제 39회 유럽 국제 초고주파 학회(EuMC2009)
학회의 technical session은 oral과 poster로 나뉘어 진행되었고 이번 학회에서는 poster session에서도 oral session 못지않은 좋은 논문들이 많이 소개되었다. 또한 exhibition에서는 유럽에서 활발하게 활동 중인 RF/Microwave 분야의 회사들이 우수한 장비 및 부품들을 소개하였다.
본 분석자는 주요 관련 분야인 무선 이동 통신용 전력 송신 장치의 세계적인 기술 동향 및 우수한 기술을 습득하고자 제 39회 European Microwave Conference(EuMC)와 제 4회 European Microwave Integrated Circuits Conference(EuMIC)에 참석하였다. 전반적인 학회 분위기 및 전력 송신 장치의 기술 동향 그리고 oral /poster sessions에서 소개된 여러 그룹들의 일들을 본 학회 보고서에서 다루도록 한다.
글: 김장헌
포항공과대학교 초고주파 회로 연구실 / rage3k@gmail.com
자료제공: KOSEN(한민족과학 기술자 네트워크)
www.kosen21.org
EuMC2009 와 EuMIC2009소개 및 분석 연구 개요
EuMC2009 와 EuMIC2009 소개
European Microwave Week(EuMW) 2009은 EuMA(European Microwave Association)의 주관 하에 정기적으로 매년 10월에 유럽 각지에서 개최되고 있으며 올해는 Rome, Italy에서 9월 28일부터 10월 2일의 일정으로 5일 간 technical session과 workshop/short courses의 프로그램으로 개최 되었다. EuMW는 4가지 conference로 구성되어있고 그 내용은 다음과 같다.
- The 39th European Microwave Conference(EuMC)
- The 4thEuropean Microwave Integrated Circuits Conference(EuMIC)
- The 6thEuropean Radar Conference(EuRAD)
- The 2ndEuropean Wireless Technology Conference (EuWiT)
본 학회에서는 크게 초고주파 능동회로 및 수동회로, antenna 분야 등과 같이 기존에 잘 알려진 초고주파 분야에 관한 폭넓은 토론의 장이 마련되었으며 특히 레이더 분야와 이동 통신 시스템과 같이 기존의 초고주파 지식들이 널리 이용된 다양한 응용 분야에 관한 소개 및 토론이 이루어졌다.
학회의 technical session은 oral과 poster로 나뉘어 진행되었고 이번 학회에서는 poster session에서도 oral session 못지않은 좋은 논문들이 많이 소개되었다. 또한 exhibition에서는 유럽에서 활발하게 활동 중인RF/Microwave 분야의 회사들이 우수한 장비 및 부품들을 소개하였다.
하지만 전반적인 학회장의 분위기는 세계적으로 많은 연구원들이 모여 활발한 토론의 장이될 것이라는 기대와는 달리 국제적인 경기악화로 인해참석 인원이 상당히 적었으며 다소 조용한 분위기로 학회가 마무리 되었다.
분석 연구 개요
최근 WiMAX와 LTE와 같은 차세대 통신 시스템들은 간단한 음성신호에서부터 동영상 전송 및 인터넷 등을 이용하기 위한 멀티미디어 통신을 위하여 복잡한 신호까지 전송하게 된다. 이러한 무선 통신 시스템 신호의 특징은 광대역 특성뿐만 아니라 높은 peak-to-average power ratio(PAPR)을 갖는다는 것이다.
이러한 특징으로부터 전력을 송신할 수 있도록 고안된 전력 증폭기는 낮은 전력 효율에서 전력을 증폭시켜 대기 중으로 보내는 역할을 하게 된다. 전력 증폭기의 저효율 특성은 전력 증폭기 자체의 발열 현상을 심화시켜 이동통신 시스템의 reliability 및 특성을 악화 시키게 된다.
이를 개선하고자 시스템 자체의 사이즈를 키우고 cooling system을 수반함으로써 이동통신 시스템자체의 cost 증가를 야기하였다. 한편으로는 발열현상으로 인해 대기 중의 CO2발생량을 증가시켜 환경오염의 원인이 되기도 한다. 결과적으로 이동 통신 시스템의 경쟁력을 높이고자 초고주파 분야인 전력 증폭기에 많은 연구가 진행되었으며 특히나 효율 향상을 위한 많은 노력들이 진행되었다.
뿐만 아니라 전력 증폭기는 고출력을 대기 중으로 전송시키는 역할을 하기 때문에 전력 증폭기 자체의 비선형특성이 두드러지게 나타나며 이를 개선하고자 많은 연구들이 진행되고 있다.
본 학회에서는 전력 증폭기의 효율 및 선형성 특성을 개선하고자 하는 여러 가지 기술들에 대하여 발표 및 토의가 이루어 졌으며 이를 각각의 session별로 정리하여 최근 전력 증폭기 기술 동향을 살펴보고 정리하고자 한다.
Oral Session
매년 EuMC 학회는 그 해의 주된 연구 내용을 다루고 있다. 올해에도 예년과 마찬가지로 Doherty 전력 증폭기 기술과 바이어스 변화를 통하여 전력 증폭기의 고 효율화를 달성하는 Envelope Elimination and Restoration(EER), Envelope Tracking(ET), 그리고 Polar Modulator 기술들에 대하여 주로 다루어 졌다.
올해에는 더 나아가 전력 증폭기의 효율 특성뿐만 아니라 하나의 전력 증폭기를 통하여 여러 대역과 여러 신호를 동시에 커버할 수 있는 광대역 혹은 이중 대역 이상의 특성을 갖는 연구 또한 많은 부분 이루어졌다. 선형성 향상을 위해서도 여러 가지 디지털 전치 왜곡 선형화 기술들이 소개되었다.
