KR20210044366A - Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for nonlinear modeling of a power amplification element, in which a nonlinear modeling result of a unit element constituting a large-area element is scaled up in parallel to model the large-area element. The apparatus includes: a plurality of low-current unit elements, which are power amplification elements; a parameter measurement unit for measuring linear and nonlinear characteristic parameters of the unit element; a parameter extraction unit for completing the nonlinear modeling by extracting a nonlinear model parameter based on a measurement result of a characteristic parameter in linear and nonlinear regions of the unit element; a unit element modeling verification unit for verifying unit element modeling by comparing a measured scattering parameter according to an IV curve in the linear and nonlinear regions of the unit element; a parallel expansion unit for modeling a large-area element by expanding a nonlinear modeling result of the unit element in parallel; an embedding performing unit for performing embedding for adding wire bonding and a lead frame of a package to a nonlinear model on the modeled large-area element; and a large-area element modeling verification unit for verifying the modeling by using load-pull data of the large-area element by evaluating an actual element characteristic in a nonlinear region of the large-area element and comparing a load-pull measurement result for obtaining an optimal impedance.

Description

전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법{Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier}Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier {Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier}

본 발명은 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링하도록 한 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법에 관한 것에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for nonlinear modeling of a power amplification device in which a nonlinear modeling result of a unit device is scaled up in parallel to model a large area device.

일반적인 통신 및 방송 시스템에 있어서, 넓은 지역에 대하여 송신신호를 전송하기 위해서는 고전력 증폭기가 필수적으로 사용된다. In general communication and broadcasting systems, a high power amplifier is essentially used to transmit a transmission signal over a wide area.

일반적으로 고전력 증폭기는 입력신호의 크기에 따라서 출력신호의 크기와 위상이 비선형(non-linear)적인 특성을 가지게 된다. 이러한 고전력 증폭기(HPA: High Power Amplifier)를 사용할 경우 발생하는 비선형 특성을 보상하기 위한 전치 왜곡 보상 기술에 관한 것이다. 일반적으로 위성, 이동 통신, 라디오 릴레이 링크, 및 레이더 등의 통신신호를 송신할 때 고전력 증폭기를 사용하여 신호를 증폭시킨다.In general, the high power amplifier has a non-linear characteristic in the magnitude and phase of the output signal depending on the magnitude of the input signal. The present invention relates to a predistortion compensation technology for compensating for nonlinear characteristics that occur when using such a high power amplifier (HPA). In general, a high power amplifier is used to amplify the signal when transmitting communication signals such as satellite, mobile communication, radio relay link, and radar.

현재 상업용 및 군수용 시스템에 적용되는 반도체 전력증폭기는 수명시간, 유지보수 및 증폭기 동작 관점에서 기존의 진공관 형태의 고출력 증폭기(Traveling Wave Tube)에 비해 우수한 장점을 가지고 있다. Semiconductor power amplifiers currently applied to commercial and military systems have superior advantages over conventional vacuum tube type high-power amplifiers (Traveling Wave Tube) in terms of life time, maintenance and operation of the amplifier.

반도체 고출력 증폭기 구현을 위해 기본적으로 갖추어야 할 반도체 전력증폭 소자 기술은 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자 기술이 있다. The semiconductor power amplification device technology that should be basically equipped to implement a semiconductor high-power amplifier is a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and gallium nitride. There is a HEMT device technology based on (GaN: Gallium Nitride).

이 중 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT소자) 기술은 GaN 재료로 구현되는데, GaN 재료는 3.4eV의 넓은 에너지 갭으로 인하여 고전압에서 동작이 가능하고, 분극전하를 이용한 캐리어 농도가 GaAs의 10배 이상이므로 높은 전류밀도와 높은 전력밀도를 얻을 수 있어, 고출력·고효율·소형의 전력증폭기 소자로 적합하다. Among them, the GaN-based HEMT device (GaN HEMT device) technology is implemented with GaN material, and the GaN material can operate at high voltage due to the wide energy gap of 3.4 eV, and the carrier concentration using polarized charges is 10 times higher than that of GaAs. Therefore, high current density and high power density can be obtained, making it suitable as a high output, high efficiency, and compact power amplifier element.

