KR101049649B1 - 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것으로, 복수개의 입력 신호를 받아 스위칭하는 다중 입력 스위치와; 상기 다중 입력 스위치의 신호를 받아 캐리어 증폭하는 캐리어 증폭부와; 상기 캐리어 증폭부의 출력을 90도 위상 천이시키는 제 1 90도 위상 천이부와; 상기 다중 입력 스위치의 신호를 각각 90도 위상 천이시키는 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부와; 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부의 출력을 입력받아 각각 피크 증폭시키는 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부와; 상기 제 1 90도 위상 천이부와 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력을 입력받아 스위칭하여 안테나로 출력시키는 다중 출력 스위치와; 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력이 상기 캐리어 증폭부의 게이트 바이어스와 같게 되도록 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부를 제어하는 게이트 바이어스 제어부를 포함하여 구성함으로써, 스위치 제어를 통해 단일 경로와 다중 경로에서의 도허티 증폭을 동시에 지원할 수 있게 되는 것이다.

Description

다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법{Apparatus and control method for multi path doherty amplifier}

도 1은 종래 도허티 증폭기의 블록구성도이고,

도 2는 종래 다중 입력 도허티 증폭기의 블록구성도이며,

도 3은 종래 다중 입력 및 다중 출력 도허티 증폭기의 블록구성도이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 블록구성도이며,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 블록구성도이고,

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 제어 방법을 보인 흐름도이며,

도 7은 도 5에서 3개 섹터를 지원할 경우 본 발명의 적용례를 보인 개념도이고,

도 8은 도 5에서 4 경로 스마트 안테나를 지원할 경우 본 발명의 적용례를 보인 개념도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 캐리어 증폭부 210 ~ 240 : 90도 위상천이부

310 ~ 330 : 피크 증폭부 400 ~ 430 : 다중 입력 스위치

500 ~ 530 : 다중 출력 스위치 600 : 게이트 바이어스 제어부

700 ~ 740 : 안테나

본 발명은 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 스위치 제어를 통해 단일 경로와 다중 경로에서의 도허티 증폭을 동시에 지원하기에 적당하도록 한 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 CDMA(Code Division Multiple Access)에 기반을 둔 이동통신 시스템과 이동통신 단말기에서 사용하는 전력 증폭기는 고선형성과 고효율을 요구하고 있다. 그리고 고효율의 특성은 단말기에서 배터리의 사용 시간을 늘리며 사용자에게 상당한 불편을 주는 발열의 문제를 해결하는데 중요한 위치를 차지한다.

또한 이동통신 단말기는 사용시 대부분 낮은 출력 전력을 이용하는데, 이를 효율적으로 관리하고 그 효율을 높이는데 중요성이 더해가고 있다.

이러한 고효율을 갖는 증폭기 중에서 도허티 증폭기는 이동통신 시스템에 가장 적합한 전력 증폭기로 인식된다.

도허티 증폭기는 대전력 송신기의 고능률 변조방식에 사용되는 증폭기의 하나로서, B급(class B) 증폭기, C급 증폭기, 임피던스 반전 회로의 조합에 의해서 효율을 향상시키는 것이다. 이와 같은 도허티 증폭기는 쿼터 웨이브 트랜스포머 (quarter wave transformer)(λ/4 라인)를 사용해서 캐리어(carrier) 증폭기와 피크(peak 또는 peaking) 증폭기를 병렬로 연결하는 방식을 취한다.

도허티 증폭기의 피크 증폭기(또는 피킹 증폭기)는 전력 레벨에 따라 부하(load)에 공급하는 전류의 양을 달리함으로써 캐리어 증폭기의 부하 라인 임피던스를 조절하여 효율을 높인다.

초고주파 도허티 증폭기는 1936년에 더블유. 에이치. 도허티(W. H. Doherty)에 의해서 제안되었는데, 초기의 초고주파 도허티 증폭기는 고출력 장파(LF; Long Frequency) 진공관 또는 고출력 중파(MF; Medium Frequency) 진공관을 이용한 방송장치의 진폭변조(AM; Amplitude Modulation) 전송기(transmitter)로 사용되었다.

초고주파 도허티 증폭기가 진폭변조 전송기에 적용되어 사용된 이후에 초고주파 도허티 증폭기를 고체(solid-state) 고출력 전송기에 사용하기 위한 여러 가지 제안들이 있었고, 실질적 구현을 위한 여러 방식들이 제안되었다.

도 1은 종래 도허티 증폭기의 블록구성도이다.

여기서 참조번호 10은 캐리어(carrier) 증폭부이고, 21 및 22는 90도 복수개의 위상 천이부이며, 31은 피크(peak) 증폭부이다.