Efficiency improvement in Doherty power amplifier
by using class F approach by Prof. Colantonio
Doherty 전력 증폭기는 carrier 전력 증폭기와 peaking 전력 증폭기로 구분된다. 최근 Doherty 전력 증폭기의 연구는 전력 증폭기의 효율을 최대화 하기 위하여 고효율 특성을 갖는 saturated 전력 증폭기들인 class-F 혹은 inverse class-F 전력 증폭기들이 이용되었다. 이 논문에서는 같은 의도에서 carrier 전력 증폭기는 class-F 전력 증폭기로, 반면에 peaking 전력 증폭기는 종래 이용되는 class-C 전력 증폭기로 구성하여 설계되었다.
설계 내용으로는 2.14GHz에서 GaN HEMT 소자를 사용하였으며 드레인 전압은 15V이고 carrier 전력 증폭기의 바이어스는 52mA로 class-AB 바이어스에서 동작 시켰다. 논문에서는 성능을 최적화 하기 위하여 설계 관점에서 몇 가지 중요한 요소들에 대하여 분석하였다. 먼저, class-F 전력 증폭기로 carrier 증폭기를 설계하였기 때문에 이에 따른 기본 주파수의 로드 임피던스는 종래 class-AB 증폭기보다 증가한다는 관점이다.
둘째로는, carrier 전력 증폭기의 saturation을 보다 용이하게 하기 위하여 peaking 전력 증폭기보다 약 0.6dB 입력 전력을 더 많이 인가하도록 하였다. 마지막으로는 carrier 와 peaking 전력 증폭기들의 파워를 결합하기 위한 transmission line의 characteristic 임피던스와 peaking 증폭기의 바이어스 조건에 대한 분석이 이루어졌다.
실험 결과 측면에서 7dB 떨어진 입력 전력에대하여 약 50%의 효율 특성을 보였으나 분석된 연구 결과에 비해 성능은 많이 떨어지고 있으며 변조 신호에 대한 실험 결과가 없이 continuous wave(CW)에 특성만을 보여 실제적인 전력 증폭기의 설계보다는 이론적인 내용을 검증하는 연구라는 점이 아쉬움으로 남았다.
A design approach to increase gain feature of a Doherty power amplifier by Prof. Colantonio
Doherty 전력 증폭기의 설계 시 power gain이 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 이 논문에서는 이러한 power gain을 증가시키기 위하여 carrier와 peaking 전력 증폭기들의 드레인 바이어스와 로드 임피던스들을 달리 가져가는 방법을 제시하였다. 이렇게 로드 임피던스를 달리 가져가는 방법은 각각의 전력 증폭기의 기본 주파수의 최대 전류 레벨을 변화 시킬 수 있게 한다.
다시 말하면, Doherty 전력 증폭기는 carrier와 peaking 전력 증폭기의 각각의 전류 레벨의함수로 각각의 전력 증폭기의 로드 임피던스가 변화하게 된다. 이때 peaking 전력 증폭기의 전류 레벨이 종래의 Doherty 전력 증폭기보다 변화폭이 적고 늦게 증가한다면 상대적으로 carrier 전력 증폭기에서의 로드 임피던스의 변화(2RoRo)의 변화 폭이 적고 천천히 변화하게 되는 현상을 이용한 것이다.
이를 달성하고자 저자들은 carrier 전력 증폭기의 드레인 전압을 낮게 설계하고 peaking 전력 증폭기의 드레인 전압을 높게 설계하였다. 이를 검증하기 위하여 사용된 소자는 LDMOS FET를 사용하여 설계되었으며 carrier 전력 증폭기의 드레인 전압은 28V에서 23.3V 그리고 peaking 전력 증폭기의 드레인 전압은 28V에서 35V로 바이어스하였다.
시뮬레이션 결과 약 2dB의 power gain 향상을 보였으며 유사한 효율 및 출력 전력 특성을 보였다. 아쉽게도 실험 결과는 최적화된 시뮬레이션 결과와 비교되어 보여 졌으며 종래 Doherty 전력 증폭기의 특성이 없다는 점이 아쉬운 부분이었다.
A simplified switch-based GaN HEMT model for RF switch-mode amplifier by A. Wentzel
Current-mode class-S와 inverse class-D 전력 증폭기의 설계에 적합한 switch-based GaN HEMT 모델을 이 논문에서는 보여 주고 있다. 모델의 구성은 드레인과 소스와의 스위치 모델(이 때 각각의 스위치는 loss를 포함하기 때문에 저항과 직렬로 표현됨)과 고주파수(GHz) 동작에서 발생되는 기생성분들인 Ggd, Gds, Cgs 그리고 입력 저항으로 간단하게 표현되었다. (그림 1)
그림 1. Switched-mode PA model
종래에 잘 알려진 Angelov 모델과 측정결과 그리고 스위치 모델을 통해 설계된 결과를 비교하여 단순한 스위치 모델의 우수성을 검증하였다. Current-mode class-S와 inverse class-D 전력 증폭기의 출력 단으로 구성하고 delta-sigma bit sequence를 입력단에 인가하여 출력단의 출력 파형 고찰을 함으로써 특성을 검증하였다.
검증된 결과는 3Gbps까지 측정결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 종래 모델인 Angelov 모델보다 더욱 단순한 장점을 지님을 확인할 수 있었다. 이러한 스위치 기반으로 하는 모델은 이러한bit sequence 증폭 이외에도 고효율 전력 증폭기인 inverse class-F 및 class-E 전력 증폭기들의 설계 모델로도 각광받고 있다.
