[논문]Envelope Tracking 전력 증폭기의 선형성 개선을 위한 새로운 드레인 바이어스 기법

정진호

[국내논문] Envelope Tracking 전력 증폭기의 선형성 개선을 위한 새로운 드레인 바이어스 기법
New Drain Bias Scheme for Linearity Enhancement of Envelope Tracking Power Amplifiers 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.46 no.3 = no.381, 2009년, pp.40 - 47

정진호 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 W-CDMA 기지국용 envelope tracking 전력 증폭기의 선형성 특성을 개선하는 새로운 드레인 바이어스 기법을 제안한다. 기존의 envelope tracking 전력 증폭기에서 드레인 바이어스 전압은 트랜지스터의 문턱전압 근처까지 감소하여 선형성 특성이 크게 나빠진다. 이 문제를 해결하기 위해서 본 연구에서는 입력 신호가 작을 때는 드레인 바이어스 전압이 고정된 class AB로 동작하게 하고 입력 신호가 클 때는 envelope tracking 동작을 하도록 하는 방법을 제안한다. 또한, envelope tracking 동작에서 신호의 왜곡을 줄이도록 드레인 바이어스 전압과 입력 신호의 관계를 새로이 구한다. 제안된 기법의 효과를 검증하기 위하여 class AB Si-LDMOS 전력 증폭기를 사용하여 W-CDMA envelope tracking 전력 증폭기를 설계하였다. 제안된 드레인 바이어스 기법은 평균 효율을 저하시키지 않으면서 선형성 특성을 크게 개선하여 추가의 선형화 기법 없이도 W-CDMA 기지국용 전력 증폭기의 선형성 사양을 만족시키는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents new drain bias scheme for the linearity enhancement of envelope tacking power amplifiers for W-CDMA base-stations. In the conventional envelope tracking power amplifiers, the drain bias voltage is lowered close to the knee voltage of transistor, resulting in the severe linearity degradation. To solve this problem, it is proposed in this paper that the amplifier is biased in the conventional class AB mode with a fixed drain bias voltage if the input envelope is low and in the envelope tracking mode otherwise. Moreover, the drain bias in the envelope tracking mode is newly determined to minimized the distortion. To verify the effectiveness of the proposed bias scheme, simulation is performed on the W-CDMA based-station envelope tracking power amplifier using class AB Si-LDMOS power amplifier. It is shown from the simulation that the proposed bias scheme allows a drastic linearity enhancement with the comparable efficiency enough to meet the requirement of W-CDMA base-station without additional linearization techniques.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 제안된 바이어스 기법이 W-CDMA 기지국용 전력 증폭기의 효율과 선형성 특성에 어떠한 영향 미치는 지 살펴보기 위하여, 여러가지 바이어스 기법에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 7은 본 연구에서 고려된 네 가지 바이어스 기법 각각의 丨团와 吃〃의 관계를 나타낸 그림이다.
본 연구에서는 envelope tracking 전력 증폭기의 선형성 개선을 위해서 드레인 바이어스 전압을 결정하는 새로운 방법을 제안한다. 이를 위해 W-CDMA 기지국용 class AB 전력 증폭기를 설계한 다음, 서로 다른 드레인 바이어스 기법에 대하여 envelope tracking 전력증폭기의 특성(평균 효율, 선형성)을 비교한다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 드레인 바이어스 전압의 최소값을 평균효율을 저하시키지않는 범위 내에서 최대한 높은 전압으로 선택하였다. 또한, 드레인 바이어스 전압을 입력 신호 크기에 단순히 비례하도록 결정하지 않고 선형성 특성을 개선할 있도록 AM-PM 왜곡이 작도록 결정하였다.
크게 저하시킨다. 본 연구에서는 이를 개선할 수 있는 새로운 드레인 바이어스 결정법에 대하여 제안하고자 하는데, 드레인 바이어스 전압의 최소값 VDDmin 결정법과 vDDmin 이상의 전압에서 μ&와 比|와의관계를 구하는 방법 등 두 가지 즉면을 다룬다.