따라서, 소형이면서 고출력 출력을 얻을 수 있는 GaN HEMT 소자는 민수 뿐만아니라 군수, 특히 레이더에 사용되고 있는 기존의 반도체소자를 대체할 수 있는 차세대 전력증폭소자로 각광을 받고 있다. Accordingly, GaN HEMT devices that are small and capable of obtaining high power output are in the spotlight as a next-generation power amplification device that can replace the existing semiconductor devices used in not only civilians, but also military, especially radars.

GaN HEMT 기반으로 한 전력증폭기 제작을 위해서는 소자 특성에 대한 모델링 작업이 필수적이다. 정확한 모델링을 위하여는 적합한 모델을 선택하고, 정확한 측정 데이터를 바탕으로 소자의 특성을 재현하는 것이 중요하다.In order to manufacture a GaN HEMT-based power amplifier, modeling of device characteristics is essential. For accurate modeling, it is important to select an appropriate model and reproduce device characteristics based on accurate measurement data.

소신호 모델은 바이어스 조건에 따라 모델 파라미터가 바뀌는 대신호 모델과 구분된다. 대신호 모델은 게이트, 드레인 전압에 의해 고유의 성분들이 바뀌는 비선형 특성을 나타낼 수 있는 것이고, 소신호 모델은 그 바이어스 조건에 따라서 추출된 성분의 값들로 인한 선형적 주파수 특성을 모델링 시 사용하는 것이다. The small signal model is distinguished from the large-signal model in which model parameters change according to the bias condition. The large-signal model can exhibit nonlinear characteristics in which intrinsic components are changed by the gate and drain voltage, and the small-signal model is used when modeling the linear frequency characteristics due to the values of the extracted components according to the bias conditions.

따라서 RF 영역에서의 사용되는 소자들은 이러한 선형적, 비선형적 특성이 전체 시스템에서 지대한 영향을 줄 수 있다. 그러므로 실제 측정한 값에 대해 오차 없이 시뮬레이션에서 재현할 수 있는 비선형 모델이 중요하다.Therefore, for devices used in the RF domain, these linear and nonlinear characteristics can have a great influence over the entire system. Therefore, it is important to have a nonlinear model that can be reproduced in a simulation without error about the actual measured value.

종래의 대면적소자 모델링 기술은 소모 전류가 커서 온-웨이퍼 프로브 측정이 어려워 대면적 소자를 패키징하여 측정된 데이터를 바탕으로 모델링을 수행하였다. 이러한 방법은 전력소자의 패키징 없이 온-웨이퍼 프로브를 이용하여 특성을 측정하여 모델링 하는 방법에 비해 패키징에 따른 추가적인 회로성분의 영향과 기생성분의 영향으로 정확한 대면적 소자 자체만의 비선형 모델링을 구현하기 어렵다.In the conventional large-area device modeling technology, it is difficult to measure an on-wafer probe due to a large consumption current, and modeling was performed based on the measured data by packaging a large-area device. Compared to the method of measuring and modeling characteristics using an on-wafer probe without packaging the power device, this method achieves accurate nonlinear modeling of the large-area device itself due to the effects of additional circuit components and parasitics due to packaging. It is difficult.

따라서 대면적 소자 자체만의 비선형 모델링을 얻기 위해서는 추가적인 회로 성분을 측정하여, 측정기준면을 소자 입출력 기준면으로 옮겨주는 디-임베딩(De-embedding) 과정이 필요하다. 이러한 디-임베딩의 과정 또한 측정 에러(error)를 포함하고 있을 뿐만 아니라, 제작과 측정에 따른 비용 및 많은 시간이 요구된다. Therefore, in order to obtain a nonlinear modeling of a large area device itself, a de-embedding process is required in which additional circuit components are measured and the measurement reference plane is transferred to the device input/output reference plane. This de-embedding process not only includes a measurement error, but also requires a lot of time and cost for manufacturing and measurement.

