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사전-정합 로드-풀 측정을 통한 X-대역 40 W급 펄스 구동 GaN HEMT 전력증폭기 설계
Design of X-band 40 W Pulse-Driven GaN HEMT Power Amplifier Using Load-Pull Measurement with Pre-matched Fixture 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.11, 2011년, pp.1034 - 1046  

정해창 (충남대학교 전파공학과) ,  오현석 (충남대학교 전파공학과) ,  염경환 (충남대학교 전파공학과) ,  진형석 (LIG넥스원) ,  박종설 ((주)유텔 기술연구소) ,  장호기 ((주)유텔 기술연구소) ,  김보균 ((주)유텔 기술연구소)

초록
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본 논문에서는 X-대역에서 GaN HEMT 소자의 로드-풀 측정을 통한 40 W급 전력증폭기 모듈의 설계, 제작을 보였다. 전력증폭기의 설계에 적용하기 위한 능동 소자로, 최근 발표된 TriQuint사의 GaN HEMT 소자를 선정하였다. 로드-풀 측정 시스템의 임피던스 튜너의 임피던스 범위 제한으로 인하여, 시험치구 내에 사전-정합 회로를 구성하였다. 사전-정합 회로가 포함된 로드-풀 측정을 통해 최적 입 출력 임피던스를 도출하기 위하여, 사전-정합 회로의 2-포트 S-파라미터가 필요하며, 이의 새로운 추출 방법을 제안하였다. 이와 같이 결정된 사전-정합 회로의 S-파라미터를 반영한 로드-풀 측정을 통해 도출된 최적 입 출력 임피던스는 데이터 시트와 근접한 결과를 주며, 이를 통해 측정의 타당성을 확인하였다. 전력증폭기의 정합 회로는 도출된 최적 임피던스로부터 EM co-simulation을 이용하여 설계하였다. 제작된 전력증폭기는 15${\times}$17.8 $mm^2$으로 소형의 크기를 가지며, 10 usec의 펄스 폭, 10 % duty의 펄스 입력 및 드레인 스위칭 상태에서, 9~9.5 GHz 대역 내 출력은 46.7~46.3 dBm, 전력 이득은 8.7~8.3 dB, 효율은 약 35 %의 특성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a design and fabrication of 40 W power amplifier for the X-band using load-pull measurement of GaN HEMT chip are presented. The adopted active device for power amplifier is GaN HEMT chip of TriQuint company, which is recently released. Pre-matched fixtures are designed in test jig, be...

주제어

#GaN HEMT   #Power Amplifier Module   #Load-Pull Measurement   #Pre-Match   #Fixture De-Embedding  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
과거 레이더 시스템은 출력을 얻기위해 무엇을 사용했나? 과거 레이더 시스템은 큰 출력을 얻기 위하여 진공관 형태의 전력증폭기(PA: Power Amplifier)가 주로 사용되었다. 최근 이를 대체 가능한 능동형 위상 배열 레이더가 연구되고 있으며, 이는 다수의 송수신 모듈(transmit receive module)로 구성되며, 이의 소형화를 위하여 반도체 소자를 이용한 전력증폭기에대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
GaN HEMT의 장점은? 최근 이를 대체 가능한 능동형 위상 배열 레이더가 연구되고 있으며, 이는 다수의 송수신 모듈(transmit receive module)로 구성되며, 이의 소형화를 위하여 반도체 소자를 이용한 전력증폭기에대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 최근 출현한 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 기존의 LDMOS 소자보다 주파수 특성이 우수하고, GaAs보다 전력 특성이 우수하여, X-대역의 레이더 시스템에 적용하기에 적합한 소자로 기대되며, 이를 이용한 고출력 전력증폭기의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 국내에서는 50～200 W의 높은 출력 전력을 얻기 위해서 내부 정합된 전력증폭기(internally matched PA)를 이용하고 있다.
능동 소자의 출력 전력이 커짐에 따라 발생하는 문제를 극복하는 방법은? 그러나 능동 소자의 출력 전력이 커질수록 이의 최적 임피던스는 1Ω 수준으로 작아져, 이를 기존의 로드-풀 시스템으로 측정하기 어렵게 된다. 최근에는 이를 극복하는 방법이 이슈가 되어, 사전-정합 회로를 이용한 방법이나 능동 로드-풀 시스템이 연구되고 있다[7]. 로드-풀은 소자의 비선형 모델을 통한 소프트웨어적으로 로드-풀 시뮬레이션 방법이 있으나, 비선형 모델이 없거나 정확도가 불분명할 경우, 소자를 직접 로드-풀 측정하게 된다.
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참고문헌 (15)

  1. 김민수, 이춘성, 이상록, 이영철, "X-대역 펄스압축 Solid State Radar를 위한 200W SSPA 개발", 대한전자공학회지, 46(12), pp. 22-29, 2009년 12 월. 

  2. 정민길, 나형기, "레이더용 X-대역 63 watt pulsed SSPA 개발", 한국전자파학회논문지, 22(3), pp. 380- 388, 2011년 3월. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. 신석우, 김형종, 최길웅, 최진주, 임병옥, 이복형, "X-대역 GaN HEMT Bare-Chip 펄스-전압 펄스- RF 수동 로드-풀 측정", 한국ITS학회논문지, 10 (1), pp. 42-48, 2011년 2월. 

  4. Y. Yamashita, T. Nakata, T. Kumamoto, R. Suzuki, and M. Tanabe, "X-band GaN HEMT advanced power amplifier unit for compact active phased array antennas", ICCAS-SICE, pp. 3047-3050, 2009. 

  5. K. Kanto, A. Satomi, Y. Asahi, Y. Kashiwabara, K. Matsushita, and K. Takagi, "An X-band 250W solid- state power amplifier using GaN power HEMTs", Radio and Wireless Symposium, pp. 77-80, 2008. 

  6. M. Casto, M. Lampenfeld, J. Pengcheng, P. Courtney, S. Behan, P. Daughenbaugh, and R. Worley, "100 W X-band GaN SSPA for medium power TWTA replacement", Wireless and Microwave Technology Conference, pp. 1-4, 2011. 

  7. M. S. Hashmi, F. M. Ghannouchi, P. J. Tasker, and K. Rawat, "High reflective load-pull", Microwave Magazine, vol. 12, pp. 96-107, Jun. 2011. 

  8. 정해창, 오현석, 허윤성, 염경환, 김경민, "Wi- MAX 대역 GaN HEMT 4 W 소형 전력증폭기 모듈 설계", 한국전자파학회논문지, 22(2), pp. 162- 172, 2011년 2월. 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. G. Simpson, R. Pollard, "Automated microwave tuner system simplifies transistor characterization", ARFTG Conference, vol. 11, pp. 66-89, 1987. 

  10. U. K. Mishra, P. Parikh, and Wu Yi-Feng, "Al-GaN/ GaN HEMTs-an overview of device operation and applications", Proc. of IEEE, vol. 90. no. 6, pp. 1022-1031, Jun. 2002. 

    상세보기 crossref

  11. TGF2023-10, "50 watt discrete power GaN on SiC HEMT", TriQuint Semiconductor, Available: http://triquint.com/ 

  12. C580274C, Leaded Power Amplifier Package, Stratedge, Available: http://stratedge.com/ 

  13. Design Guidelines, "ATC custom thin film products", American Technical Ceramics, Available: http://atceramics.com/ 

  14. MT982EU30, "7 mm automated tuners", Maury Microwave, Available: http://maurymw.com/ 

  15. Operating Manual, "Automated tuner system", Maury Microwave, Available: http://maurymw.com/ 

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