KR20050119127A

KR20050119127A - 부하 변동 허용 무선 주파수 증폭기

Info

Publication number: KR20050119127A
Application number: KR1020057017517A
Authority: KR
Inventors: 시아오 더블유. 창; 하이 제이 핀레이; 나이-슈오 쳉; 봉석 박
Original assignee: 스카이워크스 솔루션즈 인코포레이티드
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-12-20
Also published as: CN1778093A; EP1604509A4; US20040185916A1; KR101088227B1; WO2004084422A2; ATE480857T1; CN100542182C; DE602004029013D1; US6954623B2; EP1604509B1; JP2006521060A; EP1604509A2; WO2004084422A3

Abstract

위상 천이 및 임피던스 변환 요소를 갖는 전력 증폭기가 개시되어 있다. 전력 증폭기는 복수의 증폭 경로, 각각의 증폭 경로의 입력에 있는 제1 위상 천이 요소, 및 각각의 증폭 경로의 출력에 있는 제2 위상 천이 요소를 포함한다. 증폭기는 또한 제2 위상 천이 요소와 연관된 임피던스 변환 요소, 및 각각의 증폭 경로의 출력을 단일의 출력으로 합성하도록 구성된 전력 결합기를 포함한다.

Description

부하 변동 허용 무선 주파수 증폭기{LOAD VARIATION TOLERANT RADIO FREQUENCY(RF) AMPLIFIER}

본 발명은 일반적으로 무선 주파수(RF) 전송 전력의 발생 및 제어, 휴대용 통신 장치의 단가의 최소화 및 그 크기의 축소에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 부하 변동에 영향을 받지 않는 RF 증폭기에 관한 것이다.

효율적이고 저렴한 전자 모듈이 점차적으로 이용가능하게 됨에 따라, 모바일 통신 시스템은 점점 더 널리 보급되고 있다. 예를 들어, 다양한 주파수, 전송 방식, 변조 기술 및 통신 프로토콜이 핸드헬드, 전화와 같은 통신 송수신기, 무선 개인 휴대 단말기(PDA) 또는 컴퓨터 인터페이스에서의 양방향 음성 및/또는 데이터 통신을 제공하기 위해 사용되는 많은 변형의 통신 방식이 있다. 여러가지 변조 및 전송 방식 각각은 장점 및 단점을 가지고 있지만, 이들 장치 모두의 통상의 목표는 송수신기의 성능을 최대화하면서 핸드셋의 크기 및 단가를 최소화하는 것이다.

휴대용 통신 송수신기의 크기 및 단가를 최소화하는 것은 일반적으로 이러한 장치의 설계자가 직면하는 최대의 과제이다. 많은 여러가지 방법이 연구되어 왔지만, 종종 송수신기의 크기 및 단가 둘다를 최소화하기 위한 최대의 기회는 송수신기 내의 부품의 수를 감소시키는 것에 의한다. 일반적으로 적정한 수의 부품을 포함하고 따라서 부품수 감소의 기회를 제공하는 장치들 중 하나가 RF 전력 증폭기이다. RF 전력 증폭기는 RF 전송 신호를 받아서 송수신기와 연관된 안테나를 통해 전송하기 위해 이 전송 신호를 증폭한다.

종래의 RF 전력 증폭기는 다수의 단(stage)을 포함할 수 있으며, 어떤 응용에서는 다수의 증폭 경로를 포함할 수 있다. 어떤 구성에서, 이 다중 경로 구성은 "평형 증폭기(balanced amplifier)"라고 한다. 구성에 상관없이, 종래의 평형 전력 증폭기는 다중 경로의 출력을 서로 결합시키는 결합 회로(coupling circuit)를 필요로 한다. 게다가, 전력 증폭기에 제공되는 부하가 안테나 임피던스의 변동에 따라 변화하기 때문에, 종래의 RF 전력 증폭기는 단일 경로 증폭 방식을 사용하든지 이중 경로 증폭 방식을 사용하든지 간에 일반적으로 증폭기의 출력에 하나 이상의 분리기(isolator)를 이용한다. 안테나 임피던스는 송수신기의 위치 및 동작 모드에 따라 연속적으로 변한다. 예를 들어, 안테나의 임피던스는 송수신기의 위치에 따라 예를 들어 5 내지 50 오옴 사이에서 변화할 수 있다. 보호 분리기(protective isolator) 또는 다른 특수 보호 회로가 없는 경우, 전력 증폭기에 제공되는 임피던스의 이러한 변동은 전력 증폭기의 성능이 변동되게 하며, 따라서 송수신기의 전체 성능을 열화시킨다. 분리기는 전력 증폭기의 출력단에 제공되는 임피던스 변동을 최소화시킨다. 불행히도, 분리기는 물리적 오염의 가능성으로 인해 전력 증폭기가 제조되어 있는 동일한 구조 상에 통합하기가 어려운 비교적 크고 고가인 부품이다.

따라서, 송수신기로부터 분리기를 제거하면서도 전력 증폭기가 광범위한 동작 조건에서 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 증폭기를 포함하는 간략화된 휴대용 송수신기를 예시한 블록도.

도 2는 도 1의 전력 증폭기를 예시한 블록도.

