KR20240050197A - 도허티 전력 증폭기 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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양영구
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김창욱
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삼성전자주식회사
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Abstract

실시예들에 있어서, 무선 통신 시스템의 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)가 제공된다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제1 전력 증폭기(power amplifier) 및 제2 전력 증폭기를 포함하는 제1 스테이지(stage)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제3 전력 증폭기 및 제4 전력 증폭기를 포함하는 제2 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 스테이지 와 상기 제2 스테이지 사이의 커플러(coupler)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제2 스테이지와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 증폭기의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기의 바이어스와 다르게 인가(applied)될 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기의 바이어스와 동일하게 인가될 수 있다.

Description

도허티 전력 증폭기 및 이를 포함하는 전자 장치 {DOHERTY POWER AMPLIFIER AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
아래의 설명들은, 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier) 및 이를 포함하는 전자 장치(electronic device)에 관한 것이다.
5G 시스템에서 전자 장치는 많은 데이터 용량을 처리하기 위하여 높은 PAPR(peak to average power ratio)를 갖는 변조 방식이 이용될 수 있다. 높은 PAPR을 갖는 변조 신호를 선형적으로 증폭하기 위하여, 전력 증폭기(power amplifier)는 최대 출력을 갖는 영역 대신 최대 출력으로부터 일정 값만큼 백-오프(back-off)시킨 백-오프 영역에서 동작한다. 이 때, 백-오프 영역에서 동작하는 전력 증폭기는 효율이 감소되고, 전력 소모량이 증가된다. 백-오프 영역에서의 증폭기 효율을 개선하기 위하여, 2개의 전력 증폭기들로 구성되는 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)가 이용될 수 있다. 그러나, 도허티 전력 증폭기는 효율이 개선되는 백-오프 영역이 제한되는 바, 효율 개선 능력이 제한될 수 있다.
실시예들에 있어서, 무선 통신 시스템의 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)가 제공된다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제1 전력 증폭기(power amplifier) 및 제2 전력 증폭기를 포함하는 제1 스테이지(stage)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제3 전력 증폭기 및 제4 전력 증폭기를 포함하는 제2 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 스테이지 와 상기 제2 스테이지 사이의 커플러(coupler)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제2 스테이지와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 증폭기의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기의 바이어스와 다르게 인가(applied)될 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기의 바이어스와 동일하게 인가될 수 있다.
실시예들에 있어서, 무선 통신 시스템의 전자 장치가 제공된다. 상기 전자 장치는 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 상기 전자 장치는 상기 적어도 하나의 프로세서와 연결된 복수의 RF 체인(chain)들을 포함할 수 있다. 상기 전자 장치는 상기 복수의 RF 체인들과 연결된 복수의 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 전자 장치는 상기 복수의 RF 체인들 중 하나의 RF 체인은 도허티 전력 증폭기 (Doherty power amplifier)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제1 전력 증폭기(power amplifier) 및 제2 전력 증폭기를 포함하는 제1 스테이지(stage)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 제3 전력 증폭기 및 제4 전력 증폭기를 포함하는 제2 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제1 스테이지 와 상기 제2 스테이지 사이의 커플러(coupler)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기는 상기 제2 스테이지와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 증폭기의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기의 바이어스와 다르게 인가(applied)될 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기의 바이어스와 동일하게 인가될 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2a는 실시예들을 설명하기 위한 전력 증폭기의 예를 도시한다.
도 2b는 실시예들을 설명하기 위한 전력 증폭기를 설명하기 위한 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다.
도 3a는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 사이의 위상 차이를 도시하는 그래프의 예이다.
도 3b는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류를 도시하는 그래프의 예이다.
도 3c는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전압을 도시하는 그래프의 예이다.
도 4는 실시예들에 따른 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다.
도 5는 실시예들에 따른 결합기(combiner)의 예들을 도시한다.
도 6은 실시예들에 따른 커플러(coupler)의 예들을 도시한다.
도 7은 실시예들에 따른 하이브리드 커플러(hybrid coupler)를 포함하는 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다.
도 8a는 실시예들에 따라 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 사이의 위상 차이를 도시하는 그래프의 예이다.
도 8b는 실시예들에 따라 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 및 출력 전압을 도시하는 그래프의 예이다.
도 8c는 실시예들에 따라 출력 전력에 따른 주 증폭단(main stage)의 주 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)의 변화를 도시하는 그래프의 예이다.
도 8d는 실시예들에 따라 출력 전력에 따른 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 전력 효율을 도시하는 그래프의 예이다.
도 9는 실시예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 설명에서 사용되는 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어(분배기(divider 또는 splitter), 전력 분배기(power divider 또는 power splitter), 선로(line), 전송 선로(transmission line), 급전선(feeding line), 전력 증폭기(power amplifier), 주 증폭단(main stage), 드라이버 증폭단(driver stage), 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier), 캐리어 증폭기(carrier amplifier), 주 전력 증폭기(main power amplifier), 주 증폭기, 피킹 증폭기(peaking amplifier), 보조 전력 증폭기(auxiliary power amplifier), 보조 증폭기, 위상 오프셋(phase offset), 변조 임피던스(modulation impedance), 네트워크(network), 결합기(combiner), 커플러(coupler) 등), 장치의 구성 요소의 일 구성을 지칭하는 용어(포트(port), 단자, 단(end), 입력단(input end), 출력단(output end), 노드(node)) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다. 또한, 이하 사용되는 '...부', '...기', '...물', '...체' 등의 용어는 적어도 하나의 형상 구조를 의미하거나 또는 기능을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용될 수 있으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다. 또한, 이하, 'A' 내지 'B'는 A부터(A 포함) B까지의(B 포함) 요소들 중 적어도 하나를 의미한다.
도 1은 실시예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1은 무선 통신 시스템에서 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(110), 단말(120), 및 단말(130)을 예시한다. 도 1은 하나의 기지국만을 도시하나, 기지국(110)과 동일 또는 유사한 다른 기지국이 더 포함될 수 있다.
기지국(110)은 단말들(120, 130)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국(110)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(110)은 기지국(base station) 외에 '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
단말(120) 및 단말(130) 각각은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(110)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 경우에 따라, 단말(120) 및 단말(130) 중 적어도 하나는 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 즉, 단말(120) 및 단말(130) 중 적어도 하나는 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말(120) 및 단말(130) 각각은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '고객 댁내 장치'(customer premises equipment, CPE), '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', 또는 '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
기지국(110), 단말(120), 단말(130)은 밀리미터 파(mmWave) 대역(예: 28GHz, 30GHz, 38GHz, 60GHz, 또는 60GHz 이상)에서 무선 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 이때, 채널 이득의 향상을 위해, 기지국(110), 단말(120), 단말(130)은 빔포밍(beamforming)을 수행할 수 있다. 여기서, 빔포밍은 송신 빔포밍 및 수신 빔포밍을 포함할 수 있다. 즉, 기지국(110), 단말(120), 단말(130)은 송신 신호 또는 수신 신호에 방향성(directivity)을 부여할 수 있다. 이를 위해, 기지국(110) 및 단말들(120, 130)은 빔 탐색(beam search) 또는 빔 관리(beam management) 절차를 통해 서빙(serving) 빔들(112, 113, 121, 131)을 선택할 수 있다. 서빙 빔들(112, 113, 121, 131)이 선택된 후, 이후 통신은 서빙 빔들(112, 113, 121, 131)을 송신한 자원과 QCL(quasi co-located) 관계에 있는 자원을 통해 수행될 수 있다.
기지국(110) 또는 단말들(120, 130)은 안테나 어레이(antenna array)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이에 포함되는 각 안테나는 어레이 엘리먼트(array element), 또는 안테나 엘리먼트(antenna element)로 지칭될 수 있다. 안테나 어레이는 2차원의 평면 어레이(planar array), 선형 어레이(linear array) 혹은 다층 어레이 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 안테나 어레이는 매시브 안테나 어레이(massive antenna array)로 지칭될 수 있다. 또한, 안테나 어레이는 복수의 안테나 엘리먼트들을 포함하는 서브 어레이(sub array)를 다수 포함할 수 있다.
도 2a는 실시예들을 설명하기 위한 전력 증폭기의 예를 도시한다.
도 2a는 전력 증폭기(power amplifier)(200)에 대한 예시로, 설명의 편의를 위하여 간략화하여 도시한다. 전력 증폭기(200)는 입력단(201)을 통해 입력된 신호의 전력을 증폭하여 출력단(202)으로 내보낼 수 있다. 이하, 본 개시의 전력 증폭기는 전압 제어 전류원(voltage controlled current source)(ID)로 정합된 증폭기로, 입력단(201)의 임피던스(impedance)는 Zin이고, 실수로 가정하자. 즉, 출력단과 연결된 전류원(ID)은 입력단(201)의 전압에 따라 선형적(linearity)으로 동작할 수 있다. 전력 증폭기(200)의 바이어스(bias)가 Class-C로 인가되고, 낮은 전력(low power, LP) 지점에서는, 전력 증폭기(200)는 off된 상태일 수 있다.
도 2b는 실시예들을 설명하기 위한 전력 증폭기를 설명하기 위한 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다. 여기서, 도허티 전력 증폭기는 2개의 전력 증폭기들로 구성되는 전력 증폭기일 수 있다. 따라서, 2단 도허티 전력 증폭기는 2개의 단(stage)들을 포함하는 도허티 전력 증폭기로, 구동을 위한 단은 드라이버 증폭단(driver stage), 출력을 위한 단은 주 증폭단(main stage)로 지칭될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기(doherty power amplifier, DPA)(210)는 드라이버 증폭단(220), 주 증폭단(230), 위상 지연(phase delay)을 위한 전송 선로(transmission line)(240), 결합기(combiner)(250) 및 전력 분배기(power splitter)(270)를 포함할 수 있다.
드라이버 증폭단(220)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 드라이버 증폭단(220)은 제1 전력 증폭기(221) 및 제2 전력 증폭기(222)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(221)와 제2 전력 증폭기(222)는 동일한 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 증폭기(221)는 Class-AB 바이어스의 증폭기일 수 있고, 제2 전력 증폭기(222)도 Class-AB 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이는 예시적인 것에 불과하며, 제1 전력 증폭기(221) 및 제2 전력 증폭기(222)는 Class-A, Class-B, Class-C 바이어스의 증폭기로 구성될 수도 있다.
주 증폭단(230)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주 증폭단(230)은 제3 전력 증폭기(231) 및 제4 전력 증폭기(232)를 포함할 수 있다. 이 때, 제3 전력 증폭기(231)와 제4 전력 증폭기(232)는 다른 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제3 전력 증폭기(231)는 Class-AB 바이어스의 증폭기일 수 있고, 제4 전력 증폭기(232)는 Class-C 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이는 예시적인 것에 불과하며, 제3 전력 증폭기(231)는 Class-A, Class-B 바이어스의 증폭기일 수 있다. 제4 전력 증폭기(232)는 Class-AB, Class-B, Class-C 바이어스의 증폭기로 구성될 수도 있다. 제3 전력 증폭기(231)는 캐리어 증폭기(carrier amplifier), 주 전력 증폭기(main power amplifier), 주 증폭기로 지칭될 수 있다. 제4 전력 증폭기(232)는 피킹 증폭기(peaking amplifier), 보조 전력 증폭기(auxiliary power amplifier), 보조 증폭기로 지칭될 수 있다.