본 발명의 목적은 대면적 소자를 구성하고 있는 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링함으로써 패키지에 따른 추가적인 회로의 영향과 기생성분의 영향을 배제할 수 있을 뿐만아니라, 소자 자체만의 모델링을 위한 디-임베딩(De-embedding)에 의해 소요되는 제작과 측정 비용 및 시간을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to model a large-area device by scaling up the result of nonlinear modeling of the unit device constituting the large-area device in parallel, thereby eliminating the effect of additional circuits and parasitic components according to the package. In addition, it is to provide a device and method for nonlinear modeling of a power amplification device that can drastically reduce the manufacturing and measurement cost and time required by de-embedding for the modeling of the device itself. .

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치는 전력증폭소자로 다수의 저전류 단위소자와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 파라미터 측정부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 파라미터 추출부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증하는 단위소자 모델링 검증부와, 상기 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 병렬 확장부와, 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하기 위한 임베딩을 수행하는 임베딩 수행부와, 상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 상기 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증하는 대면적 소자 모델링 검증부를 포함한다.A nonlinear modeling apparatus of a power amplification device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a plurality of low-current unit devices as a power amplification device, and a parameter measuring unit that measures linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device. And, a parameter extraction unit for completing nonlinear modeling by extracting a nonlinear model parameter based on a measurement result of a characteristic parameter in the linear and nonlinear regions of the unit device, and measured according to the IV curve in the linear and nonlinear regions of the unit device. A unit device modeling verification unit that compares scattering parameters to verify unit device modeling, a parallel expansion unit that models a large area device by expanding the nonlinear modeling result of the unit device in parallel, and the modeled large area device is nonlinear. Compare the wire bonding to the model and the embedding execution unit that performs embedding to add the lead frame of the package, and the load-pull measurement result to evaluate the actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and obtain the optimum impedance. And a large-area device modeling verification unit that verifies the modeling using the load-pull data of the large-area device.

이때, 상기 파라미터 측정부는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것이 가능하다.In this case, the parameter measuring unit may measure the pulsed IV of the unit device and the scattering parameter according to each pulsed IV point according to temperature using an on-wafer probe.

또한, 상기 파라미터 측정부는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것이 가능하다.In addition, the parameter measurement unit may include a measurement for a long pulse for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and a measurement for analyzing the effect of output reduction due to a decrease in the drain current of the gate-leg and the drain-leg. Do.

또한, 상기 단위소자 모델링 검증부는 상기 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증할 수 있다.In addition, the unit device modeling verification unit may verify nonlinear unit device modeling using load-pull data of the unit device.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법은 전력증폭소자로 복수의 저전력 단위소자를 준비하는 단계; 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 단계; 상기 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 단계; 상기 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자를 검증하는 단계; 상기 단위소자의 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 단계; 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하는 임베딩을 수행하는 단계; 상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교 검증하는 단계를 포함한다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, a method for nonlinear modeling of a power amplification device includes: preparing a plurality of low power unit devices as a power amplification device; Measuring linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device; Completing nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on measurement results of linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device when measurement of linear and nonlinear parameters of the unit device is completed; When the nonlinear modeling of the unit device is completed, verifying the unit device by comparing the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions; Modeling a large-area device by extending the nonlinear modeling result of the verification of the unit device in parallel; Performing wire bonding of the modeled large-area device according to a non-linear model and embedding to add a lead frame of the package; And comparing and verifying a load-pull measurement result for obtaining an optimum impedance and evaluating an actual device characteristic in the nonlinear region of the large-area device.

