GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 Ⅰ. 서 론 최근 레이더 시스템의 요구 사항과 기술적 발전 으로 과거의 기계적인 탐지/추적 레이더에서 다기능 레이더로 진화하고 있다. 이에 따라 진공관 튜브를 적용한 송

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한선 문
8 years ago
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1 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Apr.; 24(4), ISSN (Print) GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 The Design of Switching-Mode Power Amplifier and Ruggedness Characteristics Analysis of Power Amplifier Using GaN HEMT 최길웅 이복형 김형주 김상훈* 최진주* 김동환 * 김선주 * Gil-Wong Choi Bok-Hyoung Lee Hyoung-Joo Kim Sang-Hoon Kim* Jin-Joo Choi* Dong-Hwan Kim** Seon-Joo Kim** 요 약 본 논문은 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 이용한 S대역 레이더용 전력증폭기 설계하고 제작된 스위칭 모드 전력증폭기의 ruggedness 시험에 관련된 내용을 기술하였다. 고효율 특성을 위해 전력증폭기를 Class-F로 설계하였으며, 측정을 위한 입력 신호는 100 μs의 pulse width 및 10 %의 duty cycle인 pulse 신호를 사용하였다. 제작된 Class-F 전력증폭기의 중심 주파수에서 측정한 결과, 8.7 db의 전력 이득과 42 dbm의 출력 전력, 54.2 %의 전력 부가 효율(PAE) 및 62.6 %의 드레인 효율이 측정되었다. 또한, 전력증폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 Ruggedness 시험을 위한 실험 구성을 제안하고, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)을 변화시켜 출력 전력과 효율을 측정하였다. 설계된 전력증폭기가 VSWR 변화에 따라 출력 전력 32.6~41.1 dbm 까지 변화하고, 드레인 효율은 23.4~63 %까지 변하는 특성을 얻을 수 있었다. Abstract This paper presents design, fabrication and ruggedness test of switching-mode power amplifier using GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) for S-band radar applications. The power amplifier is designed to Class-F for high efficiency. The input signal for the measurement of the power amplifier is pulse signal at 100 μs pulse width and duty cycle of 10 %. The measurement results of the fabricated Class-F power amplifier are a power gain of 10.8 db, an output power of 40.8 dbm, a power added efficiency(pae) of 54.2 %, and a drain efficiency of 62.6 %, at the center frequency. We proposed reliability test set-up of a power amplifier for ruggedness test. And we measured output power and efficiency according to VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) variation. The designed power amplifier achieved output power of 32.6~41.1 dbm and drain efficiency of 23.4~63 % by changing VSWR, respectively. Key words : GaN(Galium Nitride) HEMT, High Efficiency, Class-F, Ruggedness, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 이 연구는 2012년도 국방과학연구소 연구비의 지원으로 연구되었음. 삼성탈레스 레이더연구소(Radar R&D Center, Samsung Thales) *광운대학교 전자융합공학과(Department of Electronics Convergence, Kwangwoon University) **국방과학연구소(Agency for Defence Development) Manuscript received December 27, 2012 ; Revised March 18, 2013 ; Accepted March 18, (ID No ) Corresponding Author : Gil-Wong Choi ( gilwong.choi@samsung.com) 394 c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved.

Characteristics Analysis of Power Amplifier Using GaN HEMT 최길웅 이복형 김형주 김상훈* 최진주* 김동환 * 김선주 * Gil-Wong Choi Bok-Hyoung Lee Hyoung-Joo Kim Sang-Hoon Kim* Jin-Joo Choi* Dong-Hwan Kim** Seon-Joo Kim** 요

