[논문]UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기를 이용한 협대역 아날로그 전치왜곡 선형화 기법

하정완; 김강산; 김효종

doi:10.12673/jant.2019.23.2.179

초록
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본 논문에서는 UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기를 이용하여 협대역 아날로그 전치왜곡 선형화 기법에 관한 연구를 하였다. 아날로그 전치왜곡기로는 MAXIM사(社)에서 제공하는 SC1894 전력증폭 선형화기를 사용하였으며, look-up 테이블 기법을 통해 기존 칩에서 동작하지 않는 1 MHz 이하의 대역폭에 대한 혼변조 신호 특성 및 인접채널전력 개선을 확인 하였다. 400 MHz (400 ~ 500 MHz)대역에서1 채널오프셋 기준 최대 17.46 dB, 2 채널 오프셋 기준 최대 16.6 dB의 혼변조 신호 특성 및 인접채널전력 개선을 확인하였다. 같은 선형성을 요구하는 시스템에 있어 40 W 이상 출력전력에서 12.41% 의 전력효율 개선을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have studied narrow-band analog pre-distortion linearization technique using UHF 400 MHz band 20 W power amplifier. The analog pre-distorter used the SC1894 radio frequency power amplifier linearizer(RFPAL) provided by MAXIM Corp and through the look-up table technique confirmed th...

In this paper, we have studied narrow-band analog pre-distortion linearization technique using UHF 400 MHz band 20 W power amplifier. The analog pre-distorter used the SC1894 radio frequency power amplifier linearizer(RFPAL) provided by MAXIM Corp and through the look-up table technique confirmed the intermodulation distortion(IMD) performance and the adjusted channel leakage ratio(ACLR) improvement for bandwidth below 1 MHz which does not operate on existing chips. In the 400 MHz (400 ~ 500 MHz) band, IMD performance and the ACLR improvement of up to 17.46 dB based on 1-channel offset and up to 16.6 dB based on 2-channel offset were confirmed. In the system requiring the same linearity, we confirmed power efficiency improvement of 12.41% at output power of over 40 W.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 출력전력에 VS 신호왜곡 Fig. 1. Output power vs signal distortion.
그림 그림 2. 아날로그 pre-distortion이 적용된 전력증폭기 입/출력 특성 Fig. 2. I/O characteristic of power amplifier with analog pre-distortion.
표 표 1. 입력신호에 대한 Maxim사 SC1894 칩 동작조건 Table 1. Operating condition of Maxim Corp. SC1894 chip for input signal.
그림 그림 3. Maxim사 SC1894 아날로그 pre-distortion 칩 구조 및 기능 블록도[9]. Fig. 3. Maxim Corp. SC1894 analog pre-distortion chip architecture and functional block diagram[9].
그림 그림 4. Maxim사 SC1894 기본 동작 순서도. Fig. 4. Maxim Corp. SC1894 basic operation flowchart.
그림 그림 5. Look-up 테이블이 적용된 Maxim사 SC1894 동작 순서도 Fig. 5. Maxim Corp. SC1894 operation flowchart with look-up table technique.
그림 그림 6. 아날로그 pre-distortion 계수값 추출 및 look-up 테이블 적용 화면 (a) 계수값 추출 화면 (b) Look-up 테이블 적용 화면. Fig. 6. Analog pre-distortion coefficient extraction and look-up table application screen (a) Coefficient extraction screen (b) Look-up table application screen.
그림 그림 7. 아날로그 pre-distortion UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기 블록도. Fig. 7. Analog pre-distortion UHF 400 MHz band 20 W power amplifier block diagram.
그림 그림 8. 아날로그 pre-distortion UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기 형상 Fig. 8. Analog pre-distortion UHF 400 MHz band 20 W power amplifier structure.
그림 그림 9. 아날로그 pre-distortion UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기 시험 구성. Fig. 9. Test configuration of analog pre-distortion UHF 400 MHz band 20 W power amplifier.
그림 그림 10. APD on/off에 따른 450 MHz에서의 ACLR 측정값 Fig. 10. ACLR measurement for APD on/off at 450 MHz.
그림 그림 11. 40 W 이상 출력전력에 대한 450 MHz에서의 ACLR 측정결과 Fig. 11. ACLR measurement result for output power of over 40 W at 450 MHz.
표 표 2. 주파수별 APD on/off에 대한 ACLR 측정결과 Table 2. ACLR measurement result for APD on/off in each frequency.
표 표 3. 주파수별 40 W 이상 출력전력에 대한 효율 측정결과 Table 3. Efficiency measurement result for output power of over 40 W in each frequency.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 1MHz 이하 협대역 신호에 대하여 Maxim사 SC1894 아날로그 pre-distortion 칩에 look-up 테이블을 적용한 UHF 400MHz 대역 20W급 전력증폭기의 선형성 및 효율 개선에 관한 연구를 기술한다. 제Ⅱ장에서는 아날로그 pre-distortion의 기본개념에 대하여 설명하고 Maxim사 SC1894 상용화 칩의 아날로그 pre-distortion 동작원리 및 Look-up 테이블 적용 기법에 대하여 기술한다.