본 발명에 따르면, 대면적 소자를 구성하고 있는 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링함으로써 대면적 소자를 패키징하여 모델링 하는 방법에 비해, 패키지에 따른 추가적인 회로의 영향과 기생성분의 영향을 배제할 수 있을 뿐만아니라, 소자 자체만의 모델링을 위한 디-임베딩(De-embedding)에 의해 소요되는 제작과 측정 비용 및 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.According to the present invention, compared to the method of packaging and modeling a large-area device by modeling a large-area device by scaling up a nonlinear modeling result of a unit device constituting a large-area device in parallel, an additional circuit according to the package In addition to being able to exclude the influence of the device and the influence of parasitic components, it is possible to drastically reduce the manufacturing and measurement cost and time required by de-embedding for modeling of the device itself.

또한, 본 발명에 따르면, 고출력 대면적 소자는 많은 전류를 소모하여 상대적으로 높은 스펙의 측정장치를 요구하며, 측정시 대전류로 인한 발진의 위험도가 높지만, 상대적으로 저전류를 소모하는 단위소자에서는 이러한 문제점을 쉽게 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, a high-power large-area device consumes a large amount of current and requires a measuring device with a relatively high specification, and the risk of oscillation due to a large current during measurement is high, but in a unit device that consumes a relatively low current, such You can easily solve the problem.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법을 설명하기 위한 대면적 전력증폭소자의 모델링 흐름도이며,
도 3은 대면적 단위 전력증폭소자를 패키징화한 구성도이고,
도 4는 단위 전력증폭소자를 이용한 대면적 전력증폭소자를 모델링한 개념도이고,
도 5는 T-파리미터를 이용한 디-임베딩과 T-파라미터와 S-파라미터의 변환 수식을 나타낸 참고도이다.
1 is a block diagram schematically showing a nonlinear modeling apparatus of a power amplification device according to the present invention,
2 is a modeling flow chart of a large-area power amplification device for explaining a nonlinear modeling method of a power amplification device according to an embodiment of the present invention.
3 is a configuration diagram of packaging a large-area unit power amplification device,
4 is a conceptual diagram modeling a large-area power amplifying device using a unit power amplifying device,
5 is a reference diagram showing de-embedding using a T-parameter and a conversion equation of a T-parameter and an S-parameter.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.First, general terms used in the specification and claims are selected in consideration of functions in various embodiments of the present invention. However, these terms may vary depending on the intention of a technician in the field, legal or technical interpretation, and the emergence of new technologies. In addition, some terms may be terms arbitrarily selected by the applicant. These terms may be interpreted as the meanings defined in the present specification, and if there is no specific term definition, they may be interpreted based on the general contents of the present specification and common technical knowledge in the art.

또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.In addition, the same reference numerals or numerals in each drawing attached to the present specification indicate parts or components that perform substantially the same function. For convenience of description and understanding, different embodiments will be described using the same reference numerals or reference numerals. That is, even if all of the components having the same reference numerals are shown in the plurality of drawings, the plurality of drawings do not mean one embodiment.

또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.In addition, in the specification and claims, terms including ordinal numbers such as'first' and'second' may be used to distinguish between components. These ordinal numbers are used to distinguish the same or similar constituent elements from each other, and the meaning of the term should not be limitedly interpreted due to the use of such ordinal numbers. For example, the order of use or arrangement of components combined with these ordinal numbers should not be limited and interpreted by the number. If necessary, each ordinal number may be used interchangeably.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '구성하다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present specification, expressions in the singular include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as'comprise' or'comprise' are intended to designate the existence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other It is to be understood that it does not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof.

또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Further, in an embodiment of the present invention, when a part is connected to another part, this includes not only a direct connection but also an indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a part includes a certain component means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a nonlinear modeling apparatus of a power amplification device according to the present invention.

본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 저전류 단위소자(110), 파라미터 측정부(120), 파라미터 추출부(130), 단위소자 모델링 검증부(140), 병렬 확장부(150), 임베딩 수행부(160) 및 대면적 소자 모델링 검증부(170)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the device for nonlinear modeling of a power amplification device according to the present invention includes a low current unit device 110, a parameter measurement unit 120, a parameter extraction unit 130, and a unit device modeling verification unit 140. , A parallel expansion unit 150, an embedding performing unit 160, and a large area device modeling verification unit 170.

