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스펙트럼으로 그룹화된 나노 크기의 스위치들을 가진 ＲＦ 전력 증폭기{RF POWER AMPLIFIER WITH SPECTRALLY GROUPED NANOSIZED SWITCHES}
본 발명은 무선 주파수(=RF) 전력 증폭기에 관한 것이다. 델타 시그마 변조기들에 기초한 스위칭 모드 RF 전력 증폭기들은, 예를 들면 2000년 6월 8일, M. Iwamoto 등의 Electronics Letters, Vol. 36, No. 12, 1010-1012 페이지로부터 알려져 있다.
제 3 세대("3G") 및 이후의 무선 통신 시스템들은 높은 피크 대 평균 비들을 특징으로 하는 RF(무선 주파수) 출력 신호들을 산출하는 변조 포맷들을 사용한다.이러한 신호들의 증폭은 특히, 단연 에너지의 가장 큰 몫이 소멸되는 상기 RF 전력 증폭기의 마지막 단계를 위한 전력 효율성 및 전송기 라인 업에 대한 선형성에 대한 높은 요건들을 부과한다. 소위 스위칭된 증폭기들은 높은 선형성을 따르는, 100%의 이론적 전력 효율성을 갖는다. 스위칭된 증폭기는 상기에서 본 바와 같이, 예를 들면 M. Iwamato로부터 알려져 있다. M. Iwamato는 대역통과 델타-시그마 변조기(bandpass delta-sigma modulator; BPDSM)가 트랜지스터 기반 스위칭 증폭기로 공급되는 고속 펄스 시퀀스를 생성하는, 1-비트 A/D(아날로그-디지털) 변환을 행하는 클래스 S 증폭기를 개시한다. 스위칭 증폭기의 출력 신호는 재구성 목적들을 위한 대역통과 필터로 공급된다. 그러나, 상기 스위칭된 증폭기 개념의 물리적 실현은 예로서 상기 트랜지스터 기반 스위칭 디바이스들 및 상기 재구성 필터의 기생들에 의해 야기되는 손실들 및 신호 왜곡을 수반한다. 예들은 상기 스위칭 전계 효과 트랜지스터의 기생 게이트 커패시턴스 및 비-제로 온-저항, 구성요소들 간의 디바이스 미스매치, 및 필터 손실들이다. 부가적으로, 상기 효율성은 델타-시그마 변조기들의 사용의 경우에 제한된 코딩 효율성으로 인해 종종 감소된다. 상기 재구성 필터를 위해, 특히 BPDSM 기반 클래스-S 증폭기의 경우에, 상기 저지 대역들에서의 도전적인 종료 요건들 및 또한 상기 전송 대역에서의 낮은 삽입 손실은 양호한 클래스-S 성능을 달성하기 위해 보장되어야 한다. 트랜지스터 기반 스위칭 디바이스를 나노-스위치들의 어레이로 교체하여, 그에 따라 원래 아날로그 신호들의 증폭을 위한 디바이스로서 설계된, 트랜지스터의 아날로그 특성에 의해 야기되는 단점들을 회피하도록 제안되어 왔다. 이러한 어레이의 나노-스위치들은 대역통과 델타-시그마 변조기의 고속 펄스 시퀀스와 동일하게 스위칭된다. 그러나, 왜곡들 및 손실들을 초래하는 재구성 필터가 여전히 필요하며, 코딩 효율성은 상기 BPDSM에 의해 여전히 제한된다.
