KR100878675B1 - 비균등 전력 분배기를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템 - Google Patents

비균등 전력 분배기를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전력 증폭기 시스템은 경로 스위칭이 가능한 비균등 전력 분배기를 통하여 특정 출력 전력 값 이상에서는 고출력 모드로 상기 특정 출력 전력 값 이하에서는 저출력 모드로 동작한다. 상기 고출력 모드에서 비균등 전력 분배기는 입력 신호의 전체 전력을 1:N으로 분배하여 상기 전체 전력의 1/(N+1)을 포함하는 제1 신호 및 상기 전체 전력의 N/(N+1)을 포함하는 제2 신호를 제공한다. 상기 저출력 모드는 상기 입력신호가 최대 전력의 1/(N+1) 이하일때 동작하며 전력 분배기의 경로를 스위칭하여 상기 입력 신호의 전력을 두 경로 분배하지 않고 하나의 경로로 제공한다. 본 발명은, 상기 고출력 모드에서 상기 제1 신호를 증폭하여 제1 증폭 신호를 생성하고 상기 저출력 모드에서 상기 입력 신호를 증폭하여 증폭 신호를 생성하는 제1 전력 증폭기 세트, 및 상기 고출력 모드에서 상기 제2 신호를 증폭하여 제2 증폭 신호를 생성하고 상기 저출력 모드에서 오프(off) 상태로 되는 제2 전력 증폭기 세트, 상기 고출력 및 저출력 모드를 나누고 각각에서 임피던스 정합을 이루도록 하는 경로 스위칭 기능이 있는 비균등 전력 분배기를 포함한다. 이와 같은 전력 증폭기 시스템을 통해 평균 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다.
고효율 전력 증폭기, 윌킨슨 결합기, 윌킨슨 커플러, 비균등 전력 결합기

Description

비균등 전력 분배기를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템{HIGH EFFICIENCY POWER AMPLIFIER SYSTEM USING UNEQUAL POWER DISTRIBUTOR}
본 발명은 경로 스위칭 기능이 있는 비균등 전력 분배기를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템에 관한 것으로서, 현재 그리고 향후 무선 통신에서 많이 사용되는 평균 전력이 최대 출력에 비해 아주 낮은 신호에서 높은 평균 효율 특성을 보이는 고주파 전력 증폭기 시스템이다. 보다 상세하게는 결합 선로와 스위치를 사용하여 입력 신호의 전력이 작을 때는 전력 분배기의 두 경로 중 한 경로만 사용하여 불필요하게 소모되는 소비 전력을 감소시키게 된다. 특히, 비균등 전력 분배기를 사용함으로써 평균 전력이 최대 출력 전력보다 아주 작은 통신 신호에 대해 평균 효율을 크게 개선시킬 있으며, 또한 그 크기가 소형화될 수 있는 새로운 형태의 마이크로파 비균등 전력 분배기를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템이다.
최근, 정보통신산업의 발달, 네트워크의 광대역화/초고속화, 높은 서비스 욕구 증대 등으로 이동통신 서비스의 융합화가 다양한 분야에서 점차 가속화되고 있고, 언제 어디서나 자유롭게 통신망에 접속하여 음성, 데이터 및 영상까지의 고품질 멀티미디어의 활용이 가능하게 되었다. 이러한 다양한 이동통신 서비스가 제공 되면서 이동통신 시스템의 전력 소비가 중요한 문제로 떠오르고 있다.
전력 증폭기는 이동통신 단말기 또는 기지국에서 미약한 신호를 큰 신호로 증폭시키는 역할을 하며, 증폭된 신호는 안테나로 방사하게 된다. 전력 증폭기는 높은 출력을 내기 때문에 소비 전력도 커서 휴대 단말기 전력 소비의 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 따라서, 전력 증폭기 효율은 휴대 단말기 배터리 수명(한번 충전 후 통화 가능한 시간)에 직접적인 영향을 미치게 되어 통화 시간을 결정하게 된다. 기지국의 출력 전력은 수십 와트 정도로 아주 높기 때문에, 전력 증폭기의 효율이 나쁘면 열이 많이 발생하여 소자의 신뢰성과 내구성이 저하되며, 대규모의 냉각시스템이 필요하기 때문에 유지 보수 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 점점 초고속 광대역 무선 통신에 대한 요구가 증가함에 따라, 사용되는 통신 신호의 중심 주파수와 대역폭이 증가하고 있고, 보다 많은 사용자 수용을 위하여 선형성 사양이 점점 더 까다로워지고 있으며, 신호의 최대 출력 대 평균 출력비(peak-to-average power ratio: PAR)비도 점점 증가하고 있다[예를 들면, OFDM 방식의 WiBro(Wireless Broadband Internet)나 WLAN(Wireless Local Area Network)의 경우 신호의 peak-to-average power ratio 가 13 dB 정도로 아주 높다]. 이러한 변화들은 보다 우수한 선형성과 효율 특성을 갖는 RF 전력 증폭기를 요구하고 있다.
