KR20110066209A

KR20110066209A - 바이어스 전원 변조를 갖는 강화된 도허티 증폭기

Info

Publication number: KR20110066209A
Application number: KR1020117009975A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 존 보울레스; 스콧 위도우슨; 그라함 돌만
Original assignee: 노오텔 네트웍스 리미티드
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-06-16
Also published as: CN102165686A; EP2342817A4; WO2010037212A1; JP2012504355A; KR101349626B1; CN102165686B; EP2342817A1; US7619468B1; EP2342817B1; BRPI0919134A2

Abstract

강화된 도허티 구성의 증폭기는 주 증폭기와 보조 증폭기에 대하여 별도의 독립적인 바이어스 전압원을 특징으로 한다. 바이어스 전압원들은 입력 신호 또는 시스템 요구사항에 따라서 증폭기의 성능을 변경하도록 제어가능하며 가변적일 수 있다. 강화된 증폭기는 결합된 출력 신호에서 비선형성을 보상하기 위하여 입력 신호를 분리하고 성형하기 위하여 신호 준비부를 포함한다.

Description

바이어스 전원 변조를 갖는 강화된 도허티 증폭기{ENHANCED DOHERTY AMPLIFIER WITH BIAS SUPPLY MODULATION}

본 출원은 일반적으로 신호 증폭에 관한 것으로서, 특히, 증폭 장치의 효율과 성능을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 장치들은 RF(Radio Frequency)를 사용하여 정보를 송신한다. 예를 들어, 휴대폰은 기지국들에 음성 데이터를 송신하기 위하여 증폭된 RF를 사용하며, 기지국들은 신호들이 통신 네트워크에 중계되도록 한다. 다른 기존의 무선 통신 장치들로서는, 블루투스(Bluetooth), HomeRF, 및 WLAN이 있다. 종래의 무선 장치에 있어서, 전력 증폭기는 전체 무선 시스템의 전력의 대부분을 소비한다. 배터리 상에서 동작하는 시스템들에 있어서, 저 효율의 전력 증폭기는 주어진 배터리 수명에 있어서 통신 시간을 감소시킨다. 지속적인 전력 시스템에 있어서, 효율의 감소는 전력 사용과 열제거 요구사항을 증가시키며, 이는 장비와 전체 시스템의 운용 비용을 증가시킬 수 있다.

이러한 이유로, RF 전력 증폭기의 효율의 증가에 대하여 많은 노력들이 기울여졌다. 효율의 증가를 제공할 수 있는 하나의 증폭기 형태로서, 도허티(Doherty) 형의 전력 증폭기가 있다. 통상의 도허티형 전력 증폭기 설계에서는 주 증폭기와 보조 증폭기를 포함한다. 주 증폭기는 특정 전력 레벨까지 최적의 효율을 유지하도록 동작하며, 보조 증폭기가 그 레벨 위에서 동작하도록 한다. 전력 증폭기가 높은 출력 전력 레벨에서 동작하는 때에, 주 증폭기에 대한 압박이 심하여, 증폭된 신호에 비선형성이 도입되게 된다. 통상의 도허티형 증폭기에 있어서, 주 증폭기와 보조 증폭기는 동일한 최대 전력 등급을 갖는 동일한 형태의 증폭기들로 이루어진다. 이러한 도허티형 증폭기들은 이론상 시스템의 최대 효율과 크기가 동일한 전체 전력의 피크 6 dB 백(back)의 효율을 나타낸다.

새로운 증폭기 아키텍쳐들과 장치 기술들은, 백-오프(back-off) 시 효율 피크의 위치가 대략 통상적인 6dB 포인트 주위로 이동될 수 있으며, 크기가 최대 압축 시스템 효율을 초과하는 설계를 가능하게 한다. 보조 증폭기와는 상이한 크기와 재료들로 주 증폭기 설계를 사용함으로써 광범위한 출력 전력 레벨들 이상의 증가된 효율을 가능하게 하는 도허티형 장치들이 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 증폭기들에 대한 재료의 선택과 설계는 제품이 제조되는 때에 설정되어야 하며, 효율 피크의 위치의 미약하게 증가하는 변화들만이 성취될 수 있다. 시스템 어플리케이션에서의 변동 및 증폭을 필요로 하는 신호에 있어서의 변동으로 인하여, 다양한 신호 출력 전력 레벨들과 피크-평균 신호 비율에 대한 동작과 피크 효율이 가능하도록 한 도허티형 장치에 대한 요구가 있다고 하겠다. 또한, 장치 하드웨어에 대한 개조를 필요치 않고서 시스템 요구사항에 맞도록 동적으로 구성가능한 증폭 장치에 대한 요구가 있다고 하겠다.

본 출원에서는 다양한 신호 특징들에 대하여 적응될 수 있는 피크 효율점을 갖는 도허티형 증폭기를 개시하고 설명하고 있다. 주 증폭기와 보조 증폭기는 별도의 독립적인 바이어스 전압 전원에 의해 바이어스된다. 몇몇 실시예에 있어서, 바이어스 전압 전원은 고정되며, 상이한 전압 레벨들을 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 바이어스 전압 전원은 변동가능하며, 상이한 성능 특징들을 성취하도록 조정될 수 있다.