여기서, 상기 저전류 단위소자(110)는 전력증폭소자로서, 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자이다. 본 발명의 실시예에서는 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT 전력증폭소자)이다.Here, the low current unit device 110 is a power amplification device, a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and gallium nitride. It is a (GaN: Gallium Nitride) based HEMT device. In an embodiment of the present invention, it is a GaN-based HEMT device (GaN HEMT power amplification device).

고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 갈륨비소(GaAs) 등의 화합물 반도체를 헤테로 접합(Heterjuction)하여 고출력, 고집적 트랜지스터, 스위치, 전력 증폭기, 및 마이크로웨이브 모놀리식 집적회로(MMIC: Microwave Monolithic Integrated Circuit) 등에 적용된다. 그리고, 트랜지스터는 고출력 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로를 위하여 고출력, 고주파수 및 고열에서 동작 가능한 특성이 요구되는데, III-V 족 물질보다 큰 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)을 가지는 갈륨나이트라이드(Gallium Nitride)를 이용하여 높은 항복전압(Threshold Voltage)을 가질 수 있다.High-electron mobility transistor (HEMT) is a high-power, highly integrated transistor, switch, power amplifier, and microwave monolithic integrated circuit (MMIC) by heterojunction of compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs). ), etc. In addition, the transistor is required to be capable of operating at high power, high frequency and high temperature for a high-power microwave monolithic integrated circuit, and gallium nitride (Gallium Nitride) having a larger energy bandgap than that of a group III-V material. It is possible to have a high threshold voltage by using.

여기서, 갈륨나이트라이드의 항복전압을 향상시키기 위하여, 고전자 이동도 트랜지스터에서 게이트 상에 하나의 전계전극을 사용하는 구조를 사용하는데, 이 구조는 게이트와 드레인 간에 또 다른 전극을 형성시키는 구조이며, 이러한 전계전극 구조는 게이트와 드레인 간의 전계를 넓히고, 이에 따라 피크치를 감소시킨다.Here, in order to improve the breakdown voltage of gallium nitride, a structure using a single electric field electrode on a gate in a high electron mobility transistor is used, which is a structure in which another electrode is formed between the gate and the drain, This electric field electrode structure widens the electric field between the gate and the drain, thereby reducing the peak value.

상기 파라미터 측정부(120)는 상기 단위소자(110)를 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자(110)에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링(Scattering) 파라미터를 온도에 따라 측정한다. 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정한다.The parameter measuring unit 120 uses an on-wafer probe for the unit device 110 to measure the pulsed IV for the unit device 110 and a scattering parameter according to each pulsed IV point according to temperature. Measure. That is, the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device are measured.

이때 상기 파라미터 측정부(120)는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스(Long pulse)에 대한 측정, 게이트-레그(Gate-lag) 및 드레인-레그(Drain-lag)에 따른 드레인(Drain) 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함된다. At this time, the parameter measurement unit 120 measures a long pulse for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, according to the gate-leg and drain-lag. Measurements are also included to analyze the effect of power reduction due to drain current reduction.

상기 파라미터 추출부(130)는 상기 단위소자(110)에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 적절한 비선형 모델(Physic model, Behavioral model, compact model)을 선택 후 선형/비선형, 열적 및 트래핑(Trapping effect)영향을 묘사하기 위한 파라미터를 추출한다. 즉, 상기 단위소자(110)의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성한다.When the measurement of linear and nonlinear parameters for the unit device 110 is completed, the parameter extraction unit 130 selects an appropriate nonlinear model (Physic model, Behavioral model, compact model), and then selects a linear/nonlinear, thermal and trapping (Trapping) model. effect) Extract parameters to describe the effect. That is, nonlinear modeling is completed by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device 110.

