The Study on Oil Spill Risk Mapping-based Marine Response Decision Support and Equipment Deployment

South Korea experienced catastrophic oil spill accidents such as Sea Prince oil spill in 1995 and Hebei Spirit oil spill in 2007, and calculated the required amount of marine response equipment to prepare for the largest oil spill accident. And It have developed equipment deployment plan to prepare for the largest oil spill accident by region. However, this plan is based only on the maximum oil spill for the largest vessels entry and departure the port, and on the response time of the equipment in the region and other areas to mobilize in case of an accident. Although it is not actually a major port, there may be a risk that environmental, biological, and ecological damages will be widened due to delays in equipment mobilization in sensitive areas. In addition, the decision-maker, in most oil spill accident sites, depends on the intelligence gathering and his(or her) expertise and experiences while making response strategy, but it is required to provide the scientific and systematic decision support system for more effective and efficient response. In this regards, the author examines current criteria of equipment deployment and studies to seek the more appropriate distribution method of on-water response equipments and develop decision support system for OSC and related personnel for the large oil spills. This thesis calculate response equipment requirements and redeploy marine response equipments based on risk analysis and type using frequency factor of oil spill accident statistical data such as accident, spilled oil volume, spilled oil type, vessel type and consequence factor of economic benefit data such as fishery, aquaculture, beach, port. In addition, the thesis conducted research that can provide quick and effective decision-making by analyzing and providing detailed risk factors for the accident area and the surrounding area. The thesis result is as follows : First, it quantitatively calculated the frequency of the oil spill and the consequence of damage caused by oil spill through the matrix analysis. In order to estimate the accident occurrence and the damage result, the risk factors were identified through literature review and expert questionnaire, and risk factors capable of securing objective data were selected. And analyzed frequency factors and consequence factors in 12 years from 2004 to 2015. Based on this, It set the risk level to 5 and calculated and mapped the risk of the waters in Korea. 22 area as Incheon, Pyeongtaek, Daesan, Boryeong, Mokpo, Wando, Jeju, Seogwipo, Tongyoung, Masan, Changwon, , Gangneung, and Sokcho is required the cooperation of support forces that difficult to prepare for and respose to each region. And Moderate level risk found area including island area of northwest, southwest, Geogedo. East, West and South Seas Although oil spills have occurred in distant seas, the risk of damage is low. Furthermore, It analyzed risk types such as high frequecy factor - low consequence factor(HL type) and low frequency factor - high consequence factor (LH