본 발명의 목적은 특히 높은 RF 주파수들에서 높은 효율성 및 높은 선형성을 제공하는 RF 전력 증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 무선 주파수(=RF) 전력 증폭기에 의해, 이러한 목적이 달성되며, 상기 RF 전력 증폭기는, - 복수의 나노-크기의 결합 소자들을 포함하는 결합 어레이(coupling array)로서, 상기 결합 소자들은 수 N의 서브-어레이들로 그룹화되고, 각각의 서브-어레이는, ?특정 공진 주파수, 및 ?그것의 결합 소자들의 기계적 자기-발진의 특정 감쇠를 나타내며, 상기 각각의 서브 어레이의 상기 결합 소자들에 대해, 기계적 자기-발진을 자극하기 위한 자극 수단이 존재하는, 상기 결합 어레이, 및 - 증폭될 RF 신호의 스펙트럼 성분들, 즉 상기 특정 공진 주파수들에 대응하는 상기 주파수들에서의 진폭들 및 위상들의 평가에 기초하여 신호 처리 유닛에 의해 산출된 펄스 형태 및 타이밍을 가진 자극 펄스들로 상기 자극 수단을 제어하기 위한, 상기 신호 처리 유닛을 포함한다. 본 발명의 기본적인 아이디어로서, 상기 RF 출력 신호는 그것들의 공진 주파수 각각에서 기계적 발진기들로서 동작하는, 나노-크기의 결합 소자들에 의해 생성된 그것의 주파수 성분들을 구성함으로써 생성된다. 여기될 때, 각각의 결합 소자는 그것의 공진 주파수로 발진하고, 발진 동안 그것의 결합의 변화를 통해, 대응하는 주파수 성분이 외부 인가된 공급 전압(전력을 제공하는)을 변조함으로써 생성될 수 있다. 이것은 고유 주파수-상향 변환을 초래한다. 본 발명의 결합 어레이들에서의 나노-크기의 결합 소자들의 자기-공진의 이용은 고효율 RF 증폭기의 실현을 위한 완전히 상이하고 파괴적인 방식을 허용한다: 상기 출력 신호는 나노-크기의 결합 소자들("스위치들")의 상기 제어된 트리거된 자기 발진들에 의해 생성되는 스펙트럼 신호 성분들의 결합에 의해 생성된다. 이들 결합 소자들은 그것들의 결합 소자들의 특정 물리적 파라미터들(기하학적 크기, 재료, 서스펜션(suspension))에 의해 특성화되는, 다수의 서브-어레이들로 그룹화되며, 여기에서 상기 물리적 파라미터들은 잘 정의된 주파수에서의 자기 공진 및 감쇠를 정의한다. 동일한 서브-어레이의 모든 결합 소자들은 제조 허용 오차의 제한들 내에서, 동일한 공진 주파수 및 동일한 감쇠를 갖는다. 이러한 개념은 특히 상기 디지털-아날로그 변환기(대역통과 델타-시그마 변조기와 같은) 및 상기 상향-변환 모듈을 생략함으로써 현재 이용가능한 전송기 아키텍처를 극복하도록 허용한다. 본 발명은 스위칭된 증폭기의 이득들, 즉 높은 효율성, 디지털 제어, 광대역 동작, 및 단편화된 주파수 대역들의 효율적인 병렬 동작을, 아날로그 증폭기들의 이득들, 즉, 단순화 또는 심지어 그것의 비-관념성들 및 매칭 손실들을 갖는 재구성 필터의 회피와 결합한다. 본 발명에 의해, 외부 재구성 필터는 스위칭된 전력 증폭기에서 그것의 관련된 매칭 회로와 함께 단순화되거나 또는 심지어 회피될 수 있다. 상기 클래스 S 스위칭된 증폭기와 상이하게, 본 발명의 디바이스는 시그마 델타 또는 비교할 만한 변조를 수반하지 않는다. 이것은 100% 코딩 효율성을 특징으로 한다. 이에 의해, 그것은 선형성을 유지하면서 전송기 라인업의 개선된 에너지 효율성에 기여한다. 부가적으로, 서브-어레이들의 수를 증가시킴으로써, 지원된 신호 대역폭은 클 수 있으며, 특히 디지털-아날로그 변환기에 의해 제한되지 않는다. 일반적으로, 각각의 결합 소자는 제 1 모바일 부분 및 상기 제 1 모바일 부분이 기계적으로 발진(진동)할 수 있는 대향하는 제 2 부분을 포함한다. 상기 제 2 대향 부분은 또한 모바일일 수 있다는 것을 주의해야 한다. 상기 두 개의 부분들의 거리 또는 중첩은 상기 결합 소자의 결합의 정도를 결정하며, 이것은 상기 결합 소자의 기계적 자기 발진 동안 변한다. 통상적으로, 결합 소자의 비-발진 상태(홈 상태)에서, 상기 결합은 낮다(및 바람직하게는 실질적으로 제로이다). 바람직하게는, 상기 결합 소자들은 상기 결합 소자의 상기 두 개의 부분들이 그것들의 결합이 최대에 있는 밀 결합 상태에서조차 공간 분리를 유지하며, 따라서 마모(wear)를 감소시키도록 설계된다. 상기 결합은 통상적으로 전자 방출 또는 터널링 효과에 기초하며; 이것은 상기 결합 소자의 상기 부분들의 거리 또는 중첩과의 결합의 연속적인 의존성을 초래한다. 