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모바일 단말기용 고효율 InGaP/GaAs HBT Inverse Class-F 차동 전력증폭기 설계

  • 최은성 (Choi Eun Seong, 강원대학교 일반대학원)

초록/요약 도움말

본 논문에서는 차세대 무선 통신 시스템 구현에 요구되는 능동 및 수동 핵심 회로 설계 기술을 종합적으로 다루고자, 모바일 단말기를 위한 GaAs HBT 기반의 고출력·고효율 Inverse Class-F 차동 전력증폭기 설계와 향후 Doherty 및 LMBA 등 고효율 시스템으로의 구조 확장을 타겟으로 소형화된 이중 대역 Wilkinson 전력분배기 설계에 관한 연구를 제시한다. 능동 회로 연구에서는 모바일 환경의 제한된 공급 전압 조건에서 고출력 특성을 확보하고자 차동 구조를 채택하였으며, 별도의 부수 회로 추가 없이 능동 소자 자체의 고조파 성분을 제어하는 Inverse Class-F 동작 모드를 분석하였다. 특히 트랜스포머 정합 네트워크를 설계하여 신호의 효율적인 결합과 임피던스 변환을 동시에 달성하였으며, 전압 및 전류 파형 제어를 위한 최적의 고조파 임피던스 조건을 구현하였다. 이를 단간 정합 네트워크가 포함된 2단 차동 구조로 확장하였으며, 고조파 제어가 없는 일반적인 Class-AB 구조와의 비교 분석을 통해 Inverse Class-F 동작 모드가 출력 전력 및 전력부가효율 향상에 미치는 실질적인 유효성을 검증하였다. 설계된 전력증폭기는 2.3-2.7 GHz 대역에서 최대 출력 전력 35 dBm, 최대 전력부가효율 52 %를 달성하였다. 이와 동시에 수동 회로 연구에서는 향후 백오프 영역에서의 효율 개선을 위한 구조 확장 및 다중 표준 지원 시스템 구현 시, 필연적으로 수반되는 회로의 복잡성과 면적 부담을 극복하고자 전송선로 등가 변환 기법을 적용하여 이중 대역 특성과 회로 면적 최소화를 동시에 만족하는 이중 대역 Wilkinson 전력분배기를 설계하였다. 기존의 이중 대역 구조가 다단 선로 및 스텁 추가로 인해 면적이 비대해지는 문제를 해결하기 위해, 일반적인 전송선로를 -형 등가회로로 변환하고 추가적인 소형화 기법을 적용하였다. 특히 고비용·저손실 기판 대신 비용 측면에서 효율적인 FR4 기판을 사용하여 제작 및 측정을 진행함으로써 실용성을 확보하였다. 측정 결과, 소형화 기법을 적용하기 전 구조 대비 약 55%의 획기적인 면적 축소를 이루어냄과 동시에 목표한 두 주파수에서 우수한 정합 특성 및 전력 분배 특성을 나타내어 소형화 설계 기법의 기술적 타당성을 검증하였다.

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목차 도움말

Ⅰ. 서론 1
1. 연구 배경 및 필요성 1
Ⅱ. 전력증폭기의 효율 향상을 위한 기법 3
1. 도통각에 따른 동작 모드 3
2. 고조파 제어 기반 고효율 동작 모드 6
Ⅲ. 고조파 제어 기반 고효율 차동 전력증폭기 13
1. 차동 전력증폭기 13
2. Class-AB 및 Inverse Class-F 1단 차동 전력증폭기 설계 14
1) 트랜스포머 기반 고조파 임피던스 제어 네트워크 분석 14
2) MMIC 및 Multi-layer PCB 설계 18
3) 측정 및 검증 22
3. Inverse Class-F 2단 차동 전력증폭기 설계 26
1) MMIC 및 Multi-layer PCB 설계 26
2) 측정 및 검증 34
Ⅳ. 소형화된 이중대역 Wilkinson 전력분배기 36
1. 이중대역 Wilkinson 전력분배기 36
1) 전송선로의 π-형 등가회로 변환 37
2) 이중대역 동작 특성을 가지는 π-형 등가회로 설계 38
2. 소형화 기법을 적용한 이중대역 Wilkinson 전력분배기 41
1) 이중대역 Wilkinson 전력분배기 구현 41
2) 측정 및 검증 43
Ⅴ. 결론 45
참고문헌 46
Abstract 48
감사의 글 50

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