type). HH type(high frequency and consequence) risk was shown mainly in major ports. And LH type as frequency is very low at level 0 or 1 and consequence is high at level 3 or 4 was concentrated in the West sea. Second, the time required to mobilize the oil spill response equipment to the accident site is the same between existing and new model for spilled 15,000㎘ and 7,500㎘. Early in the accident, regional response system and risk-based response deployment model can mobilize response equipment similarly. Since then it has been shown that the risk-based response deployment model can be mobilized more efficiently for additional response forces. Area including main ports where oil tankers and cargo ships are frequent can mobilize more than 40% of total recovery capacity. This being so considering only major ports, it is also effective to consider only the maximum spilled oil volume and mobilization time, too. Third, it developed a marine response decision support model that can help prioritize marine areas for quick and effective preventive response activities in case of oil spill accidents by dividing 8 risk factors into each area. Through this model, it is possible to identify the risk factors ranging from the accident area to surround 8 areas. By being able to identify the risk by the risk factor of the sea area, it is thought that it will be helpful to establish a preparation strategy to select and concentrate more systematically and scientifically in establishment and prioritization of response strategy at the site.제 1 장 서 론 1 1.1 연구배경 및 목적 1 1.1.1 연구배경 1 1.1.2 연구목적 3 1.2 연구방법 및 범위 6 1.2.1 연구방법 6 1.2.2 연구범위 9 제 2 장 기름유출사고 및 대응사례 11 2.1 국외 기름유출사고 현황 11 2.2 국내 기름유출사고 현황 14 2.2.1 해역별 기름유출사고 16 2.2.2 원인별 기름유출사고 20 2.2.3 배출원별 기름유출사고 21 2.2.4 물질별 기름유출사고 23 2.3 국내 기름유출사고 대응사례 25 2.3.1 유조선 Hebei Spirit호 사고 25 2.3.2 화물선 Taiyue호 사고 26 2.3.3 화물선 Kaishing호 사고 27 2.3.4 유조선 GunjangAce호 사고 28 2.3.5 유조선 Ilhae호 사고 29 2.3.6 화물선 Global Legacy호 사고 30 제 3 장 기름유출사고 위험도 평가 및 매핑 32 3.1 기름유출사고 위험도 요인분석 32 3.1.1 기름유출사고 위험도 정의 32 3.1.2 기름유출사고 위험도 필요성 33 3.1.3 기름유출사고 위험도 프레임워크 34 3.1.4 기름유출사고 위험도 평가모델 36 3.2 기름유출사고 위험도 요인선정 39 3.2.1 사고 빈도/결과 위험요인 문헌검토 39 3.2.2 사고 빈도/결과 위험요인 전문가검토 41 3.3 기름유출사고 위험도 산출 48 3.3.1 기초자료 수집 48 3.3.2 사고빈도분석(Frequency analysis) 50 3.3.3 사고결과분석(Consequence analysis) 64 3.4 기름유출사고 위험도 분석 및 매핑 75 3.4.1 위험도 수준 설정 75 3.4.2 위험도 매핑 프로세스 79 3.4.3 해역별 위험도 분석 81 제 4 장 해상방제 의사결정지원 및 장비배치 모델 개발 86 4.1 해상방제 의사결정지원 및 장비배치 모델 프로세스 86 4.1.1 해상방제 의사결정지원 및 장비배치 모델 개요 86 4.1.2 해상방제 방법 및 주요장비 분석 88 4.2 위험도 기반 지역별 해상방제 장비배치기준 개발 90 4.2.1 해상방제 장비배치기준 개념 90 4.2.2 해상방제 장비배치기준 프로세스 90 4.2.3 위험도 기반 해상방제 장비배치 소요수량 산출 104 4.3 위험도기반 해상방제 의사결정지원 분석 113 4.3.1 위험도 기반 해상방제 의사결정지원 개념 113 4.3.2 해상방제 의사결정지원 데이터베이스 구축 115 4.3.3 해상방제 의사결정지원 프로세스 118 제 5 장 위험도 기반 지역별 해상방제 장비배치 평가 125 5.1 모델평가 개요 125 5.1.1 모델평가 개념 125 5.1.2 모델평가 조건 및 변수 126 5.2 평가 모델링 개요 127 5.2.1 대상 기름유출사고 선정 127 5.2.2 사고선박 선정 127 5.2.3 위험도 기반 사고해역 선정 127 5.2.4 현행 해상회수용량 및 모델 결과 비교 133 5.2.5 그 외 조건 134 5.3 모델검증 결과 135 5.3.1 기름유출사고 CaseⅠ 135 5.3.2 기름유출사고 CaseⅡ 137 5.3.3 기름유출사고 CaseⅢ 139 5.3.4 기름유출사고 CaseⅣ 141 5.4 모델평가 분석 143 제 6 장 결 론 147 참고문헌 부 록Docto

