기지국 용 RF 전력 송신기의 효율 및 선형성 향상에 관한 연구

Abstract

본 논문은 기지국 용 RF 전력 송신기의 효율 및 선형성 향상에 관한 것이다. 전력 송신기의 고효율 및 고선형성은 반드시 이루어 내어야 할 중요한 요인이면서, 서로 간에 trade-off 관계가 존재한다. 따라서 본 논문에서는 효율 향상 및 선형성 향상을 위해 feedforward loop를 이용한 Predistortion 전력 증폭기 및 3-way Doherty 전력 증폭기를 먼저 살펴보고, DPD 선형화기와 결합된 H-EER(Hybrid Envelope Elimination and Restoration) 및 ET(Envelope Tracking) 전력 송신기, 그리고 3-stage Doherty 전력 증폭기를 제시하였다. 먼저, LPA 용 전력 증폭기로써 가장 널리 알려진 feedforward 전력 송신기의 feedforward loop를 이용한 predistortion 전력 증폭기를 제안하였다. 일반적인 feedforward 전력 송신기와 비교하였을 때, 주 전력 증폭기의 출력 단에 존재하는 심각한 지연 보상 선로의 손실 및 출력 합성기의 손실을 제거함으로써 전체 효율 향상 및 출력 전력을 그대로 전달할 수 있다는 장점이 있다. 또한 feedforward 전력 송신기의 효율 저하의 주 요인인 Error 증폭기의 크기를 더 작게 구현이 가능하기 때문에, 전체 효율을 더욱 끌어올릴 수 있는 구조이다. 같은 최대 출력 전력을 갖는 주 전력 증폭기가 feedforward 전력 증폭기 및 제안된 predistortion 전력 증폭기에 사용되었을 경우에 대하여, Error 증폭기의 크기 절감 정도에 대해서 수식적으로 분석하였다. 또한 제안된 구조의 효율 및 선형성 특성을 Matlab. 시뮬레이션을 통해 살펴보았다. 실험을 위해 memory effect를 갖는 90 W 급 Doherty 전력 증폭기를 2.35 GHz에서 설계하여, 제안된 predistortion 전력 증폭기를 구성하였다. 실험 결과, feedforward loop를 이용한 predistortion 효과를 통해 5 MHz 및 10 MHz의 오프셋에서의 ACLR이 크게 향상되었다. 또한 47.8 dBm의 출력 전력에서 12.7 $\%$의 효율을 얻음으로써, 일반적인 feedforward type의 LPA 보다 약 2 $\%$ 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이론적으로 효율 향상 기법으로 알려진 Doherty 전력 증폭기를 이용하여, 선형성 개선에 초점을 맞춘 중간 전력 급 HPA를 연구하였다. Doherty 전력 증폭기는 load 임피던스 변조를 통해 두 번의 최대 효율을 갖는다는 장점이 있지만, carrier 및 peaking 전력 증폭기 간의 gm 상쇄를 통해 높은 선형성을 얻을 수 있다는 장점도 가지고 있다. 중간 전력 급 HPA의 경우, 낮은 효율에 따른 열 문제는 간단한 온도 저하 회로를 이용하여 쉽게 극복할 수 있기 때문에, 상대적으로 선형화를 위한 추가 회로에 대한 부담이 더 크다. 따라서 본 연구에서는 3-way Doherty 전력 증폭기의 두 개의 peaking 전력 증폭기의 게이트 바이어스를 달리 조절하고 비대칭 입력 인가 기술을 이용하여, gm3 뿐만 아니라 gm5 까지 상쇄시킴으로써 선형성을 극대화시키는 방법을 제시하였다. 검증을 위해, 먼저 Freescale사의 LDMOSFET model을 이용하여 ADS 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 바탕으로 실험으로 구현하였다. 실험 결과, 20-MHz bandwidth를 갖는 3GPP WCDMA 신호에 대하여 10.2 $\%$의 효율 특성을 유지하면서 -52.5 dBc 및 -53.4 dBc의 매우 선형적인 ACLR 성능을 얻을 수 있었고, 이는 알려진 중간 전력 급 HPA 중에서 가장 높은 선형성 특성을 나타내었다. 통신 시스템의 발달에 따라 더욱 더 높은 효율 및 선형성이 요구되면서, 두 가지의 특성을 최대화하기 위한 구조로써 효율 향상 기법 및 선형성 향상 기법의 결합된 구조가 대두되기 시작하였다. 이를 위한 후보로써 가장 선행 기술로 각광받고 있는 H-EER 전력 송신기의 최적 설계 방법을 제안하였다. H-EER 동작 하에서 비선형 성분들(주로 Cds)에 의해 전력 증폭기가 높은 효율을 갖는 영역이 제한되기 때문에, 전력 증폭기가 주로 동작하는 영역에서 최대 효율을 갖도록 함으로써 전체 H-EER 전력 송신기의 효율 및 출력 전력이 크게 향상되도록 하였다. 3GPP WCDMA 신호에 대한 실험 결과, 최적화된 H-EER 전력 송신기가 기존의 H-EER 전력 송신기 대비 2.5 dB 및 4 $\%$ 더 향상된 출력 전력 및 PAE 성능을 갖는다는 것을 검증하였다. 바이어스 모듈레이터의 광대역 및 더욱 효율적인 동작을 위해, HPF를 이용한 피드백 회로 및 다단계 DC-DC 변환기가 제안되었다. 기존의 HSA(hybrid switching amplifier)의 linear stage에 HPF 피드백을 첨가하여 높은 주파수에서 발생하는 gain roll-off 현상을 개선시킴으로써, HSA가 광대역 신호를 증폭할 수 있도록 하였다. 또한 HSA의 DC-DC 변환기의 드레인 바이어스를 나누어 조절함으로써, 고효율 전류원인 DC-DC 변환기가 PA에서 필요로 하는 전류의 대부분을 전달하도록 하였다. ADS 시뮬레이션을 통해 제안된 구조를 검증한 후, 실험으로 검증하였다. 