2 GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 Ⅰ. 서 론 최근 레이더 시스템의 요구 사항과 기술적 발전 으로 과거의 기계적인 탐지/추적 레이더에서 다기능 레이더로 진화하고 있다. 이에 따라 진공관 튜브를 적용한 송신기와 같이 예열 시간이 필요 없고, 소형/ 경량, 저전압 동작 및 고장 수리가 편리한 장점이 있 는 반도체 소자를 이용한 고출력 반도체 전력증폭 기(Solid-State Power Amplifier: SSPA)로 대체하기 위 한 연구가 진행 중이다. 특히, 10 W 미만의 소출력 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits) 전력 증폭기를 이용한 TRM(Transmitter/Receiver Module) 을 적용한 능동형 위상 배열 레이더(Active Phased Array Radar)가 연구되고 있다 [1]~[4]. 레이더 시스템에서 송신기의 핵심 부품인 전력증 폭기는 시스템 전체 효율에 가장 많은 영향을 주기 때문에 전력증폭기의 효율 향상시키기 위한 연구가 최근 활발히 이뤄지고 있다. 시스템에서 전력증폭기 의 효율이 개선되면 냉각 시스템의 간소화로 크기 및 비용을 절감할 수 있으므로 전력증폭기의 설계 시 효율은 고려해야 할 중요한 특성 중 하나이다. 최 근 효율을 증가시키기 위한 방법인 스위칭 모드 전 력증폭기가 연구되어지고 있다 [5],[6]. RF 주파수 대역 에서 운용되는 스위칭 모드 전력증폭기에는 Class-E, F, F 1, J 등으로 구분된다. 트랜지스터의 동작 원리 는 다소 차이가 있지만, 하모닉 임피던스 정합을 통 해 트랜지스터에 인가되는 전압과 전류 파형이 중첩 되어 발생되는 전력손실을 줄임으로써 효율을 증가 시키는 방법은 매우 유사하다. 또한, 반도체 전력증 폭기의 핵심 부품인 트랜지스터가 비약적인 발전을 이뤄 최근 높은 출력 밀도를 갖기 때문에 소형화, 집 적화 및 고출력이 가능하며, 높은 전자 포화 속도로 인해 가용 주파수가 높고, 우수한 열전도 특성을 갖 는 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 적용한 고효율 전력증폭기에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다 [7],[8]. 이와 같이 레이더용 송신기에 반도체 전력증폭기 를 사용함에 따라 반도체 전력증폭기의 신뢰성에 대 한 요구도 증대되고 있다. 특히, 능동 위상 배열 레 이더에서 발생되는 능동 반사 계수(Active Reflection Coefficient)에 따른 전력증폭기의 특성 변화에 관련 되어 연구가 되고 있다 [9]. 능동 반사 계수는 전력증 폭기의 특성을 변화시킬 뿐만 아니라 심한 경우에는 전력증폭기의 트랜지스터의 wire-bonding이 과전류 에 의해 단락된다. 본 논문에서는 S대역의 Class-F 스위칭 전력증폭 기에 대한 설계, 제작 및 시험에 대해 기술하고, 설 계된 전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 구 성을 제안하고, VSWR 변화에 따른 전력증폭기의 특성에 대한 연구를 수행하였다. Ⅱ. Class-F 전력증폭기 동작원리 및 설계 2-1 Class-F 스위칭 모드 전력증폭기 이론 그림 1(a)은 Class-F 스위칭 모드 전력증폭기의 간 략화된 등가회로를 나타내고, 그림 1(b)는 전압과 전 류파형을 나타난다. 이상적인 Class-F 전력증폭기는 부하 임피던스 회로에 의한 하모닉 주파수를 포함한 사인파 신호들의 합으로 전압/전류 파형이 결정된 다. 전력증폭기를 스위치처럼 동작시키기 위해 트랜 지스터를 포화된 전류 공급원으로 동작하게 하고, 전압과 전류의 고조파 출력 전력으로 인한 전력 손 실을 줄이고, 고효율 얻기 위해 일반적으로 다중 공 진구조 해석을 한다. Class-F 전력증폭기는 50 %의 duty cycle의 갖는 Class-B 바이어스 조건하에서 포화 영역까지 적용되 (a) 등가회로 (a) Equivalent circuit (b) 전압/전류 파형 (b) Volatage/current waveform 그림 1. 이상적인 Class-F 스위칭 모드 전력증폭기 Fig. 1. Ideal Class-F switching-mode power amplifier. 395

특히, 10 W 미만의 소출력 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits) 전력 증폭기를 이용한 TRM(Transmitter/Receiver Module) 을 적용한 능동형 위상 배열 레이더(Active Phased Array Radar)가 연구되고 있다 [1]~[4].

