THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec 또한, 최근 위성통신은 점차 많은 데이터량과 주파수 활용문제로 인하여 Ka 인 초고

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1 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Dec.; 26(12, ISSN (Print ISSN X (Online GaN HPA MMIC Ka 25 W Design and Fabrication of 25 W Ka-Band Based on GaN HPA MMICs 지홍구 노윤섭 최윤호 곽창수 염인복 서인종 박형진 조인호 남병창 공동욱 Hong-gu Ji Youn-sub Noh Youn-ho Choi Chang-soo Kwak In-bok Youm In-jong Seo* Hyung-jin Park* In-ho Jo* Byung-chang Nam** Dong-uk Kong*** 요약 Ka 25 W 0.15 μm GaN (Drive Amplifier : DRA (High Power Amplifier : HPA (Monolithic Microwave Integrated Circuit : MMIC, (Solid State Power Amplifier MS-to-WR28 WR28, Ka GaN., GHz 44.2 m, 16.6 %, Abstract We designed and manufactured Ka-band include drive amplifier and high power amplifier MMICs by 0.15 μm GaN commercial process. Also, we fabricated main components micro-strip line to WR28 waveguide transition and WR28 wave guide power combiner for Ka-band. This Ka-band shows saturated output power 44.2 m, power added efficiency 16.6 % and power gain 39.2 at GHz frequency band. Key words: Ka-Band,, MMIC, Transition, Combiner. 서론 GaN, (Solid State Power Amplifier (High Power Amplifier : HPA. Ka GaAs HPA MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit, GaN MM- IC GaAs MMIC.,. (Electronics and Telecommunications Research Institute * (Ace Technologies ** (U-tel *** (RF-core Manuscript received October 21, 2015 ; Revised December 4, 2015 ; Accepted December 8, (ID No Corresponding Author: Hong-gu Ji ( hkji@etri.re.kr c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved. 1083

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec. 2015. 또한, 최근 위성통신은 점차 많은 데이터량과 주파수 활용문제로 인하여 Ka 인 초고주파 까지 용하 게 되었다.

2 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec 또한, 최근 위성통신은 점차 많은 데이터량과 주파수 활용문제로 인하여 Ka 인 초고주파 까지 용하 게 되었다. 우리나라 천리안 위성을 포함하여 여러 선진 국에서 Ka 위성방송을 활용하여 이미 고화질 방송 을 실시하고 있으며, 앞으로 세계 여러 나라에서 위성통 신 및 방송 으로 Ka 주파수를 주목하고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 위성통신용 인 GHz에서 상용 GaN 공정을 이용하여 구동증폭기(Drive Amplifier : DRA 및 HPA MMIC를 설계 및 제작하고, 이를 전력 합성하여 25 W급 를 설계 및 제작하여 고온에서 특성 평가하는 과정을 기술하고자 한다. [1] Ⅱ. 구성 어지며, 전원 공급과 온도 및 전류를 모니터를 할 수 있는 전원 제어부로 설계되었다. Ⅲ. 구성품 3-1 GaN DRA MMIC 는 0.15 μm GaN 상용공정인 미국 TriQuint의 공정을 이용하여 게이트 폭 8 50 μm 소자를 1:2:4 구조 로 배치한 3단 증폭기로 설계되었다. 그림 2는 DRA 회로 도와 제작된 진이며, 최종 칩 크기는 mm 이다. 제작된 DRA MMIC는 유테틱(Eutetic 공정으로 캐리어 (Carrier에 접합하여 측정을 위한 지그(Jig 체결 후 소신 DRA 2 그림 1은 GaN MMIC 기반 Ka 의 구성을 도 식한 그림이다. 의 증폭도 및 전력을 고려하여 1:4 구조로 설계되었으며, RF 증폭부의 입출력 인터페이스는 각각 2.9 mm SMA(Surface Mounted Adaptor와 EIA(Electrical Industry Association 규격인 구형 mm 크 기의 WR28 도파관이다. 의 RF 증폭부는 GaN 상용 파운드리 서비스를 이용하여 설계 제작된 DRA, HPA MMIC 및 SMA-to-WR28 변환기(transition, 1:4 Wilkinson 전력 분배기, 4:1 WR28 도파관 전력 합성기로 구성되 2 회로도 (a DRA MMIC (a DRA MMIC schematic 진 의 구성 그림 1. Ka Fig. 1. Configuration of the Ka-band (b DRA MMIC (b DRA MMIC photograph 회로도와 진 그림 2. Ka GaN DRA MMIC Fig. 2. Schematic and photograph of the Ka-band GaN DRA MMIC.

