논문 2014-51-7-4
IMT-Advanced 능동위상배열 시스템용 고효율 송수신 모듈 설계 및 구현
( Design and Implementation of High Efficiency Transceiver Module for Active Phased Arrays System of IMT-Advanced )
이 석 희*, 장 홍 주***
( Suk-hui Lee and Hong-ju Jang
ⓒ)
요 약
IMT-Advanced 시스템을 효율적으로 서비스하고 시스템 효율을 증대시키기 위해서는 능동위상 배열구조의 안테나 시스템이 요구된다. 능동위상 배열 구조는 다수의 송수신 모듈과 다수의 복사소자로 구성되어 시스템의 효율을 증대시킬 수 있으며, 시스템 을 구현하기 위해서는 초소형 고효율 송수신 모듈이 핵심이다. 최종 출력과 밀접한 관련이 있는 송신모듈의 전력증폭기는 기지국 시스템의 효율을 결정하는 핵심요소이다. 본 논문에서는 IMT-Advanced 능동위상배열 시스템에 적합한 초소형 고효율 송수신 모 듈을 설계하고 구현하고자 하였다. 송수신 모듈은 온도보상 회로를 구현하여 이득 오차를 줄였으며, 선형화기는 소형화를 위하여 아날로그 방식으로 구현하였다. 초소형 고효율 전력증폭기를 구현하기 위해서 GaN MMIC Doherty 구조로 구현하였다. 구현된 송 수신모듈은 40㎜×90㎜×50㎜ 크기로 구현되었으며, LTE band 7에서 47.65 dBm의 출력을 가졌다. 실제 운용전력인 37 dBm에서 40.7%의 효율과 12 dB이상의 선형성 개선도를 보였다. 수신부의 잡음지수는 1.28 dB이하로 설계규격을 만족하였으며, 송수신 모듈 의 이득과 위상은 6 bit로 제어로 최대 오차는 각각 0.38 dB와 2.77 degree를 보였다.
Abstract
The needs of active phased arrays antenna system is getting more increased for IMT-Advanced system efficiency. The active phased array structure consists of lots of small transceivers and radiation elements to increase system efficiency. The minimized module of high efficiency transceiver is key for system implementation. The power amplifier of transmitter decides efficiency of base-station. In this paper, we design and implement minimized module of high efficiency transceiver for IMT-Advanced active phased array system. The temperature compensation circuit of transceiver reduces gain error and the analog pre-distorter of linearizer reduces implemented size. For minimal size and high efficiency, the implented power amplifier consist of GaN MMIC Doherty structure. The size of implemented module is 40㎜×90㎜×50㎜ and output power is 47.65 dBm at LTE band 7. The efficiency of power amplifier is 40.7% efficiency and ACLR compensation of linearizer is above 12dB at operating power level, 37dBm. The noise figure of transceiver is under 1.28 dB and amplitude error and phase error on 6 bit control is 0.38 dB and 2.77 degree respectively.
Keywords: IMT-Advanced, Active phased arrays, Efficiency, Transceiver
* 정회원, 전자부품연구원 융합통신부품연구센터
(Convergence Communication Components Research Center, Korea Electronics and Technology Institute)
** 정회원, 인천대학교 전자공학과
(Department of Electronics Engineering, Incheon National University)
ⓒ Corresponding Author(E-mail: [email protected])
※ This work was supported by the University of Incheon Research Grant in 2013.
접수일자: 2014년03월31일, 수정일자: 2014년06월02일, 수정완료: 2014년07월01일
Ⅰ. 서 론
최근 이동통신 기술은 IMT-Advanced로 불리는 4세 대 이동통신 기술을 위한 연구개발이 활발하다.