드라이버 증폭단(220)과 주 증폭단(230) 사이에 전송 선로(240)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전송 선로(240)는 제1 전력 증폭기(221)의 출력단과 제3 전력 증폭기(223)의 입력단을 연결할 수 있다. 전송 선로(240)는 주 증폭단(230)에 인가되는 신호 사이의 위상의 차이를 형성할 수 있다. 다시 말해서, 전송 선로(240)는 주 증폭기인 제3 전력 증폭기(231)에 입력되는 신호(signal1)와 피킹 증폭기인 제4 전력 증폭기(232)에 입력되는 신호(signal2) 사이에 위상 차이를 형성하기 위한 구조일 수 있다. 여기서, 전송 선로(240)에 의한 위상 차이는 θD일 수 있다.
결합기(250)는 임피던스 변조를 위한 구조로, 제3 전력 증폭기(231), 제4 전력 증폭기(232), 및 부하 임피던스(260)와 연결될 수 있다. 결합기(250)는 제3 전력 증폭기(231)와 연결된 제1 변조 구조(251) 및 제2 제4 전력 증폭기(232)와 연결된 제2 변조 구조(252)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 변조 구조(251), 제2 변조 구조(252)는 집중 정수 소자(lumped element), 전송 선로(transmission line), 또는 변압기(transformer) 중 적어도 하나를 포함하는 구조일 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 5에서 서술된다. 예시적으로, 제1 변조 구조(251)는 R0의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 전기적 길이가 90°인 임피던스로 구성될 수 있고, 제2 변조 구조(252)는 R0의 특성 임피던스와 전기적 길이가 180°인 임피던스인 임피던스로 구성될 수 있다. 제1 변조 구조(251)를 통과한 신호(signal3)와 제2 변조 구조(252)를 통과한 신호(signal4)는 결합되어 부하 임피던스(260)에 인가될 수 있다.
전력 분배기(270)는 2단 도허티 전력 증폭기(210)에 인가된 입력 신호(input signal)를 분배하여 드라이버 증폭단(220)의 전력 증폭기들에 신호를 인가할 수 있다.
도 2b를 참고하면, 제3 전력 증폭기(231)를 통과한 신호(signal3)의 전류는 I0의 크기와 θa의 위상을 가질 수 있고, 제4 전력 증폭기(232)를 통과한 신호(signal4)의 전류는 I0의 크기와 θb의 위상을 가질 수 있다. 이 때, θb-θa는 Δθ로 정의될 수 있다.
도 3a는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 사이의 위상 차이를 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 2b의 주 증폭단(230)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 2b의 제3 전력 증폭기(231) 및 제4 전력 증폭기(232)일 수 있다. 또한, 위상 차이(Δθ)는 제3 전력 증폭기(231)에서 출력된 신호(도 2b의 signal3) 및 제4 전력 증폭기(232)에서 출력된 신호(도 2b의 signal4)의 위상 차이를 의미할 수 있다.
도 3a의 그래프(300)는 정규화된 입력 전압(normalized input voltage)에 따른 위상 차이(Δθ)를 도시하는 라인(310)을 도시한다. 그래프(300)의 가로축은 정규화된 입력 전압의 크기를, 세로축은 위상 차이(단위: °)를 의미한다. 여기서, 정규화된 입력 전압은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기를 0과 1사이의 값으로 정규화한 전압일 수 있다. 라인(310)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기가 변경되더라도, 주 증폭단의 전력 증폭기들(예: 도 2b의 제3 전력 증폭기(231) 및 제4 전력 증폭기(232))에 입력되기 전 신호들(signal1, signal2) 사이 또는 출력된 신호들(signal3, signal4) 사이의 위상 차이는 항상 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 2단 도허티 전력 증폭기는 입력 전압의 크기가 달라지더라도 2단 도허티 전력 증폭기의 주 증폭단에 입력되는 신호들 사이의 위상 차이는 변경되지 않을 수 있다.
도 3b는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류를 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 2b의 주 증폭단(230)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 2b의 제3 전력 증폭기(231) 및 제4 전력 증폭기(232)일 수 있다.
도 3b의 그래프(320)는 정규화된 입력 전압(normalized input voltage)에 따른 주 증폭단의 보조 증폭기의 출력 전류를 도시하는 제1 라인(325), 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전류를 도시하는 제2 라인(330)을 도시한다. 그래프(320)의 가로축은 정규화된 입력 전압의 크기를, 세로축은 전류(단위: [A])를 의미한다. 여기서, 정규화된 입력 전압은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기를 0과 1사이의 값으로 정규화한 전압일 수 있다. 그래프(320)는 설명의 편의를 위하여 k가 2인 경우를 예로 도시한다. 여기서, k는 임피던스의 변조 비율을 의미할 수 있고, 여기서 임피던스는 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 부하 임피던스 방향으로 바라보았을 때의 임피던스일 수 있다. 또한, 변조 비율은, 전력 증폭기의 출력 전력이 높은 상태(high power, HP)에서의 임피던스(RHP)와 출력 전력이 낮은 상태에서의 임피던스(RLP) 사이의 비율을 의미할 수 있다. 변조 비율은 RLP/RHP로 정의될 수 있다. 이 때, 출력 전력이 높은 상태 또는 낮은 상태를 구분하는 임계값은 보조 증폭기가 on되는 전력 지점에 기반하여 결정될 수 있다. 그래프(320)의 예에서, 정규화된 입력 전압의 크기가 0.5보다 큰 경우 보조 증폭기가 on될 수 있다. 따라서, 임계값은 입력 전압의 크기인 0.5에서의 전력 증폭기의 출력 전력에 따라 결정될 수 있다.
제1 라인(325)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기가 0.5이하에서는, 주 증폭단의 보조 증폭기는 전류를 출력하지 않을 수 있다. 즉, 보조 증폭기의 전류는 0일 수 있다. 그러나, 입력 전압의 크기가 0.5를 초과하는 경우, 보조 증폭기는 전류의 크기가 최대값(Imax)이 될 때까지 선형적으로 증가한다. 이 때, 제1 라인(325)의 기울기는 2Imax일 수 있다. 이와 달리, 제2 라인(330)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기와 상관없이, 주 증폭단의 주 증폭기는 전류는 최대값이 될 때까지 선형적으로 증가할 수 있다. 이 때, 제2 라인(330)의 기울기는 Imax일 수 있다. 상술한 바에 따르면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압(또는 드라이버 증폭단의 입력 전압)에 따라 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 출력 전류의 비율이 달라질 수 있다.
도 3c는 실시예들을 설명하기 위한 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전압을 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 2b의 주 증폭단(230)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 2b의 제3 전력 증폭기(231) 및 제4 전력 증폭기(232)일 수 있다.
도 3c의 그래프(340)는 정규화된 입력 전압(normalized input voltage)에 따른 주 증폭단의 보조 증폭기의 출력 전압을 도시하는 제1 라인(345), 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전압을 도시하는 제2 라인(350)을 도시한다. 그래프(340)의 가로축은 정규화된 입력 전압의 크기를, 세로축은 전압(단위: [V])를 의미한다. 여기서, 정규화된 입력 전압은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기를 0과 1사이의 값으로 정규화한 전압일 수 있다. 그래프(340)는 설명의 편의를 위하여 k가 2인 경우를 예로 도시한다. 여기서, k는 임피던스의 변조 비율을 의미할 수 있고, 여기서 임피던스는 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 부하 임피던스 방향으로 바라보았을 때의 임피던스일 수 있다. 또한, 변조 비율은, 전력 증폭기의 출력 전력이 높은 상태(high power, HP)에서의 임피던스(RHP)와 출력 전력이 낮은 상태에서의 임피던스(RLP) 사이의 비율을 의미할 수 있다. 변조 비율은 RLP/RHP로 정의될 수 있다. 이 때, 출력 전력이 높은 상태 또는 낮은 상태를 구분하는 임계값은 보조 증폭기가 on되는 전력 지점에 기반하여 결정될 수 있다. 그래프(320)의 예에서, 정규화된 입력 전압의 크기가 0.5보다 큰 경우 보조 증폭기가 on될 수 있다. 따라서, 임계값은 입력 전압의 크기인 0.5에서의 전력 증폭기의 출력 전력에 따라 결정될 수 있다.
제1 라인(345)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압에 비례하여 주 증폭단의 보조 증폭기는 전압은 최대값(Vmax)까지 선형적으로 증가할 수 있다. 이 때, 제1 라인(345)의 기울기는 Vmax일 수 있다. 이와 달리, 제2 라인(350)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기가 0.5이하에서, 주 증폭단의 주 증폭기는 전압은 최대값이 될 때까지 선형적으로 증가할 수 있다. 이 때, 제2 라인(350)의 기울기는 2Vmax일 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기가 0.5를 초과하는 경우, 즉, 보조 증폭기가 on되는 경우, 주 증폭기는 출력 전압이 최대값으로 유지될 수 있다.
도 2a 내지 도 3c를 참고하면, 무선 통신 시스템은 많은 데이터 용량을 처리하기 위하여 높은 PAPR를 갖는 변조 방식을 이용할 수 있다. 이 때, 높은 PAPR을 갖는 변조 신호를 선형적으로 증폭하기 위해, 전력 증폭기는 최대 출력 영역이 아닌 백-오프 영역에서 동작할 수 있다. 그러나, 백-오프 영역은 최대 출력 영역과 비교하여 효율이 감소될 수 있어, 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치의 전력 소모량은 증가되고, 배터리 사용량이 증가될 수 있다. 이러한, 백-오프 영역을 확대하기 위하여, 도허티 전력 증폭기가 이용될 수 있다. 특히, 2단 도허티 전력 증폭기는 2개의 동일한 바이어스의 증폭기들로 구성된 드라이버 증폭단과, 2개의 다른 바이어스의 증폭기들로 구성된 주 증폭단을 포함할 수 있다. 주 증폭단의 보조 증폭기의 전력 이득(power gain)은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전력의 크기에 따라 변화되고, 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력 전류 간 크기 비율이 입력 전력에 따라 달라지는 바, 부하 변조가 발생될 수 있다. 이 때, 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력 전류 간 위상 차이가 일정하게 유지될 수 있고, 주 증폭기와 보조 증폭기의 출력 신호는 진폭의 크기에 대한 비율만 변경될 수 있다. 즉, 2단 도허티 전력 증폭기에서는 진폭 변조(amplitude modulation)만 발생될 수 있다. 또한, 보조 증폭기는 Class-C 바이어스의 증폭기를 이용하는 바, 낮은 출력 전력에서 보조 증폭기는 off되어 있어, 주 증폭단의 이득이 절반만큼 감소되는 단점이 있다.
따라서, 이하 본 개시에서는 위상 변조가 가능하며 전력 효율을 개선한 2단 도허티 전력 증폭기(이하, 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기로 지칭한다.)를 제안한다. 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 바이어스가 서로 다른 드라이버 증폭단의 증폭기들 및 동일한 바이어스의 주 증폭단의 증폭기들을 포함할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 드라이버 증폭단과 주 증폭단 사이에 커플러(coupler)를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는, 입력 전력의 크기가 달라짐에 따라, 주 증폭단의 증폭기들 사이의 위상 차이는 변경되고 진폭 크기의 비율이 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 위상 변조를 수행할 수 있고, 주 증폭단의 증폭기들이 모두 on상태를 유지하고 있는 바, 출력 전력(또는 주 증폭단의 전력 증폭기들의 이득)의 효율을 개선할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치는 전력 사용량 및 발열량을 최소화할 수 있고, 배터리의 수명을 늘릴 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 기존의 구조와 비교하여 최소한의 구조 변경을 통해 구성될 수 있는 바, 집적 회로와 같은 소형화된 설계에 이용될 수 있다.
