본 논문에서는 고조파정합 기법을 이용하여 고효율 GaN HEMT 전력 증폭기를 설계 및 제작하고, 그 특성을 측정하였다. 고효율 특성을 얻기 위해 고조파 로드풀 시뮬레이션을 활용하였다. 즉, 기본 주파수뿐만 아니라 2차, 3차 등의 고조파에서 최적의 부하 임피던스를 찾아내었다. 이러한 고조파 로드풀 시뮬레이션 결과를 바탕으로 출력 정합 회로를 설계하였다. 제작한 전력 증폭기는 중심 주파수 1.85 GHz에서 선형 전력 이득 20 dB 및 33.7 dBm의 $P_{1dB}$(1 dB gain compression point) 특성을 보였다. 그리고, 출력 전력 38.6 dBm에서 80.9 %의 최대 전력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE)을 나타냈으며, 이는 기존에 설계된 고효율 전력 증폭기와 비교했을 때 아주 우수한 효율 특성이다. 또한, W-CDMA 신호입력에 대한 측정 결과, 28.4 dBm의 평균 출력 전력에서 27.8 %의 PAE와 5 MHz offset 주파수에서 -38.8 dBc의 ACLR (Adjacent ChannelLeakage Ratio)을 보였다. 그리고, 다항식 맞춤 방식의 디지털 전치 왜곡(Digital Predistortion: DPD) 선형화 알고리듬을 구현하여 제작된 전력 증폭기의 ACLR을 6.2 dB 정도 향상시킬 수 있었다.
본 논문에서는 고조파 정합 기법을 이용하여 고효율 GaN HEMT 전력 증폭기를 설계 및 제작하고, 그 특성을 측정하였다. 고효율 특성을 얻기 위해 고조파 로드풀 시뮬레이션을 활용하였다. 즉, 기본 주파수뿐만 아니라 2차, 3차 등의 고조파에서 최적의 부하 임피던스를 찾아내었다. 이러한 고조파 로드풀 시뮬레이션 결과를 바탕으로 출력 정합 회로를 설계하였다. 제작한 전력 증폭기는 중심 주파수 1.85 GHz에서 선형 전력 이득 20 dB 및 33.7 dBm의 $P_{1dB}$(1 dB gain compression point) 특성을 보였다. 그리고, 출력 전력 38.6 dBm에서 80.9 %의 최대 전력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE)을 나타냈으며, 이는 기존에 설계된 고효율 전력 증폭기와 비교했을 때 아주 우수한 효율 특성이다. 또한, W-CDMA 신호입력에 대한 측정 결과, 28.4 dBm의 평균 출력 전력에서 27.8 %의 PAE와 5 MHz offset 주파수에서 -38.8 dBc의 ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio)을 보였다. 그리고, 다항식 맞춤 방식의 디지털 전치 왜곡(Digital Predistortion: DPD) 선형화 알고리듬을 구현하여 제작된 전력 증폭기의 ACLR을 6.2 dB 정도 향상시킬 수 있었다.
In this paper, we present the design, fabrication and measurement of high efficiency GaN HEMT power amplifier using harmonic matching technique. In order to achieve high efficiency, harmonic load-pull simulation is performed, that is, the optimum load impedances are determined at $2^{nd}$...
In this paper, we present the design, fabrication and measurement of high efficiency GaN HEMT power amplifier using harmonic matching technique. In order to achieve high efficiency, harmonic load-pull simulation is performed, that is, the optimum load impedances are determined at $2^{nd}$ and $3^{rd}$ harmonic frequencies as well as at the fundamental. Then, the output matching circuit is designed based on harmonic load-pull simulation. The measurement of the fabricated power amplifier shows the linear gain of 20 dB and $P_{1dB}$(1 dB gain compression point) of 33.7 dBm at 1.85 GHz. The maximum power added efficiency(PAE) of 80.9 % is achieved at the output power of 38.6 dBm, which belongs to best efficiency performance among the reported high efficiency power amplifiers. For W-CDMA input signal, the power amplifier shows a PAE of 27.8 % at the average output power of 28.4 dBm, where an ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) is measured to be -38.8 dBc. Digital predistortion using polynomial fitting was implemented to linearize the power amplifiers, which allowed about 6.2 dB improvement of an ACLR performance.