3 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 24, no. 4, Apr 고, 출력 부하의 짝수 차수 하모닉 주파수 성분(Z 2n ) 은 단락이 되도록 정합을 하고, 홀수 차수의 하모닉 주파수 성분(Z 2n 1)이 개방이 되도록 하모닉 임피던 스가 정합되면 구형파의 전압 파형과 반파 사인파형 의 전류 파형을 얻을 수 있으며, 이때 DC block 커패 시터는 무손실이라 가정하고 양단에 걸리는 전압은 V cc 이다. 따라서 전압은 홀수 차수 하모닉 성분만 존 재하고, 전류는 짝수 차수 하모닉 성분만 존재하기 때문에 하모닉 성분에 대한 출력 손실이 없게 되어 이상적인 Class-F 전력증폭기의 효율은 100 %가 된 다 [6]. 그러나 고차항의 하모닉을 고려하기 위해서는 더 복잡하고 크기가 문제가 되기 때문에 일반적으로 2차와 3차 하모닉 주파수만을 고려하여 설계한다. 그림 2. Class-F 전력증폭기의 회로도 Fig. 2. Schematic of Class-F power amplifier. 2-2 Class-F 스위칭 모드 전력증폭기 설계 S대역, 800 MHz(f C 4~f C+4 GHz, f C: 설계 중심 주 파수)의 대역폭을 갖는 Class-F 스위칭 전력증폭기를 설계하기 위해 source/load-pull을 병행하여 얻은 입/ 출력 임피던스를 이용하여 설계하였다. Cree사의 10 W, GaN HEMT 소자를 사용하였으며, 비유전율 2.6, 기판 두께 mm를 갖는 Taconic사의 TLX-7을 사 용하여 Agilent Advanced Design System(ADS)와 Cree 사의 비선형 모델을 이용하여 설계하였다. ADS source-/load-pull 시뮬레이션에서 얻어진 임피던스를 이용하여 트랜지스터의 출력 전력과 효율을 예측하 고, 마이크로스트립 라인으로 구현하였다. 드레인 전압 28 V, Class-B 바이어스 조건으로 설계하였다. 그림 2는 크기를 TRM 구조에 맞추기 위해 마이크로 스트립 라인과 수동 소자인 칩 커패시터를 이용하여 설계한 Class-F 스위칭 전력증폭기의 구조를 나타낸 다. 고효율 특성을 갖기 위해서 하모닉 임피던스 정 합이 꼭 필요하지만, 하나의 출력 회로에서 다양한 하모닉 성분을 개별적으로 조절하기 어렵고 회로가 커지기 때문에, 본 논문에서는 3차 하모닉 임피던스 영향까지만 고려하였다. 그림 3은 Class-F 스위칭 모 드 전력증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 트랜지스터의 기생 성분들을 보상하고, 효율적인 하 모닉 제어를 위해 바이어스를 인가하기 위한 λ/4 마이크로스트립 라인을 이용하여 2차 하모닉을 제 어하고 추가적인 마이크로스트립 라인을 삽입하며 3차 하모닉을 최적화 하였다. 특히, 패키지 트랜지스 (a) 소스 풀 (a) Source-pull (b) 로드 풀 (b) Load-pull 그림 3. Class-F 전력증폭기 source-/load-pull 결과( : f C 4 GHz, : f C GHz, : f C+4 GHz) Fig. 3. Source-/load-pull results of Class-F power amplifier( : f C 4 GHz, : f C GHz, : f C+4 GHz). 터 내의 소스-드레인 병렬 기생 커패시터(C DS) 및 와 이어 본딩에 외부 병렬 커패시터를 추가하여 저역 통과 필터를 구현하였다. 즉, 3차 하모닉 주파수 대 역을 필터링하여 3차 하모닉 임피던스를 작은 면적 으로 쉽게 제어할 수 있도록 정합 회로를 구성하였 다. 일반적으로 하모닉 정합을 위해 마이크로스트립 라인을 이용하는 방법 대비 정합 회로의 크기를 줄 여 TRM 구조에 적합하도록 설계하였으며, 전력증폭 기의 효율을 향상시키기 위해 입력 단에도 하모닉 제어 회로를 추가하였다. 설계된 입/출력 정합 임피 던스는 2차 및 3차 하모닉 임피던스를 포함하여 그 림 3과 표 1에 나타내었다. 이상적인 Class-F의 하모닉 조건과는 다소 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 설계에 이용한 비선형 모델은 패키징된 트랜지스터의 비선형 모델을 이용 하였는데, Class-F 전력증폭기 이론에서 언급한 하모 닉 임피던스는 bare-chip 상태에서 고려된 하모닉 특 396

