[논문]GaN/Si 기반 60nm 공정을 이용한 고출력 W대역 전력증폭기

황지혜; 김기진; 김완식; 한재섭; 김민기; 강봉모; 김기철; 최증원; 박주만

doi:10.7236/jiibc.2022.22.4.67

GaN/Si 기반 60nm 공정을 이용한 고출력 W대역 전력증폭기
High Power W-band Power Amplifier using GaN/Si-based 60nm process 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.4, 2022년, pp.67 - 72

황지혜 (한국전자기술연구원) , 김기진 (한국전자기술연구원) , 김완식 (LIG넥스원(주)) , 한재섭 (LIG넥스원(주)) , 김민기 (LIG넥스원(주)) , 강봉모 (LIG넥스원(주)) , 김기철 (국방과학연구소) , 최증원 (국방과학연구소) , 박주만 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 60 nm GaN/Si HEMT 공정을 사용하여 전력증폭기(Power Amplifier)의 설계를 제시하였다. 고주파 설계를 위하여 맞춤형 트랜지스터 모델을 구성하였다. Output stage는 저손실 설계를 위해 마이크로스트립 라인을 사용하여 회로를 구성하였다. 또한 RC 네트워크로 구성된 Bias Feeding Line과 Input bypass 회로의 AC Ground(ACGND) 회로를 각각 적용하여 DC 소스에 연결된 노드의 최소임피던스가 RF회로에 영향을 미치지 않도록 하였다. 이득과 출력을 고려하여 3단의 구조로 설계되었다. 설계된 전력증폭기의 최종 사이즈는 3900 ㎛ × 2300 ㎛ 이다. 중심 주파수에서 설계된 결과는 12 V의 공급 전압에서 15.9 dB의 소 신호 이득, 29.9 dBm의 포화 출력(Psat), 24.2 %의 PAE를 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the design of power amplifier (PA) in 60 nm GaN/Si HEMT technology. A customized transistor model enables the designing circuits operating at W-band. The all matching network of the PA was composed of equivalent transformer circuit to reduce matching loss. And then, equivalent transformer is several advantages without any additional inductive devices so that a wideband power characteristic can be achieved. The designed die area is 3900 ㎛ × 2300 ㎛. The designed results at center frequency achieved the small signal gain of 15.9 dB, the saturated output power (Psat) of 29.9 dBm, and the power added efficiency (PAE) of 24.2% at the supply voltage of 12 V.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. W-대역 전력 증폭기 구조 Fig. 1. The Structure of W-Band Power Amplifier
그림 그림 2. W-대역 전력 증폭기 레이아웃 TOP View Fig. 2. The TOP view of W-Band Power Amplifier Layout
그림 그림 3. 제안하는 전력 증폭기의 Interpolated characteristics Fig. 3. Interpolated Characteristics of proposed power amplifier
그림 그림 4. 출력전력에 따른 PAE (Power-Added Efficiency 특성 Fig. 4. The PAE according to output Power.
그림 그림 5. 제안하는 전력 증폭기의 소신호 이득 특성 Fig. 5. Small Signal Characteristics of proposed power amplifier.
그림 그림 6. W-대역 전력 증폭기 측정 환경 Fig. 6. Measurement Environment of W-Band power amplifier
그림 그림 7. 측정된 전력 증폭기 소신호 응답 특성 Fig. 7. Measured small signal response characteristic of the power amplifier.
그림 그림 8. 측정된 전력 증폭기 입·출력 특성 Fig. 8. Measured input and output power characteristic of the power amplifier.
그림 그림 9. 상온과 55℃에서 측정된 전력 증폭기의 최대 출력에서의 효율 Fig. 9. The efficiency at the maximum output power of the power amplifier measured at room temperature and 55℃
표 표 1. 측정된 전력 증폭기의 입·출력 특성 비교 Table 1. Measured And Simulation comparative table

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Ommic사의 GaN/Si 공정을 이용하여 W대역에서의 고효율 전력 증폭기를 설계하였다. 설계된 GaN 전력증폭기는 2GHz 이상의 넓은 대역폭에서 출력전력 29.
또한 FCC는 새로운 면허 제도를 허용하여 잠재 사용자에게 저렴하고 빠른 할당을 허용할 수 있도록 규정하였다[1]. 본 논문에서는 화합물 반도체인 GaN 공정을 이용하여 고효율 전력 증폭기를 설계하였다.

제안 방법

Output Stage는 저손실 설계를 위해 마이크로스트립 라인을 사용하여 회로를 구성되었다. 또한 RC 네트워크로 구성된 Bias Feeding Line과 Input bypass 회로의 ACGND 회로를 각각 적용하여 DC 소스에 연결된 노드의 최소 임피던스가 RF 회로에 영향을 미치지 않도록 하였다.
전력 증폭기를 측정하기 위해 칩을 측정 지그 위에 Eutectic Bonding 처리하였고, 칩에 바이어스를 인가해주기 위해 DC 보드에 헤더핀과 저주파 발진 신호의 피드백을 방어하기 위한 회로를 집적하였다. 또한, 상기 전력 증폭기는 그림 6.

대상 데이터

본 논문에서는 Ommic의 GaN 공정을 이용하여 고효율 전력증폭기를 설계하였다. 최종 Transistor 사이즈는 Thermal degradition을 고려하여 160 μm x 2로 선정하였으며, 레이아웃 형태는 이득 및 출력을 고려한 3단 캐스케이드 구조로 그림 1.
최종 Transistor 사이즈는 Thermal degradition을 고려하여 160 μm x 2로 선정하였으며, 레이아웃 형태는 이득 및 출력을 고려한 3단 캐스케이드 구조로 그림 1

데이터처리

또한, 상기 전력 증폭기는 그림 6.과 같이 R&S사의 ZVA67 장비와 Z110 Frequency up-converter를 이용하여 측정되었다

성능/효과

본 논문에서는 Ommic사의 GaN/Si 공정을 이용하여 W대역에서의 고효율 전력 증폭기를 설계하였다. 설계된 GaN 전력증폭기는 2GHz 이상의 넓은 대역폭에서 출력전력 29.4 dBm이상과 22.1%이상의 효율특성을 나타내며 THF(Tremendously High Frequency) 통신시스템에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
설계된 전력증폭기의 최대출력전력과 효율특성은 중심주파수에서 각각 27.8 dBm과 22.4 %로 확인되었다. 이는 그림 3.
에 나타내었다. 최종단계의 출력 특성과 입출력 임피던스 특성을 확인하기 위한 로드-풀(Load-pull) 시뮬레이션 결과에서 출력은 25.46 dBm, PAE (Power-additive efficiency) 는 33.05 %의 값을 갖는 것을 확인하였다. Output Stage는 저손실 설계를 위해 마이크로스트립 라인을 사용하여 회로를 구성되었다.

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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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