In this paper, we present the design, fabrication and measurement of high efficiency GaN HEMT power amplifier using harmonic matching technique. In order to achieve high efficiency, harmonic load-pull simulation is performed, that is, the optimum load impedances are determined at $2^{nd}$ and $3^{rd}$ harmonic frequencies as well as at the fundamental. Then, the output matching circuit is designed based on harmonic load-pull simulation. The measurement of the fabricated power amplifier shows the linear gain of 20 dB and $P_{1dB}$(1 dB gain compression point) of 33.7 dBm at 1.85 GHz. The maximum power added efficiency(PAE) of 80.9 % is achieved at the output power of 38.6 dBm, which belongs to best efficiency performance among the reported high efficiency power amplifiers. For W-CDMA input signal, the power amplifier shows a PAE of 27.8 % at the average output power of 28.4 dBm, where an ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) is measured to be -38.8 dBc. Digital predistortion using polynomial fitting was implemented to linearize the power amplifiers, which allowed about 6.2 dB improvement of an ACLR performance.
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문제 정의
본 논문에서는 1.85 GHz에서 고조파 정합 기법을 이용한 GaN HEMT 고효율 전력 증폭기를 설계 및 제작하여 측정 결과를 분석하였다. 또한, 10.
본 논문에서는 GaN HEMT를 이용하여 중심 주파수 1.85 GHz에서 동작하는 고효율 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 로드풀 시뮬레이션을 이용하여 중심 주파수에서 최적의 부하 임피던스뿐만 아니라 2, 3차 고조파 주파수에서의 최적의 부하 임피던스를 고려하여 출력 정합 회로를 구현하였다.
로드풀 시뮬레이션을 이용하면 최대 출력을 만족하는 부하 임피던스 영역과 최대 효율을 만족하는 부하 임피던스의 영역을 찾아낼 수 있다. 본 논문에서는 최적의 부하 임피던스 ZL.opt를 38 dBm 이상의 출력 전력을 만족하면서 최대 효율을 보이는 지점으로 결정하였다. 각 고조파에서 최적의 부하 임피던스를 찾는 방법은 아래와 같다.
제안 방법
10.3 dB의 PAR을 가지는 W-CDMA 신호를 Matlab을 이용하여 생성한 후 제작된 전력 증폭기의 특성을 측정하였다. 측정 결과, 28.
TL5의 길이는 ZL2와 ZL3의 인덕턴스 성분을 결정하며, TL2와 TL3는 중심 주파수에서 λ/4 길이이며, 바이어스 회로로 사용되었다. TL7과 TL8의 치수는 중심 주파수에서 부하 임피던스가 ZL1.opt가 되도록 설계하였다.
게이트 바이어스 회로는 중심 주파수에서 λ/4 길이의 라인(TL6)과 1 pF의 캐패시터를 이용하여 설계하였으며, 저주파 발진 방지를 위해 200 Ω의 저항을 연결하였다.
그 다음, 중심 주파수에서의 임피던스는 ZL1.opt, 3차 고조파 임피던스는 50 Ω으로 고정하였고, 2차 고조파에 대한 로드풀 시뮬레이션을 수행하여, 최적의 2차 고조파 부하 임피던스 ZL2.opt를 결정한다.
이와 같이 노드 A가 2차, 3차 고조파 주파수에서 접지가 되게 한 다음, TL5길이를 적절히 선택하여 ZL2=j46 Ω, ZL3=j76 Ω이 되도록 하였다. 그러나, TL5를 이용하여 2차, 3차 고조파 부하 임피던스를 동시에 정합하는데 어려움이 있었고, 전력 증폭기의 특성이 크게 차이를 보이지 않는 지점에서 3차 고조파 임피던스를 결정하여 설계하였다. TL5의 길이는 ZL2와 ZL3의 인덕턴스 성분을 결정하며, TL2와 TL3는 중심 주파수에서 λ/4 길이이며, 바이어스 회로로 사용되었다.
그리고, 제작한 전력 증폭기의 CW(Continuous Wave)신호 입력에 대한 특성을 측정하였다. 그림 7은 중심 주파수 1.
높은 주파수에서는 부하 임피던스뿐만 아니라, 소스 임피던스도 전력 증폭기의 성능에 영향을 미친다. 따라서, 위에서 찾은 고조파별 최적의 부하 임피던스로 출력 정합 회로를 고정한 다음, 소스풀 시뮬레이션을 수행하여 중심 주파수에서의 최적의 소스 임피던스(ZS1.opt=8+j8)를 결정하였다. 또한, 2, 3차 고조파 소스 임피던스(ZS2, ZS3)는 전력 증폭기 성능에 큰 영향이 없었으며, 50 Ω으로 고정하였다.
