[국내논문]1:4 전송 선로 트랜스포머를 이용한 고출력 고효율 광대역 전력 증폭기의 설계 Design of High-Power and High-Efficiency Broadband Amplifier Using 1:4 Transmission Line Transformer원문보기
본 논문에서는 부궤환 회로, 푸쉬풀 구조, 광대역 RF choke, 전송 선로 트랜스포머를 이용하여 30~512 MHz의 초광대역에서 동작하는 100 W 고효율 전력 증폭기를 설계하였다. 출력 전력을 향상시키고자 전송 선로를 이용한 트랜스포머에 병렬로 커패시터를 삽입하여 적절하게 로드 임피던스를 정합하였다. 제작한 광대역 전력 증폭기는 동작 주파수 대역에서 100 W 이상의 출력 전력과 $18.34{\pm}0.9\;dB$의 높고 고른 이득 특성을 보였다. one-tone 측정에서 2차 고조파는 -34 dBc 이하, 3차 고조파는 -12 dBc 이하의 선형성 특성을 보였으며, 출력 전력 100 W에서 약 40% 이상의 고효율 특성을 보였다.
본 논문에서는 부궤환 회로, 푸쉬풀 구조, 광대역 RF choke, 전송 선로 트랜스포머를 이용하여 30~512 MHz의 초광대역에서 동작하는 100 W 고효율 전력 증폭기를 설계하였다. 출력 전력을 향상시키고자 전송 선로를 이용한 트랜스포머에 병렬로 커패시터를 삽입하여 적절하게 로드 임피던스를 정합하였다. 제작한 광대역 전력 증폭기는 동작 주파수 대역에서 100 W 이상의 출력 전력과 $18.34{\pm}0.9\;dB$의 높고 고른 이득 특성을 보였다. one-tone 측정에서 2차 고조파는 -34 dBc 이하, 3차 고조파는 -12 dBc 이하의 선형성 특성을 보였으며, 출력 전력 100 W에서 약 40% 이상의 고효율 특성을 보였다.
This paper presents a design of a 100 W high-efficiency power amplifier, whose operational frequency band expands from 30 to 512 MHz, using negative feedback network, push-pull structure, broadband RF choke, and transmission line transformer for balun configuration. The push-pull amplifier has been ...
This paper presents a design of a 100 W high-efficiency power amplifier, whose operational frequency band expands from 30 to 512 MHz, using negative feedback network, push-pull structure, broadband RF choke, and transmission line transformer for balun configuration. The push-pull amplifier has been tuned for higher output power using a shunt capacitor as a matching component at its load especially for high-frequency region. The implemented power amplifier exhibited a very flat power gain of $18.34{\pm}0.9\;dB$ throughout the operating frequency band and very high power-added efficiency(PAE) of greater than 40% at an output power of 100 W. It also showed second- and third-harmonic distortion levels of below -34 dBc and -12 dBc, respectively, through the entire operating frequency band.
This paper presents a design of a 100 W high-efficiency power amplifier, whose operational frequency band expands from 30 to 512 MHz, using negative feedback network, push-pull structure, broadband RF choke, and transmission line transformer for balun configuration. The push-pull amplifier has been tuned for higher output power using a shunt capacitor as a matching component at its load especially for high-frequency region. The implemented power amplifier exhibited a very flat power gain of $18.34{\pm}0.9\;dB$ throughout the operating frequency band and very high power-added efficiency(PAE) of greater than 40% at an output power of 100 W. It also showed second- and third-harmonic distortion levels of below -34 dBc and -12 dBc, respectively, through the entire operating frequency band.
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문제 정의
본 논문에서는 30-512 MHz의 동작 주파수를 가지는 100 W 고효율 전력 증폭기를 설계하였다. 매칭회로를 발룬 형태의 트랜스미션 라인 트랜스포머를이용하여 크기를 소형화시켰으며, 여기에 병렬 캐패시터를 삽입하여 고출력 성능이 나오도록 하였다.
제안 방법
매칭회로를 발룬 형태의 트랜스미션 라인 트랜스포머를이용하여 크기를 소형화시켰으며, 여기에 병렬 캐패시터를 삽입하여 고출력 성능이 나오도록 하였다. 또한, 고줄력에서 고효율과 부궤환 회로와 푸쉬풀구조를 통해 평탄화된 이득과 고선형성을 만족시키도록 하여 통합된 시스템에 적합한 전력 증폭기를설계하였다®, 피 제2절에서는 이러한 통합된 시스템을 위한 광대역 전력 증폭기 회로 구성과 관련되어서 설명하였다.
