[논문]WiMAX 대역 GaN HEMT 4 W 소형 전력증폭기 모듈 설계

정해창; 오현석; 허윤성; 염경환; 김경민

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.2.162

WiMAX 대역 GaN HEMT 4 W 소형 전력증폭기 모듈 설계
Design of a GaN HEMT 4 W Miniaturized Power Amplifier Module for WiMAX Band 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.2, 2011년, pp.162 - 172

정해창 (충남대학교 전파공학과) , 오현석 (충남대학교 전파공학과) , 허윤성 (충남대학교 전파공학과) , 염경환 (충남대학교 전파공학과) , 김경민 ((주)웨이브닉스이에스피)

초록
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본 논문에서는 WiMAX 주파수 대역(2.3~2.7 GHz)에서 동작하는 4 W급 소형 전력증폭기 모듈을 설계, 제작하였다. 본 연구에 사용된 능동소자는 최근 발표된 Triquint사의 GaN HEMT 소자(Bare-chip)이다. 본 논문에서는 전력증폭기를 설계하기 위하여, 먼저 자체 제작한 조정용 지그(jig)를 사용하여 상용 칩의 최적 임피던스를 실험을 통해 추출하였으며, 추출한 임피던스를 적용한 EM-simulation으로 F급 설계를 행하였다. 소형의 패키지(모듈)에 집적하고 정합하기 위하여 인덕터와 커패시터는 각각 spiral inductor, interdigital capacitor로 구현하였다. 소형으로($4.4{\times}4.4\;mm^2$) 패키지된 전력증폭기 모듈의 경우, 출력은 36 dBm, 효율은 50 % 그리고 2차 및 3차 고조파에 대한 고조파 억제는 40 dBc 이상의 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design and fabrication of 4 W power amplifier for the WiMAX frequency band(2.3~2.7 GHz) are presented. The adopted active device is a commercially available GaN HEMT chip of Triquint Company, which is recently released. The optimum input and output impedances are extracted for power amplifier design using a specially self-designed tuning jig. Using the adopted impedances value, class-F power amplifier was designed based on EM simulation. For integration and matching in the small package module, spiral inductors and interdigital capacitors are used. The fabricated power amplifier with $4.4{\times}4.4\;mm^2$ shows the efficiency above 50 % and harmonic suppression above 40 dBc for second(2nd) and third(3rd) harmonic at the output power of 36 dBm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Triquint사의 chip GaN HEMT를 이용한 WiMAX 대역의 중계기용 소형 전력증폭기 설계 제작에 관한 것으로, 이의 체계적인 설계 방법을 제시하였다. 이러한 과정으로 Load-Pull Tuner 장비를 이용하여 정합 임피던스를 추출하는 것보다는 실험실용 tuner를 구성하고, 이를 통해 최적의 임피던스를 도출하고, 얻어진 임피던스를 이용하여 EM simulation과 Co-simulation을 통하여 최적의 정합 회로 패턴을 설계하였다.
본 논문에서는 WiMAX 주파수 대역에서 중계기용 4 W급 소형 전력증폭기 모듈의 설계 및 제작을 보였다. 사용된 능동 소자는 Triquint사의 GaN HEMT 소자를 사용하였다.
또한 드레인 전류는 무입력시 125 mA 그리고 정상출력시 약 300 mA가 흐르는 것을 알 수 있다. 이와 같은 조정용 지그를 통한 실험으로, 본 논문에 선정된 소자는 4 W급 전력증폭기 소자로 적합하며, 이것을 이용하며 소형의 회로를 구성하면 목표를 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.

가설 설정

11. (a) EM simulated output impedance seen from drain, (b) Transmission between drain and output, (c) Insertion loss for the bandwidth 2.3～2.7 GHz.

