선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
-
그림 12는 800 MHz, 1,800 MHz 대역의 각 주파수별로 제작된 GaN HEMT 전력 증폭기 사진을 나타낸다. GaN HEMT는 Gate에 음전원이 인가되지 않은 상태에서 Drain 전압이 인가될 경우, 소자가 손상을 입거나 상황에 따라 소손될 가능성이 있기 때문에
음 전원에 적합한 바이어스 회로와 바이어스를 순차적으로 인가하기 위한 FET 및 OP-AMP 등을 이용하여 바이어스 회로와 Sequence 회로 및 Main Voltage Drop에 의한 보호회로 사용을 권장하나, 제작된 Test Board에는 테스트의 목적이 GaN HEMT 전력 증폭기의 성능 확인이기에 본 논문에서는 따로 구현되진 않았다. -
본 논문은 소자의 전류원에서 임피던스 확인이 불가능하다는 실제적인 상황을 고려하여 electrode에서 소자 내부까지의 기생 성분들을 아래와 같은 방법으로 추출하여 더욱 정교한 설계가 되도록 제안하였다. 동일한 소자인 RFHIC(社)의 IR(08)18370P로
제안 방법
-
그림 14는 2-tone 혼변조 시험 특성 결과를 나타낸다. 2-tone 간격을 10 MHz에서 100 MHz까지 10 MHz 간격으로 넓혀 측정하였으며, 2-tone 전력은 53.2dBm 기준으로 측정하였다. 측정 결과는 800 MHz 대역의 경우는 tone 간격 10 MHz 이상에서 IM3는 —25dBc 이하, IM5는 —30 dBc 이하, 1,800 MHz 대역의 경우는 tone 간격 10 MHz 이상에서 IM3는 —23 dBc이하, IM5는 —35 dBc 이하의 높은 선형성 특성을
- Advanced Design System(ADS)를 이용한 시뮬레이션에서 추출된 CDS와 Lb를 바탕으로 소자 내부를 예측하고, 이를 포함하여 출력 단의 정합회로와 고조파 조정 회로를 설계하였다.
- 기본 성분에 대해서는 소자 내부의 종속 전류원에서 Ropt, class-F의 임피던스를 바라보고 출력 단에서 최대 전력을 낼 수 있도록 설계하였다. 이렇게 설계된 출력 단 회로의 Lb와 CDS를 제거하고, 소자에 연결하여 시뮬레이션 한 결과, 출력 전력 55.
-
본 논문에서는 최근 활발히 연구되고 있는 GaN HEMT 전력 증폭기를 800 MHz와 1,800 MHz 각기두 대역에 최적화 하여 시뮬레이션을 진행하였고, 실제 제품을 제작, 테스트 보드를 이용하여 측정하였다. 동작 주파수는 800 MHz(770～870 MHz, OBW
-
본 논문에서는 효율 향상에 가장 큰 영향을 주는 2차 고조파 성분을 조정하는 내부 고조파 조정 회로를 2개의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 캐패시터와 와이어 본딩 인덕터를 이용하여 구현하였다. 작은 패키지 크기로 인해 발생하는 열적 열화를 피하
- 그림 8은 GaN HEMT의 대 신호 등가 회로이다. 앞에서 기생 성분들과 패키지 효과 등이 존재함을 알 수 있는데, 본 논문은 이러한 여러 가지 성분들중에 가장 큰 영향을 미칠 것이라고 추측할 수 있는 CDS와 Lb를 간단한 매칭을 통해 구함으로써 정확한 설계를 도모하였다[8].
- 이는 새롭게 제안된 게이트 폭 41.8 mm GaN HEMT die와 5.61×0.71×0.25T mm3 크기를 갖는 2개의 MOS 캐패시터를 구성 물질의 변화를 이용하여 열 저항을 개선한 새로운 패키지에 와이어 본딩으로 결합하여 구현하였다.
- 작은 패키지 크기로 인해 발생하는 열적 열화를 피하기 위해서 기존 패키지 구성 재질과 다른 새로운 조합을 이용하여 소형의 새로운 패키지를 제작하고, 열 저항(θjc)을 향상하였다.
- 제안된 방식은 GaN HEMT die 하나로 구현되며, 치수는 5,260×920 μm2이다.
