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KR20150042504A - 광대역 고선형 증폭기 - Google Patents

광대역 고선형 증폭기 Download PDF

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KR20150042504A KR20130121235A KR20130121235A KR20150042504A KR 20150042504 A KR20150042504 A KR 20150042504A KR 20130121235 A KR20130121235 A KR 20130121235A KR 20130121235 A KR20130121235 A KR 20130121235A KR 20150042504 A KR20150042504 A KR 20150042504A
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 광대역 고선형 증폭기는, 복수 대역의 디지털 신호를 각각 선형화하는 복수의 전치왜곡부; 상기 전치왜곡기들의 출력신호를 합성하는 합성부; 상기 합성기로부터 출력되는 신호를 증폭하는 단일의 증폭부; 상기 증폭부의 출력 신호로부터 상기 복수 대역별 신호들을 각각 분리하는 분배부를 구비하고, 상기 분리된 복수 대역별 신호들을 각각 감쇠시키는 복수의 역보상 감쇠부를 구비하며, 상기 감쇠된 복수 대역별 신호를 상기 복수의 전치왜곡부 중 대응하는 대역의 전치왜곡부에 각각 피드백하는 피드백 지로를 포함한다.

Description

광대역 고선형 증폭기{Broad band high linear power amplifier}
본 발명은 다중 대역 시스템에서 전력 증폭기의 비선형 특성을 보상하는 광대역 고선형 증폭기에 관한 것이다.
전력증폭기를 선형적으로 사용하기 위해서는 Back-off 시키거나 선형화기를 사용하는 방법이 있다. 그러나 Back-off 시켜 사용하면 선형성은 보장되나 출력전력과 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 부가적인 선형화기들은 최대 대역폭지원이 100MHz까지만 가능하다는 기술적인 한계가 있어 다수의 서비스밴드를 수용하는 분산 안테나 시스템(Distributed Antenna system)과 같은 통신 장비에는 서비스 밴드의 수만큼 전력 증폭기가 필요하게 되어 통신장치 소모전력, 크기 및 가격 등이 상승하게 되는 요인이 된다.
본 발명은, 다중대역 시스템에서 고효율 고선형 특성을 갖는 광대역 고선형 증폭기를 제공한다.
또한 본 발명은 서비스 별 즉, 대역 별 출력의 조정이 안정적으로 가능하게 함으로써 통화 품질을 향상시키고 전체 시스템의 성능을 유지할 수 있는 광대역 고선형 증폭기를 제공한다.
또한 본 발명은, 다중대역/다중모드를 지원하는 송신기에서 비선형 특성을 보상하는 전치왜곡 기법을 제공하여 통과하는 다중 대역 신호가 비선형 특성에 따른 다중 대역 신호간의 간섭을 제거하고 각 대역 특성이 선형 특성을 갖도록 공유되는 단일의 광대역 고선형 증폭기를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광대역 고선형 증폭기는,
복수 대역의 디지털 신호를 각각 선형화하는 복수의 전치왜곡부;
상기 전치왜곡기들의 출력신호를 합성하는 합성부;
상기 합성기로부터 출력되는 신호를 증폭하는 단일의 증폭부;
상기 증폭부의 출력 신호로부터 상기 복수 대역별 신호들을 각각 분리하는 분배부를 구비하고, 상기 분리된 복수 대역별 신호들을 각각 감쇠시키는 복수의 역보상 감쇠부를 구비하며, 상기 감쇠된 복수 대역별 신호를 상기 복수의 전치왜곡부 중 대응하는 대역의 전치왜곡부에 각각 피드백하는 피드백 지로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전치왜곡부들로부터 출력되는 신호를 각각 감쇠시키는 복수의 감쇠부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 역보상 감쇠부들 및 상기 감쇠부들 중 동일 대역에 구비되는 역보상 감쇠부 및 감쇠부에 의한 제어량의 합은 루프 이득"(Loop gain)이 유지되도록 일정하게 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 역보상 감쇠부 및 감쇠부에 의한 제어량의 합은 30dB일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 역보상 감쇠부 및 상기 감쇠부는 각각 0 내지 30dB의 범위에서 출력을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전치왜곡부는 CFR(Crest factor reduction) 기능을 갖는 디지털 전치 왜곡기일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 분배부는 상기 복수 대역별 신호들을 분리 시에 적어도 각 대역의 2배 크기의 대역을 갖도록 분리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 증폭부는 질화물(GaN) 증폭기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 피드백 루프를 통한 역보상이 가능하도록 함으로써 대역 별 출력의 조정을 안정적으로 수행하고, 전체 시스템의 성능을 유지하여 통화 품질을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 다중 대역의 신호를 처리함에 있어서, 단일의 증폭기를 이용함으로써 소형화가 가능하고 고효율 고선형 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기의 모습을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기에 포함되는 피드백 루프의 모습을 나타내는 블록도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기의 모습을 나타내는 블록도이다.
