[논문]새로운 고조파 차단 부하 회로를 이용한 2.14 GHz 대역 고효율 F급 전력 증폭기

김영규; 정용채; 임종식; 김동수; 김준철; 박종철

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.9.1065

새로운 고조파 차단 부하 회로를 이용한 2.14 GHz 대역 고효율 F급 전력 증폭기
A Novel Harmonic Load Network for High Efficiency Class-F Power Amplifier at 2.14 GHz 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.1065 - 1071

김영규 (전북대학교 전자정보공학부 및 정보통신연구센터) , (전북대학교 전자정보공학부 및 정보통신연구센터) , 정용채 (전북대학교 전자정보공학부 및 정보통신연구센터) , 임종식 (순천향대학교 전기통신공학과) , 김동수 (전자부품연구원) , 김준철 (전자부품연구원) , 박종철 (전자부품연구원)

초록
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본 논문에서는 새로운 고조파 차단 부하 회로를 제안하고, 이 회로를 이용한 고효율 F급 전력 증폭기를 설계하였다. 제안된 부하 회로는 F급 전력 증폭기의 효율을 향상에 있어서 큰 기여도를 갖는 2차와 3차 고조파에서 종단 임피던스를 제어한다. 제안된 부하 회로의 2차와 3차 고조파 입력 임피던스는 각각 단락 및 개방 임피던스를 보인다. 제작된 구조의 부하 회로는 F급 전력 증폭기의 고조파를 억압하기에 충분한 24 dB 이상의 감쇠 특성도 보인다. 부하 회로를 이용한 F급 전력 증폭기의 측정 결과는 최대 출력($P_{1dB}$) 35.17 dBm에서 드레인 효율 75.7%, 전력 부가 효율 71.3 %를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a novel harmonic load circuit to design a high efficiency class-F amplifier. The proposed load circuit controls termination impedances to enhance the efficiency of class-F power amplifier. The termination impedances at the 2nd and the 3rd harmonics are showed short and open condition, respectively. Also, a fabricated load circuit showed an attenuation characteristic more than 29 dB, that is enough to eliminate harmonics of the class-F power amplifier. The measured drain and power-added efficiency are 75.7 % and 71.3 % at the point of maximum output power 35.17 dBm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 F급 전력 증폭기를 설계하기 위한 새로운 고조파 차단 부하 회로를 제안하였다. 제안된 고조파 차단 부하 회로를 WCDMA 기지국 하향 링크 주파수 대역인 2.
본 연구에서는 효율 향상에 있어서 가장 큰 기여도를 갖는 2차와 3차 고조파 성분만을 제거하는 새로운 고조파 차단 부하 회로를 제안하여 2.14 GHz 대역에서 동작하는 F급 전력 증폭기를 설계하였다.

제안 방법

14 GHz에서 측정하여 나타낸 것이다. 고조파 차단 부하 회로의 적합성을 보이기 위해 고조파 차단을 하지 않은 B급 증폭기와 본 논문에서 제안한 고조파 차단 부하 회로를 사용한 F급 증폭기의 드레인 효율(Drain Efficiency: DE), 전력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE), 그리고 이득을 각각 측정하고 함께 비교하였다.
이러한 통신 서비스를 효과적으로 이용하기 위해서는 multi-mode/band용 기지국/중계국 전력 증폭기의 개발이 시급하다. 본 연구에서 제안한 고조파 차단 부하 회로는 2.14 GHz 대역의 F급 전력 증폭기에만 적용하였으나, 이를 응용할 경우 이중 대역(dual-band) 고조파 차단 부하 회로의 설계가 가능하다. 현재 이중 대역 고조파 차단 부하 회로의 설계 및 제작은 완료하였으며, 향후 이중 대역 F급 전력 증폭기의 설계 및 제작이 연구 중이다.
제안된 F급 전력 증폭기용 고조파 차단 부하 회로의 타당성을 보이기 위해 3차원 전자기 시뮬레이터인 Ansoft사의 HFSS 11을 이용하여 시뮬레이션하였다. 전력 증폭기의 동작 주파수는 WCDMA 기지국용 하향 주파수 대역인 2.11～2.17 GHz로 설정하였으며, 중심 주파수인 2.14 GHz에서 특성을 고찰하였다. 시뮬레이션과 측정에 사용된 기판은 유전율(ε_r)이 2.
그림 4는 제작된 고조파 차단 부하 회로의 사진이다. 제작된 고조파 차단 부하 회로의 적합성을 증하기 위해 WCDMA 기지국 하향 주파수에서 동작하는 F급 전력 증폭기를 제작하였다. 제작된 전력 증폭기에 사용된 트랜지스터는 GaAs FET으로 Eudyna사의 FLL357ME이다.

