KR20220085597A - 무선 통신 시스템에서 전력 증폭기 필터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 전력 증폭기 필터 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20220085597A
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Abstract

본 개시는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 무선 통신 시스템에서, 도허티(doherty) 전력 증폭기(power amplifier)는, 차동(differential) 캐리어 증폭기; 차동 피킹 증폭기; 및 출력 정합 회로를 포함하고, 상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고, 상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성될 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 전력 증폭기 필터 및 이를 포함하는 전자 장치{POWER AMPLIFIER AND ELECTRONIC DEVICE INLCUDING THE SAME}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 전력 증폭기(power amplifier) 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 28기가 (28 GHz), 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation, ACM) 방식인 FQAM(Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
통신 성능을 높이기 위해 다수의 안테나들을 장착한 제품이 개발되고 있고, Massive MIMO 기술을 활용하여 점점 보다 훨씬 더 많은 수의 안테나를 갖는 장비가 사용될 것으로 예상된다. 통신 장치에 안테나 엘리멘트(element)의 숫자가 늘어나면서 이에 따른 RF 부품들(예: 전력 증폭기(power amplifier, PA))의 숫자도 필연적으로 증가하게 된다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 증폭기의 소형화를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 5G RFIC의 효율 향상을 위한 도허티(doherty) 구조 및 이를 포함하는 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 도허티 전력 증폭기의 캐리어 증폭기(carrier amplifier)와 피킹 증폭기(peaking amplifier)에 의해 공유되는 매칭 회로의 구조를 통해, 높은 이득을 제공하기 위한 RF 체인 및 이를 포함하는 장치를 제안한다.
본 개시의 실시 예들에 따를 때, 무선 통신 시스템에서, 도허티(doherty) 전력 증폭기(power amplifier)는, 차동(differential) 캐리어 증폭기; 차동 피킹 증폭기; 및 출력 정합 회로를 포함하고, 상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고, 상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따를 때, RFIC(radio frequency integrated circuit)는, 복수의 RF(radio frequency) 처리 체인들을 포함하고, 상기 복수의 RF 처리 체인들 각각은 위상 쉬프터(phase shifter) 및 도허티 전력 증폭기를 포함하고, 상기 도허티 전력 증폭기는, 차동(differential) 캐리어 증폭기, 차동 피킹 증폭기, 및 출력 정합 회로를 포함하고, 상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고, 상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 도허티 전력 증폭기에서 캐리어 증폭기(carrier amplifier)와 피킹 증폭기(peaking amplifier)가 매칭 회로를 공유하는 구조를 통해, 제품의 소형화를 달성함과 동시에 증폭 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 1b는 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기를 포함하는 RFIC(radio frequency integrated circuit)의 예를 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티(doherty) 구조를 통해 개선하고자 하는 전력 증폭기(power amplifier)의 예를 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 예를 도시한다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 차동 페어(differential pair) 배치의 예를 도시한다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 차동 페어 배치의 다른 예를 도시한다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 설명에서 사용되는 전자 장치의 부품을 지칭하는 용어(예: 기판(substrate), 기판(plate), PCB(print circuit board), FPCB(flexible PCB), 모듈, 안테나, 안테나 소자, 회로, 프로세서, 칩, 구성요소, 기기), 부품의 형상을 지칭하는 용어(예: 구조체, 구조물, 지지부, 접촉부, 돌출부, 개구부), 구조체들 간 연결부를 지칭하는 용어(예: 연결부, 접촉부, 지지부, 컨택 구조체, 도전성 부재, 조립체(assembly)), 회로를 지칭하는 용어(예: PCB, FPCB, 신호선, 급전선(feeding line), 데이터 라인(data line), RF 신호 선, 안테나 선, RF 경로, RF 모듈, RF 회로) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다. 또한, 이하 사용되는 '...부', '...기', '...물', '...체' 등의 용어는 적어도 하나의 형상 구조를 의미하거나 또는 기능을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용될 수 있으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project), IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템에서 전력 증폭기 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 전력 증폭기로서, 기존의 stacked 형태의 증폭기 대신, 도허티 전력 증폭기를 제안한다. 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기가 하나의 출력 정합 회로와 결합되고, 커패시터 및 인덕터들의 배치를 통해, 도허티 전력 증폭기의 효율을 높이고, 제품의 소형화를 달성하기 위한 기술이 서술된다.
도 1a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1a는 무선 통신 시스템에서 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(110), 단말(120), 단말(130)을 예시한다. 도 1a는 하나의 기지국만을 도시하나, 기지국(110)과 동일 또는 유사한 다른 기지국이 더 포함될 수 있다.
기지국(110)은 단말(120)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국(110)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(110)은 기지국(base station) 외에 mmWave (millimeter wave) 장비, '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '5G 노드비(5G NodeB, NB)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', '액세스 유닛(access unit)', '분산 유닛(distributed unit, DU)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)','무선 유닛(radio unit, RU), MMU(massive MIMO(multiple input multiple output)unit), 원격 무선 장비(remote radio head, RRH) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다. 기지국(110)은 하향링크 신호를 송신하거나 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
단말(120)은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(110)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 경우에 따라, 단말(120)은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 즉, 단말(120)은 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말(120)은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '고객 댁내 장치'(customer premises equipment, CPE), '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', 또는 '차량(vehicle)용 단말', '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
도 1a에 도시된 단말(120), 단말(120)은 차량 통신을 지원할 수 있다. 차량 통신의 경우, LTE 시스템에서는 장치간 통신(device-to-device, D2D) 통신 구조를 기초로 V2X 기술에 대한 표준화 작업이 3GPP 릴리즈 14과 릴리즈 15에서 완료되었으며, 현재 5G NR 기초로 V2X 기술을 개발하려는 노력이 진행되고 있다. NR V2X에서는 단말과 단말 간 유니캐스트(unicast) 통신, 그룹캐스트(groupcast)(또는 멀티캐스트(multicast)) 통신, 및 브로드캐스트(broadcast) 통신을 지원한다.
본 개시의 실시 예들에서 서술되는 전력 증폭기(power amplifier)는 RF(radio frequency)의 전력 증폭을 위해 이용되는 구성요소로써, 기지국에서의 신호 전송을 예로 발명의 동작 및 구성을 설명하나, 본 개시의 실시 예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 제안되는 전력 증폭기의 구조 및 이를 포함하는 장비는 기지국뿐만 아니라 단말에서 구현될 수도 있다. 즉, 기지국의 하향링크 전송뿐만 아니라, 단말의 상향링크 전송, 단말의 사이드링크 통신에도 본 개시의 실시 예들이 이용될 수 있다.
도 1b는 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기를 포함하는 RFIC(radio frequency integrated circuit)의 예를 도시한다. 5G 통신에서, mmWave 대역에서의 효율적인 통신을 위해 mmWave phased array RFIC가 개발 중이다. mmWave 대역에서 높은 통신 성능을 위해, IC 내 고출력(high power), 고효율(highly efficient), 고선형(highly linear)한 전력 증폭기(power amplifier, PA)(예: CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)/Si(silicon)-based PA)의 개발이 요구된다.
도 1b를 참고하면, RFIC(160)는 복수의 RF 체인들(170-0, 170-1, 170-2, ..., 170-15)을 포함할 수 있다. RFIC(160)에 입력되는 RF 신호(190)는 분배기(혹은 결합기, 커플러)(165)를 통해(190) 각 RF 체인에게 분배될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 분배기(165)는 수동 소자 혹은 능동 소자로 구성될 수 있다.
복수의 RF 체인들(170-0, 170-1, 170-2, ..., 170-15) 각각은 위상 변환기(phase shifter)를 포함할 수 있다. 위상 변환기는, 각 안테나 엘리멘트에게 전달될 신호를 위상 변환시킬 수 있다. RFIC는, 방사 소자마다 독립적인 위상(phase)이 설정되는 위상 배열(phased array) 안테나를 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 위상 변환된 신호는 전력 증폭기로 전달될 수 있다.
