KR20220063616A - 도허티 전력 증폭 장치 및 이 장치의 부하 임피던스 변조 방법 - Google Patents

도허티 전력 증폭 장치 및 이 장치의 부하 임피던스 변조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제 3 RF 신호를 포함하는 복수의 RF 신호로 분배하는 전력 분배기; 상기 제 2 RF 신호를 증폭하는 주 증폭기; 상기 제 3 RF 신호를 증폭하는 보조 증폭기; 상기 주 증폭기로부터 수신한 RF 신호 및 상기 보조 증폭기로부터 수신한 RF 신호를 결합하여, 한 개의 RF 신호로 변환하여 출력하는 전력 결합기; 상기 주 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제1 전송선로; 및 상기 보조 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제2 전송선로를 포함하고, 상기 제 1 RF 신호에 대응하는 전력이 임계치 이상일 때, 상기 제 1 전송선로와 연결된 전력 결합기의 한쪽 입력단의 제1 임피던스와 상기 제 2 전송선로와 연결된 전력 결합기의 다른 한쪽 입력단의 제 2 임피던스는 서로 켤레복소수 관계이며, 전력 결합의 방식은 위상이 서로 다른 전류나 전압인 것을 특징으로 한다.

Description

도허티 전력 증폭 장치 및 이 장치의 부하 임피던스 변조 방법{DOHERTY POWER AMPLIFIER AND THE METHOD OF MODULATING LOAD IMPEDANCE OF THE AMPLIFIER}
본 발명은 백오프 영역의 효율이 개선된 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
최근의 무선 통신 시스템은 많은 데이터 용량을 처리하기 위하여 높은 첨두치 대비 평균 전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 갖는 변조 방식을 이용한다.
이렇게 높은 PAPR을 갖는 변조 신호를 선형적으로 증폭하기 위해서, 전력 증폭 장치(power amplifier, PA)는 최대 출력 영역이 아닌 백오프(back-off) 영역에서 주로 동작하게 된다.
이 경우, 전력 증폭 장치의 효율이 최대 출력 영역에서 동작할 때의 효율에 비해 급격히 감소하게 되는데, 전력 증폭 장치의 효율 감소는 전력 소모량을 상승시키며, 특히 모바일 디바이스의 배터리 사용량을 증가시킨다.
최근 연구에 따르면, 두 개의 증폭기를 이용하여 부하 임피던스 변조 방식으로 백오프(back-off) 영역에서의 전력 증폭 장치의 효율을 개선하는 도허티 전력 증폭 장치 구조가 제안되었다.
도 1을 참조하여, 종래의 도허티 전력 증폭 장치를 설명한다.
도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스 변조 동작은 Class-AB 바이어스의 주 증폭기(Carrier PA)와 Class-C 바이어스의 보조 증폭기(Peaking PA)를 이용하여 구현된다.
도 1에 도시된 도허티 전력 증폭 장치의 높은 출력 전력 영역[HP operation]에서는 두 증폭기가 같은 전력을 출력하지만, 낮은 출력 전력 영역[LP operation]에서는 주 증폭기(Carrier PA)만 동작하고 보조 증폭기(Peaking PA)는 꺼진다.
이와 같이, 주 증폭기와 보조 증폭기의 부하 임피던스는 출력 전력 크기에 따라 변조되어 6 dB 백오프(back-off)된 출력까지 효율이 개선된다.
하지만 높은 PAPR를 요구되는 차세대 무선통신 시스템에서는 기존 6dB 백오프 영역에서만 효율이 개선되는 도허티 전력 증폭 장치의 경우 평균 효율 개선 효과가 줄어드는 문제가 있으므로, 6 dB 이상의 백-오프 영역에서도 효율이 개선되는 도허티 전력 증폭 장치가 요구되고 있다.
