WO2020130167A1 - 랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기 - Google Patents

랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기 Download PDF

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    • H03F3/68—Combinations of amplifiers, e.g. multi-channel amplifiers for stereophonics

Definitions

  • the present invention relates to a power amplifier, and more particularly, to a power amplifier that combines after amplifying and dividing power.
  • Port 1 shows an output power coupling structure of a high power PA.
  • Port 1 refers to a power amplifier port that goes to an antenna
  • Ports 2 to 5 indicate individual PAs that make up the entire PA.
  • the output power of a small number of individual devices is bundled to produce a high power.
  • the method of connecting the Wilkinson Combiner to the series is the easiest way to make the high power amplifier.
  • the Wilkinson Combiner consists of a transmission line with a ⁇ /4 wavelength, which is generally not easy to implement on a chip.
  • Figure 2 shows a power amplifier matching structure to combine the power of the Bus Bar Type. It has a structure that combines power by using a ⁇ /4 wavelength transmission line with characteristic impedance that allows impedance matching of two individual PAs.
  • This structure has the lowest insertion loss and smaller consumption area of the transmission line than the Wilkinson structure, and is the most used structure for high-power coupling in the chip.
  • this structure is also less efficient due to the insertion loss caused by connecting the ⁇ /4 wavelength line to the cascade.
  • this structure also has the disadvantage that it must be connected by 2 ⁇ n in power coupling.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to increase power efficiency and lower the total chip consumption area in designing a millimeter high output power amplifier, and combine power using a Lange coupler. It is to provide a power amplifier.
  • the power amplifier includes a plurality of first Lange couplers; and a plurality of amplifiers having an input terminal connected to a second port of the first Lange coupler. .
  • the fourth port of the first Lange coupler may be connected to the first port of the first Lange coupler located at the rear end.
  • the power amplifier according to the present invention may further include an amplifier having an input terminal connected to a fourth port of the first Lange coupler located at the rear end.
  • the power amplifier according to the present invention further includes a plurality of second Lange couplers; the output terminal of the amplifier located at the foremost end may be connected to the fourth port of the second Lange coupler located at the far end.
  • the output stage of the rest of the amplifiers except the front end may be connected to the second port of the second Lange coupler.
  • the first port of the second Lange coupler may be connected to the fourth port of the second Lange coupler located at the rear end.
  • the first port of the first Lange coupler located at the front end is connected to the input terminal, and the first port of the second Lange coupler located at the last end may be connected to the output terminal.
  • a plurality of second Lange couplers connected to a plurality of amplifiers; including, the output terminal of the amplifier located at the front end is connected to the fourth port of the second Lange coupler located at the front end , A power combiner is provided, wherein the output stage of the rest of the amplifiers except the front end is connected to the second port of the second Lange coupler.
  • embodiments of the present invention are related to the power combination of a millimeter wave high output power amplifier to be used in the next generation mobile communication, and can greatly contribute to the improvement of millimeter amplifier performance to be used in the future.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a Lange Coupler applicable to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a power combiner according to an embodiment of the present invention.
  • a power amplifier power coupling structure using a coupling index of a Lange coupler is presented.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a Langer Coupler.
  • Port 4 becomes the Direct Port
  • Port 2 becomes the Coupling Port.
  • Langer Coupler has a characteristic that no signal is transmitted when Port 3 is terminated.
  • the method of combining power using the Lange coupler shown in FIG. 3 uses a structure in which power is distributed equally to Port 2 and Port 4 as in the Wilkinson Power coupling structure of FIG. 1.
  • the power ratio output to Port 4 and Port 2 can be adjusted. Using this, you can control the amount of power going into Port 2 and the amount of power going into Port 4.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a power amplifier using a Lange coupler according to an embodiment of the present invention.
  • Power amplifier according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 4, power distribution Lange couplers (110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n), amplifiers ( 120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1) and power coupling Lange couplers (130-1, 130-2, ..., 130-n- 1, 130-n).
  • the power distribution Lange coupler (110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n) is the power of the signal input through the input terminal amplifiers (120-1, 120) -2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1).
  • the amplifiers 120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1 are Lange couplers 110-1, 110-2, 110-3, for power distribution. .., 110-n) to amplify the input power.
  • Power coupling Lange couplers (130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n) are amplifiers (120-1, 120-2, 120-3, ..., 110) -n, 120-n+1) combines the amplified powers to form a power combiner for output through the full power stage.
  • Port 1 of the Lange coupler 110-1 for power distribution located at the foremost end is connected to an input terminal and receives a signal.
  • Port 2 of the power distribution Lange couplers (110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n) are amplifiers (120-1, 120-2, 120-3, ..., It is connected to the input terminal of 110-n, 120-n+1), and a part of power is transmitted.
  • Port 4 of the power distribution Lange couplers (110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n-1) is located at the rear end of the power distribution Lange couplers (110-2, 110) It is connected to Port 1 of -3, ..., 110-n), and the rest of the power is transmitted.
  • Port 4 of the Lange coupler 110-n for power distribution located at the end is connected to the amplifier 120-n+1 at the end, so that the rest of the power is transmitted.
  • the output terminal of the amplifier 120-1 located at the frontmost stage is connected to Port 4 of the power coupling Lange coupler 130-1 located at the front end, and the power amplified by the power coupling Lange coupler 130-1. Is delivered.
  • Port 1 of the power coupling Lange couplers (130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n) is located at the rear end of the power coupling Lange couplers (130-1, 130) Connected to Port 4 of -2, ..., 130-n-1, 130-n), the received powers are combined and transmitted.
  • Port 1 of the power coupling Lange coupler 130-n located at the rear end is connected to the output terminal, and the final signal combined with power is output.
  • the power coupling Lange couplers (130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n) can adjust the amount of power between ports by adjusting the conductor spacing (S) as follows: have.
  • Ci is a coupling index (amount of power of Port 2)
  • Ti is a transmission index (amount of power of Port 2)
  • N represents the total number of amplifiers used.
  • the advantage of this method is that it is possible to build a more efficient power amplifier by combining the power amplifiers with various natural numbers N, away from the conventional power amplifier coupling method, which must be increased to 2 N units.
  • a power splitter may be implemented with power distribution Lange couplers 110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n, or a power combination Lange coupler 130-1, 130- 2, ..., 130-n-1, 130-n) it is possible to implement a power combiner.
  • the power amplifier according to an embodiment of the present invention is a technology related to a power amplifier component, module, and system for mobile communication, and can be used for a 5G mobile communication front end module being prepared for next generation mobile communication and a next-generation Gbps WiFi front end module that is high-speed WiFi. Do.