일반적으로 전력 증폭기는 그 class에 따라 다른 효율 특성을 보인다. 선형 전력 증폭기인 class A와 class AB의 이론적인 최대 효율은 각각 50 % 및 78.5 %이다. 이동 통신 단말기나 기지국에 가장 흔히 사용되는 class AB 전력 증폭기는 최대 출력 전력에서 최대 효율을 나타내지만, 출력 전력이 낮아짐에 따라 효율이 급 격히 감소한다. 그 이유는 트랜지스터의 바이어스 전압을 최대 출력 전력에 맞추어 높게 가하게 되는데, 입력 전력이 감소함에 따라 출력 전력은 감소하지만 DC 소비 전력은 일정하기 때문이다. 따라서, 출력 전력이 감소하게 되면 효율도 감소하게 되는 것이다.
이동통신 단말기는 최대 출력 전력에서는 자주 동작되지 않고, 최대 출력에서 약 20 dB 이상 back-off 된 출력 전력에서 가장 많이 동작되기 마련이다. 따라서, 이동통신 단말기의 전력 증폭기는 대부분의 시간에는 아주 낮은 출력 전력을 내고 있고 이때의 효율은 아주 낮기 때문에 평균 효율도 아주 낮아지게 된다. 예를 들면, CDMA 전력 증폭기의 경우, 최대 출력에서의 효율은 40 % 정도 되나 평균 효율은 8 % 정도로 아주 나쁘다. 이는 배터리의 전력 소모를 심화시켜 통화 시간을 급격히 떨어뜨리는 결과를 가져오게 된다.
이와 같이, RF 전력 증폭기의 출력 전력이 낮을 때의 효율이 전체 소비 전력에 큰 영향을 미치게 되므로 낮은 출력 전력에서 효율을 증가시키는 연구가 현재 다각도로 진행되고 있다.
낮은 출력에서 선형 전력 증폭기의 효율을 증가시키는 종래 방법으로는, stage by-passing 기법과 adaptive gate switching 기법 등이 있다.
도 1a와 도 1b는 각각 종래의 stage by-passing 기법을 이용한 전력 증폭기(10)와 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기(20)의 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 1a의 stage by-passing 기법을 이용한 전력 증폭기(10)는 작은 트랜지스 터로 이루어져 있는 입력단의 증폭기와 큰 트랜지스터로 이루어져 있는 출력단의 증폭기, 즉 2 단으로 구성되어 있다. 높은 출력이 요구되는 경우(일명, 고출력 모드), 전력 증폭기(10)의 스위치(S2)는 on, 스위치(S1)은 off가 되도록 하여 입력단의 증폭기와 출력단의 증폭기를 모두 동작시킨다.
한편, 낮은 출력의 전력이 필요한 경우(일명, 저출력 모드)에는 전력 증폭기(10)의 스위치(S1)을 on 시켜 출력단의 증폭기를 바이패스(by-pass)시키고, 스위치(S2)는 off 시켜서 출력단의 증폭기를 끈다. 이 경우, 출력단의 증폭기에 의해 소모되는 DC 전류가 0이 되므로 DC 소모 전력이 감소하여 효율이 증가하게 된다.
도 1b의 Adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기(20)는 출력단의 증폭기를 게이트 폭이 큰 트랜지스터를 가지는 증폭기와 게이트 폭이 작은 트랜지스터를 가지는 증폭기로 나누어 배치한 후, 각각의 게이트 전압(Vg1, Vg2)을 제어할 수 있도록 한 것이다. 이에 따르면, 낮은 출력 전력이 요구될 때는 전력 증폭기(20)의 작은 트랜지스터만 on 시켜서, 큰 트랜지스터에서 불필요하게 소모되는 DC 전류를 감소시켜 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
다음으로, 상술한 두 종래 기법을 사용하는 전력 증폭기(10, 20)의 효율과 출력 전력과의 관계에 대하여 살펴본다.
