[논문]비대칭 Doherty 구조를 이용한 전력 증폭기의 선형성 개선과 효율 보상에 관한 연구

강동진; 한기관; 이호웅

비대칭 Doherty 구조를 이용한 전력 증폭기의 선형성 개선과 효율 보상에 관한 연구
A Study on Improvement of Linearity and Efficiency Compensation in a Power Amplifier Using Asymmetical Doherty Structure 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.3 no.1, 2010년, pp.63 - 69

강동진 (한국정보통신기능대학) , 한기관 (한국정보통신기능대학) , 이호웅 (동원대학 정보통신과)

초록
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본 논문은 높은 선형성을 얻기 위하여 기존의 Doherty 구조에서 주 증폭기와 피킹 증폭기를 비대칭적으로 구성하고, 증폭기의 바이어스 점을 변화시켜 선형성을 개선하는 방법을 제안하였다. 주 증폭기와 피킹 증폭기의 구동 전력을 비대칭으로 주입하기 위하여 비균등 wilkinson 분배기를 추가하였다. 또한 전체적으로는 3-stage 구조를 이룸으로써 선형성에 따른 효율 감소를 보상하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 비대칭 Doherty 전력 증폭기와 비대칭 3-stage Doherty 전력 증폭기를 제작하였으며, 측정 결과 약 -55 dBc의 IMD 특성을 보였으며, 13%의 효율 특성을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new design method of asymmetrical configuration of main amplifier and peaking amplifier using changed bias point is proposed for excellent linearity, instead of the conventional Doherty structure. We have utilized the uneven wilkinson power divider for the unequal power drive at the input network of amplifiers. And we proposed a compensating method of the decreasing efficiency due to improving linearity using 3-stage Doherty structures. From the simulation results of asymmetrical Dohertry power amplifier and asymmetrical 3-stage Doherty power amplifier with uneven power drive are implemented. From the implementation and measurement results of the each amplifier, IMD characteristics have -55 dBc as the good efficiency of 13% compensates the decreased entire efficiency due to the improving linearity characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 고가의 피드포워드 기술이나 디지털 전치왜곡 기술에 적용할 수 없는 중소형 중계기의 전력 증폭기를 선형화하기 위해서 다른 대안이 필요하다 할 수 있다. 본 논문에서는 Doherty 기술을 응용하여 외부의 선형화 장치 없이도 원하는 선형성 특성을 얻어 내는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 ADS2009를 사용하여 회로 시뮬레이션을 하였다.
본 논문은 신호를 증폭하는 전력 증폭기의 특성 중 선형성 개선을 목표로 하는 연구이다. 원하는 목표를 달성하기 위해 기존에 알려진 이론들을 통합하고 새롭게 변형하여 혼변조 왜곡을 최소화하였으며, 효율 감소에 대해 보상하는 방법도 함께 연구하였다.
또한 실용성 검증을 위하여 제작된 전력 증폭기들은 3GPP 규격에 맞는 W-CDMA 신호를 이용하였다. 상용스펙을 상회하는 설계 목표치를 설정하여 선형화 기술의 유용성을 보이고자 하였다.