복수의 RF 체인들(170-0, 170-1, 170-2, ..., 170-15) 각각은 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 무선 통신 시스템에서 기지국 혹은 단말의 송신 신호는 무선 채널을 통해 전달되기 때문에, 심한 감쇄를 겪는다. 이를 위해, 기지국 또는 단말의 송신기는 송신 신호의 증폭을 위한 증폭기를 포함하도록 구성될 수 있다. 에어(air)로 전달되는 신호의 증폭을 위해, 복수의 RF 체인들 각각에 전력 증폭기가 배치될 수 있다. 전력 증폭기는 인가된 신호를 증폭하여 안테나에게 전달할 수 있다. 도 1b에서는 도시되지 않았으나, 전력 증폭기를 통과한 신호는 필터 및 전송 선로를 거쳐 안테나(예: 어레이 안테나의 안테나 엘리멘트)에게 전달된다.
도 1b에서는, 본 개시의 실시 예들을 통해 제안하고자 하는 RFIC의 예시적인 구조가 서술되었다. RFIC이 내부에는 도 3 내지 도 5를 통해 후술되는 도허티 전력 증폭기가 배치될 수 있다. 또한, RFIC의 각 RF 체인에 도 3 내지 도 5를 통해 후술되는 도허티 전력 증폭기가 배치될 수 있다. 한편, 도 1b에 도시된 RFIC 구조는 RF 신호 입력부터 안테나까지의 전달 과정을 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐이다. 즉, 도 1b가, 본 개시의 실시 예들 중에서, 후술되는 도허티 전력 증폭기를 포함하면서 도 1b와 다른 구조를 갖는 RFIC를 배제하는 것으로 해석되지 않는다.
전력 증폭기는 위상 배열(phased array)에 필요한 RF 체인들의 수만큼(예를 들어, 기지국용 RFIC의 경우 일반적으로 16~32개의 체인들 사용) IC 내에서 구현이 필요하다. 따라서, 전력 증폭기의 성능은 RFIC의 전체 성능에 영향을 미친다. 높은 성능 및 고효율을 위해, 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기는 도허티 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 즉, 고효율 전력 증폭기를 구현하기 위해, RFIC에 도허티 구조가 적용될 수 있다. 그러나, 5G(예: NR(new radio) 신호의 넓은 대역폭(bandwidth), RFIC의 면적 제한 등의 문제로 도 2와 같이 일반적인 도허티 구조를 mmWave phased array RFIC에 그대로 적용하기 어려운 문제가 있다. 뿐만 아니라, RF 경로들의 증가로 요구되는 전력 증폭기들의 개수 또한 증가하고 있어, 전력 증폭기의 소형화 또한 요구된다. 이하, 도 2를 통해 기존의 도허티 전력 증폭기의 문제점 및 본 개시의 실시 예들을 통해 개선하고자 하는 특징이 서술된다.
도 2는 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 구조를 통해 개선하고자 하는 전력 증폭기(power amplifier, PA)의 예를 도시한다. 도허티 전력 증폭기는 캐리어(carrier) 증폭기 및 피킹(peaking) 증폭기를 포함할 수 있다. 캐리어 증폭기는 주 증폭기(main amplifier), 피킹 증폭기는 보조 증폭기(auxiliary amplifier)로 대신 지칭될 수도 있다. 일반적으로, 저출력에서는 고효율을 유지하기 위해 캐리어 증폭기가 동작하고, 고출력에서는 두 증폭기들, 즉 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 병행해서 동작하게 된다. 증폭기의 요구 특성에 따라서, 두 증폭기들의 비(ratio)를 다르게 할 수 있다. 이 때, 임피던스 정합(impedance matching) 문제와 전력 결합(power combining) 문제가 발생할 수 있다. 이를 해소하기 위해, 도허티 전력 증폭기는 출력 정합 회로를 포함할 수 있다.
캐리어 증폭기는 일반적으로 AB급(동작점이 A급 바이어스로 이동) 혹은 B급(트랜지스터의 차단점에 동작점의 증폭기이나, 피킹 증폭기는 일반적으로 C급(트랜지스터의 차단점 이하에 동작점) 증폭기로, 많은 왜곡을 형성한다. 형성된 왜곡은 캐리어 증폭기의 왜곡과 서로 상쇄되도록, 바이어스가 조정됨으로써, 선형성이 유지된다. 도허티 전력 증폭기는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 연결하기 위한 구조를 포함할 수 있다. 이 때, 도허티 전력 증폭기는 쿼터-웨이브 변환기(quarter-wave transformer, λ/4 line)와 연결될 수 있다. 도허티 전력 증폭기는, 쿼터-웨이브 변환기에 기반하여, 캐리어(carrier) 증폭기 및 피킹(peaking) 증폭기를 병렬로 연결하는 구조를 가질 수 있다. 전력 레벨이 증가함에 따라 상기 피킹 증폭기가 부하(load)에 공급하는 전류의 양이 증가되고, 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각의 부하 임피던스의 조절 및 임피던스 매칭을 통해 증폭기의 효율을 높일 수 있다. 구체적으로, 도허티 전력 증폭기의 기본 동작원리는 피킹 증폭기의 출력 전류에 의한 부하 변조(load modulation, 혹은 (Active Load Pull))로 설명이 가능하다. 도허티 증폭기의 동작은 낮은 전력 레벨 영역과 부하 변조가 일어나는 중간 전력 레벨 영역, 그리고 최대 전력 레벨 영역의 세 가지로 구별될 수 있다. 낮은 전력 레벨 영역에서 피킹 증폭기는 동작하지 않는다. 피킹 증폭기는 개방회로(open circuit)으로 보일 수 있다. 이 때, 캐리어 증폭기는 2Ropt 　 (Ropt: 증폭기의 최적 부하 임피던스)로 동작할 수 있다. 캐리어 증폭기의 효율은 출력 전력이 증가됨에 따라 동시에 증가되며 최대 출력레벨로부터 6dB백오프된 지점에서 포화될 수 있다. 중간 전력 레벨 영역에서 캐리어 증폭기는 포화되어 최대효율로 동작할 수 있다. 입력전력이 증가하여 중간전력 레벨인 6dB 백오프된 지점에 도달하게 되면 피킹 증폭기가 동작할 수 있다. 임피던스 변환 회로는 2Ropt에서　Ropt로 부하 변조를 발생시킬 수 있다. 최대 전력 레벨 영역에서 보면 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 부하는　Ropt로 동작하며 각각의 증폭기는 출력 전력의 절반을 공급할 수 있다.
도 2를 참고하면, 차동 도허티 전력 증폭기의 구조가 예시된다. 도 2에 도시되는 전력 증폭기들 각각은, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 각각에서 변압기(transformer)를 통해 구현되는 출력 정합 회로를 포함하고, λ/4 변환기(transformer)를 통해 출력 전력을 결합하는 구조를 갖는다.
일 예로, 제1 도허티 전력 증폭기(240)는 제1 캐리어 증폭기(241) 및 제1 피킹 증폭기(242)를 포함할 수 있다. 제1 캐리어 증폭기(241)는 제1 주 매칭 회로(251)와 연결될 수 있다. 제1 주 매칭 회로(251)는, 임피던스 매칭을 위한 제1 커패시터(CMAT1), 변압기, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제1 피킹 증폭기(242)는 제1 보조 매칭 회로(252)와 연결될 수 있다. 제1 보조 매칭 회로(252)는, 임피던스 매칭을 위한 제1 커패시터(CMAT1), 변압기, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 도허티 전력 증폭기(240)는 제1 캐리어 증폭기(241)를 위한 쿼터-웨이브 변환기(253)를 포함할 수 있다. 쿼터-웨이브 변환기(253)는 λ/4 파장(quarter-wave)의 길이를 갖는 전송 선로(transmission line)일 수 있다. 제1 도허티 전력 증폭기(240)의 결합 구조는 최소 2개의 변압기들과 λ/4 파장의 길이를 갖는 전송 선로가 요구되므로, 증폭기 설계를 위해 큰 면적이 요구된다. 특히, 재1 피킹 증폭기(242)가 비활성화되는 저전력 동작 시, 제1 피킹 증폭기(242)의 출력 쪽으로 보이는 임피던스(Zout,peaking)(254)는 변압기와 트랜지스터가 갖는 출력 커패시턴스로 인해, 주파수에 따라 크게 변한다. 이러한 변동성은 광대역 특성에서 증폭기 성능의 열화를 야기한다. 따라서, 제1 도허티 전력 증폭기(240)의 결합 구조는 mmWave phased array RFIC 구현이 쉽지 않은 문제가 있다.