일 양태에 있어서, 본 출원에서는 신호 증폭기를 기재하고 있다. 신호 증폭기는 입력 신호를 주 입력 신호와 보조 입력 신호로 분리하도록 구성되는 신호 준비부를 포함하며, 여기서, 신호 준비부는 주 입력 신호와 보조 입력 신호에 대하여 신호 성형(signal shaping)을 적용하도록 구성되는 듀얼 구동 모듈을 포함한다. 신호 증폭기는 또한 주 입력 신호를 수신하여 증폭된 주 신호를 출력하도록 구성되는 주 증폭기, 주 바이어스 전압을 주 증폭기에 공급하는 주 바이어스 전압원, 보조 입력 신호를 수신하여 증폭된 보조 신호를 출력하도록 구성되는 보조 증폭기, 보조 바이어스 전압을 보조 증폭기에 공급하는 보조 바이어스 전압원, 증폭된 주 신호 및 증폭된 보조 신호를 출력 신호에 결합시키도록 구성되는 신호 결합기, 및 주 바이어스 전압원 및 보조 바이어스 전압원을 독립적으로 제어하도록 구성되는 전압 제어 모듈을 포함한다. 주 바이어스 전압원은 보조 바이어스 전압원과는 독립적이다.

또 다른 양태에 있어서, 본 출원은 무선 RF 통신을 송수신하기 위한 기지국을 기재하고 있다. 기지국은 RF 안테나, RF 안테나에 연결되어 RF 안테나에 의해 전파를 위한 송신 신호를 업-변환 및 증폭하도록 구성되는 RF 송신기, RF 안테나에 연결되어 RF 안테나로부터의 수신된 RF 신호를 다운-변환하도록 구성되는 RF 수신기, 및 네트워크와의 통신을 송수신하기 위한 네트워크 포트를 가지며, RF 수신기와 RF 송신기에 연결되어 이를 제어하는 신호 컨트롤러를 포함한다. RF 송수신기는 신호 증폭기를 포함한다.

또 다른 양태에 있어서, 본 출원은 입력 신호를 증폭하는 방법을 기재하고 있다. 본 방법은 입력 신호를 주 입력 신호와 보조 입력 신호로 분리하고, 주 입력 신호와 보조 입력 신호에 대하여 신호 성형을 적용하고, 주 바이어스 전압원으로부터의 주 바이어스 전압으로 주 증폭기를 바이어스시키고, 보조 바이어스 전압원으로부터의 보조 바이어스 전압으로 보조 증폭기를 바이어스시키고, 주 증폭기를 사용하여 주 입력 신호를 증폭하여 증폭된 주 신호를 생성하고, 보조 증폭기를 사용하여 보조 입력 신호를 증폭하여 증폭된 보조 신호를 생성하고, 증폭된 주 신호와 증폭된 보조 신호를 결합하여 출력 신호를 생성하고, 전압 제어 모듈을 사용하여 주 바이어스 전압원과 보조 바이어스 전압원을 독립적으로 제어하는 것을 포함한다. 주 바이어스 전압원은 보조 바이어스 전압원과는 독립적이다.

이하, 일례의 실시예들의 또 다른 양태와 특징들을 첨부 도면들과 연계하여 설명한다.

이하, 일례로서 실시예들을 나타내는 첨부 도면들에 대하여 참조한다.
도 1은 강화된 증폭기의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 강화된 증폭기의 또 다른 실시예의 블록도를 나타낸다.
도 3은 강화된 증폭기의 또 다른 실시예의 블록도를 나타낸다.
도 4는 강화된 증폭기의 일 실시예의 이득 및 효율 대비 출력 전력의 그래프를 나타낸다.
도 5는 무선 네트워크의 일례의 기지국의 블록도를 나타낸다.

이하에서 본 발명의 일 실시예의 예시적인 구현예를 나타내고 있지만, 본 시스템은 현재 공지되거나 존재하는 임의의 수의 기술을 이용하여 구현될 수 있다는 것을 당초에 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은, 본 명세서에 예시되고 기재된 일례의 설계 및 구현예를 포함하여, 여하의 방식으로든지 이하에 나타낸 예시적인 구현예, 도면, 및 기법들에 제한되지 않아야 하지만, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 그 균등물의 전체 범위에 따라서 개조될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 신호 통신에 있어서, 결합되거나, 연결되거나, 전기적으로 접속되는 등의 용어들은 특정 실시예의 전체 문맥에서 분명한 바와 같이 소자들 간의 직접적인 연결, 소자들 간의 간접적인 연결, 또는 그 양측 모두를 포함할 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 결합(couple)된다는 용어는, 이에 한하지는 않지만, 직접적인 전기 접속을 포함하고자 하는 것이다. 송신한다(transmit), 송신된다, 송신하고 있다는 용어는, 이에 한하지는 않지만, 하나의 장치로부터 또 다른 장치로 신호의 전기적인 전송을 포함하고자 하는 것이다.

먼저 도 1에 대하여 참조하면, 강화된 증폭기(10)의 일 실시예의 블록도를 나타내고 있다. 강화된 증폭기(10)는 보조 증폭기(14)와 병렬로 주 증폭기(12)를 갖는 도허티 구성으로 배치된다. 신호 준비부(20)에 의해 입력 신호(16)가 수신되어, 입력 신호를 주 증폭기(12)와 보조 증폭기(14)에 각각 입력되는 주 입력 신호(40)와 보조 입력 신호(42)로 분리한다. 주 증폭기(12)는 증폭된 주 신호(44)를 출력하며, 보조 증폭기(14)는 증폭된 보조 신호(46)를 신호 결합기(21)에 출력한다.

