GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 The Design of Switching-Mode Power Amplifier and Ruggedness Characteristics Analysis of Power Amplifier Using GaN HEMT원문보기
본 논문은 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 이용한 S대역 레이더용 전력증폭기 설계하고 제작된 스위칭 모드 전력증폭기의 ruggedness 시험에 관련된 내용을 기술하였다. 고효율 특성을 위해 전력증폭기를 Class-F로 설계하였으며, 측정을 위한 입력 신호는 $100{\mu}s$의 pulse width 및 10 %의 duty cycle인 pulse 신호를 사용하였다. 제작된 Class-F 전력증폭기의 중심 주파수에서 측정한 결과, 8.7 dB의 전력 이득과 42 dBm의 출력 전력, 54.2 %의 전력 부가 효율(PAE) 및 62.6 %의 드레인 효율이 측정되었다. 또한, 전력증폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 Ruggedness 시험을 위한 실험 구성을 제안하고, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)을 변화시켜 출력 전력과 효율을 측정하였다. 설계된 전력증폭기가 VSWR 변화에 따라 출력 전력 32.6~41.1 dBm까지 변화하고, 드레인 효율은 23.4~63 %까지 변하는 특성을 얻을 수 있었다.
본 논문은 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 이용한 S대역 레이더용 전력증폭기 설계하고 제작된 스위칭 모드 전력증폭기의 ruggedness 시험에 관련된 내용을 기술하였다. 고효율 특성을 위해 전력증폭기를 Class-F로 설계하였으며, 측정을 위한 입력 신호는 $100{\mu}s$의 pulse width 및 10 %의 duty cycle인 pulse 신호를 사용하였다. 제작된 Class-F 전력증폭기의 중심 주파수에서 측정한 결과, 8.7 dB의 전력 이득과 42 dBm의 출력 전력, 54.2 %의 전력 부가 효율(PAE) 및 62.6 %의 드레인 효율이 측정되었다. 또한, 전력증폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 Ruggedness 시험을 위한 실험 구성을 제안하고, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)을 변화시켜 출력 전력과 효율을 측정하였다. 설계된 전력증폭기가 VSWR 변화에 따라 출력 전력 32.6~41.1 dBm까지 변화하고, 드레인 효율은 23.4~63 %까지 변하는 특성을 얻을 수 있었다.
This paper presents design, fabrication and ruggedness test of switching-mode power amplifier using GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) for S-band radar applications. The power amplifier is designed to Class-F for high efficiency. The input signal for the measurement of the ...
This paper presents design, fabrication and ruggedness test of switching-mode power amplifier using GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) for S-band radar applications. The power amplifier is designed to Class-F for high efficiency. The input signal for the measurement of the power amplifier is pulse signal at $100{\mu}s$ pulse width and duty cycle of 10 %. The measurement results of the fabricated Class-F power amplifier are a power gain of 10.8 dB, an output power of 40.8 dBm, a power added efficiency(PAE) of 54.2 %, and a drain efficiency of 62.6 %, at the center frequency. We proposed reliability test set-up of a power amplifier for ruggedness test. And we measured output power and efficiency according to VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) variation. The designed power amplifier achieved output power of 32.6~41.1 dBm and drain efficiency of 23.4~63 % by changing VSWR, respectively.
This paper presents design, fabrication and ruggedness test of switching-mode power amplifier using GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) for S-band radar applications. The power amplifier is designed to Class-F for high efficiency. The input signal for the measurement of the power amplifier is pulse signal at $100{\mu}s$ pulse width and duty cycle of 10 %. The measurement results of the fabricated Class-F power amplifier are a power gain of 10.8 dB, an output power of 40.8 dBm, a power added efficiency(PAE) of 54.2 %, and a drain efficiency of 62.6 %, at the center frequency. We proposed reliability test set-up of a power amplifier for ruggedness test. And we measured output power and efficiency according to VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) variation. The designed power amplifier achieved output power of 32.6~41.1 dBm and drain efficiency of 23.4~63 % by changing VSWR, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 S 대역의 Class-F 스위칭 전력증폭기에 대한 설계, 제작 및 시험에 대해 기술하고, 설계된 전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 구성을 제안하고, VSWR 변화에 따른 전력증폭기의 특성에 대한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 제작된 GaN HEMT Class-F 전력증폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 부하 임피던스 변화에 따른 전력증폭기의 특성 측정 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 GaN HEMT를 이용한 고효율 특성을 갖는 S대역 레이더용 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 높은 효율 특성을 갖도록 하기 위해 기본 주파수에 대한 출력 임피던스 정합뿐만 아니라, 하모닉 임피던스 성분까지 고려하여 출력 임피던스 정합을 하였다.