메조스케일 현상이 고려된 광반응 고분자 및 나노복합재 변형 거동의 멀티스케일 해석

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공),2019. 8. 조맹효.In this dissertation, multiscale mechanical analysis of diverse photo-deformable polymers and their nanocomposites is carried out with focusing on the mesoscale phenomena. First, all-atom molecular dynamics (AA MD) simulation is utilized to describe photo-isomerization of the azobenzene chromophores in the liquid crystalline polymers (LCPs). The atomistic modeling and simulation are also carried out to investigate the interfacial characteristics and the reinforcing effect of the nanocomposite which is composed of the carbon nanotube (CNT) and photo-responsive polymer (PRP). We characterized the composites in terms of the interfacial shear strength (IFSS), photostrain, and elastic modulus according to the extent of the photochemical reaction. Furthermore, a scale-bridging methodology is proposed in order to link the microscopic photo-reaction and the macroscopic interfacial and elastic properties of the composite by using the micromechanics-based homogenization method. It is verified that the light-induced isomerization of the photochromic molecules influences the filler-matrix interaction and microstructure of the LCP at the interphase. The continuum-scale finite element (FE) model, which efficiently reflects the microscopic information, clearly predicts the reinforcing effect of the CNT filler on the photo-mechanical properties of the composite and its variation under the photo-actuation. Although conventional AA MD simulation efficiently describes the light-induced structural variations of the PRP composite, it is unsuitable for designing the photo-mechanical effect in terms of the macromolecular morphology due to excessive computational costs. Therefore, a multiscale analysis framework based on the coarse-grained molecular dynamics (CG MD) simulations is developed. The mesoscale LCP network model is constructed by efficiently reducing the number of degrees of freedom to overcome the computational limitations of the atomistic model. The mesoscale photo-switching potential is firstly developed by using the iterative Boltzmann inversion (IBI) technique to reflect the light-induced molecular shape change and the associated variation on the molecular interaction. The CG MD model successfully represents the light-induced Smectic A (Sm A) – Nematic (N) – Isotropic (I) phase transition and corresponding unique deformation modes. Especially, with the aid of the mesoscale analysis, the presented methodology can treat diverse design parameters in order to perform the multiscale simulation-based mechanical design of the photo-deformations. The photostrain and elastic modulus profiles in terms of the extent of the photochemical reaction are implemented into the continuum scale multiphysics governing equation, which is based on the neo-classical rubbery elasticity of the LCP. In order to efficiently reflect the light-induced rotation of the LC mesogens and corresponding geometric nonlinearity, a co-rotational formulation is implemented to the FE shell model. As a result, we demonstrated the complex 3D deformations as well as the simple photo-bending by performing the nonlinear FE analysis. Besides, the mesoscopic texture-mediated unique photo-deformations are systematically investigated in terms of the material design parameters. We expect the presented work can help to practically design the deformed shape and to enhance the mechanical properties of the photo-responsive smart actuators.본 논문에서는 특정 파장 영역 빛의 조사에 따라 기계적 변형을 보이는 광반응 구조체 및 나노복합재의 기계적 물성 및 거동에 대한 멀티스케일 해석 방법론을 제시한다. 제안된 해석법은 분자 수준에서 일어나는 광이성질화에 의한 나노 스케일의 광화학 반응부터 이에 따른 거시적 변형에 이르기까지 다양한 스케일에서 관측이 되는 다중 물리 현상이 통합된 솔루션을 도출하는데 그 의의가 있다. 원자/ 분자 스케일에서의 미시 구조 모사가 가능한 분자동역학 전산해석법을 활용하여 광이성질화 반응에 의한 아조벤젠 작용기의 분자 구조 변화 및 이에 따른 액정 고분자의 응답 특성을 해석하였다. 특히 탄소나노튜브 기반 광반응 나노복합재의 강화 효과에 대한 해석이 이루어졌다. 분자동역학 해석 결과 광반응 나노복합재의 기계적 강화 효과는 기지재와 강화재의 계면 특성 및 이에 따른 상호작용력의 세기에 의해 결정됨을 밝혔다. 나노 스케일에서 관측이 가능한 탄소나노튜브의 배열 특성, 크기 등의 미시 설계 요소에 따른 광•기계적 물성 변화를 예측하고, 이를 기반으로 균질화 기법 및 등가 유한요소 모델을 활용하여 복합재의 유효 계면 물성 및 거시적 거동을 분석하였다. 