IMT-Advanced 시스템은 국제적 로밍이 가능하고, 데 이터 전송 속도를 이동할 때 100 Mbps, 정지 할 때 1 Gbps까지 제공하며, 음성 서비스와 고속 데이터 서비스 및 동영상 서비스 제공을 목적으로 하고 있다. 4G 이동 통신 네트워크는 가입자에게 다양한 데이터 서비스를 지원하기 때문에 데이터 사용률이 급격하게 증가되고, 원활한 서비스 제공을 위해서는 충분한 커버리지와 수 용력이 요구된다. 4세대 이동통신 기술은 상향 및 하향 링크에서 고속 데이터 전송을 위한 OFDM 변조방식을 사용하여 선형성 확보를 위한 전력소모 증가로 효율 개 선이 요구된다. 이러한 통신환경에서는 3G 시스템에서 사용되던 전송 다이버시티와 빔포밍 기술을 더욱 발전 된 형태로 구현되어야 하며 4G 시스템에서는 높은 주 파수 효율성이 필수적이므로 최적화된 가변 셀을 유지 하는 기술이 요구된다[1-2].
IMT-Advanced 시스템을 효율적으로 서비스하기 위 하여 이동통신 기지국 시스템에 대한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 현재의 이동통신 기지국 시스템은 수동 배열 형태로 구성되어 안테나와 RF 모듈이 케이블로 연결에 따른 전력손실로 10-15%의 낮은 효율로 동작된 다. 최근에는 잡음과 전력손실을 최소화하기 위해 RRH(Radio Remote Head)구조가 개발되어 효율이 약 20%까지 개선되었지만 수동배열 방식은 그 운영효율에 있어 한계가 있다. 효율적인 서비스를 제공하기 위해서 는 능동위상배열 구조의 기지국 시스템이 요구된다[3].
능동위상 배열 구조는 한 개의 송신기로 다수의 방사 소자에 전력을 공급하는 수동위상 배열 구조와 달리 다 수의 송신기가 개별 방사소자에 전력을 전달한다. 이러 한 구조적 특성으로 시스템의 효율을 증대시킬 수 있으 며, 시스템의 우아한 성능저하(Graceful degradation)도 가능하다[4]. 능동위상 배열 구조를 갖는 기지국 시스템 은 위상 배열 안테나와 듀플렉서, 송수신 모듈 등으로 구성된다. 최종 출력과 밀접한 관련이 있는 송신모듈의 전력증폭기는 기지국 시스템의 효율을 결정하는 핵심요 소 중 하나이다. 기지국 송신단의 전력증폭기는 변조된 신호를 왜곡 없이 전달하고, 순방향 링크의 다수의 채 널신호를 동시에 증폭하기 때문에 높은 전력효율과 선
형성을 갖는 전력증폭기가 요구된다. 현재까지 능동위 상배열 안테나 기술은 군사용 레이더에 적용되고 있으 며, 이동통신 분야에는 그 개발이 미미한 실정이다. 이 에 본 논문에서는 IMT-Advanced 기반의 능동위상배 열 안테나 시스템의 효율적인 구성을 위하여 고효율 송 수신 모듈을 설계 및 구현하고자 하였다.
Ⅱ. 송수신 모듈 설계
IMT-Advanced 능동위상배열 안테나 시스템은 소형 화된 다수의 송수신 모듈이 요구된다. 개별 모듈들을 시스템으로 구현하기 위해 3GPP 규격으로 부터 개별 송수신 모듈의 목표규격을 표 1과 같이 정의하였다[5].
평 가 항 목 요 구 사 항 비고
주파수 대역 LTE Band 7 PA 포화 전력 45 dBm 이상 Gain Flatness 1.5 dBp-p 이하 ACLR @ 5W -45 dBc 이하
왜곡 개선도 10 dB 이상 TBD
PA 효율 @ 5W 35% 이상 TBD
Harmonics -50 dBc 이하 Spurious -50 dBc 이하
진폭제어오차 0.5 dB 이하 TBD
위상제어오차 5〫 이하 TBD
Gain 40 dB 이상
Noise Figure 1.4 dB 이하
표 1. 송수신 모듈의 규격
Table 1. Specifications of transceiver.
