전력증폭기는 무선 주파수 프론트 엔드의 핵심 구성 요소로 송신 안테나 뒤에 위치하여 약한 RF 신호를 증폭한다. Class-E 전력증폭기는 트랜지스터의 On-Off에 따라 동작하는 스위치 모드 증폭기이며, On 상태일 때 높은 전류 및 0에 가까운 전압을 가지고 Off 상태일 때 높은 전압 및 0에 가까운 전류가 흘러 결과적으로 소모 전력 값이 0에 가까워져 이론적으로 100%의 드레인 효율을 달성할 수 있다. 본 논문은 단일 주파수 또는 협대역에서 동작하는 기존의 Class-E 전력증폭기 분석 및 설계 방법이 아닌 새로운 분석 및 설계 방법을 제안하며, 이를 통해 넓은 ...
전력증폭기는 무선 주파수 프론트 엔드의 핵심 구성 요소로 송신 안테나 뒤에 위치하여 약한 RF 신호를 증폭한다. Class-E 전력증폭기는 트랜지스터의 On-Off에 따라 동작하는 스위치 모드 증폭기이며, On 상태일 때 높은 전류 및 0에 가까운 전압을 가지고 Off 상태일 때 높은 전압 및 0에 가까운 전류가 흘러 결과적으로 소모 전력 값이 0에 가까워져 이론적으로 100%의 드레인 효율을 달성할 수 있다. 본 논문은 단일 주파수 또는 협대역에서 동작하는 기존의 Class-E 전력증폭기 분석 및 설계 방법이 아닌 새로운 분석 및 설계 방법을 제안하며, 이를 통해 넓은 대역폭에서 높은 드레인 효율과 높은 전력 부가 효율을 갖는 광대역 Class-E 전력증폭기를 제안한다. 높은 효율을 유지하는 광대역 설계를 위해서는 부하 네트워크에서 기본 주파수 및 고조파 억제 정합 설계가 필요하다. 기본 주파수 정합 회로 설계의 경우 주파수에 따른 수동 리액턴스의 양의 기울기에 대해 Foster가 정의한 것과는 대조적으로 Non-Foster 매칭 원리를 기반으로 설계를 진행하였으며, 이를 통해 기존 매칭 네트워크의 이득 및 대역폭 한계를 극복하여 전체 대역폭에서 최적의 드레인 효율을 달성하였다. 수동 방식으로 구현된 Negative Group Delay (NGD) 구조는 Non-Foster 특성을 나타내기 위해 사용되었으며, 기본 주파수 매칭 네트워크는 NGD를 통해 설계되었다. 로드 저항 50 Ω 임피던스 변환과 함께 광대역 Class-E 전력증폭기의 고조파 억제를 위한 통합 저역통과 매칭 네트워크를 설계하여 고조파 정합 설계를 진행하였으며, 이를 통해 광대역 고조파 억제를 통한 높은 효율을 유지하였다. 본 논문에서 제안하는 광대역 Class-E 전력증폭기는 GaN HEMT 트랜지스터인 CGH40006P를 사용하여 2.0 GHz ~ 2.9 GHz에서 측정되었으며, 이득 12dB ~ 14 dB, 출력 전력 37 dBm ~ 39 dBm, 해당 주파수 대역에서 69 % 이상의 효율을 갖는다. 또한 평균 효율이 약 74%로 다른 전력증폭기와 비교할 때 현저히 높은 효율을 갖으며, 2차, 3차 고조파 대역에서 -50 dBc 미만으로 본 논문에서 제안하는 분석 및 설계 방법을 통한 고조파 억제를 검증하였다. 마지막으로 광대역 Class-E 전력증폭기 크기는 80 mm x 50 mm 이다.
전력증폭기는 무선 주파수 프론트 엔드의 핵심 구성 요소로 송신 안테나 뒤에 위치하여 약한 RF 신호를 증폭한다. Class-E 전력증폭기는 트랜지스터의 On-Off에 따라 동작하는 스위치 모드 증폭기이며, On 상태일 때 높은 전류 및 0에 가까운 전압을 가지고 Off 상태일 때 높은 전압 및 0에 가까운 전류가 흘러 결과적으로 소모 전력 값이 0에 가까워져 이론적으로 100%의 드레인 효율을 달성할 수 있다. 본 논문은 단일 주파수 또는 협대역에서 동작하는 기존의 Class-E 전력증폭기 분석 및 설계 방법이 아닌 새로운 분석 및 설계 방법을 제안하며, 이를 통해 넓은 대역폭에서 높은 드레인 효율과 높은 전력 부가 효율을 갖는 광대역 Class-E 전력증폭기를 제안한다. 높은 효율을 유지하는 광대역 설계를 위해서는 부하 네트워크에서 기본 주파수 및 고조파 억제 정합 설계가 필요하다. 기본 주파수 정합 회로 설계의 경우 주파수에 따른 수동 리액턴스의 양의 기울기에 대해 Foster가 정의한 것과는 대조적으로 Non-Foster 매칭 원리를 기반으로 설계를 진행하였으며, 이를 통해 기존 매칭 네트워크의 이득 및 대역폭 한계를 극복하여 전체 대역폭에서 최적의 드레인 효율을 달성하였다. 수동 방식으로 구현된 Negative Group Delay (NGD) 구조는 Non-Foster 특성을 나타내기 위해 사용되었으며, 기본 주파수 매칭 네트워크는 NGD를 통해 설계되었다. 로드 저항 50 Ω 임피던스 변환과 함께 광대역 Class-E 전력증폭기의 고조파 억제를 위한 통합 저역통과 매칭 네트워크를 설계하여 고조파 정합 설계를 진행하였으며, 이를 통해 광대역 고조파 억제를 통한 높은 효율을 유지하였다. 본 논문에서 제안하는 광대역 Class-E 전력증폭기는 GaN HEMT 트랜지스터인 CGH40006P를 사용하여 2.0 GHz ~ 2.9 GHz에서 측정되었으며, 이득 12dB ~ 14 dB, 출력 전력 37 dBm ~ 39 dBm, 해당 주파수 대역에서 69 % 이상의 효율을 갖는다. 또한 평균 효율이 약 74%로 다른 전력증폭기와 비교할 때 현저히 높은 효율을 갖으며, 2차, 3차 고조파 대역에서 -50 dBc 미만으로 본 논문에서 제안하는 분석 및 설계 방법을 통한 고조파 억제를 검증하였다. 마지막으로 광대역 Class-E 전력증폭기 크기는 80 mm x 50 mm 이다.
