[논문]LDMOS를 이용한 광대역, 고효율 전력증폭기의 설계

최상일; 이상록; 이영철

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.1.13

LDMOS를 이용한 광대역, 고효율 전력증폭기의 설계
A Design of Wideband, High Efficiency Power Amplifier using LDMOS 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.1, 2015년, pp.13 - 20

최상일 (경남대학교 첨단공학과) , 이상록 (경남대학교 정보통신공학과) , 이영철 (경남대학교 첨단공학과)

초록
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종래의 LDMOS를 사용한 전력증폭기는 AB-급 및 도허티 방식으로 60MHz 대역폭의 협대역에서 55%의 효율을 보여주고 있으나, 기지국의 전력증폭 모듈의 RRH의 적용에 따라 100MHz이상의 대역확장과 60%이상의 고효율 전력증폭기를 요구하고 있으므로, 본 연구에서는 LDMOS FET를 이용한 J-급 전력증폭기를 설계하여 200MHz대역에서 60%이상의 고효율 특성을 나타내었다. 설계한 J-급 전력증폭기는 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 포함하고 작은 양호도 Q 값을 갖도록 출력단 정합회로를 최적화 시켰다. 측정결과 WCDMA 주파수 대역을 포함한 2.06~2.2GHz에서 연속파 신호를 입력하였을 때 62~70%의 전력 부가효율(PAE)의 특성을 갖는 10W급 J-급 전력증폭기를 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Existing LDMOS power amplifier that used class-AB and doherty system shows 55% of efficiency in 60MHz narrow band. Because RRH has been applied to power amplifier at base station. It is required that over 100MHz expanded band and more than 60% high efficiency power amplifier. In this paper we designed class-J power amplifier using LDMOS FET which has over 60% high efficiency characteristic in 200MHz. The output matching circuit of designed class-J power amplifier has been optimized to contain pure reactance at second harmonic load and has low quality factor Q. As a measurement result of the amplifier, when we input continuous wave signal, we checked 62~70% of power added efficiency(PAE) in 2.06~2.2GHz including WCDMA frequency as a 10W class-J power amplifier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 10W급 LDMOS 소자를 이용하여 고효율 광대역 특성을 갖는 J-급 전력 증폭기를 설계하고 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서 제안된 J-급 전력 증폭기는 E, F급과 같은 스위치 모드 전력 증폭기와 비교하였을 때, 간단한 회로 구성으로 고효율과 광대역 특성을 확보하였다.
본 논문에서는 전력증폭기의 선형화 과정에서 문제시 되고 있는 광대역 특성과 선형성을 유지하면서 효율을 높이기 위해 소스풀(Source Pull)/로드풀(Load Pull)에 의한 설계과정을 통해 최적화 된 입/출력 정합회로를 설계하고[12], J-급 전력증폭기의 출력단은 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 나타내고 양호도 Q값을 작게 나타나도록 출력단에서 높은 효율과 광대역 동작을 최적화 시켜 출력단 정합회로를 설계하였다. 전력증폭기의 전력소자를 GaN HEMT에 비하여 상대적으로 경제성이 있는 LDMOS 를 이용하여 WCDMA 주파수 대역에서 J-급 전력증폭기의 상용화 가능성 측면을 제안하고자 한다.