도 2는 종래의 stage by-passing 기법과 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기(10, 20)의 효율을 출력 전력에 따라 나타낸 그래프이다. 도 2에서 점선은 stage by-passing 기법과 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기(10, 20)의 효율을 나타내고, 실선은 일반적인 전력 증폭기의 효율을 나타낸다.도 2를 참조하면, stage by-passing 기법과 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기(10, 20)는 고출력 모드(Po,LP < Pout < Po,max)에서는 일반적인 전력 증폭기와 같은 효율을 나타내고, 저출력 모드(Pout < Po,LP)에서는 실제 동작하는 트랜지스터의 크기가 줄어들므로 점선으로 그려진 것과 같이 증가된 효율 특성을 얻게 된다. 여기서, 저출력 모드와 고출력 모드가 구분되어지는 출력 전력 값(Po,LP)이 신호의 평균 출력 근처에 위치하게 된다면 평균 효율이 크게 개선될 것이다.
그러나, 상술한 두 기법을 이용한 전력 증폭기(10, 20)는 고출력 모드 및 저출력 모드에서(즉, 동작하는 트랜지스터의 크기가 다른 두 모드에서) 사용되는 입출력 정합 회로가 동일하기 때문에, 적어도 어느 한 모드에서는 입출력 임피던스 정합이 이루어지지 않게 되며, 이에 따라 효율과 선형성이 저하되는 단점이 있다. 특히, stage by-passing 기법의 전력 증폭기(10) 경우, 스위치에 큰 전력이 인가되므로 스위치 설계에 많은 주의가 필요하다는 설계 상의 단점도 존재한다.
상술한 전력 증폭기(10, 20)의 저출력 모드와 고출력 모드에서의 임피던스 부정합 문제를 해결하기 위하여, 결합 선로(coupled line)의 특성을 이용한 기법이 제시된 바 있다.
도 3a는 일반적인 4 포트(port)의 결합 선로, 도 3b는 도 3a의 ③, ④번 단자가 모두 접지로 연결되어 있는 구조, 도 3c는 도 3a의 ③, ④번 단자가 모두 open되어 있는 구조, 도 3d는 도 3a의 ③번 단자는 open되고 ④번 단자는 접지에 연결되어 있는 구조를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 3a ~ 도 3d는 총 4개의 포트로 구성된 길이가 λ/4 (λ: 파장)인 결합 선로를 나타내고 있다.
이와 같은 결합 선로의 특색은, 도 3a에 도시된 결합 선로의 ③, ④번 단자의 종단(termination)에 따라 ①, ②번간의 특성 임피던스(characteristic impedance)가 달라진다는 것이다. 도 3b는 ③, ④번의 종단이 접지로 연결된 경우인데, 이 때 ①, ②번간은 특성 임피던스가 2ZoeZoo/(Zoe+Zoo)인 λ/4 전송선과 같이 동작한다. 여기서, Zoe는 결합 선로의 even 모드 임피던스를 나타내고, Zoo는 결합 선로의 odd 모드 임피던스를 나타낸다. 다음으로, 도 3c는 ③, ④번 종단이 open된 경우인데, 이 때 ①, ②번간은 특성 임피던스가 (Zoe+Zoo)/2인 λ/4 전송선과 같은 역할을 한다. 마지막으로, 도 3d에서는 포트 ③이 open, 포트 ④가 접지로 연결되어 있는 경우인데, 이 때에는 포트 ①에서 바라본 임피던스는 무한대(즉, open), 포트 ②에서 바라본 임피던스는 0 (즉, short)이 된다.
도 4는 상기와 같은 특성을 가지는 결합 선로를 이용하여 제안된 윌킨슨 결합기(40)를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 균등 전력 분배기를 포함하는 윌킨슨 결합기(Wilkinson coupler, 40)는 상기의 결합 선로를 두 출력단에 추가하여 임피던스 정합을 가능하게 하였다.
이 윌킨슨 결합기(40)는 일반적인 3-dB 윌킨슨 결합기의 두 출력단에 길이가 λ/4인 결합 선로를 추가한 것이다. 고출력 모드에서는 윌킨슨 결합기(40)의 두 결합 선로의 종단(S2, S3, S4, S5)을 접지에 연결시켜 그 특성 임피던스가 Zo, 즉 50 ohm이 되게 하여 일반적인 3-dB 윌킨슨 결합기로 동작하게 한다. 저출력 모드에서는 윌킨슨 결합기(40)의 스위치(S5)는 close시키고, 스위치(S4)는 open시켜 노드 A에서 바라보는 임피던스가 무한대가 되도록 하여 포트(3)으로 입력 전력이 전달되지 않도록 한다. 또한, 포트(2)에 있는 결합 선로의 스위치(S2, S3)를 open시켜 이 결합 선로의 특성 임피던스가
Figure 112007049332079-pat00001
가 되게 하여 포트(1)과 포트(2)가 임피던스 정합이 이루어지도록 한다. 이러한 방식에 따라 저출력 모드와 고출력 모드에서 모두 임피던스 정합이 가능하다.
