[논문]광대역 특성의 LPF를 이용한 도허티 증폭기의 전력 효율 향상에 관한 연구

정두원; 서철헌

광대역 특성의 LPF를 이용한 도허티 증폭기의 전력 효율 향상에 관한 연구
Research on PAE of Doherty Amplifier with Low-pass Filter of Wide Stopband 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.46 no.1 = no.379, 2009년, pp.107 - 111

정두원 (숭실대학교 정보통신정자공학부) , 서철헌 (숭실대학교 정보통신정자공학부)

초록
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본 논문에서는 PBG 특성을 갖는 새로운 Low-pass Filter(LPF)를 증폭기의 출력정합단에 적용하여 도허티 증폭기의 효율을 향상하였다. 제안된 LPF 적용된 도허티 증폭기는 고조파 성분들이 저지됨으로 선형성은 그대로 유지하면서 출력 전력의 증가와 소비 전류의 감소로 일반적인 도허티 증폭기와 비교하여 35%의 효율을 증가시켰다. 또한 PBG 특성을 사용함으로써 LPF의 크기를 줄였다. 이를 통해 일반적인 마이크로 스트립 라인의 LPF를 사용한 도허티 증폭기보다 전체적인 도허티 증폭기의 크기를 줄일 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the power added efficiency(PAE) of a Doherty amplifier has been improved by applying Photonic Bandgap(PBG) characteristics on the output of amplifier. As a result of the high order harmonics termination, excellent improvement in PAE, maximum output power as well as linearity is obtained. The PAE is improved as much as relatively 35% compared with a conventional Doherty amplifier. Moreover, size of LPF is reduced by PBG characteristics. Therefore the whole amplifier circuit size is considerably reduced by diminishing in size of the LPF as compared with a Doherty amplifier using conventional LPFs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 새로운 구조의 LPF를 도허티 증폭기의 출력 정합회로에 구현함으로서 고조파에 의해 소비되는 소비 전류를 줄이고 도허티 증폭기의 PAE를 향상시킬 수 있었다.

가설 설정

일반적인 도허티 증폭기의 최적화된 출력 load-ptdl 동작의 설계 방법은 이상적은 상황에서 고조파 하모닉이 없다고 가정한다. 그러므로 PAE는 기본주파수만 고려된다.

제안 방법

제안한 LPF 구조를 적용한 도허티 증폭기의 성능 비교를 위해 일반적인 구조의 도티 증폭 기도 함께 설계하였다. 4 W의 출력을 내는 LDMOS 소자인 Freescale 사의 MRF281SR1 을 사용하였고 주 증폭기는 class AB, 보조 증폭기는 B급으로 동작하도록 설계하였다.
PBG 특성을 분석하여 이와 비슷한 특성을 나타내는 LPF를 설계하였다. 그림 4는 제안한 PBG 특성을 갖는 LPF를 보여주고 있다.
본 논문에서 PBG 특성을 이용한 새로운 구조의 LPF 를 도허티 증폭기에 적용하였다. 새로운 LPF의 구부린 라인을 조절함으로서 혼합 커플링의 크기를 조절하여 전송선로를 이용한 LPF의 주기적인 특성을 억제하였고 광대역 저지 특성을 보이는 LPF를 설계할 수 있었다.
나타내고 있다. 제안한 LPF 구조를 적용한 도허티 증폭기의 성능 비교를 위해 일반적인 구조의 도티 증폭 기도 함께 설계하였다. 4 W의 출력을 내는 LDMOS 소자인 Freescale 사의 MRF281SR1 을 사용하였고 주 증폭기는 class AB, 보조 증폭기는 B급으로 동작하도록 설계하였다.
하지만 이는 출력 정합단에서 보조 증폭기가 완전히 개방되어야 하지만 실제 그렇지 않기 때문에 offset line을 통하여 상당히 개선 할 수 있다. 주 증폭기와 보조 증폭기 출력단에 제안한 LPF가 연결되고 출력이 정합되는 곳에 위상을 같게 하기 위해 offset line을 연결하였다';

대상 데이터

유전율 3.2인 Taconic TLC-32를 사용하여 그림 4의 구조대로 제안된 LPF를 제작하였다 (W = 0.2 mm, S = 5 mm, A = 1.2 mm, B = 0.8 mm). 그림 5는 제작된 LPF의 측정 결과를 보여주고 있다.

이론/모형

2 % PAE을 얻을 수 있었다. 최대 출력 전력을 위해 Load-pull 방법을 통한 파워 매칭을 하였다.

