KR101778117B1 - 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Ｃｌａｓｓ－ Ｆ ＧａＮ 전력증폭장치 - Google Patents

메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Ｃｌａｓｓ－ Ｆ ＧａＮ 전력증폭장치 Download PDF

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Abstract

메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치가 개시되어 있다. 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 CRLH 특성의 고조파 조절회로를 각각 포함하는 입력정합부와 출력정합부를 포함할 수 있다. 따라서 다중밴드 정합에 대한 제약을 해결하고 이중대역간 출력특성의 불균형에 대한 해소 및 IMD의 특성을 개선시킬 수 있다.

Description

메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Ｃｌａｓｓ－ Ｆ ＧａＮ 전력증폭장치 {Apparatus for Dual-Band Class-F GaN Power Amplification using a Structure of Meta Electromagnetic Waves}
본 발명은 전력증폭장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중밴드 정합의 제약을 해결하고, 이중대역간 출력특성의 불균형에 대한 해소 및 IMD의 특성을 개선시킬 수 있는 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치에 관한 것이다.
무선통신 분야의 급속한 성장으로 이동통신 분야에 이용 가능한 채널에 대한 요구가 증가하고 있으며, 무선통신에서 사용하는 장비 또한 전 세계적으로 사용하고 있는 서로 다른 무선통신 표준에서 고르게 동작하도록 요구되고 있는 실정이다. 이로 인해 동작 특성이 무선환경에 따라 손실 없이 변화 될 수 있는 요구를 충족시키는 것이 시급하다. 또한 현재에 이르러 다양한 서비스를 공급하기 위한 다중 대역화가 이루어지고 있다. 기존의 다중대역에서 동작하는 증폭기는 각각의 주파수에 해당되는 증폭기를 배치하여 다른 수동소자들과 결합하는 형태로 구성되었으며 이로 인해 회로의 복잡성, 정합단 구현의 어려움, 전기적 길이의 제약 및 심한 전력소모 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 이러한 배경에서 착안된 것으로서, 본 발명은 메타 전자파 특성을 갖는 단위셀을 사용함으로써 다중밴드 정합에 대한 제약을 해결하고, 출력정합부의 고조파 조절회로와 입력정합부의 고조파 조절회로를 통해 이중대역간 출력특성의 불균형에 대한 해소 및 IMD의 특성을 개선시킬 수 있는 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일 측면(Aspect)에서 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치를 제공한다. 상기 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치는 복수개의 중심 주파수를 증폭시키는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor); 및 상기 전계 효과 트랜지스터와 연결되며, 상기 복수개의 중심 주파수의 임피던스 매칭을 수행하는 입력정합부 및 출력정합부를 포함할 수 있다. 상기 입력정합부 및 상기 출력정합부는 상기 복수개의 중심주파수의 제 2 고조파와 제 3 고조파 등을 억제하는 기능을 수행하는 한 쌍의 상호 병렬 연결된 고조파 조절회로를 각각 포함할 수 있다. 상기 고조파 조절회로는 상호 병렬 연결되는 한 쌍의 단위셀을 포함할 수 있다. 상기 단위셀은 CRLH(composite right/left-handed) 전송선로 복수개와 상기 CRLH 전송선로 복수개 사이에 연결되며 복수개의 커패시터를 포함하는 연결선로 및 상기 연결선로에 병렬 연결되고 종단에 그라운드를 포함하는 인덕터선로를 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 메타 전자파 구조의 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치를 제공함으로써 다중밴드 정합에 대한 제약을 해결하고, 이중대역간의 출력특성의 불균형에 대한 해소 및 IMD의 특성을 개선시킬 수 있다.
도 1은 RH 전송선로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 2는 LH 전송선로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 3은 CRLH 전송선로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 상호 병렬 연결된 한 쌍의 단위셀을 포함하는 고조파 조절회로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 고조파 조절회로의 S-파라미터 모의 실험 결과를 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치의 구조를 도시하는 참고도이다.
도 7은 도 6에 도시된 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치의 구현모습을 도시하는 참고도이다.
도 8a는 900MHz 대역에서 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치의 IMD 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 8b는 2.14GHz 대역에서 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치의 IMD 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 9는 단일 FET를 이용한 이중대역 증폭장치와 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치의 동작 특성의 결과를 비교하여 요약한 수치를 도시하는 도표이다.
