Employing InGaP/GaAs HBT

실제 제작된 InGaP/GaAs HBT Ku-band 38 다운컨버터의 변환 이득 플롯 그림 [6-3]. 실제 제작된 InGaP/GaAs HBT Ku-band 40 다운컨버터의 LO 누설 신호 제거 플롯. 실제 제작된 InGaP/GaAs HBT Ku-band 42 다운컨버터의 IP3 그래프.

InGaP/GaAs HBT는 MESFET이나 HEMT와 비교하여 우수한 저비용, 고출력 특성, 고효율 및 전력 밀도를 가지며 현재 많은 통신 부품 회로에 널리 사용되고 있습니다. 휴대폰 등 상용화된 PCS에 내장되는 대부분의 전력 증폭기는 HBT로 구성됩니다. InGaP/GaAs HBT는 VBIC(Vertical Bipole Inter-Company) 모델을 사용하여 설계되었습니다. InGaP/GaAs HBT를 사용하는 고도로 통합된 Ku 대역 다운컨버터는 Knowledge*ON HBT 프로세스를 사용하여 설계되었습니다.

나리지온이 공급하는 InGaP/GaAs HBT 소자의 특성은 표 2-1과 같다.

그림 [5-5]. InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 회로도 34 그림 [5-6]

Spiral inductor의 구조 및 등가모델
Spiral inductor의 기생성분

직렬 저항(R s )
직렬 커패시터성분(C s )
절연층의 커패시터성분(C Si )
Substrate loss

자기공진 주파수(self resonance frequency)
Spiral inductor의 계산

인덕턴스 및 커패시턴스 계산
LO 누설신호 제거용 Spiral inductor 설계

Cs: 전송선 구조에 의해 생성되는 기생 용량 성분 Ls: 길이와 나선 모양에 의해 생성되는 인덕턴스 성분. CSi: 전송선로와 반도체 기판 사이의 절연층에 의해 생성된 커패시터 구성요소. 나선형 전송선로뿐만 아니라 하부전극, 비아에서도 발생하며, DC저항은 각 부품의 저항을 직렬로 연결한 것이므로 각 부품의 합으로 표현할 수 있다.

그러나 전송선로를 두껍게 설계하면 주파수 증가로 인한 유효 두께 감소를 완화시켜 저항 증가를 줄여 Q-factor 개선에 큰 도움이 된다[9]. 이 경우 전류는 각 전송선의 나선 중심을 향해 집중됩니다. 나선형 인덕터는 구조적으로 두 개의 전송선로 구성됩니다.

따라서 GaAs 기판과 전송선로 사이에 커패시터 성분이 존재하고, 마찬가지로 기판과 하부전극에도 커패시터 성분이 존재하게 된다. 따라서 전송선로가 차지하는 면적과 하부 접지부 사이에 커패시터 성분이 존재하게 된다. 나선형 인덕터의 자기 공진 주파수는 다음과 같이 표현됩니다.

나선형 인덕터의 인덕턴스 성분은 Bryan 방법을 사용하여 계산할 수 있습니다[11]. 이제 나선형 인덕터의 고유 공진 주파수와 나선형 인덕터의 감은 수 및 선폭 사이의 관계를 살펴 보겠습니다. 나선형 인덕터의 고유 공진 주파수와 코일 수의 관계를 그래프로 나타낸 것이 그림 [3-6]이다.

그림을 보면 스파이럴 인덕터의 선폭이 증가함에 따라 자기공진 주파수가 점차 낮은 주파수 범위로 이동하는 것을 알 수 있다. 스파이럴 인덕터의 자기공진주파수와 선폭의 관계를 그래프로 나타낸 것이 그림 [3-7]이다.

그림 [3-2]. Spiral inductor에 대한 RLC 등가회로 Figure [3-2]. RLC equivalent circuit of spiral inductor

Mixer 이론

주파수 혼합기로서의 믹서

주파수 혼합 작업을 수행하기 위해 비선형 장치로 사용되는 한 믹서는 상대적으로 큰 수준의 IMD, 스퓨리어스 응답 및 기타 바람직하지 않은 비선형 현상으로 인해 어려움을 겪게 됩니다. 그러나 비선형성을 배제한 시변 요소를 얻을 수 있다면 왜곡 없는 믹서를 구현할 수 있다.