일 예로, 제2 도허티 전력 증폭기(260)는 제2 캐리어 증폭기(261) 및 제2 피킹 증폭기(262)를 포함할 수 있다. 제2 캐리어 증폭기(261)는 제2 주 매칭 회로(261)와 연결될 수 있다. 제2 주 매칭 회로(271)는, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT1), 변압기, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT2+ Cλ/4)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 피킹 증폭기(272)는 제2 보조 매칭 회로(252)와 연결될 수 있다. 제2 보조 매칭 회로(272)는, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT1), 변압기, 임피던스 매칭을 위한 제2 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 도허티 전력 증폭기(260)는 제2 캐리어 증폭기(261)를 위한 쿼터-웨이브 변환기(253)를 포함할 수 있다. 쿼터-웨이브 변환기(273)는 인덕터(inductor)나 커패시터(capacitor)와 같은 적어도 하나의 집중 소자들을 포함할 수 있다. 쿼터-웨이브 변환기(273)는 임피던스 매칭을 위한 C-L-C 회로를 포함할 수 있다. 이 때, 쿼터-웨이브 변환기(273)는 변압기의 출력 커패시터(CMAT2)를 이용할 수 있다. 쿼터 웨이브 변환기(273)는 출력 커패시터(CMAT2)를 이용하여 임피던스 변환을 위한 커패시터(Cλ/4)와 임피던스 변환을 위한 인덕터(Lλ/4)를 포함할 수 있다. 이 때, 일 실시 예에 따라, 병렬 배치되는 커패시터들의 합과 같이, 제2 커패시터는 하나로 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 출력 쪽으로 보이는 임피던스(Zout,peaking)(254)가 변압기와 트랜지스터가 갖는 출력 커패시턴스로 인해, 주파수에 따라 크게 변하므로, 제2 도허티 전력 증폭기(260)는 광대역에 적합하지 않은 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 본 개시에서는 증폭기(예: 트랜지스터(transistor)가 갖는 기생 출력 커패시터(output capacitor)를 이용하고, 쿼터-웨이브 변환기로 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 결합한 후, 임피던스 매칭을 위한 출력 정합 회로를 구현하는 도허티 출력 결합 구조가 제안된다. 쿼터-웨이브 변환기로 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 결합한 후, 출력 정합 회로를 구현함으로써, 요구되는 변압기의 개수가 하나로 감소한다. 이를 통해, 증폭기의 구현 면적이 감소할 뿐만 아니라 변압기에 의해 광대역(wideband) 특성의 열화가 최소화된다. 뿐만 아니라, 본 개시의 실시 예들은 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 간의 배치 방법을 제안한다. 두 증폭기들 간의 대칭적인 구조를 통해, 각 전력 증폭기에서 그라운드(ground, GND)의 비대칭에 의한 영향이 최소화될 수 있다. 또한, 대칭적인 구조를 통해, 공간 효율(efficiency)을 높임으로써, 선현성이 높은 차동 증폭기 설계 시 요구되는 2차 하모닉 제거(2nd harmonic termination) 혹은 중성화 커패시터(neutralization capacitor)를 위한 회로의 공간의 확보가 가능하다.
도 2에서는, 본 개시의 실시 예들을 통해 제안하고자 하는 구조를 위해, 도허티의 일반적인 설명이 함께 서술되었다. 도 2에 도시된 도허티 전력 증폭기는 특정 배치의 문제를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐이므로, 도허티 전력 증폭기의 일반적인 설명들(예: 캐리어 증폭기, 피킹 증폭기, 백오프 동작, Ropt)은 도 3 내지 도 5를 통해 후술되는 도허티 전력 증폭기에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2를 통해 언급되는 종래 구조의 문제점을 해결하기 위해, 본 개시의 실시 예들은, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 각각 따로 매칭(즉, 출력 정합)하는 것이 아니라, 쿼터-웨이브 변환기를 통해 증폭기의 출력들을 결합한 후, 변압기를 이용하여 결합된 출력을 정합하는 방안을 제안한다. 이하, 도 3 내지 도 5를 통해, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기에 공통된 출력 정합 회로 및 각 증폭기의 커패시터를 쿼터-웨이브 변환기를 위해 이용함으로써, 광대역 성능을 충족함과 동시에 소형화를 달성하기 위한 도허티 전력 증폭기의 구조가 서술된다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 예를 도시한다. OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 시스템은 높은 PAPR(peak to average power ratio)을 발생시킨다. 5G NR 또한 OFDM 시스템을 사용할 뿐만 아니라, 64 QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 1024 QAM 등 높은 고차 변조 방식으로 인해 높은 PAPR 문제는 계속 발생할 수 있다. 높은 PAPR은 전력 증폭기에서 낮은 백오프(backoff) PAE 효율성을 갖기 때문에, 본 개시에서는 도허티 전력 증폭기가 제안된다. 여기서, 공통 매칭 회로란, 도허티 전력 증폭기의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기에 의해 공유되는 매칭 회로를 지칭한다. 다시 말해, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기는 각각 매칭 회로를 갖는 것이 아니라, 같은 회로를 공유할 수 있다. 공통 매칭 회로는, 출력 정합 회로로 지칭될 수 있다.
도 3을 참고하면, 도허티 전력 증폭기(300)는 차동 구조의 전력 증폭기 2개에 기반하여 설계될 수 있다. 도허티 전력 증폭기(300)는 캐리어 증폭기(331), 피킹 증폭기(332)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 캐리어 증폭기(331)는 차동 증폭기로 구성될 수 있다. 캐리어 증폭기(331)는 (+)단자의 입력단, (-)단자의 입력단을 포함하고, 두 입력단들의 차이에 대응하는 신호를 증폭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 증폭기(331)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터, (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 피킹 증폭기(332)는 차동 증폭기로 구성될 수 있다. 피킹 증폭기(332)는 (+)단자의 입력단, (-)단자의 입력단을 포함하고, 두 입력단들의 차이에 대응하는 신호를 증폭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 피킹 증폭기(332)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터, (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다.
캐리어 증폭기(331)에는 임피던스 변환 회로(340)가 연결될 수 있다. 임피던스 변환 회로(340)는, 도허티 동작 시(피킹 증폭기(332) 동작 시)), 캐리어 증폭기(331)의 출력 임피던스 Ropt가 되도록 구성될 수 있다. Ropt는 증폭기가 최대 출력과 효율을 낼 수 있는 임피던스를 의미한다. 임피던스 변환 회로(340)에 의한 위상 변화는 피킹 증폭기의 입력단에 위상 지연 성분을 추가하여 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 위상을 일치시킨다, 본 개시의 실시 예들에 따를 때, 임피던스 변환 회로(340)는 λ/4 변환기로 기능하기 위한 C-L-C 연결 구조를 포함할 수 있다. C-L-C 연결 구조는, 증폭기의 출력 양단에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(Cλ/4), 양단에 직렬로 연결되는 인덕터들(Lλ/4), 및 인덕터들 이후 병렬로 연결되는 제2 커패시터(Cλ/4)를 포함할 수 있다. C-L-C 구조를 구현하기 위한 제1 커패시터(Cλ/4)는 동작 주파수 (fc)와 ROPT 값에 의해 결정되고, (Cλ/4=1/(2ðfcROPT)), 이는 캐리어 증폭기(331)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,carrier)에 캐패시턴스(도 3의 α)가 추가됨으로써 구현된다. 마찬가지로, C-L-C 구조를 구현하기 위한 제2 커패시터(Cλ/4)는 피킹 증폭기(332)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,peaking)에 커패시턴스(도 3의 β)가 추가됨으로써 구현된다. 캐리어 증폭기(331) 및 피킹 증폭기(332) 각각은 트랜지스터들로 구성될 수 있다. 이 때, Cout,carrier는 캐리어 증폭기(331)를 구성하는 트랜지스터(들)의 기생 출력 커패시터를 나타낸 것으로, 실제 회로에서는 제1 캐패시터를 구현하기 위해 α(F)에 대응하는 커패시터만이 부가된다. 마찬가지로, Cout,peaking는 피킹 증폭기(332)를 구성하는 트랜지스터(들)의 기생 출력 캐패시터를 나타낸 것으로, 실제 회로에서는 제2 캐패시터를 구현하기 위해 β(F)에 대응하는 커패시터만이 부가된다. λ/4 변환기의 매칭 기능을 위해 증폭기의 출력 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
캐리어 증폭기(331)와 피킹 증폭기(332)는 공통 매칭 회로(350)에 연결될 수 있다. 이 때, 캐리어 증폭기(331)는 상술된 임피던스 변환 회로(340)를 통해 공통 매칭 회로(350)과 연결되나 피킹 증폭기(332)는 바로 공통 매칭 회로(350)과 연결될 수 있다. 도 3에서는, 캐리어 증폭기(331)에만 임피던스 변환 회로가 부가되었으나 본 개시의 실시 예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 피킹 증폭기(332)에만 임피던스 변환기가 연결될 수 있다. 다른 예를 들어, 캐리어 증폭기(331) 및 피킹 증폭기(332)에 서로 다른 임피던스 변환기가 구성될 수도 있다.