1. 송수신 모듈
송신 모듈은 RF control board로 부터 입력 받은 송 신 신호를 증폭하여 전력증폭기 모듈로 전달하고, 다기 능 집적회로를 제어하여 신호의 위상 및 이득을 조절하 는 기능을 수행한다. RF control board와 SPI(RS485)통 신을 이용하여 송/수신 모듈의 다기능 집적회로 제어에 필요한 Serial data를 전달받고, 전력증폭기 모듈 및 송/
수신모듈의 상태정보를 디지털 라디오 모듈에 전달한 다. 수신 모듈은 듀플렉서로부터 입력 받은 수신 신호 를 1차 하향변환 및 증폭하여 RF control board로 전달 하며, 송신 모듈로부터 전달 받은 Serial data에 의해 다기능 집적회로를 제어하여 수신신호의 위상 및 이득 을 조절하는 기능을 수행하도록 하였다.
송수신 모듈의 안정적인 동작을 위해서는 온도에 따
그림 1. 송수신 모듈의 구성도
Fig. 1. A block diagram of transmitter and receiver.
른 이득보상과 이득조정이 필요하다. 이를 위하여 온도 보상 PAD와 Attenuator를 다기능 집적회로 전단에 설 계하였다. 또한 수신모듈은 저잡음 특성을 위해 초단에 저잡음 증폭기와 이득 및 위상조정을 위한 다기능 집적 회로, 국부신호를 발생시켜 1차 하향변환 후 불요파 제 거를 위한 Filter를 설계하였다. 수신모듈도 온도에 따 른 이득보상을 위한 온도 보상 PAD를 설계하였다. 그 림 1은 송신 모듈과 수신 모듈의 구성도이다.
2. 전력증폭기 모듈
전력증폭기 모듈은 전체 시스템에서 많은 전력을 소 모하는 부분으로 시스템의 효율을 결정하는 핵심 모듈 이다. 송수신 모듈로부터 받은 RF신호를 전치증폭단 (Driver stage)에서 1차 증폭을 한 후, 최종 증폭단에서 시스템의 정격 출력전력까지 증폭을 시킨다. 일반적인 전력증폭기 구조로는 고효율의 특성을 얻기 어렵다. 또 한 기존의 상용 증폭소자는 획일화된 크기로 인하여 전 력증폭기의 소형화에 제약을 받아왔다. 그러나 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)는 시스템 내의 고주파 부를 구성하고 있는 소자를 고집적화한 단 일 칩으로 구성되어 이를 전력증폭기에 적용하면, 최소 형화된 전력증폭기의 구현이 가능하다. GaN 소자는 기 존 증폭소자에 비해 크기는 절반으로 줄일 수 있고 전 력소모는 30% 이상 절감할 수 있어 WiMAX, LTE 표 준 속도 구현에도 유리하다.
전력증폭기의 선형성과 전력효율의 관계를 개선하기 위해 가장 주목받고 있는 Doherty 전력증폭기 구조는 주증폭기에는 Class AB, 보조증폭기는 Class C에 동작 점을 두고, 주증폭기가 포화되는 시점에 보조증폭기가 동작을 시작한다[6-8]. Doherty 전력증폭기 구조는 다른 방식에 비해 불필요한 회로가 없어 비교적 구조가 간단 하고 부하 임피던스 변조(Load impedance modulation)
그림 2. GaN MMIC를 적용한 Doherty 구성도 Fig. 2. A block diagram of GaN MMIC Doherty
structure.
를 이용하여 높은 효율개선 효과를 가진다[9～11]. 기존 상용 Discrete 소자는 패키지의 크기를 축소할 수 없기 때문에 소형화된 전력증폭기 구현에 제약이 따 른다. 이에 본 논문에서는 능동위상배열 안테나 시스템 에 적합한 초소형 고효율 전력증폭기 모듈을 구현하기 위하여 GaN MMIC와 안정적 바이어스 공급을 위한 순 차바이어스 회로를 적용한 Doherty 전력증폭기로 설계 하였다. 그림 2는 GaN MMIC를 적용한 Doherty 전력 증폭기 구성도이다.
GaN 소자는 음전압의 게이트 전압이 인가되고 드레 인 전압이 인가되어야 소자의 손실을 방지할 수 있으므 로, 전압을 순차적으로 인가할 수 있는 바이어스 회로 가 요구된다. 본 논문에서는 GaN MMIC Doherty 구조 에 최적화된 순차 바이어스 회로를 설계하였다. 순차 바이어스 회로는 비교회로와 스위치 회로로 구성된다.
