Recently, high power system operating at high frequency over 10GHz is researched actively and GaN device is used for this system. GaN device has characteristic that high breakdown voltage, wide bandgap energy and high saturation current velocity. Also, comparing GaAs device, size of power amplifier chip is reduced and output power increase because of high current density and breakdown voltage Using these advantage, phased array radar which is for military or for civilian is developing . The radar system for X-Band include bidirectional amplifier located in front of multi function core. The bidirectional amplifier need in phased array radar system to make high power output and low noise performance. Up to now, this bidirectional amplifier is designed mainly by GaAs device. However, GaAs device can`t be endure high input power because of low breakdown voltage. Therefore, GaN becomes used instead of GaAs in recently and GaN MMIC is essential for phase array radar system that which shows high out power. This paper represents design of wideband LNA MMIC and Switchless Bidirectional amplifier in GaN technology.
Firstly, wideband low noise amplifier target for X-Ku Band is designed . If high input power such as jamming signal put into LNA , front end LNA MMIC would be burned out. Limiter must need in front of LNA to protect this situation , but it cause degradation of insertion loss and increase of total chip area. Therefore, GaN is used to make LNA without limiter in this work. When a low noise amplifier(LNA) is used in an radar system, it should be made for wideband because it needs to control both bands. Broadband LNA must provide good input matching at wideband frequencies and flat gain over all frequencies. Broadband amplifier is designed through resistive feedback, balanced type, filter-match techniques and distributed topology. Distributed amplifier(DA) is good for broad band frequency response that goes all the way down to DC, and provide good input and output impedance matching. However, power consumption is very high and the layout size is so large. Also, a DA has small gain compared to cascode architecture because individual stages are combined in an additive fashion. In this paper, we design a high-gain ultra-wideband (X-Ku Band) LNA through the proposed structure using distributed amplifier architecture and common source configuration. This LNA MMIC has high gain, low power consumption and gain control performance. Total chip area implemented in GaN technology including bonding wire pads is 2.52mm 1.87mm.
S-parameters were measured using the vector network analyzer Anritsu 37397D 65GHz on wafer proving method. The amp has gain of 25 ±0.8dB, shows good input matching S11 < -12dB, output matching S22< -11dB. The measured noise figure is below 3.6dB across X-Ku Band and minimum noise figure is 2.8dB at 12.4GHz.
Secondly, Switchless Bidirectional amplifier in GaN technology is designed for X-Band. Bidirectional amplifier consist of PA, LNA and switch in X-Band phased array radar system. The size of chip becomes big and insertion loss degradation because of switch. If bidirectional amplifier is designed without switch, it has advantage in that performance of chip, size, and cost. Also, The way is good for X, Ku band or the other radar band system and communication such as satellite for civilian. The research and development about switchless bidirectional amplifier has started since in the late 20th century. At first, it was designed by GaAs HEMT common-gate topology. However, it is difficult to make low noise performance and high power performance simultaneously. After that it is implemented with common source topology, but this didn’t shows optimal performance in receive mode and in transmit mode. Moreover, The disadvantage of previous works about switchless bidirectional amplifier shows narrow band and small saturation power performance. This paper focuses achieving optimal performance of PA and LNA in switchless bidirectional amplifier by using proposed structure. The switchless bidirectional amplifier which is based on distributed configuration has wide bandwidth characteristics. The chip size is reduced because LNA and PA matching network is divide into share matching network and without share matching network. In the proposed structure, distributed amplifier (DA) is used for in/out broadband matching and common source which is located between two DA is used for enhancement of gain. Total chip area implemented in GaN technology including bonding wire pads is 2.5mm 2.8mm. S-parameters were measured using the PNA-X Agilent N5244A. In receive mode, the amp has gain of 20dB 1dB, shows good input matching S11 < -10dB, consumes 1W (100mA from 10V supply voltage). The measured noise figure is below 5dB across X -Band and minimum noise figure is 4.2dB at 10.6GHz. In transmit mode, the amp has gain of 26 ± 3dB, shows good input matching S11 < -14dB, consumes 4.4W (220mA from 20V supply voltage). The measured saturation power is 32dBm for X -Band. Peak PAE is 15.4% at 10GHz.
최근 들어 수십 GHz의 높은 주파수에서 고전력 시스템에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 고전력 시스템을 위해 GaN 소자를 이용한 회로 설계가 활발히 이루어지고 있다. GaN 소자의 특징을 살펴보면 높은 항복전압과 큰 에너지 밴드갭, 그리고 높은 포화전류속도를 들 수 있다. 또한, GaAs 소자와 비교해 보면 전류밀도와 전원전압이 높기 때문에, 증폭기의 칩 사이즈는 줄어들고 출력은 더 커지는 이점이 있다. 이러한 이점들을 이용하여 X-Ku 밴드 에서 군사용이나 민수용으로 다양하게 사용되는 위상배열 레이더가 개발되고 있으며, 이 레이더 시스템은 CMOS MFC(Multi Function Core) 앞단에 위치한 양방향 증폭기를 포함한다. X-Ku 밴드 에서 광대역으로 고출력과 저 잡음의 성능을 내기 위해서는 CMOS MFC만으로는 부족하여 이를 개선하기 위해 양방향 증폭기가 반드시 필요하다. 현재까지 이러한 양방향증폭기는 주로 GaAs 소자로 설계 되고 있다. 하지만 기존의 GaAs소자의 경우 낮은 항복전압 때문에 높은 입출력 신호를 견디기가 어렵다. 따라서 GaAs소자에서 GaN소자로 바뀌고 있는 추세이며, 채널당 수십 Watt에서 수백 Watt에 이르는 고출력의 위상배열 레이더에 적용하기 위해서도 GaN 기반의 설계가 필수적이다. 본 논문에서는 GaN 공정을 이용하여 광대역 LNA와 스위치 없는 양방향 증폭기를 설계하였다.