이하, 설명한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 RH 전송선로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 상기 RH 전송선로(100)는 값을 갖는 직렬 인덕터 및 값을 갖는 병렬 커패시터를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 은 단위 길이()당 직렬 인덕턴스의 성분()을 나타낸다. 또한 상기 은 단위 길이()당 병렬 커패시턴스의 성분()을 나타낸다. 상기 직렬 인덕터 및 병렬 커패시터는 위상 지연(phase delay)을 만드는 오른손 전파 법칙의 요소들을 의미할 수 있다.
즉, RH 전송선로(100)의 매질은 유전율(epsilon)과 투자율(magnetic permeability) 및 전자파의 파 벡터(wave vector)로 표현되는 위상 전파 방향(위상속도)과 Poynting 벡터로 나타나는 에너지 전달 방향(군속도)가 모두 양의 값을 가지는 플래밍의 오른손 법칙(Fleming's right hand rule)을 따를 수 있다.
도 2는 LH 전송선로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 LH 전송선로(200)는 값을 갖는 병렬 인덕터와 값을 갖는 직렬 커패시터를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 은 단위 길이()당 병렬 인덕턴스의 성분()을 나타낸다. 또한 상기 은 단위 길이()당 직렬 커패시턴스의 성분()을 나타낸다. 상기 병렬 인덕터 및 직렬 커패시터는 위상 선도(phase lead)를 만드는 왼손 전파 법칙의 요소들을 의미할 수 있다.
즉, LH 전송선로(200)의 매질은 유전율과 투자율 및 전자파의 파 벡터로 표현되는 위상 전파 방향(위상속도)과 Poynting 벡터로 표현되는 에너지 전달 방향(군속도)가 모두 음의 값을 가지는 플래밍의 왼손 법칙(Fleming's left hand rule)을 따를 수 있다.
예컨대, RH 전송선로(100)에서는 신호의 진행방향에 비례하여 전기적 길이가 늘어나지만, 상기 LH 전송선로(200)에서는 신호의 진행방향에 비례하여 전기적 길이가 짧아질 수 있다. 상기 LH 전송선로(200)는 일반 전송선로, 예컨대 마이크로스트립 및 도파관 등으로 구현됨으로써 LH 및 RH 특성이 혼합된 CRLH 전송선로로 가용될 수 있다.
상기 CRLH 전송선로(300)는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 CRLH 전송선로(300)의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 CRLH 전송선로(300)는 Z' 구간(310)과 Y' 구간(320)의 결합으로 구성될 수 있다. 상기 Z' 구간(310)은 값을 갖는 직렬 인덕터(310a)와 값을 갖는 직렬 커패시터(320b)를 포함하며, 상기 CRLH 전송선로(300)의 임피던스 성분을 나타낸다. 이 때, 상기 은 단위 길이()당 직렬 인덕턴스의 성분()을 나타내며, 상기 은 단위 길이()당 직렬 커패시턴스의 성분()을 나타낸다. 상기 Y' 구간(320)은 값을 갖는 병렬 인덕터(320a)와 값을 갖는 병렬 커패시터(310b)를 포함하며, 상기 CRLH 전송선로(300)의 어드미턴스 성분을 나타낸다. 이 때, 상기 은 단위 길이()당 병렬 인덕턴스의 성분()을 나타내며, 상기 은 단위 길이()당 병렬 커패시턴스의 성분()을 나타낸다. 상기 CRLH 전송선로(300)는 저주파 대역에서는 값을 갖는 직렬 인덕터(310a)가 단락되고 값을 갖는 병렬 커패시터(310b)는 개방되어 LH 전송선로(200)의 특성이 나타날 수 있다. 그러나, 고조파 대역에서는 값을 갖는 직렬 커패시터(320b)가 단락되고 값을 갖는 병렬 인덕터(320a)는 개방되어 RH 전송선로(100)의 특성이 나타날 수 있다. 즉, RH 전송선로(100)의 특성 및 LH 전송선로(200)의 특성에 따라 CRLH 전송선로(300)의 특성이 가변할 수 있다.