비교회로는 전압 비교를 통하여 음전압이 특정전압 이 하를 유지하는지를 판단하는 회로이고, 스위칭 회로는 비교회로의 출력전압에 따라 GaN소자의 Drain에 전압 을 공급/차단하는 역할을 한다. 증폭소자의 Drain 전압 ON/OFF동작 시 Soft Switch 동작이 이루어지도록 MOSFET소자에 RC를 추가하여 시상수를 조정함으로
그림 3. 순차 바이어스 회로 구성도
Fig. 3. A block diagram of sequence bais circuit.
써 보다 안정적으로 GaN소자에 바이어스전압을 공급할 수 있도록 설계하였다. 그림 3은 순차 바이어스 회로의 구성도이다.
3. 선형화기 모듈
전력증폭기의 증폭소자가 가지는 비선형특성으로 인 하여 출력신호에는 왜곡신호 및 불요파 성분이 존재하 며, 이는 시스템의 성능을 열하시키는 중요 요인이다.
선형화기는 전력증폭기의 출력 신호를 피드백하여 비선 형특성의 전력신호를 전력증폭기 입력측에 보상하며, 출력레벨에 따른 보정계수를 생성하여 출력레벨에 적합 한 보정신호를 생성한다. 기존 기지국용 선형화 기술은 디지털 전치왜곡 방식을 사용한다. 이는 20dB 이상의 선형성 개선도가 우수하나, ADC와 DAC, 기지대역 신 호처리부 등 부수적인 회로를 필요로 한다. 이에 본 논 문에서는 초소형 구조를 구현하기 위하여 GaN MMIC Doherty 전력증폭기에 최적화된 적응형 아날로그 선형 화기를 설계하였다. 적응형 아날로그 선형화기는 RF 신
(a) 선형화기의 구성도
(b) 선형화 프로세스 상태도 그림 4. 선형화기의 구성도와 상태도
Fig. 4. Block diagram and state diagram of linearizer.
호를 차동변환하여 선형화 프로세스를 수행함으로써, 디지털 전치왜곡 방식에 비해 그 크기를 80%이상 개선 할 수 있다.
RF 입력신호와 전력증폭기의 출력신호는 각각 입력 커플러와 출력커플러에 의해 선형화기로 인가된다. 각 각의 커플링된 신호는 보정신호를 생성하기 위하여 차 동신호로 변환한다. 변환된 아날로그 신호는 입력 및 출력정합회로를 거쳐 선형화 프로세스에 인가된다. 왜 곡 보정신호는 RF 입력신호와 결합되어 전력증폭기로 인가된다. RF_IN과 RF_FB에 규정범위의 신호가 인가 되면 최적의 보정계수를 생성하는 절차에 의해 선형화 를 진행한다. 적응형 아날로그 선형화기는 입력전력과 출력전력을 RF레벨에서 비교하여 보정신호를 생성함으 로써, 선형성 개선과 함께 구현의 크기를 줄일 수 있다.
그림 4는 선형화기의 구성도와 선형화 프로세스의 상태 도이다.
Ⅲ. 송수신 모듈 구현
1. 송수신 모듈
송수신 모듈을 구현하기 위하여 설계된 송수신 모듈 의 주요 파라미터를 모의실험으로 검증하였다. 그림 5
(a) Gain
(b) P1dB
그림 5. 송신부의 이득과 P1dB 특성 모의실험 Fig. 5. A simulation results of gain and P1dB.
구 분 요구 사항 설계 결과 비 고 Gain 19dB ±1.0dB 19.03dB 온도보상 포함 P1dB > 7dBm 9.0dBm
표 2. 송신부의 모의실험 결과
Table 2. A simulation results of transmitter.
(a) Gain
(b) Noise figure
(c) P1dB
(d) IM3
그림 6. 수신부의 이득과 P1dB 특성 모의실험 Fig. 6. A simulation results of gain and P1dB.
