[논문]전력증폭기 부정합 조건에서의 출력 전력 불확도 산출에 관한 연구

이가람; 박영철

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.8.802

전력증폭기 부정합 조건에서의 출력 전력 불확도 산출에 관한 연구
Study for the Uncertainty Estimation of Output Power under the Mismatch Condition of Power Amplifiers 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.8, 2014년, pp.802 - 807

이가람 (한국외국어대학교 전자정보공학과) , 박영철 (한국외국어대학교 전자정보공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 전력 증폭기의 출력 전력 측정에 있어 드레인에서의 부정합 정도를 고려한 정교한 측정 불확도 산출 방안을 제시하였다. 기존의 측정 불확도 산출 방법은 최적 성능을 위해 의도적인 부정합을 포함하는 전력증폭기의 정합상황을 정확히 반영하는데 한계를 가지고 있다. 이를 보완하기 위하여, 전력증폭기 드레인의 부정합 정도를 포함하는 복합 반사계수와 S-파라미터 측정 불확도를 활용한 종합적인 전력 측정 불확도를 제안하였으며, 3.7 GHz에서 동작하는 10 watt급 전력증폭기의 출력 전력을 측정한 실제 결과와 비교해 보았다. 결과적으로 제안한 합성 측정 불확도는 기존 불확도에 대비하여 10배 정도의 정교한 출력 전력의 불확도를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an accurate method to estimate the measurement uncertainty of a power amplifier was proposed. Because power amplifiers incorporate mismatch at the drain for the optimal performance, the general method is not enough to produce precise measurement uncertainty of the output power. In order to supplement this method, We suggest comprehensive power measurement uncertainty which is utilized by a complex reflection coefficient and measurement uncertainty of S-parameter which contain the mismatch at the drain on the power amplifier. After that, we compared it with real measurement results of the 10 watt power amplifier which operates on 3.7 GHz. As a result, suggested measurement uncertainty could obtain the uncertainty of output power near 10 times accurate in comparison with existing uncertainty calculation method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 일반적인 무선시스템과 달리 의도적인 부정합 조건이 형성되는 전력증폭기의 경우, 측정 불확도를 정확하게 예측하기가 매우 어려운 상황이며, 이에 대한 연구 또한 거의 이루어지고 있지 않은 상황이다^[1]. 따라서 본 논문에서는 전력증폭기 시스템에서의 신호 전달과정에서 드레인에서의 부정합도가 출력 전력의 측정 불확도에 미치는 영향에 대해 이론적인 해석을 활용하였으며, 이를 통하여 출력 전력 측정시 정교한 불확도 산출 방안을 제시하였다. 또한 실험을 통하여 제시된 방법의 결과를 비교, 분석하였다.
본 논문은 전력증폭기의 측정 불확도 예측에 있어, 증폭기의 드레인에서의 부정합 정도를 고려한 정교한 측정 불확도 산출방안을 제시하였다. 제시된 방법은 복합 반사 계수와 S-파라미터 측정 불확도를 모두 반영한 합성 불확도로 실제 측정 불확도 값과 비교하였을 때 0.

제안 방법

간의 부정합 정도를 감안하지 못하는 오류가 존재하여 전력증폭기의 출력단에서의 정교한 측정 불확도를 제시하기가 어려운 상황이다. 따라서 본 논문에서는 좀 더 정확한 불확도 산출을 위하여 전력 증폭기의 출력 임피던스와 출력단의 부정합 정도와 S-파라미터 측정 불확도를 반영하여 3-2절에 합성 측정 불확도 산출 방안을 제시하였다.
와의 정합 정도를 표현해준다. 또한, 그림 4에 표 1과 같은 5가지 경우의 부하 임피던스 Z_L에 대해 Z_G와 Z_L의 부정합 정도를 유클리디안 평면에 표현하여 도식화 하였다.
앞서 제시된 측정 불확도의 유효성을 확인하기 위해 상용 10 W급 RF Power GaN HEMT CGH40010를 사용한 CREE사의 Test Board를 사용하여 3.7 GHz에서 출력 전력을 측정하였다. CGH40010은 6 GHz까지의 범위에서 동작하며, 4 GHz에서 약 14 dB의 소신호 이득을 갖고 65 %의 효율을 보인다^[7].
CGH40010은 6 GHz까지의 범위에서 동작하며, 4 GHz에서 약 14 dB의 소신호 이득을 갖고 65 %의 효율을 보인다^[7]. 이러한 test board를 활용하여 output단에 연결한 tuner를 이용하여 출력 임피던스 Z_L을 그림 5와 같이 변화시켜가며 10회씩 측정하여 실제 측정 불확도를 산출하였다. 이를 기준으로 두고 제안하는 측정 불확도와 일반적인 측정 불확도의 값을 비교하였다.
이러한 test board를 활용하여 output단에 연결한 tuner를 이용하여 출력 임피던스 Z_L을 그림 5와 같이 변화시켜가며 10회씩 측정하여 실제 측정 불확도를 산출하였다. 이를 기준으로 두고 제안하는 측정 불확도와 일반적인 측정 불확도의 값을 비교하였다.
전력증폭기의 입출력 S-파라미터를 측정하여 1-σ 분포 수준의 측정 불확도를 산출하고, 이를 2배하여 95 % 신뢰수준을 갖는 2-σ 분포 수준의 측정 불확도를 산출하였다.
제시된 복합 반사계수는 50 Ω과의 정합 정도가 아닌 드레인 임피던스 ZG와의 정합 정도를 표현해준다.
최종적으로 S-파라미터의 측정 불확도와 부정합에 의한 복합 불확도 값을 RSS 방식으로 산출하였고, 그에 따른 최종 합성 측정 불확도와 기존의 방식으로 구한 측정 불확도 중에 어느 방법이 실제 측정 결과와 유사한 수치를 나타내는지 확인하였다.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 전력증폭기 시스템에서의 신호 전달과정에서 드레인에서의 부정합도가 출력 전력의 측정 불확도에 미치는 영향에 대해 이론적인 해석을 활용하였으며, 이를 통하여 출력 전력 측정시 정교한 불확도 산출 방안을 제시하였다. 또한 실험을 통하여 제시된 방법의 결과를 비교, 분석하였다.
앞의 3-1절에서 나온 바와 같이 기존의 방식으로 Γg와 Γt의 위상을 반영한 식 (4)을 활용하여 표 1에 나타낸 5개의 부하 임피던스 위치에서 기존 방식의 측정 불확도를 예상한 값을 표 3에 나타내어 실제 측정결과와 제안된 최종 합성 불확도 값과 비교해 보았다.

