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문제 정의
- 본 논문에서는 Ka 대역 위상 배열 레이더용 송수신 모듈의 설계 및 제작을 보였다. Ka 대역 T/R 모듈 구성시, Ka 대역의 특수성을 고려하여 5 비트 위상 천이기와 30 dB 디지털 가변감쇠기는 송수신 공통으로 사용하였으며, 서큘레이터는 T/R 모듈의 외부에 부착되는 형태로 구성하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 처음으로 단위 안테나당 1 W의 송출 전력을 제공하는 T/R 모듈의 설계 및 제작을 보였으며, 앞서 언급한 소형화 문제를 극복하기 위하여, LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics) 기판을 사용한 집적을 보였다. 이를 통해 T/R 모듈의 소형화를 기하였으며, 배열 안테나 수직, 수평거리의 간격 제한을 극복하기 위하여 부족한 공간을 길이 방향으로 해결하여 설계하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 Ka 대역 위상 배열 레이더용 송수신 모듈의 설계 및 제작을 보였다. Ka 대역 T/R 모듈 구성시, Ka 대역의 특수성을 고려하여 5 비트 위상 천이기와 30 dB 디지털 가변감쇠기는 송수신 공통으로 사용하였으며, 서큘레이터는 T/R 모듈의 외부에 부착되는 형태로 구성하였다. 단위 안테나 당 송신 출력은 1 W, 잡음 지수는 8 dB로 설정하였다, 이와 같이 설계된 T/R 모듈 RF부의 크기는 5 mm×4 mm×57 mm이며, 이는 국내에서 제작된 T/R 모듈 중 가장 소형인 T/R 모듈로 예상된다.
- 개별 부품의 측정시 동축 커넥터를 이용하여 측정하게 되므로, 이의 손실 및 부정합 정도를 우선 측정하였다. 사용된 기판은 두께가 5 mil인 TLY-5 기판을 사용하였다.
- 공통 채널에 사용되는 위상천이기의 경우, 개별 부품 시험을 수행하지 않았다. 공통 채널의 위상천이기의 단품 위상 변화보다 전체 송수신 채널의 위상 변화가 중요하므로, T/R 모듈의 채널 시험 항목으로 고려하여 수행하였다.
- 수신 잡음 지수와 출력은 T/R 모듈의 목표물 탐지 거리와 밀접한 관계가 있는데, 같은 출력에서 잡음 지수가 낮을수록 장거리 목표물을 탐색할 수 있게 된다. 그러나 현재 상황에서 Ka 대역 최소의 잡음 지수는 소자의 특성과 밀접한 관계가 있으며, 이를 고려하여 우선 최소의 잡음 지수를 갖는 MMIC를 선정하였다. 이와 같이 선정하고 나면, 출력은 목표물의 거리를 고려하여 설정되게 되고, 이러한 출력이 단위 모듈 당 1 W 급으로 설정되었다.
- 단위 모듈의 위상 천이 변화 결과를 측정하였다. 이는 표 7에 나타내었다.
- 이와 같이 조립된 4개의 묶음으로 송수신 채널을 가지는 T/R 모듈의 단일 모듈의 송신 채널에 대하여 출력 전력을 시험하였다. 본 논문의 응용이 요구하는 펄스 구동은 중심 주파수에서 25 kHz PRF의 듀티 사이클 10 % 및 833 kHz PRF의 듀티 사이클 33 %의 펄스들로 이에 대한 출력 전력을 시험하였다. 각 PRF에 대하여 출력 전력을 표 6의 행에 나타내었다.
- 선정된 부품들을 이용하여 T/R 모듈 구성하기에 앞서, 선정된 개별 부품에 대하여 개별 소자 시험을 수행하였다. 이와 같은 단계를 거치는 이유로는, 우선 선정된 Ka 대역 개별 부품의 제시된 규격이 환경이나 구성에 따라 상당한 변화를 가지고 있어 이의 검증이 필요하며, 두 번째는 이들의 제시된 결과들은 온 웨이퍼(on-wafer) 측정 결과인데, 외부 회로와 부품을 연결하거나 장착 시 와이어 본딩(wire bonding)이 요구되어 이로 인한 성능 열화 정도를 예측을 위해 필요하다.
