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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 GaN와 같이 음전압 우선 인가회로를 필요로 하는 FET 및 따른 증폭소자들이 혼합되어 있는 전력증폭기 모듈에서 안정적으로 동작하면서도 Envelope Tracking 기능이 적절히 포함될 수 있는 WCDMA 기지국용 전력증폭기 모듈을 설계하는 것을 목표로 한다.
- 본 논문에서는 Envelope Tracking 기능을 갖는 WCDMA 기지국에 사용될 수 있는 GaN FET를 이용한 전력증폭기 모듈의 설계 방안을 제안하고, 제작 및 측정결과를 제시하였다. 먼저, Envelope Tracking 기능을 갖는 전력증폭기 모듈의 요구사항을 파악하여 주요 규격을 정한 후 ADS 시뮬레이션을 거쳐 설계되었다.
- 본 논문에서는 이러한 Envelope Tracking 응용을 위한 WCDMA 기지국 전력증폭기 모듈을 설계, 구현하고자 한다. 여기서 전력증폭기 모듈이란 전력증폭기를 포함한 여러 종류의 RF회로가 포함된 회로를 의미한다.
제안 방법
- II장의 설계 방법에 따라 제작된 전력증폭기 모듈의 RF 특성을 신호발생기 (Signal Generator), 스펙트럼 분석기 (Spectrum Analyzer), RF 전력계 (power meter)를 이용하여 측정하였다. 10W 이상의 출력을 계측기에서 측정하기 위하여 40dB의 감쇄량을 갖는 고출력 감쇄기를 전력증폭기 모듈의 출력에 위치시키고, 케이블 손실 및 감쇄기의 감쇄량 등을 모두 교정한 후 실험 장치를 구성하였다. 먼저, 바이어스 회로의 동작 확인, 소신호 증폭기, 구동증폭기, 전력증폭기 순으로 제작된 회로의 성능이 설계한 결과와 같은지 확인하였다.
- 14GHz로 결정하였으며, 선형성 특성이 우수하도록 AB급으로 설계하였다. AB급 동작을 위하여 Gate 바이어스 전압을 조정하여 28V의 Drain전압에서 IDQ가 460mA가 되도록 선택하였다. 트랜지스터의 데이터시트를 참고하여 설계되었으며 유전상수 3.
- II장의 설계 방법에 따라 제작된 전력증폭기 모듈의 RF 특성을 신호발생기 (Signal Generator), 스펙트럼 분석기 (Spectrum Analyzer), RF 전력계 (power meter)를 이용하여 측정하였다. 10W 이상의 출력을 계측기에서 측정하기 위하여 40dB의 감쇄량을 갖는 고출력 감쇄기를 전력증폭기 모듈의 출력에 위치시키고, 케이블 손실 및 감쇄기의 감쇄량 등을 모두 교정한 후 실험 장치를 구성하였다.
- 이 중 가장 중요한 전력증폭기의 회로도는 그림 3과 같다. WCDMA 응용을 위하여 중심 주파수는 2.14GHz로 결정하였으며, 선형성 특성이 우수하도록 AB급으로 설계하였다. AB급 동작을 위하여 Gate 바이어스 전압을 조정하여 28V의 Drain전압에서 IDQ가 460mA가 되도록 선택하였다.
- 먼저, 바이어스 회로의 동작 확인, 소신호 증폭기, 구동증폭기, 전력증폭기 순으로 제작된 회로의 성능이 설계한 결과와 같은지 확인하였다. 각 구성 블록의 동작 확인이 끝난 후 Drain 전압을 28V로 고정한 경우 44dB 이상의 이득과 10W 이상의 출력전력이 나오도록 입력 감쇄기를 최종 조정하였다. 최종 제작한 전력증폭기 모듈의 Drain 바이어스 변화에 따른 입출력 특성 측정 결과는 그림 7과 같다.
- 본 논문에서 설계된 Envelope Tracking 전력증폭기 모듈의 구성은 그림 2와 같다. 동작주파수는 WCDMA 기지국 송신 대역인 2110MHz에서 2170MHz에서 동작하고 P1dB는 10W 이상, 이득은 44dB 이상을 갖도록 설계하였다. 모듈의 구성은 증폭기를 3단으로 구성하였으며, 입력단에 감쇄기를 두어 이득을 정확하게 조절할 수 있도록 하였다.
