F급 전력증폭기의 출력 전력 불확도에 대한 DC 영향 분석 및 최적 바이어스 조건 도출에 관한 연구 Analysis on the Propagated Uncertainty of Output Power of Class-F Power Amplifiers from DC Biasing and Its Optimization원문보기
본 논문은 F급 무선 전력증폭기의 설계에 있어 바이어스 전압의 불확도가 출력 전력에 미치는 영향을 분석하고, 이를 최소화하는 바이어스 조건을 도출하였다. 이를 위하여 불확도 전파이론을 활용하여 전력증폭기의 출력 전력에 대한 드레인 및 게이트 바이어스 공급 전압의 불확도가 전파되는 영향에 대하여 이론적인 해석 및 측정 민감도에 대해 분석하였으며, 1.9 GHz에서 동작하는 F급 전력증폭기 회로에서의 전력 불확도에 대한 이론적, 실험적 분석 방법을 제시하였다. 더불어, 증폭기의 성능을 유지하면서 출력 불확도를 최소화하기 위한 최적의 바이어스 조건을 도출하였다. 그 결과, 1.17 W 출력 전력에 대한 전원 공급 장치의 전압 불확도는 바이어스 조건에 따라 약 15~65 mW의 영향을 미치는 것으로 파악되었으며, 최적 바이어스 조건으로 측정할 경우 출력 전력은 0.37 dB 감소하는 반면에 출력 불확도는 15 mW 이하로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문은 F급 무선 전력증폭기의 설계에 있어 바이어스 전압의 불확도가 출력 전력에 미치는 영향을 분석하고, 이를 최소화하는 바이어스 조건을 도출하였다. 이를 위하여 불확도 전파이론을 활용하여 전력증폭기의 출력 전력에 대한 드레인 및 게이트 바이어스 공급 전압의 불확도가 전파되는 영향에 대하여 이론적인 해석 및 측정 민감도에 대해 분석하였으며, 1.9 GHz에서 동작하는 F급 전력증폭기 회로에서의 전력 불확도에 대한 이론적, 실험적 분석 방법을 제시하였다. 더불어, 증폭기의 성능을 유지하면서 출력 불확도를 최소화하기 위한 최적의 바이어스 조건을 도출하였다. 그 결과, 1.17 W 출력 전력에 대한 전원 공급 장치의 전압 불확도는 바이어스 조건에 따라 약 15~65 mW의 영향을 미치는 것으로 파악되었으며, 최적 바이어스 조건으로 측정할 경우 출력 전력은 0.37 dB 감소하는 반면에 출력 불확도는 15 mW 이하로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
In this paper, the propagation effect of power supply uncertainty on the output of class-F power amplifier has been estimated. Also, a 1.9 GHz, 10 watt class-F power amplifier was measured to verify the estimation and to find the optimal biasing point. By approximating the propagation theory of unce...
In this paper, the propagation effect of power supply uncertainty on the output of class-F power amplifier has been estimated. Also, a 1.9 GHz, 10 watt class-F power amplifier was measured to verify the estimation and to find the optimal biasing point. By approximating the propagation theory of uncertainties, the propagation effect of bias uncertainty was mathmatically calculated. As a result, the DC biases have propagated uncertainties of 15~70 mW. However, at the optimized bias point, the uncertainty in the output power could be dropped less than 15 mW while the output power has dropped by 0.37 dB.
In this paper, the propagation effect of power supply uncertainty on the output of class-F power amplifier has been estimated. Also, a 1.9 GHz, 10 watt class-F power amplifier was measured to verify the estimation and to find the optimal biasing point. By approximating the propagation theory of uncertainties, the propagation effect of bias uncertainty was mathmatically calculated. As a result, the DC biases have propagated uncertainties of 15~70 mW. However, at the optimized bias point, the uncertainty in the output power could be dropped less than 15 mW while the output power has dropped by 0.37 dB.
