KR102579152B1

KR102579152B1 - GaN 트랜지스터를 이용한 초고주파 트래블링 웨이브 스위치

Info

Publication number: KR102579152B1
Application number: KR1020190164317A
Authority: KR
Inventors: 김기진; 안광호
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2023-09-15
Also published as: US20220271749A1; KR20210073746A; WO2021117935A1

Abstract

군용 부품에 사용되는 초고주파 대역에서 리미터 없이도 격리도 특성이 뛰어난 구조의 스위치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 스위치는 입력단으로부터 출력단을 향하는 경로에 병렬로 연결되어, 스위칭하는 다수의 트랜지스터들; 입력단과 첫 번째 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드 사이에 마련되는 제1 전송선로;를 포함한다.
이에 의해, GaN 트랜지스터를 사용하면서도 W-band와 같은 초고주파수에서 스위칭이 가능하며, 삽입손실과 격리도 특성이 우수하여, 궁극적으로 초고주파 회로의 효율을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다.

Description

GaN 트랜지스터를 이용한 초고주파 트래블링 웨이브 스위치{Ultra High Frequency Traveling Wave Switch using GaN Transistor}

본 발명은 스위칭 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고주파 대역에서 동작가능한 스위치에 관한 것이다.

GaN 디바이스는 높은 항복 전압과 열 전도율을 가지고 있어 High Power용 디바이스에 적합한 소자이다. GaN 디바이스가 스위치로 사용 되었을 때에도 이와 같은 현상이 적용되어 높은 선형성을 가지고 높은 파워를 스위칭하기 때문에 리미터(Limiter)와 같은 회로가 추가적으로 연결되지 않아도 회로가 동작하지 않거나 성능이 열하되지 않는 단점을 가지고 있다.

하지만, 이런 높은 항복전압을 갖기위해 일반적인 HEMT 소자보다 Source와 Drain 간 간격을 넓게 하기에 기생성분도 많고 on 저항도 높아서 다른 화합물 반도체 보다는 스위치로써의 기능이 떨어진다.

도 1은 10GHz 정도까지 사용되는 스위치의 구조를 나타내고 있다. Q1, Q2는 Series 스위치로써 Q1이 켜지면 Q3, Q4가 커지는 식으로 동작하는 스위치이다. Q1은 전술한 것처럼 기생 소자가 많이 있어 삽입 손실을 다른 디바이스들에 비해 많이 가지고 있어 도 1과 같이 L1을 삽입하여 기생성분을 보완하여야 한다. Q3, Q4로 만들어진 병렬 스위치는 신호를 억제하는 스위칭 특성이 아주 좋지는 않지만, 기생 성분에 의한 삽입 손실의 희생은 최소화 할 수 있는 방법이기에 위와 같은 구조가 널리 사용되고 있다.

도 2는 병렬 회로로만 구성된 스위치의 구성을 보여준다. 이런 병렬연결 GaN 스위치는 기생 성분이 직렬 구조에서 보이는 것보다 미비하여 동작 주파수를 더 높일 수 있다(30~40 GHz 대역).

하지만, 직렬 구조를 가지고 있지 않기 때문에 Port 1과 Port2 간 격리도(isolation)에는 문제점을 가지고 있어서 30dB 이상의 높은 격리도를 요구하는 시스템에 사용할 수 없다. 동시에 90GHz 같이 높은 주파수에서도 사용할 수 없다(도 3 참조).

W band와 같이 고속 회로에서 스위칭 하기 위해서는 더 빠른 디바이스를 필요로 한다. 도 4는 GaAs PIN 다이오드를 이용한 스위치 사진이다. 기본적인 구조는 도 2의 병렬형 구조와 같고 스위치에 사용되는 트랜지스터가 PIN 다이오드로 바뀐 구조가 된다.

