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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 13.75∼14.50 GHz Ku 대역 위성 통신용 안테나 시스템의 주요 부분인 outdoor unit (ODU)을 구성하는 block-up converter (BUC)에 사용되는 핵심 부품인 MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 전력증폭기를 개발하였다.
- 본 논문에서는 Ku 대역에서 동작하는 2W MMIC 전력증폭기를 개발하였다. 개발된 2W MMIC 전력증폭기는 on-wafer 측정 및 지그에 조립된 상태로 측정되었다.
제안 방법
- 3단으로 구성된 전력증폭기는 마이크로스트립 라인을 사용하여 정합 (matching)회로를 구성하였다. 입력 정합 회로는 높은 이득 구현을 위하여 공액정합 (conjugate matching)하였으며 출력 정합회로는 높은 출력전력 구현을 위하여 전력정합을 실시하였다.
- 지그 조립 시험의 경우 입력/출력 포트는 Ku 대역에서의 손실을 최소화하기 위하여 K-타입 커넥터를 사용하였으며 기판은 Rogers사의 RO4003을 사용하였다. DC 전원 공급 포트에는 회로 안정화를 위하여 100 pF의 바이패스 커패시터를 사용하였으며, MMIC 의 입/출력 임피던스 부정합은 지그에 MMIC를 조립하면서 본딩 와이어의 길이와 수량을 조절하면서 최종 결과를 얻었다. 그림 5에 제작된 2W MMIC 전력증폭기의 S-parameter 특성을 나타내었다.
- Ku 대역에서 동작하는 2W MMIC 전력증폭기를 개발하기 위하여 마이크로스트립(microstrip) 기반의 AlGaAs/ InGaAs/GaAs depletion-mode PHEMT(pseudomorphic high electron mobility transistor) 소자를 사용하여 설계를 진행하였다. PHEMT 공정은 대만 WIN(wireless information networking) Semiconductor Corp.
- 제작된 2W MMIC 전력증폭기의 성능 검증을 위하여 일차적으로 On-wafer 시험을 진행하였다. bare die 상태의 MMIC를 측정하기 위하여 DC 전원을 공급하기 위한 회로가 포함된 on-wafer 시험용 지그 (Jig)에 조립된 형태로 probe station을 사용하여 S-parameter를 측정하였다. 2W MMIC 전력증폭기는 최종적으로 입/출력에 조립되는 본딩 (bonding) 와이어 (wire)의 인덕턴스를 미리 고려하여 부정합 (mismatch) 상태로 설계하였으며, on-wafer 측정 결과 입력 출력 임피던스가 설계대로 부정합 되어있는 것을 확인하였다.
- 입력 정합 회로는 높은 이득 구현을 위하여 공액정합 (conjugate matching)하였으며 출력 정합회로는 높은 출력전력 구현을 위하여 전력정합을 실시하였다. 각 단의 단위 셀의 입력/출력 임피던스를 추출하여 그 추출 값을 이용하여 단간 정합을 수행하였으며 PHEMT 소자의 단위 셀의 안정도 개선을 위하여 RC 병렬회로를 단위셀마다 삽입하였다.
- 2W MMIC 전력증폭기의 종단 설계를 위하여 PP2521 라이브러리에서 제공하는 PHEMT 소자 중 가장 게이트 폭이 큰 소자를 선택하였다. 단위 게이트 폭이 150 ㎛, 게이트 수가 8 개인 PHEMT 소자의 load-pull 시뮬레이션 결과 약 28 dBm의 출력전력을 기대할 수 있으므로 최종 33 dBm (2W) 이상의 출력전력을 얻기 위하여 4개의 PHEMT 단위 소자를 병열로 연결하였다.
- 바이어스 회로는 λ/4 단락 스터브 (short stub)와 바이 패스 (bypass) 커패시터를 사용하여 Ku 대역 고주파 신호가 바이어스 라인으로 손실되는 것을 방지하도록 설계하였으며 저항을 삽입하여 안정도를 향상시켰다.
- 본 논문에서 개발된 전력증폭기의 성능 수준을 검증하기 위하여 현재 세계적으로 판매되고 있는 GaAs 기반 Ku 대역 2W MMIC 전력증폭기들의 성능을 비교하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 개발된 2W MMIC 전력증폭기는 기존에 발표된 GaAs 기반 Ku 대역 2W급 MMIC 전력증폭기 상용제품들과 비교하여 출력전력 특성은 동등하며 이득특성과 전력부가효율은 더 우수한 결과를 얻었다.