신호 결합기(21)는 주 증폭기(12)의 출력 경로에 주 증폭기 임피던스 변환기(22)를 포함한다. 대부분의 실시예에 있어서, 주 증폭기 임피던스 변환기(22)는 증폭된 주 신호(44)에 있어서 90도 위상 천이를 일으키도록 선택된다. 주 증폭기 임피던스 변환기(22)는 또한 강화된 증폭기(10)의 출력 포트의 관점에서 임피던스 매칭을 위해서 선택될 수도 있다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 출력 경로는 통상 보조 증폭기(14)가 오프되는 때에 적절한 임피던스 변환뿐만 아니라 90도의 위상 오프셋을 제공하도록 설계된다. 증폭된 주 신호(44) 및 증폭된 보조 신호(46)는 당업자에 알려진 기법들을 이용하여 신호 결합기(21)에서 결합되어 출력 신호(18)를 생성한다.

강화된 증폭기(10)는 주 증폭기(12)와 보조 증폭기(14)에 대한 차동 바이어스 제어를 특징으로 한다. 이러한 특징은 특정 신호와 네트워크 조건에 대하여 적응시키도록 피크 효율점을 설정하는데 있어서 더 큰 융통성을 제공한다. 도 1에 도시된 예에 있어서, 주 증폭기(12)는 주 바이어스 전압원(30)에 연결되어 주 바이어스 전압(31)을 수신하며, 보조 증폭기(12)는 보조 바이어스 전압원(32)에 연결되어 보조 바이어스 전압(33)을 수신한다. 주 바이어스 전압(31)은 보조 바이어스 전압(33)과는 별도로서 독립적인 것이다. 대부분의 구현예에 있어서, 주 바이어스 전압(31)은 보조 바이어스 전압(33)과는 상이한 전압 레벨에 설정된다.

많은 실시예에 있어서, 주 바이어스 전압(31)과 보조 바이어스 전압(33)은 입력 신호(16) 및/또는 출력 신호(18)의 예상 특성에 기초하여 미리 선택되거나 미리 결정될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전압(31 및 33)의 결정은 출력 신호(18)의 예상 평균 출력 전력 및/또는 출력 신호(18)의 피크-평균 비(PAR: peak-to-average ratio)에 기초로 할 수 있다. 주어진 적용예에 있어서 적절한 바이어스 전압(31 및 33)을 결정하기 위하여 평균 전력 및 PAR에 더하여 또는 이를 대신하여 다른 특성들이 사용될 수도 있다. 특정한 적용예에 있어서, 바이어스 전압(31 및 33)이 미리 결정된다면, 주 바이어스 전압원(30) 및 보조 바이어스 전압원(32)은 정적인 DC 전압원일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 전압원(30 및 32)은 미리 선택된 전압 레벨을 공급하도록 구성되며, 외부 전압원으로부터 유도되는 전압 레일을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 전압원(30 및 32)은 강화된 증폭기(10)에 특정하게 전용되는 하나 이상의 전압원을 포함할 수 있다. 당업자라면, 2개의 독립적인 바이어스 전압원(30 및 32)을 구현하기 위한 가능한 전기 메카니즘의 범위를 이해할 수 있을 것이다.

일 실시예에 있어서, 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)는 상이한 재료 조성, 상이한 설계, 또는 상이한 재료 조성 및 상이한 설계 양측 모두의 반도체 장치들일 수 있다. 주 증폭기(12) 용의 제1 반도체 장치 및 보조 증폭기(14) 용의 제2 반도체 장치의 사용은(제1 반도체 장치는 제2 반도체 장치와 동일하지 않음) 강화된 증폭기(10)의 효율을 강화시키도록 사용될 수 있다. 보조 증폭기(14)와는 상이한 증폭기 설계를 갖는 주 증폭기(12)의 사용은 강화된 증폭기(10)의 동작 효율을 강화시킬 수 있다.

주 증폭기 및 보조 증폭기(12 및 14)에 대한 2개의 상이한 바이어스 전압의 사용은, 증폭 과정에서 생성될 수 있는 비선형성을 악화시킬 수 있다. 도허티 구성의 증폭기는 통상, 주 증폭기가 AB 등급으로 바이어스되고 보조 증폭기가 C 등급으로 바이어스되어, 양측 모두 입력-출력 비선형성을 나타내므로, 통상 비선형성을 나타낸다. 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)가 상이한 장치라면(상이한 재료 또는 상이한 설계), 비선형성이 더욱 악화될 수 있다. 따라서, 신호 준비부(20)는 증폭 전에 신호 준비를 수행함으로써 증폭 단계에서의 비선형성을 보상하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에 있어서, 신호 준비부(20)는 증폭 단계에서의 비선형성을 부분적으로 보상하기 위하여 신호 성형을 수행하도록 구성될 수 있다. 신호 성형은 신호의 적절한 부분들이 분리되어 주 증폭기 및 보조 증폭기(12 및 14)에 대하여 라우팅되도록 한다. 또 다른 예에 있어서, 신호 준비부(20)는 전왜곡 선형화(pre-distortion linearization)를 수행하여, 입력 신호(16)에 대하여 가산 또는 감산함으로써 증폭기 단의 결과적인 비선형 효과를 오프셋시키도록 구성될 수 있다. 다른 증폭전 비선형 보상 기법 또는 동작들이 채용될 수도 있다. 도허티 증폭기의 비선형성을 오프셋 또는 보상하기 위한 각종 동작과 구성들은, 본 출원인 소유의 미국 특허출원 제11/537,084호 "Enhanced Doherty Amplifier with Asymmetrical Semiconductor" (2006년 9월 29일자 출원)에 기재되어 있으며, 그 내용을 참조로서 본 명세서에서 인용한다.

