X-band GaN power amplifier MMIC for active phased array radar

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In general, phased array radars are divided into passive and active types, passive phased array radars feed power to antenna using a single high-power transmitter such as Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) or Klystron and electronically form a radio beam using phase changes in a number of phase shifters and change the beam width.On the other hand, the recently developed active phased array radar can form various radiation patterns such as fast electronic beam steering, multi-beam formation, and real-time adaptive beam formation by controlling the magnitude and phase of signals fed to antennas through semiconductor Transmit/Receive Module (TRM) connected to thousands to tens of thousands of radiation elements for precise detection and tracking. Therefore, high performance/intergration of the transmit/receive module that
determines the performance of the phased array radar is required. The power amplifier, which is a key component of the transmit/receive module, consumes the most power and is therefore considered an important element in the design of an active phased array radar system that has a structure that is difficult to dissipate heat. Accordingly, research on power amplifiers using the GaN (Gallium Nitride) HEMT (High Electron Mobility Transistor) process with high output and high efficiency performance is being actively conducted.
In this thesis, an X-band GaN power amplifier MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) with high-power and high-efficiency characteristics applicable to an active phased array radar system was designed and manufactured. The designed power amplifier has been measured to have a saturated power of 43.2 to 44.3 dBm, a power-added efficiency (PAE) of 43.6 to 49.2%, and a power gain of 18.8 to 19.8 dB in the frequency range of 8.5 to 11 GHz, and has excellent power density with a size of 3.5 × 3.2 mm². Therefore, the proposed power amplifier is suitable for use in the transmit/receive module of an active phased array radar.

국문 초록 (Abstract)

일반적으로 위상 배열 레이다는 수동형과 능동형으로 구분되며, 수동 위상 배열 레이다는 안테나에 진행파관증폭기 (TWTA), 클라이스트론 등의 단일 고출력 송신기로 급전을 하며 다수의 위상 변위기에서 전파 빔을 위상 변화를 이용해 전자적으로 형성하고 빔 폭을 변화시킨다. 반면 최근 개발되고 있는 능동 위상 배열 레이다는 정밀 탐지 및 추적을 위해 안테나에 급전되는 신호의 크기와 위상을 수천 개에서 수만 개에 해당하는 복사 소자에 연결된 반도체 송수신모듈 (TRM)을 통해 제어함으로써, 빠른 전자적 빔 조향, 다중 빔 형성, 실시간 적응 빔 형성 등 다양한 복사패턴을 형성할 수 있다. 따라서 위상 배열 레이다 성능을 결정하는 송수신모듈의 고성능/집적화가 요구되고 있다. 송수신모듈의 주요 부품인 전력증폭기는 가장 많은 전력을 소모하기에, 방열이 어려운 구조를 가지는 능동 위상 배열 레이다 시스템 설계에 중요한 요소로 고려된다. 이에 따라 고출력, 고효율 성능을 가지는 GaN (Gallium Nitride) HEMT (High Electron Mobility Transistor) 공정을 이용한 전력증폭기 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 논문에서는 능동 위상 배열 레이다 시스템에 적용 가능한 고출력, 고효율 특성을 갖는 X-대역 GaN 전력증폭기 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits)를 설계 및 제작하였다. 설계된 전력증폭기는 8.5–11 GHz 주파수 범위에서 포화 전력 43.2–44.3 dBm, 전력 부가 효율 (PAE) 43.6–49.2%, 전력 이득 18.8 –19.8 dB의 측정 결과를 확인하였고 크기는 3.5 × 3.2 mm²로 우수한 전력밀도를 가진다. 따라서 제안된 전력증폭기는 능동 위상 배열 레이다의 송수신모듈에 사용하기에 적합하다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iv
• 1. Introduction 1
• 2. Research contents 4
• 2.1 GaN-HEMT 4
• 2.2 Design of power amplifier 7
• 3. Simulation & Measurement results 20
• 3.1 Simulation result 20
• 3.2 Measurement method 24
• 3.3 Measurement result 29
• 4. Conclusion 39
• References 40
• Korean Abstract 42