효율 향상을 위해 포락선 추적 기술을 이용한 비대칭 포화 3-Stage 도허티 전력 증폭기

김일두(Ildu Kim),지승훈(Seunghoon Jee),문정환(Junghwan Moon),손정환(Junghwan Son),김정준(Jungjoon Kim),김범만(Bumman Kim) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.8

본 논문에서는 1:2:2의 비대칭 3-stage 도허티 전력 증폭기의 동작을 살펴보고, Freescale사의 4 W, 10 W LDMOSFET을 이용하여 1 GHz에서 구현하였다. 두 번의 최대 효율 특성을 갖는 N-way 도허티 전력 증폭기와 비교하였을 때, 비대칭 3-stage 도허티 전력 증폭기는 세 번의 최대 효율 특성을 갖도록 함으로써 백 오프된 출력 전력영역에서의 심각한 효율 저하를 극복할 수 있고, 주어진 변조 신호에서의 평균 효율을 최대화 할 수 있다. 효율 특성을 더욱 최적화하기 위해, 역 F급 전력 증폭기를 캐리어 및 피킹 전력 증폭기로 설계하였다. 또한, 적절한 로드 모듈레이션 동작을 이끌어내기 위해, 포락선 추적 방법에 근거한 적응 게이트 바이어스 조절 신호를 두 개의 피킹 전력 증폭기에 인가하였다. 8.5 ㏈의 PAPR을 갖는 802.16e Mobile WiMAX 신호에 대해 제안된 비대칭 도허티 전력 증폭기는 36.85 ㏈m에서 55.46 %의 높은 효율 특성을 얻었고, ?37.23 ㏈의 우수한 RCE 특성을 유지하였다. 본 논문에서는 처음으로 포화 증폭기와 적응 게이트 바이어스 조절 신호를 비대칭 3-stage 도허티 전력 증폭기에 적용하였으며, 이를 통해 기지국용 고효율 전력 송신기의 설계가 구현 가능함을 성공적으로 검증하였다. We have investigated operation of a 1:2:2 asymmetric 3-stage Doherty PA(Power Amplifier) and implemented using the Freescale’s 4 W, 10 W PEP LDMOSFETs at 1 GHz. By employing the three peak efficiency characteristics, compared to the two peak N-way Doherty PA, the asymmetric 3-stage Doherty can overcome the serious efficiency degradation along the backed-off output power region and maximize the average efficiency for the modulation signal. To maximize the efficiency characteristic, the inverse class F PA has been designed as carrier and peaking amplifiers. Furthermore, to extract the proper load modulation operation, the adaptive gate bias control signal has been applied to the two peaking PAs based on the envelope tracking technique. For the 802.16e Mobile WiMAX(World Interoperability for Microwave Access) signal with 8.5 ㏈ PAPR(Peak to Average Power Ratio), the proposed Doherty PA has shown 55.46 % of high efficiency at an average output power of 36.85 ㏈m while maintaining the ?37.23 ㏈ of excellent RCE(Relative Constellation Error) characteristic. This is the first time demonstration of applying the saturated PA and adaptive gate bias control technique to the asymmetric 3-stage Doherty PA for the highly efficient transmitter of the base-station application.

IEEE 802.16e Mobile WiMAX용 고효율 고출력 하이브리드 포락선 제거 및 복원 전력 송신기

김일두(Ildu Kim),문정환(Junghwan Moon),김장헌(Jangheon Kim),김정준(Jungjoon Kim),김범만(Bumman Kim) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.8

본 논문에서는 효율이 특화된 전력 증폭기를 이용하여 IEEE 802.16e Mobile WiMAX용 고출력 하이브리드 포락선 제거 및 복원 전력 송신기에 대해 기술하였다. Nitronex사의 100-W PEP를 갖는 GaN HEMT 소자를 이용하여 중요한 전력 생성 Vds 구간에 대하여 최대 PAE를 가질 수 있도록 전력 증폭기를 설계하였다. 고출력 응용을 위해서 하이브리드 포락선 제거 및 복원 전력 송신기는 전력 증폭기의 bias fluctuation 문제 및 바이어스 변조기의 stability 문제에 의한 regenerative 오실레이션 문제를 반드시 고려하여 설계되어야 한다. 연동 실험을 위하여, 8.5 ㏈의 PAPR을 갖는 포락선 신호에 대해 바이어스 변조기는 30 V의 최대 출력 전압 크기를 가지면서 72 %의 높은 효율을 유지하도록 구현되었다. WiMAX 신호를 목표로 구현된 하이브리드 포락선 제거 및 복원 전력 송신기는 41.25 ㏈m의 출력 전력에서 38.8 %의 높은 PAE 성능을 얻었다. 또한, 디지털 전치 왜곡 기술을 적용함으로써 전력 송신기의 RCE 성능은 -34.5 ㏈를 기록하여 WiMAX 신호의 선형화 지표를 만족시킬 수 있었다. 본 연구는 2.655 ㎓ 주파수 대역에서 처음으로 구현된 WiMAX용 고출력 하이브리드 포락선 제거 및 복원 전력 송신기에 관한 것이다. We have described a high power hybrid envelope elimination and restoration(H-EER) transmitter for IEEE 802.16e Mobile World Interoperability for Microwave Access(WiMAX) using an efficiency optimized power amplifier(PA). The PA has been designed to have maximum PAE at the important power generation Vds region using Nitronex 100-W PEP GaN HEMT. For the high power application, H-EER transmitter should be considered the regenerative oscillation problem due to the PA’s bias fluctuation effect and bias modulator stability issue. Therefore, the bias modulator for H-EER transmitter has been designed to suppress the regenerative oscillation. For the interlock experiment, the bias modulator has been built with the efficiency of 72 % and peak output voltage of 30 V for the envelope signal with a PAPR of 8.5 ㏈. The H-EER transmitter for WiMAX application has been achieved a high PAE characteristic, 38.8 % at an output power of 41.25 ㏈m. By using digital predistortion(DPD) technique, the Relative Constellation Error (RCE) has been satisfied the specification of -34.5 ㏈. This is the first work at 2.655 ㎓ high power H-EER transmitter for WiMAX application.