- 50 GHz Ku 대역 위성 통신용 안테나 시스템의 주요 부분인 outdoor unit (ODU)을 구성하는 block-up converter (BUC)에 사용되는 핵심 부품인 MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 전력증폭기를 개발하였다. 본 논문에서 개발된 전력증폭기의 요구 규격은 국내 BUC 업체들의 요구 사항을 반영하여 설정하였다. 주요 성능지표로서 13.
- 설계된 2W MMIC 전력증폭기의 전체 회로 패턴은 Agilient사의 Momentum 전자기 시뮬레이션 툴 (tool) 을 통하여 최적화를 수행하였다. 그림 2와 그림 3에 전자기 시뮬레이션을 통하여 최적화된 전력증폭기의 S-parameters 특성과 출력전력 및 효율특성을 각각 나타내었다.
- 그림 1에 Ku 대역에서 동작하는 2W MMIC 전력증폭기의 회로도를 나타내었다. 설계된 전력증폭기는 출력전력을 위한 최종단, 최종단을 구동하기 위한 중간단, 소신호 이득을 위한 입력단의 3단으로 구성되어 있다.
- 3단으로 구성된 전력증폭기는 마이크로스트립 라인을 사용하여 정합 (matching)회로를 구성하였다. 입력 정합 회로는 높은 이득 구현을 위하여 공액정합 (conjugate matching)하였으며 출력 정합회로는 높은 출력전력 구현을 위하여 전력정합을 실시하였다. 각 단의 단위 셀의 입력/출력 임피던스를 추출하여 그 추출 값을 이용하여 단간 정합을 수행하였으며 PHEMT 소자의 단위 셀의 안정도 개선을 위하여 RC 병렬회로를 단위셀마다 삽입하였다.
- 제작된 2W MMIC 전력증폭기의 선형성을 확인하기 위하여 출력 3차 교차점(IP3: third order intercept point) 특성을 측정하였다. 측정 결과 40 dBm의 출력 3차 교차점 특성을 얻었다.
- 제작된 2W MMIC 전력증폭기의 성능 검증을 위하여 일차적으로 On-wafer 시험을 진행하였다. bare die 상태의 MMIC를 측정하기 위하여 DC 전원을 공급하기 위한 회로가 포함된 on-wafer 시험용 지그 (Jig)에 조립된 형태로 probe station을 사용하여 S-parameter를 측정하였다.
대상 데이터
- 2W MMIC 전력증폭기의 종단 설계를 위하여 PP2521 라이브러리에서 제공하는 PHEMT 소자 중 가장 게이트 폭이 큰 소자를 선택하였다. 단위 게이트 폭이 150 ㎛, 게이트 수가 8 개인 PHEMT 소자의 load-pull 시뮬레이션 결과 약 28 dBm의 출력전력을 기대할 수 있으므로 최종 33 dBm (2W) 이상의 출력전력을 얻기 위하여 4개의 PHEMT 단위 소자를 병열로 연결하였다.
- 의 PP2521라이브러리(library)를 사용하였다. PP2521 라이브러리는 0.25 ㎛의 게이트 길이(gate length)와 4 mil 두께의 GaAs 기판(substrate)을 사용한다.
- PHEMT 공정은 대만 WIN(wireless information networking) Semiconductor Corp.의 PP2521라이브러리(library)를 사용하였다. PP2521 라이브러리는 0.
- 그림 4에 지그에 조립되어진 2W MMIC 전력증폭기를 나타내었다. 지그 조립 시험의 경우 입력/출력 포트는 Ku 대역에서의 손실을 최소화하기 위하여 K-타입 커넥터를 사용하였으며 기판은 Rogers사의 RO4003을 사용하였다. DC 전원 공급 포트에는 회로 안정화를 위하여 100 pF의 바이패스 커패시터를 사용하였으며, MMIC 의 입/출력 임피던스 부정합은 지그에 MMIC를 조립하면서 본딩 와이어의 길이와 수량을 조절하면서 최종 결과를 얻었다.
성능/효과
- bare die 상태의 MMIC를 측정하기 위하여 DC 전원을 공급하기 위한 회로가 포함된 on-wafer 시험용 지그 (Jig)에 조립된 형태로 probe station을 사용하여 S-parameter를 측정하였다. 2W MMIC 전력증폭기는 최종적으로 입/출력에 조립되는 본딩 (bonding) 와이어 (wire)의 인덕턴스를 미리 고려하여 부정합 (mismatch) 상태로 설계하였으며, on-wafer 측정 결과 입력 출력 임피던스가 설계대로 부정합 되어있는 것을 확인하였다.