본 발명에 따르면, 단일 결합 소자는 통상적으로 1㎛ 이하의 최대 크기를 가진다. 결합 소자의 모바일 부분은 통상적으로 800 nm 이하의 최대 크기를 가진다. 결합 소자의 크기들은 또한 상기 결합 소자 또는 그것의 모바일 부분을 만드는 재료에 대하여 선택된다. 일반적으로, 고 전력 RF 출력 신호를 생성할 수 있도록, 서브-어레이 당 수백 또는 수천의 결합 소자들이 존재한다는 것을 주의해야 한다. 통상적으로, 각각의 결합 소자는 압전 코팅과 같은 별개의 자극 수단을 가지지만, (예로서, 상기 자극 수단이 상기 결합 소자들의 공통 서스펜션에서 동작할 때) 동일한 서브-어레이의 복수의 결합 소자들을 위한 공통 자극 수단을 갖는 것이 또한 가능하다. 본 발명의 RF 전력 증폭기는, 예로서, 이동 통신 네트워크들, 특히 이동 전화 네트워크들의 기지국들에서의 전송기 장치의 일부로서 사용될 수 있다. 본 발명은 BTS 및 사용자 단말기 장비에서의 무선 전송기들, 방어 시스템들, 소비자 전자기기들, 및 소프트웨어-정의된-무선 및 인지 무선 애플리케이션들을 위해 특별히 사용될 수 있다. 본 발명의 RF 전력 증폭기의 매우 바람직한 실시예에서, 상기 RF 전력 증폭기는 N 개의 자극 임펄스 생성기들을 포함하며, 각각의 자극 임펄스 생성기는 서브-어레이의 상기 자극 수단을 제어하고, 상기 자극 임펄스 생성기들은 신호 처리 유닛에 의해 제어된다. 임펄스 생성기는 상기 신호 처리 유닛의 자극 펄스를 증폭하고 및/또는 상기 연결된 서브-어레이의 자극 수단의 요구들에 그것을 적응시킬 수 있다. 상기 임펄스 생성기들은 예를 들면 피에조 구동기들로서 실현될 수 있다. 추가적인 바람직한 실시예에서, 상기 전력 증폭기는 상기 신호 처리 유닛에 의해 상기 결합 어레이의 RF 출력 신호를 분석하기 위한 피드백 루프를 포함한다. 상기 피드백 루프에 의해, 상기 자극 펄스들의 타이밍 및 형상은 증폭될 신호의 정확한 (증폭된) 재구성을 얻도록 최적화될 수 있다. 매우 바람직한 실시예에서, 상기 자극 수단은 압전 소자, 특히 결합 소자 또는 결합 소자의 일부에서의 압전 코팅을 포함한다. 상기 압전 소자를 갖고, 제어 전압 펄스가 단순한 수단에 의해 기계적 자극으로 변환될 수 있다. 본 발명에 따르면, 압전 코팅은 제 1 리드(reed)와 같이, 결합 소자의 제 1 부분의 평면 편면 코팅일 수 있으며, 여기에서 인가된 전압은 상기 결합 소자의 상기 제 1 부분이 그것의 상부 측 코팅이 압전으로 축소(전기변형)되는 경우에 예를 들면, 상향으로 굽혀지도록 한다. 상기 기계적 자극 후, 상기 결합 소자는 그것의 공진 주파수로 자유롭게 발진(스윙)한다. 2개 부분들의 거리에 의존하는, 제 2 리드와 같은 상기 결합 소자의 대향하는 제 2 부분으로의 제 1 부분의 결합은, 자기 발진 동안 변화하며 그에 따라 상기 공진 주파수의 주파수 성분을 갖는 신호를 생성하도록 허용한다. 바람직한 실시예는 결합 소자가 두 개의 병렬의, 대향하고 부분적으로 중첩하는 리드들을 포함한다는 것을 제공한다. 리드들은 단순한 발진기들이며, 이것의 공진 주파수는 산출하기 쉽다. 특히, 나노-크기의 리드들은 비용-효율적인 리소그래픽 프로세스들에 의해 생성될 수 있다. 이 실시예의 바람직한 추가적 개발에 있어서, 상기 두 개의 리드들은 밀결합 상태에서조차 공간 분리를 유지하도록 설계된다. 이것은 마모를 감소시킨다. 또한 다른 유형들의 결합 소자들을 위해, 무접촉 밀 결합을 갖는 것이 바람직하다는 것을 주의해야 한다. 또 다른 실시예에서, 결합 소자는 결합 표면에 대향하여 배열된 멤브레인(membrane)을 포함하며, 여기에서 기계적 자기 발진 동안, 상기 멤브레인 및 상기 결합 표면 간의 거리는 달라진다. 상기 멤브레인 및 상기 결합 표면은 전자 방출 표면 및 수신기 표면(또는 반대로)으로서 동작할 수 있다. 멤브레인에 의해, 보다 큰 중첩 영역들이 실현될 수 있으며, 이는 보다 높은 신호 전력 생성을 허용한다. 상기 멤브레인 재료는 상기 원하는 공진 주파수에 대하여 적절하게 선택되어야 한다는 것을 주의해야 한다. 또한, 일 실시예에서, 결합 소자는, - 토션 유닛(torsion unit)의 둘레의 일부만을 커버하는 제 1 결합 표면을 갖는, 상기 토션 유닛, 및 - 상기 토션 유닛을 적어도 부분적으로 하우징하는 재킷으로서, 상기 재킷은 상기 재킷의 내부 둘레의 일부만을 커버하는 제 2 결합 표면을 포함하는, 상기 재킷을 포함한다. 