도 4에 도시된 스위치의 삽입 손실(Insertion Loss)와 격리도를 보면 도 5와 같은데 격리도 손실(Insertion loss)은 1.5 dB 정도, 격리도는 8dB 정도로 삽입손실 측면에서는 사용할만 하지만 격리도 특성은 만족시키지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 군용 부품에 사용되는 초고주파 대역에서 리미터 없이도 격리도 특성이 뛰어난 구조의 스위치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치는 입력단으로부터 출력단을 향하는 경로에 병렬로 연결되어, 스위칭하는 다수의 트랜지스터들; 입력단과 첫 번째 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드 사이에 마련되는 제1 전송선로;를 포함한다.

마지막 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드와 출력단 사이에 마련되는 제2 전송선로;를 포함할 수 있다.

제1 전송선로와 제2 전송선로는, 길이가 λ/4 일 수 있다.

트랜지스터들은, 제3 전송선로들을 통해 경로 상의 노드들에 연결될 수 있다.

트랜지스터들은, GaN 트랜지스터들일 수 있다.

제3 전송선로들의 인덕턴스는, 초고주파에서 GaN 트랜지스터가, on 된 경우 저항으로 동작하고, off 된 경우 캐패시터로 동작하도록 하는 값일 수 있다.

본 발명에 따른 스위치는 트랜지스터들이 연결되는 경로 상의 노드들 사이에 각각 마련되는 제4 전송선로들;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 입력단으로부터 출력단을 향하는 경로에 병렬로 연결되어, 스위칭하는 다수의 트랜지스터들; 마지막 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드와 출력단 사이에 마련되는 제2 전송선로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치가 제공된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, GaN 트랜지스터를 사용하면서도 W-band와 같은 초고주파수에서 스위칭이 가능하며, 삽입손실과 격리도 특성이 우수하여, 궁극적으로 초고주파 회로의 효율을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 GaN 기반 스위치 구조,
도 2는 병렬만으로 구성된 GaN 스위치,
도 3은 병렬형 트랜지스터로 구성된 스위치의 격리도,
도 4는 PIN 다이오드를 사용한 W band 스위치,
도 5는 삽입손실과 격리도,
도 6은 본 발명이 적용 가능한 트래블링 웨이브 스위치의 구조를 도시한 도면,
도 7는 GaN 트랜지스터의 on-off 특성,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치의 구조,
도 9는 개선된 GaN 트랜지스터의 on-off 특성,
도 10은 삽입 손실 측정 결과, 그리고,
도 11은 격리도 손실 측정 결과이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 GaN 트랜지스터를 이용한 초고주파 트래블링 웨이브 스위치(Traveling Wave Switch)의 구조를 제시한다.

본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치는 GaN 트랜지스터를 사용하면서도 W-band와 같은 초고주파수에서 동작이 가능하며, 삽입손실과 격리도 특성이 우수하다.

도 6은 본 발명이 적용 가능한 트래블링 웨이브 스위치의 구조를 도시한 도면이다.

도시된 트래블링 웨이브 스위치에서, GaN 트랜지스터는 off 되면 캐패시턴스로 동작해서 전송선로의 인덕턴스 L과 함께 LCL로 이루어지는 전송선로를 만들어 입력단으로 입력되는 신호를 출력단으로 통과시킨다.

반면, GnN 트랜지스터가 on 되면 단락되어 입력 신호가 출력단으로 통과하지 못하도록 한다. GnN 트랜지스터에 의한 단락 선로는 도 6에서 다수개가 존재하기 때문에 신호 격리도는 매우 우수하다.

도 7에는 GaN 트랜지스터의 on-off 특성을 주파수에 따라 나타내었다. 도 7의 차트에서 마커 위치는 1GHz이고 라인의 끝은 100GHz이다.

GaN 트랜지스터의 이상적인 특징은 on일 때 0Ω, off일 때 무한대의 저항을 가져야 한다. 도 7에 도시된 바에 따르면, 저주파에서는 on일 때 25Ω, off일 때 개방 상태이다. 하지만, 100GHz와 같은 초고주파에서는 on일 때 100Ω과 인덕턴스의 직렬 연결 상태가 되고, off 일 때는 오히려 15Ω이 된다.

