[논문]수정된 전역통과 필터를 이용한 2~6 GHz 광대역 GaN HEMT 전력증폭기 MMIC

이상경; 김동욱

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.7.620

초록
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본 논문에서는 2차 전역통과 필터를 이용하여 입력정합을 수행하고, LC 병렬공진 회로를 이용하여 트랜지스터의 출력 리액턴스를 최소화하는 기법을 적용함으로써 2~6 GHz에서 동작하는 광대역 GaN 전력증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다. 광대역 손실정합을 위해 사용된 2차 전역통과 필터는 트랜지스터의 채널 저항 효과를 보상하기 위해 비대칭적 구조를 사용하였다. Win Semiconductors사의 $0.25{\mu}m$ GaN HEMT 파운드리 공정으로 제작된 MMIC 칩은 크기가 $2.6mm{\times}1.3mm$이며, 주파수 대역 내에서 약 13 dB의 평탄한 이득 특성과 10 dB 이상의 우수한 입력정합 특성을 보였다. 포화출력 조건에서 측정된 출력전력은 2~6 GHz에서 38.6~39.8 dBm의 값을 보였고, 전력부가효율은 31.3~43.4 %을 나타내었다.

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In this paper, a 2~6 GHz wideband GaN power amplifier MMIC is designed and fabricated using a second-order all-pass filter for input impedance matching and an LC parallel resonant circuit for minimizing an output reactance component of the transistor. The second-order all-pass filter used for wideba...

In this paper, a 2~6 GHz wideband GaN power amplifier MMIC is designed and fabricated using a second-order all-pass filter for input impedance matching and an LC parallel resonant circuit for minimizing an output reactance component of the transistor. The second-order all-pass filter used for wideband lossy matching is modified in an asymmetric configuration to compensate the effect of channel resistance of the GaN transistor. The power amplifier MMIC chip that is fabricated using a $0.25{\mu}m$ GaN HEMT foundry process of Win Semiconductors, Corp. is $2.6mm{\times}1.3mm$ and shows a flat linear gain of about 13 dB and input return loss of larger than 10 dB. Under a saturated power mode, it also shows output power of 38.6~39.8 dBm and a power-added efficiency of 31.3~43.4 % in 2 to 6 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

등이 있고, 각각의 방법은 대역폭, 반사손실, 회로의 크기 측면에서 장단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 저항성 정합 기법 중의 하나로 사용될 수 있는 전역통과 필터를 입력정합 회로로 사용하고, 병렬공진 회로를 트랜지스터의 기생소자와 결합하여 광대역 출력정합 회로로 활용한 GaN HEMT 기반의 2～6 GHz 광대역 전력증폭기 MMIC에 대해 이야기하고자 한다. 광대역 전력증폭기 MMIC는 Win Semiconductors사의 0.

제안 방법

25 μm GaN HEMT를 이용하여 설계 및 제작하고, 그 성능을 평가하였다. 광대역 주파수에서 10 dB 이상의 입력 반사손실을 만족하기 위해 비대칭 구조의 2차 전역통과 필터를 입력 정합회로에 적용하였고, 출력단의 최대 출력 임피던스를 대역 내에서 근사적으로 구현하기 위해 LC 병렬 공진회로를 사용하여 트랜지스터의 주파수에 따른 리액턴스 변화를 보상하였다. 2～6 GHz의 주파수 범위에서 약 13 dB의 평탄한 이득 특성과 10 dB 이상의 입력 반사손실을 보여 정합이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다.

대상 데이터

설계된 광대역 전력증폭기는 Win Semiconductors사의 0.25 μm GaN HEMT 파운드리 공정을 사용하여 제작되었으며, 제작된 칩의 사진이 그림 9에 나타나 있다. 제작된 전력증폭기 MMIC 칩의 크기는 2.6 mm×1.3 mm이다.

