[논문]GaN HEMT를 이용한 광대역 고효율 Class-J 모드 전력증폭기 설계

김재덕; 김형종; 신석우; 김상훈; 김보기; 최진주; 김선주

GaN HEMT를 이용한 광대역 고효율 Class-J 모드 전력증폭기 설계
Design of High Efficiency Class-J mode Power Amplifier using GaN HEMT with Broad-band Characteristic 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.10 no.5, 2011년, pp.71 - 78

김재덕 (광운대학교 전파공학과) , 김형종 (광운대학교 전파공학과) , 신석우 (광운대학교 전파공학과) , 김상훈 (광운대학교 전파공학과) , 김보기 (광운대학교 전파공학과) , 최진주 (광운대학교 전자융합공학과) , 김선주 (국방과학연구소)

초록
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본 논문은 GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)를 이용하여 Class-J 모드를 적용한 고효율, 광대역 특성을 갖는 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 제안된 Class-J 모드 전력증폭기의 정합회로는 2차 고조파 임피던스가 리액턴스 성분만 갖도록 하였으며, 1.4 ~ 2.6 GHz 주파수대역내에서 연속파 (CW) 신호를 사용하여 $40{\pm}1$ dBm의 출력 전력과 50 % 이상의 전력부가효율 (Power-Added Efficiency, PAE) 및 60 % 이상의 드레인 효율 (Drain Efficiency, DE)이 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we describe the design and implementation of a high efficiency and broad-band Class-J mode power amplifier using gallium nitride(GaN) high-electron mobility transistor(HEMT). The matching circuit of proposed class-J mode power amplifier for 2nd harmonic impedance designed to provide pure reactance alone. The measurement results show that output power of $40{\pm}1$ dBm, power-added efficiency of 50%, and drain efficiency of 60% for a continuous wave signal at 1.4 to 2.6 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)를 사용하여 고출력, 고효율, 광대역을 갖는 Class-J 모드를 적용한 전력증폭기를 설계하였다.
본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 사용하여 고효율, 광대역을 갖는 Class-J 모드 전력증폭기를 설계하였다. 본 논문에서 제안된 Class-J 모드 전력증폭기는 스위치 모드 Class-E, Class-F 전력증폭기와 비교 했을 때 높은 효율뿐만 아니라 별도의 고조파 제어회로가 필요하지 않으며, Class-AB 혹은 Class-B 와 같은 선형성, 그리고 광대역 특성을 갖기 때문에 통신용 전력증폭기뿐만 아니라 다양한 미래 무선 통신 시스템에서 적용하여 운용비용을 절감 할 수 있을 것이라 기대된다.

가설 설정

임피던스가 리액턴스 (capacitive, inductive) 성분만 갖게 된다고 가정하게 되면 전압과 전류 파형이 90° 의 위상 차이를 갖게 된다.

