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RF 전력 송신기의 성능 향상에 관한 연구

Title
RF 전력 송신기의 성능 향상에 관한 연구
Authors
문정환
Date Issued
2012
Publisher
포항공과대학교
Abstract
무선 통신 시스템이 진화하면서, 이동 통신 분야에서도 사용자의 다양한 요구를 만족시키기 위해 여러 기능을 수행할 수 있는 시스템이 필요해졌다. 이에 따라 시스템 내의 전력 송신기는 광대역의 주파수 범위에서 다양한 기능을 처리해야 한다. 또한 인접한 사용자간의 통신 장애와 전력 증폭기의 발열로 인한 문제를 최소화 하기 위하여, 전력 송신기는 고선형성 및 고효율 특성을 요구한다. 이러한 요구를 만족 시키기 위해 전력 증폭기는 광대역의 주파수 범위 내에서 넓은 대역폭 및 큰 피크 대 평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)를 특징으로 하는 신호를 고효율 및 고선형의 특성을 가지고 증폭시켜야 한다. 본 논문에서는 위와 같은 요구 사항을 충족시키기 위해 전력 증폭기의 효율 및 선형성을 향상 시키는 기술을 소개하고 광대역 전력 송신기를 소개한다. 전력 증폭기의 효율 향상을 위해 본 논문에서는 단일 증폭기의 효율 향상 기법 및 도허티 전력 증폭기(Doherty Power Amplifier)나 ET 전력 송신기(Envelope Tracking Transmitter)와 같은 전력 송신기의 효율 향상 기법을 제시하였고, 광대역 고효율 전력 송신기를 위해서 새로운 광대역 전력 증폭기를 소개하였다. 마지막으로, 전력 증폭기의 선형성 향상을 위하여 새로운 디지털 전치 왜곡(Digital Predistortion: DPD) 방식을 제시하였다. 고효율 전력 송신기를 위해서는 단일 전력 증폭기의 효율 향상이 필요하다. 본 논문에서는 전력 소자의 비선형 캐패시터(Nonlinear Capacitor)를 이용하는 고조파(Harmonic) 제어 전력 증폭기를 소개한다. 전압과 전류가 동시에 존재할 경우 전력 소자 내부에서 발생된 열이 효율을 감소 시키기 때문에, 전력 증폭기의 고효율 동작을 위해서는 전압 및 전류파형이 동시에 존재하는 구간을 최소화 해야 한다. 기존의 고효율 전력 증폭기는 특정 고조파를 제어하는 회로를 이용하여 구형파 혹은 사인반파(Half-Sinusoidal Waveform)의 전압 및 전류 파형을 형성함으로써 전압 및 전류 파형의 공존 구간을 최소화시켰다. 하지만, 전력 증폭기의 비선형 캐패시터를 이용할 경우, 비선형 특성으로 인해 많은 고조파 성분이 발생하게 된다. 특히 2차 고조파 성분이 많이 발생하게 되며, 외부 고조파 임피던스(Impedance)가 캐패시터의 임피던스보다 큰 값을 갖는다면 전압 파형은 사인반파의 형태가 된다. 그리고 전력 증폭기의 포화 동작으로 인해 전류 파형은 자동적으로 사각파의 형태를 갖게 되며, 전력 증폭기는 고효율의 특성을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안하는 포화 전력 증폭기(Saturated Power Amplifier)는 위와 같은 방법을 통해 고효율 특성을 나타낸다. 또한, 고효율 전력 송신기로써 도허티 전력 증폭기를 고찰하고 도허티 증폭기의 효율 특성을 더욱 향상시키기 위한 방법을 제안한다. 우선 백 오프(Back-off)된 평균 출력 전력에서 효율을 증가시키기 위해 문턱 전압(Knee Voltage)에 의해 발생되는 설계 이슈를 고찰하였다. 문턱 전압 효과에 의해 캐리어 증폭기는 백 오프 된 영역에서 충분히 포화가 되지 않기 때문에 최적화된 효율 특성을 나타낼 수 없다. 본 논문에서는 백 오프 된 영역에서 충분한 포화 동작을 이루기 위해 새로운 도허티 전력 결합기를 제안하였다. 또한 피크 대 평균 전력비가 큰 신호에 대해 고효율 동작을 위해서 N개의 경로를 갖는 도허티 증폭기(N-way Doherty PA)를 구현하였다. 마지막으로, 도허티 증폭기와 ET 전력 송신기를 결합함으로써 도허티 증폭기의 고효율 동작 구간을 확장 시켰다. 또한 본 논문에서는 광대역 전력 송신기를 위한 광대역 포화 전력 증폭기를 제안하고 구현하였다. 앞서 설명한 바와 같이 포화 전력 증폭기는 고효율의 전압 파형을 만들기 위해 비선형 캐패시터를 이용하기 때문에 외부 고조파 임피던스가 캐피시터의 임피던스보다 큰 값만 갖는다면 고효율 특성을 유지할 수 있다. 이러한 포화 전력 증폭기의 광대역 동작 가능성을 시뮬레이션을 통해서 확인하였고, ET 기술을 이용하여 고효율의 다중모드/다중밴드(Multimode/Multiband) 전력 송신기를 제안하였다. 마지막으로, 본 논문에서는 전력 송신기의 선형성 향상을 위해서 디지털 전치 왜곡 방식을 고찰하고 고성능의 디지털 전치 왜곡기를 제안하였다. 고출력 전력 증폭기는 넓은 대역폭을 갖는 신호를 증폭할 때 메모리 효과(Memory Effect)로 인해 선형성 특성이 저하 된다. 메모리 효과를 보상해 주기 위해 본 논문에서는 볼테라 급수(Volterra Series)에 기반을 둔 Enhanced Hammerstein 동작 모델을 제안하였다. 볼테라 급수는 전력 증폭기의 비선형성을 가장 잘 예측하는 모델로 알려져 있다. 하지만, 비선형성 및 메모리 효과를 동시에 계산하기 때문에 필요한 계수의 수가 많다. 반면, 제안하는 모델 내에서 볼테라 시리즈는 메모리 효과만을 예측하고 전력 증폭기의 비선형성은 메모리리스 다항식(Memoryless Polynomial)을 통해 보상하기 때문에 단일 볼테라 시리즈에 비해 사용하는 계수의 수가 적다. 하지만, 모델링 능력 및 비선형성 보상 능력은 볼테라 시리즈의 능력과 유사하다. 또한, 본 논문에서는 도허티 전력 증폭기 및 ET 전력 송신기와 같은 고효율 전력 송신기에 적합한 디지털 전치 왜곡 방식을 제안하였다. 고효율 전력 송신기는 기존의 전력 송신기와는 다른 비선형성 특성을 나타낸다. 따라서 기존의 디지털 전치 왜곡 방식을 통해서는 선형성 보상에 제약이 있다. 이를 극복하기 위해 각 고효율 전력 송신기의 동작 특성을 분석하고 각 전력 송신기에 적합한 디지털 전치 왜곡기 구조를 고찰하였다. 본 논문에서 제안한 전력 송신기의 효율, 선형성 및 동작 대역폭 개선 방법은 실제 제작을 통해 기존의 방식들에 비해 향상된 성능을 검증하였다.
As the wireless communication systems evolve, transmitters in the systems should be able to handle multiple functions across broad bandwidth. In addition, the transmitters should amplify the signals with high efficiency and linearity. Therefore, power amplifiers (PAs) in the advanced transmitters are required to provide high efficiency and linearity for wide instantaneous bandwidth and large peak-to-average power ratio (PAPR) signals across wide operating bandwidth. For the purpose, this dissertation presents various techniques to improve the efficiency, linearity, and bandwidth characteristics of the PA. In particular, for the high-efficiency, this dissertation