상기 결합 표면들은 각각 전자 방출 또는 수신기 표면들로서 동작한다. 상기 토션 유닛의 홈 상태에서, 상기 결합은 통상적으로 낮다. 상기 토션 유닛은 상기 토션 유닛의 일 단부를 갖는 상기 재킷에 대하여 회전하여 스윙할 수 있는 반면, 상기 대향 단부는 여전히 고정되어 있다. 토션 유닛 및 재킷에 의해, 낮은 결합 상태(예로서, 상기 홈 상태) 및 높은 결합 상태 간의 결합의 정도는 특히 강하게 변경될 수 있다. 본 발명의 RF 전력 증폭기의 유리한 실시예에서, 동일한 서브-어레이 내의 상기 결합 소자들은 동일한 물리적 크기 및 특성들을 가지며, 그에 따라 동일한 기계적 공진 주파수를 특징으로 한다. 각각의 서브-어레이 내에서 동등하게 설계된 결합 소자들을 선택함으로써, 상기 설계는 특히 단순할 수 있으며, 뚜렷한 공진들이 실현될 수 있다. 상기 결합 소자들의 동일한 설계는 또한 상기 기계적 자기-발진들의 동일한 감쇠를 초래한다는 것을 주의해야 한다. 전기통신 시스템에서, 특히 이동 통신 네트워크의 기지국에서 본 발명의 RF 전력 증폭기의 사용이 또한 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명의 RF 전력 증폭기는 특히 이동 전화기에서 사용될 수 있다. 단편화된 트랜시버 아키텍처에서 본 발명의 RF 전력 증폭기의 사용이 또한 유리하다. 상기 단편화된 트랜시버 아키텍처는 특히 전기통신 시스템 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 상기 단편화된 트랜시버 아키텍처에서, 몇몇 RF 전력 증폭기들이 그 자신의 주파수 간격을 처리하는 각각의 RF 전력 증폭기와 동시에 사용된다. 상기 서브-어레이들은 특정 주파수들에 대해 이미 전문화되었기 때문에, 상이한 주파수 대역들에 전용되는 본 발명의 전력 증폭기들의 협력이 특히 단순하고 효율적이다. 또한 RF 신호를 증폭하기 위한 방법이 본 발명의 범위 내에 있으며, 상기 방법은, - 증폭될 상기 RF 신호의 상기 스펙트럼 성분들, 즉 상이한 주파수들에서의 상기 진폭들 및 상기 위상들을 분석하는 단계, - 공급 전압, 특히 dc 공급 전압을 복수의 나노-크기의 결합 소자들을 포함하는 결합 어레이에 인가하는 단계로서, 상기 결합 소자들은 N 개의 서브-어레이들로 그룹화되며, 각각의 서브 어레이는, ?증폭될 상기 RF 신호의 주파수 성분에 대응하는 특정 공진 주파수, 및 ?그것의 결합 소자들의 기계적 자기 발진의 특정 감쇠를 나타내는, 상기 인가 단계, - 증폭될 상기 RF 신호의 상기 스펙트럼 성분들에 의존하여 상기 서브-어레이들의 상기 결합 소자들의 기계적 자기-발진들을 자극하는 단계를 포함한다. 상기 결합 어레이는 본 발명에 따른 상술된 유형일 수 있다. 본 발명의 방법으로, RF 신호들의 증폭은 높은 효율성 및 높은 선형성을 갖고 행해질 수 있다. 상기 방법은 증폭된 RF 신호의 주파수 성분들을 생성하기 위한 나노-크기의 결합 소자들의 자기-공진들을 이용한다. 본 발명의 바람직한 변형에 있어서, 상기 기계적 자기-발진들은 또한 상기 결합 어레이의 RF 출력 신호에 의존하여 자극된다. 따라서, 상기 (증폭된) RF 신호의 재구성에서의 보다 양호한 정밀성이 달성될 수 있다. 상기 증폭 이득은 자극되는 각각의 서브-어레이의 결합 소자들의 단편에 의해 조정되는 변형이 또한 바람직하다. 이러한 변형으로, 본 발명의 증폭 방법의 증폭 이득은 설정하기에 간단하다. 또한, 상기 증폭 이득의 설정은 매우 선형적이며 효율적이다. 통상적으로, 증폭될 상기 RF 입력 신호의 전력은 일정하다. 이러한 변형을 위해, 각각의 결합 소자 또는 적어도 동일한 서브 어레이의 결합 소자들의 그룹들은 개별적으로 제어가능한 자극 수단을 갖춘다는 것을 주의해야 한다. 추가 이점들이 상기 설명 및 첨부된 도면으로부터 추출될 수 있다. 상기 및 이하에 언급된 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 전체적으로 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 언급된 상기 실시예들은 철저한 열거로서 이해되기보다는 오히려 본 발명의 설명에 대한 대표적인 특성을 갖는다.