첫 번째로 X-Ku 밴드를 목표로 고전력 에서도 견딜 수 있는 광대역 LNA를 설계하였다. Jamming 신호 등에 의한 큰 수신 전력이 LNA로 들어오게 되면 LNA 초단이 포화되거나 칩이 타 버리게 된다. 이를 막기 위하여 LNA의 앞단에 리미터 회로가 필요하지만 이러한 리미터 회로를 추가하면 손실 및 잡음 지수가 나빠지는 단점이 있다. 따라서 리미터 없이 이러한 문제점을 해결하기 위하여 GaN 소자를 이용하였다. 또한, LNA가 수신단 안에서 동작할 경우 넓은 대역폭 특성이 중요해진다. 다중대역을 커버 할 수 있는 LNA는 모든 주파수 대역에서 입력정합이 잘 이루어져야 되고 flat한 이득 곡선 특성을 보여 주어야한다. 다중대역을 커버할 수 있는 LNA의 구조로는 대표적으로 resistive feedback type, balanced type, 그리고 distributed type이 있다. 이러한 구조들 중에서 이번 연구에서는 distributed type 구조를 이용하여 X-Ku 밴드를 커버 할 수 있는 광대역 LNA를 설계하였다. Distributed type의 증폭기는 광대역 매칭을 간단하게 할 수 있는 장점이 있지만 전력소모가 매우 크며, 칩의 사이즈가 커지게 되는 단점 이 있다. 또한 cascode 구조와 비교 하였을 때 이득이 작은 단점이 있다. 본 논문에서는 새롭게 제안한 구조를 통해 이런 단점을 해결하였다. 제안된 구조는 두 개의 distributed 구조 사이에 common source transistor을 사용한 구조이다. 이 구조를 이용하게 되면 전력소모와 칩의 사이즈를 최대한 줄일 수 있으며 높은 이득과 광대역한 대역폭을 유지 할 수 있는 장점이 있다. GaN 공정으로 설계된 칩의 사이즈는 2.52mm 1.87mm 이다. 10V의 공급전압을 인가하여 측정하였으며 이득은 25 0.8dB, input return loss < -12dB, output return loss < -11dB이다. noise figure는 12.6GHz에서 최솟값인 2.8dB, 전 대역에서는 최대 3.6dB로 측정되었다.
두 번째로 X-band를 목표로 하는 스위치 없는 양방향증폭기를 설계 하였다. RF 시스템에서 PA와 LNA 그리고 스위치로 양방향증폭기가 구성되어진다. 스위치는 칩 사이즈의 증가와 삽입손실을 증가시키는 원인이 된다. 스위치 없이 양방향증폭기가 설계 된다면 칩의 성능 뿐 아니라 사이즈나 가격면에서 상당한 이점을 갖을 수 있다. 그뿐만 아니라 X , Ku 밴드 레이더 등 다양한 대역의 레이더 시스템에서나 위성방송, 통신 시스템등 민군에 모두 적용 시킬 수 있는 유용한 방안이 된다. 이와 같은 스위치 없는 양방향 증폭기에 대한 연구와 개발은 1990년대부터 시작되어 왔다. 처음 연구되기 시작한 방법은 GaAs HEMT common-gate 구조로 양방향 증폭기가 설계되기 시작했다. 하지만 이 구조로는 저잡음 특성과 고출력 특성을 동시에 내기 어려웠다. 그 이후 개념적으로 연구는 되어 왔지만 수신 모드로 작동 할 때와 송신 모드로 작동 할 때, 수신시와 송신시 두 상황에서 최적의 성능을 얻을 수 있는 구현은 어려움을 겪어 왔다. 따라서 본 논문에서는 스위치가 없는 광대역한 양방향증폭기 회로의 개별 PA와 LNA의 성능을 최대한 개선 할 수 있는 새로운 구성 방식을 제시하였다. 이 양방향증폭기는 기본 distributed 구조를 사용하여 광대역 특성을 얻었고 LNA와 PA가 매칭 네트워크를 공유하는 부분과 공유하지 않은 부분이 나누어져 있어, 칩 크기도 줄이면서 각각의 LNA, PA 의 성능을 최적화 하였다. Distributed 구조 사이에 common source를 넣어 광대역을 유지하면서 Gain을 높게 설계하였다. 또한 높은 삽입손실의 스위치를 사용하지 않고 구성하여 줌으로써, 양방향증폭기의 성능을 극대화하였다. GaN 공정으로 제작된 칩의 사이즈는 2.5mm 2.8mm 이다. 수신 모드로 작동 할 때, 10V 공급전압를 인가하여 측정 하였으며 이득은 X-band(8-12GHz)에서 20dB 1dB, 입력 반사계수는 -10dB이하로 측정되었다. 측정된 noise figure 값은 10.6GHz 에서 최소값인4.2dB를 갖고 전대역에서 5dB 이하이다. 송신모드로 작동 할 때, 20V supply voltage를 인가해주었으며 X-band에서의 이득은 26 3dB, 입력반사계수는 -14dB 이하 그리고 포화전력은 32dBm으로 측정되었다. Peak PAE는 10GHz 에서 15.4 %이며 12GHz 에서 10.7% 를 보인다.
