KR102345966B1 - 고출력 증폭기의 광대역 선형화를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

광대역 선형화를 구현한 고출력 증폭기가 개시된다. 고출력 증폭기는 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 입력 RF 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제1 필터링부; 상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 증폭하여 증폭 신호를 생성하는 증폭부; 상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 이용하여 상기 각각의 중심 주파수에 연관되는 상호 변조 왜곡 신호를 제거하기 위한 상쇄 신호를 생성하는 상쇄부; 상기 증폭 신호와 상쇄 신호를 커플링하여 출력 신호를 생성하는 커플링부; 및 상기 생성된 출력 신호에서 각 중심 주파수의 신호 성분들 각각에 대한 에너지를 측정하고, 측정된 에너지에 기초하여 상기 상쇄 신호를 제어하는 전력 제어기를 포함할 수 있다.

Description

고출력 증폭기의 광대역 선형화를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BROADBAND LINEARIZATION OF HIGH POWER AMPLIFIER}

실시예들은 고출력 증폭기의 광대역 선형화를 위한 기술에 관한 것이다.

전력증폭기는 이동통신 기지국 및 중계기의 가장 중요한 부품의 하나이다. 하지만 전력증폭기는 출력이 높아짐에 따라 진폭 및 위상 왜곡에 의해 비선형 특성이 발생하고 더불어 고출력 전력 증폭기의 효율은 떨어지게 된다. 고출력 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선하기 위해 수많은 선형화 기술이 소개가 되고 있고, 그 중 가장 널리 사용되고 효율이 좋은 기술이 피드 포워드(Feed Forward) 방식이다. 그러나 최근 상기 방식보다 더 효율이 좋은 크로스 소거(cross cancellation) 방식의 선형화 기술이 소개되어 상용화에 적용 되고 있다.

위 방식의 선형화 기술은 무선 주파수 입력 캐리어(RF Input Carrier)를 소거하는 무선 주파수 입력 캐리어 소거 루프(RF Input Carrier Cancellation Loop)와 이 신호를 이용하여 위상반전 된 상호 변조 신호를 생성하는 전치 왜곡 루프(pre-distortion Loop) 그리고 메인 루프와 전치 왜곡 루프를 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(Quadrature Hybrid Coupler)로 결합하여 상호 변조 신호를 소거하여 선형화된 무선 주파수 출력 신호를 출력하는 회로로 구분된다.

일 실시예에 따른 전력 증폭기는, 컷오프 주파수(cut off frequency)가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 입력 RF(Radio Frequency) 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제1 필터링부; 상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 증폭하여 증폭 신호를 생성하는 증폭부; 상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 이용하여 상기 각각의 중심 주파수에 연관되는 상호 변조 왜곡 신호를 제거하기 위한 상쇄 신호를 생성하는 상쇄부; 상기 증폭 신호와 상쇄 신호를 커플링하여 출력 신호를 생성하는 커플링부; 및 상기 생성된 출력 신호에서 각 중심 주파수의 신호 성분들 각각에 대한 에너지를 측정하고, 측정된 에너지에 기초하여 상기 상쇄 신호를 제어하는 전력 제어기를 포함할 수 있다.

상기 상쇄부는, 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 상기 상쇄 신호를 생성할 수 있다.

일 실시예에 따른 전력 증폭기는, 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 상기 상쇄 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제2 필터링부를 더 포함할 수 있다.

상기 커플링부는, 상기 제2 필터링부로부터 출력된 각 신호 성분들로 분리된 상쇄 신호를 상기 증폭 신호와 커플링하여 상기 출력 신호를 생성할 수 있다.

상기 제1 필터링부, 상기 상쇄부 및 상기 제2 필터링부에 포함된 대역 통과 필터들은 서로 컷오프 주파수가 동일할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 통신 주파수 밴드의 비연속성을 극복하여 고출력 증폭기의 초광대역 선형화가 가능해 진다.

