KR20070096015A - 광대역 마이크로파 증폭기 - Google Patents

광대역 마이크로파 증폭기 Download PDF

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Abstract

스위칭 모드 전력 증폭기들(PAs)에 적합한 E급 부하 회로 토폴로지가 제공된다. 새로운 부하는 상기 증폭기의 출력에 연결된 분로 유도성 요소; 상기 증폭기의 상기 출력에 연결된 직렬 유도성 요소; 및 상기 직렬 유도성 요소에 연결된 직렬 용량성 요소를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 새로운 부하는 8 ~ 10 GHz 범위의 주파수들에서 동작가능하고, 분로 유도성 소자는 상기 증폭기에 대한 유도성 바이어스 선이다. 본 발명은, 본 발명의 교시에 따라 구현되고, 입력 매칭 네트워크; 입력 매칭 네트워크에 연결된 능동 소자 및 능동 소자에 연결된 부하를 포함하는, 이점이 있는 E급 증폭기 설계를 가능케 한다. 또한, 부하의 집중 등가 회로(lumped equivalent circuit) 표현을 제공하는 단계; 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 미리 정해진 주파수 범위에 대해 거의 이상적인 전류 및 전압 동작 특성들을 얻도록 부하의 집중 등가 회로 표현을 최적화하는 단계; 부하의 최적화된 집중 등가 회로 표현을 분산 회로 표현으로 변환하는 단계; 및 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 미리 정해진 주파수 범위에 대해 거의 이상적인 전류 및 전압 동작 특성들을 얻도록 부하의 분산 회로 표현을 최적화하는 단계를 포함하는, E급 증폭기와 함께 사용하기 위한 부하를 설계하는 방법이 개시된다.
E급 증폭기, 스위칭 모드 전력 증폭기, 마이크로파, 입력 매칭 네트워크, 부하 회로

Description

광대역 마이크로파 증폭기{BROADBAND MICROWAVE AMPLIFIER}
본 발명은 전기 및 전자 회로와 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 마이크로파 E급(Class E) 전력 증폭기에 관한 것이다.
다양한 상업적 및 군사적 응용을 위하여, 고효율 마이크로파 전력 증폭기 및 무선 주파수(RF) 전력 증폭기가 필요하다. 통상적인 응용은, 무선 근거리 통신망, 휴대폰 및 통신 시스템뿐 아니라 진보적인 공중 액티브 위상 배열 레이더 시스템(advanced airborne active phased array radar systems)을 포함한다. 기술의 선택, 설계 방법 및 제조 주기 시간이 이러한 시스템들에서의 주된 비용 요인이다. 스위칭 모드, E급 고효율 전력 증폭기들은, 전력을 제한하고 그와 관련된 냉각 비용을 제한하므로, 이러한 응용들 및 다른 응용들에 있어 유용하다. E급 증폭기는, D, E, F급 등과 같이 "스위칭 모드 증폭기들"의 일부이다. 이러한 형태의 증폭기들에서, 트랜지스터는 그 출력 단자에서 오버래핑(overlapping) 전압 및 전류 파형들을 가지지 않는 완벽한 스위치로 동작함으로써, 이상적으로 DC 전력소모량이 0이다. A, A/B, C급과 같은 다른 급의 증폭기들은, 오버래핑 전압 및 전류 파형들을 갖는 전류원으로서 동작하고 그 결과 DC 전력을 소모하게 되고 저효율이 된다.
E급 증폭기들은 직렬 혹은 병렬 공진 부하 네트워크를 사용한다. E급 증폭 기에서의 부하 네트워크의 기능은 전압과 전류 파형들을 정형화(shaping)하는 것이다. 능동 소자의 출력 단자에서의 전류와 전압의 시간에 따른 파형들은 DC 전력 소모를 최소화하는 방식으로 최적화된다. 능동 소자(이 경우 pHEMT임)는 스위치로 동작하고, RF 입력 신호로 구동되어 "ON" 및 "OFF" 상태가 된다. 그 소자의 동작점은 (핀치-오프 영역에서) OFF이거나 (선형 영역에서) ON이 된다. 이상적인 스위칭 동작 조건 하에서, 소자의 출력 단자에서의 출력 전압과 전류 파형들은 동시에 나타나지 않으며, 따라서, 이 소자에서 소모되는 에너지는 "0"이 되어, 이론적으로 100퍼센트의 전력 변환 효율을 가져온다.