제안 방법

게이트 바이어스는 Class-AB 바이어스 조건인 -2 V의 게이트 바이어스와 28V의 드레인 전압을 인가하여 설계 시 수행한 모든 시뮬레이션에 적용하였다. ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다. 로드풀 및 소스풀 시뮬레이션 입력조건은 더 정확한 시뮬레이션을 위해 포화출력을 갖는 입력전력에서 3 dB back-off 된 입력전력을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 Class-J 모드 전력증폭기를 설계하기 위해 CREE 사의 10W, GaN HEMT CGH40010F 를 사용하였다. CREE 사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀(Load-Pull)과 소스풀(Source-Pull) 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 바이어스 조건은 28 V의 드레인 전압 바이어스 조건으로 설계하였다.
시뮬레이션 바이어스 조건은 28 V의 드레인 전압 바이어스 조건으로 설계하였다. 게이트 바이어스는 Class-AB 바이어스 조건인 -2 V의 게이트 바이어스와 28V의 드레인 전압을 인가하여 설계 시 수행한 모든 시뮬레이션에 적용하였다. ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다.
ADS 컴퓨터 코드를 이용하여 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 통해 최적화된 입력 임피던스와 출력 임피던스를 찾았다. 로드풀 및 소스풀 시뮬레이션 입력조건은 더 정확한 시뮬레이션을 위해 포화출력을 갖는 입력전력에서 3 dB back-off 된 입력전력을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다.
이상적인 Class-J 모드 전력 증폭기는 Class-F, Class-E 스위칭모드 증폭기와는 달리 이러한 패키징된 트랜지스터의 드레인-소스 커패시턴스를 이용하여 3차 고조파 이상의 성분들을 단락시키고, 최대전력을 전달 할 수 있는 기본 주파수 부하 임피던스와 2차 고조파 부하 임피던스가 존재하도록 외부 정합회로를 구성한다. 여기서 드레인-소스 커패시턴스는 3차 고조파 이상의 성분을 단락시킬 수 있는 값이 되어야하며, 외부 정합회로는 드레인-소스 커패시턴스와 기생성분들에 의해 틀어진 기본 주파수의 전압과 전류 위상차와 파형을 조율하여 전력손실 (Pdiss)을 줄이기 위한 역할을 하기위해 2차 고조파 부하임피던스는 리액턴스 성분이 저항성분보다 큰 값을 갖도록 정합회로를 구성한다.
<그림 2>는 Class-J 모드 전력증폭기 드레인 전압 및 전류 파형을 나타내고 있다. 이해를 돕기 위해 Class-B 모드 전력증폭기를 이용해 설명하였다. 그림에서 알 수 있듯이 Class-B 모드 전력증폭기가 전압과 전류파형이 겹치지 않는 반파사인파형의 (half-sinusoidal wave) 모양을 갖는다고 가정했을 때 최적의 Class-J 모드 전력증폭기 동작 특성은 드레인의 전압과 전류 파형이 45° 위상 차이를 갖게 된다.
<그림 4>는 Class-J 모드 전력증폭기 회로 구성도를 나타낸다. 입력 정합회로는 신호 라인에 직렬 저항 R1 과 게이트 바이어스 라인에 직렬 저항 R2를 삽입하여 안정도를 높였으며 마이크로스트립 라인(Microstrip line), 병렬저항 R3를 사용하여 광대역 정합을 하였다. 출력 정합회로는 π형 구조를 사용하였으며 마이크로 스트립 라인 L2와 lumped 소자 병렬 캐패시터 C2, C3를 이용하여 높은 효율과 출력을 갖도록 기본 주파수 부하임피던스를 정합하였고, 2차 고조파 부하임피던스가 실수 성분이 상당히 작고 리액턴스 성분이 큰 값을 갖도록 정합하여 광대역 특성을 얻었다.
출력 정합회로는 π형 구조를 사용하였으며 마이크로 스트립 라인 L2와 lumped 소자 병렬 캐패시터 C2, C3를 이용하여 높은 효율과 출력을 갖도록 기본 주파수 부하임피던스를 정합하였고, 2차 고조파 부하임피던스가 실수 성분이 상당히 작고 리액턴스 성분이 큰 값을 갖도록 정합하여 광대역 특성을 얻었다.
<그림 8>은 Class-J 모드 전력증폭기의 측정결과를 나타낸 그림이다. 측정을 위해 1.4 GHz ~ 2.6 GHz 대역에서 29 dBm의 입력파워를 1 - tone 연속파 신호를 사용하여 제작된 Class-J 모드 전력증폭기 입력단에 입사하였고, 시뮬레이션과 동일한 조건인 28 V의 드레인 전압과 Class-AB (ID = 250mA) 영역인 -2.83 V의 게이트 전압 바이어스를 트랜지스터에 인가하였다. 측정 결과 1.

대상 데이터

본 논문에서는 Class-J 모드 전력증폭기를 설계하기 위해 CREE 사의 10W, GaN HEMT CGH40010F 를 사용하였다. CREE 사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀(Load-Pull)과 소스풀(Source-Pull) 시뮬레이션을 수행하였다.
CREE 사에서 제공하는 비선형 모델을 이용하여 Agilent Advanced Design System (ADS)으로 로드풀(Load-Pull)과 소스풀(Source-Pull) 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 바이어스 조건은 28 V의 드레인 전압 바이어스 조건으로 설계하였다. 게이트 바이어스는 Class-AB 바이어스 조건인 -2 V의 게이트 바이어스와 28V의 드레인 전압을 인가하여 설계 시 수행한 모든 시뮬레이션에 적용하였다.
제작에 사용한 lumped 소자는 ATC 사의 세라믹칩 캐패시터 와 Johanson 사의 세라믹 칩 인덕터를 사용하였고, Taconic 사의 비유전율 2.33, 기판두께 0.504mm, 동판 두께 18μm인 기판(TLX-5)을 사용하였다.

