[논문]X-대역 GaN HEMT Bare-Chip 펄스-전압 펄스-RF 수동 로드-풀 측정

신석우; 김형종; 최길웅; 최진주; 임병옥; 이복형

문제 정의

이 때, 트랜지스터에 공급된 전력은 소모되어 트랜지스터의 온도를 상승시키게 되고, 결과적으로 트랜지스터의 특성을 변화시킨다. 따라서 본 논문에서는 온도에 의한 영향을 배제하기 위해, 트랜지스터에 펄스 발생기와 스위치를 이용하여 펄스로 전압을 인가하여, 트랜지스터의 전류-전압 곡선을 측정하였다. 전류는 pearson 코일을 이용하여 오실로스코프로 측정하였으며, 발진 테스트를 위해 스펙트럼 분석기를 이용하였다.
따라서 본 논문에서는 트랜지스터의 온도 상승을 최소화하고 실제 동작 특성을 얻기 위해 드레인 전압과 입력 RF를 펄스로 인가하여 GaN HEMT bare-chip의 펄스 전류-전압 곡선 측정과 펄스 로드풀 실험을 수행하였다. 또한 전자기장 시뮬레이션 코드와 회로 시뮬레이션 코드를 이용하여, 드레인 경계면에서의 정확한 임피던스를 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 GaN HEMT bare-chip을 이용한 전력 증폭기를 설계 및 제작하기 위한 펄스 로드 풀 시스템을 구현하였다. GaN HEMT bare-chip은 TriQuint 사의 TGF-2023-02 소자를 사용하였다.
본 논문에서는 X-대역에서 12 W GaN HEMT bare-chip의 수동 펄스 로드-풀 실험을 수행하였다. 드레인 전압과 입력 RF 신호를 펄스로 인가하여 온도에 의한 트랜지스터의 특성 변화를 최소화하였다.

