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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

임은재 (경남대학교, 慶南大學校)

지도교수
李永哲
발행연도
2016
저작권
경남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

내부정합된 GaN HMET를 이용한 광대역 J-급 전력증폭기 설계
임은재 ,  유찬세 ,  김도경 외 4명 한국전자파학회논문지 2017.02 학술저널

2016

다이나믹 바이어스를 적용한 내부정합 된 광대역 class-J 전력증폭기에 관한연구
임은재 尖端工學科 2016.01 학위논문

초록· 키워드

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이동통신 시스템의 발전에 따라 전력증폭기의 고효율, 광대역 특성 개선을 위한 연구가 요구된다. 전력증폭기의 효율특성을 개선하기 위해 스위치 모드 전력증폭기에 대한 연구가 진행되고 있으나 Class-D, E, F와 같은 스위치 모드 전력증폭기는 출력단에서 고유하게 나타나는 하모닉 신호에 의하여 효율저하와 전력증폭소자의 스위칭 속도의 한계성과 비선형성으로 인하여 스위치 모드 전력증폭기의 실용성에 문제가 있다.
이러한 문제점 때문에 전력증폭기의 2차 하모닉만 제어하여 고효율 특성을 갖는 Class-J 전력증폭기의 광대역 동작에 대한 연구가 진행되어왔다. 광대역 Class-J 전력증폭기 설계에 있어 기본 동작 주파수에 맞는 2차 하모닉의 정합이 필요하나 기존의 연구결과에서는 2차 하모닉 정합회로의 주파수 응답특성에 대한 분석을 고려하지 않아서 광대역 전력증폭기 설계에서 Class-J 동작조건을 불만족하게 되며, Class-B 동작과 위상이 반전된 Class-J* 동작을 포함하기 때문에 전력증폭기의 효율이 저하되는 문제점이 존재한다.
따라서 본 논문에서는 스터브 선로를 이용하여 2차 하모닉이 리액턴스 특성을 갖도록 내부 정합회로를 설계하고, 내부정합 스터브 선로의 특성 임피던스 변화에 따른 주파수 응답특성을 분석하였다. 최적화된 내부정합 스터브 선로는 유전율 8.3의 세라믹 재료에 LTCC 공정으로 제작하여, 2차 하모닉 정합기능을 갖는 GaN PAM으로 광대역 Class-J 전력증폭기를 설계하였다. 설계된 광대역 Class-J 전력증폭기의 고효율 특성을 얻기 위하여 다이나믹 바이어스를 적용하였으며, 설계된 Class-J 전력증폭기의 출력전력, 선형성, 효율의 절충점을 고려하여 동작조건을 최적화 하였다.
본 논문에서 연구한 다이나믹 바이어스를 적용한 광대역 Class-J 전력증폭기는 1.8GHz-2.7GHz의 900MHz 대역특성과 2.2GHz에서 출력 기준 측정결과 48.01dBm의 출력전력, 10.01dB의 전력이득, 73.33%의 드레인 효율, 66.02%의 전력부가효율의 특성을 나타낸다. 다이나믹 바이어스 적용 결과 7dB 백-오프 된 출력에서 최대 41.55%의 효율특성을 확인하였으며, 다이나믹 바이어스 적용전과 비교하였을 때, 드레인 효율은 10.07%, 전력부가효율은 9.22% 개선됨을 확인하였다. -41.27dBc/40.7dBm@1tone의 IMD 특성과 58.35dBm의 OIP3 특성을 나타내어 비선형 특성이 우수함을 보였다. 이 값은 이동통신 기지국용 전력증폭기에서 요구하는 40% 이하의 효율특성을 능가함으로 우수함을 보였다.
본 논문에서 구현한 내부정합 GaN 광대역 Class-J 전력증폭기는 1.8GHz-2.7GHz의 900MHz의 대역폭에서 50W급의 출력특성과 60% 이상의 효율특성을 가지며, 다이나믹 바이어스 적용을 통해 7dB 백-오프 된 출력에서 10.07%의 효율특성을 개선함으로써 중계기용 전력증폭기에 적용된 Doherty 전력증폭기를 대체할 수 있을 것이라 판단된다.

목차

국문요약
제 1 장 서 론 = 1
1-1 연구의 필요성 및 목적 = 1
1-2 연구방법 및 구성 = 5
제 2 장 마이크로파 전력증폭소자의 특성과 GaN PAM = 8
2-1 마이크로파 전력증폭소자의 특성 = 8
2-1-1 마이크로파 전력증폭소자의 개발 동향 = 8
2-1-2 마이크로파 전력증폭소자의 물질 특성 비교 = 9
2-1-3 GaN 전력증폭소자 등가회로 모델 특성분석 = 12
2-2 마이크로파 전력증폭기의 광대역 특성분석 = 15
2-2-1 마이크로파 전력증폭기의 광대역 설계법 = 15
2-2-2 광대역 마이크로파 전력증폭기 정합회로 = 16
2-2-3 스터브(Stub) 선로 정합회로의 주파수 응답 특성 = 18
2-3 마이크로파 GaN PAM 패키징 = 23
2-3-1 마이크로파 GaN PAM 패키지 분석 = 23
2-3-2 저온 세라믹 공정을 이용한 고 유전율 정합회로 = 26
2-3-3 내부정합 된 GaN PAM 기생성분 분석 = 28
제 3 장 Class-J 전력증폭기의 광대역, 고효율 특성분석 = 31
3-1 전력증폭기의 구동방식 분석 = 31
3-1-1 전력증폭기의 효율특성 = 31
3-1-2 선형모드 전력증폭기 동작특성 분석 = 33
3-1-3 고효율 스위치 모드 전력증폭기 동작특성 분석 = 35
3-2 Class-J 전력증폭기 특성 분석 = 42
3-2-1 광대역 Class-J 전력증폭기의 동작특성 분석 = 42
3-2-2 Class-J 전력증폭기의 비선형 특성 분석 = 48
3-3 광대역 Class-J 전력증폭기의 백-오프 효율개선 = 50
3-3-1 Envelope Tracking에 의한 전력증폭기의 협대역 특성 = 50
3-3-2 광대역 다이나믹 바이어스의 동작 분석 = 52
제 4 장 광대역 Class-J 전력증폭기 고효율 설계 및 제작 = 56
4-1 2차 하모닉 내부 정합회로가 적용된 GaN PAM 설계 및 제작 = 56
4-1-1 GaN PAM 패키지 기생성분 분석 = 57
4-1-2 2차 하모닉 내부 정합회로가 적용된 GaN PAM 패키징 설계 = 60
4-1-3 2차 하모닉 내부 정합회로가 적용된 GaN PAM 제작 및 분석 = 69
4-2 광대역 Class-J 전력증폭기 설계 및 제작 = 74
4-2-1 광대역 Class-J 전력증폭기 설계 = 74
4-2-2 광대역 Class-J 전력증폭기 제작 및 성능분석 = 85
4-3 다이나믹 바이어스를 적용한 광대역 Class-J 전력증폭기 설계 및 제작 = 93
4-3-1 전력증폭기 모델링을 이용한 다이나믹 바이어스 최적화 = 93
4-3-2 다이나믹 바이어스 구현 및 성능분석 = 102
4-3-3 다이나믹 바이어스를 적용한 전력증폭기 비선형 특성 분석 = 106
제 5 장 결 론 = 109
참 고 문 헌 = 111
약 어 정 리 = 122
ABSTRACT = 123

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