여하튼, E급 증폭기의 최대 효율(즉, RF 출력 전력 대 DC 입력 전력의 비율)과 그 동작 대역폭은 조정된 부하들에 의해서 제한된다. 이 제한은, 조정된 부하의 존재가 증폭기에 대해 아주 좁은 동작 대역폭을 만들어 낸다는 사실에 기인한다.
따라서, E급 증폭기의 전력, PAE(power added efficiency) 및 대역폭을 증가시키기 위한 시스템 또는 방법에 대한 필요성이 본 기술 분야에 존재한다.
본 기술분야에서의 이러한 필요성은, 스위칭 모드 전력 증폭기들(PAs)에 적합한 본 발명의 부하 회로 토폴로지들에 의해 다루어질 수 있다. 가장 일반적인 의미로, 본 발명의 부하는 상기 증폭기의 출력에 연결된 분로 유도성 요소(shunt inductive element); 상기 증폭기의 상기 출력에 연결된 직렬 유도성 요소; 및 상기 직렬 유도성 요소에 연결된 직렬 용량성 요소를 포함한다.
예시된 실시예에서, 본 발명의 부하는 8 ~ 10 GHz 범위 및 그 이상의 주파수들에서 동작가능하다. 2개의 중요한 기능들을 제공하기 위해, 즉, 먼저, 상기 증폭기에 대한 유도성 바이어스 선을 제공하고, 두번째로, pHEMT의 출력 드레인-소스 캐패시턴스(Cds)을 병렬 공진에 제공하기 위해, 상기 부하의 일부인, 분로 유도성 요소가 적절하게 선택된다.
본 발명은, 본 발명의 교시에 따라 구현된, 입력 매칭 네트워크; 입력 매칭 네트워크에 연결된 능동 소자; 및 능동 소자에 연결된 부하를 포함하는, 이점이 있는 E급 증폭기 설계를 가능케 한다.
또한, 부하의 집중 등가 회로(lumped equivalent circuit) 표현을 제공하는 단계; 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 미리 정해진 주파수 범위에 대해 거의 이상적인 전류 및 전압 동작 특성들을 얻도록 부하의 집중 등가 회로 표현을 최적화하는 단계; 부하의 최적화된 집중 등가 회로 표현을 분산 회로 표현으로 변환하는 단계; 및 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 미리 정해진 주파수 범위에 대해 거의 이상적인 전류 및 전압 동작 특성들을 얻도록 부하의 분산 회로 표현을 최적화하는 단계를 포함하는, E급 증폭기에 사용하기 위한 부하를 설계하는 방법이 개시된다.
본 발명의 부하 회로들의 고유한 특성들은, E급 HPA들이 넓은 대역폭에 걸쳐 높은 PAE와 전력을 동시에 유지할 수 있게 한다.
도 1a는 종래의 교시에 따른 전형적인 E급 부하의 이상적인 개별 구성요소 구현에 대한 간략화된 개략도.
도 1b는 도 1a에 도시된 부하의 분산 구성요소를 구현한 도면.
도 2a는 본 발명의 교시에 따른 전형적인 E급 부하의 이상적인 개별 구성요소 구현에 대한 간략화된 개략도.
도 2b는 도 2a에 도시된 부하의 분산 구성요소를 구현한 도면.
도 2c는 본 발명의 교시에 따라 설계된 부하의 집중 등가 회로 표현의 전류 및 전압 파형들의 그래프들.
도 3a는 본 발명의 교시에 따라 설계된 광대역 집중 부하의 주파수 의존성을 나타내는 스미스 챠트(Smith Chart).
도 4는 본 발명의 교시에 따른 광대역 E급 부하를 갖는 모놀리식 E급 증폭기의 분산 표현에 대한 개략적인 회로도.
