Ⅰ. 서론
구동증폭기는 전력증폭기에 전력을 공급하기 위해 사용되며 송신기 구성에 있어서 필수적인 회로이다[1][2].
구동증폭기의 구조 및 성능은 전체 송신기 회로의 특성에 큰 영향을 준다. 특히, 동작 주파수 범위가 넓은 송신기 회로일수록 구동증폭기의 특성은 더 큰 중요성을 갖는다.
비대역폭을 100% 이상 갖는 광대역 증폭기는 일반적으로 리액티브 정합 구조 [3][4] 또는 분산 증폭기의 구조[5][6]를 채택한다. 리액티브 정합 구조의 경우, 분산 증폭기 구조에 비해 더 높은 이득을 갖지만 정합 특성에 따라 동작 대역에서의 이득 편차가 크다는 단점을 가지고 있다. 반면, 분산증폭기 구조는 리액티브 정합 구조에 비해 낮은 이득을 갖지만 동작대역 내에서 이득의 편차가 적으며, 저주파 통과 필터 구조를 형성하는 분산증폭기의 특징으로 인해 낮은 주파수에서의 이득을 확보하기에 더 유리하다는 장점을 갖는다. 하지만, 위에서 언급한 두 가지 구조는 모든 주파수 대역에서 최적의 성능을 낼 수 있도록 임피던스 정합을 할 수 없으며, 주파수에 따라 최적의 성능을 낼 수 있는 임피던스가 존재하는 트랜지스터의 특징으로 인해 동작 주파수 범위가 넓어질수록 증폭기의 성능이 전반적으로 감소 할 수밖에 없는 한계를 가지고 있다.
광대역 특성을 갖는 송신기 회로에서 구동증폭기가 효과적으로 대역을 나누어 전력을 공급 할 수 있다면, 나눠진 주파수 대역에서 동작하는 전력증폭기들의 대역폭이 줄어들 수 있기 때문에 각 전력증폭기의 출력 전력 및 효율을 증가 시킬 수 있어 전체 송신기 회로의 성능향상을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 GaAs HBT 공정 및 9-layer SiP를 이용하여 L, S 및 C 대역에서 동작하며, 저주파 대역 (1 – 4 GHz)과 고주파 대역(4 – 7 GHz)으로 신호를 분배하는 구동증폭기를 설계하여 새로운 송신 구조의 가능성을 확인하는 것에 초점을 두었다. 주파수 분배를 구현하기 위해 결합선로 커플러(Coupled line coupler) 구조를 응용하였으며, 설계된 구동증폭기는 측정을 통해 검증하였다.
Ⅱ. 광대역 구동증폭기 설계
1. 주파수 분배기 설계
그림 1은 제안된 광대역 구동증폭기의 회로도를 보여 준다. 구동증폭기는 하나의 트랜지스터와 출력신호를 저대역 및 고대역으로 분배해주는 주파수 분배기로 구성된다. 주파수 분배기의 동작은 일반 다이플렉서와 유사하지만, 결합선로의 특성을 활용하여, 통과대역이 아닌 출력 포트의 임피던스가 표준화 된 값이 아니어도 주파수 분배 특성에 큰 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 실제 다이플렉서의 설계를 위해서는 저대역-고대역 간의 격리를 위한 설계의 최적화 과정이 필요하다는 내용이 보고된 바 있으며[7] , 통과대역이 아닌 출력 포트의 임피던스가 표준화 된 값이 아닐 경우에는 다이플렉서의 기본 동작특성이 변할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 무선 통신 시스템의 구조 및 동작이 복잡해지고 있는 상황에서 구동증폭기의 특성이 출력 포트 임피던스의 영향이 적다는 것은 큰 장점으로 작용 할 수 있다.
그림 1. 설계된 주파수 방식의 분배 구동증폭기
Fig. 1. Schematic of the designed frequency split type broadband drive amplifier
단순한 결합선로는 입력 신호를 저대역과 고대역으로 나눌 수 없기 때문에, 그림 2와 같이 두 개의 공진 회로를 이용하여 주파수 분배 특성을 갖도록 설계하였다. 저대역의 동작을 위해서는 인덕터와 커패시터를 직렬로 연결하여 공진회로를 구성하였으며, 고대역의 동작의 경우 인덕터와 커패시터를 병렬로 연결한 공진회로를 이용하였다. 직렬 공진회로는 공진 주파수에서 단락시키고, 병렬 공진 회로는 공진주파수에서 개방시킨다는 반대 특성을 이용 하였으며, 주파수 분배의 경계 지점을 4.5 GHz로 설정하기 위한 결합선로 및 공진회로의 최적화를 진행하였다.
그림 2. 주파수 분배기
Fig. 2. Frequency splitter
2. 바이어스 회로 및 정합회로 구성
증폭기의 설계를 위해서 트랜지스터의 DC 동작점을 설정하는 것은 가장 기초적이며 중요한 내용이다. BJT는 베이스 전류에 따라 콜렉터 전류가 결정되므로, 동작점 설정을 위해서 전류 거울 회로가 필요하며, 온도나 전압의 변화에 민감하지 않도록 설계하는 것이 중요하다. 그림 3은 트랜지스터에 전류를 공급하기 위한 전류 거울 회로의 회로도이며, V Batt 와 V Enable 전압을 각각 3.7 V 및 3.25 V로 설정하였을 때 약 350 uA의 전류를 트랜지스터의 베이스에 공급한다.
