215 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KR215A173 이종철도무선통신장비의통합을위한 VHF/UHF 전력증폭기 A VHF/UHF Power Amplifier for Integration of Various Railway Wireless Communication ystems 장동희 *, 이학용 *, 박찬영 **, 서봉진 **, 박세영 ***, 김영배 ***, 조상희 ***, 차정훈 **** D.H. Jang *, H.Y. Lee *, C.Y. Park **, B.J. eo **,.Y. Park ***, Y.B. Kim ***,.H. Cho ***, J.H. Cha **** Abstract In this paper, we propose the VHF/UHF power amplifier for integrating various wireless systems of railway communications. The proposed power amplifier can integrate several power amplifiers, which are used for FM rerun equipment of 88 to 18 MHz, VHF hand-held radio of 146 to 174 MHz, and train wireless protection equipment of 443 MHz. The VHF/UHF power amplifier adopts the GaN HEMT and the negative feedback method for achieving the wide bandwidth characteristics of VHF and UHF. From measurement across the bandwidth of 3 to 5 MHz, an output power over 2 W and power added efficiency over 4 % was obtained. An intermodulation distortion below -37.7 dbc was measured for 2-tone test signal. From the digital predistortion measurements, an IMD reduction over 16.2 db was obtained. Keywords : VHF,UHF, Wideband, Power amplifier, ystem integration 초록본논문에서는철도에서사용하는이종무선통신장비의통합을위해 VHF 와 UHF 대역을지원하는전력증폭기를제안하였다. 제안된전력증폭기를적용하면 88~18 MHz 의 FM 재방송장치와 146~174 MHz 의 VHF 무전기와 443 MHz 의열차무선방호장치에각각장착된전력증폭기들을하나의전력증폭기로통합하여운영할수있다. VHF 와 UHF 대역을포함하는광대역특성을얻기위해 GaN HEMT 소자와부궤환방식을적용하였으며측정결과, 광대역전력증폭기는 3~5 MHz 대역에서 2 W 이상의출력전력과 4 % 이상의전력부가효율을얻었으며 2-tone 테스트신호를적용하여 3~5 MHz 대역에서 -37.7 dbc 이하의혼변조왜곡특성을얻었다. 또한, 디지털전치왜곡선형화기를적용하여 16.2 db 이상의혼변조왜곡개선효과를얻었다. 주요어 : 초단파, 극초단파, 광대역, 전력증폭기, 장비통합 1. 서론 철도전용무선통신망도입은사고예방및신속대응으로대형철도사고, 테러등에대한철도의보안, 안전성강화, 철도도착의정시성향상및고품질의여객서비스에대한요구만족등을위해필수적이다. 그러나국내철도안전관련무선통신방식은노선별로상이하여비효율적으로운영되고있다. 실제로관제요원, 열차운전자, 현장유지보수요원간협업이어려 교신저자 : 소노비젼 (jdhee4@naver.com) * 소노비젼 ** 케이아이씨시스템즈 *** 서울메트로 **** 부산대학교
워다양한문제점이발생하고있으며상이한철도무선통신시스템간단절및불통현상, 상용망과기존철도무선통신시스템과의주파수간섭및혼신등에따른철도운행중단및사고발생위험이존재하고있다. 이러한문제점을해결하기위해주요철도선진국들은철도전용통합무선망을구축하여운영중이거나구축을계획하고있다 [1]. LTE-R 과같은새로운철도전용무선통신망을구축하는것도중요하지만현존하는 88~18 MHz 의 FM 재방송장치, 146~174 MHz 의 VHF 무전기, 443 MHz 의열차무선방호장치등을통합하여효율적으로이용하는것도중요하다 [2]. 이러한통합무선통신시스템은소프트웨어정의무선 (oftware Defined Radio) 으로구현가능하며광대역 RF 전력증폭기는핵심적인하드웨어로부각되고있다. 본논문에서는평탄화된이득을위해부궤환선로에병렬캐패시터를추가하고동축케이블발룬을적용한푸쉬풀구조를적용하여통합된시스템에적합한 3~5 MHz 의동작주파수를가지는 2 W 급전력증폭기를설계한다. 또한제안된설계방법을토대로구현한 VHF/UHF 전력증폭기를디지털전치왜곡선형화기와결합하여선형성을확인한다. 2.1 부궤환회로 2. VHF/UHF 전력증폭기 그림 1 과같이평탄화된광대역의이득을얻기위해부궤환회로로구성하였다. 소자의드레인에서게이트로직렬캐패시터 (C ), 병렬캐패시터 (C P ), 직렬저항 (R) 으로구성하였다. Fig. 1 Proposed negative feedback circuit 제안된부궤환회로의전달계수 ( 21 ) 는 ABCD Matrix 를사용하여식 (1) 과같이나타낼수있다. 21 C 1 C P 1 R Z 1 2 jωc P R Z 1 ωc Z (1) 여기서 Z 는특성임피던스이며 ω 는각주파수이다. 일반적으로주파수가증가함에따라전력증폭기의이득은감소한다. 그러나부궤환선로에병렬캐패시터 (C P ) 를적용함으로써공진을조정할수있으며이로인해대역폭및평탄도가개선하는효과를얻을수있다. 2.2 발룬푸쉬풀증폭기 그림 2 는발룬트랜스포머로구성된푸쉬풀구조를통해서광대역 2 차하모닉을제거할수있으며고출력을얻을수있다. 발룬구성을통하여단일신호를평행신호로변환하거나그
반대로변환시킬수있기때문에고출력을위한푸시풀증폭기구성에적합하다. RF 소자의광대역매칭을위해서는넓은대역에서고정된임피던스를제공하는광대역매칭소자가필요하다. 이러한매칭소자로는협대역매칭에서사용하는인덕터, 캐패시터로는구현하기어렵다. 본논문에서는페라이트코어와동축케이블을사용한발룬임피던스트랜스포머를적용하여넓은대역에서고정된임피던스를얻을수있다 [3]. Fig. 2 Push-pull structure of final stage (Bias circuitry omitted) 3. 실험결과 본논문에서제안한설계방법을토대로 VHF/UHF 전력증폭기를구현하기위해서비유전율 3.5, 기판두께 (h).76 mm, 동판두께 (t) 35 um 인 Taconic 사의 RF-35 기판위에제작하였다. 그림 3 은본논문에서제안한 VHF/UHF 전력증폭기를제작한실물사진이다. VHF/UHF 전력증폭기의구성은이득단, 구동단, 전력증폭단, 커플러으로구성되며, 구동단은 Freescale 사의 MRF282 를, 전력증폭단은 Cree 사의 CGH425P 를사용하였다. Fig. 3 Photograph of the VHF/UHF power amplifier 그림 4 는 VHF/UHF 전력증폭기의효율과출력전력및이득특성을보여주고있다. 43 dbn 이상의출력전력에서 4 % 이상의전력부가효율을얻었음을그림 4(a) 에서볼수있다. 그림 4(b) 는네트워크분석기를사용하여 VHF/UHF 전력증폭기의이득특성 (21) 을나타낸것으로 3~5 MHz 대역에서 38~4 db 의이득특성을얻었다.