considers the efficiency improvement methods for the unit cell PA and the high efficiency transmitters such as the Doherty amplifier and envelope tracking (ET) technique. For the broadband transmitter with high efficiency, the broadband PA based on the harmonically tuned amplifier is proposed. The digital predistortion (DPD) technique, which is the most popular linearization method, is explored to compensate the memory effect as well as the static nonlinearity. For the high-efficiency transmitter, a stand-alone PA with high-efficiency is essential. The harmonically tuned amplifier with the nonlinear intrinsic input and output capacitors are explored and analyzed to improve the efficiency. Then, the saturated amplifier, which takes advantage of the nonlinear capacitor to shape the voltage waveform, is proposed to provide the high efficiency with simple matching circuit, and compared with other PAs. As a highly efficient transmitter, the Doherty technique is investigated and analyzed to improve its performance. To enhance the efficiency at the back-off power level, the practical design issue related to the knee voltage effect is explored. Then, a novel output combiner scheme is proposed to maximize efficiency at the back-off power level. To extend the high efficiency region, thereby to provide better performance for the large PAPR signals, N-way structure is explored and demonstrated. The Doherty amplifier in cooperated with the envelope tracking (ET) is also proposed for the same purpose. By combining the advantages of both techniques, it is experimentally demonstrated that the transmitter architecture can deliver the best efficiency, and is the most promising architecture. For the broadband transmitter, the wideband saturated PA is proposed and implemented. Since the saturated amplifier employs the nonlinear output capacitor to shape the voltage waveform, it has large tolerance for the external harmonic loading circuit for high efficiency. Thus, the saturated amplifier is capable of broadband operation with high efficiency because the design is mainly focused on the fundamental matching problem while the harmonics can be easily kept out of a low efficiency region through the subsequent optimization of the matching circuit. The broadband capability of the amplifier is explored. In addition, by applying the ET technique to the amplifier, the multimode/multiband ET transmitter with high efficiency is demonstrated. For the high fidelity transmitter, among the various linearization techniques, digital predistortion linearizer is investigated due to its manageable digital operation, low power consumption, and flexibility. To compensate the transmitter exhibiting the memory effects, the enhanced Harmmerstein model is proposed and assessed. This model is based on the Volterra series, but has the significantly reduced kernels, while delivering the comparable capabilities for modeling and compensating the transmitter. Since the high efficiency transmitters such as Doherty amplifier and ET transmitter show the abnormal nonlinear behaviors, the conventional DPD structure is not suitable to compensate these nonlinearities. By analyzing the nonlinear behaviors of the high efficiency transmitters, the specialized DPD topologies for both transmitters are proposed. The overall works mentioned above are theoretically analyzed and experimentally demonstrated. It is validated that the proposed techniques have led to the better performance than the conventional techniques. The simulation and experimental results support the superiorities of the proposed methods.
URI
http://postech.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001218040
http://oasis.postech.ac.kr/handle/2014.oak/1450
Article Type
Thesis
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