KR100357619B1 - 이동 통신단말기의 출력전력 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 통신단말기의 고주파 전력증폭의 바이어스 전압/전류를 제어하여 효율적으로 전력을 증폭하여 파워소모를 최소화하는 기술에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 실시 예에 따른 전원 절약장치가, 고주파 전력증폭기와, 소정제어를 받아 상기 고주파 전력증폭기의 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 가변하는 전원장치들과, 수신신호 세기에 따라 출력레벨을 결정하고, 상기 결정된 출력레벨에 따라 상기 전원장치들을 제어하는 제어부로 구성된다.

Description

이동 통신단말기의 출력전력 제어장치 및 방법

본 발명은 이동 통신단말기에 관한 것으로, 특히 이동 통신단말기의 고주파 전력증폭의 바이어스 전압/전류를 제어하여 파워소모를 최소화하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

이하 종래 기술에 따른 이동 통신단말기의 전력 증폭기 구조를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다.

이동 통신단말기에서 전력 증폭기는 시스템의 선형특성과 전력소모에 큰 비중을 차지한다. 이때 전력증폭기는 RF(Radio Frequency) 출력이 최대일 때 전력효율과 선형성(linear)을 고려하여 설계한다. 일반적으로 전력 증폭기는 최대 효율과선형성을 동시에 만족시키기 위하여 AB 급으로 설계하고, 이에 따라 각단의 임피던스 정합과 바이어스 상태가 결정된다. 하지만 이동 통신단말기는 항상 최대 출력에서 구동되는 것이 아니라 기지국과의 거리에 따라 그리고 사용자의 이동 속도에 따라 송신 출력은 가변하게 된다. 즉, 기지국 사이의 거리가 가까울 경우에는 상대적으로 송신출력이 감소하게 되며, 사용자가 셀 반경 내에서 가장 먼 곳으로 이동하였을 때나 이동 속도가 증가할 경우에는 증폭기의 최대 출력에 가까운 RF 출력을 송신하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 이동 통신단말기에 최대 출력에 바이어스가 고정된 전력증폭기를 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 증폭기101 및 102는 입력되는 바이어스 전압 및 바이어스 전류로 입력 라디오 주파수 신호를 증폭하여 출력한다. 여기서 상기 바이어스 전압 및 바이어스 전류는 고정된 값이다. 전원공급부 103은 상기 증폭기 101 및 102에 고정된 바이어스 전압을 인가한다. 전류제어부 104는 상기 증폭기 101 및 102에 고정된 바이어스 전류를 인가한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 전력증폭기는 고정된 바이어스 전압 및 바이어스 전류에 따라 동작하게 된다. 이럴 경우, 도 6에서와 같이 전력 증폭기의 바이어스 전압과 전류가 RF 최대 출력으로 고정되어 있을 때, 출력이 작을 경우 전력증폭기의 전력 효율(P.A.E; Power Added Efficiency), 즉 상기 전력증폭기의 송신 교류(AC) 전력 대 직류(DC) 전력의 비는 크게 감소한다. 이는 최대 출력레벨 근처에서는 AB 급으로 작동하던 바이어스 상태가 출력레벨이 감소하면서 사실상 A 급으로작동하기 때문에 결과적으로 필요이상의 DC 전력을 소모하게 된다. 이런 문제를 해결하기 위하여 제안된 방법 중 하나가 병렬 혹은 직렬로 연결된 전력 증폭기를 스위칭하여 저출력 상태와 고출력 상태에서 증폭기를 선택적으로 작동시키는 방법이다.

도 2는 병렬로 연결된 증폭기를 출력레벨에 따라 스위칭하는 방법을 나타낸다.

상기 도 2를 참조하면, 수신전계강도 검출부(RSSI; Received Signal Strength Intensity) 206은 기지국(도시하지 않음)으로부터 수신되는 신호 세기를 검출하여 제어부 205로 통보한다. 제어부 205는 상기 수신전계강도 검출부 206의 출력에 따라 해당 증폭기를 동작시키기 위해 스위치201 및 207을 제어하고, 또한 해당 증폭기에 해당 전원이 공급되도록 전원공급부 208을 제어한다. 상기 스위치 201 및 207은 상기 제어부 205의 제어 하에 입력 라디오 주파수 신호를 증폭기 202 및 203 또는 증폭기 204로 출력되도록 스위칭한다. 상기 전원공급부 208을 상기 제어부 205의 제어 하에 증폭기 202 및 203 또는 증폭기 204에 고정전압을 공급하거나 차단한다. 상기 증폭기 202, 203 및 204는 입력 라디오 주파수 신호를 증폭하여 출력한다.

