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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로스트립 구조의 고조파 제거 회로를 이용하여 900 MHz 1 W 전력 증폭기 설계에 관한 연구이다. 마이크로스트립 선로로 구현된 고조파 제거 회로를 이용한 전력 증폭기는 2차 고조파와 3차 고조파에서 각각 24 dBc, 30 dBc의 향상된 고조파 제거 특성을 나타내었다.
제안 방법
- PCB 제작을 위해 Agilent Technologies사의 ADS- 2004(Advanced Design System)와 Mentor Graphics사의 PADS를 겸하여 레이아웃을 수행하였다. 회로내의 소자와 전송 선로간의 커플링을 방지하기 위하여 소자의 배치를 고려하였으며, 전력 증폭 소자의 열로 인하여 성능 저하를 막기 위하여 PCB 양면을 그라운드로 사용하여 방열되는 면적을 넓히도록 하였다.
- 구동 증폭단은 단일 전원으로 동작하며 높은 선형 이득을 얻을 수 있는 InGaP/GaAs HBT를 사용하여 설계하였으며, -4 dBm의 전력을 인가하였을 때 18 dBm의 출력 전력과 20 dB의 이득 특성을 나타내었다. 전력 증폭단에는 선형성 및 효율성이 우수한 VDM0S 계열의 Polyfet사에서 제공하는 SP2C1 트랜지스터를 전력 소자로 사용하였으며, 30 dBm의 출력 전력 및 10 dB의 전압 이득을 얻도록 설계하였다.
- 또한 수동 소자는 모의 실험과의 오차를 적게 하기 위하여 ADS2004 라이브러리에 있는 무라다 사의 커패시터와 도코 사의 인덕터를 사용하였다. 그리고 회로내에 사용되는 모든 스트립 라인의 길이를 고려하여 모의 실험을 수행하였다.
- 그림 5는 논문에서 제안하는 고조파 제거 회로의기본 구성을 나타낸 것으로 기본 공진 주파수(粉에서 개방 부하를 갖는 人/8-마이크로스트립 선로와단락 부하를 갖는 -마이크로스트립 선로를 병렬로 구성하여 전체적으로 마이크로스트립 선로의 길이가 기본 공진 주파수(4)에서 刀4 길이를 갖도록구성하였다.
- 제작된 전력 증폭기의 측정 결과가 모의 실험의 결과와 비교했을 때 다소 오차가 발생하였으며, 이는 입출력 임피던스 정합시 발생한 오차와 그라운드 연결의 결함으로 나타난 것으로 여겨진다. 본 논문에서 제안한 고조파 제거 회로는 제거시키고자 하는 고조파 차수에 따라서 유연한 고조파 제거 회로를 구성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 전력 증폭기뿐만 아니라 비선형 특성을 갖는 회로들의 출력에 전송 선로로 구현함으로써 원하는 신호 성분은 통과시키고 원하지 않는 모든 고조파 성분들을 제거하는 고조파 제거 회로로써 활용될 수 있을 것으로 사료된다
- 본 논문에서는 기존의 전송 선로 반복적 특성 때문에 기본 공진 주파수는 통과시켜서 부하로 전달하고 동시에 원하지 않는 모든 고조파 성분을 제거시키는 고조파 제거 회로를 구현하는 것이 제한되었던점을 개선하여, 병렬로 연결된 개방 회로를 갖는 전송 선로와 단락 회로를 갖는 전송 선로의 길이를 비대칭적으로 구성하여 비선형 회로의 출력에 존재하는 신호 성분들에서 고조파 성분들을 제거하는 회로를 구현하고, 이를 RFID 주파수 대 역%句인 900 MHz 대역에서 동작하는 전력 증폭기에 적용하여 1 W의출력과 향상된 효율을 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 설계된 전력 증폭단은 18 dBm의 입력 전력을 인가 받아 30 dBm의 출력을 갖도록 설계되었으며, 출력 및 이득 특성을 측정하기 위하여 신호 발생기를 전력 증폭단의 입력에 연결하여 18 dBm의 전력을 인가하였다. 40 dB의 감쇄기를 출력단에 연결하여 이득 및 반사 특성을 확인하였으며, 그림 13은 주파수 분석기로 측정된 출력이 27.
- 전력 증폭단에는 선형성 및 효율성이 우수한 VDM0S 계열의 Polyfet사에서 제공하는 SP2C1 트랜지스터를 전력 소자로 사용하였으며, 30 dBm의 출력 전력 및 10 dB의 전압 이득을 얻도록 설계하였다.
- 전체 전력 증폭 회로는 구동단, 전력 증폭단 및 고조파 제거부로 나누어 제작 및 측정하였으며, 최종적으로 통합된 회로를 구현하였다.
- 제안된 전력 증폭기는 구동 증폭단, 전력 증폭단및 고조파 제거단으로 구성하였으며, 모의 실험 및 최적화 결과를 토대로 910 MHz 대역에서 동작하는 전력 증폭기를 설계하였다. 제안된 회로를 설계하기 위해서 마이크로웨이브 대역의 회로 설계에 적합한 Agilent Technology사의 ADS2004를 사용하였으며, 정확한 모의 실험을 위하여 PCB 재질 정보 및 사용소자의 정확한 모델링 파라미터를 입력하였다.
