무선 시스템용 RF 전력증폭기의 효율 및 선형성 개선에 관한 연구

Abstract

무선통신시스템이 발달하면서 송신단의 주요 부품인 전력 증폭기의 증폭 효율성 및 선형성 향상에 관한 수요가 급격히 늘어나고 있다. 특히 기지국용 전력 증폭기는 단말기 대비 매우 큰 전력 신호를 증폭해야 하며 운영 비용 측면에서도 증폭 효율은 중요한 요소로 여겨진다. 또한 무선충전에 대한 수요가 늘어나고 전자기파 방식의 무선 전력 전송 기술이 개발됨에 따라 큰 전력을 전송할 수 있는 매우 효율적인 하이브리드 형태의 전력 증폭기에 대한 기술 요구가 증대되고 있다. 구체적으로 이 학위 논문에서는 선형적이고 효율적인 전력 증폭기의 설계를 위해 Doherty 구조를 적용하고, IMD 성분의 자체 상쇄가 가능한 것을 이용하여 소형 기지국용 전력 증폭기 디자인 방법을 제안했다. 그리고 기존 Doherty 구조가 증폭 효율에 중요한 영향을 미치는 2차 고조파 정합을 고려하지 않았으므로, 2차 고조파 부정합을 교정할 수 있는 교정 회로 구조를 제안한다. 또한 Outphasing을 적용하여 증폭 효율 및 선형성을 동시에 얻을 수 있는 무선통신용 LINC 전력 증폭기에 대한 디자인 방법을 시뮬레이션 수준에서 검증하여 기존 Doherty 구조가 내재하고 있는 문제점을 해결할 수 있는 하나의 방법을 제시하였다. 무선전력전송용 높은 효율의 PA 설계에 대해서는 기본파 및 2차 고조파의 정합회로를 독립적으로 운용하여 정합의 정확성을 높여 'saturated PA'를 구현하고 증폭 효율을 극대화 하는 방법을 제안하였다. 소형 기지국은 운영 효율이 높으며 음영지역 및 데이터 전송 경로를 분산시켜 전체 시스템의 효율을 높일 수 있는 기술로 인정받고 있다. 2장에서는 Triquint 사의 GaN MMIC process를 사용하여 소형 기지국용 전력증폭기에 적합한 설계 방법을 제시하였다. 비교적 송신 파워가 작은 소형 기지국에는 DPD를 적용할 경우 운영에 필요한 전력 소모가 크기 때문에, Doherty구조를 적용하여 백오프 영역에서의 효율을 극대화 하는 동시에 carrier와 peaking에서 발생하는 혼변조 왜곡성분이 위상차에 의해 서로 상쇄되도록 하여 원하는 출력 전력에서 DPD를 적용하지 않고 높은 증폭 효율과 선형성을 확보할 수 있었다. 또한 Chip 크기를 줄이기 위하여 정합 회로 구성에서 상대적으로 크기가 큰 인덕터를 병렬 병합하여 필요한 인덕턴스 크기를 줄이는 동시에 전체 인덕터 수를 줄일 수 있는 구조도 내포되었다. 3장에서는 Doherty 구조의 개선을 위해 2차 고조파 정합 교정 회로를 제안했다. 기존의 Doherty 구조는 기본파 성분의 관점에서 설계가 되었기 때문에, 'saturated PA' 형태로 설계된 carrier cell의 2차 고조파 성분의 임피던스 부정합이 발생할 수 있다. 이를 교정하여 최대의 증폭 효율을 이끌어내기 위해 Doherty 구조의 오프셋 라인에 간편하게 적용 가능한 2차 고조파 부정합 교정 회로를 소개했다. 4장에서는 전력 증폭기의 부하변조를 제어할 수 있는 Outphasing LINC 전력 증폭기를 이용하여 기존의 Doherty 구조가 보이는 부하변조 구간에서의 효율감소 문제를 해결함과 동시에 선형성을 확보할 수 있음을 확인했다. 또한 Outphasing LINC는 각 branch cell에서 증폭 효율이 최적인 부하 임피던스 궤적과 실제 발생하는 부하변조 궤적을 일치시킴으로써 넓은 전력 출력 영역에 걸쳐 증폭 효율을 극대화 할 수 있었다. 이는 branch cell이 넓은 전력 출력 영역에서 모두 포화상태의 동작을 할 수 있도록 부하변조를 유도하는 것과 동일하다. 또한 다이내믹 레인지의 극대화 및 전력 출력 백오프 영역에서의 증폭 효율성 증대를 위하여 드레인 인가전압 변환 기법을 제안했다. 마지막으로 5장에서는 무선전력전송용 전력 증폭기에 적합한 정합 회로 구조를 제안했다. 전자기파 전송 방식의 무선 전력 전송 시스템에 쓰이는 전력 증폭기는 매우 효율적이어야 하며 큰 전력을 송신해야 하므로 하이브리드 형태가 적합하다. 또한 기존의 이동통신용 주파수와의 혼선을 피하기 위해 ISM band를 사용하며, 시스템의 크기를 고려하여 5.8 GHz 대역의 연구가 많이 이루어지고 있다. 높은 대역의 주파수를 사용해야 하므로 전송선을 사용한 정합의 정확성이 강조된다. 증폭 효율이 뛰어난 전력 증폭기는 'saturated PA' 구조로 설계 되어야 하는데, 이는 기본파와 2차 고조파 성분 주파수에서 정확한 정합이 이루어져야 한다. 하지만 기존의 정합 회로구조는 기본파와 2차 고조파 주파수에 대한 정합 회로에 공유되는 부분이 있어 정확한 매칭을 위한 튜닝이 어려우므로, 이에 기본파 및 2차 고조파 성분에 대해 독립적인 부하 임피던스를 설정할 수 있는 회로를 제안하고 전력 증폭기의 증폭 효율을 극대화했다.

