이동통신 기기용 재구성이 가능한 고효율 다중모드 다중밴드 전력증폭기에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 이동통신 기기용 재구성이 가능한 고효율 다중모드 다중밴드 전력증폭기에 관한 연구를 수행하였다. 최근, 2세대/3세대/4세대로 이동통신 기술이 빠르게 발전하고 있으며, 많은 수의 주파수 대역이 나라와 지역에 따라 다양하게 할당되어 있다. 이로 인하여, 다양한 이동통신 규격과 주파수 대역을 지원할 수 있는 단말기의 수요가 급격하게 늘어나고 있으며, 이에 따라, 다수의 단일 모드/밴드 전력증폭기의 단말기 내 배치를 통해 다중모드 다중밴드를 지원하고 있다. 하지만, 이러한 기존 방식은 제작 비용과 크기 측면에서 한계를 마주하고 있다. 또한, 급격한 이동통신 사용자의 증가와 고속 데이터 통신 사용에 따라, 데이터 트래픽이 급격하게 증가하고 있다. 이에 대처하기 위해서, 높은 최고-평균 전력비 신호를 가지는 복잡한 변조 방식이 도입되고 있고, 기존 주파수 대역의 포화로 더욱 높은 주파수 대역으로의 이동 통신 대역 할당이 진행되고 있다. 그 결과, 크기와 가격 측면에서 효율적인 다중모드 다중밴드 전력증폭기의 개발 뿐만 아니라, 높은 주파수 대역에서 고효율 선형 증폭 특성과 낮은 출력 전력에서도 높은 효율을 가지는 전력증폭기 개발이 요구되고 있다. 우선, 다중모드 다중밴드 전력증폭기 개발 시 크기와 가격 문제를 해결하기 위해서, 재구성이 가능한 다중모드 다중밴드 전력증폭기 구조를 제안하였다. 제안된 전력증폭기 구조는 비슷한 주파수 대역 내에서는 증폭기 MMIC를 공유하고, 필요 전력크기에 따라 MMIC 내의 코어 트랜지스터 사용 개수를 조절하여 최적화 함으로써, 전력증폭기에 사용되는 MMIC의 수를 최소화하여 크기와 비용을 절약할 수 있도록 한다. 또한, 전력증폭기 임피던스 정합 네트워크에 최적 전력, 할당 주파수 및 출력 경로를 재구성 할 수 있는 회로를 포함하여 구성함으로써, 다양한 통신 규격과 주파수 대역의 성능을 최적화하여 지원할 수 있는 구조를 제안 및 분석하였다. 제안된 구조를 사용하여, 2G/2.5G 모드의 4개 주파수 밴드와 3G/4G 모드의 5개 주파수 밴드를 지원하는 재구성이 가능한 다중모드 다중밴드 전력증폭기를 InGaP/GaAs HBT 공정을 이용하여 5 mm × 7 mm 의 작은 모듈 크기 안에 구현하였다. 각각의 단일 모드/밴드 전력증폭기와 측정 성능을 비교하였을 때, 최대 3.1% 의 약간의 효율 저하만을 제외하고 모든 모드 및 밴드에서 동등한 성능을 보이며, 제안한 구조의 유용성을 확인시켜주었다. 두번째로, 기존의 이동통신 주파수 대비 높은 주파수에서 고효율 선형 증폭 특성을 가지는 전력증폭기 개발의 필요에 따라, 트랜스포머 기반의 저손실 출력 정합 네트워크와 트랜지스터 기생 성분 중화 기술을 도입한 차동증폭기 구조를 제시하였다. 또한, 높은 최고-평균 출력비를 가지는 복잡한 변조 신호 사용 시 선형성 확보를 위한 낮은 출력 전력 동작 범위에서의 효율 향상을 위하여 트랜스포머 기반의 스위치 사용이 필요없는 임피던스 재구성 정합 구조를 제안하였다. 제안된 구조를 사용하여 4세대 이동통신용 5.15−5.85 GHz 대역 전력증폭기가 InGaP/GaAs HBT 공정을 사용하여 제작되었으며, 측정결과 전 대역에서 출력 전력 23.6−24.4 dBm 까지 –33 dBc 의 ACLRE-UTRA 선형 기준을 만족하였고, 41.9% 이상의 높은 최대 피크 효율을 보여주었다. 더 나아가, 제안한 스위치 사용이 필요없는 트랜스포머 기반의 임피던스 재구성 정합 구조를 사용하여, 낮은 전력 동작 영역에서 기존 대비 효율을 개선시킬 수 있었다.; In this dissertation, a study on reconfigurable and highly efficient multi-mode multi-band power amplifier (PA) for mobile applications is performed. Recently, mobile communication standards have evolved rapidly from 2G to 4G, and a large number of frequency bands are allocated for 2G/2.5G/3G/4G mobile applications according to region and country. Therefore, a demand for multi-mode multi-band (MMMB) PA for mobile devices has explosively been growing to support the various mobile communication standards and the increasing number of frequency bands. However, the conventional method, where a dedicated single-mode/-band PA is just added for each mode/band, results in excessive cost and size issues. Also, mobile traffics have been growing explosively due to an increasing number of mobile devices and a requirement of high-speed data communications. Accordingly, the complex modulation schemes having a high peak to average power ratio (PAPR) signal are introduced, and the deployment of cellular bands in unlicensed parts of higher frequency spectrum such as 5 GHz range is being considered. As a result, a highly efficient and linear PA in higher frequency bands and the efficiency enhancement in the backed-off power level are required. First, to resolve the size and cost issues of MMMB PA, reconfigurable structure for MMMB PA is presented in this study. The proposed MMMB PA structure minimizes the number of PA monolithic microwave integrated circuit (MMIC) by sharing a PA MMIC within the similar frequency bands, and by adjusting the number of usage transistor in PA MMIC according to the required power to optimize PA performance. In addition, the reconfigurable matching network of the PA includes circuits capable of reconfiguring the optimum power, the assigned frequency band, and the output path, thereby can optimize the performance of various communication standards and bands. Using the proposed topology, a MMMB reconfigurable PA is implemented using InGaP/GaAs HBT process in a small module size of 5 mm × 7 mm. This PA covers quad-band 2G/2.5G and penta-band 3G/4G mode operation with band combination. When compared with the single-mode single-band dedicated PAs, the fabricated PA showed comparable RF performance for all modes and bands, except for little power added efficiency (PAE) degradations of 3.1% and 1.9% for high- and low-band, respectively, thus validates the usefulness of the proposed structure for MMMB PA implementation. Second, to achieve high efficiency in high frequency bands, a differential power amplifier structure, adopting a transformer-based low loss output matching network and a parasitic neutralization technique, is proposed. Furthermore, a novel stage-bypass structure with a switchless transformer-based reconfigurable output matching network is proposed to enhance efficiency in back-off power region. Using the proposed topologies, a highly efficient fully-integrated 5.15–5.85 GHz HBT differential PA is implemented for LTE handset applications considering LTE licensed-assisted access (LAA). The PA achieved ACLRE-UTRA of –33 dBc up to output power of 23.6–24.4 dBm and showed high peak PAE of higher than 41.9% across 5.15–5.85 GHz. Also, a proposed switchless transformer-based reconfigurable matching network is adopted in the differential HBT PA and the PAE at the backed-off power range is enhanced compared with conventional PA.