IMS2008 및 RFIC2008 학회 보고서

글 : 김장헌 / 초고주파회로연구실포항공과대학교 / rage3k@gmail.comIMS 2008과 RFIC 2008 소개 및 분석 연구 개요IMS 2008과 RFIC 2008 소개IMS2008은 IEEE가 주관하는 학회로서 정기적으로 매년 6월에 마이크로웨이브 위크로 지정하여 미국에서 개최되고 있으며, 올해는 미국 조지아주의 애틀랜타에서 4일간의 테크니컬 세션과 3일간의 워크숍으로 총 6일간의 일정으로 개최됐다. 특히, 초고주파 집적회로 분야는 RFIC 2008로 명명되어 양일간 학회가 진행되었고, 이 학회는 IMS2008과 분리된 학회로 IMS 2008을 보좌하는 형태로 진행되었다. 학회는 크게 워크숍과 테크니컬 세션으로 진행되고, 워크숍은 일요일과 월요일, 그리고 마지막 날인 금요일로 3일간 진행되었다. 본 학회에서는 크게 HF, VHF, UHF 주파수 대역, 그리고 상용 통신 주파수 대역과 더 나아가 마이크로파와 밀리미터파 대역에 이용되는 능동회로 분야 및 필터와 고주파 물성인 페라이트와 같은 수동 또는 수동회로 분야 그리고 위상배열 또는 스마트 안테나와 같은 안테나 분야 등과 같이 기존에 잘 알려진 초고주파 분야에 걸쳐 폭넓은 토론의 장이 마련되었다. 특히 앞선 분야 이외에도 RF 센서 및 메디컬 애플리케이션 분야와 같은 기존의 초고주파 지식을 이용한 응용 분야에 걸쳐서도 다양한 분야가 소개되고 토론이 이루어졌다. 특히, 중요하게 다루어진 분야들은 ‘고급 PLL 아키텍처’ ‘온칩 측정 보정 및 필터링 기술’ ‘RF SoC 주변기기와의 상호작용과 초기 설계 단계에서의 연결효과를 집중하기 위한 요구’ 등의워크숍과 테크니컬 세션들로 이루어진 임베디드 시스템 SoC 분야이다. 그리고 마이크로파와 밀리미터파 애플리케이션 분야는 ‘광대역 밀리미터파 애플리케이션을 위한 회로 설계의 진보’ ‘밀리미터파 전력앰프 기술: 전력, 선형성 및 효율’ ‘밀리미터파의 상업적 애플리케이션을 위한 CMOS/SiGe 기반 시스템’ ‘마이크로파 페라이트 소재와 애플리케이션의 발전’ 등의 워크숍과 구두 발표들로 구성되었다. 또한, 최근 관심이 모아지고 있는 메타물질(metamaterials) 분야는 ‘3D 메타물질: 이론, 구조, 기술 및 장비’를 주제로 한 워크숍과 ‘메타물질의 이론과 애플리케이션’으로 구두 발표가 구성되어 활발한 의견 교환이 이루어 졌으며, 앞서 언급한 메디컬 애플리케이션 분야도 ‘RF와 마이크로파의 메디컬 애플리케이션’ 및 ‘바이오메디컬 애플리케이션을 위한 향상된 CMOS 기반 시스템’의 2개 워크숍, 그리고 수요일 ‘무선 메디컬 기술’의 패널 세션으로 구성되어 RF 혹은 마이크로파 분야가 메디컬 애플리케이션 분야에서도 비중이 늘어나고 있음을 확인시켜 주었다.특히 올해 10,000명 이상의 무수히 많은 초고주파 연구자들과 400개의 전시 회사들로 성대한 학술의 장이 마련되어 성공적인 학회가 되었다.분석 연구 개요이동 통신 분야와 관련이 깊은 초고주파 분야는 능동 회로 분야의 전력증폭기와 안테나 분야라 할 수 있다. 최근의 통신 시스템은 음성 신호의 전송뿐만 아니라 멀티미디어 통신이 주를 이루기 때문에 데이터율을 높이는 데 있어서는 WCDMA 혹은 최근 국내에 이슈화 되고 있는 OFDMA 기반의 WiMAX 통신 방식이 주를 이루게 된다. 이와 같은 통신 시스템들의 신호는 대체로 복잡하고 넓은 주파수 대역을 요구하게 되며, 이 때 변조된 복잡한 신호를 왜곡 없이 깨끗하게 증폭할 뿐만 아니라 원하는 출력으로 전송하기 위해서는 선형 전력증폭기를 요구하게 된다. 전력증폭기 자체는 초고주파 시스템 중에서 비선형 동작을 하는 부분인 동시에 대체로 낮은 효율 특성을 갖는 부분이기도 하다. 전력증폭기의 낮은 효율 특성은 고주파 회로에 발열 현상을 야기하며, 이를 줄이기 위해서는 시스템의 사이즈 및 쿨링 시스템과 같은 부가적인 장치들이 시스템에 추가적으로 요구된다. 이러한 문제점으로부터 전력증폭기의 고효율화가 요구되며, 고효율화는 시스템의 전체적인 사이즈 및 부가적으로 수반되는 여러 장치를 줄일 수가 있고 더 나아가 전체적인 시스템 단가를 낮출 수 있게 된다. 결과적으로, 고효율화를 통해 통신 시스템의 경쟁력을 높일 수 있기 때문에 최근 이동 통신 전력증폭기의 고효율화 연구가 활발히 진행되고 있는 것이다.이 학회에서는 최근 이슈화 되고 있는 전력증폭기 분야 중에서 고효율화에 대해 상세히 다루고 있으며, 크게 3가지 워크숍과 4가지 테크니컬 세션 그리고 포스터 세션으로 되어 있다. 이 컨퍼런스 리포트에서는 학회에서 이루어진 전력증폭기의 고효율화를 위한 워크숍의 내용 중에서 최근 대두되고 있는 핵심 기술에 대해 소개 및 분석하고, 발표된 테크니컬 세션의 여러 가지 기술들에 대하여 정리와 고찰을 통해 2008년도 IMS 및 RFIC를 정리해 보고자 한다.워크숍 세션매년 IMS와 RFIC 학회는 그 해의 주된 연구 내용을 다루고 있음을 알 수 있다. 2~3년 전에는 도허티 전력증폭기 기술을 통한 전력증폭기의 고효율화를 꾀하였으나, 작년부터 전력증폭기의 바이어스를 입력 레벨에 따라서 변화시켜 주는 개념이 주를 이루었다. 이러한 개념들은 전력증폭기 자체의 고효율화를 이용하면서 시스템 측면에서 전체적인 송신 시스템의 구조를 변화시켜 나가고 있다. 통신 시스템이 복잡하고 신호의 최대전력 대 평균 전력비(PAPR)가 커지면서 최대 전력에서의 동작보다는 평균 전력에서의 동작이 많아지고, 이에 따라 평균 전력에서의 낮은 효율 특성을 주로 이용하게 된다. 따라서 최대 전력에서 나타나는 고효율 특성을 유지하면서 현재의 통신 신호를 가능한 한 선형적으로 증폭시키고자 하는 요구가 동기가 되어, 전력증폭기를 바이어스 변화를 통해 고효율 특성을 유지하면서도 출력 전력은 바이어스 변화에 비례하여 생성되게 된다. 이러한 송신 구조는 대표적으로 엔벨로프 제거와 복구(EER), 엔벨로프 트래킹(ET), 그리고 자기 변조기의 명칭으로 개발되고 있다. 올해의 워크숍에서는 위와 같은 송신 구조 측면에서의 접근과 그러한 송신 구조에 적합한 고효율 전력증폭기의 접근에 대하여 집중적으로 발표되었다. 