A highly efficient Doherty power amplifier employing optimized carrier cell by J. Moon
Backed-off 전력인 평균 전력에서 Doherty 전력 증폭기의 효율을 더욱 향상시키기 위하여 새로운 Doherty 전력 증폭기의 설계 기법이 제안되었다. 제안된 설계방법은 종래의 Knee 영역을 무시한 Doherty 전력 증폭 방법을 Knee 영역까지 확장함으로써 생기는 문제점을 고찰하고 이를 해결하기 위하여 새로운 방법을 제시하였다.
먼저, 종래의 2Ro 임피던스인 100Ohm 로드는 Knee 영역을 포함하여 생각하였을 경우 6dB 떨어진 전력 레벨에서 포화되지 못함으로써 carrier 전력 증폭기의 최대 전압을 얻지 못하게 되고 결과적으로 고효율 특성을 얻지못하게 된다. 다시 말하자면, 6dB 떨어진 전력 레벨이 아닌 5dB 정도의 레벨에서 최대 효율을 얻게 되는 것이다.
이를 해결하고자 carrier 전력 증폭기의 로드 임피던스를 더욱 크게하는 방안을 고안하였다. 이를 위해 carrier와 peaking 전력 증폭기들이 서로 결합되는 임피던스를 25Ohm이 아닌 더욱 낮은 임피던스로 고안하여 낮은 전력레벨에서 100Ohm 이상인 130 Ohm의 로드 임피던스를 갖게 설계 하였고 이를 통해 종래 대비 효율을 더욱 향상 시킬 수 있었다.
그러나 적절한 로드 모듈레이션 현상(carrier 전력 증폭기의 로드 임피던스 변화 2RoRo와 peaking 전력증폭기의 로드 임피던스 변화 infinity>Ro)을 만족시키지 못함으로써 최대 출력 전력의 감소현상을 가져오게 되었고 추가적으로 감소된 출력 전력으로부터 효율 또한 감소하게 되었다.
변조 신호에 대하여 평균 출력 전력에서의 효율은 대체로 CW 신호 특성에서의 평균전력에서의 효율 특성에 기인하기 때문에 더 낮은 평균 전력 혹은 더 많은 backed-off 전력에서 고효율 특성을 갖는 Doherty 전력 증폭기가 변조 신호에 대하여 더욱 높은 효율 특성을 갖게 된다.
본 논문에서는 WiMAX신호 인가시 효율 특성이 같은 평균 전력에 대하여 약 4% 이상 증가하는 특성을 검증하였다. 이러한 접근방법은 종래의 Doherty 전력 증폭기의 설계에 있어서 출력 결합점의 로드 임피던스만을 바꿈으로써 쉽게 성능 향상을 가져온다는 장점을 가지고 있다.
A fully integrated 2.4/3.4 GHz dual band CMOS power amplifier with variable inductor by H. J. Yoo
Variable inductor를 드라이브 전력 증폭기의 출력단에 적용시킨 2.4 및 3.4 GHz dual-band CMOS Doherty 전력 증폭기가 제안되었다. Variable inductor 와 capacitor array는 드라이브 전력 증폭기에 적용시켜 각각의 주파수에 따른 임피던스를 변화시켜 dual-band 동작을 가능하게 했다.
다시 말하자면, 각각의 주파수에 해당하는 inductor와 capacitance 값들을 갖게 하여 해당하는 주파수에서 원활한 동작을 하게끔 하였다. 0.13um CMOS technology를 사용하였으며 2.4GHz 대역에 대하여 22dBm 출력 전력과 약 29%의 PAE 특성을 보였다. 3.4GHz 대역에 대해서는 약 19dBm의 출력 전력과 약 14%의 PAE특성을 갖는다.
칩 사이즈는 1200x1000um2이며 출력 매칭은 off-chip inductor와 capacitor를 이용하여 구성하였다. 최종 전력 증폭기의 출력단을 집적하지 못하고 dual-band에 대하여 고려되지 않은 점이 아쉬운 부분이었다.
Concurrent dual band 2.4/3.5 GHz fully integrated power amplifier in 0.13um CMOS technology by M. R. Ghajar
이 논문도 앞선 논문과 마찬가지로 전력 증폭기의 특성뿐만 아니라dual-band 특성이 고려된 내용을 보여주고 있다. 제안된 dual-band PA는 출력단에 inductor와 capacitance의 병렬 형태의 회로를 출력단과 직렬로 연결시킨 구조로써 두 가지 주파수에 대하여 서로 동작하도록 2가지 회로를 병렬로 연결하였다(그림 2).
그림 2
그러나 이러한 구조는 각각의 주파수에 대하여 상호 영향을 끼쳐 좋은 구조가 아니며 시뮬레이션 결과 만으로는 제안된 구조의 가능성을 이야기하기에는 부족하다. 단, 앞선 dual-band 논문과 이 논문에서와 같이 단말기용 전력 증폭기는 전력 증폭기의 우수한 특성뿐만 아니라 여러 가지 밴드와 여러 가지 신호에 대하여 모두 이용될 수 있는 특성을 갖는 구조들이 연구되고 있음을 알 수 있다.
Power amplifier behavioral model mismatch sensitivity and the impact on digital predistortion performance by P. Landin
단말기용 전력 증폭기와 같이 낮은 전력에서 사용되는 전력증폭기의 경우 출력 로드 임피던스 변화에 따른 전력 증폭기의 특성이 달라지는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어 단말기의 경우 사람의 손 혹은 다른 물체에 의해 안테나와 연결되는 전력 증폭기 출력 로드의 임피던스를 변화 시키게 된다. 이 논문에서는 상기 로드 임피던스 변화에 있어서의 behavioral modeling의 sensitivity에 대하여 연구되었다. Behavioral model은 parallel Hammerstein model을 사용하였다.
