하모닉 Load Pull 측정으로 전력 증폭기 효율성 극대화

Load Pull 애플리케이션을 통해 전력 증폭기의 특성분석과 최적화를 개선할 수 있습니다. 효율적인 증폭기는 많은 양의 하모닉이 발생하는 포화에 근접한 비선형 영역에서 사용됩니다. PA(전력 증폭기) 효율성을 최적화하기 위해서는 이러한 하모닉 신호는 하모닉 주파수에 최적화된 임피던스가 필요합니다.

목표

RF 전력 증폭기 개발자는 게인, 출력 전력, 주파수 커버리지 뿐만 아니라 전체 대역폭에서 충분히 평평한 선형성, EVM, ACLR등 필수적인 요소에 집중합니다. 또한, 경쟁업체와 차별화하기 위해 효율성 개선에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 증폭기를 포화 상태와 가깝게 실행할 경우 하모닉 성분이 발생합니다. 선형성과 효율성 간 최적화를 위해 클래스 A, 클래스 B와 같은 다른 작동 모드를 사용합니다. 이러한 클래스를 파형 공학이라고 하는 이유는 트랜지스터에 적용한 전류 및 전압 곡선이 조정되기 때문입니다. 클래스 A와 B가 바이어스 전압으로 조정되는 반면 클래스 E와 F는 하모닉 제어를 사용해 효율성을 최적화합니다. 하모닉 Load Pull 시스템은 E 및 F 모드에 대한 완벽한 정보를 제공하며 DUT(증폭기)에 가장 효율적인 작동 모드를 찾아냅니다. 장치와 해당 작동 모드에 따라 10% ~ 20% 범위가 현실적인 효율성 개선 범위입니다.

로데슈바르즈와 Maury Microwave, 턴키 하모닉 Load Pull 시스템 관련 협업

기존 Load Pull 시스템은 트랜지스터에 다른 임피던스 레벨을 적용하기 위해 패시브 시스템에 기계적 튜너를 사용했습니다(그림 1 참조).
액티브 Load Pull 시스템은 다른 방식을 이용해 튜너를 대체합니다. 즉, 액티브 피드백 시스템에서 신호 관련 레벨 및 위상이 정의된 증폭기 출력에 신호를 전송하는 방식입니다. 이 방식에서는 패시브 튜너에서 발생한 손실이 제거되고 더 많은 전력이 넓은 튜닝 범위에 적용되므로 Smith 차트 전반에서 넓은 튜닝 범위가 가능합니다. 혼합 방식(하이브리드 Load Pull)도 사용할 수 있습니다.

하모닉 주파수를 튜닝할 경우 유사 개념을 적용합니다. 패시브 튜닝은 제1 하모닉(f₀), 제2 하모닉(2f₀), 제3 하모닉(3f₀)에 대해 다중의 기계적 튜너를 사용합니다.
이러한 하모닉은 트리플렉서 또는 캐스케이드 방식의 기계적 튜너를 통해 하모닉에 대한 세 개의 내부 캐리지를 이용해 결합됩니다. 넓은 튜닝 범위와 뛰어난 유연성은 DUT에 제어된 하모닉 주파수 신호를 공급하는 액티브 시스템으로 얻을 수 있습니다.

기본 주파수에 패시브 튜너를 결합하는 방식은 훨씬 높은 파워 레벨을 지원하고 제2 하모닉, 제3 하모닉에 대해 액티브 신호를 사용하는 일반적인 사용 방식입니다(그림 2 참조).

Maury Microwave, AMCAD Engineering 및 로데슈바르즈는 공동 턴키 시스템과 전체 시스템을 교정 및 실행하는 소프트웨어에 대해 협업하고 있습니다. 이 솔루션은 R&S®ZNA가 유일하게 제공하는 독립적으로 조정 가능하고 동기화되는 4개 신호 소스를 사용합니다. 따라서 입력을 위한 기본 주파수 신호와 함께 액티브 하모닉 Load Pull에 대한 위상 및 진폭 제어를 적용한 제2 하모닉, 제3 하모닉를 발생할 수 있습니다.

또는 네 번째 R&S®ZNA 소스가 로드 측의 기계적 튜너를 액티브 f₀신호로 대체할 수 있습니다.
그렇지 않을 경우 DUT의 출력으로 이동하는 f0의 신호가 과도해지기 때문에, 출력 파워가 낮은 기기에 합리적인 방식입니다. 기계적 튜너와 DUT에 대한 액티브 신호를 이용하는 하이브리드 방식이 가장 유연한 솔루션입니다.

네 개의 내부 소스를 이용해 매우 컴팩트하며 빠르고 안정적인 셋업이 가능한 R&S®ZNA로 외부 소스 또는 하모닉 튜너 관련 비용을 절감할 수 있습니다.

애플리케이션

측정을 이용하는 방식은 각각 다른 조건을 사용해 전체 솔루션을 검색하여 DUT 특성분석을 수행하고 효율성을 극대화합니다. DUT까지 완전히 교정된 시스템을 사용하는 다단계 방식이 보편적입니다. 일반적 단계는 다음과 같습니다(그림 4 참조).

1단계: f₀임피던스를 스윕하면서 최고의 PA 효율성을 찾는 동시에 2f₀ 및 3f₀을 50 Ω 터미네이션으로 설정합니다.

2단계: 2f₀임피던스를 스윕하는 동시에 f₀을 1단계에서 찾은 임피던스에 고정하여 효율성을 극대화합니다. 3f₀은 50 Ω에 유지됩니다.

3단계: 3f₀임피던스를 스윕하는 동시에 f₀임피던스 및 2f₀임피던스를 1단계와 2단계에서 찾은 임피던스에 고정하여 효율성을 극대화합니다.

4단계: f0 임피던스를 미세 조정합니다. f₀임피던스를 스윕하는 동시에 2f₀ 및 3f₀ 임피던스를 2단계와 3단계에서 찾은 임피던스에 고정하여 효율성을 극대화합니다.

이 방식은 다른 하모닉에서 일치하는 임피던스를 선택하기 위한 데이터를 제공하여 증폭기 효율성을 극대화합니다. 이러한 도표는 일반적으로 각 임피던스 레벨에 복수의 곡선을 사용해 출력 파워 대비 효율성을 보여줍니다. 따라서 최대 출력 전력을 위한 최적점으로 P1dB 또는 P3dB 압축점을 선택하거나 3 dB보다 큰 백오프를 새용해 더 나은 선형성을 선택할 수 있습니다.

최적화 경로를 따른 효율성 곡선(그림 4)
이 도표는 트랜지스터 출력에 공급되는 출력 전력별 PAE(Power Added Efficiency, 전력부가효율)를 보여줍니다. 임피던스 변동 범위도 Smith 차트에 각 단계별로 나와 있습니다. 최고의 효율성을 달성하기 위해 임피던스가 변경될 때 y-축 스케일링을 변경하여 더 큰 PAE 값을 얻을 수 있습니다.

요약

Maury Microwave, AMCAD Engineering, 로데슈바르즈의 협력으로 제공되는 R&S®ZNA 기반 솔루션은 초소형 셋업과 솔루션 고유의 방식으로 최신 증폭기 개발의 하모닉 Load Pull을 측정할 수 있습니다.

최신 무선 통신 시스템에 클래스 F 또는 J와 같은 첨단 증폭기 클래스가 보편적으로 사용됨에 따라 전력 소비를 가능한 낮게 유지하기 위해 최고의 효율성과 하모닉 종결이 중요합니다.