ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
Digitally-Controlled Dynamic Bias Switching 을 이용한 LTE 기지국용 전력증폭기의 효율 개선
Efficiency Improvement of Power Amplifier Using a Digitally-Controlled Dynamic Bias Switching for LTE Base Station
서민철 ․이성준*․박봉혁*․양영구
Mincheol Seo ․Sung Jun Lee*․Bonghyuk Park*․Youngoo Yang
요 약본 논문에서는 2.6 GHz에 설계된 고출력 전력증폭기에 DDBS(Digitally-controlled Dynamic Bias Switching)를 적용하여 평균 전력에서 효율을 개선하였다. DBS는 제어 신호에 따라 전력 증폭기에 두 단계의 드레인 전압을 인가하여 효율을 개선하는 기술이다. DBS의 제어 신호를 디지털로 처리하여 제어가 매우 용이하였다. 2.6 GHz의 중심 주파수와 10 MHz 대역폭, 9.5 dB의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 갖는 64 QAM FDD LTE 신호를 사용하여 측정한 결과, DDBS를 적용하여 전력증폭기의 PAE(Power-Added Efficiency)을 평균 전력 43 dBm에서 40.9 %에서 48 %로 증가시켰다.
Abstract
This paper presents an efficiency enhancement for the high power amplifier using DDBS(Digitally-controlled Dynamic Bias Switching) method which dynamically provides the power amplifier with two bias voltage levels according to the input envelope signal. It is quite easy to adjust the control signal by using a digital processing. The fabricated DDBS PA was evaluated using an 64 QAM FDD LTE signal, which has a center frequency of 2.6 GHz, a bandwidth of 10 MHz and a PAPR of 9.5 dB.
The DDBS increases the power amplifier’s PAE(Power-Added Efficiency) from 40.9 % to 48 %, at an average output power level of 43 dBm.
Key words: Digitally-Controlled Dynamic Bias Switching, Envelope Tracking, High Power Amplifier
「본 연구는 지식경제부의 정부출연금 연구사업의 일환으로 수행하였음[10035173], 차세대 이동통신 기지국용 Class-S 전력증폭기 기술연구.」
성균관대학교 정보통신공학부(School of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University) *한국전자통신연구원(Electronics and Telecommunications Research Institute)
․Manuscript received June 26, 2014 ; Revised July 29, 2014 ; Accepted August 6, 2014. (ID No. 20140626-01S)
․Corresponding Author: Youngoo Yang (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
4 세대 이동통신에서는 다양한 환경에서 대량의 멀티미 디어 정보를 전송하기 위하여 주파수 사용 효율을 높임 과 동시에 높은 전송률을 얻을 수 있는 선형 변조 방식의
신호를 사용한다. 이러한 변조 신호는 높은 PAPR 특성을
나타내며, 이로 인해 전력증폭기는 선형성이 보장되는
back-off 된 평균 전력에서의 효율이 중요한 성능 지수가
되고 있다
[1],[2]. 이렇게 back-off된 지점에서의 낮아진 효율
을 개선하기 위하여 다양한 방법들이 연구되어 왔다. 대
표적으로 DPA(Doherty Power Amplifier)나 bias modulation 기술이 있다. DPA는 실제 기지국용 전력증폭기에 가장 많이 적용되고 있는 기술로서 다양한 연구 성과를 찾아 볼 수 있다. 그러나 bias modulation 방식은 현재까지도 기 지국용 전력 증폭기에 적용하기 위한 여러 가지 시도가 진행되고 있다
[3]～[16].
Bias modulation 의 대표적인 방식인 ET(Envelope Track- ing) 는 이론적으로 전력 증폭기에 적용 시 높은 효율 개선 을 가진다. 그러나 기저대역 신호의 넓은 대역폭과 높은 PAPR 등의 이유로 전력 증폭기 적용에 많은 제약이 따르
(a)
(b)
(c)
그림 1. (a) ET, (b) DBS, (c) DDBS 간략한 블록도 Fig. 1. Block diagrams of (a) ET, (b) DBS and (c) DDBS.
고, 또한 낮은 선형성의 특성을 나타내어 추가적인 선형 화 기술을 사용해야 하는 단점이 있다
[6],[8]～[12].