도 4는 상호 병렬 연결된 한 쌍의 단위셀을 포함하는 고조파 조절회로의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 고조파 조절회로(HC)는 상호 병렬 연결된 제 1 단위셀(UC1) 및 제 2 단위셀(UC2)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 단위셀(UC1)은 제 1 CRLH 전송선로(301) 및 제 2 CRLH 전송선로(302)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 단위셀(UC1)은 상기 제 1 CRLH 전송선로(301)와 제 2 CRLH 전송선로(302) 사이에 연결되며 복수개의 커패시터를 포함하는 제 1 연결선로(305) 및 상기 제 1 연결선로(305)에 병렬 연결되고 종단에 그라운드를 포함하는 제 1 인덕터선로(307)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 단위셀(UC2)은 제 3 CRLH 전송선로(303) 및 제 4 CRLH 전송선로(304)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 단위셀(UC2)은 상기 제 3 CRLH 전송선로(303)와 제 4 CRLH 전송선로(304) 사이에 연결되며 복수개의 커패시터를 포함하는 제 2 연결선로(306) 및 상기 제 2 연결선로(306)에 병렬 연결되고 종단에 그라운드를 포함하는 제 2 인덕터선로(308)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 고조파 조절회로(HC)의 S-파라미터 모의 실험 결과를 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 고조파 조절회로(HC)는 900 MHz 및 2.14 GHz의 대역에서 각각 제 2 고조파에 해당되는 주파수 성분은 단락(short)이 되고, 제 3 고조파에 해당되는 주파수 성분은 개방(open)이 되어 고조파를 조절하는 기능을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치(이하, 전력증폭장치로 약칭)의 구조를 도시하는 구조도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전력증폭장치(1)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; 이하 FET로 약칭)(10) 및 입력정합부(20)와 출력정합부(30)를 포함할 수 있다.
상기 FET(10)는 복수개의 중심 주파수를 증폭시킬 수 있다. 상기 FET(10)는 소스와 게이트 및 드레인을 포함할 수 있다.
상기 입력정합부(20)는 상기 복수개의 중심 주파수의 임피던스 매칭을 수행함으로써 이중대역 간 출력특성의 불균형을 해소할 수 있다. 상기 입력정합부(20)는 상호 병렬 연결되는 한쌍의 고조파 조절회로(HC)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 입력정합부(20)는 제 1 고조파 조절회로(HC1)와 제 2 고조파 조절회로(HC2)를 포함한다고 가정한다.
상기 출력정합부(30)는 짝수(even) 고조파에서는 단락(short)이 되고 홀수(odd) 고조파에서는 개방(open)이 되는 동작을 수행함으로써 상기 전력증폭장치(1)의 효율에 가장 큰 영향을 미치는 제 2 고조파와 제 3 고조파 등을 억제할 수 있으며, 또한 임피던스 매칭을 통해 이중대역 간 출력특성의 불균형을 해소할 수 있다. 상기 출력정합부(30)는 상호 병렬 연결되는 복수개의 고조파 조절회로(HC)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 출력정합부(30)는 제 3 고조파 조절회로(HC3)와 제 4 고조파 조절회로(HC4)를 포함한다고 가정한다.
상기 전력증폭장치(1)는 종단에 단 및 단을 포함하는 전압공급부(40)를 더 포함할 수도 있다.
상기 전력증폭장치(1)는 FET(10)의 게이트와 입력정합부(20)를 연결하는 게이트선로(10G)와 상기 FET(10)의 드레인과 출력정합부(30)를 연결하는 드레인선로(10D)및 상기 FET(10)의 소스에 연결되며 종단에 그라운드를 포함하는 소스선로(10S)를 더 포함할 수도 있다.
상기 전력증폭장치(1)는 일단이 상기 게이트선로(10G)에 병렬 연결되며 타단이 전압공급부(40)에 직렬 연결되는 제 1 인덕터선로(10a)를 더 포함할 수도 있다. 또한 상기 전력증폭장치(1)는 일단이 상기 상기 드레인선로(10D)에 병렬 연결되며 타단이 전압공급부(40)에 연결되는 제 2 인덕터선로(10b)를 더 포함할 수도 있다.
상기 구성을 구비한 전력증폭장치(1)는 다음과 같이 동작한다.
전압공급부(40)에서 복수개의 중심 주파수 전압이 공급되고, 상기 복수개의 중심 주파수 전압은 FET(10)의 게이트에 연결된 게이트선로(10G)를 따라 이동하며 입력정합부(20)에 공급된다. 상기 입력정합부(20)는 상기 복수개의 중심 주파수 전압에 대한 중심 주파수의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 입력정합부(20)의 상호 병렬 연결된 제 1 고조파 조절회로(HC1)와 제 2 고조파 조절회로(HC2)는 짝수 고조파에서는 단락(short)이 되고, 홀수 고조파에서는 개방(open)이 되는 동작을 수행함으로써 상기 복수개의 중심 주파수의 하모닉 주파수 성분인 제 2 고조파와 제 3 고조파 등을 억제할 수 있다.
