위상배열구조 위성단말용 X대역 GaAs 기반 FEM MMIC 국산화 개발

FEM MMIC Development based on X-Band GaAs for Satellite Terminals of Phase Array Structure

Abstract

본 논문에서는 다중 위상배열 구조의 위성통신단말 송수신모듈 적용을 위한 핵심부품인 FEM(Front-End Module) MMIC를 구성품인 전력증폭기 (PA: Power Amplifier)와 저잡음증폭기 (LNA: Low Noise Amplifier)를 단일칩으로 설계하여 제작, 검증하였다. Win-semiconductors사의 화합물반도체 공정인 GaAs PP10 (100nm) 공정을 사용하여 제작하였으며, 전용 시험보드를 이용하여 운용 주파수 대역 7.2-10.5GHz 동작, 출력 1W, 잡음지수 1.5dB 이하의 특성을 확보하였다. 개발된 FEM MMIC는 단일칩으로도 활용이 가능하며, 구성품인 PA, LNA도 각각의 소자로도 활용이 가능하다. 개발된 소자는 해외 부품의 국산화 대체와 X대역을 사용하는 민수/군수의 다양한 응용분야에서 사용될 것이다.

In this paper, FEM (Front-End Module) MMIC, a key component for the application of the satellite communication terminal transmission and reception module of the multi-phase array structure, was designed and verified as a single chip by designing the Power Amplifier (PA) and the Low Noise Amplifier (LNA). It was manufactured using the GaAs PP10 (100nm) process, a compound semiconductor process from Win-semiconductors, and the operating frequency band of 7.2-10.5GHz operation, output 1W, and noise index of 1.5dB or less were secured using a dedicated test board. The developed FEM MMIC can be used as a single chip, and the components PA and LNA can also be used as each device. The developed device will be used in various applications of Minsu/Gunsu using the X band and the localization of overseas parts.

Ⅰ. 서론

다양한 디지털 통신에 사용될 수 있는 SDR 기반의 X대역 무선통신용 송수신기는 여러 응용분야에서 사용될 수 있으며, 수요가 지속적으로 증대 될 것으로 기대된다. X대역에서 동작하는 송수신기는 민∙군수용 무선통신 사업 및 방위산업 레이더, 전자전 등 다양한 사업에 적용될 것이다.^[1] 특히 송수신기의 핵심부품인 FEM (Front-End Module) MMIC, PA MMIC, LNA MMIC는 미국, 유럽, 일본등 일부 기업에서만 양산 능력을 보유하고 국가 안보를 위한 전략물자로 지정해 수출 통제 대상으로 엄격히 관리함에 따라 국내 국방 연구 개발에 제한적일 수 밖에 없다.

본 논문에서는 화합물반도체 설계기술을 기반으로 X대역 (7.2-10.5GHz) PA MMIC와 LNA MMIC를 이용하여 FEM(Front-End Module) MMIC를 설계/제작하고 전용 시험보드를 제작하여 검증한 내용을 기술하였다. 해당 소자는 위상배열 구조의 위성통신단말 송수신 모듈에 적용을 위해 개발되었다.

Ⅱ. X대역 GaAs FEM MMIC 설계

1. 설계공정

GaAs PP-10(100nm)공정을 이용하여 X대역 PA, LNA MMIC를 설계하고 이를 기반으로 FEM MMIC를 one chip화 하여 설계하였다. 설계에 적용된 PP-10공정의 주요 특성은 아래와 같다.

∘ Tech. : Winsemiconductors PP10 (100nm)

∘ 0.1um D-Mode pHEMT

∘ Ft=160GHz

∘ 150mm substrates, 4V operation

∘ 50um die thickness

∘ 2 metal layers, air bridge crossover

2. 설계목표 및 결과

개발되는 FEM 소자가 응용되는 시스템은 송수신 주파수 대역이 서로 다르기 때문에 각각의 송수신안테나를 사용하는 구조로 되어 있다. 그렇기 때문에 일반적인 FEM MMIC와 다르게 송수신경로 스위칭을 위한 SPDT를 제외한 PA, LNA를 각각 구성하였다. 개발된 FEM 소자의 내부 구성은 그림1의 블록도와 같다.