따라서 전압은 홀수 차수 하모닉 성분만 존 재하고, 전류는 짝수 차수 하모닉 성분만 존재하기 때문에 하모닉 성분에 대한 출력 손실이 없게 되어 이상적인 Class-F 전력증폭기의 효율은 100 %가 된 다 [6]. 그러나 고차항의 하모닉을 고려하기 위해서는 더 복잡하고 크기가 문제가 되기 때문에 일반적으로 2차와 3차 하모닉 주파수만을 고려하여 설계한다.

4 GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 표 1. Source-pull 및 load-pull 시뮬레이션 결과 Table 1. Source-pull and load-pull simulation results. 입력 정합 임피던스 출력 정합 임피던스 구분 f C 4 GHz f C GHz f C+4 GHz f C 4 GHz f C GHz f C+4 GHz f j j j j j j4.8 2f j j j j j j56.0 3f j j j j j j104.5 성을 나타낸 것이다. 따라서 본 논문에서 적용한 와 이어 본딩과 패키지 효과가 포함된 트랜지스터 비선 형 모델의 하모닉 임피던스는 실제 이론과 차이가 발생한다. 즉, 설계된 출력 정합 회로는 와이어 본딩 이후의 부하 임피던스이기 때문에 부하 임피던스의 하모닉 특성이 정확히 개방 및 단락 회로를 가질 수 없다. 이러한 이유로 패키징된 트랜지스터의 시뮬레 이터를 이용한 source/load-pull 시뮬레이션 수행 시 에도 하모닉 임피던스가 개방과 단락의 이상적인 조 건을 주는 것이 아니라, 짝수 차수 및 홀수 차수의 하모닉 임피던스를 변화시키면서 전력증폭기가 최 적의 특성을 갖도록 같이 조절하여 시뮬레이션을 수 행해야 한다. 그러므로 본 논문에서 설계한 부하 정 합 회로의 하모닉 임피던스를 정확히 분석하기 위해 서는 패키징에 사용한 와이어 본딩 및 패키징 패드 를 같이 고려해야 설계된 전력증폭기의 정확한 하모 닉 특성을 알 수 있을 것이다. 따라서 그림 3에 나타 낸 부하 임피던스의 하모닉 특성은 대략적인 Class-F 전력증폭기의 하모닉 특성을 나타낸 것이라고 할 수 있다. 설계된 Class-F 전력증폭기는 능동 위상 배열 레 이더 송수신 모듈(TRM)용으로 설계된 것으로 일반 적인 스위칭 전력증폭기는 손실이 작은 마이크로스 트립 라인을 이용하여 부하 임피던스를 정합하지만, 본 논문에서는 S대역 Brick 타입의 TRM에 적용하기 위해 최대한 작은 크기를 가질 수 있도록 마이크로 스트립 라인과 수동 소자(커패시터)를 같이 사용하 여 특성을 최적화하였다. 따라서 마이크로스트립 라 인을 이용한 정합 회로보다 튜닝이 용이하며 크기 를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 수동 소자가 갖는 삽입 손실로 인하여 마이크로스트립 라인을 이 용한 정합 회로보다 특성이 다소 떨어지는 단점이 있다. 설계된 전력증폭기의 유효 면적은 가로 세로 그림 4. Class-F 전력증폭기 설계 결과 Fig. 4. Simulation results of Class-F power amplifier cm로 작은 크기를 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같이 설계된 입/출력 정합 회로를 트랜지스 터와 같이 시뮬레이션한 결과를 그림 4에 나타내었 다. 설계는 agilent ADS와 AWR의 MWO의 시뮬레이 션을 실험결과와 비교하기 위해 동일한 정합 회로를 구현하여 시뮬레이션 결과를 비교하였다. ADS 설계 결과, S대역 800 MHz 대역폭에서 41.6~42.6 dbm의 출력 전력, 9.6~10.6 db의 이득, 50.3~63.8 %의 전 력 부가 효율(Power Added Efficiency: PAE) 및 56.4 ~71.4 %의 드레인 효율(Drain Efficiency: DE)을 갖 는 것을 확인하였다. Ⅲ. Class-F 전력증폭기 제작 및 특성 시험 3-1 Class-F 전력증폭기 제작 및 측정 그림 5는 S대역에서 설계된 고효율 Class-F 전력 증폭기의 제작사진으로, 10 W, Cree GaN HEMT 소 자를 이용하였다. 28 V의 드레인 전압과 3 V의 게 그림 5. Class-F 전력증폭기 제작 사진 Fig. 5. Photograph of Class-F power amplifier. 397

