[논문]GaN-HEMT를 이용한 X-대역 이단 전력증폭기 설계

이우석; 이휘섭; 박승국; 임원섭; 한재경; 박광근; 양영구

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.1.20

GaN-HEMT를 이용한 X-대역 이단 전력증폭기 설계
Design of Two-Stage X-Band Power Amplifier Using GaN-HEMT 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.1, 2016년, pp.20 - 26

이우석 (성균관대학교 정보통신대학) , 이휘섭 (성균관대학교 정보통신대학) , 박승국 (성균관대학교 정보통신대학) , 임원섭 (성균관대학교 정보통신대학) , 한재경 ((주)피플웍스) , 박광근 ((주)피플웍스) , 양영구 (성균관대학교 정보통신대학)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 GaN-HEMT를 이용하여 X-대역에서 동작하는 이단으로 구성된 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 높은 전력 이득을 얻기 위해 간단한 구조의 중간 단 정합 네트워크를 통해 이단으로 구성하였다. 3D EM 시뮬레이션을 통하여 본드와이어 인덕턴스와 기생 캐패시턴스를 예측하였다. 본드와이어 인덕턴스를 줄임으로써 정합 네트워크의 Q(quality-factor)를 최소화하여 대역 특성을 향상시켰다. 제작된 전력증폭기는 40 V의 동작 전압을 인가하였으며, 8.1~8.5 GHz에서 16 dB 이상의 전력 이득, 42.5 dBm 이상의 출력 전력, 35 % 이상의 효율 특성을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an X-band two-stage power amplifier using GaN-HEMT. Two-stage structure was adopted to take its high gain and simple inter-stage matching network. Based on a 3D EM simulation, the bond-wire inductance and the parasitic capacitance were predicted. By reducing bond-wire inductance, Q of the matching network is decreased and the bandwidth is improved. The implemented two-stage PA shows a power gain of more than 16 dB, saturated output power of more than 42.5 dBm, and a efficiency of more than 35 % in frequency range of 8.1~8.5 GHz with an operating voltage of 40 V.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GaN-HEMT bare-die를 이용하여 X-대역에서 동작하는 이단 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 본드와이어 인덕턴스와 기생 캐패시턴스에 의해 고조파 임피던스가 패키지 내부에서 정합되어 간단한 외부 정합 네트워크를 구성하였다.
본 논문에서는 GaN-HEMT bare-die의 패키징과 이를 이용하여 이단으로 구성된 X-대역 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 전력증폭기는 높은 전력 이득을 얻기 위해 보조 전력 증폭 단과 주 전력 증폭 단을 포함하여 이단으로 설계되었다.