일 실시예에 따르면, 듀얼 밴드 이상의 멀티 밴드의 고효율 선형 증폭기를 구현할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 듀얼 밴드 또는 멀티 밴드 고효율 선형 증폭기를 사용함으로써 원가를 절감하고, 고전력 사용 시 요구되는 전력 절감은 물론 크기의 축소로 설치 공간을 줄일 수 있어 콤팩트한 전력 증폭기를 구현 할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 필터링부 및 증폭부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상쇄부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 상쇄부를 구현한 상쇄 회로의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전력 증폭기를 도시하는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 동작을 설명하는 예시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 증폭기를 구현한 회로의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전력 증폭기의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 특성을 설명하기 위한 도면이다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 필터링부 및 증폭부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 필터링부(140) 및 증폭부(150)가 도시되고 필터링부(140)의 입력 신호(110)의 그래프, 필터링부(140)의 출력 신호(120)의 그래프가 도시된다. 필터링부(140)의 출력 신호(120)는 증폭부(150)에 입력 되고, 증폭부(150)는 출력 신호(130)를 출력한다. 각각의 그래프들(110, 120, 130)에서 x축은 주파수(Hz)를 나타내고, y축은 신호의 세기에 대응하는 전력(W)를 나타낸다.

보다 구체적으로, 입력 신호(110)는 복수의 중심 주파수(center frequency) 각각에 대응하는 신호 성분을 포함하는 임의의 신호일 수 있다. 예시적으로, 도 1에서는 f1, f2 및 f3의 중심 주파수 각각에 대응하는 신호 성분을 갖고 복수의 중심 주파수 상호 간에 겹치지 않는 세 개 대역의 입력 신호(110)가 필터링부(140)에 입력된다. 도 1을 참조하면, 입력 신호(110)는 중심 주파수 f1에 대응하는 기본(fundamental) 주파수 성분(111), 중심 주파수 f2에 대응하는 주파수 성분(112) 및 중심 주파수 f3에 대응하는 주파수 성분(113)이 도시된다. 각각의 중심 주파수에 대응하는 주파수 성분들(111, 112, 113)은 각각의 중심 주파수를 기준으로 서로 대칭될 수 있다.

입력 신호(110)는 필터링부(140)에 입력되며, 필터링부(140)를 통과한 출력 신호(120)에는 중심 주파수 f2 및 중심 주파수 f3 각각에 대응하는 주파수 성분의 신호는 나타나지 않는다. 필터링부(140)는 다대역(multi-band)의 신호 중에서 특정 대역의 신호 만을 출력 하도록 입력 신호(110)의 일부를 필터링할 수 있다. 예시적으로 증폭 회로(120)의 필터링은 하나 이상의 대역 통과 필터(Band Pass Filter; BPF)를 통해 구현될 수 있다. 필터링부(140)가 복수 개의 대역 통과 필터들을 포함하는 경우, 각 대역 통과 필터들은 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 할 수 있으며, 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수(cut off frequency)(또는 -3dB 주파수)가 서로 동일할 수 있다.

증폭부(150)는 입력 신호(120)를 증폭할 수 있다. 보다 구체적으로 증폭부(150)는 증폭기(amplifier) 내지 증폭 회로로도 지칭될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 입력 신호(120)는 복수의 중심 주파수 성분(f1, f2 및 f3)을 가지고 있다. 복수의 중심 주파수 성분이 증폭부(150)를 통과하는 경우에, 비선형적 특징에 의해 상호 변조 신호가 발생할 수 있다. 앞서 기재한 바와 같이, 중심 주파수 f1에 대응하는 주파수 성분(111)은 증폭부(150)를 통과하여 증폭된 신호(131)로 나타난다. 다만, 상호 변조(intermodulation; IMD)된 왜곡 신호(132)가 발생할 수 있다. 일 실시예로서 상호 변조된 왜곡(distortion) 신호(132)는 3차 IMD 왜곡 신호일 수 있다. 도 1에서는 중심 주파수 f1에 대응하는 주파수 성분(111)의 신호를 증폭하는 증폭부(150)가 도시된다. 실시예에 따라, 복수의 증폭 회로를 이용하여 중심 주파수 f2에서 중심 주파수 fn까지 각각의 중심 주파수에 대응하는 주파수 신호 성분도 각각 증폭하도록 하는 N개 대역의 다중 대역(multi-band) 전력 증폭기가 구현될 수도 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 상쇄부의 구성을 도시하는 블록도이다.