전력 증폭기의 gain 특성이 심하게 변하는 mismatch 임피던스 영역에 대하여 상기 model도 성능 변화가 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 상기 모델을 이용하여 디지털 전치왜곡 선형화 방법을 이용하여 전치 왜곡신호를 적용하여 전력 증폭기를 선형화하는 경우에 있어서도 많게는 18dB에서 적게는 7dB까지 선형화 능력이 저하됨을 알 수 있었다.
하지만 이러한 로드 임피던스의 mismatch에 따른 해결책을 제시하지 못하고 성능 저하만을 분석한 점은 아쉬움으로 남았다. 본 학회에서는 소개되지 않았지만 변화된 로드 임피던스를 원래의 로드 임피던스 혹은 유사한 성능의 임피던스로 변화시키는 출력 매칭을 개발하는 방법이 MEMS와 같은 방법을 이용하여 많이 연구되고 있는 것으로 안다. 변화된 특성에 대하여 새로운 모델을 적용한 후 디지털 전치 왜곡 신호를 만드는 선형화 장치의 업데이트를 통해서 더 나은 선형화 개선 정도를 얻을 수 있을 것이라 생각된다.
Real-Time FPGA based baseband predistortion of W-CDMA 3GPP high-efficiency power amplifiers: Comparing GaN HEMT and Si LDMOS predistorted PA performance by R. Quaglia
이 논문에서는 2차 하모닉 제어된 LDMOS 기반의 선형 증폭기와 GaN HEMT 기반의 고효율 Doherty 전력 증폭기에 있어 FPGA을 이용한 디지털 전치 왜곡선형화 장치의 선형화 능력에 대해 고찰하였다. 복잡한 계산은 PC를 이용하여 수행되었으며 간단한 디지털 신호의 연산은 FPGA를 통해서 수행되었다. 각각의 PAPR에 따른 선형화 개선 정도도 연구되었으며 여러 가지디지털 전치 왜곡 선형화 방법들에 대해서도 선형화 개선 능력에 관한 연구가 수행되었다.
이용된 선형화 방법들로는 먼저 널리 알려진 memory polynomial and parallel Hammerstein 방법과 저자의 연구실에서 개발된 Nonlinear AutoRegressive scheme with eXogenous inputs(NARX) 방법, 마지막으로 LUT 기반으로 하는 선형화 방법이 있다. 선형 증폭기에 대해서는 parallel Hammerstein 방법이 가장 나은 선형성 증가를 가져왔으며 고효율 Doherty 전력 증폭기의 경우에는 LUT 선형화 방법이 가장 나은 선형성 증가를 보였다.
하지만 본 분석자의 견해로는 앞서 소개된 모든 선형화 방법들이 유사한 선형성 개선 능력을 가지고 있지만 저자의 실험 상 혹은 저자가 개발한 알고리즘 상의 에러로 인해 서로 다른 선형성 개선 능력을 보였을 것으로 추측된다. 단, 각각의 방법에서 비교될 점은 각각의 방법들을 계산하는 데 있어서 서로 다른 계산량, 즉 복잡도가 달라진다는 것이다.
High efficiency RF power amplifier using band limited dynamic supply control method by C-M Lai
이 논문에서는 전력 증폭기의 효율을 향상 시키기 위하여 power supply를 신호의 크기에 따라 적절하게 mapping함으로써 효율 향상을 가져왔다. 저자가 제안한 방식은 band limited dynamic supply control(BLDSC) processes로 스위칭 모드 DC-DC converter를 제안된 신호 mapping 방식에 따라 적절하게 전압을 조절하는 방식이다.
신호의 mapping은 입력 신호의 크기가 큰 경우에 있어서 DC-DC converter 의 드라이빙 신호를 키워 높은 전압을 인가하게 하고 다시 신호가 작아질 경우 드라이빙 신호를 작게 만들어 작은 전압을 인가하게 하는방식이다. 10 MHz의 WiMAX 신호에 대하여 50%의 DC 파워를 절감할 수 있었다. 그러나 적용된 전력증폭기는 20dBm 이하의 낮은 전력을 낼 수 있는 전력 증폭기에 대하여 수행되었으며 이러한 낮은 전력 증폭기의 전압을 인가할 수 있는 높은 스피드의 DC-DC converter 또한 존재한다.
역으로, 이 논문에서 보이는 바와 같이 적절한 mapping을 통하여 DC-DC converter를 조절하는 방식은 고출력의 전력 증폭기의 전압을 인가할 경우 DC-DC converter의 스피드에 제약이 따른다. 결론적으로 실제로 쓰이기에는 다소 부족한 점이 있는 연구 내용이라 하겠다.
Broadband class-F power amplifiers for handset applications by D. Kang
고효율을 유지한 채 다양한 밴드와 다양한 신호에 대하여 사용하는 연구 테마 중 하나로, 바이어스를 입력 신호에 따라 변화 시키는 EER 및 ET 기법을 광대역 전력 증폭기에 적용하여 달성하는 방법이 최근 각광을 받고 있다. 이를 위하여 논문의 저자는 단말기용 고효율 및 차세대 전력 송신기를 위한 광대역 고효율 전력 증폭기를 개발하였다.