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문제 정의
그러나 일반적인 무선 시스템의 출력 불확도 분석의 경우 매우 제한된 조건에서의 결과만이 제시되어 일반적인 증폭기 시스템의 출력에 대한 영향을 정확하게 예측하기가 사실상 불가능한 상황이다[2],[3]. 따라서, 본 고에서는 회로 시뮬레이션을 활용한 A급 전력증폭기의 출력 불확도 분석을 확장하여[4], 고효율 F급 무선 전력증폭기의 출력 성능에 영향을 미치는 외부 인자에 대하여 연구하였다. 그 중에서도 대표적인 외부 인자인 게이트 및 드레인 바이어스가 주요한 인자로 예상되는 바[4], 통합 시스템에서의 바이어스 전압 불확도가 출력 전력의 불확도로 전파되는 경로에 대해 이론적인 해석을 활용하였으며 실험을 통하여 이를 확인하였다.
본 논문은 F급 무선 전력증폭기의 설계에 있어, 증폭기의 출력 전력에 대한 드레인 및 게이트 바이어스 전압의 불확도 영향에 대하여 수학적 해석 및 측정을 통하여 분석하였다. 분석에 활용된 전력증폭기는 1.
제안 방법
따라서, 본 고에서는 회로 시뮬레이션을 활용한 A급 전력증폭기의 출력 불확도 분석을 확장하여[4], 고효율 F급 무선 전력증폭기의 출력 성능에 영향을 미치는 외부 인자에 대하여 연구하였다. 그 중에서도 대표적인 외부 인자인 게이트 및 드레인 바이어스가 주요한 인자로 예상되는 바[4], 통합 시스템에서의 바이어스 전압 불확도가 출력 전력의 불확도로 전파되는 경로에 대해 이론적인 해석을 활용하였으며 실험을 통하여 이를 확인하였다. 마지막으로 위의 분석 및 측정을 활용하여 출력 전력, 효율, 전력 불확도 등을 고려한 최적의 바이어스 조건을 도출하였다.
또한, 실제 측정에 사용되는 바이어스 전원장치의 규격을 바탕으로 전원 공급장치가 각각 ±(0.05 % + 20 mV)(게이트 전원), ±(0.5 % + 10 mV)(드레인 전원)의 불확도를 가지는 경우를 산정하여 증폭기의 출력 전력에 대한 개별 전원의 불확도 영향과 최종적으로 RSS 방식으로 합성된 불확도를 예상하였으며, 이는 표 1에서와 같이 나타낼 수 있다.
그 중에서도 대표적인 외부 인자인 게이트 및 드레인 바이어스가 주요한 인자로 예상되는 바[4], 통합 시스템에서의 바이어스 전압 불확도가 출력 전력의 불확도로 전파되는 경로에 대해 이론적인 해석을 활용하였으며 실험을 통하여 이를 확인하였다. 마지막으로 위의 분석 및 측정을 활용하여 출력 전력, 효율, 전력 불확도 등을 고려한 최적의 바이어스 조건을 도출하였다.
바이어스 전압의 민감도를 산출하기 위하여 게이트 바이어스 VGG는 -2.8~-2.6 V의 범위에서 0.5 V 간격으로 측정하였으며, 드레인 바이어스 VDD는 27.5~28.5 V 범위 에서 0.1 V 간격으로 측정하였다. 측정 간의 상관 관계를 최소화하기 위하여 개별 측정은 전체 바이어스 범위에 대해 10분 간격으로 총 5회 수행하여 분석하였다.
본 분석에 활용된 전력증폭기는 그림 1의 F급 회로로 설계되었으며, 상용 10 W 급 GaN 소자를 기반으로 최대 효율 82 %를 내도록 설계되었다. 동 증폭기의 정상적인 드레인 바이어스는 28 V이며, 게이트 바이어스는 약 -2.
본 절에서는 앞에서의 수학적 접근 방법을 활용하여 F급 전력증폭기를 대상으로 출력 전력 불확도를 분석하였다.