공통 매칭 회로(350)는 임피던스 매칭을 위한 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는, 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해, 커패시터들을 포함할 수 있다. 변압기는 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해 1차 커패시터(CMAT1) 및 2차 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 1차 커패시터(CMAT1)는 임피던스 변환 회로(340)의 제2 커패시터(Cλ/4)와 병렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 커패시터의 면적 감소를 위해, 1차 커패시터(CMAT1)와 제2 커패시터(Cλ/4)는, 제2 커패시터(Cλ/4 + CMAT1)의 커패시턴스를 갖는 하나의 커패시터로 대체될 수 있다. 병렬 연결되는 커패시터들은, 커패시턴스들의 합을 갖는, 하나의 커패시터로 대체될 수 있기 때문에, 공통 매칭 회로(350)는 임피던스 변환기의 구성요소와 변압기의 1차 커패시터로 함께 기능하는 커패시터(이하, 공유 커패시터)를 포함할 수 있다. 이 때, 변압기의 입력단과 C-L-C 구조에서 부가적으로 요구되는 커패시턴스 값을 β 라고 가정하자. 피킹 증폭기인 트랜지스터의 기생 출력 커패시터(이하, 피킹 커패시터)의 커패시턴스 값이 Cout,peaking라면, 공유 커패시터는 β 의 커패시턴스를 부가함으로써, 공유 커패시터가 Cout,peaking+ β 의 커패시턴스를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 출력 정합(부하 임피던스와의 매칭) 기능을 위해 공유 커패시터가 임피던스 변환 회로(340) 및 공통 매칭 회로(350) 모두의 일부 구성 요소로써 배치될 수 있다. 증폭기의 공유 커패시터의 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력 커패시터를 C-L-C로 구현되는 쿼터-웨이브 변환기의 일부 구성 요소로 활용함으로써, 본 개시의 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기는 도 2와 같은 종래 구조에서 필요했던 변압기의 개수를 줄여 면적을 최소화한다. 또한, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 공통 매칭 회로(350)를 갖는 구조뿐만 아니라, 캐리어 증폭기의 출력 커패시터와 피킹 증폭기의 출력 커패시터들이 도허티 전력 증폭기의
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/4 변환기로 기능하도록 재이용됨으로써, 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 전력 증폭기의 면적이 보다 감소할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 개시의 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기는, 저전력 동작 시, 피킹 증폭기(332)의 출력 단의 임피던스(Zout,peaking)(254)가 주파수에 따라 크게 변하면서 생기는 광대역 특성 열화를 최소화할 수 있다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 차동 페어(differential pair) 배치의 예를 도시한다. 도 4는, 도 3에 도시된 도허티 전력 증폭기(300) 내 구성 요소들의 배치의 예를 나타낸다. 즉, 도 3의 도허티 전력 증폭기(300)에 대한 설명이 동일 또는 유사한 방식으로 적용될 수 있다.
도 4를 참고하면, 도허티 전력 증폭기(400)는 차동 구조의 전력 증폭기 2개에 기반하여 설계될 수 있다. 도허티 전력 증폭기(400)는 (+)단의 캐리어 증폭기(431a), (-)단의 캐리어 증폭기(431b), (+)단의 피킹 증폭기(432a), (-)단의 피킹 증폭기(432b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, (+)단의 캐리어 증폭기(431a)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. (-)단의 캐리어 증폭기(431b)는 (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, (+)단의 피킹 증폭기(432a)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. (-)단의 피킹 증폭기(432b)는 (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 도 4에는 도시되지 않았으나, 입력단에서 커플러(또는 디바이더, 스플리터)를 통해 입력 신호는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 분배되어 전달될 수 있다. (+)단의 입력 신호는, (+)단의 캐리어 증폭기(431a)와 (+)단의 피킹 증폭기(432a) 각각에게 분배되어 전달될 수 있다. (-)단의 입력 신호는, (-)단의 캐리어 증폭기(431b)와 (-)단의 피킹 증폭기(432b) 각각에게 분배되어 전달될 수 있다.
캐리어 증폭기의 출력단에 임피던스 변환 회로(440)이 배치될 수 있다. 임피던스 변환 회로(440)는, 도허티 증폭기가 최대 출력으로 동작할 시(피킹 증폭기 동작 시), 캐리어 증폭기의 출력 임피던스 Ropt가 되도록 구성될 수 있다. Ropt는 증폭기가 최대 출력과 효율을 낼 수 있는 임피던스를 의미한다. 임피던스 변환 회로(440)는, λ/4 변환기로 기능하도록 구현될 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따를 때, 임피던스 변환 회로(440)는 λ/4 변환기로 기능하기 위한 C-L-C 연결 구조를 포함할 수 있다. C-L-C 연결 구조는, (+)단의 캐리어 증폭기(431a)(혹은 트랜지스터)의 출력단 (-)단의 캐리어 증폭기(431b)(혹은 트래진스터)의 출력단에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(Cλ/4), (+)단의 캐리어 증폭기(431a)(혹은 트랜지스터)의 출력단 (-)단의 캐리어 증폭기(431b)(혹은 트래진스터)의 출력단 각각에 직렬로 연결되는 인덕터들(Lλ/4), 및 인덕터들 이후 병렬로 연결되는 제2 커패시터(Cλ/4)를 포함할 수 있다. C-L-C 구조를 구현하기 위한 제1 커패시터(Cλ/4)는 동작 주파수 (fc)와 ROPT 값에 의해 결정되고, (Cλ/4=1/(2ðfcROPT)), 이는 캐리어 증폭기(431a, 431b)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,carrier)에 캐패시턴스(도 4의 α)가 추가됨으로써 구현된다. 마찬가지로, C-L-C 구조를 구현하기 위한 제2 커패시터(Cλ/4)는 피킹 증폭기(432a, 432b)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,peaking)에 커패시턴스(도 4의 β)가 추가됨으로써 구현된다. λ/4 변환기의 매칭 기능을 위해 증폭기의 출력 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
