트랜스포머 고조파 조절을 활용한 Inverse Class-F InGaP/GaAs HBT 전력증폭기에 관한 연구

Abstract

이동 통신 시스템 시장은 1G, 2G, 3G, 4G에 이어 5G까지 무선의 진화를 계 속하고 있다. 5G에서 스마트폰은 어플리케이션 클라우드에 들어가기 위한 일 종의 열쇠로 2021년 7월 조사 결과, 스마트폰의 전 세계 사용자 수는 약 53억 명에 달한다. 스마트폰의 배터리 기술이 발전하고 있지만, 제한적이기 때문에 RF 송수신기 시스템에서 전력증폭기는 전체 시스템의 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 이러한 이유로 고효율 전력증폭기의 설계는 항상 전력증폭 기 설계자들의 근본적인 과제가 되어왔다. 시스템 측면에서는 RF 신호의 Envelope를 전력증폭기의 공급 전압과 동기화하여 전력의 낭비를 줄여 효율을 개선하는 Envelope Tracking(ET)을 주로 사용하고 있다. 전력증폭기의 효율 향 상을 위한 대표적인 방법 중 트랜지스터를 스위치처럼 동작시키는 Class-E 전 력증폭기의 경우, 병렬 컬렉터 커패시터의 충·방전에 의해 전압을 생성하는 데 GHz 대역에서는 트랜지스터의 온·오프 구현이 민감하여 상용화가 어렵 다. Load Modulation 방식을 통하여 전력증폭기의 Backed-off 출력 전력 영역 에서 효율을 향상하는 Doherty, Chireix 등의 전력증폭기는 P2dB, P3dB 영역에 서 Shaping Function을 만들어서 동작하는 Envelope Tracking(ET) 방식에는 적 합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 고조파 성분을 조절하여 효율을 개선하는 방식 중 하나인 Inverse Class-F 차동 전력증폭기를 Ingap/GaAs HBT를 사용하 여 Envelope Tracking(ET) 시스템에 적용할 수 있도록 설계하였다. 일반적인 차동 증폭기에서 Inverse Class-F의 구현은 출력부 매칭과 VCC 노드에서 2차 와 3차 고조파를 모두 조절하는 방식이 제안된다. 하지만, 하나의 연결된 노드 에서 2차와 3차 고조파를 모두 조절하면 기본파의 매칭이 민감성에 의해 트랜 스포머가 이상적으로 동작하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 3차 고조파는 출력부 트랜스포머를 이용하여 조절하고, 2차 고조파는 추가된 조절 회로를 이용하게 하여 민감성을 개선하고 조절 회로에 표면 실장 소자(SMD) 타입의 커패시터를 추가하여 Tunable하게 고조파 조절 회로를 적용할 수 있도록 하였 다. 설계된 Inverse Class-F 차동 전력증폭기는 주파수 5G NR n79 Band 4.4 GHz - 5 GHz 에서 출력 전력 3.5 W 이상, 전력 부가 효율은 56 % 이상을 만 족한다. |The mobile communication system market continues to evolve from 1G, 2G, 3G, and 4G to 5G. In 5G, the smartphone is a kind of key to entering the application cloud. As a result of a survey in July 2021, the number of smartphone users worldwide reached about 5.3 billion. Although the battery technology of smartphones is developing, it is limited, and the power amplifier of the RF transceiver system is the factor that has the greatest influence on the efficiency of the entire system. For this reason, the design of high-efficiency power amplifiers has always been a fundamental task for power amplifier designers. In terms of the system, Envelope Tracking (ET) is mainly used to improve efficiency by reducing power wastage by synchronizing the envelope of the RF signal with the supply voltage of the power amplifier. Among the representative methods for improving the efficiency of a power amplifier, there is a Class-E power amplifier that operates a transistor like a switch. In this case, voltage is generated by charging and discharging of the parallel collector capacitor. Since the on/off of the transistor is sensitive in the GHz band so implementation of Class-E at high frequency is difficult. Power amplifiers such as Doherty and Chireix that improve the efficiency in backed-off power through the load modulation method are not suitable for the envelope tracking (ET) method that operates by creating a shaping function in the P2dB - P3dB region. Therefore, in this study, an Inverse Class-F power amplifier, which is one of the methods to improve efficiency by controlling harmonic components, was designed to be applied to the envelope tracking (ET) system using Ingap/GaAs HBT. A method of controlling harmonic components using a transformer in the structure of a differential power amplifier for inverse Class-F operation was studied. For a typical differential amplifier, the implementation of Inverse Class-F is proposed by Controlling both the 2nd and 3rd harmonics at the VCC node and output load. However, when both the 2nd and 3rd harmonics are controlled in one connected node, it is difficult for the transformer to operate ideally due to the sensitivity of the fundamental frequency matching. Therefore, in this study, the 3rd harmonic was controlled using the output transformer, and for the 2nd harmonic, additional harmonic control circuit is added to improve sensitivity of fundamental matching. A surface mount device (SMD) type capacitor was added to the control circuit so that the harmonic control circuit can be applied tunably. The designed Inverse Class-F differential power amplifier satisfies more than 3.5 W of output power and more than 56.0 % of Power Added Efficiency at the frequency of 5G NR n79 Band 4.4 GHz - 5 GHz.