1+j56 5.4+j56.0 3f 1 7.1+j20.7 11.6+j66.2 94.8+j80.0 4.0+j69.7 26+j189 95.9 j104.5 성을 나타낸 것이다. 따라서 본 논문에서 적용한 와 이어 본딩과 패키지 효과가 포함된 트랜지스터 비선 형 모델의 하모닉 임피던스는 실제 이론과 차이가 발생한다.

5 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 24, no. 4, Apr 그림 6. Class-F 전력증폭기의 입력 전력에 따른 구 동곡선 Fig. 6. Drive curve of Class-F power amplifier as a function of input power. 설계된 Class-F 전력증폭기를 입력 전력에 따른 구동 곡선과 대역폭 특성의 측정 결과를 그림 6과 그림 7에 나타내었다. 그림 6은 주파수별 구동 곡선 을 나타낸 것이고, 그림 7은 1 db 억압점에서의 전력 증폭기 특성과 최대 전력 부가 효율을 가질 때의 전 력증폭기의 특성을 나타낸 그림이다. 주파수별 최대 전력 부가 효율을 가질 때 40.3~42.4 dbm의 출력 전력과 전력 부가 효율 및 드레인 효율은 각각 50~ 61.7 %와 55.2~68.3 %로 측정되었고, 이 때 대역폭 은 40 % 특성을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 전력 부가 효율 40 % 기준의 53 %의 대역폭을 갖는 것으 로 측정되었다. GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드별 전력증폭기 의 특성을 본 논문과 비교하여 표 2에 나타내었다 [10] ~[16]. 20 W 이하의 출력 전력을 갖는 전력증폭기를 비교대상으로 선정하였으며, 50 % 이상의 전력 부가 효율 특성을 비교하였을 때 비교 대상의 최대 대역 폭은 약 30 %로 본 논문의 전력증폭기의 광대 역 특 성이 우수함을 알 수 있었다. 물론 단일 주파수 대역 에서 정합된 스위칭 모드 전력증폭기와 비교했을 때 본 논문의 효율 특성이 상대적으로 낮지만 일반적으 로 스위칭 모드 전력증폭기의 하모닉 정합이 쉽지 않기 때문에 광대역 정합이 어렵고, 따라서 대역폭 이 제한됨을 감안하면 낮은 효율이 아님을 알 수 있 다. 또한, 선행된 연구 결과들은 시스템 적용을 고려 하지 않고 최대 효율을 얻기 위한 하모닉 정합 회로 를 구현하여 크기가 커서 시스템에 적용하기 어려운 단점을 갖고 있다. 표 2. 스위칭 모드 GaN 전력증폭기 비교 Table 2. Comparison of switching-mode GaN PAs. 그림 7. Class-F 전력증폭기의 대역폭 측정 결과(f C± 800 MHz) Fig. 7. Measurement results of Class-F power amplifier as a function of frequency(f C±800 MHz). 이트 전압을 갖는 Class-B 바이어스 조건에서 동작 하도록 설계하여 고효율을 갖도록 설계하였다. 전력 증폭기 실험에 사용한 입력 신호는 펄스폭 100 μs, duty 10 %인 펄스 신호를 사용하였다. 주파수 (GHz) 출력 전력 (W) PAE (%) 대역폭 (%) 운용모드 참고문헌 1.8~ ~5.6 52~57 24 Class-E [10] 2.05~ ~20 60~ Class-E [11] 1.55~2.09 5~20 50~ Class-F [12] 3.4~3.6 10~ ~ Class-E [13] 2.0~2.62 5~ ~ Class-E [14] Class-F -1 [15] Class-F [16] f C 6~f C+6 9.5~ ~ Class-F 본 논문 398

4 dbm의 출력 전력과 전력 부가 효율 및 드레인 효율은 각각 50~ 61.7 %와 55.2~68.3 %로 측정되었고, 이 때 대역폭 은 40 % 특성을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 전력 부가 효율 40 % 기준의 53 %의 대역폭을 갖는 것으 로 측정되었다.