제안 방법

이 때 DC block 및 bypass 커패시터는 그 값이 크기 때문에 SLC(Single Layer Capacitor)를 통하여 구현하였고, 기판에 부착하는 방법을 채택하였다. 그리고 입력 정합 회로 커패시터 C_i도 그 값이 커서 SLC로 구현하였다. 나머지 정합 회로용 커패시터는 interdigital 커패시터로 구현하였다.
이들 값들은 최적화 과정으로 계산될 수 있으나, 최적화를 통하여 잘 얻어지지 않는다. 따라서 이들 값들은 해석적으로 결정할 수 있는 방법을 도출하였다. 우선 기본파 주파수에서 Pi-형 정합 회로 값을 계산하여, 이것으로부터 L₃를 결정할 수 있고, 이때 필요한 기본파에서 드레인 측의 shunt 어드미턴스를 B₁, 50-ohm 출력측에서의 어드미턴스를 B₂라고 하면
사용된 구동증폭기는 WiMAX 주파수 대역에서 약 25 dBm의 출력을 공급할 수 있도록 실험실에서 제작된 것이다. 신호 발생기의 출력 레벨을 결정하고, 전력증폭기의 고조파 특성을 정확히 파악하기 위하여, 구동증폭기를 측정하였다. 그림 5(a)에는 구동증폭기의 입출력 특성, 그림 5(b)에는 30 dB 감쇄기를 통과한 주파수 2～8 GHz에서의 출력 스펙트럼을 보였다.
9, 두께는 5 mil로 하였다. 이 때 DC block 및 bypass 커패시터는 그 값이 크기 때문에 SLC(Single Layer Capacitor)를 통하여 구현하였고, 기판에 부착하는 방법을 채택하였다. 그리고 입력 정합 회로 커패시터 C_i도 그 값이 커서 SLC로 구현하였다.
이와 같이 구성된 지그를 DUT(Device Under Test)로 그림 4와 같이 측정 장비를 결선하였다. 이 때, 신호 발생기는 사용된 소자를 구동할 만큼 큰 전력을 제공하지 못하기 때문에, 충분한 전력을 공급하기 위하여 구동증폭기를 사용하였다. 사용된 구동증폭기는 WiMAX 주파수 대역에서 약 25 dBm의 출력을 공급할 수 있도록 실험실에서 제작된 것이다.
이것의 임피던스를 측정하기 위하여 그림 2(c)의 임피던스 측정용 package로 GaN HEMT package를 대체한 후 그림 7과 같이 on-wafer probing 장비를 이용하여 임피던스를 측정하였다.
본 논문에서는 Triquint사의 chip GaN HEMT를 이용한 WiMAX 대역의 중계기용 소형 전력증폭기 설계 제작에 관한 것으로, 이의 체계적인 설계 방법을 제시하였다. 이러한 과정으로 Load-Pull Tuner 장비를 이용하여 정합 임피던스를 추출하는 것보다는 실험실용 tuner를 구성하고, 이를 통해 최적의 임피던스를 도출하고, 얻어진 임피던스를 이용하여 EM simulation과 Co-simulation을 통하여 최적의 정합 회로 패턴을 설계하였다. 측정으로 얻어진 임피던스를 갖는 정합 회로는 효율을 최대화하기 위하여 F급으로 설계하였으며, 본 논문에서는 새로이 저역 여파기형 F급 정합 회로를 구성하고, 이의 소자 값을 결정하는 방법을 제시하였다.
제작된 구동증폭기는 전력증폭기를 구동하기에 충분한 출력을 가지며, 2차 고조파 및 3차 고조파는 -50 dBc 이상으로 매우 작음을 알 수 있다. 이러한 구동증폭기의 출력은 DUT의 임피던스가 바뀜에 따라서 출력도 변동되어 이를 막기 위해서 그림과 같이 써큘레이터를 이용하여 isolator를 구성하였다. 사용된 써큘레이터는 애드모텍사의 ADC250CSQH^[12]이다.
이와 같이 구성된 지그를 DUT(Device Under Test)로 그림 4와 같이 측정 장비를 결선하였다. 이 때, 신호 발생기는 사용된 소자를 구동할 만큼 큰 전력을 제공하지 못하기 때문에, 충분한 전력을 공급하기 위하여 구동증폭기를 사용하였다.
이와 같이 구성하고 입력과 출력을 번갈아 조정하여 최대의 출력을 얻도록 조정하였다. 그림 6에는 최대 출력을 얻었을 상태의 출력과 효율을 입력 전력에 대하여 보였다.
입력 정합 회로는 L-형으로 커패시터 C_i 및 인덕터 L_i로 구현하였으며, 게이트의 DC 전압은 저항 R_B를 통하여 공급하였다. 사용된 HEMT는 설계 주파수에서 불안정하여 직렬로 저항 R_s를 삽입하여 안정화시켰다.
전력증폭기에 공급되는 전력은 입력단의 방향성 결합기의 출력을 측정함으로써 알 수 있도록 그림 4와 같이 방향성 결합기를 사용하였으며, 출력은 power meter를 사용하여 측정하였다. 일부 출력은 방향성 결합기로 얻어내어 스펙트럼 분석기로 측정하였다.
소자의 최적 임피던스 추출을 위하여 설계된 조정용 지그를 사용하였으며, 이를 통해 on-wafer probing 방법으로 최적 임피던스를 실험적으로 추출하였다. 추출된 임피던스를 갖도록 입출력 정합 회로를 EM simulation을 통해 설계하였으며, 소형화를 위하여 박막 공정을 이용, 구현하였다. 특히, 출력 정합 회로는 고조파 억압 특성이 우수한 저역 여파기형 F급 출력 정합 회로를 제안하였다.
이러한 과정으로 Load-Pull Tuner 장비를 이용하여 정합 임피던스를 추출하는 것보다는 실험실용 tuner를 구성하고, 이를 통해 최적의 임피던스를 도출하고, 얻어진 임피던스를 이용하여 EM simulation과 Co-simulation을 통하여 최적의 정합 회로 패턴을 설계하였다. 측정으로 얻어진 임피던스를 갖는 정합 회로는 효율을 최대화하기 위하여 F급으로 설계하였으며, 본 논문에서는 새로이 저역 여파기형 F급 정합 회로를 구성하고, 이의 소자 값을 결정하는 방법을 제시하였다. 제작된 증폭기는 크기는 4.
추출된 임피던스를 갖도록 입출력 정합 회로를 EM simulation을 통해 설계하였으며, 소형화를 위하여 박막 공정을 이용, 구현하였다. 특히, 출력 정합 회로는 고조파 억압 특성이 우수한 저역 여파기형 F급 출력 정합 회로를 제안하였다. 제안된 출력 정합 회로에 대하여 해석적 설계 방법을 제시하였고, 이것은 EM simulation의 기초로 활용되었다.