그래서 도허티 증폭기는 전송선로를 사용해서 캐리어 증폭부(10)와 피크 증폭부(31)를 병렬로 연결하는 방식이다.

그리고 전력 레벨에 따라 피크 증폭부(31)로부터 부하로 출력되는 전류의 양을 달리한다.

이에 따라 캐리어 증폭부(10)의 부하 임피던스를 조절하여 효율을 높이게 된 다. 그러나 도허티 증폭기는 비교적 선형성이 불량하며, 그 선형성은 증폭기의 효율에 역비례한다.

이러한 종래 도허티 증폭기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 입력 신호는 도허티 증폭기에 입력되는데, 두 개의 신호 중에서 하나의 신호는 캐리어 증폭부(10)에 입력되고 다른 하나의 신호는 전송선로인 제 2 90도 위상 천이부(22)를 통해 피크 증폭부(31)에 입력된다.

이때 전송선로인 제 2 90도 위상 천이부(22)는 피크 증폭부(31)에 입력되는 신호를 90도 지연시켜 캐리어 증폭부(10)에 입력되는 신호와의 지연시간 차이를 보상시킨다.

그리고 제 1 90도 위상 천이부(21)는 캐리어 증폭부(10)에서 출력되는 신호를 90도 지연시켜 피크 증폭부(31)에 입력되는 신호와 지연시간 차이를 보상시킨다.

이에 따라 캐리어 증폭부(10)와 피크 증폭부(31)로부터의 출력 신호들은 공통 노드에서 결합되어 출력된다.

도 2는 종래 다중 입력 도허티 증폭기의 블록구성도이다.

여기서 참조번호 10은 캐리어(carrier) 증폭부이고, 21 내지 24는 90도 복수개의 위상 천이부이며, 31 내지 33은 복수개의 피크(peak) 증폭부이다.

그래서 입력 신호는 캐리어 증폭부(10), 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(22 ~ 24)로 입력된다.

그리고 캐리어 증폭부(10)의 출력은 제 1 90도 위상 천이부(21)로 입력되어 시간 지연된다. 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(22 ~ 24)의 출력은 각각 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(31 ~ 33)로 입력된다.

제 1 90도 위상 천이부(21), 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(33)의 출력은 하나로 합쳐져 출력된다.

도 3은 종래 다중 입력 및 다중 출력 도허티 증폭기의 블록구성도이다.

이는 도 2의 다중 입력 도허티 증폭기가 복수개 연결된 상태를 보인 것이다.

따라서 다중 입력 및 다중 출력을 위해서는 도 3에서와 같이 도 2의 다중 입력 도허티 증폭기를 필요한 만큼 설치하게 된다.

그러나 이러한 종래 기술은 다음과 같은 문제점이 있었다.

종래의 도허티 증폭기가 그 내부를 복수개의 피크 증폭부와 90도 위상 천이부로 구성할 수 있으나, 하나의 입력과 하나의 출력을 가지기 때문에 다중 경로를 지원하기 위해서는 또 다른 도허티 증폭기를 구매해야만 하여, 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

특히 이동통신 시스템의 기지국이 송신 다이버시티 또는 스마트 안테나로 구조를 업그레이드 하는 경우 안테나 수만큼 증폭기를 구매하여야 하기 때문에 비용이 선형적으로 증가하는 단점이 있었다.

스마트 안테나의 경우 안테나가 4개 이상이 되어야 제 성능을 발휘할 수 있는데, 종래기술을 사용할 경우 필요한 도허티 증폭기가 4개 이상이 되어 업그레이드 비용 역시 4배 이상 증가하게 되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 스위치 제어를 통해 단일 경로와 다중 경로에서의 도허티 증폭을 동시에 지원할 수 있는 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기는,

복수개의 입력 신호를 받아 스위칭하는 다중 입력 스위치와; 상기 다중 입력 스위치의 신호를 받아 캐리어 증폭하는 캐리어 증폭부와; 상기 캐리어 증폭부의 출력을 90도 위상 천이시키는 제 1 90도 위상 천이부와; 상기 다중 입력 스위치의 신호를 각각 90도 위상 천이시키는 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부와; 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부의 출력을 입력받아 각각 피크 증폭시키는 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부와; 상기 제 1 90도 위상 천이부와 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력을 입력받아 스위칭하여 복수의 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력시키는 다중 출력 스위치와; 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력이 상기 캐리어 증폭부의 게이트 바이어스와 같게 되도록 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부를 제어하는 게이트 바이어스 제어부를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 제어 방법은,

