Development of Ka-band power amplifier MMIC using GaN process for high-power SSPA

고출력 SSPA용 GaN 공정을 이용한 Ka대역 전력증폭기 MMIC 개발

Abstract

In this paper, we designed, manufactured, and verified a power amplifier MMIC, which is a key component in the development of a Ka-band high-power transmitter, using the GaN process. It was designed using Win-semiconductor's GaN NP12 (120nm) process, and secured the output characteristic of 20W or more operating in the Ka band using a dedicated test board. The developed power amplifier MMIC was designed based on a 10W power amplifier MMIC, so that 10W and 20W power amplifier MMICs can be utilized when configuring a transmitter. The developed power amplifier MMIC can replace the TWTA used in existing ultra-high frequency transmitters with SSPA. In addition, since it was designed with purely domestic technology, it will secure not only the IP of the component and the technology for localization but also global competitiveness through the development of localized equipment.

본 논문에서는 Ka대역 고출력 송신기 개발의 핵심부품인 전력증폭기(PA: Power Amplifier) MMIC를 GaN(Gallium Nitride: 질화 갈륨) 공정을 이용하여 설계, 제작, 검증 하였다. Win-semiconductor사의 GaN NP12 (120nm)공정으로 설계하였으며, 전용 시험 보드를 이용하여 Ka대역에서 동작하는 출력 20W 이상의 특성을 확보하였다. 개발된 전력증폭 MMIC는 10W급 전력증폭 MMIC를 기반으로 설계되어 송신기 구성시 10W, 20W 전력증폭기 MMIC를 활용할 수 있도록 하였다. 개발된 전력증폭기 MMIC는 기존 초고주파 송신기에 사용하는 TWTA를 대체 가능한 SSPA로 대체가 가능 하다. 또한 순수 국내 기술로 설계되어 소자의 IP확보와 국산화 대체로 기술 뿐만 아니라, 국산화 장비 개발을 통한 글로벌 경쟁력을 확보 할 것이다.

Ⅰ. 서론

GaN (Gallium Nitride:질화갈륨) 전력증폭소자는 높은 효율로 고출력을 가능하게 하는 특성을 가지는 반도체 부품으로 단시간 내 고강도의 에너지를 발산하는 레이다를 비롯한 첨단무기체계에 탑재가 가능하다. 특히 GaN 전력증폭소자는 감시정찰용 AESA레이더와 기존 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier) 대체용 반도체 기반 SSPA(Solid State Power Amplifier)에 장착되는 부품으로 높은 출력의 전력량을 안정적으로 가동 하는데 중요한 역할을 담당한다. 이러한 GaN 전력증폭소자는 미국, 유럽, 일본 등 일부 기업에서만 양산 능력을 보유하고 국가 안보를 위한 전략물자로 지정해 수출 통제 대상으로 엄격히 관리함에 따라 국내 국방 연구 개발에 제한적 일 수밖에 없다.

본 논문에서는 국내기술 기반 Ka대역 10W, 20W 전력증폭기 GaN MMIC를 개발하고 검증한 내용을 기술하였다.

Ⅱ. Ka대역 전력증폭기 MMIC 설계

1. 설계공정

GaN 12nm 공정을 이용하여 Ka대역 전력증폭기 MMIC를 설계하였다. 적용된 공정의 주요 특성을 아래와 같다.

∘ Tech. : Winsemiconductor NP12 (120nm)

∘ Ft=38.5GHz

∘ SiC Thickness : 2mil

∘ 2 metal layers, up to 5um total thickness

∘ Typical power density of 4W

2. 설계목표 및 설계결과

개발 목표인 20W 전력증폭기 MMIC를 개발하기 위해 기초가 되는 10W PA MMIC를 우선 설계하고, 고출력 저손실 결합 구조를 적용하여 개발 목표인 20W PA MMIC를 구현하였다. 설계된 10W 전력증폭기 MMIC의 블록도는 그림 1과 같다.

그림 1. Ka대역 10W 전력증폭기 MMIC 블록도

Fig. 1. Ka-band 10W Power Amplifier MMIC Blockdiagram

20W PA MMIC는 10W PA MMIC를 기반으로 하여 초고주파 MMIC 설계시 주로 사용되는 Lange coupler를 적용하여 고출력, 저손실 특성을 확보 할 수 있도록 하였다 20W PA MMIC 블록도는 그림 2와 같다.

