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패키지의 고조파를 종단시켜보다 효율적인 RF 전력 증폭기를 구축하는 방법

Date:2018/10/24 15:58:43 Hits:

고속 데이터 이동 통신 시스템은 높은 에너지 효율을 제공하는 RF 전력 증폭기 (PA)를 필요로하므로 네트워크 운영 비용을 절감 할 수 있습니다.

최신 셀룰러 표준에서 사용 된 복잡한 변조 방식은 송신기 PA의 높은 평균 효율을 요구하는 PAR (peak-to-average-power ratio)이 높기 때문에 이것은 어려운 일입니다. 많은 PA 아키텍처는 가장 효율적으로 작동하는 '스위트 스폿 (sweet spot)'을 가지고 있으며 그 자리에서 훨씬 낮은 효율성으로 작동합니다. 따라서 높은 평균 효율을 달성하는 것은 광범위한 작동 조건에서 효율적으로 PA 아키텍처를 구축하는 것을 의미합니다.

우리는 Doherty 및 out-phasing 아키텍처에서 GaN 트랜지스터를 사용하여 그러한 PA를 구축하는 유망한 접근법을 보았습니다. PA 보드의 크기 나 복잡성을 증가시키지 않으면 서 전송 신호의 고조파가 종결되는 방식을보다 효과적으로 제어 할 수 있다면 훨씬 더 높은 효율을 달성 할 수 있다고 생각합니다.

우리의 접근법은 표준 RF 패키지에서 Class-E 증폭기의 효율을 달성하기 위해 조화로 일치되는 GaN 트랜지스터와 준로드 무감각 (QLI) 아키텍처를 사용합니다. 이 접근법은 고효율 작동을 제공합니다. Doherty 및 Out-phasing PA 아키텍처가 부하를 변조하는 방식에도 불구하고.

그림 1는 단순한 Doherty PA 아키텍처를 보여줍니다.


그림 1 : 단순화 된 Doherty PA 아키텍처



그림 2 단순화 된 아웃 페이징 PA 아키텍처



QLI 기술을 사용하여보다 효율적인 PA 구축
우리는 간단한 회로 구조에서 높은 효율을 달성하기 위해 클래스 E 증폭기의 유한 인덕턴스 구현을 사용한다. 로드 네트워크 요소와 입력 매개 변수 사이의 관계가 그림 1에 표시된 것처럼 공진 요인 q = 3 / ω√LC와 L 및 C를 통해 달라지면서 많은 작동 모드가 발생합니다.


그림 3 : 유한 DC 피드 인덕터 L 및 로우 패스 LC 섹션 (L1C1) 및 관련 파형이있는 유사 부하에 민감한 클래스 E PA


q = 1.3에서 PA는 동적 부하 변조를 사용하는 시스템에 필요한 다양한 부하 저항에 대해 최상의 효율을 제공하는 클래스 E 동작 모드로 전환됩니다.

표준 RF 패키지에서 크기 및 비용 제약은 단순한 매칭 네트워크 토폴로지 만 허용합니다. 직렬 커패시터는 내부적으로 구현하기가 특히 어렵다. 따라서 그림 1의 하단에 표시된 것과 같이 기능적으로 동일한 변환 된 저역 통과 LC 섹션 (L1C3)을 유도했습니다.

더 높은 고조파가 패키지 내부에서 매치되기 때문에, 최대 효율, 최대 출력 및 백 오프 (예 : 6dB)를위한 최적의 임피던스를 달성하기에 충분한 기본 부하 풀 시스템이 적합합니다. 측정 된 데이터는 최대 출력과 효율이 앰프 스미스 차트의 실제 축에 정렬되어 있음을 보여줍니다. 부하 효율의 증가에 따라 출력 전력이 감소하는 동안 최대 효율은 유지되지만 부하 변조 중에 최대 효율을 달성하는 데 필요한 2 차 고조파 임피던스는 영향을받지 않습니다. 이 속성은 Doherty 및 Out-phasing PA의 평균 효율을 높이는 데 매우 유용합니다.



Class E Doherty PA 디자인에 QLI 기술 적용
패키지 장치의 전력 및 효율에 대한로드 풀 측정은 λ / 4 내부 신호 회전이 있음을 나타냅니다. 이 내부 회전은 도허티 PA의 부하 네트워크 설계시 고려 될 수 있으므로 출력에 보상 라인을 추가 할 필요가 없습니다. 패키지 리드에 필요한 기본 부하 임피던스는 또한 도허티 결합기가 별도의 매칭 네트워크 없이도 직접 연결될 수 있도록 충분히 높습니다.

더 높은 고조파가 패키지 내부에서 종단된다는 사실은 Doherty PA의로드 네트워크가 단순하고 컴팩트하며 고조파 매칭을 필요로하지 않는다는 것을 의미합니다. 또한 메인 디바이스는 AB 급 모드로 바이어스되며 피크 디바이스는 대기 전류를 위해 C 클래스 모드로 바이어스되어 일반적인 도허티 동작을 보장하므로 과도하게 구동 될 때 디바이스는 클래스 E와 같은 동작 모드로 들어간다.



듀얼 입력, 혼합 모드 아웃 페이징 PA 디자인에 QLI 기술 적용
혼합 모드 아웃 페이징 설계는 그림 4 (b)에 나와 있습니다. Chireix 보상은 면적을 소비하는 션트 서셉 턴스를 추가하는 대신에 전기적 길이를 ± Δ만큼 조정하여 두 가지 브랜치에 통합되었습니다. Δ의 값은 필요한 아웃 페이징 보정 각을 결정합니다.

혼합 모드 아웃 페이즈 (out-phasing) 동작의 경우 위상 및 입력 전력 제어의 조합을 사용하여 최대 배수 / PAE 효율 대 전원 백 오프를 달성한다. 최상의 효율 응답을 얻기위한 드라이브 프로파일은 찾아보기 테이블에 저장됩니다. 이는 아웃 페이징 PA가 더 큰 아웃 페이징 각에서 급격한 효율 / 이득 롤오프를 피할 수 있고 높은 라인 업 효율을 유지한다는 것을 의미합니다.


실제로 QLI PA 아키텍처
우리는 신호의 입력 위상과 진폭을 모두 스위핑 할 ​​수있는 이중 입력 측정 설정을 사용하여이 두 PA 아키텍처를 테스트했습니다. 연속파로 작동 할 때 장치가 과열되는 것을 방지하기 위해 장치를 높은 압축 상태로 밀어 넣지 않았습니다. 이것은 변조 된 신호의 피크 전력이 정적 측정 된 출력 전력보다 적어도 1dB 높음을 의미합니다. 선형화를 위해 벡터 전환 일반 메모리 다항식 접근법이 사용되었습니다. 최적화 된 디지털 사전 왜곡 전략은보다 우수한 선형화를 제공해야합니다.


결론

이 연구는 RF 패키지 내부에서 고조파를 종단함으로써 고효율, 부하 변조 기반 PA를 구축 할 수 있음을 보여줍니다. 이 접근법은 또한 전력 결합 네트워크가 단순하고 콤팩트 할 수 있음을 의미합니다.


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