다중 경로로 입력된 입력 신호를 선택하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 선택된 입력 신호에 대해 캐리어 증폭과 피크 증폭을 수행하고 위상을 맞추는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 후 증폭된 전력을 다중 경로로 스위칭하여 복수의 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력시키는 제 3 단계를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 블록구성도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 블록구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 복수개의 입력 신호를 받아 스위칭하는 다중 입력 스위치(400)와; 상기 다중 입력 스위치(400)의 신호를 받아 캐리어 증폭하는 캐리어 증폭부(100)와; 상기 캐리어 증폭부(100)의 출력을 90도 위상 천이시키는 제 1 90도 위상 천이부(210)와; 상기 다중 입력 스위치(400)의 신호를 각각 90도 위상 천이시키는 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)와; 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)의 출력을 입력받아 각각 피크 증폭시키는 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)와; 상기 제 1 90도 위상 천이부(210)와 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력을 입력받아 스위칭하여 안테나로 출력시키는 다중 출력 스위치(500)와; 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력이 상기 캐리어 증폭부(100)의 게이트 바이어스와 같게 되도록 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)를 제어하는 게이트 바이어스 제어부(600)를 포함하여 구성된다.

상기에서 다중 출력 스위치(500)는, 복수개의 스마트 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 다중 경로 도허티 증폭기의 제어 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 다중 경로로 입력된 입력 신호를 선택하는 제 1 단계(ST10)와; 상기 제 1 단계 후 선택된 입력 신호에 대해 캐리어 증폭과 피크 증폭을 수행하고 위상을 맞추는 제 2 단계(ST20)와; 상기 제 2 단계 후 증폭된 전력을 다중 경로로 스위칭하여 출력시키는 제 3 단계(ST30)를 포함하여 수행한다.

상기에서 제 3 단계는, 증폭된 전력을 다중 경로로 스위칭하여 복수개의 스마트 안테나로 각각 출력시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 스위치 제어를 통해 단일 경로와 다중 경로에서의 도허티 증폭을 동시에 지원하고자 한 것이다.

그래서 서로 다른 입력 전력 레벨에서 포화되는 2개의 전력 증폭기인 캐리어 증폭부(100)와 피크 증폭부(310 ~ 330)를 사용한다.

이는 다른 증폭기가 도달하기 전에 한 증폭기를 포화 및 피크 효율에 도달하게 한다.

보다 높은 출력 부하 임피던스를 지닌 전력 증폭기가 보다 낮은 출력 전력 레벨에서 포화되기 때문에 하나의 증폭기에 의한 다른 전력 증폭기의 동적인 로딩 은 전력 출력 레벨을 변경시킬 수 있는데, 전력 출력 레벨에서 로딩은 포화되어 피크 효율에 도달한다. 이 특성이 출력 전력의 범위에 걸쳐서 포화된 모드로 증폭기를 동작시키는데, 그 이유는 부하 임피던스가 감소함에 따라서 출력 전력이 증가하기 때문이다.

캐리어 증폭부(100)에 제공된 보다 높은 임피던스는 도허티 증폭기를 최적의 부하 임피던스로 보다 일찍 포화시킨다.

피크 증폭부(310 ~ 330)가 활성화되면, 증폭기의 유한 출력 임피던스는 캐리어 및 피크 증폭부(100)(310 ~ 330)가 자신들 각각의 국부 부하 임피던스(local load impedances)와 동일한 전력을 전달할 때까지 캐리어 증폭부(100)의 부하 임피던스를 감소시킨다.

동일하게 전달하는 캐리어 증폭부(100)와 피크 증폭부(310 ~ 330)의 효과는 이들 증폭기가 단지 하나의 증폭기 보다 일정 데시벨(dB) 보다 많은 출력 전력을 제공하여, 캐리어 증폭부(100)가 일정 데시벨(dB) 보다 일찍 포화되도록 하는 것인데, 일정 범위의 전력 범위에서 걸쳐서 효율이 거의 피크 포화된 효율로 유지되도록 한다.

한편 다중 입력 스위치(400)는 복수개의 입력 신호를 받아 스위칭하게 된다.

또한 다중 출력 스위치(500)는 제 1 90도 위상 천이부(210)와 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력을 입력받아 스위칭하여 안테나로 출력시킨다. 이때 안테나(700 ~ 740)는 스마트 안테나를 사용할 수 있다.

게이트 바이어스 제어부(600)는 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력이 캐리어 증폭부(100)의 게이트 바이어스와 같게 되도록 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)를 제어한다.

도 7은 도 5에서 3개 섹터를 지원할 경우 본 발명의 적용례를 보인 개념도이며, 도 8은 도 5에서 4 경로 스마트 안테나를 지원할 경우 본 발명의 적용례를 보인 개념도이다.

