5.8 GHz Class J Doherty Power Amplifier Using GaN HEMT

Abstract

This work presents the design and measured performance of high efficiency Class J Power Amplifiers at 1.9GHz and 5.8GHz. To avoid package parasitic at high frequency (5.8GHz), bare-die device approach is used. Bare-die device is not only useful to eliminate package parasitic but also helpful to realize proper voltage and current waveform at drain pad of transistor. To explain the concept of Class J Power Amplifier, a simple method of waveform measurement is devised in this work. Measured waveform at 1.9GHz is also presented. Doherty amplifier is designed to achieve compromise between high power and high efficiency at 5.8GHz.

The designed Class J amplifier at 1.9GHz demonstrated a saturated power gain of 14dB with an output power of 7.5W. 1.9GHz amplifier shows an excellent drain efficiency of 78.5%. Class J Power amplifier at C-band (5.75 GHz) using Bare-Die GaN HEMT achieves 62% drain efficiency at high output power of 10W. C-band PA shows good agreement with simulation results. Doherty Power Amplifier at 5.8GHz achieved 45% drain efficiency with 13W of output power under same gate bias condition.

본 논문에서는 1.9GHz와 5.8GHz 에서 동작하는 고 효율 J급 전력 증폭기의 설계와 측정 결과를 보여준다. 5.8GHz에서는 패키징으로 인한 기생 성분으로 인한 효과를 무시하기 위해 bare-die 트랜지스터를 사용하였다. Bare-die 트랜지스터는 기생 성분을 없앨 뿐만 아니라 트랜지스터의 드레인 노드에서 원하는 전압, 전류 파형을 구현하는 데에 유용하다. 본 논문에서는 J급 전력 증폭기의 개념을 설명하기 위해 파형 측정 방법에 대해 설명하였고 이를 통해 1.9GHz 전력증폭기의 파형을 측정하였다. 5.8GHz에서는 높은 출력 전력과 고 효율을 얻기 위해 Doherty 증폭기를 설계하였다.

1.9GHz에서 J급 전력 증폭기를 제작한 결과, 최대 7.5W에서 14dB 전력 이득을 얻었으며 drain 효율은 78.5%로써 매우 높은 값을 보여주었다. Bare-die GaN HEMT트랜지스터를 이용하여 C-밴드 (5.75GHz )에서도 J급 전력증폭기를 제작한 결과, 10W의 높은 출력 전력과 62%의 drain 효율을 얻을 수 있었으며 이는 시뮬레이션 결과와 일치하는 값들이다. 5.8GHz에서 동작하는 Doherty 전력 증폭기는 위와 동일한 게이트 바이어스 조건에서 45% drain 효율을 보여주었다.