그림 1. X대역 FEM 블록도

Fig. 1. X-band FEM Blockdiagram

가. 설계 사양 및 결과

(1) FEM 송신부 – PA

송신부의 PA MMIC는 3단으로 구성되어 있으며, 동일한 트랜지스터를 이용하여, 이득증폭, 구동증폭, 주증폭단을 설계하였다. 각 단별 트랜지스터의 특성과 구성은 그림2와 같다. 송신부의 PA MMIC는 주요 설계 사양은 동작주파수 7.2-10.5GHz, 이득 20dB이상, 출력전력(Psat) 31.8dBm 이상이며, 설계 시뮬레이션 결과 표1과 같은 설계 특성을 확인하였다.

그림 2. 송신부 PA MMIC Budget

Fig. 2. TX Part PA MMIC Budget

표 1. 송신부 설계 사양 및 설계 시뮬레이션 결과

Table 1. Tx Part Design spec. & simulation result

그림 3. 송신경로 (전력증폭단) 소신호 특성 시뮬레이션

Fig. 3. TX Path (PA) small signal characteristic simulation

(2) FEM 수신부 – LNA

수신부의 LNA MMIC는 이득 확보를 위해 4단 구조로 설계되었으며, 4x75um 트렌지스터를 적용하였다. 초단의 저잡음 특성을 고려하여 매칭회로를 설계하였다. LNA MMIC의 구성 및 버짓은 그림4.와 같다. RX경로의 LNA MMIC는 주요 설계 사양은 동작주파수 7.2-10.5GHz, 이득 25dB이상, 잡음지수(NF) 2dB이하 이며, 설계 시뮬레이션 결과 표2.과 같은 설계 특성을 확인하였다.

그림 4. 수신부 LNA MMIC Budget

Fig. 4. RX Part LNA MMIC Budget

표 2. 수신부 설계사양 및 설계시뮬레이션 결과

Table 2. Rx Part Design spec. & simulation result

그림 5. 수신부 (LNA) 소신호 특성 시뮬레이션

Fig. 5. RX Path (LNA) small signal characteristic simulation

잡음지수(NF)는 7.2-10.5GHz 전대역에서 2dB이하로 설계되었으며, 시스템 운용주파수인 7-8GHz대역은 1.5dB 수준의 특성을 확보할 수 있게 설계되었다.

그림 6. 수신경로 (LNA) 잡음지수 특성 시뮬레이션

Fig. 6. RX Path (LNA) Noise Figure characteristic simulation

나. FEM Layout

설계된 FEM MMIC는 상단 PA Part와 하단 LNA Part로 구성되어 단일칩으로 설계되었다. 각각의 RF 입출력 port와 전원연결을 위한 Gate, Drain pad로 구성되어 있다. 최종 설계된 FEM MMIC의 size는 4,100um x 3,000um이며, 최종 형상은 그림7.과 같다.

그림 7. X대역 FEM 레이아웃

Fig. 7. X-band FEM Layout

Ⅲ. 시험보드 제작 및 측정준비

1. Assembly 및 시험보드 제작

제작된 FEM MMIC의 측정을 위하여 전용 캐리어와 더불어 RF 신호라인과 전원연결 선로로 구성된 PCB를 제작하고 이들을 하나의 캐리어 조립체로 접합하여야 한다. CPC캐리어에 AuSn을 이용하여 FEM MMIC를 접합하고 PCB는 Epoxy를 이용하여 캐리어에 실장 하였다. RF신호라인과 전원연결은 주파수 특성과 전원 용량을 고려하여 Gold wire로 연결하여 조립하였다. 제작된 FEM MMIC의 시험용 캐리어 연결 형상은 그림8과 같다.

그림 8. (a) 제작된 FEM MMIC (b) 시험용 캐리어 설계도면

Fig. 8. (a) FEM MMIC (b) Test carrier drawing

2. 시험보드 제작

시험보드는 MMIC와 PCB가 조립된 캐리어에 RF 커넥터를 연결하여 사용한다. 측정변수를 최소화 하기위해 PCB의 RF경로를 최소화 하였고, GND 확보와 RF 손실, 시험보드 결합성이 우수한 2.92mm End lunch type의 커넥터를 이용하여 제작하였다.

