[논문]광대역 특성을 갖는 집중 소자를 이용한 고출력 증폭기용 마이크로파 바이어스-티의 설계

오현석; 정해창; 염경환

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.7.683

광대역 특성을 갖는 집중 소자를 이용한 고출력 증폭기용 마이크로파 바이어스-티의 설계
Design of a Microwave Bias-Tee Using Lumped Elements with a Wideband Characteristic for a High Power Amplifier 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.7, 2011년, pp.683 - 693

오현석 (충남대학교 전파공학과) , 정해창 (충남대학교 전파공학과) , 염경환 (충남대학교 전파공학과)

초록
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본 논문에서는 고출력 증폭기의 바이어스를 위한 대전류 마이크로파 광대역 바이어스-티의 설계를 보였다. DC 블록용 커패시터는 큰 어드미턴스를 가지도록 커패시터의 병렬합을 이용하고, DC 공급 및 RF 초크용 인덕터는 광대역의 큰 임피던스를 가지는 인덕터의 직렬합을 이용하여 설계하였다. DC 블록이나 RF 초크에 사용되는 인덕터나 커패시터는 자기 공진 주파수(SRF: Self Resonance Frequency)를 가지고 있어 사용 대역이 제약된다. 이를 해결하기 위해 RF 초크에서는 저항을 추가하여 공진 주파수에서 품질 계수를 조정함으로써 해결하였다. 그리고 DC 블록에서는 별도의 품질 계수 조정없이 병렬합만으로 가능하였다. 이 결과를 이용하여 1608 칩 형태의 집중 소자들을 표면 실장 기법(surface mount)으로 PCB 패턴에 조립하여 바이어스-티를 제작하였다. 제작된 바이어스-티는 10 MHz~10 GHz에서 측정된 반사 손실이 10 dB 이하를 가지며, 입력 임피던스는 광대역에서 50 ohm 근처의 값을 만족하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design of high current and broad-band microwave bias-tee was presented for a stable bias of a high power amplifier. An input impedance of bias-tee should be shown to 50 ohm with the wideband in order to be stably-biased the amplifier. For this design of the bias-tee, a capacitor of bias-tee for a DC block was designed with a high wide-band admittance by a parallel sum of capacitors, and a inductor for a RF choke and a DC feeding was designed with a high wide-band impedance by a series sum of inductors. As this inductor and capacitor for the sum has each SRF, band-limitation of lumped element was driven from SRF. This limitation was overcome by control of a resonance's quality factor with adding a resistor. 1608 SMD chips for design's element was mounted on the this pattern for the designed bias-tee. The fabricated bias-tee presented 10 dB of return loss and wide-band about 50 ohm input impedance at 10 MHz~10 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고출력 증폭기의 안정적인 바이어스를 위해 광대역 통과 특성을 갖는 마이크로파 대역 바이어스-티를 설계하고 특성을 보였다. 바이어스-티의 DC 블록용 커패시터는 단락 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 어드미턴스를 가지도록 커패시터의 병렬합을 이용하고, RF 초크용 인덕터는 개방 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 임피던스를 가지도록 Q 조정한 인덕터의 직렬합을 이용하였다.
본 논문에서는 광대역 특성을 갖는 바이어스-티를 집중 소자를 이용한 설계를 보였다. 마이크로파 광대역 바이어스-티를 설계하기 위해 사용된 집중 소자의 Q를 조정하고, 이들의 병렬합 또는 직렬합을 이용하였다.

가설 설정

그림 1의 L₀는 중심 주파수 10 GHz에서 1/4 파장의 선로와 결합된 부채꼴 형상 스터브(radial stub)를 사용하고, C₀는 칩 커패시터를 이용한다. 칩 커패시터의 인덕턴스는 0.7 nH로 가정하였다^[7]. 그림 3의 회로에서 DC+RF 포트에서 본 입력 임피던스를 시뮬레이션 후 식 (1)을 이용하여 그림 4에 보였다.