85 GHz에서 고조파 정합 기법을 이용한 GaN HEMT 고효율 전력 증폭기를 설계 및 제작하여 측정 결과를 분석하였다. 또한, 10.3 dB의 PAR(Peak to Average Ratio)을 가지는 W-CDMA 신호를 만들어 제작된 전력 증폭기의 성능을 분석하였다. 추가로 다항식 맞춤 방식을 활용한 디지털 전치 왜곡 기법(digital predistortion: DPD)을 적용하여 제작된 전력 증폭기의 선형성을 향상시켰다.
85 GHz에서 동작하는 고효율 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 로드풀 시뮬레이션을 이용하여 중심 주파수에서 최적의 부하 임피던스뿐만 아니라 2, 3차 고조파 주파수에서의 최적의 부하 임피던스를 고려하여 출력 정합 회로를 구현하였다. 제작된 전력 증폭기는 CW 신호 측정에서 80.
opt를 결정한다. 마지막으로, 결정된 ZL1.opt와 ZL2.opt를 사용하여, 3차 고조파에서의 로드풀 시뮬레이션을 수행하고, 최적의 3차 고조파 부하 임피던스 ZL3.opt를 결정하였다.
본 연구에서 적용한 고조파 정합 기법은 중심 주파수뿐만 아니라 2, 3차 고조파 주파수에서도 최적의 부하 임피던스가 보이도록 전력 증폭기를 설계하였다.
선행 연구된 GaN HEMT를 이용한 전력 증폭기의 특성을 본 논문과 비교하기 위해 표 5에 나타내었다. 비교 논문은 10 W 이하의 출력 전력을 가지며, 스위치 모드와 class-AB로 동작하는 전력 증폭기를 선정하였다. 기존의 GaN HEMT 전력 증폭기와 비교하여 본 논문에서 제작된 전력 증폭기의 PAE는 단일 주파수에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
설계는 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하였다. 선형적인 동작과 높은 효율을 만족하도록 Cla-ss-AB(VDD=28 V, VGG=-2.9 V, IDQ=50 mA) 바이어스를 선택하였다.
위의 소스풀 및 로드풀 시뮬레이션에서 찾아낸 최적의 소스 임피던스와 부하 임피던스 값을 이용하여 입출력 정합 회로를 설계하였다. 그림 2는 설계된 전력 증폭기의 회로도이다.
opt가 인덕턴스 성분만으로 이루어져 있는 것을 확인하였다. 이를 만족하기 위하여 그림 2에서처럼 TL4와 TL2를 이용하여 2차 고조파 주파수에서 노드 A가 접지가 되도록 하였다. 또한, TL1은 3차 고조파 주파수에서 노드 A를 접지로 만들어 주는 개방 스터브로 사용하였다.
이와 같이 노드 A가 2차, 3차 고조파 주파수에서 접지가 되게 한 다음, TL5길이를 적절히 선택하여 ZL2=j46 Ω, ZL3=j76 Ω이 되도록 하였다.
입력 정합 회로는 개방 스터브와 단락 스터브를 이용하여 중심 주파수에서 ZS1,opt가 보이도록 간단하게 설계하였다. 게이트 바이어스 회로는 중심 주파수에서 λ/4 길이의 라인(TL6)과 1 pF의 캐패시터를 이용하여 설계하였으며, 저주파 발진 방지를 위해 200 Ω의 저항을 연결하였다.
제작된 고효율 전력 증폭기의 선형성 개선을 위해 다음과 같은 디지털 전치 왜곡 기법을 구현하였다. 먼저, 제안된 전력 증폭기의 특성을 파악하기 위해 입력 신호 x(n)과 출력 신호 y(n)의 시간 정렬(time-alignment)이 필요하다.
제작된 전력 증폭기의 주파수 특성을 확인하기 위해 300 MHz의 주파수 대역폭에서 CW 실험을 하였다. 그림 8은 입력 전력이 24, 26, 28 dBm일 때, 1.
우선, x(n)과 y(n)의 상호상관(crosscorrelation)이 최대가 되는 지점을 찾아 이를 보상한다. 추가로 sub-sampling 기법을 이용하여, 하나의 샘플 간격 내에서 보다 정확한 시간 정렬을 하였다. 그 다음, 전력 증폭기의 비선형 특성인 AM-AM 및 AM-PM 특성을 식 (1)과 같이 모델링하였다.
