본 논문에서는 InGaAs enhancement mode $0.15{\mu}m$ pHEMT를 이용하여 6~10 GHz 대역에서 동작하는 wide-band 전력증폭기를 설계하였다. Enhancement 소자는 gate 바이어스를 양전압으로 사용하며, 음전압을 위한 추가회로 구성이 없어지며 모듈의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 본 설계에서는 3D-EM(electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 패키지 본드와이어의 인덕턴스 및 기판 손실을 예측하여 설계하였다. 광대역을 위해 lossy matching을 사용하고, 전력, 효율 관점에서 최적의 바이어스를 선정하여 설계하였다. 제안한 전력증폭기의 패키지 칩은 6~10 GHz 대역에서 20 dB 이상의 평탄 이득, 8 dB 이상의 입출력 반사손실, 출력전력은 27 dBm 이상, 전력부가효율은 35 % 이상으로 측정되었다.
본 논문에서는 InGaAs enhancement mode $0.15{\mu}m$ pHEMT를 이용하여 6~10 GHz 대역에서 동작하는 wide-band 전력증폭기를 설계하였다. Enhancement 소자는 gate 바이어스를 양전압으로 사용하며, 음전압을 위한 추가회로 구성이 없어지며 모듈의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 본 설계에서는 3D-EM(electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 패키지 본드와이어의 인덕턴스 및 기판 손실을 예측하여 설계하였다. 광대역을 위해 lossy matching을 사용하고, 전력, 효율 관점에서 최적의 바이어스를 선정하여 설계하였다. 제안한 전력증폭기의 패키지 칩은 6~10 GHz 대역에서 20 dB 이상의 평탄 이득, 8 dB 이상의 입출력 반사손실, 출력전력은 27 dBm 이상, 전력부가효율은 35 % 이상으로 측정되었다.
A 6~10 GHz wide-band power amplifier was designed using an InGaAs enhancement-mode(E-mode) $0.15{\mu}m$ pseudomorphic high-electron-mobility transistor(pHEMT). The positive gate bias of the E-mode pHEMT device removes the need for complex negative voltage generation circuits, therefore re...
A 6~10 GHz wide-band power amplifier was designed using an InGaAs enhancement-mode(E-mode) $0.15{\mu}m$ pseudomorphic high-electron-mobility transistor(pHEMT). The positive gate bias of the E-mode pHEMT device removes the need for complex negative voltage generation circuits, therefore reducing the module size. The wire bond and substrate loss parameters were modeled and extracted using a three-dimensional electromagnetic(3D EM) simulation. For wideband characteristics, lossy matching was adopted and the gate bias was optimized for maximum power and efficiency. The measured gain, in/output return loss, output power, and power-added efficiency were greater than 20 dB, 8 dB, 27 dBm, and 35 %, respectively, in the 6~10 GHz band.
A 6~10 GHz wide-band power amplifier was designed using an InGaAs enhancement-mode(E-mode) $0.15{\mu}m$ pseudomorphic high-electron-mobility transistor(pHEMT). The positive gate bias of the E-mode pHEMT device removes the need for complex negative voltage generation circuits, therefore reducing the module size. The wire bond and substrate loss parameters were modeled and extracted using a three-dimensional electromagnetic(3D EM) simulation. For wideband characteristics, lossy matching was adopted and the gate bias was optimized for maximum power and efficiency. The measured gain, in/output return loss, output power, and power-added efficiency were greater than 20 dB, 8 dB, 27 dBm, and 35 %, respectively, in the 6~10 GHz band.
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문제 정의
본 논문에서는 0.15 μm InGaAs enhancement mode pHEMT공정을 사용하여 Wide-band 대역에서 동작하는 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. Enhancement mode 소자를 사용하여 외부에 추가적인 음전원 회로없이 동작이 가능하며 전력증폭기의 복잡성을 줄였다.
제안 방법
지금까지의 연구결과들은 본 상위대역 UWB 응용에 적합한 고효율의 PA가 발표된 사례가 극히 드물다[1]～[3]. 따라서 본 논문에서는 해당 대역에 최적화된 InGaAspHEMT 소자 기반의 27 dBm의 고출력, 고효율 PA MMIC를 제작하였고, 3D-EM 시뮬레이션을 기법을 통하여 패키지 본드 와이어의 인덕턴스 및 기판 loss를 정확히 예측하고 설계에 반영하였다. 제작된 전력증폭기는 광대역을 특성을 얻기 위해 lossy matching 기법을 사용하였으며, 충분한 이득을 얻기 위해 구동전력증폭기와 주 전력증폭기로 구현하였다.