대상 데이터

이것의 특성을 평가하고, 또한 최적의 임피던스를 구하기 위하여 이 소자를 그림 2(a)와 같이 package하였다. 사용된 package는 Stratedge사의 C580274C이다^[10]. 그림 2(b)에 이것의 확대 사진을 보였다.
이 때, 신호 발생기는 사용된 소자를 구동할 만큼 큰 전력을 제공하지 못하기 때문에, 충분한 전력을 공급하기 위하여 구동증폭기를 사용하였다. 사용된 구동증폭기는 WiMAX 주파수 대역에서 약 25 dBm의 출력을 공급할 수 있도록 실험실에서 제작된 것이다. 신호 발생기의 출력 레벨을 결정하고, 전력증폭기의 고조파 특성을 정확히 파악하기 위하여, 구동증폭기를 측정하였다.
본 논문에서는 WiMAX 주파수 대역에서 중계기용 4 W급 소형 전력증폭기 모듈의 설계 및 제작을 보였다. 사용된 능동 소자는 Triquint사의 GaN HEMT 소자를 사용하였다. 소자의 최적 임피던스 추출을 위하여 설계된 조정용 지그를 사용하였으며, 이를 통해 on-wafer probing 방법으로 최적 임피던스를 실험적으로 추출하였다.
이러한 구동증폭기의 출력은 DUT의 임피던스가 바뀜에 따라서 출력도 변동되어 이를 막기 위해서 그림과 같이 써큘레이터를 이용하여 isolator를 구성하였다. 사용된 써큘레이터는 애드모텍사의 ADC250CSQH^[12]이다.
그림 1은 본 논문에 사용된 chip형 GaN HEMT의 형상을 보인다. 선정된 GaN 소자는 Triquint사의 TGF2023-01^[9]이며, 0.25 um의 게이트 길이, 폭 1.25 mm이며, 소스 단자는 접지면인 밑면과 연결되어 있고, 윗면에는 게이트 및 드레인 단자가 나타나 있다.
그림 10(a)에는 그림 8의 증폭기 회로를 layout한 그림을 보였다. 소형화를 위하여 박막 공정^[16]을 이용하였으며, 이 때 사용된 기판은 알루미나로 유전율은 9.9, 두께는 5 mil로 하였다. 이 때 DC block 및 bypass 커패시터는 그 값이 크기 때문에 SLC(Single Layer Capacitor)를 통하여 구현하였고, 기판에 부착하는 방법을 채택하였다.
그림 12(a)에는 시험을 위해 package에 설계된 전력증폭기 모듈이 장착된 모습을 보이고 있으며, 그림 12(b)에는 조립된 전력증폭기의 사진을 보였다. 조립시 본딩 와이어는 4 mil 리본을 사용하였으며, 기판에 부착되는 소자들은 실버 에폭시를 사용하여 부착하였다. Package 바닥에 부착되는 HEMT 및 기판은 Au/Sn을 사용하여 부착하였다.

