[논문]Ka-대역 GaN 저잡음 증폭기의 강건성 평가

이동주; 안세환; 주지한; 권준범; 김영훈; 이상훈; 서미희; 김소수

doi:10.7236/jiibc.2022.22.6.149

Ka-대역 GaN 저잡음 증폭기의 강건성 평가
Robustness Evaluation of GaN Low-Noise Amplifier in Ka-band 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.6, 2022년, pp.149 - 154

이동주 (LIG넥스원(주)) , 안세환 (LIG넥스원(주)) , 주지한 (LIG넥스원(주)) , 권준범 (LIG넥스원(주)) , 김영훈 (웨이브피아) , 이상훈 (웨이브피아) , 서미희 (국방과학연구소) , 김소수 (국방과학연구소)

초록
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GaN 소자는 고출력 및 고선형성 특성을 가지므로 레이더 수신기에서 저잡음 증폭기로 활용되어 리미터 없이 구현될 수 있으며, 이로 인해 잡음지수를 개선하고 면적을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 Ka-대역 레이더용 수신기에 적용하기 위한 GaN 저잡음 증폭기를 기술하였다. 설계된 저잡음 증폭기는 150-nm GaN HEMT 공정으로 제작되었으며, 목표주파수 내에서 패키징 손실을 포함하여 >23 dB 이득, <6.5 dB의 잡음지수 특성을 보였다. 고입력 부하시험시 이득 및 잡음 저하가 있었으나, 반복시험시 추가적인 성능저하는 나타나지 않았다. 부하시험 후 잡음지수 및 S-파라미터 측정을 통해 GaN 저잡음 증폭기에서 ~40 dBm 펄스 입력 전력을 견딜 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to high power capabilities and high linearity of GaN devices, GaN Low-Noise Amplifiers (LNAs) without a limiter can be implemented in order to improve noise figure and reduce chip area in radar receivers. In this paper, a GaN LNA is presented for Ka-band radar receivers. The designed LNA was realized in a 150-nm GaN HEMT process and measurement results show that the voltage gain of >23 dB and the noise figure of <6.5 dB including packaging loss in the target frequency range. Under the high-power stress test, measured gain and noise figure of the GaN LNA is degraded after the first stress test, but no more degradation is observed under multiple stress tests. Through post-stress noise and s-parameter measurements, we verified that the GaN LNA is resilient to pulsed input power of ~40 dBm.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. Ka-대역 저잡음 증폭기 MMIC (a) 구조 (b) 사진 Fig. 1. Ka-band LNA MMIC (a) structure (b) photograph
그림 그림 2. 제작된 Ka-대역 저잡음 증폭기 모듈 Fig. 2. Fabricated Ka-band LNA module
그림 그림 3. 저잡음 증폭기 모듈의 삽입손실 측정 결과 Fig. 3. Measured Insertion loss of LNA module
그림 그림 4. 저잡음 증폭기 잡음지수 측정 셋업 Fig. 4. Noise figure measurement setup for LNA
그림 그림 5. 저잡음 증폭기 고입력 부하시험 셋업 Fig. 5. High input power stress test setup for LNA
그림 그림 6. 부하시험 시 출력 레벨 측정 결과 (a) 40 dBm 펄스 입력시 (b) 시험 후 0 dBm 펄스 입력시 Fig. 6. Measured output power during stress test (a) 40 dBm pulsed input (b) 0 dBm pulsed input after test
그림 그림 7. 부하시험 전 소신호 이득 및 잡음지수 측정 결과 Fig. 7. Measured noise figure and gain before stress test
그림 그림 8. 부하시험 시 잡음지수 측정 결과 Fig. 8. Measured noise figure during stress test
그림 그림 9. 부하시험 시 이득 측정 결과 Fig. 9. Measured gain during stress test

AI 본문요약
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제안 방법

저잡음 증폭기 모듈의 잡음지수 측정 셋업을 그림 4에 제시하였다. Ka-대역 노이즈 소스를 활용하여 calibration을 수행 후 모듈에 바이어스를 인가하고 스펙트럼 분석기를 통해 이득 및 잡음지수를 확인하였다.
Ka-대역에서 >20 dB 이득을 달성하기 위해 4-stage 다단구조를 채택하였으며, 정합회로는 3개의 ISMN(단간 정합 네트워크), 1개의 IMN(입력 정합 네트워크) 및 1개의 OMN(출력 정합 네트워크)을 포함한다
고입력 부하시험을 수행하기 위해서 그림 5와 같이 신호 생성기 입력을 받아 증폭시켜주는 10 W급 증폭기를 사용하였으며, 저잡음 증폭기 모듈의 출력 신호가 20 dBm 이상이므로 스펙트럼 분석기 보호를 위해 Ka-대역 감쇄기를 연결하여 출력을 관찰하였다. 이 때 인가한 Ka-대역 입력 신호의 크기는 MMIC 입력 기준으로 38~40 dBm 이며, duty-cycle은 40 % 이다.
고입력 부하시험을 위해 별도의 저잡음 증폭기 모듈을 그림 2와 같이 제작하였고 모듈의 입출력 경로의 손실, 즉 2.92 mm 커넥터, 50 Ω 전송선 및 MMIC의 bonding wire 삽입손실을 검증하기 위해 bonding wire - thru line - bonding wire 순으로 패턴을 연결한 후 커넥터를 통해 S-파라미터를 측정하였다
이 때 인가한 Ka-대역 입력 신호의 크기는 MMIC 입력 기준으로 38~40 dBm 이며, duty-cycle은 40 % 이다. 고입력 부하시험을 진행하기 전 소신호 특성이 정상임을 확인 후 입력 신호를 10초간 유지하여 부하시험을 수행한 후 출력파형이 깨짐이 없는지 관찰하였다. 부하시험 진행 중 시료의 손상을 고려하여 38 dBm 부터 입력 신호를 조금씩 증가시키며 부하시험을 반복하였다.
본 논문에서는 150-nm GaN HEMT 공정을 활용하여 Ka-대역 저잡음 증폭기를 제작하였다. 리미터 없이 GaN 저잡음 증폭기를 수신기 전단에 적용하여 잡음지수를 개선하고 모듈의 소형화를 목표로 하였다. 고입력 부하시험 시 잡음지수가 증가하고 이득이 감소하였지만 게이트 바이어스를 조절하여 성능을 보상할 수 있으며, 반복시험시 저잡음 증폭기가 정상 동작함을 확인하였다.
본 논문에서는 150-nm GaN HEMT 공정으로 제작된 Ka-대역 저잡음 증폭기를 기술하였고, ∼40 dBm 펄스 입력을 인가한 부하시험 수행 전후 성능변화를 비교하여 저잡음 증폭기의 강건성을 평가하였다.
본 논문에서는 150-nm GaN HEMT 공정을 활용하여 Ka-대역 저잡음 증폭기를 제작하였다. 리미터 없이 GaN 저잡음 증폭기를 수신기 전단에 적용하여 잡음지수를 개선하고 모듈의 소형화를 목표로 하였다.
Ka-대역에서 >20 dB 이득을 달성하기 위해 4-stage 다단구조를 채택하였으며, 정합회로는 3개의 ISMN(단간 정합 네트워크), 1개의 IMN(입력 정합 네트워크) 및 1개의 OMN(출력 정합 네트워크)을 포함한다. 저잡음 증폭기에서 좋은 입력 정합특성과 저잡음 특성을 동시에 만족하기 위해 Inductive Source Feedback을 전송선로 방식으로 모든 트랜지스터에 적용하였다.