본 논문은 F급 무선 전력증폭기의 설계에 있어, 증폭기의 출력 전력에 대한 드레인 및 게이트 바이어스 전압의 불확도 영향에 대하여 수학적 해석 및 측정을 통하여 분석하였다. 분석에 활용된 전력증폭기는 1.9 GHz에서 동작하는 F급 증폭기로, 바이어스 전압의 변동에 따른 전력 불확도에 대한 이론적, 실험적 분석을 제시하였다. 그 결과, 증폭기의 trans-conductance은 게이트 전원의 불확도 전파에 영향을 미치며, 출력 포화계수는 드레인 전원의 불확도 전파에 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
앞 절의 시뮬레이션 분석에 활용된 1.9 GHz F급 전력 증폭기에 대하여 출력 전력의 불확도에 대하여 측정 및 분석하였다. 분석은 크게 두 가지로 나눠진다.
분석은 크게 두 가지로 나눠진다. 우선, 바이어스 전압의 변화에 따른 평균 출력 전력의 변화량을 분석하여 개별 바이어스 변화에 대한 민감도를 분석하고, 다음으로는 출력 전력에서의 합성 불확도를 추정한다. 이를 통하여 증폭기의 출력 전력이 바이어스에 의해 어느 정도의 변동성을 나타내는지를 추정할 수 있다.
증폭기는 일반적인 통신신호 증폭 조건을 고려하여 최대전력 대비 약 10 dB back-off를 감안하여 분석하였다(β=0.34).
1 V 간격으로 측정하였다. 측정 간의 상관 관계를 최소화하기 위하여 개별 측정은 전체 바이어스 범위에 대해 10분 간격으로 총 5회 수행하여 분석하였다. 그 결과, 그림 3은 드레인 전압의 변화에 따른 평균 출력 전력 변화를 나타낸다.
성능/효과
결과적으로 위의 식은 드레인 바이어스의 변화에 대한 출력 전력 변화량을 표현하며, 출력 저항 값이 작을수록, 출력 전력이 최대치에 가까울수록 해당 불확도가 높아지는 것을 예상할 수 있다.
9 GHz에서 동작하는 F급 증폭기로, 바이어스 전압의 변동에 따른 전력 불확도에 대한 이론적, 실험적 분석을 제시하였다. 그 결과, 증폭기의 trans-conductance은 게이트 전원의 불확도 전파에 영향을 미치며, 출력 포화계수는 드레인 전원의 불확도 전파에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 또한, 1.
그 결과, 증폭기의 trans-conductance은 게이트 전원의 불확도 전파에 영향을 미치며, 출력 포화계수는 드레인 전원의 불확도 전파에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 또한, 1.17 W 출력 전력에 대한 전원 공급 장치의 전압 불확도는 바이어스 조건에 따라 약 15~65 mW의 영향을 미치는 것으로 파악되었으며, 최적 바이어스 조건의 경우 출력 전력은 0.37 dB 감소하는 반면에, 출력 불확도는 15 mW 이하로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
9 GHz에서의 출력 저항은 약 21 옴이다. 이상의 바이어스 조건에서 해당 트랜지스터는 약 218 mA의드레인 전류를 흘리며, 선형 영역에서 최대 약 15.2 dB의 전력 gain 가지는 것으로 파악되었다. 증폭기는 일반적인 통신신호 증폭 조건을 고려하여 최대전력 대비 약 10 dB back-off를 감안하여 분석하였다(β=0.
또한 그림 3으로부터 출력 전력의 불확도는 주로 게이트 바이어스 VGG 에 민감한 영향을 받음을 알 수 있다. 즉, VGG 가 -2.7 V보다 낮을수록 출력 불확도는 65 mW까지 급격하게 증가하는 반면, -2.7 V보다 높은 경우 출력 불확도는 약 20 mW 정도로 안정적인 값을 가짐을 확인할 수 있다. 이는 앞 절에서의 시뮬레이션 결과와 동일한 추세이다.
위와 같은 측정 결과를 기반으로 출력 전력을 유지하면서 불확도를 최소화 할 수 있는 바이어스를 선정할 수 있다. 특히 VDD =28 V, VGG =-2.65 V를 트랜지스터에 바이어스 전압으로 인가할 경우, 출력은 약 0.01 watt 정도(약 0.37 dB) 감소하나, 출력 불확도는 0.015 watt 이하로 개선시킴을 확인할 수 있다(그림 2 및 그림 3 참조).