이 장에서는 고효율 전력증폭기의 기술에 대한 워크숍 내용과 이를 이용 가능한 전력 송신 구조에 대하여 차례대로 소개할 예정이며, 더불어 이러한 송신 구조의 선형성을 향상시키기 위한 선형성 증가 기술에 대해서 간단히 살펴볼 예정이다.알 네그라의 발표, 스위칭 모드 전력증폭기 설계의 최근의 발전예전부터 스위칭 모드 전력증폭기는 클래스-E 혹은 클래스-D의 형태로 잘 알려져 왔으나[1] [2] 고주파 대역으로 전력증폭기의 동작 주파수가 올라가면서 기생 성분이 늘어나게 되었다. 이에 따라 스위칭 동작하는 전력증폭기를 설계하기가 매우 어려워지면서 설계 자체가 큰 이슈가 되었다. 참고 논문 [3]에서는 고주파 영역에서 스위칭 동작을 원활하게 하기 위하여 기생 성분을 보상하기 위한 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 출력 단에 위치하여 스위칭 동작을 원활하게 했다. 뿐만 아니라, 스위칭 동작을 위해서는 고차항의 고조파 성분(high-order harmonic contents)까지 필요로 하기 때문에 출력 매칭 회로를 고차항의 고조파 성분에 높은 임피던스를 갖게 함으로써 스위칭 동작과 유사하게끔 클래스-E를 동작시켰다. 올해 IMS에서 네그라에 의해 발표된 스위칭 모드 전력증폭기는 1GHz 동작 주파수로 인버스 클래스-F와 클래스-E 형태 2가지로 발표됐다. 두 가지 형태로 동작하는 전력증폭기들은 모두 고차항의 고조파 성분 설계보다는 2차와 3차의 고조파 성분만을 가지고 설계된 형태이다. 앞선 참고 논문 [3]과의 다른 점은, 1GHz의 동작 주파수는 동일하나 3차까지의 고조파 성분 제어뿐만 아니라 설계를 위하여 스위치 기반 트랜지스터 모델을 스위칭 영역이 많이 이루어지는 핀치 오프 영역 혹은 3극 진공관 영역에 대하여(FET계열의 소자 경우) 고유의 요소들과 외부의 기생 요소들을 포함하여 직접 설계 전에 수행하였으며, GaN HEMT 소자를 사용하여 설계했기 때문에 예전에 발표된 LDMOS 보다 출력 단의 임피던스가 높다는 장점을 이용하여 Cds의 보상 회로 없이 직접 설계가 가능했다는 점이다.특히 이번 발표에서 특이한 점은 그림 1과 같이 실험적으로 고효율 전력증폭기 설계에 있어서 각 고조파 성분과 기본 성분 주파수에 대한 로드 풀링 시스템을 갖추어 각각의 주파수 성분에 대한 임피던스를 추출하여 출력 전력은 높고, 효율이 가능한 높은 포인트에 출력과 입력 매칭을 가지도록 설계함으로써 보다 시뮬레이션에 의존된 설계에서 벗어나 실험적으로 효과적인 접근을 이루었다는 점이다. 2가지 전력증폭기의 효율은 대략 78% 이상의 전력 부가 효율(PAE)로 고효율 특성을 보여주고 있었고, 수행된 설계 자료들은 3가지 측면으로 나누어 살펴 볼 수 있다. 먼저, 고효율 전력증폭기 설계를 위해서 간단한 소자 모델링을 통해 시뮬레이션 환경에서는 클래스-E 혹은 인버스 클래스-F 형태(인버스 클래스-F 형태의 전력증폭기는 2.5절에서 분석될 것이다)의 설계가 가능한데, 이 때 수행된 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 매우 유사하기 때문에 고효율 전력증폭기를 위한 매우 효과적인 모델링 기법에 대해 소개했다. 또한 실험적 접근 방법으로 고효율 전력증폭기 설계를 위해 임피던스들을 추출하여 매우 효과적으로 접근했다. 마지막으로는 앞선 2가지 효과적인 방법을 통하여 고효율 전력증폭기를 설계함에 있어서 기존의 클래스-E 혹은 인버스 클래스-F 전력증폭기들의 설계를 위한 복잡도를 감소시켰다는 데 큰 의미를 둘 수 있다. 하지만 설계된 고효율 전력증폭기는 1GHz로 통신 시스템의 애플리케이션이 없다는 단점과 함께 전력 송신기 입장에서 고찰해 봤을 때 입력 신호에 상응하는 드레인 바이어스를 변화시킴으로써 변화되는 효율 특성에 대한 고찰이 없다는 점은 아쉬움으로 남았다.조야 포포빅 교수의 발표, UHF에서 X-밴드로의 클래스 E 증폭기 설계와 선형화조야 포포빅 교수에 의해 발표된 는 제목에서도 알 수 있듯이 UHF 밴드(174~216MHz)에서부터 800MHz 셀 핸드셋 전력증폭기(PA) 애플리케이션, 그리고 X-밴드(8~12GHz)에 대한 다양한 클래스-E 설계 예들을 보여주고 있으며, EDGE 애플리케이션에 대한 자기 변조 결과 그리고 디지털 전치왜곡(DPD) 선형화 기술을 이용한 클래스-E PA의 선형화 결과에 대하여 발표하였다. 먼저 클래스-E는 참고 논문들에서 잘 알려진 이론적인 내용에 대한 접근부터 시작하여 [1] [2] 실제 X-밴드와 800MHz를 동작 주파수에 대한 실질적인 설계 접근 방법에 대하여 고찰하였다. 두 가지 애플리케이션에 대해서는 트라이퀸트사의 GaAs HFET(TGF-4240)의 베어 칩을 직접 마운트하여 설계되었기 때문에 패키지된 제품군에서 발생되는 기생 성분들을 최소화 하였다. 주된 설계는 로드 풀 기반 설계 방법을 통해 수행되는데 로드 풀에 의해 찾게 되는 임피던스는 펀더멘탈 성분에 대한 것이며, 오픈과 쇼트가 각각의 고주파에 대하여 이루어 질 수 있도록 프리 매칭을 로드 풀링 장비들 앞에 미리 준비하여 설계하는 방식을 취하게 되었다. 이렇게 로드 풀 기반 설계를 통해 설계된 PA는 최대 64%의 PAE 성능을 발표하였으며, 드레인 전압에 따른 효율 특성이 1.5V~3.5V까지 동일한 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 특징은 입력 신호 레벨에 대하여 드레인 전압이 변화하는 바이어스 변조가 일어날 경우에 있어서 효율이 일정한 고효율 특성을 유지함을 나타내고, 자기 변조기에 적용하기에 적합함을 확인할 수 있었다. 이때 자기 변조 구성은 크기와 위상이 주어지는 변조 신호에 대하여 크기 성분은 바이어스 쪽에 인가하고, 위상 성분은 캐리어 주파수와 곱해져서 RF 입력 신호로 전력증폭기에 인가되는 방법을 의미하며, EER의 개념과 동일시하여 사용된다. 그림 2는 상기 설명된 자기 변조기를 나타낸 그림이다. 