대상 데이터

Win Semiconductor 150-nm GaN-on-SiC 공정을 활용하여 제작되었으며, 잡음지수 특성이 좋은 4x50 μm Coplanar Waveguide 트랜지스터를 적용하였다.

성능/효과

그림 6은 부하시험 시 출력 레벨 측정결과를 나타낸다. 38 dBm 펄스 입력 인가시 출력 레벨 22.98 dBm, 부하시험 종료 후 0 dBm 인가시 출력 레벨 20.83 dBm으로 정상 출력되었으며, 펄스 입력을 40 dBm 까지 증가시켜도 출력 레벨 22.87 dBm, 0 dBm 인가시 19.15 dBm 으로 약 1.68 dB 가량 출력 저하가 나타나기는 하지만 파형 깨짐 없이 정상 동작함을 확인하였다.
그림 7은 부하시험 전 소신호 이득 및 잡음지수 측정 결과이다. Ka-대역 fL, fC, fH 주파수에서 이득값은 각각 23.03, 27.91, 28.91 dB 이며, 잡음지수는 각각 5.9,6.14, 5.82 dB로 측정되었다.
리미터 없이 GaN 저잡음 증폭기를 수신기 전단에 적용하여 잡음지수를 개선하고 모듈의 소형화를 목표로 하였다. 고입력 부하시험 시 잡음지수가 증가하고 이득이 감소하였지만 게이트 바이어스를 조절하여 성능을 보상할 수 있으며, 반복시험시 저잡음 증폭기가 정상 동작함을 확인하였다. 본 연구를 통해 확보한 GaN 저잡음 증폭기를 Ka-대역 레이더 시스템의 수신기 모듈에 적용 가능할 것으로 기대된다.
측정된 삽입손실은 그림 3과 같이 Ka-대역 목표주파수 내에서 입출력 경로를 포함하여 3.65∼3.9 dB 이므로, 입력 경로만 고려시 절반의 손실인 1.825∼1.95 dB 만큼 잡음지수에 포함됨을 알 수 있다

후속연구

고입력 부하시험 시 잡음지수가 증가하고 이득이 감소하였지만 게이트 바이어스를 조절하여 성능을 보상할 수 있으며, 반복시험시 저잡음 증폭기가 정상 동작함을 확인하였다. 본 연구를 통해 확보한 GaN 저잡음 증폭기를 Ka-대역 레이더 시스템의 수신기 모듈에 적용 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

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Ju-Heun Lee, Hyo-Chul Kim, Heung-Rae Cho, Deok-Jae Lee, Se-Hwan An, Man-Hee Lee, Ji-Han Joo, and Hong-Rak Kim, "Design and fabrication of Ka-band 100W SSPA using spatial combiner", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (JIIBC), Vol. 22, No. 1, pp. 35-43, 2022. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2022.22.1.35

원문보기 상세보기
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Ju-Heun Lee, Hyo-Chul Kim, Heung-Rae Cho, Deok-Jae Lee, Se-Hwan An, Man-Hee Lee, Ji-Han Joo, and Hong-Rak Kim, "Design and fabrication of 200W SSPA in Ka-band", The Journal of KIIT, Vol. 20, No. 2, pp. 79-88, 2022. DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2022.20.2.79

상세보기
E. M. Suijker, M. Rodenburg, J. A. Hoogland, M. van Heijningen, M. Seelmann-Eggebert, R. Quay, P. Bruckner, and F. E. van Vliet, "Robust AlGaN/GaN Low Noise Amplifier MMICs for C-, Ku- and Ka-band Space Applications," Annual IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, pp. 1-4, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/csics.2009.5315640
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X. Tong, R. Wang, S. Zhang, J. Xu, P. Zheng, and F. Chen, "Degradation of Ka-Band GaN LNA Under High-Input Power Stress: Experimental and Theoretical Insights," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 66, no. 12, pp. 5091-5096, Dec. 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2019.2947311

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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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