- 5 GHz까지의 동작주파수 범위에서 29 dB의 이득과 -13 dB 이하의 입/출력 반사계수 특성을 얻었다. 40 dBm의 출력 3차 교차점 특성을 얻었으며 33.4 dBm의 포화 출력전력을 얻었다. 특히 전력부가효율은 29 %로 기존에 발표된 GaAs 기반의 상용제품들에 비하여 높은 결과를 얻을 수 있었다.
- 이런 관점에서 전력증폭기의 전력부가효율은 시스템의 성능을 결정하는 중요한 지표로서 활용된다. 본 논문에서 개발된 2W MMIC 전력 증폭기는 8 V의 드레인 전압이 인가되었을 때 860mA의 드레인 전류값을 얻어 29 %의 전력부가효율을 얻었다.
- 그림 2와 그림 3에 전자기 시뮬레이션을 통하여 최적화된 전력증폭기의 S-parameters 특성과 출력전력 및 효율특성을 각각 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 13.75 ～ 14.5 GHz의 동작영역에서 30 dB 이상의 이득 특성과 -15 dB 이하의 입력 및 출력 반사손실 특성을 얻었다. 출력 전력 특성은 13.
- 본 논문에서 개발된 전력증폭기의 요구 규격은 국내 BUC 업체들의 요구 사항을 반영하여 설정하였다. 주요 성능지표로서 13.75 ~ 14.5 GHz의 동작 주파수 범위에서 25 dB 이상의 이득 (gain), -10 dB 이하의 입력/출력반사계수 (return loss), 33 dBm 이상의 포화 출력전력 (saturation output power), 25 % 이상의 전력부가효율 (power added efficiency) 등을 설정하였다.
- 개발된 2W MMIC 전력증폭기는 on-wafer 측정 및 지그에 조립된 상태로 측정되었다. 지그에 조립된 2W MMIC 전력증폭기의 측정결과, 13.75 GHz에서 14.5 GHz까지의 동작주파수 범위에서 29 dB의 이득과 -13 dB 이하의 입/출력 반사계수 특성을 얻었다. 40 dBm의 출력 3차 교차점 특성을 얻었으며 33.
- 5 GHz의 동작영역에서 30 dB 이상의 이득 특성과 -15 dB 이하의 입력 및 출력 반사손실 특성을 얻었다. 출력 전력 특성은 13.75 ～ 14.5 GHz의 동작영역에서 34 dBm 이상을 얻었으며 30 % 이상의 효율특성을 얻었다.
- 제작된 2W MMIC 전력증폭기의 선형성을 확인하기 위하여 출력 3차 교차점(IP3: third order intercept point) 특성을 측정하였다. 측정 결과 40 dBm의 출력 3차 교차점 특성을 얻었다. 그림 8과 그림 9에 13.
- 측정결과, 사용주파수 13.75 ∼ 14.50 GHz 대역 내에서 이득은 29 dB, 입/출력 반사손실은 –13dB 이하의 우수한 특성을 얻었다.
- 4 dBm의 포화 출력전력을 얻었다. 특히 전력부가효율은 29 %로 기존에 발표된 GaAs 기반의 상용제품들에 비하여 높은 결과를 얻을 수 있었다. 추후 패키지화 및 신뢰성 시험등을 거쳐서 국내 최초로 Ku 대역에서 동작 가능한 2W MMIC 전력증폭기의 상용 제품화가 가능할 것으로 기대된다.
- 50 GHz 대역 내에서 이득은 29 dB, 입/출력 반사손실은 –13dB 이하의 우수한 특성을 얻었다. 포화 출력전력 특성은 동작주파수 범위 내에서 33.4 dBm 이상의 특성을 얻었다. 13.
- 본 논문에서 개발된 전력증폭기의 성능 수준을 검증하기 위하여 현재 세계적으로 판매되고 있는 GaAs 기반 Ku 대역 2W MMIC 전력증폭기들의 성능을 비교하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 개발된 2W MMIC 전력증폭기는 기존에 발표된 GaAs 기반 Ku 대역 2W급 MMIC 전력증폭기 상용제품들과 비교하여 출력전력 특성은 동등하며 이득특성과 전력부가효율은 더 우수한 결과를 얻었다.
후속연구
- 특히 전력부가효율은 29 %로 기존에 발표된 GaAs 기반의 상용제품들에 비하여 높은 결과를 얻을 수 있었다. 추후 패키지화 및 신뢰성 시험등을 거쳐서 국내 최초로 Ku 대역에서 동작 가능한 2W MMIC 전력증폭기의 상용 제품화가 가능할 것으로 기대된다.
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