NI AWR 소프트웨어를 사용하여 소형 GaN HEMT Doherty 증폭기 설계

차세대 4G/5G 통신 시스템에서는 다중 대역 및 다중 표준 동시 작동을 제공하기 위해 넓은 주파수 범위에서 고효율로 작동하는 전력 증폭기(PA)가 필요합니다. 대역폭이 증가하고 데이터 전송률이 높은 이러한 시스템에서 전송 신호는 순간 전송 전력의 넓고 빠른 변화로 인해 높은 PAPR(피크 대 평균 전력 비율)이 특징입니다.

따라서 넓은 주파수 대역폭에 걸쳐 최대 출력 전력과 낮은 전력 레벨에서 높은 효율을 제공하는 것이 중요합니다. 일본의 선도적인 반도체 기술 혁신 기업인 Sumitomo Electric 의 설계자들은 2.25GHz에서 거의 1GHz의 작동 대역폭을 포괄하는 혁신적인 고출력 광대역 도허티 증폭기를 개발하는 임무를 맡았습니다. 디자인의 간결함이 매우 중요했습니다. 또한 회로 매칭을 위해서는 트랜지스터 다이에서 패키징된 장치 게이트 단자까지 낮은 임피던스 레벨이 필요했습니다(그림 1).

그림 1:  패키지 장치의 등가 회로

그림 2는 입력 반사 손실 성능을 보여주고 그림 3은 저임피던스 변환 네트워크의 레이아웃과 관련 결과를 보여줍니다.

그림 2: 반사 손실(dB |S11| )

그림 3:  저임피던스 변환 네트워크의 레이아웃(왼쪽 위), 임피던스 정합 전력 트랜지스터(왼쪽 아래), 전체 회로 회로도 및 입력 반사 손실(오른쪽 위), DC IV 곡선을 보여주는 Microwave Office 소프트웨어 디스플레이 (오른쪽 아래)

해결책

설계자들은 이 PA 설계를 위해 NI AWR 설계 환경 플랫폼, 특히 Microwave Office 회로 설계 소프트웨어와 AXIEM 평면 전자기(EM) 시뮬레이터를 선택했습니다. 소프트웨어의 첫 번째 통과 설계 성공률이 높기 때문입니다. 빠르고 정확한 AXIEM EM 분석은 다양한 고유전체 재료를 사용하는 문제를 극복하는 데 도움이 되었습니다. 이 장치는 최대 100W의 출력 전력에 대해 50~60%의 평균 효율을 달성했으며 송신기의 비용, 크기 및 전력 소비를 크게 줄였습니다.

그림 4:  광대역 2단 역 도허티 증폭기의 이중 대역 DPD 선형화: a) 4 캐리어 GSM 신호 및 b) 10MHz LTE 신호

그림 4는 5개 주파수에 대한 전체 주파수 대역폭에 걸쳐 전송선 GaN HEMT 역 도허티 증폭기의 측정된 전력 이득 및 드레인 효율을 보여줍니다. 이 경우 1.8~2.7GHz 주파수 범위에서 9dB 이상의 전력 이득이 달성되었습니다. 동시에 포화 전력 P3dB에서 55% 이상, 7dB 백오프 출력 전력에서 약 50%의 드레인 효율이 전체 주파수 대역폭에 걸쳐 측정되었으며, 최대 드레인 효율은 1.95 미만의 낮은 대역폭 주파수에서 70% 이상이었습니다. 전체 주파수 범위에서 약 6dB의 최대 백오프 출력 전력에서 GHz 및 피크 효율 지점을 나타냅니다.

결론

Sumitomo 설계자는 시뮬레이션의 단순성과 정확성, 직관적인 사용자 인터페이스, 시뮬레이션 속도 및 우수한 지원 서비스를 이 새로운 설계로 성공하는 데 도움이 된 이점으로 강조했습니다. 예를 들어 NI AWR 소프트웨어로 설계된 단순 매칭 네트워크는 다른 레거시 소프트웨어와 다르다고 말했습니다. 동일한 디바이스를 사용하고 다른 네트워크로 구축된 하드웨어에서 실제로 검증할 때 레거시 소프트웨어는 튜닝이 필요한 반면 NI AWR 소프트웨어는 그 자리에 있었습니다.