KR20050022838A - 주입동기식 발진기를 이용한 eer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator(ILO))를 이용한 EER(Envelope Elimination and Restoration) 시스템에 관한 것이다. EER은 증폭기의 효율을 높이기 위해 입력신호를 포락선 정보와 위상 정보로 분리하여 증폭한 후, 포락선 정보와 위상 정보를 다시 합쳐 신호를 복원하는 것으로, 종래의 EER은 커플러(Coupler), 리미터(Limiter), 구동증폭기(Drive Amplifier), 포락선검출기(Envelope Detector), DC-DC 컨버터(DC-DC Converter), E형 전력증폭기(Class E Power Amplifier)로 등으로 구성되어 있다.
본 발명은 주입동기식 발진기를 이용하여 종래의 복잡한 구조의 EER을 단순화하는 구조를 제시하고 있다. E급 주입동기식 전력발진기(Class E Power Injection Locked Oscillator)는 고이득을 갖고, 포화영역(Saturation mode) 동작 특성을 갖기 때문에 구동증폭기, 리미터, 전력증폭기의 역할을 대신할 수 있다.
본 발명에 의하면 리미터, 구동증폭기, E형 전력증폭기 등으로 구성된 복잡한 EER을 주입동기식 발진기를 이용하여 단순화 할 수 있다. 또, 리미팅시 발생하는 혼변조왜곡(Intermodulation Distortion(IMD))과 구동증폭기를 동작시키는데 필요한 부가 전력을 줄임으로써 EER 시스템을 효율적으로 구성할 수 있다.

