Design of a GaN HEMT Power Amplifier Using Output Matching Circuit with Arbitrary Harmonic Impedances

In this paper, a design of a GaN HEMT power amplifier using output matching circuit with arbitrary harmonic impedances is presented. The adopted GaN HEMT device, TGF2023-02 of TriQuint Semiconductor, was packaged in commercial package. The optimal impedances of the GaN HEMT package are extracted from load-pull simulation at package input and output reference planes. The targets of load-pull simulation are the highest output power at fundamental frequency and the highest efficiency at $2^{nd}$ and $3^{rd}$ harmonic frequencies. Because of fixture in the package, the extracted impedances shows arbitrary harmonic impedances. In order to match the optimal impedances, output matchin circuit which has 4 transmission lines is presented. Characteristic impedances and electrical lengths of the transmission lines are mathmatically calculated. The power amplfiier with $54.6{\times}40mm^2$ shows the output power of 8 W at the fundamental frequency of 2.5 GHz, the efficiency above 55 %, and harmonic suppression of above 35 dBc at the $2^{nd}$ and the $3^{rd}$ harmonics.

임의의 고조파 임피던스를 갖는 출력 정합 회로를 이용한 GaN HEMT 전력증폭기의 설계

본 논문에서는 임의의 고조파 임피던스를 갖는 출력 정합 회로를 이용한 GaN HEMT 전력증폭기의 설계를 보였다. 선정된 GaN HEMT 소자는 TriQuint사의 TGF2023-02이며, 전력증폭기 구성을 위하여 상용 패키지에 패키징하였다. 패키지 입 출력 기준면에서 로드-풀 시뮬레이션을 수행하였다. 기본파에서는 최대 출력, 2차 및 3차 고조파에서는 최대 효율을 갖는 최적 임피던스를 도출하였다. 도출된 임피던스는 fixture에 의하여 임의의 고조파 임피던스를 보였으며, 이를 정합하기 위하여 4개의 전송선으로 구성된 출력 정합 회로를 제안하였다. 최적 임피던스를 정합하기 위한 전송선의 특성 임피던스와 전기각을 수학적으로 도출하였다. 제안된 출력 정합회로를 PCB상에 구현하여 전력증폭기를 제작하였다. 제작된 전력증폭기는 $54.6{\times}40mm^2$의 크기를 가지며, 2.5 GHz에서 8 W 이상의 출력을 보이고, 8 W 출력에서 효율 55 % 이상, 그리고 2차 및 3차 고조파는 모두 35 dBc 이상의 특성을 보였다.