[논문]무선 에너지 전송을 위한 Class-E 전력증폭기 설계

고승기; 서철헌

무선 에너지 전송을 위한 Class-E 전력증폭기 설계
Design of Class-E Power Amplifier for Wireless Energy Transfer 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.48 no.2 = no.404, 2011년, pp.85 - 89

고승기 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 서철헌 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 메타구조를 이용하여 하나의 RF LDMOS로 새로운 Class-E 전력증폭기를 구현하였다. CRLH 구조는 Class-E 전력증폭기 특성을 갖는 메타물질 전송 선로를 만들 수 있다. CRLH 전송 선로는 전력증폭기의 정합 회로를 구현을 위하여 주파수 오프셋과 CRLH 전송 선로의 비선형 위상 기울기에 의해 얻을 수 있다. 또한, 제안된 전력증폭기의 효율을 향상 시키기 위하여 출력 정합 회로에 CRLH 구조를 이용하여 구현하였다. 동작 주파수는 13.56MHz로 정하였다. Class-E 전력 증폭기의 측정된 출력 전력은 39.83dBm, 이득은 11.83 dB이다. 이 지점에서 얻은 전력효율(PAE)은 73%이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel Class-E power amplifier using metamaterials has been realized with one RF LDMOS diffusion metal-oxide-semiconductor field effect transistor. The CRLH structure can lead to metamaterial transmission line with the Class-E power amplifier tuning capability. The CRLH TL is achieved by the frequency offset and the nonlinear phase slope of the CRLH TL for the matching network of the power amplifier. Also, the proposed power amplifier has been realized by using the CRLH structure in the output matching network for better efficiency. Operating frequencies are chosen at 13.56 MHz in this work. The measured results show that the output power of 39.83 dBm and the gain of 11.83dB was obtained. At this point, we have obtained the power-added efficiency (PAE) of 73 % at operation frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, Class-F 전력증폭기는 수많은 고조파 성분들을 조절해야 높은 효율을 얻을 수 있기 때문에 전력증폭기의 회로가 복잡하고 사이즈가 커지게 된다^[2-4]. 따라서 Class-E 전력증폭기가 가장 간단한 구조이면서 높은 효율을 가질 수 있기 때문에 본 논문에서는 Class-E 전력증폭기를 설계하였다. 또한 이론적으로 class-E 전력증폭기는 100%의 효율을 얻을 수 있지만, 본 논문에서는 CRLH 구조를 이용하였다.
무선에너지전송은 크게 송신부, 공진부, 수신부로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 송신부의 핵심 부분인 고효율 전력증폭기를 구현하였다. HF 대역에서 동작하는 고효율 전력증폭기를 설계하는 부분에 있어서 많은 어려움이 있는데 이런 고효율 전력증폭기의 구현 어려움을 해결하기 위해서 스위칭 모드 전력증폭기에 CRLH 구조를 이용하여 기존 기술의 한계를 극복하고 고효율로 동작하도록 하는 기술이다.
본 논문은 무선에너지 전송을 위한 13.56MHz에서 동작하는 Class-E 전력증폭기에 대해 연구 및 제작하였다. 기존의 Class-E 전력증폭기보다 제안된 구조인 CRLH 구조를 이용하여 Class-E 전력증폭기를 구현하였을 때 효율 특성을 개선됨을 확인할 수 있다.