Gate-Bias Control Technique for Envelope Tracking Doherty Power Amplifier

Junghwan Moon(문정환),Jangheon Kim(김장헌),Ildu Kim(김일두),Jungjoon Kim(김정준),Bumman Kim(김범만) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.8

본 논문에서는 선형성 증가를 위해 도허티 증폭기의 게이트 바이어스를 조정하는 방식을 제시하였다. 도허티 증폭기의 선형성 향상은 출력 결합 지점에서의 고조파 상쇄를 통해 이루어진다. 하지만 고조파의 상쇄는 그 크기와 위상이 출력 지점에서 같은 크기와 서로 다른 위상을 가지고 있어야 이루어질 수 있는데, 넓은 출력 전력범위에서 위와 같은 조건을 만족시키는 것은 쉽지 않다. 선형성 증가를 위해 도허티 증폭기의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 선형성 특성을 입력 전력과 각 증폭기의 게이트 바이어스를 조정함으로써 살펴보았다. 살펴본 특성을 기본으로 하여 고조파 상쇄 전력 범위를 증가시키기 위해, 각 전력 레벨에 맞는 게이트 바이어스를 증폭기에 인가하였다. 게이트 바이어스 제어를 통한 선형성 향상을 알아보기 위해, 2.345 ㎓에서 Eudyna사의 10-W PEP GaN HEMT EGN010MK 소자를 이용하여 도허티 전력 증폭기를 설계하였고, P1㏈로부터 10 ㏈ back-off 지점인 33 ㏈m에서 고효율과 고선형성을 위해 최적화 되었다. WCDMA 1-FA 신호에 대해 제안된 게이트 바이어스 컨트롤 된 도허티 증폭기는 2.8 ㏈의 선형성 개선을 확인할 수 있었으며, 26 %의 PAE를 확인할 수 있었다. 또한, 802.16-2004 신호에 대해 RCE가 2 ㏈ 증가됨을 확인할 수 있었다. The gate-biases of the Doherty power amplifier are controlled to improve the linearity performance. The linearity improvement mechanism of the Doherty amplifier is the harmonic cancellation of the carrier and peaking amplifier at the output power combining point. However, it is difficult to cancel the harmonic power for the broader power range because the condition for cancelling is varied by power. For the linearity improvement, we have explored the linearity characteristic of the Doherty amplifier according to the input power and gate biases of the carrier and peaking amplifier. To extend the region of harmonic power cancellation, we have injected the proper gate bias to the carrier and peaking amplifier according to the input power levels. To validate the linearity improvement, the Doherty amplifier is designed using Eudyna 10-W PEP GaN HEMT EGN010MKs at 2.345 ㎓ and optimized to achieve a high linearity and efficiency at an average output power of 33 ㏈m, backed off about 10 ㏈ from the P1㏈. In the experiments, the envelope tracking Doherty amplifier delivers a significantly improved adjacent channel leakage ratio performance of -37.4 ㏈c, which is an enhancement of about 2.8 ㏈, maintaining the high PAE of about 26 % for the WCDMA 1-FA signal at an average output power of 33 ㏈m. For the 802.16-2004 signal, the amplifier is also improved by about 2 ㏈, -35 ㏈.