이를 통해 빛 조사시 나노복합재의 미시 구조 변화에 따른 기계적 강화 효과의 감쇠 현상을 예측하고, 이에 대한 메커니즘을 규명하였다. 모든 분자 구조의 자유도를 해석적으로 표현하는 기존의 분자동역학 전산해석법은 과도한 계산량으로 인해 해석 가능한 시•공간 영역이 제한적이고, 이로 인해 연속체 스케일에서의 광변형 고분자 해석 영역과의 괴리가 발생하게 된다. 본 연구에서는 분자 스케일과 연속체 스케일의 중간자 역할을 수행하는 축소 분자동역학 해석 기법을 활용하여 기존 분자동역학 전산 모사로 해석이 불가능했던 다양한 액정 상 및 미시 설계 파라미터 고려, 액정 탄성체의 기계적 거동 모사, 순차적이고 보다 복잡한 광변형 형상 설계를 가능케 하였다. 여러 원자로 구성된 단위 구조를 하나의 해석 자유도로 축소하여 전산 해석 영역을 메조스케일로 확장하되, 기존 모델의 구조 및 거동을 정확히 예측하기 위해 등가 포텐셜 에너지를 계산하였다. 그 결과 기존 멀티스케일 해석에서 효율적으로 반영하지 못했던 메조스케일에서의 구조체의 광변형 응답 특성 및 광에 의한 기계적 물성의 연화 효과를 효과적으로 도출하는데 성공하였다. 메조스케일에서의 현상이 반영된 물리량들을 연속체 스케일에서의 광-기계 연성 거동의 구성방정식에 도입하였다. 특히 광반응에 의해 나타나는 액정 재료의 미시 배열 변화 및 이에 따른 강체 회전 운동을 고려하기 위해 기하 비선형 쉘 유한 요소를 활용하였다. 이를 통해 초기 액정 상, 고분자 네트워크의 가교율 및 분자 길이 변화에 따른 광변형 구조체의 거시적 굽힘 거동 변화를 예측하였다. 이뿐만 아니라 네마틱 상에서의 배열 결함 및 스맥틱 상에서의 층상 구조 결함을 활용하여 기존 전산 해석에서 효율적으로 구현하지 못했던 다양한 3차원 형상을 설계할 수 있음을 밝혔다. 본 연구에서 제시된 광변형 구조체의 거동 해석법은 순차적 멀티스케일 해석을 통하여 메조스케일에서 나타나는 특이 현상 및 설계 변수들을 고려할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 광변형 구조체 소재 개발의 설계 변수인 재료의 미시구조뿐만 아니라 광원의 종류 및 빛의 세기, 시편의 기하 정보 등의 제조•공정 개발 변수까지 통합적으로 다룰 수 있는 해석 플랫폼이라 할 수 있다. 따라서 제안된 해석 방법론은 광변형 구조체가 활용되는 나노 스케일에서의 약물 전달, DNA 구조 변형 등의 바이오 산업에서부터 생체 모방, 광 액츄에이터 등의 소프트 로봇 산업의 발전에 전방위적으로 이바지할 것으로 기대된다.1. Introduction 1 1.1. Mechanical deformation in response to light stimuli 1 1.2. Mechanical design of azobenzene-containing PRPs 2 1.3. Necessity of mesoscale simulation in the research of the PRPs 5 1.4. Outline of the thesis 7 2. Multiscale mechanical analysis of photo-responsive nanocomposite with carbon nanotubes (CNTs) 9 2.1. All-atom MD modeling and simulation 9 2.1.1. Network formation of nematic liquid crystalline polymer 9 2.1.2. Modeling of the CNT-PRP composite 11 2.1.3. Description of the photo-isomerization 12 2.2. Calculation of the effective properties of the nanocomposite 19 2.3. Multiscale homogenization modeling and application 24 2.4. Effect of arrangement of the CNTs on photo-mechanical behaviors 30 2.4.1. Interfacial characteristics of the composite 30 2.4.2. Improvement in the photo-mechanical properties 36 2.5. CNT size and photo-isomerization effects on the mechanical reinforcement 44 2.6. Chapter summary and conclusions 54 3. Mesoscale analysis of PRP using coarse-grained molecular dynamics (CG MD) simulation 55 3.1. CG MD simulation setup 55 3.1.1. Bead mapping and formation of LCP network 55 3.1.2. CG interaction potentials 57 3.1.3. Derivation of mesoscale photo-switching potential 64 3.1.4. Details of CG MD simulation conditions 67 3.2. Thermo- and light-responsive behaviors of smectic PRP 78 3.2.1. Thermotropic behavior 78 3.2.2. Light-induced phase transition 80 3.2.3. Phase-dependent photo-mechanical deformations 82 3.3. Chapter summary and conclusions 93 4. Multiscale analysis of macroscopic photo-deformations 95 4.1. Consideration of diverse micro-morphologies 95 4.1.1. Preparation of the CG MD models 95 4.1.2. Effect of polymer morphology on light-induced mesophase behavior 96 4.2. Calculation of multiscale model parameters 104 4.2.1. Relation between macromolecular shape and LC state 104 4.2.2. Photo-softening effect on LCP network 107 4.3. Scale-bridging strategy for opto-mechanical analysis 120 4.3.1. Continuum scale constitutive relation 120 4.3.2. Nonlinear finite element implementation 123 4.3.3. Relationship between light stimuli and mechanical properties 126 4.4. Macroscopic photo-mechanical simulations 131 4.4.1. Photo-bending deformations 131 4.4.2. Complex 3D deformations enabled by the imprinted topology 135 4.5. Chapter summary and conclusions 148 5. Conclusions and recommendations 150 Appendix A. Photo-thermal deformation analysis of shape memory polymer 152 A.1. Overview 152 A.2. Model preparation for all-atom MD simulation 154 A.2.1. Modeling of an amorphous polystyrene unit cell 154 A.2.2. Description of the shape memory cycle 157 A.3. Calculation of thermo-elastic and shape memory properties 161 A.4. Programmed shape-dependence of shape memory effect 162 A.4.1. Microscopic structural changes 162 A.4.2. Macroscopic thermo-elastic and shape memory properties 165 A.5. Chapter summary and conclusions 173 References 174 Abstract 190Docto