그러나, 상술한 윌킨슨 결합기(40)는 여러 개의 λ/4 길이의 전송선이 필요하기 때문에 결합기의 크기가 아주 커지는 문제가 있다. 구체적으로 살펴보면, 포트(1)과 두 결합 선로의 입력단 사이에는 각각 동일한 특성 임피던스를 갖는 λ/4 전송선이 존재하여 입력 신호의 전력을 반분하여 전달하는 역할을 수행하는데, 이러한 λ/4 전송선에 이어 상기에서 살펴본 바와 같은 λ/4 길이의 결합 선로가 연결되어 있는 구조이므로, 그 사이즈가 아주 커지게 된다.
또한, 상기 윌킨슨 결합기(40)에 의하면, 저출력 모드가 최대 출력에서 불과 3 dB back-off 된 영역에서 시작되므로, 평균 효율 개선 효과가 미미하다는 문제가 있다. 즉, 균등 전력 분배 결합기를 사용하기 때문에, 같은 출력을 내는 두 개의 동일한 전력 증폭기를 사용하게 되며, 하나의 전력 증폭기만 동작시키는 저출력 모드는 최대 출력에서 3 dB back-off 된 지점부터 시작하게 된다. 이것은 도 2의 제시된 그래프에서, 저출력 모드가 시작되는 지점(Po,LP)이 최대 출력(Po,max)에서 3 dB 떨어진 지점임을 의미한다. 비록 3 dB 정도의 back-off에 의해 어느 정도의 효율 개선이 이루어졌다고는 하지만, W-CDMA나 OFDM 신호의 PAR가 10∼13 dB 근처이고, 휴대 단말기의 평균 출력이 최대 출력보다 20 dB 정도 낮은 것을 감안할 때, 저출력 모드가 3dB back-off 된 지점에서 시작된다고 하더라도 평균 효율 개선 효과가 그리 크지 않게 된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 입력 신호 전력이 낮은 저출력 모드에서 효율을 개선시키면서 이때 완벽한 임피던스 정합을 이루는 새로운 전력 분배기를 제공하는데 있다. 특히, 경로 스위칭 기능이 있는 비균등 전력 분배기를 제안함으로써, 최대 전력 대 평균 전력 비율이 큰 무선 통신 신호에 대하여 평균 효율을 크게 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 크기가 아주 작은 새로운 형태의 고효율 전력 증폭기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 전력 증폭기 시스템은 경로 스위칭이 가능한 비균등 전력 분배기를 통하여 특정 출력 전력 값 이상에서는 고출력 모드로 상기 특정 출력 전력 값 이하에서는 저출력 모드로 동작한다. 상기 고출력 모드에서 비균등 전력 분배기는 입력 신호의 전체 전력을 1:N으로 분배하여 상기 전체 전력의 1/(N+1)을 포함하는 제1 신호 및 상기 전체 전력의 N/(N+1)을 포함하는 제2 신호를 제공한다.
상기 저출력 모드는 상기 입력신호가 최대 전력의 1/(N+1) 이하일때 동작하며 전력 분배기의 경로를 스위칭하여 상기 입력 신호의 전력을 두 경로 분배하지 않고 하나의 경로로 제공한다. 본 발명은, 상기 고출력 모드에서 상기 제1 신호를 증폭하여 제1 증폭 신호를 생성하고 상기 저출력 모드에서 상기 입력 신호를 증폭하여 증폭 신호를 생성하는 제1 전력 증폭기 세트, 및 상기 고출력 모드에서 상기 제2 신호를 증폭하여 제2 증폭 신호를 생성하고 상기 저출력 모드에서 오프(off) 상태로 되는 제2 전력 증폭기 세트, 상기 고출력 및 저출력 모드를 나누고 각각에서 임피던스 정합을 이루도록 하는 경로 스위칭 기능이 있는 비균등 전력 분배기를 제공한다.
상기 설명한 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 다양한 효과를 창출한다.
첫째, 입력 신호의 전력을 결합 선로에서 비균등하게 분배하여 전송함으로써 최대 전력과 평균 전력의 차이가 큰 신호에서 평균 효율을 크게 개선시킬 수 있다.
둘째, 고출력 모드와 저출력 모드 모두에서 간단한 스위칭만으로 입출력 임피던스 정합을 이룰 수 있어 선형성이나 이득의 저하 없이 평균 효율을 개선할 수 있다.
셋째, λ/4 전송선의 수를 적게 사용함으로써 결합기(coupler)의 크기를 소형화시킬 수 있다.