GaN HPA MMIC Ka 25 W 그림 3. Ka GaN DRA MMIC (V d = 20 V Fig. 3. S-parameter Characteristics of the Ka-band GaN DRA MMIC(V d =20 V. 그림 4. Ka GaN DRA MMIC (V d =20 V Fig. 4. Power characteristics of the Ka-band GaN DRA MMIC(V d =20 V.

3 GaN HPA MMIC Ka 25 W 그림 3. Ka GaN DRA MMIC (V d = 20 V Fig. 3. S-parameter Characteristics of the Ka-band GaN DRA MMIC(V d =20 V. 그림 4. Ka GaN DRA MMIC (V d =20 V Fig. 4. Power characteristics of the Ka-band GaN DRA MMIC(V d =20 V., V d =20 V, GHz 26.3, 8.2, 8.3,, 36 m, 21, 24.2 %. 3 4 DRA MMIC. 3-2 GaN HPA MMIC HPA MMIC TriQuint 0.15 μm GaN, 8 50 μm (Load- 그림 5. Ka GaN HPA MMIC Fig. 5. Thermal analysis results of Ka-band HPA MMIC. pull, 31 m 8 40 m. (Wire Bonding (margin 39.5 m [2]., 50, HPA MMIC. MMIC CuW, 70, FEM(Finite Element Model GaN MTTF(Mean Time to Failure [3]. HPA MMIC,, V d =20 V 4, GHz 26, 8.2, 7.6, 38.7 m, 22.4 %, HPA MMIC, 7, 8 SS- PA HPA MMIC 4. HPA MMIC mm Micro-Strip Line to WR28 Transition 1085

4 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec 포화 전력 특성 회로도 (a (a Saturation power (a HPA MMIC (a HPA MMIC schematic 전력부가효율 특성 진 (b (b Power added efficiency (b HPA MMIC (b HPA MMIC photograph 회로도와 진 그림 6. Ka GaN HPA MMIC Fig. 6. Schematic and picture of the Ka-band GaN HPA MMIC. 전력이득 특성 산란계수 특성 그림 7. Ka GaN HPA MMIC (Vd =20 V Fig. 7. S-parameter characteristics of the Ka-band GaN HPA MMIC(Vd =20 V (c (c Power gain 전력 특성 그림 8. Ka GaN HPA MMIC (Vd =20 V Fig. 8. Power characteristics of the Ka-band GaN HPA MMIC(Vd =20 V. 본 논문에서 제작된 HPA MMIC는 MS(Micro-strip 전 송선으로 종단되어 있어 이를 WR28 규격의 도파관 전력

GaN HPA MMIC 변환기 진 (a MS-to-WR28 (a Photograph of MS-to-WR28 transition 기반 Ka 25 W 설계 및 제작 전력합성기 진 (a WR28 (a Photograph of WR28 power combiner 산란계수 특성 (b Back to back (b

또한, 의 결합성을 고려하여 일자형인 릿지 (ridge 구조로 설계 및 제작되었다. 그림 9는 제작된 변 환기 진과 백투백(Back to Back 측정 결과이다. 주파수 29 31 GHz 에서 전달계수 0.5, 입출력 정합 22 의 특성을 나타내어 1개의 삽입 손실은 0.25 로 판단되었다.

측정하지 않는 단자를 도파관으로 정합하여 단락 시키고, 회로망 분석기로 2-port 측정을 하였으며, 측정 결 과 주파수 29 31 GHz 에서 전달계수 약 6.3 가 측정되어 삽입손실 0.3, 입력 정합 13, 출력정합 23, 격리특성 20 의 특성을 나타내었다.

제작된 및 의 특성 표 1. DRA HPA MMIC Table 1. Characteristics of fabricated DRA and HPA MMICs. Unit DRA GHz HPA Frequency 29 31 29 31 Psat m > 36 > 38.7 PAE % > 24.2 > 22.