데이터처리

측정된 결과는 표 2에 나타내었으며, TGF2023-01에서 제공하는 자료와 비교하여 보았다. 구동 조건이 드레인 전압이 30 V로 다소 다르기는 하지만 측정된 결과는 자료에서 제공하는 최대 출력점과 최대 효율점의 중간에 위치한 것을 알 수 있었다.

이론/모형

사용된 능동 소자는 Triquint사의 GaN HEMT 소자를 사용하였다. 소자의 최적 임피던스 추출을 위하여 설계된 조정용 지그를 사용하였으며, 이를 통해 on-wafer probing 방법으로 최적 임피던스를 실험적으로 추출하였다. 추출된 임피던스를 갖도록 입출력 정합 회로를 EM simulation을 통해 설계하였으며, 소형화를 위하여 박막 공정을 이용, 구현하였다.
특히, 출력 정합 회로는 고조파 억압 특성이 우수한 저역 여파기형 F급 출력 정합 회로를 제안하였다. 제안된 출력 정합 회로에 대하여 해석적 설계 방법을 제시하였고, 이것은 EM simulation의 기초로 활용되었다. 제작된 전력증폭기 모듈은 WiMAX 주파수 대역에서 36 dBm 이상의 출력을 보이며, 효율은 약 50 %, 4.
그림 3에서 보였듯이 입력단 및 출력단에는 각각 2개의 트리머 커패시터를 정합을 위해 추가하였다. 트리머 커패시터는 Johanson Manufacturing사의 트리머 커패시터(5052 air-Capacitor)^[11]를 사용하였으며, 이것의 크기가 커서 안테나로 방사되는 손실을 제거하기 위하여 그림과 같이 수직으로 지그에 삽입되었다.

성능/효과

TGF2023-01의 특성은 표 1에 보였으며, 주요 성능으로는 28 V 드레인 전압, 무입력시 드레인 전류 125 mA에서 4 W의 출력을 제공하는 것을 알 수 있다. 또한 다른 회사에서 발표된 GaN HEMT에 비해 X-대역까지 이득을 제공하고 있다.
측정된 결과는 표 2에 나타내었으며, TGF2023-01에서 제공하는 자료와 비교하여 보았다. 구동 조건이 드레인 전압이 30 V로 다소 다르기는 하지만 측정된 결과는 자료에서 제공하는 최대 출력점과 최대 효율점의 중간에 위치한 것을 알 수 있었다. 또한 이것으로 이와 같이 측정한 결과가 신뢰할 수 있는 결과임을 알 수 있었다.
그림 5(a)에는 구동증폭기의 입출력 특성, 그림 5(b)에는 30 dB 감쇄기를 통과한 주파수 2～8 GHz에서의 출력 스펙트럼을 보였다. 제작된 구동증폭기는 전력증폭기를 구동하기에 충분한 출력을 가지며, 2차 고조파 및 3차 고조파는 -50 dBc 이상으로 매우 작음을 알 수 있다. 이러한 구동증폭기의 출력은 DUT의 임피던스가 바뀜에 따라서 출력도 변동되어 이를 막기 위해서 그림과 같이 써큘레이터를 이용하여 isolator를 구성하였다.
제안된 출력 정합 회로에 대하여 해석적 설계 방법을 제시하였고, 이것은 EM simulation의 기초로 활용되었다. 제작된 전력증폭기 모듈은 WiMAX 주파수 대역에서 36 dBm 이상의 출력을 보이며, 효율은 약 50 %, 4.4×4.4 mm²의 소형의 크기를 갖는다. 또한 2차 및 3차 고조파에 대한 고조파 억제는 40 dBc 이상의 특성을 보인다.
제작된 증폭기는 크기는 4.4×4.4 mm2의 소형의 크기를 가지며, 설계에서 예상한 출력 전력 4 W 이상의 출력을 보이고, 4 W 출력에서 약 50 % 효율, 그리고 2차 및 3차 고조파는 모두 40 dBc 이하의 우수한 특성을 보였다.
의 F급 정합 회로에 비하여 장점을 갖게 된다. 즉, 기존의 결과들은 2차 및 3차 고조파에서 0점이 조정이 안될 경우 2차 및 3차 고조파의 값이 급격히 커지는 반면, 본 논문의 결과는 저역 여파기 형태를 가지고 있어 약간의 2차 및 3차 고조파의 0점이 틀리더라도 우수한 고조파 차단 특성을 갖는 장점이 있다.