제안 방법

J-급 전력 증폭기의 설계에서 회로의 입력단은 입력정합회로와 전력 증폭기의 안정도를 높이기 위해 직렬 저항을 추가 하였으며, 출력단에는 높은 효율과 출력 전력을 갖기 위한 기본 주파수 출력 정합회로와 2차 고조파의 위상과 크기를 제어하기 위한 2차 고조파 제어부를 적용하였다. 2차 고조파 제어부를 통해 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 가지도록 하여 광대역 특성을 얻었다.
J-급 전력 증폭기의 설계에서 회로의 입력단은 입력정합회로와 전력 증폭기의 안정도를 높이기 위해 직렬 저항을 추가 하였으며, 출력단에는 높은 효율과 출력 전력을 갖기 위한 기본 주파수 출력 정합회로와 2차 고조파의 위상과 크기를 제어하기 위한 2차 고조파 제어부를 적용하였다. 2차 고조파 제어부를 통해 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 가지도록 하여 광대역 특성을 얻었다.
그림 3은 ADS Tool을 사용하여 로드풀 시뮬레이션 한 결과이다. 드레인 전압 28V에서 AB급로 동작할 수 있도록 게이트 전압을 인가하여 모든 시뮬레이션을 적용하였다. 소스풀과 로드풀 시뮬레이션을 통해 2.
본 논문에서 사용한 LDMOS는 10W급의 출력 특성을 갖는 소자를 사용하였으며, LDMOS의 최적의 임피던스에 따른 정합회로를 설계하기 위하여 소스풀과 로드풀을 수행하였다. 그림 3은 ADS Tool을 사용하여 로드풀 시뮬레이션 한 결과이다.
본 논문에서는 10W급 LDMOS 소자를 이용하여 고효율 광대역 특성을 갖는 J-급 전력 증폭기를 설계하고 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서 제안된 J-급 전력 증폭기는 E, F급과 같은 스위치 모드 전력 증폭기와 비교하였을 때, 간단한 회로 구성으로 고효율과 광대역 특성을 확보하였다. 제작된 J-급 전력증폭기의 측정결과 2.
본 논문에서는 전력증폭기의 선형화 과정에서 문제시 되고 있는 광대역 특성과 선형성을 유지하면서 효율을 높이기 위해 소스풀(Source Pull)/로드풀(Load Pull)에 의한 설계과정을 통해 최적화 된 입/출력 정합회로를 설계하고[12], J-급 전력증폭기의 출력단은 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 나타내고 양호도 Q값을 작게 나타나도록 출력단에서 높은 효율과 광대역 동작을 최적화 시켜 출력단 정합회로를 설계하였다. 전력증폭기의 전력소자를 GaN HEMT에 비하여 상대적으로 경제성이 있는 LDMOS 를 이용하여 WCDMA 주파수 대역에서 J-급 전력증폭기의 상용화 가능성 측면을 제안하고자 한다.
드레인 전압 28V에서 AB급로 동작할 수 있도록 게이트 전압을 인가하여 모든 시뮬레이션을 적용하였다. 소스풀과 로드풀 시뮬레이션을 통해 2.06～2.2GHz에서 65% 이상의 드레인 효율과 최대 출력을 가지는 최적의 입/출력 임피던스를 추출하였다.

