High Efficiency Power Amplifier applied to 5G Systems

5G 시스템에 적용되는 고효율 전력증폭기

Abstract

This paper presents the design method and electrical characteristics of a high-efficiency power amplifier for a 50 Watts class repeater applied to a 5G system and used in in-building, subway, and tunnel. GaN was used for the termination transistor of the power amplifier designed here, and intermodulation signals were removed using DPD to satisfy linearity. In addition, in order to handle various requirements such as amplifier gain control and alarm processing required in the 5G system, the microprocessor is designed to exist inside the power amplifier. The amplifier manufactured to confirm the electrical performance of the power amplifier satisfying these conditions satisfied 46.5 dBm and the overall efficiency of the amplifier was 37%, and it was confirmed that it satisfied various alarm conditions and electrical characteristics required by telecommunication companies.

본 논문은 5G 시스템에 적용되어 인 빌딩, 지하철과 터널등에 사용되는 50 Watts급 중계기용 고효율 전력증폭기 설계 방법과 전기적 특성을 나타내었다. 여기서 설계된 전력증폭기의 종단 트랜지스터는 GaN(gallium nitride)을 사용하여 도허티방식으로 구성하였으며, 선형성을 만족시키기 위해서 DPD(digital predistortion)를 이용하여 혼변조 신호를 제거하였다. 또한, 5G 시스템에서 요구되는 증폭기의 이득 제어와 경보 처리등 다양한 요구사항을 처리하기 위해서 마이크로프로세서가 전력증폭기 내부에 존재하게 설계하였다. 통신사업자가 요구하는 규격의 전력증폭기는 46.5 dBm 출력전력과 증폭기 전체의 효율이 37%가 측정되었고, EVM(error vector magnitude)은 2.3% 그리고 ACLR(adjacent channel leakage ratio)은 52.8 dBc로 측정되어 요구되는 전기적 특성과 다양한 경보조건을 만족하는 것을 확인하였다.

Ⅰ. 서론

우리나라는 2019년 4월 세계 최초로 5G 서비스를 시작하였다. 이러한 5G 이동통신 서비스가 큰 관심을 받는 이유는 4차 산업 혁명의 핵심 인프라가 되어 다양한 신규 융복합 서비스 즉, 단순한 모바일 영역을 넘어서 IoT(internet of thing), AI(artificial intelligence), VR(virtual reality) 및 AR(artificial reality), 스마트 카, 지능형 로봇 등과 연동하여 혁신 플랫폼이 될 것이기 때문이다 [1].

통신 업계에서는 5G 등 이동통신 장비를 도입할 때 소모 전력 절감관련 최신 기술을 적용하거나, 수년 전부터 운영 중인 이동통신망의 구조를 개선하는 등의 전력 사용량 감소를 위한 지속적인 노력을 하고 있다. 장비 제조사는 통신장비에 저전력 소자 구성 및 연계된 소프트웨어를 제공하고 있으며, 기지국을 구성하고 있는 RU(radio unit)와 BBU(baseband unit) 두 장비에서의 소모 전력을 분석해보면 평균적으로 RU가 88%, BBU가 12% 전력량 사용하고 있다 [2]. 여기서 RU의 전력 소모량 중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 전력증폭기이다. 전력증폭기의 효율을 높이는 방법으로 최종 단 트랜지스터를 실리콘을 이용한 전력 트랜지스터 LDMOS(laterally diffused MOSFET) 보다는 고주파수에서 효율이 좋은 소자인 GaN(gallium nitride)을 사용하고 있으며, 이러한 고효율 소자를 이용하여 최대전력에서 효율이 가장 좋은 트랜지스터의 특성을 이용하여 주 증폭기와 피킹 증폭기로 구성하여 효율을 개선시키는 도허티 방법을 사용하여 전력증폭기를 개발하고 있다 [3]-[5]. 도허티 방법은 광대역 입력신호의 PAR(peak to average power ratio)이 크기 때문에 최대 출력 전력에서 백오프 했을 때 전력효율을 개선하여 낮은 출력 조건에서도 높은 효율을 만족시켜준다. 이러한 방법으로 전력증폭기 효율을 개선시키기 위해서 종단 트랜지스터의 최대 출력지점 즉, 비선형 특성이 크게 나타나는 지점에서 동작시킴으로 인하여 구동 시스템의 EVM(error vector magnitude)과 혼변조 신호가 증가하게 되어 시스템의 성능을 열화 시킨다. 이러한 비선형성을 개선시키는 방법으로 수십 MHz 신호 대역폭에서는 피드포워드 기술 [6], 피드백 기술[7] 등의 아날로그 접근법을 사용하고 있으며, 수백 MHz 이상의 광대역 신호를 사용하는 5G 시스템에서는 DPD(digital predistortion)방법 [8]-[10]들이 사용되고 있다.