도 4는 실시예들에 따른 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다. 여기서, 도허티 전력 증폭기는 2개의 전력 증폭기들로 구성되는 전력 증폭기일 수 있다. 따라서, 2단 도허티 전력 증폭기는 2개의 단(stage)들을 포함하는 도허티 전력 증폭기로, 구동을 위한 단은 드라이버 증폭단(driver stage), 출력을 위한 단은 주 증폭단(main stage)로 지칭될 수 있다.
도 4를 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기(doherty power amplifier, DPA)(400)는 드라이버 증폭단(410), 주 증폭단(420), 위상 지연(phase delay)을 위한 전송 선로(transmission line)(430), 커플러(coupler)(440), 결합기(combiner)(450), 및 전력 분배기(power splitter)(470)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 2단 도허티 전력 증폭기(400)는 입력 신호를 분배하기 위한 전력 분배기(470), 전력 분배기(470)로부터 신호를 분배받는 드라이버 증폭단(410), 드라이버 증폭단(410)과 주 증폭단(420)을 연결하기 위한 커플러(440), 커플러(440)의 일 출력단과 연결된 전송 선로(430), 커플러(440)로부터 신호를 입력받는 주 증폭단(420), 및 주 증폭단(420)의 증폭기들의 신호를 결합하기 위한 결합기(450) 순서로 연결되어 구성될 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭기(400)의 출력에는 부하 임피던스(460)(RL)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 드라이버 증폭단(410)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 드라이버 증폭단(410)은 제1 전력 증폭기(411) 및 제2 전력 증폭기(412)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(411)와 제2 전력 증폭기(412)는 서로 다른 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 증폭기(411)는 Class-A, Class-AB, Class-B 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이와 달리, 제2 전력 증폭기(412)는, Class-AB, Class-B, Class-C 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(411)가 Class-AB 바이어스의 증폭기인 경우, 제2 전력 증폭기(412)는 Class-B 또는 Class-C 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이하 본 개시에서는, 제1 전력 증폭기(411)가 Class-AB 바이어스의 증폭기인 경우, 제2 전력 증폭기(412)는 Class-C 바이어스의 증폭기인 경우를 예로 설명한다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 전력 증폭기(411)와 제2 전력 증폭기(412)가 서로 다른 바이어스를 갖고, 제2 전력 증폭기(412)가 제1 전력 증폭기(411)보다 더 높은 전력 효율의 바이어스인 전력 증폭기로 구성되는 경우는 모두 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 주 증폭단(420)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주 증폭단(420)은 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)를 포함할 수 있다. 이 때, 제3 전력 증폭기(421)와 제4 전력 증폭기(422)는 동일한 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)는 Class-A, Class-B 또는 Class-AB 바이어스의 증폭기로 구성될 수도 있다. 제3 전력 증폭기(421)는 캐리어 증폭기(carrier amplifier), 주 전력 증폭기(main power amplifier), 주 증폭기로 지칭될 수 있다. 제4 전력 증폭기(422)는 피킹 증폭기(peaking amplifier), 보조 전력 증폭기(auxiliary power amplifier), 보조 증폭기로 지칭될 수 있다. 도 4의 예에서, 제3 전력 증폭기(421)를 통과한 신호(signal3)의 전류는 I0의 크기와 θa의 위상을 가질 수 있고, 제4 전력 증폭기(422)를 통과한 신호(signal4)의 전류는 I0의 크기와 θb의 위상을 가질 수 있다. 이 때, θb-θa는 Δθ로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 드라이버 증폭단(410)과 주 증폭단(420) 사이에 전송 선로(430)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전송 선로(430)는 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 제3 전력 증폭기(421)의 입력단을 연결할 수 있다. 이 때, 전송 선로(430)는 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 커플러(440)를 통해 연결될 수 있다. 전송 선로(430)는 주 증폭단(420)에 인가되는 신호 사이의 위상의 차이를 형성할 수 있다. 다시 말해서, 전송 선로(430)는 주 증폭기인 제3 전력 증폭기(421)에 입력되는 신호(signal1)와 피킹 증폭기인 제4 전력 증폭기(422)에 입력되는 신호(signal2) 사이에 위상 차이를 형성하기 위한 구조일 수 있다. 여기서, 전송 선로(430)에 의한 위상 차이는 θD일 수 있다. θD의 크기는 Δθ(=θb-θa )와 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플러(440)는 드라이버 증폭단(410)과 주 증폭단(420) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 커플러(440)는 드라이버 증폭단(410)의 제1 전력 증폭기(411) 및 제2 전력 증폭기(412)와 연결될 수 있다. 커플러(440)는 전송 선로(430)를 통해 주 증폭단(420)의 제3 전력 증폭기(421)와 연결될 수 있다. 커플러(440)는 주 증폭단(420)의 제4 전력 증폭기(422)와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 커플러(440)는 4-포트(4-port) 커플러로 구성될 수 있다. 예를 들어, 커플러(440)는 제1 포트를 통해 제1 전력 증폭기(411)와, 제2 포트를 통해 전송 선로(430)와, 제3 포트를 통해 제4 전력 증폭기(422)와, 제4 포트를 통해 제2 전력 증폭기(412)와 연결될 수 있다. 여기서, 제1 포트는 입력단(input)으로 지칭될 수 있다. 제1 포트는 전력 증폭기와 같은 RF 구성요소(component)들의 출력단과 연결되는 단자를 의미할 수 있다. 제2 포트는 출력단(through)으로 지칭될 수 있다. 제2 포트는 전력 증폭기와 같은 RF 구성요소들의 출력단으로부터 입력된 신호(예: RF 신호)들이 커플러(440)를 통과하여 출력되는 단자를 의미할 수 있다. 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단으로 지칭될 수 있다. 제3 포트는 커플러(440)를 이용하여 제1 포트로 입력된 신호의 일부가 출력되는 단자를 의미할 수 있다. 제4 포트는 격리단(isolated)으로 지칭될 수 있다. 제4 포트는 실제로는 입출력용으로 이용되지 않고, 전력의 안정화를 위해 이용되는 단자를 의미할 수 있다. 다만, 커플러(440)의 각 포트의 위치가 도 4에 도시된 커플러(440)의 포트들의 위치로 제한되는 것이 아니라, 커플러(440)와 연결된 다른 구성요소(예: 전력 증폭기)의 출력단과 연결되는 포트의 위치에 의해 결정될 수 있다. 또한, 본 개시에서, 포트(port)는 단자 또는 단 등과 같이 유사하거나 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(450)는 임피던스 변조를 위한 구조로, 제3 전력 증폭기(421), 제4 전력 증폭기(422), 및 부하 임피던스(460)와 연결될 수 있다. 결합기(450)는 제3 전력 증폭기(421)와 연결되는 a 포트, 제4 전력 증폭기(422)와 연결되는 b 포트 및 부하 임피던스(460)와 연결되는 c 포트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합기(450)는 집중 정수 소자(lumped element), 전송 선로(transmission line), 또는 변압기(transformer) 중 적어도 하나를 포함하는 구조일 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 5에서 서술된다.
일 실시예에 따르면, 전력 분배기(470)는 2단 도허티 전력 증폭기(400)에 인가된 입력 신호(input signal)를 분배하여 드라이버 증폭단(410)의 전력 증폭기들(411, 412)에 신호를 인가할 수 있다. 전력 분배기(470)를 통해 분배된 입력 신호 각각은 제1 전력 증폭기(411)를 통해 증폭되어 출력되고 및 제2 전력 증폭기(412)를 통해 증폭되어 출력될 수 있다. 제1 전력 증폭기(411) 및 제2 전력 증폭기(412)에서 출력된 신호들은 커플러(440)를 통해 주 증폭단(420)에 전달될 수 있다. 주 증폭단(420)을 통과한 신호들은 결합기(450)에 의해 결합되어 부하 임피던스(460)에 전달될 수 있다.
상술한 바를 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기(400)에 입력된 신호가 전력 분배기(470)를 통해 분배된 신호들은, 각각 제1 전력 증폭기(411) 및 제2 전력 증폭기(412)에 입력될 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭기(400)가 HP 상태인 경우, 제1 전력 증폭기(411) 및 제2 전력 증폭기(412)는 각각 일정한 전류를 출력할 수 있다. 이와 달리, 2단 도허티 전력 증폭기(400)가 LP 상태인 경우, 제2 전력 증폭기(412)는 off될 수 있다. 따라서, 입력 전력의 크기가 변경됨에 따라, 제1 전력 증폭기(411)가 출력하는 전류(I1∠θ1)와 제2 전력 증폭기(412)가 출력하는 전류(I2∠θ2)의 비율이 달라질 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(411)의 전류와 제2 전력 증폭기(412)의 전류의 비율은 아래의 수학식과 같이 정의될 수 있다.
상기 β는 제1 전력 증폭기(411)의 전류와 제2 전력 증폭기(412)의 전류 사이의 비율을, 상기 I1은 제1 전력 증폭기(411)의 전류의 크기를, 상기 I2은 제2 전력 증폭기(412)의 전류의 크기를, 상기 θ1은 제1 전력 증폭기(411)의 전류의 위상을, 상기 θ2은 제2 전력 증폭기(412)의 전류의 위상을 의미한다. 일 실시예에 따르면, 전력 분배기(470)를 통해 분배된 전류의 위상은 동일하기 때문에 β는 순 실수일 수 있다. 즉, β= I2/I1로 계산될 수 있다.
드라이버 증폭단(410)을 통해 증폭된 신호들은 각각 커플러(440)를 통해 주 증폭단(420)으로 전달될 수 있다. 이 때, 주 증폭단(420)의 제3 전력 증폭기(421)에 입력되는 신호(signal1)와 제4 전력 증폭기(422)에 입력되는 신호(signal2) 사이의 위상 차이를 형성하기 위해, 커플러(440)와 제3 전력 증폭기(421) 사이에 전송 선로(430)가 연결될 수 있다. 전송 선로(430)에 의해 제3 전력 증폭기(421)에 입력되는 신호(signal1)는 제2 전력 증폭기(422)에 입력되는 신호(signal2)와 비교하여 θD만큼 위상이 지연될 수 있다. 이 후, 주 증폭단(420)에 입력된 신호(signal1, signal2)들은 각각 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)에 인가되고, 증폭되어 출력될 수 있다. 제3 전력 증폭기(421)에 의해 증폭되어 출력된 신호(signal3)와 제4 전력 증폭기(422)에 의해 증폭되어 출력된 신호(signal4) 사이의 위상 차이는, 전송 선로(430)에 의해 제3 전력 증폭기(421)에 입력되는 신호(signal1)와 제2 전력 증폭기(422)에 입력되는 신호(signal2) 사이의 위상 차이와 동일할 수 있다. 즉, 주 증폭단(420)에 입력되기 전 신호들 사이의 위상 차이는 주 증폭단(420)에서 출력된 후에도 유지될 수 있다. 예를 들어, 신호(signal3)의 전류(I0∠θa)와 신호(signal4)의 전류(I0∠θb) 사이의 위상 차이인 Δθ(=θb-θa)는 θD와 동일한 값일 수 있다. Δθ와 드라이버 증폭단(410)의 입력 전류들 사이의 비율인 β와의 관계는 아래의 수학식과 같다.
