이 논문에서는 입력단의 반사전력을 보조증폭기의 입력으로 재활용하여 성능을 향상시킨 새로운 구조의 평형증폭기를 제안한다. 종래의 평형증폭기에서는 입력단 반사파가 터미네이션 처리되었으나, 본 논문의 구조에서는 하이브리드의 격리단자에 연결된 보조증폭기의 입력으로 인가하여 보조증폭기에서 증폭된 신호가 최종출력에서 합쳐져 나타나게 된다. 따라서 기존의 평형증폭기의 출력에 보조증폭기의 출력이 합쳐지게 되므로 본 논문의 평형증폭기 구조는 기존의 평형증폭기 구조에 비하여 전력전력, 전력이득, 효율에서 보다 향상된 결과를 보여준다.
본 논문은 CPW 발룬을 이용한 평형증폭기 설계에 대하여 기술한다. 종래의 평형증폭기에서 널리 사용되는 윌킨슨 전력분배기, 브랜치 라인 하이브리드 커플러에 이어 발룬도 평형증폭기를 구성하는데 사용될 수 있음을 보인다. 이로부터 발룬을 이용해서도 평형증폭기의 반사손실 대역폭을 향상시킬 수 있음을 보인다. CPW 발룬 및 단일증폭기를 사전에 제작하여 특성을 측정했으며, 이를 이용하여 평형증폭기를 설계하였다. 측정결과 제안한 CPW 평형증폭기의 특성이 단일증폭기에 비하여 대역폭 등에서 매우 유리했으며, 특히 종래의 브랜치 라인 하이브리드를 이용한 발룬보다 동작 대역폭 특성이 더 우수하였다.
본 논문은 종래의 CPW 월킨슨 발룬을 이용하여 CPW 평형증폭기를 구성하는 방법을 제안한다. 평형증폭기 구성에 필요한 전력분배/결합구조에 CPW 월킨슨 발룬 구조가 이용된다. 일반적인 경향처럼 CPW 단일증폭기의 정합 특성이 매우 나빴음에 비하여, 제안한 CPW 평형증폭기는 입출력측 모두 우수한 정합특성 개선을 보인다. CPW 단일 증폭기의 정합특성이 매우 나쁜 것에 비하여, -10dB 이하의 입,출력 정합특성을 보이는 CPW 평형증폭기의 주파수 대역은 각각 $1.2{\sim}2.75GHz$, $1{\sim}3.25GHz$이다.
본 논문에서는 하이브리드 커플러를 이용하여 구성하는 종래의 평형전력증폭기의 입력측 반사전력을 별도의 보조증폭기의 입력으로 활용하여 성능을 개선한 새로운 구조의 평형전력증폭기를 제안한다. 평형증폭기 내의 개별 단일 증폭기의 정합이 완벽하지 못하므로 여기에서 반사된 전력이 하이브리드 커플러의 격리단자에서 터미네이션 시키는 것이 종래의 구성이었다. 본 논문에서는 격리단자에 터미네이션 대신 보조증폭기를 연결하여 누설전력이 입력되고, 보조증폭기의 출력이 최종적인 평형증폭기의 출력에 더해지므로 출력전력과 효율이 개선된다. 제시한 구조를 검증하기 위하여 종래의 평형전력증폭기와 제안된 평형전력증폭기를 실제 제작하고 측정한 결과를 보인다. 제시한 평형전력증폭기는 종래의 평형전력증폭기보다 약 3dB의 출력전력특성, 5.2%의 전력부가효율, 그리고 $5{\sim}10\;dBc$의 IMB3 개선효과를 갖는다.
본 논문에서는 중심주파수가 2GHz인 광대역 평형증폭기를 설계 및 제작 하였다. 본 논문에서는 $90^{\circ}$ Hybrid Branch-Line Coupler 와 Three-Arm Branch $90^{\circ}$ Hybrid Coupler의 특성을 비교하여, 광대역 특성을 나타내는 Three-Arm Branch $90^{\circ}$ Hybrid Coupler를 이용한 평형증폭기를 설계 및 제작하였으며, 제안된 증폭기는 대역폭이 480MHz이며, VSWR은 1.06 이하이고, 이득은 15.47dB의 특성을 보였다.
TMT-2000 기지국용 3단 저잡음 증폭기를 설계하고 제작한다. 첫째 단에서의 증폭소자는 잡음특성이 좋은 GaAs HJ-FET를 사용하고, 둘째 및 셋째 단에는 이득과 출력전압이 높은 값을 갖도록 하기 위해 모노리딕(monolithic) 마이크로웨이브 집적회로를 사용한다. 또한 입력 정재파비를 낮추기 위해서 평형증폭기를 사용하는데, 이 평형증폭기의 위상차로 인한 잡음지수를 최소화하기 위해서 첫째 단에만 제한적으로 사용한다. 제작된 증폭기는 동작 주파수에서 이득 39.74$\pm$0.4dB, 최대잡음지수 0.97dB, 입.출력 정재파비 1.2 이하 및 OIP$_3$ 특성은 38.17dBm을 나타낸다.