넷째, 효율적인 전력 제어를 통해 기지국 용량의 최대화, 배터리 수명 연장, 균일한 서비스 품질 유지가 가능하다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 전력 증폭기에 관하여 상세히 설명한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 각각 고출력 모드 및 저출력 모드에서 달리 동작하는 비균등 전력 분배기(510)를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템(500)의 전체적인 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 전력 증폭기 시스템(500)은 그 입력단에 소형 비균등 전력 분배기(고출력 모드에서는 전력 분배비가 1:N 이고, 저출력 모드에서는 전력 분배비가 1:0 임)(510)를 포함하며, 출력단에 소형 비균등 전력 결합기(고출력 모드에서는 전력 결합비가 1:N 이고, 저출력 모드에서는 전력 결합비가 1:0 임)(520)를 포함한다. 여기서, 비균등 전력 결합기(520)의 특성 및 자세한 구조는 비균등 전력 분배기(510)의 그것과 완전 동일, 완전 대칭이므로 본 명세서에서는 자세한 설명을 줄이기로 한다.
한편, 비균등 전력 분배기(510)의 출력단과 비균등 전력 결합기(520)의 입력단 사이에는 서로 동일한 (N+1)개의 단위 전력 증폭기가 배치된다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 위쪽 경로(path)에는 단위 전력 증폭기가 1개 배치되어 있으며, 아래 경로에는 단위 전력 증폭기가 N개 배치되어 있다.
비균등 전력 분배기(510)로 입력되는 전력(Pin)은 모드에 따라 위쪽 경로에 존재하는 단위 전력 증폭기만에 의해 또는 양쪽 경로에 존재하는 (N+1)개의 단위 전력 증폭기에 의해 증폭된 후, 다시 비균등 전력 결합기(520)를 통해 손실 없이 전력 결합이 되어 최종 출력 전력(Pout)으로 제공된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 고효율 전력 증폭기 시스템(500)은 고출력 모드에서 (N+1)개의 단위 전력 증폭기가 모두 동작하게 된다. 반면, 저출력 모드에서는 아래 경로의 N개의 단위 전력 증폭기는 off되고, 위쪽 경로에 있는 하나의 단위 전력 증폭기만 동작하도록 한다. 따라서, 저출력 모드에서, 즉, 낮은 출력이 필요할 때, 대다수(N개)의 단위 전력 증폭기를 off 시킴으로써 불필요하게 소비되는 DC 소모 전력이 크게 줄어 우수한 효율 특성을 얻을 수 있게 된다.
상기와 같이 아래 경로에 존재하는 N개의 단위 전력 증폭기를 모드에 따라 on 또는 off 시킴으로써, 저출력 모드로 동작하기 시작하는 출력 전력을 최대 출력 전력에서 10log(N+1) dB 만큼 back-off되게 할 수 있으며, N이 증가하면(즉, 전력분배 비율이 증가하면) 10log(N+1) 값이 커짐으로써 평균 효율 개선 효과가 증가하 게 된다. 이는 N이 커질수록 저출력 모드가 동작하기 시작하는 출력 전력이 평균 출력 전력에 가까워지기 때문이다. 예를 들어, N=1일 때는 3 dB back-off 된 지점에서부터, N=3일 때는 6 dB back-off 된 지점에서부터 저출력 모드로 동작하기 시작하므로, N=3일 때 더 높은 평균 효율을 보인다.
한편, 비균등 전력 분배기(510)는 비균등 전력 분배에 의해 저출력 모드에서의 효율을 획기적으로 증대시키는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 그 자체가 결합 선로(coupled line)로 구성됨으로써, 고출력 모드 및 저출력 모드에서 임피던스 정합을 달성하게 하는 역할도 동시에 수행하게 된다. 즉, λ/4 길이의 결합 선로로 구성된 비균등 전력 분배기(510)만으로도 저출력 모드에서의 효율 증대 및 임피던스 정합까지 달성되는바, 종래 기술에 비해 전체 전력 증폭기 시스템의 사이즈가 상당히 축소된다 할 것이다. 이와 같은 비균등 전력 분배기(510)의 다양한 기능 및 자세한 구조는 이하에서 도 6 내지 도 8을 참조로 보다 자세히 설명될 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 1:K2의 비균등 전력 분배비를 갖는 윌킨슨 결합기(600)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 비균등 전력 분배를 수행하는 윌킨슨 결합기(600)는 두 개의 λ/4 전송선을 포함하며, λ/4 전송선의 각각의 출력단 사이에 아이솔레이션 저항(isolation resistance, R23)이 연결되어 있다. 아이솔레이션 저항(R23)은 포트(2)와 포트(3) 사이를 전기적으로 격리시키는 역할을 수행한다. 또한, λ/4 전송선의 출력단에는 각각 R2, R3의 저항이 연결되어 있는데, 이는 전력 증폭기의 입 력단에서 바라본 등가 저항을 계산하여 표시한 등가 회로임을 밝혀둔다.