일 실시예에 따른 상쇄부는, 분배기(210), 필터링부(220), 상쇄 결합기(230), 및 결합기(240)를 포함할 수 있다. 상쇄부는 상쇄 회로로도 지칭될 수 있다. 분배기(210)는 복수의 중심 주파수의 신호 성분을 포함하는 입력 신호를 분배할 수 있다. 분배기(210)는 입력 신호를 분배하여 분배된 신호 각각을 필터링부(220) 및 상쇄 결합기(230)에 입력시킬 수 있다. 필터링부(220)는 분배기(210)로부터 입력 받은 신호에서 복수의 중심 주파수의 신호 성분을 통과시킬 수 있다. 필터링부(220)의 필터링 처리는 하나 이상의 대역 통과 필터를 통해 구현될 수 있다. 필터링부(220)가 복수 개의 대역 통과 필터들을 포함하는 경우, 각 대역 통과 필터들은 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 할 수 있으며, 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

상쇄 결합기(230)는 분배기(210)로부터 입력 받은 신호와 상호 변조 성분이 포함된 상기 복수의 중심 주파수의 신호 성분이 증폭된 신호를 상쇄시켜 결합할 수 있다. 결합기(240)는 상쇄 결합기(230)로부터의 신호 및 필터링부(220)로부터의 신호를 결합하여 상쇄 신호를 생성할 수 있다. 결합기(240)의 출력 신호가 생성되면, 출력 신호는 필터링부(220)에 의해 필터링 처리가 수행될 수도 있다. 필터링부(220)를 통과한 출력 신호는 진폭은 그대로이나 위상이 180° 반전될 수 있다. 상쇄부의 더 자세한 동작에 대해서는 도 3에서 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 상쇄부를 구현한 상쇄 회로의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 먼저 입력 신호(311)가 상쇄 회로의 입력 단자(310)를 통해 입력될 수 있다. 입력 신호(311)는 분배기(320)로 입력될 수 있다. 도 3의 분배기(320)는 도 2의 분배기(210)에 대응할 수 있다. 또한 일례로, 분배기(320)는 윌킨슨 스플리터(Wilkinson splitter)일 수 있다. 분배기(320)의 출력 신호(321)는 각각 제1 필터링부(330) 및 상쇄 결합기(360)에 입력될 수 있다. 일례로, 상쇄 결합기(360)는 무선 주파수 캐리어 소거 결합기(RF Carrier Cancellation Combiner)일 수 있다.

상쇄 결합기(360)의 또 다른 입력 신호(351)는 증폭기(350)에서 증폭되어 상호 변조 성분이 포함된 신호일 수 있다. 상쇄 결합기(360)의 또 다른 입력 신호(351)는 분배기(320)에서 출력된 신호와 상쇄 결합기(360)에서 합해지는데, 상쇄 결합기(360)의 출력은 주파수 성분은 신호(361)와 같이 크기가 감쇄되고 180°반전이 일어나며 상호 변조 성분 역시 반전될 수 있다. 상쇄 결합기(360)의 출력 신호(361)와 제1 필터링부(330)에 의해 크기 및 위상이 조정된 신호(331)가 결합기(370)에 입력된다. 일 실시예에서, 제1 필터링부(330)는 복수의 이득 제어기들, 위상 제어기들 및 필터들을 포함할 수 있다. 필터들은, 예를 들어 대역 통과 필터들일 수 있다. 각 대역 통과 필터들은 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 할 수 있으며, 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