(a) Output power and efficiency characteristics Fig. 4 Measured results of the VHF/UHF power amplifier (b) Gain characteristic 그림 5 는 3~5 MHz 대역에서 1-MHz tone 간격을가진 2-tone 테스트신호를입력신호로사용한디지털전치왜곡선형화기의적용전과후의혼변조왜곡 (IMD) 측정결과이다. 그림 5(a) 와그림 5(b) 는 3 MHz 주파수에서선형화전후의혼변조왜곡측정결과를각각보여주고있다. 5 db 백 - 오프전력 38dBm 에서 -4.6 dbc 의혼변조왜곡결과를얻을수있었으며디지털전치왜곡선형화기적용후약 -58.2 dbc 의혼변조왜곡결과를얻을수있었다. 그림 5(c) 은 38 dbm 출력전력에서디지털전치왜곡기선형화기적용전과후의주파수별혼변조왜곡개선효과를보여주고있다. 3~5 MHz 대역에서 -37.7 dbc 이하의혼변조왜곡특성을얻었으며디지털전치왜곡선형화기를적용하여 16.2 db 이상의혼변조왜곡개선효과를얻었다. (a) Without DPD (3 MHz) (b) With DPD (3 MHz) (c) IMD characteristics with and without DPD Fig. 5 Measured linearization results of the VHF/UHF power amplifier
표 1 은설계된 VHF/UHF 전력증폭기의측정결과를기존발표자료와함께비교하였다. 이득평탄도와선형성면에서좋은특성을보였으며, 효율에서도우수한성능을살펴볼수있었다. Table 1 Performance comparison of the characteristics of wideband power amplifiers Ref [3] [4] This work Freq. [MHz] 3~512 2~52 3~5 Pout [dbm] 5 5 Over 43 Gain Flatness [db] 1.8 2 2 PAE [%] Over 35.7 Over 3 Over 42 IMD [dbc] - - -37.7 tage 1-stage - 2-stage 4. 결론 본논문에서는철도에서사용되는다양한무선통신시스템의통합을위해 3~5 MHz 의동작주파수를가지는 2 W GaN HEMT 전력증폭기를설계하였다. 평탄화된이득을위해부궤환선로에병렬캐패시터를추가하고동축케이블발룬을적용한푸쉬풀구조를적용하였다. 제안된전력증폭기를검증하기위해서 1-tone 및 2-tone 테스트신호를사용하였다. 측정결과, 광대역전력증폭기는 3~5 MHz 대역에서 2 W 이상의출력전력과 4 % 이상의전력부가효율을얻었으며 2-tone 테스트신호를적용하여 3~5 MHz 대역에서 -37.7 dbc 이하의혼변조왜곡특성을얻었다. 또한, 디지털전치왜곡선형화기를적용하여 16.2 db 이상의혼변조왜곡개선효과를얻었으며제안한설계방법을토대로구현한 VHF/UHF 전력증폭기는디지털전치왜곡선형화기와결합되어높은선형성을얻을수있었다. 제안된 VHF/UHF 전력증폭기는 88~18 MHz 의 FM 재방송장치와 146~174 MHz 의 VHF 무전기와 443 MHz 의열차무선방호장치에장착된각각의전력증폭기들을하나의전력증폭기로통합할수있다. 후기 본논문은미래창조과학부산업융합원천기술개발사업철도차량스마트운영관리를위한듀얼밴드의맞춤형능동형태그및응용 W 개발과제의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] 김사혁 (213) 철도무선통신망구축국내외현황및시사점, 정보통신방송정책, 25(9), pp. 1-44. [2] J.H. Park,.H. Lee (213) Implementation of modular 3-band RF for disaster voice communication, The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, 13(6), pp. 23-28. [3] K.W. Kim, M.C. eo, J.Y. Cho,.C. Yoo, et al. (21) Design of High-Power and High-Efficiency Broadband Amplifier Using 1:4 Transmission Line Transformer, The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and cience, 21(2), pp. 121-128. [4] CAP Wireless, Custom Amplifier Product, "VHF/ UHF broadband power amplifier-p7597".