성능/효과

본 논문에서 제작한 LDMOS를 이용한 Class-J 전력 증폭기의 성능과 참고문헌을 통한 성능비교를 표 1에 정리하였다. LDMOS를 이용하여 광대역 특성을 확보할 수 있으며, GaN HEMT를 적용한 증폭기와 동등한 PAE특성을 확보할 수 있음을 확인 할 수 있다.
그림 6, 그림 7, 그림 8은 J-급 전력증폭기의 측정결과를 나타내고 있다. 측정결과 2.06～2.2GHz 주파수 대역에서 출력전력 40dBm(10W) 이상의 출력과 60% 이상의 전력부가효율 특성을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제안된 J-급 전력 증폭기는 E, F급과 같은 스위치 모드 전력 증폭기와 비교하였을 때, 간단한 회로 구성으로 고효율과 광대역 특성을 확보하였다. 제작된 J-급 전력증폭기의 측정결과 2.06～2.2GHz 대역에서 10W급 이상의 출력과 60%이상의 전력부가효율 특성을 나타내었으며, AB급의 게이트 바이어스를 사용함으로써 선형성 확보를 통한 이동통신 시스템의 전력 증폭기로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 고정된 전송선로에 의한 정합 회로와 2차 고조파 단락회로의 고정값에 의해 주파수에 따른 2차 고조파의 위상과 크기 제어에 대해 지속적인 검토가 필요하며, J-급 전력 증폭기를 이용하여 보다 높은 효율의 도허티 전력 증폭기의 연구를 통해 이동통신 시스템의 효율 개선에 대한 연구가 필요하다.
광대역 통신의 필요성에 따라 이동통신 시스템의 통신정보 트래픽은 폭증하고 있으며, 많은 정보량을 포함한 트래픽을 해결하기 위하여 멀티밴드 특성의 통신 시스템 개발과 이에 따른 기지국 시스템의 광대역 특성과 고효율 특성 등 다양한 기술적 특성이 요구되고 있다. 향후 보다 스마트한 사용자 중심의 단말기와 기기 간 통신 단말기들이 출현함으로서 이동통신 트래픽 폭증은 더욱 가속화 될 것이다. 이러한 단말기와 함께 UHD(Ultra High Definition)와 홀로그램 같은 대용량의 데이터 전송을 위해서는 기존의 3G/4G의 서비스로는 주파수 자원의 고갈, 무선 단말기의 효율계선의 한계 등의 문제로 어려움이 있어 5G에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1].
2GHz 대역에서 10W급 이상의 출력과 60%이상의 전력부가효율 특성을 나타내었으며, AB급의 게이트 바이어스를 사용함으로써 선형성 확보를 통한 이동통신 시스템의 전력 증폭기로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 고정된 전송선로에 의한 정합 회로와 2차 고조파 단락회로의 고정값에 의해 주파수에 따른 2차 고조파의 위상과 크기 제어에 대해 지속적인 검토가 필요하며, J-급 전력 증폭기를 이용하여 보다 높은 효율의 도허티 전력 증폭기의 연구를 통해 이동통신 시스템의 효율 개선에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OFDM의 특성은 무엇인가?	이동통신 시스템은 700MHz～4GHz의 이동통신 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있는 디지털 변조 통신방식을 사용하고 있다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)기술은 주파수 자원의 효율을 높이고, 광대역 주파수 대역에 적용할 경우 단일 주파수 시스템에 비해 주파수 선택적 페이딩에 강한 특성을 갖고 있어 무선통신 시스템에 널리 사용되고 있다[2-3]. OFDM을 포함한 대부분의 무선통신 시스템은 충분한 송신전력을 얻기 위해 고출력 전력증폭기를 사용한다.
	스위치 모드 전력 증폭기의 문제점은 무엇인가?	스위치 모드 전력 증폭기는 전력 소자를 스위치로 동작하도록 하여 이론적으로는 최대 드레인 효율이 100%를 얻을 수 있다. 그러나 스위칭 시간의 제한, 전력소자가 가지고 있는 기생성분과 같은 전력 소자의 비이상적인 조건들에 의해 100%의 효율을 얻을 수 없으며 실제 구현 하기에 회로가 복잡한 문제점이 있다[9].
	대부분의 무선통신 시스템이 고출력 전력증폭기를 사용하는 이유는 무엇인가?	OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)기술은 주파수 자원의 효율을 높이고, 광대역 주파수 대역에 적용할 경우 단일 주파수 시스템에 비해 주파수 선택적 페이딩에 강한 특성을 갖고 있어 무선통신 시스템에 널리 사용되고 있다[2-3]. OFDM을 포함한 대부분의 무선통신 시스템은 충분한 송신전력을 얻기 위해 고출력 전력증폭기를 사용한다. 이러한 전력증폭기는 최대 출력 전력을 얻기 위해 일반적으로 포화영역 근처에 동작점을 설정하며 이로 인해 발생되는 AM-AM(Amplitude Modulation to Amplitude Modulation), AM-PM(Amplitude Modulation to Phase Modulation), ICI(Inter Channel Interference)와 같은 비선형 왜곡은 시스템의 성능을 크게 저하시키는 요인이 된다.

참고문헌 (12)

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H. Bae, C. Cho, and J. Lee, "Efficiency enhanced class-E power amplifier using the second harmonic injection at the feedback loop," 2010 European Microwave Conf., Paris, France, Sept. 2010, pp. 1042-1045.
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상세보기
N. Tuffy, A. Zhu, and T. J. Brazil, "Class-J RF power amplifier with wideband harmonic suppression," 2011 IEEE-S Int. Microwave Symp. Digest, Baltimore, MD, June 2011.
J. Moon, J. Kim, and B. Kim, "Investigation of a class-J power amplifier with a nonlinear $C_{out}$ for optimized operation," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 11, Nov. 2010, pp. 2800-2811.

상세보기
P. Wright, J. Lees, J. Benedikt, P. J. Tasker, and S. C. Cripps, "A methodology for realizing high efficiency class-J in a linear and broadband PA," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 12, Dec. 2009, pp. 3196-3204.

상세보기
M. Kim and Y. Rhee, "Analysis of optimum impedance for X-band GaN HEMT using load-pull," J. of the Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 5, 2011, pp. 621-627.

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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