[논문]Metamaterial CRLH 전송선로를 이용한 이중대역 Class-E 전력증폭기 설계

임성규; 서철헌

[국내논문] Metamaterial CRLH 전송선로를 이용한 이중대역 Class-E 전력증폭기 설계
Design of a Dual-band Class-E Power Amplifier using Metamaterial CRLH Transmission Lines 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.48 no.9 = no.411, 2011년, pp.54 - 58

임성규 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 서철헌 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Composite Right-/Left-Handed (CRLH) 전송선로 (TL)와 PIN 다이오드를 이용한 이중대역 Class-E 전력증폭기를 구현하였다. CRLH 전송선로를 이용하여 이중대역 주파수 조절 특성을 갖는 Metamaterial CRLH 전송선로를 구현하였으며, CRLH 전송선로의 이중대역 동작은 전력증폭기의 정합 회로에 이용된 주파수 오프셋과 CRLH 전송선로의 비선형 위상 기울기에 의해 얻을 수 있었다. 제안된 이중대역 전력증폭기의 효율을 향상시키기 위하여 출력 정합회로뿐만 아니라 입력 정합회로를 이용하여 구현하였으며, PIN 다이오드를 이용하여 각각의 독립된 주파수에서 전력증폭기가 동작할 수 있게 하였다. 전력증폭기의 출력 전력과 전력효율은 각각 800 MHz에서 42.17 dBm, 62.24 %, 1900 MHz에서 41.50 dBm, 60.73 % 이었으며, 이중대역에서 비교적 균등한 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a dual-band Class-E power amplifier using Composite Right-/Left-Handed transmission lines and PIN diode is proposed. Dual-band operation is achieved by the frequency offset and nonlinear phase slope of CRLH TL for the matching network of power amplifiers. The proposed power amplifier has been realized by using in the input and the output matching network for high power added efficiency. PIN diode has been used to obtain the dual-band of power amplifier. The measured results show that output powers of 42.17 dBm and 41.43 dBm were obtained at 800 MHz and 1900 MHz, respectively. At this frequency, we have obtained the power-added efficiency(PAE) of 67.84 % and 65.31 % in two operation frequencies, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 CRLH 전송선로를 이용한 이중대역 동작 특성 구현을 하는 Class-E 전력증폭기를 설계하는데 초점을 맞췄으며, PIN 다이오드를 이용하여 각각의 주파수에서 하나의 회로를 이용하여 독립적으로 동작하는 것을 구현하였다.
본 논문은 이중 대역 Class-E 전력증폭기의 고효율 특성을 개선하기 위하여 CRLH 전송선로와 PIN 다이오드를 이용하여 연구 및 제작하였다. 이를 통해 제안된 구조에서 두 개의 주파수는 800 MHz와 1900 MHz로 정하였으며, 기존의 서로 다른 대역용 전력증폭기를 설계하여 이를 결합하는 형태를 벗어나 하나의 트랜지스터를 사용하여 각각의 대역에서 무선 통신 신호가 전력증폭기에 입력되어졌을 때 최대 효율을 얻을 수 있도록 설계하였다.