(KR) 특허출원 10-2006-0071179호
본 발명을 통해 도허티 전력 증폭기의 효율이 개선되는 영역을 확장할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제 3 RF 신호를 포함하는 복수의 RF 신호로 분배하는 전력 분배기; 상기 제 2 RF 신호를 증폭하는 주 증폭기; 상기 제 3 RF 신호를 증폭하는 보조 증폭기; 상기 주 증폭기로부터 수신한 RF 신호 및 상기 보조 증폭기로부터 수신한 RF 신호를 결합하여, 한 개의 RF 신호로 변환하여 출력하는 전력 결합기; 상기 주 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제1 전송선로; 및 상기 보조 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제2 전송선로를 포함하고, 상기 제 1 RF 신호에 대응하는 전력이 임계치 이상일 때, 상기 제1 전송선로와 연결된 전력 결합기의 한쪽 입력단의 제1 임피던스와 상기 제2 전송선로와 연결된 전력 결합기의 다른 한쪽 입력단의 제2 임피던스가 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 높은 출력전력 영역에서 상기 제1 임피던스와 제2 임피던스는 서로 켤레복소수인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 전송선로는 서로 직렬 연결된 복수개의 전송선로를 포함하고 상기 복수개의 전송선로는 각각 상이한 특성임피던스와 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 주 증폭기의 입력단에 주증폭기와 보조 증폭기의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 전송선로가 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 보상 전송선로에 대응하는 위상(θPM°)에 대한 tan(θPM°)와 상기 제 1 전송선로에 대응하는 위상(θ°)에 대한 tan(θ°)가 비례하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법은, 전력 분배기가 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제3 RF 신호를 포함하는 복수의 RF 신호로 분배하는 단계; 주 증폭기가 상기 제 2 RF 신호를 증폭하는 단계; 제1 전송선로가 전력 결합기 한쪽 입력단의 임피던스를 주 증폭기 출력단에 필요한 최적 부하 임피던스로 변조하는 단계; 보조 증폭기가 상기 제3 RF 신호를 증폭하는 단계; 제2 전송선로가 전력 결합기 다른 한쪽 입력단의 임피던스를 보조 증폭기 출력단에 필요한 최적 부하 임피던스로 변조하는 단계; 및 상기 제1 전송선로의 출력 RF 신호와 제2 전송선로의 출력 RF 신호를 결합시키는 단계; 상기 전력 결합기에서 제1 전송선로의 출력 RF 신호와 제2 전송선로의 출력 RF 신호의 결합 비율에 따라 상기 전력 결합기 한쪽 입력단의 임피던스와 다른 한쪽 입력단의 임피던스가 변조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법은 보상 전송선로가 상기 제2 RF 신호를 수신하여 주 증폭기와 보조 증폭기의 위상 차를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 아웃페이징 전력 결합기를 이용하여 확장된 백오프 영역을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 무선통신 시스템 또는 무선 에너지 전력전송 시스템에서 전력 효율을 개선할 수 있으며, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 주로 사용하는 CMOS 전력 증폭 장치 집적회로 설계에 적용될 수 있으며, 모바일 디바이스용 전력 증폭 장치의 효율을 개선할 수 있기 때문에 디바이스의 전력 사용량을 줄여 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 도허티 전력 증폭 장치의 회로도이다.
도 2는 전력 결합기의 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력 전력을 결합하는 두가지 방식을 나타낸 회로도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전압 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
도 4는 직렬 연결된 2개의 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전압 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
도 6의 (a)는 낮은 출력 전력 영역(LP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다.
도 6의 (b)는 높은 출력 전력 영역(HP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다.
도 7의 (a)는 낮은 출력 전력 영역(LP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다.
도 7의 (b)는 높은 출력 전력 영역(HP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다.
도 8의 (a)는 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 8의 (b)는 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치 보조 증폭기 출력단의 부하 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 출력 신호의 전력에 따른 전력부가효율(PAE: Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 전력 결합기의 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력 전력을 결합하는 두가지 방식을 나타낸 회로도이다.
도 2의 (a)는 전류 결합 방식의 전력 결합기를 나타내는 회로도이고, 도 2의 (b)는 전압 결합 방식의 전력 결합기를 나타내는 회로도이다.
도 2는 전류 결합 방식의 전력 결합기의 한쪽 입력단의 입력전력(S1)과 다른 한쪽 입력단의 입력전력(S2)을 결합하면 전력 결합기의 출력전력(Stotal)과 동일하다.
또한, 전류 결합 방식의 전력 결합기의 한쪽 입력단의 입력전력(S1)과 다른 한쪽 입력단의 입력전력(S2)은 서로 크기가 같다. 이를 식으로 나타내면 하기 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
즉, 전류 결합 방식의 전력 결합기 출력단 부하의 임피던스가 RL인 경우, 전류 결합 전력 결합기 2개의 입력단 임피던스는 다음의 조건이 성립한다.
Figure pat00002
또한, 전압 결합 방식의 전력 결합기 입력단 임피던스는 다음의 조건이 성립한다.
Figure pat00003
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 개념도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 설명하는 개념도이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 전압 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 전력 분배기(110), 주 증폭기(120), 보조 증폭기(130), 전력 결합기(140), 제1 전송선로(150), 제2 전송선로(160) 및 보상 전송선로(170)를 포함한다. 제2 전송선로(160)는 직렬 연결된 제3 전송선로(162)와 제4 전송선로(164)를 포함할 수 있다.