상기 β는 제1 전력 증폭기(411)의 전류와 제2 전력 증폭기(412)의 전류 사이의 비율을, 상기 Δθ는 제3 전력 증폭기(421)에서 출력된 신호(signal3)의 전류의 위상과 제4 전력 증폭기(422)에서 출력된 신호(signal4)의 전류의 위상의 차이를 의미한다. 상술한 바에 따르면, 주 증폭단(420)에서 출력되는 신호들의 위상 차이는 드라이버 증폭단(410)에서 출력되는 전류들의 비율에 따라 변경될 수 있다. 본 개시에서는, 전력 분배기(470)에 의해 분배된 신호의 위상이 동일하고, 드라이버 증폭단(410)에 의해 증폭된 신호의 위상도 변경되지 않음을 가정한다. 따라서, 주 증폭단(420)에서 출력되는 신호들의 위상 차이는 드라이버 증폭단(410)에서 출력되는 전류들의 크기 비율에 따라 변경될 수 있다. 주 증폭단(420)에서 증폭된 신호들은 결합기(450)에서 결합될 수 있고, 결합된 신호가 부하 임피던스(460)에 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제3 전력 증폭기(421)에 의해 출력된 신호(signal3)의 전류(I0∠θa)와 제4 전력 증폭기(422)에 의해 출력된 신호(signal4)의 전류(I0∠θb) 사이의 위상 차이(Δθ)에 기반하여 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 부하 임피던스(Z1)가 변조될 수 있다. 여기서, 부하 임피던스(Z1)의 변조 비율은, HP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스와 LP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스의 비율을 의미할 수 있다.
정리하면, 2단 도허티 전력 증폭기(400)의 입력 신호의 전력의 크기에 따라, 드라이버 증폭단(410)에서 출력된 전류들의 비율(β)이 달라질 수 있다. 또한, 출력된 전류들의 비율(β)에 따라 주 증폭단(420)에서 출력된 신호들의 위상 차이(Δθ)가 변경될 수 있다. 주 증폭단(420)에서 출력된 신호들의 위상 차이(Δθ)에 의해 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 부하 임피던스(Z1)가 변조될 수 있다. 다시 말해서, 2단 도허티 전력 증폭기(400)의 입력 신호의 전력의 크기에 따라, 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 부하 임피던스(Z1)가 변조될 수 있다. 이와 관련한 구체적인 수학식은 아래와 같다.
상기 β는 제1 전력 증폭기(411)의 전류와 제2 전력 증폭기(412)의 전류 사이의 비율을, 상기 Δθ는 제3 전력 증폭기(421)에서 출력된 신호(signal3)의 전류의 위상과 제4 전력 증폭기(422)에서 출력된 신호(signal4)의 전류의 위상의 차이를, 상기 k는 2단 도허티 전력 증폭기(400)가 HP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스와 LP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스의 비율(RLP/RHP)을 의미한다.
또한, 전송 선로 이론에 따라, 전력 증폭기의 백-오프(back-off) 영역의 범위는 주 증폭단의 주 증폭기의 부하 임피던스 변조 비율(k)에 따라 변경될 수 있다. 이와 관련한 구체적인 수학식은 아래와 같다.
상기 Pbackoff는 2단 도허티 전력 증폭기의 백-오프 전력을, 상기 k는 2단 도허티 전력 증폭기(400)가 HP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스와 LP 상태에서의 제3 전력 증폭기(421)의 출력단에서 바라본 임피던스의 비율(RLP/RHP)을 의미한다.
상술한 바에 따르면, 2단 도허티 전력 증폭기에 입력되는 신호의 전력 크기를 조절함에 따라, 주 증폭단의 주 증폭기에서 바라본 임피던스의 변조 비율이 변경될 수 있다. 또한, 임피던스의 변조 비율이 변경됨에 따라 2단 도허티 전력 증폭기의 백-오프 전력(즉, 백-오프 영역)이 변경될 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 입력 신호를 조절함으로써 백-오프 영역을 변경할 수 있고, 이에 따라 전력 증폭기의 성능을 개선할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치는 전력 사용량 및 발열량을 최소화할 수 있고, 배터리의 수명을 늘릴 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 기존의 구조와 비교하여 최소한의 구조 변경을 통해 구성될 수 있는 바, 집적 회로와 같은 소형화된 설계에 이용될 수 있다.
도 5는 실시예들에 따른 결합기(combiner)의 예들을 도시한다.
도 5의 결합기들(510, 520, 530, 540)은 도 4의 결합기(450)에 대한 예를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 결합기들(510, 520, 530, 540) 각각은 집중 정수 소자(lumped element), 전송 선로(transmission line) 또는 변압기(transformer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(510)는 집중 정소 소자들을 포함할 수 있다. 결합기(510)는 a포트에서 그라운드와 연결된 커패시터(capacitor), a포트와 c포트 사이의 인덕터(inductor), b포트에서 그라운드와 연결된 인덕터, 및 b포트와 c포트 사이의 커패시터의 연결로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(520)는 집중 정소 소자들 및 전송 선로(transmission)들을 포함할 수 있다. 결합기(520)는 a포트에서 그라운드와 연결된 커패시터(capacitor), a포트와 c포트 사이의 전송 선로, b포트에서 그라운드와 연결된 인덕터, 및 b포트와 c포트 사이의 전송 선로의 연결로 구성될 수 있다. 이 때, a포트와 c포트 사이의 전송 선로 및 b포트와 c포트 사이의 전송 선로는 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 전송 선로는 R0의 특성 임피던스와 90°의 전기적 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 결합기(530)는 전송 선로(transmission)들을 포함할 수 있다. 결합기(530)는 a포트와 c포트 사이의 전송 선로 및 b포트와 c포트 사이의 전송 선로의 연결로 구성될 수 있다. 이 때, a포트와 c포트 사이의 전송 선로 및 b포트와 c포트 사이의 전송 선로는 특성 임피던스는 서로 동일하고, 위상을 상이할 수 있다. 예를 들어, a포트와 c포트 사이의 전송 선로와 b포트와 c포트 사이의 전송 선로는 동일한 R0의 특성 임피던스로 형성될 수 있다. 그러나, a포트와 c포트 사이의 전송 선로의 전기적 길이는 90°+θph로, b포트와 c포트 사이의 전송 선로의 전기적 길이는 90°-θph로 구성될 수 있다. 이 때, 전송 선로들 사이의 위상은 90°를 기준으로 동일한 값만큼 지연(lag)되거나 앞서도록(lead) 형성될 수 있다. 이는 설명의 편의를 위한 예시적인 것에 불과하며, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다. 90°가 아닌 다른 값을 기준으로 동일한 값만큼 지연(lag)되거나 앞서도록(lead) 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(540)는 집중 정소 소자들 및 변압기를 포함할 수 있다. 결합기(540)는 a포트에서 그라운드와 연결된 커패시터(capacitor), b포트에서 그라운드와 연결된 인덕터, 및 a, b포트와 c포트 사이의 변압기의 연결로 구성될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 결합기는 다양한 전기적 소자들에 기반하여 형성될 수 있다. 즉, 도 5에서는 4가지의 결합기들의 예를 도시하나, 본 개시의 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 본 개시의 실시예는 전기적 기능이 동일(신호들의 결합)한 회로 또는 구조에 모두 적용될 수 있다.
도 6은 실시예들에 따른 커플러(coupler)의 예들을 도시한다. 도 6은 도 4의 커플러(440)에 대한 다양한 커플러들(610 내지 640)을 예시한다. 그러나, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 커플러가 도 6에서 도시하는 커플러들로 제한 해석될 것은 아니다.
도 6은 결합 선로 커플러(coupled line coupler)(610), 랭 커플러(lange coupler)(620), 하이브리드 커플러(hybrid coupler)(630), 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler)(640)를 도시한다.
결합 선로 커플러(610)는 두 개의 선로(line)들이 인접한 상태로 배치되는 커플러를 의미할 수 있다. 이 때, 인접한 상태로 배치되는 두 개의 선로들의 간격 및 길이에 의해 커플링 양이 조절될 수 있다. 결합 선로 커플러(610)의 각 포트들(제1 포트 내지 제4 포트)은 도 4의 커플러(440)의 각 포트들와 동일하게 이해될 수 있다. 다시 말해서, 결합 선로 커플러(610)의 제1 포트는 입력단(input)을, 제2 포트는 출력단(through)을, 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단을, 제4 포트는 격리단(isolated)을 의미할 수 있다.
랭 커플러(620)는 선로(line)들을 구부린 형태로 형성되는 커플러를 의미할 수 있다. 이에 따라, 다른 커플러들에 비해 랭 커플러(620)는 비교적 작은 크기로 형성될 수 있다. 랭 커플러(620)의 각 포트들(제1 포트 내지 제4 포트)은 도 4의 커플러(440)의 각 포트들과 동일하게 이해될 수 있다. 다시 말해서, 랭 커플러(620)의 제1 포트는 입력단(input)을, 제2 포트는 출력단(through)을, 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단을, 제4 포트는 격리단(isolated)을 의미할 수 있다.
하이브리드 커플러(630)는 병렬로 배치되는 선로들을 연결하는 브랜치 라인(branch line)(예: Z1 및 Z3)들을 통해, 직접 커플링(direct coupling)되는 커플러를 의미할 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 커플러(630)는 브랜치 라인 커플러(branch line coupler)로 지칭될 수 있다. 하이브리드 커플러(630)의 각 포트들(제1 포트 내지 제4 포트)은 도 4의 커플러(440)의 각 포트들과 동일하게 이해될 수 있다. 다시 말해서, 하이브리드 커플러(630)의 제1 포트는 입력단(input)을, 제2 포트는 출력단(through)을, 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단을, 제4 포트는 격리단(isolated)을 의미할 수 있다.
링 하이브리드 커플러(640)는 원형의 선로 및 4개의 포트들이 배치되는 커플러를 의미할 수 있다. 링 하이브리드 커플러(640)의 각 포트들(제1 포트 내지 제4 포트)은 도 4의 커플러(440)의 각 포트들과 동일하게 이해될 수 있다. 다시 말해서, 링 하이브리드 커플러(640)의 제1 포트는 입력단(input)을, 제2 포트는 출력단(through)을, 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단을, 제4 포트는 격리단(isolated)을 의미할 수 있다.
도 7은 실시예들에 따른 하이브리드 커플러(hybrid coupler)를 포함하는 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 예를 도시한다. 여기서, 도허티 전력 증폭기는 2개의 전력 증폭기들로 구성되는 전력 증폭기일 수 있다. 따라서, 2단 도허티 전력 증폭기는 2개의 단(stage)들을 포함하는 도허티 전력 증폭기로, 구동을 위한 단은 드라이버 증폭단(driver stage), 출력을 위한 단은 주 증폭단(main stage)로 지칭될 수 있다.
