치.
  6. 주 전력 증폭기, 상기 주 전력 증폭기와 공통의 입력 단자를 갖는 제1 보조 전력 증폭기와 제2 보조 전력 증폭기, 각 전력 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기를 포함하는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법에 있어서,
    입력신호로 사용될 모듈레이션 신호의 피크전력 대 평균전력비(PAPR)를 이용하여 목표 백-오프 구간을 설정하는 단계,
    상기 목표 백-오프에서 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 주 전력 증폭기에서 출력되는 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류의 비율을 산출하는 단계, 및
    상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 단계
    를 포함하는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법.
  7. 제 6 항에서,
    상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 단계는,
    상기 산출된 전류의 비율에 맞게 상기 주 전력 증폭기, 상기 제1 보조 전력 증폭기 및 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력단에 서로 연결된 상기 제1 내지 제3 불균형 임피던스 변조기의 임피던스를 산출하는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법.
  8. 제 6 항에서,
    상기 목표 백-오프에서 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 주 전력 증폭기에서 출력되는 전류 대비 상기 제1 및 제2 보조 전력 증폭기에서 출력되는 전류의 비율을 산출하는 단계는,
    상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 제1 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비와, 상기 주 전력 증폭기의 출력 전류에 대한 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력 전류의 비에 관한 백-오프 비를 산출하는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법.
  9. 제 6 항에서,
    상기 제1 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력단과, 상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드 사이에 연결되고,
    상기 제2 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 제1 보조 전력 증폭기의 출력과 상기 제2 보조 전력 증폭기의 출력이 합쳐지는 노드와, 부하 사이에 연결되고,
    상기 제3 불균형 임피던스 변조기는,
    상기 주 전력 증폭기의 출력단과, 상기 부하 사이에 연결되는 3단 불균형 도허티 전력 증폭 장치의 설계 방법.
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