본 논문은 도허티 증폭기 및 포락선 전치 왜곡기를 이용한 전력 증폭기의 효율 및 선형성 개선에 관한 것이다. 전력 증폭기의 효율을 개선하기 위하여 도허티 증폭기를 제작하여 효율 특성을 개선하였으며, 포락선 전치 왜곡기를 이용하여 도허티 증폭기의 선형성 개선량에 대하여 조사하였다. 제작된 도허티 증폭기는 AB 급으로 동작시킨 전력 증폭기와 비교하여 출력 전력 10W에서 8.5%의 효율 개선 효과를 보였으며, 출력 전력 40W에서 12.6%의 효율 개선 특성을 나타내었다. 포락선 전치 왜곡기를 이용한도 허티 증폭기는 출력 전력 10W에서 7dB의 선 형성 개선 효과를 나타내었다. IMT-2000 주파수 대역에서 WCDMA down-link 4 carrier 신호를 이용하여 출력 전력 10W에서 측정한 결과 AB 급으로 동작하는 전력 증폭기와 비교하여 4.2%의 효율 개선 및 6.3dB의 선형성 개선 효과를 나타내었다.
본 논문에서는 전력증폭기의 선형성을 광대역으로 개선하기 위하여 Delay 라인의 영향에 대하여 고려하려다. 사용된 전력 증폭기의 이득은 37dB이고, 3단의 l1W급으로 설계되었다. Error 증폭기는 4단으로 설계되었으며 이득은 55dB이다. 그리고 크기와 위상을조절하기 위한 장치로 Vector modulator를 사용하였으며, 또한 방향성 결합기 및 전력분배기를 설계하였다. 각 모듈을 통합하여 주파수 2.11GHz에서 2.2GHz까지 Delay 특성을 고려한 광대역 선형 전력 증폭기를 설계하였으며 대역폭이 30MHz에 걸쳐 IMD성분의 제거 특성이 25dB이상의 개선 효과를 얻었다.
본 논문에서는 CDMA시스댐의 성능분석시 RF 측면에서의 요구사항인 낮은 전력소비를 만족시키기 위해 증폭기의 효율을 높히기 위한 비선형 전력 증폭기를 사용함에 있어서 증폭기의 비선형성 즉 AM-AM, AM-PM의 특성으로 인한 순방향의 성능 저하에 대한 분석을 하였다. CDMA 송수선기를 구성하여 시간영역에 서의 왜곡된 선호의 파형, 선호성좌 특성을 통해 증폭기의 진폭, 위상 비 선형성으로 인해 심볼간 간섭이나 위상 왜곡 등의 현상이 나타남을 알 수 있었다. 또한 주파수 영역에서의 전력스펙트럼밀도의 분석을 통해 진 폭특성의 비선형성으로 인해 평균선호전력이 28 dBm일 때 $\pm$1.98 MHz 에서의 대역외 방사성분은 선형전력 증폭기에 비해 약 3~4 dB 이상이 증가하였으며 스퓨리어스 성분의 경우 비선형 전력증폭기를 사용하였을 경 우 선형 증폭기를 사용한 경우에 비해 약 I5dB 이상의 측대파 재생이 큰 것을 알 수 있었다. 이러한 현상으 로인해 타 사용자와 이웃채널사용자의 간섭전력의 증가로 인한 BER 성능이 저하됨을 볼 수 있었다 이러한 분석방법은 전력증폭기의 비선형성뿐만 아니라 혼합기나 스위치 등과 같은 다른 비선형 부품의 특성으로 인 한 성능분석에도 적용할 수 있다.
본 논문은 전력증폭기의 효율을 개선하기 위한 도허티증폭기의 특성 분석에 관한 것이다. 도허티증폭기의 특성을 분석하기 위해 2-tone신호와 WCDMA신호를 사용하였고 180W PEP LDMOSFET을 사용하였다. 제작된 도허티증폭기는 출력 전력 20W에서 약 10%정도의 효율개선을 나타냈지만 선형성이 저하되는 특성을 나타내었다. 저하된 선형성을 개선시키기 위해 carrier 증폭기(Amp. A)와 peaking 증폭기(Amp. B)를 각각 변화하였으며, carrier 증폭기는 높은 PEP(Peak Envelope Power)와 적은 Id(drain current)가 되도록 하였고, peaking 증폭기는 높은 이득과, 낮은 gate bias에서 IMD(Intermodulation Distortion)가 상쇄되도록 하였다. 최종 측정 결과 출력전력 20W에서 선형성은 class AB증폭기와 비교하여 유사한 결과를 얻었으며, 효율은 약 10% 이상의 개선을 얻을 수 있었다.
무선 통신 시스템에서 전력 증폭기는 신호를 원거리로 송신하기 위해 필수적인 부품이다. 일반적으로 전력증폭기는 비선형 특성을 가지고 있는 소자이며, 입력 전력이 높을수록 심한 비선형 특성을 보인다. 또한 이러한 비선형 왜곡은 신호품질을 저하시키고 인접 채널 간섭을 유발하게 된다. 전력증폭기의 비선형 특성을 선형화하기 위한 다양한 기술들이 알려져 있는데, 그 중에서 디지털 전치왜곡 방식이 디지털 신호처리를 이용하여 효과적으로 전력증폭기를 선형화 하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 전력 증폭기가 포화 영역에서 동작 할 경우 심한 비선형 왜곡의 영향으로 전력증폭기의 선형화가 제대로 이루어지지 않는 문제가 있다. 본 논문에서는 포화 영역에서 디지털 전치왜곡 성능개선을 다루는데, 계수를 구하는 적응형 알고리즘에서 왜곡이 심한 포화영역의 입력 신호에서는 적응형 알고리즘을 동작시키지 않고 비포화 영역의 신호에서는 알고리즘을 동작시킴으로써 전치왜곡의 성능을 개선하는 방안을 제안한다. 제안하는 알고리즘을 검증하기 위해 MATLAB을 사용하여 컴퓨터 모의실험을 수행하였고, 기존의 디지털 전치왜곡 방식과의 비교 분석도 수행하였다.