도 7을 참고하면, 도 4의 2단 도허티 전력 증폭기(400)에 대한 구체적인 예시인, 2단 도허티 전력 증폭기(700)를 도시한다. 예를 들어, 2단 도허티 전력 증폭기(700)는 하이브리드 커플러 및 전송 선로들을 포함하는 결합기를 포함할 수 있다.
도 7을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기(doherty power amplifier, DPA)(700)는 드라이버 증폭단(710), 주 증폭단(720), 위상 지연(phase delay)을 위한 전송 선로(transmission line)(730), 커플러(coupler)(740), 결합기(combiner)(750), 및 전력 분배기(power splitter)(770)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 2단 도허티 전력 증폭기(700)는 입력 신호를 분배하기 위한 전력 분배기(770), 전력 분배기(770)로부터 신호를 분배받는 드라이버 증폭단(710), 드라이버 증폭단(710)과 주 증폭단(720)을 연결하기 위한 커플러(740), 커플러(740)의 일 출력단과 연결된 전송 선로(730), 커플러(740)로부터 신호를 입력받는 주 증폭단(720), 및 주 증폭단(720)의 증폭기들의 신호를 결합하기 위한 결합기(750) 순서로 연결되어 구성될 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭기(700)의 출력에는 부하 임피던스(760)(RL)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 드라이버 증폭단(710)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 드라이버 증폭단(710)은 제1 전력 증폭기(711) 및 제2 전력 증폭기(712)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(711)와 제2 전력 증폭기(712)는 서로 다른 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 증폭기(711)는 Class-A, Class-AB, Class-B 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이와 달리, 제2 전력 증폭기(712)는, Class-AB, Class-B, Class-C 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이 때, 제1 전력 증폭기(711)가 Class-AB 바이어스의 증폭기인 경우, 제2 전력 증폭기(712)는 Class-B 또는 Class-C 바이어스의 증폭기일 수 있다. 이하 본 개시에서는, 제1 전력 증폭기(711)가 Class-AB 바이어스의 증폭기인 경우, 제2 전력 증폭기(712)는 Class-C 바이어스의 증폭기인 경우를 예로 설명한다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 전력 증폭기(711)와 제2 전력 증폭기(712)가 서로 다른 바이어스를 갖고, 제2 전력 증폭기(712)가 제1 전력 증폭기(711)보다 더 낮은 전력 효율의 바이어스인 전력 증폭기로 구성되는 경우는 모두 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 주 증폭단(720)은 2개의 전력 증폭기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주 증폭단(720)은 제3 전력 증폭기(721) 및 제4 전력 증폭기(722)를 포함할 수 있다. 이 때, 제3 전력 증폭기(721)와 제4 전력 증폭기(722)는 동일한 바이어스가 인가되는 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 제3 전력 증폭기(721) 및 제4 전력 증폭기(722)는 Class-A, Class-B 또는 Class-AB 바이어스의 증폭기로 구성될 수도 있다. 제3 전력 증폭기(721)는 캐리어 증폭기(carrier amplifier), 주 전력 증폭기(main power amplifier), 주 증폭기로 지칭될 수 있다. 제4 전력 증폭기(722)는 피킹 증폭기(peaking amplifier), 보조 전력 증폭기(auxiliary power amplifier), 보조 증폭기로 지칭될 수 있다. 도 4의 예에서, 제3 전력 증폭기(721)를 통과한 신호(signal3)의 전류는 I0의 크기와 θa의 위상을 가질 수 있고, 제4 전력 증폭기(722)를 통과한 신호(signal4)의 전류는 I0의 크기와 θb의 위상을 가질 수 있다. 이 때, θb-θa는 Δθ로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 드라이버 증폭단(710)과 주 증폭단(720) 사이에 전송 선로(730)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전송 선로(730)는 제1 전력 증폭기(711)의 출력단과 제3 전력 증폭기(721)의 입력단을 연결할 수 있다. 이 때, 전송 선로(730)는 제1 전력 증폭기(711)의 출력단과 커플러(740)를 통해 연결될 수 있다. 전송 선로(730)는 주 증폭단(720)에 인가되는 신호 사이의 위상의 차이를 형성할 수 있다. 다시 말해서, 전송 선로(730)는 주 증폭기인 제3 전력 증폭기(721)에 입력되는 신호(signal1)와 피킹 증폭기인 제4 전력 증폭기(722)에 입력되는 신호(signal2) 사이에 위상 차이를 형성하기 위한 구조일 수 있다. 예를 들어, 전송 선로(730)는 R0의 특성 임피던스 및 θD°의 전기적 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이 때, 전송 선로(730)에 의한 위상 차이는 θD일 수 있다. θD의 크기는 Δθ(=θb-θa)와 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플러(740)는 4-포트(4-port) 커플러로 구성될 수 있다. 예를 들어, 커플러(740)는 하이브리드 커플러(hybrid coupler)일 수 있다. 즉, 커플러(740)는 도 6의 하이브리드 커플러(630)의 일 예로 이해될 수 있다. 커플러(740)는 제1 포트와 제2 포트 사이에 전기적 특성이 R1의 특성 임피던스 및 90°의 전기적 길이를 갖는 소자를 포함할 수 있다. 커플러(740)는 제2 포트와 제3 포트 사이에 전기적 특성이 R2의 특성 임피던스 및 90°의 전기적 길이를 갖는 소자를 포함할 수 있다. 커플러(740)는 제3 포트와 제4 포트 사이에 전기적 특성이 R1의 특성 임피던스 및 90°의 전기적 길이를 갖는 소자를 포함할 수 있다. 커플러(740)는 제4 포트와 제1 포트 사이에 전기적 특성이 R2의 특성 임피던스 및 90°의 전기적 길이를 갖는 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 포트는 입력단(input)으로 지칭될 수 있다. 제1 포트는 전력 증폭기와 같은 RF 구성요소(component)들의 출력단과 연결되는 단자를 의미할 수 있다. 제2 포트는 출력단(through)으로 지칭될 수 있다. 제2 포트는 전력 증폭기와 같은 RF 구성요소들의 출력단으로부터 입력된 신호(예: RF 신호)들이 커플러(740)를 통과하여 출력되는 단자를 의미할 수 있다. 제3 포트는 결합단(coupled) 또는 다른 출력단으로 지칭될 수 있다. 제3 포트는 커플러(740)를 이용하여 제1 포트로 입력된 신호의 일부가 출력되는 단자를 의미할 수 있다. 제4 포트는 격리단(isolated)으로 지칭될 수 있다. 제4 포트는 실제로는 입출력용으로 이용되지 않고, 전력의 안정화를 위해 이용되는 단자를 의미할 수 있다. 다만, 커플러(740)의 각 포트의 위치가 도 4에 도시된 커플러(740)의 포트들의 위치로 제한되는 것이 아니라, 커플러(740)와 연결된 다른 구성요소(예: 전력 증폭기)의 출력단과 연결되는 포트의 위치에 의해 결정될 수 있다. 또한, 본 개시에서, 포트(port)는 단자 또는 단 등과 같이 유사하거나 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플러(740)는 드라이버 증폭단(710)과 주 증폭단(720) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 커플러(740)는 드라이버 증폭단(710)의 제1 전력 증폭기(711) 및 제2 전력 증폭기(712)와 연결될 수 있다. 커플러(740)는 전송 선로(730)를 통해 주 증폭단(720)의 제3 전력 증폭기(721)와 연결될 수 있다. 커플러(740)는 주 증폭단(720)의 제4 전력 증폭기(722)와 연결될 수 있다. 제1 포트를 통해 제1 전력 증폭기(711)와, 제2 포트를 통해 전송 선로(730)와, 제3 포트를 통해 제4 전력 증폭기(722)와, 제4 포트를 통해 제2 전력 증폭기(712)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(750)는 임피던스 변조를 위한 구조로, 제3 전력 증폭기(721), 제4 전력 증폭기(722), 및 부하 임피던스(760)와 연결될 수 있다. 결합기(750)는 제3 전력 증폭기(721)와 연결되는 a 포트, 제4 전력 증폭기(722)와 연결되는 b 포트 및 부하 임피던스(760)와 연결되는 c 포트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합기(750)는 제1 전송 선로(751) 및 제2 전송 선로(752)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전송 선로(751)는 R0의 특성 임피던스 및 90°+θph의 전기적 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 제2 전송 선로(752)는 R0의 특성 임피던스 및 90°-θph의 전기적 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 도 7의 결합기(750)는 도 5의 결합기(530)의 예시로 이해될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력 분배기(770)는 2단 도허티 전력 증폭기(700)에 인가된 입력 신호(input signal)를 분배하여 드라이버 증폭단(710)의 전력 증폭기들(711, 712)에 신호를 인가할 수 있다. 전력 분배기(770)를 통해 분배된 입력 신호 각각은 제1 전력 증폭기(711)를 통해 증폭되어 출력되고 및 제2 전력 증폭기(712)를 통해 증폭되어 출력될 수 있다. 제1 전력 증폭기(711) 및 제2 전력 증폭기(712)에서 출력된 신호들은 커플러(740)를 통해 주 증폭단(720)에 전달될 수 있다. 주 증폭단(720)을 통과한 신호들은 결합기(750)에 의해 결합되어 부하 임피던스(760)에 전달될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 2단 도허티 전력 증폭기에 입력되는 신호의 전력 크기를 조절함에 따라, 주 증폭단의 주 증폭기에서 바라본 임피던스의 변조 비율이 변경될 수 있다. 또한, 임피던스의 변조 비율이 변경됨에 따라 2단 도허티 전력 증폭기의 백-오프 전력(즉, 백-오프 영역)이 변경될 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 입력 신호를 조절함으로써 백-오프 영역을 변경할 수 있고, 이에 따라 전력 증폭기의 성능을 개선할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기를 포함하는 전자 장치는 전력 사용량 및 발열량을 최소화할 수 있고, 배터리의 수명을 늘릴 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 기존의 구조와 비교하여 최소한의 구조 변경을 통해 구성될 수 있는 바, 집적 회로와 같은 소형화된 설계에 이용될 수 있다.
도 8a는 실시예들에 따라 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 사이의 위상 차이를 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 4의 주 증폭단(420)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 4의 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)일 수 있다. 또한, 위상 차이(Δθ)는 제3 전력 증폭기(421)에서 출력된 신호(도 4의 signal3)에 대한 전류 및 제4 전력 증폭기(422)에서 출력된 신호(도 4의 signal4)에 대한 전류의 위상 차이를 의미할 수 있다.
도 8a의 그래프(800)는 k가 2인 경우의 정규화된 입력 전압(normalized input voltage)에 따른 주 증폭단의 증폭기들의 위상 차이(Δθ)를 도시하는 제1 라인(801), k가 4인 경우의 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 증폭기들의 위상 차이를 도시하는 제2 라인(802), 및 k가 6인 경우의 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 증폭기들의 위상 차이를 도시하는 제3 라인(803)을 도시한다. 그래프(800)의 가로축은 정규화된 입력 전압의 크기를, 세로축은 위상 차이(단위: °)를 의미한다. 여기서, 정규화된 입력 전압은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기를 0과 1사이의 값으로 정규화한 전압일 수 있다. 여기서, k는 임피던스의 변조 비율을 의미할 수 있고, 여기서 임피던스는 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 부하 임피던스 방향으로 바라보았을 때의 임피던스일 수 있다. 또한, 변조 비율은, 전력 증폭기의 출력 전력이 높은 상태(high power, HP)에서의 임피던스(RHP)와 출력 전력이 낮은 상태에서의 임피던스(RLP) 사이의 비율을 의미할 수 있다. 변조 비율은 RLP/RHP로 정의될 수 있다. 이 때, 출력 전력이 높은 상태 또는 낮은 상태를 구분하는 임계값은 증폭기(예: 드라이버 증폭단의 전력 효율이 높은 바이어스의 증폭기로, 도 4의 경우 제2 전력 증폭기(412))가 on되는 전력 지점에 기반하여 결정될 수 있다. 그래프(800)의 예에서, k=2인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 0.5일 때, 증폭기는 on될 수 있다. k=4인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 0.25일 때, 증폭기는 on될 수 있다. k=6인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 약 0.16일 때, 증폭기는 on될 수 있다.