제안 방법

본 논문에서는 Maxim사 SC1894 아날로그 pre-distortion 칩에 look-up 테이블을 적용하여 기존 1 MHz 이하 협대역 신호에 대해 동작하지 않는 아날로그 pre-distortion 기능을 가능하게 하였다. 아날로그 pre-distortion UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기를 통해 1 MHz 이하 협대역 신호에 대한 선형성 및 효율에 대한 개선을 확인하였으며, 400 MHz 대역에서 입력신호 8-PSK, 385ksym/s, 롤 오프 계수 0.

이론/모형

본 논문에서는 기존 상용SC1894 칩의 1 MHz 이하의 대역폭 신호에 대한 pre-distortion 계수값 추출 오류 및 불안정성에 따른 메모리 디지털부의 계수값 추출 무한루프 동작에 대한 개선을 위해 메모리 디지털부에 look-up 테이블 방식을 적용하였다. 메모리 디지털부의 pre-distortion 계수값 추출에 대한 무한 루프 동작은 전력증폭기의 출력신호 불안전성을 초래하며 메모리 디지털부에 look-up 테이블 방식을 적용함호와 전력증폭기의 피드백 된 신호에 대한 SC1894 칩 모니터부의 ADC 및 DSP 처리를 통해 추출된 계수값이 아닌, 사전시험을 통한 시스템 내부 EEPROM에 저장됨에 따라 메모리 디지털부의 지속적 제어가 아닌 look-up 테이블에 따른 pre-distortion 계수 값을 고정 제어함으로써 기존에 동작하지 않는 1 MHz 이하의 대역폭 신호에 대해서도 전력증폭기의 안정적인 pre-distortion 동작을 가능하게 하였다.