그림 2. Ka대역 20W 전력증폭기 MMIC 블록도

Fig. 2. Ka-band 20W Power Amplifier MMIC Blockdiagram

가. 10W 전력증폭기 MMIC

(1) 10W 전력증폭기 MMIC Budget

10W PA MMIC는 2단으로 구성되어 있으며 구동증폭단과 주증폭단의 트랜지스터는 특성을 고려하여 설계에 반영하였다.

그림 3. 10W 전력증폭기 MMIC 버짓

Fig. 3. 10W Power Amplifier MMIC Budget

(2) 10W 전력증폭기 MMIC 설계결과

설계된 10W 전력증폭기 MMIC는 설계 사양을 고려하여 동작 주파수 범위를 고려하여 설계하였으며, 출력전력은 10W(40dBm) 이상으로 설계 하였다. 설계 결과는 표1과 같다.

표 1. 10W 전력증폭기 MMIC 사양 및 설계 결과

Table 1. 10W PA MMIC spec. & simulation result

10W 전력증폭기 MMIC는 동작 주파수 이득 및 출력 특성을 고려하여 매칭 회로를 구성하여 입출력 반사손실을 확보하였다.

그림 4. 10W 전력증폭기 MMIC 소신호 특성

Fig. 4. 10W PA MMIC small signal characteristic

그림 5. 10W 전력증폭기 출력 특성, 효율 특성

Fig. 5. 10W PA MMIC Psat & PAE characteristic

10W PA MMIC 조립과 모듈 적용성을 고려하여 입출력 패드는 소자의 중앙에 위치하도록 하였으며, 전원공급을 위한 gate pad는 하나로 연결하였고, drain pad는 소모 전류를 고려하여 구동 및 주증폭단으로 분리하여 위, 아래쪽으로 배치하였다.

그림 6. 10W 전력증폭기 레이아웃

Fig. 6. 10W PA MMIC Layout

나. 20W 전력증폭기 MMIC

(1) 20W 전력증폭기 MMIC 설계결과

20W PA MMIC는 10W 전력증폭기 기반으로 설계되어 출력증대를 위한 구조를 반영하였다. 20W 전력증폭기 MMIC는 동작 주파수 이득 및 출력 특성을 고려하여 Lange coupler를 적용하였다. 설계 결과는 표2와 같다.

표 2. 20W 전력증폭기 MMIC 사양 및 설계 결과

Table 2. 20W PA MMIC spec. & simulation result

그림 7. 20W 전력증폭기 MMIC 소신호 특성

Fig. 7. 20W PA MMIC small signal characteristic

그림 8. 20W 전력증폭기 출력 특성, 효율 특성

Fig. 8. 20W PA MMIC Psat & PAE characteristic

20W PA MMIC 조립과 모듈 적용성을 고려하여 입출력 패드는 소자의 중앙에 위치하도록 하였으며, 내측에 위치한 gate/drain bias line은 MMIC 내부에서 연결 되도록 하였다. 외부 bias 연결이 필요한 gate, drain pad는 위, 아래쪽으로 배치하였다.

그림 9. 20W 전력증폭기 레이아웃

Fig. 9. 20W PA MMIC Layout

Ⅲ. 시험보드 제작 및 측정준비

1. Assembly 및 시험보드 제작

제작된 10W / 20W PA MMIC의 측정을 위하여 전용 캐리어와 더불어 RF 신호 라인과 전원연결 선로로 구성된 PCB를 제작하고 이들을 하나의 캐리어 조립체로 접합하여야 한다. CPC 캐리어에 AuSn을 이용하여 PA MMIC를 접합하고 PCB는 Ag Epoxy를 이용하여 캐리어에 조립하였다. RF신호 라인과 전원연결은 주파수 특성과 전원 용량을 고려하여 Gold wire로 연결하여 조립하였다. 제작된 PA MMIC의 시험용 캐리어 조립도면은 그림10, 11과 같다.