본 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기는 신호의 증폭을 위한 증폭 지로가 구비되며, 출력 신호의 일부를 피드백하는 피드백 지로가 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이 증폭을 위한 지로에는 전치왜곡부(30), 감쇠부(40), 합성부(50), 증폭부(60) 등이 구비되며, 피드백을 위한 지로에는 분배부(70) 및 역보상 감쇠부(80)를 포함한다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기는 다중 대역의 신호를 증폭할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 x, y z의 세 가지 대역, 즉 3 종류의 서비스를 제공할 수 있다.
각각의 대역의 신호들은 각 대역별로 구비되는 믹서(10)에서 국부발진주파수와 혼합되어 중간주파수로 변환된다. 이어서 중간주파수로 변환된 신호는 대역별로 구비된 아날로그/디지털 컨버터(20)들을 통하여 디지털 신호로 변환된다.
전치왜곡부(30)는 앞서 설명한 복수의 대역에 대응하는 수로 구비되며, 각 대역별 디지털 신호를 각각 선형화한다. 고출력 증폭기의 경우 포화점에서 동작함으로써 비선형 왜곡이 발생하여 신호의 왜곡을 일으키며 인접 채널에 영향을 미친다. 전치왜곡부(30)는 증폭기의 비선형 특성으로 인하여 발생되는 인접 채널의 영향과 신호의 진폭 왜곡 및 위상 왜곡 현상을 최소화하기 위하여 선형화 기법을 수행한다.
전치왜곡부(30)는 역 위상 된 상호 변조 왜곡 신호를 만들어 증폭부에 입력 시켜주는 역할을 하게 된다. 역 위상 된 입력 신호는 증폭기에서 출력되는 상호변조 왜곡 신호와 합성되어 제거된다.
한편, 본 실시예에 따른 전치왜곡부(30)는 파고율 감소(CFR, Crest Factor Reduction) 기능을 갖는 디지털 전치 왜곡기(DPD, Digital Pre-Distortion)를 구비한다. 피드백 지로를 통하여 상호변조 왜곡 신호를 전달받는 파고율 감소 디지털 전치 왜곡기를 통하여 어떠한 환경변화에도 적응하여 특성을 유지할 수 있다.
감쇠부(40)는 앞서 설명한 복수의 대역에 대응하는 수로 구비되며, 전치왜곡부(30)로부터 출력되는 각 대역별 디지털 신호를 감쇠시킨다.
합성부(50)는 전치왜곡기(30) 및 감쇠부(40)를 통하여 출력되는 각 대역별 신호를 하나로 합성한다.
증폭부(60)는 합성부(50)에 의하여 하나로 합성된 신호를 증폭하여 출력한다. 즉, 증폭부(60)에서는 x, y, z 대역의 신호가 합성된 상태로 증폭되어 출력된다.
본 실시예에 따른 증폭부(60)는 고출력용 질화물 트랜지스터(GaN Transistor)를 이용한 증폭기일 수 있다. 질화물 트랜지스터의 경우 기존 Si-기반 LDMOS 트랜지스터보다 전력 밀도가 10배 이상 높고 우수한 광대역 특성을 가진다. 고출력용 GaN Transistor를 이용 함으로써, 제품을 소형화 할 수 있으며, 30% 이상의 경량화를 이룰 수 있었다.