- 모듈의 상단부에는 바이어스 회로를 위치시키고 하단부에는 RF회로를 위치시키고 둘 사이에는 적절한 차폐 구조를 통해 고출력 RF 신호가 소신호 회로나 바이어스 회로로 인가되는 것을 방지하였다. 또한 RF회로에서도 이득증폭기, 구동증폭기 및 전력증폭기 사이에 feedback 신호를 최소화하기 위하여 금속 벽으로 차폐를 시켰다. 전력증폭기의 앞 뒤에는 Isolator를 달아서 최종 전력증폭기가 OFF 상태일 때 구동증폭기의 출력에서 반사된 신호가 구동증폭기에 되돌아가 서 생길 수 있는 발진을 원천적으로 차단하였다.
- 제작된 전력증폭기 모듈은 고이득 MMIC 증폭기, 구동 증폭기 및 전력 증폭기로 구성되어 44dB 이상의 최대 이득과 10W 이상의 최대출력을 생성할 수 있다. 또한, Envelope Tracking 응용을 위해서 최종 전력증폭기의 Drain 전압이 큰 폭으로 가변되어도 전체 모듈이 안정적으로 동작할 수 있도록 RF회로 및 바이어스 회로가 설계되었다. 측정결과 Envelope Tracking 기능을 수행할 수 있음을 확인하였으며, 제작된 모듈이 Envelope Tracking 전력증폭기로 사용될 경우 필요한 개선 사항을 파악할 수 있었다.
- 본 논문에서는 Envelope Tracking 기능을 갖는 WCDMA 기지국에 사용될 수 있는 GaN FET를 이용한 전력증폭기 모듈의 설계 방안을 제안하고, 제작 및 측정결과를 제시하였다. 먼저, Envelope Tracking 기능을 갖는 전력증폭기 모듈의 요구사항을 파악하여 주요 규격을 정한 후 ADS 시뮬레이션을 거쳐 설계되었다. 제작된 전력증폭기 모듈은 고이득 MMIC 증폭기, 구동 증폭기 및 전력 증폭기로 구성되어 44dB 이상의 최대 이득과 10W 이상의 최대출력을 생성할 수 있다.
- 10W 이상의 출력을 계측기에서 측정하기 위하여 40dB의 감쇄량을 갖는 고출력 감쇄기를 전력증폭기 모듈의 출력에 위치시키고, 케이블 손실 및 감쇄기의 감쇄량 등을 모두 교정한 후 실험 장치를 구성하였다. 먼저, 바이어스 회로의 동작 확인, 소신호 증폭기, 구동증폭기, 전력증폭기 순으로 제작된 회로의 성능이 설계한 결과와 같은지 확인하였다. 각 구성 블록의 동작 확인이 끝난 후 Drain 전압을 28V로 고정한 경우 44dB 이상의 이득과 10W 이상의 출력전력이 나오도록 입력 감쇄기를 최종 조정하였다.
- 동작주파수는 WCDMA 기지국 송신 대역인 2110MHz에서 2170MHz에서 동작하고 P1dB는 10W 이상, 이득은 44dB 이상을 갖도록 설계하였다. 모듈의 구성은 증폭기를 3단으로 구성하였으며, 입력단에 감쇄기를 두어 이득을 정확하게 조절할 수 있도록 하였다. 전력증폭기의 입출력단에 Isolator (ADMOTECH의 ADI214CET)를 삽입하여 최종 전력증폭기가 OFF 상태일 경우에도 구동증폭기의 출력신호가 반사되지 않도록 하였다.
- 전력증폭기의 입출력단에 Isolator (ADMOTECH의 ADI214CET)를 삽입하여 최종 전력증폭기가 OFF 상태일 경우에도 구동증폭기의 출력신호가 반사되지 않도록 하였다. 바이어스 회로는 28V 입력으로 최종 전력증폭기의 Drain 전압을 제외한 모든 회로에 전원을 공급하고, ET 기능을 위해서 전력증폭기의 Drain 전압은 별도로 5V에서 30V까지 가변될 수 있도록 하였다.
