[논문]0.25 ㎛ GaN HEMT 기술을 이용한 우수한 성능의 X-대역 전력 증폭기

이복형; 박병준; 최선열; 임병옥; 고주석; 김성찬

doi:10.7471/ikeee.2019.23.2.425

0.25 ㎛ GaN HEMT 기술을 이용한 우수한 성능의 X-대역 전력 증폭기
High performance X-band power amplifier MMIC using a 0.25 ㎛ GaN HEMT technology 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.2, 2019년, pp.425 - 430

이복형 (AESA Radar R&D Center, Hanwha Systems) , 박병준 (AESA Radar R&D Center, Hanwha Systems) , 최선열 (AESA Radar R&D Center, Hanwha Systems) , 임병옥 (R&D Division, GP Inc.) , 고주석 (R&D Division, GP Inc.) , 김성찬 (Department of Electronic Engineering, Hanbat National University)

초록
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본 논문에서는 게이트 길이가 $0.25{\mu}m$인 GaN HEMT 기술을 사용하여 개발된 X-대역 전력 증폭기의 특성을 기술한다. 개발된 X-대역 전력 증폭기는 9~10 GHz의 대역에서 22.7 dB 이상의 소신호 이득과 43.02 dBm(20.04 W) 이상의 포화 출력 전력을 가진다. 최대 포화 출력 전력은 9.5 GHz에서 43.84 dBm (24.21 W)이였다. 전력 부가 효율은 41.0~51.24%의 특성을 얻었으며 칩의 크기는 $3.7mm{\times}2.3mm$이다. 출력 전력 밀도는 $2.84W/mm^2$를 나타내었다. 개발된 GaN 전력 증폭기는 다양한 X-대역 레이더 응용에 적용 가능할 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This work describes the design and characterization of a X-band power amplifier (PA) monolithic microwave integrated circuit (MMIC) using a $0.25{\mu}m$ gate length gallium nitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT) technology. The developed X-band power amplifier MMIC has small signal gain of over 22.7 dB and saturated output power of 43.02 dBm (20.04 W) over the entire band of 9 to 10 GHz. Maximum saturated output power is a 43.84 dBm (24.21 W) at 9.5 GHz. Its power added efficiency (PAE) is 41.0~51.24% and the chip dimensions are $3.7mm{\times}2.3mm$, generating the output power density of $2.84W/mm^2$. The developed GaN power amplifier MMIC is expected to be applied in a variety of X-band radar applications.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the designed X-band GaN power amplifier MMIC. 그림 1. 설계된 X-대역 GaN 전력 증폭기의 회로도
그림 Fig. 2. Chip photograph of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 2. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 칩 사진
그림 Fig. 3. Photograph of the test fixture for the fabricated two- stage GaN power amplifier MMIC. 그림 3. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기 성능 검증을 위한 측정 치구 사진
그림 Fig. 4. Measured S-parameters characteristics of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 4. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 S-parameters 특성 측정 결과
그림 Fig. 5. Measured output power characteristics of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 5. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 출력 전력 특성 측정 결과
그림 Fig. 6. Measured output power and power gain characteristics of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 6. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 출력 전력 특성과 전력 이득 측정 결과
그림 Fig. 7. Measured drain current characteristics of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 7. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 드레인 전류 특성 측정 결과
그림 Fig. 8. Measured output power and power gain characteristics of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 8. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 출력 전력 특성과 전력 이득 측정 결과
표 Table 1. The comparison of the developed X-band GaN power amplifier MMICs with other reported data. 표 1. 개발된 X-band GaN 전력 증폭기의 특성 비교

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 게이트 길이가 0.25㎛인 GaNHEMT 기술을 사용하여 개발된 X-대역 전력 증폭기의 특성을 기술한다. 개발된 X-대역 전력 증폭기는 9～10GHz의 대역에서 22.
본 논문에서는 게이트 길이가 0.25㎛인 GaNHEMT(high electron mobility transistor) 기술을 사용하여 X-대역 레이더 응용에 활용 가능한 고출력 반도체 전력 증폭기 설계와 제작에 관한 내용을 기술한다. 주요 성능지표로서 9～10GHz의 동작주파수 범위에서 20dB 이상의 소신호 이득, 42dBm이상의 포화 출력 전력, 40% 이상의 전력 부가 효율 등을 설정하였다.