제안 방법

A면 이후는 마이크 로스트립 라인을 이용한 정합 회로가 위치하는 부분이고, A면과 B면 사이의 와이어 본딩과 8 mm 의 마이크로스트립 라인을 포함한 캐리어는 직접 측정할 수 없기 때문에 와 같이 와이어본딩을 포함한 실제 캐리어의 치수를 실측하여 전자기장 시뮬레이션 코드인 Ansoft 사의 HFSS를 이용하여 해석한 후 해석 결과의 De-embedding을 통해 제작된 임피던스 정합 회로의 실제 임피던스를 찾는 방식을 채택하였다.
<그림 6> (a)와 (b)는 펄스 전류-전압 곡선 측정을 위한 구성도와 측정 결과를 각각 나타낸다. PRF 100 Hz, duty 1%의 펄스 조건으로 측정하였다.
본 논문에서는 X-대역에서 12 W GaN HEMT bare-chip의 수동 펄스 로드-풀 실험을 수행하였다. 드레인 전압과 입력 RF 신호를 펄스로 인가하여 온도에 의한 트랜지스터의 특성 변화를 최소화하였다. 또한 정확한 정합 회로 설계를 위해 와이어본딩에 의한 영향을 전자기장 시뮬레이션 코드인 HFSS를 이용하여 해석한 후, 그 결과를 회로 시뮬레이션 코드인 ADS로 불러들여 설계하였다.
따라서 과 같이 스위치에 인가되는 펄스 신호의 펄스폭과 지연시간을 조절하여 RF 펄스가 인가되기 전에 미리 트랜지스터를 동작시키고, RF 펄스가 종료 된 후 트랜지스터의 동작을 종료하도록 설정하였다.
하지만 위의 소자와 같이 비선형 모델을 제공하지 않는 트랜지스터는 시뮬레이션 코드를 이용한 전력 증폭기 설계는 불가능하기 때문에, 실험을 통해 트랜지스터가 실제 동작하는 상태에서 임피던스를 변화시켜가며 전력 증폭기의 최적의 임피던스를 찾아야 한다. 따라서 로드 풀 측정 시스템을 구현하여 전력 증폭기를 설계하였다. 로드 풀 시스템은 시스템 구현의 편의성을 위해 기본 주파수에 대해서만 수행하였으며, 트랜지스터의 온도 상승에 따른 특성 변화를 최소화하기 위해 드레인 전압과 입력 RF를 펄스로 인가하였다.
모든 측정 장비들은 GPIB 케이블로 연결되어 측정 자동화 시스템 소프트웨어인 Agilent 사의 VEE 프로그램을 통해 실시간으로 제어된다. 또한 본 논문에서는 펄스로 동작하는 전력 증폭기에 대한 로드 풀을 수행하였기 때문에, 펄스 발생기를 이용하여 측정 장비들을 동기화하였다.
드레인 전압과 입력 RF 신호를 펄스로 인가하여 온도에 의한 트랜지스터의 특성 변화를 최소화하였다. 또한 정확한 정합 회로 설계를 위해 와이어본딩에 의한 영향을 전자기장 시뮬레이션 코드인 HFSS를 이용하여 해석한 후, 그 결과를 회로 시뮬레이션 코드인 ADS로 불러들여 설계하였다. 그 결과, 트랜지스터 드레인 경계면에서의 임피던스를 구할 수 있었다.
임피던스 정합 회로 설계도 동일한 방식으로 HFSS 시뮬레이션 결과를 Agilent 사의 ADS로 불러들여, 최적의 임피던스를 갖도록 정합 회로를 설계하였다. 또한 주변 임피던스에서의 특성을 분석하기 위해 정합을 위한 스터브의 길이를 조절할 수 있도록 설계하였다.
따라서 로드 풀 측정 시스템을 구현하여 전력 증폭기를 설계하였다. 로드 풀 시스템은 시스템 구현의 편의성을 위해 기본 주파수에 대해서만 수행하였으며, 트랜지스터의 온도 상승에 따른 특성 변화를 최소화하기 위해 드레인 전압과 입력 RF를 펄스로 인가하였다.
본 논문에 사용된 소자는 비선형 모델을 사용할 수 없기 때문에 데이터시트에서 제공해주는 임피던스를 기초로 하여 정합 회로를 구현하였다. 데이터 시트에서 제공해주는 임피던스는 트랜지스터의 드레인 경계면을 기준으로 측정한 결과이기 때문에, 트랜지스터 외부의 패드, 와이어 본딩과 패키징에 의한 영향을 고려하여 정합 회로를 설계해야 정확한 결과를 얻을 수 있다.
본 논문에서는 간단하면서 정확한 정합 회로를 구현하기 위해 와 같이 임피던스 기준면을 설정하였다.
A면 이후는 마이크 로스트립 라인을 이용한 정합 회로가 위치하는 부분이고, A면과 B면 사이의 와이어 본딩과 8 mm 의 마이크로스트립 라인을 포함한 캐리어는 직접 측정할 수 없기 때문에 <그림 5>와 같이 와이어본딩을 포함한 실제 캐리어의 치수를 실측하여 전자기장 시뮬레이션 코드인 Ansoft 사의 HFSS를 이용하여 해석한 후 해석 결과의 De-embedding을 통해 제작된 임피던스 정합 회로의 실제 임피던스를 찾는 방식을 채택하였다. 임피던스 정합 회로 설계도 동일한 방식으로 HFSS 시뮬레이션 결과를 Agilent 사의 ADS로 불러들여, 최적의 임피던스를 갖도록 정합 회로를 설계하였다. 또한 주변 임피던스에서의 특성을 분석하기 위해 정합을 위한 스터브의 길이를 조절할 수 있도록 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 온도에 의한 영향을 배제하기 위해, 트랜지스터에 펄스 발생기와 스위치를 이용하여 펄스로 전압을 인가하여, 트랜지스터의 전류-전압 곡선을 측정하였다. 전류는 pearson 코일을 이용하여 오실로스코프로 측정하였으며, 발진 테스트를 위해 스펙트럼 분석기를 이용하였다. 측정된 결과를 통해 트랜지스터의 동작점을 결정하였다.
초기 임피던스를 설정하기 위해 우선 광대역 3-스터브 임피던스 튜너를 이용하여 로드-풀 실험을 수행하였다. <그림 1>은 광대역 3-스터브 임피던스 튜너를 이용한 로드-풀 실험 구성도를 나타낸다.
따라서 <그림 7>과 같이 스위치에 인가되는 펄스 신호의 펄스폭과 지연시간을 조절하여 RF 펄스가 인가되기 전에 미리 트랜지스터를 동작시키고, RF 펄스가 종료 된 후 트랜지스터의 동작을 종료하도록 설정하였다. 출력 전력은 펄스 출력 전력을 측정할 수 있는 Agilent 사의 E4417을 이용하여 측정하였으며, 드레인 전류는 pearson 코일과 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. <그림 8>은 마이크로스트립 라인 정합 회로를 이용한 로드 풀회로 사진을 나타낸다.
측정 결과를 이용하여 9 GHz에서 드레인 전압 30 V, 드레인 전류 250 mA을 동작점으로 설정한 후 RF 펄스 조건 PRF 10 Hz, duty 0.01%로 동작하는 AB급 전력 증폭기에 대한 로드 풀 실험을 수행하였다. GaN HEMT 소자의 특성상 드레인 바이어스 전압이 인가되기 전에 게이트 바이어스 전압이 인가되어야 한다.
전류는 pearson 코일을 이용하여 오실로스코프로 측정하였으며, 발진 테스트를 위해 스펙트럼 분석기를 이용하였다. 측정된 결과를 통해 트랜지스터의 동작점을 결정하였다. <그림 6> (a)와 (b)는 펄스 전류-전압 곡선 측정을 위한 구성도와 측정 결과를 각각 나타낸다.
로드 풀 실험을 위해서는 트랜지스터를 고정하고 외부에 임피던스 정합 회로를 연결하기 위한 캐리어 (Carrier)가 필요하다. 테스트 캐리어는 트랜지스터에서 발생하는 열을 효과적으로 배출하기 위해 15:85 비율의 CuW로 제작하였으며, GaN HEMT bare-chip의 유텍틱 본딩 (Eutectic bonding)을 위해 표면은 소프트 도금처리 하였다. GaN HEMT bare-chip 은 9:1 비율의 AuSn을 이용하여 캐리어에 유텍틱 본딩하였다.
또한 전자기장 시뮬레이션 코드와 회로 시뮬레이션 코드를 이용하여, 드레인 경계면에서의 정확한 임피던스를 얻을 수 있었다. 펄스 로드 풀 실험 결과 X-대역에서 펄스로 동작하는 12 W AB급 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다.