초고주파에서의 이와 같은 특성은, GaN 디바이스의 큰 기생 소자 때문에 발생되는 현상으로, GaN 트랜지스터를 초고주파 스위치에 사용하기 어렵게 만드는 요인이다.

이를 해결한, 즉, GaN 트랜지스터를 이용하여 초고주파 스위치를 설계하는 방법에 대해, 이하에서 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치는, GaN 트랜지스터를 이용하였음에도, 초고주파 대역에서 높은 성능을 나타내도록 설계되었다.

본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치는, 도 8에 도시된 바와 같이, 입력단(RF Input)으로부터 출력단(RF Output)을 향하는 신호 전달 경로를 구성하는 전송선로들(111~114), 신호 전달 경로 상에 병렬로 연결되는 전송선로들(121~123), GaN 트랜지스터들(131~133) 및 게이트 저항들(Rg)을 포함하여 구성된다.

GaN 트랜지스터들(131~133)은 입력단으로부터 출력단을 향하는 신호 전달 경로 상에 병렬로 연결되어 있다. GaN 트랜지스터들(131~133)은 게이트 저항들(Rg)을 통해 입력되는 제어신호에 따라 스위칭(on/off) 동작한다.

GaN 트랜지스터들(131~133)의 개수를 3개, 즉, 스위치를 3단으로 구현한 것은 입력단과 출력단 간의 격리도를 충분히 확보하기 위함이다. 필요하다면, 더 많은 개수의 GaN 트랜지스터로 트래블링 웨이브 스위치를 구현하는 것이 가능하며, 그 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있다.

첫 번째 전송선로(111)는 입력단(RF Input)과 첫 번째 GaN 트랜지스터(121)가 연결된 신호 전송 경로 상의 노드 사이에 마련되는 전송선로로, 길이는 λ/4 이고 임피던스는 50Ω이다.

마지막 전송선로(114)는 마지막 GaN 트랜지스터(123)가 연결된 신호 전송 경로 상의 노드와 출력단(RF Output) 사이에 마련되는 전송선로로, 길이는 λ/4 이고 임피던스는 50Ω이다.

이에 따라, 입력단과 출력단에서 바라 볼 경우, GaN 트랜지스터들(121~123)이 on 되었을 때 첫 번째 전송선로(111)와 마지막 전송선로(114)에 의해 개방된 것으로 되어, 외부 회로 연결시 트래블링 웨이브 스위치가 보다 안정적으로 동작할 수 있게 된다.

전송선로들(121~123)은 GaN 트랜지스터들(131~133)과 신호 전달 경로의 사이에 위치한다. 즉, GaN 트랜지스터들(131~133)은 전송선로들(121~123)을 통해 신호 전달 경로 상의 노드들에 연결된다.

전송선로들(121~123)의 인덕턴스 Lm을 적절히 조정하면, GaN 트랜지스터들(131~133)의 on-off 특성을 개선할 수 있다.

구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 초고주파인 90GHz에서 GaN 트랜지스터들(131~133)이, on 된 경우 저주파에서와 같이 저항으로 동작하고, off 된 경우 캐패시터로 동작하도록, 전송선로들(121~123)의 인덕턴스 Lm을 결정하는 것이다.

GaN 트랜지스터들(131~133)가 off 된 경우 캐패시터로 동작하게 되면, 초고주파에서도 LCL로 이루어지는 전송선로를 만들어 입력단으로 입력되는 신호를 출력단으로 통과시킨다.

전송선로(112,113)는 GaN 트랜지스터들(131~133)이 연결되는 신호 전달 경로 상의 노드들 사이에 각각 마련되는 전송선로들이다. 전송선로(112,113)의 인덕턴스 Lt는 GaN 트랜지스터들(131~133)의 개선된 특성에 맞추어 결정한다.

