Design of high-power GaN X-band switch and Ka-band rectifier MMICs

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 GaN-on-SiC 공정을 기반으로 개발된 두 가지 고성능 마이크로파 회로의 설계, 제작 및 실험적 검증에 대해 다룬다. 설계된 회로는 X-대역 단일극 이중투입(SPDT) 스위치와 Ka-대역 단일 션트형 정류기로 구성된다.
제안된 SPDT 스위치는 0.15 μm 공정을 이용하여 구현되었으며, 8–11 GHz 대역에서 고출력 동작을 위해 최적화된 션트 구성을 채택하였다. 제작된 소자는 삽입손실 0.6 dB, 아이솔레이션 39–41 dB, 전력 처리 능력 47 dBm의 우수한 성능을 보였다. 또한, 전자기적 및 회로 시뮬레이션을 통해 분포형 LC 매칭 네트워크의 안정성이 검증되었으며, 이는 신호 열화를 최소화하고 고출력 환경에서도 안정적인 동작을 가능하게 한다.
단일 션트형 정류기는 35 GHz 무선전력전송(WPT) 응용을 위해 0.12 μm 공정을 이용하여 설계되었다. 이 정류기는 입력 전력 30.81 dBm에서 전력 변환 효율(PCE) 39.8%, DC 출력 전압 15.4 V를 달성하였다. 제안된 구조는 간소화된 매칭 네트워크를 통해 전도 손실 및 기생 손실을 최소화하였으며, 33–36 GHz 대역에서 효율적인 RF-DC 변환 성능을 구현하였다.
두 회로 모두 설계 목표를 달성하였으며, 각 동작 주파수 대역 내에서 탁월한 성능을 입증하였다. 이러한 결과는 차세대 고출력·고효율 마이크로파 시스템을 위한 X-대역 스위칭 회로 및 Ka-대역 정류 회로의 실현 가능성을 실험적으로 검증한 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents the design, fabrication, and experimental verification of two high-performance microwave circuits developed using GaN-on-SiC technology: an X-band single-pole double-throw (SPDT) switch and a Ka-band single-shunt rectifier. The proposed SPDT switch, implemented in a 0.15 µm process, adopts a shunt configuration optimized for high-power operation across 8-11 GHz. The fabricated device exhibits an insertion loss of 0.6 dB, an isolation of 39-41 dB, and a power-handling capability of 47 dBm.
Comprehensive electromagnetic and circuit simulations confirm the stability of the distributed LC matching network, ensuring minimal signal degradation and reliable operation under high-power conditions. The single-shunt rectifier, designed for 35 GHz wireless power transmission applications using a 0.12 µm process, demonstrates a peak power-conversion efficiency (PCE) of 39.8 % with a DC output voltage of 15.4 V at 30.81 dBm input power. This compact circuit minimizes conduction and parasitic losses through a simplified matching network, achieving efficient RF-to-DC conversion performance across 33-36 GHz.
Both circuits achieve their targeted design goals and demonstrate excellent performance within their respective frequency bands. These results experimentally verify the viability of X-band switching and Ka-band rectification circuits for next-generation high-power and high-efficiency microwave systems.

목차 (Table of Contents)

• 1.Introduction 1
• 1.1 Ka-band Rectifier 2
• 1.2 Significance and Thesis Organization 4
• 2.Theoretical Analysis of Series and Shunt Switching 4
• 2.1 Structure and Layout of the SPDT Switch 5
• 2.2 Analytical Derivation of ON/OFF-State Characteristics 7
• 2.3 Derivation of Equations Using the ABCD Matrix 10
• 2.4 Summary of X-Band Shunt Switch Design and Analytical Results 14
• 2.5 Simulation-Based Verification of Insertion Loss and Isolation 15
• 2.6 Chapter Summary 19
• 3. Ka-Band GaN-HEMT Rectifier Design and Experimental Validation 19
• 3.1 Ka-Band GaN Rectifier Design and Simulation 26
• 3.2 Fabrication and Measurement Results of the Ka-Band GaN Rectifier. 31
• 3.3 Chapter Summary 33
• 4. Conclusion 35
• References 37
• Korean Abstract 39