한편, 증폭된 합성 신호 중 일부는 앞서 설명한 바와 같이 분배부(70) 및 역보상 감쇠부(80)를 통하여 전치 왜곡부(30)로 피드백된다.
이러한 피드백 지로가 구비되지 않는 경우에는 온도 변화 및 입력 레벨 및 출력 레벨을 변화시키는 제어 시에 증폭기의 특성 변화가 심하게 발생할 수 있다. 본 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기의 경우 앞서 설명한 피드백 루프 구조를 통하여 역보상을 함으로써 환경이 변하거나 입출력 레벨을 변화시키는 제어를 하는 경우에도 증폭기의 특성이 최대한 변화하지 않도록 유지하는 효과가 있다.
구체적으로 분배부(70)는 증폭부(60)의 출력 신호로부터 복수 대역별로 신호들을 다시 분리한다. 분배부(70)는 신호를 분리한 후 각 대역에 대응하는 필터 등을 이용하여 필터링을 수행함으로써 증폭부(60)를 통하여 출력되는 신호를 각 대역별로 다시 분배할 수 있다.
또한 분배부(70)는 복수 대역별로 신호들을 분리하는 경우 각 대역의 2배 크기 정도의 대역을 갖도록 분리하는 것도 가능하다. 각 대역 별로 2배 정도의 대역을 갖도록 신호를 분리하게 되면, 제3 고조파 전류(IM)에 의한 성능 저하를 개선하는 효과가 있다.
각 대역별로 분리된 신호는 다시 대역의 수만큼 구비되는 역보상 감쇠부(80)에 각각 입력된다. 역보상 감쇠부(80)는 분배부(70)로부터 출력되는 각 대역별 신호를 감쇠시킨다.
이 때 역보상 감쇠부(80)는 30dB 이내의 범위에서 출력 신호를 제어하는 것이 바람직하며, 역보상 감쇠부(80)의 제어량과 앞서 설명한 감쇠부(40)의 제어량의 합은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 역보상 감쇠부(80)의 제어량과 앞서 설명한 감쇠부(40)의 제어량의 합이 일정하게 유지됨으로써 증폭부(60)를 경유하여 전치왜곡부(30)로 회귀하는 루프의 이득(Loop Gain)이 일정하게 유지될 수 있다.
이와 같이 대역 별로 역보상 감쇠부(80)를 구비하지 않는 경우에는 각 대역별로 증폭부(60)의 출력을 조정을 할 수 없게 되며, 전치 왜곡부(30)의 전단에 대역 별 감쇠기를 적용한다고 하더라도 디지털 전치왜곡기의 경우 아날로그/디지털 컨버터의 다이나믹 레인지(Dynamic range)의 기술적 한계 때문에 10dB 이상 감쇠할 경우 신호잡음비(S/N)가 열화되어 통화품질에 큰 영향을 주게 된다.
이와 같이 증폭부(60)의 전단에 감쇠부(40)를 구비하고 피드백 지로에 역보상 감쇠부(80)를 구비하여 상호 역보상이 되도록 설계함으로써 루프 이득을 유지하여 안정적으로 대역 별 증폭부(60)의 출력이 조정 가능하도록 하였으며, 대역 별 증폭부(60)의 출력이 30dB 이상 조정이 가능하도록 하였다.
또한 상호 역보상이 가능한 감쇠부(40) 및 역보상 감쇠부(80)을 포함하는 피드백 구조 이외에도 파고율 감소(CFR, Crest Factor Reduction) 기능을 갖는 디지털 전치 왜곡기(DPD, Digital Pre-Distortion)를 구비함으로써 어떠한 환경변화에도 능동적으로 적응함으로써 광대역 고선형 증폭기의 특성을 유지가 가능하도록 설계 되었다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기의 특성을 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고선형 증폭기에 포함되는 피드백 루프의 모습을 나타내는 블록도이다.
대역을 달리하는 다수의 서비스 별 신호는 각각 전치왜곡부(30)를 통해 선형화 보상이 된 후 하나의 신호로 합쳐지고 단일의 증폭부(60)를 통하여 원하는 출력으로 증폭된다.
