본 논문에서는 내부 정합된 GaN-HEMT를 이용하여 2.65 GHz에서 동작하는 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 패키지 내부의 정합회로는 고조파임피던스를 정합하기 위해 적용되었다. 동시에 기본주파수 임피던스가 부분적으로 정합되기 때문에 입력 및 출력 외부 정합회로는 간단해진다. 트랜지스터 패키지의 본드 와이어와 기생 성분은 EM시뮬레이션을 통해 예측되었다. Doherty 전력증폭기는 48 V의 동작 전압을 인가하였으며, 6.5 dB의 PAPR을 갖는 LTE 신호에 대해 2.65 GHz에서 13.0 dB의 전력이득, 55.4 dBm의 포화전력, 49.1 %의 효율 및 -26.3 dBc의 ACLR 특성을 얻었다.
본 논문에서는 내부 정합된 GaN-HEMT를 이용하여 2.65 GHz에서 동작하는 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 패키지 내부의 정합회로는 고조파 임피던스를 정합하기 위해 적용되었다. 동시에 기본주파수 임피던스가 부분적으로 정합되기 때문에 입력 및 출력 외부 정합회로는 간단해진다. 트랜지스터 패키지의 본드 와이어와 기생 성분은 EM 시뮬레이션을 통해 예측되었다. Doherty 전력증폭기는 48 V의 동작 전압을 인가하였으며, 6.5 dB의 PAPR을 갖는 LTE 신호에 대해 2.65 GHz에서 13.0 dB의 전력이득, 55.4 dBm의 포화전력, 49.1 %의 효율 및 -26.3 dBc의 ACLR 특성을 얻었다.
This paper presents a 2.65 GHz Doherty power amplifier with internally-matched GaN HEMT. Internal matching circuits were adopted to match its harmonic impedances inside the package. Simultaneously, due to the partially matched fundamental impedance, input and output matching networks become simpler....
This paper presents a 2.65 GHz Doherty power amplifier with internally-matched GaN HEMT. Internal matching circuits were adopted to match its harmonic impedances inside the package. Simultaneously, due to the partially matched fundamental impedance, input and output matching networks become simpler. Bond wires and parasitic elements of transistor package were predicted by EM simulation. For the LTE signal with 6.5 dB PAPR, the implemented Doherty power amplifier shows a power gain of 13.0 dB, a saturated output power of 55.4 dBm, an efficiency of 49.1 %, and ACLR of -26.3 dBc at 2.65 GHz with an operating voltage of 48 V.
This paper presents a 2.65 GHz Doherty power amplifier with internally-matched GaN HEMT. Internal matching circuits were adopted to match its harmonic impedances inside the package. Simultaneously, due to the partially matched fundamental impedance, input and output matching networks become simpler. Bond wires and parasitic elements of transistor package were predicted by EM simulation. For the LTE signal with 6.5 dB PAPR, the implemented Doherty power amplifier shows a power gain of 13.0 dB, a saturated output power of 55.4 dBm, an efficiency of 49.1 %, and ACLR of -26.3 dBc at 2.65 GHz with an operating voltage of 48 V.
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문제 정의
본 논문에서는 GaN-HEMT bare die와 내부 정합회로를 이용하여 350 W Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 내부 정합회로의 고조파 임피던스 정합을 통한 고효율을 얻었고, 패키지 내부에서 기본주파수 임피던스의 향상으로 외부 정합회로를 간단히 구성하였다.
제안 방법
GaN-HEMT는 Cree사의 CGH60120D bare die를 48 V로 동작시켜 사용하였다. 내부 정합회로를 이용하여 제작한 220 W급 트랜지스터 패키지와 간단한 외부 정합 회로를 추가하여 Carrier와 Peaking 증폭기를 구성하였다. 또한, 회로 안정화를 위한 10 Ω 저항과 10 pF의 커페시터로 구성된 stabilization network를 입력 측에 추가하였다.
내부 정합회로를 이용하여 패키지 내부에서의 고조파 임피던스 정합 및 기본주파수 임피던스를 향상시켜 패키지 외부에서 50 Ω 정합을 용이하게 하였다.
