[논문]레이더용 X-대역 63 Watt Pulsed SSPA 개발

정민길; 나형기

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.3.380

문제 정의

송신 신호가 없을 경우 전력 소모를 줄일 뿐만 아니라, 전력을 비축하는 시간을 가지게 함으로써 전체적으로 소모되는 전력을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 Class A 또는 Class AB 선형증폭기와 별도의 펄스 변조기를 사용하여 pulsed SSPA를 개발하였다. 고주파 트렌지스터로는 최근 상용화되고 있는 고출력 GaAs FET 소자들을 이용하였다.
본 논문에서는 기존 레이더 장비의 신뢰성 저하로 문제되어 오던 레이더 송신기의 클라이스트론과 고전압 공급기 대신에 반도체 증폭기인 SSPA를 사용하고 디지털 신호처리를 수행하여 동등 이상의 탐지 성능을 가지도록 개발하였다. 먼저 Ⅱ장에서는 Pulsed SSPA 구성에 대해서 살펴보고, Ⅲ장에서는 블록별 설계를 다루었다.
여기서 허용 오차는 PCB 패턴 폭, 길이의 변화량, 그리고 하우징 제작상 오차로 인해 실제 설계치와 측정치 사이에는 상당한 편차가 존재하게 된다. 본 논문에서는 이러한 허용 오차를 최대한 줄여 전체 SSPA 재현성, 안정성을 확보할 수 있도록 하였다. 특히 하우징에 대한 오차로 인해 야기될 수 있는 부분과 RF 고출력 트렌지스터가 부착되는 부분의 평탄도는 방열문제와 그라운드 성능을 좌우하는 중요 포인트이므로 신중한 설계가 요구된다.
본 논문에서는 전체 모듈 특성을 분석하기 위해 주요 측정 파라미터들을 통해 측정/분석하였다. 그림 22는 전체 모듈의 송신 출력 펄스 특성을 보여주고 있다.