본 논문에서는 광대역 신호를 이용하여 5G 서비스를 제공하고 있는 중계기는 인 빌딩, 지하철, 터널등에 사용되고 있으며, 이것을 구성하고 있는 핵심적인 부품인 고출력 전력증폭기의 규격, 설계방법 및 전기적 특성에 대한 내용을 설명하였다. 고출력 전력증폭기는 앞에서 언급한 고효율을 만족시키기 위하여 최종 트랜지스터는 GaN을 사용하였고 또한 도허티 방법을 이용하여 효율을 개선하였으며, 광대역 신호의 비선형성 개선을 위해서 DPD를 사용하여 선형 특성을 개선시켰다.

Ⅱ. 고효율 전력증폭기 설계

2-1 전력증폭기 규격

표 1은 SKT 5G 인 빌딩 분산형 대출력 장비에 적용되는 전력증폭기의 전기적 규격을 나타내었다. 이 전력증폭기는 RF 신호 전력을 증폭시켜서 안테나에 공급하는 역할을 하며, 3.6 - 3.8 GHz 대역에서 5G NR 2-Carrier, 출력은 46.5 dBm을 지원하며, 해당 출력 조건에서 ACLR, EVM 및 스퓨리어스 등의 규격을 만족하며, 선형화 구현 기술은 DPD 방식을 사용하며, 내부에 마이크로프로세서를 내장하고 있다. 외부와 통신은 시리얼 통신방식으로 115200 bps의 LVTTL(low level TTL) 레벨로 통신하며, 이 통신을 통해서 전력 증폭기의 구성정보, 장애 및 제어를 할 수 있다.

표 1. 전력증폭기의 전기적 규격

Table 1. Electrical specification of power amplifier.

2-2 전력증폭기 설계

전력증폭기는 먼저 사용전원에 맞는 트랜지스터를 선택하여 초단 드라이브 증폭기는 NXP사 MMG30301BT1을 사용하였고, 중간과 최종 단 트랜지스터는 모두 50 Vdc로 구동되는 GaN을 사용하여 규격에 규정된 출력 전력과 이득을 만족하도록 선택하였다. 증폭기 출력의 안정적 송신과 안테나에서 입력되는 반사전력으로 부터 보호하기 위하여 아이 솔레이터를 사용하였고, 이것으로부터 출력 전력과 반사전력을 검출하는 회로를 삽입하여 증폭기 입출력 전력의 크기 비교를 통해서 VSWR(voltage standing wave ratio)를 확인하였다. 여기서 검출되는 출력전력의 일부는 적정 레벨의 신호로 분배되어 DPD 입력 단자와 연결된다. 또한, 규격에 규정된 다양한 조건의 경보 처리를 위하여 마이크로프로세서를 삽입하였고, 또한 이것은 증폭기의 과출력, 온도 조건 등으로 부터 전력증폭기 보호를 위해서 증폭기를 규격의 DISABLE 상태가 되도록 제어한다.