페튜니아 Actin-Depolymerizing Factor 유전자에 대한 분자유전학적 연구

Thesis (doctoral)--서울대학교 대학원 :생명과학부,2001.Docto

A Study on Upgrade of National Response System for Preparation of Catastrophic Marine Pollution

Shipping traffic has been increasing in past a decade along korean coastal waters, especially with dangerous goods carriers such as VLCC, chemical tankers, products carriers and LNG/LPG carriers, accordingly threat of marine pollution exists all the times by marine accident. In addition, boisterous weather and high seas by Mid-latitude low and tropical storms and dense fog become to be one of causes of marine accident In fact, large-spill took place south of Sorido Island in 1995 by Tanker Sea Prince, spilling about 5,000tons of crude oil and bunker-C and northwest off Taean Bando, spilling about 12,547㎘ of crude oils. Looking at the world large spill accident, Torrey Canyon Spill and Amoco Cadiz Spill are known as the catastrophic marine pollution, after that, Exxon Valdez Spill occurred at Alaska in U.S.A in 1989. It was more than 4 trillion won damaged by the Exxon Valdez Spill. And it is expected that It'll take hundreds of years to recover of damage. In spite of many efforts to prevent oil spill internationally, large spill accidents by tanker Erika, Nakhodka and Prestige recently happened and gave warning the seriousness of oil spill to coastal nations. In korea, spill accident related-improvements were made after Sea Prince spill, however many problems, defects and deficiencies were pointed and found during response activities to Hebei Spirit spill accident. In this regards, this paper seeks more effective and practical national response system to prevent spill accident and minimize the damage by oil spill in future as follows. (1) It is necessary to make early introduction of limit of navigation for Single-Hull Tanker as soon as possible even though single-hull tanker can not navigate internationally after 2010. Otherwise some other measures should be made like special escort by KCG cutters, designation of sea lane and special traffic control and so on. (2) National response system to catastrophic spill accident should be reviewed and amended, that is to say, present command system of separate organization between on-water response and shoreline response must be unified to KCG for prompt and effective response as local government, responsible for shoreline cleanup, has no capabilities in manpower, expertise and equipments. (3) National and Regional Contingency Plan should be reviewed and corrected to provide policy, system and resources for practical situations, estimating worst case discharge with scientific ground and establishing appropriate spill scenario. (4) With adequate and special shiphandling training program including computer-based simulation, especially ship operators of coastal small vessels and towing boats should be improved and upgraded in ship operating ability and decision-making ability under extraordinary situations.제1장 서론 = 1 1.1 연구의 배경과 목적 = 1 1.2 연구의 방법과 구성 = 3 제2장 재난적 해양오염사고에 대한 선진해양국의 대응현황 = 4 2.1 개관 = 4 2.2 Torrey Canyon호 사고 = 5 2.3 Exxon Valdez호 사고 = 8 2.4 Nakhodka호 사고 = 11 2.5 Erika호 사고 = 17 2.6 Prestige호 사고 = 20 2.7 사고를 통해 드러난 문제점과 개선사항 = 23 제3장 재난적 해양오염사고로 인한 국제적인 움직임 = 26 3.1 개관 = 26 3.2 국제해사기구(IMO) = 27 3.3 MARPOL 73/78 = 29 3.4 OPRC협약 = 31 3.5 북서태평양 보전실천계획(NOWPAP) = 34 3.6 해양오염관련 국제협약 수용여부 = 36 제4장 우리나라의 재난적 해양오염사고 = 38 4.1 Sea Pricne호 사고 = 38 4.2 Hebei Spirit호 사고 = 45 4.3 사고를 통해 드러난 문제점과 개선사항 = 50 제5장 국가방제능력 향상을 위한 개선사항 = 52 5.1 개관 = 52 5.2 단일선체구조 유조선의 퇴출 = 55 1) 미국의 유류오염법(OPA90) = 55 2) 해양오염방지협약(MARPOL 73/78) = 56 3) 이중선체 유조선 도입촉진을 위한 규정 (Regulation(EC)No417/2002) = 58 4) 우리나라의 단일선체 유조선 동향 = 60 5.3 해상·해안 방제지휘권의 일원화 = 63 1) 해안방제작업에 대한 지방해양경찰청의 활용 = 63 2) 지방자치단체의 명확한 역할분담 = 67 5.4 국가 및 지역실행계획의 현실화 = 70 5.5 상황에 맞는 교육 프로그램의 개발 = 73 제6장 결론 = 76 참고문헌 = 7