이러한 본 발명의 동작을 시간의 흐름순으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 다중 입력 스위치(400)는 다중 경로로 입력된 입력 신호 중에서 필요한 신호를 선택한다.

그리고 캐리어 증폭부(100)에서는 다중 입력 스위치(400)에서 입력된 전력 신호를 캐리어 증폭시킨다.

제 1 90도 위상 천이부(210)는 캐리어 증폭부(100)의 출력이 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력과 위상이 맞도록 한다.

제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)는 다중 입력 스위치(400)에서 선택되어 출력된 각각의 신호를 입력받아 게이트 바이어스 제어부(600)의 제어를 받아 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)의 출력이 캐리어 증폭부(100)의 출력과 위상이 맞도록 위상 천이를 수행한다.

이때 게이트 바이어스 제어부(600)는 피크 증폭부(310 ~ 330)의 게이트 바이어스와 캐리어 증폭부(100)의 게이트 바이어스가 같도록 제어한다.

그런 다음 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부(310 ~ 330)는 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부(220 ~ 240)의 신호를 입력받아 피크 증폭을 수행하여 출력한다.

이렇게 도허티 전력 증폭이 수행되면, 다중 출력 스위치(500)에서는 증폭된 전력을 다중 경로로 스위칭하여 출력시키게 된다. 이때 출력신호를 받는 안테나는 스마트 안테나를 사용할 수 있고, 본 발명에 의한 하나의 다중 경로 도허티 증폭기만으로도 스마트 안테나와 연결할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명은 스위치 제어를 통해 단일 경로와 다중 경로에서의 도허티 증폭을 동시에 지원하게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법은 기지국이 단일 경로를 지원할 때 높은 출력을 효율을 동시에 가지는 전력 증폭기로 사용하는 것이 가능하며, 다중 경로로 기지국을 업그레이드 할 때에는 스위치 제어만으로 스마트 안테나 또는 다이버시티 구조를 지원할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 다중 경로 지원시에는 각각의 전력 증폭기의 출력이 단일 경로를 지원할 때의 출력 보다 경로의 수만큼 감소될 수 있으며, 스마트 안테나를 사용할 경우에는 경로수의 제곱에 비례하여 출력이 감소될 수 있으므로, 종래의 도허티 증폭기가 다중 경로 지원시 필연적으로 가지는 출력 오버스펙(Overspec)의 단점을 극복할 수 있는 장점도 있다.

더불어 본 발명에 의한 기술로 도허티 증폭기를 제작할 경우 추가되는 비용은 단지 스위치 비용만이 들게 되므로, 비용 역시 종래의 구조로 다중 경로를 지원하는 경우 보다 매우 저렴해지는 효과도 있게 된다.

Claims (4)

1. 복수개의 입력 신호를 받아 필요한 신호를 선택하여 단일 또는 다중 경로로 선택적으로 스위칭하는 다중 입력 스위치와;

   상기 다중 입력 스위치의 신호를 받아 캐리어 증폭하는 캐리어 증폭부와;

   상기 캐리어 증폭부의 출력을 90도 위상 천이시키는 제 1 90도 위상 천이부와;

   상기 다중 입력 스위치의 신호를 각각 90도 위상 천이시키는 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부와;

   상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부의 출력을 입력받아 각각 피크 증폭시키는 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부와;

   상기 제 1 90도 위상 천이부와 상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력을 입력받아 선택적으로 스위칭하여 단일 또는 복수의 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력시키는 다중 출력 스위치와;

   상기 제 1 내지 제 N-1 피크 증폭부의 출력이 상기 캐리어 증폭부의 게이트 바이어스와 같게 되도록 상기 제 2 내지 제 N 90도 위상 천이부를 제어하는 게이트 바이어스 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다중 경로 도허티 증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 출력 스위치는,

   복수개의 스마트 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 도허티 증폭기.
3. 다중 경로로 신호를 입력 받아 필요한 신호를 선택하여 단일 또는 다중경로로 스위칭하는 제 1 단계와;

   상기 제 1 단계 후 선택된 입력 스위칭된 신호에 대해 캐리어 증폭과 피크 증폭을 수행하고 위상을 맞추는 제 2 단계와;

   상기 제 2 단계 후 증폭된 전력을 단일 또는 다중경로로 선택적으로 스위칭하여 단일 또는 복수의 안테나로 스위칭한 신호를 각각 출력시키는 제 3 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 도허티 증폭기의 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 단계는,

   증폭된 전력을 다중 경로로 스위칭하여 복수개의 스마트 안테나로 각각 출력시키는 것을 특징으로 하는 다중 경로 도허티 증폭기의 제어 방법.

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