이론/모형

전력증폭기의 보다 정교한 측정 불확도를 제시하고자 3-2-1절의 S-파라미터 측정 불확도와 3-2-2절의 드레인에서의 Z_G와 Z_L간의 정합 정도를 반영한 복합 측정 불확도를 산출하여 그림 3과 같이 RSS(Root-Sum-Square) 방식을 이용하여 합성해 주었다.

성능/효과

704 dB에 비해 훨씬 근사한 값을 나타내는 것을 확인하였다. 결과적으로, 전력 증폭기의 측정 불확도는 출력 전력에 직접적으로 영향을 미치는 드레인에서의 부정합 정도와 S-파라미터의 불확도를 모두 고려하는 합성 불확도 방법으로, 이를 이용하여 보다 정교한 측정 불확도 값을 산출할 수 있음을 확인하였다.
결과적으로, 전력증폭기의 출력 전력 측정 시 제안된 합성 측정 불확도 방식을 이용할 경우, 기존에 비해 10배 정도의 정확도를 갖는 불확도 값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 논문은 전력증폭기의 측정 불확도 예측에 있어, 증폭기의 드레인에서의 부정합 정도를 고려한 정교한 측정 불확도 산출방안을 제시하였다. 제시된 방법은 복합 반사 계수와 S-파라미터 측정 불확도를 모두 반영한 합성 불확도로 실제 측정 불확도 값과 비교하였을 때 0.060 dB의 오차를 보임으로써 기존의 출력 불확도와의 오차인 1.704 dB에 비해 훨씬 근사한 값을 나타내는 것을 확인하였다. 결과적으로, 전력 증폭기의 측정 불확도는 출력 전력에 직접적으로 영향을 미치는 드레인에서의 부정합 정도와 S-파라미터의 불확도를 모두 고려하는 합성 불확도 방법으로, 이를 이용하여 보다 정교한 측정 불확도 값을 산출할 수 있음을 확인하였다.
표 4에서 나타난 바와 같이 측정 결과를 기준으로 기존의 불확도와 산출된 합성 측정 불확도를 비교해 보면 오차가 1.704 dB에서 0.060 dB로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	측정 불확도는 무엇인가?	측정 불확도(Measurement Uncertainty: MU)란, 특정 시스템의 운용 및 측정에 있어서 주어진 조건 하에 예상되는 오차의 범위 및 이의 제시 절차를 의미한다[2]. 전력증폭기 측정 불확도의 경우, 증폭기의 출력 포트에서 측정되거나 수신되는 전력이 중심 값을 기준으로 불규칙적으로 변화하는 정도를 확률적인 신뢰 수준으로 표현하며, 이 중 부정합으로 인한 영향은 50 %로 대부분을 차지한다[1],[3].
	전력증폭기의 출력 전력에서의 측정 불확도는 어떤 영향에 따라 오차 범위가 달라지는가?	따라서 전력증폭기의 출력 전력에서의 측정 불확도는 드레인과 출력 정합 회로간의 부정합 정도와 회로의 입력과 출력관계를 정의하는 S-파라미터 불확도에 의한 영향에 따라 최종 출력 전력의 오차 범위가 달라진다. 또한, 높은 출력 전력을 가지는 전력증폭기의 경우, 출력 전력 을 측정하는데 있어서 측정값의 산포 범위를 예측하는 것은 상당히 중요하다고 할 수 있다.
	본 논문에서 제안한 증폭기의 드레인에서의 부정합 정도를 고려한 정교한 측정 불확도 산출방안을 이용하여 불확도 값을 측정 시 어떤 결과를 얻을 수 있는가?	결과적으로, 전력증폭기의 출력 전력 측정 시 제안된 합성 측정 불확도 방식을 이용할 경우, 기존에 비해 10배 정도의 정확도를 갖는 불확도 값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

참고문헌 (7)

박영철, 윤회진, "F급 전력증폭기의 출력 전력 불확도에 대한 DC 영향 분석 및 최적 바이어스 조건 도 출에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 25(2), pp. 183-188, 2014년 2월.

원문보기 상세보기
Ronald H. Dieck, Measurement Uncertainty Methods and Applications, ISA, 2007.
Agilent, "Fundamentals of RF and microwave power measeurements", Agilent Technologies, Inc. 2011 Printed in USA April 5, 5988-9215EN, 2011.
Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House. 1999.
Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice Hall, 1997.
David M. Pozar, Microwave Engineering, Addison Wesley, 1990.
Cree Inc., Application Note for CGH40010 Evaluation Board.

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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