현재의 디지털 통신시스템은 매우 다양한 디지털 변조방식을 채택하고 있다. 이러한 통신시스템에서는 인접채널에 대한 간섭을 최대한 줄이기 위해서 필연적으로 선형 전력증폭기를 요한다. 선형 전력증폭기는 매우 다양한데 그 중에서 전방궤환 전력증폭기는 구조상 광대역이면서 선형화 정도가 매우 우수하다. 전방궤환 전력중폭기에 사용되는 지연선로의 손실로 인하여 전체효율이 감소한다. 본 논문에서는 이러한 지연선로를 손실이 매우 작은 지연필터를 사용함으로써 효율과 선형성을 동시에 개선하였다. 측정된 결과 ACLR이 약 17.43dB 개선되었으며 이것은 지연필터를 사용함으로써 2.54dB 더 개선되었음을 나타낸다.
수중에서는 대기와는 달리 매질의 차이로 인하여 통신의 제약이 따르므로 초음파를 이용하여 정보를 송 수신한다. 수중통신을 하기 위해서는 초음파를 발생시키는 트랜스듀서와 신호를 증폭시키는 전력증폭기가 필요하다. 전력증폭기는 선형적인 출력이 보장되어야 하며, 수중에서의 연료문제로 인하여 높은 효율로 동작하여야한다. 하지만 출력의 선형성과 시스템의 효율은 Trade off의 관계이기 때문에 두 가지 모두를 만족시키는 연구가 요구된다. 그러므로 본 논문에서는 Class B push-pull 증폭기를 사용하여 선형 출력 특성을 보장하며, 신호의 크기에 따라 증폭기의 인가전압을 가변하는 ET(Envelope Tracking) 기술을 적용하여 향상된 효율 특성을 갖는 넓은 대역폭의 전력증폭기를 설계하고 실험을 통해 특성을 확인하였다.
본 논문은 IMT-2000 대역에서 동작하는 피드포워드 증폭기의 선형성 개선을 위한 각 증폭기의 이득 평탄도의 영향에 관한 것이다. 피드포워드 증폭기의 동작 특성을 조사하기 위하여 WCDMA 신호를 인가하여 최종 출력 10W에서 성능을 측정하였다. 특히, 피드포워드 증폭기의 선형성 개선에 영향을 미치는 원인 중, 각 증폭기의 이득 평탄도의 변화에 따르는 선형성의 개선 양에 대하여 조사하였다. 전력 증폭기는 40MHz, 오차 증폭기는 40MHz와 80MHz의 대역에서 이득 평탄도를 변화시키면서 선형성의 개선 양을 조사하였으며, 오프셋 5MHz 지점에서 IMSR을 측정하였다. 측정 결과. 20dB 이상의 개선 효과를 나타내기 위해서는 전력 증폭기는 1.5dB 이내, 오차 증폭기는 0.5dB 이내의 이득 평탄도를 가져야 함을 확인하였으며, 오차 증폭기의 이득 평탄도가 선형성 개선에 더 큰 영향을 미침을 확인하였다.
현재의 디지털 통신 시스템은 매우 다양한 디지털 변조 방식을 채택하고 있다. 이러한 통신 시스템에서는 인접 채널에 대한 간섭을 최대한 줄이기 위해서 필연적으로 선형 전력증폭기를 요하며 동시에 높은 효율의 전력증폭기가 요구된다. 본 논문에서는 선형성 및 효율이 동시에 개선되는 방식의 Doherty전력 증폭기를 시뮬레이션 최적화 기법을 통해 설계하고 동시에 시뮬레이션을 통해 설계한 평형 전력 증폭기의 결과와 비교하여 효율이 20% 선형성이 10dB 개선됨을 보였다.
본 논문은 IMT-2000 단말기용 전력증폭기의 선형성을 증가시키기 위해 기존의 선형화 기법을 사용하는 대신 선형성이 우수한 Infineon 사의 SiGe HBT를 이용하여 IMT-2000 단말기용 2단 전력증폭기를 설계하고 제작하였다. HBT의 비선형 모델은 Gummel-Poon 모델을 이용하였으며, 등가모델을 이용하여 회로 시뮬레이터인 ADS를 사용하여 DC I-V 특성과 입ㆍ출력측의 S-파라미터 특성을 살펴보았다. 시뮬레이션한 S-파라미터를 이용하여 2단 전력증폭기의 첫째단은 고이득 조건으로 정합하고, 둘째단은 고출력 조건으로 정합하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 hybrid 형태로 제작한 2단 전력증폭기는 IMT-2000 상향 주파수 대역인 1920∼1980MHz에서 27.1dBm의 출력전력과 18.9dB의 전력이득, 20dB의 ACLR, 34%의 전력부가효율을 얻었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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