대상 데이터

시뮬레이션과 측정에 사용된 기판은 유전율(εr)이 2.2이고 두께(h)가 31 mil이며, 동판의 두께(t)가 1 Oz인 Rogers사의 RT/duroid 5880이다.
본 연구에서는 F급 전력 증폭기를 설계하기 위한 새로운 고조파 차단 부하 회로를 제안하였다. 제안된 고조파 차단 부하 회로를 WCDMA 기지국 하향 링크 주파수 대역인 2.14 GHz에서 설계하였다. 제안된 부하 회로는 2차와 3차 고조파에서 F급 전력 증폭기의 고조파들을 억압하기에 충분한 24 dB 이상의 감쇠 특성을 보였다.
제작된 고조파 차단 부하 회로의 적합성을 증하기 위해 WCDMA 기지국 하향 주파수에서 동작하는 F급 전력 증폭기를 제작하였다. 제작된 전력 증폭기에 사용된 트랜지스터는 GaAs FET으로 Eudyna사의 FLL357ME이다.

데이터처리

제안된 F급 전력 증폭기용 고조파 차단 부하 회로의 타당성을 보이기 위해 3차원 전자기 시뮬레이터인 Ansoft사의 HFSS 11을 이용하여 시뮬레이션하였다. 전력 증폭기의 동작 주파수는 WCDMA 기지국용 하향 주파수 대역인 2.

이론/모형

1 dBm)을 얻을 수 있는 출력 정합점과 제작된 증폭기의 사진을 보이고 있다. 바이어스 조건은 V_ds=10 V, I_ds=10 mA로서 사용된 트랜지스터에 B급 바이어스를 인가하였으며, 출력 정합점은 load-pull 기법을 이용하여 추출하였다. 최대 출력 전력을 위한 최적 부하 임피던스는 10.

성능/효과

2차와 3차 고조파를 차단한 F급 전력 증폭기의 최대 출력(P1dB)은 35.17 dBm이고, DE는 75.7 %로써 62.6 %를 보인 B급 전력 증폭기보다 13.1 %의 효율 증대를 얻었다. 또한, PAE는 최대 출력(P1dB) 35.
34 dB를 얻었다. 고조파 차단으로 전력 증폭기의 이득을 높일 수 있었으며, 이는 DE보다 PAE에서 두 증폭기의 성능 차이를 확실히 구별할 수 있게 하였다.
그림 3은 시뮬레이션 특성과 제작 특성이 매우 유사함을 보이고 있다. 기본파 중심 주파수 2.14 GHz에서 측정된 회로의 삽입 손실은 0.11 dB이며, 이를 통해 동작 주파수의 신호에는 미소한 신호 감쇄 영향을 주면서 고조파 차단 특성은 매우 우수한 고조파 차단 부하 회로임을 확인할 수 있다.
1 %의 효율 증대를 얻었다. 또한, PAE는 최대 출력(P1dB) 35.17 dBm에서, F급 전력 증폭기는 71.3 %로 57.8 %를 보인 B급 전력 증폭기보다 13.5 %의 효율 증대를 얻었다. 이는 제안된 F급 전력 증폭기가 고조파 성분의 제거를 통해 효율을 높일 수 있는 효과적인 방법인 것을 증명하고 있다.
5 %의 효율 증대를 얻었다. 이는 제안된 F급 전력 증폭기가 고조파 성분의 제거를 통해 효율을 높일 수 있는 효과적인 방법인 것을 증명하고 있다. 이득은 최대 출력(P1dB)에서 B급 전력 증폭기는 11.
이는 제안된 F급 전력 증폭기가 고조파 성분의 제거를 통해 효율을 높일 수 있는 효과적인 방법인 것을 증명하고 있다. 이득은 최대 출력(P1dB)에서 B급 전력 증폭기는 11.16 dB, F급 전력 증폭기는 12.34 dB를 얻었다. 고조파 차단으로 전력 증폭기의 이득을 높일 수 있었으며, 이는 DE보다 PAE에서 두 증폭기의 성능 차이를 확실히 구별할 수 있게 하였다.
제안된 고조파 차단 부하 회로의 단락 및 개방 선로는 기본파에서 λ/4의 물리적 길이만큼 트랜지스터와 이격되어 있어서 종전의 고조파 차단 부하 회로와 비교할 때 전력 트랜지스터와의 접합 문제에서 자유롭다.
14 GHz에서 설계하였다. 제안된 부하 회로는 2차와 3차 고조파에서 F급 전력 증폭기의 고조파들을 억압하기에 충분한 24 dB 이상의 감쇠 특성을 보였다. 부하 회로의 입력 임피던스는 F급 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있도록 요구되는 2차와 3차 고조파에서의 단락 및 개방 조건을 충분히 충족하면서 기본파에서 0.
11 dB의 작은 삽입 손실을 가진다. 제작된 F급 전력 증폭기는 B급 전력 증폭기보다 드레인 효율, 전력 부가 효율, 그리고 이득 특성이 매우 우수함을 보였다.

