[논문]고효율의 재구성된 도허티 증폭기

김일규; 김영; 윤영철

고효율의 재구성된 도허티 증폭기
A High Efficiency Reconfigurable Doherty Amplifier 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.12 no.3 = no.30, 2008년, pp.220 - 226

김일규 (금오공과대학교 전파통신과 RF회로설계연구실) , 김영 (금오공과대학교 전파통신과 RF회로설계연구실) , 윤영철 (관동대학교 전자정보통신공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 ${\lambda}/4$ 임피던스 변환기를 피킹 증폭기 뒷단에 배치하고, 주 증폭기와 피킹 증폭기가 서로 다른 비대칭 구조의 도허티 증폭기 만들어 효율을 개선시키는 방법을 제시하였다. 이러한 구조는 다단 도허티 증폭기 구현 시 작은 크기로 구현이 가능하며, 기존의 전기적 특성과 동일함을 시뮬레이션을 통해서 확인하였다. 이러한 구조를 갖는 전력 증폭기를 제작하였으며, W-CDMA 기지국 송신 대역에서 IFA 신호를 인가하였을 때, 45W 출력 기준으로 8dB 백-오프 지점에서 26.3%의 전력부가효율을 얻었고, 중심 주파수에서 ${\pm}5MHz$이격 지점 에서 -40.4dBc의 인접채널 누설비 (Adjacent Channel Leakage Power : ACLR)를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the Reconfigurable Doherty Amplifier(RDA) with asymmetric structure which has ${\lambda}/4$ impedance transformer for modulating the load impedance in peaking amplifier path. This structure is possible to implement a compact size for N-stage multi Doherty amplifier and to get almost same characteristics that is compared to conventional Doherty amplifier. To realize the high efficiency amplifier, we were implemented 45 Watts power amplifier at transmitter band of Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA) base-station. As a result, in case of WCDMA 1 Frequency Allocation(FA) input signals, this amplifier has obtained a 26.3% Power Added Efficiency(PAE) at 8 dB back-off point from P1dB and an Adjacent Channel Leakage Power(ACLR) is -40.4 dBc at center frequency ${\pm}5MHz$ deviation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 λ/4 임피던스 변환기가 피킹 증폭기 뒷단에 설치된 도허티 증폭기의 동작과 주 증폭기와 피킹 증폭기의 전력 용량이 다른 소자로 구성된 비대칭 구조 증폭기를 제안하였다.
본 논문에서는 기존의 도허티 증폭기는 λ/4 임피던스 변환기가 주 증폭기에 연결되어 있으나 여기서는 이것이 피킹 증폭기 뒷단에 설치한 재구성된 도허티 증폭기의 효율 개선에 대해서 서술할 것이다. 또한, 주 증폭기와 피킹 증폭기를 비대칭 구조 설계를 바탕으로 넓은 백-오프 구간에서 효율을 개선시키는 방법을 제안하였다.