데이터처리

<표 1>은 다른 연구 기관에서 선행한 Class-E, Class-F, Class-J 모드의 연구 결과와 본 논문에서 제안한 Class-J 모드 전력 증폭기의 특성을 비교하여 나타내었다. Class-J 모드 전력 증폭기는 다른 모드의 전력증폭기에 비해 대역폭이 넓고 고효율 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

성능/효과

<표 1>은 다른 연구 기관에서 선행한 Class-E, Class-F, Class-J 모드의 연구 결과와 본 논문에서 제안한 Class-J 모드 전력 증폭기의 특성을 비교하여 나타내었다. Class-J 모드 전력 증폭기는 다른 모드의 전력증폭기에 비해 대역폭이 넓고 고효율 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 여기서 대역폭(Fractional Bandwidth)이란 주파수 대역에서 중심주파수를 나눈 값으로 정의한다.
6 GHz 주파수대역내에서 40± 1 dBm의 출력 전력과 53 % 이상의 전력부가효율을 얻을 수 있었다. 또한 1.6 ~ 2.4 GHz 주파수 대역내에서는 40 dBm 이상의 출력 전력과 62% 이상의 전력부가 효율을 얻을 수 있었다.
<그림 5>는 <그림 3>의 전력 증폭기 회로 구성도와 <그림 4>의 로드풀 시뮬레이션을 토대로 높은 효율을 갖기 위해 마이크로스트립 라인으로 꾸민 정합회로를 시뮬레이션 하여 부하임피던스를 스미스 차트에서 확인한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 결과 2.0 GHz의 주파수에서의 소스 임피던스는 10.218 - j4.808 ohm, 부하 임피던스는 22.193 + j15.731 ohm 이며, 이때 부하 2차 고조파 임피던스는 1.298 + j64.836 ohm 이다. <그림 5>로부터 알 수 있듯이 2차 고조파 부하 임피던스가 실수 성분이 상당히 작고 리액턴스 성분이 큰 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
전력증폭기 시뮬레이션 결과 1.4 ~ 2.6 GHz 주파수대역내에서 40± 1 dBm의 출력 전력과 53 % 이상의 전력부가효율을 얻을 수 있었다.
측정 결과 1.4 GHz ~ 2.6 GHz 주파수 대역 중 2.4 GHz ~ 2.6 GHz를 제외한 모든 대역에서 40 ± 1 dBm의 출력 전력과 50% 이상의 전력부가 효율 및 60% 이상의 드레인 효율이 측정되었고 시뮬레이션과 유사한 특성을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 사용하여 고효율, 광대역을 갖는 Class-J 모드 전력증폭기를 설계하였다. 본 논문에서 제안된 Class-J 모드 전력증폭기는 스위치 모드 Class-E, Class-F 전력증폭기와 비교 했을 때 높은 효율뿐만 아니라 별도의 고조파 제어회로가 필요하지 않으며, Class-AB 혹은 Class-B 와 같은 선형성, 그리고 광대역 특성을 갖기 때문에 통신용 전력증폭기뿐만 아니라 다양한 미래 무선 통신 시스템에서 적용하여 운용비용을 절감 할 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Class-E의 단점은?	높은 효율특성을 갖는 전력증폭기 기술들에 대하여 살펴보면 드레인에 인가되는 전압과 전류 파형이 중복될 때 발생하는 전력 손실을 줄여 높은 효율을 갖는 원리를 적용한 Class-E, Class-F 등과 같은 스위칭 모드 전력증폭기가 있다. Class-E 의경우 회로는 비교적 간단한 반면 소자의 전력밀도가 낮기 때문에 최대 출력 전력이 Class-AB 의 경우보다 1 dB 정도 낮고, 동작주파수에 따른 이상적 스위치 동작여부가 결정되는 단점과 외부회로를 통한 강제적인 스위치 동작을 하게 함으로서 생기는 비선형적 특성이 있다[1]. 그리고 Class-F 전력증폭기의 경우에는 전력밀도가 높고 외부회로만으로 고조파 성분을 조율하여 쉽게 접근할 수 있으나, 모든 고조파 성분을 조율할 수 있는 회로를 만든다는 것은 실현불가능하다는 단점이 존재한다[2].
	Class-J 전력증폭기의 장점은?	반면에 Class-J 전력증폭기는 스위칭 모드 Class-E, Class-F 전력증폭기와 같은 높은 효율뿐만 아니라 Class-AB 혹은 Class-B 와 같은 높은 선형성과 광대역 특성을 갖는다[3,4]. 이러한 관점에서 다른 GaAs 트랜지스터나 Si LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)에 비해 넓은 에너지 밴드갭(Energy band-gap), 높은 항복전압, 높은 전자 포화 속도, 좋은 열 전도성, 낮은 드레인-소스 커패시턴스 (Cds) 등의 특성을 갖는 GaN HEMT 는 Class-J 모드 전력증폭기에 가장 적합한 트랜지스터로 볼수 있다.
	Class-J 모드 전력증폭기가 드레인-소스 커패시턴스가 3차 고조파 이상의 성분을 완벽히 단락시키지 못하고 외부정합회로로 3차 이상의 고조파를 완벽히 차단하기 힘든 점 등 이상적인 동작의 한계를 갖고 있는 이유는 무엇인가?	이것은 전력증폭기 트랜지스터 소자의 전압과 전류파형이 겹치지 않는 반파사인파형의(half-sinusoidal wave) 모양을 갖는다고 가정했을 때 기본주파수 성분의 신호를 증폭하기 위해 소모하는 전력 손실을 의미하게 되고, 전력 측면에서 봤을 때 cos 45° 만큼의 전력 손실을 초래하게 된다. 하지만 이상적인 Class-J 모드 전력증폭기는 트랜지스터의 드레인-소스 커패시턴스를 이용하여 3차 고조파 이상의 성분들을 단락시키고, 정합회로를 이용하여 최대 전력 전달 기본 주파수 부하 임피던스와 2차 고조파 부하 임피던스가 리액턴스성분이 저항성분보다 큰 값이 되도록 구성하므로 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분의 전력만을 부하로 전한다. 따라서 2차 고조파 성분에 의해 기본주파수 성분의 전압 이득 (Voltage Gain) 이 존재하게 되어 cos 45° 만큼의 전력 손실을 보상 받게 되고 따라서 Class-E, F 스위칭 모드 증폭기와 유사한 효율과 출력 전력을 낼 수 있다[5-9]. 그러나 실제로 고주파 고출력에 사용되는 트랜지스터 소자는 드레인-소스 커패시턴스 성분뿐만 아니라 패키지 기생성분들을 포함하고 있다. 따라서 드레인-소스 커패시턴스가 3차 고조파 이상의 성분을 완벽히 단락시키지 못하고 외부정합회로로 3차 이상의 고조파를 완벽히 차단하기 힘든점 등 이상적인 동작의 한계를 갖고 있다.

