휴대 단말기용 RF 전력 증폭기의 구조에 관한 연구

Abstract

무선 통신용 초고주파 송신단은 사용자의 문자/음성/비디오/스트리밍 데이터를 공기 중으로 출력하여 기지국과 사용자의 단말기가 서로 통신하도록 하는 장치이다. 무선 송신단은 음영 지역을 줄이기 위하여 높은 출력 전력을 가져야 하고, 우수한 품질의 데이터를 서비스하기 위해 높은 선형성을 가져야 한다. 무선 송신단을 구성하는 블럭 중 하나인 전력 증폭기는 이동 통신용 단말기 내에서 가장 많은 전력을 소모하는 장치이다. 전력 증폭기는 반드시 고 효율로 동작하여, 단말기 내의 열 손실을 최소화하고, 배터리 사용 시간을 최대화 시킬 수 있어야 한다. 또한, 끊김 없고 높은 품질의 사용자 데이터 신호를 증폭 하기 위해서 고 선형성의 전력 증폭기 설계는 필수적이다. 다양한 기능을 수행하는 스마트 단말기의 사용은 한정된 국가에 제한 받지 않고, 세계 어디에서든 동작 가능하여야 하기 때문에, 단말기는 글로벌 로밍 기능을 탑재 하여야 한다. 각국의 다양한 무선 통신 표준의 주파수 대역을 처리하기 위해서, 각각의 무선 표준에 해당하는 여러 개의 전력 증폭기가 하나의 단말기에 사용되어 왔다. 현재에는 그 크기의 소형화 및 가격 경쟁력을 높이기 위해, 단일화된 전력 증폭기의 요구가 증가하고 있다. 한 개의 전력 증폭기로 세계 각국의 무선 표준을 모두 만족 시키기 위해서, 다중 모드 및 다중 밴드에서 고 효율, 고 선형성으로 동작 가능한 전력 증폭기의 설계가 요구되고 있다. 본 연구에서는 다양한 방법 및 기술을 제안하여, 다중 모드 및 다중 밴드에서 동작이 가능하고, 그 동작 효율과 선형성 특성이 향상된 이동 통신용 전력 증폭기에 대해서 기술한다. 본 논문의 내용은 전력 증폭기의 구조에 따라, 부하 저항 변조 방식의 전력 증폭기(Chapter 2, Chapter 3, Chapter 5)와 전원 전압 변조 방식의 전력 증폭기(Chapter 2, Chapter 3.4)로 나눌 수 있다. 또한, 전력 증폭기를 직접한 공정 프로세스에 따라, HBT 전력 증폭기(Chapter 2, Chapter 3)와 CMOS 전력 증폭기(Chapter 4, Chapter 5)로 나눌 수 있다.

첫째로, 듀얼 전력 모드 및 다중 밴드에서 동작 가능한 포락선 추적 (Envelope tracking) 전력 증폭기를 기술하였다. 부하 저항 변조 방식과 전원 전압 변조 방식이 합쳐진 형태의 전력 증폭기를 제안하였으며, 그 효율과 대역폭을 향상시키는 방법에 대하여 자세하게 기술 하였다. 새로운 전력 모드 조절 방식으로 병렬 구조의 스위치 캐패시터를 제안하였으며, 제안된 방식을 사용하여, 전력 증폭기는 두 개의 전력 모드 모두에서 효율적으로 동작이 가능하였다. 높은 전력 모드 및 낮은 전력 모드 모두에 포락선 추적 기술을 적용하여 전력 증폭기의 동작 영역 전 구간에서 효율 향상이 이루어졌다.

둘째로, 단말기용 선형 도허티 전력 증폭기를 개발하였다. 도허티 전력 증폭기의 선형성을 향상시키는 방법에 대하여 자세하게 분석 및 기술 하였으며, 도허티 전력 증폭기를 단일 칩에 직접 가능할 수 있도록 그 크기를 줄이는 방법에 대하여 기술하였다. 추가적으로, 부하 저항 스위칭 방식 및 평균 전력 추적 방식 (Average power-tracking) 을 도허티 전력 증폭기에 적용 가능하도록 개발하여 그 성능을 더욱 향상 시켰다.

셋째로, 단일 칩에 완전히 직접된 고효율의 CMOS 전력 증폭기를 제안하였다. Saturated waveform 기법을 적절하게 CMOS 전력 증폭기에 적용하여 다중 밴드에서 동작 가능한 단일 칩 전력 증폭기를 개발하였으며, 간단한 구조의 디지털 전치 왜곡 알고리즘을 접목하여 선형성을 향상시켰다.

마지막으로, 트랜스포머에 기초한 새로운 방식의 부하 저항 변조 방식의 전력 증폭기를 개발하였다. 트랜스포머의 정적인 부하 저항 변조 방식을 분석 및 이용하여 듀얼 전력 모드의 전력 증폭기를 제안하였으며, 나아가 동적인 부하 저항 변조 방식을 분석 및 이용하여 전압 결합 방식의 도허티 전력 증폭기를 제안하였다. 새롭게 제안된 전압 결합 방식의 도허티 전력 증폭기와 기존의 전류 결합 방식의 도허티 전력 증폭기를 서로 비교 분석하여, 전압 결합 방식의 도허티 전력 증폭기가 CMOS 전력 증폭기에 더 적합한 구조이며, 동작 대역폭에서 더 큰 장점을 취하는 것을 보였다.

본 논문을 통해 제안된 전력 증폭기는 CMOS 또는 HBT 공정을 이용하여 실제 제작을 통해 그 성능을 검증하였다. 구현된 전력 증폭기는 발표 당시에 해당 표준에서 높은 선형 증폭 성능을 나타내었다.