- 증폭기를 설계하였다. 제안된 회로를 설계하기 위해서 마이크로웨이브 대역의 회로 설계에 적합한 Agilent Technology사의 ADS2004를 사용하였으며, 정확한 모의 실험을 위하여 PCB 재질 정보 및 사용소자의 정확한 모델링 파라미터를 입력하였다. 또한 수동 소자는 모의 실험과의 오차를 적게 하기 위하여 ADS2004 라이브러리에 있는 무라다 사의 커패시터와 도코 사의 인덕터를 사용하였다.
- 회로내의 소자와 전송 선로간의 커플링을 방지하기 위하여 소자의 배치를 고려하였으며, 전력 증폭 소자의 열로 인하여 성능 저하를 막기 위하여 PCB 양면을 그라운드로 사용하여 방열되는 면적을 넓히도록 하였다.
대상 데이터
- 제안된 회로를 설계하기 위해서 마이크로웨이브 대역의 회로 설계에 적합한 Agilent Technology사의 ADS2004를 사용하였으며, 정확한 모의 실험을 위하여 PCB 재질 정보 및 사용소자의 정확한 모델링 파라미터를 입력하였다. 또한 수동 소자는 모의 실험과의 오차를 적게 하기 위하여 ADS2004 라이브러리에 있는 무라다 사의 커패시터와 도코 사의 인덕터를 사용하였다. 그리고 회로내에 사용되는 모든 스트립 라인의 길이를 고려하여 모의 실험을 수행하였다.
- 본 논문에서 제안한 전력 증폭기를 제작하기 위하여 제 모의 실험 회로를 바탕으로 PCB 회로를 구성하였다. 전체 전력 증폭 회로는 구동단, 전력 증폭단 및 고조파 제거부로 나누어 제작 및 측정하였으며, 최종적으로 통합된 회로를 구현하였다.
- 집중 정수 소자는 2012 칩 타입 소자를 사용하였다. 제작된 전력 증폭기의 크기는 65×35 mm이며, 그라운드에 방열판을 부착하였다.
- 8 mm인 에폭시 기판에 구현한 전력 증폭기의 실제 사진이다. 집중 정수 소자는 2012 칩 타입 소자를 사용하였다. 제작된 전력 증폭기의 크기는 65×35 mm이며, 그라운드에 방열판을 부착하였다.
성능/효과
- 정리한 것이다. 30 dBm의 기본 주파수 출력시 2 차 고조파와 3차 고조파의 크기는 각각 -24 dBm 및 -35 dBm으로써 고조파 제거 회로를 부가하지 않았을 경우보다 24 dBc 및 30 dBc의 제거 성능이 향상되었으며, 모의 실험과 근사한 결과를 얻었다.
- 40 dB의 감쇄기를 출력단에 연결하여 이득 및 반사 특성을 확인하였으며, 그림 13은 주파수 분석기로 측정된 출력이 27.05 dBm/2 tone의 특성을 보여주고 있다. 이는 ISO/ IEC-18000-6에 규정하는 채널간 대역폭 200 kHz로 측정하였다.
- 관한 연구이다. 마이크로스트립 선로로 구현된 고조파 제거 회로를 이용한 전력 증폭기는 2차 고조파와 3차 고조파에서 각각 24 dBc, 30 dBc의 향상된 고조파 제거 특성을 나타내었다. 제작된 전력 증폭기의 측정 결과가 모의 실험의 결과와 비교했을 때 다소 오차가 발생하였으며, 이는 입출력 임피던스 정합시 발생한 오차와 그라운드 연결의 결함으로 나타난 것으로 여겨진다.
- 94 dBc의 차이를 보이고 있다. 실제 감쇄기의 감쇄 특성은 41.7 dB였으며, 케이블의 손실은 약 1.2 dB였다. 게이트와 드레인에는 각각 3.
- 전력 증폭단의 입력으로 18 dBm의 전력이 인가되었을 때, 30 dBm의 출력 및 12 dB의 이득 특성을 나타내었다.
- 제2차고조파의 레벨은 -24 dBm이며, 제3차 고조파의 레벨은 -35 dBm으로써 각각 기본 주파수와 54.09 dBc, 65.25 dBc의 IMD 특성을 보이며, 고조파 제거회로를 부가하지 않았을 경우와 비교해서 2차 고조파는 24 dBc, 3차 고조파는 30.3 dBc 만큼 감쇄 특성이 개선되었음을 확인하였다.
- 마이크로스트립 선로로 구현된 고조파 제거 회로를 이용한 전력 증폭기는 2차 고조파와 3차 고조파에서 각각 24 dBc, 30 dBc의 향상된 고조파 제거 특성을 나타내었다. 제작된 전력 증폭기의 측정 결과가 모의 실험의 결과와 비교했을 때 다소 오차가 발생하였으며, 이는 입출력 임피던스 정합시 발생한 오차와 그라운드 연결의 결함으로 나타난 것으로 여겨진다. 본 논문에서 제안한 고조파 제거 회로는 제거시키고자 하는 고조파 차수에 따라서 유연한 고조파 제거 회로를 구성할 수 있는 장점이 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제안한 고조파 제거 회로는 제거시키고자 하는 고조파 차수에 따라서 유연한 고조파 제거 회로를 구성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 전력 증폭기뿐만 아니라 비선형 특성을 갖는 회로들의 출력에 전송 선로로 구현함으로써 원하는 신호 성분은 통과시키고 원하지 않는 모든 고조파 성분들을 제거하는 고조파 제거 회로로써 활용될 수 있을 것으로 사료된다
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