- 5T mm3이다. 출력정합 회로는 시뮬레이션에서 추출된 CDS와 Lb를 바탕으로 소자 내부를 예측하고, 전력 증폭기에서 최대 전력을 내기 위해서 소자의 종속 전류원에서 바라보는 기생 성분의 임피던스 Ropt를 반영하여 출력단의 정합회로와 고조파 조정 회로를 설계하였다. 제작된 전력 증폭기는 Rogers(社) RO4350B 기판을 사용하였으며, 증폭기의 바이어스는 Vds=48 V, Vgs= —3.
대상 데이터
- 설계에 사용된 simulator는 Agilent(社)의 ADS이며, 설계와 실험에 사용한 소자는 RFHIC(社)의 370 W급 GaN HEMT인 IR08370P와 IR18370P를 사용하였다. 위 소자의 시뮬레이션 모델을 통해 전압, 전류 곡선을 그려본 결과, 소자의 Knee 전압이 —3 V임을 확인할 수 있다.
- 표 2는 기존의 패키지와 새롭게 개발된 패키지 간의 주요 규격 수치를 나타낸다. 제안된 패키지의 물질 조합은 S(Super)-CPC(Cu/Mo70/Cu/Mo70/Cu)=0.4 : 0.1 : 0.5 : 0.1 : 0.4이고, 두께는 1.5T mm이며, 기존조합은 CMC(Cu/Mo/Cu)=1 : 1 : 1로 구성 물질로 구성되고, 두께는 1.0T mm이다[4]. GaN HEMT die 접착은 두 종 모두 AuSn=80/20의 조합으로 접합된다.
- 제작된 전력 증폭기는 Rogers(社) RO4350B 기판을 사용하였으며, 증폭기의 바이어스는 Vds=48 V, Vgs= —3.02 V로 Iq가 0 A인 Class B 전력 증폭기의 바이어스 조건에서 동작시켰고, 크기는 110×70 mm2이다.
이론/모형
- 측정된 S-CPC 조합의 열전도(Tc)는 278 W/mK로 CMC 조합 165 W/mK에 비해 41 % 이상 향상된다. 이 점에 착안하여 개발된 GaN HEMT 패키지에는 S-CPC조합을 적용하였다. 그 결과, 열 저항은 비슷한 크기의 패키지에 비해 47 % 향상되고, 비슷한 열 저항을 나타내는 패키지에 비해서는 그 크기를 1/3로 줄일 수 있다.
성능/효과
- 기 위해서 기존 패키지 구성 재질과 다른 새로운 조합을 이용하여 소형의 새로운 패키지를 제작하고, 열 저항(θjc)을 향상하였다. 300 W 이상의 고 전력을 내기 위한 기존의 GaN HEMT 전력 증폭기 구현 방법보다 간소화한 새로운 41.8 mm GaN HEMT die를 적용하여 보다 작은 패키지에서 높은 출력 전력을 구현하고, 출력 특성을 향상하였다. 개발된 전력 증폭기는 패키지 크기는 10.
- Class-B 동작시 소자가 최대 전력을 낼 때, 스미스 차트를 통해 R1, R2(electrode에서 바라본 임피던스)와 Ropt 사이에 존재하는 여러 가지 매칭 중, 전력이 큰 소자임을 고려하여 가장 간단하면서도 실현 가능할 만한 값을 예측해 본 결과, 800 MHz의 경우 CDS :13 pF, Lb :1.8 nH를 1,800 MHz의 경우 CDS :12 pF, Lb : 1.5 nH를 얻을 수 있었다. 위 값은 정확한 값은 아니더라도 불확실한 소자 내부 회로를 예측할 수 있다는 사실만으로 상당한 큰 의미가 있다고 할 수 있다.
- 개발된 전력 증폭기는 패키지 크기는 10.16×10.16×1.5T mm3이며, 최대 포화 출력 전력(Psat.) 370 W 이상, 800 MHz 대역에서 드레인 효율(DE) 80 % 이상, 1,800 MHz 대역에서 DE 75 % 이상의 고효율 특성을 나타내었다.
- 이 점에 착안하여 개발된 GaN HEMT 패키지에는 S-CPC조합을 적용하였다. 그 결과, 열 저항은 비슷한 크기의 패키지에 비해 47 % 향상되고, 비슷한 열 저항을 나타내는 패키지에 비해서는 그 크기를 1/3로 줄일 수 있다. 이는 제안된 구성재질의 패키지의 조합이 기존보다 더 나은 열 분산 매체를 제공하는 패키지 재료임을 나타낸다.