상기한 구성으로 이루어진 전력증폭기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 수신전계강도 검출부(RSSI) 206에서 수신 신호의 세기를 검출한다. 상기 검출된 수신신호의 세기가 일정 레벨 이상이면 제어부 205는 입력 라디오 주파수 신호가 작은 출력레벨의 증폭기 204를 통하여 증폭되어 출력 라디오주파수단(RFout)으로 출력되도록 스위치 201과 207을 제어한다. 동시에 가변 전원 전압 Va1은 0 Volt 되도록 제어한다. 반대로 검출된 수신신호의 세기가 일정레벨이하이면, 상기 제어부 205는 입력 라디오 주파수 신호가 출력레벨이 큰 증폭기 202, 203을 통하여 증폭되어 출력 라디오 주파수단(RFout)으로 출력되도록 스위치 201과 207을 제어한다. 동시에 가변 전원전압 Va2는 0 Volt가 되도록 제어한다. 즉, 작은 출력레벨의 경우 작은 DC 전력을 소비하는 증폭기를 사용하여 큰 DC 전력을 필요로 하는 증폭기의 전원전력소모를 차단함으로써 증폭기의 전력소모를 줄이는 방법을 제시한다. 직렬로 연결된 증폭기를 스위칭 하는 방법 역시 유사한 개념이므로 상세한 설명은 생략키로 한다. 원리는 다음과 같다. 작은 출력레벨 에서는 직렬로 연결된 증폭기의 출력단증폭기에 공급되는 바이어스전원을 차단함으로서 DC 전력 소모를 줄이는 방법이다. 이때 라디오 주파수 신호는 초단에서 증폭한 후 출력단증폭기에서 스위칭하여 출력 라디오 주파수단(RFout)으로 바이패스 된다.

그러나 상기와 같은 스위칭 방법은 다음과 같은 문제로 어려움이 있다.

첫째, 병렬로 연결한 전력증폭기는 부가적으로 증폭기가 요구됨으로 인해 가격과 부피가 증가하는 문제점이 있다. 또한 고정된 전압/전류 바이어스를 제공하므로 증폭기의 효율을 최적화 할 수 없다.

둘째, 상기한 방법은 2가지 이상의 출력레벨에서는 회로의 복잡성에 의하여 구현이 어렵고, 일정 범위 내에서 효율을 증가시킬 수는 있으나 최적화 하는데는 어려움이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 이동 통신단말기에서 각 송신 출력에 따라 바이어스 전류와 전압을 제어하여 단말기의 전력 소모를 최소화 할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 이동 통신단말장치의 전원 절약장치가, 고주파 전력증폭기와, 소정제어를 받아 상기 고주파 전력증폭기의 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 가변하는 전원장치들과, 수신신호 세기에 따라 출력레벨을 결정하고, 상기 결정된 출력레벨에 따라 상기 전원장치들을 제어하는 제어부로 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 이동 통신단말기에서 최대 출력에 바이어스가 고정된 전력증폭기를 도시한 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 이동 통신단말기에서 전력 증폭기 2개를 병렬로 연결하여 출력 레벨에 따라 스위칭하는 방식을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신단말기에서 출력 레벨에 따라 최대 효율을 얻기 위해 바이어스를 연속적으로 제어하는 방식을 도시한 도면.

도 4는 상기 도 3의 구성 중 전력증폭기의 상세 구성을 도시한 도면.

도 5는 결정된 전력증폭기의 출력레벨에 따라 최대 효율을 위한 바이어스 전압(Vc)과 바이어스 전류(Vbias_cntl)를 그래프화한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 가변 바이어스 제어 방식과 기존의 고정 바이어스 방식을 사용할 경우의 출력레벨에 따른 전력효율(P. A. E)을 각각 그래프화한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 가변 바이어스 제어방식과 기존의 고정 바이어스 방식을 사용할 경우의 출력레벨에 따른 선형특성(ACPR)을 각각 그래프화한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 가변 바이어스 제어방식을 사용할 경우 전력증폭기 출력전력에 따른 전력이득 특성을 그래프화한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참고부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일 부호를 가지도록 하였다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

종래 기술과 같이 직렬 혹은 병렬로 전력증폭기를 연결하여 출력레벨에 따라 스위칭할 경우 2레벨 이상의 전력제어는 사실상 회로 구성상 문제가 된다. 뿐만 아니라 소비전력 개선은 현실적으로 몇 가지 상태의 전력 레벨에서만 이루어질 수 있다. 따라서 효율개선이 이루어지는 출력전력 레벨이 한정되어 있어 전력소모를 최적화 하였다고는 할 수는 없다.