이때 실험 결과는 1.8GHz에서부터 2.1GHz까지의 300MHz 대역에 48% 이상의 고효율 특성을 보였다. 특히 단말기용 class-F 전력 증폭기를 광대역화 했다는 점에서 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 이를 수행하기 위하여 광대역에 걸쳐 2차 하모닉 short 회로와 3차 하모닉 open 회로를 적용하였으며 기본 주파수 성분에 대해서는 널리 알려진 광대역 매칭 회로 기법을 사용하였다(그림 3). 전력 증폭기는 InGaP/GaAs 2μm HBT process 를 이용하여 만들어 졌다.
그림 3. Broadband class-F PA 구조
5W 0.35-8GHz linear power amplifier using GaN HEMT by A. Sayed
이 논문은 광대역 전력 증폭기를 설계하는 방법을 text book에 나오는 그대로 적용하여 광대역 특성을 보인 논문으로 광대역 전력 증폭기 설계를 자세하게 설명하였고 특성 또한 0.35 GHz에서부터 8GHz에 이르기까지 광대역 주파수에 대하여 5 Watt 이상의 파워와 20% 이상의 PAE 특성을 보여주고 있다. 입력과 출력 매칭은 low Q 값을 갖는 멀티 섹션의 transmission line을 이용하여 설계되었다.
또한 시뮬레이션을 통해 전력 증폭기의 안정도 값을 1 이상으로 맞춤으로써 광대역 전력 증폭기의 기본 설계 요소를 잘 보여주고 있다. 사용된 소자는 Cree 사의 10W 급의 CGH60015 die chip 이다.
A compact DGS load-network for highly efficient class-E power amplifier by H. Choi
Class-E 전력 증폭기의 설계에 있어서 transmission line을 통해 전력 증폭기의 출력 단을 구성할 경우 2차 이상의 고차 하모닉에 대해서는 충분히 open 임피던스와 같은 높은 임피던스값을 갖지 못하는 문제점을 갖게 된다. 이때 높은 임피던스가 요구되는 이유는 class-E 전력 증폭기가 스위치 동작을 기본으로 하고 있어 스위치 동작에 따른 고차하모닉 전압 성분이 나타나게 되기 때문이다. 따라서 이러한 전압 성분을 그대로 보존하고자 스위치 단에서 전압 성분을 발생하기 위해서는 출력 단에 높은 임피던스를 요구하게 된다.
이를 해결하고자 종래에는 2차에서 5차에 이르는 하모닉 성분들에 대하여 높은 임피던스 값을 갖도록 기본주파수의 매칭 회로 이후에 하모닉 매칭 회로를 따로 구성하였지만 이 논문에서는 하모닉 매칭 회로의 성분에 따라 수반되는 사이즈 증가및 복잡도를 줄이기 위하여 마이크로 스트립 라인 뒤편에 임의의 패턴을 만들어 하모닉 성분이 높은 임피던스 값을 갖도록 하였다.
2, 3차 하모닉 성분에 대해서는 Dumbbel DGS 패턴을 quarter-wave bias line 뒤편에 만들었으며 4, 5차 하모닉 성분에 대해서는 기본 주파수 매칭이전에 35Ohm의 전송 라인 뒤편에 Spiral DGS 패턴을 만들었다(그림 4). 이러한 DGS 구조들은 EM 시뮬레이션을 통하여 설계되었으며 50x50mm2 작은 사이즈로 70% 이상의 고효율 특성을 갖는 고효율 전력 증폭기가 설계되었다.
그림 4. (a) Conventional class-E PA output matching network.
(b) DGS class-E PA matching network.
An inverse class-F GaN HEMT power amplifier with 78% PAE at 3.5GHz by P. Saad
Inverse class-F 전력 증폭기는 초고주파 대역의 고효율 전력 증폭기의 가능한 설계 방법 중 하나인 전력 증폭 방식이다. Class-F 전력 증폭기의 경우 3차 하모닉의 높은 고조파 성분을 높은 임피던스 값으로 로딩 시켜야 하는 문제점을 가지고 있다. Inverse class-F의 경우 이와는 반대로 2차 하모닉 성분을 높은 임피던스 값으로 로딩 시키는 방법으로 class-F 전력 증폭기에 비해 설계가 고주파에서 용이한 장점을 가지고 있다.
이때 높은 임피던스 값들은 전력 증폭기의 전류원 다음에서 보는 임피던스를 뜻하며 이는 주파수가 높을수록 전력 증폭기의 출력단에 있는 CDS 성분을 보상하고 높은 임피던스 값을 갖기가 어렵다는 것을 뜻한다.
이 논문에서는 상당히 높은 주파수인 3.5GHz에서 78%의 아주 높은 PAE 특성을 갖는 훌륭한 결과를 보였다. 소자로는 Cree사의 CGH60015 die chip을 이용하였으며 설계를 위하여 전력 소자의 모델링을 먼저 수행하였고 시뮬레이션 상에서 전력 증폭기를 설계하고 이를 검증하기 위하여 전력 증폭기를 제작하였다. 설계된 전력 증폭기의 출력 임피던스들은 기본 주파수 (fo)에 대하여 Z=9.45+j16.1 Ohm, 2차 하모닉 성분 (2fo)에 대해서는 Z=0.5+j13.5 Ohm 그리고 3차 하모닉 성분 (3fo)에 대해서는 Z=180-j796 Ohm 였다.
이는 앞서 설명한 반대의 임피던스 값으로 매칭한 결과로, 이를 발표 시 질문을 받았으나 저자는 대답하지 못하였다. 본 분석자의 생각으로는 우선 입력 매칭 값들부터 살펴보면 기본 주파수 (fo)에 대하여 Z=8+j5.7Ohm, 2차 하모닉 성분 (2fo)에 대해서는 Z=1500-j65Ohm 그리고 3차 하모닉 성분 (3fo)에 대해서는 Z=250-j20Ohm 인 것으로 보인다.
