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

Abstract

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.

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.

Fig. 1. Schematic diagram of the designed X-band GaN power amplifier MMIC. 그림 1. 설계된 X-대역 GaN 전력 증폭기의 회로도

Fig. 2. Chip photograph of the fabricated two-stage GaN power amplifier MMIC. 그림 2. 제작된 2단 GaN 전력 증폭기의 칩 사진

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

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

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

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

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

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

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