[논문]Inverse Class-F 기법을 이용한 900 MHz 전류 모드 Class-D RF 전력 증폭기 설계

김영웅; 임종균; 강원실; 구현철

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.12.1060

[국내논문] Inverse Class-F 기법을 이용한 900 MHz 전류 모드 Class-D RF 전력 증폭기 설계
Design of Current-Mode Class-D 900 MHz RF Power Amplifier Using Inverse Class-F Technology 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.12, 2011년, pp.1060 - 1068

김영웅 (건국대학교 전자공학과) , 임종균 (건국대학교 전자공학과) , 강원실 (건국대학교 전자공학과) , 구현철 (건국대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 900 MHz 대역에서 동작하는 전류 모드 Class-D(Current-Mode Class-D: CMCD) 전력 증폭기를 설계 및 제작하고 특성을 분석하였다. 차동 구조에 의해 짝수차 고조파 성분이 제거된다는 점에 착안하여 출력단의 일반적인 CMCD 회로의 병렬 공진기를 제거하고 inverse class-F 전력 증폭기를 push-pull 구조로 연결하여 CMCD 전력 증폭기를 설계하였다. 로드-풀 기법을 이용하여 GaN 소자 기반의 inverse class-F 및 이를 적용한 CMCD 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 제작한 CMCD는 34.2 dBm의 출력과 64.5 %의 드레인 효율을 가지며, 이는 출력측에 공진기 구조를 가지는 일반적인 CMCD 전력 증폭기의 드레인 효율과 비교했을 때 13.6 %의 효율 향상을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Current-Mode Class-D(CMCD) RF Power Amplifier(PA) is designed and implemented at 900 MHz. Conventional CMCD PA has output parallel resonator to reconstruct a fundamental frequency component of the output signal. However the resonator can be removed by connecting inverse class-F PAs because even-harmonic components can be removed by CMCD PA's push-pull structure. Using load-pull, inverse class-F PA with GaN transistors is designed, and CMCD PA with the inverse class-F PA is implemented. The CMCD PA has 64.5 % drain efficiency, 34.2 dBm output power. Comparing with the drain efficiency of a CMCD PA with parallel resonator, the CMCD with the inverse class-F technology has 13.6 % improved drain efficiency.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 최근 전류 모드 class-D(Current-Mode Class-D: CMCD) RF 전력 증폭기가 개발되었다^[2] .이는 기존 전압 모드 class-D(Voltage-Mode Class-D: VMCD) 전력 증폭기가 기생 커패시턴스(드레인-소스 커패시턴스)에 의해 주로 오디오 대역에서만 활용되던 것을 RF대역에서까지 구현 가능하도록 하였다. 따라서 SMPA 중에서 가장 큰 출력 전력을 얻을수 있는 CMCD 전력 증폭기에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있다^[3]～[8] .
본 논문에서는 그림 1의 class-S 송신기에서 사용되는 SMPA의 구현을 위해서 CMCD 전력 증폭기의 특성에 대해 고찰하고, 900 MHz 대역에서 동작하는 CMCD 전력 증폭기를 설계하고자 한다. 일반적 CMCD 구조의 경우는 출력측의 병렬 공진기를 이용한다.
Inverse class-F 전력 증폭기의 전압과 전류 파형은 class-F 전력 증폭기의 파형과 반대되는 형태로 나타난다. 본 논문에서는 inverse class-F 전력 증폭기 설계시 로드풀 기법을 이용하여 최적의 효율 특성을 얻을 수 있는 부하 저항을 도출하였다. 그림 5는 로드-풀 실험을 통하여 설계에 사용된 GaN 소자에 대하여 최적부하 임피던스 도출 과정을 나타내며, 표 1은 도출된 최적 부하 임피던스 값을 나타낸다.
본 논문에서는 기존 CMCD(그림 8의 회로)의 단점을 보완하고, 공진부 없이 고조파 성분을 제어할 수 있는 inverse class-F 기반의 새로운 CMCD를 제안하였다.
본 논문에서는 class-S 송신기의 핵심 기술인 스위치모드 전력 증폭기를 설계하는 방법을 기술하고, 그 성능을 측정하였다. 900 MHz 대역에서 동작하는 inverse class-F 전력 증폭기를 로드풀 기반으로 설계하고, 이를 바탕으로 CMCD 전력 증폭기를 설계, 제작하였다.
일반적 CMCD 구조의 경우는 출력측의 병렬 공진기를 이용한다. 본 논문에서는 차동 구조를 통한 짝수차 고조파성분이 제거됨을 보이고, 이를 활용하여 inverse class-F 구조를 사용하여 병렬 공진기를 제거한 CMCD 회로를 설계하는 방법에 대하여 설명한다. 일반적인 출력측에 병렬 공진기를 가진 CMCD 회로와 inverse class-F를 활용한 CMCD 회로를 설계, 제작하고 효율 특성을 상호 비교한다.

