특집논문/SPECIAL EDITION
상호 결합된 차동인덕터를 이용한 GaAs HBT 공정 기반의 1.9 GHz~2.6 GHz 광대역 선형 전력증폭기 설계
황지원1
,
전형진1,
오한식1,
신재경1,
최우진1,
양영구1,*
Wideband Linear Power Amplifier of 1.9 GHz~2.6 GHz Using Mutually Coupled Differential Inductor Based on GaAs HBT Process
Jiwon Hwang1,
Hyeongjin Jeon1,
Hansik Oh1,
JaeKyung Shin1,
Woojin Choi1,
Youngoo Yang1,*
Author Information & Copyright ▼
1School of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University
© Copyright 2021 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the
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Received: Apr 12, 2021; Revised: May 12, 2021; Accepted: Jul 14, 2021
Published Online: Jul 31, 2021
요약
본 논문에서는 상호 결합된 차동인덕터를 이용한 GaAs hetero-junction bipolar transistor (HBT) 기반의 1.9 GHz~2.6 GHz 광대역 2단 선형 전력증폭기를 설계하였다. 2-section 중간 단 매칭 회로의 일부를 상호 결합된 차동인덕터로 구성하여 매칭 회로의 동작 대역을 넓히고, 회로의 크기를 소형화하였다. 또한, 입력 및 출력단의 광대역 발룬을 이용하여 넓은 주파수 대역에서 선형적으로 동작하도록 최적화하였다. 제작된 선형 전력증폭기는 1.9 GHz~2.6 GHz 주파수 대역에서 22.0 dBm~24.0 dBm 의 최대 출력 전력 특성 및 33.0 %~39.0 %의 최대 효율 특성을 보인다. 또한, two-tone 신호에 대해 IMD3 특성 −30 dBc 이하에서 선형 출력 전력 22 dBm 및 33 % 이상의 높은 효율 특성을 보인다.
Abstract
This study presents a wideband two-stage linear power amplifier, operating from 1.9 to 2.6 GHz, using a mutually coupled differential inductor based on GaAs hetero-junction bipolar transistor (HBT). A part of the two-section inter-stage matching circuit comprises a mutually coupled differential inductor, which widens the operating band of the matching circuit and reduces the circuit size. In addition, it is optimized to linearly operate in the wide frequency band using a wideband balun at the input and output stages. The fabricated linear power amplifier exhibits a maximum output power of 22.0 dBm~24.0 dBm and efficiency of 33.0 %~39.0 % in the 1.9 GHz~2.6 GHz frequency band. An IMD3 of −30.0 dBc at two-tone signal, with high efficiency of more than 33.0 % was achieved at the linear output power of 22 dBm.
Keywords: GaAs Hetero-Junction Bipolar Transistor; HBT; Power Amplifier; Differential Inductor
Ⅰ. 서 론
통신 시스템 기술이 빠른 속도로 발전함에 따라서 다양한 주파수 대역에서 여러 통신 서비스가 제공되고 있다. 통신 시스템 중 RF 단의 복잡성을 줄이고, 비용 절감을 위해서 하나의 전력증폭기는 넓은 대역의 주파수 대역에서 선형적으로 신호를 증폭해야 한다. 또한, 전력증폭기는 통신 시스템에서 가장 많은 전류를 소모하며, 전체 시스템 성능에 가장 큰 영향을 미치므로 전력증폭기 성능개선이 필수적이다. 주요 성능 설계 요구에는 넓은 주파수 범위에서 높은 전력 이득, 높은 선형성, 높은 효율이 있으며, 고성능 전력증폭기 설계를 위한 여러 구조가 제안되었다[1]~[13].
단말기용 전력증폭기 설계에는 높은 효율, 출력 전력과 좋은 선형성을 갖는 이종 접합으로 이루어진 화합물 반도체 소자인 HBT가 주로 사용되고 있다. GaAs HBT 공정 기반의 전력증폭기는 실리콘 기반의 공정을 이용한 전력증폭기와 비교하여 높은 주파수 동작 특성, 큰 전류 이득, 고 전력 처리능력, 저 잡음, 높은 선형성 등과 같은 여러 장점들이 있다[9]~[11].