고출력 전력 송신기에 있어서 memory effect를 최소화하기 위한 방법으로써 emitter follower가 결합된 HSA가 제안되었고, `f2-f1’ 성분을 제거하기 위한 단락 회로로써, 제안된 HSA 및 기존의 HSA의 출력 임피던스를 수식적으로 분석하였다. 그리고 이 단락 회로가 적절히 동작할 수 있도록 하는 최적의 결합 구조가 고안되었다. 실험을 위해 100 W의 최대 전력을 갖는 class AB 전력 증폭기가 2.655 GHz에서 설계되었고, 서로 다른 PAPR을 갖는 CDMA IS95, 3GPP WCDMA, Mobile WiMAX 신호가 사용되었다. 실험 결과, 최적화된 H-EER 전력 송신기가 선형성 기준을 만족시키면서 높은 효율 특성을 유지함을 확인하였으며, 제안된 최적화 방법이 매우 유용함을 보여준다. 최적화된 H-EER 전력 송신기의 효율 및 선형성 특성을 더욱 향상시키기 위해, 최적의 envelope 신호 조절 기법에 대해서 연구하였고, 이는 곧 ET 전력 송신기임을 확인하였다. H-EER이 아닌 ET 동작을 함으로써, 전력 증폭기가 Knee 영역에서 발생하는 이득 감소 및 위상 왜곡 현상을 피할 수 있도록 하였으며, 전반적으로 H-EER의 경우보다 더 큰 gm을 갖는 영역에서 동작하도록 함으로써 향상된 PAE 및 출력 전력 특성을 얻을 수 있도록 하였다. 또한 평균 출력 전압이 높아짐으로써 HSA 또한 그 효율이 향상되도록 하였다. 검증을 위해 ADS 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험 결과, 8.2 dB의 PAPR을 갖는 802.16e Mobile WiMAX 신호에 대해 선형화 후 42.04 dBm의 출력 전력에서 RCE 기준을 만족시키면서 40 $\%$의 높은 PAE를 얻을 수 있었고, 이는 최적화된 H-EER 전력 송신기보다 더욱 향상된 성능임을 확인하였다. H-EER 및 ET 전력 송신기는 이론적으로 최적의 효율 향상 기법이지만, bias modulator의 효율 향상 및 동작 대역 개선에 대한 어려움이 존재하기 때문에, Doherty 전력 증폭기가 상용화에 있어서 더욱 선호되는 기술이다. 따라서 본 논문에서는 Doherty 전력 증폭기 중 가장 높은 효율을 갖는 3-stage Doherty 전력 증폭기에 대해 그 동작 특성을 분석하였다. 또한 최적의 load modulation을 통해 최대 출력 전력 및 백 오프 된 영역에서의 최대 효율 특성을 동시에 얻기 위해, ET 기술을 이용한 적응 게이트 바이어스 기법을 peaking 전력 증폭기에 적용하였다. 검증을 위해, 4 W 및 10 W의 최대 전력을 갖는 역 F급 전력 증폭기가 설계되었고, 8.5 dB의 PAPR을 갖는 802.16e Mobile WiMAX 신호에 대해 7.7 dB 백 오프된 출력 전력에서 52.14 $\%$ 및 55.46 $\%$의 높은 DE 및 PAE 성능을 얻을 수 있었다. 또한 기존의 3-stage Doherty 전력 증폭기가 갖는 carrier 전력 증폭기의 포화동작을 제거함으로써 GaN HEMT 소자에 적절한 새로운 3-stage Doherty 전력 증폭기에 대해 그 동작을 분석하고, 최적의 설계 방법을 제시하였다. 45 W의 최대 전력을 갖는 Cree사의 GaN HEMT 소자를 이용하여 구현된 3-stage Doherty 증폭기는 7.8 dB의 PAPR을 갖는 WiMAX 신호에 대해 7.2 dB 백 오프된 출력 전력에서 56.7 $\%$의 대단히 높은 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 제안된 3-stage Doherty 증폭기가 차세대 고효율 고선형 전력 송신기로써 매우 적합한 구조임을 검증하였다.본 논문에서 제안하는 선형화 및 효율 향상 기법들은 새로운 아이디어를 바탕으로 분석되고 설계되어졌으며, 기존의 방법에 비해 우수한 특성을 가진다. 또한 모든 실험적인 결과는 제안된 기술들의 우수성을 뒷받침한다.

The main theme of this dissertation is to improve efficiency and linearity of the base-station RF power transmitter for current and next-generation communication systems. However, generally, there is a trade-off relation between the two properties. Recently, to improve both the efficiency and linearity simultaneously, a new architecture and technique are widely researched. In this thesis, we have researched the highly linear feed-forward predistortion power amplifier(PA) using feedforward loop, 3-way Doherty PA, highly efficient H-EER(hybrid envelope elimination and restoration)/ET(envelope tracking) transmitter, and envelope tracking 3-stage Doherty PA.The conventional feedforward PA and the proposed predistortion PA using