리눅스에서 소프트 타이머 구현을 통한 패킷 처리 방식 개선

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :전기·컴퓨터공학부,2002.Maste

여뀌속 Tovara절(마디풀과)의 화학분류학적 연구

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :생물학과,1995.Maste

A Study on Neural Tracking Using Temporal Response Function for Estimating Music Preference

음악과 신경 동기화에 대한 electroencephalography 측정 연구는 주파수, 스펙트로그램, 주파수 위상 등을 추정하는 방향으로 진행되고 있으나 해당 방식은 시간에 따라 변화하는 음악의 특성을 반영하지 못하고 뇌파 반응만을 사용해 분석하기 때문에 복잡하고 변화하는 음악 정보에 대한 뇌의 반응이 반영되지 않는다. 최근 연구에서는 연속적인 음성 자극을 신 경 반응에 매핑하여 반응을 추정하는 선형 시불변 시스템이 제시되고 있다. 본 연구에서는 선형 시불변 시스템의 한 종류인 temporal response function(TRF)을 사용하여 선호 음원과 비선호 음원에 대한 뇌파 반응을 추정하였고, 선호도를 평가할 수 있음을 파악하였다. 또한 delta band, theta band, alpha band, beta band로 주파수 대역 을 나누어 각 주파수 대역의 뇌파 반응이 선호 음원에 대해 어떻게 반응하는지 분석하였고 envelope과 spectral flux 중 어떤 음악적 특징이 선호도에 강한 동기화를 일으키는 지 확인하였다. 1-30 Hz 대역 및 delta, theta, alpha, beta band의 TRF기반 추정 뇌파에 대한 분석 결과 100-200 ms 시간대에서 선호 음원에 대한 뇌파 반응이 비선호 음원에 대한 뇌파 반 응보다 전두엽에서 더욱 강하게 활성화되며 Wilcoxon signed-rank test를 통해 유의한 차이가 있음을 검증하였다. Envelope과 spectral flux의 음악적 특징을 각각 사용하여 TRF한 결과 envelope의 재구성 정확도가 200ms 시간대에서 더 높은 것으로 나왔다. 본 연구를 통해 TRF를 사용해 선호와 비선호 음원이 구별 가능함과 저주파 대역과 음원의 envelope이 선호도 분석에 유리함을 입증하였다. 본 연구의 결과를 개인의 음악 선호도 예측, 음악 추천, 시장 전략 수립 등의 방면에서 활용할 수 있을 것이다. [주제어] Electroencephalography, Temporal response function, Music preferenceMaste