The wireless system has been evolved for the two major streams; wireless communication system and wireless power transfer system. For the wireless communication system, various modulation schemes are used to efficiently utilize the precious spectrum, leading to high peak to average power ratio signals. Power amplifier for the wireless communication system should be able to amplify those signals efficiently and linearly to reduce operation cost and adjacent band interference, respectively. In this thesis, a design method of linear and efficient Doherty power amplifier is suggested using a cancellation of inter-modulation terms of the carrier and peaking amplifiers. Also, the amplifying efficiency of Doherty power amplifier can be increased near the back-off output power level by correcting distorted second harmonic matching impedance of the carrier amplifier. To do this, a second harmonic correction circuit is employed. An outphasing amplifier which can achieve high efficiency and high linearity simultaneously by controlling the load modulation is introduced at a simulation level. For the wireless power transfer system, a design process of highly efficient power amplifier which can independently tune the matching circuits of fundamental and 2nd harmonic frequencies is presented to achieve precise impedance matchings for high efficiency. For the wireless power transfer system, power amplifier is a hybrid type to accommodate the large power.

First, a linear and efficient Doherty power amplifier for wireless communication system is designed for a small cell base station and realized with GaN MMIC process. The small cell base station is regarded as solutions to resolve the problem of radio shadow area and distribute heavy data traffic. The power amplifier for the small cell base station deals with relatively small power so that applying digital pre-distortion circuit to linearize the amplifier is burdensome due to increasing operating cost. Instead of using the digital pre-distortion technique, an inter-modulation cancellation technique by controlling bias condition is employed. The carrier and peaking amplifiers have a 2-stage structure to assure a high gain and the biases of the drive carrier, drive peaking, main carrier and main peaking amplifiers are controlled for high linearity. Also, the area of the matching circuit is minimized by inductor combining matching circuit design.

Second, an 2nd harmonic impedance correction circuit in Doherty power amplifier is suggested to maximize the amplifying efficiency of the carrier power amplifier. The carrier amplifier based on the saturated amplifier is ideally designed with a tuned impedance point for the 2nd harmonic frequency. However, a perfect 2nd harmonic match in the carrier amplifier is not maintained, reducing the efficiency.To maintain the maximum efficiency of the carrier amplifier, the 2nd harmonic impedance correction circuit is designed for the carrier amplifiers. With this condition, the 2nd harmonic matching impedance should not be changed with the load modulation.

Third, an outphasing power amplifier which consists of two highly saturated amplifiers is developed at a simulation level. The outphasing amplifier can control the load modulation trajectory more precise way, the achieving high efficiency over wide output dynamic range by implementing the Chireix combiner. Thus, the outphasing amplifier prevents the efficiency degrading problem of Doherty power amplifier during load modulation. Furthermore, the output power dynamic range of this outphasing amplifier, which can efficiently amplify, can be extended by switching the drain bias in accordance with the signal envelope. With the proper input signal coding, the outphasing amplifier can restore the output to linearly amplified original signal in time domain, leading to high linearity even though each segment amplifier is nonlinear.

Lastly, highly efficient power amplifier is designed to target to a wireless power transfer system that should be highly efficient and hybrid type to accommodate a high power. Also, the carrier frequency has to avoid the existing wireless communication frequency band to prevent communication interference. Therefore, ISM bands are the designated to the wireless power transfer system. 5.8 GHz is very popular for the application due to the small size for the amplifier. Precise second harmonic impedance matching, in addition to the fundamental matching, is necessary to realize the saturated power amplifier known to be the most efficient amplifier in radio frequency band. The conventional impedance matching circuit structure is mutually dependent on the matching parts at the two frequencies and it is difficult to achieve precise matching at the high frequency. To realize the saturated power amplifier at the high frequency in hybrid type power amplifier, an independent matching circuit structure for the two frequencies is suggested to tune the amplifier in experiment stage.