A Study on Dual-band Matching Method for Power Amplifier and Low Noise Amplifier and Development of Dual-band Front-end IC Sunwoo Lee

Abstract

본 논문에서는 전력증폭기와 저잡음증폭기의 이중 대역 정합 방법과 스위치 리스 이중 대역 프론트엔드 집적 회로에 대한 연구를 수행하였다. 최근 WiFi, UAVs, LTE, 5G NR등 다양한 현대 무선 통신 시스템에서는 안정적이고 효율 적인 통신을 보장하기 위해 다중 대역 작동이 요구되고 있다. 다중 대역 통신 시스템을 지원하기 위한 전력증폭기 및 저잡음증폭기에 대한 수요는 통신 시 스템의 효율, 출력 전력, 잡음 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 폭발적 으로 증가하고 있다. 하지만, 각 동작 대역을 위한 전용 단일 대역 전력증폭 기와 저잡음증폭기를 추가하는 기존 방식은 과도한 비용, 높은 복잡성, 크기 문제를 야기한다. 이중 대역 작동을 구현하는 또 다른 방법은 광대역 전력증 폭기 및 저잡음증폭기를 사용하는 것이지만, 광대역 전력증폭기와 저잡음증폭 기는 목표 주파수에서 동시에 최적의 성능을 확보하기 어렵다. 결과적으로 전 력증폭기와 저잡음증폭기의 최적 성능을 위한 다중 대역 정합 방법은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 먼저, 본 연구에서는 전력증폭기와 저잡음증폭기에 대한 이중 정합 방법을 제시한다. 제안된 이중 대역 정합 방법은 직렬 및 병렬 공진을 활용하여 두 개의 목표 주파수에서 전력증폭기와 저잡음증폭기의 성능을 동시에 최적화한 다. 또한 본 연구는 제안된 정합 방법의 선택 가능한 주파수 범위에 대한 분 석을 포함하여 다양한 주파수 대역에 대한 적용 가능성을 예측할 수 있다. 제 안된 정합 방법을 사용하여 ISM 대역 애플리케이션을 위해 Rogers 5880 기 판에 Wolfspped GaN HEMT CGH40006을 사용하여 2.45/5.8 GHz 이중 대역 전력증폭기를 구현하였다. 단일 대역 전용 전력증폭기들와 비교할 때 이중 대 역 전력증폭기는 약간의 효율 저하를 제외하고 유사한 성능을 보여 주었다. 또한, 5G 애플리케이션을 위해 밀리미터파 주파수 영역에서 이중 대역 정합 방법의 타당성을 검증하기 위해 0.15-μm GaAs pHEMT 공정을 사용하여 28/48 GHz 이중 대역 전력증폭기 및 저잡음증폭기를 구현하였다. 이중 대역 전력증폭기는 27-29 GHz에서 18.9 dBm 이상, 47-49 GHz에서 18.3 dBm 이 상의 출력을 보여주었고, 27-29 GHz에서 34 % 이상, 47-49 GHz에서 25.3 % 이상의 효율을 나타내었다. 이중 대역 저잡음증폭기는 28 GHz에서 2.8 dB, 48 GHz에서 3.2 dB의 잡음 지수를 보여주어 제안된 이중대역 전력증폭기 및 저 잡음증폭기를 위한 정합 방법의 유용성을 확인하였다. 마지막으로, 제안된 정합 방식을 적용한 28/48 GHz 이중 대역 전력증폭기 와 저잡음증폭기로 구성된 0.15-μm GaAs pHEMT 공정을 이용한 스위치리스 이중 대역 프런트엔드 집적 회로를 개발하였다. 제안된 이중 대역 프론트엔드 집적 회로의 토폴로지는 스위치리스 이중 대역 송수신기 결합 구조와 오프 상 태의 이중 대역 전력증폭기 및 저잡음증폭기를 이용하여 밀리미터파 영역에서 손실이 큰 스위치를 제거하며 구현되었다. 제작된 스위치리스 이중 대역 프런 트엔드 집적 회로를 레퍼런스 전력증폭기 및 저잡음증폭기와 비교했을 때 28 GHz와 48GHz에서 약 1 dB 정도 성능 저하만을 보여주어, 제안된 프런트 엔 드 토폴로지가 추가 스위치 없이 이중 대역 전력증폭기 및 저잡음증폭기 결합 에 유용함을 확인하였다.|A Study on Dual-band Matching Method for Power Amplifier and Low Noise Amplifier and Development of Dual-band Front-end IC Sunwoo Lee Department of Electrical and Electronic Engineering Graduate School of Hanyang University In this dissertation, a study on dual-band matching methods for power amplifier (PA) and low noise amplifier (LNA) and switchless dual-band front-end integrated circuits (IC) is performed. Recently, various modern wireless communication systems, including WiFi, UAVs, LTE, and 5G NR, have requested multiband operation to ensure reliable and efficient communication. Due to affecting the efficiency, output power, and noise characteristics of the communication systems directly, the demand for a multiband operation of PA and LNA is growing explosively to support dual-band communication systems. However, the conventional method of adding a dedicated single-band PA and LNA to each operating band causes excessive cost, complexity, and size problems. Another way to implement a dual-band operation is to use a wideband PA and LNA, but it is difficult for wide-band PA and LNA to secure optimal performance at the target frequencies simultaneously. As a result, a multiband matching method for the optimum performance of PA and LNA remains a significant challenge. First, the dual-band matching method for a PA and LNA is presented in this study. The proposed dual-band matching method utilizes a series and parallel resonance to optimize the performances of PA and LNA at the two target frequencies simultaneously. In addition, the study includes an analysis of the selectable range of frequency for the proposed matching method, allowing applicability to be predicted for various frequency bands. Using the proposed matching methodology, a 2.45/5.8 GHz dual-band PA using a Wolfspped GaN HEMT CGH40006s on a Rogers 5880 substrate is implemented for ISM-band applications. Compared with single-band dedicated PAs, the dual-band PA shows similar RF performance with slight drain efficiency (DE) degradations. Furthermore, A 28/48 GHz dual-band PA and LNA are also implemented using a 0.15-μm GaAs pHEMT process to verify the feasibility of the dual-band matching method in the millimeter-wave frequency region for 5G applications. The dual-band PA achieved the output 3-dB compression point (OP3dB) of 18.9 dBm between 27 and 29 GHz and 18.3 dBm from 47 GHz to 49 GHz. The power-added efficiency-3dB compression point (PAE3dB) of the PA was above 34 % between 27 and 29 GHz and over 25.3 % from 47 GHz to 49 GHz. The dual-band LNA has the noise figure (NF) of 2.8 dB at 28 GHz and 3.2 dB at 48 GHz, respectively, therefore we verify the usefulness of the proposed matching method for the dual-band PA and LNA. Finally, the switchless dual-band front-end IC is developed using a 0.15-μm GaAs pHEMT process, which is composed of a 28/48 GHz dual-band PA and LNA with the proposed matching method. The proposed topology of a dual-band front- end IC is implemented by eliminating a switch with a large loss in the millimeter- wave region using a switchless dual-band Tx/Rx combining structure and an off- state dual-band PA and LNA. When compared to the reference PA and LNA, the fabricated switchless dual-band front-end IC showed a performance degradation of approximately 1 dB at 28 GHz and 48 GHz, verified that the proposed front-end topology is useful for combining dual-band PAs and LNAs without additional switches. Keywords: Dual-band, front-end integrated circuit, low noise amplifier, matching method, parallel resonance, power amplifier, series resonance, switchless dual- band Tx/Rx combining structure.