본 논문에서는 S대역 400 MHz 대역폭을 갖는 능동 배열 위상레이더 시스템에 적용 가능한 GaN 반도체 전력 증폭기의 설계 및 제작 측정에 관해 소개하였다. GaN 팔레트 증폭 소자를 ${\lambda}$/4 입출력 차이를 둔 결합기를 이용하여 고출력 증폭기를 구현하였고, Suspended 형태의 고출력용 저손실 결합기와 개구면을 이용한 스트립라인 간의 커플러를 사용하여 자동 이득 제어(ALC) 기능을 가지는 고출력, 고효율의 반도체 전력증폭기를 구현하였다. 제작된 반도체 전력증폭기는 자동 이득 제어 미적용 시 최대 출력 5 kW, 효율 27.8 %, 이득 67 dB 특성을 가지며, 자동 이득 제어 적용 시 출력 4 kW, 효율 25.5 %와 duty 10 %, 최장 펄스 200 us에서 droop 0.1 dB 특성을 갖는다.
본 논문에서는 S대역 400 MHz 대역폭을 갖는 능동 배열 위상레이더 시스템에 적용 가능한 GaN 반도체 전력 증폭기의 설계 및 제작 측정에 관해 소개하였다. GaN 팔레트 증폭 소자를 ${\lambda}$/4 입출력 차이를 둔 결합기를 이용하여 고출력 증폭기를 구현하였고, Suspended 형태의 고출력용 저손실 결합기와 개구면을 이용한 스트립라인 간의 커플러를 사용하여 자동 이득 제어(ALC) 기능을 가지는 고출력, 고효율의 반도체 전력증폭기를 구현하였다. 제작된 반도체 전력증폭기는 자동 이득 제어 미적용 시 최대 출력 5 kW, 효율 27.8 %, 이득 67 dB 특성을 가지며, 자동 이득 제어 적용 시 출력 4 kW, 효율 25.5 %와 duty 10 %, 최장 펄스 200 us에서 droop 0.1 dB 특성을 갖는다.
In this paper, a design and fabrication of GaN power amplifier for the S-band frequency (400 MHz bandwidth) are presented. A combining path using ${\lambda}$/4 transmission line is implemented for GaN pallet amp. Both the combiner with suspended-type transmission structure for low-loss an...
In this paper, a design and fabrication of GaN power amplifier for the S-band frequency (400 MHz bandwidth) are presented. A combining path using ${\lambda}$/4 transmission line is implemented for GaN pallet amp. Both the combiner with suspended-type transmission structure for low-loss and the suspended stripline coupler with aperture coupling for auto gain control are realized for achieving high-power high-efficiency amplifier. Proposed power amplifier demonstrated a 5 kW peak output power, 27.8 % efficiency, 67 dB gain without ALC and a 4 kW peak output power, 25.5 % efficiency, 0.1 dB droop at 200 usec pulse width and 10 % duty with ALC.
In this paper, a design and fabrication of GaN power amplifier for the S-band frequency (400 MHz bandwidth) are presented. A combining path using ${\lambda}$/4 transmission line is implemented for GaN pallet amp. Both the combiner with suspended-type transmission structure for low-loss and the suspended stripline coupler with aperture coupling for auto gain control are realized for achieving high-power high-efficiency amplifier. Proposed power amplifier demonstrated a 5 kW peak output power, 27.8 % efficiency, 67 dB gain without ALC and a 4 kW peak output power, 25.5 % efficiency, 0.1 dB droop at 200 usec pulse width and 10 % duty with ALC.
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문제 정의
본 논문에서는 GaN 팔레트 증폭 소자를 사용하여 S대역 레이더용 고출력․고효율의 반도체 전력증폭기 설계와 제작에 관한 내용을 기술하였다. 고출력 증폭기에서는 아이솔레이터를 사용하지 않고, 출력 반사 손실을 개선하는 방법에 대해 설명하고, 결합기와 커플러에서는 Suspended 방식의 저손실의 고전력 결합기 구현과 개구면을 이용한 고전력용 커플러 구현에 대해 설명하였으며[4] , 구동증폭기와 제어기에서는 자동 이득 제어와 송신 위상 변위의 기능에 대해 설명하였다.
본 논문에서는 S대역의 GaN 소자를 이용한 고출력, 고효율의 반도체 전력증폭기의 설계 및 제작과 측정 결과를 기술하였다. 고출력 증폭기에서는 GaN 소자를 사용하고 아이솔레이터를 사용하지 않은 λ /4 위상차를 둔 결합 방식을 적용하였다.
