A Study on Frequency Combined Broadband Power Amplifier and High Conversion Gain Frequency Multiplier applying Broadband Matching Structure

Abstract

본 논문에서는 광대역 정합구조를 응용한 주파수 결합 광대역 전력증폭기와 고이득 주파수 체배기에 관한 연구를 수행하였다. 종래의 광대역 정합구조는 일반적으로 전력증폭기 및 주파수 체배기와 같은 회로의 동작대역을 증가시키기 위해 사용된다. 하지만, 광대역 매칭 구조를 갖는 회로는 모든 동작 주파수에서 최적화 된 성능을 갖기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 역방향 분산 구조를 적용한 주파수 체배기와 주파수 결합구조를 이용한 새로운 고효율 광대역 전력증폭기가 제안되었다. 주파수 체배기는 전력증폭기에 충분한 신호를 전달하기 위해서 높은 출력전력을 필요로 하지만, 동시에 발진기의 출력신호의 한계로 인해 높은 변환이득도 가져야 한다. 하지만 기존 구조의 주파수 체배기는 W-band 이상의 주파수 대역에서 높은 이득 및 높은 출력전력을 얻기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 기존의 분산 증폭기에서 사용했던 구조를 응용한 역방향 주파수 체배기가 개발되었다. 제안된 역방향 분산 주파수 더블러는 버퍼 증폭기 없이 높은 변환이득과 높은 출력전력을 보인다. 출력 포트의 위치는 종래의 분산 구조와 비교하여 반대방향에 위치하고, Balun과 같은 부가회로 없이 효과적으로 주파수를 체배하고, 기본성분 (f0)을 제거하기 위해 전송선의 길이가 최적화 되었다. 제안된 회로는 저가의 0.15-μm Gallium Arsenide (GaAs) Pseudomorphic High-Electron-Mobility Transistor (pHEMT) 공정을 사용하여 구현되었다. 측정된 결과는 4.3 dB의 최대변환이득과 7.1 dBm의 포화 출력을 나타내며, 12.3%의 3-dB 대역을 가진다. 제안된 주파수 더블러는 1.02.0 mm2의 적당한 칩 크기를 가지며, 96 GHz에서 23 dB의 기본 성분 제거 성능을 보였다. Multi-octave 대역폭을 갖는 광대역 전력증폭기는 전자전에 많이 이용되고 있으며, 위에서 언급한 바와 같이 나쁜 출력전력 및 효율 특성을 가지고 있다. 이로 인해, 전원 공급기의 높은 전력용량이 요구되며, 실제 시스템의 전력 공급기의 크기가 굉장히 커지는 문제를 야기한다. 기존 광대역 구조가 갖는 단점을 개선하기 위해 주파수 결합 방식의 광대역 전력증폭기가 제안되었다. 제안된 구조의 전력증폭기는 성능 최적화를 위해 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역으로 나누어 동작하며, 주파수 분배기/결합기를 이용해 동작이 가능하도록 하였다. 주파수 분배기/결합기는 off-state 전력증폭기의 영향을 받지 않는 것이 중요하며, 이를 위해 coupled line coupler 구조를 채택하였다. 제안된 전력증폭기는 0.25-μm Gallium Nitride (GaN) 공정을 이용해 제작되었으며, 주파수 분배기/결합기는 수동 회로이지만, 높은 공정의 정밀도를 필요로 하여 Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) 공정을 이용해 제작되었다. 각 주파수 대역의 전력증폭기 측정결과는 기존 광대역 구조를 적용한 전력증폭기에 비해 높은 성능을 보였으며, 시뮬레이션을 통해 주파수 결합방식의 전력증폭기의 가능성을 증명하였다.; In this dissertation, a study on frequency combined broadband power amplifier and high conversion gain frequency multiplier applying broadband matching structure is performed. Conventional broadband matching structures are commonly used to increase the operating band of circuits such as power amplifiers and frequency multipliers. However, circuits with a broadband matching structure are difficult to achieve optimized performance at all operating frequencies. To solve these problems or apply new structures, a frequency doubler applying a backward distributed structure and a new high efficiency broadband power amplifier using frequency combined structure have been proposed. The frequency multiplier requires high output power to deliver sufficient signal to the power amplifier, but at the same time it must have a high conversion gain due to the limit of the output signal of the oscillator. However, it is difficult to obtain high gain and high output power in W-band due to the parasitic component (Cgs, Cds) of the transistor in the conventional frequency multiplier. To solve this problem, a backward distributed frequency doubler applying the structure used in existing distributed amplifiers has been developed. The proposed backward distributed frequency doubler shows a high conversion gain and high output power without buffer amplifiers. The position of the output port is reversed compared to a conventional distributed structure, and the lengths of the transmission lines are optimized to effectively multiply the frequency and remove the fundamental-frequency signal (f0)without additional circuits such as a balun. The proposed frequency doubler was implemented using a low cost, 0.15-μm Gallium Arsenide (GaAs) Pseudomorphic High-Electron-Mobility Transistor (pHEMT) process. The measured results show a peak conversion gain and saturated output power of 4.3 dB and 7.1 dBm, respectively, with 12.3% fractional 3-dB bandwidth. The proposed frequency doubler shows a fundamental suppression of -23 dB at 96 GHz with a moderate chip size of 1.0mmX2.0 mm. A broadband power amplifier with multi-octave bandwidth is widely used in electronic warfare and has poor output power and efficiency characteristics as mentioned above. This causes a problem in that a high power capacity of the power supply is required and the size of the supply of the actual system becomes extremely large. To improve the disadvantages of the existing broadband structure, a frequency combined broadband power amplifier has been proposed. In order to optimize the performance, the power amplifier of the proposed structure operates by dividing into two frequency bands of a low-band and high-band, and this operation is enabled by using a frequency splitter/combiner. It is important that the frequency splitter/combiner is not affected by the off-state power amplifier, and a coupled line coupler structure is adopted for this purpose. The proposed power amplifier was implemented using 0.25-μm Gallium Nitride (GaN) process. The frequency splitter/combiner is a passive circuit but requires high process precision and is manufactured using Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) process. The results of the power amplifier measurement in each frequency band showed higher efficiency characteristics than the power amplifier using the conventional broadband structure. The possibility of frequency combined broadband power amplifier was demonstrated.