도 3은 도 2의 출력 회로를 예시한 블록도.

위상 천이 및 임피던스 변환 요소를 갖는 전력 증폭기가 개시되어 있다. 전력 증폭기는 복수의 증폭 경로, 각각의 증폭 경로의 입력에 있는 제1 위상 천이 요소, 각각의 증폭 경로의 출력에 있는 제2 위상 천이 요소를 포함한다. 이 증폭기는 또한 제2 위상 천이 요소와 연관된 임피던스 변환 요소, 및 각각의 증폭 경로의 출력을 단일의 출력으로 합성하도록 구성된 전력 결합기를 포함한다.

관련 시스템 및 동작 방법도 역시 제공되어 있다. 본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이하의 도면 및 상세한 설명을 살펴보면 당업자에게는 자명하거나 자명하게 될 것이다. 모든 이러한 부가의 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 속하며, 첨부된 청구항들에 의해 보호되는 것으로 보아야 한다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하면 보다 잘 이해될 것이다. 도면 내의 구성요소는 꼭 축척하여 도시되어 있지 않으며 그 대신에 본 발명의 원리를 명확히 나타내는 것에 중점을 두었다. 게다가, 도면들에서, 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 가리킨다.

휴대용 송수신기를 특히 참조하여 기술되어 있지만, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소 및/또는 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소는 전력 증폭기의 출력에 있는 하나 이상의 분리기를 제거함으로써 단가 및/또는 크기를 최소화하는 것이 바람직한 평형 전력 증폭 시스템에 구현될 수 있다. 양호한 실시예에서, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소와 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소를 포함하는 전력 증폭기는 하드웨어로 구현되며, 이에 대해서는 이하에 기술된다. 본 발명의 하드웨어 부분은 특수 하드웨어 요소 및 로직을 사용하여 구현될 수 있다. 게다가, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소는 물론 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소의 하드웨어 구현은 기술 분야에 공지된 이하의 기술, 즉 개별 회로 구성요소 및 요소, 집적 회로 구성요소 및 요소, 개별 회로 구성요소 및 집적 회로 구성요소의 조합, 전송선 및/또는 전송선 구성요소 또는 요소, 데이터 신호에 대한 논리 기능을 구현하기 위한 논리 게이트를 갖는 개별 논리 회로(들), 적절한 논리 게이트를 갖는 주문형 반도체(ASIC), PGA(programmable gate array, 프로그램가능 게이트 어레이), FPGA(field programmable gate array, 현장 프로그램가능 게이트 어레이), 기타 등등 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭기를 포함하는 간략화된 휴대용 송수신기를 예시한 블록도이다. 휴대용 송수신기(100)는 스피커(102), 디스플레이(104), 키보드(106), 및 마이크로폰(108)을 포함하며, 이 모두는 기저대역 서브시스템(110)에 연결되어 있다. 특정의 실시예에서, 휴대용 송수신기(100)는 예를 들어 모바일 셀룰러 타입 전화 등의 휴대 전화 핸드셋일 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 잘 알고 있는 바와 같이, 스피커(102) 및 디스플레이(104)는 각각 연결(112, 114)을 통해 기저대역 서브시스템(110)으로부터 신호를 수신한다. 이와 유사하게, 키보드(106) 및 마이크로폰(108)은 각각 연결(116, 118)을 통해 기저대역 서브시스템(110)에 신호를 공급한다. 기저대역 서브시스템(110)은 버스(128)를 통해 통신하고 있는 마이크로프로세서(μP)(120), 메모리(122), 아날로그 회로(124), 및 디지털 신호 처리기(DSP)(126)를 포함한다. 버스(128)는 단일의 버스로서 도시되어 있지만 기저대역 서브시스템(110) 내의 서브시스템들 간에 필요에 따라 연결되는 다중 버스를 사용하여 구현될 수 있다. 마이크로프로세서(120) 및 메모리(122)는 휴대용 송수신기(100)의 신호 타이밍, 프로세싱 및 저장 기능을 제공한다. 아날로그 회로(124)는 기저대역 서브시스템(110) 내의 신호들에 대한 아날로그 프로세싱 기능을 제공한다. 기저대역 서브시스템(110)은 연결(132)을 통해 무선 주파수(RF) 서브시스템(130)에 제어 신호를 제공한다. 단일의 연결(132)로서 도시되어 있지만, 제어 신호는 DSP(126)로부터 또는 마이크로프로세서(120)로부터 발신된 것일 수 있으며 RF 서브시스템(130) 내의 다양한 지점에 공급된다. 간략함을 위해 휴대용 송수신기(100)의 단지 기본적인 구성요소만이 예시되어 있음을 잘 알 것이다.

기저대역 서브시스템(110)은 또한 아날로그-디지털 변환기(ADC)(134) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC)(136, 138)를 포함한다. ADC(134), DAC(136), 및 DAC(138)는 또한 버스(128)를 통해 마이크로프로세서(120), 메모리(122), 아날로그 회로(124) 및 DSP(126)와 통신한다. DAC(136)는 기저대역 서브시스템(110) 내의 디지털 통신 정보를, 연결(140)을 통해 RF 서브시스템(130)으로 전송하기 위해 아날로그 신호로 변환한다. DAC(138)는 연결(144)을 통해 전력 증폭기 제어 요소(161)에 기준 전압 전력 레벨 신호를 제공한다. DAC(136, 138)의 동작은 또한 단일의 장치 내로 결합될 수 있다. 연결(140)은 2개의 유향 화살표로서 도시되어 있지만, 디지털 영역으로부터 아날로그 영역으로의 변환 후에 RF 서브시스템(130)에 의해 전송되어질 정보를 포함한다.

