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문제 정의
- 본 논문에서는 cascode 구조에 광대역 특성을 얻기위하여 shunt peaking 기술을 이용한 증폭기와 tandem 결합기를 이용한 평형 증폭기를 제작하였다. Shunt peaking 기술을 이용한 cascode 증폭기는 37 GHz의 3 dB 대역폭을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Cascode 증폭기는 광대역 및 평탄화 특성을 나타내는 적절한 인덕턴스를 갖도록 하기 위해 short stub와보상 전송선로의 길이가 최적화되었다. 광대역, 평탄화, 그리고 발진을 고려하여 바이어스 단의 아iort stub의길이는 790 ㎛로 선택하였다.
- 그림 4 (a)에서 포트 ①은 입 력포트이며, 포트 ②, ③, 그리고 ④는 각각 direct, couple, reflect 포트들을 나타낸다. Tandem 결합기는 3 dB 이상의 결합 계수를 갖기 위해 두 개의 CPW 평형 결합기를 이용하여 구성하였으며, 각각의 결합기는 중심 주파수 60 GHz에서 약 8 dB의 커플 계수를 갖도록 설계되었다. 그림 4 (b)에서 표현된 모든 변수들은 기판의두께, h와 유전율, &을 제외한 모든 변수들은 통과 포트간의 크기와 위상차를 계산 한 값을 HFSS로 시뮬레이션 하였다.
- 광대역 cascode 증폭기는 회로의 발진을 막기 위해서 저항과캐패시터를 공통-게이트 소자의 드레인에 병렬로 연결하였다. 또한, 대역폭의 확장 및 이득의 평탄화를 위한입력 및 출력 단의 병렬 인덕턴스는 인덕터와 커패시터로 모델화 될 수 있는 전송선로를 사용하였다. 바이어스 회로들에 short stub 및 공통-소스 소자와 공통-게이트 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하여 구현하였다.
- 또한, 대역폭의 확장 및 이득의 평탄화를 위한입력 및 출력 단의 병렬 인덕턴스는 인덕터와 커패시터로 모델화 될 수 있는 전송선로를 사용하였다. 바이어스 회로들에 short stub 및 공통-소스 소자와 공통-게이트 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하여 구현하였다. 이 보상 전송선로는 귀환 인덕턴스를 가짐으로써입력 및 출력 단 동시에 인덕턴스를 제공한다.
- 본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 광대역 특성을갖는 cascode 증폭기를 개발하기 위해 shunt peaking 기술과 tandem 결합기를 사용하였다. 증폭기 제작을 위해 0.
- 소자 라이브러리를 이용하여 설계된 cascode 증폭기는 MINT 표준 공정을 이용하여 제작되었으며, 제작된 cascode 증폭기들은 400 MHz에서 80 GHz 까지Anritsu ME7808A vector network analyzer를 이용하여 측정되었다. 그림 8 (a)는 제작된 Shunt peaking 기술을 이용한 밀리미터파 광대역 cascode 증폭기의 칩사진이며, 칩의 크기는 각각 1.
- 이러한문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 평형 증폭기 구조를 사용하였으며, 평형 증폭기 구조는 이득의 평탄화와 입력 및 출력 VSWR을 향상 시킬 수 있다回 3 dB 하이브리드 결합기는 입력과 출력에서 각각 1개가 사용되며, 입력 측 결합기는 전력 분배기 처럼, 출력 측 결합기는 전력 결합기처럼 작동한다. 평형 증폭기 구조에서 사용될 수 있는 Wilkinson 결합기와 branch-line 결합기 등은 그 설계 및 제작이 쉽다는 장점이 있지만, 3 dB 대역 폭이 중심 주파수의 50 %로 제한된다는 단점이 있다.
- 4 ~ 8 dB의 S교 이득 특성을 나타내었다. 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Agilent사 ADS의 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 최적화를 수행하였다. 그림 3에설계된 밀리미터파 광대역 cascode 증폭기의 회로도를나타내었다.
- 제작된 tandem 결합기와 단일 종단 cascode 증폭기를 이용하여 광대역 평형 증폭기를 설계하여 최적화하였다. 그림 6은 tandem 결합기를 이용하여 설계된밀리미터파 광대역 cascode 평형 증폭기의 회로도를보여 준다.
대상 데이터
- PHEMT의 주파수 특성으로 113 GHz의 전류이득차단 주파수 (氐), 그리고 180 GHz 의 최대공진 주파수 (fmax)를 보였다. Cascode 증폭기는 CPW 전송선로, Ti 저항, MIM (Metal-Insulator -Metal) 캐패시터 및 에어브리지의 수동 소자 라이브러리를 이용하여 제작하였다.
- 전송선로의 길이가 최적화되었다. 광대역, 평탄화, 그리고 발진을 고려하여 바이어스 단의 아iort stub의길이는 790 ㎛로 선택하였다.
- 밀리미터파 광대역 cascode 증폭기의 소자 라이브러리와 제작은 본 논문에서 개발된 MINT (Millimeter -wave INovation technology) 연구 센터의 0.1 um 게이트 길이 PHEMT 및 MIMIC 라이브러리를 이용하였다* 81. PHEMT의 에피층은 GaAs 기판 위에 AlGaAs /GaAs super lattice 버퍼, InGaAs 채널, 이 중 델타 도핑 및 GaAs 캡층으로 구성되었으며, 그림 7에 PHEMT 구조 및 에피층 단면도를 나타내었다.
