현대 이동 및 위성 통신 시스템의 핵심 부품인 전력증폭기는 오늘날 정보 통신량의 폭발적인 수요 확대에 따라 광범위하게 연구되고 응용되는 중요한 기법 중의 하나이다. 특히, 전력증폭기는 이동 및 위성통신 기지국, 중계기 및 단말기의 송신단 뿐만 아니라, 지상 마이크로파 무선 또는 유선통신 단국 및 중계국의 송신단, 지상 CATV 중계기 등 거의 대부분의 신호 증폭 시에 광범위하게 사용된다. W-CDMA, CDMA2000과 같은 3G ...
현대 이동 및 위성 통신 시스템의 핵심 부품인 전력증폭기는 오늘날 정보 통신량의 폭발적인 수요 확대에 따라 광범위하게 연구되고 응용되는 중요한 기법 중의 하나이다. 특히, 전력증폭기는 이동 및 위성통신 기지국, 중계기 및 단말기의 송신단 뿐만 아니라, 지상 마이크로파 무선 또는 유선통신 단국 및 중계국의 송신단, 지상 CATV 중계기 등 거의 대부분의 신호 증폭 시에 광범위하게 사용된다. W-CDMA, CDMA2000과 같은 3G 디지털 통신에 이용되는 전력증폭기들은 대부분 약 10 dB의 높은 피크전력 대 평균전력 비 (Peak-to-Average power Ratio: PAR 또는 Crest factor)가 요구되어 인접 채널에 간섭을 일으키는 상호변조 성분을 제한하거나, 선형화 방법을 통하여 상호변조 성분을 제거한다. 따라서 일반적으로 전력증폭기는 선형성 성능은 좋으나 효율 특성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 저 효율을 갖는 전력증폭기는 단말기 활용에 있어서 배터리 수명을 단축시켜 배터리 사이즈를 증가시킨다. 중계기나 기지국의 활용에 있어서는 전력증폭기를 통한 열손실의 증가로 부가적인 방열판과 냉각기의 사용이 필수적이며, 대용량의 AC/DC 와 DC/DC 전원 공급기를 필요로 하기 때문에 전기사용료 및 운영비가 증가하는 단점들을 가지고 있다. 이러한 두 가지 활용에 있어서 전력증폭기는 시스템의 전체적인 신뢰도를 저하시킨다. 일반적으로, 기지국용 전력증폭기는 피드포워드 선형 전력증폭기를 주로 사용하여 선형화 규격을 만족시키고 있으나 효율은 약 10 % 미만의 저 효율 특성을 가지고 있다. 피드포워드 선형 전력증폭기 내의 주 증폭기와 에러 증폭기는 대부분 Class AB급 고출력 LDMOS FET를 가지고 설계하여 효율 특성을 증가시키지만 원하는 back-off 출력전력에서의 효율 증가는 극히 미약하다. 전력증폭기의 back-off 출력전력에서 고 효율 특성을 얻기 위하여 과거부터 Envelope Elimination and Restoration (EER 또는 Kahn 방식), Envelope Tracking 및 Envelope Following, LInear amplification using Nonlinear Components (LINC), Doherty 기법 등의 효율 향상 연구들이 진행되어 왔다. EER기법은 입력 신호의 포락선을 검파하여 PWM신호로 변환한 후, 이를 전력증폭기의 바이어스로 재 인가하여 변조하는 방식이다. 이 기법은 넓은 입력 전력의 범위 동안 높은 효율 특성과 좋은 ACPR특성을 얻을 수 있으나 회로의 구성이 복잡하고, 특히 W-CDMA와 같은 광대역 시스템에 사용하기에 대역폭이 작다는 단점을 지니고 있다. Envelope Tracking 및 Envelope Following 기법은 각기 EER 기법의 복잡한 회로를 간단화하였고, 높은 스위칭 주파수를 요구하는 문제를 개선하였다. 