본 논문에서는 저출력에서의 효율을 높이기 위한 전력 증폭기 시스템과 이 시스템에 필요한 재구성성이 있는 전력 분배기를 제안한다. 저출력에서의 효율을 높이게 되면, 무선 통신용 선형 전력 증폭기의 평균 효율을 높일 수 있다. 제안한 전력 분배기는 출력의 크기에 따라 고출력 모드와 저출력 모드로 동작한다. 각 모드에서 신호의 경로가 재구성되고 임피던스정합도 이루어진다. 이러한 재구성성이 있는 전력 분배기는 두 개의 $\lambda/4$ 결합 선로(coupled line)와 두 개의 스위치로 구성된다. 제작된 전력 분배기는 중심주파수 0.9 GHz에서 고출력 모드일 때 반사손실($S_{11}$)과 삽입손실($S_{21}$)이 각각 -16.49 dB와 -0.83 dB, 저출력 모드일 때 반사 손실($S_{11}$)과 삽입손실($S_{31}$)이 각각 -16.28 dB와 -0.73 dB였다. 이 결과를 통해 각 모드에서 신호의 경로가 재구성되며 임피던스 정합이 이루어지는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 저출력에서의 효율을 높이기 위한 전력 증폭기 시스템과 이 시스템에 필요한 재구성성이 있는 전력 분배기를 제안한다. 저출력에서의 효율을 높이게 되면, 무선 통신용 선형 전력 증폭기의 평균 효율을 높일 수 있다. 제안한 전력 분배기는 출력의 크기에 따라 고출력 모드와 저출력 모드로 동작한다. 각 모드에서 신호의 경로가 재구성되고 임피던스 정합도 이루어진다. 이러한 재구성성이 있는 전력 분배기는 두 개의 $\lambda/4$ 결합 선로(coupled line)와 두 개의 스위치로 구성된다. 제작된 전력 분배기는 중심주파수 0.9 GHz에서 고출력 모드일 때 반사손실($S_{11}$)과 삽입손실($S_{21}$)이 각각 -16.49 dB와 -0.83 dB, 저출력 모드일 때 반사 손실($S_{11}$)과 삽입손실($S_{31}$)이 각각 -16.28 dB와 -0.73 dB였다. 이 결과를 통해 각 모드에서 신호의 경로가 재구성되며 임피던스 정합이 이루어지는 것을 확인하였다.
In this paper, high efficiency amplifier configuration is proposed using the reconfigurable power divider. In order to enhance average efficiency of linear power amplifiers for wireless communication, it is required to increase efficiency in low output power region. The proposed power divider operat...
In this paper, high efficiency amplifier configuration is proposed using the reconfigurable power divider. In order to enhance average efficiency of linear power amplifiers for wireless communication, it is required to increase efficiency in low output power region. The proposed power divider operates in two modes, high power mode and low power mode, according to output power. In each mode, it allows impedance matches and low loss, which is made possible by employing two $\lambda/4$ coupled lines and two switches. The fabricated power divider shows the return loss ($S_{11}$) and insertion loss ($S_{21}$) of -16.49 dB and -0.83 dB, respectively, in low power mode. In high power mode, the measured return loss ($S_{11}$) and insertion loss ($S_{31}$) are -16.28 dB and -0.73 dB, respectively. This result successfully demonstrates the reconfigurability of the proposed power divider.
In this paper, high efficiency amplifier configuration is proposed using the reconfigurable power divider. In order to enhance average efficiency of linear power amplifiers for wireless communication, it is required to increase efficiency in low output power region. The proposed power divider operates in two modes, high power mode and low power mode, according to output power. In each mode, it allows impedance matches and low loss, which is made possible by employing two $\lambda/4$ coupled lines and two switches. The fabricated power divider shows the return loss ($S_{11}$) and insertion loss ($S_{21}$) of -16.49 dB and -0.83 dB, respectively, in low power mode. In high power mode, the measured return loss ($S_{11}$) and insertion loss ($S_{31}$) are -16.28 dB and -0.73 dB, respectively. This result successfully demonstrates the reconfigurability of the proposed power divider.
