논문/REGULAR PAPERS

2.5~6 GHz 20 W급 광대역 GaN HEMT 내부 정합 전력증폭기

이민표1https://orcid.org/0000-0002-2117-5673, 김세일1https://orcid.org/0000-0002-0133-8009, 홍성준1https://orcid.org/0000-0001-9004-950X, 임준수1https://orcid.org/0000-0001-9288-1295, 김동욱1,*https://orcid.org/0000-0003-1913-4714
Min-Pyo Lee1https://orcid.org/0000-0002-2117-5673, Seil Kim1https://orcid.org/0000-0002-0133-8009, Sung-June Hong1https://orcid.org/0000-0001-9004-950X, Lim Jun-Su1https://orcid.org/0000-0001-9288-1295, Dong-Wook Kim1,*https://orcid.org/0000-0003-1913-4714
Author Information & Copyright
1충남대학교 전파정보통신공학과
1Department of Radio & Information Communications Engineering, Chungnam National University
*Corresponding Author: Dong-Wook Kim (e-mail: dwkim21c@cnu.ac.kr)

© Copyright 2019 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Oct 15, 2019; Revised: Nov 13, 2019; Accepted: Nov 21, 2019

Published Online: Nov 30, 2019

요약

본 논문에서는 2.5~6 GHz 대역의 전자전 재머에 사용되는 20 W급 GaN HEMT 내부 정합 전력증폭기를 설계하고 제작하였다. Wolfspeed의 CGH60030D GaN HEMT를 전력 소자로 사용하였고, 손실 정합 기법이 적용되었다. 광대역 정합을 위해 게이트 단에 사용된 입력 직렬 저항은 설계 주파수 범위의 저주파 이득을 감소시키고 고주파에서의 손실을 최소화하는 값으로 결정되었다. 입력 및 출력 정합회로는 비유전율이 40과 9.8인 두 종류의 박막 기판으로 구현되었다. 제작된 내부 정합 전력증폭기는 2.5~6 GHz 대역에서 약 11.5 dB의 선형 이득을 가졌고, 20 W의 출력 전력 조건에서 35.6~40.5 %의 전력부가효율과 7.2~8.8 dB의 전력 이득을 보였다.

Abstract

In this study, we designed and fabricated a 20-W internally matched gallium nitride(GaN) high-electron-mobility transistor(HEMT) power amplifier for an electronic warfare jammer in the frequency band of 2.5~6 GHz. The CGH60030D GaN HEMT from Wolfspeed was used as an amplifying device, and lossy matching was applied. An input series resistor that was used at the gate side for wideband matching reduced the amplifier’s low-frequency gain and minimized high-frequency loss in the design frequency band. Input and output matching circuits were implemented on two different substrates whose relative dielectric constants were 40 and 9.8, respectively. The fabricated internally matched power amplifier showed a linear gain of approximately 11.5 dB, a power-added efficiency of 35.6~40.5 %, and a power gain of 7.2~8.8 dB at an output power of 20 W from 2.5 to 6 GHz.

Keywords: GaN; HEMT; Internally Matched; Power Amplifier; Wideband

Ⅰ. 서 론

고출력 마이크로웨이브 전력증폭기는 각종 군수 및 민간용 레이다 및 통신 시스템의 핵심부품으로 사용된다. 특히 군수용 전자전 재머 시스템에서의 전력증폭기는 넓은 주파수 범위에서 큰 출력 전력을 낼 수 있어야 하므로 Si이나 GaAs보다 큰 항복전압, 높은 전자 이동 속도와 우수한 열전도도를 갖는 GaN high electron mobility transistor (HEMT) 소자를 이용한 전력증폭기가 많이 연구되어 왔다[1][7]. GaN 광대역 전력증폭기 MMIC의 경우, 소형화 측면에서는 유리하지만 출력 전력이 다소 작고, PCB 공정을 활용한 광대역 하이브리드 전력증폭기는 출력 전력을 높일 수 있지만 크기 측면에서 불리하다.

본 논문에서는 고출력 금속 패키지에 소형으로 실장이 가능한 2.5~6 GHz 전자전 재머 시스템용 20 W급 GaN HEMT 내부 정합 전력증폭기를 손실 정합을 활용해서 설계 및 제작하였다. 입출력 정합회로를 고유전율 기판과 알루미나 기판 2종을 사용하여 박막 공정으로 구현함으로써 출력전력 증대와 소형화를 동시에 달성하고자 하였다.