이렇듯 입력쪽에서 높은 고조파 성분으로 인해서 전류 성분이 벌써 높은 고조파를 갖는rectangular 파형을 갖도록 설계된 것이다. 이로부터 출력 쪽에 half-sinusoidal한 파형은 출력의 CDS 만을 가지고도 충분히 만들어지게 된다.
High efficiency GaN HEMT power amplifier design based on inverse class-E topology by Y. Lee
Inverse class-E 전력 증폭기는 class-E 전력 증폭기에 비하여 몇 가지 장점을 갖는다. 먼저 전압 스윙에 있어서 보다 낮은 전압 스윙을 가짐으로써 전력 소자를 보다 안정적으로 동작 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다(Inverse class-E: 2.862VDD vs. class-E: 3.562VDD). 직렬 인덕턴스는 전력 소자의 패키징 및 본딩 와이어와 같은 전력소자의 연결에 꼭 필요한 요소들을 이용하여 구성함으로써 종래의 보상 회로를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. Inverse class-E 전력 증폭기 구조는 (그림 5)에서 볼 수 있듯이 class-E 구조의 완벽하게 대칭되는 구조이다(Inductor를 capacitance로 직렬을 병렬로).
그림 5. Inverse class-E PA 구조
이 논문에서는 Nitronex NPTB00025 GaN HEMT를 1GHz에서 이용하여 약 79%의 높은 효율 특성을 보였다. 또한 앞서 class-E에서 설명된 하모닉 제어를 위하여 composite right/left handed transmission line(CRLH-TL)를 이용하였으며 고조파 성분을 -50dBc 이하로 감소 시킬 수 있었다.
Poster Session
Extended Hammerstein model for RF power amplifier behavior modeling by F. Mkadem
대역폭이 넓은 변조 신호를 전력 증폭기에 인가할 경우, 전력 증폭기의 비선형성 이외에도 전력 증폭기의 2차 비선형성 성분에 의한 메모리 효과가 발생하게 된다. 메모리 효과는 문자 그대로 현재의 입력 성분에 의한 비선형 뿐만 아니라 과거의 성분에 의한 비선형성에 의해서도 전력 증폭기의 비선형 특성이 나타나는 것을 뜻한다.
이러한 메모리 효과는 투 톤 신호를 인가한 경우를 가정해 보았을 때 2차 하모닉 성분인 f2-f1 혹은 2f1, 2f2 을 제거하지 못함으로써 발생하게 된다. 특히나 이러한 경우에 있어서 전력 증폭기의 바이어스 라인에 이러한 성분들이 나타나게 되며 메모리 효과를 줄이기 위해서 바이어스 회로를 어떻게 구성하는가 하는 연구도 많이 진행되었다.
이 논문에서는 전력 증폭기 자체 내에서 메모리 효과를 줄이기 보다는 메모리 효과가 심한 LDMOS FET 전력 증폭기에 대하여 디지털 방식을 통하여 모델링 하는 것을 목표로 하였다. 메모리 효과 및 비선형 특성에 대하여 모델링을 잘 수행한다면 향후 디지털 전치 왜곡 선형화 장치에 있어서 개발된 모델링 값을 통하여 전치 왜곡 신호를 만들 수 있을 것이다. 모델의 정확도에 따라서 선형화 정도에는 차이가 나게 된다.
저자는 종래의 Hammerstein 구조인 memoryless 비선형 구조와 FIR 필터 구조에서 더 나아가 memoryless 비선형을 모델링 한 후 이러한 모델링 결과에 대하여 입력 신호를 뺀 에러 신호를 다시 FIR 필터 구조로 모델링 하였다(그림 6).
그림 6. Extended Hammerstein 구조
상기 구조의 의미는 비선형성과 메모리 효과를 모두 가진 전력 증폭기를 모델링 함에 있어서 기본 입력 신호 성분을 제거하고 memoryless 비선형 특성과 메모리 효과만을 따로 FIR 필터 구조로 모델함으로써 왜곡 성분을 보다 정확하게 모델할 수 있다는 특징을 갖게 된다는 것이다. 하지만 기존의 구조에 비해 복잡도가 증가한다는 단점을 가지고 있다.
제안된 구조를 비교함에 있어 메모리 효과가 없는 memoryless 비선형성 모델링 방법과 종래의 Hammerstein 방법 그리고 Augmented Hammerstein 방법을 이용하여 제안된 구조를 비교하였다. Augmented Hammerstein 방법은 상기 FIR 필터 구조를 1차 함수가 아닌 2차 이상의 함수에 delay tap을 이용하여 필터를 만드는 구조로 1차 함수와 2차 함수 그리고 종래의 Hammerstein 방법에서 이용된 FIR 필터의 delay tap보다 적은 delay tap을 가지고서도 정확하게 memoryless 비선형 특성과 메모리 효과를 모델링 하는 좋은 모델링 구조라고 할 수 있다.
저자에 의해 제안된 구조는 이러한 Augmented Hammerstein 방법과 유사한 특성을 보였다. 그러나 본 분석자의 생각으로는 Augmented Hammerstein 구조가 복잡도와 특성 면에서 가장 나은 구조이며 저자에 의해 제안된 구조는 특성은 유사하나 복잡한 구조를 지닌다는 단점을 갖는 듯하다.
