[논문]2~16 GHz GaN 비균일 분산 전력증폭기 MMIC

배경태; 이익준; 강현석; 김동욱

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.11.1019

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본 논문에서는 드레인 분기 커패시터를 사용하여 입 출력 간 동위상을 제공함과 동시에 각 트랜지스터에 최적 부하 임피던스를 제공하는 비균일 분산 전력증폭기 설계 기법을 2~16 GHz GaN 광대역 전력증폭기 MMIC 설계에 적용하고, 칩을 제작하여 결과를 평가하였다. Win Semiconductors사의 $0.25{\mu}m$ GaN HEMT 공정으로 제작된 MMIC 칩은 크기가 $3.9mm{\times}3.1mm$이며, 주파수 대역 내에서 12 dB 이상의 선형 이득 및 10 dB 이상의 입력 반사 손실을 보였다. 연속파모드 포화출력 조건에서 측정된 출력 전력은 36.2~38.5 dBm의 값을 보였고, 전력부가효율은 약 8~16 %를 나타내었다.

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In this paper, a 2~16 GHz GaN wideband power amplifier MMIC s designed and fabricated using the nonuniform power amplifier design technique that utilizes drain shunt capacitors to simultaneously provide each transistor with the optimum load impedance and phase balance between input and output transm...

In this paper, a 2~16 GHz GaN wideband power amplifier MMIC s designed and fabricated using the nonuniform power amplifier design technique that utilizes drain shunt capacitors to simultaneously provide each transistor with the optimum load impedance and phase balance between input and output transmission lines. The power amplifier MMIC chip that is fabricated using the $0.25{\mu}m$ GaN HEMT foundry process of Win Semiconductors occupies an area of $3.9mm{\times}3.1mm$ and shows a linear gain of larger than 12 dB and an input return loss of greater than 10 dB. Under a continuous-wave mode, it has a saturated output power of 36.2~38.5 dBm and a power-added efficiency of about 8~16 % in 2 to 16 GHz.

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문제 정의

본 논문에서는 0.25 μm GaN HEMT 공정을 사용하여 2∼16 GHz의 광대역에서 동작하는 비균일 분산 전력증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다.
본 논문에서는 드레인 분기(shunt) 커패시터를 추가하여 입․출력 위상 균형을 맞추고, 동시에 최적 출력 정합을 만족시킬 수 있도록 제안된 설계 기법^[6]의 대역폭 확장 가능성을 검증하고자 2～16 GHz 5 W급 비균일 분산 전력증폭기 MMIC의 설계 및 제작 결과를 제시한다.

제안 방법

따라서 첫 번째 트랜지스터의 게이트 폭을 6×125 μm로, 7, 8번째 트랜지스터의 게이트 폭을 2×125μm로 대체함으로써 인공 전송선로 구현 및 광대역 임피던스 변환이 용이한 임피던스를 갖도록 트랜지스터 게이트 폭을 재분배하였다.
비균일 분산 전력증폭기의 출력 임피던스 20 Ω을 50 Ω으로 변환하는 광대역 임피던스 변환기는 다수의 병렬 커패시터와 짧은 길이의 마이크로스트립 선로를 활용한 π형 회로로 구현되었으며, 임피던스 변환기가 차지하는 면적을 줄일 수 있도록 설계되었다.
여기서 균일 분산증폭기의 드레인 및 게이트 인공 전송선로를 구성하는 마이크로스트립 선로의 특성 임피던스 Zd와 전기적 길이 θd 및 직렬 인덕터 Lg의 값은 일반적인 균일 분산증폭기 설계 기법을 통해 도출하였다.
전력 정합 위주의 비균일 분산 전력증폭기의 낮은 선형 이득을 보완하기 위한 구동 증폭단은 4×125 μm의 게이트 폭을 갖는 트랜지스터 5개를 사용하여 균일 분산증폭기 구조로 설계되었다.

대상 데이터

설계된 광대역 전력증폭기는 Win Semiconductors사의 0.25 μm GaN HEMT 파운드리 공정을 사용하여 제작되었으며, 제작된 칩의 사진이 그림 3에 나타나 있다.