반면 출력전력 레벨이 변화하는 전 영역에 따라 연속적으로 선형성을 만족하는 범위 내에서 최소 공급해야하는 직류 바이어스 전력을 가변할 수 있다면 직류전력 소비는 보다 최소화 할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 전력증폭기의 특성을 정확히 알아야 하며 이에 따른 적절한 제어 방식을 고안해야 한다.

따라서, 상기한 요구를 충족시키기 위한 방법으로 효율을 최대화하는 바이어스 전압과 바이어스 전류를 가변 시킬 수 있다면 스위칭이 필요 없이 전체 전력소비의 효율을 최적화할 수 있다. 일반적으로 트랜지스터의 S파라메터는 바이어스 변화에 크게 민감하게 변하지 않는다. 이는 변화하는 바이어스 상태에서 최대 출력과 선형성을 위한 정합 임피던스는 크게 변화하지 않음을 의미한다. 본 발명은 전력증폭기의 측정결과에 근거한 특성에 따른 DC 전력 최소화를 위한 제어방식에 관한 것이며, 출력레벨에 따라 전력증폭기에 공급되는 바이어스 전압과 전류를 제어하는 방법을 제시한다.

따라서, 본 발명의 특징에 따라 도 3에 도시한 제어부 304는 사용되는 전력 증폭기 302 및 303의 DC 전력 소모를 최소화하기 위하여 별도의 메모리를 구비한다. 이때, 상기 메모리는 검출되는 수신호의 신호세기들 각각에 대응하여 최적의 출력 레벨을 가지는 송신신호를 얻기 위해 요구되는 바이어스 전압 제어값들과 바이어스 전류 제어값들 및 자동이득증폭기의 자동이득 제어값들을 저장하다. 또한, 각각의 신호세기에 대해 저장된 상기 바이어스 전압 제어값들과 바이어스 전류 제어값들 및 자동이득 제어값들은 실험으로 검증된 값들을 사용한다. 한편, 상기 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값 및 자동이득 제어값은 일 예로서 전압 값으로 표시될 수 있으며, 그 일 예를 그래프 형태로 도시하면 도 5에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신단말기에서 출력 레벨에 따라 최대 효율을 얻기 위해 바이어스를 연속적으로 제어하는 전력제어장치를 도시한 도면으로, 이를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도면상에 도시되지 않은 안테나는 기지국으로부터 송신된 신호를 수신하거나 전력 증폭된 출력고주파신호(송신신호)를 상기 기지국으로 송신한다. 수신전계강도 검출부 305는 기지국으로부터 수신되는 신호세기를 검출하여 제어부 304로 통보한다. 상기 제어부 304는 상기 수신전계강도 검출부 305로부터 통보되는 신호세기에 의해 내부 메모리에 저장된 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값 및 자동이득 제어값을 독출하여 각 구성 요소들로 공급한다. 다시 말해, 최종 출력단(RFout)의 전력 레벨은 상기 바이어스 전압 제어값과 상기 바이어스 전류 제어값에 의해 제어되는 상기 전력 증폭기 302 및 303의 전력 이득과 상기 자동이득 제어값에 의해 제어되는 자동이득증폭기 307의 전력 이득에 의해 결정된다고 할 수 있다. 따라서, 상기 바이어스 전압 제이값과 상기 바이어스 전류 제어값은 상기 전력증폭기 302 및 303에서 요구되는 최적의 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 조절하기 위한 제어값으로 사용된다. 그리고, 상기 자동이득제어값은 상기 최종 출력단(RFout)에서 요구되는 전력 레벨을 얻기 위한 상기 자동이득증폭기 307의 전력 이득을 제어하기 위한 제어값이다. 이때, 상기 자동이득제어값은 상기 바이어스전압 제어값과 상기 바이어스 전류 제어값에 의해 변화되는 전력증폭기 302 및 303의 전력 이득을 고려하여 정하여져야 한다. 한편, 상기 제어부 304는 앞에서 개시한 제어값들을 전압값의 형태로 사용하고자 하는 경우에는 상기 제어부 304의 제어에 의해 전압값을 발생하는 구성을 내부 구성 또는 추가 구성으로 구비하여야 할 것이다. 또한, 상기 제어부 304는 MSM(mobile station modem)에 포함되거나 별도의 ASIC회로를 사용하여 구성 할 수 있다. 가변 전원공급부 301은 상기 제어부 304로 부터 공급되는 바이어스 전압 제어값에 의해 제어되어 상기 전력증폭기 302 및 303의 전력 소모 효율이 최대화될 수 있는 바이어스 전압을 상기 전력증폭기 302와 303으로 공급한다. 상기 자동이득증폭기 307은 상기 제어부 304로부터 공급되는 자동이득 제어값에 의해 제어되어 입력 중간주파수 신호(IFin)를 이득 조정하여 주파수변환기 309로 공급한다. 국부발진기 308은 반송파를 발생하여 상기 주파수변환기 309로 공급한다. 상기 주파수변환기 309는 상기 자동이득증폭기 307로부터 공급되는 신호와 상기 국부발진기 308로부터 공급되는 반송파를 곱하여 상향조정된 무선 주파수신호를 출력한다. 구동증폭기 310은 상기 주파수변환기 309로부터 공급되는 무선주파수신호를 일정 레벨로 증폭하여 출력한다. 상기 전력증폭기 302 및 303은 상기 구동증폭기 310으로부터 공급되는 무선주파수신호를 상기 가변 전원공급부 301로부터 공급되는 바이어스 전압과 상기 제어부 304로부터 공급되는 바이어스 전류 제어값에 의해 결정되는 바이어스 전류로 증폭시켜 최적의 출력 레벨을 가지는 송신신호(출력고주파신호)를 얻게 된다. 상기 최적의 출력 레벨을 가지는 송신신호를 얻을 수 있는 것은 앞에서도 개시한 바와 같이 메모리에 최적화 실험치로 저장된 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 통해 상기 전력증폭기 302 및 303의 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 제어하기 때문이다. 한편, 상기 바이어스 전류 제어값에 의해 바이어스 전류가 제어되도록 하는 것은 동일 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 기술임에 따라 구체적인 구성은 언급하지 않는다.

