[논문]간단한 구조의 고조파 정합 네트워크를 갖는 GaN-HEMT 고효율 Doherty 전력증폭기

김윤재; 김민석; 강현욱; 조수호; 배종석; 이휘섭; 양영구

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.9.783

초록
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본 논문에서는 long term evolution(LTE) 통신을 위한 2.6 GHz 대역에서 동작하는 고효율 Doherty 전력증폭기를 설계하였다. 2차 및 3차 고조파 임피던스를 조정하기 위한 간단한 구조의 정합 네트워크를 통해 전력증폭기의 고효율 동작을 달성하였다. Doherty 전력증폭기는 다양한 측면에서 장점을 갖는 GaN-HEMT 소자를 이용하여 제작되었으며, 10 MHz의 대역폭 및 6.5 dB 첨두 전력 대 평균 전력비(PAPR)의 특성을 갖는 LTE downlink 신호를 이용하여 측정되었다. 평균 전력 33.4 dBm에서 13.1 dB의 전력 이득, 57.6 %의 전력부가효율(PAE) 및 -25.7 dBc의 인접채널누설비(ACLR) 특성을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a Doherty power amplifier(DPA) operating in the 2.6 GHz band for long term evolution(LTE) systems. In order to achieve high efficiency, second and third harmonic impedances are controlled using a compact output matching network. The DPA was implemented using a gallium nitride hig...

This paper presents a Doherty power amplifier(DPA) operating in the 2.6 GHz band for long term evolution(LTE) systems. In order to achieve high efficiency, second and third harmonic impedances are controlled using a compact output matching network. The DPA was implemented using a gallium nitride high electron mobility transistor(GaN-HEMT) that has many advantages, such as high power density and high efficiency. The implemented DPA was measured using an LTE downlink signal with a 10 MHz bandwidth and 6.5 dB PAPR. The implemented DPA exhibited a gain of 13.1 dB, a power-added efficiency(PAE) of 57.6 %, and an ACLR of -25.7 dBc at an average output power of 33.4 dBm.

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문제 정의

본 논문에서는 2.6 GHz에서 동작하는 10 W급 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 고효율 동작을 위하여 입출력 정합 네트워크에 간단한 고조파 임피던스 조정회로를 추가하였다^[4].
이는 주 증폭기 출력단에 있는 λ/4 전송선로를 이용한 임피던스 변환기에 대한 위상을 보상해 주기 위함이다. 더불어 각각의 증폭기 입력에 위치한 오프셋 선로는 출력 오프셋 선로에 의해 틀어진 위상을 보상하기 위하여 추가하였다.
본 논문에서는 2.6 GHz에서 동작하는 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 설계된 전력증폭기는 고효율을 위해 입력단과 출력단에 간단한 고조파 조정회로를 포함한 정합 네트워크를 갖는다.

제안 방법

6 GHz에서 동작하는 10 W급 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 고효율 동작을 위하여 입출력 정합 네트워크에 간단한 고조파 임피던스 조정회로를 추가하였다^[4].
더불어 저전력 모드에서의 동작을 위해 주 증폭기에 Z_1T의 특성 임피던스를 갖는 출력 오프셋 선로를 추가하여 고전력 모드에서의 성능 열화 없이 Doherty 동작이 가능하다. 이와 함께 보조 증폭기의 출력 오프셋 선로를 통해 저전력 모드에서의 출력 임피던스가 크게 보이도록 하여 주 증폭기만 동작하도록 한다.
전력증폭기의 고효율 동작을 위하여 Advanced Design System(ADS)을 통한 harmonic source- 및 load-pull 시뮬레이션으로 최적의 임피던스를 추출하였다. 소자는 Cree사의 6 W급 GaN-HEMT인 CGH40006P를 사용하였다.
한편, 입력 기본파 정합을 위해 source-pull을 통해 얻은 기본파 임피던스를 직렬 transmission line과 open-stub를 이용하여 50 Ω으로 정합하고, 출력 쪽은 load-pull을 통해 얻은 임피던스를 같은 직력 transmission line과 open-stub 를 통해 50 Ω에 정합하도록 설계하였다.
주어진 소자를 이용한 harmonic source- 및 load-pull 시뮬레이션 결과, 최적의 기본파, 2차 및 3차 고조파 임피던스를 추출하였으며, 이들을 표 1에 나타내었다. Load는 최적 효율을 위하여 2차와 3차 고조파의 임피던스를 고려하였으며, source는 효율에 거의 영향을 미치지 않는 3차 고조파 성분에 대한 임피던스는 고려하지 않았다.
8 mA의 AB 급으로 동작시켰으며, 드레인에 28 V의 동작 전압을 인가하였다. 보조 증폭기는 주 증폭기와 동일한 회로구성을 가지며, -6.5 V의 게이트 전압을 인가하여 C급 증폭기로 동작하도록 설계하였다.

대상 데이터

전력증폭기의 고효율 동작을 위하여 Advanced Design System(ADS)을 통한 harmonic source- 및 load-pull 시뮬레이션으로 최적의 임피던스를 추출하였다. 소자는 Cree사의 6 W급 GaN-HEMT인 CGH40006P를 사용하였다. Harmonic source- 및 load-pull 시뮬레이션 셋업은 ADS에서 기본적으로 제공하는 것을 사용하였다.
0.76 mm의 두께를 갖는 RF35 PCB를 사용하여 제작되었으며, 전체 크기는 134×80 mm2이다.
제작된 Doherty 전력증폭기를 LTE 신호에 대하여 측정된 결과를 그림 10과 11에 나타내었다. 측정에 사용된 LTE downlink 신호는 10 MHz 대역폭을 가지며, 6.5 dB PAPR의 특성을 보인다. 선형 출력 전력 구간에서의 전력 이득은 13.