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Abstract

밀리미터 고출력 전력 증폭기를 설계함에 있어 파워 효율을 높이고 전체 칩 소모 면적을 낮추기 위한 방안으로, 랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 증폭기는 다수의 제1 랑게 커플러들;을 포함하고, 제1 랑게 커플러의 제2 포트에 입력단이 연결된 다수의 증폭기들;을 포함한다. 이에 의해, 랑게 커플러를 이용한 파워 결합으로 고출력 전력 증폭기를 설계함에 있어 파워 효율을 높이고 전체 칩 소모 면적을 낮출 수 있게 된다.

Description

랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파워를 분할하여 증폭한 후에 결합하는 전력 증폭기에 관한 것이다.
도 1은 고출력 PA의 출력 파워 결합 구조를 보여주고 있다. 도 1에서 Port 1은 안테나로 나가는 전력 증폭기 포트를 의미하고 Port 2~5는 전체 PA를 이루고 있는 개별 PA를 의미한다.
RF 고출력 PA를 얻기 위해서 적은 개별 소자의 출력파워를 묶어 고출력을 만드는데, 도 1과 같이 Wilkinson Combiner를 Series로 연결 하는 방법이 가장 손쉽게 고 출력 증폭기를 만드는 방법이다.
Wilkinson Combiner는 λ/4파장 길이를 가지는 트랜스미션 라인으로 구성되어 있는데 일반적으로 칩에서 구현하기 쉽지 않은 크기가 된다.
하지만 최근 칩의 동작 주파수가 올라감에 따라 Wilkinson Combiner를 칩에 디자인을 하는데, 이때 문제는 삽입 손실이 된다.
Wilkinson Combiner로 2개의 개별 PA의 출력을 합쳤을 때 3dB 출력 파워가 올라가는 효과가 있지만 문제는 항상 2^n으로 연결해야 한다는 단점이 있어 다양한 스케일의 파워를 얻을 수가 없다.
도 2는 Bus Bar Type의 파워 결합을 하는 전력 증폭기 매칭구조를 도시하였다. 두 개의 개별 PA를 임피던스 매칭이 가능한 특성임피던스를 가지는 λ/4파장 트랜스미션 라인을 활용하여 파워를 결합하는 구조를 취하고 있다.
이 구조는 Wilkinson 구조보다 삽입 손실이 적고 트랜스미션 라인의 소모 면적도 더 작아 칩에서 고출력 파워 결합을 할 때 가장 많이 사용되는 구조이다.
하지만 이 구조 역시 λ/4파장의 라인을 cascade로 연결하면서 발생하는 삽입손실에 의해 효율이 떨어진다. 또한 동작 대역폭이 도 1보다 협대역이라는 문제점도 가지고 있다. 그리고 이 구조 역시 파워 결합에 있어서 2^n으로 연결해야 한다는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 밀리미터 고출력 전력 증폭기를 설계함에 있어 파워 효율을 높이고 전체 칩 소모 면적을 낮추기 위한 방안으로, 랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 증폭기는 다수의 제1 랑게 커플러들;을 포함하고, 제1 랑게 커플러의 제2 포트에 입력단이 연결된 다수의 증폭기들;을 포함한다.
제1 랑게 커플러의 제4 포트는, 후단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제1 포트에 연결된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 최후단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제4 포트에 입력단이 연결된 증폭기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 다수의 제2 랑게 커플러들;을 더 포함하고, 최전단에 위치한 증폭기의 출력단은, 최전단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결된 것일 수 있다.
최전단을 제외한 나머지 증폭기의 출력단은, 제2 랑게 커플러의 제2 포트에 연결된 것일 수 있다.
제2 랑게 커플러의 제1 포트는, 후단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결된 것일 수 있다.
최전단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제1 포트는, 입력단에 연결되어 있고, 최후단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제1 포트는, 출력단에 연결된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 증폭기들에 연결된 다수의 제2 랑게 커플러들;을 포함하고, 최전단에 위치한 증폭기의 출력단은, 최전단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결되고, 최전단을 제외한 나머지 증폭기의 출력단은,제2 랑게 커플러의 제2 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 파워 결합기가 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 랑게 커플러를 이용한 파워 결합으로 고출력 전력 증폭기를 설계함에 있어 파워 효율을 높이고 전체 칩 소모 면적을 낮출 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시예들은 차세대 이동통신에 사용될 밀리미터 웨이브 고 출력 전력 증폭기의 파워 결합에 관한 내용으로써, 향후 사용될 밀리미터 증폭기 성능 개선에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 Wilkinson Combiner를 이용한 PA 출력 구조