제안 방법

따라서 각각의 본드와이어간의 적절한 간격을 유지하며, 인덕턴스를 최소화 하여야 한다. 3D EM 시뮬레이션을 통하여 본드와이어의 높이, 개수 및 간격을 최적화하여 인덕턴스를 최소화 하였다. 최적화 전후의 소스쪽 본드와이어 인덕턴스 시뮬레이션 결과, 보조 전력 증폭 단의 경우 0.
Keysight사의 ADS(Advanced Design System)을 이용하여 표 1에서 얻은 최적 임피던스를 기반으로 입출력 및 중간 단 정합을 하였다. ADS의 Momentum EM 시뮬레이션을 기반으로 하여 정합 네트워크를 최적화하였다. 입력과 중간 단 정합 네트워크에 병렬 저항과 캐패시터를 이용하여 회로의 안정성을 확보하고, 본드와이어 인덕턴스와 패키지 기생 캐패시턴스를 정합 네트워크에 포함하였다.
각각의 bare-die는 40 V의 동작 전압을 필요로 하며, DC～18 GHz 의 주파수 범위에서 사용이 가능하다^[7],^[8]. Bare-die 트랜지스터의 성능 검증을 위해 소스- 및 로드-풀을 하였다. 이를 통해 트랜지스터의 최적의 성능을 나타내는 임피던스를 추출하고 시뮬레이션 결과를 표 1에 나타내었다.
Keysight사의 ADS(Advanced Design System)을 이용하여 표 1에서 얻은 최적 임피던스를 기반으로 입출력 및 중간 단 정합을 하였다. ADS의 Momentum EM 시뮬레이션을 기반으로 하여 정합 네트워크를 최적화하였다.
본 논문에서는 GaN-HEMT bare-die를 이용하여 X-대역에서 동작하는 이단 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 본드와이어 인덕턴스와 기생 캐패시턴스에 의해 고조파 임피던스가 패키지 내부에서 정합되어 간단한 외부 정합 네트워크를 구성하였다. 또한, 3D EM 시뮬레이션을 통해 본드와이어와 기생 캐패시턴스를 예측하였고 본드와이어 인덕턴스를 줄임으로써 정합 네트워크의 Q를 감소시켜 대역 특성을 향상시켰다.
ADS의 Momentum EM 시뮬레이션을 기반으로 하여 정합 네트워크를 최적화하였다. 입력과 중간 단 정합 네트워크에 병렬 저항과 캐패시터를 이용하여 회로의 안정성을 확보하고, 본드와이어 인덕턴스와 패키지 기생 캐패시턴스를 정합 네트워크에 포함하였다. 2차 고조파 임피던스는 패키지 내부의 본드와이어와 기생 캐패시턴스에 의하여 정합되어 효율 상승 효과를 얻을 수 있고, 외부 정합 네트워크에 둔감하다.
본 논문에서는 GaN-HEMT bare-die의 패키징과 이를 이용하여 이단으로 구성된 X-대역 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 전력증폭기는 높은 전력 이득을 얻기 위해 보조 전력 증폭 단과 주 전력 증폭 단을 포함하여 이단으로 설계되었다. 더불어 3D EM 시뮬레이션을 통하여 본드와이어 인덕턴스와 패키지의 기생 캐패시턴스를 예측한 후 이를 정합 네트워크에 반영하여 최대 25 W의 출력 전력과 45.
5 dBm 이상의 출력 전력, 35 % 이상의 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 표 2에 기존의 전력증폭기의 성능과 제작된 전력증폭기의 성능을 비교하였다. 기존 전력증폭기들과 비교하였을 때 제안된 전력증폭기는 이단으로 구성하여 높은 전력 이득을 나타내며, 패키지 내부에서 본드와 이어와 기생 캐패시턴스에 의해 2차 고조파 임피던스가 정합되어 효율 향상 효과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

그림 1은 제안된 X-대역 GaN-HEMT 이단 전력증폭기의 전체 회로도를 나타낸다. 사용된 소자는 Cree사의 GaN-HEMT CGHV1J006D를 보조 전력 증폭 단으로, CG- HV1J025D를 주 전력 증폭 단으로 사용하였다. 각각의 bare-die는 40 V의 동작 전압을 필요로 하며, DC～18 GHz 의 주파수 범위에서 사용이 가능하다^[7],^[8].
트랜지스터는 방열과 크기를 고려해 2.0×3.0 mm2의 세라믹 패키지 내부에 실장하였고, 10 mil 두께의 Tarconic사의 TLY-5 기판을 사용하여 제작되었으며, 전체 회로의 크기는 64×47 mm2이다.

이론/모형

이로 인해외부 정합 네트워크는 기본파 임피던스만 정합되도록 간단하게 구성되었다. 더불어 대역 특성을 향상시키기 위해 정합 회로에 balanced stub를 사용하였다.