따라서, 상술한 바에서도 개시하고 있는 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구성은 검출된 수신신호의 신호세기에 대응한 적절한 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 통해 상기 전력증폭기 302와 303의 전력 사용 효율을 최적화할 수 있도록 하는 구성과, 상기 구성으로 인해 발생할 수 있는 이득 오차를 보상하기 위해 상기 수신신호의 신호세기에 대응한 적절한 자동이득 제어값에 의해 자동이득증폭기 307의 이득을 제어하는 구성으로 도시되고 있다.

여기서 상기 전력증폭기 302 및 303의 상세 구성은 도 4에 나타나 있다.

상기 도 4를 참조하면, 라디오 주파수 입력단(RFin)은 직렬 연결된 캐패시터 C1과 입력단 정합회로 401을 통해 제1트랜지스터(TR1) 베이스단에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C1은 입력신호를 커플링하고, 상기 입력단 정합회로 401은 상기 입력단(Rfin)과 상기 제1트랜지스터 사이의 임피던스를 정합한다. 바이어스 전류 제어전압단(Vbias_cntl)은 직렬 연결된 인덕턴스 L1과 저항 R1을 통해 제1트랜지스터 베이스단에 연결되고, 캐패시터 C2는 상기 바이어스 전류 제어전압단과 접지단 사이에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C2는 전원잡음제거, 인덕턴스 L1는 RF쵸크 소자이고, 상기 저항 R1은 전류 제한 소자이다. 전압 바이어스 제어접압단(Vc)은 인덕턴스 L2를 통해 상기 제1트랜지스터의 콜렉터단에 연결되고, 캐패시터 C3은 상기 전압 바이어스 제어전압단과 접지단 사이에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C3은 전원잡음제거, 인덕턴스 L2는 RF쵸크 소자이다. 상기 제1트랜지스터의 에미터단은 접지단에 연결되고, 콜렉터단은 직렬 연결된 캐패시터 C4와 중간단 정합회로 402를 통해 제2트랜지스터(TR2) 베이스단에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C4는 상기 제1트랜지스터의 출력신호를 커플링하고, 상기 중간단 정합회로 402는 상기 제1트랜지스터(TR1)의 출력단과 상기 제2트랜지스터(TR2)의 입력단 사이에 임피던스를 매칭한다. 바이어스 전류 제어전압단(Vbias_cntl)은 직렬 연결된 인덕턴스L4와 저항 R2를 통해 제2트랜지스터 베이스단에 연결되고, 캐패시터 C5는 상기 바이어스 전류 제어전압단과 접지단 사이에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C5는 전원 잡음제거, 인덕턴스 L4는 RF쵸크 소자이고, 상기 저항 R2는 전류 제한 소자이다. 전압 바이어스 제어접압단(Vc)은 인덕턴스 L4를 통해 상기 제2트랜지스터의 콜렉터단에 연결되고, 캐패시터 C6은 상기 전압 바이어스 제어전압단과 접지단 사이에 연결된다. 여기서 상기 캐패시터 C6은 전원잡음제거, 인덕턴스 L5는 RF쵸크 소자이다. 상기 제2트랜지스터의 에미터단은 접지단에 연결되고, 콜렉터단은 직렬 연결된 출력단정합회로 403과 캐패시터 C7을 통해 라디오 주파수 출력단(RFout)에 연결된다. 여기서 상기 출력단 정합회로 403은 상기 제2트랜지스터와 출력단 사이의 임피던스를 매칭하고, 상기 캐패시터 C7은 상기 출력단 정합회로 403의 출력신호를 커플링한다.