제안 방법

본 논문에서는 차동 구조를 통한 짝수차 고조파성분이 제거됨을 보이고, 이를 활용하여 inverse class-F 구조를 사용하여 병렬 공진기를 제거한 CMCD 회로를 설계하는 방법에 대하여 설명한다. 일반적인 출력측에 병렬 공진기를 가진 CMCD 회로와 inverse class-F를 활용한 CMCD 회로를 설계, 제작하고 효율 특성을 상호 비교한다.
또한, CMCD 설계를 위해 정확한 스위치 동작을 하는 대신호 모델을 도출하는 과정은 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 본 논문에서는 대신호 모델 대신 로드-풀 실험을 통한 선형 증폭기의 모델을 이용하여 inverse class-F PA를 설계하고, 이를 이용하여 CMCD를 구현하는 방법을 제시하였다.
특히 높은 입력 신호에 대해서 class-B 증폭기는 SMPA와 유사하게 트라이오드 및 차단 영역에서 동작한다. 즉, class-B 전력 증폭기의 고조파 성분을 제어하여, 높은 효율을 가지는 inverse class-F 전력 증폭기를 설계할 수 있으며, 이를 기반으로 push-pull 구조로 변경함으로써 CMCD 회로로 변환될 수 있다. 즉, 본 논문에서는 그림 4에서 보는 바와 같이 CMCD 전력 증폭기의 파형과 class-B 및 inverse class-F 전력 증폭기 파형이 가지는 유사성에 착안하여, class-B 및 inverse class-F를 기반으로 한 CMCD 전력 증폭기를 설계하였다.
즉, class-B 전력 증폭기의 고조파 성분을 제어하여, 높은 효율을 가지는 inverse class-F 전력 증폭기를 설계할 수 있으며, 이를 기반으로 push-pull 구조로 변경함으로써 CMCD 회로로 변환될 수 있다. 즉, 본 논문에서는 그림 4에서 보는 바와 같이 CMCD 전력 증폭기의 파형과 class-B 및 inverse class-F 전력 증폭기 파형이 가지는 유사성에 착안하여, class-B 및 inverse class-F를 기반으로 한 CMCD 전력 증폭기를 설계하였다.
Inverse class-F 전력 증폭기 설계는 최대 드레인효율을 얻을 수 있는 최적 부하 임피던스를 고려하여 설계하였으며, inverse class-F 전력 증폭기의 특징을 얻을 수 있도록 짝수차 고조파에 대해서는 개방, 홀수차 고조파에 대해서는 단락으로 보이도록 스텁을 이용한 임피던스 매칭 회로를 구성하였다.
본 논문에서는 두 출력이 180° 위상 차이를 가지는 ring hybrid 커플러를 이용하였다. CMCD 전력 증폭기는 900 MHz 대역에서 동작하는 ring hybrid 커플러로 차동 구조의 inverse class-F 전력 증폭기를 구성하여 그림 7과 같이 설계하였다.
그림 10은 CMCD 전력 증폭기의 효율 측정을 위한 측정환경 및 블록도를 나타낸다. 드라이브 증폭기로 Prewell사의 PH830-S8을 이용하였고, Tektronix 사의 스펙트럼 분석기(RSA3408A)를 이용해 CMCD 전력 증폭기의 출력 신호에 대한 특성을 확인하였다.
본 논문에서는 class-S 송신기의 핵심 기술인 스위치모드 전력 증폭기를 설계하는 방법을 기술하고, 그 성능을 측정하였다. 900 MHz 대역에서 동작하는 inverse class-F 전력 증폭기를 로드풀 기반으로 설계하고, 이를 바탕으로 CMCD 전력 증폭기를 설계, 제작하였다. 제작된 inverse class-F s기반의 CMCD 전력증폭기는 34.
차동 구조에 의해 짝수차 고조파가 제거됨을 식 (7)을 통해 확인하였다. 또한, inverse class-F 전력 증폭기의 출력 신호에서 홀수차 고조파 성분이 매우 작다는 특성에 착안하여, 기존 CMCD 전력 증폭기에서 나타나는 공진 회로를 제거하였다. 그림 7(a)는 CMCD 전력 증폭기의 블록도를 보여주며, 그림 7(b)는 CMCD 전력 증폭기의 layout을 나타낸다.