상기 단위소자 모델링 검증부(140)는 상기 단위소자(110)에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링(Scattering) 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증한다. 이때 단위소자(110)의 로드-풀 데이터(load-full data)를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증한다.When the nonlinear modeling of the unit device 110 is completed, the unit device modeling verification unit 140 verifies the unit device modeling by comparing the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions. . At this time, the nonlinear unit device modeling is verified using load-full data of the unit device 110.

상기 병렬 확장부(150)는 단위소자의 모델링 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링한다.The parallel expansion unit 150 models a large area device by scaling up a nonlinear modeling result for which modeling verification of the unit device is completed in parallel.

상기 임베딩 수행부(160)는 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가하는 임베딩(Embedding)을 수행한다. The embedding execution unit 160 performs packaging effects of the modeled large-area device according to a nonlinear model, that is, wire bonding and embedding to add a lead frame of the package.

상기 대면적 소자 모델링 검증부(170)는 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증한다.The large-area device modeling verification unit 170 evaluates actual device characteristics in a non-linear region and compares the load-pull measurement results for obtaining an optimum impedance, and verifies the modeling using load-pull data of the large-area device.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법을 설명하기 위한 대면적 전력증폭소자의 모델링 흐름도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 대면적 소자를 구성하기 위한 복수의 저전력 단위소자를 준비한다(S110).2 is a modeling flow chart of a large-area power amplification device for explaining a nonlinear modeling method of a power amplification device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a plurality of low power units for configuring a large-area device Prepare the device (S110).

여기서, 상기 저전류 단위소자는 전력증폭소자로서, 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자이다. 본 발명의 실시예에서는 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT 전력증폭소자)이다.Here, the low-current unit device is a power amplification device, a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and a gallium nitride (GaN: Gallium Nitride) based HEMT device. In an embodiment of the present invention, it is a GaN-based HEMT device (GaN HEMT power amplification device).

이어서, 단위소자를 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링(Scattering) 파라미터를 온도에 따라 측정한다(S120). 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정한다.Subsequently, the unit device is measured according to the temperature of the pulsed IV and the scattering parameter according to each pulsed IV point using an on-wafer probe (S120). That is, the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device are measured.

이때 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 Long pulse 에 대한 측정, Gate-lag 및 Drain-lag에 따른 드레인(Drain) 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함된다. In this case, measurements for long pulses for thermal analysis according to GaN HEMT power amplification devices and measurements to analyze the effect of output reduction due to drain current reduction due to gate-lag and drain-lag are also included.

이어서, 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 적절한 비선형 모델(Physic model, Behavioral model, compact model)을 선택 후 선형/비선형, 열적 및 트래핑(Trapping effect)영향을 묘사하기 위한 파라미터를 추출한다(S130). 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성한다.Subsequently, when measurement of linear and nonlinear parameters for the unit device is completed, a suitable nonlinear model (Physic model, Behavioral model, compact model) is selected, and parameters for describing linear/nonlinear, thermal and trapping effects are extracted. Do (S130). That is, nonlinear modeling is completed by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device.

이어서, 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링(Scattering) 파라미터를 비교하여 검증한다(S140). 이때 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 모델링을 검증한다.Subsequently, when the nonlinear modeling of the unit device is completed, the scattering parameters measured according to the IV curve in the linear and nonlinear regions are compared and verified (S140). At this time, the nonlinear modeling is verified using the load-pull data of the unit device.

이어서, 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링한다(S150).Subsequently, a large-area device is modeled by scaling up the verified nonlinear modeling result in parallel (S150).

이어서, 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가하는 임베딩(Embedding)을 수행한다(S160). Subsequently, the modeled large-area device is subjected to packaging effect according to the nonlinear model, that is, wire bonding and embedding to add a lead frame of the package (S160).

