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문제 정의
- 본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 사용하여 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 적용한 고효율 스위칭 도허티 전력증폭기를 연구하였다. 본 논문에서 제안한 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 동작 주파수 2.
가설 설정
- 1) 낮은 입력 전력 구간: 피킹 증폭기가 동작하지 않음.
- 2) 중간 입력 전력 구간: 낮은 입력 전력 구간과 최대 입력 전력 구간 사이에서 동작.
제안 방법
- 8 V의 게이트 바이어스와 40 V의 드레인 전압을 인가하여 설계 시 수행한 모든 시뮬레이션에 적용하였다. ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다. 로드풀 및 소스풀 시뮬레이션 입력 조건은 더 정확한 시뮬레이션을 위해 포화출력을 갖는 입력전력에서 3 dB back-off 된 입력전력을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 논문에서는 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 설계하기 위해 Cree사의 10 W, GaN HEMT CGH40010F를 사용하였다. Cree사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀 (load-pull)과 소스풀 (source-pull) 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서 적용한 하모닉 차수는 회로의 크기 및 효율을 고려하여 3차 하모닉 주파수 성분까지 적용하여 설계하였다.
- <표 1>은 다른 연구기관에서 선행한 연구 결과와 본 논문에서 제안한 스위칭 모드 도허티 전력증폭기의 특성을 비교하여 나타내었다. 기존의 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 통신 시스템의 송신기에 적용하기 위해서 선형성을 고려하여 설계하였으며 캐리어 증폭기는 Class-AB 바이어스 조건에서 동작시켜 표와 같은 특성을 얻었다. 본 논문은 선형성을 고려하지 않고 최대 효율을 얻을 수 있도록 Class-B 바이어스 조건에서 동작시켰으며 특성을 비교해 본 결과 약 19%～26%의 효율이 개선된 것을 확인하였다.
- <그림 5>는 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기 제작사진이다. 단일 스터브를 사용하여 하모닉 성분을 정합하였으며, 병열 커패시터와 DC block 커패시터를 이용하여 기분 주파수 성분을 정합하였다. 드레인 바이어스 라인은 마이크로 스트립라인을 이용하여 2차 하모닉 성분을 최적화 할 수 있도록 구성하였다.
- 단일 스터브를 사용하여 하모닉 성분을 정합하였으며, 병열 커패시터와 DC block 커패시터를 이용하여 기분 주파수 성분을 정합하였다. 드레인 바이어스 라인은 마이크로 스트립라인을 이용하여 2차 하모닉 성분을 최적화 할 수 있도록 구성하였다. <그림 6>은 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기의 측정결과를 나타낸 그림이다.
- 일반 통신 시스템과 달리 레이더는 신호를 송신하고 송신된 신호가 물체에 맞고 반사된 신호를 검출하여 속도 및 위치 정보를 얻기 때문에 선형성이 중요하지 않다. 따라서 본 논문에서는 일반통신 시스템의 전력증폭기와 달리 선형성을 고려하지 않고 높은 효율 특성을 갖는 스위칭 모드 전력증폭기를 이용하여 도허티 전력증폭기를 구성하였다. <그림 7>은 본 논문에서 제안한 스위칭 모드도허티 전력 증폭기의 구성도이다.
- 또한 λ/4 임피던스 변환기와 효율 특성을 최적화하기 위한 오프셋 라인 (offset-line)으로 구성하였다.
- ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다. 로드풀 및 소스풀 시뮬레이션 입력 조건은 더 정확한 시뮬레이션을 위해 포화출력을 갖는 입력전력에서 3 dB back-off 된 입력전력을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다.<그림 3>은 로드풀 시뮬레이션에서 찾은 임피던스값을 마이크로 스트립라인으로 회로를 구현하여 스미스 차트에서 확인한 결과를 나타낸다.
- 본 논문에서는 고효율 특성을 갖는 GaN HEMT를 사용하여 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 설계하고 도허티 구조에 적용하여 S-대역 레이더용 스위칭 모드 도허티 전력증폭기를 설계하였다. 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 피크 전력비를 6 dB 에서 최대 효율 특성을 가지도록 결정 하였다.
- 본 논문에서는 고효율 특성을 갖는 GaN HEMT를 사용하여 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 설계하고 도허티 구조에 적용하여 S-대역 레이더용 스위칭 모드 도허티 전력증폭기를 설계하였다. 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 피크 전력비를 6 dB 에서 최대 효율 특성을 가지도록 결정 하였다.
- 시뮬레이션에서 적용한 하모닉 차수는 회로의 크기 및 효율을 고려하여 3차 하모닉 주파수 성분까지 적용하여 설계하였다. 시뮬레이션 바이어스 조건은 40 V의 드레인 전압 바이어스 조건으로 설계하였다.
- Cree사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀 (load-pull)과 소스풀 (source-pull) 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서 적용한 하모닉 차수는 회로의 크기 및 효율을 고려하여 3차 하모닉 주파수 성분까지 적용하여 설계하였다. 시뮬레이션 바이어스 조건은 40 V의 드레인 전압 바이어스 조건으로 설계하였다.