제안 방법

2단으로 구성된 전력 증폭기는 마이크로스트립라인(microstrip line)을 사용하여 정합(matching)회로를 구성하였다. 입력 정합 회로는 높은 이득구현을 위해 공액 정합하였으며 출력 정합 회로는 높은 출력 전력 구현을 위하여 전력 정합을 실시하였다.
X-대역에서 동작하는 전력 증폭기를 개발하기 위하여 마이크로스트립 기반 AlGaN/GaN HEMT소자를 사용하여 설계를 진행하였다. HEMT 공정은 대만 WIN Semi.
각 단 HEMT 단위 소자의 입력/출력 임피던스를 추출하여 단간 정합을 수행하였다. 회로 안정화를 위하여 각각 HEMT 단위 소자의 입력에 저항- 커패시터 (RC) 병렬 회로를 추가하였으며, 게이트 바이어스 라인에 직렬 저항을 삽입하였다.
회로 안정화를 위하여 각각 HEMT 단위 소자의 입력에 저항- 커패시터 (RC) 병렬 회로를 추가하였으며, 게이트 바이어스 라인에 직렬 저항을 삽입하였다. 기수 모드발진(odd mode oscillation)을 방지하기 위하여 인접한 HEMT 단위 소자 사이에 직렬 저항을 삽입하였다.
설계된 전력 증폭기는 출력전력을 위한 출력단과 소신호 이득을 위한 입력단의 2단 구조로 구성되어 있다. 단위 게이트 폭이 150㎛, 게이트 수가 8개인 GaN HEMT 단위소자의 load-pull 시뮬레이션 결과 10GHz에서 약 37dBm의 출력 전력을 기대할 수 있으므로 최종 42dBm 이상의 출력 전력을 얻기 위하여 4개의 GaN HEMT 단위 소자를 병렬로 연결하였다.
설계된 20W(43dBm) 전력 증폭기의 전체 회로패턴은 NI/AWR’s AXIEM 전자기 시뮬레이션 툴을 통하여 최적화를 수행하였다.
그림 1에 X-대역에서 동작하는 GaN 전력 증폭기의 회로도를 나타내었다. 설계된 전력 증폭기는 출력전력을 위한 출력단과 소신호 이득을 위한 입력단의 2단 구조로 구성되어 있다. 단위 게이트 폭이 150㎛, 게이트 수가 8개인 GaN HEMT 단위소자의 load-pull 시뮬레이션 결과 10GHz에서 약 37dBm의 출력 전력을 기대할 수 있으므로 최종 42dBm 이상의 출력 전력을 얻기 위하여 4개의 GaN HEMT 단위 소자를 병렬로 연결하였다.
그림 3에 제작된 실험 치구를 나타내었다. 실험 치구를 사용하는 전력 증폭기의측정은 200 ㎲의 펄스 폭(pulse width)과 4%의 듀티사이클(duty cycle)의 펄스 모드에서 진행되었다.
2단으로 구성된 전력 증폭기는 마이크로스트립라인(microstrip line)을 사용하여 정합(matching)회로를 구성하였다. 입력 정합 회로는 높은 이득구현을 위해 공액 정합하였으며 출력 정합 회로는 높은 출력 전력 구현을 위하여 전력 정합을 실시하였다.
먼저 40 mil 두께의CuMo carrier plate에 전력 증폭기 칩을 AuSn을사용하여 접착하고, 이를 알루미늄 실험 치구에 조립하였다. 전력 증폭기의 입력과 출력 단자는 Au와이어 본딩(wire bonding)을 사용하여 10 mil 두께 알루미나 기판의 50 Ω 마이크로스트립 라인에 연결하였다. 입력 및 출력 단자에서의 와이어 인덕턴스(inductance)는 회로 시뮬레이션에서 미리 고려되어 설계에 반영하였으며 50 Ω 마이크로스트립 라인의 반대 영역은 SMA 커넥터에 연결되어있다.
제작된 전력 증폭기의 성능 검증을 위해 측정 치구(test fixture)를 제작하였다. 먼저 40 mil 두께의CuMo carrier plate에 전력 증폭기 칩을 AuSn을사용하여 접착하고, 이를 알루미늄 실험 치구에 조립하였다.
25㎛인 GaNHEMT(high electron mobility transistor) 기술을 사용하여 X-대역 레이더 응용에 활용 가능한 고출력 반도체 전력 증폭기 설계와 제작에 관한 내용을 기술한다. 주요 성능지표로서 9～10GHz의 동작주파수 범위에서 20dB 이상의 소신호 이득, 42dBm이상의 포화 출력 전력, 40% 이상의 전력 부가 효율 등을 설정하였다.
표 1에 개발된 X-대역 GaN 전력 증폭기의 측정결과를 요약하고, 해외 유수의 반도체 업체에서 개발한 X-대역 GaN 전력 증폭기의 특성과 비교하였다. 본 논문에서 개발된 X-대역 GaN 전력 증폭기는 전력 부가 효율과 전력 밀도 특성을 포함하는 주요 성능 지표에서 우수한 경쟁력을 가지며 다양한 X-대역 레이더 응용에 충분히 적용 가능할 것으로 예상된다.
각 단 HEMT 단위 소자의 입력/출력 임피던스를 추출하여 단간 정합을 수행하였다. 회로 안정화를 위하여 각각 HEMT 단위 소자의 입력에 저항- 커패시터 (RC) 병렬 회로를 추가하였으며, 게이트 바이어스 라인에 직렬 저항을 삽입하였다. 기수 모드발진(odd mode oscillation)을 방지하기 위하여 인접한 HEMT 단위 소자 사이에 직렬 저항을 삽입하였다.