450W급 GaN으로 구성된 전력증폭기 최종 트랜지스터 결합 회로는 병렬구조를 갖는 도허티 결합기에서 내부 회로를 변경하여 별도의 선형화기를 사용하지 않고, 트랜지스터의 바이어스가 C급으로 구현된 피킹 트랜지스터의 혼변조 성분이 AB급 바이어스의 캐리어 트랜지스터의 혼변조 왜곡 성분과 비슷한 크기와 역 위상을 갖도록 만들어지도록 조정하여 도허티 증폭기의 혼변조 성분을 제거하는 방법을 이용한 것으로 이것에 대한 블록도는 그림 1에 나타내었다 [11]. 캐리어와 피킹 증폭기의 드레인에 흐르는 전류값은 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스와 입력 신호로 표현할 수 있으며 또, 캐리어와 피킹 증폭기의 입력 신호 크기와 위상을 변경시킬 수 있음으로 인하여 캐리어와 피킹 증폭기의 혼변조 신호를 서로 상쇄 시킬 수 있음을 알 수 있다.

그림 1. 피킹 증폭기 바이어스 조정에 의한 전력증폭기 선형성 개선 구성도.

Fig. 1. Diagram showing improvement of linearity of power amplifier by bias adjustment of peaking amplifier.

여기서는 이러한 도허티 증폭기를 병렬로 연결하여 높은 전력을 확보할 수 있도록 설계하였고, 캐리어와 피킹 증폭기의 결합으로 혼변조 신호 제거하는 그림 1의 방법은 운용 대역폭이 좁을수록 효과적이지만, 5G와 같은 200 MHz의 광대역 신호가 입력되는 조건에서는 DPD와 같은 선형화 기술과 동시에 적용하면 상호 보완작용으로 동작하여 전력 증폭기의 효율 및 DPD 선형화 시간을 줄여주는 특성을 얻을 수 있다.

최종 단 트랜지스터 GaN 소자는 베어 다이 (bare die) 접합과 방열이 용이한 패키징 방식을 사용하고 있는데 이러한 방식은 제작 단가가 고가라는 단점을 갖고 있지만 트랜지스터 자체의 특성이 방열 효과가 우수하고 고효율 구현 및 제품의 균일성을 보장하는 장점을 갖고 있기 때문에 이 소자를 사용하였다.

Ⅲ. 전력증폭기 특성

II절에서 설계한 증폭기는 Rogers사의 RO4350 20 mil PCB로 구현하였다. 그림 2는 드라이브단 증폭기 사진을 나타낸 것이고, 또, 캐리어와 피킹 트랜지스터가 한 몸체로 구현된 트랜지스터를 이용하여 캐리어 증폭기는 바이어스를 AB로, 피킹 증폭기는 C급 바이어스로 조정한 도허티 증폭기를 병렬로 결합한 최종단 증폭기를 그림 3에 나타내었다. 그림 2의 드라이브 증폭기와 그림 3의 최종단 증폭기가 결합되어 고효율 증폭기가 되었고, 출력단의 신호를 일부 선택하여 DPD 입력에 연결하여 줌으로서 최종적으로 5G 중계기용 전력증폭기가 완성되었다.

그림 2. 드라이브 증폭기 사진.

Fig. 2. Photographs of drive amplifier.

그림 3. 최종단 증폭기 사진.

Fig. 3. Photographs of final amplifier.

그림 4는 100 MHz 대역폭을 갖는 입력신호에 대해서 전력 증폭기의 DPD 기능 동작의 전/후에 대한 광대역 신호 특성 데이터를 나타낸 것으로 피킹 증폭기 바이어스 조정에 의한 선형성 개선으로 DPD 기능이 정지된 상태에도 전력증폭기의 EVM 특성을 유지함을 보여주고 있으며, 이러한 특성으로 필드 운용 시 DPD 동작 속도 개선 효과와 고효율의 시스템 설계 및 장비 고장율 개선 그리고 시스템 양산성 개선을 얻을 수 있다.

그림 4. 피킹 증폭기 바이어스조정 후 DPD 적용 특성 (a) DPD 적용 전 (b) DPD 적용 후.

Fig. 4. DPD characteristics after bias control of peaking amplifier (a) before DPD (b) after DPD.