본 논문에서는 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킨 밀리미터파 광대역 단일 종단 증폭기와 tandem 결합기를 이용한 밀리미터파 광대역 평형 증폭기를 설계 및 제작하였다. 증폭기 제작을 위하여 0.1 ${\mu}m\;{\Gamma}-gate$ GaAs PHEMT가 사용되었다. 제작된 단일 종단 증폭기는 37 GHz($18.5{\sim}55.5$ GHz)의 3 dB 대역폭과 47 GHz에서 9.38 dB의 최대 $S_{21}$ 이득 특성을 얻을 수 있었다. 밀리미터파 대역용 광대역 평형 증폭기 제작을 위해 사용된 tandem 결합기는 $30{\sim}60$ GHz에서 평균 3.5 dB의 결합 계수 및 -23 dB 이하의 반사 손실을 얻을 수 있었다. 제작된 평형 증폭기는 44.5 GHz($21{\sim}65.5$ GHz)의 3 dB 대역폭을 얻었으며, 최대 $S_{21}$ 이득은 60 GHz에서 10.4 dB의 값을 얻을 수 있었다. Tandem 결합기를 이용한 평형 증폭기는 shunt peaking 기술을 이용한 단일 종단 증폭기에 비해 20% 증가된 3 dB 대역폭을 보였으며, 더 낮은 입력 및 출력 반사 손실을 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 광대역 공간 전력 합성기에 적합한 새로운 구조의 광대역 렌즈 증폭기를 제안하였다. 제안된 렌즈 증폭기는 안정된 광대역 특성을 얻기 위하여 모든 소자를 평형 구조이면서 광대역 특성을 가지도록 설계하였다. 따라서 렌즈 증폭기의 입력부와 출력부 안테나는 팻 다이폴 안테나, 증폭부는 평형 증폭기, 빔 집중을 위한 지연 선로는 평형 구조의 CPS 선로를 각각 사용하였다. 제작된 $5{\times}5$ 이차원(2 dimensional) 렌즈 증폭기는 6 GHz에서 7.5 dB의 절대 이득, 37.4 dB의 EIPG, 그리고 19.6 %의 이득 대역폭을 얻었다. 기존의 렌즈 증폭기들에 비해 제안된 이차원 렌즈 증폭기는 중심 주파수 6 GHz 대역에서 넓은 3-dB 이득 대역폭을 제공하므로 C-band 무선 통신 시스템의 광대역 전력 합성기로 적합할 것으로 기대된다.
본 논문에서는 feedforward와 post-distortion 기법을 이용하여 평형 증폭기 내에서 발생하는 혼변조 왜곡 성분을 제거할 수 있는 새로운 왜곡 상쇄 메커니즘인 cross post-distortion 선형화 기법을 제안한다. 출력 동적 영역과 대역폭 측면에서 제안하는 선형화 방식은 기존의 feedforward 방식에 뒤지지 않는 성능을 가지고 있으면서 상대적으로 높은 효율을 제공한다. 이론적 뒷받침을 위해 제안하는 시스템과 feedforward 방식의 전력 증폭기와 오차증폭기의 전력 용량을 비교 분석하였고, IMT-2000 대역에서 실제 구현을 통하여 이를 실험적으로 뒷받침하였다. 최대 출력 전력 240 W의 기지국용 상용 대전력 증폭기에 적용했을 때, wideband code division multiple access (WCDMA) 4FA 신호에 대하여 평균 출력 전력 40 dBm에서 약 18.6 dB의 개선 효과를 얻었다. 제작된 전력 증폭기는 WCDMA 신호 기준으로 feedforward 방식에 비해 약 2 % 개선된 효율을 보였다.
본 논문은 초고주파 전력증폭기용 LDMOS(Lateral double-diffused MOS) MRF-21060소자의 게이트 바이어스 전압을 조절하여 온도 변화에 따른 드레인(Drain) 전류의 변화를 억제하기 위한 PNP 트랜지스터를 사용하여 능도 바이어스 회로 구현하였다. MRF-21060을 구동하기 위한 방법으로서는 AH1과 평형증폭기인 A11을 사용하여 구동 증폭단을 설계.제작하였다. 제작된 5W 초고주파 전력증폭기는 0~$60^{\circ}C$까지의 온도변화에 대하여 소모전류 변화량이 수동 바이어스 회로에서 0.5A로 높은 반면, 능동 바이어스 회로에서는 0.1A이하의 우수한 특성을 얻었다. 전력증폭기는 2.11~2.17GHz주파수 대역에서 32dB 이상의 이득과 $\pm$0.09dB이하의 이득 평탄도가 나타났으며, -19dB이하의 입.출력 반사손실을 가진다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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