이론/모형

소자는 Cree사의 6 W급 GaN-HEMT인 CGH40006P를 사용하였다. Harmonic source- 및 load-pull 시뮬레이션 셋업은 ADS에서 기본적으로 제공하는 것을 사용하였다.

성능/효과

각각 Z_1T와 Z_2T의 특성 임피던스를 갖는 λ/4 전송선로를 이용 하여 적절한 부하 임피던스 변조가 가능하다. 더불어 저전력 모드에서의 동작을 위해 주 증폭기에 Z_1T의 특성 임피던스를 갖는 출력 오프셋 선로를 추가하여 고전력 모드에서의 성능 열화 없이 Doherty 동작이 가능하다. 이와 함께 보조 증폭기의 출력 오프셋 선로를 통해 저전력 모드에서의 출력 임피던스가 크게 보이도록 하여 주 증폭기만 동작하도록 한다.
그림 2는 Doherty 전력증폭기의 이상적인 효율 곡선을 B급 전력증폭기와 비교하여 나타낸 것이다. 출력 전력이 증가함에 따라 고효율을 나타내는 일반적인 B급 전력증폭기의 효율 곡선과 달리 최대 출력 전력에서 6 dB backoff 영역에서의 효율이 개선됨을 알 수 있다. 따라서 높은 PAPR을 요구하는 최근의 무선 통신 방식에 사용되는 변조 신호에 대하여 평균 전력에서의 효율 개선에 효과적이다.
그림 3은 source- 및 load-pull 단계에서 전력 이득과 효율의 시뮬레이션 결과이다. 고조파 정합을 고려하여 설계할 시 그렇지 않았을 때와 비교하여 최대 출력 전력에서 11 % 상승된 효율을 얻을 수 있었다.
그림 8은 설계된 Doherty 전력증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 최대 출력 전력은 41.8 dBm, 선형 출력 전력 구간에서의 전력 이득은 15.8 dB로 나타났다. PAE는 최대 출력 전력에서 74.
5 dB PAPR의 특성을 보인다. 선형 출력 전력 구간에서의 전력 이득은 13.1 dB를 나타내며, 33.4 dBm의 평균 전력 영역 에서 57.6 %의 높은 PAE 특성을 보인다. 또한, 33.
설계된 전력증폭기는 고효율을 위해 입력단과 출력단에 간단한 고조파 조정회로를 포함한 정합 네트워크를 갖는다. 제작된 Doherty 전력증폭기는 LTE 신호에 대하여 13.1 dB의 전력 이득, 평균 전력 33.4 dBm에서 57.6 %의 높은 PAE와 —25.7 dBc의 ACLR 특성을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Doherty 전력증폭기란?	Doherty 전력증폭기는 간단한 부하 변조 기법을 통해 최대 출력 전력과 back-off된 출력 전력에서 이론적으로 두 번의 최대 효율을 갖도록 하는 방식이다. 그림 1은 일반적인 Doherty 전력증폭기의 출력 결합 회로이다.
	전력증폭기의 평균 전력에서의 효율 개선을 위해 다양한 기법에 관한 연구가 진행된 배경은?	최근의 무선통신 환경은 데이터 통신량이 많아짐에 따라 전송속도가 점점 고속화되고 있다. 전송속도를 증가시키기 위하여 보다 더 복잡한 변조 방식을 필요로 하게 되고, 그에 따라 PAPR이 증가하고 있다. 따라서 전력증폭기는 효율이 낮은 영역에서 동작하게 되며, 이로 인해 평균 전력에서 효율 개선의 중요성이 커지고 있다 [1]～[3]. 이 때문에 전력증폭기의 평균 전력에서의 효율 개선을 위해 다양한 기법에 대한 연구가 진행되고 있다.
	본 논문에서는 어떻게 전력증폭기의 고효율 동작을 달성하였는가?	6 GHz 대역에서 동작하는 고효율 Doherty 전력증폭기를 설계하였다. 2차 및 3차 고조파 임피던스를 조정하기 위한 간단한 구조의 정합 네트워크를 통해 전력증폭기의 고효율 동작을 달성하였다. Doherty 전력증폭기는 다양한 측면에서 장점을 갖는 GaN-HEMT 소자를 이용하여 제작되었으며, 10 MHz의 대역폭 및 6.

참고문헌 (7)

S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, 2006.
M. Seo, M. Song, J. Gu, H. Kim, J. Ham, C. Park, and Y. Yang, "Three-stage Doherty amplifier with uneven input splitter", Microw. and Opt. Tech. Lett., vol. 55, no. 6, pp. 1405-1409, Jun. 2013.

상세보기
M. Seo, H. Lee, J. Gu, and Y. Yang, "Doherty power amplifier using a compact load network for bandwidth extension", in Asia-Pacific Microw. Conf., Nov. 2013, pp. 742-744.
김정준, 문정환, 김장헌, 김일두, 전명수, 김범만, "2.14- GHz 대역 고효율 class-F 전력 증폭기 개발", 한국전자파학회논문지, 18(8), pp. 873-879, 2007년 8월.

원문보기 상세보기
A. Markos, P. Colantonio, F. Giannini, R. Giofre, M. Imbimbo, and G. Kompa, "A 6 W uneven Doherty power amplifier in GaN technology", in Proc. 37th Eur. Microw. Conf., pp. 299-302, Oct. 2007.
R. Darraji, F. M. Ghannouchi, "Digital Doherty amplifier with enhanced efficiency and extended range", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 59, no. 11, pp. 2898- 2909, Nov. 2011.

상세보기
J. Kim, J. Son, J. Moon, and B. Kim, "A saturated Doherty power amplifier based on saturated amplifier", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 20, no. 2, pp. 109- 111, Feb. 2010.

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