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RF공부

1. RF에서 Power Amp.는 왜 필요한가?

by 꼬마박사무니 2021. 1. 11.
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안녕하세요

꼬마박사무니입니다.

 

RF에서 Power Amplifier (전력증폭기)가 왜 필요한지에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

어려운 수식적 설명은 배제하고 쉽게 설명하기 위해 촛점을 맞추겠습니다.

 

 

 

위 그림은 Qorvo사의 Massive MIMO 시스템을 표현하는 그림입니다만... 여기서 Massive MIMO를 설명하려는 것은
아닙니다.

Power Amplifier를 왜 사용할까요 ?

신호를 먼 거리까지 (long~ distance) 전송하기 위해서 사용합니다.

먼 거리까지 신호가 전송되는 동안, 공기 혹은 다양한 매질을 만나면서 감쇄가 일어나게 되고 이를 충분히 원거리까지 보내어 통신하기 위해서는 결국, 출력전력이 높아야합니다.

 

 

 

위 그림은 RF transmitter의 아주 간략화된 diagram입니다.

무선통신시스템은 결국 안테나를 통해 방사하여 무선으로 (wireless) 신호를 전달하게 되는데, baseband의 정보신호를 저기 Transmitter Frequency라고 쓰여있는 LO (Local oscilator)에 올립니다. 즉, 정보신호를 RF frequency에 올려서 전송하게 됩니다. 안테나 길이는 파장, 주파수에 반비례하는데 주파수가 낮으면 무한히 큰 안테나가 필요하거든요.

결국, 이러한 RF frequency에 올려진 정보신호는 Power amp.를 거쳐 Filter로 필요없는 신호들은 쳐내고 안테나로 전달되게 됩니다. 이는 아주~ 간략화된 diagram이니 개념적 이해에 참고만 하시면 되겠습니다^^ 

 

 

 

위의 사진은 RF power amplifier의 개략적인 회로도입니다.

Power amp.는 DC 전원을 source로 RF output power를 만들어냅니다.

이게 무슨말이냐? 여기서는 FET가 사용되었으므로 drain단의 DC voltage (Vdc,drain)와 여기에 흐르는 current (Ids)가 
전원이 됩니다. 

수식적으로는 간단하게 Pdc=Vdc,drain * Ids 가 됩니다.

FET는 Voltage Controlled Current Source이므로~ 게이트단의 Vgs를 조절하여 출력의 current를 얻어낼 수 있습니다.

이 때 출력되는 RF power=1/2*Vout*Iout이 됩니다. Vout과 Iout은 AC이므로 실효치 root(1/2)씩하여 곱해진 값입니다.

여기서, Power Amp의 Drain단의 효율은 Eff.=Pout/Pdc*100% 이며 100%를 넘을 수 없습니다. 

100%를 넘어가면 전원을 가지고 출력을 만들어내는 녀석이 아니라, 전원을 생성하는 놈이죠 허허..


Power Amp의 고효율은 상당히 중요한대 그 이유는 가장 많은 전력을 소모하는 녀석이기 때문입니다.

RF front-end의 마지막단에서 가장 큰 전력을 만들어내기에 가장 큰 DC전력을 소모하게되고, 출력전력이 아닌 전력은 모두 열로 소모됩니다. 즉, DC전력-RF출력전력= 열로 소모

 

 

따라서, 효율에 반비례하여 그대로 발열이 되고 이는 기지국 시스템에서 아래와 같은 heak sink를 크게 하고 무게를
무겁게 하며 단가를 올립니다. 효율이 안좋을수록 저 방열핀이 결국 길어지게 됩니다.

스마트폰에 들어가는 handset Power Amp.의 효율이 안좋다면 배터리가 빨리 닳아서 금방 충전을 하게할테니 체감적으로 느껴지는 부분이겠죠?

 

오늘은 간략하게 Power Amp가 왜 필요한지에 대하여 알아봤습니다.

생각해보면 이미 많이 사용하는 것들인데 왜? 라는 질문에 쉽게 하기 어려운 경우가 많습니다.

이를 통해 개인적으로도 정리해보는 시간을...

 

다음 주제는 Power Amp.의 주요지표를 다뤄보겠습니다.

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