제안 방법

특히 두 커패시터의 교점 근처에서는 서로 어드미턴스를 상쇄하여, 각각의 어드미턴스 값보다 작게 된다. 따라서 이것보다는 커패시터에 나타나는 직렬 인덕턴스를 줄이기 위해 10 nF 커패시터를 병렬로 연결하였다. 큰 용량의 커패시터를 병렬로 연결한 결과는 그림 5(d)에 보였으며, 작아진 인덕턴스 때문에 총 어드미턴스는 위쪽으로 평행 이동하게 된다.
05 mho보다 충분히 크므로 이 값을 선정하였다. 또한, 소자 값은 제조사에서 제공한 S-파라미터를 등가 모델의 최적화를 통해 결정되었다. 표 2에는 사용된 10 nF 커패시터의 SRF와 소자의 값을 보였다.
본 논문에서는 광대역 특성을 갖는 바이어스-티를 집중 소자를 이용한 설계를 보였다. 마이크로파 광대역 바이어스-티를 설계하기 위해 사용된 집중 소자의 Q를 조정하고, 이들의 병렬합 또는 직렬합을 이용하였다. 이렇게 병렬합 또는 직렬합으로 구성된 집중 소자들을 바이어스-티에서 DC 블록 커패시터와 RF 초크 인덕터로 이용하여 설계하였다.
본 논문에서는 고출력 증폭기의 안정적인 바이어스를 위해 광대역 통과 특성을 갖는 마이크로파 대역 바이어스-티를 설계하고 특성을 보였다. 바이어스-티의 DC 블록용 커패시터는 단락 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 어드미턴스를 가지도록 커패시터의 병렬합을 이용하고, RF 초크용 인덕터는 개방 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 임피던스를 가지도록 Q 조정한 인덕터의 직렬합을 이용하였다. 이들 이용하여 바이어스-티를 PCB에 1608 칩들로 조립 제작하였다.
설계된 RF 초크와 DC 블록을 이용하여 설계 주파수 대역 10 MHz～10 GHz에서 그림 9(a)와 같은 바이어스-티를 최종 설계하였다. 그림에 표시한 커패시터와 인덕터는 앞서 구성된 그림 5(c)의 커패시터 병렬합 회로와 그림 7(a)의 인덕터 직렬합 회로를 나타낸다.
여기에 사용된 디커플링 커패시터(C_G)는 SRF에 의한 영향을 최소화 하기 위해 68 nF의 커패시터를 사용하여 RF 접지를 구현하였다. 표 3의 2.
그림 11은 그림 10의 결과를 바탕으로 SMT 칩을 이용하여 표면 실장법으로 바이어스-티를 제작 후 지그(jig)에 조립하였다. 외부 회로들과 연결(interconnection)을 위해 SMA 커넥터를 장착하였다. 이러한 지그를 이용한 측정은 커넥터의 특성이 포함되므로 이를 배제하기 위해 측정 기준선을 그림 11에 표시한 측정선(REF)까지의 포트 연장(port extension)을 통해 위상을 보정하였다.
인덕터의 병렬 공진에 추가된 저항은 공진점 변화 없이 Q만 줄어들게 하며, 임피던스의 최대값은 저항이 작을수록 첨두값의 크기가 줄어들게 된다. 이러한 저항의 선택을 위해 저항을 병렬 연결한 후 인덕터를 시뮬레이션하였다. 그림 8(a)에 추가된 병렬 저항이 120 ohm과 10,000 ohm일 때의 임피던스의 결과를 보였다.
마이크로파 광대역 바이어스-티를 설계하기 위해 사용된 집중 소자의 Q를 조정하고, 이들의 병렬합 또는 직렬합을 이용하였다. 이렇게 병렬합 또는 직렬합으로 구성된 집중 소자들을 바이어스-티에서 DC 블록 커패시터와 RF 초크 인덕터로 이용하여 설계하였다. 표면 실장형 칩-부품으로 PCB에 제작된 바이어스-티는 10 MHz～10 GHz에서 측정된 반사 손실이 10 dB 이하이며, 광대역에서 40～60 ohm으로 50 ohm 근처의 입력 임피던스를 제공하는 것을 확인하였다.
그림 9와 같이 설계된 바이어스-티를 PCB 기판에 구현하기 위해서는 전송선들이 포함된 마이크로스트립의 도체 패턴의 배치나 길이를 최적화해야 한다. 이를 위해 ADS의 Momentum을 이용하여 layout 패턴과 internal 포트를 이용한 그림 10(a)의 소자의 특성을 패턴에 직접 고려하여 EM co-시뮬레이션(Electro-Magnetic co-simulation)^[6]하였다. 표 5의 전송선의 설계 파라미터를 바탕으로 인덕터 회로에 포함된 패턴을 최적화하기 위해 칩 부품들의 landing 패턴이 포함되었다.
이는 소자간 연결시 부정합에 의한 반사 전력은 1/10이하로 설계하면 최적화된다. 이에 따라 RF 초크 인덕터와 DC 블록 커패시터가 각각 15 dB 이상의 반사 손실을 가지도록 하였다. 이를 위해 RF 초크 인덕터의 X = j250 ohm, DC 블록 커패시터는 Y = j0.