6 GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 그림 9. 전력증폭기 Ruggedness 시험 구성도 Fig. 9. Experimental configuration of power amplifier ruggedness test. 그림 8. Class-F 전력증폭기의 주파수에 따른 측정 결 과와 시뮬레이션 비교 Fig. 8. Comparison of measurement and simulation results for the Class-F power amplifier as a function of frequency. 본 논문은 고효율 특성을 갖는 S대역 레이더 TRM에 적용하기 위해 하모닉 정합 회로를 병렬 칩 커패시터와 마이크로스트립 라인을 같이 적용하여 소형의 광대역 특성을 갖도록 하모닉 정합 회로를 설계하여 50 % 이상의 전력 부가 효율 대역폭이 40 %가 되는 결과를 얻었다. 그림 8은 동일한 정합 회 로를 가지고 두 가지 설계 툴을 이용하여 시뮬레이 션 수행한 결과와 측정 결과를 비교하여 나타내었 다. 그 결과, Agilent ADS보다 AWR MWO가 실제 측 정 결과와 더 유사한 경향을 보이는 것을 간접적으 로 알 수 있었다. 구성은 수동 로드 풀(passive load-pull)을 응용한 것으 로 수동 로드 풀과 동일한 장단점을 가지고 있다. 시 험 구성이 간단하다는 장점이 있지만, 수동 소자들 에 의한 삽입 손실 때문에 S대역에서 약 0.95 이상의 반사 계수를 얻기 힘들다는 단점이 있다. 시험에 사 용된 순방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 10 db의 결합계수와 15 db의 방향성을 가지며, 역방향 출력 전력 검출용 방향성 결합기는 20 db의 결합계 수 및 15 db의 방향성을 갖는 것을 이용하고 3-stub 튜너는 Maury Microwave 사의 1819C를 사용하였다. 측정을 위해 방향성 결합기의 삽입 손실을 미리 전 력 검출기 입력하여 바로 실시간으로 출력 전력을 확인할 수 있도록 하였다. 실험은 중심 주파수 f C GHz에서 3-stub 튜너의 두 개의 튜너는 50 ohm으로 3-2 Class-F 전력증폭기 Ruggedness 시험 본 논문에서는 제작된 GaN HEMT Class-F 전력증 폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 부하 임피던스 변화 에 따른 전력증폭기의 특성 측정 시험을 수행하였 다. 그림 9는 전력증폭기의 ruggedness 시험 구성도 를 나타낸다. 전력증폭기의 출력단에 순방향 출력 전력과 역방향 출력 전력을 검출할 수 있는 방향성 결합기를 두고, 뒤에 임피던스를 변화시키기 위한 3-stub 튜너를 사용하였다. 본 논문에서 제시한 시험 그림 stub 튜너 위치에 따른 Class-F 전력증폭 기 특성 변화 Fig. 10. Characteristics of Class-F power amplifier as a function of 3-stub tuner position. 399

본 논문은 고효율 특성을 갖는 S대역 레이더 TRM에 적용하기 위해 하모닉 정합 회로를 병렬 칩 커패시터와 마이크로스트립 라인을 같이 적용하여 소형의 광대역 특성을 갖도록 하모닉 정합 회로를 설계하여 50 % 이상의 전력 부가 효율 대역폭이 40 %가 되는 결과를 얻었다.