한편, 비균등 전력 분배의 윌킨슨 결합기(600)에 포함된 두 λ/4 전송선의 특성 임피던스(Zo2, Zo3) 그리고 포트(P2, P3)의 종단 저항(R2, R3)를 하기에 제시된 [수학식 1]에 따라 결정하면, 포트(P1)으로 입사된 전력(Pi1)이 1:K2의 비율로 출력 포트(P2, P3)로 분배된다(여기서 전력 분배 비율 N = K2 = Po3/Po2이다).
Figure 112007049332079-pat00002
여기서, Zo는 50Ω이다.
상술한 [수학식 1]에 따라 각각의 임피던스를 결정하면 모든 포트에서는 완벽한 임피던스 정합이 이루어진다.
하기의 [표 1]은 [수학식 1]에 근거하여 전력 분배 비율 즉, K2 = Po3/Po2에 따라 계산한 특성 임피던스(Zo2, Zo3), 아이솔레이션 저항(R23), 종단 저항(R2, R3)의 값들이다.
K2 Zo2 (ohm) Zo3 (ohm) R23 (ohm) R2 (ohm) R3 (ohm)
1 70.7 70.7 100.0 50.0 50.0
2 103.0 51.5 106.1 70.7 35.4
3 131.6 43.9 115.5 86.6 28.9
4 158.1 39.5 125.0 100.0 25.0
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 1:N의 전력 분배비를 갖는 비균등 전력 분배기(700)를 결합 선로를 사용하여 구현한 구조를 나타내는 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 각각 고출력 모드 및 저출력 모드에서 비균등 전력 결합기(700)의 결합 선로의 스위치가 어떻게 개폐되는지를 도시하는 상세도이다.
비균등 전력 분배기(700)는 고출력 모드에서 위, 아래 두 경로에 연결된 모든 (N+1)개의 단위 전력 증폭기를 동작시키는데, 이 때에는 도 8a에서와 같은 스위칭을 통해 입력단과 출력단에서 임피던스 정합을 이룰 수 있으므로, 별도의 정합 회로가 필요없게 되어 설계의 복잡성도 줄어들게 되며, 전체 시스템의 사이즈도 대폭 축소할 수 있게 된다. 이에 대해서는 이하에서 도 8a를 참조로 자세히 설명될 것이다.
한편, 비균등 전력 분배기(700)는 저출력 모드에서 위쪽 경로에 연결된 1개의 단위 전력 증폭기만을 동작시키는데, 이 때에는 도 8b에서와 같은 스위칭을 통해 입력단과 출력단에서 임피던스 정합을 이룰 수 있으므로, 마찬가지로 별도의 정합 회로가 필요없게 되며 그에 따라 설계의 복잡성도 줄어들게 되어, 전체 시스템의 사이즈도 대폭 축소할 수 있게 된다. 이에 대해서도 이하에서 도 8b를 참조로 자세히 설명한다.
즉, 비균등 전력 분배기(700)의 크기를 최소화하기 위하여 본 발명에서는 상술한 윌킨슨 결합기에서 이미 사용되고 있는 두 개의 λ/4 전송선을 λ/4 길이의 결합 선로로 대체하여 설계한다.
도 8a를 참조하면, 비균등 전력 분배기(700)의 고출력 모드에서는, 스위치(S1, S2)를 off 시켜서 높은 임피던스인 Zo2가 되도록 하고, 스위치(S3, S4)는 on 시켜서 낮은 임피던스인 Zo3가 되도록 하여, 1:K2의 전력 분배비를 갖도록 동작하게 한다. 또한, 스위치(S5, S6)는 on 시켜 아이솔레이션 저항이 연결되어 양측의 결합 선로를 전기적으로 격리시키도록 한다.
한편, 도 8b를 참조하면, 비균등 전력 분배기(700)의 저출력 모드에서는, 위쪽 경로만 동작하고 포트(3)으로의 출력 전력(Pout3)이 0이 되어야 하므로 입력 측에서 아래 경로를 바라본 임피던스가 무한대로 보이도록, 즉 open이 되도록 한다. 이를 위해서는 스위치(S3)을 off, 스위치(S4)를 on 시키면 된다. 또한, 위쪽 경로는 임피던스 정합이 이루어지도록 ZX를 설계해야 하는데, 전파공학의 일반적인 공식을 이용하면 ZX 는
Figure 112007049332079-pat00003
와 같은 식을 만족하면 된다는 것을 알 수 있다. 이 값은 고출력 모드에서의 Zo2와 다른데, 스위치(S1, S2)를 on 시킴으로써 이 값을 얻을 수 있다. 한편, 이 경우 아이솔레이션 저항은 필요가 없게 되므로, 스위치(S5, S6)는 off 시킨다.