결합기(370)는 예를 들어 윌킨슨 결합기일 수 있다. 결합기(370)의 출력 신호(371)에서, 결합기(370)의 두 입력 신호의 중심 주파수 성분은 상쇄되어 나타나고 상호 변조 성분은 결합기(370)의 입력 신호와 변함없이 유지 된다. 결합기(370)의 출력 신호(371)은 제2 필터링부(380)에 입력되고, 제2 필터링부(380)의 출력 신호(381)은 증폭기(390)에 의해 증폭될 수 있다. 제2 필터링부(380) 또한 제1 필터링부(330)와 유사하게 복수의 이득 제어기들, 위상 제어기들 및 필터들을 포함할 수 있다. 필터들은 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 하는 대역 통과 필터들일 수 있다. 대역 통과 필터들은 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 일 실시예에 따른 상쇄 회로는 상쇄 결합기(370)의 출력에 연결되는 커플러(coupler) 및 커플러에 연결되는 전력 제어기를 더 포함할 수 있다. 커플러를 통해 연결되어 전력 제어기로 상쇄 신호가 입력되면, 전력 제어기는 증폭기(350)의 출력 신호의 이득 및 위상을 조정할 수 있다. 이 때, 전력 제어기는 복수의 중심 주파수 성분을 갖는 신호를 대역 통과 필터에 입력시켜 각각의 중심 주파수 성분에 대한 에너지를 측정할 수 있다. 전력 제어기가 에너지를 측정하면, 각각의 중심 주파수 대역 별로 이득 및 위상을 제어할 수 있다. 이때, 전력 제어기는 복수의 대역에 대하여 각각 제어함으로써 전력 증폭기의 선형성을 높일 수 있다. 상쇄 회로의 RF 소자들은 온도에 민감하기 때문에, 계속적인 에너지의 추적(tracking)을 통해 에너지를 검출하고, 검출된 에너지를 최소화 시킬 필요가 있다. 결합기(370)의 출력신호는 제2 필터링부(380)를 통과하면서 반전되고, 증폭기(390)에 입력될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 전력 증폭기를 도시하는 블록도이다.

일 실시예에 따른 전력 증폭기는 필터링부(410), 증폭부(420), 상쇄부(430), 및 커플링부(440)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 전력 증폭기는 전력 제어기(450)를 더 포함할 수 있다.

필터링부(410)는 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여, 복수의 중심 주파수의 신호 성분을 포함하는 입력 RF 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제1 필터링부와 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 상쇄부(430)로부터 생성되는 상쇄 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제2 필터링부를 포함할 수 있다.

증폭부(420)는 상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분을 증폭하여 증폭 신호를 생성할 수 있다. 상쇄부(430)는 증폭 신호 및 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 이용하여 각각 중심 주파수에 연관되는 상호 변조 왜곡 신호를 제거하는 상쇄 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 상쇄부(430)는 컷오프 주파수가 서로 일치하는 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 상쇄 신호를 생성할 수 있다. 위에서 설명한 제1 필터링부, 제2 필터링부 및 상쇄부(430)에 포함된 대역 통과 필터들을 서로 컷오프 주파수가 동일할 수 있다. 대역 통과 필터들의 차단 주파수를 서로 일치시켜 줌으로써, 다중대역 선형화 회로의 연속적인 선형화가 가능해지고, 초광대역 선형화 회로의 전력 증폭기의 구현이 가능해 진다.

커플링부(440)는 증폭 신호와 상쇄 신호를 커플링하여 상호 변조 신호가 제거된 출력 신호를 생성할 수 있다. 커플링부(440)는 제2 필터링부로부터 출력된 각 신호 성분들로 분리된 상쇄 신호를 증폭 신호와 커플링하여 출력 신호를 생성할 수 있다.

전력 증폭기는 전력 제어기(450)를 더 포함할 수 있으며, 전력 제어기(450)는 커플링부(440)에 의해 생성된 출력 신호를 검출하고, 출력 신호의 복수의 중심 주파수의 신호 성분 각각에 대한 에너지를 측정할 수 있다. 전력 제어기(450)는 출력 신호에서 각 중심 주파수의 신호 성분들 각각에 대한 에너지를 측정하고, 측정된 에너지에 기초하여 상쇄 신호를 제어할 수 있다. 전력 제어기(450)는 측정된 에너지에 기초하여 상쇄 신호의 위상 또는 이득 중 적어도 하나를 복수의 중심 주파수 성분 별로 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 전력 증포기는 위와 같은 구성들을 통해 각 선형화 대역의 경계면을 연속적으로 구현하여 광대역 아날로그 선형화를 구현할 수 있다. 또한, 이러한 광대역 선형화 특징을 통해 전력 증폭기는 5G(generation) 이동 통신 시스템에서 효과적으로 이용될 수 있다. 실시예에 따라, 전력 증폭기는 저복잡도로 1GHz 이상의 대역폭에서까지 선형화를 구현할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 동작을 설명하는 예시도이다.

