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문제 정의
- 본 논문은 소자의 전류원에서 임피던스 확인이 불가능하다는 실제적인 상황을 고려하여 electrode에서 소자 내부까지의 기생 성분들을 아래와 같은 방법으로 추출하여 더욱 정확한 설계가 되도록 제안하였다. 동일한 소자인 freescale사의 MRF281SR1 으로 PA를 제작하여 실험한 결과를 살펴보면 다음과 같은 방법으코 소자 내부를 추측할 수 있다.
제안 방법
- 그림 7은 실제 제작된 증폭기를 보인다. Class-F증폭기의 bias는 "=26 V, 卩爭=3.724 V로 九가 0 A인 class-B 전력 증폭기의 bias 조건에서 동작시켰고, 입력은 continuous wave(CW) 신호로 실험을 진행하였다.
- Advanced design system(ADS)를 이용한 simulation 에서 주출된 (姦와 »를 바탕으로 소자 내부를 예측하고 이를 포함하여 출력 단의 매칭 회로와 하모닉 조율 회로를 설계하였다.
- 14-GHz 대역의 고효율 class-F 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. Class-F전력 증폭기에서 회로의 간결함을 위해 3차하모닉까지 조율하도록 설계하였다. 또한, 소자 내부의 C么와 뉴를 간단한 매칭을 통해 추출하였으며, 이를 고려하여 2차 및 3차 하모닉 조율 회로를 설계하였다.
- 기본 성분에 대해서는 소자 내부의 종속 전류 원에서 Ropi, 血卄의 임피던스를 바라보고 출력 단에서 최대 전력을 낼 수 있도록 설계하였다. 이렇게 설계된 출력단 회로의 隼 Cd, 를 제거하고 소자에 연결하여 simulation한 결과, 출력 전력 37.
- 설계되었다. 또한, 보다 정확한 하모닉 조율 회로를 구성하기 위하여 소자 내부의 기생 성분 중에서 가장 영향이 큰 Cds와 Lb 값을 추출하여 하모닉 조율 회로를 설계하였다. 이를 바탕으로 제작된 2.
- Class-F전력 증폭기에서 회로의 간결함을 위해 3차하모닉까지 조율하도록 설계하였다. 또한, 소자 내부의 C么와 뉴를 간단한 매칭을 통해 추출하였으며, 이를 고려하여 2차 및 3차 하모닉 조율 회로를 설계하였다.
- 본 논문에서는 Freescale사의 4-W PEP Si LDMO SFET MRF281SR1 을 이용하여 2.14-GHz 대역의 고효율 class-F 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. Class-F전력 증폭기에서 회로의 간결함을 위해 3차하모닉까지 조율하도록 설계하였다.
- 앞에서 기생 성분들과 package effect 등이 존재함을 알 수 있는데, 본 논문은 이러한 여러 가지 성분들 중에 가장 큰 영향을 미칠 것이라고 추측할 수 있는 G*와 北를 간단한 매칭을 통해 구함으로서 정확한 설계를 도모하였다句
- 이론적으로 class-F 전력 증폭기는 모든 하모닉을조율하여 100 %의 효율을 얻을 수 있지만, 본 논문에서는 효율 향상에 있어서 가장 큰 기여도를 갖는 2차와 3차 하모닉 성분만을 조율하여 회로를 단순화시키면서 동시에 높은 효율을 얻도록 설계되었다. 또한, 보다 정확한 하모닉 조율 회로를 구성하기 위하여 소자 내부의 기생 성분 중에서 가장 영향이 큰 Cds와 Lb 값을 추출하여 하모닉 조율 회로를 설계하였다.
- 것은 불가능하다. 하지만 표 1에서 보여지듯이 하모닉 조율 회로가 고차 하모닉 성분들로 확장될수록 효율 향상 정도는 크지 않기 때문에 낮은 차수의 성분만을 조율하더라도 상당히 높은 효율을 얻을 수가 있다的 본 논문에서는 class-F 동작을 위해 하모닉 성분 중 가장 효율 증가에 가장 큰 영향을 미치는 2, 3차 하모닉만을 조율하여 class-F 전력증폭기를 설계하였다. 2, 3차 하모닉만을 제어한 cla- ss-F 의 경우, 이론상 약 88 %의 효율 갖게 되지만, 4 차 이상의 고차 하모닉 제어 회로 설계의 어려움을 고려한다면, 충분히 높은 효율이라고 볼 수 있다'句
대상 데이터
- 설계에 사용된 simulator는 Agilent사의 ADS이며 설계와 실험에 사용한 소자는 Freescale사의 4-W 급 Si LDMOSFET MRF281SR1 을 사용하였다. MRF- 281SR1 의 simulation 모델을 통해 전압, 전류 곡선을 그려본 결과, 소자의 knee 전압이 약 3 V임을 확인할 수 있다.
