KR20240080047A - 광대역 고효율 전력 증폭기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 고효율 증폭기 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 광대역 고효율 전력 증폭기 장치로서, 고출력 및 저출력 모드에서 모두 동작하는 주 증폭기; 상기 저출력 모드에서만 동작하는 보조 증폭기; 상기 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 하이브리드 커플러; 및 상기 제1 하이브리드 커플러의 격리단에 연결되는 리액턴스 튜너를 포함하되, 상기 저출력 모드에서 상기 하이브리드 커플러의 동작 중심 주파수외의 주파수에서 상기 리액턴스 튜너를 통해 상기 격리단의 임피던스를 인덕티브한 성분의 리액턴스 또는 커패시티브한 성분의 리액턴스로 설정하는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치가 제공된다.

Description

광대역 고효율 전력 증폭기 장치{Wideband and high-efficiency power amplifier}

본 발명은 광대역 고효율 증폭기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, RF 및 mm-wave 대역 전력 증폭기 설계에 적용 가능한 동작 주파수 범위 및 효율을 향상시키는 광대역 고효율 증폭기 장치에 관한 것이다.

전력 증폭기는 송신단 끝에 삽입되는 회로로서 송신 거리 및 무선 통신의 품질 결정에 큰 영향을 주는 회로이다. 전력 증폭기는 전체 송신기 회로 중, 가장 큰 DC 전력을 소모하며, 이는 소모 DC 전력 대비 출력 전력으로 계산되는 효율 성능이 전력 증폭기의 주요한 성능 지표임을 의미한다.

현재 무선 통신에 사용되고 있는 변조 방식은 시간에 따라 달라지는 출력 전력을 요구하며, 대부분의 경우 낮은 출력 전력을 요한다. 그러나 전력 증폭기의 경우, 일반적으로 출력 전력이 낮아질수록 효율 성능이 떨어지는 특성을 가지고 있어 전체 송신기 효율 성능의 저하를 야기한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 전력 증폭기의 power back-off 지점 효율을 향상시키는 도허티 전력 증폭기가 제시되었다.

도 1은 도허티 전력 증폭기의 구조를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 도허티 전력 증폭기는 주 증폭기와 보조 증폭기의 2개의 전력 증폭기가 결합된 구조를 가지고 있다.

고출력 모드에서 사용되는 경우, 보조 증폭기는 끄고 주 증폭기만을 동작시키며, 저출력 모드에서는 주 증폭기와 보조 증폭기 모두를 이용한다.

도허티 전력 증폭기는 불필요한 DC 전력 소모를 줄임으로써 효율을 증가시키며, 이는 가용한 에너지가 제한된 이동 통신 시스템의 사용 시간을 크게 향상시킨다. 도허티 전력 증폭기는 간단한 동작 원리와 우수한 효율 향상 성능의 큰 장점을 기반으로 오랜 기간 베이스 스테이션에 적용 및 개발되고 있다.

저출력 모드에서 전력 증폭기의 효율을 증가시키기 위해서는 고출력 모드일 때보다 작은 로드 임피던스를 가져야 한다.

도 1과 같은 기존의 도허티 전력 증폭기의 경우 주 증폭기와 보조 증폭기 사이에 λ/4 전송선로(quarter-wave transmission line, λ/4 TL)이 삽입된다. 이는 출력 전력에 따라 주 증폭기에서 바라보는 로드 임피던스(Z_L.main)를 변조해 주기 위한 장치이다. 보조 증폭기가 꺼져 있을 경우, Z_L.main은 공통 로드 임피던스(Z_L)을 그대로 가지게 된다. 그러나 보조 증폭기가 켜질 경우, 2배의 Z_L 값을 Z_L/2로 변환해 줘야 한다.

도 2는 Z_L.main 와 Z_L.aux의 출력 전력에 따른 변조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 각 화살표는 출력 전력이 작은 지점에서 큰 지점으로의 로드 임피던스의 변화를 의미한다. Z_L.aux의 경우 무한한 로드 임피던스에서 출력 전력이 커짐에 따라 Z_L로 변조되며, Z_L.main의 경우, 임피던스 컨버터(impedance converter)가 없을 때, 파란색 화살표와 같이 낮은 임피던스에서 Z_L로 변환된다.

상기한 바와 같이, 저출력 모드에서 고효율 특성을 가지기 위해서는 반대의 방향성을 가져야 한다. 즉, 임피던스 인버터(impedance inverter)가 필요한데, 이를 λ/4 전송선로를 통해 실현한다.