도 5를 참조하면, 입력 단자(510)로 입력된 입력 신호(511)는 도 1에서 설명한 입력 신호(110)와 같이 f1, f2, f3를 중심 주파수로 갖는 성분을 포함할 수 있다. 제1 필터링부(520)는 제1 중심 주파수의 신호 성분을 통과시키고, 나머지 중심 주파수의 신호 성분을 차단하는 제1 대역 통과 필터를 포함한다. 제1 중심 주파수의 신호 성분은 예를 들어 2G, 3G, Wibro, LTE 및 LTE-A를 위한 국제 통신 규격 중 어느 하나의 주파수 대역에 상응하고, 제1 중심 주파수 성분에 따라 제1 대역 통과 필터의 통과 대역이 결정될 수 있다. 제1 필터링부(520)를 통과하면서, 중심 주파수 대역을 f1으로 갖는 성분의 신호(521)만 남게 되고, 증폭부(530)를 통과하면서 신호가 증폭되고 신호(531)처럼 상호 변조 성분도 발생하게 된다.

입력 신호(511)는 상쇄부(540)에도 입력되고, 증폭부(530)의 출력 신호(531)도 상쇄부(540)로 입력될 수 있다. 도 5의 상쇄부(540)는 도 2의 상쇄부와 도 3에서 설명했던 상쇄 회로에 대응할 수 있다. 상쇄부(540)의 출력 신호(541)는 출력 신호(371)에 대응할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 상쇄부(540)의 출력 신호(541)은 증폭부(530)의 출력 신호에 비해 중심 주파수의 신호는 감쇄되며, 상호 변조 성분은 반전될 수 있다. 한편, 상쇄부(540)의 출력 신호(541)는 제2 필터링부(550)를 통과하면서 신호(551)와 같이 반전이 되고 커플링부(560)에 입력된다. 한편 증폭부(530)의 출력 신호(531)는 커플링부(560)에 입력되고 제2 필터링부(550)의 출력 신호(551)도 커플링부(560)에 입력될 수 있다. 커플링부(560)의 출력은 증폭부(530)의 출력 신호(531)가 반전된 신호와 제2 필터링부(550)의 출력 신호(551)가 합쳐져 상호 변조 성분이 사라진 주파수 성분만 남은 신호(561)에 해당된다.

도면에는 도시되지 않았지만, 커플링부(560)의 또 다른 출력은 주파수의 에너지를 검출하여 전력 제어기에 입력될 수 있으며, 제1 필터링부(520)의 이득 제어기, 위상 제어기 및 상쇄부를 조정, 에너지가 최소가 되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 커플링부(560)의 출력은 f1, f2에 해당하는 복수의 중심 주파수를 갖는 신호일 수 있고, 각각의 필터링부들(520, 550)은 주파수 대역 각각에 대한 필터링을 수행할 수 있는 복수의 대역 통과 필터들을 포함할 수 있다. 각 대역 통과 필터들은 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 할 수 있으며, 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

전력 제어기는 커플링부(560)의 출력에서 대역 통과 필터를 이용하여 주파수 대역 각각에 대한 에너지를 측정할 수 있고, 각각의 주파수 대역에 대한 측정 값에 기초하여 필터링부들(520, 550)를 제어, f1, f2 주파수 대역에 대한 독립적인 제어를 수행할 수다. 이와 같은 구성을 통해 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선하여 선형화를 달성할 수 있다는 효과가 있다.