본 논문에서는 상호 결합된 차동 인덕터를 이용한 GaAs HBT 공정 기반의 1.9 GHz~2.6 GHz 광대역 2단 선형 전력증폭기를 설계하였다. 중간 단 매칭 회로를 2-section으로 구성하고, 두 직렬 인덕터를 상호 결합하여 단위 면적 당 인덕턴스를 증가시킴으로써 회로의 사이즈를 감소시키고, 동작 대역을 증가시켰다[10]. 높은 선형성 및 안정성을 위해 전력증폭기 트랜지스터의 베이스 및 콜렉터 사이에 RC feedback 회로를 삽입하였다. 출력 단 매칭 회로는 저손실 off-chip 발룬으로 설계함으로써 전력증폭기의 효율을 높이고, HBT chip 사이즈를 감소시켰다.
Ⅱ. 회로 설계 및 시뮬레이션
2-1 회로 설계
그림 1은 설계된 2단 GaAs HBT 전력증폭기 회로도이다. 드라이브 단, 메인 단, 중간 단 매칭회로, 입/출력 단의 광대역 발룬, 능동 바이어스 회로로 구성된다. 드라이브 단은 120 μm2(3 μm× 40 μm × 1 finger)인 단위 셀 2개를 이용하여 총 240 μm2의 에미터 면적을 갖고, 메인 단은 480 μm2(3 μm× 40 μm× 4 finger)인 단위 셀 두 개를 이용하여 총 1,920 μm2의 에미터 면적을 갖도록 구성하였다.
그림 1. | Fig. 1.
설계된 2단 GaAs HBT 전력증폭기 회로도 | A schematic diagram of the 2-section GaAs HBT power amplifier.
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능동 바이어스 회로는 전류 미러 회로 구조로 구성되어 드라이브 단과 메인 단에 전류를 공급하며, 온도에 따른 특성을 일정하게 하기 위한 온도 보상 회로가 포함되어 설계되었다. 각 단 안정도의 보상을 위해 RC 피드백과 cross-coupled capacitor(CCC)를 사용하였다[11]. 또한, 2:3 발룬으로 입력 단 매칭 회로를 구성하고, 1:2 발룬으로 출력 단 매칭 회로를 구성하였다. 중간 단 매칭 회로는 2단 매칭 구조로 구성하여 광대역 특성을 얻었다. 입력 단과 중간 단의 매칭 회로는 내부에 구성되며, 출력 단에서의 손실은 전력증폭기의 효율과 출력 전력 성능에 큰 영향을 미치므로, 출력 단 정합을 위한 저손실 트랜스포머를 PCB 상에 off-chip으로 구현하였다.
2-2 광대역 중간 단 매칭 네트워크
그림 2(a)는 C-L-L-C 구조를 이용한 2-section 매칭 네트워크이며, 2(b)는 L-C 구조를 이용한 1-section 매칭 네트워크이다. ZS,M ZL,D는 각각 메인 전력증폭기의 입력 임피던스 및 드라이브 전력증폭기의 최적 로드 임피던스이다. 그림 3(a)와 그림 3(b)는 중간 단 매칭 네트워크의 1.9 GHz~2.6 GHz에서의 S(1,1)과 smith chart를 나타낸다. 1-section 매칭 네트워크를 사용했을 때에 비하여 2-section 매칭 네트워크를 사용했을 때 목표 주파수 대역에 대하여 메인 전력증폭기의 입력 임피던스를 최적의 드라이브 로드 임피던스에 가깝게 매칭할 수 있다. 이에 따라 2단 전력증폭기를 더 넓은 주파수 대역에서 일정한 성능을 갖도록 설계할 수 있다.
그림 3. | Fig. 3.
중간 단 매칭 네트워크의 1.9 GHz~2.6 GHz에서의 S(1,1) | S(1,1) of the inter-stage matching network for 1.9 GHz~2.6 GHz.
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2-3 커플링 된 차동인덕터
그림 4는 2-section 중간 단 정합 회로의 일부인 2개의 6.3 nH 직렬 인덕터를 각각 레이아웃하였을 때의 그림으로, 각 인덕터가 차지하는 면적은 178×168 μm2이다. 2개의 인덕터를 각각 레이아웃하여 사용할 경우, 인덕터가 차지하는 면적이 매우 커서 중간 단 정합 회로의 사이즈가 매우 커지게 된다.
그림 5는 두 개의 인덕터를 상호 결합시켜 차동모드로 동작할 때 각각의 인덕턴스가 6.3 nH가 되도록 설계한 상호 결합된 차동 인덕터의 레이아웃으로, 차지하는 면적은 142×141 μm2이다. 두 개의 인덕터를 상호 결합하여 사용함으로써 각각의 인덕터가 단독으로 동작할 때보다 더 큰 인덕턴스를 구현할 수 있다. 따라서 같은 인덕턴스를 더 좁은 면적에 구현함으로써 중간 단 매칭 네트워크의 사이즈를 상대적으로 작게 설계할 수 있게 된다(표 1).