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문제 정의
이러한 사실로 볼 때, 그림 1에 제시된 class AB 전력 증폭기는 낮은 출력에서 효율이 나쁘므로 전체 평균 효율이 좋지 않다는 것을 예상할 수 있다. 낮은 출력에서 효율을 증가시키기 위하여 본 논문에서는 전력 증폭기 시스템을 고출력 모드와 저출력 모드로 나누어 동작시키는 방법에 대하여 연구한다. 입력단과 출력단으로 구성된 전력 증폭기 시스템은 고출력 모드에서는 입력단과 출력단 모두 동작시켜서 높은 출력 전력을 낸다.
본 논문에서는 출력의 크기에 따라 경로 재구성이 가능한 전력 분배기를 제안하였다. 두 개의 시4 결합 선로와 두 개의 스위치로 구성된 전력 분배기는 두 동작 모드에서 임피던스 정합이 이루어지면서 신호의 이동 경로가 재구성되는 특성을 가지고 있다.
본 연구에서는 고출력 모드와 저출력 모드로 동작하면서 평균 효율 개선 효과가 큰 전력 증폭기 시스템을 제안한다. 그림 4(a)에 그 구조가 나와 있는데, 출력이 작은 입력단 전력 증폭기, 출력이 큰 출력단 전력 증폭기, 그리고 재구성 성이 있는 전력 분배기로 구성되어 있다.
가설 설정
5. (a) Power divider in high power mode, (b) power divider in low power mode.
제안 방법
하지만, 이 비가 너무 크면 결합 선로 간격이 작아져서 물리적으로 구현하기가 어렵다. 따라서, 물리적으로 구현이 가능하면서 가장 우수한 대역폭 특성을 얻도록 각 결합 선로의 우모드, 기모드임피던스를 결정하였으며, 이를 표 1에 제시하였다. 여기서, 물리적 구현이 가능한 치수에 대한 정보는 PCB 제작 업체를 통해 얻었다.
저출력 모드에서는 출력단의 전력 증폭기를 끄고 입력단만 동작시켜서 불필요한 DC 전력 소모를 줄여 효율을 증가시키게 된다. 이때 두 출력 모드에서 신호의 경로를 재구성하는 새로운 전력 분배기를 제안하고 설계하였다.
이 두 모드에서 모두 임피던스 정합이 이루어져야 하며 손실은 작아야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위하여 그림 4(b) 와 같이 ;/4 길이의 결합 선로 두 개와 스위치 두 개로 구성된 전력 분배기를 제안한다. 이 구조는 2-2 에 제시된 결합 선로를 이용한 기존 연구에 비하여 크기가 작고 구조가 단순한 장점이 있다.
대상 데이터
그림 6은 실제로 제작된 전력 분배기의 사진이 다스 위 치는 Agilen사의 GaAs pHEMT(모델명 ATF- 36077)을 사용하였다. 이 트랜지스터의 드레인과 소스가 스위치 역할을 하며 게이트 전압을 통하여 단락(short)과 개방(open)을 하게 된다.
제안된 전력 분배기는 유전율이 10이고 두께가 30 mils인 Teflon 기판에서 설계되었으며, 설계 주파수는 1.0 GHz이다. 그림 4(b)의 전력 분배기를 설계하기 위해서는 먼저 각 결합 선로의 우모드 및 기모드 임피던스를 결정하여야 한다.
제안한 전력 분배기는 유전율이 10이고, 두께가 30 mils인 Teflon 기판에서 중심주파수를 1.0 GHz 하여 제작되었다. 실제로 제작한 전력 분배기는 스위치의 기생 인덕턴스로 인해 중심 주파수가 1.
이론/모형
이때 시뮬레 이션은 결합 선로의 특성을 보다 정확히 예즉하기 위하여 EM(electromagnetic) 시뮬레이터인 ADS 의 Momentunr을 이용하였다. 이 시뮬레이션에서는 스위치 대신 이상적인 개방과 접지를 사용하였다.