Ⅱ. GaN HEMT 소자 선정 및 분석

2-1 전력증폭기 소자 선정

본 논문에서 사용된 Wolfspeed의 GaN HEMT bare die 칩(CGH60030D) 전력 소자는 6 GHz까지 동작이 가능하며, 트랜지스터의 드레인 패드를 기준으로 30 W의 출력전력을 낼 수 있다[8]. 전력 소자는 표 1의 설계 목표와 같이 2.5~6 GHz 대역에서 20 W 이상의 출력 전력을 낼 수 있어야 하므로 Keysight의 ADS 소스-풀 및 로드-풀 시뮬레이션 결과를 참고하여 결정하였다.

표 1. | Table 1. 내부 정합 전력증폭기 설계 목표 | Design goals of internally matched power amplifier.
Frequency [GHz] 2.5~6
Saturation output power [W] ≥ 20
Power gain [dB] ≥ 7
Power added efficiency [%] ≥ 20
Size [mm2] ≤ 20×10
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2-2 GaN HEMT 소자 분석

CGH60030D 트랜지스터의 경우, 2개의 트랜지스터 셀로 구성되어 게이트와 드레인에 각각 2개의 패드를 가지고 있다. 그러나 Wolfspeed에서 제공하는 대신호 모델의 경우, 입력과 출력에 각각 1개의 포트만을 가지고 있어 4개의 게이트와 드레인 패드 각각에서의 와이어본딩 효과를 고려하기 어렵다. 본 설계에서는 Wolfspeed에서 제공하는 GaN HEMT 파운드리 공정의 트랜지스터 단위 셀 모델과 3차원 전자기 시뮬레이션을 이용한 패드 및 본딩와이어 모델을 결합하여 새로운 트랜지스터 모델을 생성하였고, 이를 활용하여 각 트랜지스터 셀의 진폭과 위상 효과를 고려하였다[9].

VDS=28 V, Ids=250 mA의 바이어스 조건에서 트랜지스터는 7.9 GHz 이하 주파수에서 불안정한 특성을 보여 안정화된 상태에서 소스-풀 및 로드-풀 시뮬레이션을 수행하기 위해 그림 1과 같이 shunt 게이트 저항 RBIAS와 series 저항 RS를 사용하였다.

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그림 1. | Fig. 1. Shunt 저항과 series 저항을 사용한 소스-풀과 로드-풀 시뮬레이션 안정화 회로 | Stabilized circuit for the source-pull and load-pull simulation using shunt and series resistors.
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S-파라미터 시뮬레이션에 따르면 트랜지스터의 입력 임피던스는 2.5 GHz에서 ZS, 2.5G=1.39-j2.11 Ω, 6 GHz에서 ZS, 6G=0.89+j0.11 Ω로 예상되었다. 소스-풀과 로드-풀 시뮬레이션 중에 트랜지스터가 불안정할 수 있기 때문에 회로의 안정화를 위해 게이트에 직렬 저항을 삽입함으로써 트랜지스터의 안정도와 정합회로의 Q 값을 감소시켜 광대역 정합이 가능하도록 하였다. 직렬 저항의 경우 회로의 손실을 증가시키기 때문에 적절한 값으로 선택할 필요가 있으며, 본 논문에서는 2.4 Ω으로 선정하여 설계 주파수 대역에서 낮은 주파수의 이득을 감소시키고, 높은 주파수의 손실은 줄였다. 그림 1의 회로에 대해 수행된 로드-풀 시뮬레이션으로부터 도출된 2.5 GHz와 6 GHz에서의 최적의 부하 임피던스는 각각 ZL, 2.5G=7.67+j5.58 ΩZL, 6G=5.42+j4.01 Ω 이다.

Ⅲ. 전력증폭기 설계

3-1 입출력 정합회로 설계

회로의 광대역 동작을 위해서는 스미스 차트 상에서 임피던스 궤적이 낮은 Q circle 내에서 입출력 임피던스 정합이 이루어져야 한다. CGH60030D 트랜지스터 모델의 경우, 설계 주파수내에서 낮은 입출력 임피던스를 가지기 때문에 제한된 정합회로의 크기 조건에서 낮은 Q circle 내에서의 정합을 달성하기 어려워 비유전율이 40과 9.8인 두 종류의 기판을 사용하여 광대역 입출력 정합 회로를 설계하였다. 비유전율이 40인 기판만으로 정합회로를 구성할 경우 정합회로의 크기를 줄일 수 있으나, 기판의 손실이 상대적으로 커서 2종의 기판을 혼합하여 설계 목표를 타협하였다.