그림 3. 전류 거울(바이어스) 회로
Fig. 3. Current mirror(Bias) circuit
구동증폭기의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 입력 및 출력의 정합회로이다. 제안된 구조의 구동증폭기는 광대역 특성을 확보하기 위해서, 로드-풀 시뮬레이션을 이용하였다. 로드-풀 시뮬레이션 결과를 기반으로, 그림 4와 같이 여러 단의 정합회로 구조의 입력 정합회로를 채택하였다. 출력단의 경우에는 광대역에서 표준화된 임피던스에 가까운 특성을 갖는 주파수 분배기 구조의 정합회로를 이용하여 광대역 특성을 확보하였다.
그림 4. 입력정합 회로
Fig. 4. Input matching network
Ⅲ. 시뮬레이션 결과 및 분석
그림 5는 설계된 광대역 구동증폭기의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 설계된 구동증폭기의 소신호 시뮬레이션을 위해서 –10 dBm의 입력전력을 인가하였으며. 그림 5(a)에서 볼 수 있듯이, 설계된 구동증폭기는 1 GHz부터 7 GHz의 주파수 대역에서 10 dB 이상의 이득을 보였다. 그림 5(b)는 입, 출력 반사손실을 보여주며, 동작대역내에서 최소 –2 dB 이상을 성능을 보였다. 일반적인 협대역 증폭기의 반사손실에 비해 좋지 않은 성능이지만, 일반적인 초광대역 증폭기의 특성과는 비슷한 성능을 보였다. 구동증폭기의 출력 전력을 확인하기 위해서 입력 전력은 10 dBm을 인가하였으며, 그림 5(c)에서 볼 수 있듯이, 전체 주파수 동작범위에서 16 dBm 이상의 출력 전력 특성을 보여주었다.
그림 5. 설계된 구동증폭기의 시뮬레이션 결과: (a) 주파수에 따른 이득, (b) 주파수에 따른 반사손실, (c) 주파수에 따른 출력 전력
Fig. 5. Simulation results of the designed drive amplifier according to frequency: (a) gain, (b) return loss, and (c) output power.
Ⅳ. 실험 및 결과
설계된 구동증폭기는 GaAs HBT 공정 및 9-layer SiP를 이용하여 제작되었다. 그림 5는 제작된 회로의 레이아웃, 칩 및 모듈의 사진을 보여준다. 칩의 크기는 RF 및 DC 패드를 포함하여 1380 μm × 870 μm이며, 전체 모듈사이즈는 3.2 mm × 2.2 mm이다.
그림 6은 제작된 구동증폭기의 측정에 사용된 셋업의 구성을 보여준다. 구동증폭기의 소신호 동작특성을 확인하기 위해서 네트워크 분석기가 이용되었으며, 대신호 동작특성은 신호발생기, 스펙트럼 분석기 및 파워미터를 이용하여 측정을 진행하였다. 소신호 및 대신호 특성 모두 온-웨이퍼 프로브(on-wafer probe)를 이용하여 측정하였다. 입력 및 출력 전력의 정확한 수치를 파악하기 위해, 커플러를 통해 검출된 전력을 파워센서 및 파워미터를 이용하여 모니터링 하였다. 또한 출력 신호의 주파수 성분을 정확하게 확인하기 위하여 스펙트럼 분석기를 이용하였으며, 트랜지스터의 비선형 특성으로 인해 발생하는 고조파 성분을 제외하면 입력 및 출력 신호의 주파수가 동일함을 확인하였다. DC 바이어스의 공급을 위해서 와이어 본딩(Wire-Bonding)과 전원 공급기를 이용하였다.
그림 6. 제작된 구동증폭기의 (a)레이아웃, (b)칩 및 모듈사진
Fig. 6. The fabricated drive amplifier : (a) Layout, (b) photograph of chip and module.
그림 7. 구동증폭기의 측정셋업
Fig. 7. Measurement setup of the fabricated drive amplifier
그림 8은 제작된 광대역 구동증폭기의 측정결과를 보여준다. 그림 8(a)를 통해 제작된 주파수 분배 방식의 구동증폭기는 1 GHz부터 7 GHz의 주파수 범위에서 8 dB 이상의 이득을 증명하였으며. 1 GHz에서는 약 14 dB의 이득을 보였다. 그림 8(b)는 입, 출력 반사손실 측정결과를 보여주며, 시뮬레이션 결과 대비 약 0.5 dB에서 1 dB 정도 개선되었다. 그림 8(c)는 구동증폭기의 출력 전력 특성을 보여주며, 최소 15 dBm 이상의 특성을 보였다.이득과 마찬가지로 저대역에서 더 높은 출력을 보이는 경향을 가지고 있으며, 1 GHz에서 최대 21 dBm의 출력 전력 특성을 보였다.
그림 8. 설계된 구동증폭기의 측정 결과: (a) 주파수에 따른 이득, (b) 주파수에 따른 반사손실, (c) 주파수에 따른 출력 전력
Fig. 8. Measurement results of the designed drive amplifier according to frequency: (a) gain, (b) return loss, and (c) output power.
Ⅴ. 결론
본 논문에서는 주파수 분배 방식으로 동작하는 광대역의 구동증폭기를 설계하였다. 구동증폭기의 광대역 특성을 확보하기 위해 새로운 방식의 주파수 분배기를 이용하였으며, 직렬 및 병렬 공진회로를 이용하여 최적화하였다. 설계된 구동증폭기는 GaAs HBT 공정을 이용해 제작되었고 9-layer SiP를 이용하여 모듈화 하였다. 설계 결과는 측정을 통해 성능을 검증하였다. 측정된 구동증폭기의 성능은 시뮬레이션과 잘 일치된 결과를 보이며, 1 GHz부터 7 GHz의 주파수 대역에서 8 dB 이상의 이득과 15 dBm 이상의 출력전력이 측정되었다.
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