(+)단의 캐리어 증폭기(431a), (+)단의 피킹 증폭기(432a), (-)단의 캐리어 증폭기(431b), 및 (-)단의 피킹 증폭기(432b) 각각의 출력단은 공통 매칭 회로(450)에 연결될 수 있다. 이 때, (+)단의 캐리어 증폭기(431a) 및 (-)단의 캐리어 증폭기(431b)는 상술된 임피던스 변환 회로(440)를 통해 공통 매칭 회로(450)와 연결되나, (+)단의 피킹 증폭기(432a) 및 (-)단의 피킹 증폭기(432b)는 바로 공통 매칭 회로(450)과 연결될 수 있다. 공통 매칭 회로(450)는 임피던스 매칭을 위한 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는, 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해, 커패시터들을 포함할 수 있다. 변압기는 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해 1차 커패시터(CMAT1) 및 2차 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 1차 커패시터(CMAT1)는 임피던스 변환 회로(440)의 제2 커패시터(Cλ/4)와 병렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 커패시터의 면적 감소를 위해, 1차 커패시터(CMAT1)와 제2 커패시터(Cλ/4)는, 제2 커패시터(Cλ/4 + CMAT1)의 커패시턴스를 갖는 하나의 커패시터로 대체될 수 있다. 병렬 연결되는 커패시터들은, 커패시턴스들의 합을 갖는, 하나의 커패시터로 대체될 수 있기 때문에, 공통 매칭 회로(450)는 임피던스 변환기의 구성요소와 변압기의 1차 커패시터로 함께 기능하는 커패시터(이하, 공유 커패시터)를 포함할 수 있다. 이 때, 변압기의 입력단에서 부가적으로 요구되는 커패시턴스 값을 β 라고 가정하자. 피킹 증폭기인 트랜지스터의 기생 출력 커패시터의 커패시턴스 값이 Cout,peaking라면, 공유 커패시터는 Cout,peaking+ β 의 커패시턴스를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 출력 정합(부하 임피던스와의 매칭) 기능을 위해 공유 커패시터가 임피던스 변환 회로(440) 및 공통 매칭 회로(450) 모두의 일부 구성 요소로써 배치될 수 있다. 증폭기의 공유 커패시터의 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기를 RFIC에 설계하기 위해서는, 도 4에 도시된 집중 소자들(예: 인덕터 또는 커패시터) 및 트랜지스터들의 적절한 배치가 요구된다. 일부 실시 예들에서, 적절한 배치는, 각 구성요소(component)의 대칭적인 배치를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 그라운드(ground, GND)로부터 대칭적인 설계를 위해, (+)입력단의 구성요소들과 (-)입력단의 구성요소들은 실질적으로 대칭(symmetric)이 되도록 배치될 수 있다. 물리적인 선로 길이가 달라질수록, 신호가 겪는 손실 또한 달라질 수 있기 때문이다. 임피던스 변환 회로(440) 및 공통 매칭 회로(450)가 커패시터를 공유하도록 배치될 수 있다. 해당 커패시터를 중심으로 일 측에는 (+)단의 캐리어 증폭기(431a), (+)단의 피킹 증폭기(432a), 다른 일 측에는 (-)단의 캐리어 증폭기(431b), (-)단의 피킹 증폭기(432b)가 위치할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 집중 소자들인 커패시터들 및 인덕터들 또한 대칭적으로 배치될 수 있다. 캐리어 증폭기의 출력 커패시터와 피킹 증폭기의 출력 커패시터 사이에 위치하는 인덕터들은 각각 서로 다른 측에 위치할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력 정합을 위해 하나의 공통 매칭 회로(450)가 도허티 전력 증폭기(400)에 포함되므로, 공통 매칭 회로(450)는 (+)단의 구성 요소들과 (-)단의 구성 요소들 간의 중심 영역에 위치할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적절한 배치는, 여유 공간의 확보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기는 각 트랜지스터의 출력에서 2차 하모닉 성분의 제거를 위한 회로(예: L-C로 구성되는 저역 통과 필터(low pass filter)를 더 포함할 수 있다. 변압기 개수의 감소, 커패시터 개수의 감소로 이내 실장 면적이 감소할 수 있다. 뿐만 아니라, RF 구성 요소들의 대칭적인 배치를 통해, 여유 공간이 확보될 수 있다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기의 차동 페어 배치의 다른 예를 도시한다. 도 5는, 도 3에 도시된 도허티 전력 증폭기(300) 내 구성 요소들의 배치의 예를 나타낸다. 즉, 도 3의 도허티 전력 증폭기(300)에 대한 설명이 동일 또는 유사한 방식으로 적용될 수 있다.
도 5를 참고하면, 도허티 전력 증폭기(500)는 차동 구조의 전력 증폭기 2개에 기반하여 설계될 수 있다. 도허티 전력 증폭기(500)는 (+)단의 캐리어 증폭기(531a), (-)단의 캐리어 증폭기(531b), 및 피킹 증폭기(532)를 포함할 수 있다. 예를 들어, (+)단의 캐리어 증폭기(531a)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. (-)단의 캐리어 증폭기(531b)는 (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 피킹 증폭기(532)는 (+)단과 연결되는 트랜지스터 및 (-)단과 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 도 5에는 도시되지 않았으나, 입력단에서 커플러(또는 디바이더, 스플리터)를 통해 입력 신호는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 분배되어 전달될 수 있다. (+)단의 입력 신호는, (+)단의 캐리어 증폭기(531a)와 피킹 증폭기(532) 각각에게 분배되어 전달될 수 있다. (-)단의 입력 신호는, (-)단의 캐리어 증폭기(531b)와 피킹 증폭기(532) 각각에게 분배되어 전달될 수 있다.
캐리어 증폭기의 출력단에 임피던스 변환 회로(540)이 배치될 수 있다. 임피던스 변환 회로(540)는, 도허티 증폭기가 최대 출력으로 동작할 시 (피킹 증폭기 동작 시), 캐리어 증폭기의 출력 임피던스 Ropt가 되도록 구성될 수 있다. Ropt는 증폭기가 최대 출력과 효율을 낼 수 있는 임피던스를 의미한다. 임피던스 변환 회로(540)는, λ/4 변환기로 기능하도록 구현될 수 있다. 임피던스 변환 회로(540)는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 위상(phase)을 일치시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 변환 회로(540)는 위상 지연 성분을 포함하도록 구성될 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따를 때, 임피던스 변환 회로(540)는 λ/4 변환기로 기능하기 위한 C-L-C 연결 구조를 포함할 수 있다. C-L-C 연결 구조는, (+)단의 캐리어 증폭기(531a)(혹은 트랜지스터)의 출력단 (-)단의 캐리어 증폭기(531b)(혹은 트래진스터)의 출력단에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(Cλ/4), (+)단의 캐리어 증폭기(531a)(혹은 트랜지스터)의 출력단 (-)단의 캐리어 증폭기(531b)(혹은 트래진스터)의 출력단 각각에 직렬로 연결되는 인덕터들(Lλ/4), 및 인덕터들 이후 병렬로 연결되는 제2 커패시터(Cλ/4)를 포함할 수 있다. C-L-C 구조를 구현하기 위한 제1 커패시터(Cλ/4)는 동작 주파수 (fc)와 ROPT 값에 의해 결정되고, (Cλ/4=1/(2ðfcROPT)), 이는 캐리어 증폭기(531a, 531b)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,carrier)에 캐패시턴스(도 4의 α)가 추가됨으로써 구현된다. 마찬가지로, C-L-C 구조를 구현하기 위한 제2 커패시터(Cλ/4)는 피킹 증폭기(532)의 트랜지스터(TR)의 기생 출력 커패시터(Cout,peaking)에 커패시턴스(도 5의 β)가 추가됨으로써 구현된다. λ/4 변환기의 매칭 기능을 위해 증폭기의 출력 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