도 5는 도 4의 증폭기의 pHEMT 출력 단자들에서의 시뮬레이션된 전압과 전류 파형들을 나타내는 도면.
예시적인 실시예들 및 예시적인 응용들이, 본 발명의 이점이 있는 교시를 개시하기 위해 첨부 도면들을 참조하여 지금부터 설명될 것이다.
본 발명은 특정 응용들에 대한 예시적인 실시예들을 참조하여 본원에서 설명되지만, 본 발명이 그에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자 및 본원에 제공된 교시에 접근할 수 있는 자는, 그 범위 및 본 발명이 상당히 유용할 수 있는 추가의 분야들 내에 추가의 수정, 응용 및 실시 예들이 존재한다는 것을 인식할 것이다.
도 1a는 종래의 교시에 따른 전형적인 E급 부하의 이상적인 개별 구성요소 구현에 관한 간략화된 개략도이다. 도 1a에 도시된 것처럼, 스위치(12')로 표현된 전형적인 E급 증폭기는 유도성 바이어스 선(14')를 거쳐서 소스(Vds)에 연결되어 있다. 스위치(12')는 반전 L형(직렬 L, 분로 C) 파형 정형 부하 네트워크(20')에 연결되고 캐패시터(22')를 거쳐서 저항성 부하(24')에 연결되어 있다. 드레인 바이어스 선(14')은 부하 회로(20')과 무관하게 취급되며, 단지 전송선의 1/4 파장 길이로 구현된 초크(choke)로서 동작한다.
부하(20')는, 트랜지스터 스위치(12')의 드레인-소스 캐패시턴스(Cds)이 되는 제1 분로 캐패시터(15')를 포함한다. 종래의 교시에 따르면, 부하(20')는 직렬 인덕터(16')(L)와 분로 캐패시터(18')(C)를 포함한다.
도 1b는 도 1a에 도시된 부하의 분산 구성요소 구현이다. E급 증폭기의 부하 네트워크의 기능은 전압과 전류 파형들을 정형하기 위한 것이라고 말할만한 하다. 따라서, 광대역 E급 증폭기 설계를 위해서는, 전체 주파수 대역에 걸쳐 E급 파형들이 존재하여야 한다는 것에 주의해야 한다. 스위칭 모드 증폭기와 같이 매우 비선형적인 회로를 성공적으로 설계하기 위해서는 시간 영역, 강건한 고조파 밸런스 및 엔빌로프(robust harmonic balance and envelope) 시뮬레이션이 가능한 설계 환경 도구뿐 아니라 적절한 소자 비선형 모델링 도구의 선택이 중요하다.
도 2a는 본 발명의 교시에 따른 전형적인 E급 부하의 이상적인 개별 구성요 소 구현에 대한 간략화된 개략도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 부하의 분산 구성요소 구현이다. 본 발명의 교시에 따르면, 새로운 광대역 E급 부하 토폴로지가 도 2a에 도시된 직렬(L-C) 네트워크에 기초하여 제공된다. 아래에 보다 자세히 논의되는 바와 같이, 부하는, 도 1a와 도 1b의 (직렬 L, 분로 C) 부하 네트워크와 비교시 우수한 광대역 성능을 제공하도록 수정된다. 본 발명의 교시에 따르면, 새로운 설계 과정의 첫 번째 단계는 집중 네트워크 표현이 등가 분산 네트워크 형태로 변환되는 E급 부하 토폴로지의 일부분으로서 드레인 바이어스 인덕터(14)를 포함하는 것이다. 상기 증폭기가 마이크로파 주파수에서 동작하는데 필요한 이러한 중요 변환 과정에서, 도 2a의 직렬 인덕터(16)와 직렬 캐패시터(18)가 도 2b에 도시된 직렬 전송선과 분로의 단락된 스터브(shunt shorted stub)의 조합으로 대체된다는 것이다. 또한, 도 2a의 분로 인덕터(14)는 분로의 단락된 스터브로 대체되어, pHEMT 트랜지스터의 드레인에 바이어스를 제공할 뿐 아니라 pHEMT의 출력 드레인-소스 캐패시턴스(Cds)를 병렬 공진에 제공한다.