A Study on Improvement of Performance for RF Power Transmitters

Doctor무선 통신 시스템이 진화하면서, 이동 통신 분야에서도 사용자의 다양한 요구를 만족시키기 위해 여러 기능을 수행할 수 있는 시스템이 필요해졌다. 이에 따라 시스템 내의 전력 송신기는 광대역의 주파수 범위에서 다양한 기능을 처리해야 한다. 또한 인접한 사용자간의 통신 장애와 전력 증폭기의 발열로 인한 문제를 최소화 하기 위하여, 전력 송신기는 고선형성 및 고효율 특성을 요구한다. 이러한 요구를 만족 시키기 위해 전력 증폭기는 광대역의 주파수 범위 내에서 넓은 대역폭 및 큰 피크 대 평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)를 특징으로 하는 신호를 고효율 및 고선형의 특성을 가지고 증폭시켜야 한다. 본 논문에서는 위와 같은 요구 사항을 충족시키기 위해 전력 증폭기의 효율 및 선형성을 향상 시키는 기술을 소개하고 광대역 전력 송신기를 소개한다. 전력 증폭기의 효율 향상을 위해 본 논문에서는 단일 증폭기의 효율 향상 기법 및 도허티 전력 증폭기(Doherty Power Amplifier)나 ET 전력 송신기(Envelope Tracking Transmitter)와 같은 전력 송신기의 효율 향상 기법을 제시하였고, 광대역 고효율 전력 송신기를 위해서 새로운 광대역 전력 증폭기를 소개하였다. 마지막으로, 전력 증폭기의 선형성 향상을 위하여 새로운 디지털 전치 왜곡(Digital Predistortion: DPD) 방식을 제시하였다.고효율 전력 송신기를 위해서는 단일 전력 증폭기의 효율 향상이 필요하다. 본 논문에서는 전력 소자의 비선형 캐패시터(Nonlinear Capacitor)를 이용하는 고조파(Harmonic) 제어 전력 증폭기를 소개한다. 전압과 전류가 동시에 존재할 경우 전력 소자 내부에서 발생된 열이 효율을 감소 시키기 때문에, 전력 증폭기의 고효율 동작을 위해서는 전압 및 전류파형이 동시에 존재하는 구간을 최소화 해야 한다. 기존의 고효율 전력 증폭기는 특정 고조파를 제어하는 회로를 이용하여 구형파 혹은 사인반파(Half-Sinusoidal Waveform)의 전압 및 전류 파형을 형성함으로써 전압 및 전류 파형의 공존 구간을 최소화시켰다. 하지만, 전력 증폭기의 비선형 캐패시터를 이용할 경우, 비선형 특성으로 인해 많은 고조파 성분이 발생하게 된다. 특히 2차 고조파 성분이 많이 발생하게 되며, 외부 고조파 임피던스(Impedance)가 캐패시터의 임피던스보다 큰 값을 갖는다면 전압 파형은 사인반파의 형태가 된다. 그리고 전력 증폭기의 포화 동작으로 인해 전류 파형은 자동적으로 사각파의 형태를 갖게 되며, 전력 증폭기는 고효율의 특성을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안하는 포화 전력 증폭기(Saturated Power Amplifier)는 위와 같은 방법을 통해 고효율 특성을 나타낸다. 또한, 고효율 전력 송신기로써 도허티 전력 증폭기를 고찰하고 도허티 증폭기의 효율 특성을 더욱 향상시키기 위한 방법을 제안한다. 우선 백 오프(Back-off)된 평균 출력 전력에서 효율을 증가시키기 위해 문턱 전압(Knee Voltage)에 의해 발생되는 설계 이슈를 고찰하였다. 문턱 전압 효과에 의해 캐리어 증폭기는 백 오프 된 영역에서 충분히 포화가 되지 않기 때문에 최적화된 효율 특성을 나타낼 수 없다. 본 논문에서는 백 오프 된 영역에서 충분한 포화 동작을 이루기 위해 새로운 도허티 전력 결합기를 제안하였다. 또한 피크 대 평균 전력비가 큰 신호에 대해 고효율 동작을 위해서 N개의 경로를 갖는 도허티 증폭기(N-way Doherty PA)를 구현하였다. 마지막으로, 도허티 증폭기와 ET 전력 송신기를 결합함으로써 도허티 증폭기의 고효율 동작 구간을 확장 시켰다.또한 본 논문에서는 광대역 전력 송신기를 위한 광대역 포화 전력 증폭기를 제안하고 구현하였다. 앞서 설명한 바와 같이 포화 전력 증폭기는 고효율의 전압 파형을 만들기 위해 비선형 캐패시터를 이용하기 때문에 외부 고조파 임피던스가 캐피시터의 임피던스보다 큰 값만 갖는다면 고효율 특성을 유지할 수 있다. 이러한 포화 전력 증폭기의 광대역 동작 가능성을 시뮬레이션을 통해서 확인하였고, ET 기술을 이용하여 고효율의 다중모드/다중밴드(Multimode/Multiband) 전력 송신기를 제안하였다. 마지막으로, 본 논문에서는 전력 송신기의 선형성 향상을 위해서 디지털 전치 왜곡 방식을 고찰하고 고성능의 디지털 전치 왜곡기를 제안하였다. 고출력 전력 증폭기는 넓은 대역폭을 갖는 신호를 증폭할 때 메모리 효과(Memory Effect)로 인해 선형성 특성이 저하 된다. 메모리 효과를 보상해 주기 위해 본 논문에서는 볼테라 급수(Volterra Series)에 기반을 둔 Enhanced Hammerstein 동작 모델을 제안하였다. 볼테라 급수는 전력 증폭기의 비선형성을 가장 잘 예측하는 모델로 알려져 있다. 하지만, 비선형성 및 메모리 효과를 동시에 계산하기 때문에 필요한 계수의 수가 많다. 반면, 제안하는 모델 내에서 볼테라 시리즈는 메모리 효과만을 예측하고 전력 증폭기의 비선형성은 메모리리스 다항식(Memoryless Polynomial)을 통해 보상하기 때문에 단일 볼테라 시리즈에 비해 사용하는 계수의 수가 적다. 하지만, 모델링 능력 및 비선형성 보상 능력은 볼테라 시리즈의 능력과 유사하다. 또한, 본 논문에서는 도허티 전력 증폭기 및 ET 전력 송신기와 같은 고효율 전력 송신기에 적합한 디지털 전치 왜곡 방식을 제안하였다. 고효율 전력 송신기는 기존의 전력 송신기와는 다른 비선형성 특성을 나타낸다. 따라서 기존의 디지털 전치 왜곡 방식을 통해서는 선형성 보상에 제약이 있다. 이를 극복하기 위해 각 고효율 전력 송신기의 동작 특성을 분석하고 각 전력 송신기에 적합한 디지털 전치 왜곡기 구조를 고찰하였다. 본 논문에서 제안한 전력 송신기의 효율, 선형성 및 동작 대역폭 개선 방법은 실제 제작을 통해 기존의 방식들에 비해 향상된 성능을 검증하였다.As the wireless communication systems evolve, transmitters in the systems should be able to handle multiple functions across broad bandwidth. In addition, the transmitters should amplify the signals with high efficiency and linearity. Therefore, power amplifiers (PAs) in the advanced transmitters are required to provide high efficiency and linearity for wide instantaneous bandwidth and large peak-to-average power ratio (PAPR) signals across wide operating bandwidth. For the purpose, this dissertation presents various techniques to improve the efficiency, linearity, and bandwidth characteristics of the PA. In particular, for the high-efficiency, this dissertation considers