증폭부(60)로부터 증폭되어 출력되는 신호는 피드백 지로 상의 분배부(70)를 통하여 대역별 신호로 다시 분리된 후 역보상 감쇠기(80)를 통하여 다시 전치 왜곡부(30)에 전달된다. 이러한 구조로 인하여 외부 환경 변화 또는 제어에 의한 입출력 변화에도 불구하고 선형성을 유지할 수 있다. 또한 감쇠부(40)와 역보상 감쇠부(80)의 상호 역보상 감쇠 과정을 통하여 각 서비스의 대역 별로 출력을 제어할 수 있었다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 역보상 감쇠부(80)의 제어량과 감쇠부(40)의 제어량의 합은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 아래의 표 1에 상호 역보상 감쇠 동작 테이블을 나타냈다.
<표 1> 상호 역보상 감쇠 동작 테이블(단위 dB)
Figure pat00001
감쇠부(30)와 역보상 감쇠부(80)가 0 이상 30dB 이하의 범위에서 제어될 수 있으며, 감쇠부(30)의 제어량이 1dB인 경우 역보상 감쇠부(80)의 제어량과 감쇠부(40)의 제어량의 합이 30dB이 되도록 역보상 감쇠부(80)의 제어량을 29dB로 제어한다.
도 2를 참조하여 설명하면, 전치왜곡부(30), 감쇠부(40), 증폭부(60) 및 역보상 감쇠부(80)로 이어지는 경로는 하나의 루프를 형성한다. 이 때 역보상 감쇠부(80)의 제어량과 앞서 설명한 감쇠부(40)의 제어량의 합이 일정하게 유지됨으로써 증폭부(60)를 경유하여 전치왜곡부(30)로 회귀하는 루프의 이득(Loop Gain)이 일정하게 유지될 수 있다.
전치왜곡부로부터 피드백 지로로 이어지는 경로의 이득이 외부 환경이나 제어를 통해서 변경되는 경우, 증폭기의 AM-AM 특성에 대한 정확한 역보상에 있어 차이가 발생하여 성능열화가 발생하게 된다. 때문에 상호 역보상 감쇠 과정이 없이 서비스별로 출력 조절을 하게 되면 통화품질에 영향을 줄 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
30: 전치왜곡부(CFR/DPD 모듈)
40: 감쇠부
50: 합성부
60: 증폭부
70: 분배부
80: 역보상 감쇠부

Claims (8)

  1. 복수 대역의 디지털 신호를 각각 선형화하는 복수의 전치왜곡부;
    상기 전치왜곡기들의 출력신호를 합성하는 합성부;
    상기 합성기로부터 출력되는 신호를 증폭하는 단일의 증폭부;
    상기 증폭부의 출력 신호로부터 상기 복수 대역별 신호들을 각각 분리하는 분배부를 구비하고, 상기 분리된 복수 대역별 신호들을 각각 감쇠시키는 복수의 역보상 감쇠부를 구비하며, 상기 감쇠된 복수 대역별 신호를 상기 복수의 전치왜곡부 중 대응하는 대역의 전치왜곡부에 각각 피드백하는 피드백 지로
    를 포함하는 광대역 고선형 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전치왜곡부들로부터 출력되는 신호를 각각 감쇠시키는 복수의 감쇠부를 더 포함하는, 광대역 고선형 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 역보상 감쇠부들 및 상기 감쇠부들 중 동일 대역에 구비되는 역보상 감쇠부 및 감쇠부에 의한 제어량의 합은 루프 이득"(Loop gain)이 유지되도록 일정하게 제어되는, 광대역 고선형 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 역보상 감쇠부 및 상기 감쇠부에 의한 제어량의 합은 30dB인, 광대역 고선형 증폭기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 역보상 감쇠부 및 상기 감쇠부는 각각 0 내지 30dB의 범위에서 출력을 제어하는, 광대역 고선형 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전치왜곡부는 CFR(Crest factor reduction) 기능을 갖는 디지털 전치 왜곡기인, 광대역 고선형 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분배부는 상기 복수 대역별 신호들을 분리 시에 적어도 각 대역의 2배 크기의 대역을 갖도록 분리하는, 광대역 고선형 증폭기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는 질화물(GaN) 증폭기인, 광대역 고선형 증폭기.
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