제1 라인(801)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압이 변경되더라도, 드라이버 증폭단의 전력 효율이 높은 바이어스의 증폭기가 on되기 전까지는, 2단 도허티 전력 증폭기의 주 증폭단에 입력되는 신호들 사이의 위상 차이는 변경되지 않을 수 있다. 다만, 드라이버 증폭단의 전력 효율이 높은 바이어스의 증폭기가 on된 이후, 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압이 변경되면, 2단 도허티 전력 증폭기의 주 증폭단에 입력되는 신호들 사이의 위상 차이는 달라질 수 있다. 제2 라인(802) 및 제3 라인(803)을 고려하면, 제1 라인(801)과 위상 차이 및 증폭기가 on되는 입력 전압의 크기가 달라질 뿐, 제2 라인(802) 및 제3 라인(803)은 제1 라인(801)과 유사하게 이해될 수 있다. 다시 말해서, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 입력되는 신호의 전압(또는 전력) 크기가 달라지면, 주 증폭단의 증폭기들에서 출력되는 신호들의 위상 차이는 달라질 수 있다. 즉, 주 증폭단의 주 증폭기의 임피던스 변조 비율(k)이 달라짐에 따라, 주 증폭단의 증폭기들에서 출력되는 신호들의 위상 차이는 달라질 수 있다.
도 8b는 실시예들에 따라 입력 전압에 따른 주 증폭단(main stage)의 증폭기들의 출력 전류 및 출력 전압을 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 4의 주 증폭단(420)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 4의 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)일 수 있다. 또한, 위상 차이(Δθ)는 제3 전력 증폭기(421)에서 출력된 신호(도 4의 signal3)에 대한 전류 및 제4 전력 증폭기(422)에서 출력된 신호(도 4의 signal4)에 대한 전류의 위상 차이를 의미할 수 있다.
도 8b의 그래프(810)는 k가 2인 경우의 정규화된 입력 전압(normalized input voltage)에 따른 주 증폭단의 주 증폭기(예: 도 7의 제3 전력 증폭기(721))의 출력 전압을 도시하는 제1 라인(831), k가 4인 경우의 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전압을 도시하는 제2 라인(832), k가 6인 경우의 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전압을 도시하는 제3 라인(833), 및 k가 2, 4, 6인 경우의 정규화된 입력 전압에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전류를 도시하는 제4 라인(820)을 도시한다. 그래프(800)의 가로축은 정규화된 입력 전압의 크기를, 세로축은 제1 라인(831), 제2 라인(832), 및 제3 라인(833)에 대하여는 전압(단위: [V])을, 제4 라인(820)에 대하여는 전류(단위: [A])를 의미한다. 여기서, 정규화된 입력 전압은 2단 도허티 전력 증폭기의 입력 전압의 크기를 0과 1사이의 값으로 정규화한 전압일 수 있다. 여기서, k는 임피던스의 변조 비율을 의미할 수 있고, 여기서 임피던스는 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 부하 임피던스 방향으로 바라보았을 때의 임피던스일 수 있다. 또한, 변조 비율은, 전력 증폭기의 출력 전력이 높은 상태(high power, HP)에서의 임피던스(RHP)와 출력 전력이 낮은 상태에서의 임피던스(RLP) 사이의 비율을 의미할 수 있다. 변조 비율은 RLP/RHP로 정의될 수 있다. 이 때, 출력 전력이 높은 상태 또는 낮은 상태를 구분하는 임계값은 증폭기(예: 드라이버 증폭단의 전력 효율이 높은 바이어스의 증폭기로, 도 4의 경우 제2 전력 증폭기(412))가 on되는 전력 지점에 기반하여 결정될 수 있다. 그래프(810)의 예에서, k=2인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 0.5일 때, 증폭기는 on될 수 있다. k=4인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 0.25일 때, 증폭기는 on될 수 있다. k=6인 경우, 정규화된 입력 전압의 크기는 약 0.16일 때, 증폭기는 on될 수 있다.
제4 라인(820)을 참고하면, 부하 임피던스 변조 비율(k)에 상관없이, 정규화된 입력 전압의 크기가 커지는 경우 2단 도허티 전력 증폭기의 출력 전류는 선형적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, k=2, 4 또는 6의 경우에서 정규화된 입력 전압이 0인 경우 전류의 크기는 0이고, 정규화된 입력 전압이 최대(1)인 경우 전류의 크기는 최대값(Imax)일 수 있다. 출력 전류의 경우 부하 임피던스 변조 비율에 상관없이 입력 전압에 따른 출력 전류의 기울기는 일정할 수 있다.
이와 달리, 부하 임피던스 변조 비율이 달라지는 경우, 입력 전압에 따른 2단 도허티 전력 증폭기의 출력 전압은 달라질 수 있다. 여기서, 출력 전압은 주 증폭단의 주 증폭기의 출력 전압을 의미할 수 있다. 제1 라인(831)을 참고하면, 2단 도허티 전력 증폭기의 출력 전압은 입력 전압의 크기가 최대(1)일 때 최대값(Vmax)일 수 있다. 또한, 입력 전압의 크기가 0.5일 때, 출력 전압은 최대값일 수 있다. 다시 말해서, 제1 라인(831)의 경우, 2단 도허티 전력 증폭기의 백오프 영역은 정규화된 입력 전압의 크기를 기준으로 0.5 내지 1.0의 범위일 수 있다. 제2 라인(832)을 참고하면, 제1 라인(831)과 동일하게 2단 도허티 전력 증폭기의 출력 전압은 입력 전압의 크기가 최대(1)일 때 최대값(Vmax)일 수 있다. 그러나, 제1 라인(831)과 달리 입력 전압의 크기가 0.25일 때, 출력 전압은 최대값일 수 있다. 다시 말해서, 제2 라인(832)의 경우, 2단 도허티 전력 증폭기의 백오프 영역은 정규화된 입력 전압의 크기를 기준으로 0.25 내지 1.0의 범위일 수 있고, 제1 라인(831)에 비하여 넓은 백-오프 영역을 가질 수 있다. 또한, 제3 라인(833)을 참고하면, 제1 라인(831)과 동일하게 2단 도허티 전력 증폭기의 출력 전압은 입력 전압의 크기가 최대(1)일 때 최대값(Vmax)일 수 있다. 그러나, 제1 라인(831)과 달리 입력 전압의 크기가 약 0.16일 때, 출력 전압은 최대값일 수 있다. 다시 말해서, 제3 라인(833)의 경우, 2단 도허티 전력 증폭기의 백오프 영역은 정규화된 입력 전압의 크기를 기준으로 약 0.16 내지 1.0의 범위일 수 있고, 제1 라인(831) 및 제2 라인(832)에 비하여 넓은 백-오프 영역을 가질 수 있다.
상술한 바에 따르면, 부하 임피던스의 변조 비율이 달라지는 경우, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 입력되는 전압의 크기에 따라 출력 전압이 달라질 수 있다. 또한, 출력 전압이 변경되는 바, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 백-오프 영역이 달라질 수 있다.
도 8c는 실시예들에 따라 출력 전력에 따른 주 증폭단(main stage)의 주 증폭기의 부하 임피던스(load impedance)의 변화를 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 주 증폭단은 도 4의 주 증폭단(420)을 의미하고, 주 증폭단의 증폭기들은 도 4의 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)일 수 있다. 또한, 위상 차이(Δθ)는 제3 전력 증폭기(421)에서 출력된 신호(도 4의 signal3)에 대한 전류 및 제4 전력 증폭기(422)에서 출력된 신호(도 4의 signal4)에 대한 전류의 위상 차이를 의미할 수 있다.
그래프(840)는 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기에 있어서, 출력 전력에 따른 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서의 부하 임피던스(load impedance)를 도시한다. 그래프(840)는 부하 임피던스의 변조 비율(k)이 2인 경우의 출력 전력에 따른 부하 임피던스의 변화를 도시하는 제1 라인(841), k가 4인 경우의 출력 전력에 따른 부하 임피던스의 변화를 도시하는 제2 라인(842), k가 6인 경우의 출력 전력에 따른 부하 임피던스의 변화를 도시하는 제3 라인(843)을 도시한다. 여기서 Ropt는, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기가 최대 출력 전력일 때, 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 바라본 최적의 부하 임피던스이다.
제1 라인(841)을 참고하면, 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기가 낮은 출력 전력에서 높은 출력 전력으로 출력 크기가 변경되는 경우, 부하 임피던스의 크기는 2Ropt에서 Ropt로 변경될 수 있다. 제2 라인(842)을 참고하면, 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기가 낮은 출력 전력에서 높은 출력 전력으로 출력 크기가 변경되는 경우, 부하 임피던스의 크기는 4Ropt에서 Ropt로 변경될 수 있다. 제3 라인(843)을 참고하면, 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기가 낮은 출력 전력에서 높은 출력 전력으로 출력 크기가 변경되는 경우, 부하 임피던스의 크기는 6Ropt에서 Ropt로 변경될 수 있다. 상술한 바에 따르면, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 출력 전력이 증가할수록, 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 바라본 부하 임피던스의 크기가 Ropt로 감소될 수 있다. 또한, 부하 임피던스 변조 비율에 상관없이, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 출력 전력이 최대인 경우, 부하 임피던스의 크기가 Ropt일 수 있다. 그러나, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 출력 전력이 감소되는 경우, 주 증폭단의 주 증폭기의 출력단에서 바라본 부하 임피던스의 크기는 kRopt로 증가할 수 있다.
도 8d는 실시예들에 따라 출력 전력에 따른 2단(2-stage) 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)의 전력 효율을 도시하는 그래프의 예이다. 여기서, 2단 도허티 전력 증폭기는 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기를 의미할 수 있다. 도 8d에서는 설명의 편의를 위하여, 주 증폭단의 주 증폭기는 Class-B 바이어스인 증폭기로 가정한다.
그래프(850)는 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 부하 임피던스 변조 비율(k)이 2일 때 출력 전력에 따른 PAE를 도시하는 제1 라인(871), 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 k가 4일 때 출력 전력에 따른 PAE를 도시하는 제2 라인(872), 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 k가 6일 때 출력 전력에 따른 PAE를 도시하는 제3 라인(873), 일반적인 Class-AB 바이어스의 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 PAE(power added efficiency)를 도시하는 제4 라인(860)을 도시한다. 그래프(850)의 가로축은 정규화된 출력 전력의 크기(단위: dB)를, 세로축은 PAE(power added efficiency)(단위: %)를 의미할 수 있다.