제안 방법

고출력 전력증폭기 구현에 있어서 전력 합성에 가장 중요한 90도 하이브리드 전력합성기의 단품을 측정하였다. 그림 10과 그림 11은 각각 제작된 전력합성기와 측정된 결과를 보여주고 있다.
구동증폭기 1은 4 W급의 내부 50 Ω 매칭이 되어 있고, DC 바이어스 라인을 추가하여 설계하고, 구동증폭기 2, 3과 최종 출력단 증폭기는 내부 50 Ω 매칭된 8 W 소자를 평형 증폭기 형태로 적용하여 설계하였다.
사용된 트렌지스터는 고출력 GaAs FET 소자를 사용하였다. 구동증폭부와 최종 출력 증폭부는 그림 1에서와 같이 90도 하이브리드 평형 증폭기 구조의 전력 분배/합성기를 적용하였다. 그리고 써미스터(thermistor)를 사용하여 온도 보상회로를 구현하였다.
구동증폭부와 최종 출력 증폭부는 그림 1에서와 같이 90도 하이브리드 평형 증폭기 구조의 전력 분배/합성기를 적용하였다. 그리고 써미스터(thermistor)를 사용하여 온도 보상회로를 구현하였다. 입/출력단에는 역방향 전력 입력으로 인한 손상을 방지하기 위해서 아이솔레이터(isolator)들을 삽입하였다.
그림 9에서와 같이 증폭기 소자를 안정적으로 구동시키기 위해서 전원 및 전류를 공급할 수 있는 바이어스 회로와 펄스 구동 회로를 통해 pulsed SSPA를 구현하였다. 또한, 극한의 온도에서도 균일한 출력 특성을 갖기 위해서 게이트(gate) 단에 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 NTC 써미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)를 두어 고온에서 저하되는 RF 출력을 높이는 효과를 가지게 했다.
또한, 극한의 온도에서도 균일한 출력 특성을 갖기 위해서 게이트(gate) 단에 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 NTC 써미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)를 두어 고온에서 저하되는 RF 출력을 높이는 효과를 가지게 했다.
본 논문에서는 레이더용 X-대역 63 watt pulsed SSPA를 설계, 제작하였다.
CW 모드인 경우는 주로 열 문제이고, Pulse 모드 경우는 유전체의 breakdown에 영향을 받게 된다. 본 설계에서는 펄스 모드로 동작되나, 허용 전력 측면에서 보다 열악한 조건인 CW 모드의 허용 전력 개념을 적용하여 기판을 선정하였다.
일반 Class-A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 변조기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내에 동작되도록 하였다. 송신단 전체의 효율을 높이기 위해서 트리거 Off시(RF 신호 OFF) 전력을 소모하지 않도록 하였다. 즉, 트리거 ON시 RF 증폭기 구동, 트리거 Off시 RF 증폭기를 Off하는 방식으로 구동되는 것이 펄스 변조기의 역할이다.
여기서, W는 전송 선로의 폭이고, C는 전송 선로도체 두께이며, G는 전송 선로 도체의 저항율이다. 실제 고출력 증폭기 설계 시 요구되는 전류 용량의 1.5배가 되도록 출력단 바이어스 라인을 설계하여 적용한다. 그리고, 고려해야할 또 다른 항목은 유전체 상수 변동 범위이다.
특히 본 논문에서는 입출력 VSWR 특성과 격리도 성능이 우수한 90도 하이브리드 분배/합성기를 적용하였다. 이를 이용한 평형 증폭기(balanced amplifier) 구조를 적용하여 고출력을 구현하였다. Ⅳ장에서는 pulsed SSPA 측정 및 분석을 하였다.
일반 Class-A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 변조기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내에 동작되도록 하였다.
그리고 써미스터(thermistor)를 사용하여 온도 보상회로를 구현하였다. 입/출력단에는 역방향 전력 입력으로 인한 손상을 방지하기 위해서 아이솔레이터(isolator)들을 삽입하였다.
그림 23은 온도 변화에 따른 송신 출력을 측정한 것이다. 저온 -40도에서 고온 +70도까지 범위에서 균일한 송신출력을 얻기 위해 게이트 단에 NTC 써미스터를 두었다. 고온에서 써미서터 저항값이 작게 되어 게이트 전압을 높여 드레인 전류를 조금 많이 흐르게 하여 전 온도 구간에서 균일한 송신 출력을 얻을 수 있었다.
먼저 Ⅱ장에서는 Pulsed SSPA 구성에 대해서 살펴보고, Ⅲ장에서는 블록별 설계를 다루었다. 특히 본 논문에서는 입출력 VSWR 특성과 격리도 성능이 우수한 90도 하이브리드 분배/합성기를 적용하였다. 이를 이용한 평형 증폭기(balanced amplifier) 구조를 적용하여 고출력을 구현하였다.
펄스 변조기는 시스템 운용 모드에 맞게 증폭기드레인 전원의 고속 스위칭을 갖도록 설계하였다. 일반 Class-A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 변조기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내에 동작되도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 Class A 또는 Class AB 선형증폭기와 별도의 펄스 변조기를 사용하여 pulsed SSPA를 개발하였다. 고주파 트렌지스터로는 최근 상용화되고 있는 고출력 GaAs FET 소자들을 이용하였다.
전원기와 펄스 변조기는 증폭기들에게 필요한 각 전원과 고속 펄스 변조에 필요한 신호를 제공하게 된다. 구동증폭기와 최종 출력단 증폭기에서는 고출력을 구현하기 위해서 90도 하이브리드 전력 분배/합성기를 사용하였다. 특히, 그림 2에서와 같이 90도 Hybrid 전력 분배/합성기는 포트 간의 위상차가 90도가 나며, 마이크로스트립 전송 선로를 이용해서 제작하기가 용이하다 또한, 신호의 위상과 크기의 차이에 크게 민감하게 변화하지 않는 것이 큰 특징이며, 그림 3은 위상 및 크기의 불일치로 인해 발생하는 결합 손실을 나타낸다.
RF 증폭기 부분은 초단증폭기, 구동증폭기, 최종 출력단 증폭기로 구성하고 있다. 사용된 트렌지스터는 고출력 GaAs FET 소자를 사용하였다. 구동증폭부와 최종 출력 증폭부는 그림 1에서와 같이 90도 하이브리드 평형 증폭기 구조의 전력 분배/합성기를 적용하였다.
특히, 유전율 상수 값이 높아지면 상대적으로 유전율 변동 범위가 커지게 되므로, HMIC회로 설계 시 적절한 유전체 기판을 선정해야 한다. 상기의 변수들을 바탕으로 선정한 기판은 Rogers사 RT-Duroid 6002 기판을 선정하였으며, 이 기판의 가지는 평균 허용 전력 및 DC 허용 용량은 표 1과 같다.
초단증폭기 1, 2는 0.1 W급 트렌지스터를 이용하였고, 초단증폭기 3, 4는 1 W급 트렌지스터를 이용하여 설계하였다. 구동증폭기 1은 4 W급의 내부 50 Ω 매칭이 되어 있고, DC 바이어스 라인을 추가하여 설계하고, 구동증폭기 2, 3과 최종 출력단 증폭기는 내부 50 Ω 매칭된 8 W 소자를 평형 증폭기 형태로 적용하여 설계하였다.