그러나 이 방식은 동작 대역폭이 매우 좁은 단점이 있다. 사용된 전송선로의 길이는 오직 특정 주파수에서만 유효하며, 그 이외의 주파수에서는 다른 전기적 길이를 가진다. 특히, mm-wave 대역과 같은 고주파수 대역에서는 주파수에 따라 전기적 길이가 크게 달라져 매우 협대역 한 특성을 가진다.

JP 등록특허 6157759

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 λ/4 전송선로를 이용한 전력 증폭기의 주파수에 따른 효율 저하 문제를 해결하기 위해 리액턴스 변환 기법을 이용한 광대역 고효율 전력 증폭기 장치를 제안하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광대역 고효율 전력 증폭기 장치로서, 고출력 및 저출력 모드에서 모두 동작하는 주 증폭기; 상기 저출력 모드에서만 동작하는 보조 증폭기; 상기 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 하이브리드 커플러; 및 상기 제1 하이브리드 커플러의 격리단에 연결되는 리액턴스 튜너를 포함하되, 상기 저출력 모드에서 상기 하이브리드 커플러의 동작 중심 주파수외의 주파수에서 상기 리액턴스 튜너를 통해 상기 격리단의 임피던스를 인덕티브한 성분의 리액턴스 또는 커패시티브한 성분의 리액턴스로 설정하는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치가 제공된다.

상기 주 증폭기와 보조 증폭기 각각에서 상기 제1 하이브리드 커플러로 인가되는 신호는 90도 위상차를 가질 수 있다.

상기 주 증폭기와 상기 보조 증폭기의 입력단에는 상기 제1 하이브리드 커플러에 인가되는 신호의 위상 차이를 90도로 유지하기 위한 제2 하이브리드 커플러가 제공될 수 있다.

상기 제1 하이브리드 커플러는 가변 캐패시터 및 인덕터의 직렬연결로 구성될 수 있다.

상기 동작 중심 주파수외의 주파수에 따라 상기 가변 커패시터에 인가되는 전압을 조절하여 상기 격리단의 임피던스를 조절할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 리액턴스 변환 기법을 이용함으로써, 저출력 모드에서의 효율 향상 주파수 범위를 크게 넓힐 수 있고, 동작 주파수 범위를 넓힘으로써, 주파수 대역 별로 각각 별도의 전력 증폭기를 설계하는 어려움을 줄일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 저출력 모드에서의 효율을 크게 향상시켜 무선 통신에 필요한 DC 전력 소모를 줄일 수 있으며, 이를 통해 모바일 시스템의 배터리 수명을 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 도허티 전력 증폭기를 도시한 도면이다.
도 2는 Z_L.main 와 Z_L.aux의 출력 전력에 따른 변조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 리액턴스 변환 기법을 이용한 전력 증폭기 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 저출력 모드에서 출력 임피던스에 리액턴스 성분이 추가되는 것을 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 주파수에 따라 Z_isol을 적용한 임피던스 변조의 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 7는 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 칩 사진이다.
도 8는 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 출력 전력과 효율 및 이득의 관계를 주파수에 따라 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 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.

본 명세서에서 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 명세서에서, "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.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 실시예에 따른 리액턴스 변환 기법을 이용한 전력 증폭기 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전력 증폭기 장치는 주 증폭기(300), 보조 증폭기(302) 및 출력단 90도 제1 하이브리드 커플러(hybrid coupler, 304)를 포함할 수 있다.

주 증폭기(300) 및 보조 증폭기(302)는 기존의 도허티 전력 증폭기에서의 구성과 동일하다.

본 실시예에 따르면, 각 증폭기(300,302)의 출력 측에, 각 증폭기의 출력을 합쳐주는 combiner 및 impedance inverter의 역할을 하는 출력단 90도 하이브리드 커플러(304)가 제공된다.

본 실시예에 따르면, 제1 하이브리드 커플러(304)에 인가되는 신호의 위상 차이를 90도로 유지하기 위해 입력단에 제2 하이브리드 커플러(306)가 추가되며, 이는 입력 신호를 분리해 주는 역할도 수행한다.

제1 하이브리드 커플러(304)의 격리단에는 주파수에 따라 조절 가능한 리액턴스 튜너(308)가 제공되며, 이는 저출력 모드에서 효율 향상 주파수 범위를 넓혀주는 역할을 한다.