제안 방법

이때, 피킹 증폭기 출력에서 나타나는 90o 위상 보상을 위해 주 증폭기 전단에 λ/4 전송선로를 삽입하였다. 또한, 각 경로의 입・출력단 오프셋 선로는 피킹 증폭기가 동작하기 전에는 뒷단의 λ/4 임피던스 변환기에서 바라 본 임피던스가 개방(open)이 되도록, 즉 피킹 증폭기에서 바라 본 임피던스가 단락(short)이 되도록 하기 위하여 배치하였다. 이것은 정상 동작 전의 피킹 증폭기의 임피던스가 완벽하게 단락이 되지 않는 것을 보상하여 단락이 되게 해줌으로서 증폭기의 효율을 증가하게 해주는 중요한 역할을 한다.
시뮬레이션에 사용된 소자를 살펴보면 주 증폭기는 프리스케일사의 45W급 트랜지스터를 AB급 바이어스로 사용하였고, 피킹 증폭기는 90W급 트랜지스터를 B급 바이어스로 사용하였다. 또한, 입력 회로는 3dB 커플러 두 개를 이용하여 비대칭 형태인 1:2로 분배하였다.
또한, 입력의 전력 분배기는 주 증폭기와 피킹 증폭기의 용량 차이가 나는 것을 보상하기 위해서 비대칭 전력 분배기를 사용함으로서 주 증폭기와 피킹 증폭기가 포화되는 지점을 일치 하도록 하였다.
본 논문에서는 기존의 도허티 증폭기는 λ/4 임피던스 변환기가 주 증폭기에 연결되어 있으나 여기서는 이것이 피킹 증폭기 뒷단에 설치한 재구성된 도허티 증폭기의 효율 개선에 대해서 서술할 것이다. 또한, 주 증폭기와 피킹 증폭기를 비대칭 구조 설계를 바탕으로 넓은 백-오프 구간에서 효율을 개선시키는 방법을 제안하였다.
여기에서는 ADS 시뮬레이션을 이용하여 2-1절 에 사용된 회로를 검증하였다. 시뮬레이션에 사용된 소자를 살펴보면 주 증폭기는 프리스케일사의 45W급 트랜지스터를 AB급 바이어스로 사용하였고, 피킹 증폭기는 90W급 트랜지스터를 B급 바이어스로 사용하였다.
이 회로에서는 피킹 증폭기는 주 증폭기보다 2배의 용량을 가지고 있으며, 피킹 증폭기의 뒷단에 λ/4 임피던스 변환기가 배치된 재구성 된 도허티 증폭기를 구성하였다. 이때, 피킹 증폭기 출력에서 나타나는 90o 위상 보상을 위해 주 증폭기 전단에 λ/4 전송선로를 삽입하였다.
이 때, λ/2 반 파장 전송 선로의 추가와 제거 과정은 동일 위상과 동일 지연을 제공하므로 회로 동작에는 아무런 영향을 주지 않아 일반적인 도허티 증폭기와 동일한 특성을 갖는다[8]. 이것을 확인하기 위해서 그림 2는 기존 도허티 증폭기와 본 논문에서 제시한 도허티 증폭기의 효율을 Agilent ADS 시뮬레이션을 통해서 확인하였다.이와 같이 구성된 도허티 증폭기를 이용하여 기존 도허티 증폭기보다 넓은 전력 영역에서 효율을 개선시키기 위하여 그림 3과 같이 구성하였으며, 이때 주 증폭기와 피킹 증폭기의 전력 용량이 서로 다른 비대칭 구조로 구성하였다[6].
이것을 확인하기 위해서 그림 2는 기존 도허티 증폭기와 본 논문에서 제시한 도허티 증폭기의 효율을 Agilent ADS 시뮬레이션을 통해서 확인하였다.이와 같이 구성된 도허티 증폭기를 이용하여 기존 도허티 증폭기보다 넓은 전력 영역에서 효율을 개선시키기 위하여 그림 3과 같이 구성하였으며, 이때 주 증폭기와 피킹 증폭기의 전력 용량이 서로 다른 비대칭 구조로 구성하였다[6].
표 1에서는 WCDMA 1FA 신호 인가 시, AB급 증폭기와 재구성된 도허티 증폭기의 특성을 비교하였다. 표에서 나타낸 것처럼 이득은 시뮬레이션 값이 도허티 증폭기가 비교적 낮았고, 최대 전력부가효율은 4.

대상 데이터

여기에서는 ADS 시뮬레이션을 이용하여 2-1절 에 사용된 회로를 검증하였다. 시뮬레이션에 사용된 소자를 살펴보면 주 증폭기는 프리스케일사의 45W급 트랜지스터를 AB급 바이어스로 사용하였고, 피킹 증폭기는 90W급 트랜지스터를 B급 바이어스로 사용하였다. 또한, 입력 회로는 3dB 커플러 두 개를 이용하여 비대칭 형태인 1:2로 분배하였다.
실험 시 사용된 WCDMA 신호의 피크 대 평균전력 비 (Peak-to-Average Ratio: PAR)는 0.1%의 CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)에서 9.4dB를 가지는 WCDMA 1FA 신호를 사용하였다. 측정된 결과를 살펴보면, 재구성된 도허티 증폭기는 8dB 백-오프된 지점에서 AB급 증폭기보다 8% 높은 26.
여기서 사용된 트랜지스터는 프리스케일사 MRF21045을 주 증폭기로 또, MRF21090을 피킹 증폭기로 사용하였고, 입력의 비대칭 전력 분배기는 3dB 커플러 2개를 배열하여 분배되도록 하였다.
앞장의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 재구성된 도허티 증폭기를 그림 10과 같이 제작하였다. 이때 사용한 기판은 Taconic사 유전율 2.5와 두께 h=0.787mm의 테프론 기판을 사용하였다.