최근 레이더 시스템의 요구 사항과 기술적 발전으로 과거의 기계적인 탐지/추적 레이더에서 다기능 레이더로 진화하고 있다. 이에 따라 진공관 튜브를 적용한 송신기와 같이 예열 시간이 필요 없고, 소형/경량, 저전압 동작 및 고장 수리가 편리한 장점이 있는 반도체 소자를 이용한 고출력 반도체 전력증폭기(Solid-State Power Amplifier: SSPA)로 대체하기 위한 연구가 진행 중이다. 특히, 10 W 미만의 소출력 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits) 전력 증폭기를 이용한 TRM(Transmitter/Receiver Module)을 적용한 능동형 위상 배열 레이더(Active Phased Array Radar)가 연구되고 있다[1]~[4].
제안 방법
높은 효율 특성을 갖도록 하기 위해 기본 주파수에 대한 출력 임피던스 정합뿐만 아니라, 하모닉 임피던스 성분까지 고려하여 출력 임피던스 정합을 하였다.
또한, 본 논문에서는 전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 셋업을 제안하고, 전력증폭기의 신뢰성을 시험하였다.
시험에 사용된 순방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 10 dB의 결합계수와 15 dB의 방향성을 가지며, 역방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 20 dB의 결합계수 및 15 dB의 방향성을 갖는 것을 이용하고 3-stub 튜너는 Maury Microwave 사의 1819C를 사용하였다.
일반적으로 하모닉 정합을 위해 마이크로스트립 라인을 이용하는 방법 대비 정합 회로의 크기를 줄여 TRM 구조에 적합하도록 설계하였으며, 전력증폭기의 효율을 향상시키기 위해 입력 단에도 하모닉 제어 회로를 추가하였다.
특히, 패키지 트랜지스터 내의 소스- 드레인 병렬 기생 커패시터(CDS) 및 와이어 본딩에 외부 병렬 커패시터를 추가하여 저역통과 필터를 구현하였다.
28 V 의 드레인 전압과 -3 V의 게이트 전압을 갖는 Class-B 바이어스 조건에서 동작하도록 설계하여 고효율을 갖도록 설계하였다.
ADS source-/load-pull 시뮬레이션에서 얻어진 임피던스를 이용하여 트랜지스터의 출력 전력과 효율을 예측하고, 마이크로스트립 라인으로 구현하였다.
S 대역, 800 MHz(fC-4 ～fC+4 GHz, fC: 설계 중심 주파수)의 대역폭을 갖는 Class-F 스위칭 전력증폭기를 설계하기 위해 source/load-pull을 병행하여 얻은 입/출력 임피던스를 이용하여 설계하였다.
설계된 Class-F 전력증폭기는 능동 위상 배열 레이더 송수신 모듈(TRM) 용으로 설계된 것으로 일반적인 스위칭 전력증폭기는 손실이 작은 마이크로스트립 라인을 이용하여 부하 임피던스를 정합하지만, 본 논문에서는 S 대역 Brick 타입의 TRM에 적용하기 위해 최대한 작은 크기를 가질 수 있도록 마이크로스트립 라인과 수동 소자( 커패시터) 를 같이 사용하여 특성을 최적화하였다.
시험에 사용된 순방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 10 dB의 결합계수와 15 dB의 방향성을 가지며, 역방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 20 dB의 결합계수 및 15 dB의 방향성을 갖는 것을 이용하고 3-stub 튜너는 Maury Microwave 사의 1819C를 사용하였다. 측정을 위해 방향성 결합기의 삽입 손실을 미리 전력 검출기 입력하여 바로 실시간으로 출력 전력을 확인할 수 있도록 하였다. 실험은 중심 주파수 fC GHz 에서 3-stub 튜너의 두 개의 튜너는 50 ohm 으로 정합시키고, 나머지 하나의 stub만을 이용하여 임피던스를 변화시켰다.
대상 데이터
전력증폭기 실험에 사용한 입력 신호는 펄스폭 100 μs, duty 10 %인 펄스 신호를 사용하였다.
Cree 사의 10W, GaN HEMT 소자를 사용하였으며, 비유전율 2.6, 기판 두께 0.504 mm 를 갖는 Taconic 사의 TLX-7 을 사용하여 Agilent Advanced Design System(ADS)와 Cree사의 비선형 모델을 이용하여 설계하였다.
데이터처리
설계는 agilent ADS와 AWR 의 MWO의 시뮬레이션을 실험결과와 비교하기 위해 동일한 정합 회로를 구현하여 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
성능/효과
그 결과, Agilent ADS 보다 AWR MWO가 실제 측정 결과와 더 유사한 경향을 보이는 것을 간접적으로 알 수 있었다.