더하여, 입력 단자(510)에 입력되는 신호는 f1, f2, ..., fn의 복수의 중심 주파수를 갖는 신호일 수도 있다. 각각의 필터링부들(520, 550)는 n개의 주파수 대역 각각에 대한 필터링을 수행할 수 있는 n개의 대역 통과 필터들을 포함할 수 있고, 커플링부(560)의 출력으로부터 n개의 대역 통과 필터들을 이용하여 주파수 대역 각각에 대한 에너지를 측정할 수 있다. 전력 제어기는 n개의 주파수 대역 각각의 신호로부터 측정한 에너지에 기초하여 전력 증폭기 내에 존재하는 이득 제어기 및 위상 제어기에 대한 주파수 대역 별 독립적인 제어가 가능하며, 이로써 전력 증폭기의 선형성을 증가시킬 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 전력 증폭기를 구현한 회로의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 입력 단자(610)로 입력된 입력 신호는 커플러(coupler, 620)에서 커플링되어 제1 필터링부(630)로 입력된다. 제1 필터링부(630)는 복수의 이득 제어기들, 위상 제어기들을 및 필터들을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 필터링부(630)는 복수의 중심 주파수를 갖는 입력을 각각의 중심 주파수를 갖는 신호를 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 분리할 수 있다. 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

도 6에서는 제1 필터링부(630)가 2개의 대역에 대해 필터링을 수행하여 분리하는 것으로 도시되어 있지만, 단일의 주파수 대역에 대해 단일 필터로도 수행 가능하며, 3개 이상의 주파수 대역에 대해 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 필터링을 수행하는 것도 가능하다.

도 6의 일 실시예에 따르면, 입력 신호는 중심 주파수가 각각 f1과 f2 인 겹치지 않는 2개 대역의 신호가 입력될 수 있다. 듀얼 밴드 크로스 소거 방식(Dualband cross cancellation)의 특징은 이득과 위상을 제어하는 구성에 각 대역의 대역 통과 필터가 구현됨으로써 각 대역 별 이득과 위상을 독립적으로 제어하여 상호 변조 성분을 소거하게 될 수 있다. 즉 커플러(620)에서 추출되어 검출된 에너지도 두 개의 대역 통과 필터들을 사용하여 대역 별로 각각의 에너지를 검출, 전력 제어기(694)에 입력 시켜 전력 제어기(694)가 주파수 대역 f1, f2에 대한 독립적인 제어가 가능하도록 할 수 있다. 도 6의 듀얼밴드 크로스 소거 알고리즘을 멀티 밴드(multi-band)로 확장하면 n개 대역에 해당하는 에너지 검출용 대역 통과 필터들을 사용하여 멀티-밴드 크로스 소거를 독립적으로 구현할 수 있다. 이 때 증폭기(640) 및 에러 증폭기(670)는 예를 들어 광대역 특성을 만족하는 GaN소자를 사용하고 분배기 및 결합기도 입력 주파수 특성에 만족하는 광대역 특성의 부품을 사용해야 한다.

입력 신호에서 복수의 주파수 대역에 해당하는 주파수 성분들 각각은 제1 필터링부(630)의 각 이득 제어기, 각 위상 제어기, 및 각 필터를 통과하여 증폭기(640)에서 각각 증폭될 수 있다. 이 때 상호 변조 성분도 발생할 수 있다.

상쇄부(650)는 입력된 RF 신호를 분배하는 분배기, 분배기로부터의 하나의 신호에서 각 중심 주파수의 신호 성분을 통과시키는 제3 필터링부, 상기 분배기로부터의 다른 하나의 신호와 상호 변조성분이 포함된 증폭 신호를 상쇄시켜 결합하는 상쇄 결합기, 및 상쇄 결합기로부터의 신호 및 제3 필터링부로부터 출력되는 신호를 결합하여 제1 상쇄 신호를 생성하는 결합기를 포함할 수 있다. 제3 필터링부는 복수의 이득 제어기들, 위상 제어기들을 및 필터들을 포함한다. 커플러(620)에서 커플링되지 않은 신호는 제1 딜레이 라인을 거처 상쇄부(650)의 분배기에 입력되고 분배기의 출력 신호는 주파수 대역별로 이득 제어기들, 위상 제어기들, 및 필터들을 포함하는 제3 필터링부를 통과하여 결합기에 각각 입력된다. 일 실시예에서, 제3 필터링부는 복수의 중심 주파수를 갖는 신호를 각각의 중심 주파수를 갖는 신호를 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 분리할 수 있다. 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