대상 데이터

Corp.의 NP2500 라이브러리를 사용하였다. WIN Semi.

성능/효과

25㎛인 GaNHEMT 기술을 사용하여 개발된 X-대역 전력 증폭기의 특성을 기술한다. 개발된 X-대역 전력 증폭기는 9～10GHz의 대역에서 22.7dB 이상의 소신호 이득과 43.02dBm(20.04W) 이상의 포화 출력전력을 가진다. 최대 포화 출력 전력은 9.
설계된 20W(43dBm) 전력 증폭기의 전체 회로패턴은 NI/AWR’s AXIEM 전자기 시뮬레이션 툴을 통하여 최적화를 수행하였다. 전자기 시뮬레이션을 통하여 최적화된 전력 증폭기는 9～10GHz의 동작 주파수에서 22dB 이상의 소신호 이득과 42.4dBm 이상의 출력 전력 및 42% 이상의 전력 부가효율 특성을 나타내었다.
출력 전력 특성은 28V의 드레인 전압 및 –2.4V의 게이트 전압 조건 아래에서 입력 전력이 30dBm인 경우 동작주파수 전 대역에서 43dBm(20.04W) 이상의 포화 출력 전력 특성을 얻었으며, 최대 포화 출력 전력은 9.5GHz에서 43.84dBm(24.21W)이였다.
입력 전력 특성에 대한 드레인 전류 특성과 동작주파수 대역에 대한 출력 전력 및 전력 부가 효율특성을 그림 7과 그림 8에 각각 나타내었다. 포화출력 전력 상태에서 1318～1605mA의 드레인 전류 특성을 얻었으며, 전력 부가 효율 특성은 41.0～51.24%를 나타내었다.