DBS(Dynamic Bias Switching) 는 ET와 유사한 동작원리 를 가지는 bias modulation 기술이다. 그러나 ET가 연속되 는 드레인 전압을 사용하는데 반해 2단계의 레벨을 갖는 전압을 교차 스위칭함으로써 전력 증폭기에 DC 전력을 공급해 주는 방법을 사용한다
[13]～[15].
DDBS(Digitally-controlled Dynamic Bias Switching) 는 DBS 와 똑같은 동작 특성을 갖지만, 입력 신호의 크기에 따라 두 단계의 레벨을 갖는 제어 신호를 디지털로 처리하여 구성이 간단하고 제어가 용이하다는 장점을 가진다
[16].
본 논문에서는 2.6 GHz에 설계된 고출력 전력증폭기에 DDBS 를 적용하여 평균 전력에서 효율을 개선하였다. 제 2 절에서는 DDBS의 동작원리를 ET와 비교하여 설명하고, 이에 대한 설계 내용을 제시하였다. 제 3절에서는 실제 제작된 DDBS를 기지국용 LTE 신호를 사용하여 검증하 고, 전력증폭기에 적용한 실험 결과를 바탕으로 결론을 통하여 연구 결과를 정리하였다.
Ⅱ. 이론 및 설계
2-1 ET, DBS, DDBS의 비교그림 1은 ET, DBS, DDBS의 원리를 알아보기 위한 간 략한 블록도이다. ET은 입력 신호가 포락선 검출기를 통 표 1. ET, DBS, DDBS의 비교
Table 1. Comparison between ET, DBS and DDBS.
ET DBS DDBS
Supply
High-speed DC-DC converter
Power switch
Power switch
Drain voltage
A continu- ously-varying
voltage
Dual Dual
Efficiency Vary
good Good Good
Linearity Bad Good Good
Configuration Complex Simple Very
simple
Control Difficult Easy Very easy
해 포락선 신호를 만들고, 고속 DC-DC 변환기를 통하여 그 출력이 전력 증폭기의 드레인 또는 콜렉터에 인가되 게 된다. 이러한 구조의 단점은 연속된 전압을 인가하기 위해 고속의 DC-DC 변환기가 필수적이라는 것이다. 왜 냐하면 DC-DC 변환기에서 처리해야 되는 대역이 포락선 신호의 수배 이상이 되어야 완벽한 처리가 가능하기 때 문이다. 따라서 넓은 대역폭을 가지는 신호에 적용하기 어렵다.
그러나 DBS는 주 전력 증폭기의 드레인 또는 콜렉터 전압을 두 단계의 레벨을 이용하여 포락선의 크기에 따 라 교차 스위칭하기 때문에 고속의 DC-DC 변환기가 필 요 없게 된다.
고속의 DC-DC 변환기 대신 스위치 회로를 사용하여 매우 빠르게 동작하므로 현대 무선통신에서 사용하는 넓 은 대역의 신호들을 더 쉽게 처리할 수 있다. 그러므로 ET 가 가지고 있는 문제점들을 극복할 수 있게 된다. 더욱 이 포락선 검출기와 비교기회로에 의해서 생성 가능한 제어 신호를 디지털 처리를 통하여 구현한 DDBS는 회로 의 구성이 간단하고 제어가 매우 쉽다는 장점을 갖는다.
표 1은 ET와 DBS 그리고 DDBS의 장단점을 분석한 것 으로써 DDBS는 넓은 대역 특성뿐만 아니라, 회로 구성과 신호 제어에 있어서도 ET에 비해 더 좋은 장점을 나타내 고 있다.
2-2 주요 회로 구성
그림 2. 제안된 DBS의 회로 블록도
Fig. 2. A block diagram of the proposed DBS circuits.
그림 2는 본 논문에서 제안한 DDBS 회로의 블록도이 다. 입력된 신호는 디지털 처리를 통하여 입력 신호의 크 기의 정보를 갖는 “0”과 “1”의 디지털 제어 신호를 생성 한다. 2단의 전압 증폭기를 통하여 스위치단의 스위치를 구동할 수 있는 전압 레벨로 증폭시켜 준다. 증폭된 2 단 계의 전압 레벨은 바이어스 스위치단의 스위치를 동작시 킨다. 입력 신호의 포락선 크기의 정보에 따라 V_high과 V_low 의 2 단계의 전압을 교차 스위칭하여 주 전력 증폭 기의 드레인에 인가하게 된다.