구 분 요구 사항 설계 결과
Gain 45.5dB ±1.5dB 45.59dB
Noise Figure 1.4dB 0.99dB
OIP3 10dBm 19.09dB
P1dB > 8dBm 8.2dBm
표 3. 수신부의 모의실험 결과
Table 3. A simulation results of receiver.
(a) 송신부 (b) 수신부
그림 7. 제작된 송수신 모듈의 형상
Fig. 7. A shape of implemented transmitter and receiver.
와 표 2는 송신부의 이득과 P1dB 특성의 모의실험 결 과이며, 그림 6과 표 3은 수신 모듈의 이득과 잡음지수, P1dB, IM3 모의실험 결과이다.
송수신 모듈의 주요 파라미터는 모의실험을 통하여 규격을 만족하였다. 송수신 모듈은 초소형 구조를 위하 여 모듈 상단과 하단에 RO4003 기판을 사용하여 적층 구조로 송신부와 수신부를 구현하였다. 그림 7은 제작 된 송수신 모듈의 형상이다. 모듈의 크기(W×L×H)는 40㎜×50㎜×30㎜로 제작되었으며, 일반적인 송수신모듈 의 크기(W×L ×H)인 110㎜×70㎜×25㎜에 비하여 초소 형으로 구현되었다.
2. 전력증폭기 모듈
설계한 Doherty 구조의 주증폭기와 보조증폭기는 각 각 20 W급의 Triquint GaN 공정을 이용한 MMIC 소 자를 사용하였으며, 이득은 26 dB 이상이다. 그리고 출 력포화전력 Psat은 2,620 MHz - 2,690 MHz 대역에서 43 dBm 이상을 보였으며, 효율 PAE는 동일 대역에서 48.2% 이상을 나타내었다. 그림 8은 GaN MMIC소자의 출력특성이다.
IMT-Advanced 시스템의 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 고려하여 8 dB Back-off 지점에서 평 균전력 5W 출력특성을 가지도록 GaN Doherty 전력증 폭기를 그림 9와 같이 구성하였다. 구동단은 Berex사의 BG14A와 Triquint사의 TQP7M9102로 구성하였으며,
그림 8. GaN MMIC의 출력특성 Fig. 8. Characteristics of GaN MMIC.
그림 9. GaN Doherty 전력증폭기 구성도
Fig. 9. A block diagram of GaN Doherty amplifier.
그림 10. Doherty 구조의 Offset line과 Combiner Fig. 10. A block diagram of Doherty offset line and
combiner.
왜곡특성을 개선할 수 있도록 선형화기와 연동할 수 있 는 구조로 구현하였다.
Doherty 구조를 구현함에 있어서 낮은 출력레벨에서 보조증폭기로의 전력누설 현상이 발생한다. 이를 보완 하기 위하여 Offset line 및 Doherty combiner가 그림 10과 같이 요구된다. 그림 11은 Offset line에 의한 보조 증폭단의 출력 임피던스 변화를 나타낸다. Offset line을 최적화하여 부하에서 바라본 Doherty 구조의 임피던스 크기를 극대화하였다.
그림 12는 AB급 단일 전력증폭단과 Doherty 전력증 폭단의 특성의 모의실험 결과이다. AB급으로 동작하는
그림 11. Offset line에 따른 임피던스 변화 Fig. 11. An impedance variation by offset line.
(a) AB class single stage
(b) Doherty structure 그림 12. 이득과 효율 모의실험 결과
Fig. 12. Simulation results of gain and efficiency.
그림 13. 순차바이어스 회로의 응답특성
Fig. 13. A response characteristic of sequence bias circuit.
그림 14. 제작된 GaN Doherty 전력증폭기 모듈의 형상 Fig. 14. A shape of implemented GaN Doherty power
amplifier.
단일 증폭단은 약 45 dBm의 포화전력을 가지며 back-off 된 전력증폭기의 운용레벨인 37 dBm 출력에 서 약 17 %의 PAE(Power Added Efficiency)를 보였 다. Doherty 전력증폭단은 포화전력은 약 48.5 dBm의 포화전력을 가지며, back-off 된 전력증폭기의 운용레 벨 37 dBm 출력에서 PAE는 약 41%로 24% 이상의 효 율 개선효과를 보였다.