- tandem 결합기를 사용하였다. 증폭기 제작을 위해 0.1 um 게이트 길이 PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)§ 사용하였으며, tandem 결합기는 기존의 MIMIC (MUlimeter-wave Monolithic Integrate Circuit) 공정의 CPW (CoPlanarWaveguide) 및 에어브리지 공정을 사용하여 제작하였다.
데이터처리
- Tandem 결합기는 3 dB 이상의 결합 계수를 갖기 위해 두 개의 CPW 평형 결합기를 이용하여 구성하였으며, 각각의 결합기는 중심 주파수 60 GHz에서 약 8 dB의 커플 계수를 갖도록 설계되었다. 그림 4 (b)에서 표현된 모든 변수들은 기판의두께, h와 유전율, &을 제외한 모든 변수들은 통과 포트간의 크기와 위상차를 계산 한 값을 HFSS로 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 사용된 변수는 표 1과 같다.
이론/모형
- 밀리미터파 광대역 증폭기 제작을 위해 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 사용하여 설계하였다. Shunt peaking 기술은 공통-소스 증폭기의 load에 인덕터를 삽입함으로써 더 넓은 주파수 범위에서 일정한 이득을 갖도록 하는 것으로, 이는 증폭기 대역폭의 확장및 이득의 평탄화를 증가 시킬 수 있다.
성능/효과
- 5 dB 의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 3 dB 대역폭은 37 GHz (18.5 ~ 55.5 GHz)로 광 대역 특성을 얻었으며, 3 dB대역 내에서 평균 8.7 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 또한, 47 GHz에서 최대 9.
- 4 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 3 dB 대역폭은 44.5 GHz (21-65.5 GHz)로 shunt peaking 기술을 이용한 증폭기보다 넓은대역폭 특성을 얻었으며, S2i 이득은 3 dB대역 내에서평균 9 dB로 약간 높은 특성을 나타내었다. 최대 S2i 이득 특성은 60 GHz에서 10.
- 4 mA의 드레인포화전류 (Idss), 그리고 434 mS/mm의 최대 전달컨덕턴스 (gm) 특성을 갖는다. PHEMT의 주파수 특성으로 113 GHz의 전류이득차단 주파수 (氐), 그리고 180 GHz 의 최대공진 주파수 (fmax)를 보였다. Cascode 증폭기는 CPW 전송선로, Ti 저항, MIM (Metal-Insulator -Metal) 캐패시터 및 에어브리지의 수동 소자 라이브러리를 이용하여 제작하였다.
- 3-8 成의 S2i 이득 특성을 나타내었다. S2i 이득의 평탄화를 위해서 보상 전송선로의 길이는 300 ㎛로 최적화 되었으며, 15-53.5 GHz 주파수 범위에서 6.4 ~ 8 dB의 S교 이득 특성을 나타내었다. 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Agilent사 ADS의 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 최적화를 수행하였다.
- Shunt peaking 기술을 이용한 cascode 증폭기는 37 GHz의 3 dB 대역폭을 얻을 수 있었다. Tandem 결합기는 기존 MIMIC 공정의 에어브리지를 이용하여 제작 되었으며, 60 GHz의 2 dB 대역폭, -23 dB의 반사손실 특성을 보였으며, 이를 이용한 평형 증폭기는 44.5 GHz의 3 dB 대역폭을 얻어 shunt peaking 기술을 이용한 단일 종단구조에 비해 약 20 % 증가된 3 dB 대역폭을 얻을 수 있었다.
- Tandem 결합기의 광대역 특성과 낮은 반사 손실 특성에 의해 tandem 결합기를 이용한 밀리미터파 광대역 cascode 평형 증폭기는 shunt peaking 기술을 이용한 single-ended 증폭기에 비해 약 20%가 증가된 3 dB 대역폭을 얻을 수 있었으며, 낮은 입력 및 출력 반사 손실특성을 나타내었다.
- 7 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 또한, 47 GHz에서 최대 9.38 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었으며, 입출력 반사 손실은 3 dB 대역폭에서 -3.3에서 -17 dB 이하의 특성을 얻었다. 그림 8 (b) 는 광대역 cascode 증폭기의 시뮬레이션 및 측정 된 S-parameter 특성을 나타내었다.
- 5 GHz)로 shunt peaking 기술을 이용한 증폭기보다 넓은대역폭 특성을 얻었으며, S2i 이득은 3 dB대역 내에서평균 9 dB로 약간 높은 특성을 나타내었다. 최대 S2i 이득 특성은 60 GHz에서 10.4 dB의 값을 나타내었으며, 입력 및 출력 반사 손실은 3 dB 대역폭에서 -4.5에서 -35 dB 이하의 특성을 얻어 단일 종단 증폭기 보다향상된 결과를 얻었다.
- 5 mm2 이다. 측정 결과 22~63 GHz의 주파수 영역에서 7.6-10.4 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 3 dB 대역폭은 44.
- 측정결과 30에서 90 GHz 사이에서 평균 3.5 dB의 결합계수를 얻었으며 입력 반사 계수 및 격리도는 각각 -23, -16 dB를 얻었다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 설계 방법 및 제작된 cascode 증폭기들은 밀리미터파 대역에서 광대역 특성을 증명하였으며, 밀리미터파 대역 시스템 제작에 웅용될 수 있다고 사료된다.
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