성능/효과

저온 -40도에서 고온 +70도까지 범위에서 균일한 송신출력을 얻기 위해 게이트 단에 NTC 써미스터를 두었다. 고온에서 써미서터 저항값이 작게 되어 게이트 전압을 높여 드레인 전류를 조금 많이 흐르게 하여 전 온도 구간에서 균일한 송신 출력을 얻을 수 있었다. 온도간 송신 출력 편차는 0.
3 dB 이상의 전력이득을 보여, 설계 목표치를 모두 만족하였다. 그리고, 레이더 시스템에서 요구되어지는 고속 펄스 변조기 특성도 만족하였다. 특히 전력 분배/합성기의 특성이 우수하여, 제작된 pulsed SSPA의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다.
기존 레이더 장비의 신뢰성 저하로 문제되어 오던 레이더 송신기의 클라이스트론과 고전압 공급기 대신에 반도체 증폭기인 SSPA를 사용하고, 디지털 신호처리를 수행하여 동등 이상의 탐지 성능을 발휘케 함으로써 레이더의 피탐 가능성을 줄이고, 예열시간을 줄여 교전 대응시간이 짧아졌을 뿐만 아니라 신뢰성이 3배 이상 향상되었으며, 사용 주파수 대역 증대와 간섭 신호 회피 기능을 구현함으로써 인접장비와의 주파수 간섭 현상을 제거하고, 탁월한 대전자전 기능을 보유케 되었다.
2 dB의 성능을 보였다. 또한, AB급 바이어스 조건 하에서 증폭기 드레인 스위칭을 통해 효율을 높이는 구조를 적용하여 소모전력 12 watt를 만족할 수 있었다.
본 논문에서는 레이더용 X-대역 63 watt pulsed SSPA를 설계, 제작하였다. 실험 결과, 모든 대역에서 47.8 dBm(63 watt) 이상의 송신 출력과 37.3 dB 이상의 전력이득을 보여, 설계 목표치를 모두 만족하였다. 그리고, 레이더 시스템에서 요구되어지는 고속 펄스 변조기 특성도 만족하였다.
측정 결과는 각각 그림 13, 15로 동작 주파수 대역에서 각각 8 dB 정도의 이득을 얻을 수 있었고, 출력 또한, 예측대로 각각 0.1 W 및 1 W를 얻을 수 있 었다.
마지막으로 Ⅴ장에서는 결론을 내리도록 한다. 특히, 전력분배/합성기의 특성이 우수하여, 제작된 pulsed SSPA의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다.
특히 전력 분배/합성기의 특성이 우수하여, 제작된 pulsed SSPA의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다. 특히 증폭기 게이트단에 써미스터를 두어 온도에 따라 저하되는 송신출력을 보상하는 회로를 두어 전 온도 범위에서 송신 출력 편차가 0.2 dB의 성능을 보였다. 또한, AB급 바이어스 조건 하에서 증폭기 드레인 스위칭을 통해 효율을 높이는 구조를 적용하여 소모전력 12 watt를 만족할 수 있었다.
마지막으로 Ⅴ장에서는 결론을 내리도록 한다. 특히, 전력분배/합성기의 특성이 우수하여, 제작된 pulsed SSPA의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다.
그림 5는 설계된 RF 바이어스 회로이며, 그림 6에 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 해석 결과, 포트 1에서 2로 가는 경로는 RF 경로이고, 포트 3에서 1로는 DC 경로로써 전기적으로 단락처럼 동작하게 되는 것을 알 수 있다. 그림 7과 그림 8은 각각 Agilent사의 ADS Momentum을 이용하여 설계한 최종 출력단 전력합성기와 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

후속연구

특히, 반도체 기술의 발달로 SSPA를 적용하는 시스템이 증가하고 있고, 유지 보수뿐만 아니라 수명이 반영구적이어서 tube 송신기 대용으로 아주 각광을 받고 있다. 또한, 출력 크기를 높인다면 선배열 능동 위상 배열 레이더 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pulsed SSPA의 구성은?	본 논문에서는 소형 하이브리드 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits)를 사용하여 레이더용 X-대역 63 watt 펄스 구동형(pulsed) SSPA(Solid State Power Amplifier)를 개발하였다. Pulsed SSPA는 전원공급기와 초단증폭기, 구동증폭기, 고출력을 위한 최종단 증폭기의 3단의 증폭기로 구성되어 있다. 70도의 고온에서도 듀티 1.
	레이더용 송신기 중 Klystron, TWT보다 SSPA가 유리한 이유는?	레이더용 송신기는 일반적으로 큰 출력을 요구하므로 과거에는 Klystron, TWT 등을 사용하여 왔으나, 신뢰성 문제로 인해 반도체를 이용한 SSPA의 사용이 늘고 있는 추세이다. 특히, 유지 보수, 가격 측면 및 신호 처리기술 발전으로 인해 SSPA가 훨씬 유리하다. 그리고 SSPA는 제어 소자(위상변위기, 가변감쇠기)들과 모듈화하여 능동 위상 배열 레이더에 적용되는 추세가 늘어나고 있다[2].
	구동증폭기와 최종 출력단 증폭기에서 고출력을 구현하기 위해서 무엇을 사용했는가?	전원기와 펄스 변조기는 증폭기들에게 필요한 각 전원과 고속 펄스 변조에 필요한 신호를 제공하게 된다. 구동증폭기와 최종 출력단 증폭기에서는 고출력을 구현하기 위해서 90도 하이브리드 전력 분배/합성기를 사용하였다. 특히, 그림 2에서와 같이 90도 Hybrid 전력 분배/합성기는 포트 간의 위상차가 90도가 나며, 마이크로스트립 전송 선로를 이용해서 제작하기가 용이하다 또한, 신호의 위상과 크기의 차이에 크게 민감하게 변화하지 않는 것이 큰 특징이며, 그림 3은 위상 및 크기의 불일치로 인해 발생하는 결합 손실을 나타낸다.

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