자기 변조기의 효율을 높이기 위해서는 전력증폭기가 앞선 고찰과 같이 고효율 특성과 함께 바이어스에 따라서 대체로 최대 효율을 유지하여야 하고, 신호의 크기를 적절하게 증폭하여 바이어스에 인가시켜 주기 위한 바이어스 변조기 혹은 엔벨로프 트랙커가 고효율 특성 및 고선형성, 광대역 특성을 요구하게 된다. 그림 3은 이번 발표에서 선보인 엔벨로프 트랙커이다. 엔벨로프 트랙커는 입력 크기 신호에 PWM을 취하게 되어, 즉 낮은 입력 신호 레벨에 대해서는 펄스의 폭이 작고, 큰 입력 신호 레벨에 대해서는 펄스의 폭을 크게 만들어서 벅과 같은 전력 스위치에 신호가 인가되게 된다. 또, 엔벨로프 트랙커는 DC-DC 컨버터의 고효율 특성을 이용하게 되며, 증폭된 펄스 신호는 엔벨로프 트랙커 뒷단의 로우패스필터에 의해 원래 입력 신호의 크기를 복원할 수 있게 된다. 이때 DC-DC 벅 컨버터는 스위칭 속도가 빨라야 입력 신호의 크기 신호를 제대로 복원시킬 수 있다.이 발표에서는 이중 위상 PWM을 사용하여 스피드는 fsw=4.33MHz의 높은 스위칭 스피드를 보이며, 200KHz와 같은 낮은 BW의 EDGE 신호에 대하여 자기 변조기를 적용하였다. 측정된 자기 변조기는 전체 56%의 효율 특성을 보였으며 엔벨로프 트랙커의 효율은 79%의 고효율 특성과 71%의 RF 전력증폭기의 특성의 곱으로 표현됨을 쉽게 확인할 수 있었다. 추가적으로 Si LDMOS, Sic MESFET, GaN/SiC HEMT, GaN on Si, GaAS와 같은 여러 가지 종류의 소자에 대해서도 UHF 밴드에서 고효율 특성을 선보였으며 이와 같은 낮은 주파수에 대한 설계 결과는 기생 성분의 영향을 충분히 줄일 수 있다면 고효율 특성을 얻을 수 있음을 검증하였다. 이렇게 적용된 고효율 전력증폭기 혹은 자기 변조기는 대체로 고효율 특성에 관심이 집중되기 때문에 선형성이 나쁜 것이 일반적인 특성이거나 고려 대상이 아니었다. 실제로 자기 변조기의 경우에는 위상 성분만이 있는 상수 엔벨로프 신호를 전력증폭기에서 증폭시키기 때문에 선형성에 대해서는 신호의 크기 신호를 담당하는 바이어스 변조기에 비례하여 나타나게 된다. 그러나 전력증폭기의 경우 낮은 바이어스 전압에 따라 위상의 변화가 심하게 나타나는 현상으로부터 자기 변조기 전체적인 경우에 선형성이 나쁘게 나타나게 된다. 이러한 비선형성을 극복하기 위하여 DPD 라는 기법을 베이스밴드 신호 대역에서 적용하게 된다. 즉, 전력증폭기 비선형성 특성 신호를 검출하여 베이스밴드에서 원래의 소스 신호와 비교함으로써 전력증폭기의 인버스 특성을 추출하게 되고, 그 특성을 기존의 소스 신호에 적용하여 소스 신호를 전력증폭기의 인버스 함수가 적용된 신호로 바꾸어 자기 변조기의 경우 바이어스 변조기와 RF 입력으로 인가하게 된다. 이렇게 전력증폭기에 인가된 신호의 전력증폭기의 비선형성과 서로 상쇄되는 효과로부터 전력증폭기의 선형성을 높이게 된다. 이 발표에서 사용된 DPD 기술은 비선형성을 다항식 함수로 표현하여 역함수를 만들어주는 기법을 이용하였으며, 클래스-E 타입의 전력증폭기에 대한 4MHz MSK 신호에 대하여 4dB의 대역 외 감소를 보여주었다.이 발표에서 보여준 고효율 전력증폭기 설계 방법과 전력증폭기들의 특성에 대한 고찰 그리고 자기 변조기 성능들은 비교적 좁은 대역에서 동작하지만 고효율화 적용 가능성과 자기 변조기 전체 시스템을 구축하여 성능을 보여준 것에 대해서는 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 하지만 전체적으로 아직 선형성이 핸드셋과 같은 단말 시스템 환경에 이용하기는 부족하며, 자기 변조기 전체 시스템을 이루는 데 있어서 기존의 전력증폭기 하나만을 이용하여 적용된 단말 시스템보다는 고효율 장점 대비 복잡도가 증가하는 단점은 앞으로 더 많은 연구가 이루어져야 함을 알 수 있다.제이 스티븐슨 케니의 발표, 자기 트랜스미터 구조의 선형화입력 레벨에 대하여 전력증폭기의 바이어스를 변화시키는 방법은 앞서 소개된 자기 변조기 또는 EER 그리고 ET의 형태로 나뉘어 고려될 수 있다. 특히 자기 변조기 구조와 EER 구조는 유사하며, ET 구조와는 차이점을 가지고 있다. 가장 큰 차이점은 전력증폭기의 입력을 일정한 엔벨로프의 형태로 인가해 주는 EER 그리고 기존의 변조 신호를 직접 입력으로 가지는 ET로 나눌 수 있다. 이에 따라 전력증폭기 형태도 EER은 포화 PA를 주로 사용하게 되고, ET는 클래스-AB와 같은 보다 선형적인 전력증폭기 형태를 주로 사용하게 된다. 이때 EER은 변조 신호의 위상 성분을 캐리어를 실어서 입력에 인가하기 때문에 기존의 변조 신호의 대역폭보다 3배 이상 큰 대역폭을 가지는 단점이 있다. 때문에 ET 구조보다 바이어스로 인가되는 크기 신호와 RF 패스(path)와의 딜레이를 맞추어 주는 게 중요하다. 이러한 구조들의 비선형성이 발생되는 현상은 기존의 전력증폭기보다 매우 복잡하고 서로의 효과가 유기적으로 연관성을 띠게 된다. 이 발표에서는 이러한 비선형 특성의 원인을 고찰해 보았다. EER 혹은 ET의 비선형성의 주된 원인으로는 크게 다음과 같은 6가지 현상으로 설명할 수 있게 된다. 첫째, 위와 같은 구조에서 크기와 위상 혹은 변조 신호의 패스로 신호 전달 패스가 둘로 나뉘어 지기 때문에 이 패스들의 딜레이 혹은 대역폭이 큰 경우 그룹 딜레이를 정확히 맞추어 주는 게 소개된 송신 구조에서는 무엇보다도 중요하다. 둘째, 바이어스 변조기, 엔벨로프 트랙커, 그리고 엔벨로프 증폭기로 표현되는 입력 전력 레벨에 따른 바이어스 증폭 회로의 선형적 특성이 중요하다. 또한 광 대역 특성을 갖는 신호들이 요즘 통신 신호에 대해서 많이 나타나기 때문에 이러한 변조 신호의 대역폭보다 최소 2배 이상의 대역폭에 대하여 선형적으로 동작하도록 설계되어야 한다. 셋째, 바이어스의 변화를 Vds로 표현하고 진폭을 AM으로 표현한다면 Vds-to-AM, 즉 바이어스 변화에 따른 전력증폭기 후단의 크기 변화가 하나의 비선형 요소가 된다. 넷째, AM 비선형 요소뿐만 아니라 Vds-to-PM, 즉 바이어스 변화에 따른 위상 변화도 중요한 비선형 요소가 된다. 