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고조파 제어 회로를 이용한 X-대역 전력 증폭기의 효율 개선에 관한 연구
A Study on Efficiency Improvement of X-Band Power Amplifier Using Harmonic Control Circuit 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.9, 2010년, pp.987 - 994  

김형종 (광운대학교 전파공학과) ,  최진주 (광운대학교 전파공학과) ,  김동윤 (LIG 넥스원) ,  나형기 (LIG 넥스원)

초록
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본 논문에서는 간단하면서도 효과적인 능동적인 로드 풀(active load-pull) 방법을 제시하고, 고조파임피던스 성분을 제어하는 회로를 사용하여, X-대역 전력 증폭기의 효율을 개선시킬 수 있는 방법에 관하여 연구하였다. 제안된 능동적인 로드 풀 시스템은 크게 방향성 결합기와 위상 변위기, 단락 회로, 그리고 전력 증폭기로 구성되어 있으며, 전통적인 능동적인 로드 풀 방법에 비해 반사 계수가 1인 지점까지 임피던스를 쉽게 가져다 놓을 수 있다. 본 논문에서 사용된 소자는 Mitsubishi사의 GaAs FET인 MGF1801이며, 9 GHz의 동작 주파수에서 class-A일 때, 21.65 dBm의 출력 전력과 24.9 %의 드레인 효율을 얻었고, class-AB일 때, 21.46 dBm의 출력 전력과 53.3%의 드레인 효율을 얻었다. 고조파 제어 회로는 실험에 사용된 초고주파 부품의 주파수 대역폭의 한계로 인해, 2차와 3차 항 성분까지만 고려하여 설계하였으며, class-AB에서, 6.4 %의 효율이 증가된 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a simple and effective active load-pull method is proposed, and the method to improve the efficiency of X-band power amplifier using harmonic control circuit is presented. The proposed active load-pull system mainly consists of directional coupler, phase shifter, short circuit, and po...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 2차와 3차 고조파 성분에 대하여 별도의 신호 발생기와 가변 전력 감쇄기, 위상 변위기를 쓰지 않고, 2차와 3차 고조파 주파수 성분에 대한 제어 회로를 사용하여 고조파 성분들을 조율(tuning)함으로써 효율 개선 가능성을 살펴보기로 한다. 그림 4는 고조파 임피던스 성분을 제어하기 위한 회로를 나타낸다.
  • 본 논문에서는 X-대역에서 GaAs FET를 이용한 전력 증폭기의 효율 개선 가능성을 살펴보았다. 현재 상용화되어 있는 X-대역의 소자들의 대부분은 비선형 모델이 제공되지 않기 때문에 고효율을 내기 위해 스위칭 모드 기법을 적용한 X-대역 고출력 전력 증폭기를 시뮬레이션 코드를 통해 설계한다는 것은 어려운 실정이다.
  • 본 논문에서는 간단하고 효과적인 능동적인 로드 풀 방법뿐만 아니라 고조파 임피던스 성분을 제어하는 회로를 사용하여, X-대역에서의 전력 증폭기의 효율을 개선시킬 수 있는 방안에 대해서도 제시하였다.
  • 현재 상용화되어 있는 X-대역의 소자들의 대부분은 비선형 모델이 제공되지 않기 때문에 고효율을 내기 위해 스위칭 모드 기법을 적용한 X-대역 고출력 전력 증폭기를 시뮬레이션 코드를 통해 설계한다는 것은 어려운 실정이다. 이러한 문제점을 해결하고자 새로운 방식의 능동적인 로드 풀 실험 방법을 제시하였다. 또한, 전력 증폭기의 효율을 증가시키기 위한 고조파 제어 회로를 소개하였고, 여러 초고주파 부품의 주파수 대역폭의 한계로 인해 2차와 3차항까지 만을 고려하여 설계 및 실험하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
능동적인 로드 풀 방식은 무엇인가? 그림 1은 전통적인 능동적인 로드 풀 방식과 새로운 방식의 능동적인 로드 풀 방식을 보여 준다. 능동적인 로드 풀 방식은 1976년 Yoichiro Takayama에 의해 처음 소개되었으며, 트랜지스터와 같은 DUT의 출력에 입력과 같은 주파수의 신호를 넣어 인위적인 반사파를 만들어 줌으로써 수동적인 임피던스 튜너를 사용하지 않고 최적의 부하 임피던스를 찾아내는 측정 기법이다[5]. 일반적으로, 30 W 이상의 고출력 트랜지스터 소자의 경우 최대 출력 전력 성능을 내기 위한 부하 임피던스는 10 Ω 이하로 아주 작은 값을 가진다[6].
로드 풀 방법에는 무엇이 있는가? 이러한 경우는 로드 풀 측정 시스템을 이용하여 트랜지스터를 실제 동작 영역인 대신호 조건에서 측정함으로써 우리가 원하는 최적의 부하 임피던스를 찾아야 한다. 일반적으로, 로드 풀 방법에는 수동적인 로드 풀(passive load-pull)과 능동적인 로드 풀이 있다. 수동적인 로드 풀은 임피던스 스터브 튜너(stub tuner)를 이용하는 것으로, 구현하기가 쉬운 반면, 스터브 튜너와 DUT(Device Under Test) 사이의 손실로 인해, 반사 계수가 1인 지점까지 보내는데 한계가 있다.
Mitsubishi사의 MGF1801 소자의 특징은 무엇인가? 효율 개선 가능성에 관한 실험을 하기 위해 선택한 소자는 Mitsubishi사의 MGF1801이다. 이 소자는 매칭이 되어 있지 않는(unmatched) 패키지화된 GaAs FET로서, S~X 대역까지 사용 가능하며, 8 GHz의 주파수에서 23 dBm의 출력 전력과 9 dB의 전력 이득을 낼 수 있다. 그림 7(a)는 바이어스 조건을 6 V의 전압과 100 mA의 전류(class-A)로 했을 때, FET로 주입되는 전력에 따른 최적화된 출력 전력, 이득, 드레인 전류, PAE, 드레인 효율을 나타낸 것이다.
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참고문헌 (8)

