본 논문에서는 Compact Microstrip Resonant Cell을 이용하여 새로운 방법으로 선형성을 개선시킨 전력증폭기를 설계하였다. 전력증폭기의 입력단에 CMRC를 적용하였고, 입력단과 출력단에 각각 Tuning Line을 달아서 조정을 한 결과 기존의 전력증폭기보다 현저한 선형성을 보였다. 그 결과 CMRC를 적용한 전력증폭기는 기존의 전력증폭기보다 3차 IMD가 14.77 dB 만큼 개선되었다. CMRC의 크기는 $17.1\times5.22mm$이다.
본 논문에는 2.3GHz대역의 주파수를 이용해 초고속 인터넷 서비스를 제공하는 와이브로용 고효율 도허티 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 도허티 전력증폭기의 효율 향상을 위해 포락선 검파기를 이용하여 입력신호의 크기에 따라 게이트 전압을 조정하여 도허티 증폭기의 전력효율을 개선시키는 방법을 구현하였다. 측정결과, 적응형 바이어스를 적용한 도허티 증폭기는 측정시 입력 신호를 25.6dBm으로 했을 때 P1dB에서 출력전력 34.0dBm과 36.6%의 PAE를 가진다. 이것은 동일 입력레벨에서 AB급 증폭기와 비교해서 출력전력에서 1dB, 효율에서 7.6%의 개선을 보였다.
본 논문에서는 기지국용 전력 증폭기의 혼 변조 성분들을 극도로 억압하기 위해서 Error feedback 방식을 사용한 Feedforward 선형 전력 증폭기를 설계하였다. 특히, 제안된 선형 전력 증폭기는 기존의 피드백 기술의 단점인 증폭 이득의 손실을 없앤 Error feedback 기술과 Feedforward 기술을 혼합하여 적용하였다. 제안된 선형 전력 증폭기는 HP사의 EEsof ADS ver.1.3을 사용해서 설계.제작하였다. 측정결과, 이득 28 ㏈, P1㏈ 31 ㏈m인 주 전력 증폭기에 -7 ㏈m/tone을 갖는 1850 MHz와 1851.25 MHz의 2-tone 신호를 인가한 결과 전체 IMD가 약 35 ㏈ 개선되었다.
본 논문은 높은 선형성을 얻기 위하여 기존의 Doherty 구조에서 주 증폭기와 피킹 증폭기를 비대칭적으로 구성하고, 증폭기의 바이어스 점을 변화시켜 선형성을 개선하는 방법을 제안하였다. 주 증폭기와 피킹 증폭기의 구동 전력을 비대칭으로 주입하기 위하여 비균등 wilkinson 분배기를 추가하였다. 또한 전체적으로는 3-stage 구조를 이룸으로써 선형성에 따른 효율 감소를 보상하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 비대칭 Doherty 전력 증폭기와 비대칭 3-stage Doherty 전력 증폭기를 제작하였으며, 측정 결과 약 -55 dBc의 IMD 특성을 보였으며, 13%의 효율 특성을 얻을 수 있었다.
본 논문은 RF 전력 반도체를 사용한 고출력 전력증폭기를 구현한 것으로 기존의 플라즈마 발생 장치에 사용되는 마그네트론 방식의 고출력 증폭기 문제점인 낮은 효율과 짧은 수명, 유지 보수의 어려움 그리고 높은 운용비용 등을 개선하기 위한 것이다. 구현된 고출력 전력증폭기는 2.45 GHz ISM (industrial scientific medical) 대역에서 공간 결합방식을 이용한 저 손실, 고출력 레디알 결합기와 반도체로 3 kW급 출력을 얻기 위해서 300 W 급 전력 증폭기 16개의 증폭기로 구성되어 있다. 또한, 이 증폭기는 개별적인 증폭기에 수냉 방식의 구조를 적용하여 고출력에 따른 발열문제를 극복하였다. 소형 시스템으로 구성된 이 전력증폭기는 원하는 출력에서 50%의 높은 효율을 얻었다.
본 논문에서는 차동 증폭기에 필수적으로 필요한 Radio frequency(RF) transformer(TF)을 활용하여 광대역 이득 특성을 가지는 2단 단일 종단 전력증폭기를 제시하였다. RF TF의 특징을 파악하고 광대역 특성을 가지도록 설계한 뒤 2단 전력증폭기의 단간(inter-stage) 임피던스 정합 회로에 적용함으로써 증폭기의 대역폭을 향상시킬 수 있다. 기존의 2단 단일 종단(Single-ended) 증폭기의 성능과 면적을 유지하면서 광대역 이득 특성을 얻을 수 있도록 단간 정합 회로를 Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)와 다층 PCB에 구현하고 시뮬레이션을 통해 결과를 비교하였다. InGaP/GaAs HBT 모델을 사용하여 설계한 2단 전력증폭기 모듈을 시뮬레이션 한 결과 중심주파수 3.3GHz에서 기존의 전력증폭기가 11.2%의 fractional 대역폭을 보인 반면 제안된 설계 기법을 적용한 전력증폭기는 19.8%의 개선된 대역폭을 가짐을 확인하였다.
