본 논문에서는 마이크로스트립 구조의 고조파 제거 회로를 이용하여 900 MHz 1 W 전력 증폭기 설계에 관하여 연구하였다. 기존의 전력 증폭기들에는 고조파 제거를 위하여 여러 단의 집중 정수 소자를 이용한 필터를 사용함으로써 회로의 크기가 커지고, 사용되는 마이크로스트림 선로의 경우 주파수의 반복적인 특성만을 나타냄으로써, 비선형 회로들의 출력에 존재하는 모든 고조파 성분들을 제거하지 못하는 단점을 개선한 것이다. 설계된 전력 증폭기는 구동 증폭단, 전력 증폭단 그리고 고조파 제거단으로 각각 구성하였고, 에폭시 기판에 하이브리드 형식으로 구현하였다. 구현된 전력 증폭기는 고조파 제거 회로를 부가하지 않았을 경우와 비교해서 24 dBc의 2차 고조파, 30 dBc의 3차 고조파의 감쇄 특성을 보였으며, 전력 증폭기와 안테나 사이의 출력단 필터를 대신할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 송신기의 전력효율을 고려하여 C급 전력증폭기를 사용함으로 인한 증폭기의 비선형성의 영향을 극복하기 위해 일정진폭 특성과 연속위상특성을 갖는 CE-CPSK 변조 직접 대역확산 송수신기를 제안하였다. 직접 대역확산 수신기의 초기동기 성능을 평균 동기 획득시간, 검출확률을 통해 기존의 BPSK 변조방법과 CE-CPSK변조방법에 대해 다중사용자환경하에서의 성능을 비교분석하였다. 비선형성을 지닌 채널 환경 하에서 제안한 CE-CPSK 변조방식이 기존의 BPSK 변조방식에 비해 부대엽 스펙트럼이 상당히 감소되는 것을 알 수 있었으며 코드 동기 획득 성능 또한 우수함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 2차 고조파 성분과 차주파수 성분의 새로운 조합을 통해 전력 증폭기에서 발생되는 3차와 5차 혼변조 성분을 개별적으로 조절할 수 있는 전치왜곡 선형화기를 설계 및 제작하였다. 2차 고조파 성분과 차주파수 성분은 포락선 검파기와 두 개의 주파수 체배기를 사용하여 발생시켰다. 제안된 전치왜곡 선형화기는 3차와 5차의 혼변조 성분을 개별적으로 조절하여 전력 증폭기의 선형화 특성을 극대화하였다. 측정 결과, 2137.5~2142.5 MHz 대역의 W-CDMA 1-FA의 30 dBm 출력에서 11 dB ACPR 개선 효과를 얻었다.
이동통신 시스템의 OFDM(Othogonal frequency division multiplexing) 신호는 큰 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 가지기 때문에 비선형 특성을 가지는 전력 증폭기의 효율 감소를 가져온다. 이러한 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선하여 효율을 증가시키기 위해서 전력 증폭기의 역 특성을 가지는 디지털 전치 왜곡기가 이용된다. 본 논문에서는 제곱근 근사를 이용한 Look-up Table(LUT) 기반의 디지털 전치왜곡(Digital Pre-Distortion :DPD) 기법을 제안한다. 제안하는 방식은 복소 이득(Complex Gain) LUT 구조에서 입력신호의 크기를 구할 때, 기존의 테이블을 이용하여 제곱근 연산을 하는 방식보다 좋은 성능을 내면서 근사를 위한 테이블의 메모리를 필요로 하지 않는다. 또한 간단한 쉬프트 연산 등을 이용하므로 DSP 또는 MCU 기반의 DPD를 구현할 때 간단하게 구현 될 수 있다는 장점을 갖는다. 컴퓨터 모의실험을 통해 제안하는 제곱근 근사방식을 이용한 DPD와 기존의 방식을 사용한 DPD를 비교함으로써 제안하는 방식이 기존 방식보다 좋은 성능을 내면서도 보다 효율적으로 구현될 수 있음을 검증하였다.
