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High Power W-band Power Amplifier using GaN/Si-based 60nm process

GaN/Si 기반 60nm 공정을 이용한 고출력 W대역 전력증폭기

  • Received : 2022.06.16
  • Accepted : 2022.08.05
  • Published : 2022.08.31
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Abstract

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.

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.

Keywords

Ⅰ. 서론

현재 연방통신위원회(FCC)는 71-76GHz, 81-86GHz 및 92-95GHz 대역의 스펙트럼을 미국의 고밀도 고정 무선 서비스에 사용할 수 있다고 규정하였다. 13GHz의 주파수는 FCC가 승인한 주파수 대역의 양을 20% 증가시키며 전체 셀룰러 주파수의 50배에 해당한다. 70GHz 와 80GHz에서 5GHz의 대역폭을 사용할 수 있고 90GHz에서 3GHz의 대역폭을 사용할 수 있기 때문에 기가비트 및 더 큰 데이터 속도는 상당히 간단한 무선 아키텍처로 쉽게 수용할 수 있게 된다. 널리 사용되는 마이크로파 대역의 전파 특성보다 약간 더 나쁘고, 강우 페이드를 이해할 수 있는 잘 특성화된 날씨 특성으로, 수 마일의 링크 거리를 보다 확실하게 실현할 수 있다. 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.

Ⅱ. 회로설계 및 성능

1. 설계

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. 과 그림 2.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. 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.

그림 1. W-대역 전력 증폭기 구조

Fig. 1. The Structure of W-Band Power Amplifier

그림 2. W-대역 전력 증폭기 레이아웃 TOP View

Fig. 2. The TOP view of W-Band Power Amplifier Layout

2. 시뮬레이션 결과

설계된 전력증폭기의 최대출력전력과 효율특성은 중심주파수에서 각각 27.8 dBm과 22.4 %로 확인되었다. 이는 그림 3. 과 그림 4.에서 확인할 수 있다. 전력증폭기의 설계된 대역폭은 78GHz부터 80GHz이다.

그림 3. 제안하는 전력 증폭기의 Interpolated characteristics

Fig. 3. Interpolated Characteristics of proposed power amplifier

그림 4. 출력전력에 따른 PAE (Power-Added Efficiency 특성

Fig. 4. The PAE according to output Power.

설계된 전력 증폭기의 소신호 응답 특성은 10-dB Impedance 이하로 매칭되었다. 증폭기의 소신호 이득 특성은 13.4 dB 이상, 반사 계수는 S11, S22 각각–18.5 dB, -12.5dB 이상으로 그림 5.에서 볼 수 있다.

그림 5. 제안하는 전력 증폭기의 소신호 이득 특성

Fig. 5. Small Signal Characteristics of proposed power amplifier.

Ⅲ. 측정 및 분석

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.과 같이 R&S사의 ZVA67 장비와 Z110 Frequency up-converter를 이용하여 측정되었다. P1dB와 Psat을 측정하기 위해 P1dB가 30 dBm인 Drive Amplifier를 사용하였고, 칩의 GSG 패드는 150 pitch probe를 이용하여 측정하였다. 측정된 소신호 응답 특성과 대신호 특성은 그림 7.-9.에서 확인할 수 있다.

그림 6. W-대역 전력 증폭기 측정 환경

Fig. 6. Measurement Environment of W-Band power amplifier

그림 7. 측정된 전력 증폭기 소신호 응답 특성

Fig. 7. Measured small signal response characteristic of the power amplifier.

그림 8. 측정된 전력 증폭기 입·출력 특성

Fig. 8. Measured input and output power characteristic of the power amplifier.

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℃

소신호 이득 특성은 15.9dB보다 높은 특성을 보이고, 반사계수는 S11, S22 가 각각 대역내에서 –17.7 dB 와 –4.5 dB 이하로로 나타난다. 상온으로 측정한 최대출력 파워와 PAE는 중심주파수에서 각각 29.9 dBm과 24.2% 로 확인되었다.

78GHz에서 80GHz까지의 측정값과 시뮬레이션 값을 비교하여 표 1로 작성하였다.

표 1. 측정된 전력 증폭기의 입·출력 특성 비교

Table 1. Measured And Simulation comparative table

※ S : Simulation data, M : Measured data

Ⅳ. 결론

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.

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