RF 서브시스템(130)은 연결(150)을 통해 합성기(148)로부터 "국부 발진기" 신호, 즉 "LO"라고도 하는 주파수 기준 신호를 수신한 후에 수신된 아날로그 정보를 변조하고 변조된 신호를 연결(152)을 통해 업컨버터(154)에 제공하는 변조기(146)를 포함한다. 변조된 전송 신호는 원하는 전송 포맷에 따라 위상 정보만, 진폭 정보만, 또는 위상 정보와 진폭 정보 둘다를 포함할 수 있다. 업컨버터(154)는 또한 연결(156)을 통해 합성기(148)로부터 주파수 기준 신호를 수신한다. 합성기(148)는 업컨버터(154)에 의해 연결(152) 상의 변조된 신호가 업컨버전되어지는 주파수를 설정한다.

업컨버터(154)는 연결(158)을 통해 변조된 신호를 전력 증폭기(200)에 공급한다. 전력 증폭기(200)는 연결(158) 상의 변조된 신호를, 연결(162)을 통해 안테나(164)로 전송하기 위해 적절한 전력 레벨로 증폭한다. 예시적으로, 스위치(166)는 연결(162) 상의 증폭된 신호가 안테나(164)로 전송되는지 안테나(164)로부터의 수신된 신호가 필터(168)로 공급되는지를 제어한다. 스위치(166)의 동작은 연결(132)을 통해 기저대역 서브시스템(110)으로부터의 제어 신호에 의해 제어된다. 다른 대안에서, 스위치(166)는 당업자라면 잘 알고 있는 바와 같이 전송 신호 및 수신 신호 둘다의 동시 통과를 가능하게 해주는 필터(예를 들어, 듀플렉서)에 의해 대체될 수 있다.

전력 증폭기(200)는 양호하게는 "평형 증폭기" 구성이라고 하는 것으로 배열되어 있다. 이하에 기술하는 바와 같이, 전력 증폭기(200)는 위상 천이 및 임피던스 변환 회로와, 전력 증폭기(200)가 전력 증폭기(200)의 출력에서의 부하 변동에 그다지 영향을 받지 않게 해주는 전력 결합기 및 임피던스 변환 회로를 포함한다.

연결(162) 상의 증폭된 전송 신호 에너지의 일부분은 연결(170)을 통해 전력 증폭기 제어 요소(161)로 공급된다. 전력 증폭기 제어 신호(161)는 전력 증폭기(160)의 출력 전력을 제어하기 위해 피드백을 이용하는 폐루프 출력 전력 제어기를 형성할 수 있으며, 또한 연결(172)을 통해 전력 증폭기(200)에 전력 제어 신호를 공급할 수 있다.

안테나(164)에 의해 수신된 신호는 수신 필터(168)로 보내진다. 수신 필터(168)는 수신 신호를 필터링하고 연결(174) 상의 필터링된 신호를 저 노이즈 증폭기(LNA)(176)에 공급한다. 수신 필터(168)는 휴대용 송수신기(100)가 동작하고 있는 특정 셀룰러 시스템의 모든 채널을 통과시키는 대역 통과 필터이다. 예로서, 1800 MHz PCS CDMA의 경우, 수신 필터(164)는 각각 1.25 MHz인 250개의 채널을 커버하는 1930 MHz 내지 1989.950 MHz의 모든 주파수를 통과시킨다. 이 필터의 목적은 원하는 영역 밖의 모든 주파수를 차단하는 것이다. LNA(176)는 연결(174) 상의 아주 약한 신호를, 다운컨버터(178)가 그 신호를 전송 주파수로부터 기저대역 주파수로 변환할 수 있는 레벨로 증폭한다. 다른 대안에서, LNA(176) 및 다운컨버터(178)의 기능은 예를 들어 저 노이즈 블록 다운컨버터(low noise block downconverter, LNB) 또는 직접 변환 수신기(direct conversion receiver, DCR) 등의 다른 요소를 사용하여 달성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