- 설계된 T/R 모듈을 구현하기 위하여 T/R 모듈의 개별 MMIC 검증 후, 단위 T/R 모듈을 검증하였다. 송신부는 입력 5 dBm에서 출력 >30 dBm을 보였으며, 수신부는 잡음 지수 <8 dB, 이득 >20 dB를 얻었다.
- 송신 채널의 시험을 완료 후 수신 채널의 이득을 측정하였다. 이 결과를 표 8에 나타내었다.
- 수신 채널의 단품 시험은 리미터, 저잡음 증폭기에 대하여 시행하였다. 그림 8은 리미터의 회로도를 보였다.
- 구동증폭기는 약 20 dBm의 1-dB 억압점, 그리고 출력증폭기는 2W의 출력을 갖는 것을 선택하였다. 수신단과 마찬가지로 이것도 안정화 및 부정합을 고려하여, 수신단에서 사용된 것과 같은 고정감쇠기 MMIC를 삽입하였다. 서큘레이터(circulator)는 최대 출력 5 W로 송신 출력 1 W에 견딜 수 있는 것을 선정하였다[15].
- 6 dB의 손실을 보였다. 이때 송출전력 30 dBm 입력시 서큘레이터의 손실을 고려하면, 전반사되어 수신부로 입력되는 최대 전력은 26 dBm으로 계산되어, 26 dBm 입력시까지 특성을 측정하였다. 결과, 누설 전력은 약 11.
- 이를 위해 적정한 부품들을 수배하였다. 위상천이기는 Triquint사의 5비트 위상 천이기[6]이며, 최소 위상 천이량은 11.
- 이를 이용하여 출력증폭기를 측정하였다. 그림 6에는 이것의 조립 사진을 보여주며, 칩(chip)의 RF 연결 시 손실을 줄이기 위해 CPW 형태로 조립하였으며, 신호 선로에는 4개를, 접지 선로에는 2개를 이용하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 처음으로 단위 안테나당 1 W의 송출 전력을 제공하는 T/R 모듈의 설계 및 제작을 보였으며, 앞서 언급한 소형화 문제를 극복하기 위하여, LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics) 기판을 사용한 집적을 보였다. 이를 통해 T/R 모듈의 소형화를 기하였으며, 배열 안테나 수직, 수평거리의 간격 제한을 극복하기 위하여 부족한 공간을 길이 방향으로 해결하여 설계하였다. 제작된 T/R 모듈의 크기는 4개 안테나 묶음으로 19.
- 이상과 같이 선정된 부품들의 사양으로 부터 유도된 송신 및 수신 채널의 이득 및 잡음 지수와 1-dB 억압점이 표 1에 주어진 사양에 적합한지 링크 버짓(link budget)을 수행하였다[16]. 송신 및 수신 채널의 해석 수행 결과는 표 2 및 3에 나타내었으며, 표 2 및 3에서 볼 수 있듯이 선정된 부품들은 표 1에 주어진 사양의 T/R 모듈을 구현하는 데 적합한 것으로 사료된다.
- 이상의 결과를 바탕으로 목표 규격과 개별 측정 결과를 바탕으로 계산된 수신 채널 및 송신 채널의 T/R 모듈 구성 시 예상 규격을 정리하였다. 이것을 표 5에 나타내었으며, 개별 부품 측정 결과는 전체 T/R 모듈 구성 시, 원하는 T/R 모듈을 구성할 수 있음을 알 수 있다.