그림 5. | Fig. 5.
각각 6.3 nH의 인덕턴스를 갖는 상호 결합된 차동인덕터 | Mutually coupled differential inductor having each inductance of 6.3 nH.
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표 1. | Table 1.
인덕터의 면적 및 단위 면적당 인덕턴스 | Area and inductance per area of the inductors.
| Type |
Regular inductor |
Mutually coupled differential inductor |
| Area (μm) |
178×168 |
142×141 |
| Inductance per area of the inductors (nH/mm2) |
2.1 |
3.1 |
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Ⅲ. 제작 및 측정결과
그림 6은 설계된 2단 GaAs HBT 전력증폭기 IC의 레이아웃이다. 드라이브 및 메인 전력증폭기와 입력, 중간 단 매칭 회로를 on-chip으로 구성하였다. 레이아웃의 사이즈는 990×478 μm2이며, 입력 및 출력 핀들은 bump로 구성하여 flip-chip bonding을 통하여 외부 회로와 연결할 수 있도록 설계하였다.
표 2는 GaAs HBT 전력증폭기를 설계한 논문과 비교한 표이다. 그림 7은 제작된 GaAs HBT 전력증폭기의 제작 보드 사진이다. 6-layer laminate printed circuit board (PCB) 의 사이즈는 3×5 mm2이다. 출력 매칭 회로의 손실을 최소화하기 위하여 laminate PCB 위에 출력 발룬을 구성하였다. Evaluation board PCB는 Rogers 사의 20 mil RO4003C 기판을 사용하여 제작하였다. 그림 8은 제작된 전력증폭기의 시뮬레이션 및 측정된 S-파라미터를 나타냈다. 1.9 GHz~2.6 GHz 주파수에서 −10 dB 이하의 S11과 28 dB 이상의 S21과−30 dB 이하의 S22를 나타냈다. 그림 9는 제작된 전력증폭기의 one-tone 신호에 대한 전력이득과 효율을 나타냈다. 측정결과, 23.3 dBm 이상의 최대 출력전력과 35 % 이상의 효율을 얻었다. 그림 10과 그림 11은 1.9 GHz~2.6 GHz 주파수에서 two-tone 신호에 대한 전력이득과 효율 그리고 IMD3를 나타냈다. 측정결과, 22 dBm 이상의 선형 전력을 출력하며−30 dBc의 IMD3를 만족하고, 선형 전력에서 33 % 이상의 효율 특성을 얻었다.
표 2. | Table 2.
GaAs HBT 전력증폭기 비교 | Comparison with GaAs HBT PA.
| Ref. |
Freq. (GHz) |
PAE (%) |
Peak, Pout (dBm) |
Gain (dB) |
|
[12]
|
1.95 |
52.5 |
26.3 |
16.9 |
|
[13]
|
5~6 |
27 |
26 |
24 |
| This work |
1.9~2.6 |
41 |
24 |
29 |
Download Excel Table
그림 7. | Fig. 7.
GaAs HBT 전력증폭기의 제작 보드 사진 | Evaluation board of the designed GaAs HBT power amplifier.
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그림 9. | Fig. 9.
One-tone 신호에 대한 전력이득과 효율 | Simulated and measured gain and efficiency using an one-tone signal.
Download Original Figure
그림 10. | Fig. 10.
Two-tone 신호에 대한 전력이득과 효율 | Simulated and measured gain and efficiency using a two-tone signal.
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Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 1.9 GHz~2.6 GHz에서 동작하는 2단 GaAs HBT 전력증폭기를 설계했다. 중간단 매칭 회로를 2-section으로 구성하고, 두 직렬 인덕터를 상호 결합하여 단위 면적 당 인덕턴스를 증가시킴으로써 회로의 사이즈를 감소시키고, 동작 대역을 증가시켰다. 제작된 전력증폭기는 1.9 GHz~2.6 GHz 주파수에서 −10 dB 이하의 S11과 28 dB 이상의 S21을 나타냈다. One-tone 신호에 대한 측정 결과는 23.3 dBm 이상의 최대 출력전력과 35 % 이상의 효율을 얻었다. Two-tone 신호를 인가하여 측정했을 때, 22 dBm 이상의 선형 전력을 출력하며−30 dBc의 IMD3를 만족하고, 선형 전력에서 33 % 이상의 효율 특성을 얻었다.
Acknowledgements
이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2020-0-01094).
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