그러나 아직까지5 MHz 미만의 좁은 대역폭 성능을 가지고 있어 W-CDMA와 같은 광대역 성능을 갖는 전력증폭기에 적용하기에는 어렵다. LINC 기법은 입력신호를 포락선과 위상 신호를 나누어 Class C급 증폭기로 증폭한 후, 출력단에서 다시 결합하는 방식이다. Class C, D 또는 E급 비선형 증폭기를 사용하기 때문에 전체적인 효율특성은 우수하나, 출력단 신호 결합 시 큰 손실 발생의 문제점을 가지고 있다. 따라서 출력단 신호 결합기의 주의 깊은 설계가 요구된다. 도허티 기법은 다른 기법에 비해 상대적으로 몇 가지 장점을 가지고 있다. 1) 간단한 RF 회로 구성도: EER 기법과 비교하여 부가적인 회로 및 복잡한 회로 구성이 요구되지 않고, 단지 순수한 RF 특성만으로 효율 개선이 가능하다. 2) 광대역 특성: EER 기법의 스위칭 주파수 문제와 LINC 기법의 출력단 결합기의 문제가 없기 때문에 W-CDMA와 같은 20 MHz 이상의 광대역 시스템에 적용 가능하다. 3) 선형화 기법과 용이한 접목: 피드포워드, RF/DSP 전치왜곡 및 포락선 피드백 등의 선형화 기법에 응용될 수 있다. 도허티 기법은 1936년 W. H. Doherty에 의하여 최초로 LF와 MF AM 전송기의 활용을 위한 진공 튜브에 적용하여 개발되었다. 1970년에는 V.M. Rozov에 의해 MF, HF와 UHF 대역AM 전송기 활용을 위해 Solid-State 형태로 제작되었다. 1987년에는 F. H. Raab에 의해 보다 높은 주파수 대역인 UHF와 마이크로웨이브 대역에서 사용 가능한 도허티 전력증폭기가 개발되었으며 상세한 동작 원리가 소개되었다. 이후 1990년대 후반 이동통신 시장의 급격한 성장에 따라 전력증폭기의 선형화뿐만 아니라 효율 향상 기법의 관심 대두로 도허티 전력증폭기 관련 연구들이 제안되어 왔다. 지금까지 대부분 도허티 기법에 관한 연구들은 사용 주파수 대역이 낮거나 단말기 활용을 위한 출력 전력1 W 미만의 경우가 대부분이다. 물론 중계기나 기지국 활용을 위한 고출력 도허티 전력증폭기에 관한 연구가 발표되었으나, 실제 기지국 시스템 활용을 위한 전력증폭기에 적용하기에는 낮은 출력 전력, 복잡한 회로 구성 및 사이즈가 큰 단점을 가지고 있다. 또한, 도허티 기법의 특징이라고 할 수 있는 효율의 최대점인 피킹점 (Peaking point)을 원하는 출력 전력 (6 dB back-off)에서 얻지 못하여 효율 개선량이 일반적인 Class AB와 비교하여 미비하다. 본 논문에서는 W-CDMA 기지국 활용을 위한 30 W고출력 도허티 전력증폭기에 관한 새로운 구조 및 원하는 출력전력에서 최적의 피킹점을 얻기 위한 방법들을 제안한다. 또한 제안된 고출력 도허티 전력증폭기를 피드포워드 선형화 기법과 결합하여 고효율 및 높은 선형성을 갖는 새로운 도허티 피드포워드 선형 전력증폭기 기법을 제시한다. 본 논문은 총 6장으로 구성된다. 제 1장 서론에 이어 제 2장에서는 효율 향상을 위한 다양한 기법을 비롯한 도허티 기법에 관한 이론을 설명하고, 제 3장에서는 피드포워드 선형 전력증폭기의 기본 이론 및 다양한 파라미터에 따른 효율 특성에 관한 분석한다. 제 4 장에서는 새로운 고출력 도허티 전력증폭기와 이러한 도허티 전력증폭기가 결합된 피드포워드 선형 전력증폭기의 설계 및 시뮬레이션 결과들을 보여주었다. 제 5장에서는 시뮬레이션 결과를 기초로 제작 및 측정한 결과를 보여 주고, 설계값과 측정값의 비교를 통하여 본 연구의 타당성 및 신뢰성을 검증한다. 마지막으로 제 6장에서는 고출력 도허티 전력증폭기의 향후 다양한 활용방안과 함께 결론을 맺는다.
