[논문]S-밴드 2단 저잡음 증폭기의 설계 및 제작

조현식; 강상록; 김장구; 최병하

문제 정의

최적의 잡음특성을 얻을 수 있는 입력정합점( Γ_opt )과 최대이득특성을 얻을 수 있는 이득정합점( Γ_MS )의 절충에 의한 방법이나, 가용전력이득원( G_A ) 및 동작전력이득원( G_P )을 이용한 도식적 방법에서도 잡음과 이득의 절충에 의한 정합은 쉽게 이루어지나, 원하는 이득과 입력 정재파비를 얻기 위하여 정재파비 원을 그린 후 정재파비 절충을 통한 반복적인 설계와 최적화 작업이 이루어져야만 한다. 따라서, 본 논문에서 저잡음 증폭기를 설계 시에는 이러한 절충 시에 발생할 수 밖에 없는 반복적이 작업의 번거러움을 줄이기 위한 도식적 설계기법에 따라 설계하였다.

제안 방법

RF에 대하여 완전한 포트간의 격리 특성을 갖게 하기 위해서 λ/4길이의 높은 임피던스와 낮은 임피던스 선로로 구성한다. 저임피던스 특성을 갖는 radial stub는 구형 패치 보다 특성과 회로의 크기 측면에서 유리하다[7].
2단 증폭기 설계 시 첫째단은 낮은 잡음지수를 갖도록 설계하므로 이득은 양호하지 못하다. 그러므로 둘째단 증폭기는 첫째단 증폭기에서 양호하지 못한 이득과 다음 단으로 연결 시 부정합으로 인한 손실이 없도록 하기 위하여 이득정합으로 설계를 하였다.
따라서 Fig. 3-3의 Noise Circle과 Gain Circle상에서 잡음지수와 이득을 적절히 고려하여 trade-off점을 잡아 첫째단 입력 정합 회로를 설계하였다. 입력 정합회로가 결정되면 출력 정합회로는 공액정합( Γ_L= Γ_out)이 되도록 설계하였다.
그러므로 이러한 저잡음 증폭기의 설계에 있어서 잡음 특성이 뛰어난 트랜지스터의 선택이 필요하며, 외부 온도변화나, 전기적 특성의 변화에도 변하지 않는 안정된 특성을 보이는 증폭기의 설계가 필요하다[1]. 본 논문에서는 S-band에서 동작하는 저잡음 증폭기를 2단으로 구성하였으며, 소자는 HP사의 ATF-54143 HEMT를 각각 사용하였고, 유전율이 3.5이고, 두께가 20mil인 Taconic RF35 기판을 사용하여 잡음지수, 정재파비, 이득을 고려하여 설계하였다.
낮은 주파수에서는 집중소자인 캐패시터를 사용하여 DC를 차단해 줄 수 있으나 주파수가 높아짐에 따라 집중소자를 이용할 경우 신호의 통과 대역 내에서의 삽입손실이 증가하고 부가적인 기생성분이 발생하여 증폭기의 특성을 저하시킨다. 본 논문에서는 λ/4길이의 결합선로가 아닌 캐패시터를 이용하여 DC Block을 구현하였다[5][6].
본 논문의 S-밴드 저잡음 증폭기의 설계에서 요구되어지는 낮은 잡음지수, 높은 이득을 얻기 위하여 도식적 설계기법을 사용하여 2단으로 설계하였다. 저잡음 증폭기를 설계하는데 있어서 가장 큰 문제점은 최소의 잡음특성을 얻을 수 있는 최적의 입력정합점( Γ_opt )과 최대이득특성을 얻을 수 있는 이득 정합점( Γ_MS )이 일치하지 않기 때문에, 만약 입력단에서 최소잡음지수를 얻기 위한 정합점을 선택한다면 입력측 정재파비가 저하 될 수밖에 없다.
본 논문에서는 HP사 ATF54143 HEMT를 사용하여 s-밴드에 이용되는 저잡음 증폭기를 2단으로 설계 및 제작하였다. 설계 시 일반적인 저잡음 증폭기의 입력 정합회로와는 달리 잡음지수만을 고려하여 Γ_opt를 Γ_S로 놓고 정합회로를 설계하지 않고, 입력 정재파비와 잡음지수를 동시에 고려하여 회로를 설계하였다. 측정결과 이득은 27.
3-3의 Noise Circle과 Gain Circle상에서 잡음지수와 이득을 적절히 고려하여 trade-off점을 잡아 첫째단 입력 정합 회로를 설계하였다. 입력 정합회로가 결정되면 출력 정합회로는 공액정합( Γ_L= Γ_out)이 되도록 설계하였다. 첫째단 증폭기의 시뮬레이션 결과는 Fig.

대상 데이터

그리고, 본 논문의 2단 저잡음 증폭기 회로에 사용한 소자는 HP사의 ATF54143 HEMT이며, 바이어스 조건은 drain 전압이 3V, drain 전류가 60mA이다. 이때 이득, 잡음지수 및 안정도 특성이 Fig.
본 논문에서는 HP사 ATF54143 HEMT를 사용하여 s-밴드에 이용되는 저잡음 증폭기를 2단으로 설계 및 제작하였다. 설계 시 일반적인 저잡음 증폭기의 입력 정합회로와는 달리 잡음지수만을 고려하여 Γ_opt를 Γ_S로 놓고 정합회로를 설계하지 않고, 입력 정재파비와 잡음지수를 동시에 고려하여 회로를 설계하였다.
설계로부터 얻은 Layout을 이용하여 유전율 3.5, 두께가 20mil인 Taconic RF35 기판 위에 2단 저잡음 증폭기를 제작하였다.

성능/효과

4-2는 Network Analyzer를 이용하여 측정한 2단 저잡음 증폭기의 이득, 입력 정재파비와 출력 정재파비를 나타낸 것이다. 2단 저잡음 증폭기의 측정 결과, 이득은 27.8dB, 입력 정재파비와 출력 정재파비는 1.5를 넘지 않는 특성을 나타내었다. 이는 시뮬레이션 결과와 비교해서 이득에서 미세한 차이를 보였을 뿐, 거의 양호한 특성을 나타내었다.
분석 결과 NFmin은 0.6dB, Max Gain은 15.230dB, 그리고 µ-factor 는 1.032로 안정하다는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과 2단 저잡음 증폭기의 전체 이득은 30.2dB, 잡음지수는 0.6dB, 입력 정재파비와 출력 정재파비는 1.5이하를 얻었다. 그 결과는 Fig.
설계 시 일반적인 저잡음 증폭기의 입력 정합회로와는 달리 잡음지수만을 고려하여 Γ_opt를 Γ_S로 놓고 정합회로를 설계하지 않고, 입력 정재파비와 잡음지수를 동시에 고려하여 회로를 설계하였다. 측정결과 이득은 27.8dB, 입력 정재파비와 출력 정재파비는 1.5를 넘지 않는 특성을 얻었다. 본 연구를 통해 s-밴드 2단 저잡음 증폭기의 설계 방법을 습득하게 되었고 이는 차후에 예상되는 여러 밀리미터파를 활용한 무선통신 부품들을 설계하는데 기초가 될 것으로 사료된다.

후속연구

5를 넘지 않는 특성을 얻었다. 본 연구를 통해 s-밴드 2단 저잡음 증폭기의 설계 방법을 습득하게 되었고 이는 차후에 예상되는 여러 밀리미터파를 활용한 무선통신 부품들을 설계하는데 기초가 될 것으로 사료된다.

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