후속연구

14 GHz 대역의 F급 전력 증폭기에만 적용하였으나, 이를 응용할 경우 이중 대역(dual-band) 고조파 차단 부하 회로의 설계가 가능하다. 현재 이중 대역 고조파 차단 부하 회로의 설계 및 제작은 완료하였으며, 향후 이중 대역 F급 전력 증폭기의 설계 및 제작이 연구 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 증폭기의 효율 증가로 인한 이점은?	전력 증폭기는 송신기 단에 가장 핵심적인 부분으로서, 전체 시스템 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 전력 증폭기의 효율이 증가하게 되면 기지국 및 중계기 측면에서 냉각 시스템의 사용으로 인한 추가 비용을 감소시킬 수 있고, 또한 단말기 측면에서는 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다. 전력증폭기의 효율 증대를 위한 방법 중 가장 대표적인 증폭기로 E급 전력 증폭기와 F급 전력 증폭기가 있다.
	E급 전력 증폭기와 F급 전력 증폭기의 특징은?	전력증폭기의 효율 증대를 위한 방법 중 가장 대표적인 증폭기로 E급 전력 증폭기와 F급 전력 증폭기가 있다. E급 전력 증폭기의 경우, 스위칭 증폭기의 대표적인 형태로 회로는 비교적 간단한 반면, 출력 전력이 캐패시턴스에 따라 변하기 때문에, 민감도가 높아 GHz 대역에서 대전력 증폭기를 구현하기에 어려움이 따른다. F급 전력 증폭기의 경우에는 전류와 전압의 출력 파형이 서로 겹치는 것을 없애기 위해 증폭기가 최대 출력이 되었을 때 고조파 성분을 제어하는 방식을 선택한다. 또한, 전력 밀도가 높고 외부 회로만으로 고조파 성분을 조율하여 효율을 높이기 때문에 쉽게 접근할 수 있는 장점을 갖는다. 하지만, 모든 고조파 성분을 제거하는 회로를 만들기 위해서는 회로가 복잡해지기 때문에, 현실적으로 모든 고조파 성분을 제어하는 것은 불가능하다. 이론적으로 F급 전력 증폭기는 모든 고조파 성분을 제거하면 100 %의 효율을 얻을 수 있다[1]～[3].
	전력증폭기의 효율 증대를 위한 방법으로 대표적인 종류는?	전력 증폭기의 효율이 증가하게 되면 기지국 및 중계기 측면에서 냉각 시스템의 사용으로 인한 추가 비용을 감소시킬 수 있고, 또한 단말기 측면에서는 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다. 전력증폭기의 효율 증대를 위한 방법 중 가장 대표적인 증폭기로 E급 전력 증폭기와 F급 전력 증폭기가 있다. E급 전력 증폭기의 경우, 스위칭 증폭기의 대표적인 형태로 회로는 비교적 간단한 반면, 출력 전력이 캐패시턴스에 따라 변하기 때문에, 민감도가 높아 GHz 대역에서 대전력 증폭기를 구현하기에 어려움이 따른다.

참고문헌 (8)

Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 2006.
Andrey V. Grebennikov, "Circuit design technique for high efficiency class F amplifier", IEEE MTT-S Digest, vol. 2, pp. 771-774, Jun. 2000.
김정준, 문정환, 김장헌, 김일두, 전명수, 김범만, "2.14-GHz 대역 고효율 Class-F 전력 증폭기 개발", 한국전자파학회논문지, 18(8), pp. 873-879, 2007 년 8월.

원문보기 상세보기
Frederick H. Raab, "Class-F power amplifier with maximally flat waveforms", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 45, no. 11, pp. 2007-2012, Nov. 1997.

상세보기
Chanmin Lee, Youngcheol Park, "Design of compact-sized class-F PA for wireless handset applications", IEEE International Microwave Symposium Proceedings, pp. 405-408, Jun. 2009.
Youngwoo Yang, Youngyun Woo, Jaehyok Yi, and Bumman Kim, "A new empirical large-signal model of Si LDMOSFETs for high-power amplifier de sign", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 9, pp. 1626-1633, Sep. 2001.

상세보기
Youngyun Woo, Youngoo Yang, and Bumman Kim, "Analysis and experiments for high-efficiency class-F and inverse class-F power amplifiers", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 5, pp. 1969-1974, May 2006.

상세보기
Yongchae Jeong, Si-gyun Jeong, Jongsick Lim, and Sangwook Nam, "A new method to suppress harmonics using ${\lambda}/4$ bias line combined by defected ground structure in power amplifiers", IEEE Microwave and Wireliess Components Letters, vol. 13, no. 12, pp. 538-540, Dec. 2003.

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저자의 다른 논문 :

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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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