제안 방법

본 장에서는 앞 장에서 설계된 전력 증폭기를 보이고 분석하였다. 기존의 설계 방식의 전력 증폭기와 제시된 전력 증폭기를 비교 분석하여 선형성 개선 정도를 확인하였다. LDMOS FET를 이용한 전력 증폭기는 Teflon 기판을 사용하여 제작하였다.
IM3 특성이 약 -53dBc가 나타났다. 또한 다중반송파(Multi-carrier) 시스템에 적합한지를 확인하기 위하여 W-CDMA 신호를 인가하여 그 특성을 확인하였다. 그림 8은 W-CDMA 2 FA 신호 인가 시 특성이며, 그림 9는 W-CDMA 4 FA 신호를 인가하였을 때의 ACLR 특성이다.
전력 분배는 선형성 개선효과가 가장 높은 1 : 2 비율로 설계하여 피킹 증폭기에 주 증폭기보다 높은 입력을 가진다. 또한 본 논문에서는 선형성 개선을 위하여 A급 주 증폭기와 B급의 피킹 증폭기로 구성을 하였다. 그림 1은 비대칭 구동 전력을 갖는 Doherty 전력 증폭기의 설계 구성도이다.
기존의 Doherty 구조에서 이용되는 각 증폭기들의 바이어스 점에 변화를 시도하였고, 그 결과 원하는 선형성을 확보할 수 있었다. 또한 비대칭 3-stage 구조를 도입하여 추가적인 선형성 확보와 효율 감소를 보상하였다. 또한 실용성 검증을 위하여 제작된 전력 증폭기들은 3GPP 규격에 맞는 W-CDMA 신호를 이용하였다.
본 논문에서는 피드포워드나 디지털 전치왜곡기와 같은 고가의 부가회로를 사용하지 않으며, 필요 이상의 출력 소자를 이용하지 않는 경제적이면서 높은 선형성을 얻기 위한 방법으로 비대칭 Doherty 구조를 이용하였다. 또한, 3-stage Doherty 구조를 이용하여 선형성 개선에 따른 효율 감소를 보상할 수 있는 방안도 함께 제시하였다.
본 논문에서는 선형 구간의 확장을 위하여 다단 구조 대신 비대칭 구조를 사용하였으며, 기존의 논문에서 입력단에 사용한 하이브리드 커플러나 wilkinson 분배기 대신에 피킹 증폭기의 이득 특성을 보상과 불균등한 전력 공급을 위해 비대칭 wilkinson 분배기를 이용하였다. 전력 분배는 선형성 개선효과가 가장 높은 1 : 2 비율로 설계하여 피킹 증폭기에 주 증폭기보다 높은 입력을 가진다.
본 장에서는 이동통신 전력 증폭기 소자로 상용화 되어있는 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)를 이용하여, 6 W(37.7 dBm) 급 기지국용 비대칭 2-stage Doherty 전력 증폭기를 설계하였다. 표 2는 본 논문에서 제시한 목표사양이다.
본 논문은 신호를 증폭하는 전력 증폭기의 특성 중 선형성 개선을 목표로 하는 연구이다. 원하는 목표를 달성하기 위해 기존에 알려진 이론들을 통합하고 새롭게 변형하여 혼변조 왜곡을 최소화하였으며, 효율 감소에 대해 보상하는 방법도 함께 연구하였다.
전력 증폭기의 선형성 확보를 위해 부가적인 외부 회로와 연동하지 않으면서 상용스펙에 충분히 부합할만한 전력 증폭기 자체의 구조적인 변형을 시도하였다. 그 출발점은 이미 보편화되어 있는 Doherty 구조를 이용하는 것이다.

대상 데이터

기존의 설계 방식의 전력 증폭기와 제시된 전력 증폭기를 비교 분석하여 선형성 개선 정도를 확인하였다. LDMOS FET를 이용한 전력 증폭기는 Teflon 기판을 사용하여 제작하였다. 사용된 기판의 제원은 비유전율(εr) 2.
또한 비대칭 3-stage 구조를 도입하여 추가적인 선형성 확보와 효율 감소를 보상하였다. 또한 실용성 검증을 위하여 제작된 전력 증폭기들은 3GPP 규격에 맞는 W-CDMA 신호를 이용하였다. 상용스펙을 상회하는 설계 목표치를 설정하여 선형화 기술의 유용성을 보이고자 하였다.
사용된 기판의 제원은 비유전율(εr) 2.55, 기판 두께(h) 0.8 ㎜, 동판 두께(t) 0.035 ㎜이다.