이러한 동작 원리에 따르면, 본 발명에 따른 비균등 전력 분배기(700)는 소형이면서 저출력 모드에서도 효율이 높은 상태로 완벽한 임피던스 정합을 이룰 수 있게 된다.
참고로, 본 발명에서 even/odd mode 임피던스를 고려하는 이유는, 두 교류신호 선로에서 각각 전류방향을 정하기 어려운바, 전/자계적으로 교류신호 에너지가 상호 전달되는 현상인 커플링이 일어나는 선로 간의 조건을 전류방향이 같은 경우(even mode)와 전류방향이 다른 경우 (odd mode)로 나누어 따로 적절한 등가회로를 구현하고 임피던스 관계를 계산한 후 그 두 결과를 합치는 해석이 결합 선로 설계 시 필요하기 때문이다. 커플링 양은 두 선로의 전류방향에 따라 다르기 때문에 분명히 전류방향이 고려되어야 한다.
도 9a와 도 9b는 even mode 여기(excitation)와 odd mode 여기 상태의 마이크로스트립 슬롯 결합 선로(coupled microstrip-slot line)의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 9a와 도 9b에서 점선 형태의 화살표는 전기력선의 방향을 나타내고 d는 슬롯의 간격을 나타낸다.
N이 증가하면 even mode 임피던스와 odd mode 임피던스 비율이 점점 증가하게 되는데, 이 때에는 예컨대, 기판의 접지(ground) 면에 슬롯(slot)을 두는 마이크로스트립 슬롯 결합 선로를 이용할 수 있다.
도 9a에서 두 금속 스트립에 even mode 전압 인가 시(+, +로 표시) 전기력선의 분포를 점선으로 나타내었는데, 이 even mode 임피던스는 각각의 금속 스트립과 기판 아래쪽에 있는 접지 금속 간의 간격에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 슬롯의 간격(d)을 증가시키면 등가적인 기판의 두께가 증가하는 효과가 있으므로 even mode 임피던스를 크게 증가시킬 수 있다.
한편, 도 9b에서 odd mode 전압 인가 시(그림에서 +, -로 표시) 전기장의 분포를 보면, 이 odd mode 임피던스는 두 금속 스트립 간의 간격과 유전율에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 결합 선로의 두 스트립 라인 간격을 공정이 가능한 최소한의 간격으로 두고 유전율이 되도록 큰 기판을 선택하면 매우 낮은 odd mode 임피던스를 구현할 수 있다.
즉, 상기와 같은 방법을 이용하면, 다양한 전력 분배 비율을 가지는 결합 선로를 설계할 수 있는 것이다.
또한, 결합 선로의 정확한 설계를 위해 예컨대, 공지의 전자계적 수치해석 기법인 MoM(Method of Moment)을 사용할 수 있다.
비록 본 발명이 상술된 바와 같은 여러 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다른 변형예 및 변경예가 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 고려되어야 할 것이다.