가설 설정

14 GHz의 시간영역 신호로 변환하여 class AB RF 전력증폭기 입력에 인가한다. RF 전력증폭기 입력전력은 모든 시뮬레이션에서 33.9 dBm으로고정하였다. 사용된 W-CDMA 신호의 중심 주파수는 2.

제안 방법

Envelope tracking 전력 증폭기에 사용할 RF 전력증폭기를 Freescale사의 Si LDMOS FET (모델명 : MRF5S21130)를 이용하여 설계하였다. W-CDMA 응용을 위해서 중심 주파수는 2.
본 연구에서는 Agilent사의 ADS(advanced design system)에 구현되어 있는 pTolemy 기능으로 co-simulation을 수행하였다. RF 전력 증폭기 외부의 신호 처리는 디지털 영역에서 해석하고, 전력 증폭기 내부는 아날로그 시뮬레이션인 envelope analysis를 통해 해석한다⑹.
이용하여 설계하였다. W-CDMA 응용을 위해서 중심 주파수는 2.14 GHz로 결정하였으며, 선형성 특성이 우수하도록 class AB로 설계하였다. 트랜지스터의 데이터시트를 참고하여 설계된 회로는 그림 2에 제시되어 있다.
따라서 새로운 바이어스 기법은 입력 신호의 크기가 작을 때는 드레인 바이어스 전압 吃刀를 10 V로 고정시켜 class AB 동작을 하게하고, 입력 신호가 클 때는 μ庭를 10 V에서 32 V사이에서 변화시켜 envelope tracking 동작을 하도록 한다. 이는 class AB와 envelope trackin增의 결합이라고 할 수 있다.
선택하였다. 또한, 드레인 바이어스 전압을 입력 신호 크기에 단순히 비례하도록 결정하지 않고 선형성 특성을 개선할 있도록 AM-PM 왜곡이 작도록 결정하였다.
따라서, 디지털과 아날로그 두 영역에서의 시뮬레이션(co-simulation)이 필요하다. 본 연구에서는 Agilent사의 ADS(advanced design system)에 구현되어 있는 pTolemy 기능으로 co-simulation을 수행하였다. RF 전력 증폭기 외부의 신호 처리는 디지털 영역에서 해석하고, 전력 증폭기 내부는 아날로그 시뮬레이션인 envelope analysis를 통해 해석한다⑹.
방법을 제안한다. 이를 위해 W-CDMA 기지국용 class AB 전력 증폭기를 설계한 다음, 서로 다른 드레인 바이어스 기법에 대하여 envelope tracking 전력증폭기의 특성(평균 효율, 선형성)을 비교한다. 평균 효율을 저하시키지 않으면서 envelope tracking 전력 증폭기의 선형성을 크게 개선시킬 수 있는 드레인 바이어스 기법을 제안하고 시뮬레이션으로 검증한다.
이를 위해 W-CDMA 기지국용 class AB 전력 증폭기를 설계한 다음, 서로 다른 드레인 바이어스 기법에 대하여 envelope tracking 전력증폭기의 특성(평균 효율, 선형성)을 비교한다. 평균 효율을 저하시키지 않으면서 envelope tracking 전력 증폭기의 선형성을 크게 개선시킬 수 있는 드레인 바이어스 기법을 제안하고 시뮬레이션으로 검증한다.
표 1에 각 바이어스 기법에 따른 평균 전력부가효율 (PAE), EVM (error vector magnitude), 전력 이득, ACLR (adjacent channel leakage ratio) 등을 정리하였다. 드레인 바이어스가 고정되어 있는 class AB 전력증폭기(바이어스 기법 1)에 비하여 envelope tracking 전력 증폭기(바이어스 기법 2)는 전력부가효율을 38.

대상 데이터

나타낸다. ADS는 여러가지 형태의 W-CDMA 신호를 생성해 주는데, 그 중 본 연구에서는 test model 1을 사용하였다. 이 입력 신호의 크기를 추출하기 위하여 W-CDMA 신호에서 기저대역, 즉, I와 Q 신호를 추출한 다음(그림 8 에서 TimedToCx) 이를 크기 (magnitude) 와 위상 (phase) 신호로 변환한다.
9 dBm으로고정하였다. 사용된 W-CDMA 신호의 중심 주파수는 2.14 GHz, 칩당 샘플 개수는 8, 1 slot 당 칩 수는 2560개, symbol rate는 3.84 MHz 이다.

이론/모형

시뮬레이션을 위하여 위 회사에서 제공된 트랜지스터 모델을 사용하였다. 2.

