KR100546491B1 - 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치에 관한 것으로, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 최종 출력에 쿼터 웨이브 트랜스포머를 연결하여 도허티 동작이 일어나게 하는 초고주파 도허티 증폭기에 있어서, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력에 고주파 출력 정합을 이루는 로드 정합 회로가 연결되고, 로드 정합 회로의 후단에 위상 튜닝 성분이 연결되어, 고출력에서 정합을 바꾸지 않아 그 특성을 유지하도록 하고 낮은 출력에서는 위상에 따라 효율이나 선형성이 최적화되게 정합을 조절할 수 있는 이점이 있다.

Description

초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치{FULL OUTPUT MATCHING APPARATUS OF THE MICROWAVE DOHERTY AMPLIFIER}

도 1은 종래 제 1 실시예에 따른 출력 정합 장치가 적용된 초고주파 도허티 증폭기의 구성도,

도 2는 종래 제 2 실시예에 따른 출력 정합 장치가 적용된 초고주파 도허티 증폭기의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 출력 정합 장치가 적용된 초고주파 도허티 증폭기의 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 출력 정합 장치의 상세 회로도,

도 5는 도 4에 도시된 출력 정합 부분에서 삽입하는 위상 튜닝 성분의 위상이 0°에서 180°까지 변할 때의 로드 임피던스(도 5a)와 출력 임피던스(도 5b)의 예,

도 6은 본 발명에 따른 출력 정합 장치를 적용한 초고주파 도허티 증폭기의 실험 측정 데이터.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 캐리어 증폭기 20 : 피킹 증폭기

111,112 : 입력 정합 회로 121,122 : 로드 정합 회로

131,132,151 : 임피던스 라인 141,142 : 쿼터 웨이브 트랜스포머

본 발명은 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도허티 증폭기의 일반적인 고주파 출력 정합 후에 추가적인 위상 튜닝 성분을 삽입하여 초고주파 대역에서 완전한 출력 정합을 이루도록 한 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치에 관한 것이다.

주지와 같이, 고효율 증폭기의 한 종류인 초고주파 도허티 증폭기는 순수한 저항성 출력 정합만 가능하다고 알려져 왔다.

이러한 도허티 증폭기는 쿼터 웨이브 트랜스포머(Quarter wave transformer)(λ/4 라인)를 사용하여 캐리어(Carrier) 증폭기와 피킹(Peaking) 증폭기를 병렬로 연결하는 방식으로 전력 레벨에 따라 피킹 증폭기가 로드에 공급하는 전류의 양으로 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하여 효율을 높이는 방식이다.

초고주파 도허티 증폭기는 초기에 고출력 LF 또는 MF 진공관을 이용한 방송장치의 AM 전송기(Transmitter)로 사용되었다. 그 후 솔리드-스테이트(Solid-State) 고출력 전송기에 사용하기 위한 여러 가지 제안들이 있었다. 그 중 하나가 도 1에 보인 방식이다.

도 1의 초고주파 도허티 증폭기는 캐리어 증폭기(10) 및 피킹 증폭기(20)의 출력 정합시에 쿼터 웨이브 트랜스포머(31∼39)를 사용하여 임피던스를 변환시키는 방식이다. 이러한 출력 정합 방식은 실수부의 임피던스 정합(Resistive matching)만이 가능하다.

도 2에 보인 종래 실시예에서는 캐리어 증폭기(10) 및 피킹 증폭기(20)의 출력부에 바로 션트(Shunt)로 허수부 로드 임피던스(Shunt reactive load impedance; 41,42)를 달고 마이크로웨이브 도허티 네트웍(50)을 연결하는 방식으로서, 이 또한 모든 경우의 정합을 다 포함하지는 못하며 션트의 허수부 로드 임피던스(41,42)가 도허티 증폭기의 효율 개선 특성을 악화시킬수 있는 문제점이 있었다(도 2의 미설명 부호 60은 쿼드레처 하이브리드 네트웍, 71 및 72는 입력 정합 네트웍, 81 및 82는 세컨드 하모닉 튜닝 네트웍).