도 2는 Bus Bar 타입 파워 결합
도 3은 본 발명의 실시예에 적용가능한 Lange Coupler의 구조도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 결합기의 구조를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 랑게 커플러의 커플링 지수를 이용한 전력 증폭기 파워 결합 구조를 제시한다.
기존의 구조들은 파워 결합에 있어서 적용하는 전력 증폭기의 숫자를 다양하게 가변하지 못하고, 또한 cascade로 연결해야 한다는 문제점을 가지고 있었음에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 구조는 이러한 문제점을 모두 해소시킬 수 있다.
도 3는 Langer Coupler(랑게 커플러)의 구조도이다. 입력 신호가 Port 1으로 인가된다고 했을 때, Port 4는 Direct Port 가 되고, Port 2는 Coupling Port가 된다. Langer Coupler는 Port 3이 Termination 되었을 때 신호가 전달되지 않는 특성을 가지고 있다.
도 3에 제시된 Lange coupler를 사용하여 파워를 결합하는 방식은 도 1의 Wilkinson Power 결합구조와 같이 Port 2와 Port 4에 동일하게 파워가 분배되는 구조를 사용한다.
도 1과 동작 원리는 같지만 Lange coupler를 사용하면 Port 2와 Port 4에 90도 위상 차이가 발생되어서, 도 1 보다 파워 결합의 안정도가 더 높은 장점이 있다.
Lange coupler의 컨덕터 간격(Conductor Space : S)를 조절하면 Port 4와 Port 2에 출력되는 파워비를 조절할 수 있게 된다. 이를 활용하면 Port 2로 들어가는 파워의 양과 Port 4로 들어가는 파워의 양을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랑게 커플러를 이용한 전력 증폭기의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 증폭기는, 도 4에 도시된 바와 같이, 파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n), 증폭기들(120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1) 및 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)을 포함하여 구성된다.
도시된 바와 같이, 파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n)은 입력단을 통해 입력되는 신호의 파워를 증폭기들(120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1)에 분배하기 위한 파워 분배기를 구성한다.
증폭기들(120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1)은 파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n)에 의해 분배되어 입력되는 파워를 증폭한다.
파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)는 증폭기들(120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1)에서 증폭된 파워들을 결합하여 풀력단을 통해 출력하기 위한 파워 결합기를 구성한다.
도시된 바와 같이, 최전단에 위치한 파워 분배용 랑게 커플러(110-1)의 Port 1는 입력단에 연결되어, 신호를 입력받는다.
파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n)의 Port 2는 증폭기들(120-1, 120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1)의 입력단으로 연결되어, 파워의 일부가 전달된다.
또한, 파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n-1)의 Port 4는 후단에 위치한 파워 분배용 랑게 커플러들(110-2, 110-3, ..., 110-n)의 Port 1에 연결되어, 파워의 나머지가 전달된다.
그리고, 최후단에 위치한 파워 분배용 랑게 커플러들(110-n)의 Port 4는 최후단의 증폭기(120-n+1)에 연결되어, 파워의 나머지가 전달된다.
