KR101128485B1 - 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 포락선 변환 방법에 기반한 기술에 스위트 스팟 추적 기술을 적용하여 기존의 포락선 추적 전력증폭기는 물론 일반적인 전력 증폭기보다 더 좋은 선형성을 얻을 수 있도록 한 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 신호 생성기와 포락선 변환기, 전원 변조기 및 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기를 포함하고, 상기 신호 생성기는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력하고, 상기 포락선 변환기는 상기 신호 생성기에서 만들어져 출력되는 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하고, 상기 전원 변조기는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 전원으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 {Envelope Tracking Power Amplifing Apparatus Using Sweet Spot Tracking}

본 발명은 송신기에 있는 전력 증폭기의 공급 전압을 제어하여 선형성과 효율을 높이기 위한 스위트 스팟 추적(Sweet Spot Tracking)을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 전력 증폭기의 효율 향상을 위하여 공급 전압을 출력 전력에 따라 변화시켜 주변 전력 손실을 줄어들게 함으로써 높은 효율을 얻을 수 있다.

종래기술에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이, 공급 전압으로 포락선을 그대로 사용하는 경우, 전력 증폭기(13)의 드레인(혹은 콜렉터) 전압이 니(knee) 전압 영역과 만나게 되면, 출력 전력의 감소와 함께 비선형적인 특성이 나타나게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공급 전압의 포락선을 변화시켜 주어야 한다. 도 1에서 부재번호 12는 전력증폭기(13)에 RF 신호를 제공하는 신호 생성기이고, 부재번호 14는 전원 변조기, 부재번호 15는 전원을 공급하기 위한 배터리이다.

도 1의 경우에 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, 즉 공급 전압의 포락선을 변화시키기 위하여, 도 2에 도시한 바와 같이, 기존의 변환과 같이 특정 임계 전압보다 작은 포락선 신호를 클립핑(clipping) 회로(16)를 통해 일정한 전압으로 변환하고, 임계 전압 이상의 포락선 신호에 대해서는 기존의 포락선과 같은 값을 주는 방법을 사용하였다. 이 방법을 통하여, 비선형적 특성을 제거하고 효율적인 전력의 증폭이 가능해진다. 또한 낮은 공급 전압 영역에서의 전력 증폭기의 이득 저하를 보상할 수 있다.

그러나, 상기한 포락선을 변환하는 방법의 경우, 특정 임계 전압보다 작은 포락선 신호가 일정한 전압으로 변환될 때 시간 영역에서 급격한 변화가 발생하는 문제점이 발생한다. 이는 주파수 영역에서 보았을 때, 높은 주파수의 성분이 생기는 것으로 전원 변조기(supply modulator)(14)의 동작 주파수가 훨씬 커져야 하는 부담을 주게 된다. 만약 전원 변조기(14)의 동작 주파수가 부족하게 되면 전력 증폭기(13)의 출력이 비선형적인 특성을 나타내게 된다. 또한 임계 전압 전후로 전력 증폭기(13)의 이득이 갑작스럽게 변화하게 되는 것도 비선형적 특성 중에 하나로 나타나게 된다.

상기한 종래기술에 따르면, 포락선 변환 과정에서 높은 주파수 성분이 발생하고, 임계 전압 전후로 전력 증폭기 이득의 갑작스러운 변화로 인하여 전력 증폭기의 출력이 비선형적인 특성을 띠게 된다.

한편, 출원번호 2009-0018750　(2009.03.05.)로 출원된 "폴라 송신기의 선형성 향상을 위한 방법 및 장치"는, 입력 포락선에 오프셋 전압을 더하고 변환 기울기를 조정하는 방법으로서 오프셋 포락선 세이핑 방법(offset envelope shaping method)이며, 이는 도 2에 도시된 바와 같은 경우로서, 이 방법에 의하면 비선형적인 특성이 상대적으로 줄어들긴 하지만, 일반적인 전력 증폭기에 비하여 더 좋은 선형성을 얻을 순 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기존의 포락선 변환 방법에 기반한 기술에 스위트 스팟 추적 기술을 적용하여 기존의 포락선 추적 전력증폭기는 물론 일반적인 전력 증폭기보다 더 좋은 선형성을 얻을 수 있도록 한 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치는, 신호 생성기와 포락선 변환기, 전원 변조기 및 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기를 포함하고, 상기 신호 생성기는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력하고, 상기 포락선 변환기는 상기 신호 생성기에서 만들어져 출력되는 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하고, 상기 전원 변조기는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 전원으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기는, 선형성을 향상시키는 스위트 스팟을 가지며, 출력 전력에 따라 스위트 스팟의 위치가 일정하게 변한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위트 스팟 추적을 위해 포락선을 변환하는 포락선 변환기는, 포락선과 피크 전압과 오프셋 전압을 입력으로 받아 입력 포락선과 일차 선형 관계를 갖는 출력 포락선을 출력한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 신호 생성기에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 신호 생성기에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호이고, 출력 전력의 제곱근에 비례한다.

일반적으로 포락선 추적 전력 증폭기는 선형성이 나쁘기 때문에 선형 전력 증폭기를 사용하기에 적합하지 않다. 또한 선형성을 개선하기 위해 pre-distortion 기술을 적용해야만 충분한 선형성을 얻을 수가 있다.