GaN 소자의 안정적이며, 효율적인 바이어스 공급을 위한 순차 바이어스 회로는 비교회로와 스위치 회로로 구성된다. 비교회로의 차동비교기는 연산 증폭기를 모 델링하였고, 스위치 회로는 MOSFET을 사용하여 순차 바이어스 회로의 응답특성을 모의실험 하였다. 그림 13 에서 보는 바와 같이 순차 바이어스 회로는 음전압이 인가되고 약 25 msec 후 드레인 전압이 인가되었다.
GaN MMIC 소자는 한쌍의 동일한 출력을 갖은 증폭 소자로 구성되어 있으며, RO4003 기판을 사용하여 Doherty 구조를 구현하였다. 그림 14는 제작된 GaN Doherty 전력증폭기 모듈의 형상이다. 모듈의 크기 (W×L×H)는 40㎜×40㎜×30㎜으로 제작되었으며, 일반적 인 전력증폭기의 크기(W×L×H)인 110㎜×90㎜×30㎜에 비하여 초소형으로 구현되었다.
3. 선형화기 모듈
선형화기를 모의실험하기 위해서는 전력증폭기의 출 력특성에 대한 모델링이 필요하다. 출력특성 모델링은 전력증폭기의 입력레벨과 출력레벨의 상관관계로 부터 curve-fitting 기법을 적용하여 얻을 수 있다. 본 논문에 서는 왜곡개선의 정확도를 높이기 위하여 7차항까지 모 델링을 하였다. 모델링된 전력증폭기의 출력특성으로부 터 모델링된 선형화기의 출력특성이 적용된 전력증폭기
그림 15. 왜곡개선된 전력증폭기 출력특성
Fig. 15. A output characteristic of compensated power amplifier.
그림 16. 선형화기 모의실험 특성 Fig. 16. A simulation results of linearizer.
그림 17. 제작된 선형화기 모듈의 형상 Fig. 17. A shape of implemented linearizer.
의 출력특성은 그림 15와 같다.
그림 16은 선형화기의 모의실험 구성도이다. 선형화 기는 왜곡보상 성분을 발생하는 보상신호 발생기와 왜 곡보상 신호의 레벨을 조절하는 제어부, 보상신호 생성 시간을 위한 지연선로로 구성하였다. 3차 왜곡성분의 개선정도는 약 15.1 dB의 특성을 보였다.
선형화기 모듈은 RF4350과 FR4로 구성된 5층 기판 으로 구현하였다. 그림 17은 제작된 선형화기 모듈의 형상이다. 모듈의 크기(W×L×H)는 40㎜×90㎜×20㎜로 제작되었으며, 일반적인 디지털 전치왜곡기의 크기 (W×L×H)인 114㎜×160㎜×20㎜에 비하여 초소형으로 구현되었다.
Ⅳ. 송수신 모듈의 측정 및 평가
1. 송수신 모듈
제작된 송신부의 이득과 Gain Flatness, P1dB는 그림 18과 같다. 송신부의 이득은 2,620 MHz - 2,690 MHz 대역에서 19.29 dB - 19.01 dB를 나타내었다. 중심주파 수인 2,655 MHz에서 19.18 dB이고, 이득 평탄도는 0.28 dBp-p이다. P1dB는 11.09 dBm 이며, 불요파 특성은 -63.74 dBc를 나타내었다.
송신부의 이득조절용 디지털 감쇄기 제어(6 bit)를 통 하여 0.5 dB 간격으로 19 dB에서 -12 dB까지 약 31 dB 의 이득 조절 특성을 나타내었으며, 최대 오차는 0.38 dB이다. Phase Shifter 제어(6 Bit)를 통하여 360 degree의 위상제어 특성을 보였으며, 최대 위상오차는 2.77 degree이다.
수신부의 이득과 Gain Flatness, Nosie Figure는 그 림 20과 같다. 수신부의 이득은 2,500 MHz - 2,570 MHz 대역에서 35.82 dB - 35.33 dB를 나타내었다. 중
(a) Gain
(b) P1dB
(c) Spurious 그림 18. 송신부의 출력특성
Fig. 18. A measured results of transmitter.