현대 이동 및 위성 통신 시스템의 핵심 부품인 전력증폭기는 오늘날 정보 통신량의 폭발적인 수요 확대에 따라 광범위하게 연구되고 응용되는 중요한 기법 중의 하나이다. 특히, 전력증폭기는 이동 및 위성통신 기지국, 중계기 및 단말기의 송신단 뿐만 아니라, 지상 마이크로파 무선 또는 유선통신 단국 및 중계국의 송신단, 지상 CATV 중계기 등 거의 대부분의 신호 증폭 시에 광범위하게 사용된다. W-CDMA, CDMA2000과 같은 3G 디지털 통신에 이용되는 전력증폭기들은 대부분 약 10 dB의 높은 피크전력 대 평균전력 비 (Peak-to-Average power Ratio: PAR 또는 Crest factor)가 요구되어 인접 채널에 간섭을 일으키는 상호변조 성분을 제한하거나, 선형화 방법을 통하여 상호변조 성분을 제거한다. 따라서 일반적으로 전력증폭기는 선형성 성능은 좋으나 효율 특성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 저 효율을 갖는 전력증폭기는 단말기 활용에 있어서 배터리 수명을 단축시켜 배터리 사이즈를 증가시킨다. 중계기나 기지국의 활용에 있어서는 전력증폭기를 통한 열손실의 증가로 부가적인 방열판과 냉각기의 사용이 필수적이며, 대용량의 AC/DC 와 DC/DC 전원 공급기를 필요로 하기 때문에 전기사용료 및 운영비가 증가하는 단점들을 가지고 있다. 이러한 두 가지 활용에 있어서 전력증폭기는 시스템의 전체적인 신뢰도를 저하시킨다. 일반적으로, 기지국용 전력증폭기는 피드포워드 선형 전력증폭기를 주로 사용하여 선형화 규격을 만족시키고 있으나 효율은 약 10 % 미만의 저 효율 특성을 가지고 있다. 피드포워드 선형 전력증폭기 내의 주 증폭기와 에러 증폭기는 대부분 Class AB급 고출력 LDMOS FET를 가지고 설계하여 효율 특성을 증가시키지만 원하는 back-off 출력전력에서의 효율 증가는 극히 미약하다. 전력증폭기의 back-off 출력전력에서 고 효율 특성을 얻기 위하여 과거부터 Envelope Elimination and Restoration (EER 또는 Kahn 방식), Envelope Tracking 및 Envelope Following, LInear amplification using Nonlinear Components (LINC), Doherty 기법 등의 효율 향상 연구들이 진행되어 왔다. EER기법은 입력 신호의 포락선을 검파하여 PWM신호로 변환한 후, 이를 전력증폭기의 바이어스로 재 인가하여 변조하는 방식이다. 이 기법은 넓은 입력 전력의 범위 동안 높은 효율 특성과 좋은 ACPR특성을 얻을 수 있으나 회로의 구성이 복잡하고, 특히 W-CDMA와 같은 광대역 시스템에 사용하기에 대역폭이 작다는 단점을 지니고 있다. Envelope Tracking 및 Envelope Following 기법은 각기 EER 기법의 복잡한 회로를 간단화하였고, 높은 스위칭 주파수를 요구하는 문제를 개선하였다. 그러나 아직까지5 MHz 미만의 좁은 대역폭 성능을 가지고 있어 W-CDMA와 같은 광대역 성능을 갖는 전력증폭기에 적용하기에는 어렵다. LINC 기법은 입력신호를 포락선과 위상 신호를 나누어 Class C급 증폭기로 증폭한 후, 출력단에서 다시 결합하는 방식이다. Class C, D 또는 E급 비선형 증폭기를 사용하기 때문에 전체적인 효율특성은 우수하나, 출력단 신호 결합 시 큰 손실 발생의 문제점을 가지고 있다. 따라서 출력단 신호 결합기의 주의 깊은 설계가 요구된다. 도허티 기법은 다른 기법에 비해 상대적으로 몇 가지 장점을 가지고 있다. 1) 간단한 RF 회로 구성도: EER 기법과 비교하여 부가적인 회로 및 복잡한 회로 구성이 요구되지 않고, 단지 순수한 RF 특성만으로 효율 개선이 가능하다. 2) 광대역 특성: EER 기법의 스위칭 주파수 문제와 LINC 기법의 출력단 결합기의 문제가 없기 때문에 W-CDMA와 같은 20 MHz 이상의 광대역 시스템에 적용 가능하다. 3) 선형화 기법과 용이한 접목: 피드포워드, RF/DSP 전치왜곡 및 포락선 피드백 등의 선형화 기법에 응용될 수 있다. 도허티 기법은 1936년 W. H. Doherty에 의하여 최초로 LF와 MF AM 전송기의 활용을 위한 진공 튜브에 적용하여 개발되었다. 1970년에는 V.M. Rozov에 의해 MF, HF와 UHF 대역AM 전송기 활용을 위해 Solid-State 형태로 제작되었다. 1987년에는 F. H. Raab에 의해 보다 높은 주파수 대역인 UHF와 마이크로웨이브 대역에서 사용 가능한 도허티 전력증폭기가 개발되었으며 상세한 동작 원리가 소개되었다. 이후 1990년대 후반 이동통신 시장의 급격한 성장에 따라 전력증폭기의 선형화뿐만 아니라 효율 향상 기법의 관심 대두로 도허티 전력증폭기 관련 연구들이 제안되어 왔다. 지금까지 대부분 도허티 기법에 관한 연구들은 사용 주파수 대역이 낮거나 단말기 활용을 위한 출력 전력1 W 미만의 경우가 대부분이다. 물론 중계기나 기지국 활용을 위한 고출력 도허티 전력증폭기에 관한 연구가 발표되었으나, 실제 기지국 시스템 활용을 위한 전력증폭기에 적용하기에는 낮은 출력 전력, 복잡한 회로 구성 및 사이즈가 큰 단점을 가지고 있다. 또한, 도허티 기법의 특징이라고 할 수 있는 효율의 최대점인 피킹점 (Peaking point)을 원하는 출력 전력 (6 dB back-off)에서 얻지 못하여 효율 개선량이 일반적인 Class AB와 비교하여 미비하다. 본 논문에서는 W-CDMA 기지국 활용을 위한 30 W고출력 도허티 전력증폭기에 관한 새로운 구조 및 원하는 출력전력에서 최적의 피킹점을 얻기 위한 방법들을 제안한다. 또한 제안된 고출력 도허티 전력증폭기를 피드포워드 선형화 기법과 결합하여 고효율 및 높은 선형성을 갖는 새로운 도허티 피드포워드 선형 전력증폭기 기법을 제시한다. 본 논문은 총 6장으로 구성된다. 제 1장 서론에 이어 제 2장에서는 효율 향상을 위한 다양한 기법을 비롯한 도허티 기법에 관한 이론을 설명하고, 제 3장에서는 피드포워드 선형 전력증폭기의 기본 이론 및 다양한 파라미터에 따른 효율 특성에 관한 분석한다. 제 4 장에서는 새로운 고출력 도허티 전력증폭기와 이러한 도허티 전력증폭기가 결합된 피드포워드 선형 전력증폭기의 설계 및 시뮬레이션 결과들을 보여주었다. 제 5장에서는 시뮬레이션 결과를 기초로 제작 및 측정한 결과를 보여 주고, 설계값과 측정값의 비교를 통하여 본 연구의 타당성 및 신뢰성을 검증한다. 마지막으로 제 6장에서는 고출력 도허티 전력증폭기의 향후 다양한 활용방안과 함께 결론을 맺는다.