따라서, 솔리드-스테이트 초고주파 도허티 증폭기의 효율 개선 특성을 그대로 유지하면서 실수부(Real part)와 허수부(Imaginary part)를 포함한 완전 정합 장치의 개발이 절실한 요구 과제로 부각되는 실정이다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점 및 요구 과제를 해결하기 위하여 제안한 것으로, 그 목적하는 바는 고주파 출력 정합 후에 특성 임피던스와 같은 임피던스의 라인을 삽입하여 이를 위상 튜닝 성분으로 사용하는 도허티 증폭기의 출력 정합 장치를 제공함으로써, 고출력에서 정합을 바꾸지 않아 그 특성을 유지하도록 하고 낮은 출력에서는 위상에 따라 효율이나 선형성이 최적화되게 정합을 조절할 수 있도록 하는 데 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치는, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 최종 출력에 쿼터 웨이브 트랜스포머를 연결하여 도허티 동작이 일어나게 하는 초고주파 도허티 증폭기에 있어서, 상기 캐리어 증폭기의 출력에 연결되어 고주파 출력 정합을 이루는 제 1 로드 정합 회로와, 상기 피킹 증폭기의 출력에 연결되어 고주파 출력 정합을 이루는 제 2 로드 정합 회로와, 상기 제 1 로드 정합 회로의 후단에 연결되어 높은 전력 레벨에서 낮은 전력 레벨로 변화할 때에 상기 캐리어 증폭기의 로드 임피던스를 변조시키는 제 1 위상 튜닝 성분과, 상기 제 2 로드 정합 회로의 후단에 연결되어 낮은 전력 레벨에서 상기 피킹 증폭기가 높은 출력 임피던스를 갖도록 하는 제 2 위상 튜닝 성분을 포함한다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 출력 정합 장치가 적용된 초고주파 도허티 증폭기의 구성도이다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 출력 정합 장치는, 캐리어 증폭기(10) 및 피킹 증폭기(20)의 전단에 각각 입력 정합 회로(111,112)를 연결하며, 임의의 임피던스

가 되도록 로드 정합 회로(121,122)를 각각 캐리어 증폭기(10)와 피킹 증폭기(20)의 출력부에 연결하고, 캐리어 증폭기(10)의 로드 정합 회로(121) 후단에는 앵글이

인 임피던스 라인(131)을 연결하며, 피킹 증폭기(20)의 로드 정합 회로(122) 후단에는 앵글이

인 임피던스 라인(132)을 연결한다.

캐리어 증폭기(10)와 피킹 증폭기(20)의 최종 출력에는 쿼터 웨이브 트랜스 포머(141,142)를 연결하여 도허티 동작이 일어나게 한다.

쿼터 웨이브 트랜스포머(141,142)를 포함한

와

의 양 경로간 위상 차이를 보상하기 위하여 피킹 증폭기(20)의 입력 정합 회로(112) 이전에 앵글 90°+

-

의 임피던스 라인(151)을 삽입·연결한다.

도 4a는

를 구하는 방법을 설명하기 위한 회로도이고, 도 4b는

를 구하는 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

도 4a에서 캐리어 증폭기(10)의 출력 임피던스(

)를 등가 회로로 표현하기 위하여 션트로 연결된 출력 저항(

)과 캐패시터(

)을 사용하였다(도 4a의 A). 이 경우 최적 전력점으로 정합하기 위하여 일반적으로 로드 저항은 트랜지스터의 I/V 관계에 의하여

로 구해지고, 허수부는 출력 임피던스(

)의 켤레 복소수(Complex conjugate)의 허수부로 정합하게 된다.

따라서, 캐패시터(

)을 포함하고 로드 쪽을 바라본 보상된 로드 임피던스(

)는 적절한 캐패시터(

)값과 최종 로드 임피던스

에 대하여 실수값을 가지게 된다. 이때 고출력에서 캐리어 증폭기(10)의 최종 로드 임피던스는

가 되므로

의 특성 임피던스를 갖는 위상 튜닝 성분에 의하여 보상된 로드 임피던스(

)는 변화하지 않게 된다.

그러나, 매우 낮은 전력 레벨에서 캐리어 증폭기(10)의 최종 출력 로드 임피던스는 도허티 동작에 의하여

가 되므로 이때의 보상된 로드 임피던스(

) 는 위상 튜닝 성분 위상(

)의 변화에 따라서 고출력일 때의 보상된 로드 임피던스(

)를 중심으로 원을 형성하게 된다. 이 특성은 도 5a에서 상기 설명한 원의 한 예로서 잘 나타나고 있다.