제1 라인(871)을 참고하면, 출력 전력이 최대값(0)인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 또한, 출력 전력이 약 -3dB인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 이 때, 출력 전력이 약 -3dB인 부분은, 최대 출력 전력 대비 낮은 출력 전력 지점으로, 드라이버 증폭단의 전력 효율이 낮은 증폭기(예: 도 4의 제1 전력 증폭기(411))가 켜지는(on) 전력 지점을 의미할 수 있다. 제2 라인(872)을 참고하면, 출력 전력이 최대값(0)인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 또한, 출력 전력이 약 -6dB인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 이 때, 출력 전력이 약 -6dB인 부분은, 최대 출력 전력 대비 낮은 출력 전력 지점으로, 드라이버 증폭단의 전력 효율이 낮은 증폭기(예: 도 4의 제1 전력 증폭기(411))가 켜지는(on) 전력 지점을 의미할 수 있다. 제3 라인(873)을 참고하면, 출력 전력이 최대값(0)인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 또한, 출력 전력이 약 -8dB인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 이 때, 출력 전력이 약 -8dB인 부분은, 최대 출력 전력 대비 낮은 출력 전력 지점으로, 드라이버 증폭단의 전력 효율이 낮은 증폭기(예: 도 4의 제1 전력 증폭기(411))가 켜지는(on) 전력 지점을 의미할 수 있다. 제1 라인(871) 내지 제3 라인(873)을 비교하면, 부하 임피던스 변조 비율(k)이 달라짐에 따라 드라이버 증폭단의 전력 효율이 낮은 증폭기(예: 도 4의 제1 전력 증폭기(411))가 켜지는(on) 전력 지점(즉, 낮은 출력 전력 지점)이 달라질 수 있다. 즉, k값이 달라짐에 따라 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 백-오프 영역이 달라질 수 있다. k값이 커지는 경우, 백-오프 영역은 확대될 수 있다.
일반적인 Class-AB 바이어스의 전력 증폭기의 효율을 도시하는 제4 라인(860)을 참고하면, 출력 전력이 최대값(0)인 경우 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 PAE는 최대 효율(78.5%)일 수 있다. 그러나, 출력 전력이 감소함에 따라 PAE는 감소될 수 있다. 따라서, 일반적인 Class-AB 전력 증폭기는 백-오프 영역이 협소할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 본 개시의 실시 예들에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기의 경우, 주 증폭단의 주 증폭기의 부하 임피던스에 대한 변조율이 조절됨에 따라, 백-오프 영역이 확대될 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 일반적인 전력 증폭기에 비하여 고효율인 백-오프 영역이 확대되는 바, 전력 증폭기의 성능이 개선될 수 있다.
도 1 내지 도 8d를 참고하면, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 바이어스가 서로 다른 드라이버 증폭단의 증폭기들 및 동일한 바이어스의 주 증폭단의 증폭기들을 포함할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 드라이버 증폭단과 주 증폭단 사이에 커플러(coupler)를 포함할 할 수 있다. 상술한 바와 같은 구조의 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 일반적인 전력 증폭기에 비하여 고효율인 백-오프 영역이 확대되는 바, 전력 증폭기의 성능이 개선될 수 있다. 또한, 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 전력 사용량 및 발열량을 최소화할 수 있고, 배터리의 수명을 늘릴 수 있다. 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 기존의 구조와 비교하여 최소한의 구조 변경을 통해 구성될 수 있는 바, 집적 회로와 같은 소형화된 설계에 이용될 수 있다.
도 9는 실시예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다. 전자 장치(910)는, 기지국 혹은 단말 중 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자 장치(910)는 MMU 또는 mmWave 장치일 수 있다. 도 1 내지 도 8d를 통해 언급된 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기 자체뿐만 아니라, 이를 포함하는 RF(radio frequency) 체인(chain)의 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 또한 본 개시의 실시 예들에 포함된다.
도 9를 참고하면, 전자 장치(910)의 예시적인 기능적 구성이 도시된다. 전자 장치(910)는 안테나부(911), 필터부(912), RF(radio frequency) 처리부(913), 제어부(914)를 포함할 수 있다.
안테나부(911)는 다수의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 안테나는 서브스트레이트(예: 안테나 PCB, 안테나 보드) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나는 상향 변환된 신호를 무선 채널 상에서 방사하거나 다른 장치가 방사한 신호를 획득할 수 있다. 각 안테나는 안테나 엘리먼트 또는 안테나 소자로 지칭될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안테나부(911)는 복수의 안테나 엘리먼트들이 열(array)을 이루는 안테나 어레이(antenna array)(예: 서브 어레이(sub array))를 포함할 수 있다. 안테나부(911)는 RF 신호선들을 통해 필터부(912)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나부(911)는 다수의 안테나 엘리먼트들을 포함하는 PCB에 실장될 수 있다. PCB는 각 안테나 엘리먼트와 필터부(912)의 필터를 연결하는 복수의 RF 신호선들을 포함할 수 있다. 이러한 RF 신호선들은 급전 네트워크(feeding network)로 지칭될 수 있다. 안테나부(911)는 수신된 신호를 필터부(912)에 제공하거나 필터부(912)로부터 제공된 신호를 공기중으로 방사할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 안테나부(911)는 이중 편파 안테나를 갖는 적어도 하나의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 이중 편파 안테나는 일 예로, 크로스-폴(x-pol) 안테나일 수 있다. 이중 편파 안테나는 서로 다른 편파에 대응하는 2개의 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이중 편파 안테나는 +45°의 편파를 갖는 제1 안테나 엘리먼트와 -45°의 편파를 갖는 제2 안테나 엘리먼트를 포함할 수 있다. 편파는 +45°, -45° 외에 직교하는 다른 편파들로 형성될 수 있음은 물론이다. 각 안테나 엘리먼트는 급전선(feeding line)과 연결되고, 후술되는 필터부(912), RF 처리부(913), 제어부(914)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이중 편파 안테나는 패치 안테나(혹은 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna))일 수 있다. 이중 편파 안테나는 패치 안테나의 형태를 가짐으로써, 배열 안테나로의 구현 및 집적이 용이할 수 있다. 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들이 각 안테나 포트에 입력될 수 있다. 각 안테나 포트는 안테나 엘리먼트에 대응한다. 높은 효율을 위하여, 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들 간 코-폴(co-pol) 특성과 크로스-폴(cross-pol) 특성과의 관계를 최적화시킬 것이 요구된다. 이중 편파 안테나에서, 코-폴 특성은 특정 편파 성분에 대한 특성 및 크로스-폴 특성은 상기 특정 편파 성분과 다른 편파 성분에 대한 특성을 나타낸다.
필터부(912)는 원하는 주파수의 신호를 전달하기 위해, 필터링을 수행할 수 있다. 필터부(912)는 공진(resonance)을 형성함으로써 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 필터부(912)는 구조적으로 유전체를 포함하는 공동(cavity)을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서 필터부(912)는 인덕턴스 또는 커패시턴스를 형성하는 소자들을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 필터부(912)는 BAW(bulk acoustic wave) 필터 혹은 SAW(surface acoustic wave) 필터와 같은 탄성 필터를 포함할 수 있다. 필터부(912)는 대역 통과 필터(band pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter), 고역 통과 필터(high pass filter), 또는 대역 제거 필터(band reject filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 필터부(912)는 송신을 위한 주파수 대역 또는 수신을 위한 주파수 대역의 신호를 얻기 위한 RF 회로들을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 필터부(912)는 안테나부(911)와 RF 처리부(913)를 전기적으로 연결할 수 있다.
RF 처리부(913)는 복수의 RF 경로들을 포함할 수 있다. RF 경로는 안테나를 통해 수신되는 신호 혹은 안테나를 통해 방사되는 신호가 통과하는 경로의 단위일 수 있다. 적어도 하나의 RF 경로는 RF 체인으로 지칭될 수 있다. RF 체인은 복수의 RF 소자들을 포함할 수 있다. RF 소자들은 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 처리부(913)는 기저대역(base band)의 디지털 송신신호를 송신 주파수로 상향 변환하는 상향 컨버터(up converter)와, 상향 변환된 디지털 송신신호를 아날로그 RF 송신신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)를 포함할 수 있다. 상향 컨버터와 DAC는 송신경로의 일부를 형성한다. 송신 경로는 전력 증폭기(power amplifier, PA) 또는 커플러(coupler)(또는 결합기(combiner))를 더 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, RF 처리부(913)는 아날로그RF 수신신호를 디지털 수신신호로 변환하는 ADC(analog-to-digital converter)와 디지털 수신신호를 기저대역의 디지털 수신신호로 변환하는 하향 컨버터(down converter)를 포함할 수 있다. ADC와 하향 컨버터는 수신경로의 일부를 형성한다. 수신 경로는 저잡음 증폭기(low-noise amplifier, LNA) 또는 커플러(coupler)(또는 분배기(divider))를 더 포함할 수 있다. RF 처리부의 RF 부품들은 PCB에 구현될 수 있다. 전자 장치(910)는 안테나부(911)-필터부(912)-RF 처리부(913) 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 안테나들과 RF 처리부의 RF 부품들은 PCB 상에서 구현될 수 있고, PCB와 PCB 사이에 필터들이 반복적으로 체결되어 복수의 층들(layers)을 형성할 수 있다. 본 개시의 실시예들에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기는 RF 처리부(913)에 포함될 수 있다.
제어부(914)는 전자 장치(910)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 제어부 (914)은 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈들을 포함할 수 있다. 제어부(914)는 모뎀(modem)과 같은 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 제어부(914)는 디지털 신호 처리(digital signal processing)을 위한 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(914)는 모뎀을 포함할 수 있다. 데이터 송신 시, 제어부(914)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 예를 들어, 데이터 수신 시, 제어부(914)는 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 제어부(914)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다.
도 9에서는 본 개시의 도허티 전력 증폭기가 활용될 수 있는 장비로서, 전자 장치(910)의 기능적 구성을 서술하였다. 그러나, 도 9에 도시된 예는 도 1 내지 도 8d를 통해 서술된 본 개시의 실시예에 따른 전력 증폭기를 포함하는 구조 및 이를 포함하는 전자 장치의 활용을 위한 예시적인 구성일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도 9에 도시된 장비의 구성 요소들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 개시의 실시예에 따른 위상 변조 모드 도허티 전력 증폭기 구조를 포함하는 통신 장비의 일 구성 및 이를 포함하는 통신 장비 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다.