- T/R 모듈 폭의 제한으로 인해 MMIC 부품의 T/R 모듈 내 배치는 모듈의 폭을 최소화하기 위해 길이가 길어지는 배치가 된다. 이와 같이 조립된 4개의 묶음으로 송수신 채널을 가지는 T/R 모듈의 단일 모듈의 송신 채널에 대하여 출력 전력을 시험하였다. 본 논문의 응용이 요구하는 펄스 구동은 중심 주파수에서 25 kHz PRF의 듀티 사이클 10 % 및 833 kHz PRF의 듀티 사이클 33 %의 펄스들로 이에 대한 출력 전력을 시험하였다.
- 송신 채널은 Ka 대역에서 입력 5 dBm일 때 출력 30 dBm을 출력하도록 부품을 선정하였으며, 이때도 마찬가지로 공통 채널의 감쇠를 고려하였다. 초단으로는 수신단과 같은 Mimix사의 저잡음 증폭기를 사용하였으며, 이것의 1-dB 억압점이 9 dBm으로 낮아, 별도의 구동증폭기 및 출력증폭기를 선정하였다[13],[14]. 구동증폭기는 약 20 dBm의 1-dB 억압점, 그리고 출력증폭기는 2W의 출력을 갖는 것을 선택하였다.
- DC 패드간 연결에는 3 mil 리본(gold ribbon)을 사용하였다. 측정 시 출력증폭기는 CW 동작 시 많은 전력을 소모하여 방열이 필요하므로 펄스 조건에서 측정하였다. 펄스는 PRF(Pulse Repetition Frequency) 25 kHz, 듀티 싸이클(duty cycle) 10 %로 두고, 입력 전력은 –10～15 dBm으로 출력 전력을 측정하였다.
- 펄스는 PRF(Pulse Repetition Frequency) 25 kHz, 듀티 싸이클(duty cycle) 10 %로 두고, 입력 전력은 –10～15 dBm으로 출력 전력을 측정하였다.
대상 데이터
- 그림 2는 이와 같이 설계된 T/R 모듈의 구성을 보다 T/R 모듈 묶음(package)에 필요한 외벽의 두께를 최소화하기 위하여, 4개씩 한 묶음으로 구성하였으며, 안테나와 서큘레이터는 T/R 모듈 외부로 분리하였다. CuW 재질의 캐리어(carrier)를 금도금하여 바닥재로 사용하고, 위에 링 프레임(ring frame)을 이용 뚜껑으로 사용했다. 기판은 DC 바이어스 및 제어 신호 연결 선로는 LTCC로 구성하였고, RF 연결은 5 mil 알루미나 기판을 사용하였으며, LTCC 위에 RF 연결 선로로 활용하였다.
- 기판은 DC 바이어스 및 제어 신호 연결 선로는 LTCC로 구성하였고, RF 연결은 5 mil 알루미나 기판을 사용하였으며, LTCC 위에 RF 연결 선로로 활용하였다. 구성된 T/R 모듈은 총 두께가 4 mm임을 고려하여, 서큘레이터의 높이가 4 mm 이하인 Ka 대역 서큘레이터를 선택하였다.
- 그림 1은 단위 T/R 모듈의 블록도를 보였다. 구조는 안테나의 빔 조향을 위한 위상 천이기(PS: Phase Shifter) 및 디지털 감쇠기(VVA: Voltage Variable Attenuator)를 송수신 공통(common) 채널로 사용하는 구조[5]이다. 그리고 표 1에는 목표로 하는 T/R 모듈의 목표 규격을 보였다.
- CuW 재질의 캐리어(carrier)를 금도금하여 바닥재로 사용하고, 위에 링 프레임(ring frame)을 이용 뚜껑으로 사용했다. 기판은 DC 바이어스 및 제어 신호 연결 선로는 LTCC로 구성하였고, RF 연결은 5 mil 알루미나 기판을 사용하였으며, LTCC 위에 RF 연결 선로로 활용하였다. 구성된 T/R 모듈은 총 두께가 4 mm임을 고려하여, 서큘레이터의 높이가 4 mm 이하인 Ka 대역 서큘레이터를 선택하였다.