the efficiency improvement methods for the unit cell PA and the high efficiency transmitters such as the Doherty amplifier and envelope tracking (ET) technique. For the broadband transmitter with high efficiency, the broadband PA based on the harmonically tuned amplifier is proposed. The digital predistortion (DPD) technique, which is the most popular linearization method, is explored to compensate the memory effect as well as the static nonlinearity.For the high-efficiency transmitter, a stand-alone PA with high-efficiency is essential. The harmonically tuned amplifier with the nonlinear intrinsic input and output capacitors are explored and analyzed to improve the efficiency. Then, the saturated amplifier, which takes advantage of the nonlinear capacitor to shape the voltage waveform, is proposed to provide the high efficiency with simple matching circuit, and compared with other PAs. As a highly efficient transmitter, the Doherty technique is investigated and analyzed to improve its performance. To enhance the efficiency at the back-off power level, the practical design issue related to the knee voltage effect is explored. Then, a novel output combiner scheme is proposed to maximize efficiency at the back-off power level. To extend the high efficiency region, thereby to provide better performance for the large PAPR signals, N-way structure is explored and demonstrated. The Doherty amplifier in cooperated with the envelope tracking (ET) is also proposed for the same purpose. By combining the advantages of both techniques, it is experimentally demonstrated that the transmitter architecture can deliver the best efficiency, and is the most promising architecture.For the broadband transmitter, the wideband saturated PA is proposed and implemented. Since the saturated amplifier employs the nonlinear output capacitor to shape the voltage waveform, it has large tolerance for the external harmonic loading circuit for high efficiency. Thus, the saturated amplifier is capable of broadband operation with high efficiency because the design is mainly focused on the fundamental matching problem while the harmonics can be easily kept out of a low efficiency region through the subsequent optimization of the matching circuit. The broadband capability of the amplifier is explored. In addition, by applying the ET technique to the amplifier, the multimode/multiband ET transmitter with high efficiency is demonstrated.For the high fidelity transmitter, among the various linearization techniques, digital predistortion linearizer is investigated due to its manageable digital operation, low power consumption, and flexibility. To compensate the transmitter exhibiting the memory effects, the enhanced Harmmerstein model is proposed and assessed. This model is based on the Volterra series, but has the significantly reduced kernels, while delivering the comparable capabilities for modeling and compensating the transmitter. Since the high efficiency transmitters such as Doherty amplifier and ET transmitter show the abnormal nonlinear behaviors, the conventional DPD structure is not suitable to compensate these nonlinearities. By analyzing the nonlinear behaviors of the high efficiency transmitters, the specialized DPD topologies for both transmitters are proposed.The overall works mentioned above are theoretically analyzed and experimentally demonstrated. It is validated that the proposed techniques have led to the better performance than the conventional techniques. The simulation and experimental results support the superiorities of the proposed methods

A Novel Digital Feedback Predistortion Technique with Memory

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