(+)단의 캐리어 증폭기(531a), (-)단의 캐리어 증폭기(531b), 및 피킹 증폭기(532) 각각의 출력단은 공통 매칭 회로(550)에 연결될 수 있다. 이 때, (+)단의 캐리어 증폭기(531a) 및 (-)단의 캐리어 증폭기(531b)는 상술된 임피던스 변환 회로(540)를 통해 공통 매칭 회로(550)와 연결되나, 피킹 증폭기(532)는 바로 공통 매칭 회로(550)과 연결될 수 있다. 공통 매칭 회로(550)는 임피던스 매칭을 위한 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는, 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해, 커패시터들을 포함할 수 있다. 변압기는 입력 대 출력 비율을 제어하기 위해 1차 커패시터(CMAT1) 및 2차 커패시터(CMAT2)를 포함할 수 있다. 1차 커패시터(CMAT1)는 임피던스 변환 회로(540)의 제2 커패시터(Cλ/4)와 병렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 커패시터의 면적 감소를 위해, 1차 커패시터(CMAT1)와 제2 커패시터(Cλ/4)는, 제2 커패시터(Cλ/4 + CMAT1)의 커패시턴스를 갖는 하나의 커패시터로 대체될 수 있다. 병렬 연결되는 커패시터들은, 커패시턴스들의 합을 갖는, 하나의 커패시터로 대체될 수 있기 때문에, 공통 매칭 회로(550)는 임피던스 변환기의 구성요소와 변압기의 1차 커패시터로 함께 기능하는 커패시터(이하, 공유 커패시터)를 포함할 수 있다. 이 때, 변압기의 입력단에서 부가적으로 요구되는 커패시턴스 값을 β 라고 가정하자. 피킹 증폭기인 트랜지스터의 기생 출력 커패시터의 커패시턴스 값이 Cout,peaking라면, 공유 커패시터는 Cout,peaking+ β 의 커패시턴스를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 출력 정합(부하 임피던스와의 매칭) 기능을 위해 공유 커패시터가 임피던스 변환 회로(540) 및 공통 매칭 회로(550) 모두의 일부 구성 요소로써 배치될 수 있다. 증폭기의 공유 커패시터의 커패시턴스의 값을 설정(일 실시 예에 따라, 가변 소자의 경우에는 제어, 다른 일 실시 예에 따라, 고정 소자의 경우에는 설계)함으로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 결합될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기를 RFIC에 설계하기 위해서는, 도 5에 도시된 집중 소자들(예: 인덕터 또는 커패시터) 및 트랜지스터들의 적절한 배치가 요구된다. 일부 실시 예들에서, 적절한 배치는, 각 구성요소(component)의 대칭적인 배치를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 그라운드(ground, GND)로부터 대칭적인 설계가 가능하도록, (+)입력단의 구성요소들과 (-)입력단의 구성요소들은 실질적으로 대칭(symmetric)이 되도록 배치될 수 있다. 물리적인 선로 길이가 달라질수록, 신호가 겪는 손실 또한 달라질 수 있기 때문이다. 임피던스 변환 회로(540) 및 공통 매칭 회로(550)이 커패시터를 공유하도록 배치될 수 있다. 해당 커패시터를 중심으로 일 측에는 (+)단의 캐리어 증폭기(531a)가 위치하고, 다른 일 측에는 (-)단의 캐리어 증폭기(531b)가 위치할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 집중 소자들인 커패시터들 및 인덕터들 또한 대칭적으로 배치될 수 있다. 캐리어 증폭기의 출력 커패시터와 피킹 증폭기의 출력 커패시터 사이에 위치하는 인덕터들은 각각 서로 다른 측에 위치할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력 정합을 위해 하나의 공통 매칭 회로(550)가 도허티 전력 증폭기(500)에 포함되므로, 공통 매칭 회로(550)는 (+)단의 구성 요소들과 (-)단의 구성 요소들 간의 중심 영역에 위치할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 피킹 증폭기(532)는 임피던스 매칭 회로(540)의 구성 요소들 사이에 위치할 수 있다. 피킹 증폭기(532)는 도허티 전력 증폭기(500) 내의 대칭적인 설계 시 효율적인 배치를 위해, 임피던스 매칭 회로(540)의 소자들 사이에서 배치도리 수 있다. 예를 들어, 캐리어 증폭기의 출력 커패시터와 피킹 증폭기의 출력 커패시터 사이에 위치할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적절한 배치는, 여유 공간의 확보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기는 각 트랜지스터의 출력에서 2차 하모닉 성분의 제거를 위한 회로(예: L-C로 구성되는 저역 통과 필터(low pass filter)를 더 포함할 수 있다. 변압기 개수의 감소, 커패시터 개수의 감소로 이내 실장 면적이 감소할 수 있다. 뿐만 아니라, RF 구성 요소들의 대칭적인 배치를 통해, 여유 공간이 확보될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 통해, 도허티 전력 증폭기의 구조로써, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 공유하는 출력 정합 회로(즉, 공통 매칭 회로), 캐리어 증폭기와 출력 정합 회로 사이에 위치하는 임피던스 변환 회로가 제안되었다. 도 3 내지 도 5에서는, 각 차동 증폭기의 소자들의 위치, 공간 확보에 따라 다양한 배치 시나리오들의 예들이 도시되었다.
도 3 내지 도 5에서 언급된 회로 구조들은 전력 증폭기를 필요로 하는 장비(예: mmWave phased array RFIC, RFIC를 포함하는 기지국, 단말)에서의 요구사항에 따라 적절히 선택되어 이용될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 도허티 증폭 회로의 각 구성 요소들은, 도 3 내지 도 5를 통해 공통적으로 언급되는 공통 매칭 회로 및 공유 커패시터 외에, 중성화 커패시터(neutralization capacitor)의 필요성, 입출력 경로의 고립(isolation), 2차 하모닉 단락 회로의 필요 여부 중 적어도 하나에 따라 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 전력 증폭기는, 중성화(neutralization) 커패시터를 더 포함할 수 있다. 차동 증폭기에서 발생하는 전극 간 정전 용량 문제를 해소하기 위한 중성화 커패시터가 도허티 전력 증폭기에 배치될 수 있다. 각 트랜지스터에서, 전극을 교차하도록 중성화 커패시터가 배치될 수 있다. 예를 들어, (+)출력단과 (-)입력단 사이에 커패시터가 배치될 수 있다. 도허티 전력 증폭기는 총 4개의 트랜지스터들(캐리어 증폭기)을 포함하므로, 추가적인 중성화 커패시터들의 배치를 위해 여유적인 공간 확보 혹은 다른 전극을 갖는 증폭기들 간의 거리이 고려된 회로 구조가 이용될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 전력 증폭기는, 각 트랜지스터의 출력에서 발생하는 하모닉 성분의 제거를 위해, 인덕터 혹은 커패시터로 구성되는 하모닉 제거 회로를 더 포함할 수 있다. 도허티 전력 증폭기는 총 4개의 트랜지스터들(캐리어 증폭기)을 포함하므로, 추가적인 중성화 커패시터들의 배치를 위해 여유적인 공간 확보를 위한 회로 구조가 이용될 수 있다.
도 3 내지 도 5에서 상술된, 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 전력 증폭기는 도 1b의 복수의 RF 체인들(170-0, 170-1, 170-2, ..., 170-15) 각각에 포함될 수 있다. 각 RF 체인의 신호는, 위상 변환기 및 본 개시의 실시 예들에 따른 도허티 전력 증폭기를 통과하여, 안테나 엘리멘트에게 전달될 수 있다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 공통 매칭 회로를 갖는 도허티 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다. 전자 장치(610)는, 도 1a의 기지국(110) 혹은 단말(120) 중 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자 장치(610)는 기지국(110)의 mmWave 대역에서 하나 이상의 RF 체인들을 포함하는 RFIC의 안테나 장비 일 수 있다. 도 1a 내지 도 5를 통해 언급된 증폭기 회로 구조뿐만 아니라, 이를 포함하는 전자 장치 또한 본 개시의 실시 예들에 포함된다. 전자 장치(601)는 도 1a 내지 도 5를 통해 언급된 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 매칭 회로를 공유하는 형태의 도허티 전력 증폭기를 RF 구성요소로써 포함할 수 있다.
도 6을 참고하면, 전자 장치(610)의 예시적인 기능적 구성이 도시된다. 전자 장치(610)은 안테나부(611), 필터부(612), RF(radio frequency) 처리부(613), 제어부(614)를 포함할 수 있다.