다운컨버터(178)는 합성기(148)로부터 연결(180)을 통해 "국부 발진기" 신호, 즉 "LO"라고도 하는 주파수 기준 신호를 수신한다. LO 신호는 연결(182)을 통해 LNA(176)로부터 수신된 신호를 다운컨버터(178)에 의해 다운컨버전하기 위한 적절한 주파수를 설정한다. 다운컨버전된 주파수는 중간 주파수, 즉 IF라고 한다. 다운컨버터(178)는 연결(184)을 통해 "IF 필터"라고도 하는 채널 필터(186)로 다운컨버전된 신호를 전송한다. 채널 필터(186)는 다운컨버전된 신호를 필터링하고 이를 연결(188)을 통해 증폭기(190)에 공급한다. 채널 필터(186)는 제어 신호(132)로부터의 입력을 사용하여 하나의 원하는 채널을 선택하고 다른 모든 채널을 차단한다. 예로서 PCS CDMA를 사용하여, 250개의 채널 중 하나만이 실제로 수신된다. 모든 채널이 수신 필터(186)에 의해 통과되고 다운컨버터(178)에 의해 주파수가 다운컨버전된 후에, 하나의 원하는 채널만이 정확하게 채널 필터(186)의 중심 주파수에 나타나게 된다. 합성기(148)는 연결(180)을 통해 다운컨버터(178)에 공급되는 국부 발진기 주파수를 제어함으로써 원하는 채널의 중심을 채널 필터(186)의 중심으로 설정한다. 증폭기(190)는 수신된 신호를 증폭하고 증폭된 신호를 연결(192)을 통해 복조기(194)에 공급한다. 복조기(194)는 전송된 아날로그 정보를 복원하고 이 정보를 나타내는 신호를 연결(196)을 통해 ADC(134)에 공급한다. ADC(134)는 이 아날로그 신호를 기저대역 주파수의 디지털 신호로 변환하고 추가의 프로세싱을 위해 그 신호를 버스(128)를 통해 DSP(126)로 전송한다.

수신기 구성요소에 대한 이상의 설명은 단지 예시적인 것이다. 실제로, 예를 들어 수퍼헤테로다인 수신기, 직접 변환 수신기, 또는 샘플링 수신기 등의 다른 수신기 구성(이에 한정되는 것은 아님)도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 생각된다.

도 2는 도 1의 전력 증폭기(200)를 예시한 블록도이다. 전력 증폭기(200)는 "다층 모듈"(202)이라고 하는 모듈 상에 제조될 수 있다. 다층 모듈(202)은 다층 모듈(202) 상에 위치한 적어도 하나의 모놀리딕 마이크로웨이브 집적 회로(MMIC)(204) 및 출력 회로(206)를 포함한다. 출력 회로(206)는 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(272)와 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)를 포함한다. 이들 요소 중 어느 하나 또는 그 둘다에 의해 제공되는 임피던스는 MMIC(204)에 대한 출력 임피던스 정합을 제공한다.

전력 증폭기(200)의 전체적인 구성은 "평형 증폭기"라고 불리운다. 이 예에서, 제1 증폭 경로는 "경로 1"이라고 하고, 일반적으로 위상 천이 요소(218), 입력 정합 요소(226), 제1단 증폭기(236), 단간 정합 요소(interstage matching element)(246), 및 제2단 전력 증폭기(256)를 포함한다. 제2 증폭 경로는 "경로 2"라고 하고, 일반적으로 위상 천이 요소(222), 입력 정합 요소(228), 제1단 증폭기(238), 단간 정합 요소(interstage matching element)(248), 및 제2단 전력 증폭기(258)를 포함한다. 부가의 증폭 경로도 역시 제공될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 포함된다.

증폭기(236, 238, 256, 258)는 예를 들어 이하의 기술, 헤테로접합 바이폴라 트랜지스터(HBT) 증폭기, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 증폭기, 전계 효과 트랜지스터(FET) 증폭기, PHEMT(pseudomorphic high electron mobility transistor) 증폭기, 또는 임의의 다른 적당한 증폭기 기술중 하나 이상을 사용하여 제조될 수 있다.

MMIC(204)는 연결(158)을 통해 무선 주파수(RF) 통신 신호를 수신한다. 연결(158) 상의 신호는 입력 신호라고 하고 휴대용 송수신기(100)에 의해 전송되어지는 정보를 포함한다. 연결(158) 상의 RF 입력 신호는 전력 분배기(power divider)(212)에 공급된다. 전력 분배기(212)는 연결(158) 상의 신호를 연결(214)을 통해 위상 천이 요소(218)로, 또한 연결(216)을 통해 위상 천이 요소(222)로 거의 똑같이 분배한다. 부가의 증폭 경로가 포함되어 있는 경우, 전력 분배기(212)는 입력 신호를 모든 증폭 경로 간에 거의 비례하게 분배한다.

전력 분배기(212)는 연결(214, 216) 상에 거의 동일한 위상을 갖는 신호를 생성하는 동상 전력 분배기(in-phase power divider)이다. 대체 구현에서, 전력 분배기는 연결(214, 216) 상에 180°만큼 다른 출력을 제공할 수 있다. 이러한 전력 분배기는 하나 이상의 반도체 장치 또는 다른 능동 요소를 사용하여 구현된 능동 180°전력 분배기 또는 분할기 또는 수동 180°분할기를 포함할 수 있다. 능동 회로를 사용하는 이러한 구현은 구성요소의 크기를 축소시킬 수 있으며 또한 경로 1과 경로 2 간의 개선된 분리를 제공할 수 있다. 이 대체 구현에 있어서, 위상 천이 요소(218)는 연결(214) 상의 신호에 대해 -45°위상 천이를 적용하고, 위상 천이 요소(222)는 연결(216) 상의 신호에 대해 +45°위상 천이를 적용한다. 위상 천이 요소(218, 222)는 개별 회로 구성요소 및 요소, 직접 회로 구성요소 및 요소, 개별 구성요소 및 집적 회로 구성요소의 조합, 전송로 및/또는 전송로 구성요소 또는 요소를 포함할 수 있다.

