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GaN HEMT를 이용한 스위칭 모드 전력증폭기 설계 및 전력증폭기의 Ruggedness 특성 분석
최길웅(Gil-Wong Choi),이복형(Bok-Hyoung Lee),김형주(Hyoung-Joo Kim),김상훈(Sang-Hoon Kim),최진주(Jin-Joo Choi),김동환(Dong-Hwan Kim),김선주(Seon-Joo Kim) 한국전자파학회 2013 한국전자파학회논문지 Vol.24 No.4
본 논문은 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 이용한 S대역 레이더용 전력증폭기 설계하고 제작된 스위칭 모드 전력증폭기의 ruggedness 시험에 관련된 내용을 기술하였다. 고효율 특성을 위해 전력증폭기를 Class-F로 설계하였으며, 측정을 위한 입력 신호는 100 ㎲의 pulse width 및 10 %의 duty cycle인 pulse 신호를 사용하였다. 제작된 Class-F 전력증폭기의 중심 주파수에서 측정한 결과, 8.7 ㏈의 전력 이득과 42 ㏈m의 출력 전력, 54.2 %의 전력 부가 효율(PAE) 및 62.6 %의 드레인 효율이 측정되었다. 또한, 전력증폭기의 신뢰성 시험의 일환으로 Ruggedness 시험을 위한 실험 구성을 제안하고, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)을 변화시켜 출력 전력과 효율을 측정하였다. 설계된 전력증폭기가 VSWR 변화에 따라 출력 전력 32.6~41.1 ㏈m까지 변화하고, 드레인 효율은 23.4~63 %까지 변하는 특성을 얻을 수 있었다. This paper presents design, fabrication and ruggedness test of switching-mode power amplifier using GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) for S-band radar applications. The power amplifier is designed to Class-F for high efficiency. The input signal for the measurement of the power amplifier is pulse signal at 100 ㎲ pulse width and duty cycle of 10 %. The measurement results of the fabricated Class-F power amplifier are a power gain of 10.8 ㏈, an output power of 40.8 ㏈m, a power added efficiency(PAE) of 54.2 %, and a drain efficiency of 62.6 %, at the center frequency. We proposed reliability test set-up of a power amplifier for ruggedness test. And we measured output power and efficiency according to VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) variation. The designed power amplifier achieved output power of 32.6~41.1 ㏈m and drain efficiency of 23.4~63 % by changing VSWR, respectively.
최길웅,김형종,최진주,최준호,Choi, Gil-Wong,Kim, Hyoung-Jong,Choi, Jin-Joo,Choi, Jun-Ho 한국군사과학기술학회 2010 한국군사과학기술학회지 Vol.13 No.6
This paper describes the design and fabrication of a high-efficiency GaN HEMT(Gallium Nitride High-electron Mobility Transistor) Pallet power amplifier module for S-band phased array radar applications. Pallet amplifier module has a series 2-cascaded power amplifier and the final amplification-stage consists of balanced GaN HEMT transistor. In order to achieve high efficiency characteristic of pallet power amplifier module, all amplifiers are designed to the switching-mode amplifier. We performed with various PRF(Pulse Repetition Frequency) of 1, 10, 100 and 1000Hz at a fixed pulse width of $100{\mu}s$. In the experimental results, the output power, gain, and drain efficiency(${\eta}_{total}$) of the Pallet power amplifier module are 300W, 33dB, and 51% at saturated output power of 2.9GHz, respectively.
김현진(Hyun-Jin Kim),허예림(Ye-Rim Heo),이윤수(Yun-Soo Lee),최진주(Jin-Joo Choi) 한국전자파학회 2020 한국전자파학회논문지 Vol.31 No.6
이 논문에서는 2.45 ㎓에서 동작하는 PLL 설계 및 주파수와 위상 에러를 시간 축에서 확인하는 방법에 대해서 다룬다. 설계과정에서는 일반적으로 알려진 Type-Ⅱ PLL의 설계방법을 따르며, 33,800 ㎭/s 의 고유진동수(ωn)와 0.53의 감쇠비(ζ)를 갖도록 설계하였다. 제작결과, VCO(voltage controlled oscillator)에 PLL을 추가하였을 때 Phase Noise가 10 ㎑와 150 ㎑ offset에서 각각 22 ㏈, 58 ㏈가 감소했다. 특성실험 단계에서는 MATLAB 프로그램을 이용하여 설계된 회로에서의 초기 주파수 에러의 피크점 간격을 계산한 결과 100 ㎲가 나왔고, 오실로스코프를 이용하여 측정한 결과, 동일하게 100 μs가 나오는 것을 확인하였다. 오실로스코프를 통해 측정한 튜닝전압의 변화를 통해 출력 주파수의 최고점이 2.5 ㎓가 나올 것을 추측하였으며, 믹서를 이용해 최고 2.504 ㎓가 나온 것을 확인하였다. 또한, 주파수가 고정된 후의 비교 주파수 200 ㎑에서의 위상 오차에 대한 보상은 오실로스코프를 이용했을 때는 12.7°로 계산되었고, PSpice를 이용하였을 때, 8.93°로 계산되었다. 두 측정치 사이의 오차는 29.7 %로 이는 적분 과정에서의 근사와 튜닝전압의 fluctuation에 의한 것으로 판단된다. This paper concerns a PLL design operating at 2.45 ㎓ and a method for checking frequency and phase errors over time. During the design process, the design method had a natural frequency (ωn) of 33,800 ㎭/s and a damping ratio (ζ) of 0.53 according to a generally known method of designing a Type-Ⅱ PLL. Owing to production, when the PLL of VCO(voltage controlled oscillator) was added, phase noise decreased by 22 ㏈ and 58 ㏈ at 10 ㎑ and 150 ㎑ offset, respectively. In the experimental stage of the characteristics, the result of calculating the interval between the peak points of the initial frequency error in the circuit designed using MATLAB program was 100 ㎲, and a similar result was obtained when the measurement was taken using an oscilloscope. It was assumed that the highest point of the output frequency was 2.5 ㎓ through the change of the tuning voltage measured using the oscilloscope, and it was verified by using mixer that a maximum output frequency was 2.504 ㎓. Additionally, for the compensation of the phase error at the comparison frequency, we obtained values of 12.7° and 8.93° using an oscilloscope and a PSpice, respectively, after fixing the frequency. The error between the two measurements was 29.7 %, and it was determined to be due to approximation in the integration process and the fluctuation of the tuning voltage.