그림 5는 전력 증폭기에 100 MHz와 200 MHz대역폭 신호를 입력시켰을 때 DPD 기능을 동작시키고 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 그림 5(a)에서는 100 MHz 신호 입력시 출력은 46.03 dBm이고 인접채널전력 (ACP ; adjacent channel power)측정으로 ACLR 값이 53.76 dBc가 측정됨을 보여주고 있으며, 그림 5(b)에서는 200 MHz 신호 입력시 100 MHz당 출력은 43.29 dBm이고 ACLR 값이 52.87 dBc가 측정됨을 보여주고 있다. 이것을 보면 시스템 운용 상태에서의 전력 증폭기 출력 ACLR 특성은 규격을 잘 만족하고 있음을 보여 주는 것이다.

그림 5. 전력증폭기 ACLR 특성 (a) 대역폭 100 MHz (b) 대역폭 200 MHz.

Fig. 5. Power amplifier ACLR characteristics (a) BW 100 MHz (b) BW 200 MHz.

그림 6은 전력 증폭기에 200 MHz대역폭 신호를 입력시켰을 때 DPD 기능을 동작시키고 측정한 EVM을 나타낸 것이다. 그림 6(a)에서는 DPD 동작 전 상태에서 측정한 것으로 4.52%가 측정됨을 나타내고 있으며, 그림 6(b)에서는 DPD 동작 후 상태에서 측정한 것으로 200 MHz 대역폭에서 2.31%가 됨을 나타내고 있다. 대역폭을 변경시키면서 전력증폭기의 EVM 결과를 보면 100 MHz대역에서 DPD 동작 전에는 2.38% , DPD 동작 후에는 2.27%가 측정되며, 이것은 DPD 동작 전 상태에서 전력증폭기의 최소 S/N 특성을 확보한 것으로 판단되며, 만약의 경우 DPD 동작이 불안정한 경우에도 최소한의 서비스를 유지할 수 있음을 보여주는 것이다. 결국 전력증폭기에서 S/N 특성을 확보 할수록 DPD의 과부하를 방지하여 DPD 동작 속도도 개선됨을 알 수 있다.

그림 6. 전력증폭기 EVM 특성 (a) DPD 동작 전 (b) DPD 동작 후.

Fig. 6. Power amplifier EVM characteristics (a) before DPD (b) after DPD.

본 논문에서 개발된 중계기용 전력증폭기는 출력이 46.5 dBm일 때 50.2 Vdc 전압과 2.4 A의 전류가 소모되어 37%의 효율을 얻었다. 이 효율은 최종단 트랜지스터 효율을 의미하는 것이 아니라 전력증폭기 전체의 효율을 의미하는 것으로, 결국 이 전력증폭기는 전류 소모를 최소화하여 효율을 극대화함으로써 시스템의 발열량을 최소화 했으며, 기존에 설치된 4x4 MIMO(multiple-input multiple-output)에 적용된 단독형 리모트의 전력증폭기를 본 논문에서 개발한 것으로 대체하면 발열량의 차이가 100 W ~ 120 W로 예상되며 온도는 5°~ 8° 정도 개선될 것으로 판단된다. 결국 발열량의 차이는 장비의 고장률(MTBF : mean time between failure)를 개선하는 효과로 나타나며 향후 A/S 관련 비용의 감소로 나타날 것이다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 5G 중계기에 사용되는 전력증폭기 설계 및 특성에 대해서 서술하였다. 도허티 전력증폭기를 구성하고 있는 대부분의 트랜지스터는 고효율의 GaN을 사용하였고, 선형성 개선을 위해서 피킹 증폭기의 바이어스 조정으로 캐리어 증폭기의 신호와 결합되면서 혼변조 신호의 개선함과 동시에 DPD 기능을 사용하여 선형성을 개선시켰다. 또한, EVM 2.27%, ACLR 53.76 dBc등의 전력증폭기 특성을 46.5 dBm 출력에서 얻었으며, 전력증폭기 전체의 효율이 37%가 됨을 확인하였다. 개발된 전력증폭기는 5G 통신 장비의 고효율과 선형성 개선으로 비용과 서비스 품질 개선에 기여할 수 있으며, 다양한 응용분야에서 사용될 것을 기대하고 있다.