제안 방법

기존의 Class-E 전력증폭기보다 제안된 구조인 CRLH 구조를 이용하여 Class-E 전력증폭기를 구현하였을 때 효율 특성을 개선됨을 확인할 수 있다. CRLH 구조를 사용함으로써 크기 문제를 해소하도록 하였고 CRLH 구조를 출력 정합단에 사용하여 보다 향상된 효율 특성을 얻었다. 동작주파수는 13.
CRLH 구조를 이용한 Class-E 전력증폭기는 freescale사의 10W급 LDMOS를 이용하여 구현되었다. 또한3.
Class-E 전력 증폭기는 그림 2에서 보는 바와 같이 전압과 전류 파형이 신호 주기 동안 overlap이 없이 동작한다. Class-E 전력증폭기 같은 경우 이상적일 때 100%의 효율을 얻을 수 있으며, 설계할 때 최대의 효율을 얻기 위하여 출력 정합단에 CRLH 구조를 적용하였다.
또한 이론적으로 class-E 전력증폭기는 100%의 효율을 얻을 수 있지만, 본 논문에서는 CRLH 구조를 이용하였다. HF대역에서 동작하는 전력증폭기를 구현할 때 전송선으로 구현하기 힘들기 때문에 lumped component인 L과 C를 이용하여 회로를 단순화 시키면서 고효율 특성을 얻도록 설계하였다. 또한, 더 좋은 효율을 특성을 얻기 위하여 출력 정합 회로에 CRLH 구조를 이용하여 HF대역에서 고효율을 얻을 수 있도록 구현하였다.
따라서 Class-E 전력증폭기가 가장 간단한 구조이면서 높은 효율을 가질 수 있기 때문에 본 논문에서는 Class-E 전력증폭기를 설계하였다. 또한 이론적으로 class-E 전력증폭기는 100%의 효율을 얻을 수 있지만, 본 논문에서는 CRLH 구조를 이용하였다. HF대역에서 동작하는 전력증폭기를 구현할 때 전송선으로 구현하기 힘들기 때문에 lumped component인 L과 C를 이용하여 회로를 단순화 시키면서 고효율 특성을 얻도록 설계하였다.
HF대역에서 동작하는 전력증폭기를 구현할 때 전송선으로 구현하기 힘들기 때문에 lumped component인 L과 C를 이용하여 회로를 단순화 시키면서 고효율 특성을 얻도록 설계하였다. 또한, 더 좋은 효율을 특성을 얻기 위하여 출력 정합 회로에 CRLH 구조를 이용하여 HF대역에서 고효율을 얻을 수 있도록 구현하였다.
이는 설계 과정에서 주파수 천이 현상을 예상하고 미리 보상하여 원하는 대역에서 동작 가능하도록 수정하였다. 또한, 제안된 전력증폭기와의 특성 비교를 위하여 일반적인 Class-E 전력증폭기를 제작하였다. 제안된 전력증폭기와 비교할 경우 기존의 전력증폭기보다 CRLH 구조를 이용한 Class-E 전력증폭기의 효율 특성이 개선됨을 확인하였다.
그림에서 볼 수 있듯이, 정합회로는 그림 3에 나와 있는 형태의 CRLH 구조를 이용하여 구현되었다. 또한, 출력 정합 회로에 CRLH 구조를 적용하여 전력증폭기의 효율 특성을 개선하였다.
집중 소자를 사용하여 정합단을 구현함으로써 시뮬레이션과 실제 제작 측정 결과 사이에 주파수 천이 현상이 발행하였다. 이는 설계 과정에서 주파수 천이 현상을 예상하고 미리 보상하여 원하는 대역에서 동작 가능하도록 수정하였다. 또한, 제안된 전력증폭기와의 특성 비교를 위하여 일반적인 Class-E 전력증폭기를 제작하였다.

대상 데이터

CRLH 구조를 이용한 Class-E 전력증폭기는 freescale사의 10W급 LDMOS를 이용하여 구현되었다. 또한3.2의 유전율과 31mils의 두께를 갖는 Taconic TLC 기판을 이용하여 제작하였으며, 설계에 사용된 simulator는 Aglient사의 Advanced Design System(ADS)이다.