Description

주입동기식 발진기를 이용한 EER{EER Using Injection Locked Oscillator}
본 발명은 고효율 전력증폭기 시스템 중에서 EER에 관한 것이다.
다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 뱃터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품이 전력 증폭기로, CDMA 방식의 단말기인 경우 그 효율은 10% 정도이다. 이렇게 CDMA 단말기의 효율이 낮은 이유는 CDMA 신호의 포락선이 시간적으로 바뀌기 때문이다. 신호의 포락선이 일정하지 않으면 신호를 증폭하기 위해서 선형 증폭기가 필요하며, 일반적으로 선형 증폭기는 A 혹은 AB급으로 바이어스를 두기 때문에 전력 손실이 많다.
포락선이 시간적으로 변하는 신호를 효율적으로 증폭하는 선형 전력증폭기 시스템이 많이 연구되어 왔다. 가변 바이어스(Variable Bias)증폭기, Doherty 증폭기, Chireix's Outphasing 증폭기, EER 등은 이러한 고효율 선형 증폭기이다.
가변 바이어스 방법은 입력신호의 크기에 따라 효율이 높아지도록 바이어스를 조절해주는 방법이며, Doherty 증폭기는 입력신호에 따라 두개의 증폭기를 순차적으로 구동시켜서 로드(load)를 변화시키는 효과를 갖게 하는 것으로, 가변 로드에 의해서 효율을 향상시킨다. Chireix's Outphasing 증폭기는 입력신호를 일정한 크기(constant envelope)를 가지는 2개의 신호로 분리하고 E급 증폭기로 증폭한 후 다시 합치는 방법으로, 시간적으로 일정한 크기를 가지는 신호는 효율을 높게 증폭할 수 있다. 그러나 상기의 시스템들은 이론적으로 100% 효율을 가지는 것이 불가능하며, 실제로 CDMA 대역에서는 40% 정도의 효율을 갖는다. EER은 이론적으로 100%의 효율을 가지는 선형증폭기로 일반적으로 UHF/VHF 대역에서 사용되고 있다.
도 1은 종래에 사용되어지던 EER 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. EER은 입력신호(19)를 포락선 정보(18)와 위상 정보(17)로 분리하기 위한 커플러(Coupler)(11), 일정한 크기의 신호를 생성하는 리미터(limiter)(12), 전력증폭기를 구동하기 위한 구동증폭기(drive amplifier)(13), 일정한 크기의 신호를 증폭하는 E급 전력증폭기(class E power amplifier)(14), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선검출기(envelope detector)(15), 검출된 포락선을 100% 효율로 증폭하는 DC-DC 컨버터(DC-DC converter)(16)로 구성된다.
EER의 동작원리는 다음과 같다. EER은 증폭기의 효율을 높이기 위해 커플러(11)를 이용하여 입력신호(19)를 위상 정보(17)와 포락선 정보(18)로 분리한다. 분리된 위상 정보는 리미터(12)를 이용하여 일정한 크기의 신호를 가지는 신호로 바뀌며, 구동증폭기(13)를 거쳐 E급 전력증폭기(14)로 입력된다. 한편 분리된 포락선 정보는 포락선 검출기(15)에 의해 포락선이 검출되며, DC-DC 컨버터(16)를 통해 100% 효율로 증폭된 후, 상기의 E급 전력증폭기의 드레인 바이어스를 조절하여 원래의 입력신호로 복원된다.
EER은 이론적으로 100%의 효율을 가질 수 있으나, 여러 소자들로 구성되기 때문에 그 시스템이 복잡하고 각 소자들이 이상적인 소자가 아닌 경우 효율과 선형성이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 여러 소자들로 구성된 복잡한 EER 시스템을 단순하게 하며, 동시에 시스템 전체의 효율과 선형성을 개선하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 E급 주입동기식 발진기(class E ILO)를 이용하여 EER을 구현한다.
본 발명의 EER은 입력 신호(21)를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리하기 위한 커플러(22), 위상신호를 포화모드(saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 주입동기식 전력발진기(27), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(25), 검출된 포락선을 100% 효율로 증폭하는 DC-DC 컨버터(26)로 구성된다.
본 발명의 EER은 증폭기의 효율을 높이기 위해 커플러(22)를 이용하여 입력신호(21)를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리한다. 분리된 포락선 정보와 위상 정보는 각각 포락선 검출기(25)와 E급 주입동기식 전력발진기(27)로 인가된다. 상기의 포락선 검출기의 출력은 DC-DC 컨버터(26)에 인가되어 100% 효율로 증폭되고, DC-DC 컨버터의 출력은 상기의 E급 주입동기식 전력발진기의 드레인 바이어스에 인가되어 원래의 입력신호가 복원된다.
이하에서는 본 발명에 의한 주입동기식 발진기를 이용한 EER에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 주입동기식 발진기를 이용한 EER의 제1 실시예이다. 본 발명에 따른 EER은 커플러(23), E급 주입동기식 전력발진기(27), 포락선 검출기(25), DC-DC 컨버터(26)로 구성된다. 종래의 EER과 비교했을 때 리미터, 구동증폭기, E급 전력증폭기가 필요없이 단순히 E급 주입동기식 발진기만으로 EER을 구성할 수 있다.
상기와 같이 리미터와 구동증폭기를 사용하지 않을 경우, 복잡한 EER 시스템을 간단히 할 수 있으며, 리미팅시 발생하는 혼변조 성분과 구동증폭기를 사용하기 위해 필요한 부가 전력을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에서 사용한 E급 주입동기식 발진기의 레이아웃을 나타낸다. 주입 동기식 발진기는 상대적으로 작은 외부의 입력 신호가 발진하고 있는 신호를 동기화 시키는 발진기로, 입력과 출력의 비율인 이득이 매우 크다. 그리고 발진기의 특성상 능동소자의 포화영역에서 동작을 한다. 상기의 주입동기식 발진기의 고이득, 포화영역에서의 동작특성은 구동증폭기와 리미터의 특성을 대신 할 수 있다. 왜냐하면, 종래의 EER에서 구동증폭기의 역할은 전력증폭기가 동작할 수 있도록 이득을 높이는 것이며, 리미터의 역할은 신호를 포화시켜서 일정한 크기의 신호로 만드는 것이기 때문이다. 그리고 상기의 발진기가 전력소자를 사용하여 E급으로 설계되었기 때문에 종래의 EER에서 E급 전력 증폭기를 대신 할 수 있다.
본 발명에서 E급 주입동기식 발진기는 마이크로스트립 기판(microstrip substrate)(31) 위에 제작되었다. 전력소자로는 GaAs FET(32)를 사용하였고, 병렬궤환회로(33)를 이용하여 발진기를 발진하도록 하였다. 그리고 집중소자(lumped element)와 분포소자(distributed element)를 사용하여 각각 임피던스 정합(34)과 고조파 단락(harmonic termination)(35)을 구현하였다.
도 4는 본 발명에 따른 EER에 대한 혼변조 특성을 나타낸다. 혼변조 특성은 Two-tone test로 측정하였고, 톤 간격은 10kHz로 측정하였다. 측정결과 원하는 신호와 혼변조 신호의 비율이 25dBc 이하임을 알 수 있다.
본 발명의 EER에서 사용한 주입동기식 발진기 대신 부성저항 증폭기(Negative Resistance Amplifier)를 사용할 수도 있다. 부성저항 증폭기는 주입동기식 발진기와 동작원리는 같아서 매우 큰 이득을 갖고, 포화영역에서 동작한다. 그러므로 상기의 부성저항 증폭기 역시 E급으로 설계되면, 종래의 EER에서의 구동 증폭기, 리미터, 그리고 E급 전력증폭기 역할을 대신할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예를 나타낸 것으로, 부성저항 증폭기를 이용하여 EER을 구성한 것이다. 부성저항 증폭기는 주입동기식 발진기와 달리 초기상태에서는 발진을 하지 않는다는 점을 제외하고는 동작원리와 구조가 동일하기 때문에, 제1 실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있다.
이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당 업자들메 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명에 의하면 종래의 EER 시스템에서의 구동증폭기, 리미터, E급 전력증폭기대신에, 상기의 소자들의 역할을 동시에 수행하는 E급 주입동기식 발진기를 사용함으로써 복잡한 EER의 구조를 간단하게 할 수 있다. 또한 구동증폭기와 리미터를 사용하지 않기 때문에 이들 소자에 의해 발생했던 효율과 선형성의 문제도 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 EER 시스템의 구성을 도시하는 도면
도 2는 본 발명에 따른 EER 시스템의 제1 실시예
도 3은 본 발명에서 사용한 주입동기식 발진기의 레이아웃
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 대한 혼변조 특성
도 5는 본 발명에 따른 EER 시스템의 제2 실시예
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
11: 커플러 12: 리미터
13: 구동증폭기 14: E급 전력증폭기
15: 포락선검출기 16: DC-DC 컨버터
17: 위상 정보 18: 포락선 정보
27: E급 주입동기식 전력발진기 33: 궤환회로
35: 고조파 단락 57: E급 부성저항 전력증폭기