후속연구

또한 2차 및 3차 고조파에 대한 고조파 억제는 40 dBc 이상의 특성을 보인다. 설계된 전력증폭기 모듈은 추후 SMT package화하여 전력증폭기 소형 모듈로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN HEMT소자가 널리 공급된 이유는?	GaN 기반의 반도체 소자는 GaN의 wide band-gap 특성으로 인해, 높은 항복 전압을 갖게 되며, 또한 GaN의 높은 열전도도 특성으로 방열 문제에서 유리한 점을 제공하고 있다. 그러나 전자 이동도는 기존 GaAs 기반의 반도체 소자보다 다소 떨어져, 이를 극복하기 위해 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자가 널리 공급되고 있다[1].
	GaN 기반의 반도체 소자의 장점은?	GaN 기반의 반도체 소자는 GaN의 wide band-gap 특성으로 인해, 높은 항복 전압을 갖게 되며, 또한 GaN의 높은 열전도도 특성으로 방열 문제에서 유리한 점을 제공하고 있다. 그러나 전자 이동도는 기존 GaAs 기반의 반도체 소자보다 다소 떨어져, 이를 극복하기 위해 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자가 널리 공급되고 있다[1].
	본논문에서 제작된 전력증폭기의 특성을 설명하시오.	제작된 전력증폭기의 특성을 표 4에 정리하였다. 주파수 2.3 GHz 및 2.7 GHz에서 모두 36 dBm 이상 출력되는 것을 알 수 있다. 그러나 2.3 GHz보다 2.7 GHz인 경우 특성이 우수하게 나타나는데, on-wafer probing을 통해 출력 정합 회로를 검수한 결과, 그림 14의 전달 특성과 같이 주파수가 상향됨에 의한 것임을 알 수 있다. 이러한 주파수 이동은 장비를 이용 측정 결과, 도체 pattern 폭이 전체적으로 약 2 um 축소됨에 의한 것이며, 그림 14에 비교한 바와 같이 축소된 도체 폭으로 EM simulation한 결과가 측정 결과와 유사함을 알 수 있다. 이러한 오차는 공정 오차 범위 내에 있어, 오차에 둔감하도록 도체 폭을 충분히 넓게 설계한다면 원하는 전달 특성과 대역 내 평탄한 전력 특성을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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RUP15050-10, GaN-SiC Broadband Amplifier, RFHIC,
김정준, 문정환, 김장헌, 김일두, 전명수, 김범만, "2.14-GHz 대역 고효율 Class-F 전력 증폭기 개발", 한국전자파학회논문지, 18(8), pp. 873-879, 2007년 8월.

원문보기 상세보기
노태문, 한기천, 김영식, 박위상, 김범만, "휴대용 PCS 단말기를 위한 선형 전력증폭기 모듈의 구현", 한국전자파학회논문지, 8(6), pp. 558-567, 1997년 12월.

원문보기 상세보기
TGF2023-01, 6 Watt Discrete Power GaN on SiC
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상세보기
B. C. Wadell, Transmission Line Design Handbook,
김영규, G. Chaudhary, 정용채, 임종식, 김동수, 김준철, 박종철, "새로운 고조파 차단 부하 회로를 이용한 2.14 GHz 대역 고효율 F급 전력 증폭기", 한국전자파학회논문지, 21(9), pp. 1065-1071, 2010년 9월.

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Design Guidelines, Thin-Film Circuits Design Rules,

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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