5 % + 10 mV)(드레인 전원)의 불확도를 가지는 경우를 산정하여 증폭기의 출력 전력에 대한 개별 전원의 불확도 영향과 최종적으로 RSS 방식으로 합성된 불확도를 예상하였으며, 이는 표 1에서와 같이 나타낼 수 있다. 표 1에서 나타난 바와 같이, 바이어스 전원에 의한 출력 전력의 불확도는 39.3 mW로, 그 중 게이트 바이어스의 영향은 38.2 mW, 드레인 바이어스의 영향은 9.3 mW으로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
측정 불확도는 무엇인가?
측정 불확도(Uncertainty)란, 특정 시스템의 운용 및 측정에 있어서 주어진 조건 하에 예상되는 오차의 범위 및 이의 제시 절차를 의미한다[6]. 전력증폭기의 출력 불확도의 경우, 증폭기의 출력 포트에서 측정되거나 수신되는 전력이 중심 값을 기준으로 불규칙적으로 변화하는 정도를 확률적인 신뢰수준으로 표현한다.
상대적으로 높은 출력을 담당하는 부품인 전력증폭기는 어떤 영향을 미치는가?
향후 예상되는 무선 통신 기기의 급격한 보급에 대비하여 정밀한 무선 통신장치를 효율적으로 생산/테스트하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 때의 테스트 시간과 정확성은 제품 생산성에 직접적인 영향을 미치게 되며[1], 그 중 전력증폭기는 상대적으로 높은 출력을 담당하는 부품이기에, 설계 및 제조상의 오차로 인한 불확도가 시스템의 고속 대량 생산 시 부정확한 합격/불합격 판정에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 그러나 일반적인 무선 시스템의 출력 불확도 분석의 경우 매우 제한된 조건에서의 결과만이 제시되어 일반적인 증폭기 시스템의 출력에 대한 영향을 정확하게 예측하기가 사실상 불가능한 상황이다[2],[3].
본 논문에서 F급 무선 전력증폭기의 설계에 있어 증폭기의 출력 전력에 대한 드레인 및 게이트 바이어스 전압의 불확도 영향에 대하여 수학적 해석 및 측정을 통하여 분석했을 때 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?
9 GHz에서 동작하는 F급 증폭기로, 바이어스 전압의 변동에 따른 전력 불확도에 대한 이론적, 실험적 분석을 제시하였다. 그 결과, 증폭기의 trans-conductance은 게이트 전원의 불확도 전파에 영향을 미치며, 출력 포화계수는 드레인 전원의 불확도 전파에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 또한, 1.17 W 출력 전력에 대한 전원 공급 장치의 전압 불확도는 바이어스 조건에 따라 약 15~65 mW의 영향을 미치는 것으로 파악되었으며, 최적 바이어스 조건의 경우 출력 전력은 0.37 dB 감소하는 반면에, 출력 불확도는 15 mW 이하로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
참고문헌 (6)
K. B. Schaub, J. Kelly, Production Testing for RF and System-on-a-Chip Devices for Wireless Communications, Artech House, pp. 33-93, 2004.
Rodhe & Schwartz(2012, Mar.). RF Level Measurement Uncertainties with the Measuring Receiver R&S FSMR. [Online], Available: http://www2.rohde-schwarz.com/file/1MA92_0e.pdf
Swanzy, Joe, "Impact of VSWR on the uncertainty analysis of harmonics for a scope calibrator instrument", in Proc. of Workshop and Symp. of National Conf. and Standards Laboratories, pp. 663-670, 2002.
Y. Park, "Analysis and control of uncertainty in wireless transmitting devices", in SecTech/CA/CES-CUBE 2012, Jeju, vol. 339, pp. 438-445, 2012.
Y. Park, "Class-F technique as applied to active frequency multiplier designs", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 57, no. 12, pp. 3212-3218, Dec. 2009.
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