이론/모형

본 논문에서는 피드포워드나 디지털 전치왜곡기와 같은 고가의 부가회로를 사용하지 않으며, 필요 이상의 출력 소자를 이용하지 않는 경제적이면서 높은 선형성을 얻기 위한 방법으로 비대칭 Doherty 구조를 이용하였다. 또한, 3-stage Doherty 구조를 이용하여 선형성 개선에 따른 효율 감소를 보상할 수 있는 방안도 함께 제시하였다.
본 논문에서는 Doherty 기술을 응용하여 외부의 선형화 장치 없이도 원하는 선형성 특성을 얻어 내는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 ADS2009를 사용하여 회로 시뮬레이션을 하였다.

성능/효과

그 출발점은 이미 보편화되어 있는 Doherty 구조를 이용하는 것이다. 기존의 Doherty 구조에서 이용되는 각 증폭기들의 바이어스 점에 변화를 시도하였고, 그 결과 원하는 선형성을 확보할 수 있었다. 또한 비대칭 3-stage 구조를 도입하여 추가적인 선형성 확보와 효율 감소를 보상하였다.
7 dBm의 출력에서 약 10 %의 효율 특성을 보이며, 동시에 48 dBc의 선형성을 나타내었다. 대칭 구조를 가지는 Doherty 전력 증폭기에 비해 약 10 dBc 가량 선형성이 개선되었다. 그림 2는 비대칭 구조의 Doherty 증폭기의 시뮬레이션 결과이다.
일반적인 구조를 갖는 Doherty 전력 증폭기의 선형성은 약 -35 dBc 전후로 피드포워드나 디지털 전치왜곡기와 같은 추가적인 선형화 회로 없이는 상용스펙을 만족할 수 없었다. 본 논문에서 제시한 비대칭 Doherty 구조와 비대칭 3-stage 구조는 이보다 약 20 dB 개선되어 사용스펙을 웃도는 우수한 선형성을 확보할 수 있었다. 다음 그림 11은 제작된 증폭기들의 효율 특성을 보여준다.
다음 표 3은 제작된 전력 증폭기 측정 결과들을 정리한 것이다. 설계 목표치에 부합하였으며, 상용 목표치에도 부족함이 없음을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과 37.7 dBm의 출력에서 약 10 %의 효율 특성을 보이며, 동시에 48 dBc의 선형성을 나타내었다. 대칭 구조를 가지는 Doherty 전력 증폭기에 비해 약 10 dBc 가량 선형성이 개선되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 변조된 신호를 증폭할 때, 고품질의 통신을 위해 필수적으로 사용해야 하는 것은?	현재 운용되고 있는 이동통신 시스템은 한정된 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용하기 위해 디지털 변조 방식을 주로 사용하고 있다. 이러한 디지털 변조된 신호는 그 용도에 맞게 RF 전력 증폭기를 이용하여 신호의 증폭과정을 거치게 되는데, 이 때 고품질의 통신을 위해서는 높은 선형성을 가지는 전력 증폭기의 사용이 필수적이다. 기지국 및 중계기 시스템에서는 많은 채널의 신호를 증폭해야 하기 때문에 특히 높은 선형성이 요구된다.
	피드포워드 기술의 단점은?	그러나 이러한 기술들은 각각 큰 단점을 가지고 있다. 피드포워드 기술은 구조적인 부분에서 여러 추가적인 회로들과 같이 연동되어 큰 효율 감소와 추가 비용이 생긴다. 또한 디지털 전치왜곡 기술도 구조적으로 매우 복잡하며, 고가라는 단점을 가지고 있다.
	RF 전력 증폭기가 주로 A급 또는 AB급으로 동작되는 이유는?	이러한 디지털 변조된 신호는 그 용도에 맞게 RF 전력 증폭기를 이용하여 신호의 증폭과정을 거치게 되는데, 이 때 고품질의 통신을 위해서는 높은 선형성을 가지는 전력 증폭기의 사용이 필수적이다. 기지국 및 중계기 시스템에서는 많은 채널의 신호를 증폭해야 하기 때문에 특히 높은 선형성이 요구된다. 이러한 이유로 RF 전력 증폭기는 주로 A급 또는 AB급으로 동작된다.

저자의 다른 논문 :

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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