성능/효과
- 전력을 낼 수 있도록 설계하였다. 이렇게 설계된 출력단 회로의 隼 Cd, 를 제거하고 소자에 연결하여 simulation한 결과, 출력 전력 37.4 dBm에서 DE와 PA"} 각각 72.6 %, 67.5 %임을 확인할 수 있었으며 이때 gain은 11.7 dB를 나타내었다.
- 3 dB를 확인할 수 있었다. 2 GHz 대역의 고주파로 올라갈수록 LDMOSFET의 성능이 크게 감소하는 것을 감안하면 이는 같은 주파수 대역에 서동 일한 소자를 이용한 saturation 전력 증폭기보다 상당히 개선된 결과임을 알 수 있다.
- 보인다. CW 측정 결과, Pmb는 36.79 dBm, 최대 효율은 출력전력 37.1 dBm에서 DE는 65.1 %, PAE는 60.3 %, gain은 11.3 dB를 확인할 수 있었다. 2 GHz 대역의 고주파로 올라갈수록 LDMOSFET의 성능이 크게 감소하는 것을 감안하면 이는 같은 주파수 대역에 서동 일한 소자를 이용한 saturation 전력 증폭기보다 상당히 개선된 결과임을 알 수 있다.
- Class-B 동작시 소자가 최대 전력을낼때, 스미스 차트를 통해 Ri(electrode에서 바라본 임피던스)과 Rop, 사이에 존재하는 여러 가지 매칭 중, 전력이 작은 소자임을 고려하여 가장 간단하면서도 실현 가능할 만한 값을 예측해 본 결과 C* 2.5 pF, Lb 1.3 nH을 얻을 수가 있었다. 위 값은 정확한 값은 아니더라도 불확실한 소자 내부 회로를 예측할 수 있다는 사실만으로 상당히 큰 의미가 있다고 할 수 있다.
- MRF- 281SR1 의 simulation 모델을 통해 전압, 전류 곡선을 그려본 결과, 소자의 knee 전압이 약 3 V임을 확인할 수 있다. 소자의 출력 전력이 4-W임을 고려할 때 class-B 바이어스 조건에서 소자가 최대 전력을 낼 수 있도록 하기 위한 부하 임피던스(此加)는 식 (3) 과같이 구해진呼.
- Simulation 결과, 출력 전력 37.4 dBm에서 DE 72.6 %, PAE 67.5 %의 높은 효율 특성을 얻을 수 있었고, 이때 gain은 11.7 dB였다, 제작된 class-F 전력 증폭기는 출력 전력 37.1 dBm에서 DE 65.1 %, PAE 60.3 %, gain 11.3 dB의 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과는 2 GHz 대역 이상에서 LDMOSFET의 성능이 크게 감소하는 것을 감안하면 상당히 개선된 결과임을 알 수 있다.
- 결과를 그림 6에서 확인할 수 있다. 그 결과는 2차, 3차 하모닉에서 각각 short에 가까운 작은 임피던스와 상당히 큰 임피던스를 나타내고 있으며, 이를 통해 하모닉 조율 회로가 적절히 설계되었음을 알 수 있다.
- 위 값은 정확한 값은 아니더라도 불확실한 소자 내부 회로를 예측할 수 있다는 사실만으로 상당히 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 또한, 실제 소자를 분해해서 谴 좀 더 정확하게 측정해본 결과 1.1 nH 정도로 스미스 차트를 통해 추측한 값과 상당히 비슷함을 검증할 수가 있었다.
- 3 dB의 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과는 2 GHz 대역 이상에서 LDMOSFET의 성능이 크게 감소하는 것을 감안하면 상당히 개선된 결과임을 알 수 있다.
- 또한, 보다 정확한 하모닉 조율 회로를 구성하기 위하여 소자 내부의 기생 성분 중에서 가장 영향이 큰 Cds와 Lb 값을 추출하여 하모닉 조율 회로를 설계하였다. 이를 바탕으로 제작된 2.14-GHz 대역의 cla- ss-F 전력 증폭기는 측정 결과 drain efficiency(DE) 65.1 %, power-added-efficiency(PAE) 60.3 %의 고효율을 얻을 수 있었다. 이는 지금까지 보고된 LDMO- SFET를 이용한 class-F 전력 증폭기보다 크게 향상된 결과라고 할 수 있다.
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