본 발명의 RF 전력 증폭기는, 특히 높은 RF 주파수들에서 높은 효율성 및 높은 선형성을 제공한다.
도 1a는 스위칭 리드들에 기초한 결합 소자들을 갖는 본 발명의 RF 전력 증폭기의 결합 어레이를 개략적으로 도시하는 도면.
도 1b는 홈 상태에서 도 1a의 결합 소자를 도시한 도면.
도 1c는 증가된 결합의 편향된 상태에서 도 1a의 결합 소자를 도시한 도면.
도 2는 전송기 장치에 통합되고 도 1a에 도시된 것에 비교가능한 결합 어레이에 기초하는 본 발명의 RF 전력 증폭기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 압전 코팅을 갖는, 도 1a의 실시예의 스위칭 리드를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 멤브레인에 기초하여, 본 발명의 RF 전력 증폭기를 위한 결합 소자를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 토션 소자 및 재킷에 기초하여 본 발명의 RF 전력 증폭기를 위한 결합 소자를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명이 도면에 도시된다. 도 1a는 본 발명의 RF 전력 증폭기를 위한 결합 어레이(1)를 개략적인 투시도로 도시한다. 상기 결합 어레이(1)는 여기에서 각각이 제 1 스위칭 리드(3a) 및 제 2 스위칭 리드(3b)를 갖고, 분리되어 배열되고 서로에 대향하지만, 그것들의 자유 단부들의 영역에서 몇몇 중첩을 갖는 복수의 나노-크기의 결합 소자들(2)을 포함한다(보다 상세함을 위해 도 1b 및 도 1c를 참조). 다른 리드(3a, 3b)로부터 빗나가는 상기 리드들(3a, 3b)의 단부들은 각각 서스펜션(4a, 4b)에 고정되며; 여기에서 상기 결합 어레이(1)의 각각의 개별적인 일 측의 모든 리드들(3a, 3b)을 위한 공통 서스펜션들(4a, 4b)이 사용된다. 상기 리드들(3a, 3b)은 그것들의 최단 크기에 수직으로, 즉 도 1에서 아래 위로 그것의 자유 단부들을 갖고 발진할 수 있다. 상기 결합 소자들(2)은 서브-어레이들(SA 1 내지 SA 4 )로 그룹화된다. 도 1a의 개략도에서, 각각의 서브-어레이(SA 1 내지 SA 4 )가 3개의 결합 소자들(2)을 갖는 4개의 서브-어레이들(SA 1 내지 SA 4 )이 단순함을 위해 도시되지만; 실제적 구현들에 있어서, 훨씬 더 많은 서브-어레이들(통상적으로 수천 이상) 및 훨씬 더 많은 서브-어레이 당 결합 소자들(통상적으로 수천)이 존재한다. N 개의 서브-어레이들 및 서브-어레이 당 결합 소자들(2)의 수는 요구된 대역폭, 상기 요구된 주파수 분해능, 상기 요구된 신호 출력 전력 및 상기 결합 접촉들의 전기적 특성들에 의존한다. 각각의 서브-어레이(SA 1 내지 SA 4 ) 내에서, 상기 결합 소자들(2)은 동일한 물리적 크기들 및 특성들을 가지며, 그러므로 (제조 허용 오차 내에서) 동일한 공진 주파수(f 1 내지 f 4 ) 및 동일한 감쇠를 보여준다. 도시된 상기 예에서, 상기 리드들(3a, 3b)의 길이는 제 1(전면) 서브 어레이(SA 1 )에서 마지막 (후면) 서브-어레이(SA 4 )로 증가하여, 상기 결합 어레이(1)에 하프-형 설계를 제공한다. 결합 소자들("스위치들")의 각각의 서브-어레이(또는 그룹)는, (E = 영률(Young's modulus), ρ = 특정 질량, d = 리드의 두께, L = 리드의 길이, ω=2πf)에 의해 제공된 별개의 공진 주파수를 나타내고, 그것의 주파수 성분들(ω n , n=1...N)로부터의 원하는 RF 출력 신호를 구성하기 위해 복수의 N개의 서브-어레이들(단지 그 중 4개가 도 1a에 도시된다, 즉 SA 1 내지 SA 4 )이 존재하며, 여기서 N은 증폭될 RF 입력 신호에서의 이산 주파수 성분 빈들의 수이다. 이러한 식으로, 상기 주파수 상향-변환이 고유하게 수행되며, 이는 상기 구조의 자기 발진 주파수들이 상기 RF 캐리어에서 중심에 있기 때문임을 주의해야 한다. 