이하, 도 2를 참조하면, 강화된 증폭기(10)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 주 바이어스 전압원(30) 및 보조 바이어스 전압원(32)은 각각 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)에 대하여 독립적인 바이어스 전압 전원을 제공한다. 본 실시예에 있어서, 바이어스 전압원(30 및 32)은 가변 전압 전원이다. 강화된 증폭기(10)는 주 바이어스 전압(31)과 보조 바이어스 전압(33)의 셋팅을 독립적으로 제어하기 위하여 바이어스 전압원(30 및 32)에 결합되는 전압 제어 모듈(34)을 포함한다. 전압 제어 모듈(34)은 주 바이어스 전압(31)을 설정하기 위하여 주 바이어스 전압원(30)에 주 제어 신호(35)를 출력할 수 있으며, 보조 바이어스 전압(33)을 설정하기 위하여 보조 바이어스 전압원(32)에 보조 제어 신호(36)를 출력할 수 있다. 바이어스 전압원(30 및 32)은 시스템 동작 중에 변화하는 신호 특성 또는 시스템 조건에 적합하도록 변할 수 있으며, 또는 리셋 또는 파워-온 조건을 따라서 초기화될 수도 있다.

강화된 증폭기(10)는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 출력 신호(18)로부터의 피드백 신호(60)는 신호 준비부(20)에 리턴될 수 있다. 피드백 신호(60)는 출력 신호(18)에 관한 정보를 제공하며, 신호 준비부(20) 내의 각종 파라미터들 또는 동작들을 제어할 수 있는지에 따라서 신호 준비부(20)가 각종 신호 특성들을 모니터링하도록 할 수 있다. 예를 들어, 피드백 신호(60)를 이용하여, 신호 준비부(20)는 출력 신호(18)의 전력 레벨을 모니터링할 수 있으며, 평균 출력 전력, 피크-평균 비, 등에 관한 통계를 수집할 수 있다. 이러한 통계에 기초하여, 가능하다면, 그 신호 성형 또는 전왜곡 선형화 동작들을 조정할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전압 제어 모듈(34)은 피드백 신호(60)를 수신할 수도 있다. 이는 출력 신호(18)의 신호 특성의 변경에 대하여 반응하도록 전압 제어 모듈(34)이 바이어스 전압(31 및 33)을 조정할 수 있도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 피드백 신호(60)는 전압 제어 모듈(34)에 의해 직접 수신되지 않을 수도 있으며, 그 대신 신호 준비부(20)로부터 신호 통계 정보 또는 데이터를 수신 또는 취득할 수도 있다. 또한, 전압 제어 모듈(34)은 반드시 신호 준비부(20)와는 별도의 스탠드-얼론 모듈로서 구현될 필요는 없고, 몇몇 실시예에 있어서는 신호 준비부(20) 내에 포함될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다른 변형예들이 당업자에 의해 이해될 것이다.

주 바이어스 전압원(30) 및 보조 바이어스 전압원(32)은 당업자에게 쉽게 성취될 수 있는 바와 같이 높은 효율의 가변 전압원 설계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 40% 효율의 60W 증폭기는 28V의 바이어스 전압을 제공하기 위하여 150W 또는 대략 5.4A의 평균 DC 전원을 필요로 하게 된다. 많은 실시예에 있어서, 가변 전압원의 효율은 주 증폭기 및 보조 증폭기(12 및 14)의 효율을 열화시키지 않도록 높아야 한다. 당업자라면, 특정 적용예에 대한 가변 전압원의 적절한 특성을 이해할 수 있을 것이다.

주 바이어스 전압(30) 및 보조 바이어스 전압(32)을 독립적으로 제어하거나 변경하는 능력으로 인하여, 강화된 증폭기(10)의 동작은 소정의 출력 전력(Pout) 레벨에서 최적의 효율과 이득을 제공하도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 높은 평균 전력을 경험하지 않는 몇몇 시스템 또는 구현예에 있어서, 바이어스 전압(31 및 33)은 더 낮은 전력 레벨에서 효율 피크를 제공하도록 변경될 수 있다.

이하, 도 3을 참조하면, 강화된 증폭기(10)의 또 다른 실시예를 나타내고 있다. 본 실시예에 있어서, 전압 제어 모듈(34)이 신호 준비부(20)로 구현되는 것으로 도시되어 있다. 신호 준비부(20)는 피드백 신호(60)를 수신하고, 신호 준비부(20) 내의 전왜곡 동작 및 신호 성형 동작을 제어하는지에 기초하여, 예를 들어, 평균 출력 전력 및 PAR 등의 통계를 수집한다. 바이어스 전압원(30 및 32)을 제어하기 위하여 전압 제어 모듈(34)에 의해 동일한 통계 중 일부가 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 주 바이어스 전압(31)의 크기는 평균 출력 전력(P_out(avg))에 비례하도록 될 수 있으며, 보조 바이어스 전압(33)은 피크 출력 전력(P_out( _peak))에 비례하도록 될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 신호 준비부(20)는 입력 신호(16)를 주 입력 신호(40)와 보조 입력 신호(42)로 분리하도록 구성된다. 입력 신호(16)의 분리 중에, 신호 준비부(20)는 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)의 비대칭 도허티 구성에 의해 도입되는 비선형성을 보상하기 위한 특정 동작들을 수행할 수도 있다.