그러나, 본원발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치는 선형성이 충분히 좋기 때문에 pre-distortion 기술 없이도 선형 전력 증폭기로 이용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 포락선 변환 함수의 입출력 관계가 단순히 오프셋 전압만을 더하는 일차 선형 관계이기 때문에, 그 구현이 매우 간단하고 출력 신호의 주파수 확장이 일어나지 않아 비선형적인 특성을 발생시키지 않고 전원 변조기의 동작 주파수에 대한 부담이 작아진다.

더불어서, 본 발명에 따르면, 평균 출력 전력에 따른 제어가 간단하고, 일반적인 정전압 전력 증폭기에 비해 높은 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 종래기술의 포락선 변환을 하지 않는 전력 증폭 장치의 구성도.
도 2는 종래 클립핑(clipping) 방식의 포락선 변환을 사용하는 포락선 추적 전력 증폭 장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치의 구성도.
도 4는 포락선 변환의 입출력 관계를 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5c는 변환된 포락선의 시간에 따른 파형도.
도 6은 포락선 변환과 스위트 스팟을 위한 포락선 변환의 비교 그래프.
도 7은 포락선 추적 전력 증폭기 공급 전압에 따른 로드 라인과 knee 전압 그래프.
도 8은 고정된 공급 전압에서 동작하는 일반적인 전력 증폭기의 IMD3 커브 그래프.
도 9는 포락선 추적 전력 증폭기와 일반적인 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 IMD3의 변화 그래프.

이하, 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 증폭 장치의 신호 생성기120)는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기(130)의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력한다. 신호 생성기(120)에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호이며 일반적인 전력 증폭기에서의 입력 신호와 동일하다. 신호 생성기(120)에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호를 의미하며 출력 전력의 제곱근에 비례한다.

포락선 변환기(160)는 신호 생성기(120)에서 만들어진 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하는 기능을 하며, 이는 높은 효율과 좋은 선형성을 위한 것이다. 이 변환 방법은 도 4와 같은 입출력 변환 관계를 갖고 있으며 도 5와 같은 파형을 갖는다. 포락선 추적 전력 증폭 장치가 최적의 동작을 하기 위해서는 도 7에서 나타나는 knee 전압과 도 9에서 나타나는 스위트 스팟을 고려하여 오프셋 전압을 정하고 전력 증폭기(130)를 설계한다. 먼저 도 7에서 knee 전압은 전력 증폭기의 출력 전압의 진폭을 제한하고 이득을 감소시키기 때문에, 포락선 변환에서 오프셋 전압을 더하여 knee 전압에 의한 영향을 제거해 주어야 한다.

스위트 스팟은 전력 증폭기의 출력에서 발생하는 선형성을 나쁘게 하는 고조파 성분이 서로 반대의 위상을 가져 상쇄되면서 나타나는 현상으로, 고조파 성분이 작아져 선형성이 좋아지게 된다. 이와 같은 스위트 스팟은 고정된 전원을 갖는 일반적인 전력증폭기에서는 도 8과 같은 형태로 나타난다. 포락선 추적 전력 증폭기에서 스위트 스팟은 공급 전원에 따라 변화하게 되며 그 관계는 도 6와 같이 포락선 변환 그래프와 거의 비슷한 추세를 갖는다. 도 6와 같이 포락선 변환 그래프와 스위트 스팟의 변화를 일치시키게 되면, 도 9과 같이 전력 증폭기의 모든 출력 영역에서 스위트 스팟 현상이 일어나는 스위트 스팟 추적이 가능해지고, 기존의 포락선 전력 증폭기나 일반적인 정전원 전력 증폭기에 비해 선형성이 크게 개선된다.

전원 변조기(140)는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 전력 증폭기(130)의 전원으로 공급하는 역할을 하며, 높은 효율을 갖는 것이 중요하다. 또한 전원 변조기(140)의 출력 신호의 왜곡은 전력 증폭기(130)의 선형성을 나쁘게 만들기 때문에 충분히 빠른 동작을 하도록 설계한다.

이로써, 본 발명에 따르면, 기존의 포락선 변환 방법에 기반한 기술에 스위트 스팟 추적 기술을 적용하여 기존의 포락선 추적 전력증폭기는 물론 일반적인 전력 증폭기보다 더 좋은 선형성을 얻을 수 있다.

120 : 신호 생성기
130 : 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기
140 : 전원 변조기
160 : 포락선 변환기

Claims (5)

1. 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 있어서,
   신호 생성기와 포락선 변환기, 전원 변조기 및 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기를 포함하고,
   상기 신호 생성기는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력하고,
   상기 포락선 변환기는 상기 신호 생성기에서 만들어져 출력되는 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하고,
   상기 전원 변조기는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 전원으로 공급하고,
   상기 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기는, 선형성을 향상시키는 스위트 스팟을 가지며, 출력 전력에 따라 스위트 스팟의 위치가 일정하게 변하는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 스위트 스팟 추적을 위해 포락선을 변환하는 포락선 변환기는, 포락선과 피크 전압과 오프셋 전압을 입력으로 받아 입력 포락선과 일차 선형 관계를 갖는 출력 포락선을 내보내는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 신호 생성기에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호인 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 신호 생성기에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호이고, 출력 전력의 제곱근에 비례하는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치.

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