본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치를 실제작하여 테스트한 결과를 도 10과 도 11에 제시하였다. 도 10은 삽입 손실 측정 결과이고, 도 11은 격리도 측정 결과이다.

도 10과 도 11에 나타난 바와 같이, 실제작된 본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치는 삽입 손실이 2dB 이하로 측정되었고, 격리도가 30dB 이상으로 측정되었다.

측정 장비의 한계로 파워는 측정할 수 없었으나 GaN 트랜지스터를 사용한다는 점에서, High Power 특성을 충분히 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

지금까지, GaN 트랜지스터를 이용한 초고주파 트래블링 웨이브 스위치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에서는, GaN 트랜지스터를 사용하면서도 리미터 없이 W-band와 같은 초고주파수에서 스위칭이 가능하며, 삽입손실과 격리도 특성이 우수한 트래블링 웨이브 스위치를 설계하였다.

이를 통해, 군용 부품에 사용되는 초고주파 회로의 효율을 한층 더 향상시킬 수 있을 것으로 예상한다.

본 발명의 실시예에 따른 트래블링 웨이브 스위치는, 군용 레이더 부품, 구체적으로 포탄에 들어가는 Seeker 등은 물론 그 밖의 초고주파 통신 부품에 널리 w적용될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

111~114 : 전송선로
121~123 : 전송선로
131~133 : GaN 트랜지스터
Rg : 게이트 저항

Claims

입력단으로부터 출력단을 향하는 경로에 병렬로 연결되어, 스위칭하는 다수의 트랜지스터들;
입력단과 첫 번째 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드 사이에 마련되는 제1 전송선로;를 포함하고,
트랜지스터들은,
제3 전송선로들을 통해 경로 상의 노드들에 연결되며,
제3 전송선로들은,
트랜지스터들의 기생 성분을 상쇄시키기 위한 것이고,
트랜지스터들은,
GaN 트랜지스터들이며,
GaN 트랜지스터는,
W-band의 주파수에서 off 되었을 때, 기생 성분에 의해 커패시터가 아닌 저항으로 동작하며,
제3 전송선로들의 인덕턴스는,
W-band의 주파수에서 GaN 트랜지스터가 off 되었을 때 GaN 트랜지스터의 기생 성분을 상쇄하여 제3 전송선로와 GaN 트랜지스터가 저항이 아닌 캐패시터로 동작하도록 하는 값인 것을 특징으로 하는 스위치.
청구항 1에 있어서,
마지막 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드와 출력단 사이에 마련되는 제2 전송선로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치.
청구항 2에 있어서,
제1 전송선로와 제2 전송선로는,
길이가 λ/4 인 것을 특징으로 하는 스위치.
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
트랜지스터들이 연결되는 경로 상의 노드들 사이에 각각 마련되는 제4 전송선로들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치.
입력단으로부터 출력단을 향하는 경로에 병렬로 연결되어, 스위칭하는 다수의 트랜지스터들;
마지막 트랜지스터가 연결된 경로 상의 노드와 출력단 사이에 마련되는 제2 전송선로;를 포함하고,
트랜지스터들은,
제3 전송선로들을 통해 경로 상의 노드들에 연결되며,
제3 전송선로들은,
트랜지스터들의 기생 성분을 상쇄시키기 위한 것이고,
트랜지스터들은,
GaN 트랜지스터들이며,
GaN 트랜지스터는,
W-band의 주파수에서 off 되었을 때, 기생 성분에 의해 커패시터가 아닌 저항으로 동작하며,
제3 전송선로들의 인덕턴스는,
W-band의 주파수에서 GaN 트랜지스터가 off 되었을 때 GaN 트랜지스터의 기생 성분을 상쇄하여 제3 전송선로와 GaN 트랜지스터가 저항이 아닌 캐패시터로 동작하도록 하는 값인 것을 특징으로 하는 스위치.