성능/효과

결과로 lumped components L과 C를 사용하여 제안된 구조의 Class-E 전력증폭기를 구현함으로써 복잡한 정합단의 크기 및 효율 개선에 기여할 수 있음을 확인할 수 있었다.
56MHz에서 동작하는 Class-E 전력증폭기에 대해 연구 및 제작하였다. 기존의 Class-E 전력증폭기보다 제안된 구조인 CRLH 구조를 이용하여 Class-E 전력증폭기를 구현하였을 때 효율 특성을 개선됨을 확인할 수 있다. CRLH 구조를 사용함으로써 크기 문제를 해소하도록 하였고 CRLH 구조를 출력 정합단에 사용하여 보다 향상된 효율 특성을 얻었다.
그림 5는 제안된 구조를 이용한 시뮬레이션 결과이다. 입력 전력이 30dBm 일 때 출력전력은 40.271dBm이고, 10.271dB의 이득과 78.602%의 효율을 얻었다.
또한, 제안된 전력증폭기와의 특성 비교를 위하여 일반적인 Class-E 전력증폭기를 제작하였다. 제안된 전력증폭기와 비교할 경우 기존의 전력증폭기보다 CRLH 구조를 이용한 Class-E 전력증폭기의 효율 특성이 개선됨을 확인하였다.
제안된 전력증폭기의 측정 결과 입력 전력 28dBm 기준에서 13.56MHz에서 39.83dBm의 출력 전력, 70.3%의 효율 및 11.83dB의 이득을 보여주고 있다. 집중 소자를 사용하여 정합단을 구현함으로써 시뮬레이션과 실제 제작 측정 결과 사이에 주파수 천이 현상이 발행하였다.
83dB의 이득을 보여주고 있다. 집중 소자를 사용하여 정합단을 구현함으로써 시뮬레이션과 실제 제작 측정 결과 사이에 주파수 천이 현상이 발행하였다. 이는 설계 과정에서 주파수 천이 현상을 예상하고 미리 보상하여 원하는 대역에서 동작 가능하도록 수정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선에너지전송 시스템은 어떻게 전력을 전송하는가?	최근 전원선을 사용하지 않고 자유공간을 매질로 하여 전력을 전송하는 무선에너지전송(Wireless Energy Transfer)시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 휴대용 기기 및 가전용 전자제품이 다양해짐에 따라 수십 cm 정도의 거리에 대 전력으로 전력을 공급하는 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다[1].
	무선에너지전송 중 송신부의 HF 대역에서 고효율 전력증폭기의 구현 어려움을 해결하기 위해 어떠한 기술을 이용하였는가?	본 논문에서는 송신부의 핵심 부분인 고효율 전력증폭기를 구현하였다. HF 대역에서 동작하는 고효율 전력증폭기를 설계하는 부분에 있어서 많은 어려움이 있는데 이런 고효율 전력증폭기의 구현 어려움을 해결하기 위해서 스위칭 모드 전력증폭기에 CRLH 구조를 이용하여 기존 기술의 한계를 극복하고 고효율로 동작하도록 하는 기술이다.
	Class-F 전력증폭기의 장점은?	전력증폭기의 효율 증대를 위한 연구가 활발하게 진행되어온 가운데 높은 효율을 얻을 수 있는 대표적인 방법으로 Class-F 전력증폭기가 있다. Class-F 전력증폭기는 전류와 전압 파형의 겹치지 않게 고조파 성분들을 조절하여 설계함으로서 매우 높은 효율 특성을 기대할 수 있다. 하지만, Class-F 전력증폭기는 수많은 고조파 성분들을 조절해야 높은 효율을 얻을 수 있기 때문에 전력증폭기의 회로가 복잡하고 사이즈가 커지게 된다[2-4].

참고문헌 (7)

강승열, 김용해, 이명래, 정태형, "무선 에너지 전송 기술." ETRI 전자통신동향분석, 제23권, 제6호,pp. 59-69, Dec.2008
N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class-E a New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers," IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol SC-10, vo. 3, pp 168-176, June 1975.
N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class-E Class-E Switching-Mode RF Power Amplifiers-Low Power Dissipation, Low Sensitivity to Component Tolerances and Well Defined Operation," Proceedings of the 1979 IEEE ELECTRO Conference, Session 23, New York, April 1979. Reprinted in RF Design, vol 3, no. 7, pp33-38, July/Aug 1980.
N. O. Sokal "Class-E High-Efficiency switiching-Mode Power Amplifiers, from HF to Microwave," 1998 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, June 1998.
A. Lai, C. Caloz, and T. Itoh, "Composite right/ left-handed transmission line metamaterials," IEEE Microwave Magazine, vol. 5, pp. 34-50, September 2004.
F. H. Raab, "Idealized operation of the class-E tuned power amplifier," IEEE Trans. Circuits Syst, vol. CAS-25, pp. 725-735, Dec 1977.
D. M. Pozar, Microwave Engineering, Addi son-Wesley, 1993.

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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