전력 분배기(110)는 제1 RF 신호를 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제 3 RF 신호로 분배하는 전력 분배기 역할을 수행한다. 전력 결합기(140)는 각 증폭기(120, 130)의 출력을 결합하여 단일 RF 신호로 변환하며, 전력 결합기 역할을 수행한다.
두 개의 증폭기(120, 130)는 전력 분배기(110) 및 전력 결합기(140)에 의해 결합되어 도허티 전력 증폭 장치로 동작한다. 주 증폭기(120)는 Class-AB로 동작하며 제 2 RF 신호를 증폭하고, 보조 증폭기(130)는 Class-C 로 동작하며 제 3 RF 신호를 증폭한다.
주 증폭기(120)의 출력단에는 부하 변조를 만들기 위한 제1 전송선로(150)가 배치되며, 보조 증폭기(130)의 출력단에는 제2 전송선로(160)가 배치되며, 주 증폭기(120)의 입력단에는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 전송선로(170)가 배치된다. 보상 전송선로(170)는 입력되는 전압 위상을 조절하여 아웃페이징 결합에 필요한 위상 차이를 제공한다.
제2 전송선로(160)는 임피던스 변조를 위한 구성으로 직렬 연결된 제3 전송선로(162)와 제4 전송선로(164)를 포함한다. 제3 전송선로(162)와 제4 전송선로(164)는 서로 다른 전기적 길이를 갖는다. 또한 제3 전송선로(162)와 제4 전송선로(164)는 서로 다른 특성임피던스를 갖는다.
도 3의 (a)를 참조하여, 전류 결합 방식을 이용하는 경우, 제1 전송선로(150)는 특성임피던스 Z0를 가진 전기적 길이 θ°의 전송선로이고, 제3 전송선로(162)는 특성임피던스 Zopt를 가진 전기적 길이 θoffset ° 전송선로이며, 제3 전송선로(162)와 직렬 연결된 제4 전송선로(164)는 특성임피던스 Z0를 가진 전기적 길이 180°- θ° 전송선로이다. 보상 전송선로(170)는 전기적 길이 θPM° 의 전송선로이다. 여기서 전기적 길이는 실제 길이를 파장 λ로 나눈 길이로서, 전송선로에 전파되고 있는 주기적인 전기 신호의 파장의 배수로 표현되고, 파장은 각도로 표현된다. 예를 들어, 전기적 길이 90°의 전송선로는 해당 전송선로가 전파하는 전기 신호의 파장의 1/4λ인 것을 의미한다.
도 3의 (b)를 참조하여, 전압 결합 방식을 이용하는 경우, 제1 전송선로(150)는 특성임피던스 Z0를 가진 전기적 길이 90°+θ°의 전송선로이고, 제3 전송선로(162)는 특성임피던스 Zopt를 가진 전기적 길이 θoffset ° 의 전송선로이며, 제3 전송선로(162)와 직렬 연결된 제4 전송선로(164)는 특성임피던스 Z0를 가진 전기적 길이 90°- θ°의 전송선로이며, 보상 전송선로(170)는 전기적 길이 180 °+ θPM° 의 전송선로이다.
여기서, θ°는 요구되는 전력 백오프의 정도에 따라 상이하게 결정될 수 있다.
이로써 전력 결합기에서 전류나 전압이 필요한 위상차를 가지고 결합되어 요구된 부하 임피던스 변조가 정확히 구현된다. 상기 전력 결합기는 무손실 결합기를 가정한다.
도 4는 직렬 연결된 2개의 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다.
직렬 연결된 2개의 전송선로는 각각 특성임피던스 Z0*k0.5를 가진 전기적 길이 90°의 전송선로 및 특성임피던스 Z0를 가진 전기적 길이 90°의 전송선로로서, 임피던스 트랜스포머의 출력단 임피던스 ZL를 일정한 비율 k로 입력단에서 k*ZL가 되게 임피던스를 변환한다. 도 4에 도시한 바와 같은 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용한 전송선로 등가 회로로도 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임피던스 트랜스포머를 포함하는 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 개념도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 설명하는 개념도이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전압 결합 방식을 설명하는 개념도이다.
도 5의 실시예는 도 3의 실시예에서 임피던스 트랜스포머를 추가한 구성이므로, 공통의 구성요소의 구체적인 설명은 생략한다.
Ropt가 실제로 직접 구현하기 어려운 높은 값이나 낮은 값으로 나오는 경우, 임피던스 트랜스포머 회로를 추가하여, 임피던스를 일정한 비율로 확대하거나 축소함으로써, 도허티 전력 증폭 장치 구조를 이용할 수 있다.