신호 준비부(20)는 입력 신호(16)를 주 부분(50)과 보조 부분(52)으로 분리하기 위한 신호 분리기(24)를 포함한다. 신호 분리기(24)는 입력 신호(16)를 동일한 부분으로 분할할 필요는 없다. 사실, 신호 분리기(24)는 입력 신호(16)를 불균등하게 분할하여 주 증폭기(12)와 보조 증폭기(14)의 상태에 따라서 분할비를 변경할 수도 있다. 특히, 입력 신호(16)의 전부 또는 대부분은 압축으로 구동되기까지 초기에는 주 증폭기(12)에 향하다가, 그 후, 신호 분리기(24)가 보조 부분(52)의 크기를 증가시키도록 분할비를 변경할 수도 있다.

신호 준비부(20)는 또한 주 신호 성형기(26) 및 보조 신호 성형기(28)를 포함한다. 신호 성형기(26 및 28)는 신호 성형 기법을 적용하여 강화된 증폭기(10)의 효율을 증가시키고, 몇몇 경우에 있어서, 신호 준비부(20)는 필터링 또는 기타의 전왜곡 기능들을 주 부분(50) 및 보조 부분(52)에 적용하여 비선형성을 보상할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 신호 성형기(26 및 28)는 주 신호 성형기(26)가 주 부분(50)을 주 증폭기(12)에 의한 증폭을 위한 입력 신호(16)의 기저 부분으로 성형하고, 보조 신호 성형기(28)가 보조 부분(52)을 보조 증폭기(14)에 의한 증폭을 위한 입력 신호(16)의 피크 부분으로 성형하도록 구성된다. 다른 성형 및 보상 동작들이 당업자에 의해 이해될 수 있을 것이다.

신호 분리기(24) 및 신호 성형기(26 및 28)를 통합하여 듀얼 구동 모듈(90)이라고 하기도 한다. 듀얼 구동 모듈(90)은 몇몇 실시예에 있어서는 아날로그 소자들을 이용하여 구현될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 듀얼 구동 모듈(90)은 디지털로 구현될 수 있다. 예를 들어, 듀얼 구동 모듈(90)은 디지털 신호 프로세서(DSP), 적합한 프로그램된 마이크로컨트롤러, 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)을 이용하여 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 기능을 성취하기 위한 이러한 장치의 적합한 프로그래밍은 당업자의 기술 범위 내에 있다고 할 것이다.

많은 실시예에 있어서, 듀얼 구동 모듈(90)은 기저대역 아날로그 신호 또는 디지털 신호 상에서 동작하도록 구성된다. 따라서, 신호 준비부(20)는 RF 주 입력 신호(40) 및 RF 보조 입력 신호(42)를 생성하기 위하여 주 업-변환기(80) 및 보조 업-변환기(82)를 포함할 수 있다. 다른 방법으로서, 신호 준비부(20)는 RF 주 입력 신호(40) 및 RF 보조 입력 신호(42)를 제공하기 위하여 디지털에서 무선 주파수로 직접 신호를 변환시키는, 직접 RF 솔루션을 이용하여 구현될 수 있다.

신호 준비부(20)는 또한 전왜곡 선형화기(70)를 더 포함할 수 있다. 전왜곡 선형화기(70)는 입력 신호(16)에 대하여 전왜곡을 적용하여 강화된 증폭기(10)의 비선형 동작에 의해 야기되는 비선형성을 보상하거나 오프셋시킨다. 피드백 신호(60)는 전왜곡 선형화기(70)를 동적으로 조정하거나 구성하기 위한 정보를 제공할 수 있다.

강화된 증폭기(10)의 주어진 구현예에 있어서, 피크 효율의 위치는 파워 스위프(power sweep)의 사용을 통하여 결정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)는 대략 100W 의 용량을 갖는 주 증폭기(12)와 대략 200W 용량을 갖는 보조 증폭기(14)의 최대 전력 비율의 측면에 있어서 비대칭일 수 있다. 주 증폭기(12)는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 표준 28V 전원 및 5V에서 35V로 변하는 주 드레인 바이어스 전압에 기초하여 AB 등급으로 바이어스될 수 있다. 보조 증폭기(14)는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 정전압 28V로 유지되는 보조 드레인 바이어스 전압을 갖는 "깊은" C 등급(Vgs = 0.50 V)으로 바이어스될 수 있다. 주 드레인 바이어스 전압이 증가함에 따라서, 백-오프 시의 피크 효율의 위치가 대략 34 dBm에서 50 dBm 이상으로 증가한다. 백-오프 시의 효율 피크의 크기는 주 드레인 바이어스 전압의 증가에 따라서 증가하며, 이득 크기 또한 증가한다. 최대 달성가능한 전력은 주 드레인 바이어스 전압이 증가함에 따라서 한계까지 증가한다.