Ⅲ. 제작 및 측정
그림 3는 실제 제작된 전력증폭기와 DDBS의 사진이 다. 전력 증폭기로는 3단의 드라이브단과 고출력 전력 증 폭기인 주 증폭 단으로 구성되었다. 또한, GaN 소자의 게 이트에 음의 전압을 먼저 인가하는 순차바이어스 회로를 제작하여 적용하였다.
표 2와 3은 제작된 전력 증폭기와 DDBS에 사용된 소 자의 정보를 나타낸다. 주 증폭단의 전력 증폭기는 고효 율 특성을 갖는 GaN-HEMT 120 W급 소자를 사용하였다.
그림 4는 10 MHz의 대역폭과 9.5 dB의 PAPR을 갖는 64 QAM FDD LTE 신호 디지털 처리를 통해 제어 신호를 생성한 결과를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 포락선
그림 3. 제작한 DDBS가 적용된 전력 증폭기 사진 Fig. 3. A photograph of the implemented power amplifier
and DDBS.
표 2. 전력 증폭기에 사용된 소자 정보
Table 2. Information of the components in the power am- plifier.
Drive stage Main
stage 1-stage 2-stage 3-stage
Type InGaP HBT Linearity amp.
GaN- HEMT
GaN- HEMT Model MMG3013NT1 AH102 CGH27015 CGH25120F 표 3. DDBS 에 사용된 소자 정보
Table 3. Information of the components in DDBS.
Gain block Switching block
Type OPAMP N-MOSFET Diode
Model THS3001 FDT1600N10ALZ B560C-13-F
0 1 2 3 4 5
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Envelope signal Control signal
V o lt a g e ( V )
Time (usec)
그림 4. 디지털 처리를 이용한 제어신호
Fig. 4. The control signal using a digital processing.
신호의 크기 정보에 따라 0.25 V 기준으로 “0”과 “1”의 디 지털 제어 신호가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
그림 5는 DDBS를 적용한 전력증폭기의 실제 측정 셋 업을 나타낸다. 그림과 같이 컴퓨터를 통해 디지털 제어 신호를 생성하고, Agilent사의 ESG E4438C 2대를 사용하 여 손쉽게 신호를 제어할 수 있었다.
그림 6은 역시 LTE 신호를 이용한 측정 결과로서, 22 V, 24 V, 28 V 의 단일 드레인 전압과 DDBS를 적용한 이 득의 측정 결과를 보여준다. 22 V 단일 전압일 때보다 낮 은 전력에서 DDBS (22 V, 28 V) 적용 시 이득이 1 dB 정
그림 5. 측정 셋업 블록도
Fig. 5. A block diagram of the test setup.
28 30 32 34 36 38 40 42 44
12 13 14 15 16 17 18
28 V 24 V 22 V
DDBS (28 V, 24 V) DDBS (28 V, 22 V)
G a in ( d B )
Pout (dBm)
그림 6. LTE 신호를 이용한 이득의 측정 결과 Fig. 6. Measured gains using the LTE signal.
도 떨어지는 결과는 나타내었는데 이는 사용하는 다이오 드에 의한 전압 강하에 의해서 발생하였다.
그림 7은 PAE 측정 결과이다. 모든 PAE 측정 결과는 DDBS 에 사용되는 소비전력을 포함한 결과이다. DDBS (22 V, 28 V) 적용 시 22 V과 28 V의 전압이 스위칭하여 두 단일 전압의 PAE 결과를 반영한다. 출력 전력 43 dBm 에서 28 V의 단일전압일 때의 PAE보다 DDBS 적용 시 약 7 %의 개선을 나타내었다.
그림 8은 LTE 신호에 대하여 9 MHz의 offset에서
ACLR 의 측정 결과를 보여준다. 단일 전압 22 V와 28 V
일 때의 ACLR의 결과를 확인하면 22 V일 때 출력 전력
약 43 dBm에서 —26.2 dBc를 만족하였으며, 28 V일 때는
출력 전력 약 43 dBm에서 —30.2 dBc를 만족하였다. DD-
28 30 32 34 36 38 40 42 44 10
20 30 40 50 60
28 V 24 V 22 V
DDBS (28 V, 24 V) DDBS (28 V, 22 V)
P A E ( % )
Pout (dBm)
그림 7. LTE 신호를 이용한 효율의 측정 결과 Fig. 7. Measured PAEs using the LTE signal.
BS (22 V, 28 V) 적용 시에는 약 43 dBm에 —28 dBc를 만족하는 결과를 나타내었다.
