Various approaches have been applied to increase system operation flexibility and power allocation efficiency within satellite communication coverage. Among many techniques used to adaptively control communication traffic during the lifetime of a satellite, the use of multi-port amplifier (MPA) has been studied as an effective approach in multi-beam systems. Compared with the classical power amplification architectures, MPA shows more flexible use of power amplifiers (PAs) having low saturation power and consumes less DC power. However, good isolation characteristics among the output ports of MPA should be achieved to ensure the successful operation in multi-beam systems. Thus, for good port-to-port isolations in a practical application, an automatic calibration circuitry is generally included in MPA to compensate the possible variations in electrical performances of PAs that are sensitive to operation environments. Especially for satellite-based MPAs, it is necessary to minimize the number of calibration tests and reduce the complexity of on-board hardware dedicated to the MPA calibration block.
According to the previously proposed MPA calibration schemes, the errors in MPA were only detected through output power measurements after output hybrid matrix (OHM). The previously reported calibration techniques were based on finding the point where the powers of the desired output port and the other ports were the maximum and minima, respectively. However, since the amplified signals in each RF array path were all recombined after OHM, the source of errors could not be distinguished whether the errors arose from an amplitude mismatch and/or a phase mismatch. In addition, the signal path causing the errors could not be found among the array of signal paths and thus the calibration uncertainty increased. That is, an optimal calibration technique to eliminate the drawbacks of currently used calibration schemes must be considered for practical applications. Moreover, the conventional and previously reported MPAs have shown a lack of reconfigurability such that the input-to-output signal paths are always fixed due to the passive input hybrid matrix (IHM) and OHM. If one PA undergoes failure, overall system performance gets degraded due to the degradation in isolation characteristics among output ports. Therefore, the reconfigurability which can be expressed in terms of both flexibility and reliability is another key design issue for advanced MPAs.
In this dissertation, new reconfigurable MPA structures having emphasis on optimal calibration technique and enhanced reliability are proposed. Specifically, two newly proposed MPA structures are theoretically analyzed and verified by measurement. The first proposed MPA structure focuses on reconfigurability and optimal phase and amplitude error correction for calibration. The proposed calibration circuitry is configured by a QPSK modulator, a power divider, two QPSK demodulators based on wideband six-port architecture, and digital control block consisting of DSP board and multiple DACs. The rest of MPA system consists of IHM, OHM, voltage-controlled phase shifters, voltage-controlled attenuator, 0/180° phase inverters, PAs and directional couplers. The required RF blocks such as PA, QPSK demodulator, phase shifter/inverter and attenuator are implemented in MMIC using 0.15-μm GaAs pHEMT process. Unlike the previously reported and conventional MPA calibration schemes that cannot distinguish phase and amplitude errors in each signal path, the proposed structure can distinctively detect phase and amplitude deviations from each signal path, resulting in fast and optimal correction to corresponding source of errors. Moreover, output port for a given input port can be flexibly chosen by adjusting phase inverters, resulting in the improvement of reconfigurability. The proposed reconfigurable MPA with calibration circuitry is implemented in 4×4 size and verified at K-band.
The second proposed MPA structure focuses on reconfigurability and reliability in case of PA failure. This MPA structure is configured by 4×4 switchable matrices and drive amplifier (DA) MMICs. The proposed 4×4 switchable matrix consists of four unit-switching mode hybrid matrices (SMHM) and each SMHM is implemented with two 3-dB couplers and two SP4T switches. Also, the DA MMIC using GaAs HBT process adopts linearizing capacitor and optimized bias transistor size for good linearity. Unlike previously reported MPA structures with fixed input and output relations, the proposed structure can select the number of PAs (or DAs) for signal amplification and produce flexible output patterns depending on the mode selection of SP4Ts. For 4×4 structure, input signal can be amplified by a single PA, two PAs or all four PAs and then be outputted to only one port, two ports or all four ports. Thus, the proposed MPA structure can effectively improve system flexibility as well as reliability in case of PA failure. The proposed structure is implemented and verified at 900MHz-ISM band.
위성 통신 시스템의 할당 영역 내에서의 효과적인 전력 전송 및 분배를 위한 다양한 연구가 수행되어 왔으며, 근래에는 여러 개의 전력 증폭기를 공유하여 멀티 채널 전력 전송에 효과적으로 쓰일 수 있는 다중포트 증폭기 (MPA)가 주목 받기 시작하였다. 일반적인 구조의 전력 증폭 시스템과 비교하였을 때, 다중 포트 증폭기는 포화 전력이 낮은 전력 증폭기를 사용할 수 있으며, 다중 채널 전송의 경우에서는 일반적인 전력 증폭 구조에서 보다 DC 파워 소모가 더 작다는 이점이 있다. 하지만, 다중포트 증폭기를 이상적으로 동작시키기 위해서는 각각의 출력 단 사이의 높은 격리 특성이 확보되어야 한다. 따라서, 이를 보완하고자 일반적으로 다중포트 증폭기는 보정회로를 포함하여, 개별 전력 증폭기 간의 전기적 특성의 변화를 보정해 주게 된다.