성능/효과

3 % 높다. 같은 출력 레벨에서 제안된 도허티 증폭기와 일반적인 도허티 증폭기의 선형성을 비교하는 것은 최대 출력 파워가 다르기 때문에 적절하지 않지만 제안한 도허티 증폭기의 선형이 약간 개선되었다(1.17 dB사司.
그림 8에서 LPF를 사용한 도허티 증폭기가 고조파를 출력 레벨보다 -50 dB 이하로 저지하는 것을 확인할 수 있다. 고조파를 제거함으로서 출력 전력을 개선하고 DC 소비 전력을 감소 시켜 전체적으로 PAE를 향상 시킨 결과를 확인할 수 있다.
새로운 LPF의 구부린 라인을 조절함으로서 혼합 커플링의 크기를 조절하여 전송선로를 이용한 LPF의 주기적인 특성을 억제하였고 광대역 저지 특성을 보이는 LPF를 설계할 수 있었다. 또한 일반적인 전송선로를 이용한 LPF보다 뛰어난 성능에도 불구하고 크기를 줄여 시스템의 크기를 줄이는데 효과적이었다. 이를 도허티 증폭기의 출력 정합단에적용하여 고조파를 억제하고 고조파에 해당하는 출력전력을 줄여 소비 전류를 줄임으로 효율을 일반적인 도허티 증폭기 보다 35 % 이상 개선하였다.
도허티 증폭기에 적용하였다. 새로운 LPF의 구부린 라인을 조절함으로서 혼합 커플링의 크기를 조절하여 전송선로를 이용한 LPF의 주기적인 특성을 억제하였고 광대역 저지 특성을 보이는 LPF를 설계할 수 있었다. 또한 일반적인 전송선로를 이용한 LPF보다 뛰어난 성능에도 불구하고 크기를 줄여 시스템의 크기를 줄이는데 효과적이었다.
설계한 도허티 증폭기의 시뮬레이션 결과는 Pmb에서 38.9 dBm의 출력과 54.2 % PAE을 얻을 수 있었다. 최대 출력 전력을 위해 Load-pull 방법을 통한 파워 매칭을 하였다.
또한 일반적인 전송선로를 이용한 LPF보다 뛰어난 성능에도 불구하고 크기를 줄여 시스템의 크기를 줄이는데 효과적이었다. 이를 도허티 증폭기의 출력 정합단에적용하여 고조파를 억제하고 고조파에 해당하는 출력전력을 줄여 소비 전류를 줄임으로 효율을 일반적인 도허티 증폭기 보다 35 % 이상 개선하였다.
있다. 이를 통해 제안된 LPF는 마이크로 스트립 라인이 갖는 주기적인 특성을 억제하고 광대역인 LPF를만들 수 있다.
제안된 LPF는 28.1 mm x 7.8 mm의 크기로 고조파를 억제하는 뛰어난 성능에도 불구하고 마이크로 스트립 라인을 이용한 일반적인 LPF 보다 70 % (28.1 mm / 89.7 mm) 이상 크기를 줄였다.
그림 10은 도허티 증폭기의 소비 전류와 PAE의 측정 결과를 나타낸다. 제안한 도허티 증폭기의 소비전류가 일반적인 도허티 증폭기의 소비전류보다 PidB에서 50 mA 낮은 것을 확인할 수 있다. 제안한 도허티 증폭기의 최대 효율은 Pmb에서 54.
제안한 도허티 증폭기의 소비전류가 일반적인 도허티 증폭기의 소비전류보다 PidB에서 50 mA 낮은 것을 확인할 수 있다. 제안한 도허티 증폭기의 최대 효율은 Pmb에서 54.9 %로 일반적인 도허티 증폭기의 효율 39.6 %보다 15.3 % 높다. 같은 출력 레벨에서 제안된 도허티 증폭기와 일반적인 도허티 증폭기의 선형성을 비교하는 것은 최대 출력 파워가 다르기 때문에 적절하지 않지만 제안한 도허티 증폭기의 선형이 약간 개선되었다(1.

참고문헌 (8)

S. C. Cripps, RF Power Amplifier for Wireless Communications. Boston: Artech House, pp. 290？303, 2006
M. Iwamoto, A.Williams, P.-F. Chen, A. G. Metzger, L. E. Larson, and P. M. Asbeck, "An extended Doherty amplifier with high efficiency over a wide power range," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 12, pp. 2472？2479, Dec. 2001

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Y. Jeong, S. Jeong, J. Lim, and S. Nam, "A new method to suppress harmonics using λ/4 bias line combined by defected ground structure in power amplifiers," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 13, no. 12, pp. 538？540, Dec. 2003

상세보기
J. D. Joannopoulos, R. D. Meade and J. N. Winn, "Photonic Crystals : Molding the Folow of Light," Photonic Crystals : Molding the Folow of Light, 1995
T. Kim, and C. Seo, "A Novel Photonic Bandgap Structure for LowpassFilter of Wide Stopband," IEEE Microw. Guided Wave Lett., vol. 10, No. 1, pp. 13-15, Jan. 2000

상세보기
B. Kim and Y. Kim. Nam, "Mixed Coupling Structure for the Cross Coupling of Comb-line Filters," Microw. and Opt. Tech. Lett., vol. 35, no. 1, pp. 20？23, Oct. 2002

상세보기
B. Kim and Y. Kim. Nam, "The Doherty Power Amplifier," IEEE Microw. Magazine, pp. 42？50, Oct. 2006
H. Choi, J. Lim and Y. Jeong, "A New Design of Doherty Amplifiers Using Defected Ground Structure," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 16, no. 12, pp. 687？689, Dec. 2006

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