성능/효과

6 dB의 인접 채널 전력 개선을 확인 하였다. 또한 전력 증폭기의 선형성 개선을 통한 기존 20 W에서 40 W로 출력전력을 높임에 따라, 같은 선형성을 요구하는 시스템에 있어 최대 12.41 %의 전력효율 개선을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 아날로그 pre-distortion look-up 테이블 기법은 1 MHz 이하의 협대역 신호뿐만이 아닌 다양한 입력신호 대역폭에 적용 가능하며, 입력신호 대역폭에 대한 자율성을 갖게 한다.
본 논문에서는 Maxim사 SC1894 아날로그 pre-distortion 칩에 look-up 테이블을 적용하여 기존 1 MHz 이하 협대역 신호에 대해 동작하지 않는 아날로그 pre-distortion 기능을 가능하게 하였다. 아날로그 pre-distortion UHF 400 MHz 대역 20 W급 전력증폭기를 통해 1 MHz 이하 협대역 신호에 대한 선형성 및 효율에 대한 개선을 확인하였으며, 400 MHz 대역에서 입력신호 8-PSK, 385ksym/s, 롤 오프 계수 0.3 대한 1채널오프셋 최대 17.46dB, 2채널 오프셋 최대 16.6 dB의 인접 채널 전력 개선을 확인 하였다. 또한 전력 증폭기의 선형성 개선을 통한 기존 20 W에서 40 W로 출력전력을 높임에 따라, 같은 선형성을 요구하는 시스템에 있어 최대 12.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	back off로 인한 무인기데이터링크시스템의 낮은 소비전력 효율을 개선하기 위한 기법은 무엇이 있으며 단점은 무엇인가?	전력증폭기의 비선형성은 상호변조 왜곡을 발생 시켜 신호의 품질을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 스펙트럼 재생성으로 인해 인접대역에 간섭을 유발시키며, 전력증폭기의 선형성 확보를위한back-off로인해 무인기데이터링크시스템의 낮은 소비전력 효율을 갖게 한다[4]. 이러한 전력증폭기의 효율 및 선형성 개선을 위해 feedforward 기법, feedback 기법, 아날로그 pre-distortion 기법, 디지털 pre- distortion 기법 등의 다양한 기법들이 제안되고 있으나, 일반적으로 back-off 방식 이외 기법 들은 추가적인 회로를 사용해야 하고 그에 따른 전력증폭기의 전체적인 크기와 가격 상승의 단점을 가져온다[5]-[8]. 그러나 시스템 관점에 있어 아날로그 pre-distortion 기법 적용은 전력 증폭기의 선형성과 소비전력 개선을 통해 보다 많은 시스템 이 점을 갖게 한다.
	아날로그 pre-distortion이란 무엇인가?	그림 1은 출력전력에 따른 전력증폭기의 신호왜곡 정도를 보여준다. 전력증폭기의 이러한 비선 형성을 개선하기 위해 전력증폭기의 비선형 성분을 계측하여 계측된 비선형성분을 입력신호 단에 역위상으로 미리 왜곡 시킴에 따라 미리 왜곡시킨 성분과 전력증폭기의 비선형 성분이 합쳐져 최종 출력신호에서는 선형적 특성을 갖게 하는 방식을 아날로그 pre-distortion 이라고 한다. 그림 2는 아날로 그 pre-distortion 적용에 따른 전력증폭기의 입출력 신호 특성 그래프를 보여준다.
	무인기데이터링크의 장시간운용을 위해 중요시 되는 것은 무엇인가?	최근무인기데이터링크 시스템에대한 사용 및 수요가 증가함에 따라, 시스템의 장시간운용을 위해 무인기 데이터링크 시스템의 소형화 및 소비전력에 대한 고효율성이 중요시 되고 있다. 또한 제한된 주파수대역에보다 많은 무인기데이터링크시스템을 사용하기 위해 인접채널전력에 대한 시스템의 고선형성이 중요시되고 있다[1]-[3].

참고문헌 (9)

S. S. Lee, The prospects and standardization trend of UAV industry, Korean Agency for Technology and Standards, Eumseong-gun,Chungcheongbuk-do,11-1411095-000009-06, pp.46-62 , Aug. 2016.
S. C. Han, J. C. Jang and S. I. Lee, The trend of UAV technology and industrial prospects, Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, Daegu, Korea, PD Issue Report, Vol. 15-7, pp.61-65, July. 2015.
S. E. Oh, The trend of dron technology development and industrial response plan, Korea Embedded Software and System Industry Association, Issue Report, Vol. 2016-04, pp. 27-32, Apr. 2016.
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd ed. Norwood, MA: Artech House, 2006.
Y. S. Lee, M. W, Lee, G, B. Choi and Y. H. Jeong, "New an predistorter using mixing operation for independent control of IM3 components," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 49, No. 10, pp. 2552-2555, Oct. 2007.

상세보기
L. Ding, Digital Predistortion of Power Amplifier for Wireless Applications, Ph.D. thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, Mar. 2004.
F. Prez, E. Ballesteros and J. Peres, "Linearization of microwave amplifiers using active feedback network," Electronic Letters, Vol. 21, No. 1, pp. 9-10, Jan. 1985.

상세보기
A. N. D'Andrea, V. Lottici and R. Reggiannini, "RF power amplifier linearization through amplifier and phase predistortion," IEEE Transactions on Communications, Vol. 44, No. 11, pp. 1477-1484, Nov. 1996.

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