  1. Y. S. Lee, M. W. Lee, S. H. Kam, and Y. H. Jeong, "A highly linear and efficient three-way doherty amplifier using two-stage GaN HEMT cells for repeater systems", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 51, no. 12, pp. 2895-2898, Dec. 2009. 

  2. 김선숙, 서철헌, "Single FET와 class-F급을 이용한 이중 대역 고효율 전력증폭기 설계", 전자공학회논문지, 45(1) TC, pp. 110-114, 2008년 1월. 

  3. David Schmelzer, Stephen I. Long, "A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with >80 % PAE", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 10, pp. 2130-2136, Oct. 2007. 

  4. Gary Simpson, "A comparison of harmonic tuning methods for load pull systems", Maury Microwave Corporation, Ontario, California, Available at: http: //www.maurymw.com, Jul. 2009. 

  5. Y. Takayama, "A new load-pull characterization method for microwave power transistors", IEEE International Microwave Symposium Digest, vol. 76, no. 1, pp. 218-220, Jun. 1976. 

  6. Z. Aboush, J. Lees, J. Benedikt, and P. Tasker, "Active harmonic load-pull system for characterizing highly mismatched high power transistors", IEEE International Microwave Symposium Digest, pp. 1311-1314, Jun. 2005. 

  7. P. Bouysse, J.-M. Nebus, J.-M. Coupat, and J.-P. Villotte, "A novel, accurate load-pull setup allowing the characterization of highly mismatched power transistors", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 42, no. 2, pp. 327-332, Feb. 1994. 

  8. Z. Aboush, C. Jones, G. Knight, A. Sheikh, H. Lee, J. Lees, J. Benedikt, and P. J. Tasker, "High power active harmonic load-pull system for characterization of high power 100 watt transistors", European Microwave Conference Proc., Oct. 2005. 

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