본 논문에서는 GaN-HEMT bare die와 내부 정합회로를 이용하여 350 W Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 내부 정합회로의 고조파 임피던스 정합을 통한 고효율을 얻었고, 패키지 내부에서 기본주파수 임피던스의 향상으로 외부 정합회로를 간단히 구성하였다. 내부 정합회로의 적용을 위해 패키지 내부를 EM 시뮬레이션 및 등가 회로화 하였고, 이를 설계에 반영하였다.
내부 정합회로의 고조파 임피던스 정합을 통한 고효율을 얻었고, 패키지 내부에서 기본주파수 임피던스의 향상으로 외부 정합회로를 간단히 구성하였다. 내부 정합회로의 적용을 위해 패키지 내부를 EM 시뮬레이션 및 등가 회로화 하였고, 이를 설계에 반영하였다. 제작된 2.
특히, 본드와이어의 인덕턴스는 고조파 정합에 중요한 영향을 미치기 때문에 인덕턴스의 정확한 예측이 필요하다. 또한, 본드와이어들이 나란히 좁은 간격으로 배치되기 때문에 상호 인덕턴스 성분이 고려되어야 하고, 이를 위해 EM 시뮬레이션을 진행하였다. 추가적으로 적절한 기본주파수 및 고조파 임피던스 정합을 위해 병렬 커페시터(CG1, CD1)가 패키지 내부에 포함되었다.
트랜지스터 패키지 내부 EM(electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 본드와이어 및 패키지의 기생성분을 등가 모델링하여 예측하였고, 이를 설계에 반영하였다. 또한, 제작한 전력증폭기를 이용하여 Doherty 전력증폭기 회로를 구성하였으며, 이를 6.5 dB의 PAPR을 갖는 변조 신호에 대하여 검증하였다.
또한, 회로 안정화를 위한 10 Ω 저항과 10 pF의 커페시터로 구성된 stabilization network를 입력 측에 추가하였다.
본 논문에서는 GaN-HEMT bare die와 내부 정합회로를 이용하여 2.65 GHz 350 W 고출력 Doherty 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 내부 정합회로를 이용하여 패키지 내부에서의 고조파 임피던스 정합 및 기본주파수 임피던스를 향상시켜 패키지 외부에서 50 Ω 정합을 용이하게 하였다.
내부 정합회로를 이용하여 패키지 내부에서의 고조파 임피던스 정합 및 기본주파수 임피던스를 향상시켜 패키지 외부에서 50 Ω 정합을 용이하게 하였다. 트랜지스터 패키지 내부 EM(electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 본드와이어 및 패키지의 기생성분을 등가 모델링하여 예측하였고, 이를 설계에 반영하였다. 또한, 제작한 전력증폭기를 이용하여 Doherty 전력증폭기 회로를 구성하였으며, 이를 6.
그림 6은 제안된 내부 정합회로와 GaN-HEMT 패키지 내부 모습을 나타낸다. 패키지 내부는 정확한 설계 및 예측이 필요하기 때문에 Ansoft사의 HFSS 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 본드와이어의 인덕턴스는 고조파 정합에 중요한 영향을 미치기 때문에 인덕턴스의 정확한 예측이 필요하다.
추가적으로 적절한 기본주파수 및 고조파 임피던스 정합을 위해 병렬 커페시터(CG1, CD1)가 패키지 내부에 포함되었다. 패키지 리드 성분은 Metal-Insulator-Metal의 MIM 커페시터구조로 EM 시뮬레이션을 통하여 병렬 커페시터(CG2,PKG, CD2,PKG)로 등가화 하였다.
대상 데이터
그림 7은 제안된 Doherty 전력증폭기의 전체 회로도를 나타낸다. GaN-HEMT는 Cree사의 CGH60120D bare die를 48 V로 동작시켜 사용하였다. 내부 정합회로를 이용하여 제작한 220 W급 트랜지스터 패키지와 간단한 외부 정합 회로를 추가하여 Carrier와 Peaking 증폭기를 구성하였다.
기판은 두께 0.5 mm의 Rogers사 RO4350B을 사용하여 제작하였고, 전체 회로 크기는 12.6×10.3 cm 2이다.