그리고 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교한다(S170). 이때 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증한다.In addition, the actual device characteristics in the nonlinear region are evaluated and the load-pull measurement results for obtaining the optimum impedance are compared (S170). At this time, the modeling is verified using the load-pull data of the large-area device.

도 3은 대면적 단위 전력증폭소자를 패키징화한 구성도이다.3 is a configuration diagram of a large-area unit power amplifier packaged.

도 3에서와 같이, 단위소자(110)는 GaN HEMT 전력증폭소자로서, 칩(111)과, 상기 칩(111)의 양측면에 본딩된 골드 와이어(112)와, 상기 골드 와이어(112)와 접속되어 상기 칩(111)에 전기를 공급하고 이를 지지해 주는 리드 프레임(113)과, 상기 칩(111)을 실장하기 위해 Al2O3로 이루어진 세라믹스(114)와, 상기 세라믹스(114)의 양단에 연결된 플랜저(flanger)(115)로 이루어진다.As shown in FIG. 3, the unit device 110 is a GaN HEMT power amplification device, and is connected to a chip 111, a gold wire 112 bonded to both sides of the chip 111, and the gold wire 112 A lead frame 113 that supplies electricity to and supports the chip 111, ceramics 114 made of Al 2 O 3 to mount the chip 111, and both ends of the ceramics 114 It consists of a flanger 115 connected to.

도 4는 단위 전력증폭소자를 이용한 대면적 전력증폭소자를 모델링한 개념도이고, 도 5는 T-파리미터를 이용한 디-임베딩과 T-파라미터와 S-파라미터의 변환 수식을 나타낸 참고도이다.4 is a conceptual diagram modeling a large-area power amplifying device using a unit power amplifying device, and FIG. 5 is a reference diagram showing de-embedding using a T-parameter and a conversion equation of a T-parameter and an S-parameter.

도 2에서 단위소자에 대한 비선형 모델이 검증되면, 도 4와 같이 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자로 묘사하게 된다. When the nonlinear model for the unit device is verified in FIG. 2, the result of the nonlinear modeling of the unit device is scaled up in parallel as shown in FIG. 4 to describe a large area device.

이와 같이 단위소자 모델로 묘사된 대면적 소자는 검증을 위해서 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가해주는 임베딩(Embedding)을 수행하게 된다.In this way, the large-area device described as a unit device model performs packaging effects, that is, wire bonding, and embedding to add a lead frame of the package for verification.

이 임베딩(Embedding)과정은 대전류를 소모하는 전력증폭소자의 경우 프로브의 전류 제한으로 온-웨이퍼 측정이 불가능하다. 따라서 패키징을 통해서 로드-풀 데이터를 얻을 수 있기 때문에 수행하게 된다. In this embedding process, in the case of a power amplification device that consumes a large current, it is impossible to measure the on-wafer due to the current limitation of the probe. Therefore, it is performed because load-pull data can be obtained through packaging.

한편, 임베딩(Embedding)을 위한 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame) 데이터는 3차원 전자기 시뮬레이션(3D EM Simulation)이나, 측정을 통해서 구 할 수 있다. Meanwhile, wire bonding for embedding and lead frame data of the package can be obtained through 3D EM simulation or measurement.

이와 같이 단위소자 기반 대면적 소자 비선형 모델링의 로드-풀 결과가 측정결과가 일치하면 모델링 과정이 끝나게 되며, 일치하지 않으면, 단위소자의 비선형 모델링 파라미터를 수정하여 일련의 과정을 반복하게 된다. As described above, when the load-pull result of the unit device-based large-area device nonlinear modeling matches the measurement results, the modeling process ends. If not, the nonlinear modeling parameters of the unit device are modified to repeat a series of processes.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Meanwhile, in the above, preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. In addition, various modifications are possible by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

110 : 저전류 단위소자 120 : 파라미터 측정부
130 : 파라미터 추출부 140 : 단위소자 모델링 검증부
150 : 병렬 확장부 160 : 임베딩 수행부
170 : 대면적 소자 모델링 검증부
110: low current unit device 120: parameter measuring unit
130: parameter extraction unit 140: unit device modeling verification unit
150: parallel expansion unit 160: embedding execution unit
170: large area device modeling verification unit