상쇄부(650)의 상쇄 결합기의 또 다른 입력은 증폭기(640)에서 증폭된 후, 커플링된 상호 변조 성분이 포함된 신호이고, 분배기에서 출력된 신호와 상쇄 결합기에서 결합된다. 이 때 상쇄 결합기의 출력에서 기본 주파수의 신호는 크기가 감쇄되고 180°반전이 일어나며 상호 변조 성분 역시 반전될 수 있다. 상쇄부(650)의 제3 필터링부로부터 출력된 신호와 상쇄 결합기의 출력 신호가 결합기에 입력된다. 결합기의 출력은 기본 주파수 성분은 상쇄되어 나타나고 상호 변조 성분은 결합기의 입력 신호와 변함없이 유지 된다. 한편, 도면상에는 나타나지 않았지만 상쇄 결합기의 출력 단자에 커플러가 연결될 수 있으며, 커플러에 의해 검출된 에너지는 전력 제어기(694)에 입력될 수 있다. 전력 제어기(694)는 검출된 에너지에 기초하여 상쇄부(650)의 제3 필터링부를 조정할 수 있다.

결합기의 출력 신호는 제2 필터링부(660)의 이득 제어기들, 위상 제어기들 및 필터들을 통과하면서 반전이 되고 에러 증폭기(670)에 입력된다. 일 실시예에서, 제2 필터링부(660)는 복수의 중심 주파수를 갖는 신호를 각각의 중심 주파수를 갖는 신호를 복수의 대역 통과 필터들을 이용하여 분리할 수 있다. 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다.

한편 증폭기(640)의 출력 신호는 제2 딜레이 라인을 거치면서 커플링부(690)의 1번 포트에 입력될 수 있다. 커플링부(690)는 예시적으로 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(quadrature Hybrid coupler)일 수 있다. 에러 증폭기(670)의 출력신호도 도 6에서 도시되는 바와 같이 쿼드러쳐 하이브리드 커플러의 2번 포트에 입력될 수 있다. 전력 증폭기는 제1 중심 주파수의 신호 성분의 통과 속도를 제어하여 나머지 중심 주파수의 신호 성분과의 딜레이 간격을 조절하는 딜레이 라인을 포함할 수 있다.

쿼드러쳐 하이브리드 커플러의 3번 출력은 두 입력 포트의 입력이 합쳐져 상호 변조 성분이 사라진 기본 주파수 성분만 남은 신호가 출력된다. 쿼드러쳐 하이브리드 커플러의 4번 출력은 감쇠기(attenuator, 691)를 포함할 수 있으며, 감쇠기(691)를 통해 추출된 신호를 복수의 대역 통과 필터(693)들에 입력시키고, 복수의 대역 통과 필터(693)들을 통과한 각각의 출력을 전력 제어기(694)에 입력시킬 수 있다. 전력 증폭기의 RF 소자들은 온도에 민감하기 때문에, 계속적인 에너지의 추적(tracking)을 실시간으로 수행함으로써 에너지를 검출하고, 검출된 에너지를 최소화시킬 필요가 있다. 이 때, 전력 제어기(694)는 복수의 주파수 대역들에 대한 이득 및 위상을 각각 제어함으로써 전력 증폭기의 선형성을 높일 수 있다.