the feedforward loop have been analyzed and compared to enhance the efficiency while maintaining the high linearity for the LPA(linear power amplifier). Using the feedforward loop in front of the main PA, the serious losses from the delay line and coupler after the main PA can be eliminated and the overall efficiency and output power can be improved. In addition, the error amplifier's size, which is another efficiency degradation factor of the feedforward PA, can be reduced, too. For the verification, five 90W PEP Doherty PAs have been designed at 2.35-GHz. In the experiment, the ACLRs at 5-MHz and 10-MHz offsets have been improved by about 7.1 dB and 5.1 dB, respectively for the 3GPP forward-link 4-carrier WCDMA signal, and satisfied the system specification successfully. The overall efficiency has been maintained 12.7 % at an average output power of 47.8 dBm, and this is a 2 % improved results compared to the conventional feedforward type LPA.For the medium power HPA(high power amplifier), the highly linear 3-way Doherty PA has been investigated without any extra linearization circuit, which causes the additional fabrication of expenses, overall efficiency reduction, and large size. By adjusting the two peaking PAs' gate biases with uneven input power drive technique, the gm3 and gm5 cancellation can be maximized simultaneously, and the proposed Doherty PA has a superior linearity than any other general HPA. The medium power 3-way Doherty PA has been implemented using the Freescale's 190 W PEP LDMOSFETs. For the 3GPP forward-link 4-carrier WCDMA signal, the Doherty PA has delivered -52.5 dBc and -53.4 dBc of ACLRs at 5-MHz and 10-MHz offsets, respectively, with an acceptable efficiency of 10.2 % at an average output power of 42 dBm at the 12.5 dB backed-off from the 285 W peak power.We have suggested the optimum design method of the highly efficient and linear H-EER transmitter. Because of the nonlinear capacitors, the device model change according to the drain bias and the proper power matching can be realized in a limited Vds region. Accordingly, the PA is designed with maximum efficiency at the average Vds region of the signal's PDF and the PA's output power distribution. For the 3GPP forward-link 1-carrier WCDMA signal, the proposed H-EER transmitter using the optimized PA has shown 2.5 dB and 4 % of improvement in output power and PAE, respectively, while maintaining the linearity. For the wide-band and efficient operation of the bias modulator, the hybrid-switching amplifiers with HPF feedback circuit and multi-level DC-DC converter have been proposed. Furthermore, to suppress the memory effect of the high power PA under H-EER operation, the bias modulator