(a) Amplitude control range
(b) Phase control range 그림 19 송신부의 제어 출력특성
Fig. 19. A measured results of controlled transmitter.
(a) Gain
(b) Noise figure
(c) OIP3 그림 20. 수신부의 출력특성
Fig. 20. A measured results of receiver.
심주파수인 2,655 MHz에서 35.42 dB이고, 이득평탄도 는 0.49 dBp-p이다. Noise Figure는 1.278 dB 이하이고, OIP3 특성은 10.79 dBm을 나타내었다.
2. 전력증폭기 모듈
GaN Doherty 전력증폭기의 이득과 Gain Flatness, P1dB, PEP(Peak Envelope Power)는 그림 21과 같다.
전력증폭기의 이득은 2,620 MHz - 2,690 MHz 대역에 서 45.25 dB - 45.83 dB이고, 중심주파수인 2,655 MHz 에서 45.78 dB이다. 이득평탄도와 P1dB는 각각 0.75 dBp-p와 47.653 dBm을 나타내었다. 반사손실은 전 대 역에서 -14.324 dB이하를 확보하여 전력손실을 최소화
(a) Gain
(b) P1dB
(c) PEP
그림 21. GaN Doherty 전력증폭기의 출력특성 Fig. 21. A measured results of GaN Doherty amplifier.
하였다. GaN Doherty 전력증폭기 PEP 특성은 44.265 dBm을 나타내었다.
그림 22는 GaN Doherty 전력증폭기의 출력레벨에 대한 드레인 효율이다. P1dB 지점인 47 dBm에서는 약 59.1 %의 효율특성을 보였으며, 실제 GaN Doherty 전 력증폭기의 동작레벨인 37 dBm 출력에서는 40.7 %의 효율특성을 보였다. 전력증폭기의 운영레벨인 37 dBm 지점에서 Doherty 전력증폭기와 AB급 바이어스 전력 증폭기는 각각 40.7 %와 22.9 %의 효율특성을 보였다.
P1dB에서 back-off 되는 구간에서는 Doherty 전력증폭 기 구조가 AB급 바이어스 전력증폭기보다 높은 효율특 성을 보였다.
그림 22. GaN Doherty 전력증폭기의 효율특성
Fig. 22. A measured efficiency of GaN Doherty amplifier.
3. 선형화기 모듈
선형화기의 특성을 측정하기 위하여 20 MHz 대역폭 을 갖는 변조된 신호(LTE, CFR 7 dB)를 인가하여 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio)개선도를 측정 하였다. 그림 23은 GaN Doherty 전력증폭기의 ACLR 특성과 선형화기의 왜곡특성 개선특성 측정결과이다.
중심주파수가 2,655 MHz인 대역에서 선형화기를 적 용하기 이전에는 ACLR 특성이 Lower 대역과 Upper 대역에서 각각 -38.46 dBc와 -36.97 dBc를 나타냈다.
(a) 선형화기 OFF
(b) 선형화기 ON 그림 23. 선형화기의 ACLR 특성 Fig. 23. A measured ACLR of linearizer.
선형화기를 적용한 ACLR 특성은 Lower 대역과 Upper 대역에서 각각 -52.30 dBc와 -50.85 dBc를 나타냈으며, 각각 13.84 dB와 13.88 dB의 왜곡특성 개선을 보였다.
4. 성능평가
제작된 송수신 모듈은 튜닝을 통하여 목표 규격을 만 족하도록 최적화 되었으며, 송수신모듈의 측정결과를 통한 평가항목별 성능평가 결과는 다음과 같이 모든 규 격을 만족하였다. 송수신 모듈은 2,620 - 2,690 MHz 대 역에서 37 dBm의 운영전력에서 40% 이상의 효율을 가 지며, 능동위상배열 구조를 지원하기 위하여 진폭제어 와 위상제어 기능을 구현할 수 있도록 제작되었다.