제안 방법
RF부는 크게 3개의 증폭부와 4-way 분배기로 되어 있고, 그 구성은 1차 증폭, 2차 가변 증폭, 3차 고출력 증폭부, 4-way 분배기 순으로 된다. 1차 증폭부에는 RF 입력을 받아 가변 증폭부에 필요한 입력 레벨까지 증폭하기 위해 여러 단의 증폭기로 구성하였는데, RF입력이 변하여도 출력이 일정하게 유지되도록 초단 증폭부에는 포화 영역에서 동작되도록 설계하였다. 포화된 출력신호는 위상변위기를 통해 위상 가변을 한다.
고출력 증폭기의 GaN 팔레트 증폭 소자의 전력을 결합할 때 아이솔레이터를 사용하지 않고, GaN 팔레트 증폭 소자 각각에 들어가는 입력과 출력의 위상을 조정하여 출력 반사 손실을 개선하였다. 분배하는 쪽에 λ/4 길이만큼 차이를 두어 분배하고, 결합할 때는 이를 보상하여 분배 경로 상에서 길이가 짧았던 경로 쪽에 λ/4 더 길게 하여 GaN 팔레트 증폭 소자 출력을 결합한다.
고출력 증폭기에서는 GaN 소자를 사용하고 아이솔레이터를 사용하지 않은 λ /4 위상차를 둔 결합 방식을 적용하였다. 고출력용 결합기에는 suspended 형태를 적용하여 저손실로 구현하였으며, 종단의 결합기에는 개구면을 이용한 고출력용의 저손실의 directivity 커플러를 제작하였다.제작된 반도체 전력증폭기는 현재까지 알려져 있는 S대역 반도체 전력증폭기 중에 최고 성능인 4 kW이상의 출력과 25 % 이상의 효율 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
구동증폭기는 입력으로 받은 낮은 RF 신호를 고출력 증폭기에 필요한 입력 레벨에 맞게 증폭하고, 4개의 고출력 증폭기는 모듈의 크기와 출력 손실의 최소화를 위해서 GaN 팔레트 증폭 소자 종단에 아이솔레이터를 사용하지 않았으며, 대신 입력 선로와 출력 선로에 위상차를 두어 출력의 반사 손실을 낮추었다. 중간 결합기는 고출력 증폭기의 높은 출력을 suspended 구조를 이용하여 저손실 결합하는 기능을 가지고 있고, 종단결합기는 고전력 결합과 동시에 자동 이득 제어(ALC)와 역 반사전력(출력 반사 손실) 검출을 위한 커플링 신호를 검출하는 기능을 가진다.
PCB 기판에서 높은 Directivity를 구현하기 Directional 커플러의 곡면 부분에 그라운드 영역을 두어 설계하는 기법[4] 등이 있지만, 대부분 저전력에서 적합한 방법으로 고전력에서는 PCB 금속선간 아킹 문제로 적용하기기 어렵다. 본 논문에서는 Suspended 구조의 결합기 아래의 두 개 개구면을 통해 반대편 스트립라인에 신호를 커플링하는 방법을 이용하여 고출력에서도 저손실을 가지며 높은 Directivity를 확보할 수 방법을 적용하였다.
세 번째, 이전 펄스의 오버슈트 부분의 크기에 따라 다음펄스의 오버슈트의 크기를 조정하도록 하는 피드백 기능이 있다. 이 자동 이득 제어(ALC) 보드의 특징은 Sample and Hold를 이용하여 아날로그 방식의 자동 이득 제어(ALC)기능을 구현하였다.
3차 증폭부 최종단에는아이솔레이터가 위치하여 출력 부정합에 의한 내부 증폭기 보호 기능을 가진다. 이후 4-way 분배기를 통해 4개의 고출력 증폭기에 동일한 전력을 인가해 주는데, 분배기는 2-way 윌킨슨 분배기를 3개 조합하여 설계하였다. 자동 이득 제어부는 송신 구동증폭 모듈이 일정한 출력을 유지할 수 있도록 외부에서 기준 조정값을 받고, 송신 RF 출력을 검출기를 통해 입력 받아 두 값을 비교 적분하여 RF 증폭부에 가변 증폭기의 이득을 조정해서 일정한 출력을 유지할 수 있도록 제어한다.