대상 데이터

그림에 표시한 커패시터와 인덕터는 앞서 구성된 그림 5(c)의 커패시터 병렬합 회로와 그림 7(a)의 인덕터 직렬합 회로를 나타낸다. 사용된 PCB는 Taconics사의 TLX-9이며, 유전율은 2.5로 두께는 31 mil이다.
바이어스-티의 DC 블록용 커패시터는 단락 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 어드미턴스를 가지도록 커패시터의 병렬합을 이용하고, RF 초크용 인덕터는 개방 회로를 얻기 위한 광대역의 큰 임피던스를 가지도록 Q 조정한 인덕터의 직렬합을 이용하였다. 이들 이용하여 바이어스-티를 PCB에 1608 칩들로 조립 제작하였다. 제작된 바이어스-티는 10 MHz～10 GHz에서 반사 손실이 10 dB 이하를 가지며, 광대역의 40～60 ohm을 만족하는 것을 확인하였다.
따라서, 2-1의 기준에 따르면 설계 하한 주파수인 10 MHz에서 임피던스가 250 ohm보다 크고, 3 A의 정격 전류를 제공할 수 있는 소자가 필요하다. 제조사가 제공하는 임피던스 특성으로부터, 이것을 만족하는 Taiyo Yuden사의 FBMH3225HM601NT 페라이트 비드^[14]를 선택하였다. 이 페라이트 비드는 참고문헌^[15]에 따르면 그림 6(b)의 등가회로를 가지며, 소자값은 제조사에서 제공한 S-파라미터를 이용하여 최적화로 표 4와 같이 얻었다.

이론/모형

그러나 이들의 바이어스-티는 좁은 대역폭을 갖고 있다. 본 논문과 유사한 Johnson은 광대역 바이어스-티를 설계^[4]하기 위해 인덕터와 저항 병렬 연결을 이용하였다. 그러나 Picosecond사의 바이어스티를 제외하면 모두 중심 주파수가 낮고 대역이 1 GHz 이하 RF 대역에서의 연구 결과를 보이고 있다.