다섯째, 전력증폭기의 입력에 따른 AM 혹은 PM 변화도 비선형성을 유발 시키는 요소이다. 마지막으로 여섯째, 광 대역 특성 혹은 전력증폭기의 온도 변화와 그에 따른 전력증폭기 구조체의 피드백 특성으로 인한 전자적 또는 온도 메모리 효과 현상이 송신 구조에 나타나게 된다. 이러한 메모리 효과는 현재 순간의 바이어스 혹은 RF 입력에 따른 위의 비선형 효과가 나타날 뿐만 아니라 대역폭이 넓어지거나 혹은 온도 변화에 따른 구조체와의 피드백의 형성으로 인하여 이전 시간의 비선형 요소들이 서로 결합되어 나타나는 복잡한 비선형 구조를 뜻하게 된다. 이러한 비선형 요소들이 기존의 전력증폭기의 입력 전력 레벨에 따른 단순한 비선형 특성을 만들 뿐 아니라 바이어스와의 결합에 의해서 보다 복잡한 특성을 나타내게 된다. 이러한 비선형성의 선형화는 단순한 RF 입력으로의 역함수를 취해주는 방법뿐만 아니라 Vds-to-AM 혹은 Vds-to-PM의 비선형 특성을 개선하기 위하여 바이어스의 입력에도 변형된 입력 크기 신호의 인가가 요구된다. 그림 4는 이번 발표에서 제안하는 EER 트랜스미터 구조를 나타내고 있다. 제안된 구조에서는 바이어스에 따른 비선형 효과를 줄이고자 바이어스의 입력 단에 한정된 임펄스 응답(FIR) 필터를 삽입하여 바이어스 변조기의 주파수 응답을 늘임과 동시에 더 높은 베이스밴드 주파수에서 발생되는 이득 변화 그리고 그룹 딜레이 미스매치를 줄이는 효과를 가져왔다. 이렇듯 소개된 고효율 송신 구조는 고효율 특성을 갖는 우수한 장점을 가지고 있는 데 반하여 바이어스 변조 쪽으로부터 선형적 동작을 얻기 위하여 광대역, 높은 선형성, 그리고 보다 높은 효율을 갖도록 설계되어야 하며 RF 전력증폭기 파트 역시 고효율 특성, 더 나아가 높은 선형성 특성을 기대할 수 있도록 설계되어야 한다. 그러나 두 가지 다른 도메인 상의 딜레이를 맞추기 위한 별도의 검출 회로 또는 알고리즘이 필요할 뿐만 아니라 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 게다가 이와 같은 송신 구조의 선형성을 높이기 위해서는 보다 복잡한 선형화 구조 또한 요구된다.패드헬 엠 그해노우치 교수의 발표, LINC 증폭 시스템에서의 최근 발전LINC(Linear amplification with Nonlinear Components) 송신 구조는 앞선 바이어스를 변화 시키는 구조가 아니라 포화된 PA를 이용하여 효율 특성을 높이고 선형화 증가 기술의 적절한 선형성을 높이기 위한 전력 송신 구조이다. 스위칭 혹은 포화 전력증폭기를 사용한다는 의미에서 앞선 EER 혹은 ET 구조와 뜻을 같이한다고 할 수 있으나 구조는 전혀 다르다. 이 발표에서는 예전의 LINC의 단점을 극복하기 위하여 MM(multi-mode) -LINC 혹은 리버스 MM-LINC구조를 제안하였으며, 이의 장단점을 검토해 보고자 한다. 먼저, LINC 구조는 고효율 특성을 갖는 스위칭 혹은 포화 전력증폭기를 서로 병렬로 연결하여 서로의 전력을 합치는 구조이다. 이 때 전력을 합치는 경우에 있어서 미리 변조 신호를 각각의 전력증폭기에 서로 다른 벡터를 가지도록 그림 5(a)에서 원 신호 Sin으로부터 파란색 선인 에러 신호들이 더해진 S1과 S2로 각각을 변화시켜 전력증폭기에 인가되고, 이 때 전력증폭기의 입력은 변조 신호가 상수 엔벨로프 신호(신호가 원을 따라서 변화함을 뜻함. 즉 위상은 변화하고 크기는 원의 반지름과 같이 같음을 의미함)로 바뀌게 되어 고효율 특성을 유지한 채 전력이 합쳐지게 된다. 게다가 서로 크기는 같고 위상이 반대인 에러 신호에 대해서는 전력을 합칠 때 서로 상쇄되어 원하는 신호만 증폭하게 되는 구조이다. 하지만 단점으로는 낮은 크기의 입력 신호 경우에 있어서도 그림 5(b)와 같이 큰 입력 신호로 증폭하고 전력이 합쳐질 때 낮은 신호 레벨이 나오기 때문에 효율이 많이 떨어진다는 것으로, 연구가 근래에는 활발히 되지 않았으나 패드헬 엠 그해노우치 교수에 의해 새로운 형태의 LINC가 개발되고 그 특성이 검토되고 있다. 제안된 MM-LINC는 그림 6의 (a)와 (b)에서 볼 수 있듯이 2가지 형태로 나뉠 수 있다. 기본 아이디어는 기존의 LINC를 입력 신호의 크기에 따라서 낮은 입력에 대해서 LINC를 쓰는 경우(MM-LINC)와 높은 입력 레벨에 대해서 LINC를 쓰는 경우(리버스 MM-LINC)로 나뉠 수 있으며, LINC로 쓰이지 않는 신호 레벨은 기존에 잘 알려진 균형있는 형태로 전력증폭기의 전력을 결합하게 된다. 이때의 장단점은 두 가지의 LINC의 경우에 있어서 단말 환경의 전력 송신 구조에 쓰일 수 있으며 DPD와 같은 선형성 개선 기술을 적용하지 않고도 수용할 만큼의 선형성 특성을 낼 수 있다는 것이다. 게다가 MM-LINC의 경우 기존의 LINC 보다는 전력 효율을 높일 수 있으나 전력 효율을 중점적으로 높일 때에는 선형성이 감소되는 단점을 가지고 있다. 또 리버스 MM-LINC는 기존의 전력증폭기의 효율과 비슷하지만 보다 나은 선형성 향상 효과를 가지고 온다는 장점이 있다(일반적인 전력증폭기는 높은 신호 레벨에 대하여 비선형 특성이 많이 나타나는데, 높은 영역에 LINC 기법을 이용하였기 때문에 기존의 전력증폭기보다 선형성 향상 효과를 가지고 올 수 있다). 그러나 전반적인 LINC 기법은 기존의 전력증폭기에 비해서 2개의 업 컨버터가 늘어나는 단점을 가지고 있기 때문에 기존의 전력증폭기 대비 효율이 크게 증가하지 않는다면 전체 전력 송신 구조 측면에서 좋은 구조라고 볼 수 없다.스티브 크리프스의 발표, LINC 및 자기전력증폭기 시스템을 위한 최고 전력증폭기 효율성 옵션초고주파 대역의 스위칭 혹은 포화 전력증폭기의 설계는 근래의 전력증폭기 동향 중에서 가장 중요한 부분이며, 고효율 전력증폭기의 아이디어로부터 LINC 혹은 EER/ET 그리고 뒤에 분석 예정된 DSM 기반 자기 변조기와 같은 새로운 전력 송신 구조가 파생 되면서 관심을 끌게 되었다. 앞서 2.1절에서 잠시 검토한 바와 같이 초고주파 대역에서의 스위칭 혹은 포화 동작은 기생 성분에 의한 설계의 어려운 점은 고주파 소자의 기술 개발이 아직 미치지 못하는 한계 때문이다. 