결합 소자(2)는 압전 변환을 통해 기계적 자극 임펄스로 변환되는, 초단파 전기 임펄스에 의해 자기 발진이 트리거될 수 있으며, 이는 상기 접촉 리드들의 적절한 피에조-활성 코팅에 의해 가능해진다(도 3 참조). 결합 소자(2)의 상기 리드들(3a, 3b)의 발진(도 1을 비교하면, 타원형 표시)이 도 1b 및 도 1c에 도시된다. 도 1b에서, 상기 리드들(3a, 3b)의 홈 상태(비편향된 상태)가 도시된다. 도시된 상기 예에서, 좌측 리드(3a)는 음극에 연결되며, 상기 우측 리드(3b)는 일정한 전압 공급원(도시되지 않음)의 양극에 연결된다. 상기 비편향된 상태에서, 상기 리드들(3a, 3b)은 비교적 큰 갭(G1)에 의해 분리되며, 따라서 상기 리드들(3a, 3b) 간의 전계 효과 강도는 비교적 낮다. 그 결과, 단지 리드(3a)에서 리드(3b)로의 낮은(및 실제로 무시해도 될 정도의) 전자 방출 전류만이 존재한다. 도 1b에서, 또한 대향하는(이웃하는) 리드에 대한 상당한 전자 터널링이 상기 주어진 전압에서 발생할 수 있는 상기 리드(3a) 주변의 영역(5a)이 표시되고 있다. 상기 리드(3b)는 상기 영역(5a) 외부에 있기 때문에, 또한 리드(3a)에서 리드(3b)로의 상당한 터널링 전류는 존재하지 않는다. 요약하면, 도 1b의 비편향된 상태에서, 단지 상기 리드들(3a, 3b)의 낮고 실제로 제로인 결합이 존재한다. 도 1c는 편향된 상태에서 상기 리드들(3a, 3b)을 도시하며, 여기서 상기 리드들(3a, 3b)은 그것들의 자유 단부들을 갖고 서로 접근하며(리드(3a)의 자유 단부는 아래쪽으로 구부러지고, 리드(3b)의 자유 단부는 위쪽으로 구부러진다); 이러한 접근된 상태는 상기 리드들의 각각의 자기 발진 동안 도달된다(여기에서 상기 리드들(3a, 3b)은 동일한 주파수에서 및 180°의 고정된 위상 시프트로 발진한다는 것을 주의하자). 나머지 갭(G2)은 G1과 비교하여 비교적 작으며, 통상적으로 대략 단지 수 나노미터들이다. 비교적 작은 갭(G2)에 따르면, 상기 리드들(3a, 3b) 간의 전계 강도는 증가된다. 그 결과, 도 1b의 비편향된 상태와 비교하여, 리드(3a)에서 리드(3b)로의 증가된 전자 방출 전류가 존재한다. 상기 전자 방출 전류를 증가시키기 위해, 상기 리드들(3a 및/또는 3b)은 낮은 또는 음의 전자 친화도의 재료(예로서, 다이아몬드)로부터 만들어지거나 또는 그것으로 코팅될 수 있다. 또한, 상당한 전자 터널링이 리드(3a)로부터 대향하는 리드로 발생할 수 있는 리드(3a) 주변의 영역(5b)은 상기 리드(3b)를 향해 아래쪽으로 구부러져서, 리드(3b)의 자유 단부가 이제 상기 영역(5b) 내에 있도록 하며; 그러므로 상당한 터널링 전류가 리드(3a)로부터 리드(3b)로 흐를 것이다. 요약하면, 도 1c의 편향된 상태에서, 상기 리드들(3a, 3b) 사이에 양호한 결합이 존재하며, 그에 따라 각각 공급된 전압 및 대응하는 전류를 위한 두 개의 리드들(3a, 3b) 사이에 양호한 전기 도전성이 존재한다. 도 2는 본 발명의 RF 전력 증폭기(20)의 전기적 셋업의 대표적인 실시예를 도시한다. 상기 RF 전력 증폭기(20)는 신호 처리 유닛(22)을 포함하며, 이것은 증폭될 RF 입력 신호의 스펙트럼 성분들(즉, 주파수들(f 1 ... f N ), 진폭들(c 1 ... c N ) 및 위상들(Φ 1 ... Φ N ))에 대한 정보(21)를 수신한다(본 발명에 따르면, 분석 유닛은 신호 처리 유닛에 직접 공급되는 증폭될 RF 입력 신호의 스펙트럼 성분들을 식별하는 상기 신호 처리 유닛에 통합된 분석 유닛을 갖는 것이 또한 가능하다). 이러한 정보(21)를 갖고, 상기 신호 처리 유닛(22)은 자극 펄스들을 위한 펄스 유형과 타이밍을 산출한다. 도시된 상기 예에서, 이러한 정보는 상기 결합 어레이(1)의 각각의 서브-어레이(SA 1 ... SA N )에 대한 하나의 자극 임펄스 생성기(IG 1 ...IG N )를 갖고 자극 임펄스 생성기들(IG 1 ... IG N )에 전송된다. 