시험 결과, 전력증폭기 부하의 반사 계수 또는 VSWR 변화에 따라 약 10W의 최소/최대 출력 전력의 차이가 발생하였고, 전력부가효율 최대 47 %의 차이가 발생함을 확인하였다.
이 시험 결과로 10 %의 duty cycle 조건에서의 GaN HEMT를 이용한 전력증폭기는 반사 계수 0.9인 부하 조건에서도 동작함을 확인하였다.
주파수별 최대 전력 부가 효율을 가질 때 40.3 ～42.4 dBm의 출력 전력과 전력 부가 효율 및 드레인 효율은 각각 50～61.7 % 와 55.2～68.3 % 로 측정되었고, 이 때 대역폭은 40 % 특성을 갖는 것을 확인하였다.
20 W 이하의 출력 전력을 갖는 전력증폭기를 비교대상으로 선정하였으며, 50 % 이상의 전력 부가 효율 특성을 비교하였을 때 비교 대상의 최대 대역폭은 약 30 %로 본 논문의 전력증폭기의 광대 역 특성이 우수함을 알 수 있었다.
ADS 설계 결과, S 대역 800 MHz 대역폭에서 41.6 ～42.6 dBm의 출력 전력, 9.6 ～10.6 dB 의 이득, 50.3 ～63.8 % 의 전력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE) 및 56.4 ～71.4 %의 드레인 효율(Drain Efficiency: DE)을 갖는 것을 확인하였다.
RF 펄스 신호를 입력신호로 사용하여 측정 결과, 중심 주파수 fC GHz에서 42dBm의 출력 전력, 54.2%의 전력 부가 효율 및 62.6%의 드레인 효율이 측정되었다.
Ruggedness 시험 결과, 튜너의 길이를 증가시킴으로써 최초 출력 전력 40.8dBm에서 41.1 dBm까지 증가하다 최종 반사 계수가 0.9일 때 32.6dBm이 측정되었다.
본 논문은 고효율 특성을 갖는 S대역 레이더 TRM에 적용하기 위해 하모닉 정합 회로를 병렬 칩 커패시터와 마이크로스트립 라인을 같이 적용하여소형의 광대역 특성을 갖도록 하모닉 정합 회로를 설계하여 50 % 이상의 전력 부가 효율 대역폭이 40 %가 되는 결과를 얻었다.
이상적인 Class-F 의 하모닉 조건과는 다소 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 설계에 이용한 비선형 모델은 패키징된 트랜지스터의 비선형 모델을 이용하였는데, Class-F 전력증폭기 이론에서 언급한 하모닉 임피던스는 bare-chip 상태에서 고려된 하모닉 특성을 나타낸 것이다.
후속연구
그러므로 본 논문에서 설계한 부하 정합 회로의 하모닉 임피던스를 정확히 분석하기 위해서는 패키징에 사용한 와이어 본딩 및 패키징 패드를 같이 고려해야 설계된 전력증폭기의 정확한 하모닉 특성을 알 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
능동 반사 계수의 단점은?
특히, 능동 위상 배열 레이더에서 발생되는 능동 반사 계수(Active Reflection Coefficient) 에 따른 전력증폭기의 특성 변화에 관련되어 연구가 되고 있다[9]. 능동 반사 계수는 전력증폭기의 특성을 변화시킬 뿐만 아니라 심한 경우에는 전력증폭기의 트랜지스터의 wire-bonding 이 과전류에 의해 단락된다.
전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 셋업을 제안하고, 전력증폭기의 신뢰성을 시험한 결과는 무엇인가?
또한, 본 논문에서는 전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 셋업을 제안하고, 전력증폭기의 신뢰성을 시험하였다. 시험 결과, 전력증폭기 부하의 반사 계수 또는 VSWR 변화에 따라 약 10W의 최소/최대 출력 전력의 차이가 발생하였고, 전력부가효율 최대 47 %의 차이가 발생함을 확인하였다. 이 시험 결과로 10 % 의 duty cycle 조건에서의 GaN HEMT를 이용한 전력증폭기는 반사 계수 0.9인 부하 조건에서도 동작함을 확인하였다.
전력증폭기의 효율 향상시키기 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있는 이유는?
레이더 시스템에서 송신기의 핵심 부품인 전력증폭기는 시스템 전체 효율에 가장 많은 영향을 주기 때문에 전력증폭기의 효율 향상시키기 위한 연구가 최근 활발히 이뤄지고 있다. 시스템에서 전력증폭기의 효율이 개선되면 냉각 시스템의 간소화로 크기 및 비용을 절감할 수 있으므로 전력증폭기의 설계시 효율은 고려해야 할 중요한 특성 중 하나이다.
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