3 dB의 PAR(Peak to Average Ratio)을 가지는 W-CDMA 신호를 만들어 제작된 전력 증폭기의 성능을 분석하였다. 추가로 다항식 맞춤 방식을 활용한 디지털 전치 왜곡 기법(digital predistortion: DPD)을 적용하여 제작된 전력 증폭기의 선형성을 향상시켰다.
대상 데이터
TL5의 길이는 ZL2와 ZL3의 인덕턴스 성분을 결정하며, TL2와 TL3는 중심 주파수에서 λ/4 길이이며, 바이어스 회로로 사용되었다.
설계된 전력 증폭기는 유전율 2.2, 두께 0.504 mm의 유전체 기판(Taconic TLY-5)과 마이크로스트립 라인을 이용하여 제작되었다.
3 dB인 W-CDMA 신호를 생성하였다. 신호의 대역폭은 3.84 MHz이며, 약 32.55 nsec의 샘플 간격을 갖는 216(65,536)개의데이터를 사용하였다. 측정 결과, 최대 출력 전력에서 10 dB back-off된 지점인 28.
전력 증폭기 설계에 사용한 트랜지스터는 GaN HEMT로써 Cree사의 CGH40006P 모델을 활용하였다. 표 1은 데이터 시트를 요약한 트랜지스터의 전기적 특성이다[9].
이론/모형
설계는 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하였다. 선형적인 동작과 높은 효율을 만족하도록 Cla-ss-AB(VDD=28 V, VGG=-2.
성능/효과
85 GHz에서 측정된 출력 전력에 따른 이득과 PAE 특성을 보여준다. 1.85 GHz에서 38.6 dBm의 최대 출력 전력과 80.9 %의 PAE를 보였다. 또한, 33.
그림 11은 디지털 전치 왜곡 기법 전과 후의 평균 출력 전력에 따른 ACLR과 PAE의 측정 결과이다. 28.4 dBm의 평균 출력 전력에서, -45 dBc의 ACLR을 만족하면서 27.8%의 가장 높은 PAE를 보였다. 다항식 맞춤 방식의 디지털 전치 왜곡 기법을 통하여, 6.
그림 10 (a)는 정규화된 입력 신호 |x(n)|에 따른 정규화된 출력 신호 |y(n)|의 특성을 나타내며, 그림 10 (b)는 |x(n)|에 따른 y(n)의 위상 차이를 보여준다. 구현된 디지털 전치 왜곡 기법을 적용하면 AM-AM 및 AM-PM 특성이 개선되는 것을 보여주고 있다.
비교 논문은 10 W 이하의 출력 전력을 가지며, 스위치 모드와 class-AB로 동작하는 전력 증폭기를 선정하였다. 기존의 GaN HEMT 전력 증폭기와 비교하여 본 논문에서 제작된 전력 증폭기의 PAE는 단일 주파수에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
8%의 가장 높은 PAE를 보였다. 다항식 맞춤 방식의 디지털 전치 왜곡 기법을 통하여, 6.2 dB의 ACLR이 개선되었음을 확인하였다.
9 %의 PAE를 보였다. 또한, 33.7 dBm의 P1dB(1 dB gain compression point)를 보였으며, 그 지점에서의 PAE는 47.1 %를 만족하였다.
8 dBc의 ACLR을 보였다. 또한, 구현된 디지털 전치 왜곡 기법을 적용하여 ACLR을 6.2 dB 향상시킬 수 있었다.
표 3은 설계한 전력 증폭기의 시뮬레이션 결과와 로드풀 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 로드풀 결과에 비해 설계한 전력 증폭기는 0.5 dB 낮은 출력과 0.5 % 낮은 PAE를 보였으나, 고조파 정합 기법을 적용하여 80.5 %의 최대 PAE와 39 dBm의 최대 출력 전력을 보였다.
그림 3은 설계한 출력 정합 회로의 부하 임피던스를 스미스 차트 상에 고조파 주파수 별로 나타낸 것이다. 설계한 출력 정합 회로는 중심 주파수와 2차 고조파 주파수에서 로드풀 결과와 거의 일치하였고, 3차 고조파 주파수에서는 약간 차이가 나지만, 효율과 출력 전력에는 큰 영향을 미치지 않았다.