또 다른 실시예에 있어서, 주 증폭기(12)가 대략 100W 용량을 가지며, 보조 증폭기(14)가 대략 200W 용량을 갖는다면, 보조 드레인 바이어스 전압이 변경될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 주 증폭기(12)는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 등급 AB로 정전압 28V에 주 드레인 바이어스 전압을 유지하여 바이어스될 수 있다. 보조 증폭기(14)는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 표준 28V 전원 및 5V 에서 35V로 변하는 보조 드레인 바이어스 전압에 기초하여 "깊은" C 등급(Vgs = 0.50 V)으로 바이어스 될 수 있다. 이러한 경우, 일단 약 15V에서 특정 문턱치가 성취되면, 백-오프 시의 이득과 효율은 일정하게 유지된다. 보조 증폭기 드레인 바이어스 전압이 증가함에 따라서, 최대 성취가능한 전력은 대폭 증가한다. 보조 증폭기 드레인 바이어스 전압이 증가함에 따라서, 천이 저점(transition trough)의 위치와 깊이 또한 증가한다.

또 다른 실시예에 있어서, 주 증폭기 및 보조 증폭기는 주 증폭기(12)가 대략 100W의 용량 및 보조 증폭기(14)가 대략 200W의 용량을 갖도록 하여, 최대 전력 비율의 측면에서 비대칭일 수가 있다. 주 증폭기는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 15V의 감소된 레벨에 주 드레인 바이어스 전압을 유지하여 AB 등급으로 바이어스될 수 있다. 보조 증폭기(14)는 LDMOS FET를 포함할 수 있으며, 35V의 증가된 레벨에 보조 드레인 바이어스 전압을 일정하게 유지하여, "경미한(light)" C 등급(Vgs = 3.30V)으로 바이어스될 수 있다. 이러한 경우, 입력 신호 성형으로 인하여, 백-오프 시의 이득이 표준 도허티 레벨 위로 유지된다. 이하, 도 4를 참조하면, 이득 대 출력 전력의 그래프(100)와 효율 대 출력 전력의 그래프(102)가 도시되어 있다. 그래프(102)에 도시된 바와 같이, 백-오프 시 제1 효율 피크(104)의 위치는 대략 41 dBm으로 감소되며, 백-오프 시의 제1 효율 피크(104)의 크기는 35 내지 40% 사이로 감소된다. 도허티 천이 중의 이득의 크기는 대략 15 dB의 범위에 대하여 다소 일정하게 유지되며, 최대 압축 전력 레벨(Pmax)은 대략 2 dBm 내지 57 dBm 이상으로 증가된다. 이러한 실시예에 있어서, 통상 7.78 dB 분리를 제공하는 소자들을 이용하여, 물리적인 설계 변경 없이도 16 dB 효율 피크 분리가 제공된다.

상기 설명한 도면에 도시된 실시예에 있어서, 주 증폭기(12) 및 보조 증폭기(14)의 성능이 변함에 따라서, 증폭된 신호에 지연 및 위상 변화가 또한 도입된다. 증폭된 주 신호(44)로부터 생성되는 출력 신호(18), 주 증폭기 임피던스 변환기(22), 및 증폭된 보조 신호(46)는 동위상이어야 한다. 이는, 이에 한하지는 않지만, 기저대역/디지털 지연 기법을 이용하여 위상을 재정렬하는 것을 포함하는 당업자에 알려진 임의의 방식으로 성취될 수 있다. 기저대역/디지털 지연 기법들은, 이에 한하지는 않지만, 신호의 송신을 디지털적으로 지연시키는 것을 포함하는 임의의 지연 기법을 칭하고자 하는 것이다. 신호 준비부(20)에 있어서 기저대역/디지털 기법을 사용하는 것은 주 바이어스 전압원(12) 및 보조 바이어스 전압원(14)을 변화시킴으로써 도입되는 비선형과 변형을 해결하도록 입력 신호들의 동적인 제어를 제공한다. 피드백 신호 라인(60)은 신호 준비부(20)로 하여금 신호가 강화된 증폭부(10)를 떠나는 것을 모니터링하도록 하고, 전왜곡 선형화기(70) 또는 듀얼 구동 모듈(90)에 대하여 조절하도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 적절한 소자(도시 생략)를 이용하여 보조 경로 위상 오프셋이 도입될 수 있다. 보조 경로 위상 오프셋은 고정되거나 가변일 수 있다.