후속연구

84W/mm2를 나타내었다. 개발된 GaN 전력 증폭기는 다양한 X-대역 레이더 응용에 적용 가능할 것으로 예상된다.
표 1에 개발된 X-대역 GaN 전력 증폭기의 측정결과를 요약하고, 해외 유수의 반도체 업체에서 개발한 X-대역 GaN 전력 증폭기의 특성과 비교하였다. 본 논문에서 개발된 X-대역 GaN 전력 증폭기는 전력 부가 효율과 전력 밀도 특성을 포함하는 주요 성능 지표에서 우수한 경쟁력을 가지며 다양한 X-대역 레이더 응용에 충분히 적용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 전력 증폭기 중 GaN 기반 고출력 전력 증폭기는 어떤 특성을 가졌는가?	최근에는 특히 GaN(galliumnitride) 소자 기술의 발달로 인해 GaN 기반 고출력 전력 증폭기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-4]. GaN 기반 전력 증폭기는 넓은 에너지밴드 갭으로 인한 고전압 동작, 높은 포화 캐리어속도와 같은 고유하고 탁월한 재료적 특성으로 인하여 고출력 RF 전력 증폭기 응용에 큰 장점을 가진다.
	능동 위상 배열 시스템은 어떤 배열을 갖는가?	위상배열 시스템의 형태는 크게 수동 위상 배열과 능동위상 배열 형태로 구분되는데, 빔 민첩성, 효과적인 레이더 소스 관리 및 시스템 모듈 오류로 인한 보수 용이성 등이 대두되면서 수동 위상 배열에서 능동 위상 배열 형태로 발전되고 있다. 능동 위상 배열 시스템은 일반적으로 능동 전자 주사식 배열(AESA：active electronically scanned array)이며, 이것은 각 안테나 소자가 각기 자체 송수신기 모듈(TRM：transmitter receiver module)을 갖는 위상배열이다.
	위상배열 시스템은 어떻게 구분해 볼 수 있는가?	위상 배열 시스템(phased array system)은 항공기와 미사일을 탐지하기 위한 군사용 레이더 응용을 위해 처음 개발되었으나, 근래 들어 의료 이미징 스캐너, 기상 레이더 시스템 등과 같은 다양한 민간용 레이더 응용에도 널리 사용되고 있다. 위상배열 시스템의 형태는 크게 수동 위상 배열과 능동위상 배열 형태로 구분되는데, 빔 민첩성, 효과적인 레이더 소스 관리 및 시스템 모듈 오류로 인한 보수 용이성 등이 대두되면서 수동 위상 배열에서 능동 위상 배열 형태로 발전되고 있다. 능동 위상 배열 시스템은 일반적으로 능동 전자 주사식 배열(AESA：active electronically scanned array)이며, 이것은 각 안테나 소자가 각기 자체 송수신기 모듈(TRM：transmitter receiver module)을 갖는 위상배열이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
R. Pengelly, et al., "A Review of GaN on SiC High Electron-Mobility Power Transistors and MMICs," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.60, no.6, pp.1764-1783, 2013. DOI: 10.1109/TMTT.2012.2187535
S. D'Angelo, et al., "A GaN MMIC chipset suitable for integration in future X-band space borne radar T/R module Frontends," in Proc. of 2016 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON), pp.1-4, 2016. DOI: 10.1109/MIKON.2016.7492014
D. Shin, et al., "X-band GaN MMIC power amplifier for the SSPA of a SAR system," in Proc. of 2017 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), pp.93-95, 2017. DOI: 10.1109/RFIT.2017.8048093
Y. Lien, et al., "GaN technologies for applications from L- to Ka-band," in Proc. of 2017 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), pp.1-5, 2017. DOI: 10.1109/COMCAS.2017.8244831
"APA091030D," Ace technologies corp., [internet], http://www.rfmiso.com.
"CMPA801B025D," Cree Inc., [internet], http://www.cree.com.
"TGA2624," Qorvo Inc., [internet], http://www.qorvo.com.
"CHA8610-99F," United Monolithic Semi., [internet], http://www.ums-gaas.com

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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