그림 2(a)는 비유전율이 40과 9.8인 두 종류의 서로 다른 기판을 사용하여 설계된 입력과 출력 정합회로를 도시하고 있다. 그림 2(b)는 입력 정합회로의 임피던스 궤적을 보여주고 있으며, 정합회로의 크기 제한 조건으로 인해 상대적으로 큰 voltage standing wave ratio (VSWR)를 가지게 된다. 트랜지스터의 입력 임피던스는 출력 임피던스에 비해 낮은 임피던스를 가지므로 출력단보다 더 많은 다단(multi-stage) 정합을 수행해야 만족할만한 VSWR을 얻을 수 있으나, 확보되는 성능 대비 소형화의 이점이 커서 입력 VSWR 성능을 일부 희생하였다. 그림 2(c)λ/4 드레인 바이어스 선로 전과 후의 임피던스를 보였다. 출력 광대역 정합에는 고주파와 저주파의 리액턴스의 차이를 줄이는 것이 핵심이다. 드레인 바이어스 선로로 사용된 단락된 λ/4 전송선은 병렬 공진회로로 등가화할 수 있고, 이는 고주파에서 용량성 임피던스로, 저주파에서는 유도성 임피던스로 보이게 되어 설계 대역 내의 고주파와 저주파의 리액턴스의 차이를 줄여 광대역 출력 정합이 용이하도록 한다[10]. 그림 2(d)는 출력 정합회로의 임피던스 궤적을 보여주고 있으며, 최대 출력전력을 위해 아주 정확한 정합이 광대역 주파수 범위에서 달성될 수 있도록 하였다.

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그림 2. | Fig. 2. 입출력 정합회로의 임피던스 궤적 | Impedance traces of input and output matching circuits.
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Ⅳ. 제작 및 측정 결과

4-1 전력증폭기 제작

입출력 정합회로는 알루미나 기판과 titanate 기판 위에 박막공정을 이용하여 제작되었다. GaN HEMT 전력소자는 열전도도가 우수한 19.8×6.6 mm2의 CuW 캐리어 위에 AnSn(80/20) 유테틱(eutectic) 공정을 사용하여 부착하였으며, 두 종류의 서로 다른 기판에 제작된 입출력 정합회로와 PCB 기판은 1 mil 웨지 본딩으로 연결하였다.

그림 3은 제작된 내부 정합 전력증폭기로 GaN HEMT와 2개의 알루미나 정합회로 기판, 그리고 2개의 titanate 정합회로 기판으로 구성되어 있다.

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그림 3. | Fig. 3. 제작된 내부 정합 전력증폭기 | Fabricated internally matched power amplifier.
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4-2 전력증폭기 측정

제작된 전력증폭기는 열 방출을 위해 heat sink의 온도를 상온으로 유지시킬 수 있는 펠티어 지그 위에 부착하였고, Vds=28 V, Ids=250 mA의 조건에서 측정되었다. 그림 4 는 제작된 전력증폭기의 S-파라미터 측정 결과(실선)를 시뮬레이션 결과(점선)와 비교하고 있다. 2.5~6 GHz에서 측정된 선형 이득은 11.2~12.5 dB이며, 시뮬레이션 결과와 비교할 때 최대 0.8 dB 정도 감소하는 특성을 보였다.

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그림 4. | Fig. 4. S-파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과(점선: 시뮬레이션, 실선: 측정) | Simulated and measured S-parameter results(dotted line: simulation, solid line: measurement).
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그림 5는 43 dBm(20 W)의 연속파 출력 조건에서 측정된 2.5~6 GHz에서의 전력부가효율(power-added efficiency, PAE)과 전력 이득을 보여주고 있다. 측정된 결과는 35.6~40.5 %의 전력부가효율과 7.2~8.8 dB의 전력 이득을 보여주었다.

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그림 5. | Fig. 5. 출력전력이 43 dBm 조건일 때 제작된 전력증폭기의 전력부가효율과 전력이득 측정 결과 | Measured power-added efficiency and power gain of the fabricated power amplifier at the output power of 43 dBm.
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표 2는 본 논문의 결과를 기존 발표된 광대역 전력증폭기 결과와 비교하고 있다. 비교적 작은 크기임에도 대역폭, 출력전력, 효율 측면에서 다른 연구결과와 대비하여 경쟁력을 갖추고 있음을 알 수 있다.