상기한 도 4에서는 가변 전원공급부 301로부터 출력되는 바이어스 전압은 상기 전력증폭기 302 및 303를 구성하는 제1트랜지스터 TR1과 제2트랜지스터 TR2의각 콜렉터단(도면상에서는 도시하고 있지 않으나 FET를 사용하는 경우에는 드레인단)으로 공급되도록 구성하고 있다. 그리고, 바이어스 전류 제어값 Vbias_cntl은 직접 제어부 304에서 아날로그 신호로 베이스단(도면상에는 도시하고 있지 않으나 FET를 사용하는 경우에는 게이트단)에 공급된다. 하지만 상기 바이어스 전류 제어 전압 Vbias_cntl은 상기 제어부 304가 상기 가변 전원공급부 301을 제어하여 해당 바이어스 전압을 베이스(혹은 게이트)단자에 연결할 수도 있다.(그럼에는 도시되지 않았음).

이하 상기 도 3 및 도 4를 참조하여 출력 레벨에 따라 바이어스를 연속적으로 제어하는 전력제어장치의 동작을 살펴본다.

먼저, 기지국으로부터 송신된 신호는 안테나(도면상에 도시하지 않음)를 통해 수신되어 수신전계강도 검출부 305로 공급된다. 상기 수신전계강도 검출부(RSSI 검출부) 305는 상기 안테나를 통해 수신된 수신 신호의 신호세기를 검출하여 제어부 304로 통보한다. 그러면 상기 제어부 304는 상기 검출된 신호세기에 대응하여 최대 효율을 얻을 수 있는 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 내부에 구비된 메모리로부터 독출한다.

한편, 상기 독출한 바이어스 전압 제어값은 가변 전원공급부 301로 공급되도록 하여 상기 가변 전원공급부 301에 의해 발생되는 바이어스 전압이 상기 독출한 바이어스 전류 제어값과 함께 전력증폭기 302, 303으로 공급되도록 한다. 즉, 도 5 와 같은 바이어스(바이어스 전류 제어값 및 바이어스 전압)가 전력증폭기 302, 303에 인가되도록 제어신호(바이어스 전류 제어값, 바이어스 전압 제어값)를 가변 전원공급부 301 및 베이스 바이어스 제어단자 306으로 출력한다. 한편, 여기서 상기 바이어스 전압은 콜렉터 전압 제어신호로 제어되어 상기 가변 전원공급부 301에서 직접 콜렉터단에 가해지며, 바이어스 전류는 베이스에 인가되는 바이어스 전류 제어값(Vbias_cntl)의 전압에 따라 증폭기를 구성하는 트랜지스터에 흐르는 전류를 변화시킴으로서 제어된다.

이때 출력 레벨에 따른 바이어스 전압 및 바이어스 전류 제어에 관한 도 5의 정보는 제어부 304의 메모리에 데이터로 내장되어있거나 함수로서 프로그램 되어있다. 즉, 상기 도 5는 상기 수신전계강도 검출부 305에 의해 검출된 신호세기들에 의해 요구되는 송신신호(출력고주파신호, Pout)들의 송신 전력들과 상기 송신신호들의 송신 전력들에 따른 최대 효율을 얻을 수 있는 바이어스 전압 제어값들과 바이어스 전류 제어값들의 관계를 그래프 형태로 나타내고 있다. 이때, 상기 도 5에서 도시하고 있는 상기 검출된 신호세기들에 의해 요구되는 송신신호들의 송신 전력들을 결정하는 것은 이미 단말기에 적용되고 있는 기술이다. 따라서, 본 발명에서 구현하고 있는 상기 바이어스 전압 제어값들과 상기 바이어스 전류 제어값들은 상기 결정된 송신 전력을 최대 효율을 가지고 얻기 위해 요구되는 제어값들을 의미한다. 다시 말하면, 상기 바이어스 전압 제어값들과 상기 바이어스 전류 제어값들은 상기 수신신호의 신호세기에 의해 최대 효율을 얻을 수 있도록 결정된다고 할 수 있으며, 이는 앞에서도 개시한 바와 같이 제어부 304 내부에 구비된 메모리에서 관리된다.