또한 같은 최대 출력의 실제 바이어스 조건이 다른 주 증폭기와 보조 증폭기의 최적 부하 임피던스는 차이가 존재할 수 있으므로, 제1 전송선로(150)와 제2 전송선로(160)에 임피던스 트랜스포머 회로를 추가하여 제1 전송선로(150) 입력단에 보이는 임피던스 Ropt를 주 증폭기(120) 출력단에 필요한 최적 임피던스 Ropt_c로 변환하고, 제4 전송선로(164) 입력단에 보이는 임피던스 Ropt 를 보조 증폭기(130)의 출력단에 필요한 최적 임피던스 Ropt_pf로 변환시킬 수 있다. 이로써, 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)는 제1 전송선로(150)와 제2 전송선로(160)를 통해 최적의 동작 조건에서 동작한다. 이렇게 출력된 제1 전송선로(150)의 출력과 제2 전송선로(160)의 출력은 제1 전력 결합기(140)에 의해 결합된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식의 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타내고, 도 6의 (a)는 낮은 출력 전력 영역(LP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타내고, 도 6의 (b)는 높은 출력 전력 영역(HP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다.
도 6의 (a)를 참조하여, 낮은 출력 전력 영역에서는 즉, 상기 제 1 RF 신호에 대응하는 전력이 상기 임계치 미만일 때, 보조 증폭기(130)가 꺼진 상태가 되기 때문에, 보조 증폭기(130)의 출력 전류 성분이 없고, 출력단 임피던스는 무한대가 된다.
상기 제3 전송선로(162)는 전기적 길이 θoffset °전송선로이며, 상기 제4 전송선로는 전기적 길이 180°- θ°전송선로이다. 직렬 연결되는 제3 전송선로(162)와 제4 전송선로(164)가 전력 결합기 출력단 부하 RL 와 병렬연결된다. 다음의 수학식 2와 수학식 3과 같은 조건을 만족하면, 상기 제1 전송선로와 연결된 전력 결합기의 입력단에서 (GL+jB)-1 의 임피던스가 제공되어 제1 전송선로(150)를 통해 주 증폭기(120)의 출력단에서 kRopt인 부하 임피던스로 변환된다.
[수학식 2]
Figure pat00004
[수학식 3]
Figure pat00005
여기서의 k는 부하 임피던스 변조 비율이다.
도 6의 (b)를 참조하여, 높은 출력 전력 영역에서는 상기 제 1 RF 신호에 대응하는 전력이 임계치 이상이고, 전력 결합기의 한쪽 입력단에서 보이는 제1 임피던스와 다른 한쪽 입력단에서 보이는 제2 임피던스가 서로 상이하고, 제1 임피던스와 제2 임피던스는 켤레 복소수이다. 예를 들어, 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)는 같은 전력을 출력하며 위상이 다른 전류를 결합하게 되어 전력 결합기(140) 입력단에서 (GL/2+jBL)-1 및 (GL/2-jBL)-1의 복소수 공액 부하 임피던스를 보이게 된다.
[수학식 4]
Figure pat00006
수학식 4와 같은 조건이 만족하면 (GL/2+jBL)-1 인 부하 임피던스가 제1 전송선로(150)를 통하여 주 증폭기(120) 출력단에서 Ropt인 부하 임피던스로 변조되며, (GL/2-jBL)-1인 부하 임피던스가 제4 전송선로(164)를 통하여 180°- θ ° 변환되어, 보조 증폭기(130) 출력단에서 Ropt인 부하 임피던스로 변조된다. 백오프 전력과 부하 임피던스 변조 비율의 관계 및 수학식 2,3,4와 같은 구조들을 정리하면 아래와 같이 나타낸다. 여기서의 α는 전송선로 특성 임피던스와 최적 부하 임피던스 Ropt간의 비율이다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
또한 주 증폭기와 보조 증폭기의 위상 차이 보상을 위한
Figure pat00012
와 같은 조건이 성립해야 정확한 부하 임피던스 변조가 일어난다. 즉, 상기 보상 전송선로(170)에 대응하는 위상(θPM°)에 대한 tan(θPM°)와 상기 제 1 전송선로(150)에 대응하는 위상(θ°)에 대한 tan(θ°)가 비례한다.
전송선로 특성 임피던스와 Ropt간의 비율 α에 따라 높은 전력 영역에서의 임피던스 변조 동작 대역폭 및 낮은 전력 영역에서의 임피던스 변조 동작 대역폭 조절이 가능하다. 단
Figure pat00013
인 경우 높은 전력 영역에서 및 낮은 전력 영역에서의 임피던스 변조 동작 대역폭은 평행하게 되며, 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치 구조의 전체 임피던스 변조 동작 대역폭을 최대화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 결합 방식의 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타낸다.