다음은, 부하 네트워크(20)의 집중 구성요소들에 대한 시작 값들을 알아내는 것이다. 몇몇 저자들은 집중 직렬(L, C) E급 부하의 시작 값들에 대한 자세한 수식들을 발표하였다. 그 예로, N. O. Sokal 등의 "Class-E - A new class of high efficiency tuned single-ended switching power amplifier"(IEEE JSSC, vol. SSC-10, pp.168-176, June 1975); F. H. Raab 등의 "Solid State Radio Engineering"(John Wiley & Sons, 1980); T. Sowlati 등의 "Low Voltage, High Efficiency Class E GaAs Power Amplifiers for Mobile Communications"(IEEE GaAs IC Symposium Digest 1994, pp.171-174); T. Mader 등의 "Switched-Mode High-Efficiency Microwave Power Amplifiers In A Free-Space Power Combiner"(IEEE MTT, vol.10. Oct. 1998, pp.1391-1398); 및 P. Watson 등의 "Ultra-High Efficiency Operation Based On An Alternative Class-E Mode"(IEEE GaAs IC Symposium Digest 2000,pp.53-56)을 참조하라.
다음으로, 부하 네트워크에 대한 시작 값들을 얻었으면, 원하는 동작 범위(예를 들어, 8 ~ 10 GHz)에서 거의 이상적인 전류와 전압 파형들을 얻는 것을 목적으로 부하를 최적화하기 위해 시간 영역 시뮬레이션이 수행된다.
도 2c는 2.0 GHz의 대역폭에 대해 거의 이상적인 성능을 나타내는 시뮬레이션된 파형들을 나타낸다. 협대역 E급 부하(직렬 L, 분로 C)와 비교할 경우 8.0 ~ 10.0 GHz에 걸쳐 우수한 주파수 독립적인 응답을 나타내는 도 3a에 부하의 광대역 집중 등가 회로 표현의 주파수 의존성이 도시된다. R. Tayrani의 "A Monolithic X-band Class-E Power Amplifier"(IEEE GaAs IC Symposium, pp.205-208, Oct. 2001)을 참조하라.
부하 네트워크의 집중 등가 회로 표현에 대해 거의 주파수 독립적인 크기와 위상 응답을 얻었다면, 이 부하를 등가 분산 네트워크(도 2b 참조)로 변환함으로써 다음 단계로 진행할 수 있다.
분산 부하를 최적화하기 위해서, 집중 부하에 대해 설명했던 시간 영역 최적 화 과정이 분산 부하에 대하여 반복된다.
도 3b는 8 GHz에서 거의 이상적인 성능을 나타내는 분산 부하 네트워크의 시간 영역 시뮬레이션을 나타내는 도면이다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 스위치 양단에 걸친 전압 파형은 스위치-오프일때 느리게 상승하며, 반주기의 끝부분에서 0으로 떨어진다. 또한, 반주기의 끝부분에서의 변화 레이트는 0이고, 따라서 "소프트(soft)" 턴-온 상태가 된다.
또한, 반주기에 대해 캐패시턴스(Cds) 전류를 적분하면 0이 된다는 점과 캐패시턴스 전류(capacitance current)는 반주기의 끝부분에서 0으로 떨어진다는 것을 나타내는데, 모두 8.0 GHz에서 분산 부하에 대한 E급 동작을 나타낸다. 원하는 2.0 GHz 주파수 대역에 대해 유사한 시뮬레이션 파형들을 얻었다. 도시되지 않더라도, 분산 부하(도 2b)의 주파수 응답도 도 3a에 나타낸 집중식과 유사한 거의 주파수 독립적인 응답을 갖는 광대역이어야 한다.
예시된 응용에서, 부하 회로는 중간 전력 PA들(~ 30 dBm, 1.0 W max)을 위해 합성된다. 단일 0.25um x 720um pHEMT 소자가 이 회로에 사용된다. 이러한 PAs는 1단 PA 및/또는 2단 E급 고전력 증폭기(HPAs)의 제1 단으로서 적절하다.