성능/효과

이는 게이트 정합회로에서 회로 특성에 민감한 부분만 전자파 시뮬레이션을 수행한 결과로, 회로 전체에 대한 전자파 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션 #1과 같이 나타남을 역추적할 수 있었다. 2단 전력증폭기의 S₂₁은 12.5～15.4 dB의 측정 결과를 보였고, 입력 반사손실은 10 dB 이상의 값을 보였다.
25 μm GaN HEMT 공정을 사용하여 2∼16 GHz의 광대역에서 동작하는 비균일 분산 전력증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다. 드레인 분기 커패시터를 추가한 비균일 분산 전력증폭기 설계 기법의 대역폭 확장 가능성을 검증하기 위해 제작된 전력증폭기는 12 dB 이상의 선형이득과 10 dB 이상의 입력 반사손실을 가지며, 5 W 정도의 포화출력 전력을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN HEMT란 무슨 소자인가?	GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 Si 또는 GaAs 기반의 소자보다 큰 밴드갭의 이점으로 인해 높은 드레인 전압을 사용할 수 있어 트랜지스터의 최적 부하 저항을 크게 가져갈 수 있기 때문에, 50 Ω 시스템에 낮은 임피던스 변환비로 광대역 전력 정합을 달성하기 매우 유리한 소자이다.
	GaN HEMT 공정으로 제작된 MMIC 칩의 연속파모드 포화 출력 조건에서 측정된 전력과 전력부가효율은 어떻데 되는가?	1mm$이며, 주파수 대역 내에서 12 dB 이상의 선형 이득 및 10 dB 이상의 입력 반사 손실을 보였다. 연속파모드 포화출력 조건에서 측정된 출력 전력은 36.2~38.5 dBm의 값을 보였고, 전력부가효율은 약 8~16 %를 나타내었다.
	100 % 이상의 비대역폭을 갖는 GaN HEMT 기반의 광대역 전력증폭기 MMIC는 어느 구조에 적합한가?	100 % 이상의 비대역폭을 갖는 GaN HEMT 기반의 광대역 전력증폭기 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)는 리액티브 정합[1] 또는 분산 증폭 구조[2]～[5]로 연구된 바 있으며, L 대역에서 Ku 대역에 이르는 초광대역 전력증폭기는 평탄한 이득 및 대역폭 확장에 유리한 분산 증폭 구조가 비교적 적합하다고 볼 수 있다.

참고문헌 (6)

U. Schmid, H. Sledzik, P. Schuh, J. Schroth, M. Oppermann, P. Bruckner, F. van Raay, R. Quay, and M. S. Eggerbert, "Ultra-wideband GaN MMIC chip set and high power amplifier module for multi-function defence AESA applications", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 8, pp. 3043-3051, Aug. 2013.

상세보기
J. Gassmann, P. Watson, L. Kehias, and G. Henry, "Wideband, high-efficiency GaN power amplifiers utilizing a non-uniform distributed topology", IEEE MTT-S International Microw. Symp. Digest, pp. 615-618, Jun. 2007.
C. Campbell, C. Lee, V. Williams, M. Kao, H. 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
R. Santhakumar, B. Thibeault, M. Higashiwaki, S. Keller, Z. Chen, U. K. Mishra, and R. A. York, "Two-stage high-gain high-power distributed amplifier using dualgate GaN HEMTs", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 59, no. 8, pp. 2059-2063, Aug. 2011.

상세보기
E. Ersoy, S. Chevtchenko, P. Kurpas, and W. Heinrich, "A compact GaN-MMIC non-uniform distributed power amplifier for 2 to 12 GHz", German Microwave Conf. 2014(GeMIC 2014), Mar. 2014.
K. T. Bae, D. W. Kim, "2-6 GHz GaN distributed power amplifier MMIC with tapered gate-series/drainshunt capacitors", International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol. 26, no. 5, pp. 456-465, Mar. 2016.

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