제안 방법

이중대역 동작이 가능한 CRLH 전송선로를 이용하여 정합 회로의 조절 회로를 구현하였다. 그리하여 효율 특성을 개선시키고 출력 정합회로와 입력 정합회로까지 조절하는 특성을 갖도록 구현하였다.
특히 이중대역에서 고효율 동작이 가능한 전력증폭기의 구현은 두 개의 주파수대역을 갖는 현대 무선 통신 시스템에서 회로의 수를 줄일 수 있다. 따라서 Class-E 전력증폭기가 가장 간단한 구조이면서 고주파에서 높은 효율을 가질 수 있기 때문에 Class-E 전력증폭기를 제안하였다. 하지만 일반적인 방법으로는 이중대역에서 동작하는 Class-E 전력증폭기를 구현하는 것은 어렵다.
하지만 일반적인 방법으로는 이중대역에서 동작하는 Class-E 전력증폭기를 구현하는 것은 어렵다. 따라서, 이중대역에서 동작하는 Class-E 전력증폭기의 정합회로 구현을 위하여 전송 선로를 이용한 메타물질의 이중대역 특성을 이용하였다^[6].
이를 통해 제안된 구조에서 두 개의 주파수는 800 MHz와 1900 MHz로 정하였으며, 기존의 서로 다른 대역용 전력증폭기를 설계하여 이를 결합하는 형태를 벗어나 하나의 트랜지스터를 사용하여 각각의 대역에서 무선 통신 신호가 전력증폭기에 입력되어졌을 때 최대 효율을 얻을 수 있도록 설계하였다. 또한 주파수 오프셋과 비선형 위상 기울기 특성을 통해 임의로 다중대역의 정합이 가능한 CRLH 전송선로를 사용함으로써 크기 문제와 다중밴드 정합의 제약을 해소하도록 하였다. 두 동작주파수에서 측정된 출력전력은 각각 800 MHz에서 42.
그림 6은 제안된 이중대역 Class-E 전력증폭기의 구현 모습을 보여주고 있다. 또한 출력 정합회로뿐만 아니라 입력 정합회로도 동일한 방법으로 이중대역에서 동작하도록 구현하여 제안된 전력증폭기의 효율 특성을 개선하였다.
본 논문은 이중 대역 Class-E 전력증폭기의 고효율 특성을 개선하기 위하여 CRLH 전송선로와 PIN 다이오드를 이용하여 연구 및 제작하였다. 이를 통해 제안된 구조에서 두 개의 주파수는 800 MHz와 1900 MHz로 정하였으며, 기존의 서로 다른 대역용 전력증폭기를 설계하여 이를 결합하는 형태를 벗어나 하나의 트랜지스터를 사용하여 각각의 대역에서 무선 통신 신호가 전력증폭기에 입력되어졌을 때 최대 효율을 얻을 수 있도록 설계하였다. 또한 주파수 오프셋과 비선형 위상 기울기 특성을 통해 임의로 다중대역의 정합이 가능한 CRLH 전송선로를 사용함으로써 크기 문제와 다중밴드 정합의 제약을 해소하도록 하였다.
이중대역 Class-E 전력증폭기는 Freescale 사의 trasnsistor인 LDMOS MRF282SR1을 이용하여 구현하였다. 또한 유전율 3.
이중대역 동작이 가능한 CRLH 전송선로를 이용하여 정합 회로의 조절 회로를 구현하였다. 그리하여 효율 특성을 개선시키고 출력 정합회로와 입력 정합회로까지 조절하는 특성을 갖도록 구현하였다.

대상 데이터

이중대역 Class-E 전력증폭기는 Freescale 사의 trasnsistor인 LDMOS MRF282SR1을 이용하여 구현하였다. 또한 유전율 3.2와 31 mils의 유전체 두께를 갖고 copper의 두께는 0.035 mm 인 Taconic TLC기판을 이용하였다. 설계에 사용된 circuit simulator는 Advanced Designed System(ADS)이다.

이론/모형

035 mm 인 Taconic TLC기판을 이용하였다. 설계에 사용된 circuit simulator는 Advanced Designed System(ADS)이다.