도 4는 본 발명의 교시에 따른 광대역 E급 부하를 가지는 모노리식 E급 증폭기의 분산 표현의 개략적인 회로를 나타낸다. 도 4의 증폭기(30)는 새로운 부하(20)를 갖는 능동 소자(12)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 능동 소자(12)는 GaAs pHEMT(Gallium-Arsenide pseudo-morphic, high-electron mobility transistor)이다.
능동 소자(12)에 대한 입력에 입력 매칭 네트워크(14)가 제공된다. 부하(20)와 입력 매칭 네트워크(40)는 8 ~ 10 GHz에서의 동작을 위해 마이크론 단위의 폭과 길이로 설계된다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 교시를 그 범주에서 벗어나지 않고 다른 주파수들로 확장할 수 있다.
스위칭 모드 증폭기들의 정확하고 강건한 비선형 시뮬레이션을 위해, 소자 비선형 모델은 다음과 같은 특성들:
드레인-소스 캐패시턴스 Cds(Vds,Vgs)와 게이트-드레인 캐패시턴스 Cgd(Vds,Vgs)의 바이어스 의존성;
입력 채널 저항 Ri(Vds,Vgs)의 바이어스 의존성; 및
출력 채널 저항 Rds(Vds,Vgs)의 바이어스 의존성
을 가져야 한다.
또한, 소자 모델은 드레인 전류, gm 및 Rds와 관련한 분산(dispersion)을 정확하게 모델링할 수 있어야 한다. 만약 모델을 개발하기 위해서 펄스형 DC IV 기술이 사용된다면, 이러한 요구사항이 필요 없을 것이다. 이를 위해서, EEHEMT 모델이 ICCAP(에질런트 ICCAP, V.5.1)과 ADS(Agilent Advanced Design Systems(ADS),V.2003C)에서 사용가능하다.
현재 이용가능한 기술을 사용하여 게이트-드레인 파괴전압이 18V보다 큰 0.3um x 6 x 120um pHEMT 소자가 본 발명의 교시에 따라 설계되어, 8.0 ~ 10.0 GHz 에 걸쳐 광대역 전력(최소 200.0mW)과 PAE(최소 60%)를 동시에 필요로 하는 매우 큰 (> 100,000 T/R 요소들) 공간 기반 위상 배열 레이더의 성능 목표를 만족시킬 수 있다.
도 5는 도 4의 증폭기의 pHEMT 출력 단자들에서의 시뮬레이션된 전압과 전류 파형들을 나타낸다. 이 파형들은 8.5 GHz에서 pHEMT 소자의 스위칭 모드 거동을 보인다. 유사한 파형들이 8 ~ 10 GHz에 걸쳐서 제공되어 광대역 동작을 확실히 한다.
따라서, 본 발명은 특정 응용을 위한 특정 실시예를 참조하여 본원에 기술되었다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자와 본 발명의 교시에 접근할 수 있는 자는 추가의 변형들, 응용들 및 실시예들이 그 범위 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 E급 증폭기에 국한되지 않는다. 즉, 본 발명의 교시는 임의의 증폭기 또는 회로 설계와 관련하여 사용될 수 있다.
첨부된 청구범위는 본 발명의 범위 내에 있는 임의의 모든 이러한 응용들, 변형들 및 실시예들을 포함하도록 의도된다.

Claims (3)

  1. 스위칭 회로와 함께 사용하기 위한 부하 회로(20)로서,
    상기 회로의 출력에 연결된 분로 유도성 요소(shunt inductive element)(14);
    상기 회로의 상기 출력에 연결된 직렬 유도성 요소(16); 및
    상기 직렬 유도성 요소(16)에 연결된 직렬 용량성 요소(18)
    를 특징으로 하는 부하 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하(20)는 8 ~ 10 GHz 범위의 주파수들에서 동작가능한 부하 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분로 유도성 요소(14)는 상기 회로에 대한 유도성 바이어스 선인 부하 회로.
KR1020077018416A 2005-02-10 2006-02-09 광대역 마이크로파 증폭기 KR20070096015A (ko)

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