A novel design method of highly efficient saturated power amplifier based on self-generated harmonic currents by J. Kim
고효율 전력 증폭기의 대표적인 설계 방법은 class-E 전력 증폭기와 class-F 전력 증폭기이다. Class-E 전력 증폭기의 경우스위칭 동작을 기본으로 함으로써 전류 파형과 전압 파형간의 overlap이 없이 동작하고 이를 통해 고효율 특성을 얻게 된다. 하지만 고주파수의 동작에 있어서 전력 소자의 기생성분이 두드러지게 나타나고 전력 소자의 전력이 높아짐에 따라 전력소자의 출력 capacitance가 커짐에 따라 스위칭 동작은 사실상 불가능하게 된다. 따라서 class-E 전력 증폭기는 이러한 고 주파수 대역에서는 구현하기 어렵게 된다.
Class-F 전력 증폭기의 경우는 harmonic termination 혹은 harmonic control(2차 harmonic 성분에 대해서는 short impedance 그리고 3차 harmonic 성분에 대해서는 open impedance)를 통해 half-sinusoidal 전류 파형과 square-wave 전압 파형을 이루면서 overlap을 줄이고 고 효율 특성을 얻을 수 있게 된다. 하지만 전력 소자의 전력이 높아짐에 따라 전력 소자의 출력 capacitance가 커지고 harmonic termination은 이러한 capacitance에 의해 3차 harmonic을 open impedance로 만들기는 어렵게 된다.
따라서 고 주파수/ 고출력의 고효율 전력증폭기 설계에 있어서 이러한 문제점을 개선할 수 있는 새로운 전력 증폭방법이 요구되었다. 이를 극복하기 위하여 전력 소자의 출력 capacitance 와 acceptable impedance level을 통하여 고 효율 특성을 갖는 새로운 전력 증폭 방법이 개발되었다.
이러한 동작을 위하여 전력 증폭기는 선형 동작구간 뿐만 아니라 knee 영역까지 동작 범위를 넓혀 동작하게 되며 이러한 동작은 기본 주파수 성분의 load impedance에 따라 동작이 결정된다. 이러한 동작을 saturated operation이라 명명하며 상기 동작 시 knee 영역의 동작으로 인해 많은 양의 harmonic 성분이 나오게 된다.
따라서 특별한 harmonic termination을 수반하지 않고서도 고효율 동작을 하게 된다. 자연적으로 입력 혹은 출력 매칭 회로 또한 간단하게 됨으로써 대역 특성 또한 좋아지는 장점을 지니게 된다. 본 논문에서는 46.8dBm의 출력 전력에 71.5%의 고효율 특성을 보여주고 있으며 이러한 특성은 본 연구자의 경험에 비추어 보면 20Watt(43dBm) 출력 전력에 대하여 70% 이상의 효율 특성은 상당히 좋은 연구 내용이라고 할 수 있다.
또한 100MHz의 대역폭에 대하여 70% 이상의 효율 특성 또한 보이면서 종래의 고효율 전력 증폭기의 연구 내용과 비교해 봤을 때 보다 현실적이면서도 좋은 결과를 보여주고 있다. (그림 7)은 전력 증폭기의 단순하게 모형화된 다이어그램을 보여주고 있으며 (그림 8)은 전력 증폭기의 특성을 보여주고 있다.
그림 7. 전력 증폭기의 단순화된 구조
그림 8. 전력 증폭기의 특성들
Novel multi-band matching scheme for highly efficient power amplifier by A. Fukuda
이 논문은 전력 증폭기를 multi-band 특성을 갖기 위한 multi-band matching 방법을 새롭게 고안하여 고효율 성능을 보여주고 있다. 제안된 매칭 회로는 multisection transformer로 구현되었으며 각각의 transformer의 파트들은 설계된 하나의 주파수에서만 잘 동작시킬 수 있으며 다른 주파수성분들에서는 영향을 끼치지 않는 구조로 되어있다.
선택적인 주파수에 각각의 매칭 회로를 동작시키기 위하여 병렬로 inductance와 capacitance를 연결한 구조를 이용하였다. 이 때, 각각의 병렬 하모닉 탱크들은 하나의 주파수에만 반응하도록 설계되었다(그림 9). 설계된 전력 증폭기는1.47GHz, 1.94GHz, 그리고 2.65GHz 주파수들에 대하여 1W 이상의 출력 전력에 54%의 효율 특성을 보여주고 있다.
그림 9. Matching Circuit for Multi-Band Operation:
(a) Basic Circuit. (b)Practical Circuit
이러한 연구는 지금 multi-band/multi-mode와 같은 multi-standard 응용을 위한 단말용 전력 증폭기의 한 예를 보여주고 있으며 그 특성 또한 우수하다. 추가적으로 multi-band 입출력 매칭 회로 또한 분석적으로 보여주고 있어서 다른 전력 증폭기의 응용에도 매우 유용하다고 할 수 있다.
Envelope tracking technique applied on a 10W 2nd harmonic tuned power amplifier at 2.14GHz by E. Cipriani
전력 증폭기의 효율을 높이는 데 있어서 Doherty 전력 증폭기와 바이어스를 변화 시키는 Envelop Tracking 전력 증폭 방식은 요즘 각광받고 있는 전력 증폭기 기술이라 할 수 있다. 특히 Envelop Tracking 방식은 입력 전력에 따라 전압을 변화 시키는 방식으로 평균 출력 전력 레벨에 대하여 효율을 높일 수 있다. 이러한 전압의 변화에 따른 전력 증폭기의 동작 방식과 효율 특성을 이 논문에서는 고찰하였다.