평 가 항 목 요 구 사 항 모 의 실 험 측 정 결 과 주파수 대역 LTE Band 7 LTE Band 7 LTE Band 7 PA 포화 전력 ≥45 dBm ≥48 dBm ≥47.65 dBm Gain Flatness ≤1.5 dBp-p ≤1.3 dBp-p ≤0.75 dBp-p
ACLR @ 5W ≤-45 dBc ≤-47 dBc ≤-46.60 dBc 왜곡 개선도 ≥10 dB ≥15.1 dB ≥13 dB
PA 효율 @5W ≥35% 41% 40.7%
Harmonics ≤-50 dBc - ≤-79.96 dBc Spurious ≤-50 dBc - ≤-63.74 dBc
진폭제어오차 ≤0.5 dB - ≤0.38 dB
위상제어오차 ≤5〫 - ≤2.77〫
Gain ≥40 dB ≥45.59 dB ≥45.25 dB Noise Figure ≤1.4 dB ≤0.99 dB ≤1.28
표 4. 송수신 모듈의 성능평가
Table 4. An evaluation of transceiver.
Ⅴ. 결 론
차세대 이동통신 기지국용 위상배열 시스템은 효율 적인 부피, 중량, 전력 소비, 신뢰성을 가지도록 기술개 발이 이루어지고 있다. 이러한 기술 적용에 따른 성능 향상과 가격 경쟁력 개선에 의한 기술파급력을 촉진하 기 위해서는 부피, 중량 및 가격에서 핵심적인 송수신 모듈과 전력증폭기의 소형화, 경량화, 저가화가 필수적 이다. 기존의 수동위상배열 안테나 시스템의 단점을 개 선하기 위한 IMT-Advanced 능동위상배열 기지국 시 스템 연구가 시작되고 있다. 본 논문에서는 능동위상 배열 기지국 시스템의 효율을 결정하는 핵심요소인 송
저 자 소 개 이 석 희(정회원)
2004년 단국대학교 전자공학과 학사 졸업.
2006년 단국대학교 전자공학과 석사 졸업.
2012년 단국대학교 전자공학과 박사 졸업.
2012년～현재 단국대학교 연구전임강사 2014년～현재 전자부품연구원 연구원
<주관심분야 : RF Amplifier, 이동통신, FEM>
장 홍 주(정회원)
1974년 단국대학교 전자공학과 학사 졸업.
1980년 명지대학교 전자공학과 석사 졸업.
2000년 단국대학교 전자공학과 박사 졸업.
1978년～2010년 인천전문대학 교수 2010년～현재 인천대학교 교수
<주관심분야 : 디지털통신, 이동통신, FEM>
수신 모듈을 연구하였다.
제안한 송수신 모듈은 주로 군사용 능동위상배열 레 이더 구조를 IMT-Advanced 시스템 구조에 적합하도 록 송수신 모듈을 소형화하였으며, 열에 의한 성능저하 를 방지하는 온도보상 기능을 설계하였다. 전력증폭기 모듈은 기존의 고효율 소형화 구조를 위하여 기존의 상 용 Discrete 소자를 대신하여 제작된 GaN MMIC와 효 율적이고 안정적인 바이어스 공급을 위한 순차바이어스 회로를 설계하였다. 송수신 모듈의 선형성과 소형화를 위하여 기존의 디지털 전치왜곡 방식이 아닌 적응형 아 날로그 선형화기를 설계하였다. 선형화기는 입력전력과 출력전력을 RF레벨에서 비교하여 보정신호를 생성함으 로써, 선형화기 구현의 크기를 줄일 수 있었다. 각각의 모듈은 개념설계 및 모의실험을 수행하였다. 또한, 2,620 MHz - 2,690 MHz 대역의 송수신 모듈과 5W급 의 전력증폭기(PAPR 9dB) 모듈, 선형화기를 제작하고 그 성능을 검증하였다. 구현된 각각의 모듈은 IMT-Advanced 표준인 3GPP에서 제시된 규격으로부 터 도출된 목표규격을 모두 만족하였다. 제안된 송수신 모듈은 IMT-Advanced 능동위상배열 안테나 시스템의 핵심모듈로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
REFERENCES
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