비록 낮은 전력 부분에서는 이득과 선형성의 저하가 나타나지만, 전력증폭기가 주로 사용되는 평균 전력 43 dBm 에서는 28 V를 적용 시와 선형성은 비슷하게 유지하 면서 효율 개선을 나타내어 고정 바이어스에 비해 우수 함을 입증하였다.
표 4는 출력 전력 43 dBm에서의 PAE와 ACLR의 결과 를 나타내고 있다. 이는 단일 전압 28 V에 비해 DDBS(22 표 5. 기존 연구들과의 성능 비교
Table 5. Comparison with previous works.
Ref. Signal / PAPR (dB)
Avg. Pout
(dBm) Tech. PAE (%) ACLR (dBc) DPD
[5] 1.87 GHz WCDMA
3.84-MHz/10 26.3 PA+EDSM*
PLM** 52.6 —39.0 NO
[6] 2.14 GHz WCDMA
3.84-MHz/8 35 Doherty PA
+ET 50.9 —26.5 NO
[7] 2.6 GHz LTE
10-MHz/8.5 34.5 PA+EDSM
DSN 49 —30 YES
[8] 2.14 GHz WCDMA
10-MHz/11.2 41.5 PA+ET 47 —48.0 YES
This work 2.6 GHz LTE-64QAM
10-MHz/9.5 43 PA+DDBS 48 —28.0 NO
* EDSM denotes a envelope delta sigma modulation.
** PLM denotes a pulse load modulation.
28 30 32 34 36 38 40 42 44
-45 -40 -35 -30 -25
28 V lower 28 V upper 24 V lower 24 V upper 22 V lower 22 V upper
DDBS (28V, 24V) lower DDBS (28V, 24V) upper DDBS (28V, 22V) lower DDBS (28V, 22V) upper
A C L R ( d B c )
Pout (dBm)
그림 8. LTE 신호를 이용한 선형성의 측정 결과 Fig. 8. Measured linearity results using the LTE signal.
표 4. 출력 전력 43 dBm에서의 측정 결과
Table 4. Measurement results at an output power of 43 dBm.
Gain (dB)
PAE (%)
@43 dBm
ACLR (dBc)
L U
22 13.6 49.6 —26.7 —26.2
24 14.5 45.4 —28.7 —27.8
28 15.8 40.9 —31.4 —30.2
DDBS(22 V, 28 V) 13.7 48 —28.0 —29.3
DDBS(24 V, 28 V) 14.7 44.8 —30.3 —29.4
V, 28 V) 적용 시 약 7 %의 PAE 개선을 나타냈다.
표 5는 기존의 연구들과 성능을 비교한 결과를 나타내 고 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 입력 신호의 포락선 크기에 따라 서로 다른 드레인 전압이 인가되도록 설계된 DDBS 회로를 고 출력 주 전력 증폭기에 구성하여 평균 전력에서 효율을 개선하였다. 포락선 검출기와 비교기 회로에 의해서 생성 가능한 제어 신호를 디지털 처리를 통하여 구현하여 회 로의 구성이 간단하고 제어가 매우 용이하였다.
10 MHz 의 대역폭과 9.5 dB의 PAPR을 갖는 64 QAM FDD LTE 신호를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 28V 단 일 드레인 전압을 사용했을 때보다 43 dBm에서 약 7 %의 PAE 의 개선을 나타냈다. 향후 설계 제작된 DDBS 전력증 폭기에 DPD를 적용하여 선형성의 개선을 위한 연구 진 행이 필요하다.
References
[1] F. H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P. B. Kenington, Z.
B. Popovic, N. Pothecary, J. F. Sevic, and N. O. Sokal,
"Power amplifiers and transmitters for RF and micro- wave", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no.
3, pp. 814-826, Mar. 2002.
[2] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Commu- nications, 2nd Ed. Norwood, MA: Artech House, 2006.
[3] C. Buoli, A. Abbiati, and D. Riccardi, "Microwave power amplifier with envelope controlled drain power supply", in 25th Eur. Microw. Conf., pp. 31-35, Sep. 1995.
[4] G. Hanington, P. F. Chen, P. M. Asbeck, and L. E. Lar- son, "High-efficiency power amplifier using dynamic po- wer-supply voltage for CDMA applications", IEEE Tr- ans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 8, pp. 1471- 1476, Aug. 1999.
