There is an increasing demand for X band radar T/R modules in relation to military and public service use. One of the most important components of the module is a high power amplifier, which should preferably be developed as an MMIC for minimization and reproducibility of the module.
For X band compact high power amplifier, the two power combiners are proposed. The high power amplifier with bus-bar combiner is fabricated with HEMT technology. Bus-bar combiner is impedance transforming combiner with simple biasing networks. Improved bus-bar combiner for high output power is proposed.
The high power amplifier with tournament-shaped power combiner is proposed and fabricated with HEMT technology. Because the differential structure with tournament-shaped power combiner removes the transmission line for biasing, the size of the power amplifier is decreased. Besides, transmission line transformers of tournament-shaped power combiner are implemented with shorter transmission lines than the transmission lines of bus-bar combiner for impedance transform. Therefore, the tournament-shaped power combiner makes the power amplifier more compact. The amplifier with tournament-shaped combiner has higher power density than that with bus-bar combiner at same output power because of small chip-size.
Lastly, the efficiency and linearity characteristics of the parallel matching power combiner and tournament power combiner are discussed in detail. The more combined transistors with tournament power combiner show the better efficient characteristics than the transistors with parallel matching power combiner. Moreover the bias network of the tournament power combiner has more linear characteristics than the bias network of parallel matching combiner. These are proven through the simulation and measurement results. When high power amplifier module for base station is designed, the tournament power combiner can use less surface-mounted device (SMD) capacitors for matching than parallel matching power combiner. It enables more efficient and cheaper power amplifier module. Therefore the tournament power combiner can be adopted in most high power amplifier instead of parallel matching power combiner that usually be used.
X 대역 레이더 시스템의 구성요소 중 고출력 전력증폭기는 레이더의 탐지 능력에 결정인 역할을 하는 소자이며, 최근에는 시스템의 소형화와 재현성을 위해 고출력 전력증폭기를 MMIC로 제작하는 추세이다. 그러나 MMIC 고출력증폭기는 칩면적이 크기 때문에 칩 가격을 낮추기 위해서는 크기를 줄이는 것이 무엇보다도 중요하다. 따라서 소형 고출력증폭기를 개발하기 위해서 두 종류의 전력결합기가 제안하여 HEMT 공정을 이용하여 설계하였다.
먼저 bus-bar 결합기를 사용한 고출력 증폭기가 제안되었다. 제안한 Bus-bar결합기는 트랜지스터의 출력 임피던스를 증폭기의 외부 임피던스와 맞추면서 트랜지스터를 결합해가는 binary결합기의 하나로 기존 binary결합기보다 전원 부분에서의 손실과 면적을 줄일 수 있는 구조로 설계하였다. 이다. 10 GHz에서 약 7.4W이상의 출력전력을 가짐을 실험을 통해 확인하였다.
두번째로 tournament-shaped 전력결합기를 사용한 고출력 증폭기가 제안되었다. 이 결합기는 차동구조를 사용하기 때문에 가상접지를 이용해서 전원을 공급할 수 있어 bus-bar결합기에 비해 전체 전력증폭기의 크기를 줄일 수 있다. 또한 이 결합기에서 사용되는 전송선 변압기는 전송선간의 결합을 이용하는 것으로 전송선들간에 간격을 줄일 수 있어서 전체적으로 작은 크기로 구현이 가능하다. 10 GHz에서 약 6.4W이상의 출력전력을 가짐을 실험을 통해 확인하였다. 또한 tournament-shaped결합기를 사용한 전력증폭기의 전력밀도가 $0.812 W/mm^2$ 으로 bus-bar결합기를 사용한 전력증폭기의 전력밀도인 $0.528W/mm^2$ 보다 높은 전력밀도를 가짐을 모의실험과 측정을 통해 확인하였다.
마지막으로 일반적인 결합기와 tournament-shaped 결합기의 효율성과 선형성에 대해 설명하였다. 일반적인 결합기의 효율성은 트랜지스터가 결합될수록 급격히 떨어지는 반면 tournament-shaped 결합기의 효율성은 트랜지스터가 결합될수록 효율성이 많이 떨어지지 않아 출력전력이 실제적용이 가능할 정도의 특성을 보였다. 게다가 tournament-shaped 결합기의 전원연결부분이 일반적인 결합기의 전원연결부분보다 좀더 선형적인 특성을 가지게 함을 모의 실험과 측정을 통해 검증하였다. 그러므로 tournament-shaped결합기는 기존의 전력결합기에 비해 작은 면적과 선형성이 높은 특성으로 고출력증폭기에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