위상 천이 요소(218)는 연결(214) 상의 신호에 대해 +45°위상 천이를 적용하고, 위상 천이 요소(222)는 연결(216) 상의 신호에 대해 -45°위상 천이를 적용한다. 다른 대안에서, 서로 다른 각도의 위상 천이가 위상 천이 요소(218, 222)에 의해 적용될 수 있다. 위상 천이 요소(218, 222)는 개별 회로 구성요소 및 요소, 직접 회로 구성요소 및 요소, 개별 구성요소 및 집적 회로 구성요소의 조합, 전송로 및/또는 전송로 구성요소 또는 요소를 포함할 수 있다. 위상 천이 요소(218)의 출력은 연결(220)을 통해 입력 정합 요소(226)에 공급되고, 위상 천이 요소(222)의 출력은 연결(224)을 통해 입력 정합 요소(228)에 공급된다. 입력 정합 요소(226)은 위상 천이 요소(218) 및 선행 회로(도시 생략)와 제1단 증폭기(236)의 입력 간의 임피던스 정합을 제공한다. 이와 유사하게, 입력 정합 요소(228)은 위상 천이 요소(222) 및 선행 회로(도시 생략)와 제1단 증폭기(238)의 입력 간의 임피던스 정합을 제공한다. 따라서, 입력 정합 요소(226)의 출력은 연결(232)을 통해 제1단 증폭기(236)에 공급되고, 입력 정합 요소(228)의 출력은 연결(234)을 통해 제1단 증폭기(238)에 공급된다.

제1단 증폭기(236)의 출력은 연결(242)을 통해 단간 정합 요소(246)에 공급되고, 제1단 증폭기(238)의 출력은 연결(244)을 통해 단간 정합 요소(248)에 공급된다. 단간 정합 요소(246)는 제1단 증폭기(236)와 제2단 전력 증폭기(256) 간의 임피던스 정합을 제공한다. 단간 정합 요소(248)는 제1단 증폭기(238)와 제2단 전력 증폭기(258) 간의 임피던스 정합을 제공한다. 단간 정합 요소(246)의 출력은 연결(252)을 통해 제2단 전력 증폭기(256)에 공급되고, 단간 정합 요소(248)의 출력은 연결(254)을 통해 제2단 전력 증폭기(258)에 공급된다.

입력 정합 요소(226, 228) 및 단간 정합 요소(246, 248)는 일반적으로 하나 이상의 유도성(L) 요소, 용량성(C) 요소, 저항성(R) 요소 및/또는 전송로를 포함하며, 이들의 값은 특정의 회로에 대한 최적의 임피던스 정합을 제공하도록 선택된다.

연결(262) 상의 제2단 전력 증폭기(256) 및 연결(264) 상의 제2단 전력 증폭기(258) 상의 출력 전력의 일부분은 예를 들어 능동 피드백 루프, 스위칭가능 임피던스, 또는 2개의 증폭 경로의 개별적인 이득을 조정하는 데 적당한 임의의 다른 회로를 포함할 수 있는 제어 회로에 공급된다.

능동 피드백 루프를 구현하는 경우, 한 가능한 구현은 연결(262) 상의 제2단 전력 증폭기(256)로부터의 출력 전력의 일부분이 능동 피드백 루프(260)에 공급되고, 연결(264) 상의 제2단 전력 증폭기(258)로부터의 출력 전력의 일부분이 능동 피드백 루프(270)에 공급되는 것이다. 능동 피드백 루프(260, 270)는 각각 여러가지 공지의 기술, 예를 들어 저항성 및 용량성 구성요소의 조합을 사용하여 구현될 수 있는 능동 스위치(266, 268)를 포함한다. 능동 피드백 루프(260, 270)는 MMIC(204) 상의 증폭 경로들 각각의 이득을 조정함으로써 안테나 부하 변동에 의해 전력 증폭기(200)의 출력에 야기된 전력 이득 불균형을 보상한다.

스위칭가능 임피던스 제어 방법을 구현하는 경우, 연결(262) 상의 제2단 출력 증폭기(256)의 출력 전력의 일부분은 분기하여 능동 스위치(275)에 공급된다. 능동 스위치(275)는 하나 이상의 저항에 직렬로 연결되고, 이들 중 예시적인 하나가 참조 번호(277)를 사용하여 도시되어 있다. 다른 대안에서, 이 회로는 예를 들어 전송로, 유도성(L)/용량성(C) 회로망, 또는 RF 임피던스 변화를 제공하는 기타의 회로를 포함할 수 있다. 저항(277)은 접지에 연결되어 있다. 이와 유사하게, 연결(264) 상의 제2단 출력 증폭기(258)의 출력 전력의 일부분은 분기하여 능동 스위치(281)에 공급된다. 능동 스위치(281)는 하나 이상의 저항, 전송로, L/C 회로망, 또는 RF 임피던스 변화를 제공하는 기타의 회로에 직렬로 연결되어 있다. 저항(277)은 접지에 연결되어 있다. 예로서, 이 회로는 저항을 포함하며, 이들 중 예시적인 하나가 참조 번호(283)를 사용하여 도시되어 있다. 저항(283)은 접지에 연결되어 있다. 능동 스위치(275, 281)는 전술한 능동 스위치(266, 268)와 유사한 것일 수 있다. 능동 스위치(275, 281)는 높은 부하 임피던스 대 낮은 부하 임피던스를 검출하고 양호한 전체적인 전력 증폭기 성능을 제공하기에 가장 적합한 임피던스로 스위칭한다.

