본 논문에서는 GaAs 기반 저잡음 증폭기가 사용되고 있는 레이더 수신기의 잡음지수를 낮추고, 저잡음 증폭기의 강인성(robustness)을 위하여 GaN HEMT 기반의 저잡음 증폭기를 설계하고 측정하였다. GaAs 기반의 저잡음 증폭기를 사용하는 레이더 수신기의 경우, 맨 앞단에 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 리미터(limiter)가 필요하고, 이는 레이더 수신기 전체 잡음지수를 나빠지게 한다. 본 연구에서 측정한 GaN 기반 저잡음 증폭기의 잡음지수는 2 dB 이하로 측정되었다. 상용화된 GaAs 기반 저잡음 증폭기의 경우, 최대 입력 전력은 약 30 dBm인 반면 본 연구에서는 입력 전력이 43 dBm일 때 소자가 번아웃(burn-out)되었고, 전류 제한 모드로 동작시킬 경우 45.4 dBm에서도 강인성이 보장되었다.
본 논문에서는 GaAs 기반 저잡음 증폭기가 사용되고 있는 레이더 수신기의 잡음지수를 낮추고, 저잡음 증폭기의 강인성(robustness)을 위하여 GaN HEMT 기반의 저잡음 증폭기를 설계하고 측정하였다. GaAs 기반의 저잡음 증폭기를 사용하는 레이더 수신기의 경우, 맨 앞단에 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 리미터(limiter)가 필요하고, 이는 레이더 수신기 전체 잡음지수를 나빠지게 한다. 본 연구에서 측정한 GaN 기반 저잡음 증폭기의 잡음지수는 2 dB 이하로 측정되었다. 상용화된 GaAs 기반 저잡음 증폭기의 경우, 최대 입력 전력은 약 30 dBm인 반면 본 연구에서는 입력 전력이 43 dBm일 때 소자가 번아웃(burn-out)되었고, 전류 제한 모드로 동작시킬 경우 45.4 dBm에서도 강인성이 보장되었다.
In this paper, we present design and measurement of LNA(Low Noise Amplifier) based on GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) to reduce the total noise figure of radar receiver and for robustness of LNA. In radar receiver using LNA based on GaAs(Gallium Arsenide) technology, limi...
In this paper, we present design and measurement of LNA(Low Noise Amplifier) based on GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) to reduce the total noise figure of radar receiver and for robustness of LNA. In radar receiver using LNA based on GaAs(Gallium Arsenide) technology, limiter is necessary at the very front of the radar receiver to protect LNA. As a result, total noise figure of radar receiver is deteriorated. In this research, measured noise figure of LNA based on GaN HEMT is below 2 dB. In the case of commercialized GaAs LNA, recommended maximum input power is about 30 dBm. On the other hand, GaN HEMT LNA which is designed and measured is burned-out when input power is 43 dBm and robustness is guaranteed at input power 45.4 dBm.
In this paper, we present design and measurement of LNA(Low Noise Amplifier) based on GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) to reduce the total noise figure of radar receiver and for robustness of LNA. In radar receiver using LNA based on GaAs(Gallium Arsenide) technology, limiter is necessary at the very front of the radar receiver to protect LNA. As a result, total noise figure of radar receiver is deteriorated. In this research, measured noise figure of LNA based on GaN HEMT is below 2 dB. In the case of commercialized GaAs LNA, recommended maximum input power is about 30 dBm. On the other hand, GaN HEMT LNA which is designed and measured is burned-out when input power is 43 dBm and robustness is guaranteed at input power 45.4 dBm.
본 논문에서는 기존에 레이더 시스템에 사용되던 GaAs 기반 저잡음 증폭기의 강인성을 향상시키고 리미터를 필요로 하지 않게 됨에 따라 시스템 전체의 잡음지수를 낮출 목적으로 Cree社에서 제작된 GaN HEMT 기반 6W CGHV1J006 소자를 사용하여 저잡음 증폭기를 설계 및 제작 측정을 진행하였다. 설계 주파수 대역은 3～3.
제안 방법
일반적인 수동소자들이 견딜 수 있는 최대 전력은 15～20 dBm 정도이다. 드레인 전류 제한은 레귤레이터를 사용하여 정전류원으로 동작하도록 회로를 구성하여 구현하였다.
대상 데이터
저잡음 증폭기의 드레인 전류를 제한하기 위하여 드레인단에 일정한 전류원이 공급되어야 하고, 이는 레귤레이터를 사용한 정전류원 회로를 구성함으로써 구현이 가능하다. 사용된 레귤레이터는 LM317 모델이고 최대출력 전압은 40 V, 최대 출력 전류는 1.5 A이다. 정전류 회로도는 그림 7에 나타내었다[4].
저잡음 증폭기 설계를 위하여 본 논문에서는 Cree社에서 제공되는 6 W 베어 칩 CGHV1J006 소자를 사용하였다. 저잡음 증폭기 용으로 개발된 것이 아닌 전력 증폭기 용으로 개발된 것이기 때문에 데이터 시트에는 잡음지수가 제공되어 있지 않다.
데이터처리
드레인 전류를 제한한 상태, 즉 저잡음 증폭기의 출력 전력을 제한한 상태에서 강인성을 측정해 보았다. 실험 결과는 입력 전력을 약 45.