상술한 바와 같은, 무선 통신 시스템의 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)(400)는 제1 전력 증폭기(power amplifier)(411) 및 제2 전력 증폭기(412)를 포함하는 제1 스테이지(stage)(410)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)를 포함하는 제2 스테이지(420)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 상기 제1 스테이지(410) 와 상기 제2 스테이지(420) 사이의 커플러(coupler)(440)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 상기 제2 스테이지(420)와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)(460)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 증폭기(411)의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기(412)의 바이어스와 다르게 인가(applied)될 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 바이어스와 동일하게 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전력 증폭기(411) 및 상기 제2 전력 증폭기(412)는 바이어스(bias)가 Class-AB인 전력 증폭기일 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)는 바이어스가 Class-A 또는 Class-AB인 전력 증폭기일 수 있다. 상기 제4 전력 증폭기(422)는 바이어스가 Class-C인 전력 증폭기일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 커플러(440)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 연결되는 제1 포트(port), 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력단과 연결되는 제2 포트, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단과 연결되는 제3 포트, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단과 연결되는 제4 포트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 커플러(440)는 결합 선로 커플러(coupled line coupler), 랭 커플러(lange coupler), 하이브리드 커플러(hybrid coupler) 또는 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 위상 지연을 위한 전송 선로(transmission line)(430)를 포함할 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단은 상기 전송 선로(430)를 통해 상기 커플러(440)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 결합기(combiner)(450)를 포함할 수 있다. 상기 결합기(450)는 상기 제3 전력 증폭기(421)의 출력단, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 출력단 및 상기 부하 임피던스(460)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 결합기(450)는 집중 정수 소자(lumped element), 집중 정수 소자 및 전송 선로(transmission line), 전송 선로, 또는 집중 정수 소자 및 변압기(transformer)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단으로 입력되는 제1 신호의 크기(magnitude)는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단으로 입력되는 제2 신호의 크기와 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 전력 분배기(power splitter)(470)를 포함할 수 있다. 상기 전력 분배기(470)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 입력단 및 상기 제2 전력 증폭기(412)의 입력단과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제1 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 분기될 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제2 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제3 전력 증폭기(421)로 인가되고, 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제4 전력 증폭기(422)로 인가될 수 있다. 상기 제1 상태는, 상기 도허티 전력 증폭기(400)의 출력 전력이 임계값보다 크거나 같을 수 있다. 상기 제2 상태는 상기 출력 전력이 상기 임계값보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같은, 무선 통신 시스템의 전자 장치(910)는 적어도 하나의 프로세서(processor)(914)를 포함할 수 있다. 상기 전자 장치(910)는 상기 적어도 하나의 프로세서(914)와 연결된 복수의 RF 체인(chain)들(913)을 포함할 수 있다. 상기 전자 장치(910)는 상기 복수의 RF 체인들(913)과 연결된 복수의 안테나 엘리먼트들(911)을 포함할 수 있다. 상기 전자 장치(910)는 상기 복수의 RF 체인들(913) 중 하나의 RF 체인은 도허티 전력 증폭기 (Doherty power amplifier)(400)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 제1 전력 증폭기(power amplifier)(411) 및 제2 전력 증폭기(412)를 포함하는 제1 스테이지(stage)(410)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)를 포함하는 제2 스테이지(420)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 상기 제1 스테이지(410)와 상기 제2 스테이지(420) 사이의 커플러(coupler)(440)를 포함할 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)는 상기 제2 스테이지(420)와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)(460)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 증폭기(411)의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기(412)의 바이어스와 다르게 인가(applied)될 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 바이어스와 동일하게 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전력 증폭기(411) 및 상기 제2 전력 증폭기(412)는 바이어스(bias)가 Class-AB인 전력 증폭기일 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)는 바이어스가 Class-A 또는 Class-AB인 전력 증폭기일 수 있다. 상기 제4 전력 증폭기(422)는 바이어스가 Class-C인 전력 증폭기일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 커플러(440)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 연결되는 제1 포트(port), 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력단과 연결되는 제2 포트, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단과 연결되는 제3 포트, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단과 연결되는 제4 포트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 커플러(440)는 결합 선로 커플러(coupled line coupler), 랭 커플러(lange coupler), 하이브리드 커플러(hybrid coupler) 또는 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 위상 지연을 위한 전송 선로(transmission line)(430)를 포함할 수 있다. 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단은 상기 전송 선로(430)를 통해 상기 커플러(440)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 결합기(combiner)(450)를 포함할 수 있다. 상기 결합기(450)는 상기 제3 전력 증폭기(421)의 출력단, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 출력단 및 상기 부하 임피던스(460)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 결합기(450)는 집중 정수 소자(lumped element), 집중 정수 소자 및 전송 선로(transmission line), 전송 선로, 또는 집중 정수 소자 및 변압기(transformer)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단으로 입력되는 제1 신호의 크기(magnitude)는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단으로 입력되는 제2 신호의 크기와 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 전력 분배기(power splitter)(470)를 포함할 수 있다. 상기 전력 분배기(470)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 입력단 및 상기 제2 전력 증폭기(412)의 입력단과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제1 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 분기될 수 있다. 상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제2 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제3 전력 증폭기(421)로 인가되고, 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제4 전력 증폭기(422)로 인가될 수 있다. 상기 제1 상태는, 상기 도허티 전력 증폭기(400)의 출력 전력이 임계값보다 크거나 같을 수 있다. 상기 제2 상태는 상기 출력 전력이 상기 임계값보다 작을 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템의 도허티 전력 증폭기(Doherty power amplifier)(400)에 있어서,
    제1 전력 증폭기(power amplifier)(411) 및 제2 전력 증폭기(412)를 포함하는 제1 스테이지(stage)(410);
    제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)를 포함하는 제2 스테이지(420);
    상기 제1 스테이지(410) 와 상기 제2 스테이지(420) 사이의 커플러(coupler)(440); 및
    상기 제2 스테이지(420)와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)(460)를 포함하고,
    상기 제1 전력 증폭기(411)의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기(412)의 바이어스와 다르게 인가(applied)되고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 바이어스와 동일하게 인가되는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전력 증폭기(411) 및 상기 제2 전력 증폭기(412)는 바이어스(bias)가 Class-AB인 전력 증폭기이고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)는 바이어스가 Class-A 또는 Class-AB인 전력 증폭기이고, 및
    상기 제4 전력 증폭기(422)는 바이어스가 Class-C인 전력 증폭기인,
    도허티 전력 증폭기(400).
  3. 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플러(440)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 연결되는 제1 포트(port), 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력단과 연결되는 제2 포트, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단과 연결되는 제3 포트, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단과 연결되는 제4 포트를 포함하는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플러(440)는 결합 선로 커플러(coupled line coupler), 랭 커플러(lange coupler), 하이브리드 커플러(hybrid coupler) 또는 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler) 중 적어도 하나를 포함하는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 위상 지연을 위한 전송 선로(transmission line)(430)를 더 포함하고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단은 상기 전송 선로(430)를 통해 상기 커플러(440)와 연결되는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 결합기(combiner)(450)를 더 포함하고,
    상기 결합기(450)는 상기 제3 전력 증폭기(421)의 출력단, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 출력단 및 상기 부하 임피던스(460)와 연결되는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 결합기(450)는:
    집중 정수 소자(lumped element),
    집중 정수 소자 및 전송 선로(transmission line),
    전송 선로, 또는
    집중 정수 소자 및 변압기(transformer)를 포함하는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단으로 입력되는 제1 신호의 크기(magnitude)는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단으로 입력되는 제2 신호의 크기와 동일한,
    도허티 전력 증폭기(400).
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 전력 분배기(power splitter)(470)를 더 포함하고,
    상기 전력 분배기(470)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 입력단 및 상기 제2 전력 증폭기(412)의 입력단과 연결되는,
    도허티 전력 증폭기(400).
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제1 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 분기되고,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제2 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제3 전력 증폭기(421)로 인가되고, 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제4 전력 증폭기(422)로 인가되고,
    상기 제1 상태는, 상기 도허티 전력 증폭기(400)의 출력 전력이 임계값보다 크거나 같고,
    상기 제2 상태는 상기 출력 전력이 상기 임계값보다 작은,
    도허티 전력 증폭기(400).
  11. 무선 통신 시스템의 전자 장치(910)에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서(processor)(914),
    상기 적어도 하나의 프로세서(914)와 연결된 복수의 RF 체인(chain)들(913); 및
    상기 복수의 RF 체인들(913)과 연결된 복수의 안테나 엘리먼트들(911)을 포함하고,
    상기 복수의 RF 체인들(913) 중 하나의 RF 체인은 도허티 전력 증폭기 (Doherty power amplifier)(400)를 포함하고,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는:
    제1 전력 증폭기(power amplifier)(411) 및 제2 전력 증폭기(412)를 포함하는 제1 스테이지(stage)(410);
    제3 전력 증폭기(421) 및 제4 전력 증폭기(422)를 포함하는 제2 스테이지(420);
    상기 제1 스테이지(410)와 상기 제2 스테이지(420) 사이의 커플러(coupler)(440); 및
    상기 제2 스테이지(420)와 연결되는 부하 임피던스(load impedance)(460)를 포함하고,
    상기 제1 전력 증폭기(411)의 바이어스(bias)는 상기 제2 전력 증폭기(412)의 바이어스와 다르게 인가(applied)되고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 바이어스는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 바이어스와 동일하게 인가되는,
    전자 장치(910).
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 전력 증폭기(411) 및 상기 제2 전력 증폭기(412)는 바이어스(bias)가 Class-AB인 전력 증폭기이고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)는 바이어스가 Class-A 또는 Class-AB인 전력 증폭기이고, 및
    상기 제4 전력 증폭기(422)는 바이어스가 Class-C인 전력 증폭기인,
    전자 장치(910).
  13. 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플러(440)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력단과 연결되는 제1 포트(port), 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력단과 연결되는 제2 포트, 상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단과 연결되는 제3 포트, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단과 연결되는 제4 포트를 포함하는,
    전자 장치(910).
  14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플러(440)는 결합 선로 커플러(coupled line coupler), 랭 커플러(lange coupler), 하이브리드 커플러(hybrid coupler) 또는 링 하이브리드 커플러(ring hybrid coupler) 중 적어도 하나를 포함하는,
    전자 장치(910).
  15. 청구항 11 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 위상 지연을 위한 전송 선로(transmission line)(430)를 더 포함하고,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단은 상기 전송 선로(430)를 통해 상기 커플러(440)와 연결되는,
    전자 장치(910).
  16. 청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 결합기(combiner)(450)를 더 포함하고,
    상기 결합기(450)는 상기 제3 전력 증폭기(421)의 출력단, 상기 제4 전력 증폭기(422)의 출력단 및 상기 부하 임피던스(460)와 연결되는,
    전자 장치(910).
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 결합기(450)는:
    집중 정수 소자(lumped element),
    집중 정수 소자 및 전송 선로(transmission line),
    전송 선로, 또는
    집중 정수 소자 및 변압기(transformer)를 포함하는,
    전자 장치(910).
  18. 청구항 11 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 전력 증폭기(421)의 입력단으로 입력되는 제1 신호의 크기(magnitude)는 상기 제4 전력 증폭기(422)의 입력단으로 입력되는 제2 신호의 크기와 동일한,
    전자 장치(910).
  19. 청구항 11 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)는, 전력 분배기(power splitter)(470)를 더 포함하고,
    상기 전력 분배기(470)는 상기 제1 전력 증폭기(411)의 입력단 및 상기 제2 전력 증폭기(412)의 입력단과 연결되는,
    전자 장치(910).
  20. 청구항 11 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제1 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 분기되고,
    상기 도허티 전력 증폭기(400)가 제2 상태인 경우, 상기 제1 전력 증폭기(411)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제3 전력 증폭기(421)로 인가되고, 상기 제2 전력 증폭기(412)의 출력 신호는 상기 커플러(440)를 통해 상기 제4 전력 증폭기(422)로 인가되고,
    상기 제1 상태는, 상기 도허티 전력 증폭기(400)의 출력 전력이 임계값보다 크거나 같고,
    상기 제2 상태는 상기 출력 전력이 상기 임계값보다 작은,
    전자 장치(910).
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