안테나부(611)는 다수의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 안테나는 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나는 상향 변환된 신호를 무선 채널 상에서 방사하거나 다른 장치가 방사한 신호를 획득할 수 있다. 각 안테나는 안테나 엘리멘트 또는 안테나 소자로 지칭될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안테나부(611)는 복수의 안테나 엘리멘트들이 열(array)을 이루는 안테나 어레이(antenna array)를 포함할 수 있다. 안테나부(611)는 RF 신호선들을 통해 필터부(612)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나부(611)는 다수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 PCB에 실장될 수 있다. PCB는 각 안테나 엘리멘트와 필터부(612)의 필터를 연결하는 복수의 RF 신호선들을 포함할 수 있다. 이러한 RF 신호선들은 급전 네트워크(feeding network)로 지칭될 수 있다. 안테나부(611)는 수신된 신호를 필터부(612)에 제공하거나 필터부(612)로부터 제공된 신호를 공기중으로 방사할 수 있다.
필터부(612)는 원하는 주파수의 신호를 전달하기 위해, 필터링을 수행할 수 있다. 필터부(612)는 공진(resonance)를 형성함으로써 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 필터부(612)는 대역 통과 필터(band pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter), 고역 통과 필터(high pass filter), 또는 대역 제거 필터(band reject filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 필터부(612)는 송신을 위한 주파수 대역 또는 수신을 위한 주파수 대역의 신호를 얻기 위한 RF 회로들을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 필터부(612)는 안테나부(611)와 RF 처리부(613)를 전기적으로 연결할 수 있다.
RF 처리부(613)는 복수의 RF 경로들을 포함할 수 있다. RF 경로는 안테나를 통해 수신되는 신호 혹은 안테나를 통해 방사되는 신호가 통과하는 경로의 단위일 수 있다. 적어도 하나의 RF 경로는 RF 체인으로 지칭될 수 있다. RF 체인은 복수의 RF 소자들을 포함할 수 있다. RF 소자들은 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 처리부(613)는 기저대역(base band)의 디지털 송신신호를 송신 주파수로 상향 변환하는 상향 컨버터(up converter)와, 상향 변환된 디지털 송신신호를 아날로그 RF 송신신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)를 포함할 수 있다. 상향 컨버터와 DAC는 송신경로의 일부를 형성한다. 송신 경로는 전력 증폭기(power amplifier, PA) 또는 커플러(coupler)(또는 결합기(combiner))를 더 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, RF 처리부(613)는 아날로그RF 수신신호를 디지털 수신신호로 변환하는 ADC(analog-to-digital converter)와 디지털 수신신호를 기저대역의 디지털 수신신호로 변환하는 하향 컨버터(down converter)를 포함할 수 있다. ADC와 하향 컨버터는 수신경로의 일부를 형성한다. 수신 경로는 저전력 증폭기(low-noise amplifier, LNA) 또는 커플러(coupler)(또는 분배기(divider))를 더 포함할 수 있다. RF 처리부의 RF 부품들은 PCB에 구현될 수 있다. 기지국(610)은 안테나 부(611)-필터부(612)-RF 처리부(613) 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 안테나들과 RF 처리부의 RF 부품들은 PCB 상에서 구현될 수 있고, PCB와 PCB 사이에 필터들이 반복적으로 체결되어 복수의 층들(layers)을 형성할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 RF 처리부(613)는 안테나부(111), 필터부(612)로 전달되는 복수의 신호 경로들을 위한 복수의 RF 처리 체인들을 포함할 수 있다. mmWave를 위한 RFIC는 복수의 RF 처리 체인들을 포함할 수 있다. 기저대역(baseband)에서 인가되는 신호는 RFIC에 입력된다. RFIC에 입력되는 신호는 각 안테나 엘리멘트에게 분배된다. 이 때, 빔포밍을 위해, 안테나 엘리멘트들 각각에 독립적인 위상 천이가 적용될 수 있다. 따라서, RFIC는 각 안테나 엘리멘트로 전달될 신호의 처리를 위한 RF 처리 체인들을 포함할 수 있다. 각 RF 처리 체인은, RF 신호 처리를 위한 하나 이상의 RF 구성 요소들을 포함할 수 있다. RF 처리부(613)는 본 개시의 실시 예들에 따른 각 RF 경로에서 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 공통적인 출력 정합 회로를 갖는 도허티(doherty) 전력 증폭기(power amplifier)를 포함할 수 있다. 도허티 전력 증폭기는, 출력 정합 회로의 튜닝 커패시터를 이용하는, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 임피던스 변환을 위한 쿼터-웨이브 변환기를 포함할 수 있다.
제어부(614)는 전자 장치(610)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 제어부 (614)은 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈들을 포함할 수 있다. 제어부(614)는 모뎀(modem)과 같은 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 제어부(614)는 디지털 신호 처리(digital signal processing)을 위한 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(614)는 모뎀을 포함할 수 있다. 데이터 송신 시, 제어부(614)은 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 예를 들어, 데이터 수신 시, 제어부(614)은 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 제어부(614)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다.
도 6에서는 본 개시의 전력 증폭기가 활용될 수 있는 장비로서, 전자 장치 (610)의 기능적 구성을 서술하였다. 그러나, 도 6에 도시된 예는 도 1a 내지 도 5를 통해 서술된 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 활용을 위한 예시적인 구성일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도 6에 도시된 장비의 구성 요소들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 임피던스 매칭 회로를 포함하는 전력 증폭기를 포함하는 RF 모듈, RFIC, 다른 구성의 통신 장비, 전력 증폭기를 위한 구조물 자체 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다.
본 개시에서는 전력 증폭기 필터 및 이를 포함하는 전자 장치를 설명하기 위해, 기지국 또는 mmWave 대역의 신호 전달을 위한 기지국의 장비(예: RU(radio unit) 혹은 AU(access unit)가 예로 서술되었으나, 본 개시의 실시 예들은 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 실시 예들에 따른 전력 증폭기 및 이를 포함하는 전자 장치로서, 기지국과 동등한 기능을 수행하는 무선 장비, 기지국과 연결되는 무선 장비(예: TRP), 단말(120), 또는 기타 5G 통신을 위해 사용되는 통신 장비 모두 가능함은 물론이다. 또한, 본 개시에서는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 환경에서 통신을 위한 복수의 안테나들의 구조로서 안테나 어레이가 예로 서술되었으나, 일부 실시 예들에서 빔포밍을 위한 용이한 변경이 가능함은 물론이다.
mmWave phased array RFIC에 사용하고 있는 기존의 stacked PA 구조는 높은 PAPR을 갖는 5G NR 신호를 사용할 경우 효율이 크게 열화 된다. 도허티 구조는 높은 PAPR을 갖는 신호를 사용하는 경우에 효율을 향상시킬 수 있는 매우 효과적인 구조이지만, 기존의 Differential Doherty 구조(예: 도 2)는 2개의 변압기들과
Figure pat00002
/4 변환기를 사용하기 때문에 너무 큰 면적을 차지 할 뿐만 아니라, 저전력 동작 시(피킹 증폭기 비활성화), 광대역 특성이 열화 되는 문제가 있다. 본 개시의 실시 예들은, 면적과 광대역(wide bandwidth) 특성, 효율이 모두 중요한 phased array RFIC에 적용되는 차동 도허티 전력 증폭기 구조를 제안한다. 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 하나의 출력 정합 회로와 연결되고, 캐리어 증폭기와 출력 정합 회로 사이에 임피던스 변환기가 구현됨으로써, 면적을 줄이고 대역 특성 열화가 감소한다.