이러한 문제점들을 가지고 있지만 회로적인 기술로 고효율 전력증폭기 설계를 위하여 참고 논문 [3], [4]에서는 패키지와 소자의 기생 성분들을 보상하기 위한 보상 회로를 출력 단에 위치하고 그 뒤에 전력 매칭을 통하여 클래스-E, 클래스-F 그리고 인버스 클래스-F 형태의 전력증폭기들을 설계하였다. 클래스-F 형태의 전력증폭기의 경우, 전류 파형은 반 사인곡선의, 그리고 전압 파형은 직각의 파형들을 만들고자 기본 주파수 성분과 가장 가까운 2차와 3차 고조파 성분들을 제어하였다. 전류 반 사인곡선 파형은 대체로 기본 주파수 성분과 짝수 차수의 고조파 성분들로 구성되어 있기 때문에, 2차 고조파 성분에 대해서는 단락과 같은 낮은 임피던스를 갖도록 회로를 구성하였다. 반대로 전압의 직각 파형은 기본 주파수 성분과 홀수 차수의 고조파 성분들로 구성되어 있기 때문에, 3차 고조파 성분에 대해서는 오픈과 같은 높은 임피던스를 갖도록 회로를 구성하였다. 또한 인버스 클래스-F 형태의 전력증폭기는 클래스-F 형태의 전력증폭기 설계와 반대로 2차 고조파 성분에 대해서는 높은 임피던스 그리고 3차 고조파 성분에 대해서는 낮은 임피던스를 갖도록 설계된다. 이때 더욱 높은 차수의 고조파 성분들을 제어하면 더욱 높은 효율을 얻을 수 있으나, 그와 반대로 4차 이상의 고조파를 제어하기는 사실상 어렵고 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 그러나 이러한 모든 설계 방법들은 전력 소자의 전력 용량이 늘어날수록 출력의 Cds 커패시터 값이 늘어나기 때문에(전력소자의 전력을 높이는 방법은 전력 소자 서로를 병렬로 연결하기 때문에 커패시턴스가 늘어남) 보상회로를 만들기 어려울 뿐만 아니라, Cds 뒷단에 고조파 제어를 통한 임피던스가 생성되더라도 Cds 단에서 고조파 주파수 성분에 단락을 만들어 전류 소스 단에서 우리가 원하는 전류 및 전압 파형을 만들기 어렵게 된다. 실제로 고주파수/ 고출력전력증폭기 설계에 있어서 최대 2차까지의 고조파 제어를 하는 것이 경험적으로 가능하다. 이 발표의 스티브 크리프스 역시 이와 같이 2GHz의 고주파수와 100Watt 이상의 높은 출력 전력 소자에 대하여 스위칭 동작을 하는 전력증폭기 설계가 어렵다고 언급하였다. 또한 전력 소자의 무릎 효과(knee effect)로부터 전력 효율은 떨어지기 마련이며(즉, 전압 스윙이‘0’ 레벨부터 동작 하는 게 아니라 일정 전압 이상부터 동작하므로 전력 소모가 무릎 영역에 대하여 일어나게 된다) 최대 전력 또한 이와 같은 현상으로 인해 떨어지게 된다.이 발표에서는 앞선 어려운 문제점들로부터 고효율 전력증폭기를 설계하기 위하여 크게 3가지 방법론을 제시하였다. 먼저, 2차 고조파 제어만을 이룩하여 고효율 전력증폭기를 설계하기 위해서 전압과 전류가 2차 고조파 성분으로부터 만들어 질 수 있는 파형들을 분석하였다. 이와 같은 파형은 앞서 소개된 바와 같이 전압과 전류 파형이 서로 반 사인곡선의 형태로 이루어져야 한다. 그러나 실제 전류가 생성되었을 때 전압 성분이 없고, 전압 성분이 생성되었을 때 전류 성분이 없는 이러한 이상적인 스위칭 동작은 실제 상황에서는 일어날 수가 없다. 전체적인 전압/전류 파형이 45° 위상차가 나는 형태가 되었을 때 어느 정도 설계가 가능하며, 이때의 2차 고조파 성분의 위상차는 90°가 발생하게 된다. 이러한 전압과 전류 파형에 대하여 서로의 위상 차이는 45°이기 때문에 전력 팩터는 cos(45°)가 되고, 이로부터 전력이 1/ 2 만큼 떨어지는 단점을 가지게 되어 효율은 클래스-B 형태의 전력증폭기와 유사한 78.5%를 갖게 된다(이러한 분석은 knee 영역을 포함하지 않았기 때문에 실제로는 더욱 감소된 효율을 갖게 된다). 이때, 출력 전력이 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여 전류 파형을 한쪽으로 기울여서 비대칭 형태로 만드는 방법을 제안했다. 비대칭 형태의 전류 파형은 2차 고조파 성분의 위상이 어느 정도 변화한 상태가 되어서, 상대적인 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분들에 대한 전압과 전류의 위상 차이를 줄여 전력이 떨어지는 단점을 극복할 뿐만 아니라 고효율 특성을 얻도록 하였다. 마지막으로, 입력 단에서 높은 전력 레벨로 전력증폭기에 입력을 드라이브할 경우에 있어서 입력 단의 Cgs의 비선형성으로부터 입력 파형이 비사인곡선적으로 나타나는 방법을 이용하여, 출력에 2차 고조파 성분을 주입하여 출력 단에서의 고조파 종결을 용이하게 함으로써 전압 파형이 원하는 반 사인곡선으로 되는 방법을 앞선 전류 파형을 비대칭하는 방법과 같이 제안했다. 결론적으로, 고효율 전력증폭기를 설계하기 위해 2차 고조파를 제어하는 방법에 대하여 전류 파형 관점에서 2차 고조파 성분들이 출력 단에 많은 양이 나타날 수 있도록 하여 보다 손쉽게 고조파 제어를 할 수 있는 방법을 고찰 및 제안하였다. 이와 같은 방법론들은 실제 전력증폭기 설계 관점에서는 상당히 유용하지만 종래의 전력증폭기 설계 방법과는 다른 방법론으로 접근해야 함을 뜻한다. 이는 기본 주파수 성분의 매칭뿐만 아니라 2차 고조파 성분의 제어 혹은 고조파 종결이 고주파수/고출력을 갖는 고효율 전력증폭기를 설계함에 있어 매우 중요한 사실임을 확인시켜 주었다.버만 킴 교수의 발표, 델타-시그마 변조기(DSM) 기반의 자기 트랜스미터이 발표는 앞선 EER, ET 혹은 자기 변조방식에 델타-시그마 기법을 이용한 단말 환경의 전력 송신기 구조의 새로운 송신 구조 기법에 대한 발표였다. DSM 기법을 이용한 송신 구조는 여러 차례 문헌에 발표되었으나(대표적인 문헌은 T. Hung et. al.,TMTT 2007와 A. Pozsgay et. al., ISSCC 2008) 발표된 송신 구조들은 DSM이 초고주파 대역의 샘플링 주파수를 요구하고 변조기 자체에서 출력 소비가 높다는 단점들을 가진다. 