성능/효과

01 dB로 전체 손실에 대한 선로 손실은 미미하게 된다. 따라서 천이 손실이 없을 경우 본 논문의 바이어스-티는 1.40 dB로써, 타 상용제품과 유사한 성능을 갖는 것으로 짐작된다. 이것을 개선하기 위해서는 알맞은 도체폭과 기판 두께를 가지는 기판과 적절한 커넥터의 선정이 필요할 것이다.
Agilent사의 바이어스-티는 대전류 옵션을 가지는 제품이나, 여전히 대전류 바이어스-티로는 부적합하다. 본 논문의 바이어스-티는 3 A 이상 대전류 특성을 만족함을 알 수 있다.
따라서 120 ohm으로 저항값을 선정하였고, 이에 따른 식 (1)로 주어진 RF 포트 임피던스를 그림 8(b)에 보였다. 선정된 결과는 전 주파수 대역에서 50 ohm에 가까운 결과를 주나, 10,000 ohm의 경우는 대역 내 임피던스 리플이 발생하는 것을 알 수 있다.
이들 이용하여 바이어스-티를 PCB에 1608 칩들로 조립 제작하였다. 제작된 바이어스-티는 10 MHz～10 GHz에서 반사 손실이 10 dB 이하를 가지며, 광대역의 40～60 ohm을 만족하는 것을 확인하였다.
이렇게 병렬합 또는 직렬합으로 구성된 집중 소자들을 바이어스-티에서 DC 블록 커패시터와 RF 초크 인덕터로 이용하여 설계하였다. 표면 실장형 칩-부품으로 PCB에 제작된 바이어스-티는 10 MHz～10 GHz에서 측정된 반사 손실이 10 dB 이하이며, 광대역에서 40～60 ohm으로 50 ohm 근처의 입력 임피던스를 제공하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이어스-티는 무엇인가?	바이어스-티는 RF 신호에 영향을 주지 않고 능동 소자에 DC 전원을 인가하는 소자로서, 능동 소자의 특성 파악을 위한 S-파라미터 측정, 입출력 특성 측정, 로드-풀 측정시, 측정 accessory로서 널리 사용된다. 최근 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)의 출현으로 이것의 S-파라미터, 대신호 및 로드풀 측정은 연구자들의 많은 관심을 끌고 있다.
	고출력 GaN HEMT는 보다 정확한 특성을 파악을 위하여 무엇이 사용되는가?	따라서 광대역에서 동작하는 바이어스-티는 이러한 로드-풀 측정에 필수불가결하다고 볼 수 있다. 또한, 이러한 고출력 GaN HEMT는 보다 정확한 특성 파악을 위하여 pulse DC 및 RF 측정이 빈번하게 사용되며, 이를 위한 바이어스-티 또한, 새로이 정의될 필요가 있다. 표 1에는 최근 발표된 Ku대역까지 사용 가능한 Triquint GaN HEMT의 소요 DC 전류를 정리하였다.
	DC 블록 커패시터는 제작의 용이성을 고려하기 위해 어떤 형태가 되어야 하는가?	바이어스-티에 사용할 DC 블록 커패시터는 증폭기의 구동 전압 30 V에 대한 내압(rating voltage)을 가져야 한다. 또한, 제작의 용이성을 고려하기 위해 SMT 형태가 되어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 SMT 1608 칩 커패시터는 Murata사의 GRM18 Series가 있다[9].

참고문헌 (15)

TGF2023-10, 50 Watt Discrete Power GaN on Sic HEMT, Triquint Semiconductor, Nov. 2009.
J. R. Andrews, "Broadband coaxial bias-tees", Picosecond Pulse Labs, Application Note AN-1e, Nov. 2000.
C. Baylis, L. Dunleavy, and W. Clausen, "Design of bias tees for a pulsed-RF test system using accurate component models", Microwave Journal, Horizon House Publication, vo. 49, no. 10, Oct. 2006.
G. W. Johnson, Wideband Bias Tee, Nov. 2008. available: http://web.mac.com/gwj/Site/Bias_Tee.html
E. Cullens, K. Vanhille, and Z. Popovic, "Miniature bias-tee networks integrated in micro-coaxial lines", Proceeding of the 40th European Microwave Conference, pp. 413-416, Sep. 2010.
Advanced Design System(ADS) 2009, Agilent Technology, 2009.
염경환, 능동초고주파회로 설계 입문(개정판), 홍릉과학출판사, 2008년 6월.
G. Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, 2nd Edition, Prentice Hall Inc., pp. 212-293, 1997.
Murata Manufacturing Co. Ltd., Chip Monolithic Ceramic Capacitors, Sep. 2009.
H. Otto, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd Edition, John Wiley & Sons, pp. 137-158, 1988.
Coilcraft, Inc., Mini $Spring^{TM}$ Air Core Inductors, Document 107-1, Oct. 2008.
Coilcraft, Inc., High Current Air Core Inductors, Document 625-1, Oct. 2010.
Coilcraft, Inc., Square Air Core Inductors, Document 617-1, Oct. 2009.
FBMH3225HM601NT, Rectangular Ferrite Beads (High Current FB Series M Type), Taiyo Yuden, 2011.
Spectrum Software, Creating Ferrite Bead Models, 2011. available at: www.spwctrum-soft.com/news/winter2011/ferritebead.stm

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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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