한편, 최전단에 위치한 증폭기(120-1)의 출력단은 최전단에 위치한 파워 결합용 랑게 커플러(130-1)의 Port 4에 연결되어, 파워 결합용 랑게 커플러(130-1)로 증폭된 파워가 전달된다.
그리고, 최전단을 제외한 나머지 증폭기들(120-2, 120-3, ..., 110-n, 120-n+1)의 출력단은, 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)의 Port 2에 연결되어, 증폭된 파워가 전달된다.
한편, 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)의 Port 1은 후단에 위치한 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)의 Port 4에 연결되어, 전달받은 파워들이 결합되어 전달된다.
그리고, 최후단에 위치한 파워 결합용 랑게 커플러(130-n)의 Port 1은 출력단에 연결되어, 파워 결합된 최종 신호가 출력된다.
한편, 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)은 컨덕터 간격(S)을 조절하여 포트 간 파워 양을 다음과 같이 조절할 수 있다.
Figure PCTKR2018016103-appb-I000001
여기서, Ci는 결합지수(Port 2의 파워 양)이고, Ti는 전달지수(Port 2의 파워 양)이며, N은 총 사용된 증폭기의 개수를 나타낸다. 위 식에 나타난 바와 같이, Lange coupler의 컨덕터 간격(S)을 조절하면 N개의 전력 증폭기를 결합할 수 있게 된다.
이런 방식의 장점은 2N 개로 증가해야하는 기존 전력 증폭기의 결합방식에서 벗어나 다양한 자연수 N으로 전력 증폭기를 결합합으로써 보다 효율적인 전력 증폭기를 구축할 수 있다는 점이다.
지금까지, 랑게 커플러를 이용하여 파워 결합하는 전력 증폭기에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서 언급한 전력 증폭기는 물론이고, 전력 증폭기의 일부만을 구현할 수 있다. 이를 테면, 파워 분배용 랑게 커플러들(110-1, 110-2, 110-3, ..., 110-n)로 파워 분배기를 구현하거나, 파워 결합용 랑게 커플러들(130-1, 130-2, ..., 130-n-1, 130-n)로 파워 결합기를 구현하는 것이 가능하다.
또한, 이 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있어, 본 발명의 범주에 포함될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 증폭기는, 이동통신용 전력 증폭기 부품, 모듈 및 시스템에 관련된 기술로써, 차세대 이동통신으로 준비 중인 5G 이동통신 Front End module과 고속 WiFi인 차세대 Gbps WiFi Front End Module에 사용가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (8)

  1. 다수의 제1 랑게 커플러들;을 포함하고,
    제1 랑게 커플러의 제2 포트에 입력단이 연결된 다수의 증폭기들;을 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 랑게 커플러의 제4 포트는,
    후단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제1 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    최후단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제4 포트에 입력단이 연결된 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    다수의 제2 랑게 커플러들;을 더 포함하고,
    최전단에 위치한 증폭기의 출력단은,
    최전단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    최전단을 제외한 나머지 증폭기의 출력단은,
    제2 랑게 커플러의 제2 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제2 랑게 커플러의 제1 포트는,
    후단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    최전단에 위치한 제1 랑게 커플러의 제1 포트는,
    입력단에 연결되어 있고,
    최후단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제1 포트는,
    출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  8. 다수의 증폭기들에 연결된 다수의 제2 랑게 커플러들;을 포함하고,
    최전단에 위치한 증폭기의 출력단은,
    최전단에 위치한 제2 랑게 커플러의 제4 포트에 연결되고,
    최전단을 제외한 나머지 증폭기의 출력단은,
    제2 랑게 커플러의 제2 포트에 연결된 것을 특징으로 하는 파워 결합기.
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