반도체 전력증폭기의 효율을 높이기위해서는 삽입 손실이 최소화 되어야 하며, 동시에 4개의 고출력 증폭기의 수 kW 전력을 결합하기 때문에, 아킹 현상이 일어나지 않도록 높은 전력 핸들링이 가능해야 한다. 전력결합기 저손실을 위해 Suspended 스트립라인 형태로 설계하였고, PCB와 Metal 사이의 간격을 최소 3 mm로 유지하였다. 그림 11은 PCB를 이용한 Suspended 전력결합기의 제작 형상 및 구조이다.
그림 18은 자동 이득 제어(ALC) 보드의 기능 블록도이다. 제어기로부터 ALC, 펄스 Enable, ALC 적용 스위치 선택 신호와 종단결합기로부터 전달 전력 샘플링 신호를 받아서 RF PCB내 가변 증폭기의 전압을 조정하여 전체 송신 출력 전력이 일정하도록 제어한다. 자동 이득 제어(ALC) 보드는 제어기로부터 받은 자동 이득 제어(ALC) 기준값에 전달 전력의 샘플링 값이 수렴하도록 가변증폭기의 전압을 조정하는 기능을 하며, 3개의 피드백 루프를 이용하여 가변증폭기 전압을 생성한다.
대상 데이터
35 kW까지 증폭하는 조립체이다. 구성은 그림 5와 같이 RF 부분과 제어 및 캐패시터 뱅크로 구성되어있으며, RF부는 클래스 C급 GaN 팔레트 증폭 소자가 2단으로 구성되어 있다.
이론/모형
고출력 증폭기에서는 GaN 소자를 사용하고 아이솔레이터를 사용하지 않은 λ /4 위상차를 둔 결합 방식을 적용하였다.
성능/효과
표 1에 반도체 전력증폭기의 측정 결과를 나타내었다. S대역의 400 MHz에서 자동 이득 제어(ACL)를 적용하지 않았을 때 최대 출력은 5 kW, 효율 27.8 %로 측정되었고, 자동 이득 제어(ALC)를 적용하였을 때 출력은 4 kW, 효율 25.5 %, droop은 duty는 최대 10 %, 최장 펄스는 200 us에서 0.1 dB 이내로 측정되었다.
첫 번째, 적분기를 통하여 펄스 내에서 출력 레벨이 원하는 레벨에 수렴할 수 있도록 가변 전압을 조정하는 기능이 있다. 두번째, 이전 펄스의 끝부분의 가변 전압 값을 다음 펄스에 영향을 주도록 하여 펄스의 길이에 최대한 영향을 적게 주는 기능이 있다. 세 번째, 이전 펄스의 오버슈트 부분의 크기에 따라 다음펄스의 오버슈트의 크기를 조정하도록 하는 피드백 기능이 있다.
두번째, 이전 펄스의 끝부분의 가변 전압 값을 다음 펄스에 영향을 주도록 하여 펄스의 길이에 최대한 영향을 적게 주는 기능이 있다. 세 번째, 이전 펄스의 오버슈트 부분의 크기에 따라 다음펄스의 오버슈트의 크기를 조정하도록 하는 피드백 기능이 있다. 이 자동 이득 제어(ALC) 보드의 특징은 Sample and Hold를 이용하여 아날로그 방식의 자동 이득 제어(ALC)기능을 구현하였다.
고출력용 결합기에는 suspended 형태를 적용하여 저손실로 구현하였으며, 종단의 결합기에는 개구면을 이용한 고출력용의 저손실의 directivity 커플러를 제작하였다.제작된 반도체 전력증폭기는 현재까지 알려져 있는 S대역 반도체 전력증폭기 중에 최고 성능인 4 kW이상의 출력과 25 % 이상의 효율 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 표 2는 해외업체에서 개발된 반도체 전력증폭기의 특성을 비교한 결과이다.
자동 이득 제어(ALC) 보드는 제어기로부터 받은 자동 이득 제어(ALC) 기준값에 전달 전력의 샘플링 값이 수렴하도록 가변증폭기의 전압을 조정하는 기능을 하며, 3개의 피드백 루프를 이용하여 가변증폭기 전압을 생성한다. 첫 번째, 적분기를 통하여 펄스 내에서 출력 레벨이 원하는 레벨에 수렴할 수 있도록 가변 전압을 조정하는 기능이 있다. 두번째, 이전 펄스의 끝부분의 가변 전압 값을 다음 펄스에 영향을 주도록 하여 펄스의 길이에 최대한 영향을 적게 주는 기능이 있다.
9 GHz에서 측정한 반도체 전력증폭기의 출력값이다. 최대 펄스 폭 200 us에서의 4 kW출력과 0.1 dB 이하의 droop 및 25.5 % 효율 특성을 보였다. 그림 22는 반도체 전력증폭기의 중간 및 종단결합기를 결합 후 측정한 값이다.