그림 9. X대역 FEM MMIC 시험보드 형상

Fig. 9. X-band FEM MMIC Evaluation board

3. 측정 Set-up 및 환경

FEM MMIC 시험보드의 특성을 확인하기 위해 전원 공급기 및 RF 계측장비를 이용한다. 시험구성과 측정환경은 다음과 같다.

그림 10. 시험장비 구성도

Fig. 10. Test set-up

○ 결과 기준 - 시험보드를 통한 측정 결과

∘ 입력신호 : CW / ∘ Ta : 25도

∘ Tx : VD(+4V), Idq(331mA)

∘ Rx : VD(+4V), Idq (20mA)

Ⅳ. 실험 및 결과

1. 시험보드 손실 측정

모든 측정은 제작된 시험보드 기준 측정 결과이다. 제작된 소자의 특성만을 확인하기 위해서는 시험보드 손실을 측정하여 측정 결과를 반영하여야 한다. 시험보드의 손실은 (입출력 커넥터, PCB 경로손실) 그림11과 같이 대역내 1dB 수준의 손실을 포함하고 있다. 입출력 손실 약 0.5dB를 반영하여 최종 소자의 특성으로 판단할 수 있다.

그림 11. 시험보드 손실 측정

Fig. 11. Test b’d Insertion Loss

2. FEM 송신부 – PA 측정결과

PA MMIC의 소신호 특성은 전대역에서 26-27dB 수준의 이득을 확보하였고, 입출력 반사손실 설계보다 다소 낮은 9-22dB 수준을 보였다. 이는 wire bonding 영향으로 판단된다.

그림 12. X대역 PA 소신호 특성

Fig. 12. X-band PA small signal characteristic

PA MMIC 대신호 특성인 출력은 입력 5dBm 기준 28.3-30.0dBm 수준을 확인하였다. 또한 효율 특성은 14.7-19.3%이다. 출력부 시험보드 손실을 고려할 경우 시스템 송신주파수 8.0-8.5GHz 대역에서는 출력 30dBm, 효율 20%의 특성을 확보하였다.

그림 13. X대역 PA (a) 출력특성 (b)효율특성

Fig. 13. X-band PA (a) Output Power (b)PAE

시험보드 손실을 반영한 송신부 특성은 다음과 같다.

표 3. 시험보드 손실을 반영한 송신부 성능

Table 3. Tx Performance reflecting EVB loss

3. FEM 수신부 – LNA 측정결과

LNA 소신호 특성은 이득 26dB이상 반사손실 –10dB 이상을 확보하였다. 시험보드 기준 잡음지수는 1.8-2.3dB이며, 수신 운용 주파수 7-8GHz 대역에서 시험보드 손실을 반영할 경우 1.3dB 수준을 확보하였다.

그림 14. X대역 LNA (a) 소신호특성 (b) 잡음지수

Fig. 14. X-band LNA (a) small signal characteristic (b) Noise Fugure

시험보드 손실을 반영한 수신부 특성은 다음과 같다.

표 4. 시험보드 손실을 반영한 수신부 성능

Table 4. Rx Performance reflecting EVB loss

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 Win-semiconductors의 GaAs PP10(100nm) 공정을 이용하여 X대역에서 동작하는 PA, LNA를 설계하고 설계된 블록을 단일칩으로 제작하였다. 송수신기의 주요 특성인 출력, 잡음지수 특성은 시스템 사양과 모듈 사양에 따라 성능개선과 시스템 최적화가 필요할 것으로 판단된다. 개발된 국산화 FEM MMIC는 위상배열구조 위성단말용 송수신기 개발의 기초자료로 활용 될 것이다. 또한 개발된 FEM 소자는 민수/방산 제품에 적용된 해외 소자의 국산화 부품 대체 및 반도체 기반 전력증폭기(SSPA), AESA레이다용 TRM의 핵심부품으로 적용 가능하다. 해당 기술을 기반으로 향후 지속적인 제품개발과 성능 안정화를 통해 국내 방위산업에 필요한 PA, LNA, FEM 등의 다양한 특성의 MMIC 개발을 추진 할 것이다.