여기서 높은 임피던스로 실수가 되는 임피던스 지점이 되도록 하는 앵글을 선택하면 된다. 도 5a에서는 약 40∼60°의 앵글을 가질 때 보상된 로드 임피던스가 최대가 되며 순수한 실수에 근접하게 됨을 알 수 있다.

비슷한 방법으로 도 4b에서 위상 튜닝 성분을 포함한 피킹 증폭기(20)의 최종 출력 임피던스(

)는 매우 낮은 전력 레벨에서 위상 성분

의 변화에 따라 크게 원을 그리게 된다. 매우 낮은 전력 레벨에서 출력 임피던스(

)는 오픈이 되어야 함으로 순수하게 실수의 저항 성분만을 가지며 큰 값이 되도록 하는

를 선택하면 된다. 이 특성은 도 5b에서 상기 설명한 원의 한 예로서 잘 나타난다. 도 5b에서 역시 약 40∼60°의 앵글을 가질 때 피킹 증폭기(20)의 최종 출력 임피던스는 매우 큰 실수값을 갖는다는 것을 알 수 있다.

상기 설명한 대로 1.4㎓ 대역에서 동작하는 초고주파 도허티 증폭기를 설계하여 제작한 후 그 특성을 측정하였다. 실험에서의 도허티 증폭기는 캐리어 증폭기로 클래스 AB를 사용하고 피킹 증폭기로 클래스 C 증폭기를 사용하였다.

도 6은 이러한 실험 측정 데이터로서 도 6a는 CW 신호를 입력하였을 때 출력 레벨에 따른 효율(Power-Added Efficiency; PAE)의 변화 곡선으로서 일반적인 클래 스 AB 증폭기의 효율과 비교하였다. 당업자라면 누구라도 본 발명의 출력 정합 장치를 적용한 도허티 증폭기의 우수한 효율을 알 수 있을 것이다. 도 6b는 이 때의 선형성 특성을 보기 위하여 클래스 AB 증폭기와 본 발명 도허티 증폭기의 스펙트럼을 비교한 그림이다. IS-95 포워드-링크(Forward-Link) CDMA 신호를 입력하였을 때 약 32dBm 출력 전력에서 885㎑ 오프셋 지점에서 약 5.7㏈ 개선된 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 특성을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명은, 고주파 출력 정합 후에 특성 임피던스와 같은 임피던스의 라인을 삽입하여 이를 위상 튜닝 성분으로 사용함으로써, 고출력에서 정합을 바꾸지 않아 그 특성을 유지하도록 하고 낮은 출력에서는 위상에 따라 효율이나 선형성이 최적화되게 정합을 조절할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 출력 정합 장치는 기존 또는 차세대 이동 통신의 기지국용 전력 증폭기에 응용하였을 때에 고효율화와 선형화를 동시에 이루어 높은 경제성과 신뢰성을 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 최종 출력에 쿼터 웨이브 트랜스포머를 연결하여 도허티 동작이 일어나게 하는 초고주파 도허티 증폭기에 있어서:

   상기 캐리어 증폭기의 출력에 연결되어 고주파 출력 정합을 이루는 제 1 로드 정합 회로와,

   상기 피킹 증폭기의 출력에 연결되어 고주파 출력 정합을 이루는 제 2 로드 정합 회로와,

   상기 제 1 로드 정합 회로의 후단에 연결되어 높은 전력 레벨에서 낮은 전력 레벨로 변화할 때에 상기 캐리어 증폭기의 로드 임피던스를 변조시키는 제 1 위상 튜닝 성분과,

   상기 제 2 로드 정합 회로의 후단에 연결되어 낮은 전력 레벨에서 상기 피킹 증폭기가 높은 출력 임피던스를 갖도록 하는 제 2 위상 튜닝 성분을 포함하는 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 위상 튜닝 성분은, 상기 제 1 로드 정합 회로의 후단에 소정 위상의 임피던스 라인을 연결하는 것을 특징으로 한 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 위상 튜닝 성분은, 상기 제 2 로드 정합 회로의 후단에 소정 위상의 임피던스 라인을 연결하는 것을 특징으로 한 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 위상 튜닝 성분과 상기 쿼터 웨이브 트랜스포머와 상기 제 2 위상 튜닝 성분간의 위상 차이를 보상하기 위하여 그 차만큼의 위상 지연선로를 상기 피킹 증폭기의 전단에 연결하는 것을 특징으로 한 초고주파 도허티 증폭기의 출력 정합 장치.

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