효율 특성은 평균 입력 전력에 대하여 약 10% 이상 높아졌지만 실험은 변조 신호를 사용하지 않고 CW 신호에 대해서만 측정하였으며 입력 신호에 대한 바이어스를 변화시켜 주는 모듈레이터를 사용하지 않고 CW 입력 신호에 대하여 파워 supply의 전압만을 바꿔주도록 하여 효율 특성을 측정하였다.
이러한 측정은 단순히 낮은 입력전력에 대하여 전압을 낮추었을 경우 어느 정도 효율 특성이 향상될 수 있음을 뜻하고 이를 실제 변조 신호에 대하여 사용하기 위해서는 모듈레이터의 특성 및 시스템에 대한 연구 또한 수반되어야 한다.
Bias optimization for highly linear and efficient Doherty power amplifier with memoryless digital predistortion by M. Lee
Doherty 전력 증폭기는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬로 구성하여 설계된다. 피킹 증폭기에 있어서 평균 출력 전력에서 효율 특성을 높이기 위하여 class-AB 바이어스의 캐리어 증폭기보다 낮은 바이어스(class-C와 같은)로 설계된다.
또한 효율 특성뿐만 아니라 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기에서 발생되는 비선형 성분들을 감소하기 위하여 비선형의 성분의 크기는 같고 위상은 반대가 되도록 바이어스를 결정하여 설계된다. 이때의 바이어스들은 캐리어와 피킹 전력 증폭기들에 대하여 각각 class-AB 와 class-C 바이어스들이다. 결과적으로 Doherty 전력 증폭기는 효율 뿐만 아니라 선형성 특성 또한 향상 시키는 전력 증폭기 기법이다.
이 논문에서는 각각의 바이어스에 따른 디지털 전치 왜곡 선형화 장치의 선형화 개선 능력을 고찰함으로써 최적화된 피킹 전력 증폭기의 바이어스를 찾는 데 그 목적이 있다. 이때 Doherty 전력 증폭기 자체에서의 선형성 개선에 목적을 둔 것이 아니라 memoryless digital predistortion 선형화 장치까지 같이 고려하여 최대한 선형성이 좋아지는 바이어스를 찾는데 중점을 두었다.
한 가지 더 고려해야 할 사항은 효율 특성 또한 고려하여 가능하면 효율 또한 높아지도록 바이어스를 가져가는 것이 중요하다는 것이다. 본 논문에서는 너무 높은 바이어스와 너무 낮은 바이어스를 피한 -5.2V가 최적화된 바이어스로 정해졌으며 4W의 출력 전력에서 약 8dB 정도의 선형성이 개선되었으며 이때의 효율은 40%였다.
Wideband RF power amplifier predistortion using real-valued time-delay neural networksby S. Boumaiza
전력 증폭기를 선형화 시키는 데는 많은 선형화 방법이 존재한다. 그 중에서 디지털 전치왜곡 선형화 장치는 디지털 제어에 용이하고 파워 소모가 적으며 우수한 선형화 향상 능력을 가지고 있기 때문에 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 그러한 방법 중에서 neural network을 사용하여 전력 증폭기의 역 특성을 뽑아내고 그러한 역 특성으로부터 전치 왜곡 신호를 디지털 처리 부에서 만들어 전력 증폭기에 인가하고 있다. 특히 20MHz의 대역폭을 커버하기 위해서는 광대역 입력 신호에 의해 발생되는 메모리 효과를 보상해야 한다.
Neural network에서는 time delayed된 입력 신호와 기존의 입력 신호를 같이 처리함으로써 메모리 효과 또한 보상하도록 구성되었다. 선형화를 위한전력 증폭기는 250W급 Doherty 전력 증폭기에 4carrier WCDMA 신호를 사용하였다. 적용된 neural network의 경우 메모리 효과를 보상하지 않은 디지털 전치 왜곡 선형화 장치와 비교해 봤을 때 5dB 이상 개선 능력이 향상되어 -50dBc이상의 ACLR 특성을 보였다. 하지만 neural network은 종래의 제어시스템에서 많이 적용된 기법으로 꽤 오래 전부터 알려진 방법이지만 복잡하다는 단점을 가지고 있다.
분석을 마치며
이번 학회의 oral session은 다소 부족한 면이 많았지만 전력증폭기의 고효율화 즉 고효율 전력 증폭기를 개발하기 위해서 여러 그룹에서 많은 연구가 진행되고 있음을 알 수 있는 계기가 되었다.
또한 고효율 전력 증폭기 개발, 여전히 Doherty 전력 증폭기와 Envelop Tracking 전력 증폭 방식에 초점을 맞추어 많은 연구가 진행되고 있었고 더 나아가 다양한 밴드와 신호에 동시 이용이 가능한 광대역 고성능 전력 증폭기의 개발 또한많은 그룹에서 연구하고 있었다. 곧 상용화에 한발 다가설 수 있는 우수한 연구가 많이 나오기를 기대해 본다.
* 참조: 학회에 참가했던 국내외 한인 과학자와 해외 과학자의 소속 및 연락처
- 국내외 한인 과학자
김범만: 포항공과대학교, 전자전기공학과, bmkim@pos tech.ac.kr(Lab. Homepage: www.postech.ac.kr/ee/mmic)
홍성철: 삼성전자, sch.hong@samsung.com
- 해외 과학자
Paolo Colantonio: University of Roma, paolo.colantonio@ uniroma2.it
F. Giannini: University of Roma, giannini@ing. uniroma2.it
Slim Boumaiza: University of Waterloo, sboumaiz@ uwaterloo.ca
Christian Fager: Chalmers University of Technology
Atshushi Fukuda: NTT Docomo, Inc., fukudaat@ nttdocomo.co.jp
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