통신 셀 내에서의 휴대용 통신 송수신기(100)의 이동, 및 휴대용 송수신기(100)의 안테나(164)의 위치 변경은 전력 증폭기(200)의 출력과 휴대용 송수신기(100)의 안테나(164)(도 1) 간의 임피던스를 변경시킨다. 전력 증폭기와 안테나 간의 임피던스가 변화함에 따라, 부정합도 변화하여 전력 증폭기(200) 내의 회로의 성능에 변화를 가져온다. 이들 성능 변화는 경로 1과 경로 2 간의 서로 다른 이득과 관련하여 가장 중요하다. 이 이득 차이로 인해, 스펙트럼 재성장(spectral regrowth)이 일어나는 경향이 있으며, 이는 전력 증폭기-안테나간 임피던스 부정합 조건에서 신호 품질을 열화시킨다. 스펙트럼 재성장은 휴대용 송수신기(100)이 동작하고 있는 통신 시스템의 노이즈 플로어를 증가시키는 경향이 있다. 능동 피드백 루프(260, 270)는 전력 증폭기(200)의 출력에서의 임피던스 변화에 응답하여 증폭 경로들 간의 이득을 같게 함으로써 스펙트럼 재성장을 감소시킨다. 스펙트럼 재성장을 감소시키는 것은 전력 증폭기(200)에 의해 통신 시스템에 야기되는 노이즈를 감소시킨다.

제2단 전력 증폭기(256)의 출력은 연결(262)을 통해 출력 회로(206)에 공급되고 제2단 전력 증폭기(258)의 출력은 연결(264)을 통해 출력 회로(206)에 공급된다.

출력 회로(206)는 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(272)와 전력 합성기 및 임피던스 변환 요소(288)를 포함한다. 요소(272)는 증폭 경로 1 및 증폭 경로 2 각각에 대한 위상 천이 및 임피던스 변환 요소를 포함하고, 이에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세히 기술된다. 도 2를 참조하면, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(272)는 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)와 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)를 포함한다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274, 276)는 예를 들어, 개별 회로 구성요소 및 요소, 집적 회로 구성요소 및 요소, 개별 회로 구성요소 및 집적 회로 구성요소의 조합, 전송로 및/또는 전송로 구성요소 또는 요소를 포함할 수 있다. 연결(262) 상의 MMIC(204)의 출력은 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)에 공급되는 반면, 연결(264) 상의 MMIC(204)의 출력은 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)에 공급된다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274, 276)는 각각 연결(262, 264) 상의 신호에 정반대의 위상 정정을 적용하고 또한 연결(262, 264) 상의 신호의 임피던스를 변환한다. 위상 천이 및 임피던스 변환은 동시에 또는 개별적으로 일어날 수 있다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274, 276)의 동작은 도 3을 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)는 -45°위상 천이를 적용하고[위상 천이 요소(218)에 의해 적용되는 위상 천이와 정반대임], 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)는 연결(264) 상의 신호에 +45°위상 천이를 적용한다[위상 천이 요소(222)에 의해 적용되는 위상 천이와 정반대임].

위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)의 출력은 연결(278)을 통해 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(284)에 공급되고, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)의 출력은 연결(282)을 통해 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(286)에 공급된다. 개별적인 블록을 사용하여 도시되어 있지만, 요소(284, 286)는 이하에 기술되는 바와 같이 공통의 요소를 사용하여 구현될 수 있다. 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)는 부가의 출력 임피던스 정합 및 전력 결합 둘다를 제공하는 이중 목적 회로 요소를 포함한다. 윌킨슨(Wilkinson) 전력 결합기를 포함할 수 있는 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)는 연결(278, 282) 상의 전력을 결합하고 연결(162) 상에 RF 출력 신호를 제공한다.

도 3은 도 2의 출력 회로(206)를 보다 상세히 예시한 블록도이다. MMIC(204)의 출력은 연결(262)을 통해 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)에 공급되고, 연결(264) 상의 MMIC(204)의 출력은 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)에 공급된다. 간략함을 위해 생략되어 있지만, DC 피드쓰루(feedthrough) 및 고조파 튜닝(harmonics tuning) 회로는 공지된 바와 같이 연결(262, 264)에 연결된다.

도 3에 도시된 구성요소 최소화된 실시예가 출력 회로(206)의 한 가능한 구현이지만, 많은 다른 실시예가 가능하다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)는 용량성 요소(커패시터로 예시되어 있음)(304)에 병렬로 연결된 유도성 요소(인덕터로 예시되어 있음)(302)를 포함한다. 용량성 요소(304)는 연결(306)을 통해 접지에 연결된다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)는 용량성 요소(커패시터로 예시되어 있음)(308) 및 병렬 연결된 유도성 요소(인덕터로 예시되어 있음)(312)를 포함한다. 유도성 요소(312)는 연결(314)을 통해 접지에 연결되어 있다.

