Design and verification of bonded GaN power amplifier for the 5G

Abstract

In this thesis a bonded Gallium nitride (GaN) power amplifier (PA) is designed using 3D modeling tool to design layout for the gate and drain matching elements for the GaN PA including bondwires. 1D circuit simulator is used to simulate the PA operation with 3D simulated matching blocks and large signal GaN device model. GaN device used in this design is Qorvo’s TGF2023-2-02. 3D simulated drain and gate matching layouts are based on the TGF2023-2-02 datasheet’s loadpull data and the large signal simulations. The target operational frequency for the power amplifier is from 5.6 GHz to 6.0 GHz. The main design goal is to achieve 60% drain efficiency, 36 dBm maximum output power and over 12 dB gain in the operational band. With simulations, 59.2% drain efficiency, 41.5 dBm output power and 15.8 dB gain is achieved using 28 V drain voltage. According to the measurements, the highest drain efficiency is 59.2% using lower 18 V drain voltage. With measurements, 37.04 dBm drain efficiency and 14.2 dB gain were achieved using the lower drain voltage. This means that the fabricated power amplifier achieves the designed output power and gain targets while the drain efficiency is only 0.8 pp lower than the target.

Tässä diplomityössä suunnitellaan bondattu galliumnitridi (GaN) RF-tehovahvistin käyttäen 3D mallinnustyökalua GaN tehovahvistimen hilan ja nielun impedanssi sovituksien suunnitteluun ja mallintamiseen. Mallinnus sisältää myös bondauslangat. 1D piirisimulaattorilla simuloitiin tehovahvistimen toimintaa käyttäen 3D simuloituja sovituksia ja GaN vahvistimen suursignaalimallia. Tässä työssä käytetty GaN tehovahvistin on Qorvon valmistama TGF2023-2-02. Simuloidut nielun ja hilan sovituselementit perustuvat suursignaali simulointeihin sekä TGF2023-2-02:n datalehden loadpull-dataan. Tehovahvistin suunnitellaan 5,6–6,0 GHz taajuusalueelle. Tavoitteena on saavuttaa 60% nieluhyötysuhde, 36 dBm lähtöteho ja yli 12 dB vahvistus. Simuloinneissa saavutetaan 59,2 % nieluhyötysuhde, 41,5 dBm lähtöteho ja 15,8 dB vahvistus käyttäen 28 V nielujännitettä. Mittauksissa suurin nieluhyötysuhde, 59,2% saavutetaan alemmalla, 18 V nielujännitteellä. Alemmalla nielujännitteellä suurin lähtöteho on 37,04 dBm ja vahvistus 14,2 dB. Tämä tarkoittaa sitä, että lähtöteho ja vahvistus tavoitteisiin päästään. Nielun hyötysuhde on vain 0,8 prosenttiyksikköä alle tavoitteen.