또한 앞서 고찰한 바와 같이 EER, ET혹은 자기 변조 방식의 바이어스 변화에 따른 위상 변화가 심하다는 단점 또한 가진다. 그림 7은 앞선 단점들을 극복하기 위하여 제안된 DSM 기반 자기 트랜스미터를 나타낸다. 단점들을 극복하기 위하여 전력증폭기의 입력은 변조 신호의 위상 성분을 갖는 상수 엔벨로프 신호를 인가하고, 출력의 바이어스 쪽을 DSM으로 변조 신호의 크기 성분을 변화시키고 스위칭 증폭기로 바이어스를 증폭시켜 RF 전력증폭기를 온/오프 시키는 구조를 갖도록 하였다. 최종적으로 전력증폭기에서 나타난 출력은 DSM을 기반으로 하는 신호가 출력 단에 나타나게 되며, 원래의 신호를 복원하기 위하여 최종 단에 필터가 요구된다. 이 때, DSM의 전송 기능은 원래의 기본 주파수 신호에 대해서 LPF 효과와 나머지 노이즈 신호는 HPF 효과의 2가지 성분을 동시에 가지고 있기 때문에 신호 가까운 쪽의 선형성을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 앞서 고찰한 선형화 기법이 요구되지 않으며, 송신 구조 자체로 고효율 특성과 함께 선형성을 만족 시킬 수 있다. 하지만 이와 같은 송신 구조를 이용할 때 중요시해야 할 점은 변조 신호에 대하여 온/오프를 갖는 펄스 형태로 변화시켜 증폭하기 때문에 기본 주파수 성분 외적인 성분도 증폭시켜 주고, 신호를 변화 시킬 때 양자화 노이즈 또한 포함되기 때문에 이와 같은 변조기 효율을 포함시켜 전체 송신 구조의 효율을 구해야 한다는 것이다. 또, 변조기 효율을 높이기 위해서는 양자화 노이즈를 줄이는 게 효과적이므로 온/오프의 2레벨의 접근에서 3레벨로의 접근을 통한 전체 송신 구조의 효율을 증가 시키는 것도 단말 환경의 전력 송신기의 효율을 높이는 데 있어서 고려해 볼 필요가 있다.이 발표에서는 2레벨과 3레벨 구조의 DSM 자기 트랜스미터에 대해 언급했고, 클래스-D와 클래스-F 전력증폭기에 대하여 최적의 송신 구조를 찾기 위한 방법들에 대해 검토했다. 결과적으로 스위칭이 원활히 일어날 수 있도록 Cds 영향이 적은 클래스-F 구조와 3레벨 DSM 형태로 전체 전력 송신기의 가까운 쪽의 선형성을 만족시키면서 ~49%의 고효율 특성을 보여주었다.이러한 구조는 종래의 DSM 구조의 단점들과 바이어스 변화를 목적으로 하는 송신 구조의 단점을 극복하기 위한 새로운 구조를 제시하였고, 이는 특히 멀티모드 동작을 위한 SDR 전력 송신 구조에도 이용 가능한 유연한 송신 구조이다. 그러나 송신 구조 자체의 특성상 높은 샘플링 레이트를 요구하기 때문에 좁은 대역폭을 특성으로 하며, 높은 PAPR 신호에 대해 변조 효율이 낮다는 단점과 송신 구조 최종 단에 필터링을 해야 한다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해서는 변조 신호 자체를 앞서 소개한 멀티 레벨로의 접근 혹은 변조 신호의 피크를 줄이는 CFR 기법을 적용하거나, 최종 출력 단의 필터링 효과를 단말 송신 구조의 듀플렉서로 이용하거나 새로운 형태의 DSM 기법을 개발하여 극복하도록 한다면 충분히 단말 환경의 전력 송신 구조로 적합하다고 할 수 있다.피터 아스벡 교수의 발표, 고효율 기지국 애플리케이션을 위한 엔벨로프 제거, 복구 및 엔벨로프 트래킹 증폭기이 발표는 앞서 소개된 EER/ET 송신 구조의 기지국 시스템에 적용된 실험 결과 및 바이어스 변조기에 대해서 언급되었다. 기지국 전력송신 구조의 전력증폭기들은 30Watt 이상의 높은 최종 출력을 보여주고 있으며, 앞서 소개된 클래스-J와 클래스-E 형태의 전력증폭기들을 사용한 실험 결과들을 보여주었다. 이 발표에서 눈 여겨 볼 사항은 고효율 전력증폭기가 아닌 바이어스 변조기이다. 소개된 바이어스 변조기는 클래스-K라는 명칭으로 KAIST와 다른 명칭으로 MIT에서 먼저 소개되었고, 이를 실제의 전력증폭기에 응용하게 되었다. 그림 8은 바이어스 변조기의 대략의 다이어그램을 보여준다. 바이어스 변조기는 선형 파트와 스위칭 파트 2가지 경우로 나타나게 되며, 변조 신호의 크기 성분은 주로 DC~300kHz까지 85% 신호가 모여 있으며 나머지 부분에 대해서는 15% 신호가 분포하고 있다. 따라서 가까운 주파수 성분, 특히 낮은 주파수 성분으로 인해 스위칭 파트에서 증폭하여 고효율 특성을 얻게 되며, 나머지 고주파 성분에 대해서는 선형 파트에서 증폭을 담당하여 고주파수 바이어스 성분에 대하여 왜곡 없이 증폭을 원활히 시켜 준다는 발상이다. 또 다른 측면으로는 선형 파트를 전압 소스로 생각하고, 스위칭 파트를 전류 소스로 생각하여 변조 신호의 입력 크기 전압은 선형 파트에 의해 증폭이 되고, 공급된 전압에 따른 전류 성분은 스위칭 파트에서 공급하여 DC 전력을 원활하게 공급하는 구조인 셈이다. 이때의 전압 소스는 BW가 크고 대략 50% 정도의 효율 특성을 가지고 있으며, 전류 소스는 낮은 BW 특성을 가지면서 90% 이상의 고효율 특성을 갖게 된다. 최종적으로 바이어스 변조기는 70% 이상의 효율 특성에 70% 이상의 전력증폭기의 효율이 서로 곱해져서 대략 50% 정도의 전체 전력 송신기 효율을 이루게 된다. 그러나 앞서 살펴본 바와 같이 선형화 기법 적용이 필수적이며, 디지털 전치 왜곡 기법을 통하여 기지국의 높은 선형성 스펙 또한 만족시킬 수 있음을 이번 발표에서는 보여주고 있다. 이러한 바이어스 변조기와 전력증폭기 효율 특성들은 여태까지 보여준 성능 중에서 가장 높은 성능으로써 충분히 종래의 10% 이상의 전력 송신 구조를 더욱 높일 수 있는 가능성을 보여주고 있다.테크니컬 세션IMS와 RFIC의 테크니컬 세션에서 발표된 주제들은 앞선 EER 전력 송신 기술에 대한 고찰과 전력증폭기의 선형화를 위한 디지털 전치왜곡 선형화 기술, 그리고 도허티 전력증폭기의 응용 기술에 대한 부분이 주된 내용이었다. 특히 도허티 전력증폭기 기술은 최근 2~3년 동안 기술 개발과 연구 활동이 활발히 이루어지고 있었다. 올해에는 전력 소자 개발 업체인 프리스케일에서 보다 저렴하고 성능이 우수하며, 중계기 및 기지국의 기술 개발자들로 하여금 보다 도허티 전력증폭기 설계를 용이하게 하기 위한 접근들을 보여주었다. 