유도성 요소(312)는 연결(262) 상의 신호에 -45°위상 천이를 적용하는 반면, 용량성 요소(308)는 연결(264) 상의 신호에 +45°위상 천이를 적용한다. 용량성 요소(308) 및 유도성 요소(302)는 연결(262) 상의 신호에 대해 임피던스 변환을 수행한다. 이와 유사하게, 유도성 요소(312) 및 용량성 요소(308)는 연결(264) 상의 신호에 대해 임피던스 변환을 수행한다. 예를 들어, 연결(262, 264) 상의 신호의 임피던스가 예를 들어 6-10 오옴인 경우, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)는 -45°위상 천이를 적용하면서 연결(262) 상의 임피던스를 예를 들어 20-25 오옴으로 변환한다. 이와 유사하게, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(276)는 +45°위상 천이를 적용하면서 연결(264) 상의 임피던스를 예를 들어 20-25 오옴으로 변환한다. 위상 천이 및 임피던스 변환은 동시에 또는 개별적으로 일어날 수 있다.

연결(316) 상의 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274)의 출력은 커패시터(320)에 공급된다. 커패시터(320)는 연결(316) 상의 신호로부터 직류(DC) 레벨을 차단한다. 연결(322, 318) 상의 신호는 이어서 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)에 공급된다. 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(272) 및 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288) 내의 요소들에 대한 구성요소 및 구성요소 값을 적절히 선택함으로써, 전력 증폭기(200)의 출력에서의 임피던스 부정합이 전력 증폭기(200)의 출력에 분리기를 필요로 하지 않고 보상될 수 있다.

전력 증폭기와 안테나의 출력 간의 임피던스 부정합이 있을 때, 한쪽 경로(예를 들어 경로 1)에서 임피던스 변환은 스미스 차트(Smith chart) 상에서의 유도성 회전을 가져오고 다른 쪽 경로(예를 들어, 경로 2)에서 임피던스 변환은 스미스 차트 상에서 용량성 회전을 가져온다. 스미스 차트는 RF 회로 성능 파라미터를 디스플레이하는 데 사용되는 원형 형태로 제공되는 복소수 계산 도표의 그래픽 표현이다. 이질적인 회전의 결과 한쪽 경로는 전력 증폭기(256, 258)의 출력에 저 임피던스를 제공하고, 다른 쪽 경로는 전력 증폭기(256, 258)의 출력에 고 임피던스를 제공하게 된다. 어느 경로가 유도성 회전을 제공하고 어느 경로가 용량성 회전을 제공하는지의 결정은 본 발명의 원리에 따라 임의적이다. 다른 상황들이 가능하지만, 이 경우 전력 증폭기(256, 258)의 특성으로 인해, 저 임피던스를 갖는 경로는 양호한 성능을 가지며, 따라서 양호한 ACPR(adjacent channel power rejection)을 갖는다. 고 임피던스를 갖는 경로는 열악한 성능을 가지며 따라서 열악한 ACPR을 갖는다. 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)에 의한 2개의 경로로부터의 신호의 결합의 결과, 고 임피던스(따라서 비교적 열아가한 ACPR 성능)를 갖는 경로의 ACPR 성능과 저 임피던스(따라서 비교적 양호한 ACPR 성능)를 갖는 경로의 ACPR 성능 사이에 있는 ACPR 성능이 얻어지며, 이 결과 유리한 전체적인 ACPR 시스템 성능이 얻어진다.

이와 같이, 전력 증폭기는 전력 증폭기(200)의 출력(162)에서의 부하의 변동에 그다지 영향을 받지 않는다.

이 실시예에서, 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)는 저항(324), 한쌍의 인덕터(326, 328), 및 연결(334)을 통해 접지에 연결된 커패시터(332)를 포함한다. 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)는 저항(324), 인덕터(326, 328) 및 커패시터(332)의 그 적절한 선택에서 추가의 임피던스 변환을 수행하고 이 예에서 연결(322, 318) 상의 신호의 임피던스를 약 20-25 오옴에서 연결(162) 상의 50 오옴으로 변환한다. 연결(162) 상의 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소(288)의 출력은 도 2의 전력 증폭기(200)의 RF 출력이다.

위상 천이 요소(218, 222) 및 위상 천이 및 임피던스 변환 요소(274, 276)에 대한 대체 구현은 유도성(L) 및 용량성(C) 구성요소를 사용하는 하나 이상의 고차 집중 정수 요소 회로망(high order lumped element network)을 포함한다. 이러한 구현은 증가된 대역폭 및 구성요소 제조 허용오차 변동에 대한 감소된 민감성을 제공할 수 있다. 다른 대체 구현은 위상 천이 요소(218, 222) 대신에 및/또는 그에 부가하여 직렬 또는 병렬 조합으로 콤팩트한 전송로를 사용한다. 이들 대체 구현은 또한 전술한 바와 같이 증폭 경로들 간에 90°순 위상차를 제공한다. 게다가, 상기한 개별 구성요소들 모두는 다층 모듈(202) 상에 집적되거나 매립될 수 있다.