성능/효과

2.11～2.17GHz의 WCDMA 대역에서 ADS 시뮬레이션을 통해 전력부가효율과 이득, 출력전력과 출력 전류, 출력 임피던스 등을 확인하였고, 프리스케일사의 트랜지스터 소자를 이용하여 제작 및 측정하였고, 그 결과 8dB 백-오프된 지점에서 AB급 증폭기보다 8% 높은 26.3%의 전력부가효율 특성을 얻었다.
그림 12에서는 AB급 증폭기와 재구성된 도허티 증폭기의 인접채널 누설비 특성을 보여주고 있다. 8dB 백-오프된 지점에서 2.140GHz 중심 주파수를 중심으로 ±5MHz 이격 지점에서 각각 -40.4dBc, -40.5dBc로 AB급 증폭기와 거의 동일한 것을 확인하였다. 또한, 그림 13은 재구성된 도허티 증폭기와 클래스 AB 증폭기의 인접 채널 누설비(ACLR)값 비교를 나타낸 것이다.
또한, 그림 7에서는 반송파 신호를 인가하였을 때, AB급 증폭기와 재구성된 도허티 증폭기의 이득과 전력부가효율(PAE: Power Added Efficiency) 특성을 비교하여 보여주고 있다. 도허티 증폭기의 이득은 AB급 증폭기보다 약 6dB 감소되어 나타나지만, 출력 전력에서 9dB 백-오프된 지점에서 AB급 증폭기보다 12% 높은 20.1%의 전력부가효율을 보여주고 있다.
사용된 소자와 여타 회로는 시뮬레이션과 동일하게 구현하였고, 입·출력의 오프셋 선로는 시뮬레이션 결과 보다는 더 길게 구현되었다.
표 1에서는 WCDMA 1FA 신호 인가 시, AB급 증폭기와 재구성된 도허티 증폭기의 특성을 비교하였다. 표에서 나타낸 것처럼 이득은 시뮬레이션 값이 도허티 증폭기가 비교적 낮았고, 최대 전력부가효율은 4.1% 높게 나타났다. 또한, 8dB 백-오프된 지점에서의 인접채널 누설비는 거의 동일하였다.

후속연구

이와 같은 구조를 이용한 N-단 도허티 증폭기의 구성하여 부하변조가 정확하게 이루어진다면, 일반적인 N-단 도허티 증폭기와 비교해 크기를 감소시킬 수 있고, 효율은 더 높일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도허티 증폭기를 이용하여 효율과 선형성을 동시에 개선시키는 방법에는 무엇이 있는가?	도허티 증폭기를 이용하여 효율과 선형성을 동시에 개선시키는 방법들이 활발히 연구되고 있으며, 그 방법에는 DGS (Defected Ground Structure)마이크로스트립 선로를 이용하여 고조파 단락을 통한 효율 개선 방법, 그리고 최근에는 효율의 백-오프 구간을 개선 시키는 방법도 제시되고 있다[4]~[7].
	도허티 증폭기는 어떻게 구성되어있는가?	일반적으로 도허티 증폭기는 AB급의 주 증폭기와 B, C급의 고 효율 피킹 증폭기 회로로 구성되어 있으며, 주 증폭기의 포화 영역에서 피킹 증폭기가 동작을 시작하여 전력이 더해지는 구조로 간단한 회로로 효율을 개선시키는 방법이다. 이러한 구조의 효율 개선 방법은 EER(Envelope Elimination and Resotoration)과 LINC(LInear amplification using Nonlinear Component)등의 효율 개선 회로들과 비교했을 때 회로 구조의 간편함으로 높은 효율 개선 효과를 볼 수 있는 장점을 가지고 있다.
	도허티 증폭기 구조의 효율개선방법의 장점은?	일반적으로 도허티 증폭기는 AB급의 주 증폭기와 B, C급의 고 효율 피킹 증폭기 회로로 구성되어 있으며, 주 증폭기의 포화 영역에서 피킹 증폭기가 동작을 시작하여 전력이 더해지는 구조로 간단한 회로로 효율을 개선시키는 방법이다. 이러한 구조의 효율 개선 방법은 EER(Envelope Elimination and Resotoration)과 LINC(LInear amplification using Nonlinear Component)등의 효율 개선 회로들과 비교했을 때 회로 구조의 간편함으로 높은 효율 개선 효과를 볼 수 있는 장점을 가지고 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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