그림 4는 위의 최적화 방법을 기반으로 패키지에 대한 시뮬레이션을 결과를 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과를 S-parameter로 모델링하여 설계되는 6～10 GHz 대역의 MMIC 설계에 적용하였고, 패키지 조립 시 출력전력 27 dBm, 20 dB 이상의 이득을 갖도록 설계를 진행하였다.
대상 데이터
사용되는 주파수에서의 최대 출력전력과 효율에 최적인 임피던스를 찾고 이를 이용하여 입출력 정합 및 중간정합을 진행하였다. 구동 증폭기로 사용된 M1은 8×75 μm 크기의 트랜지스터를 사용하였고, 27 dBm 이상의 전력을 설계하기 위해 M2는 8×100 μm 크기 트랜지스터 2개를 전력 결합기로 연결하여 주 전력증폭기로 사용하였다. 바이어스 되는 게이트 바이어스 전압(VG)은 0.
설계된 전력증폭기는 Win Semiconductors사의 0.15 μmGaAs pHEMT 공정을 사용하여 제작되었으며, 그림 5(a)MMIC 칩의 사진을 나타내며 전체 칩 사이즈는 1.9 mm×1.45 mm로 제작되었다. 그림 5(b)는 제작된 전력증폭기의 평가를 위해 제작된 패키지 및 측정지그의 사진이다.
설계에 사용된 PDK(Process Design Kit) 공정은 대만의 Win semiconductor사의 0.15 μm InGaAs enhancement mode pHEMT 공정을 사용하였다. Enhancement mode device의 경우, 게이트에 양전압을 사용하여 기존의 화합물 반도체에서 사용하는 음전원 바이어스 회로없이 모듈제작이 가능하다.
데이터처리
Enable pin은 전력증폭기의 동작을 on-off 제어할 수 있도록 설계되어 UWB 레이다 시스템에서 동작 시 외부에서 on-off 기능을 활용하여 저전력으로 시스템 운용이 가능하도록 설계하였다. 설계의 정확도를 높이기 위해 모든 수동 소자를 2.5D Momentum 시뮬레이션으로 입출력 및 중간정합을 검증하였다.
제안된 전력증폭기의 QFN(Quad Flat No leads) 패키지와 PCB 기판의 선로 손실을 최적화하기 위한 HFSS EM 시뮬레이션을 진행하였다. 패키지는 일반적인 24-pin 4×4mm2 QFN 패키지를 사용하였다.
이론/모형
그림 1은 제안된 6～10 GHz 대역 InGaAs MMIC전력증폭기의 전체 회로도를 나타낸다. 각 단에 사용된 트랜지스터는 Kesyght사의 ADS를 사용하여 load-pull과 source-pull 시뮬레이션을 적용하였다. 사용되는 주파수에서의 최대 출력전력과 효율에 최적인 임피던스를 찾고 이를 이용하여 입출력 정합 및 중간정합을 진행하였다.
설계에서는 광대역 특성을 얻고, 회로의 안정적인 동작을 위해서 lossy matching 기법을 사용하였다. 설계가 쉽고 적은 수의 수동소자로 광대역을 얻어 칩 면적과 저가격에 유리한 매칭 기술이다[5].
따라서 본 논문에서는 해당 대역에 최적화된 InGaAspHEMT 소자 기반의 27 dBm의 고출력, 고효율 PA MMIC를 제작하였고, 3D-EM 시뮬레이션을 기법을 통하여 패키지 본드 와이어의 인덕턴스 및 기판 loss를 정확히 예측하고 설계에 반영하였다. 제작된 전력증폭기는 광대역을 특성을 얻기 위해 lossy matching 기법을 사용하였으며, 충분한 이득을 얻기 위해 구동전력증폭기와 주 전력증폭기로 구현하였다. 또한 UWB의 장점은 임펄스로 신호방출이 되지 않는 대부분의 시간구간에서 전력증폭기도 off를 시켜야 저전력의 구현이 가능한데, 이를 위해 전력증폭기에 Enable 제어단자를 통해 쉽게 전력증폭기를 on-off하여 전력소모를 최소화할 수 있도록 구현하였다.
성능/효과
그림 8은 각각의 주파수에 대한 전력증폭기 성능을 나타낸다. 동일한 바이어스를 사용하여 측정하였고, 6～10 GHz 범위에서 최대출력전력 27 dBm 이상, 전력부가효율 35 % 이상의 결과를 얻을 수 있었다. 표 1은 기존의 전력증폭기의 성능과 제작된 전력증폭기의 성능을 비교한 결과표이다.