400W, 7.9~8.4GHz 이중슬롯 결합공진기 진행파관 증폭기 특성 연구
김형종,김해진,최진주,소준호,Kim, Hyoung-Jong,Kim, Hae-Jin,Choi, Jin-Joo,So, Jun-Ho 한국군사과학기술학회 2009 한국군사과학기술학회지 Vol.12 No.6
This thesis focuses on the study of high-power, coupled-cavity traveling-wave tube(CCTWT) for radar applications. The CCTWT employed a reentrant double-slot staggered RF cavity structure. Computational analysis of the X-band, double-slot staggered structures is carried out through the use of HFSS code, which solves Maxwell's equations fully in three-dimensions. The non-linear, large-signal performance of CCTWTs are predicted from numerical simulations using a three-dimensional particle-in-cell code, MAGIC3D. With beam voltage set to 12.7~13kV and beam current at 300mA, the CCTWT produces a saturated radiation power of 350~430W, corresponding to an electronic efficiency of 8.9~11.2% and a gain of 23.7~24.2dB within a frequency range of 7.9~8.4GHz.
GaN HEMT Die를 이용한 S-대역 내부 정합형 고효율 고출력 증폭기
김상훈(Sang-Hoon Kim),최진주(Jin-Joo Choi),최길웅(Gil-Wong Choi),김형주(Hyoung-Joo Kim) 한국전자파학회 2015 한국전자파학회논문지 Vol.26 No.6
본 논문은 GaN(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility Transistor) die를 이용하여 S-대역 내부 정합형 전력 증폭기 설계, 제작 그리고 실험 결과에 대해 기술하였다. S-대역 내부 정합형 전력 증폭기를 설계하기 위하여 고유전율을 가지는 기판과 알루미나 기판을 이용하여 입/출력단 정합 회로를 설계 및 제작하였다. 측정 결과로는 펄스 모드로 동작시켰을 때 3 GHz에서 55.4 dBm의 출력 전력, 78 % 드레인 효율 그리고 11 dB의 전력 이득을 얻었다. This paper presents the design, fabrication and measurement results of a S-band internally-matched power amplifier using Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor(GaN HEMT) die. In order to fabricate the S-band internally-matched power amplifier, a high dielectric substrate and alumina were used for input/output matching circuits. The measured output power is 55.4 dBm, the drain efficiency is 78 % and the power gain is 11 dB under pulse operation at the frequency of 3 GHz.
고조파 제어 회로를 이용한 X-대역 전력 증폭기의 효율 개선에 관한 연구
김형종(Hyoung-Jong Kim),최진주(Jin-Joo Choi),김동윤(Dong-Yoon Kim),나형기(Hyung-Gi Na) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.9
본 논문에서는 간단하면서도 효과적인 능동적인 로드 풀(active load-pull) 방법을 제시하고, 고조파의 임피던스 성분을 제어하는 회로를 사용하여, X-대역 전력 증폭기의 효율을 개선시킬 수 있는 방법에 관하여 연구하였다. 제안된 능동적인 로드 풀 시스템은 크게 방향성 결합기와 위상 변위기, 단락 회로, 그리고 전력 증폭기로 구성되어 있으며, 전통적인 능동적인 로드 풀 방법에 비해 반사 계수가 1인 지점까지 임피던스를 쉽게 가져다 놓을 수 있다. 본 논문에서 사용된 소자는 Mitsubishi사의 GaAs FET인 MGF1801이며, 9 ㎓의 동작 주파수에서 class-A일 때, 21.65 ㏈m의 출력 전력과 24.9 %의 드레인 효율을 얻었고, class-AB일 때, 21.46 ㏈m의 출력 전력과 53.3%의 드레인 효율을 얻었다. 고조파 제어 회로는 실험에 사용된 초고주파 부품의 주파수 대역폭의 한계로 인해, 2차와 3차 항 성분까지만 고려하여 설계하였으며, class-AB에서, 6.4 %의 효율이 증가된 것을 확인하였다. In this paper, a simple and effective active load-pull method is proposed, and the method to improve the efficiency of X-band power amplifier using harmonic control circuit is presented. The proposed active load-pull system mainly consists of directional coupler, phase shifter, short circuit, and power amplifier, and allows a user to access reflection coefficients near the edge of the Smith chart(Γ=1) easily. The device used in this paper is Mitsubishi's GaAs FET MGF1801, and the operating frequency of the power amplifier is 9 ㎓, The amplifier had output power of 21.65 ㏈m and drain efficiency of 24.9 % at class-A, and had output power of 21.46 ㏈m and drain efficiency of 53.3 % at class-AB. Harmonic control circuit is designed only second and third harmonic components because of the bandwidth limitation of the microwave components. The drain efficiency is improved as much as 6.4 % compared with class-AB power amplifier.