표 2. | Table 2. 본 논문의 결과와 기존 발표된 광대역 전력증폭기 결과의 비교 | Comparison of our work and the previously published wideband power amplifier results.
Frequency [GHz] POUT [dBm] GP [dB] Efficiency [%] Technology Vds [V] Size [mm2] Chip
Ref. [3] 0.85~5.4 43.5~45 8~9.5 PAE : 43.5~45 PCB 30 est. 71×52 CGH40025F
Ref. [4] 1.1~2.7 43~45 9~12 PAE : 59~72 PCB 28 120×50 CGH40025F
Ref. [5] 1.5~6 40~43 5~9 DE: 30~57 PCB 28 - CGH60030D
Ref. [6] 0.4~4.1 40~42 10~15 DE: 40~62 PCB 30 122×82 CGH60015D
Ref. [7] 1.7~3 43.8~44.4 9.8~10.7 DE: 57.2~71.1 PCB 28 est. 75×35 CGH40025F
This work 2.5~6 43 7.2~8.8 DE: 43.1~50 Thin film 28 19.8×6.6 CGH60030D
PAE: 35.6~40.5

DE: drain efficiency, PAE: power-added efficiency, est.: estimated

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Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 Wolfspeed의 CGH60030D GaN HEMT bare die 칩과 박막공정 입출력 정합회로를 이용하여 고출력 금속 패키지에 실장이 가능한 2.5~6 GHz 20 W급 내부 정합 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 광대역 손실 정합을 위한 입력 직렬저항을 이용하여 저주파 발진을 억제하고, 고주파 가용이득을 확보하였다. 제작된 전력증폭기는 43 dBm(20 W)의 연속파 출력전력 조건일 때 2.5~6 GHz에서 35.6~40.5%의 전력부가효율, 7.2~8.8 dB의 전력이득 특성을 보였다. 제작된 광대역 전력증폭기는 넓은 주파수 범위에서 큰 출력 전력을 요구하는 군수용 전자전 재머 시스템 및 다양한 응용 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

References

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H. T. A. Nia, V. Nayyeri, “A 0.85~5.4 GHz 25 W GaN power amplifier,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 3, pp. 251-253, Mar. 2018.

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S. K. Lee, K. T. Bae, and D. W. Kim, “2~6 GHz GaN HEMT power amplifier MMIC with bridged-T all-pass filters and output reactance compensation shorted stubs,” Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 16, no. 3, pp. 312-318, Jun. 2016.

Author Information

이 민 표 [충남대학교/석사과정]

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  • https://orcid.org/0000-0002-2117-5673

  • 2018년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학사)

  • 2018년 3월~현재: 충남대학교 전자전파정보통신공학과 석사과정

  • [주 관심분야] GaN HEMT 광대역 전력증폭기, 마이크로파 및 밀리미터파 전력증폭기 모듈

김 세 일 [충남대학교/석사과정]

jkiees-30-11-865-i2

  • https://orcid.org/0000-0002-0133-8009

  • 2017년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학사)

  • 2017년 9월~2019년 8월: 충남대학교 전자전파정보통신공학과 석사과정

  • [주 관심분야] GaN HEMT 고출력 전력증폭기, 마이크로파 및 밀리미터파 전력증폭기 모듈

홍 성 준 [충남대학교/석사과정]

jkiees-30-11-865-i3

  • https://orcid.org/0000-0001-9004-950X

  • 2018년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학사)

  • 2018년 3월~현재: 충남대학교 전자전파정보통신공학과 석사과정

  • [주 관심분야] 빈 공간 기판집적도파관, 3차원 프린팅 기술, 마이크로파 및 밀리미터파 전력증폭기 모듈

임 준 수 [충남대학교/석사과정]

jkiees-30-11-865-i4

  • https://orcid.org/0000-0001-9288-1295

  • 2018년 8월: 충남대학교 전파공학과 (공학사)

  • 2018년 9월~현재: 충남대학교 전자전파정보통신공학과 석사과정

  • [주 관심분야] GaN HEMT 광대역 전력증폭기, 마이크로파 및 밀리미터파 전력증폭기 모듈

김 동 욱 [충남대학교/교수]

jkiees-30-11-865-i5

  • https://orcid.org/0000-0003-1913-4714

  • 1990년 2월: 한양대학교 전자통신공학과 (공학사)

  • 1992년 2월: 한국과학기술원 전기및전자공학과 (공학석사)

  • 1996년 8월: 한국과학기술원 전기및전자공학과 (공학박사)

  • 1991년 8월~2000년 5월: LG종합기술원 선임연구원

  • 2000년 6월~2002년 8월: ㈜텔레포스 연구소장

  • 2002년 9월~2004년 9월: 에스원기술연구소 응용기술팀장

  • 2009년 6월~2009년 12월: ETRI 초빙연구원

  • 2010년 1월~2011년 1월: 미국 UCSD 방문교수

  • 2004년 10월~현재: 충남대학교 전파정보통신공학과 교수

  • [주 관심분야] 초고속 및 초고주파 집적회로, 마이크로파 및 밀리미터파 전력증폭기 모듈, 근거리 레이다 모듈