부궤환 피드백 회로로 구성하였다. 소자의 드레인에서 게이트로 저항, 인덕터, 캐패시터로 구성하였다. 이를 통하여 동시에 회로의 안정성을 확보하면서 대역폭과 평탄도가 증가하는 효과를 얻을 수 있었다.
낮은 주파수 대 역에서 높은 주파수까지의 광대역주파수 대역을 모두 만족시키기 위해 페라이트 코어와 에나멜 코일을 사용하여 광대역의 RF choke를 구성하였다. 이 때의 인덕턴스 Ze 식 (1)과 같다.
식 (1)을 살펴보면 인덕턴스에 가장 영향을 끼치는 요소로 트랜스미션 라인의 감는수와 투자율임을 알 수 있다. 에나멜 코일이 6턴일때, 페라이트 코어의 투자율에 따른 2~512 MHz 대역에서 손실 값을 네트워크 분석기로 측정한 후, 표 1에 결과 값을 정리하였다. 또한, 에나멜 코일의 감는 수가 증가할수록 RF choke 특성이 좋아지는 것이아니고, 주파수 전 대역에서 최소한의 손실을 나타내는 최적화된 값이 존재하는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
입력단에도 병렬 캐패시터를 삽입하여 고주파 대역의 이득 보상을 위한 임피던스 매칭을 하였다.
회로도이다. 설계된 광대역 전력 증폭기는 30 MHz에서 512 MHz까지의 대역폭을 목표로 설계하였으며, 광대역 매칭을 위하여 R, L, C 소자를 이용하여 부궤환 회로를 구성하였다. 그림 6은 1:4 입 .
이 측정 결과를 s3p 파일로 변환하여 ADS에서 전체 회로도를 구성하여 시물레이션 하였다.
피드백 궤환 경로의 길이를 최소화로 가져갈수록 손실이 적어지고, 출력 파워가 향상됨을 확인할 수 있었다. 그렇기 때문에 피드백 경로의 라인을 제거하고, 저항, 캐패시터, 인덕터 소자만으로 최소화하여 구성하였다. 제작한 발룬 구조의 50 Q to 12.
그렇기 때문에 피드백 경로의 라인을 제거하고, 저항, 캐패시터, 인덕터 소자만으로 최소화하여 구성하였다. 제작한 발룬 구조의 50 Q to 12.5 Q 임피던스 트랜스포머는 25 Q 특성임피던스를 가지는 동축 케이블과 입력은 toroidal 형태, 출력은 RID 형태의 페라이어트 코어를 이용하여제작하였다. 입력에 비해 출력 트랜스포머의 크기를크게 가져간 이유는 페라이트 코어의 열 방출 문제 때문이다.
때의 실험결과를 요약하였다. 표 5는 설계된광대역 전력 증폭기의 측정 결과를 이전에 발표되었던 논문, 실제 상용 제품과 함께 정리, 비교하였다.
우리가 일반적으로 사용하는 전력 증폭기의 소자는 주파수가 올라갈수록 임피던스 실수값이 낮아지는 경향이 있다. 따라서 이점을 보상하고자 출력단의 트랜스포머에 병렬 캐패시터를 삽입하여 출력파워를 위한 효과적인 임피던스 매칭을 하였다. 그림 4는 출력단의 캐패시터 값에 따른 실수 임피던스값을 보여준다.
본 논문에서는 VHF, UHF 대 역에서 50 Q to 12.5 Q 임피던스 트랜스포머에 병렬 캐패시터를 삽입하여 출력 파워와 이득을 위한 최적의 임피던스 매칭을 통한 고출력, 고효율 광대역 전력 증폭기를 설계하였다.
대상 데이터
100 w 광대역 전력 증폭기를 구동시키기 위해 20 W 광대역 전력 증폭기를 사용하였다. 2단 푸쉬풀 구조로 LDMOS MRF282Z와 GaN 소자 CGH40025 소자로 구성한 구동증폭기는 2 MHz에서 512 MHz까지의 대역폭을 가지며, Gaine 최소 41.
RF35의 PCB 재질을 사용하였고, 제작된 모듈의 크기는 71 mm><75 mm이다. 소자 선택에 있어서 LDMOS 소자보다 Cree사의 GaN 소자인 CGH-40120을 택한 이유는 고효율과 고출력면에서 유리하기 때문이다.