대상 데이터

본 논문에서는 두 출력이 180° 위상 차이를 가지는 ring hybrid 커플러를 이용하였다.
전력 소자로는 GaN HEMT 트랜지스터가 이용되었으며, —1.8 V의 게이트 바이어스와 10 V의 드레인 바이어스를 인가하였다.
설계된 CMCD 전력 증폭기 회로를 FR4 기판(12GD1530)에 구현하였다. 전력 소자로는 GaN HEMT 트랜지스터가 이용되었으며, —1.

이론/모형

5. Load impedance extraction by using load-pull technique.

성능/효과

이러한 점들을 극복하기 위한 다양한 기법들이 연구되었다. RF 대역에서 고효율 SMPA를 활용하기 위해 class-E 기법이 개발되어 GHz 대역에서 SMPA 구현이 가능하게 되었으며, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)나 Delta-Sigma Modulation(DSM) 기법 등을 이용하여 RF 입력 신호를 양자화시킴으로서 SMPA의 장점을 활용하기에 적합한 신호를 생성하였다. 또한, 최근 전류 모드 class-D(Current-Mode Class-D: CMCD) RF 전력 증폭기가 개발되었다^[2] .
CMCD 전력 증폭기 구조에서 스위치로 동작하는 트랜지스터의 기생 커패시턴스 성분은 공진기와 병렬로 연결된다. 기생 커패시턴스는 트랜지스터에서 손실을 유발하는 가장 치명적인 기생 성분이지만, CMCD의 회로 구조에 의해 기생 커패시턴스는 신호 복원에 이용되는 대역 저지 필터의 일부분으로 활용될 수 있어 높은 주파수에서 동작하는 SMPA를 구현할 수 있게 되었다.
3 dBm이다. 새로 제안된 CMCD 전력 증폭기의 경우, 단일 inverse class-F에 비해 스위치 모드 동작영역에서 16 % 가량 드레인 효율이 줄어들었는데, 이는 CMCD 구조로 변경되면서 공진부에 의한 커플링 영향 및 입․출력단에 있는 balun에서 발생하는 손실에 의한 영향으로 분석된다. 하지만 측정된 inverse class-F 기반의 CMCD 회로의 효율은 동일한소자를 이용하여 구성된 출력에 병렬 공진 회로를 가진 CMCD 회로에 비해 13.
새로 제안된 CMCD 전력 증폭기의 경우, 단일 inverse class-F에 비해 스위치 모드 동작영역에서 16 % 가량 드레인 효율이 줄어들었는데, 이는 CMCD 구조로 변경되면서 공진부에 의한 커플링 영향 및 입․출력단에 있는 balun에서 발생하는 손실에 의한 영향으로 분석된다. 하지만 측정된 inverse class-F 기반의 CMCD 회로의 효율은 동일한소자를 이용하여 구성된 출력에 병렬 공진 회로를 가진 CMCD 회로에 비해 13.6 % 가량의 효율 향상을 얻을 수 있었다. 효율 향상에 대한 원인으로는 inverse class-F의 임피던스 변환 회로를 통하여 기존 두 경로 간의 커플링에 대한 영향을 제거하고, 고조파 제거를 통하여 balun이 광대역 특성을 가지고 있어야 하는 기존 CMCD 회로에서의 단점을 보완하였기 때문이다.
또한, 일반적인 CMCD의 경우 이상적인 스위치를 기반으로 설계하는 기법이지만, 실제 스위치 모드 동작에서는 트랜지스터의 기생 커패시턴스가 존재하므로 이상적인 스위치로 동작하지 않게 된다. 따라서 트랜지스터가 이상적이지 않는 경우 기생 성분을 고려한 설계 변경이 어려움이 있으므로, 본 논문에서는 inverse class F 설계는 class B를 기반으로 입력 신호를 saturation 시키는 기법으로 설계하고, 이를 기반으로 한 새로운 CMCD 설계 기법은 기생 성분이 있더라도 상대적으로 설계가 용이하다는 장점을 가질 수 있다. 마지막으로 로드풀을 이용한 설계 방법으로 기존의 vendor사에서 제공한 모델 기반의 설계가 아닌, 실제 측정한 로드풀 기반의 모델로 설계함으로써, 실제 사용되는 두 개의 트랜지스터의 입출력 임피던스를 고려하여 트랜지스터의 고유한 특성을 반영하였기에 효율 향상에 영향을 준 것으로 보인다.
따라서 트랜지스터가 이상적이지 않는 경우 기생 성분을 고려한 설계 변경이 어려움이 있으므로, 본 논문에서는 inverse class F 설계는 class B를 기반으로 입력 신호를 saturation 시키는 기법으로 설계하고, 이를 기반으로 한 새로운 CMCD 설계 기법은 기생 성분이 있더라도 상대적으로 설계가 용이하다는 장점을 가질 수 있다. 마지막으로 로드풀을 이용한 설계 방법으로 기존의 vendor사에서 제공한 모델 기반의 설계가 아닌, 실제 측정한 로드풀 기반의 모델로 설계함으로써, 실제 사용되는 두 개의 트랜지스터의 입출력 임피던스를 고려하여 트랜지스터의 고유한 특성을 반영하였기에 효율 향상에 영향을 준 것으로 보인다.
900 MHz 대역에서 동작하는 inverse class-F 전력 증폭기를 로드풀 기반으로 설계하고, 이를 바탕으로 CMCD 전력 증폭기를 설계, 제작하였다. 제작된 inverse class-F s기반의 CMCD 전력증폭기는 34.2 dBm의 출력과 64.5 % 드레인 효율 특성을 갖는다. 이 결과는 출력측에 공진기를 포함하는 CMCD 회로와 비교 시 13.
5 % 드레인 효율 특성을 갖는다. 이 결과는 출력측에 공진기를 포함하는 CMCD 회로와 비교 시 13.6 %의 드레인 효율 향상 특성을 보여주었다.