GaAs FET의 parasitic components 가 초고주파 이득에 미치는 영향

서영석(Youngseok Seo),김범만(Bumman Kim) 대한전자공학회 1990 대한전자공학회 학술대회 Vol.1990 No.11

레이다 송수신 모듈용 X-band 14W 전력증폭기 연구

임준열(Joonyoul Leem),노태문(Taemoon Roh),김범만(Bumman Kim) 대한전자공학회 1995 대한전자공학회 학술대회 Vol.1995 No.12

Compact and Wideband Coupled-Line 3-㏈ Ring Hybrids

Hee-Ran Ahn(안희란),Jungjoon Kim(김정준),Bumman Kim(김범만) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.8

두 종류의 넓은 대역폭을 갖는 ring hybrids(하나는 coupled line이 포함되어 있고, 다른 하나는 left-handed transmission line을 포함한 ring hybrids)가 비교되었으며, 비교 결과로부터 coupled line을 포함한 ring hybrid가 모든 면에서 우수한 특성을 가짐을 보여줬다. 그러나, coupled line을 포함한 ring hybrid는 -3 ㏈ coupling power를 가질 경우에 한해서만이 perfect matching이 이루어지기 때문에, perfect matching을 갖는 coupled line ring hybrid는 2차원으로 구현하기는 거의 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위해서 coupled line을 해석했고, 그 해석 결과로부터 coupling coefficient에 관계없이 어느 경우에도 perfect matching을 이룰 수 있는 설계 식을 유도했다. 이 설계식을 이용하여, transmission line의 길이가 π보다 큰 경우에도 적용될 수 있는 크기를 줄이기 위한 새로운 형태의 transmission line 등가회로를 제시했다. 이 새로운 형태의 transmission line의 등가회로를 이용하면 기존의 ring hybrid의 3λ/4의 transmission line을 줄이는 데 사용할 수 있기 때문에 ring hybrid의 크기를 더욱 줄이는 데 장점이 될 수 있다. 이 등가회로를 증명하기 위해서, coupling power를 고정하고 또는 transmission line의 길이를 고정하는 2가지 형태의 simulation을 하였으며, 대역폭은 coupled line의 coupling power에 직접적인 상관 관계가 있음을 보였다. 기존의 등가회로와 새로운 형태의 등가회로를 이용하여, 작고 넓은 대역폭을 가지는 ring hybrid를 제시하였다. 새로 제시된 ring hybrid를 이용하여, 기존의 ring hybrid와 비교하였다. 비교 결과로부터, 본 논문에서 제시한 ring hybrid의 전체 ring 둘레가 1/3보다 더 작음에도 불구하고, 대역폭이 훨씬 넓음을 보여줬다. 작고 넓은 대역폭을 가지는 ring hybrid를 측정했으며, 측정 결과는 -2.78 ㏈, -3.34 ㏈, -2.8 ㏈, -3.2 ㏈의 power division 특성을 보여줬으며, matching과 isolation은 20 % 이상의 대역폭에서 -20 ㏈보다 좋은 특성을 보여줬다. In this paper, two types of wideband 3-㏈ ring hybrids are compared and discussed to show the ring hybrid with a set of coupled-line sections better. However, the better one still has a realization problem that perfect matching can be achieved only with -3 ㏈ coupling power. To solve the problem, a set of coupled-line sections with two shorts is synthesized using one- and two-port equivalent circuits and design equations are derived to have perfect matching, regardless of the coupling power. Based on the design equations, a modified Π-type of transmission-line equivalent circuit is newly suggested. It consists of coupled-line sections with two shorts and two open stubs and can be used to reduce a transmission-line section, especially when its electrical length is greater than π. Therefore, the 3λ/4 transmission-line section of a conventional ring hybrid can be reduced to less than π/2. To verify the modified Π-type of transmission- line equivalent circuit, two kinds of simulations are carried out; one is fixing the electrical length of the coupled-line sections and the other fixing its coupling coefficient. The simulation results show that the bandwidths of resulting small transmission lines are strongly dependent on the coupling power. Using modified and conventional Π-types of transmission-line equivalent circuits, a small ring hybrid is built and named a compact wideband coupled-line ring hybrid, due to the fact that a set of coupled-line sections is included. One of compact ring hybrids is compared with a conventional ring hybrid and the compared results demonstrate that the bandwidth of a proposed compact ring hybrid is much wider, in spite of being more than three times smaller in size. To test the compact ring hybrids, a microstrip compact ring hybrid, whose total transmission-line length is 220°, is fabricated and measured. The measured power divisions(S₂₁, S₄₁, S₂₃ and S₄₃) are -2.78 ㏈, -3.34 ㏈, -2.8 ㏈ and -3.2 ㏈, respectively at a design center frequency of 2 ㎓, matching and isolation less than -20 ㏈ in more than 20 % fractional bandwidth.

Large Signal Modeling of High Power HBT including Thermal effects

Ah-Ram Suh(서아람),Young-Seok Suh(서영석),Bumman Kim(김범만) 대한전자공학회 1994 대한전자공학회 학술대회 Vol.1994 No.11

A 0.13-μm CMOS Multi-Divider for 100 MHz ~ 1 GHz Frequency Synthesizer

최인영(Inyoung Choi),이정철(Jungcheol Lee),윤제형(Jehyung Yoon),서희송(Heesong Seo),김범만(Bumman Kim) 대한전자공학회 2010 대한전자공학회 학술대회 Vol.2010 No.6