추가적으로 영국의 카디프 대학에서는 고효율 전력증폭기의 설계를 위한 기본 주파수 성분뿐만 아니라 2, 3차 고조파 성분들까지 제어하여 설계 입/출력 임피던스를 찾도록 하는 소스/로드 풀 장비 셋업을 텍트로닉스 회사와 구축하여 선보였다. 이 장에서는 앞서 소개한 카디프 대학과 텍트로닉스사의 실험셋업을 분석함과 동시에 몇 가지 눈 여겨 볼 만한 논문들에 대하여 추가로 분석할 예정이다.T. V. 윌리암스의 발표, 큰 신호 측정의 비교와 검증을 위한 확고한 접근과 P. 라이트의 발표, 81%까지 효율성을 올린 GaN 전력 트랜지스터의 고효율 운영 모드와 12W 출력 전력간략한 셋업을 소개하면 그림 9에서 알 수 있듯이 네트워크 분석기의 개념과 유사하게 입/출력에 기본 주파수 성분과 2, 3차 고조파 성분들의 전력 소스를 준비하고, 이 때 각각의 고조파 소스원의 크기와 위상 성분까지 제어할 수 있도록 하는 장비가 필요하게 된다. 이러한 3포트 장비는 텍트로닉스의 멀티 신호 발생기를 이용하였고, 시현된 전력 소자는 크리사의 40010소자를 이용하였으며, 인버스 클래스-F 전력증폭기 형태를 통해 80% 이상의 고효율 성능을 검증하였다. 상기 소자는 패키지된 전력 소자로 디임베딩을 위한 교정 키트를 따로 준비하여 패키지 성분을 포함하여 고효율 전력증폭기 설계를 위한 기본 주파수 성분에서 3차 고조파 성분까지의 소스 및 로드 임피던스를 찾는 구조로 이루어져 있다. 특히 눈여겨봐야 할 사항은 기존의 로드, 즉 출력 쪽의 고조파 제어뿐만 아니라 소스 쪽의 고조파 제어를 통하여 보다 고효율 특성을 갖도록 설계되었다는 점이다. 이러한 부분은 워크숍의 스티브 크리프스에 의해 소개된 개념을 실제 실험적인 방법을 통해서 소스 임피던스들을 찾고 구현하여 검증되었다는 데 큰 의미가 있다고 할 수 있다.I. 킴의 발표, IEEE 802.16e 모바일 와이맥스 애플리케이션을 위한 고전력 하이브리드 EER 전송기의 엔벨로프 주입 고찰수요일에 이루어진 세션 중에서 한국의 포항공과대학교에서는 이라는 주제로 ‘전력증폭기의 선형화의 진보’ 세션을 시작했다. 이 논문은 앞선 UCSD의 피터 아스벡 교수에 의해 소개된 바이어스 변조기와 유사한 구조를 이용하여 100Watt 급의 전력증폭기에 하이브리드 EER 기술을 적용시키고, 연동 실험을 위한 문제점과 해결책에 대해 언급한 것이다. 먼저 EER 기술은 상수 엔벨로프 신호를 만들어 전력증폭기에 인가되는데, 이러한 신호는 변조 신호의 위상 성분을 취했기 때문에 기본 주파수 성분보다 5배 이상의 높은 대역폭을 갖는다는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 극복해 보고자 전력증폭기의 입력에 원래 변조 신호를 인가하고 대신 입력 드라이브를 통상 사용된 전력증폭기 혹은 ET 전력 송신 구조 보다 많은 양을 통해 전력증폭기가 바이어스의 변화에 따라서 포화 동작을 갖게 하고 이로부터 고효율 특성을 나타내도록 했다. 하지만 전력증폭기의 바이어스를 변화시켜 주는 것은 입력 변조 신호의 크기 주파수인 DC~수십 MHz의 저주파수 대역이다. 바이어스 인가를 원활하게 해주기 위해서는 전력증폭기의 DC 전원을 안정적으로 가져가기 위한 탄탈 커패시터와 같은 높은 용량을 사용하지 못하게 되고 이에 따라서 메모리 효과 및 전력증폭기는 조건부 불안정한 상태가 된다. 이를 해결하고자 바이어스 변조기에서의 DC~수십 MHz의 저주파수 대역 임피던스는 전력증폭기를 안정화 시키고 메모리 효과를 줄일 수 있을 만큼 낮은 임피던스를 필수적으로 요구하게 된다. 또한 바이어스 전압의 변화에 따른 전류 용량도 변화하기 때문에 입력 변조 신호 레벨에 따라서 바이어스 변조기에서의 임피던스도 수시로 변화하고 있다는 것을 뜻하게 된다. 이러한 바이어스 변조기의 로드 임피던스 변화에 따라서도 신호를 선형적으로 변화시킬 수 있는 높은 대역폭을 요구하게 된다(바이어스 측면에서 수십 MHz의 대역폭은 높은 대역폭을 뜻하게 된다). 이러한 문제들은 실제 EER 혹은 ET의 전력 송신 구조를 적용하는 데 있어서 필수적으로 해결해야 하는 문제점이며, 상기 논문에서는 피드백 회로의 적용을 통한 이득ⅹ대역폭을 높였으며, 바이어스 변조기에 에미터 팔로우를 적용시켜 바이어스 변조기쪽으로 바라본 임피던스를 더욱 낮게 가져가는 기법을 적용하여 상당히 안정적인 동작의 하이브리드 EER 전력 송신 구조를 보였다. 또, 디지털 피드백 전치 왜곡 기술을 이용하여 선형성을 개선함으로써 하이브리드 EER 전력 송신 구조가 가능하다는 것을 검증하였다.Y. S. 리의 발표, 중계기 시스템을 위한 유도체 중첩법 기술을 이용한 선형성-최적화된 전력 트래킹 GaN HEMT 도허티 증폭기또한 포항공과대학교에서는 도허티 전력증폭기에 앞선 EER이나 ET와 같은 순시적으로 변화하는 바이어스 변화 기법이 아닌 각각의 입력 전력 레벨에 따른 전력 바이어스 트래킹 방법을 통하여 선형성을 최적화 시키는 방법을 제안하였다. 선형성이 상당히 개선되어 다른 선형화 기법을 적용하지 않고도 중계기용 선형화 스펙을 만족 시킬 수 있었으나 입력 전력에 따른 전력 트래킹의 DC 소모와 기존의 도허티 전력증폭기가 동작된 바이어스보다 더 높은 바이어스를 적용하여 전체적인 효율은 떨어지는 문제점을 가지고 있었다. 통상적으로 이용되는 중계기용 전력증폭기도 전력 백 오프를 하여 보다 선형적인 영역에서 전력증폭기를 동작시킴으로써 선형화 기법 없이 실제 제품을 만들고 있기 때문에 그렇게까지 우수한 기술은 아니지만 도허티 전력증폭기를 이용하여 상당한 선형화를 이룩했다는 데 의미를 둘 수 있다.M. 닉의 발표, 선형화 향상을 위한 확장된 공진 전력 분배기의 도허티 전력 증폭기같은 세션에서 발표된 또 다른 도허티 전력증폭기 기술은 미시건 대학에서 <선형화 향상을 위한 확장된 공진 전력 분배기의 도허티 전력 증폭기>라는 주제로 발표되었다. 통상적으로 이용되는 도허티 전력증폭기는 캐리어와 최고치 증폭기가 같은 사이즈를 이용하여 사용되는데 이 때 각각의 전력증폭기의 바이어스를 클래스-AB와 클래스-C의 서로 다른 바이어스를 가지게 설계되기 때문에 적절한 로드 변조가 이루어 지지 않는 단점을 가지게 된다. 