한편, 상술한 동작에 의해 전력증폭 302, 303이 제어됨에 따라 변화될 수 있는 이득을 보상하기 위한 동작이 요구된다. 따라서, 상기 전력증폭기 302, 303의 이득변화를 보상하기 위해 상기 제어부 304는 자동이득증폭기 307로 해당 제어전압(자동이득 제어값)을 출력한다. 이때, 출력되는 자동이득 제어값 또한 상기 제어부 304 내부에 구비된 메모리로부터 상기 검출된 신호세기에 의해 독출된다.

상기 전력증폭기 302, 302의 출력레벨에 따른 이득변화를 보상하기 위하여 상기 제어부 304에 내장 되어있는 자동이득 제어값에 관한 정보에는 도 8의 특성을 고려하여 메모리에 데이터 혹은 함수로서 프로그램 되어 추가된다. 즉, 앞에서 개시한 바와 같이 송신신호의 전력 레벨에 따라 최대 효율을 얻기 위해 바이어스 전류와 바이어스 전압을 감소시킴으로서 발생되는 전력증폭기 302, 303의 이득을 자동이득증폭기 307에서 보상하게 된다. 예를 들어 송신신호의 전력 레벨이 20dBm에서 10dBm으로 변하였을 경우 이득은 20dBm에서 16dBm으로 4dBm 정도 감소하게 된다. 이는 도 8에 도시하고 있는 바에 의해 알 수 있다. 이때, 상기 자동이득증폭기 307의 입력 레벨이 -10dBm으로 고정되고, 주파수변화기 309의 이득이 0dBm이라고 가정하는 경우 상기 자동이득증폭기 307의 이득은 10dBm(20dBm 전력증폭기 출력 레벨 기준)에서 4dBm으로 감소하여야 한다. 한편, 이에 따른 자동이득증폭기 307의 제어신호 값(자동이득 제어값)을 메모리에 저장하여야 한다. 이와 같은 방식으로 전체 전력증폭기 302, 303의 출력 레벨에 따른 자동이득증폭기 307의 자동이득 제어값을 결정하여 상기 메모리의 자동이득 제어값으로 저장하게 된다.

따라서, 상기 자동이득증폭기 307은 상기 제어부 304로부터 인가되는 자동이득 제어값에 따라 입력 중간주파수(IF) 신호를 이득 조정하여 출력한다. 그리고 주파수변환기 309는 상기 자동이득증폭기 307의 출력 신호를 국부발진기308에서 제공하는 반송파와 곱하여 주파수를 상향조정하여 고주파신호로 출력한다. 구동증폭기 310은 상기 상향 주파수 조정된 고주파신호(무선주파수신호)를 전력증폭기 302의 입력단(RFin)에서 원하는 레벨로 증폭시켜 출력한다. 그러면 상기 전력증폭기 302 및 303은 상기 가변 전원공급부 301에서 콜렉터단(또는 드레인단)에 인가되는 바이어스 전압 및 상기 제어부 304에서 베이스단(또는 게이트단)으로 인가되는 바이어스 전류 제어값에 의해 제어된 바이어스 전류에 따라 상기 고주파신호(무선주파수신호)를 원하는 출력레벨로 증폭시켜 출력 무선주파수단(RFout)으로 출력한다. 상기 무선주파수단(RFout)으로 출력되는 무선주파수신호는 도면상에서 도시하고 있지 않는 안테나를 통해 기지국으로 송신된다.

여기서 상기의 방식으로 전력증폭기 302, 303의 바이어스를 제어할 경우와 기존의 최대출력 바이어스를 고정하였을 경우를 비교하여 출력레벨에 따른 전력 효율(P.A.E) 및 ACPR(Adjacent Channel Power Rejection)(Band Power/Adjacent Channel Power)의 측정치를 그래프로 도시해보면 도 6 및 도 7과 같다.

상기 도 6을 참조하면, 출력레벨이 0dBm 이하 일 때 전력효율(P.A.E)은 10배 정도의 개선효과를, 0dBm 이상 10dBm 이하일 때는 8배에서 6배, 그리고 10dBm 이상 20dBm미만일 때는 4배에서 2배정도 개선 효과를 나타낸다. 아울러 도 7을 참조하건대 ACPR는 큰 변화를 나타내고 있지 않음을 알 수 있다.

또한, 출력 전력에 따른 전력이득의 상관관계는 도 8에 도시되어 있다.