데이터처리

4 %로 광대역임에도 아주 양호한 특성을 보였다. 표 2는 제작된 전력증폭기 MMIC의 측정 결과를 기존 발표된 유사한 성능의 증폭기들과 비교한 결과를 보여주고 있다.

성능/효과

광대역 주파수에서 10 dB 이상의 입력 반사손실을 만족하기 위해 비대칭 구조의 2차 전역통과 필터를 입력 정합회로에 적용하였고, 출력단의 최대 출력 임피던스를 대역 내에서 근사적으로 구현하기 위해 LC 병렬 공진회로를 사용하여 트랜지스터의 주파수에 따른 리액턴스 변화를 보상하였다. 2～6 GHz의 주파수 범위에서 약 13 dB의 평탄한 이득 특성과 10 dB 이상의 입력 반사손실을 보여 정합이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한, 전력포화 조건에서 출력전력은 38.
2～6 GHz의 주파수 범위에서 약 13 dB의 평탄한 이득 특성과 10 dB 이상의 입력 반사손실을 보여 정합이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한, 전력포화 조건에서 출력전력은 38.6～39.8 dBm의 값을 나타냈고, PAE는 31.3～43.4 %의 우수한 특성을 보였다. 설계, 제작된 전력증폭기 MMIC는 전자전 시스템 및 광대역 통신 시스템에 널리 활용될 수 있을 것이다.

후속연구

4 %의 우수한 특성을 보였다. 설계, 제작된 전력증폭기 MMIC는 전자전 시스템 및 광대역 통신 시스템에 널리 활용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (11)

R. J. Trew, "Wide bandgap semiconductor transistors for microwave power amplifiers", IEEE Microwave Magazine, vol. 1, no. 1, pp. 46-54, Mar. 2000.

상세보기
D. W. Runton, B. Trabert, J. B. Shealy, and R. Vetury, "History of GaN: high-power RF gallium nitride(GaN) from infancy to manufacturable process and beyond", IEEE Microwave Magazine, vol. 14, no. 3, pp. 82-93, May 2013.

상세보기
김동욱, "전자전 증폭장치", 한국전자파학회 전자파기술, 24(6), pp. 25-36, 2013년 11월.
M. A. Gonzalez-Garrido, J. Grajal, P. Cetronio, C. Lanzieri, and M. Uren, "2-6 GHz GaN MMIC power amplifiers for electronic warfare applications", The 3rd Eu-MIC Conference, pp. 83-86, Oct. 2008.
C. Campbell, C. Lee, V. Williams, M. -Y. Kao, H. -Q. Tserng, P. Saunier, and T. Balisteri, "A wideband power amplifier MMIC utilizing GaN on SiC HEMT technology", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 10, pp. 2640-2647, Oct. 2009.

상세보기
P. Saad, C. Fager, H. Cao, H. Zirath, and K. Andersson, "Design of a highly efficient 2-4 GHz octave bandwidth GaN-HEMT power amplifier", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 7, pp. 1677-1685, Jul. 2010.

상세보기
R. Giofre, P. Colantonio, and F. Giannini, "1-6 GHz ultrawideband 4 W single-ended GaN power amplifier", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 56, no. 1, pp. 215-217, Jan. 2014.

상세보기
Win Semiconductors Corp., Process Roadmap, $0.25{\mu}m$ GaN HEMT, http://www.winsemiconductorscorp.com, Dec. 2013.
Thomas Arell, Thongchai(Lucky) Hongsmatip, "2-6 GHz commercial power amplifier", Applied Microwave Winter, pp. 51-56, 1993.
Yasushi Itoh, Masatoshi Nii, Yasutaka Kohno, Mitsuru Mochizuki, and Tadashi Takagi, "A 4 to 25 GHz 0.5 W monolithic lossy match amplifier", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 257-260, Jun. 1994.
Basem M. Abdrahman, Hesham N. Ahmed, and Khaled A. Shehata, "Design and implementation of a 9 W, 0.3-3.7 GHz linear power amplifier using GaN HEMT", IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp. 594-597, Aug. 2013.

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