표 2는 최대 효율을 보이는 입력 전력(25 dBm)일 때, 로드풀 시뮬레이션 결과를 통해 찾은 고조파별 최적의 부하 임피던스 값이다. 시뮬레이션 결과, 39.5 dBm의 출력 전력 지점에서 81 %의 전력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE)과 21 dB의 전력 이득을 보였다.
로드풀 시뮬레이션을 이용하여 중심 주파수에서 최적의 부하 임피던스뿐만 아니라 2, 3차 고조파 주파수에서의 최적의 부하 임피던스를 고려하여 출력 정합 회로를 구현하였다. 제작된 전력 증폭기는 CW 신호 측정에서 80.9 %의 최대 PAE를 얻었으며, 그때 출력 전력은 38.6 dBm이다.
그림 12는 제작된 전력 증폭기의 디지털 전치 왜곡 전과 후의 스펙트럼을 비교한 것이다. 출력 전력 28.4 dBm일 때, 제작한 전력 증폭기에서 발생한 스펙트럼 재성장이 디지털 전치 왜곡을 통해 감소하였음을 확인했다.
0 GHz의 주파수에 따른 측정 결과이다. 측정 결과, 1.8～1.9 GHz에서 70 % 이상의 PAE와 38 dBm 이상의 출력 전력을 만족하였다.
3 dB의 PAR을 가지는 W-CDMA 신호를 Matlab을 이용하여 생성한 후 제작된 전력 증폭기의 특성을 측정하였다. 측정 결과, 28.4 dBm의 평균 출력 전력에서 27.8%의 PAE와 -38.8 dBc의 ACLR을 보였다. 또한, 구현된 디지털 전치 왜곡 기법을 적용하여 ACLR을 6.
55 nsec의 샘플 간격을 갖는 216(65,536)개의데이터를 사용하였다. 측정 결과, 최대 출력 전력에서 10 dB back-off된 지점인 28.4 dBm의 평균 출력 전력에서 27.8 %의 PAE와 5 MHz offset 주파수에서 -38.8 dBc의 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio)을 보였다. 측정된 선형성은 구동 증폭기의 왜곡 특성도 포함하며, 구동 증폭기는 5 MHz offset 주파수에서 -50 dBc의 ACLR 특성을 보인다.
8 dBc의 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio)을 보였다. 측정된 선형성은 구동 증폭기의 왜곡 특성도 포함하며, 구동 증폭기는 5 MHz offset 주파수에서 -50 dBc의 ACLR 특성을 보인다.
표 2의 시뮬레이션 결과에 따라 ZL2.opt 및 ZL3.opt가 인덕턴스 성분만으로 이루어져 있는 것을 확인하였다. 이를 만족하기 위하여 그림 2에서처럼 TL4와 TL2를 이용하여 2차 고조파 주파수에서 노드 A가 접지가 되도록 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GHz 이상의 높은 주파수에서는 효율 저하가 심각하게 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 나온 전력 증폭기는 무엇인가?
특히 GHz 이상의 높은 주파수에서는 효율 저하가 심각하게 발생한다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법이 고조파 정합 기법을 이용한 전력 증폭기이다. 이는 우수한 효율 특성을 가지도록 하는 트랜지스터의 최적 부하 임피던스를 고조파별로 찾아내어 출력 정합 회로를 설계하는 것이다.
GaN HEMT가 고출력, 고효율 전력 증폭기에 적합한 이유는?
특히 전력 증폭기는 많은 전력을 소모하기 때문에, 전력 증폭기의 효율은 시스템 전체의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)는 높은 전자이동도와 넓은 밴드갭, 그리고, 높은 항복 전압 특성을 가지고 있어 고출력, 고효율 전력 증폭기에 적합하다[1],[2]. 기존의 고효율 전력 증폭기 설계 기술에는 class-E, E-1, F, F-1와 같은 스위치 모드 전력 증폭기[3]～[5]와 고조파 정합 기법을 이용한 전력 증폭기[6]～[8]가 있다.
전력 증폭기의 효율이 시스템 전체의 성능에서 중요한 이유는 무엇인가?
통신 시스템에서의 전력 증폭기는 송신 시스템에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 특히 전력 증폭기는 많은 전력을 소모하기 때문에, 전력 증폭기의 효율은 시스템 전체의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)는 높은 전자이동도와 넓은 밴드갭, 그리고, 높은 항복 전압 특성을 가지고 있어 고출력, 고효율 전력 증폭기에 적합하다[1],[2].
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