본 개시의 실시 예들에 따른, 공통 매칭 회로를 갖는 차동 도허티 전력 증폭기는, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기는 하나 이상의 인덕터들을 통해 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 차동 도허티 전력 증폭기는, 상기 하나 이상의 인덕터들과 캐리어 증폭기의 출력 커패시터 및 피킹 증폭기의 출력 커패시터를 통해 C-L-C 구조를 갖는 λ/4 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 차동 도허티 전력 증폭기는, 캐리어 증폭기와 연결되는 λ/4 변환기와 피킹 증폭기가 결합되는 회로 및 출력 정합을 위한 변압기가 결합 이후 연결되는 회로를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 각각은 차동 증폭기이고, +)성분의 입력(positive input)과 (-)성분의 입력(negative input)이 물리적으로 일정 거리를 두어 배치될 수 있다. 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력들은 이후 공통 매칭 회로를 통해 결합될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 상술된 인덕터들 각각은 전송 선로(transmission line)으로 대체될 수 있다. 다시 말해, λ/4 변환기는 C-L-C 구조 대신 양 커패시터들 사이에 배치되는 전송 선로를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따를 때, 무선 통신 시스템에서, 도허티(doherty) 전력 증폭기(power amplifier)는, 차동(differential) 캐리어 증폭기; 차동 피킹 증폭기; 및 출력 정합 회로를 포함하고, 상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고, 상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 캐리어 증폭기는, (+)단을 위한 제1 증폭기와 (-)단을 위한 제2 증폭기를 포함하고, 상기 차동 피킹 증폭기는, (+)단을 위한 제3 증폭기와 (-)단을 위한 제4 증폭기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 캐리어 커패시터는, 상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고, 상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 제3 증폭기의 출력단과 상기 제4 증폭기의 출력단에 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 인덕터들은, 상기 캐리어 커패시터 및 상기 1차 튜닝 커패시터 사이에서 직렬로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 제1 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제1 증폭기에 연결되는 제1 인덕터는, 상기 도허티 전력 증폭기의 제1 영역에 배치되고, 상기 제2 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제2 증폭기에 연결되는 제2 인덕터는, 상기 제1 영역과 다른, 상기 도허티 전력 증폭기의 제2 영역에 배치되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 출력 정합 회로가 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 피킹 증폭기의 상기 제3 증폭기는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제4 증폭기는 상기 제2 영역에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 그라운드(ground) 회로를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 차동 피킹 증폭기의 하모닉(harmonic) 제거를 위한 출력 커패시터로 기능하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 출력 정합 회로는 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력 및 상기 차동 피킹 증폭기의 출력을 결합하고, 상기 결합된 출력을 정합하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따를 때, RFIC(radio frequency integrated circuit)는, 복수의 RF(radio frequency) 처리 체인들을 포함하고, 상기 복수의 RF 처리 체인들 각각은 위상 쉬프터(phase shifter) 및 도허티 전력 증폭기를 포함하고, 상기 도허티 전력 증폭기는, 차동(differential) 캐리어 증폭기, 차동 피킹 증폭기, 및 출력 정합 회로를 포함하고, 상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고, 상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 캐리어 증폭기는, (+)단을 위한 제1 증폭기와 (-)단을 위한 제2 증폭기를 포함하고, 상기 차동 피킹 증폭기는, (+)단을 위한 제3 증폭기와 (-)단을 위한 제4 증폭기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 캐리어 커패시터는, 상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고, 상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 제3 증폭기의 출력단과 상기 제4 증폭기의 출력단에 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 인덕터들은, 상기 캐리어 커패시터 및 상기 1차 튜닝 커패시터 사이에서 직렬로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 제1 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제1 증폭기에 연결되는 제1 인덕터는, 상기 도허티 전력 증폭기의 제1 영역에 배치되고, 상기 제2 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제2 증폭기에 연결되는 제2 인덕터는, 상기 제1 영역과 다른, 상기 도허티 전력 증폭기의 제2 영역에 배치되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 출력 정합 회로가 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 차동 피킹 증폭기의 상기 제3 증폭기는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제4 증폭기는 상기 제2 영역에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 그라운드(ground) 회로를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성되고, 상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 차동 피킹 증폭기의 하모닉(harmonic) 제거를 위한 출력 커패시터로 기능하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 출력 정합 회로는 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력 및 상기 차동 피킹 증폭기의 출력을 결합하고, 상기 결합된 출력을 정합하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템에서, 도허티(doherty) 전력 증폭기(power amplifier)에 있어서,
    차동(differential) 캐리어 증폭기;
    차동 피킹 증폭기; 및
    출력 정합 회로를 포함하고,
    상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고,
    상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고,
    상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고,
    상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성되는 도허티 전력 증폭기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차동 캐리어 증폭기는, (+)단을 위한 제1 증폭기와 (-)단을 위한 제2 증폭기를 포함하고,
    상기 차동 피킹 증폭기는, (+)단을 위한 제3 증폭기와 (-)단을 위한 제4 증폭기를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 캐리어 커패시터는, 상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고,
    상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 제3 증폭기의 출력단과 상기 제4 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되는 도허티 전력 증폭기.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 인덕터들은, 상기 캐리어 커패시터 및 상기 1차 튜닝 커패시터 사이에서 직렬로 배치되는 도허티 전력 증폭기.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제1 증폭기에 연결되는 제1 인덕터는, 상기 도허티 전력 증폭기의 제1 영역에 배치되고,
    상기 제2 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제2 증폭기에 연결되는 제2 인덕터는, 상기 제1 영역과 다른, 상기 도허티 전력 증폭기의 제2 영역에 배치되고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 출력 정합 회로가 배치되는 도허티 전력 증폭기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 도허티 전력 증폭기.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 차동 피킹 증폭기의 상기 제3 증폭기는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제4 증폭기는 상기 제2 영역에 배치되는 도허티 전력 증폭기.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 그라운드(ground) 회로를 더 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 차동 피킹 증폭기의 하모닉(harmonic) 제거를 위한 출력 커패시터로 기능하도록 구성되는 도허티 전력 증폭기.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 정합 회로는 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력 및 상기 차동 피킹 증폭기의 출력을 결합하고, 상기 결합된 출력을 정합하도록 구성되는 도허티 전력 증폭기.
  11. 무선 통신 시스템에서, RFIC(radio frequency integrated circuit)에 있어서,
    복수의 RF(radio frequency) 처리 체인들을 포함하고,
    상기 복수의 RF 처리 체인들 각각은 위상 쉬프터(phase shifter) 및 도허티 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 도허티 전력 증폭기는, 차동(differential) 캐리어 증폭기, 차동 피킹 증폭기, 및 출력 정합 회로를 포함하고,
    상기 출력 정합 회로는, 1차 튜닝 커패시터, 변압기, 및 2차 튜닝 커패시터를 포함하고,
    상기 차동 캐리어 증폭기는, 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력단의 캐리어 커패시터 및 인덕터들을 통해 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되고,
    상기 차동 피킹 증폭기는 상기 1차 튜닝 커패시터와 연결되는 RFIC.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 차동 캐리어 증폭기는, (+)단을 위한 제1 증폭기와 (-)단을 위한 제2 증폭기를 포함하고,
    상기 차동 피킹 증폭기는, (+)단을 위한 제3 증폭기와 (-)단을 위한 제4 증폭기를 포함하는 RFIC.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 캐리어 커패시터는, 상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고,
    상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 제3 증폭기의 출력단과 상기 제4 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되는 RFIC.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 인덕터들은, 상기 캐리어 커패시터 및 상기 1차 튜닝 커패시터 사이에서 직렬로 배치되는 RFIC.
  15. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제1 증폭기에 연결되는 제1 인덕터는, 상기 도허티 전력 증폭기의 제1 영역에 배치되고,
    상기 제2 증폭기 및 상기 인덕터들 중에서 상기 제2 증폭기에 연결되는 제2 인덕터는, 상기 제1 영역과 다른, 상기 도허티 전력 증폭기의 제2 영역에 배치되고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 출력 정합 회로가 배치되는 RFIC.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 차동 피킹 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 RFIC.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 차동 피킹 증폭기의 상기 제3 증폭기는 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제4 증폭기는 상기 제2 영역에 배치되는 RFIC.
  18. 청구항 12에 있어서, 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치되는 그라운드(ground) 회로를 포함하는 RFIC.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 1차 튜닝 커패시터, 상기 인덕터들, 및 상기 캐리어 커패시터는, 쿼터-파장 변환기(quarter-wave transformer)로 기능하도록 구성되고,
    상기 1차 튜닝 커패시터는, 상기 차동 피킹 증폭기의 하모닉(harmonic) 제거를 위한 출력 커패시터로 기능하도록 구성되는 전자 장치.
  20. 청구항 11에 있어서, 상기 출력 정합 회로는 상기 차동 캐리어 증폭기의 출력 및 상기 차동 피킹 증폭기의 출력을 결합하고, 상기 결합된 출력을 정합하도록 구성되는 RFIC.

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