- 또한 λ/4 임피던스 변환기와 효율 특성을 최적화하기 위한 오프셋 라인 (offset-line)으로 구성하였다. 오프셋 라인은 캐리어 전력증폭기의 누설 전류를 최소화 하고 설계된 Class-E 전력증폭기의 하모닉 성분을 오프셋 라인의 길이를 조정하여 최적의 효율 특성을 갖는 길이를 선택하여 제작하였다. 실험 조건은 40 V의 드레인 바이어스 전압과 -4 V의 캐리어 증폭기 게이트 바이어스 전압 및 -7.
- <그림 7>은 본 논문에서 제안한 스위칭 모드도허티 전력 증폭기의 구성도이다. 제안된 스위칭 모드 도허티 전력 증폭기는 효율을 개선하기 위해 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 앞서 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 적용하였다. 기판은 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기에 사용된 것과 동일한 Taconic사의 TLX-7을 사용하였다.
- 최적의 동작특성을 얻기 위해 40 V의 드레인 바이어스 전압과 실험을 위한 Class-B 게이트 바이어스 전압은 -3.5 V이지만 게이트 바이어스를 -9 V까지 변화시켰을 때 -4 V의 게이트 바이어스 전압 조건일 때 최적의 동작특성을 나타내는 것을 확인하여 -4 V의 게이트 바이어스 전압 조건에서 측정하였다. 측정 결과 2.
대상 데이터
- 게이트 바이어스는 Class-B 바이어스 조건인-2.8 V의 게이트 바이어스와 40 V의 드레인 전압을 인가하여 설계 시 수행한 모든 시뮬레이션에 적용하였다. ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다.
- 제안된 스위칭 모드 도허티 전력 증폭기는 효율을 개선하기 위해 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 앞서 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 적용하였다. 기판은 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기에 사용된 것과 동일한 Taconic사의 TLX-7을 사용하였다.
- 본 논문에서는 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 설계하기 위해 Cree사의 10 W, GaN HEMT CGH40010F를 사용하였다. Cree사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀 (load-pull)과 소스풀 (source-pull) 시뮬레이션을 수행하였다.
- 실험 조건은 40 V의 드레인 바이어스 전압과 -4 V의 캐리어 증폭기 게이트 바이어스 전압 및 -7.5 V의 피킹 증폭기의 게이트 바이어스 조건과 100 ㎲의 펄스폭을 갖는 duty 10%인 입력 펄스 신호를 사용하여 실험한 결과를 에 나타내었다.
- <그림 6>은 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기의 측정결과를 나타낸 그림이다. 제작에 사용한 기판은 Taconic사의 비유전율 2.6, 기판 두께 0.504 mm, 동판 두께 18 ㎛인 기판 (TLX-7)을 사용하였다. 측정을 위한 입력 RF 신호는 일반적인 펄스 레이더 입력조건인 100 ㎲의 펄스폭을 갖는 duty 10%인 펄스 신호를 사용하였다.
- 504 mm, 동판 두께 18 ㎛인 기판 (TLX-7)을 사용하였다. 측정을 위한 입력 RF 신호는 일반적인 펄스 레이더 입력조건인 100 ㎲의 펄스폭을 갖는 duty 10%인 펄스 신호를 사용하였다.
데이터처리
- <표 1>은 다른 연구기관에서 선행한 연구 결과와 본 논문에서 제안한 스위칭 모드 도허티 전력증폭기의 특성을 비교하여 나타내었다. 기존의 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 통신 시스템의 송신기에 적용하기 위해서 선형성을 고려하여 설계하였으며 캐리어 증폭기는 Class-AB 바이어스 조건에서 동작시켜 표와 같은 특성을 얻었다.
성능/효과
- 5 V의 피킹 증폭기의 게이트 바이어스 조건과 100 ㎲의 펄스폭을 갖는 duty 10%인 입력 펄스 신호를 사용하여 실험한 결과를 <그림 9>에 나타내었다. 2.85 GHz 주파수 대역에서 측정한 결과 포화 소스전력에서 6 dB back-off된 지점 39.5 dBm의 소스전력에서 65%의 전력부가효율과 80.6%의 드레인 효율이 측정되었다. 또한 포화 소스전력 45.
- 그림에서도 알 수 있듯이 낮은 입력 구간에서는 피킹 증폭기가 동작하지 않다가 포화 소스전력으로부터 6 dB 떨어진 지점부터 전류가 급격히 흐르는 것을 확인할 수 있다. 2.85 GHz 주파수 대역에서 포화 소스전력 35 W에서 소스 RF 펄스의 상승시간 (rise time)과 하강시간 (fall time)을 측정한 결과 각각 38.8 ns와 22 ns로 측정되었으며, 6 dB back-off 된 지점에서의 상승시간과 하강시간은 31.9 ns와 19.6 ns로 측정되었다.