Downconverter의 원리

/ GaAs HBT를 이용한 Ku 밴드용 고집적 다운컨버터 설계 고집적 다운컨버터 설계. 본 논문에서는 IF 출력단에서 LO 누설 신호를 제거하고 전력 증폭기로 원칩을 구현하기 위해 InGaP/GaAs HBT를 사용하여 Ku 대역용 고집적 다운 컨버터를 설계합니다. 그림에 표시된 것처럼 다운 컨버터 MMIC에는 믹서, LO 누설 신호 제거 필터 및 IF 전력 증폭기가 포함되어 있습니다.

RF와 LO 신호를 혼합하기 위해 믹서를 사용하였고, IF 단에서 LO 누설 신호를 제거하기 위해 기존 필터 대신 나선형 인덕터를 사용하였으며, IF 신호를 증폭시키기 위해 IF 전력 증폭기를 결합하였다[13-14] . a) 다운컨버터 MMIC의 블록 다이어그램. 시뮬레이션은 ADS(Advanced Design System)를 사용하여 수행되었습니다. 나리자이온 공정 조건에서는 나선형 인덕터와 MIM 커패시터만 매칭소자로 사용됐다. a) InGaP/GaAs HBT 다운컨버터 믹서의 회로도.

InGaP/GaAs HBT 믹서 회로도 및 시뮬레이션 그래프 그림 [5-2]. 그림에서 볼 수 있듯이 LO 입력 전압이 4dbm이고 나선형 코일이 IF 출력 단자에 연결되지 않은 경우 LO 누설 신호 제거 특성은 약 -17dBc이며 나선형 인덕터가 IF 출력 단자에 연결된 경우 터미널의 LO 누설 신호 제거 특성은 약 -17dBc입니다. 약 -46dBm의 Lo 누설 신호 제거 특성은 약 -49dBc였습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 스파이럴 인덕터를 IF 출력단에 연결하면 IF 출력단의 LO 누설신호가 효과적으로 제거되는 것을 확인할 수 있다.

InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기는 변환 이득을 높이기 위해 InGaP/GaAs HBT 다운컨버터의 IF 출력단에 연결되었습니다. 시뮬레이션은 ADS(Advanced Design System)를 사용하여 수행되었습니다. 설계된 IF 전력 증폭기는 1GHz 동작용이므로 마이크로스트립 라인 대신 코일 인덕터와 MIM 커패시터를 정합소자로 사용했다. a) InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 회로도.

그림 [5-1]. Downconverter MMIC 블록 다이어그램 및 회로도

변환이득 그래프

실제로 제작된 InGaP/GaAs HBT Ku 대역 다운컨버터의 변환 이득 플롯.

LO 누설신호 제거 그래프

현재 제조된 inGaP/GaAs HBT Ku 대역 변환기의 LO 누설 신호 제거 플롯.

IP3 그래프

현재 제조되고 있는 inGaP/GaAs HBT Ku-band 변환기의 IP3 차트. 실제 제조된 InGaP/GaAs HBT를 이용한 Ku-band 다운컨버터 변환 이득 IF단의 LO 누설 신호 제거 특성 IF단의 LO 누설 신호 2차 고조파 제거 특성과 IP3 측정 결과를 표로 나타내었다. 아래와 같습니다.와 같습니다.

실제로 제작된 InGaP/GaAs HBT를 사용하는 완전한 Ku-band RF 다운 컨버터. 본 논문에서 제안한 InGaP/GaAs HBT를 이용한 Ku 대역 다운컨버터는 크기가 작고 IF 전력 증폭기와 단일 칩으로 통합될 수 있기 때문에 단일 칩 Ku 대역 송수신기 구현에 매우 유망한 후보이다.