Claims (8)

전력증폭소자로 다수의 저전류 단위소자와,
상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 파라미터 측정부와,
상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 파라미터 추출부와,
상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증하는 단위소자 모델링 검증부와,
상기 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 병렬 확장부와,
상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하기 위한 임베딩을 수행하는 임베딩 수행부와,
상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 상기 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증하는 대면적 소자 모델링 검증부를 포함하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.
As a power amplification device, a number of low-current unit devices,
A parameter measuring unit for measuring linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device,
A parameter extraction unit for completing nonlinear modeling by extracting a nonlinear model parameter based on a measurement result of a characteristic parameter in the linear and nonlinear regions of the unit device;
A unit device modeling verification unit for verifying unit device modeling by comparing the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions of the unit device,
A parallel expansion unit for modeling a large-area device by expanding the result of nonlinear modeling of the unit device in parallel,
An embedding performing unit performing wire bonding of the modeled large area device to a nonlinear model and embedding to add a lead frame of the package,
A large-area device modeling verification unit that evaluates the actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and compares the load-pull measurement results to obtain an optimal impedance, and verifies the modeling using the load-pull data of the large-area device. Nonlinear modeling device of a power amplification device including.
제1항에 있어서,
상기 파라미터 측정부는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.
The method of claim 1,
The parameter measuring unit measures the pulsed IV of the unit device and the scattering parameter according to each pulsed IV point according to temperature using an on-wafer probe.
제1항에 있어서,
상기 파라미터 측정부는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.
The method of claim 1,
The parameter measurement unit also includes a measurement for a long pulse for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and a measurement for analyzing an effect of output reduction due to a decrease in the drain current of the gate-leg and the drain-leg. Nonlinear modeling device of power amplifier.
제1항에 있어서,
상기 단위소자 모델링 검증부는 상기 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.
The method of claim 1,
The unit device modeling verification unit verifies the nonlinear unit device modeling using load-pull data of the unit device.
전력증폭소자로 복수의 저전력 단위소자를 준비하는 단계;
상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 단계;
상기 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 단계;
상기 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자를 검증하는 단계;
상기 단위소자의 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 단계;
상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하는 임베딩을 수행하는 단계;
상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교 검증하는 단계를 포함하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.
Preparing a plurality of low power unit devices as power amplification devices;
Measuring linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device;
Completing nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on measurement results of linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device when measurement of linear and nonlinear parameters of the unit device is completed;
When the nonlinear modeling of the unit device is completed, verifying the unit device by comparing the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions;
Modeling a large-area device by extending the nonlinear modeling result of the verification of the unit device in parallel;
Performing wire bonding of the modeled large-area device according to a nonlinear model and embedding to add a lead frame of the package;
And comparing and verifying a load-pull measurement result for obtaining an optimum impedance and evaluating an actual device characteristic in a nonlinear region of the large-area device.
제5항에 있어서,
상기 단위소자는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.
The method of claim 5,
The unit device is a nonlinear modeling method of a power amplification device, characterized in that the pulsed IV of the unit device and the scattering parameter according to each pulsed IV point are measured according to temperature using an on-wafer probe.
제5항에 있어서,
상기 단위소자는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.
The method of claim 5,
The unit device also includes a measurement for a long pulse for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and a measurement for analyzing the effect of output reduction due to a decrease in drain current of the gate-leg and the drain-leg. Nonlinear modeling method of power amplification device.
제5항에 있어서,
상기 단위소자 또는 대면적 소자는 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 또는 대면적 소자의 모델링을 검증하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.
The method of claim 5,
The unit device or the large area device is a nonlinear modeling method of a power amplification device, characterized in that the modeling of the nonlinear unit device or the large area device is verified using load-pull data.
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