상기 입력정합부(20)에서 임피던스 매칭된 상기 복수개의 중심 주파수는 게이트선로(10G)를 따라 이동하며 FET(10)의 게이트에 공급된다. 상기 FET(10)의 게이트에 공급된 상기 복수개의 중심 주파수는 상기 FET의 드레인 전류()에 의해 증폭되며, 증폭된 상기 복수개의 중심 주파수는 상기 FET의 드레인에 연결된 드레인선로(10D)를 따라 이동하며 출력정합부(30)로 공급된다.
상기 출력정합부(30)는 상기 복수개의 중심 주파수의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 출력정합부(30)의 제 3 고조파 조절회로(HC3)와 제 4 고조파 조절회로(HC4)는 짝수 고조파에서는 단락(short)이 되고, 홀수 고조파에서는 개방(open)이 되는 동작을 수행함으로써 상기 복수개의 중심 주파수의 하모닉 주파수 성분인 제 2 고조파와 제 3 고조파 등을 억제할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력증폭장치(1)의 구현모습을 도시하는 참고도로서, 상기 전력증폭장치(1)가 제작된 모습을 나타낸다.
도 8a는 900MHz 대역에서 전력증폭장치(1)의 혼변조 왜곡(intermodulation distortion; 이하 IMD로 약칭) 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 상기 전력증폭장치(1)의 IMD는 900MHz 대역에서 -23.17dBc를 나타낸다.
도 8b는 2.14GHz 대역에서 전력증폭장치(1)의 IMD 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 전력증폭장치(1)의 IMD는 2.14GHz 대역에서 -25.67dBc를 나타낸다.
도 9는 단일 FET를 이용한 이중대역 증폭장치와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력증폭장치(1)의 동작 특성 결과를 비교하여 요약한 수치를 도시하는 도표로서, 동일한 동작 주파수 상에서 이중대역 전력증폭장치와 비교하여 상기 전력증폭장치(1)의 출력전력 효율 및 IMD의 개선 등을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 메타 전자파 구조를 이용한 이중대역 Class-F GaN 전력증폭장치에 있어서, 상기 전력증폭장치는,
    복수개의 중심 주파수를 증폭시키며, 게이트, 드레인, 소스를 포함하는 하나의 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor);
    게이트선로를 통하여 상기 게이트에 연결되며, 상기 복수개의 중심 주파수의 임피던스 매칭을 수행하는 입력정합부;
    드레인선로를 통하여 상기 드레인에 연결되며, 짝수 고조파에서는 단락되고 홀수 고조파에서는 개방되는 출력정합부; 및
    소스선로를 통하여 상기 소스에 연결되는 그라운드
    를 포함하되,
    상기 입력정합부는 서로 병렬 연결된 제1 고조파 조절회로 및 제2 고조파 조절회로를 포함하고,
    상기 출력정합부는 서로 병렬 연결된 제3 고조파 조절회로 및 제4 고조파 조절회로를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 고조파 조절회로는 각각 서로 병렬 연결되는 한 쌍의 단위셀을 포함하고, 각각의 단위셀은
    한 쌍의 CRLH(composite right/left-handed) 전송선로;
    상기 한 쌍의 CRLH 전송선로들 사이에 연결되며 복수개의 커패시터를 포함하는 연결선로; 및
    상기 연결선로에 병렬 연결되고 종단에 그라운드를 포함하는 제1 인덕터선로
    를 포함하고,
    상기 CRLH 전송선로는
    적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터가 직렬로 연결된 제1 회로; 및
    적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터가 병렬로 연결된 제2 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 출력정합부는 짝수(even) 고조파에서는 단락(short)되고, 홀수(odd) 고조파에서는 개방(open)되는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 전력증폭장치는 일단이 상기 게이트선로에 병렬 연결되는 제2 인덕터선로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전력증폭장치는 일단이 상기 드레인선로에 병렬 연결되는 제3 인덕터선로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전력증폭장치는 전압을 공급하는 전압공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압공급부는 복수개의 중심 주파수 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
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