도 1a와 도 1b는 각각 종래의 stage by-passing 기법을 이용한 전력 증폭기와 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기의 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 stage by-passing 기법과 adaptive gate switching 기법을 이용한 전력 증폭기의 효율을 출력 전력에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3a는 일반적인 4 포트 결합 선로(coupled line)를 나타내고, 도 3b는 도 3a의 ③, ④번 단자가 모두 접지로 연결되어 있는 구조, 도 3c는 도 3a의 ③, ④번 단자가 모두 open되어 있는 구조, 도 3d는 도 3a의 ③번 단자는 open되고 ④번 단자는 접지에 연결되어 있는 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 각각의 출력에 결합 선로가 연결된 윌킨슨 결합기를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비균등 전력 분배기(510)를 이용한 고효율 전력 증폭기 시스템의 전체적인 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 1:K2의 비율로 전력 분배를 수행하는 비균등 전력 분배기를 포함하는 전력 증폭기 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 1:N의 전력 분배비를 갖는 비균등 전력 분배기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 각각 고출력 모드에서는 1:N 전력 분배를 수행하고, 저출력 모드에서는 1:0의 전력 분배를 수행하도록 2개의 결합 선로를 사용한 비균등 전력 분배기의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9a와 도 9b는 even mode 여기(excitation)와 odd mode 여기 상태의 마이크로스트립 슬롯 결합 선로(coupled microstrip-slot line)의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
500: 고효율 전력 증폭기 시스템
510: 비균등 전력 분배기
520: 비균등 전력 결합기
600: 비균등 전력 분배를 수행하는 윌킨슨 결합기
700: 1:N의 전력 분배를 갖는 비균등 전력 분배기

Claims (19)

  1. 특정 출력 전력 값 이상에서는 고출력 모드로, 상기 특정 출력 전력 값 이하에서는 저출력 모드로 동작가능하고, 입력 신호의 전력을 비균등으로 분배하여 상기 저출력 모드에서 효율을 개선하기 위한 전력 증폭기 시스템에 있어서,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 입력 신호의 전체 전력을 1:N으로 분배하여, 상기 전체 전력의 1/(N+1)을 포함하는 제1 신호 및 상기 전체 전력의 N/(N+1)을 포함하는 제2 신호를 제공하고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 입력 신호의 상기 전체 전력을 분배하지 않고 상기 입력 신호를 그대로 제공하기 위한 비균등 전력 분배기,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제1 신호를 증폭하여 제1 증폭 신호를 생성하고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 입력 신호를 증폭하여 증폭된 입력 신호를 생성하는 제1 전력 증폭기 세트, 및
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제2 신호를 증폭하여 제2 증폭 신호를 생성하고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 오프(off) 상태로 되는 제2 전력 증폭기 세트를 포함하되,
    상기 비균등 전력 분배기는 제1 및 제2 결합 선로(coupled line)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전력 증폭기 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로는 상기 제1 신호를 상기 제1 전력 증폭기 세트로 제공하고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로는 상기 입력 신호를 상기 제1 전력 증폭기 세트로 제공하며,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제2 결합 선로는 상기 제2 신호를 상기 제2 전력 증폭기 세트로 제공하고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 제2 결합 선로는 상기 입력 신호를 전혀 통과시키지 않는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로는 λ/4 길이인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로는 각각 1쌍의 입력 포트 및 출력 포트를 포함하되, 상기 입력 포트 및 출력 포트 중 제1 입력 포트와 제1 출력 포트에 연결된 스위치를 개폐시켜 상기 제1 및 제2 결합 선로의 특성 임피던스를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 오픈(open)시키고, 상기 제2 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 그라운드(GND)에 쇼트(short)시키고,
    상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 쇼트시키고, 상기 제2 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 각각 오픈 및 쇼트시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로의 제2 출력 포트 사이에 절연(isolation) 저항이 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저출력 모드에서 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 아이솔레이션 저항 사이에 위치하는 스위치를 오픈시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 증폭기 세트의 출력과 상기 제2 전력 증폭기 세트의 출력을 합하는 비균등 전력 결합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비균등 전력 결합기는 제1 및 제2 결합 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비균등 전력 결합기는,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제1 증폭 신호를 상기 제1 결합 선로에 의해 전달시키고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 증폭된 입력 신호를 상기 제1 결합 선로에 의해 전달시키며,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제2 증폭 신호를 상기 제2 결합 선로에 의해 전달시키고, 상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 제2 결합 선로에 의해 아무 신호도 전달되지 않게 하되,
    상기 제1 및 제2 결합 선로에 의해 전달된 신호를 합하여 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로는 λ/4 길이인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로는 각각 1쌍의 입력 포트 및 출력 포트를 포함하되, 상기 입력 포트 및 출력 포트 중 제1 입력 포트와 제1 출력 포트에 연결된 스위치를 개폐시켜 상기 제1 및 제2 결합 선로의 특성 임피던스를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 오픈(open)시키고, 상기 제2 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 그라운드(GND)에 쇼트(short)시키고,
    상기 저출력 모드에 속할 때, 상기 제1 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 쇼트시키고, 상기 제2 결합 선로의 상기 제1 입력 포트 및 상기 제1 출력 포트를 각각 쇼트 및 오픈시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 선로의 제2 입력 포트 사이에 아이솔레이션 저항이 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 저출력 모드에서 상기 제1 및 제2 결합 선로와 상기 아이솔레이션 저항 사이에 위치하는 적어도 하나의 스위치를 오픈시키는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 증폭기 세트는 1개의 단위 전력 증폭기로 이루어지고, 상기 제2 전력 증폭기 세트는 N개의 단위 전력 증폭기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전력 증폭기 세트에 포함된 상기 1개의 단위 전력 증폭기 및 상기 제2 전력 증폭기 세트에 포함된 상기 N개의 단위 전력 증폭기는 전부 동일한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 특정 출력 전력 값을 최대 출력 전력에서 10log(N+1) dB 만큼 백오프(back-off)되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 시스템.
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