이하, 도 5를 참조하면, 강화된 증폭기(144)를 포함하는 무선 네트워크 기지국(130)의 블록도를 나타낸다. 기지국(130)은 고전력 다채널로서, 고정 위치에서 2방향의 무선기기에 대한 매체이다. 통상, 낮은 전력, 단일 채널, 2방향의 무선기기, 또는 모바일 전화, 휴대 전화, 무선 라우터, 등의 무선 장치들에 의해 사용될 수 있다. 기지국(130)은 송신기(134) 및 수신기(136)에 결합되는 신호 컨트롤러(132)를 포함할 수 있다. 송신기(134) 및 수신기(136)(또는 조합된 송수신기)는 또한 안테나(138)에 결합될 수 있다. 기지국(130)에 있어서, 신호 컨트롤러(132)에 의해 디지털 신호들이 처리된다. 디지털 신호들은 모바일 단말기(도시 생략)를 위한 음성 및 데이터를 전달하는 신호와 같은 무선 통신 시스템용 신호일 수 있다. 기지국(130)은 2G, 2.5G, 3G, GSM, IMT-2000, UMTS, iDEN, GPRS, EV-DO, EDGE, DECT, PDC, TDMA, FDMA, CDMA, W-CDMA, TD-CDMA, TD-SCDMA, GMSK, OFDM, 등의 임의의 적합한 무선 기술 또는 표준을 채용할 수 있다. 신호 컨트롤러(132)는 그 후 디지털 신호를 채널 처리 회로(140)를 포함하고 있는 송신기(134)에 송신한다. 채널 처리 회로(140)는 각각의 디지털 신호를 인코딩하고, RF(Radio Frequency) 발생기(142)는 인코딩된 신호를 RF 신호 상에 변조한다. 그 후, RF 신호는 강화된 증폭부(10)에서 증폭된다. 그 결과의 출력 신호는 안테나(138)를 통해 모바일 단말기에 송신된다. 안테나(138)는 또한 모바일 단말기로부터 기지국(130)에 보내지는 신호들을 수신한다. 안테나(138)는 신호를 디지털 신호로 복조하는 수신기(136)에 송신하고, 이들을 신호 컨트롤러(132)에 송신하여, 외부 네트워크(146)에 중계될 수 있다. 기지국(130)은 또한 기지국(130)으로부터의 열기를 제거하기 위하여 쿨링 팬 또는 공기 교환기 등의 보조 장비를 구비할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 강화된 증폭기(10)(도 3)는 전부가 아니라면 블록(142 및 144)의 부분들을 대신하여 기지국(130)에 포함될 수 있으며, 이는 기지국(130)의 전력 사용과 주요 비용을 감소시킬 수 있다. 전력 증폭기 효율은 총 전력 입력에 대한 사용가능 출력 신호 전력을 나타낸다. 출력 신호를 생성하는데 사용하지 않는 전력은 통상 열로서 소멸된다. 기지국(130)과 같은 대형 시스템들에 있어서, 증폭에 의해 발생되는 열은 쿨링 팬과 기타 관련 쿨링 장비를 필요로 할 수 있으며, 이는 기지국(130)의 비용을 증가시키고, 추가 전력을 필요로 하며, 기지국 하우징의 전체 크기를 증가시키고, 빈번한 정비를 필요로 할 수 있다. 기지국(130) 내의 강화된 증폭기(10)에 대한 효율을 증가시키고 제어를 개선하는 것은, 쿨링 장비의 일부 또는 전부에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 또한, 강화된 증폭기(10)에 대한 공급 전력은 사용가능한 신호로 더 효율적으로 변환될 수 있으므로 감소될 수 있다. 강화된 증폭기(10) 내의 별도의 바이어스 전압원(12 및 14)을 구현하기 위하여 필요한 공간과 리소스들은 장치 성능과 효율 특징들에 대한 제어에 의해 오프셋된다. 기지국(130)의 물리적 크기와 정비 요구사항들 또한 쿨링 장비의 감소로 인하여 감소될 수 있다. 이는 기지국(130) 장비가 기지국 타워의 최상부에 이동될 수 있도록 하여, 송신기 케이블 길이를 더 짧게 하고, 비용을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 기지국(130)은 800 MHz 내지 3.5 GHz의 범위의 동작 주파수를 갖는다.

도시된 실시예들과 연계하여 강화된 증폭기를 설명하였지만, 많은 대체예, 개조예, 및 변형예들이 상기 설명들을 조명하여 당업자에 대하여 자명하다는 것이 명백하다. 따라서, 이러한 모든 대체예, 개조예, 변형예들을 본 발명의 광의의 범위와 개념 내에 해당하는 것으로 포괄하고자 하는 것이다.