후속연구

트랜지스터의 기생 성분의 영향으로 출력측 공진 회로의 튜닝에 의해서 달성할 수 있는 효율 향상이 제약적이었다. 더 높은 효율을 달성하기 위해서는 정확한 대신호 스위치 모델추출, 이에 기반한 입․출력 매칭 변화 및 향상된 구조의 스위치 증폭기 설계가 필요할 것으로 사료된다.
향후 RF 신호에서 스위치로 동작하는 트랜지스터 소자에 대한 기생 성분을 고려하는 정확한 소자 모델 도출에 대한 연구가 필요하며, 이를 활용할 경우 더욱 향상된 효율을 가진 스위치 모드 RF 전력 증폭기회로의 구현이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 통신 송신 시스템에 많은 열이 발생하면 어떤 문제가 있는가?	변조된 송신 신호를 선형적으로 증폭하기 위해 출력을 최대 출력에서 back-off해서 동작시키는 class-AB급과 같은 증폭기는 평균 전력 효율이 크게 저하되며, 많은 열이 발생한다. 발생된 열을 제거하기 위해 추가 냉각 장치를 필요로 하게 되어 송신기에서 더 많은 전력을 소비하게 되고, 송신기의 부피 또한 커지게 된다.
	무선 통신 송신 시스템에서 전력 소비가 가장 큰 부분은?	RF 전력 증폭기는 무선 통신 송신 시스템에서 전력 소모가 가장 큰 부분이며, 전력 증폭기의 효율은 전체 무선 통신 시스템의 전력 효율을 결정하는데 주요한 역할을 한다. 변조된 송신 신호를 선형적으로 증폭하기 위해 출력을 최대 출력에서 back-off해서 동작시키는 class-AB급과 같은 증폭기는 평균 전력 효율이 크게 저하되며, 많은 열이 발생한다.
	class-AB급이란?	RF 전력 증폭기는 무선 통신 송신 시스템에서 전력 소모가 가장 큰 부분이며, 전력 증폭기의 효율은 전체 무선 통신 시스템의 전력 효율을 결정하는데 주요한 역할을 한다. 변조된 송신 신호를 선형적으로 증폭하기 위해 출력을 최대 출력에서 back-off해서 동작시키는 class-AB급과 같은 증폭기는 평균 전력 효율이 크게 저하되며, 많은 열이 발생한다. 발생된 열을 제거하기 위해 추가 냉각 장치를 필요로 하게 되어 송신기에서 더 많은 전력을 소비하게 되고, 송신기의 부피 또한 커지게 된다.

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상세보기
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F. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P. B. Kenington, Z. B. Popovich, N. Pothecary, J. F. Sevic, and N. O. Sokal, "RF and microwave power amplifier and transmitter technologies - part 2", High Frequency Electronics, Jul. 2003.

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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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