종래의 LDMOS를 사용한 전력증폭기는 AB-급 및 도허티 방식으로 60MHz 대역폭의 협대역에서 55%의 효율을 보여주고 있으나, 기지국의 전력증폭 모듈의 RRH의 적용에 따라 100MHz이상의 대역확장과 60%이상의 고효율 전력증폭기를 요구하고 있으므로, 본 연구에서는 LDMOS FET를 이용한 J-급 전력증폭기를 설계하여 200MHz대역에서 60%이상의 고효율 특성을 나타내었다. 설계한 J-급 전력증폭기는 2차 고조파 부하가 순수한 리액턴스 성분만을 포함하고 작은 양호도 Q 값을 갖도록 출력단 정합회로를 최적화 시켰다. 측정결과 WCDMA 주파수 대역을 포함한 2.06~2.2GHz에서 연속파 신호를 입력하였을 때 62~70%의 전력 부가효율(PAE)의 특성을 갖는 10W급 J-급 전력증폭기를 구현하였다.
본 논문에서는 단일 FET를 이용하여 2.14GHz/5.2GHz 이중대역 고효율 Class F 전력증폭기를 설계 구현하였다. 전송선로를 이용하여 초기의 정합값을 적절히 이동시켜 하나의 능동소자로 2.14GHz/5.2GHz의 이중대역에서 동작되는 전력증폭기를 설계하였으며, 2.14GHz에서 32.65dBm의 출력과 11dB의 출력이득 36%의 전력효율을, 5.2GHz에서 7dB의 출력이득의 특성을 보였다. 고조파를 제어 회로를 설계하여 증폭기의 출력단에 추가 하여 Class F로 동작하는 이중대역 전력증폭기를 설계 하였다. 이중대역 Class F 전력증폭기는 2.14GHz에서 9.9dB의 출력이득과 30dBm의 출력, 55%의 전력효율을 가졌으며, 5.2GHz에서 11.7dB의 출력이득을 갖는 특성을 보였다. 고조파 제어 회로를 이용한 이중대역 Class F 전력증폭기가 전력효율을 향상시킴을 보였다.
본 논문에서는 7개의 MMIC 전력증폭기 칩과 박막기판을 결합하여 MIC 모듈을 구성함으로써 Ka-대역 중심주파수 영역에서 10 W 이상의 출력전력을 가지는 펄스모드 전력증폭기 모듈을 설계하고 제작하였다. 전력증폭기 모듈의 제작에는 밀리미터파 대역에 적합한 수정된 형태의 윌킨슨 전력분배기/합성기와 모듈의 조림과정에서 공진을 억제하고 작은 삽입손실 특성을 보이는 CBFGCPW-Microstrip 천이구조를 활용하였다. 전력용 MMIC 바이어스 회로에 사용된 큰 값의 바이패스 캐패시터에 의해 발생되는 펄스모드 출력전력의 감소를 개선하고자 TTL 펄스 타이밍 제어 기법을 제안하였다. 제안된 방법을 10 kHz, $5\;{\mu}sec$ 펄스모드로 동작하는 전력증폭기 모듈에 적용한 결과 펄스모드 동작시간을 200 nsec 이상 개선할 수 있었고 0.62 W의 출력전력을 향상시킬 수 있었다. 구현된 전력증폭기 모듈은 59.5 dB의 전력이득과 11.89 W의 출력전력을 보여주었다.
본 논문에서는 3GPP 중계기 및 기지국용 50W급 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 이상적인 Doherty 전력증폭기는 효율개선과 고출력 특성이 뛰어나지만 이를 구현하기 위해서는 바이어스 조절이 어렵다. 이를 해결하고자 기존의 Gate 바이어스 조절회로를 가진 Doherty(GDCHD) 전력증폭기에 Drain 바이어스 조절회로를 첨가한 GDCHD(Gate and Drain Control Hybrid Doherty) 전력증폭기를 구현하였다. 실험결과 3GPP 동작주파수 대역인 $2.11{\sim}2.17\;GHz$에서 이득이 57.03 dB이고, PEP 출력이 50.30 dBm, W-CDMA 평균전력 47.01 dBm, 5MHz offset 주파수대역에서 -40.45 dBc의 ACLR 특성을 가졌으며, 각각의 파라미터는 설계하고자 하는 증폭기의 사양을 만족하였다. 특히 GDCHD 전력증폭기는 일반적인 Doherty 전력증폭기에 비해 ACLR에 따른 효율 개선성능이 우수하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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