성능/효과

그림 8은 주파수에 따른 전력증폭기의 성능을 나타낸다. 8.1～8.5 GHz의 범위에서 16 dB 이상의 전력 이득, 42.5 dBm 이상의 출력 전력, 35 % 이상의 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 표 2에 기존의 전력증폭기의 성능과 제작된 전력증폭기의 성능을 비교하였다.
표 2에 기존의 전력증폭기의 성능과 제작된 전력증폭기의 성능을 비교하였다. 기존 전력증폭기들과 비교하였을 때 제안된 전력증폭기는 이단으로 구성하여 높은 전력 이득을 나타내며, 패키지 내부에서 본드와 이어와 기생 캐패시턴스에 의해 2차 고조파 임피던스가 정합되어 효율 향상 효과를 얻을 수 있었다. 이로 인해 기존의 전력증폭기에 비해 우수한 효율 특성을 보인다.
전력증폭기는 높은 전력 이득을 얻기 위해 보조 전력 증폭 단과 주 전력 증폭 단을 포함하여 이단으로 설계되었다. 더불어 3D EM 시뮬레이션을 통하여 본드와이어 인덕턴스와 패키지의 기생 캐패시턴스를 예측한 후 이를 정합 네트워크에 반영하여 최대 25 W의 출력 전력과 45.1 %의 고효율을 얻었다.
본드와이어 인덕턴스와 기생 캐패시턴스에 의해 고조파 임피던스가 패키지 내부에서 정합되어 간단한 외부 정합 네트워크를 구성하였다. 또한, 3D EM 시뮬레이션을 통해 본드와이어와 기생 캐패시턴스를 예측하였고 본드와이어 인덕턴스를 줄임으로써 정합 네트워크의 Q를 감소시켜 대역 특성을 향상시켰다. 세라믹 패키지 내부에 실장 하여 제작된 GaN-HEMT X-대역 이단 전력증폭기는 최대 20.
또한, 3D EM 시뮬레이션을 통해 본드와이어와 기생 캐패시턴스를 예측하였고 본드와이어 인덕턴스를 줄임으로써 정합 네트워크의 Q를 감소시켜 대역 특성을 향상시켰다. 세라믹 패키지 내부에 실장 하여 제작된 GaN-HEMT X-대역 이단 전력증폭기는 최대 20.9 dB의 전력 이득, 43.9 dBm의 출력 전력, 45.1 %의 고효율 특성을 나타내었다.
그림 5에 본드와이어 인덕턴스에 따른 소스 임피던스의 변화와 입력 정합 네트워크에 대한 Q값의 변화를 나타내었다. 제안된 구조의 트랜지스터 패키징을 통하여 보조 및 주 전력 증폭 단의 정합 네트워크의 Q를 각각 7.9와 16.0으로 줄임으로써 대역 특성에 보다 유리하도록 하였다.
3D EM 시뮬레이션을 통하여 본드와이어의 높이, 개수 및 간격을 최적화하여 인덕턴스를 최소화 하였다. 최적화 전후의 소스쪽 본드와이어 인덕턴스 시뮬레이션 결과, 보조 전력 증폭 단의 경우 0.88 nH에서 0.42 nH로, 주 전력 증폭 단의 경우 0.42 nH에서 0.24 nH로 최소화하였다.
3 dB 임을 알 수 있다. 측정 결과,8.2 GHz에서 최대 20.9 dB의 전력이득, 43.9 dBm 출력 전력 및 45.1 %의 효율을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN-HEMT이 주로 연구되는 목적은?	주로 군 통신이나 위성통신 주파수 대역으로 사용하는 X-대역에서 최근 고효율과 높은 출력 전력을 얻기 위해 GaN-HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Tran- sistor)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	X-대역과 같은 높은 주파수 대역 시스템에 적용하기 적합한 모델은?	주로 군 통신이나 위성통신 주파수 대역으로 사용하는 X-대역에서 최근 고효율과 높은 출력 전력을 얻기 위해 GaN-HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Tran- sistor)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	GaN-HEMT이 기존의 LDMOS, GaAs보다 큰 항복전압을 갖는 이유는?	이는 전체적인 전력 이득과 효율 저하에 상당한 영향을 미치게 된다. GaN-HEMT는 기존의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor), GaAs(Gallium Arsenide) 소자들 보다 에너지 밴드 갭이 넓어 큰 항복 전압을 가진다. 또한, 전력 밀도가 높아 출력 특성이 우수하며, 고효율 특성을 보인다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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