7 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 24, no. 4, Apr 정합시키고, 나머지 하나의 stub만을 이용하여 임피 던스를 변화시켰다. Stub의 길이가 10~35.2 mm 변 할 때 VSWR은 1.1:1~19:1까지 변화하게 되고, GaN HEMT Class-F 전력증폭기의 출력 전력과 효율의 변 화를 그림 10에 나타내었다. Ruggedness 시험 결과, 튜너의 길이를 증가시킴으 로써 최초 출력 전력 40.8 dbm에서 41.1 dbm까지 증 가하다 최종 반사 계수가 0.9일 때 32.6 dbm이 측정 되었다. 동일한 조건에서 전력부가효율과 드레인 효 율은 각각 10~58.1 %, 23.4~63 %로 측정되었다. Ⅳ. 결 론 본 연구에서는 GaN HEMT를 이용한 고효율 특성 을 갖는 S대역 레이더용 전력증폭기를 설계 및 제작 하였다. 높은 효율 특성을 갖도록 하기 위해 기본 주 파수에 대한 출력 임피던스 정합뿐만 아니라, 하모 닉 임피던스 성분까지 고려하여 출력 임피던스 정합 을 하였다. RF 펄스 신호를 입력신호로 사용하여 측 정 결과, 중심 주파수 f C GHz에서 42 dbm의 출력 전 력, 54.2 %의 전력 부가 효율 및 62.6 %의 드레인 효 율이 측정되었다. 또한, 본 논문에서는 전력증폭기의 ruggedness 시험을 위한 시험 셋업을 제안하고, 전력 증폭기의 신뢰성을 시험하였다. 시험 결과, 전력증 폭기 부하의 반사 계수 또는 VSWR 변화에 따라 약 10 W의 최소/최대 출력 전력의 차이가 발생하였고, 전력부가효율 최대 47 %의 차이가 발생함을 확인하 였다. 이 시험 결과로 10 %의 duty cycle 조건에서의 GaN HEMT를 이용한 전력증폭기는 반사 계수 0.9인 부하 조건에서도 동작함을 확인하였다. 참 고 문 헌 [1] B. A. Kopp, M. Borkowski, and G. Jerinic, "Transmit/receive modules", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 50, no. 3, pp , Mar [2] H. Hommel, H. -P. Feldle, "Current status of airborne active phased array(aesa) radar systems and future trends", in European Radar Conference Digest, pp , [3] P. Schuh, R. Leberer, H. Sledzi, M. Oppermann, B. Adelseck, H. Brugger, R. Behtash, H. Leier, R. Quay, and R. Kiefer, "20 W GaN HPAs for nest generation X-band T/R modules", 2006 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp , Jun [4] 박성균, "X 대역 T/R 모듈의 설계 및 구현", 한국 전자파학회논문지, 19(2), pp , 2008년 2 월. [5] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, [6] A. Grebennikov, N. O. Sokal, Switch Mode RF Power Amplifiers, Newnes, [7] K. Joshin, K. Joshin, T. Kikkawa, H. Hayashi, T. Maniwa, S. Yokokawa, M. Yokoyama, N. Adachi, and M. Takikawa, "174 W high-efficiency GaN HE- MT power amplifier for W-CDMA base station applications", IEDM Technical Digest, pp , [8] E. Mitani, M. Aojima, and S. Sano, "kw-class Al- GaN, and GaN HEMT pallet amplifier for S-band high power application", in Proc. of 2 nd European Microwave Integrated Circuits Conference, pp , Oct [9] R. Quay, M. Musser, F. van Raay, T. Maier, and M. Mikulla, "Managing power density of high-power GaN devices", 2009 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., WMF Workshop, Jun [10] H. Xu, et al., "A high-efficiency class-e GaN HE- MT power amplifier at 1.9 GHz", IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., vol. 16, no. 1, pp , Jan [11] Y. S. Lee, Y. H. Jeong, "A high-efficiency class-e GaN HEMT power amplifier for WCDMA applications", IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., vol. 17, no. 8, pp , Aug [12] D. Schmelzer, S. Long, "A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with > 80 % PAE", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 10, pp , Oct [13] M. W. Lee, Y. S. Lee, and Y. H. Jeong, "A high-efficiency GaN HEMT hybrid class-e power amplifier for 3.5 GHz WiMAX applications", 400

동일한 조건에서 전력부가효율과 드레인 효 율은 각각 10~58.1 %, 23.4~63 %로 측정되었다. Ⅳ. 결 론 본 연구에서는 GaN HEMT를 이용한 고효율 특성 을 갖는 S대역 레이더용 전력증폭기를 설계 및 제작 하였다.