상기 도 8을 참조하면, 최소 출력레벨에서는 이득이 4dB이고, 최대 출력레벨에서는 이득이 23dB이며, 그 사이에서는 점차적으로 출력레벨에 비례하여 증가 및 감소를 한다. 이는 기존 이동 통신단말기에서 사용되었던 일정한 이득을 갖는 증폭기의 특성과는 다르다. 이러한 증폭기의 이득특성은 별도로 도 3의 제어부 304에서 자동이득증폭기(AGC amp) 307의 이득을 제어함으로서 보상한다. 즉, 전력증폭기의 이득이 감소하는 만큼 AGC의 이득을 증가시켜 입력 중간주파수 신호에 따른 자동이득증폭기 307의 출력레벨이 증가시키며, 이 증폭된 중간주파수 신호는 상향 주파수 변환기 309와 구동증폭기 310을 통하여 원하는 출력레벨에 해당하는 라디오 주파수(RF) 신호로 만들어져 전력증폭기의 입력단(RFin)으로 공급된다.

즉, 상술한 바와 같이 본 발명은 이동 통신단말기에서 전력증폭기의 출력레벨에 따라 바이어스를 제어하여 전력증폭기 고유의 선형성을 유지하면서 DC 소비전력을 최소화하는 장치로 하기와 같은 조건으로 동작한다.

첫째, 전력증폭기의 원래 선형특성(예를 들어, ACPR: Adjacent Channel Power Rejection. IMD3: 3rd order Inter-modulation Distortion)을 유지한다.

둘째, 급작스런 바이어스 전류와 전압의 변화를 지양한다. 가능한 한 전류제어 신호(Vbias_cntl)와 구동전압(Vc)이 출력 레벨에 따라 선형적으로 변화하여 바이어스 전류와 전압이 점차적으로 완만하게 변화되는 범위에서 바이어스를 선택한다. 이는 출력레벨 변화에 따른 전압 전류의 제어를 간단하고 신뢰성 있게 한다. 만약 급작스런 바이어스 전압 및 전류의 변화가 있을 경우 이러한 바이어스의 과도기 상태에서 전력증폭기의 오 동작을 초래할 수 있다.

셋째, 상기한 두 조건을 만족하는 상태에서 전력효율(P.A.E)을 최대로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 이동 통신단말기의 전력증폭기를 사용함에 있어, 상기 전력증폭기를 바이어스 전압과 바이어스 전류가 낮은 출력레벨에서도 선형성을 유지하며 효율이 개선되도록 제어하여 배터리의 소모전력을 절약함과 동시에 배터리 재충전 없이 단말기를 사용할 수 있는 시간을 연장할 수 있다.

Claims (12)

1. 기지국으로부터 수신된 신호의 신호세기를 검출하는 수신전계강도 검출부와, 상기 수신전계강도 검출부에서 검출된 신호에 따라 입력 고주파신호를 전력 증폭하는 전력증폭기와, 상기 전력증폭기에서 전력 증폭된 출력고주파신호를 안테나를 통해 송신하고, 상기 안테나를 통하여 기지국으로부터의 신호를 수신하는 이동통신단말장치에 있어서,

   제어회로를 구비하고, 상기 제어회로는 출력 고주파 신호를 얻기 위해 수신된 신호의 신호세기들에 대응하며, 상기 전력증폭기의 동작효율을 최대화하는 바이어스 전압 제어값들과 바이어스 전류 제어값들을 저장하고 있는 메모리를 구비하고, 상기 제어회로는 상기 검출된 상기 신호세기에 응답하여 이에 대응하는 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 독출하며, 상기 독출된 바이어스 전압 제어값과 상기 독출된 바이어스 전류 제어값을 상기 전력증폭기로 공급함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 메모리가,

   상기 출력고주파신호들을 얻기 위해 자동이득증폭기의 이득을 제어하기 위한 자동이득 제어값들을 수신된 신호의 세기들에 대응하여 저장하고 있음을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 독출된 바이어스 전압 제어값에 의해 바이어스 전압을 가변시켜 상기 전력증폭기의 바이어스 전압으로 공급하는 가변 전원공급부를 더 구비함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 바이어스 전압 제어값 및 상기 바이어스 전류 제어값과 상기 자동이득 제어값은 소정 레벨을 가지는 전압값임을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
5. 기지국으로부터 수신된 신호의 신호세기를 검출하는 수신전계강도 검출부와, 상기 수신전계강도 검출부에서 검출된 신호에 따라 자동이득 제어값에 응답하여 입력신호를 증폭하는 자동이득증폭기와, 상기 자동이득증폭기로부터의 상기 증폭된 신호를 고주파신호로 변환하는 주파수변환기와, 상기 주파수변환기로부터의 상기 고주파신호를 전력 증폭하여 송신신호를 발생하는 전력증폭기와, 상기 전력증폭기로부터의 상기 송신신호를 송신하는 안테나를 구비하고, 상기 안테나를 통하여 기지국으로부터 송신된 신호를 수신하는 이동통신단말장치에 있어서,