성능/효과
고출력 모드일 때와 저출력 모드일 때 대역폭을 비교해 보면 저출력일 때의 대역폭이 상당히 줄어든 것을 알 수 있다. 이는 고출력 모드일 때 신호를 차단하는 역할을 하는 아래쪽 人/4 결합 선로가 광대역으로 동작하는데 반해, 저출력 모드일 때는 신호를 차단하는 역할을 하는 위쪽 "4 결합 선로가 협대역으로 동작하기 때문이다.
그림 9는 시뮬레 이 션을 통해 얻은 고출력 모드와 저출력 모드에서의 격리도이다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 제안한 전력 분배기는 각각의 모드에서 격 리도가 -20 dB 이하인 우수한 특성을 보인다.
수식 (1) 과 (2)에 주어진 각 결합 선로의 특성 임피던스가 단자 임피던스 Zo(5O Q)와 같도록 하는 우모드와 기모드 임피던스 조합은 많이 존재한다. 시뮬레이션을 통해서 살펴본 결과, 기모드 임피던스와 우모드 임피던스의 비가 클수록 대역폭 특성이 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 하지만, 이 비가 너무 크면 결합 선로 간격이 작아져서 물리적으로 구현하기가 어렵다.
0 GHz 하여 제작되었다. 실제로 제작한 전력 분배기는 스위치의 기생 인덕턴스로 인해 중심 주파수가 1.0 GHz 에서 0.9 GHz로 약간 이동하였으며, 옮겨진 중심 주파수에서 측정 결과를 살펴보면 고출력 모드일 때, 반사 손실과 삽입 손실은 각각 T6.49 dB와 -0.83 dB이고 저출력 모드일 때, 반사 손실과 삽입 손실은 각각 T6.28 dB와 -0.73 dB이다. 위의 측정 결과를 통해 경로의 재구성 성을 확인하였고, 임피던스 정합도 이루어짐을 확인하였다.
73 dB이다. 위의 측정 결과를 통해 경로의 재구성 성을 확인하였고, 임피던스 정합도 이루어짐을 확인하였다.
된다. 이러한 사실로 볼 때, 그림 1에 제시된 class AB 전력 증폭기는 낮은 출력에서 효율이 나쁘므로 전체 평균 효율이 좋지 않다는 것을 예상할 수 있다. 낮은 출력에서 효율을 증가시키기 위하여 본 논문에서는 전력 증폭기 시스템을 고출력 모드와 저출력 모드로 나누어 동작시키는 방법에 대하여 연구한다.
중심 주파수가 1.0 GHz에서 0.9 GHz로 이동하였지만 이 지점에서 고출력 모드와 저출력 모드일 때 반사 손실과 삽입 손실의 측정 결과를 통해 제안한 전력 분배기는 경로를 재구성하고 각 모드에서 임피던스 정합이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 제안한 전력 분배기를 이용하여 전력 증폭기를 구성할 경우, 단자 2와 단자 3의 격리도(isolation)는반사 손실과 삽입 손실만큼 중요하다.
후속연구
그리고 본 연구는 제안한 전력 분배기를 이용한 고효율 전력증폭기에 대한 연구로 계속 진행될 것이다.
본 논문에서 제안한 전력 분배기를 이용하여 그림 4(a)와 같은 구조로 전력증폭기를 구현한다면 back-off 지점도 상당히 낮출 수 있어 전력 증폭기의 평균 효율 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 그리고 본 연구는 제안한 전력 분배기를 이용한 고효율 전력증폭기에 대한 연구로 계속 진행될 것이다.
참고문헌 (7)
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd Edition, Artech House, pp. 285- 290, 2006
J. F. Sevic, 'Statistical characterization of RF power amplifier efficiency for CDMA wireless co-mmunication systems', IEEE Wireless Communications Conf., pp. 110-113, Aug. 1997
D. Kimball, J. Jeong, C. Hsia, P. Draxler, S. Lanfranco, W. Nagy, K. Linthicum, L. Larson, and P. Asbeck, 'High efficiency envelope tracking W-CDMA base station amplifier using GaN HFETs', IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 54, no. 11, pp. 3848-3856, Nov. 2006
M. Kim, J. B. Hacker, R. E. Mihilovich, and J. F. DeNatale, 'A monolithic MEMS switched dual-path power amplifier', IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 285-286, Jul. 2001
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