도 7의 (a)는 낮은 출력 전력 영역(LP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타내고, 도 7의 (b)는 높은 출력 전력 영역(HP operation)에서 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다. 임피던스 변환은 도 6의 설명과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다. 도 8의 (a)는 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸 그래프이고, 도 8의 (b)는 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 보조 증폭기 출력단의 부하 임피던스를 나타낸 스미스 차트이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 출력 전력이 증가함에 따라 주 증폭기는 kRopt 의 부하 임피던스에서 Ropt 의 부하 임피던스로 변조 되며, 보조 증폭기는 무한대의 부하 임피던스에서 kRopt 의 부하 임피던스로 변조됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치의 출력 신호의 전력에 따른 전력부가효율(PAE: Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다.
도 9 에 도시된 모의 실험 결과와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치는 부하 임피던스 변조 비율(k)가 2일 때는 백오프 영역이 약 6dB이고, 변조 비율 k가 3일 때는 백오프 영역이 약 7dB이고 변조 비율 k가 4일 때는 백오프 영역이 약 9dB인 것을 알 수 있다. 즉, 변조 비율 k의 증가에 따라 효율이 개선된 백오프 영역이 확장되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아웃페이징 도허티 전력 증폭 장치에 의해 부하 임피던스 변조 비율을 용이하게 변경시킬 수 있고, 이로써, 부하 임피던스 변조 비율을 증가시켜 효율이 개선된 백오프 영역이 확장되는 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 전력 분배기
120 : 주 증폭기
130 : 보조 증폭기
140 : 전력 결합기
150 : 제1 전송선로
160: 네트워크
162 : 제3 전송선로
164 : 제4 전송선로
170 : 제2 전송선로

Claims (7)

  1. 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제 3 RF 신호를 포함하는 복수의 RF 신호로 분배하는 전력 분배기;
    상기 제 2 RF 신호를 증폭하는 주 증폭기;
    상기 제 3 RF 신호를 증폭하는 보조 증폭기;
    상기 주 증폭기로부터 수신한 RF 신호 및 상기 보조 증폭기로부터 수신한 RF 신호를 결합하여, 한 개의 RF 신호로 변환하여 출력하는 전력 결합기;
    상기 주 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제1 전송선로; 및
    상기 보조 증폭기와 상기 전력 결합기 사이에 배치되는 제2 전송선로를 포함하고,
    상기 제 1 RF 신호에 대응하는 전력이 임계치 이상일 때, 상기 제1 전송선로와 연결된 전력 결합기의 한쪽 입력단의 제1 임피던스와 상기 제2 전송선로와 연결된 전력 결합기의 다른 한쪽 입력단의 제2 임피던스가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 서로 켤레복소수인 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전송선로는 서로 직렬 연결된 복수개의 전송선로를 포함하고 상기 복수개의 전송선로 각각에 대응하는 전기적 길이 및 특성임피던스의 크기가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 주 증폭기의 입력단에 주증폭기와 보조 증폭기의 위상 차이를 보상하기 위한 보상 전송선로가 연결되는 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보상 전송선로에 대응하는 위상(θPM°)에 대한 tan(θPM°)와 상기 제 1 전송선로에 대응하는 위상(θ°)에 대한 tan(θ°)가 비례하는 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 도허티 전력 증폭 장치를 이용한 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법에 있어서,
    전력 분배기가 제 1 RF 신호를 수신하여 제 2 RF 신호 및 제3 RF 신호를 포함하는 복수의 RF 신호로 분배하는 단계;
    주 증폭기가 상기 제 2 RF 신호를 증폭하는 단계;
    제1 전송선로가 상기 주 증폭기의 출력단의 임피던스를 변조하는 단계;
    보조 증폭기가 상기 제3 RF 신호를 증폭하는 단계;
    제2 전송선로가 상기 보조 증폭기의 출력단의 임피던스를 변조하는 단계;
    상기 제1 전송선로의 출력 RF 신호와 제2 전송선로의 출력 RF 신호를 결합시키는 단계; 및
    상기 전력 결합기에서 제1 전송선로의 출력 RF 신호와 제2 전송선로의 출력 RF 신호의 결합 비율에 따라 상기 전력 결합기 한쪽 입력단의 임피던스와 다른 한쪽 입력단의 임피던스가 변조되는 단계
    를 포함하는 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    보상 전송선로가 상기 제2 RF 신호를 수신하여 주 증폭기와 보조 증폭기의 위상 차를 보상하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법.


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