- 첫번째, 낮은 입력 전력 구간에서의 동작 특성은 피킹 증폭기는 동작하지 않고 캐리어 증폭기만 소스 전력에 대해 최대 소스 전력의 1/2지점까지 선형적으로 증가한다. 두 번째, 중간 입력 전력 구간에서는 캐리어 증폭기의 소스전력은 포화 상태가 되며 피킹 증폭기는 Class-C 바이어스로 동작하기 때문에 이 구간에서 expansion 형태로 동작하기 시작한다. 세 번째, 최대 입력 전력구간에서는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 모두 최대 소스 전력을 갖게 된다.
- 5 dBm의 출력 전력과 73%의 이상의 전력부가 효율 및 76%의 드레인 효율이 측정되었다. 또한 2.8 GHz 대역에서 89%의 최대 드레인 효율이 측정되었다.
- 6%의 드레인 효율이 측정되었다. 또한 포화 소스전력 45.5 dBm의 소스 전력에서 67%의 전력부가효율과 80.2%의 드레인 효율이 측정되었다.
- 본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 사용하여 설계한 Class-E 스위칭 모드 전력증폭기를 적용한 고효율 스위칭 도허티 전력증폭기를 연구하였다. 본 논문에서 제안한 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 동작 주파수 2.7 GHz∼2.9 GHz 대역에서 포화 출력전력 지점과 6 dB back-off된 지점에서 각각 58∼67% 전력부가효율과 66∼80.6%의 드레인 효율을 갖는 것을 확인하였다. 본 연구 결과 제안된 스위칭 모드 도허티 전력증폭기가 일반적인 도허티 전력증폭기와 비교했을 때 우수한 효율 특성을 갖는 것을 확인하였으며 제안된 방식의 전력증폭기는 고효율 레이더 송신기 전력증폭기뿐만 아니라 일반 통신 시스템에 적용하면 효율을 개선하여 시스템의 크기 및 운용비용을 절감 할 수 있을 것이라 기대 된다.
- 기존의 스위칭 모드 도허티 전력증폭기는 통신 시스템의 송신기에 적용하기 위해서 선형성을 고려하여 설계하였으며 캐리어 증폭기는 Class-AB 바이어스 조건에서 동작시켜 표와 같은 특성을 얻었다. 본 논문은 선형성을 고려하지 않고 최대 효율을 얻을 수 있도록 Class-B 바이어스 조건에서 동작시켰으며 특성을 비교해 본 결과 약 19%～26%의 효율이 개선된 것을 확인하였다.
- 설계 결과 2.7 GHz ∼2.9 GHz 주파수 대역내에서 42.6 dBm 이상의 출력 전력과 75% 이상의 드레인 효율 특성을 갖는 것을 확인하였다.
- 두 번째, 중간 입력 전력 구간에서는 캐리어 증폭기의 소스전력은 포화 상태가 되며 피킹 증폭기는 Class-C 바이어스로 동작하기 때문에 이 구간에서 expansion 형태로 동작하기 시작한다. 세 번째, 최대 입력 전력구간에서는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 모두 최대 소스 전력을 갖게 된다. 이와 같은 도허티 전력증폭기의 동작특성을 임피던스 관점에서 해석하면 세 가지 입력 구간에 따른 소스 임피던스는 다음과 같다.
- <그림 3>은 로드풀 시뮬레이션에서 찾은 임피던스값을 마이크로 스트립라인으로 회로를 구현하여 스미스 차트에서 확인한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 결과 소스 임피던스는 6.807 - j10.211 ohm이며 부하 임피던스는 9.028 + j8.907 ohm 이며, 이때 부하 2차 하모닉 임피던스는 3.189 + j78.828 ohm이며, 3차 하모닉 임피던스는 94.65 + j129.744 ohm이다. <그림 4>는 설계된 전력증폭기의 전압과 전류 파형을 나타낸 것이다.
- 이 때 도허티 전력증폭기의 동작 특성을 입력 전력의 크기에 따라 세 가지 구간으로 나눠서 설명할 수 있다. 첫번째, 낮은 입력 전력 구간에서의 동작 특성은 피킹 증폭기는 동작하지 않고 캐리어 증폭기만 소스 전력에 대해 최대 소스 전력의 1/2지점까지 선형적으로 증가한다. 두 번째, 중간 입력 전력 구간에서는 캐리어 증폭기의 소스전력은 포화 상태가 되며 피킹 증폭기는 Class-C 바이어스로 동작하기 때문에 이 구간에서 expansion 형태로 동작하기 시작한다.
- 측정 결과 2.7 GHz ∼ 2.9 GHz 주파수대역 내에서 43.3 ± 0.5 dBm의 출력 전력과 73%의 이상의 전력부가 효율 및 76%의 드레인 효율이 측정되었다.
후속연구
- 6%의 드레인 효율을 갖는 것을 확인하였다. 본 연구 결과 제안된 스위칭 모드 도허티 전력증폭기가 일반적인 도허티 전력증폭기와 비교했을 때 우수한 효율 특성을 갖는 것을 확인하였으며 제안된 방식의 전력증폭기는 고효율 레이더 송신기 전력증폭기뿐만 아니라 일반 통신 시스템에 적용하면 효율을 개선하여 시스템의 크기 및 운용비용을 절감 할 수 있을 것이라 기대 된다.
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