5 GaN HPA MMIC 변환기 진 (a MS-to-WR28 (a Photograph of MS-to-WR28 transition 기반 Ka 25 W 설계 및 제작 전력합성기 진 (a WR28 (a Photograph of WR28 power combiner 산란계수 특성 (b Back to back (b Back to back measurement results 변환기 진 및 특성 그림 9. MS to WR28 Fig. 9. Photograph and characteristics of MS-to-WR28 transition. 합성기와 결합하기 위해서는 MS-to-WR28의 변환기가 필 요하다. 또한, 의 결합성을 고려하여 일자형인 릿지 (ridge 구조로 설계 및 제작되었다. 그림 9는 제작된 변 환기 진과 백투백(Back to Back 측정 결과이다. 주파수 GHz 에서 전달계수 0.5, 입출력 정합 22 의 특성을 나타내어 1개의 삽입 손실은 0.25 로 판단되었다. [4] 3-4 WR28 Wave Guide Power Combiner 의 출력단의 전력합성을 위하여 4:1 WR28 인터 페이스를 가진 전력합성기를 설계 및 제작하였다. 또한, 출력단 격리도 향상을 위하여 저항체 격벽을 삽입하였다. 그림 10은 제작된 전력합성기와 그 특성을 도식한 그 림이다. 측정하지 않는 단자를 도파관으로 정합하여 단락 시키고, 회로망 분석기로 2-port 측정을 하였으며, 측정 결 과 주파수 GHz 에서 전달계수 약 6.3 가 측정되어 삽입손실 0.3, 입력 정합 13, 출력정합 23, 격리특성 20 의 특성을 나타내었다. [4] 전력합성기 산란계수 특성 (b WR28 (b W28 power combiner measurement results 전력 합성기 진 및 특성 그림 10. W28 Fig. 10. Photograph and characteristics of WR28 power combiner. 제작된 및 의 특성 표 1. DRA HPA MMIC Table 1. Characteristics of fabricated DRA and HPA MMICs. Unit DRA GHz HPA Frequency Psat m > 36 > 38.7 PAE % > 24.2 > 22.4 Pgain > 21 > Size mm 부품 특성 표 2. Table 2. Characteristics of component. Unit Transition Frequency GHz Combiner Insertion loss < 0.25 < 0.3 Input RL < Output RL < Isolation > 20 < < 1087

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec. 2015. 표 1과 표 2는 제작된 MMIC와 의 부속품의 특성 을 정리한 표이다. Ⅳ.

6 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec 표 1과 표 2는 제작된 MMIC와 의 부속품의 특성 을 정리한 표이다. Ⅳ. 제작 및 특성 평가 그림 11은 앞 절에서 고찰된 부품을 이용하여 제작된 Ka GaN 기반 의 진이며, 방열판을 제외한 의 크기는 mm 이다. 의 특성평가 는 소신호 분석과 대신호 분석으로 이루어졌다. 일반적으 로 는 온도가 올라가면 이득 특성이 떨어지는 특 3 의 전력 특성 그림 13. Ka (Vd =20 V Fig. 13. Power Characteristics of the Ka-band (Vd =20 V. 진 그림 11. Ka Fig. 11. Photograph of the Ka-band. 성이 있다. 따라서 소신호 평가는 상온에서 대신호 평가 는 섭씨 50도 조건에서 이루어졌으며, 측정에 용된 대 표적인 계측기는 Keysight의 PNAX 회로망 분석기와 N1912 전력 분석기를 이용하였다. 산란계수 측정결과, 주파수 GHz 에서 소신 호 이득 46.5, 입력정합 5.8 의 특성을 나타내었으 며, 대신호 측정 결과, 포화 출력 44.2 m, 전력부가효율 16.6 %, 전력이득 39.2 의 특성을 나타 내었다. 이때, 의 DC 공급 전압은 단일 전압 20 V를 인가하였다. Ⅴ. 결 초고주파 인 Ka 의 25 W급 를 제작하기 위하여 상용 0.15 μm GaN 공정을 이용 DRA 및 HPA MMIC를 설계 및 제작하여 특성 평가하였고 특히, 의 안정적인 고온동작을 확인하기 위하여 HPA MMIC의 열해석 시뮬레이션을 실시하였다. 열해석 시뮬레이션 결 과, HPA MMIC의 채널온도가 섭씨 193도로 나타나 MTTF 가 1 10 시간 이상임을 확인하였다. 또한, 의 주요 부속품인 MS-to-WR28 변환기 및 WR28 전력 합성기를 설계 및 제작, 평가하여 Ka GaN 기반 를 제작 하였다. 제작된 Ka GaN 기반 는 주파수 GHz 섭씨 50도에서 대신호 측정결과, 포화 출력 44.2 m, 전력부가효율 16.6 %, 전력이득 39.2 의 특 6 의 산란계수 특성 그림 12. Ka (Vd =20 V Fig. 12. S-parameter characteristics of the Ka-band (Vd =20 V 론

GaN HPA MMIC Ka 25 W 표 3. Ka Table 3. Characteristics of Ka-band. Unit Ka-band Test condition Frequency GHz 29 31 - P sat m > 44.