위상 천이 및 임피던스 변환 요소 및/또는 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소 RF 출력(162)에 일반적으로 존재하는 분리기의 제거를 가능하게 해준다. 따라서, 전력 증폭기(200)가 여전히 연결(162) 상의 부하[즉, 연결(162) 상의 임피던스]의 변동에 그다지 영향을 받지 않으면서도 전력 증폭기(200)의 크기 및 단가가 상당히 감소될 수 있다.

본 발명의 여러가지 실시예들이 기술되어 있지만, 본 발명의 범위 내에 속하는 많은 추가의 실시예 및 구현예가 가능함을 당업자에게는 자명할 것이다. 예를 들어, 위상 천이 및 임피던스 변환 요소 및/또는 전력 결합기 및 임피던스 변환 요소는 PDA 무선 네트워킹 구현, 기지국, 및 기타의 무선 모바일 통신 응용에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그의 등가물에 의하지 않고는 제한되지 않는다.

Claims

복수의 증폭 경로,

각각의 증폭 경로의 입력에 있는 제1 위상 천이 요소,

각각의 증폭 경로의 출력에 있는 제2 위상 천이 요소,

상기 제2 위상 천이 요소와 연관된 임피던스 변환 요소, 및

각각의 증폭 경로의 출력을 단일의 출력으로 합성하도록 구성된 전력 결합기를 포함하는 전력 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 위상 천이 요소는 상기 제2 위상 천이 요소에 의해 적용되는 위상 천이와 실질적으로 반대인 위상 천이를 적용하는 것인 전력 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 각각의 증폭 경로와 연관된 상기 제2 위상 천이 요소는 단일의 장치로 결합되는 것인 전력 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 신호의 위상 및 임피던스를 실질적으로 동시에 변경하는 것인 전력 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 신호의 위상 및 임피던스를 개별적으로 변경하는 것인 전력 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 상기 복수의 증폭 경로와 동일한 모듈 상에 위치하는 것인 전력 증폭기.
제6항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 유도성(L) 및 용량성(C) 회로를 포함하는 것인 전력 증폭기.
제1항에 있어서, 임피던스 부정합 조건 하에서, 한쪽 증폭 경로는 고 임피던스를 가지며 상대쪽 증폭 경로는 저 임피던스를 갖는 것인 전력 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 전력 결합기는 부가의 임피던스 변환 요소를 더 포함하는 것인 전력 증폭기.
휴대용 통신 송수신기로서,

복수의 증폭 경로를 갖는 평형 전력 증폭기,

각각의 증폭 경로의 입력에 있는 제1 위상 천이 요소,

각각의 증폭 경로의 출력에 있는 제2 위상 천이 요소,

상기 제2 위상 천이 요소와 연관된 임피던스 변환 요소, 및

각각의 증폭 경로의 출력을 단일의 출력으로 합성하도록 구성된 전력 결합기를 포함하는 송수신기.
제10항에 있어서, 상기 제1 위상 천이 요소는 상기 제2 위상 천이 요소에 의해 적용되는 위상 천이와 실질적으로 반대인 위상 천이를 적용하는 것인 송수신기.
제10항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 각각의 증폭 경로와 연관된 상기 제2 위상 천이 요소는 단일의 장치로 결합되는 것인 송수신기.
제12항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 신호의 위상 및 임피던스를 실질적으로 동시에 변경하는 것인 송수신기.
제12항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 신호의 위상 및 임피던스를 개별적으로 변경하는 것인 송수신기.
제12항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 상기 복수의 증폭 경로와 동일한 모듈 상에 위치하는 것인 송수신기.
제15항에 있어서, 상기 임피던스 변환 요소 및 상기 제2 위상 천이 요소는 유도성(L) 및 용량성(C) 회로를 포함하는 것인 송수신기.
제10항에 있어서, 임피던스 부정합 조건 하에서, 한쪽 증폭 경로는 고 임피던스를 가지며 상대쪽 증폭 경로는 저 임피던스를 갖는 것인 송수신기.
제10항에 있어서, 상기 전력 결합기는 부가의 임피던스 변환 요소를 더 포함하는 것인 송수신기.
전력 증폭기의 임피던스를 변경하는 방법으로서,

복수의 증폭 경로를 제공하는 단계,

상기 증폭 경로들 각각에 신호를 공급하는 단계,

각각의 증폭 경로에 공급되는 신호의 위상을 변경하는 단계,

각각의 증폭 경로의 출력에서의 상기 신호의 위상을 실질적으로 반대로 변경하는 단계,

상기 신호의 임피던스를 변환하는 단계, 및

상기 증폭 경로들 각각으로부터의 신호를 단일의 출력으로 합성하는 단계를 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 신호의 위상 및 임피던스를 실질적으로 동시에 변경하는 단계를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 복수의 증폭 경로가 위치하는 동일한 모듈 상에서 상기 변환 및 상기 위상 천이를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 신호의 위상 및 임피던스를 개별적으로 변경하는 단계를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 임피던스 부정합 조건 하에서, 한쪽 증폭 경로는 고 임피던스를 가지며 상대쪽 증폭 경로는 저 임피던스를 갖는 것인 방법.
제19항에 있어서, 전력 결합기가 상기 신호에 대해 부가의 임피던스 변환을 수행하는 것인 방법.