- 또한 RF회로에서도 이득증폭기, 구동증폭기 및 전력증폭기 사이에 feedback 신호를 최소화하기 위하여 금속 벽으로 차폐를 시켰다. 전력증폭기의 앞 뒤에는 Isolator를 달아서 최종 전력증폭기가 OFF 상태일 때 구동증폭기의 출력에서 반사된 신호가 구동증폭기에 되돌아가 서 생길 수 있는 발진을 원천적으로 차단하였다. 전력증폭기 Drain 전압의 경우 RF short를 위한 별도의 5.
- 모듈의 구성은 증폭기를 3단으로 구성하였으며, 입력단에 감쇄기를 두어 이득을 정확하게 조절할 수 있도록 하였다. 전력증폭기의 입출력단에 Isolator (ADMOTECH의 ADI214CET)를 삽입하여 최종 전력증폭기가 OFF 상태일 경우에도 구동증폭기의 출력신호가 반사되지 않도록 하였다. 바이어스 회로는 28V 입력으로 최종 전력증폭기의 Drain 전압을 제외한 모든 회로에 전원을 공급하고, ET 기능을 위해서 전력증폭기의 Drain 전압은 별도로 5V에서 30V까지 가변될 수 있도록 하였다.
- 5, 두께 30mil 기판을 사용하여 마이크로 스트립 선로로 정합회로를 구현하였다. 정합회로 구현 시 Drain 바이어스 회로에 저주파 안정화 Capacitor를 달지 않은 상태에서도 전주파수 대역에서 무조건 안정되도록 설계하였다. 시뮬레이션은 ADS 시뮬레이터를 사용하였으며, Nitronex사에서 제공한 트랜지스터 모델을 사용하였다[4].
대상 데이터
- 14GHz에서 21dB의 이득과 +19dBm의 출력 P1dB를 갖는다. 구동증폭기로는 Nitronex사의 5W급 GaN 트랜지스터인 NPTB00004를 사용하였고, 전력증폭기로는 Nitronex사의 50W급 GaN 트랜지스터인 NPTB00050 트랜지스터를 사용하였다.
- 사용된 주요 소자는 다음과 같다. 소신호 증폭기로는 Watkins-Johnson사의 InGaP HBT MMIC 증폭기인 ECG005B를 사용하였다. ECG005B는 DC에서 4GHz까지 동작하며 일반적으로 2.
- 정합회로 구현 시 Drain 바이어스 회로에 저주파 안정화 Capacitor를 달지 않은 상태에서도 전주파수 대역에서 무조건 안정되도록 설계하였다. 시뮬레이션은 ADS 시뮬레이터를 사용하였으며, Nitronex사에서 제공한 트랜지스터 모델을 사용하였다[4]. 2.
-
전력증폭기 모듈은 고출력 신호를 생성하므로 방열 구조를 제공하면서도 소형으로 제작하는 것이 중요하다. 이에 설계된 전력증폭기의 RF회로와 바이어스 회로 모두를
하나의 PCB 상에 구현되어 제작되었다. 그림 6은 제작된 전력증폭기 모듈의 사진을 보여준다. - AB급 동작을 위하여 Gate 바이어스 전압을 조정하여 28V의 Drain전압에서 IDQ가 460mA가 되도록 선택하였다. 트랜지스터의 데이터시트를 참고하여 설계되었으며 유전상수 3.5, 두께 30mil 기판을 사용하여 마이크로 스트립 선로로 정합회로를 구현하였다. 정합회로 구현 시 Drain 바이어스 회로에 저주파 안정화 Capacitor를 달지 않은 상태에서도 전주파수 대역에서 무조건 안정되도록 설계하였다.
성능/효과
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그림 7과 그림 8의 연구결과로부터 본 논문에서 제작한 전력증폭기 모듈이 최대 10W 이상의 고출력을 생성하면서도 Drain 바이어스 변화에 따라 10dB 이상의 출력
변화에 대해서 35% 이상의 효율을 나타냄을 확인하였다. 이를 통해 10dB 정도의 출력 변화가 있는 변조신호에 대해서 Envelope Tracking 기능을 통해 효율을 개선할 수
- 다음으로 Drain 전압을 4V에서 28V 까지 가변하면서 효율을 측정한 결과 그림 8과 같이 10dB의 출력 전력의 변화를 가지며 이 때 효율이 35% 이상임을 확인하였다.