-
이렇게 구성된 출력 단 회로의 S-파라미터 시뮬레이션 결과를 그림 11에서 확인할 수 있다. 그 결과는 2차, 3차 고조파에서 각각 단락에 가까운 작은 임피던스와 상당히 큰 임피던스를 나타내고 있으며, 이를 통해 고조파 조정 회로가 적절히 설계되었음을
알 수 있다. -
본 논문에서는 최근 활발히 연구되고 있는 GaN HEMT 전력 증폭기를 800 MHz와 1,800 MHz 각기두 대역에 최적화 하여 시뮬레이션을 진행하였고, 실제 제품을 제작, 테스트 보드를 이용하여 측정하였다. 동작 주파수는 800 MHz(770～870 MHz, OBW
100 MHz) 셀룰러 대역과 1,800 MHz(1,805～1880 MHz OBW 75 MHz) L-band 대역으로 고조파 조정 회로를 이용한 정합을 이용한 2차 고조파 조정을 통해 800MHz 대역에서 80 %, 1,800 MHz에서 75 %의 이상의 드레인 효율 특성을 나타내었다. 제품을 소형화하여 구현하기 위해 새롭게 구성한 41. - 위 소자의 시뮬레이션 모델을 통해 전압, 전류 곡선을 그려본 결과, 소자의 Knee 전압이 —3 V임을 확인할 수 있다.
- 60℃/W로 이전에 비해 50 % 향상되었다. 이는 기존 LDMOS의 8배 GaAS의 3배 이상 개선된 수치로 제안된 GaN HEMT 패키지가 좁은 면적과 높은 온도에서도 어려움 없이 동작됨을 나타낸다.
- , class-F의 임피던스를 바라보고 출력 단에서 최대 전력을 낼 수 있도록 설계하였다. 이렇게 설계된 출력 단 회로의 Lb와 CDS를 제거하고, 소자에 연결하여 시뮬레이션 한 결과, 출력 전력 55.68 dBm에서 800MHz는 DE 75%, 1,800MHz 72%임을 확인할 수 있었다.
- 그림 7은 구성 재료 변경 시 소모 전력에 따른 접합 온도와 열 저항의 변동 결과를 보여준다. 전체의 접합 온도 특성은 기존에 비해 20 % 향상되었고, 열저항 특성을 보면 제안된 S-CPC 조합의 GaN HEMT 패키지의 경우 종전의 CMC 조합보다 1.2℃/W에서 0.60℃/W로 이전에 비해 50 % 향상되었다. 이는 기존 LDMOS의 8배 GaAS의 3배 이상 개선된 수치로 제안된 GaN HEMT 패키지가 좁은 면적과 높은 온도에서도 어려움 없이 동작됨을 나타낸다.
- 제품을 소형화하여 구현하기 위해 새롭게 구성한 41.8 mm GaN HEMT die를 적용하여 종전의 2개의 GaN HEMT die를 연결하는 방식을 한 개로 바꾸어 작은 패키지에 실장을 가능하게 구현하였고, 작은 패키지로 인해 발생 할 수 있는 열적 성능 저하 문제는 새로 제안된 S-CPC 재질로 성분을 변경 적용하여 열 저항은 θjc=0.65℃/W로 기존 대비 46 % 향상하였으며, 가로×세로×높이=10.16×10.16×4.05 mm3에 실장했고, 종전의 패키지[5],[15]와 비교하여 37 % 크기 감소를 이루었다.
- 측정 결과는 800 MHz 대역의 경우는 tone 간격 10 MHz 이상에서 IM3는 —25dBc 이하, IM5는 —30 dBc 이하, 1,800 MHz 대역의 경우는 tone 간격 10 MHz 이상에서 IM3는 —23 dBc이하, IM5는 —35 dBc 이하의 높은 선형성 특성을 나타내었다.
- GaN HEMT die 접착은 두 종 모두 AuSn=80/20의 조합으로 접합된다. 측정된 S-CPC 조합의 열전도(Tc)는 278 W/mK로 CMC 조합 165 W/mK에 비해 41 % 이상 향상된다. 이 점에 착안하여 개발된 GaN HEMT 패키지에는 S-CPC조합을 적용하였다.
- 측정 조건은 pulse width=100 μsec, duty cycle=10 %이다. 포화 출력 전력 770～870 MHz에서 최대 55.7 dBm(370 W), 1,805～1,880 MHz 대역에서 55.8 dBm(380 W) 고출력 특성을 나타내었고, 이 때 드레인 효율은 각 82.3 %, 76.9 % 드레인 효율 특성을 나타내었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.