Ng, et al, "A 20-watt Ka-band GaN high power amplifier MMIC", Microwave Conference(EuMC, 2014 44th European, pp. 1348-1351, Oct. 2014. [3] F.

Zabra, et al, "An optimised waveguide to microstrip transition at K band", IEEE Microwave Conference, 26 th European, pp. 6-13, Sep.

Epp, et al, "A high-power Ka-band(31 36 GHz solid-state amplifier based on low-loss corporate waveguide combining", Microwave Theory

7 GaN HPA MMIC Ka 25 W 표 3. Ka Table 3. Characteristics of Ka-band. Unit Ka-band Test condition Frequency GHz P sat m > P AE % > Power gain > , Ka,. References [1],,,, " ",, 22 (3, pp. 3-16, [2] C. Y. Ng, et al, "A 20-watt Ka-band GaN high power amplifier MMIC", Microwave Conference(EuMC, th European, pp , Oct [3] F. Yamaki, et al, "Ruggedness and reliability of GaN HEMT", IEEE, EuMIC. pp , Oct [4] G. Zabra, et al, "An optimised waveguide to microstrip transition at K band", IEEE Microwave Conference, 26 th European, pp. 6-13, Sep [5] L. W. Epp, et al, "A high-power Ka-band(31 36 GHz solid-state amplifier based on low-loss corporate waveguide combining", Microwave Theory and Techniques, IEEE Trans., vol. 56. pp , Aug : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ], HPA MMIC : ( : ( : [ 주관심분야 ] RF/Analog, HPA MMIC : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ], HPA MMIC : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ], / 1089

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염인 복 년 월 한양대학교 전자공학과 (공학 년 월 충남대학교 전자공학과 (공학 석 년 월 충남대학교 전자공학과 (공학 박 년 월 현재:

호남대학교 전파공학과 (공학 년 월 전남대학교 전자정보통신공 학과 공학석 년 월 전남대학교 전자정보통신공 학과 공학박 년 월 현재:

2월: 고려대학교 전기전자전파공 학부 (공학 2005년 2월: 고려대학교 전파공학과 (공학 석 2014년 10월 현재: (주에이스테크놀로 지

전남대학교 전자정보통신공 학과 공학박 년 월 현재: (주에이스테크놀로 지 [주 관심분야] 안테나, 초고주파 회로 1998 2 : 2001 2

2004년 4월: (주코스페이스 2004년 11월 현재: (주유텔 [주 관심분야] 레이더 송수신기 및 위성 1999 2 : 2000 5

8 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 12, Dec 염인 복 년 월 한양대학교 전자공학과 (공학 년 월 충남대학교 전자공학과 (공학 석 년 월 충남대학교 전자공학과 (공학 박 년 월 현재: 한국전자통신연구원 [주 관심분야] 위성통신 탑재체 시스템 : : : 서인 종 년 월 호남대학교 전파공학과 (공학 년 월 전남대학교 전자정보통신공 학과 공학석 년 월 전남대학교 전자정보통신공 학과 공학박 년 월 현재: (주에이스테크놀로 지 [주 관심분야] 안테나, 초고주파 회로 : : ( : ( 박형 진 년 2월: 고려대학교 전기전자전파공 학부 (공학 2005년 2월: 고려대학교 전파공학과 (공학 석 2014년 10월 현재: (주에이스테크놀로 지 [주 관심분야] 위성통신부품설계 조인 호 년 월 광주대학교 전자공학과 (공학 년 월 전남대학교 전자공학과 (공학 석 년 월 전남대학교 전자정보통신공 학과 공학박 년 월 현재: (주에이스테크놀로 지 [주 관심분야] 안테나, 초고주파 회로 : : : ( 남병 창 년 월 고려대학교 물리학과 (이학석 년 월 년 4월: (주케이엠더블 류 2001년 4월 2004년 4월: (주코스페이스 2004년 11월 현재: (주유텔 [주 관심분야] 레이더 송수신기 및 위성 : 통신 회로 공동 욱 년 년 석 년 년 월 경북대학교 전자공학과 (공학 월 경북대학교 전자공학과 (공학 월 년 월 주 텔레포스 월 현재 주 알에프코어 전력증폭기 : : : ( : ( [주 관심분야]

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2019 Sep.; 30(9), 712 717. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2019.30.9.712 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) MOS