as a short circuit at `f2-f1' component and the optimum combining method has been investigated. The implemented bias modulator has been maintain 71.5 % of average efficiency for the 802.16e Mobile WiMAX signal with 8.5 dB peak to average power ratio(PAPR).To further improve the efficiency of the H-EER transmitter, we have researched the optimum envelope shaping method, resulting in ET transmitter. Through the ADS simulation, we have figured out that the ET transmitter can deliver the improved performances compared to the H-EER transmitter. By employing the ET technique, the PA can be avoided from the nonlinear behaviors such as gain compression and serious phase distortion in the knee region. Moreover, the PA can deliver the high output power at the whole input range, increasing the power gain. For the experiment, the ET transmitter has been recorded 40 % of high PAE at an average output power of 42.04 dBm with -33.6 dB of RCE, after linearzation. These results are superior to the H-EER transmitter.We have analyzed the operation principle and suggested the optimized design of the 3-stage Doherty PA and a new 3-stage Doherty PA with ET technique. Among the various Doherty architecture, it is verified that the 3-stage Doherty PA has the highest efficiency versus output power level. To achieve the proper load modulation, the gate bias adaptation using envelope tracking technique has been applied to the two peaking PAs. It is clearly shown that the new 3-stage Doherty architecture is very suitable for the GaN HEMT power device by eliminating the problem of the carrier PA's saturated operation of the previously reported 3-stage Doherty PA. In the experiment of the envelope tracking 3-stage Doherty PA for the 802.16e Mobile WiMAX signal with 8.5 dB PAPR, 52.14 % and 55.46 % of high PAE and DE have been obtained at an average output power of 36.85 dBm(7.7 dB backed-off from the peak output power) while maintaining the good RCE of -37.23 dB. For the new 3-stage Doherty PA, the unit PA has been designed using Cree's 45W PEP GaN HEMT device at 2.655-GHz. The implemented new 3-stage Doherty PA delivers an excellent efficiency of 56.7 % at an average output power of 43.3 dBm(7.2 dB backed-off from the peak output power) for the WiMAX signal with 7.8 dB PAPR, which is the best performance for the 802.16e Mobile WiMAX signal ever reported.The highly efficient PAs and linearization techniques presented in this dissertation have been analyzed and designed based on the new ideas. It is demonstrated that the proposed techniques have led to the better performance PAs than the conventional techniques. The experimental results support the superiorities of the proposed techniques.