   제어회로를 구비하고, 상기 제어회로는 출력고주파신호들을 얻기 위한 자동 이득 제어값들과, 상기 전력 증폭기의 동작 효율을 최대화하는 바이어스 전압 제어 값들 및 바이어스 전류 제어값들을 수신된 신호의 신호세기들에 대응하여 저장하고 있는 메모리를 구비하고, 상기 제어회로는 상기 검출된 상기 신호세기에 응답하여 이에 대응하는 자동이득 제어값과 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 독출하며, 상기 독출된 자동이득 제어값을 상기 자동이득증폭기로 공급하고, 상기 독출된 바이어스 전압 제어값과 상기 독출된 바이어스 전류 제어값을 상기 전력증폭기로 공급함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 독출된 바이어스 전압 제어값에 의해 바이어스 전압을 가변시켜 상기 전력증폭기의 바이어스 전압으로 공급하는 가변 전원공급부를 더 구비함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 바이어스 전압 제어값 및 상기 바이어스 전류 제어값과 상기 자동이득 제어값은 소정 레벨을 가지는 전압값임을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어장치.
8. 신호의 세기들에 대응하여 전력 증폭기의 동작효율을 최대화하는 바이어스 전압 제어값들과 바이어스 전류 제어값들을 저장하고 있는 메모리와, 입력 고주파 신호를 전력 증폭하는 상기 전력증폭기와, 상기 전력증폭기에서 전력 증폭된 출력 고주파신호를 안테나를 통해 송신하고, 상기 안테나를 통하여 기지국으로부터의 신호를 수신하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어방법에 있어서,

   상기 기지국으로부터 수신된 신호의 신호세기를 검출하는 신호세기 검출과정과,

   상기 검출된 상기 신호세기에 응답하여 이에 대응하는 바이어스 전압 제어값과 바이어스 전류 제어값을 상기 메모리로부터 독출하는 제어값 독출과정과,

   상기 독출된 바이어스 전압 제어값과 상기 독출된 바이어스 전류 제어값을 상기 전력증폭기로 공급하는 제어과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 이동통신단말 장치의 출력전력 제어방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 메모리에 자동이득증폭기의 이득을 제어하기 위한 자동이득 제어값들을 신호의 세기들에 대응하여 추가 저장하고, 상기 검출된 상기 신호세기에 응답하여 이에 대응하는 자동이득 제어값을 상기 메모리로부터 독출하여 상기 자동이득증폭기로 공급하는 이득 보상과정을 더 구비함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 독출된 바이어스 전압 제어값에 의해 바이어스 전압을 가변시켜 상기 전력증폭기의 바이어스 전압으로 공급하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 이동 통신단말장치의 출력전력 제어방법.
11. 신호세기들에 대응하여 증폭도를 결정하는 자동이득 제어값들과, 전력 증폭기 동작의 동작 효율을 최대화하는 바이어스 전압 제어값들 및 바이어스 전류 제어 값들을 저장하고 있는 메모리와, 상기 자동이득 제어값에 응답하여 입력신호를 증폭하는 자동이득증폭기와, 상기 자동이득증폭기로부터의 상기 증폭된 신호를 고주파신호로 변환하는 주파수변환기와, 상기 주파수변환기로부터의 상기 고주파신호를 전력 증폭하여 송신신호를 발생하는 전력증폭기와, 상기 전력증폭기로부터의 상기 송신신호를 송신하는 안테나를 구비하고, 상기 안테나를 통하여 기지국으로부터 송신된 신호를 수신하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어방법에 있어서,

    상기 기지국으로부터 수신된 신호의 신호세기를 검출하는 신호세기 검출과정과,

    상기 검출된 상기 신호세기에 응답하여 이에 대응하는 바이어스 전압 제어값 및 바이어스 전류 제어값과 자동이득 제어값을 상기 메모리로부터 독출하는 제어값 독출과정과,

    상기 독출된 바이어스 전압 제어값과 상기 독출된 바이어스 전류 제어값을 상기 전력증폭기로 공급하는 제어과정과,

    상기 자동이득 제어값을 상기 자동이득증폭기로 공급하는 이득 보상과정으로이루어짐을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 독출된 바이어스 전압 제어값에 의해 바이어스 전압을 가변시켜 상기 전력증폭기의 바이어스 전압으로 공급하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 이동통신단말장치의 출력전력 제어방법.