8 GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석 Microwave Conference, EuMC th European, pp , Oct [14] M. P. van der Heijden, Mustafa Acar, and Jan S. Vromans, "A compact 12-watt high-efficiency 2.1 ~2.7 GHz class-e GaN HEMT power amplifier for base stations", IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp , Jun [15] Paul Saad, Hossein Mashad Nemati, Mattias Thorsell, Kristoffer Andersson, and Christian Fager, "An inverse Class-F GaN HEMT power amplifier with 78 % PAE at 3.5 GHz", Microwave Conference, EuMC th European, pp , Oct [16] F. N. Khan, F. A. Mohammadi, and M. C. E. Yagoub, "Class-F power amplifier for universal mobile telecommunications systems", 2009 International Conference on Communication, Computer and Power, pp , Feb 최 길 웅 2002년 2월: 광운대학교 전자공학 부 (공학사) 2006년 2월: 광운대학교 전파공학 과 (공학석사) 2011년 2월: 광운대학교 전파공학 과 (공학박사) 2011년 3월~현재: 삼성탈레스 레이 더연구소 전문연구원 [주 관심분야] RF 회로 설계, 능동 위상 배열 시스템 등 김 형 주 1989년 2월: 광운대학교 전자통신 공학과 (공학사) 1992년 2월: 성균관대학교 전자공학 과 (공학석사) 1989년 3월~1998년 2월: 삼성전자 연구원 1998년 3월~2006년 2월: Radionix 이사 2006년 3월~2008년 12월: M&M Lynx 수석연구원 2009년 1월~현재: 삼성탈레스 레이더연구소 수석연구원 [주 관심분야] 안테나, RF 시스템, 레이더 시스템 등 이 복 형 1999년 2월: 동국대학교 전자공학 과 (공학사) 2001년 2월: 동국대학교 전자공학 과 (공학석사) 2005년 2월: 동국대학교 전자공학 과 (공학박사) 2006년 10월~현재: 삼성탈레스 레 이더연구소 전문연구원 [주 관심분야] 고출력증폭기, TRM, 능동위상 배열 시스템 김 상 훈 2009년 2월: 광운대학교 전파공학 과 (공학사) 2009년 9월~현재: 광운대학교 전 파공학과 석박사통합과정 [주 관심분야] RF 회로 설계, 고출 력증폭기, TRM 등 401

[15] Paul Saad, Hossein Mashad Nemati, Mattias Thorsell, Kristoffer Andersson, and Christian Fager, "An inverse Class-F GaN HEMT power amplifier with 78 % PAE at 3.

9 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 24, no. 4, Apr 최 진 주 1983년 8월: 서울대학교 물리교육 학과 (공학사) 1985년 8월: 미국 Georgia State University 물리학과 (공학석사) 1991년 8월: 미국 University of Michigan 핵공학과 (공학박사) 1991년 5월~1997년 8월: 미국 해군 연구소 (NRL) 연구원 1997년 9월~현재: 광운대학교 전자융합공학과 교수 [주 관심분야] RF 회로설계, 고출력증폭기, Vacuum tube amplifier 등 김 선 주 1986년 2월: 아주대학교 전자공학 과 (공학사) 1988년 2월: 아주대학교 전자공학 과 (공학석사) 1988년 3월~현재: 국방과학연구소 책임연구원 [주 관심분야] 반도체 송수신 모듈 설계, 능동 위상 배열 레이더 시스템 설게, 항공기 레이 더 등 김 동 환 2005년 2월: 아주대학교 전자공학 부 (공학사) 2007년 2월: 서울대학교 전기 및 컴 퓨터공학부 (공학석사) 2007년 2월~현재: 국방과학연구소 선임연구원 [주 관심분야] 능동 위상 배열 레이 더 시스템 설계, 자원관리 알고리즘 402

연구소 (NRL) 연구원 1997년 9월~현재: 광운대학교 전자융합공학과 교수 [주 관심분야] RF 회로설계, 고출력증폭기, Vacuum tube amplifier 등 김 선 주 1986년 2월: 아주대학교 전자공학 과 (공학사) 1988년 2월: 아주대학교 전자공학 과 (공학석사)

RRH Class-J 5G [2].,. LTE 3G [3]. RRH, W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access), 3G, LTE. RRH RF, RF. 1 RRH, CPRI(Common Public Radio Interface)

RRH Class-J 5G [2].,. LTE 3G [3]. RRH, W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access), 3G, LTE. RRH RF, RF. 1 RRH, CPRI(Common Public Radio Interface) THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Mar.; 26(3), 276 282. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.3.276 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) RRH