이러한 단점을 극복하고자 예전에는 최고치 전력증폭기를 바이어스 제어 회로를 통해서 입력 전력 레벨에 따라서 바이어스를 높이는 방법을 쓰거나 최고치 전력증폭기 쪽으로 입력 전력 레벨을 더욱 높게 가져가는 일정하지 않은 전력 드라이브 방법을 이용하곤 하였다. 상기 발표에서는 불안정한 전력 드라이브 개념과 비슷하지만 미시건 대학의 확장된 공진 전력 분배기 회로를 도허티 전력증폭기에 이용하여 입력 전력 레벨에 따라서 캐리어와 최고치 전력증폭기들의 임피던스를 다르게 가져가 낮은 입력 전력 레벨에 대해서는 최고치 쪽으로 입력 레벨을 높이고, 높은 전력 레벨에 대해서는 거의 균등하게 가져가거나 최고치 쪽에 조금 더 가져가는 방법을 이용하였다. 이렇듯 입력 전력 레벨에 대해서 각각의 전력증폭기에 입력 레벨을 적절히 변화시킴으로써 도허티 전력증폭기의 선형화 개선 방법인 Gm3 해제를 보다 조정 가능한 영역으로 가져 갈 수 있는 장점을 이용한 것이다. 이를 통해 기존의 도허티 전력증폭기보다 선형성이 개선되고, 같은 전력 드라이브를 갖는 도허티 전력증폭기의 부적절한 로드 변조 현상을 극복함으로써 최고치 전력도 개선될 수 있는 장점을 가질 수 있다.N. 메사우디의 발표, 400W 멀티 캐리어 도허티 증폭기 선형화를 위한 복잡성이 감소된 홀수차수 메모리 다항식의 전치 왜곡선형화 측면에서의 발표는 캐나다의 워털루 대학에서 <400W 멀티 캐리어 도허티 증폭기 선형화를 위한 복잡성이 감소된 홀수차수 메모리 다항식의 전치 왜곡>이라는 주제로 발표를 하였다. 종래의 메모리 다항식 형태의 디지털 전치 왜곡 기법에 메모리 다항식의 차수와 메모리 길이를 적절하게 찾음으로써 계산량을 줄이고 단순화 할 수 있다는 발표 내용이었다. 하지만 한 가지 아쉬운 점은 앞선 최적의 다항식 정렬과 메모리 길이를 찾기 위해 어떠한 새로운 알고리즘을 이용하여 찾았다는 언급이 없었다는 점이다. 필자의 생각으로는 낮은 차수의 다항식 정렬부터 차례로 스캔해 가면서 선형화 능력을 검토하는 방법을 사용했을 것으로 추측되며, 이러한 방법은 복잡성을 줄이기 위한 접근은 우수하나 실제적으로 선형화 알고리즘을 이용하는 데는 좋지 못하는 방법으로 사료된다.분석을 마치며2008년 IMS와 RFIC 학회는 테크니컬 세션 보다는 여러 가지 초고주파 응용 분야의 워크숍이 가장 빛났으며, 특히 전력증폭기 분야에서 세계적인 대가들이 한데 모여 의견을 교환하고 세계적인 동향을 들을 수 있어서 예전 학회보다 전력증폭기 전공자들에게는 더욱 값진 학회가 된 것 같다. 전력증폭기의 세계적 흐름은 간단히 다음과 같은 3가지 측면으로 요약해 볼 수 있다. 첫째, 고효율 전력증폭기를 어떻게 만들 것인가? 둘째, 고효율 전력증폭기를 어떻게 EER, ET, 그리고 자기 형태와 같은 새로운 전력 송신 구조에 적용하며 파생되는 문제점을 해결할 수 있을 것인가? 마지막으로 셋째, 효율만 중시된 전력 송신 구조들에서 어떻게 선형성을 개선할 것인가? 그리고 선형성을 개선하기 위한 대안은 디지털 기반인 디지털 전치 왜곡(DPD) 기술임을 확인하였다. 그렇다면 DPD 기술은 어떻게 하면 효과적으로 적용할 수 있는가 하는 문제들이 핵심이며 앞으로 전력증폭기 전공자들이 풀어야 하는 과제들이다.이로써 기술적인 분석을 마치면서, 앞선 전력증폭기 분야 외에도 초고주파 대역에 응용이 가능하고 최근 관심을 가지고 있는 RFID의 흥미로운 기술에 대해서 간략히 소개해 보고 초고주파 분야의 최고 학회인 IMS학회에 대해 결론을 맺고자 한다. 조지아기술연구소의 리 양씨가 발표한 RFID용의 혁신적인 유연한 자석 혼성 소재, 착용 가능한 RF와 바이오 모니터링 애플리케이션의 논문은 그림 10에서 보여진 것과 같이 유연한 소재를 이용한 안테나를 제작하고 응용 사례를 보여주고 있다. 유연한 소재를 통해 제품 자체가 평평하지 못한 부분에 유용하게 쓰일 수 있으며, RFID를 보다 실생활에 가깝게 응용한 아이디어라 할 수 있다.초고주파 분야는 이렇듯 생명 공학과 연계된 분야 혹은 실생활에 편의를 주고자 하는 부분들 곳곳에 서서히 늘어가고 있으며 앞으로도 많은 관심을 통해서 더욱 발전시켜 나갈 수 있으리라 생각된다. 끝으로, 올해 학회 분위기는 10,000명 이상의 무수히 많은 초고주파 연구자들로 북적거렸으며 400개 정도의 전시 회사들로 수많은 회사들의 여러 가지 기술들을 선보이는 성대한 학술의 장이 마련되어 매우 성공리에 개최되었다고 할 수 있다.참고문헌>>[1] S. C. Cripps, "RF Power amplifiers for wireless communications," 2nd Edition, Artech House, 2006.[2] N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class-E: A new Class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers,"IEEE J. Solid-State Circ. vol. 10, pp 168-176, 1975.[3] J. Lee, S. Kim, J. Nam, J. Kim, I. Kim, and B. Kim, "Highly efficient LDMOS power amplifier based on Class-E topology" Microwave and Optical Technology Letters, vol. 48, no. 4, pp.789-91, Apr. 2006.[4] Y. Y. Woo, Y. Yang, and B. Kim, "Analysis and experiments for high-efficiency Class-F and inverse Class-F power amplifiers," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 54, no. 5, pp.1969-1974, May 2006.
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