성능/효과
소자의 드레인에서 게이트로 저항, 인덕터, 캐패시터로 구성하였다. 이를 통하여 동시에 회로의 안정성을 확보하면서 대역폭과 평탄도가 증가하는 효과를 얻을 수 있었다.
그림 2와 같이 푸쉬풀 구조를 통해서 이론적으로 2차 하모닉을 완전히 제거할 수 있었고, 고출력을위한 성능을 낼 수 있었다.
에나멜 코일이 6턴일때, 페라이트 코어의 투자율에 따른 2~512 MHz 대역에서 손실 값을 네트워크 분석기로 측정한 후, 표 1에 결과 값을 정리하였다. 또한, 에나멜 코일의 감는 수가 증가할수록 RF choke 특성이 좋아지는 것이아니고, 주파수 전 대역에서 최소한의 손실을 나타내는 최적화된 값이 존재하는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
캐패시터 값이 커질수록 주파수가증가할수록 실수 임피던스 값이 떨어짐을 보여주고있다. 삽입한 병렬 캐패시터에 의해 로드 라인의 기울기를 변화시킴에 따라 고주파 대역에서 적절하게임피던스 매칭을 할 수 있었다. 표 2는 출력 트랜스포머에 적절하게 찾은 47 pF 캐패시터를 삽임함에따른 로드 임피던스의 변화를 보여준다.
시물레이션 결과는 표 3에 나타내었다. 출력 파워는 100 W 이상, Gain의 평탄화는 ±1.3 dB였으며, PAE 는 최대 58.3 %, 최소 35.7 %의 특성을 보였다. 2차하모닉은 최대 -42.
소자 선택에 있어서 LDMOS 소자보다 Cree사의 GaN 소자인 CGH-40120을 택한 이유는 고효율과 고출력면에서 유리하기 때문이다. 피드백 궤환 경로의 길이를 최소화로 가져갈수록 손실이 적어지고, 출력 파워가 향상됨을 확인할 수 있었다. 그렇기 때문에 피드백 경로의 라인을 제거하고, 저항, 캐패시터, 인덕터 소자만으로 최소화하여 구성하였다.
그림 8은 30-512 MHz에서 출력 파워가 100 W 일 때 Gain과 PAE의 실험 결과이다. 파워이 득은 최대 19.25 dB, 최소 17.65 dB로 ±0.9 dB 의 평탄한 특성을 보였으며, PAE는 최대 58.8 %, 최소 39.9 %의 특성을 보였다. 그림 9는 동작 주파수의 100 W 출력 레벨에서 2차 고조파와 3차 고조파 특성을 보여준다.
표 5에서처럼 4:1 발룬 임피던스 트랜스포머와 병렬 캐패시터를 이용한 임피던스 매칭을 통하여 이득의 평탄화, 선형성 면에서 좋은 특성을 보였으며, 효율면에서는 확실히 성능이 우수하다는 것을 살펴볼수 있다.
제작된 광대역 전력 증폭기는 100 W 이상의 출력전력과 이득 평탄도는 18.34±0.9 dB로 측정되었다. 출력 파워가 100 W일 때 PAE는 최대 59 %, 최소 40 %의 효율 특성을 보였고, 2차 고조파는 -34 dBc 이하, 3차 고조파는 T2 dBc 이하의 좋은 특성을 가지는 결과를 얻었다.
9 dB로 측정되었다. 출력 파워가 100 W일 때 PAE는 최대 59 %, 최소 40 %의 효율 특성을 보였고, 2차 고조파는 -34 dBc 이하, 3차 고조파는 T2 dBc 이하의 좋은 특성을 가지는 결과를 얻었다.
참고문헌 (7)
Y. Ayasli, L. D. Reynolds, J. L. Vorhaus, and L. Hanes, "Monolithic 2-20 GHz GaAs travellingwave amplifier", IEEE Electronics Letters, vol. 18, no. 14, pp. 596-598, Jul. 1982.
Pablo Gomez-Jimenez, "Analysis and design procedure of transmission-line transformers", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 56, no. 1, pp. 163-171, Jan. 2008.
N. Sahan, "High-power 20-100-MHz linear and efficient power-amplifier design", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 56, no. 9, pp. 2032-2039, Sep. 2008.
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