Until the 2000s, mobile communication base station has been consisted of outdoor antenna, indoor RF front-end and indoor base-band system. This traditional structure has low power efficiency and consumes high cost. Recently, there are increasing demands for femto cell base station which has a structure of antenna, RF, and base-band integrated form. This structure can be coped actively with communication capacity changes by installation of a large number of small cells, instead of adding an unnecessary macro cell. By doing so, power consumption and cost of installing can be reduced.
Power amplifier (PA) for the femto cell base station required to have small size and high power efficiency since the PA accounts for a large portion of power consumption in base station. Due to high PAPR of the signal, PA for base station should operate at back-off power region. Using load modulation technique, the Doherty PA can amplify the signal in a back-off power region with high efficiency. In previous researches, almost all of high power Doherty PA has been designed using discrete GaN device, not a MMIC type. How-ever, due to small size requirement of femto cell base station, large size discrete GaN Doherty PA is not suitable. It is still difficult to implement a MMIC Doherty PA because the physical length of quarter-wave transmission line at 2.14GHz band, which is one of the most frequently used frequency for WCDMA, is too long to integrate on a single chip. To enlarge the power gain of PA, Doherty PA needs to be composed of a driver stage and a power stage. To connect the driver stage and the power stage, bulky matching networks are needed which transform the PA’s optimum impedance into power divider’s characteristic impedance. Because of a bulky matching network, Doherty PA has large chip size and high insertion loss. It is also bandwidth limiting factor.
In this paper, we propose a novel GaN MMIC Doherty PA architecture which is suitable for femto cell base station. In this proposed architecture, the lumped element quadrature coupler is matched to the PA’s optimum impedance, and size of inter-stage matching networks is reduced. It relieves high insertion loss and reduces total chip size.
The presented GaN MMIC Doherty PA shows 52.11% PAE with a gain of 18.63dB when the output power is 39.62dBm for a 2.14GHz CW signal. For a down link WCDMA signal at an output power of 35.26dBm, the PAE of 40.34% with a gain of 17.53dB is achieved.
2000년대까지의 기지국 시스템은 옥외에 안테나가 위치하고 기타 RF Front-end 및 Baseband 시스템은 옥내에 위치하는 구조를 가졌다. 이러한 시스템은 높은 전력 소모 및 설치 비용으로 인해 이동통신 서비스 공급자에게 부담이 되는 구조이다. 기존 기지국의 이러한 단점들을 해결하기 위해 최근에는 안테나, RF front-end 및 소수의 디지털 장비를 결합한 형태의 RRH(Remote Radio Head) 구조의 기지국 시스템이 연구되고 있다. 이렇게 각 기능이 통합된 형태의 초소형 기지국 시스템은 불필요한 매크로셀을 추가로 설치하는 것에 비해 다수의 소형셀을 설치하게 됨으로써 전력 절감효과 및 통신 용량 변화에 능동적으로 대처가 가능하다. 이를 통해 전력 소모와 설치비용을 절감할수 있다.
고성능의 초소형 기지국 구성을 위해서는 기지국 전체에서 가장 큰 전력 비중을 차지하는 블록인 전력 증폭기를 소형화 하면서도 높은 효율을 가질 수 있게 구현하는 것이 중요한 목표 중 하나가 된다. 높은 PAPR 값을 가지는 신호의 특성으로 인해, 기지국의 전력 증폭기는 back-off 전력 지점에서 동작시켜야 한다. 도허티 전력 증폭기는 부하 변조 동작을 사용하여, back-off 전력 지점에서의 신호를 높은 효율로 증폭시킬 수 있다. 이전의 연구들에서는, 거의 대부분의 고출력 도허티 전력 증폭기는 MMIC가 아닌 discrete GaN 트랜지스터를 사용하여 설계되어 왔다. 그러나, 초소형 기지국의 작은 사이즈 요구사항으로 인해, 큰 사이즈의 discrete GaN 도허티 전력 증폭기는 적합하지 않다. WCDMA 신호가 가장 많이 사용되는 주파수인 2.14GHz 대역에서의 긴 1/4 람다 전송선로의 길이로 인해, MMIC 형태의 도허티 전력 증폭기의 구현은 여전히 어렵다. 도허티 전력 증폭기의 전력 이득을 높이기 위해, 도허티 전력 증폭기는 driver stage와 power stage로 구성이 된다. driver stage와 power stage를 연결해 주기 위해, 전력 증폭기의 최적 임피던스를 전력 분배기의 특성 임피던스로 변환시켜 주는 비대한 정합 네트워크들이 필요하다. 비대한 정합 네트워크로 인해, 도허티 전력 증폭기는 큰 칩 사이즈를 가지고 높은 삽입 손실을 가진다. 이는 또한 대역폭 제한의 원인이 된다.
본 논문에서는, 초소형 기지국에 적합한 GaN MMIC 형태의 도허티 전력 증폭기 구조를 제안한다. 제안하는 구조에서는 집중소자 쿼드러쳐 커플러가 전력 증폭기의 최적 임피던스와 정합 되고, inter-stage 정합 네트워크의 크기가 감소된다. 이는 높은 삽입 손실을 완화하고 전체 칩 사이즈를 감소시킨다.
구현된 GaN MMIC 도허티 전력 증폭기는 2.14GHz CW 신호를 인가 하였을때, 39.62dBm의 출력 전력 지점에서 18.63dB 전력 이득 및 52.11%의 효율을 나타낸다. down link WCDMA 신호를 인가 하였을때, 35.26dBm 출력 지점에서 17.53dB 전력 이득 및 40.34%의 효율을 나타내었다.