대상 데이터

1 mil 직경의 와이어를 이용하였으며, 마이크로스트립 라인은 TACONIC 사의 TLX-7 (εr=2.6, tanδ=0.0022, h =0.504mm)을 이용하여 제작하였다.
본 논문에서는 GaN HEMT bare-chip을 이용한 전력 증폭기를 설계 및 제작하기 위한 펄스 로드 풀 시스템을 구현하였다. GaN HEMT bare-chip은 TriQuint 사의 TGF-2023-02 소자를 사용하였다. TGF-2023-02 소자의 재원은 <표 1>에 정리하였다.
따라서 높은 출력 전력을 갖는 트랜지스터의 로드-풀 실험에는 적합하지 않다. 본 논문에서는 정합 회로의 손실을 줄이기 위해 마이크로스트립 라인 정합 회로를 이용하였다.
정합 회로는 TACONIC 사의 TLX-7 (εr=2.6, tanδ=0.0022, h=0.504mm)을 이용하여 제작하였다.

성능/효과

또한 정확한 정합 회로 설계를 위해 와이어본딩에 의한 영향을 전자기장 시뮬레이션 코드인 HFSS를 이용하여 해석한 후, 그 결과를 회로 시뮬레이션 코드인 ADS로 불러들여 설계하였다. 그 결과, 트랜지스터 드레인 경계면에서의 임피던스를 구할 수 있었다. 로드 풀 실험 결과 9 GHz에서 최대 42.
따라서 본 논문에서는 트랜지스터의 온도 상승을 최소화하고 실제 동작 특성을 얻기 위해 드레인 전압과 입력 RF를 펄스로 인가하여 GaN HEMT bare-chip의 펄스 전류-전압 곡선 측정과 펄스 로드풀 실험을 수행하였다. 또한 전자기장 시뮬레이션 코드와 회로 시뮬레이션 코드를 이용하여, 드레인 경계면에서의 정확한 임피던스를 얻을 수 있었다. 펄스 로드 풀 실험 결과 X-대역에서 펄스로 동작하는 12 W AB급 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다.
그 결과, 트랜지스터 드레인 경계면에서의 임피던스를 구할 수 있었다. 로드 풀 실험 결과 9 GHz에서 최대 42.46 dBm의 출력 전력과 58.7%의 드레인 효율을 얻을 수 있었다. 만약 고조파 성분 제어 기법이 적용된다면, 효율 특성이 개선될 것으로 판단된다.
46 dB의 전력 이득을 얻을 수 있었다. 전력부가 효율과 드레인 효율은 각각 48.2%와 58.7%였다. <그림 10>는 최적의 임피던스에서의 주파수에 따른 측정 결과를 나타낸다.
<그림 10>는 최적의 임피던스에서의 주파수에 따른 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과 8.5-9.2 GHz 대역에서 41 dBm이상의 출력 전력과 40%이상의 드레인 효율을 얻었다.
측정 결과 최적의 임피던스는 9 GHz 에서 10.259 + j10.99 Ω이고, 42.46 dBm의 출력 전력과 7.46 dB의 전력 이득을 얻을 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 증폭기의 출력 전력과 효율 특성은 무엇에 의해 결정되는가?	출력 전력의 경우 최대 통신 거리를 결정하며, 효율 특성은 시스템 운용비용 및 송신기의 수명과 관련이 있다. 전력 증폭기의 출력 전력과 효율 특성은 소스와 부하 임피던스에 의해 결정된다. 따라서 설계 사양에 따라 최적의 임피던스를 찾는 것이 중요 하다.
	본 연구에서 열로 인한 특성 변화가 최소화된 동작 조건을 얻기 위해 무엇을 펄스로 인가하였나?	본 논문에서는 GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) bare-chip을 이용하여 X-대역에서 수동로드 풀(Passive load-pull)을 수행하였다. 열로 인한 특성 변화가 최소화 된 동작 조건을 얻기 위해 드레인 바이어스 전압과 입력 RF 신호를 펄스로 인가하였다. 전자기장 시뮬레이션과 회로 시뮬레이션을 병행하여, 와이어 본딩 효과를 고려하여 드레인 경계면에서의 정확한 임피던스 정합 회로를 구현하였다.
	GaN HEMT의 단점은?	또한 높은 전력 밀도 특성을 갖기 때문에 시스템의 크기를 크게 줄일 수 있는 장점을 갖고 있다. 하지만 트랜지스터의 온도 상승과 게이트 주변에서의 전자의 갇힘(Trapping)에 의한 드레인 전류가 감소하는 단점이 있다.

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