본 논문에서는 전력증폭기의 2-톤 혼변조 신호와 CDMA ACPR 특성 사이의 관계를 고찰하였으며, CDMA ACPR 특성은 3차 혼변조 신호의 크기보다 5차 혼변조 신호의 크기가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이에 따라 본 논문에서는 전력증폭기 가 CDMA ACPR 특성 이 규격을 만족하고, 2-톤 특성 중 3차 혼변조 신호가 규격을 만족시키지 못하도록 전력증폭기를 튜닝 한 후 선형화기를 사용하여 3차 혼변조 신호만 개선시킴으로써 2-톤과 CDMA 두 가지 신호에서 규격을 만족시키는 방법을 제시하였다. 본 논문에서 제시된 방법을 전력증폭기에 적용한 결과 2-톤 신호의 3차 혼변조 신호는 20 dB, CDMA ACPR 특성은 전체적으로 약 2 dB 개선되어 두 신호에서 전기적 규격을 만족시키는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 IMT-2000용 AB급 대전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 전력증폭기의 주파수 대역은 IMT-2000용 순방향 주파수인 2110MHz-2170MHz에서 AB급으로 동작하도록 하였고, 고효율성과 우수한 선형성 소자인 LDMOSFET를 사용하였다. 설계 특성에 맞는 최적부하를 찾아 마이크로 스트립 회로로 입력 및 출력 정합 회로를 구현하였다 임피던스 정합 방법으로는 소자를 실제 측정상태에서 입력단과 출력단에 튜너를 삽입하고 기본 주파수에서 최대 출력상태를 만족하는 임피던스를 튜너로 구현한 후, 튜너를 제거하고 튜너의 입력 임피던스를 Network Analyzer로 측정하여 최적 부하 임피던스를 추출하는 로드풀 방법을 사용하였다. 대전력 증폭기의 측정결과로는 2-톤 인가시 40.57dBm의 출력결과를 얻을 수 있었고 30.61dBc의 상호 혼변조 특성을 확인하였으며, 원신호의 하모닉(Hamonic) 주파수 성분과는 21.46dBc의 차이를 보였다.
본 논문에서는 feedforward와 post-distortion 기법을 이용하여 평형 증폭기 내에서 발생하는 혼변조 왜곡 성분을 제거할 수 있는 새로운 왜곡 상쇄 메커니즘인 cross post-distortion 선형화 기법을 제안한다. 출력 동적 영역과 대역폭 측면에서 제안하는 선형화 방식은 기존의 feedforward 방식에 뒤지지 않는 성능을 가지고 있으면서 상대적으로 높은 효율을 제공한다. 이론적 뒷받침을 위해 제안하는 시스템과 feedforward 방식의 전력 증폭기와 오차증폭기의 전력 용량을 비교 분석하였고, IMT-2000 대역에서 실제 구현을 통하여 이를 실험적으로 뒷받침하였다. 최대 출력 전력 240 W의 기지국용 상용 대전력 증폭기에 적용했을 때, wideband code division multiple access (WCDMA) 4FA 신호에 대하여 평균 출력 전력 40 dBm에서 약 18.6 dB의 개선 효과를 얻었다. 제작된 전력 증폭기는 WCDMA 신호 기준으로 feedforward 방식에 비해 약 2 % 개선된 효율을 보였다.
SiGe HUT뜰 이용하여 Cellular 주파수 대역(824-849 MHz)에서 MMIC 상향 주파수 혼합기와 가변이득 증폭기를 설계하였다. 동작 전압은 2.7 V 이며, 이중평형 구조의 상향 주파수 혼합기는 12 dB의 변환이득, -0.6 dBm의 1dB 이득압축 출력전력, 30 dB 이상의 LO-RF 단자 격리도 특성, 1.25의 LO-VSWR. 1.34의 RF-VSWR을 가지며, 상호컨덕턴스형 가변이득 증폭기는 35 dB의 최대 선형이득, 13 dBm의 1dB 이득압축 출력전력, 42dB의 가변이득, 23dB의 3차 상호변조 교점 출력전력(OIP$_3$), 1.27의 입력 VSWR, 1.1의 출력 VSWR 특성을 보인다.
본 논문에서는 PBG 특성을 갖는 새로운 Low-pass Filter(LPF)를 증폭기의 출력정합단에 적용하여 도허티 증폭기의 효율을 향상하였다. 제안된 LPF 적용된 도허티 증폭기는 고조파 성분들이 저지됨으로 선형성은 그대로 유지하면서 출력 전력의 증가와 소비 전류의 감소로 일반적인 도허티 증폭기와 비교하여 35%의 효율을 증가시켰다. 또한 PBG 특성을 사용함으로써 LPF의 크기를 줄였다. 이를 통해 일반적인 마이크로 스트립 라인의 LPF를 사용한 도허티 증폭기보다 전체적인 도허티 증폭기의 크기를 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 증폭기의 비선형 특성인 AM/AM 과 AM/PM 현상을 보상해주는 새로운 형태의 선형화기를 제안하였다. 이 선형화기는 공통 이미터 증폭기와 쇼트키 다이오드를 이미터와 접지 사이에 연결한 형태로 구성되어 있어, 쇼트키 다이오드의 접합 저항 값이 변화함에 따라 이득 증가 와 위상 확장 특성을 얻을 수 있다. 이러한 결과를 이용하여 증폭기의 비선형 특성을 개선시킬 수 있으며, 셀룰라 기지국 주파수 밴드의 증폭기를 제작하여 증폭기의 비선형 특성 개선을 확인하였다. 반송파 2톤 신호를 인가하였을 때, 주파수 간격이 1MHz에서 3차 혼변조 신호는 10.4dB 개선되었고, IS-95 CDMA 1FA 신호에서는 인접채널 전력비가 9.6dB 개선됨을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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