그림 9는 내부 정합회로를 이용하여 제작된 220 W급 트랜지스터 패키지와 간단한 외부 정합회로를 추가하여 구성한 단일 전력증폭기의 Long Term Evolution(LTE) 신호 측정 결과를 나타낸다. 사용된 2.65 GHz의 LTE 신호는 downlink 10 MHz의 채널 대역폭을 갖고, 6.5 dB의 PAPR을 갖는 신호이며, 정지전류 500 mA의 Class AB로 동작시켰다. LTE 신호에 대하여 측정한 결과, 평균 전력 46.
성능/효과
LTE 신호에 대하여 측정한 결과, 평균 전력 46.0 dBm에서 38.4%의 효율 및 —33.3 dBc의 Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR)을 얻었다.
LTE 측정결과, 13.0 dB의 전력이득을 얻 었고, 48.9 dBm의 출력전력에서 49.1 %의 효율 및 —26.3 dBc의 ACLR 특성을 얻었다.
시뮬레이션 결과, 내부 정합회로를 통해 1Ω 미만의 소스 임피던스와 2～3 Ω의 로드 임피던스는 10Ω 이상의 임피던스로 향상되었다.
내부 정합회로의 적용을 위해 패키지 내부를 EM 시뮬레이션 및 등가 회로화 하였고, 이를 설계에 반영하였다. 제작된 2.65 GHz Doherty 전력증폭기는 6.5 dB의 PAPR을 갖는 LTE 신호로 측정한 결과, 13.0 dB의 전력이득, 평균전력 48.9 dBm에서 49.1 %의 효율 및 —26.3 dBc의 ACLR 특성을 얻었다. 제작된 Doherty 전력증폭기의 포화전력은 약 350 W로 기지국용 전력증폭기의 최종 단에 사용이 가능하다.
3 dBc의 ACLR 특성을 얻었다. 제작된 Doherty 전력증폭기의 포화전력은 약 350 W로 기지국용 전력증폭기의 최종 단에 사용이 가능하다.
3 dBc의 Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR)을 얻었다. 포화 전력 측정을 위해 10 %의 con-tinuous wave 신호가 사용되었으며, 측정결과 포화전력은 53.5 dBm을 얻었다. 그림 10은 단일 전력증폭기로 구성한 Doherty 전력증폭기의 LTE 신호 측정 결과를 나타낸다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내부 정합회로에 사용하는 커페시터 및 본드 와이어의 장점은?
마지막으로, 고출력 트랜지스터의 경우, 소스 및 로드 임피던스가 수 Ω의 낮은 최적 임피던스를 가지며, 이를 50 Ω의 임피던스로 정합할 경우 많은 정합손실이 발생하게 된다. 내부 정합회로에 사용하는 커페시터 및 본드 와이어는 높은 Q(Quality factor)를 가지므로 손실을 줄일 수 있으며, 기본주파수 임피던스가 부분적으로 정합되기 때문에 외부 정합이 용이해진다.
GaN-HEMT 소자가 고출력 전력증폭기 설계에 적합한 이유는?
GaN-HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Tran- sistor) 소자는 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Se- miconductor), GaAs(Gallium Arsenide) 소자들보다 에너지 밴드 갭이 넓어 큰 항복 전압을 가진다. 또한, 전력 밀도가 높아 출력 특성이 우수하며, 고효율 특성을 보인다. 이로 인해 고출력 전력증폭기의 설계에 더욱 적합하다.
고출력 전력증폭기 설계에 내부 정합회로를 사용하면 회로가 간단해지는 이유는?
이러한 문제를 해결하기 위하여 내부 정합회로를 사용하게 되면 넓은 대역폭의 고조파 임피던스를 정합할 수 있게 된다. 둘째, 패키지 내부에서 주로 고조파 임피던스 단락회로를 이용하여 정합하므로 패키지 외부에 바라보는 임피던스에 관계없이 고조파 임피던스는 고효율 영역으로 정합되며[6], 외부 고조파 임피던스 정합회로가 추가적으로 필요하지 않게 되어 회로가 간단해진다. 마지막으로, 고출력 트랜지스터의 경우, 소스 및 로드 임피던스가 수 Ω의 낮은 최적 임피던스를 가지며, 이를 50 Ω의 임피던스로 정합할 경우 많은 정합손실이 발생하게 된다.
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