1 %로 측정되었다.최대 펄스 폭은 200 us 만족하며, 최대 펄스 폭 기준 droop은 0.6 dB 이하로 측정되었다.
그림 24는 고출력 증폭기의 측정 결과이다. 출력은 1.3～1.35 kW로 측정되었으며, 듀티비는 최대 10%로 효율은 중심 주파수에서 34.1 %로 측정되었다.최대 펄스 폭은 200 us 만족하며, 최대 펄스 폭 기준 droop은 0.
그림 14는 CST 시뮬레이터를 이용한 커플러의 커플링과 격리도의 분석 결과이다. 커플링 특성과 격리도 특성을 보여주고 있으며, 400 MHz 대역에서 Directivity는 12 dB 이상임을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수동 배열 형태의 레이더는 무엇을 사용했는가?
최근 레이더의 형태가 수동 배열에서 능동 배열 형태로 발전하면서 전력증폭기의 형태가 진공소자에서 반도체 소자로 바뀌고 있다. 기존의 수동 배열에서는 TWTA, 마크네트론 등의 단일 송신기를 사용했다면, 능동 배열에서는 위상과 이득을 가변할 수 있는 SSPA(Solid State Power Amp)나 TRM(Trans - mitter Receiver Module)을 수십 개에서 많게는 수천 개씩 배열하여 공간 합성을 통해 높은 출력 전력을 얻는다[1] . 반도체 소자 기술을 사용한 전력증폭기는 진공소자에 비해 낮은 동작 전압과 우수한 MTBF (Mean Time Between Failure), 소형화, 경량화 등 많은 장점을 가지고 있다[2]
능동 배열 수신기는 어떻게 높은 출력 전력을 엏는가?
최근 레이더의 형태가 수동 배열에서 능동 배열 형태로 발전하면서 전력증폭기의 형태가 진공소자에서 반도체 소자로 바뀌고 있다. 기존의 수동 배열에서는 TWTA, 마크네트론 등의 단일 송신기를 사용했다면, 능동 배열에서는 위상과 이득을 가변할 수 있는 SSPA(Solid State Power Amp)나 TRM(Trans - mitter Receiver Module)을 수십 개에서 많게는 수천 개씩 배열하여 공간 합성을 통해 높은 출력 전력을 얻는다[1] . 반도체 소자 기술을 사용한 전력증폭기는 진공소자에 비해 낮은 동작 전압과 우수한 MTBF (Mean Time Between Failure), 소형화, 경량화 등 많은 장점을 가지고 있다[2]
반도체 소자 기술을 사용한 전력증폭기는 진공소자에 비해 어떤 장점을 가지는가?
기존의 수동 배열에서는 TWTA, 마크네트론 등의 단일 송신기를 사용했다면, 능동 배열에서는 위상과 이득을 가변할 수 있는 SSPA(Solid State Power Amp)나 TRM(Trans - mitter Receiver Module)을 수십 개에서 많게는 수천 개씩 배열하여 공간 합성을 통해 높은 출력 전력을 얻는다[1] . 반도체 소자 기술을 사용한 전력증폭기는 진공소자에 비해 낮은 동작 전압과 우수한 MTBF (Mean Time Between Failure), 소형화, 경량화 등 많은 장점을 가지고 있다[2]
참고문헌 (7)
Michael Hanczor, Mahesh Kumar, "12-kW S-band solid-state transmitter for modern radar system", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 41, no. 12, pp. 2237-2242, 1993.
A. R. Barnes, M. T. Moore, M. B. Allenson, and R. G. Davis, "A compact 6 to 18 GHz power amplifier module with 10 W output power", 1999 IEEE MTTS International Microwave Symposium Digest, Anaheim, USA, vol. 3, pp. 959-962, Jun. 1999.
U. K. Mishra, P. Parikh, and Wu Yi-Feng, "AlGaN/ GaN HEMTs-an overview of device operation applications", Proc. of IEEE, vol. 90. no. 6, pp. 1022-1031, Jun. 2002.
Il-Gu Ji, Jong-Wha Chong, and Davis, "A new directional coupler design with high directivity for PCS and IMT-2000", ETRI Journal, vol. 27, no. 6, pp. 697-707, Dec. 2005.
Ki Ho Kim, Yu Ri Lee, and Ji Han Joo, "1.5 kW S-band solid-state pulsed power amplifier with digitally controlled automatic gain equalizer circuit", Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, 2006.
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