참고문헌 (9)

T. Quach, et al., "Broadband Class-E Power Amplifier for Space Radar Application," IEEE GaAs IC Symp. Dig., pp.209-213, Oct. 2001.
Y.Y. Woo, Y. Yang and B. Kim, "Analysis and experiments for high efficiency class-F and inverse class-F power amplifiers," IEEE Trans Microw. Theory Tech. vol. 54, no. 5, pp.1969-1974, May 2006.

상세보기
P. Wright, J. Lees, J. Benedikt, P. J. Tasker and S. C. Cripps, "A methodology for realizing high efficiency Class-J in a linear and broadband PA," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no. 12, pp.3196-3204, Dec. 2009.

상세보기
S. C. Cripps, "RF Power Amplifiers for Wireless Communications," 2nd ed. Boston, MA: Artech, 2006.
P. Colantonio, F. Giannini, G. Leuzzi and E. Limiti, "High efficiency low-voltage power amplifier design by second harmonic manipulation," Int. J. RF Microw. Comput.-Aided Eng., vol. 10, no. 1, pp.19-32, Jan. 2000.
J. Moon, J. Kim and B. Kim, "Investigation of a Class-J Power Amplifier with a Nonlinear Cout for Optimized Operation," Trans Microwave Theory Tech., vol 58, no.11, pp.2800-2811, May 2010.

상세보기
P. Colantonio, F. Giannini, G. Leuzzi and E. Limiti, "Theoretical fact and experimental results of harmonic tuned PAs," Int. J. RF Microw. Comput.-Aided Eng., vol. 13, no. 6, pp.459-472, Nov. 2003.
P. Wright, J. Lees, P. J. Tasker, J. Benedikt and S. C. Cripps, "An efficient, linear, broadband class-J-mode PA realised using waveform engineering," IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., pp.653-656, Dec. 2009.
F. H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P. B. Kenington, Z. B. Popovic, N. Pothecary, J. F. Sevic and N. O. Sokal "Power amplifiers and transmitters for RF and microwave," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 3, pp.814-826, Mar. 2002.

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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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