상기 자극 임펄스 생성기(IG n )는 상기 신호 처리 유닛(22)으로부터의 상기 펄스 유형과 타이밍 정보에 기초하여, 그것들의 개별적인 서브-어레이(SA n ) 각각에 대한 자극 펄스들을 생성한다. 상기 자극 펄스의 진폭은 상기 스펙트럼 성분의 전력을 결정하고 상기 타이밍은 그것의 위상을 결정한다. 상기 펄스 유형 및 타이밍의 산출은 기저대역 레벨, RF 출력 신호의 되돌려진 샘플(피드백 루프(23) 참조), 및 기준 클록(24)에 대한 스펙트럼 입력 정보에 기초한다. 상기 서브-어레이들(SA 1 ... SA N ) 내의 상기 결합 소자들의 공진 주파수들(f 1 ... f N )은 고정되며 상기 RF 입력 신호의 상기 분석된 스펙트럼 성분들의 주파수들에 대응한다. 도시된 상기 예에서, 상기 RF 출력 신호는 안테나 네트워크(25)로 공급된다. 공급 입력부(26)에 인가된 상기 공급 전압(전력), 여기에서 직류(dc) 공급 전압은 여기에 포함된 상기 결합 소자들의 상기 서브-어레이들(SA 1 -SA N ) 내의 상기 결합에 의존하여 저항에 마주하는, 상기 결합 어레이(1)를 통해 유도된다. 상기 서브-어레이들(SA 1 -SA N )은 전기적으로 병렬로 연결된다. 일 예로서, 본 발명의 RF 전력 증폭기(20)는 1 MHz 및 50 MHz 사이의 분해 주파수 간격의 통상적인 폭을 갖고 1 kHz 및 50 kHz 사이의 동일한 스텝들로 주파수 분해능을 이용할 수 있다. 증폭될 상기 RF 입력 신호의 중심 주파수는 통상적으로 500 MHz 및 10 GHz 사이에 있다. 예를 들면, 50 kHz의 주파수 분해능 및 50 MHz의 폭을 갖고, 상기 결합 어레이(1)는 약 1000개의 서브 어레이들, 즉 N=1000을 포함한다. 도 3은 예로서, 도 1a에 도시된 리드(3a)의 층 구조(코팅 구조)를 개략적인 투시도로 도시한다. (도 1a에서의 서스펜션(4a)의 일부일 수 있는) 결합 접촉(31) 상에서, 상기 리드(3a)는 하나의 (좌측) 단부에 장착되며; 다른 하나의 (우측) 단부는 상기 결합기 접촉(31)으로부터 떨어져 자유롭게 연장한다. 상기 리드(3a)의 베이스 구조들은 여기에서 전자 방출(35)("방출층") 및 피에조활성층(또는 코팅)(32)을 지원하는 층(또는 코팅)이다. 상기 방출층(35)은 상기 방출층(35)을 전압 공급기(도시되지 않음)에 전기적으로 연결하고 다른 리드(예를 들면, 도 1b에 비교하여, 리드(3b))에 마주하도록 상기 결합기 접촉(31)에 직접 부착된다. 상기 방출층(35) 및 상기 피에조활성층(32)은 산화층과 같은 절연층(34a)에 의해 분리된다. 상기 피에조활성층(32)의 위에, 또 다른 절연층(34b) 및 금속화물(metallization)(37)이 존재한다. 상기 피에조활성층(32)은 제 1 피에조 접촉(33a)을 통해 그것의 좌측 (노출된) 단부에, 및 상부 절연층(34b)을 통해 도달하는 제 2 (윈도우) 접촉(33b)을 통해 그것의 우측 (커버된) 단부에서 전기적으로 접촉될 수 있다. 상기 제 2 (윈도우) 접촉(33b)은 외부 피에조 전압 공급기로의 직접적인 연결의 영역들, 즉 상기 제 1 접촉(33a) 및 상기 금속화물 접촉(36)이 리드 발진 동안 완전히 도달가능하고 편향에 노출되지 않도록 상기 금속화물(37)을 통해 상기 결합기 접촉(31)의 영역에서의 금속화물 접촉(36)에 전기적으로 연결된다. 상기 압전 코팅(32)을 가로질러 전압을 인가함으로써, 상기 압전 코팅(32)은 예로서, 축소될 수 있는 반면 상기 방출층(35)은 그것의 원래 길이인 채로 있으며, 이는 그것의 자유 우측 단부에서 상기 리드(3a)의 상향-구부러짐을 초래한다. 상기 전압 인가가 종료된 후, 상기 리드(3a)는 그것의 공진 주파수로 발진할 것이며, 이는 결합이 상기 공진 주파수에 따라 변화하게 한다. 상기 리드(3a)는 특히, 부가적인 층상에서의 코팅들로서 상기 방출층 및 상기 피에조활성층 둘 모두를 증착시키고 및/또는 상기 리드(3a)의 기계적 특성들(우세한 특정 질량을 통해 공진 주파수와 같은)을 보다 양호하게 제어하도록, 부가적인 층을 포함할 수 있다는 것을 주의해야 한다. 