기존에 제안되었던 보정 방식들은 다중포트 증폭기의 출력 네트워크 이후에 결합되는 파워를 샘플링하여 파워를 크기를 비교하게 된다. 하지만, 출력 네트워크 이후에 파워를 샘플링 할 경우 각각의 개별 증폭기가 포함되어 있는 경로에서의 신호 크기 및 위상을 구분할 수 없기 때문에 어느 경로에서 에러가 발생했는지, 또는 신호 크기에 의한 에러 인지 혹은 위상 차이에 의한 에러인지를 정확히 알 수 없는 단점이 있다. 결국, 전적으로 출력 파워의 크기 비교에 의한 보정이기 때문에, 전반적으로 정확성이 떨어지게 된다. 또한, 기존의 다중포트 증폭기의 구조는 입력과 출력 단에 수동 소자로 네트워크를 만들어 전력 증폭기를 연결하기 때문에, 입출력 포트의 사용이 수동 소자의 고정된 관계식에 의해 제한되어 지는 단점이 있다. 즉, 여러 개의 전력 증폭기 중 어느 하나가 고장이 났을 경우 입출력 신호 경로가 고정되어 있기 때문에, 전반적인 다중포트 증폭기의 성능이 저하될 수 밖에 없다. 따라서, 본 학위 논문에서는 기존에 제안되었던 다중포트 증폭기의 보정 회로 및 구조의 단점들을 극복하기 위해 새로운 구조의 다중포트 증폭기를 제안 및 분석하였다.
첫 번째로 제안하는 구조는 다중포트 증폭기의 재구성 능력과 최적화 된 보정 회로를 포함하며 K-band 대역에서 설계 및 검증하였다. 제안하는 보정 회로는 QPSK 변조기, 파워 분배기, 광대역 6-포트 기반의 듀얼 QPSK 복조기, 그리고 DAC를 포함하는 DSP 하드웨어로 구성된다. 또한, 다중포트 증폭기의 증폭단은 입출력 매트릭스, 전압제어 위상 천이기, 전압제어 감쇄기, 위상 반전기, 전력 증폭기 등으로 구성된다. 각각의 RF 부품 대부분은 GaAs pHEMT 공정을 사용하여 MMIC로 제작하였다. 제안하는 다중포트 증폭기의 구조는 기존에 제안되었던 구조와는 다르게 전력 증폭기가 배열되어 있는 어레이 (array) 경로간의 신호 크기 및 위상을 구분할 수 있기 때문에 기존의 보정회로보다 더 정확하고 빠른 오차 보정이 가능하다. 또한, 각각의 어레이 경로간에 추가된 위상 반전기의 위상 모드를 조절하여 원하는 입출력 포트를 자유롭게 사용할 수 있다. 제안하는 구조는 4x4 사이즈로 구성하였으며, 19.5 GHz에서 22.5 GHz (Ka-band 위성 통신 시스템의 downlink)의 동작 주파수에서 검증하였다.
두 번째로 제안하는 다중포트 증폭기는 기존의 다중포트 증폭기의 제한적인 신뢰성을 개선한 구조로써 900-MHz ISM 대역에서 설계 및 검증하였다. 제안하는 구조는 입출력 네트워크에 기존에 사용하던 일반적인 버틀러 (Butler) 형식의 매트릭스를 벗어나 새로운 형식의 매트릭스를 적용하여 시스템의 유연성을 높였다. 스위칭 모드 하이브리드 매트릭스 (SMHM) 라는 새로운 셀을 제안 및 적용하여 다중포트 증폭기를 설계하였다. 각각의 스위칭 모드 하이브리드 매트릭스는 2개의 3-dB 커플러와 2개의 SP4T 스위치로 구성된다. 또한, GaAs HBT 공정을 사용하여 전력 증폭기를 설계하였다. 새로이 제안하는 다중포트 증폭기를 사용할 경우 원하는 전력 증폭기 및 개수를 선택하여 신호를 증폭할 수 있으며, 증폭된 신호를 원하는 출력 포트로 전송할 수 있게 된다. 따라서, 여러 개의 전력 증폭기 중 어느 하나가 고장이 나더라도 입력 신호를 우회시켜 고장난 증폭기에 의한 시스템 특성 저하를 최소화 시킬 수 있다. 즉, 기존의 다중포트 증폭기의 취약점인 전력 증폭기의 고장에 의한 신뢰성 저하를 향상시킬 수 있는 새로운 구조로서, 900-MHz 대역에서의 원활한 동작 테스트를 통해 검증하였다.