리액턴스 튜너(308)의 임피던스(Z_isol)가 쇼트(short)인 경우, 도 2와 같이 임피던스 변조가 형성되며, 기존의 λ/4 전송선로를 이용한 도허티 전력 증폭기와 동일하게 동작한다.

도 4는 저출력 모드에서 출력 임피던스에 리액턴스 성분이 추가되는 것을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 저출력 모드에서 제1 하이브리드 커플러(304)의 중심 동작 주파수보다 낮거나 높은 주파수에서는 출력 임피던스에 리액턴스 성분이 추가되어 저출력 모드에서의 효율을 크게 저하시킨다.

이때, Z_isol이 주파수에 따라 특정 리액턴스 성분을 가지게 하면, 주파수에 상관없이 저출력 모드에서의 효율을 향상시킬 수 있다.

제1 하이브리드 커플러(304)의 중심 동작 주파수보다 낮은 경우, 리액턴스 튜너(308)를 통해 격리단의 임피던스 Z_isol을 인덕티브한 성분의 리액턴스(inductive Z_load)로 설정해야 하며 반대의 경우, 즉 중심 동작 주파수보다 높은 경우 Z_isol을 캐패시티브한 리액턴스(capacitive Z_load)로 설정해야 한다.

도 5는 본 실시예에 따른 주파수에 따라 Z_isol을 적용한 임피던스 변조의 결과를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 중심 동작 주파수보다 낮은 주파수의 경우 Z_isol을 인덕티브한 성분의 리액턴스(inductive Z_load)로 설정하고, 중심 동작 주파수보다 높은 경우 Z_isol을 캐패시티브한 리액턴스(capacitive Z_load)로 설정하여 모든 주파수 대역에서 임피던스 변조가 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 회로도를 나타낸다.

본 실시예에 따른 전력 증폭기는 TSMC 65-nm bulk CMOS 공정을 사용하여 개발되었다. 해당 회로는 61 GHz 대역을 목표 주파수로 개발되었다. 출력 전력을 높이고 출력 임피던스의 크기를 크게 하기 위해 트랜스포머를 이용한 차동 구조를 채택하였으며, 적절한 이득을 얻기 위해 2단으로 구현하였다.

도 6과 같이 리액턴스 튜너의 경우, 가변 캐패시터와 인덕터를 직렬연결하여 구현하였으며, 주파수에 따라 가변 캐패시터의 V_var을 조절하여 격리단의 임피던스를 조절할 수 있다.

도 7은 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 칩 사진을 나타낸다.

도 8은 본 실시예에 따른 하이브리드 도허티 전력 증폭기의 출력 전력과 효율 및 이득의 관계를 주파수에 따라 측정한 결과이다.

도 8을 참조하면, 목표 주파수인 61 GHz에서 최고 효율은 27.3 %, 6-dB back-off 지점에서의 효율 16.2 %로, 저출력 모드에서의 효율 개선을 확인할 수 있다.

목표 주파수보다 높은 주파수인 66 GHz의 경우, 최고 효율은 19.5 % 그리고 6-dB back-off 지점에서의 효율은 12 %로 넓은 주파수 대역에서 효율 개선 효과가 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. 광대역 고효율 전력 증폭기 장치로서,
   고출력 및 저출력 모드에서 모두 동작하는 주 증폭기;
   상기 저출력 모드에서만 동작하는 보조 증폭기;
   상기 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력단에 연결되는 제1 하이브리드 커플러; 및
   상기 제1 하이브리드 커플러의 격리단에 연결되는 리액턴스 튜너를 포함하되,
   상기 저출력 모드에서 상기 하이브리드 커플러의 동작 중심 주파수외의 주파수에서 상기 리액턴스 튜너를 통해 상기 격리단의 임피던스를 인덕티브한 성분의 리액턴스 또는 커패시티브한 성분의 리액턴스로 설정하는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주 증폭기와 보조 증폭기 각각에서 상기 제1 하이브리드 커플러로 인가되는 신호는 90도 위상차를 갖는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 주 증폭기와 상기 보조 증폭기의 입력단에는 상기 제1 하이브리드 커플러에 인가되는 신호의 위상 차이를 90도로 유지하기 위한 제2 하이브리드 커플러가 제공되는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 하이브리드 커플러는 가변 캐패시터 및 인덕터의 직렬연결로 구성되는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 동작 중심 주파수외의 주파수에 따라 상기 가변 커패시터에 인가되는 전압을 조절하여 상기 격리단의 임피던스를 조절하는 광대역 고효율 전력 증폭기 장치.