그것은 또한 상기 압전 다층 구조들이 단일 피에조활성층(32) 대신에 이용될 수 있다는 것이 주의될 것이다. 본 발명에 따르면, 여기에서 리드(3a)인 결합 소자의 공진 주파수는 통상적으로 GHz 범위에 있다는 것을 주의해야 한다. 도 4는 단순한 멤브레인-기반 결합 소자(41)를 도시한다. 상기 결합 소자(41)는 뻣뻣한 결합 표면(43)에 대향하여 배열된 멤브레인(42)을 포함한다(대안적으로 상기 결합 표면(43)은 또 다른 이동 가능한 멤브레인 상에서 실현될 수 있다는 것을 주의해야 한다). 상기 멤브레인(42)은 예로서, 상기 화살표들에 의해 표시된 방법으로, 상기 결합 표면(43)에 대한 그것의 공진으로 발진할 수 있다. 그 결과, 상기 결합 소자(41)를 통해 흐르는 전기적 전류(전기 접촉들(44a, 44b)을 참조)는 상기 멤브레인(42)의 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖고 발진할 것이다. 상기 자기 발진을 개시하기 위해, 상기 멤브레인(42)은 압전 코팅(도시되지 않음)을 갖는다. 도 5는 토션 유닛(52) 및 재킷(53)에 기초한, 추가 결합 소자(51)를 도시한다. 고정된 장착(54) 상에서, 상기 토션 유닛(52)(여기에서, 막대형 형상) 및 상기 토션 유닛(52)을 둘러싸는 상기 재킷(53)은 그것의 하위 단부들을 갖고 고정된다. 상기 토션 유닛(52), 또는 보다 상세하게는 그것의 상위 단부는 그것의 수직축(화살표들(55)을 참조) 주위에서 트위스팅(탄력적으로 회전)될 수 있다; 편향시, 상기 토션 유닛(52)은 그것의 공진 주파수에서 토션 발진을 보여줄 것이다. 토션 발진은 두-부분의 토션 추진력(드라이브)(56a, 56b)에 의해 트리거될 수 있다. 상기 토션 유닛(52)의 외부 표면상에서, 상기 토션 유닛의 둘레의 약 1/3을 커버하는, 제 1 결합 표면(57)이 존재한다. 또한, 상기 재킷(53)의 내부 표면상에서, 상기 내부 표면의 둘레의 약 1/10을 커버하는 제 2 결합 표면(58)이 존재한다. 상기 제 1 결합 표면(57) 및 상기 제 2 결합 표면(58)은 여기에서 대략 동일한 영역 크기를 가진다. 상기 결합 표면들(57, 58)은 전력 공급기 및 RF 신호 출력(접촉들(44a, 44b 참조))에 연결된다. 발진 동안, 상기 두 개의 결합 표면들(57, 58)은 그것들의 중첩(및 거리)을 변화시키며, 따라서 상기 결합은 상기 토션 발진의 공진 주파수에 따라 변화한다. 상기 제안된 발명은 최신 RF 전력 송신 아키텍처들과 대조하여, D/A 변환기 및 상향-변환 모듈을 더 이상 요구하지 않는 고효율 및 고선형 전력 증폭기를 실현한다. 게다가, 재구성 필터는 본 발명의 RF 전력 증폭기를 갖도록 요구되지 않는다. 큰 신호 대역폭이 서브-어레이들의 수를 간단히 증가시킴으로써 보다 쉽게 지원될 수 있다. 부가적으로, 단편화된 트랜시버 아키텍처(단편화된 주파수 대역들의 병렬 동작)는, 이것이 예로서 클래스-AB 동작에 기초한 종래의 광대역 증폭기들을 위해 적용되기 때문에, 효율성을 감소시키지 않고 실현가능해진다.
1 : 결합 어레이 2 : 결합 소자
3a : 제 1 스위칭 리드 3b : 제 2 스위칭 리드
4a, 4b : 서스펜션 20 : RF 전력 증폭기
21 : 정보 22 : 신호 처리 유닛
23 : 피드백 루프 24 : 기준 클록
25 : 안테나 네트워크 26 : 공급 입력부
31 : 결합 접촉 32 : 피에조활성층
33a : 제 1 피에조 접촉 33b : 제 2 (윈도우) 접촉
34a : 절연층 34b : 상부 절연층
35 : 방출층 36 : 금속화물 접촉
37 : 금속화물 41 : 결합 소자
42 : 멤브레인 43 : 결합 표면
44a, 44b : 전기 접촉 51 : 결합 소자
52 : 토션 유닛 53 : 재킷
54 : 고정 장착 56a, 56b : 토션 추진력
57, 58 : 결합 표면 |