This paper proposes new architecture of a 30W high power Doherty amplifier for the W-CDMA cell site, and describes the method of getting optimal peaking point at desired output power. Additionally it shows that the new Doherty feed-forward linear power amplifier has high efficiency and good linearit...
This paper proposes new architecture of a 30W high power Doherty amplifier for the W-CDMA cell site, and describes the method of getting optimal peaking point at desired output power. Additionally it shows that the new Doherty feed-forward linear power amplifier has high efficiency and good linearity by combining high power Doherty amplifier and feed-forward linearization technology. Power amplifiers for 3G digital telecommunications such as W-CDMA and CDMA2000 should have high PAR(Peak-To-Average Ratio) up to 10dB, so that we should restrict cross modulation factors interfering adjacent channels and get rid of them by linearization technology. Thus power amplifiers have good linearity sacrificing power efficiency, in general. Low efficiency power amplifier causes to lost battery life time in cellular phone, as this result, it is needed to enlarge battery size. In case of a repeater and cell site applications, the increase of heat loss by power amplifiers needs additional heatsink and cooler. Moreover the bigger AC/DC, DC/DC power supply increases maintenance cost. The High efficiency of the high power Doherty amplifier can remove those drawbacks mentioned above, and increase overall system reliability.
This paper proposes new architecture of a 30W high power Doherty amplifier for the W-CDMA cell site, and describes the method of getting optimal peaking point at desired output power. Additionally it shows that the new Doherty feed-forward linear power amplifier has high efficiency and good linearity by combining high power Doherty amplifier and feed-forward linearization technology. Power amplifiers for 3G digital telecommunications such as W-CDMA and CDMA2000 should have high PAR(Peak-To-Average Ratio) up to 10dB, so that we should restrict cross modulation factors interfering adjacent channels and get rid of them by linearization technology. Thus power amplifiers have good linearity sacrificing power efficiency, in general. Low efficiency power amplifier causes to lost battery life time in cellular phone, as this result, it is needed to enlarge battery size. In case of a repeater and cell site applications, the increase of heat loss by power amplifiers needs additional heatsink and cooler. Moreover the bigger AC/DC, DC/DC power supply increases maintenance cost. The High efficiency of the high power Doherty amplifier can remove those drawbacks mentioned above, and increase overall system reliability.
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