Claims (3)

  1. 입력 신호를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리하기 위한 커플러(Coupler)(22), 상기의 위상 정보를 포화모드(Saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 주입동기식 전력발진기(Class E power Injection Locked Oscillator)(27), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(25), 검출된 포락선을 증폭하는 DC-DC 컨버터(26)로 구성되고,
    상기의 커플러(22)를 통과한 포락선 정보(23)는 포락선 검출기(25)를 통해 검출되고, 검출된 포락선은 DC-DC 컨버터(26)를 통해 E급 주입동기식 전력발진기(27)의 드레인 바이어스를 조절하는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주입동기식 발진기는
    병렬궤환 회로(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.
  3. 입력 신호를 포락선 정보(53)와 위상 정보(54)로 분리하기 위한 커플러(coupler)(52), 상기의 위상 정보를 포화모드(saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 부성저항 전력증폭기(Class E Negative Resistance Power Amplifier)(57), 입력 신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(55), 검출된 포락선을 증폭하는 DC-DC 컨버터(56)로 구성되고,
    상기의 커플러(52)를 통과한 포락선 정보(53)는 포락선 검출기(55)를 통해 검출되고, 검출된 포락선은 DC-DC 컨버터(56)를 통해 E급 부성저항 전력증폭기의 드레인 바이어스를 조절하는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.
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KR101455796B1 (ko) * 2007-12-26 2014-11-04 삼성전자주식회사 디지털 스위칭 제어를 적용한 포락선 제거 및 복원 기법기반의 전력 증폭 장치

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