[5] S. H Liao, Y. E. Wang, "High efficiency WCDMA po- wer amplifier with pulsed load modulation(PLM)", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 10, pp. 2030-2037,
Oct. 2010.
[6] J. H. Moon, J. H. Son, J. J. Kim, I. D. Kim, S. H. Jee, Y. Y. Woo, and B. Kim, "Doherty amplifier with en- velope tracking for high efficiency", in IEEE MTT-S Int.
Microw. Symp. Dig., pp. 1086-1089, Jun. 2010.
[7] Joon Hyung Kim, Sung Jun Lee, Jae Ho Jung, and Chul Soon Park, "60 % High-efficiency 3G LTE power am- plifier with three-level delta sigma modulation assisted by dual supply injection", Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International, Jun. 2011.
[8] J. Choi, D. Kang, D. Kim, and B. Kim, "Optimized en- velope tracking operation of Doherty power amplifier for high efficiency over an extended dynamic range", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no. 6, pp. 1508- 1515, Jun. 2009.
[9] D. Kimball, K. Myoungbo, P. Draxler, J. Jinseong, H.
Chin, C. Steinbeiser, T. Landon, O. Krutko, L. Larson, and P. Asbeck, "High efficiency WCDMA envelope tra- cking base-station amplifier implemented with GaAs HV- HBTs", in IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuits Symp., pp. 1-4, Oct. 2008.
[10] D. Kim, D. Kang, J. Choi, J. Kim, Y. Cho, and B. Kim,
"Optimization for envelope shaped operation of enve- lope tracking power amplifier", IEEE Trans. Microw.
Theory Tech., vol. 59, no. 7, pp. 1787-1795, Jul. 2011.
[11] Y. Li, J. Lopez, C. Schecht, R. Wu, and D. Lie, "De- sign of high efficiency monolithic power amplifier with envelope-tracking and transistor resizing for broadband wireless applications", IEEE J. Solid-State Circuits, vol.
47, no. 9, pp. 2007-2012, Sep. 2012.
[12] J. Kim, D. Kim, Y. Cho, D. Kang, B. Park, and B. Kim,
"Envelo e-tracking two-stage power amplifier with dual- mode supply modulator for LTE applications", IEEE Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 1, Jan. 2013.
[13] A. Khanifar, N. Maslennikov, R. Modina, and M. Gur- vichm, "Enhancement of power amplifier efficiency th- rough dynamic bias switching", in IEEE MTT-S Int.
Microw. Symp. Dig., pp. 2047-2050, 2004.
[14] Y. S. Jeon, J. Cha, and S. Nam, "High-efficiency power amplifier using novel dynamic bias switching", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 4, pp. 690- 696, Apr. 2007.
[15] J. Van, S. Jung, H. Park, M. Kim, H. Cho, J. Jeong, S. Kwon, K. Lim, and Y. Yang, "Efficiency enhance- ment for power amplifiers using a dynamic bias switch-
ing technique", IEEE Electron. Lett., vol. 44, no. 5, pp.
356-357, Feb. 2008.
[16] H. Kim, H. Cho, M. S. Kim, M. Seo, J. Ham, C. S.
Park, and Y. Yang, "Efficiency enhanced amplifier us- ing a digitally-controlled dynamic bias switching cir- cuit", Microwave Journal, vol. 56, no. 5, pp. 106-120, May 2013.
서 민 철
2009년 2월: 세종대학교 전자공학과 (공 학사)
2011년 2월～현재: 성균관대학교 전자전 기컴퓨터공학과 (공학석사)
2011년 3월～현재: 성균관대학교 IT 융합 학과 박사과정
[주 관심분야] RF power Amplifier, Power Amplifier IC Design, Wireless Power Transfer
이 성 준
2001 년 2월: 한양대학교 전자전기공학부 ( 공학사)
2003 년 2월: 포항공과대학교 전자전기공 학부 (공학석사)
[주 관심분야] 무선통신 송/수신기 시스템 설계, 시스템 시뮬레이션 기법 연구
박 봉 혁
1996 년 2월 : 경북대학교 전기공학과 (공 학사)
1998년 8월 : 광주과학기술원 기전공학과 (공학석사)
2010년 1월 : 한국과학기술원 전기 및 전 자공학과 (공학박사)
[주 관심분야] 이동통신용 Power Ampli- fier, RF and Analog System, RF and Analog IC
양 영 구