Claims

신호 증폭기로서,
입력 신호를 주 입력 신호와 보조 입력 신호로 분리하도록 구성되는 신호 준비부 - 상기 신호 준비부는 상기 주 입력 신호와 상기 보조 입력 신호에 대하여 신호 성형을 적용하도록 구성되는 듀얼 구동 모듈을 포함함 -;
상기 주 입력 신호를 수신하여 증폭된 주 신호를 출력하도록 구성되는 주 증폭기;
주 바이어스 전압을 상기 주 증폭기에 공급하는 주 바이어스 전압원;
상기 보조 입력 신호를 수신하여 증폭된 보조 신호를 출력하도록 구성되는 보조 증폭기;
보조 바이어스 전압을 상기 보조 증폭기에 공급하는 보조 바이어스 전압원;
상기 증폭된 주 신호와 상기 증폭된 보조 신호를 출력 신호로 결합하도록 구성되는 신호 결합기; 및
상기 주 바이어스 전압원 및 상기 보조 바이어스 전압원을 독립적으로 제어하도록 구성되는 전압 제어 모듈
을 포함하며,
상기 주 바이어스 전압원은 상기 보조 바이어스 전압원과는 독립적인 신호 증폭기.
제1항에 있어서,
상기 전압 제어 모듈은 상기 주 바이어스 전압원에 주 제어 신호를 출력하여 상기 주 바이어스 전압을 설정하고, 상기 보조 바이어스 전압원에 보조 제어 신호를 출력하여 상기 보조 바이어스 전압을 설정하도록 구성되는 신호 증폭기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 주 바이어스 전압은 상기 보조 바이어스 전압과는 실질적으로 상이한 신호 증폭기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 준비부에 상기 출력 신호를 공급하기 위한 상기 신호 준비부에 대한 피드백 경로를 더 포함하며, 상기 신호 준비부는 하나 이상의 출력 신호 특성을 계산하도록 구성되는 신호 증폭기.
제4항에 있어서,
상기 전압 제어 모듈은 상기 출력 신호 특성에 응답하여 상기 주 바이어스 전압을 조정하도록 구성되는 신호 증폭기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 전압 제어 모듈은 상기 출력 신호 특성에 응답하여 상기 보조 바이어스 전압을 조정하도록 구성되는 신호 증폭기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 상기 증폭된 주 신호의 위상을 조정하기 위한 주 경로 위상 오프셋 임피던스를 포함하는 신호 증폭기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 전왜곡(pre-distortion) 선형화기를 포함하는 신호 증폭기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 증폭기 및 상기 보조 증폭기는 RF 전력 증폭기를 포함하며, 상기 출력 신호는 RF 신호를 포함하며, 상기 신호 준비부는 상기 주 입력 신호를 주 RF 입력 신호로 업-변환하도록 구성되는 주 업-변환기 및 상기 보조 입력 신호를 보조 RF 입력 신호로 업-변환하도록 구성되는 보조 업-변환기를 포함하는 신호 증폭기.
무선 RF 통신을 수신 및 송신하기 위한 기지국으로서,
RF 안테나;
상기 RF 안테나에 연결되어, 상기 RF 안테나에 의한 전파를 위한 송신 신호를 업-변환 및 증폭하도록 구성되는 RF 송신기;
상기 RF 안테나에 연결되어, 상기 RF 안테나로부터 수신된 RF 신호를 다운-변환하도록 구성되는 RF 수신기; 및
네트워크와의 통신을 송신 및 수신하기 위한 네트워크 포트를 갖는 신호 컨트롤러 - 상기 신호 컨트롤러는 상기 RF 수신기 및 상기 RF 송신기에 연결되어 이들을 제어함 -;
를 포함하며,
상기 RF 송수신기는 강화된 신호 증폭기를 포함하며,
상기 강화된 신호 증폭기는,
상기 송신 신호를 주 입력 신호와 보조 입력 신호로 분리하도록 구성되는 신호 준비부로서, 상기 주 입력 신호 및 상기 보조 입력 신호에 대하여 신호 성형을 적용하도록 구성되는 듀얼 구동 모듈을 포함하는 신호 준비부,
상기 주 입력 신호를 수신하여 증폭된 주 신호를 출력하도록 구성되는 주 증폭기,
상기 주 증폭기에 주 바이어스 전압을 공급하는 주 바이어스 전압원,
상기 보조 입력 신호를 수신하여 증폭된 보조 신호를 출력하도록 구성되는 보조 증폭기,
상기 보조 증폭기에 보조 바이어스 전압을 공급하는 보조 바이어스 전압원, 및
상기 증폭된 주 신호와 상기 증폭된 보조 신호를 출력 신호로 결합하도록 구성되는 신호 결합기
를 포함하며,
상기 주 바이어스 전압원은 상기 보조 바이어스 전압원과는 독립적인 기지국.
제10항에 있어서,
상기 주 바이어스 전압원과 상기 보조 바이어스 전압원을 독립적으로 제어하도록 구성되는 전압 제어 모듈을 더 포함하는 기지국.
제11항에 있어서,
상기 전압 제어 모듈은 상기 주 바이어스 전압원에 상기 주 제어 신호를 출력하여 상기 주 바이어스 전압을 설정하고, 상기 보조 바이어스 전압원에 상기 보조 제어 신호를 출력하여 상기 보조 바이어스 전압을 설정하도록 구성되는 기지국.
제10항에 있어서,
상기 주 바이어스 전압은 상기 보조 바이어스 전압과는 실질적으로 상이한 기지국.
입력 신호를 증폭하는 방법으로서,
입력 신호를 주 입력 신호와 보조 입력 신호로 분리하고, 상기 주 입력 신호와 상기 보조 입력 신호에 대하여 신호 성형을 적용하는 단계;
주 증폭기를 주 바이어스 전압원으로부터의 주 바이어스 전압으로 바이어스시키는 단계;
보조 증폭기를 보조 바이어스 전압원으로부터의 보조 바이어스 전압으로 바이어스시키는 단계;
상기 주 입력 신호를 상기 주 증폭기를 사용하여 증폭하여 증폭된 주 신호를 생성하는 단계;
상기 보조 입력 신호를 상기 보조 증폭기를 사용하여 증폭하여 증폭된 보조 신호를 생성하는 단계;
상기 증폭된 주 신호와 상기 증폭된 보조 신호를 결합하여 출력 신호를 생성하는 단계; 및
전압 제어 모듈을 이용하여 상기 주 바이어스 전압원과 상기 보조 바이어스 전압원을 독립적으로 제어하는 단계
를 포함하며,
상기 주 바이어스 전압원은 상기 보조 바이어스 전압원과는 독립적인 입력 신호 증폭 방법.
제14항에 있어서,
상기 전압 제어 모듈로부터의 주 제어 신호를 상기 주 바이어스 전압원에 공급하여 상기 주 바이어스 전압을 설정하고, 상기 전압 제어 모듈로부터의 보조 제어 신호를 상기 보조 바이어스 전압원에 공급하여 상기 보조 바이어스 전압을 설정하는 단계를 더 포함하는 입력 신호 증폭 방법.
제14항 또는 제 15항에 있어서,
상기 주 바이어스 전압은 상기 보조 바이어스 전압과는 실질적으로 상이한 입력 신호 증폭 방법.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력 신호로부터 하나 이상의 출력 신호 특성을 계산하고, 상기 출력 신호 특성에 응답하여 상기 주 바이어스 전압을 제어하는 단계를 더 포함하는 입력 신호 증폭 방법.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력 신호로부터 하나 이상의 출력 신호 특성을 계산하고, 상기 출력 신호 특성에 응답하여 상기 보조 바이어스 전압을 제어하는 단계를 더 포함하는 입력 신호 증폭 방법.