그림 10. (a) 10W 조립도면 (b) 10W 제작된 캐리어 형상

Fig. 10. (a) 10W Assembly drawing (b) 10W Test Carrier

그림 11. (a) 20W 조립도면 (b) 20W 제작된 캐리어 형상

Fig. 11. (a) 20W Assembly drawing (b) 20W Test Carrier

2. 시험 보드 제작

그림 12와 같이 시험 보드는 조립된 캐리어를 실장하고 RF 커넥터를 연결하여 사용한다. 측정 변수 최소화를 위해 RF 경로를 최소화 하였고, 주파수 특성을 고려한 2.92mm K커넥터를 사용하여 제작하였다.

그림 12. 10W / 20W 전력증폭기 MMIC 시험 보드

Fig. 12. 10W / 20W PA MMIC Test board

3. 측정 Set-up 및 환경

PA MMIC 성능을 확인하기 위해 전원공급기 및 RF 계측장비를 이용한다. 시험 구성과 측정 환경은 다음과 같다.

그림 13. 시험 장비 구성도

Fig. 13. Test set-up

○ 결과 기준 – 시험 보드를 통한 측정 결과

∘ Ta : 25도 / ∘ 입력신호 및 전원: Pulse (duty 40%)

∘ 10W : VD +32V, Idq 212mA / ∘ 20W : VD +32V, Idq 426mA

Ⅳ. 실험 및 결과

1. 시험 보드 손실 측정

제작된 소자의 특성만을 확인하기 위해서는 시험 보드 손실을 측정하여 측정 결과를 반영하여야 한다. 시험 보드의 손실은 (입출력 커넥터, PCB 경로 손실) 그림14와 같이 대역내 최대 0.9dB의 손실을 포함하고 있다. 입출력 손실 0.35~0.46dB를 반영하여 소자의 특성을 확인하였다.

그림 14. 시험 보드 손실 측정

Fig. 14. Test board Insertion Loss

2. 10W PA MMIC 측정

가. 소신호 특성

10W PA MMIC 소신호 측정 결과 대역내 설계 설계 대역내 12~15dB 수준으로 그림15와 같다.

그림 15. 10W PA MMIC 소신호 특성

Fig. 15. 10W PA MMIC small signal characteristic

나. 대신호 특성

VD +32V Idq 228mA, Duty 40% 기준 측정 결과 Psat 전력 특성은 41dBm 이상의 특성을 확인하였다. 효율 특성은 Psat 전력 기준으로 11% 수준을 확인하였다. 측정 결과는 그림 16과 같다.

그림 16. 10W 전력증폭기 MMIC 출력 및 효율 특성

Fig. 16. 10W PA MMIC Output Power & PAE characteristic

3. 20W PA MMIC 측정

가. 소신호 특성

20W PA MMIC 소신호 측정 결과 대역내에서 15~16dB 수준으로 그림17과 같다.

그림 17. 20W PA MMIC 소신호 특성

Fig. 17. 20W PA MMIC small signal characteristic

나. 대신호 특성

VD +32V Idq 470mA, Duty 40% 기준 측정 결과 Psat 전력 특성은 43dBm 이상의 특성을 확인하였다. 효율 특성은 Psat 전력 기준으로 11~14% 수준을 확인하였다. 측정결과는 그림 18과 같다.

그림 18. 20W 전력증폭기 MMIC 출력 및 효율 특성

Fig. 18. 20W PA MMIC Output Power & PAE characteristic

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 Win-semiconductor의 GaN NP12 (120nm)공정을 이용하여 Ka대역 10W, 20W 전력증폭기 MMIC를 설계, 제작, 검증하였다. 개발된 두 소자는 요구 성능인 10W 전력증폭기 MMIC는 출력 40dBm (10W)이상 효율 11% 수준의 특성을 확보하였고, 20W 전력증폭기 MMIC는 출력 43dBm(20W)이상 효율 10~14%의 특성을 확보하였다. 개발된 Ka대역 전력증폭기 MMIC는 Ka대역 고출력 SSPA개발에 활용 하였다. 개발된 국산화 Ka대역 전력증폭기 MMIC는 SSPA 뿐만 아니라 송수신모듈용 송신단에도 적용이 가능하며, 적용 기술을 기반으로 초고주파대역의 다양한 출력의 전력증폭기 MMIC 개발에도 활용 될 것이다. 해당 기술을 기반으로 향후 지속적인 제품개발과 성능 안정화를 통해 국내 방위산업에 필요한 PA, LNA, FEM 등의 다양한 특성의 MMIC 개발을 추진한다.