그림 7은 측정된 출력 전력, 이득 및 전력 부가효율 그래프이다. 제작된 전력증폭기는 중심 주파수 8 GHz에서 신호를 인가하였을 때 21.3 dB의 전력 이득을 가지고 최대출력전력 27.5 dBm의 전력에서 42.5 %의 전력 부가효율을 나타낸다. 그림 8은 각각의 주파수에 대한 전력증폭기 성능을 나타낸다.
그림 6은 제작된 전력증폭기의 시뮬레이션 결과와 측정된 S파라미터 결과를 나타내고 있다. 측정된 결과는 주파수 6～10 GHz에서 소신호 이득 20 dB 이상, 입출력 반사계수 −8 dB 이하의 결과를 얻을 수 있었다. S11과 S22의 차이가 일부 있으나, 측정 시 커넥터가 추가되었으며, 모델링된 와이어와 전송선로의 오차로 추정된다.
후속연구
표 1은 기존의 전력증폭기의 성능과 제작된 전력증폭기의 성능을 비교한 결과표이다. 기존과 비교하였을 때 제안된 전력증폭기는 3D-EM 시뮬레이션을 기반으로 설계된 주파수대역에서 작은 칩 크기에 20 dB 이상의 높은 이득과 평탄한 이득 특성, 높은 효율로 제작이 되었으며, 이는 UWB 레이다 시스템에서 제한된 환경, 군용으로 사용할 경우, 제한 규격 이상의 출력전력이 사용되는 전력증폭기로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
lossy matching 기법은 무엇인가?
설계에서는 광대역 특성을 얻고, 회로의 안정적인 동작을 위해서 lossy matching 기법을 사용하였다. 설계가 쉽고 적은 수의 수동소자로 광대역을 얻어 칩 면적과 저가격에 유리한 매칭 기술이다[5]. 설계에서 사용된 lossy matching은 그림 1에서 병렬 RCstbn구조를 사용하였다.
high band 대역인 7.2～10.6 GHz에서 RF회로 설계 시 어떤 특징이 있는가?
2～10.6 GHz 대역의 경우, 주파수가 높아 회로의 성능이 조금 떨어지는 단점은 있으나, 전파법에서 구현이 어려운 DAA(Detection And Avoid)의 구현 의무가 없고, 안테나의 크기가 작아 응용 분야가 넓고 주변 간섭원이 적어 수신신호 상태가 매우 양호하다. UWB 레이다는 송신전력이 낮지만 짧은 임펄스 파형을 사용하여 거리 분해능이 매우 정밀하여 근거리 탐지에 주로 사용된다.
UWB 레이다의 특징은 무엇인가?
6 GHz 대역의 경우, 주파수가 높아 회로의 성능이 조금 떨어지는 단점은 있으나, 전파법에서 구현이 어려운 DAA(Detection And Avoid)의 구현 의무가 없고, 안테나의 크기가 작아 응용 분야가 넓고 주변 간섭원이 적어 수신신호 상태가 매우 양호하다. UWB 레이다는 송신전력이 낮지만 짧은 임펄스 파형을 사용하여 거리 분해능이 매우 정밀하여 근거리 탐지에 주로 사용된다. 이러한 UWB 기술은 −41.
참고문헌 (10)
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X. Ding, L. Zhang, "A high-efficiency GaAs MMIC power amplifier for multi-standard system," IEEE Microwave and Wireless Component Letters, vol. 26, pp. 55-57, Jan. 2016.
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O. Silva, I. Angelov, and H. Zirath, "Octave band linear MMIC amplifier with +40-dBm OIP3 for high-reliability space applications," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 64, no. 7, pp. 2059-2067, Jul. 2016.
Y. C. Lin, T. S. Horng, L. T. Hwang, C. T. Chiu, and C. P. Hung, "Low cost QFN package design for millimeter- wave applications," in 2012 IEEE 62nd Electronic Components and Technology Conference, San Diego, CA, 2012, pp. 915-919.
A. Chandrasekhar, S. Stoukatch, S. Brebels, J. Balachandran, E. Beyne, and W. De Raedt, et al., "Characterisation, modelling and design of bond-wire interconnects for chip-package co-design insertion loss(dB)," in 33rd European Microwave Conference Proceedings, Munich, 2003, vol. 1, pp. 301-304.
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