성능/효과

기존 envelope tracking 전력 증폭기(바이어스 기법 2)에 비하여 새로운 바이어스 기법 3은 평균 효율은 51.2%로 약간 감소하지만, EVN[은 12.8 %로 개선된다. 또한, ACLR1은 30.
8 dB로서 W-CDMA 기지국용 전력 증폭기의 스펙트럼 사양을 만족시킨다. 기존의 envelope tracking 전력 증폭기가 선형성이 나빠서 선형화 기법을 사용해야 하지만, 본 연구에서 제안한 드레인 바이어스 기법은 평균 효율을 떨어뜨리지 않으면서 선형성 특성을 크게 개선하여 별도의 선형화 기법을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
8 %로 개선된다. 또한, ACLR1은 30.3 dB, ACLR2는 44.4 曲로 개선되며, 전력 이득은 11.7 dB로 증가한다. 하지만, ACLR 특성이 여전히 W-CDMA 기지국용 전력 증폭기의 사양을 만족시키지 못하고 있다.
마지막으로 바이어스 기법 4는 전력부가효율은 51.8 %로 기존 envelope tracking 전력 증폭기(기법 2)에 비하여 0.4 % 작지만, 전력 이득은 12.6 曲로 0.9 dB 개선된다. 특히, EVMe 6.
시뮬레이션을 통하여 제안된 기법이 일반적인 envelope tracking 전력 증폭기에 비하여 평균 효율은저하시키지 않고 선형성 특성 (EVM과 ACLR)은 크게개선시킬 수 있다는 것을 보였다. 특히, 특별한 선형화 기법을 사용하지 않고 W-CDMA 기지국 전력 증폭기의 ACLR 사양을 만족시킬 수 있었다.
드레인 바이어스전압의 최대값(I今功川球)은 트랜지스터의 드레인-게이트 붕괴전압을 고려하여 결정한다. 이 연구에서 吃功„球는 32 V로 결정되었다. 이에 대응되는 최대입력 신호의 크기(I团 max) 는 전력 증폭기의 이득과 VDD= μ에서 효율을 고려하여 선택하게 된다.
기존 envelope tracking 전력 증폭기는 드레인 바이어스 전압에 따른 트랜지스터의 특성 변화로 인하여 AM-PM 특성이 class AB 전력 증폭기에 비하여 급격이 나빠진다(그림 11(a)와 그림 11(b)의 비교). 제안된 3번, 4번 바이어스 기법은 이러한 AM-PM 특성 저하를 크게 개선시킬 수 있으며, 4번이 가장 우수한 AM-PM 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 위상 변화가 작도록 드레인 바이어스 전압을 결정했기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 3번(그림 10 (c)), 4번 기법 (그림 10 (d))은 입력 신호가 작을 때 이득이 줄어드는 현상이 크게 개선되었다. 제안된 4번 바이어스 기법이 AM-AM 왜곡이 가장 작은 것을 확인할 수 있다.
또한, VDD= 10 V 이하에서는 그림 5(b)에서처럼 전력부가효율이 전혀 개선되지 않는다는 것을 알 수 있다. 즉, 드레인 바이어스 전압을 10 V이하로 낮추면 평균 효율 개선 효과는 없으며 선형성 특성은 크게 저하된다. 이를 고려하여 본 연구에서는 吃을 10 V로 결정한다
수 있다는 것을 보였다. 특히, 특별한 선형화 기법을 사용하지 않고 W-CDMA 기지국 전력 증폭기의 ACLR 사양을 만족시킬 수 있었다. 따라서, 제안된 새로운 드레인 바이어스 기법은 향후 envelope tracking 전력 증폭기 설계에 유용하게 사용될 수 있으리라 기대한다.

후속연구

특히, 특별한 선형화 기법을 사용하지 않고 W-CDMA 기지국 전력 증폭기의 ACLR 사양을 만족시킬 수 있었다. 따라서, 제안된 새로운 드레인 바이어스 기법은 향후 envelope tracking 전력 증폭기 설계에 유용하게 사용될 수 있으리라 기대한다.

참고문헌 (6)

Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd Edition, Artech House, 2006
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. on Microwave Theory Tech., Vol. 54, No.11, pp. 3848-3856, Nov., 2006

상세보기
F. Wang, A. Yang, D. Kimball, L. Larson, and P. Asbeck, "Design of Wide-Bandwidth Envelope-Tracking Power Amplifiers for OFDM Applications," IEEE Trans. on Microwave Theory Tech., vol. 53, no. 4, pp.1244-1255, Apr. 2005

상세보기
J. Moon, J. Kim, I. Kim, J. Kim, and B. Kim, “A Wideband Envelope Tracking Doherty Amplifier for WiMAX Systems," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.. vol. 18, no.1, pp.49-51, Jan. 2008

상세보기
Semiconductor technical data, MRF5S21130, Motorola
Advanced Design System Documentation 2006A, Agilent Technologies

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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