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Sep 26, 2023

마이크로파 펄스에 의해 유도된 GaN 고전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기의 간섭 효과

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16922(2022) 이 기사 인용

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무선 통신, 레이더 및 펄스 전력 기술의 급속한 발전으로 인해 전자 시스템이 직면하는 전자기 환경은 점점 더 복잡해지고 전자기장의 강도가 커질 수 있습니다. 본 연구에서는 마이크로파 펄스가 출력 포트를 통해 질화갈륨(GaN) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 전력 증폭기에 주입될 때 새로운 간섭 현상이 관찰되었다. 우리는 역주입 마이크로파 펄스의 피크 전력과 효과 실험에 의한 간섭의 지속 시간 또는 진폭 사이의 관계를 조사했습니다. 간섭 지속 시간은 밀리초에 달할 수 있습니다. GaN HEMT 전력 증폭기의 딥 트랩이 이러한 간섭 효과의 원인인 것으로 입증되었습니다.

갈륨 질화물(GaN)의 고유한 재료 특성, 넓은 밴드갭, 높은 열 전도성, 높은 항복 전압, 높은 전자 이동도 및 GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 소자 특성, 즉 낮은 기생 용량, 낮은 턴온 저항 및 높은 컷 오프 주파수는 전력 증폭기(PA)1,2,3,4,5에 사용하기에 좋은 선택입니다. 최근 몇 년 동안 GaN 무선 주파수(RF) 장치를 기반으로 한 레이더 및 전자 대응 시스템은 더 긴 전송 감지 거리, 감도 및 내구성, 명백하고 포괄적인 성능 이점을 입증하여 군사 장비의 성능 업그레이드를 강력하게 촉진했습니다. 차세대 통신시스템인 5세대(5G) 무선통신의 발전은 반도체 산업에도 혁명적인 변화를 가져올 것이다. 통신 주파수 대역이 고주파수로 이동함에 따라 기지국과 통신기기 모두 고주파 성능을 지원하는 RF 장치가 필요하게 되었습니다. GaN의 장점은 점차 부각되어 GaN이 5G6,7,8,9의 핵심 기술이 될 것입니다. 그러나 펄스 전력 기술의 급속한 발전과 고출력 레이더 및 통신 송신기의 광범위한 적용으로 인해 전자파 환경은 점점 더 복잡해지고 있으며 전자파 환경의 전력 밀도도 증가하여 신뢰성이 높아졌습니다. GaN-HEMT 전력 증폭기는 필연적으로 심각한 위협을 받게 됩니다.

본 연구에서는 출력 포트를 통해 GaN-HEMT 전력 증폭기에 마이크로파 펄스를 주입하였고, 새로운 간섭 현상이 관찰되었다. 간섭 지속 시간은 밀리초 수준에 이르렀으며 이는 시스템의 정상적인 작동에 심각한 위협을 초래할 수 있습니다.

전력 증폭기 집적 회로(IC) TGF2023-2-01은 Qorvo에서 0.25μm 고전력 GaN/SiC HEMT 기술을 사용하여 제작되었습니다. 그림 1에 표시된 구조의 전력 증폭기는 전자기 스펙트럼의 S 대역(2~4GHz)에서 작동하도록 설계되었습니다. 전력 증폭기는 일반적으로 3GHz에서 13.5dB의 전력 이득으로 38dBm(약 6와트)의 포화 출력 전력을 제공할 수 있습니다. 최대 전력 부가 효율은 60.5%이다. VGate 및 VDrain은 각각 게이트-소스 전압 및 드레인-소스 전압입니다. 이 전력 증폭기에서 VGate는 -5V로 설정되고 VDrain은 +28V로 설정됩니다.

연구에 사용된 전력 증폭기의 구조.

그림 2는 마이크로파 펄스에 의해 유도된 GaN-HEMT 전력 증폭기의 간섭 효과를 연구하기 위해 우리 작업에 사용된 실험 시스템의 개략도를 보여줍니다. 실험 시스템은 마이크로파 방사선의 수신 및 주입 메커니즘을 기반으로 설계되었으므로 실제 응용 시나리오를 현실적으로 재현하는 데 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 자체 제작된 마이크로파 소스 시스템, 여러 감쇠기, 순환기, 방향성 커플러, RF 전력계(R&S NRP2) 및 디지털 오실로스코프(LeCroy WavePro 640Zi)로 구성됩니다. 우리의 실험에서는 일련의 마이크로파 펄스가 마이크로파 소스 시스템에 의해 생성되며, 이는 스텝 감쇠기를 조정하여 점차적으로 변경될 수 있습니다. 또한 자체 제작한 시간 영역 동기화 제어 시스템과 신호 소스(Agilent E8257D)를 사용하여 마이크로파 펄스의 펄스 폭, 반복 주파수 및 펄스 수를 제어합니다.