The power amplifiers (PAs) are the key component in the radio frequency (RF) front-end, which amplify the weak RF signal to a strong version before transmitting out of the antenna. The class-E PAs are the switch-mode amplifier where the active device operates as a switch with two states ON-OFF durin...
The power amplifiers (PAs) are the key component in the radio frequency (RF) front-end, which amplify the weak RF signal to a strong version before transmitting out of the antenna. The class-E PAs are the switch-mode amplifier where the active device operates as a switch with two states ON-OFF during the signal cycle, and the load network exhibits an inductive passive impedance with a resonant circuit. Proceeding from these characteristics, drain efficiency can be achieved theoretically up to 100 %. However, the conventional analysis and design are targeted for single frequency or narrow band operation. This thesis will present a novel methodology for realizing a broadband class-E PA in a single-stage configuration. The proposed PA features high drain efficiency and power added efficiency (PAE) over a wide bandwidth. For efficient broadband operation, it is required for the load network to satisfy both fundamental and harmonic matching requirements. First, the matching design method at the fundamental is based on non-Foster matching principle which is in contrast to the establishment of Foster about the positive slope of the passive reactance with frequency and can overcome the gain-bandwidth limitation of the conventional matching network yielding optimal drain efficiency within an overall bandwidth. A negative group delay (NGD ) structure with passive elements-based implementation is adopted to exhibit the required non-Foster characteristic and acts a matching network at the fundamental frequencies. Second, a synthesized low-pass matching network is additionally utilized which provides not only real-to-real impedance transformation to the 50 Ω load, but also the proper harmonic suppression as required in the class-E harmonic manipulation. Further analysis and design procedure for final realization with distributed components are presented in detail. A PA prototype using a GaN HEMT transistor CGH40006P (5 W) with target operating bandwidth from 2.0 GHz to 2.9 GHz is designed, fabricated and measured for verification. The experimental results shows that the PA exhibits efficiency of above 69 % across the target bandwidth while output power is remained in a range of 37-39 dBm, corresponding to gain of 12-14 dB. Also, a high average efficiency is recorded with around 74 % which is remarkable as compared to the other state-of-the-art PAs. Moreover, the second and third harmonics are below -50 dBc which confirms an efficient harmonic suppression mechanism in this design. The overall size of the PA is about 80 mm × 50 mm.
The power amplifiers (PAs) are the key component in the radio frequency (RF) front-end, which amplify the weak RF signal to a strong version before transmitting out of the antenna. The class-E PAs are the switch-mode amplifier where the active device operates as a switch with two states ON-OFF during the signal cycle, and the load network exhibits an inductive passive impedance with a resonant circuit. Proceeding from these characteristics, drain efficiency can be achieved theoretically up to 100 %. However, the conventional analysis and design are targeted for single frequency or narrow band operation. This thesis will present a novel methodology for realizing a broadband class-E PA in a single-stage configuration. The proposed PA features high drain efficiency and power added efficiency (PAE) over a wide bandwidth. For efficient broadband operation, it is required for the load network to satisfy both fundamental and harmonic matching requirements. First, the matching design method at the fundamental is based on non-Foster matching principle which is in contrast to the establishment of Foster about the positive slope of the passive reactance with frequency and can overcome the gain-bandwidth limitation of the conventional matching network yielding optimal drain efficiency within an overall bandwidth. A negative group delay (NGD ) structure with passive elements-based implementation is adopted to exhibit the required non-Foster characteristic and acts a matching network at the fundamental frequencies. Second, a synthesized low-pass matching network is additionally utilized which provides not only real-to-real impedance transformation to the 50 Ω load, but also the proper harmonic suppression as required in the class-E harmonic manipulation. Further analysis and design procedure for final realization with distributed components are presented in detail. A PA prototype using a GaN HEMT transistor CGH40006P (5 W) with target operating bandwidth from 2.0 GHz to 2.9 GHz is designed, fabricated and measured for verification. The experimental results shows that the PA exhibits efficiency of above 69 % across the target bandwidth while output power is remained in a range of 37-39 dBm, corresponding to gain of 12-14 dB. Also, a high average efficiency is recorded with around 74 % which is remarkable as compared to the other state-of-the-art PAs. Moreover, the second and third harmonics are below -50 dBc which confirms an efficient harmonic suppression mechanism in this design. The overall size of the PA is about 80 mm × 50 mm.
주제어
#Class-E Power Amplifiers Non-Foster Circuits Low-Pass Matching Networks
학위논문 정보
저자
응웬당안
학위수여기관
숭실대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
정보통신융합학(일원)
지도교수
서철헌
발행연도
2023
총페이지
62
키워드
Class-E Power Amplifiers Non-Foster Circuits Low-Pass Matching Networks
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