- 최대 10W 이상이 출력되며 선형적인 동작을 함을 알 수 있었다. 단, Drain 바이어스가 16V로 감소될 경우 이득이 1.7dB 떨어지며, 8V로 감소될 경우 5.7dB 감소됨을 확인하였다.
- 이는 Envelope Tracking 동작 시 선형성을 나쁘게 한다. 따라서 바이어스가 큰 폭으로 변하더라도 증폭기의 이득의 변화를 최소화하도록 증폭기를 설계하거나, 참고문헌 [5]에서 시뮬레이션으로 확인한 바와 같이 바이어스 변화를 가급적 적게하도록 Envelope Tracking 기능을 설계해야 함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제작된 전력증폭기 모듈의 특성은 Envelope Tracking 기능을 위한 FPGA와 Envelope Modulator의 설계 시 참고될 수 있다.
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변화에 대해서 35% 이상의 효율을 나타냄을 확인하였다. 이를 통해 10dB 정도의 출력 변화가 있는 변조신호에 대해서 Envelope Tracking 기능을 통해 효율을 개선할 수
있음을 확인하였다. 하지만, 바이어스가 감소함에 따라 효율은 개선되지만 증폭기의 이득이 감소하여 AM-AM 특성이 발생함을 확인할 수 있었다. - 먼저, Envelope Tracking 기능을 갖는 전력증폭기 모듈의 요구사항을 파악하여 주요 규격을 정한 후 ADS 시뮬레이션을 거쳐 설계되었다. 제작된 전력증폭기 모듈은 고이득 MMIC 증폭기, 구동 증폭기 및 전력 증폭기로 구성되어 44dB 이상의 최대 이득과 10W 이상의 최대출력을 생성할 수 있다. 또한, Envelope Tracking 응용을 위해서 최종 전력증폭기의 Drain 전압이 큰 폭으로 가변되어도 전체 모듈이 안정적으로 동작할 수 있도록 RF회로 및 바이어스 회로가 설계되었다.
- 또한, Envelope Tracking 응용을 위해서 최종 전력증폭기의 Drain 전압이 큰 폭으로 가변되어도 전체 모듈이 안정적으로 동작할 수 있도록 RF회로 및 바이어스 회로가 설계되었다. 측정결과 Envelope Tracking 기능을 수행할 수 있음을 확인하였으며, 제작된 모듈이 Envelope Tracking 전력증폭기로 사용될 경우 필요한 개선 사항을 파악할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 Envelope Tracking 기능을 위한 FPGA 및 Envelope Modulator의 설계 및 연동 시험에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 있음을 확인하였다. 하지만, 바이어스가 감소함에 따라 효율은 개선되지만 증폭기의 이득이 감소하여 AM-AM 특성이 발생함을 확인할 수 있었다. 이는 Envelope Tracking 동작 시 선형성을 나쁘게 한다.
후속연구
- 따라서 바이어스가 큰 폭으로 변하더라도 증폭기의 이득의 변화를 최소화하도록 증폭기를 설계하거나, 참고문헌 [5]에서 시뮬레이션으로 확인한 바와 같이 바이어스 변화를 가급적 적게하도록 Envelope Tracking 기능을 설계해야 함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제작된 전력증폭기 모듈의 특성은 Envelope Tracking 기능을 위한 FPGA와 Envelope Modulator의 설계 시 참고될 수 있다. 향후 FPGA와 Envelope Modulator의 상호 연동을 통해 Envelope Tracking 기능을 갖는 전력증폭기를 구성할 예정이다.
- 측정결과 Envelope Tracking 기능을 수행할 수 있음을 확인하였으며, 제작된 모듈이 Envelope Tracking 전력증폭기로 사용될 경우 필요한 개선 사항을 파악할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 Envelope Tracking 기능을 위한 FPGA 및 Envelope Modulator의 설계 및 연동 시험에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 제작된 전력증폭기 모듈의 특성은 Envelope Tracking 기능을 위한 FPGA와 Envelope Modulator의 설계 시 참고될 수 있다. 향후 FPGA와 Envelope Modulator의 상호 연동을 통해 Envelope Tracking 기능을 갖는 전력증폭기를 구성할 예정이다.
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