전력 제어기(694)는 출력 신호의 에너지를 검출하고, 검출된 에너지에 기초하여 제2 필터링부(660)의 위상 제어기 및 이득 제어기의 값을 주파수 대역 각각에 대해 독립적으로 조절함으로써 기본 주파수의 에너지가 최소가 되도록 할 수 있다. 일 실시예에 따른 전력 증폭기는 상쇄 결합기의 출력에 연결되는 커플러(651)를 더 포함할 수 있다. 커플러(651)의 출력은 대역 통과 필터(692)을 거쳐 전력 제어기(694)로 신호가 입력될 수 있다. 전력 제어기(694)는 제2 필터링부(30)의 이득 제어기들, 위상 제어기들 및 필터들을 조정할 수 있다. 또한, 전력 제어기(694)는 위 구성 요소들에 대한 주파수 신호의 이득 및 위상을 조정할 수 있다. 전력 제어기(694)는 두 개의 루프(loop)를 통해 출력 신호의 에너지를 최소화하도록 함으로써 전력 증폭기의 효율이 최대가 되도록 하며, 동시에 전력 증폭기의 선형성을 극대화할 수 있다. 루프에는 포함되지 않지만 전력 제어기(694)는 에너지 검출 결과에 기초하여 제3 필터링부에 포함된 구성 요소들에 대해서도 주파수 신호의 이득 및 위상을 조정할 수 있다.

도 7은 다른 실시예에 따른 전력 증폭기의 구성을 나타내는 예시도이다.

도 7을 참조하면, 전력 증폭기는 도 6의 전력 증폭기와 다르게 제1 필터링부(740), 제2 필터링부(760) 및 상쇄부(750)에 포함된 제3 필터링부가 3개 이상의 주파수 대역에 대해 필터링을 수행할 수도 있다. 도 6의 전력 증폭기는 2단 구성을 예로 들어 설명하고 있으나, 도 7에 도시된 전력 증폭기와 같이 3단 구성 이상으로 구현될 수도 있으며, 이를 통해 선형화 주파수 대역의 확장이 가능해 진다. 제1 필터링부(740), 제2 필터링부(760) 및 제3 필터링부는 복수의 중심 주파수를 갖는 신호를 각각의 중심 주파수를 갖는 신호들로 분리하는 복수의 대역 통과 필터들을 포함할 수 있고, 대역 통과 필터들의 경우 인접한 주파수 대역에 대해서는 대역 통과 필터들의 차단 주파수가 서로 동일할 수 있다. 이를 통해 광대역의 선형화가 가능해 진다.

도 8은 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 그래프(810)은 전력 증폭기의 경로별 상쇄 특성을 나타내고, 그래프(820)은 경로별 대역 통과 필터 특성을 나타내며, 그래프(830)은 최종적인 상쇄 특성의 일례를 나타낸다. 본 명세서에서 제안된 전력 증폭기는 각 단에서 사용하는 대역 통과 필터의 차단 주파수(또는 -3dB 컷오프 주파수)의 지점을 서로 일치시킴으로써 주파수 대역의 비연속성을 극복하고 광대역의 선형화를 달성할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (5)

1. 컷오프 주파수(cut off frequency)가 서로 일치하고, 서로 병렬로 연결된 복수의 제1 대역 통과 필터들을 이용하여, 입력 RF(Radio Frequency) 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제1 필터링부;
   상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 증폭하여 증폭 신호를 생성하는 증폭부;
   상기 각각의 중심 주파수의 신호 성분들을 이용하여 상기 각각의 중심 주파수에 연관되는 상호 변조 왜곡 신호를 제거하기 위한 상쇄 신호를 생성하는 상쇄부;
   상기 증폭 신호와 상쇄 신호를 커플링하여 출력 신호를 생성하는 커플링부;
   컷오프 주파수가 서로 일치하고, 서로 병렬로 연결된 복수의 제2 대역 통과 필터들을 이용하여, 상기 상쇄 신호를 각각의 중심 주파수의 신호 성분들로 분리하는 제2 필터링부; 및
   상기 생성된 출력 신호에서 각 중심 주파수의 신호 성분들 각각에 대한 에너지를 측정하고, 측정된 에너지에 기초하여 상기 상쇄 신호를 제어하는 전력 제어기를 포함하고,
   상기 상쇄부는,
   컷오프 주파수가 서로 일치하고, 서로 병렬로 연결된 복수의 제3 대역 통과 필터들을 이용하여 상기 상쇄 신호를 생성하는, 전력 증폭기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 커플링부는,
   상기 제2 필터링부로부터 출력된 각 신호 성분들로 분리된 상쇄 신호를 상기 증폭 신호와 커플링하여 상기 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
5. 삭제

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