성능/효과
5 dB 그리고 입력 반사손실은 —7 dB 이하가 되는 것을 확인하였다. 그리고 전류 제한 모드로 저잡음 증폭기를 동작시킴으로써 출력 전력을 제한하였고, 이 때 저잡음 증폭기의 강인성은 입력 전력 45.4 dBm까지 보장되는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 기존에 레이더 시스템에 사용되던 GaAs 기반 저잡음 증폭기의 강인성을 향상시키고 리미터를 필요로 하지 않게 됨에 따라 시스템 전체의 잡음지수를 낮출 목적으로 Cree社에서 제작된 GaN HEMT 기반 6W CGHV1J006 소자를 사용하여 저잡음 증폭기를 설계 및 제작 측정을 진행하였다. 설계 주파수 대역은 3～3.5 GHz 이고, 이득은 13 dB, 잡음지수 1.5 dB 그리고 입력 반사손실은 —7 dB 이하가 되는 것을 확인하였다. 그리고 전류 제한 모드로 저잡음 증폭기를 동작시킴으로써 출력 전력을 제한하였고, 이 때 저잡음 증폭기의 강인성은 입력 전력 45.
출력 전력은 21 dBm 이하로 제한되었고, 피크 게이트 전류 역시 148mA 이상 흐르지 않는다는 것 또한, 알게 되었다. 이 실험으로부터 드레인 전류를 제한함으로써 출력 전력을 제한하고, 그로 인해 게이트 전류 역시 제한됨으로써 과입력 전력에 대한 저잡음 증폭기의 강인성이 전류 제한모드로 동작될 경우, 그렇지 않은 경우보다 향상된다는 것을 알 수 있다. 그림 9는 전류 제한 모드로 동작했을 경우와 그렇지 않을 경우 강인성 측정 결과를 비교한 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GaAs 기반의 저잡음 증폭기를 사용하는 레이더 수신기의 구조적 문제점은?
본 논문에서는 GaAs 기반 저잡음 증폭기가 사용되고 있는 레이더 수신기의 잡음지수를 낮추고, 저잡음 증폭기의 강인성(robustness)을 위하여 GaN HEMT 기반의 저잡음 증폭기를 설계하고 측정하였다. GaAs 기반의 저잡음 증폭기를 사용하는 레이더 수신기의 경우, 맨 앞단에 저잡음 증폭기를 보호하기 위한 리미터(limiter)가 필요하고, 이는 레이더 수신기 전체 잡음지수를 나빠지게 한다. 본 연구에서 측정한 GaN 기반 저잡음 증폭기의 잡음지수는 2 dB 이하로 측정되었다.
GaAs pHEMT 소자의 문제점은?
GaAs pHEMT 소자들은 긴 동작 수명, 낮은 동작 전압, 높은 효율 및 경량성 등의 우수한 특성을 지니고 있고, GaAs는 화합물의 높은 전자 이동도와 보다 높은 최대 동작주파 수를 갖고 있다. 그러나 레이더에서 신호를 송신할 때 송신부의 고출력 증폭기의 출력은 안테나를 통하여 방사되게 되는데, 이 때 안테나로부터 일부 출력은 방사되지 않고 써큘레이터(circulator)를 통하여 수신부로 되돌아오게 된다. 이 반사된 출력이 직접 수신부에 입력될 경우, 출력 정도에 따라서는 수신부를 손상시키게 된다. 그리고 재밍 (jamming) 신호와 같은 고출력을 가지는 신호가 수신단으로 들어오게 될 경우, 수신단 전체가 포화되어 오작동을 유발시킬 확률이 높아진다. 그렇기 때문에 저잡음 증폭기를 고출력 신호로부터 보호하기 위하여 PIN 다이오드를 이용한 입력 보호회로, 리미터가 필요하게 된다[1].
GaAs pHEMT 소자의 장점은?
현재 대부분 레이더 수신기에 사용되고 있는 저잡음 증폭기는 GaAs pHEMT(Gallium Arsenide pseudomorphic High Electron Mobility) 기술을 기반으로 개발되었다. GaAs pHEMT 소자들은 긴 동작 수명, 낮은 동작 전압, 높은 효율 및 경량성 등의 우수한 특성을 지니고 있고, GaAs는 화합물의 높은 전자 이동도와 보다 높은 최대 동작주파 수를 갖고 있다. 그러나 레이더에서 신호를 송신할 때 송신부의 고출력 증폭기의 출력은 안테나를 통하여 방사되게 되는데, 이 때 안테나로부터 일부 출력은 방사되지 않고 써큘레이터(circulator)를 통하여 수신부로 되돌아오게 된다.
참고문헌 (5)
Seong-Sik Yang, Tak-Young Kim, Deok-Kyu Kong, So-Su Kim, and Kyung-Whan Yeom, "A novel analysis of a Ku-band planar P-I-N diode limiter", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no. 6, pp. 1447-1460, Jun. 2009.
U. Mishra, S. Likun, T. Kazior, and Y. -F. Wu, "GaN-based RF power devices and amplifiers", Proceedings of the IEEE, vol. 96, no. 2, pp. 287-305, Feb. 2008.
Ulf Schmid, Rolf Reber, Patrick Schuh, and Martin Oppermann, "Robust wideband LNA design", Proceedings of the 9th European Microwave Integrated Circuits Conference, pp. 186-189, Oct 2014.
STmicroelectronics Datasheet, "LM317 adjustable voltage regulators", available at: www.st.com
RFHIC Datasheet, "This LNA family is a high gain, ultra low noise amplifier CL3102D-L", available: www.rfhic.com
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