성능/효과

결론적으로, CRLH 전송 선로의 위상 곡선은 0°의 위상을 갖는 축 (전기적 길이가 0)에서 LH와 RH 범위 사이의 천이 주파수에서의 오프셋을 두고 교차한다.
또한 주파수 오프셋과 비선형 위상 기울기 특성을 통해 임의로 다중대역의 정합이 가능한 CRLH 전송선로를 사용함으로써 크기 문제와 다중밴드 정합의 제약을 해소하도록 하였다. 두 동작주파수에서 측정된 출력전력은 각각 800 MHz에서 42.17 dBm , 1900 MHz에서 41.50 dBm이다. 이 지점에서 얻은 전력효율 PAE는 800 MHz에서 62.
본 논문에서는 CRLH 전송선로를 이용하여 다중대역 전력증폭기를 구현하는 것이 용이하며, 복잡한 입출력 정합단을 최소화시킴으로써 크기 및 효율 개선에 기여하였고, PIN 다이오드를 이용하여 각각의 주파수에서 독립적으로 동작이 가능해 졌음을 확인할 수 있었다. 또한, 각각의 주파수에서 균일한 효율을 얻을 수 있었으며, 기존의 이중대역 증폭기의 각 대역 효율 불균형에 대한 개선을 할 수 있었다.
본 논문에서는 CRLH 전송선로를 이용하여 다중대역 전력증폭기를 구현하는 것이 용이하며, 복잡한 입출력 정합단을 최소화시킴으로써 크기 및 효율 개선에 기여하였고, PIN 다이오드를 이용하여 각각의 주파수에서 독립적으로 동작이 가능해 졌음을 확인할 수 있었다. 또한, 각각의 주파수에서 균일한 효율을 얻을 수 있었으며, 기존의 이중대역 증폭기의 각 대역 효율 불균형에 대한 개선을 할 수 있었다.
설계된 이중대역 전력증폭기의 제작 및 측정을 통하여 CRLH 전송선로의 다중대역 설계가 유용함을 확인하였으며 PIN 다이오드를 사용하여 각각의 독립된 주파수에서 동작하는 것을 확인하였다. 그림 8은 각각의 주파수대역에서의 출력전력의 스펙트럼을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Class-E 전력증폭기는 무엇인가?	Class-E 전력증폭기는 이론적으로 100%의 전력효율 특성을 갖는 전력증폭기로 Sokal이 처음 제시하였다. Class-E 전력증폭기는 다른 class에 비해 높은 효율로 인해 적은 열방출 특성을 가지고 있다.
	Class-E 전력증폭기는 어떤 특성을 가지고 있는가?	Class-E 전력증폭기는 이론적으로 100%의 전력효율 특성을 갖는 전력증폭기로 Sokal이 처음 제시하였다. Class-E 전력증폭기는 다른 class에 비해 높은 효율로 인해 적은 열방출 특성을 가지고 있다. 같은 주파수, 같은 출력전력에서 동일한 트랜지스터를 이용한 Class-E 전력증폭기는 일반적인 Class-B or -C 전력증폭기에 비해 2, 3배 작은 전력손실 특성을 갖고 동작한다.
	스위칭모드 전력증폭기는 어떻게 전력증폭기의 고효율 특성을 얻게 되는가?	스위칭모드 전력증폭기에서 트랜지스터는 이상적인 스위치처럼 동작하게 된다. 트랜지스터의 전력소모를 최소화하기 위해 트랜지스터의 전압과 전류 파형이 겹쳐지 않도록 해야 하며, 이는 트랜지스터를 ON/OFF시킴으로써 전력증폭기의 고효율 특성을 얻게 된다[6].

참고문헌 (7)

Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 1999.
N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class E-a New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol SC-10, vo. 3, pp 168-176, June 1975.
A. Lai, C. Caloz, and T. Itoh, "Composite right/left--handed transmission line metamaterials," IEEE Microwave Magazine, vol. 5, pp. 34-50, September 2004.
N. O. Sokal, "Class E High-Efficiency Switching- Mode Power Amplifiers, from HF to Microwave", 1998 IEEE MTT--S, International Microwave Symposium Digest, June 1998.
I-Hsiang Lin, M. Devincentis, and C. Caloz, and T. Itoh, " Arbitrary dual-band composite using composite right/left-handed transmission lines," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 4, pp. 1142-1149, April 2004.

상세보기
S. Ji, G. Hwang, C. Cho, J. W. Lee, and J. Kim, "836 MHz/ 1.95 GHz dual-band class-E power amplifier using composite right / left - handed transmission lines", European Microwave Conference, pp. 356-359, September 2006.
고승기, 서철헌, "메타구조의 CRLH를 이용한 이중대역 전력증폭기 설계" 전자공학회 논문지 제 47권 TC편 제 12호,pp. 78-83, 2010년 12월

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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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