- 또한, 이것의 삽입 손실은 대역 내에서 약 8 dB이며, 위상 변화에 따른 진폭 변화의 최대폭은 1 dB 이내이다. 디지털 가변 감쇠기는 최소 손실은 약 6 dB 정도이며, 5 비트 디지털형이며, 두 개의 제어 전압에 의해 최대 30 dB 정도의 감쇠도를 가지고 이산적으로 가변시킬 수 있으며, GaAs 공정으로 제작된 HMC939를 이용하였다[7]. 송신 및 수신 채널의 선정은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 의하여 선정하며, 손실이 적은 PIN 다이오드로 제작된 MMIC 스위치를 사용하였다.
- 개별 부품의 측정시 동축 커넥터를 이용하여 측정하게 되므로, 이의 손실 및 부정합 정도를 우선 측정하였다. 사용된 기판은 두께가 5 mil인 TLY-5 기판을 사용하였다. 그림 5는 50 ohm 선로 측정 사진이며, 시험 결과 동축 커넥터에 의한 손실은 개당 약 –1.
- 수신단과 마찬가지로 이것도 안정화 및 부정합을 고려하여, 수신단에서 사용된 것과 같은 고정감쇠기 MMIC를 삽입하였다. 서큘레이터(circulator)는 최대 출력 5 W로 송신 출력 1 W에 견딜 수 있는 것을 선정하였다[15].
- 디지털 가변 감쇠기는 최소 손실은 약 6 dB 정도이며, 5 비트 디지털형이며, 두 개의 제어 전압에 의해 최대 30 dB 정도의 감쇠도를 가지고 이산적으로 가변시킬 수 있으며, GaAs 공정으로 제작된 HMC939를 이용하였다[7]. 송신 및 수신 채널의 선정은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 의하여 선정하며, 손실이 적은 PIN 다이오드로 제작된 MMIC 스위치를 사용하였다. 이것의 손실은 약 2 dB이내이다[8].
- 송신 채널은 Ka 대역에서 입력 5 dBm일 때 출력 30 dBm을 출력하도록 부품을 선정하였으며, 이때도 마찬가지로 공통 채널의 감쇠를 고려하였다. 초단으로는 수신단과 같은 Mimix사의 저잡음 증폭기를 사용하였으며, 이것의 1-dB 억압점이 9 dBm으로 낮아, 별도의 구동증폭기 및 출력증폭기를 선정하였다[13],[14].
- 이 때 송수신 공통 채널인 위상 천이기와 가변 감쇠기의 손실 전력을 고려하였다. 수신 채널에 이용된 MMIC는 Mimix 사의 GaAs pHEMT로 제작된 20～40 GHz의 주파수 대역을 갖는 XLI000-BD[9]로, 이것의 이득은 20 dB 잡음 지수는 2 dB 정도이며, 수신 채널 모두 같은 MMIC를 사용하였다. 이때 높은 이득으로 발진 및 부정합에 의한 발진 가능성을 고려하여, 그림 1과 같이 고정 감쇠기(ATT: attenuator)를 수신 채널에 삽입하였다[10].
- 수신 채널은 잡음 지수 8 dB 이하, 수신 채널 이득은 전체 이득이 22 dB가 되도록 MMIC 부품을 선정하였다. 이 때 송수신 공통 채널인 위상 천이기와 가변 감쇠기의 손실 전력을 고려하였다.
성능/효과
- 25°의 정확도로 증감할 수 있다. T/R 모듈의 위상 변화는 공통 채널에 있는 위상 천이기 MMIC의 위상 변화에 따라 결정됨을 확인하였다.
- 이때 송출전력 30 dBm 입력시 서큘레이터의 손실을 고려하면, 전반사되어 수신부로 입력되는 최대 전력은 26 dBm으로 계산되어, 26 dBm 입력시까지 특성을 측정하였다. 결과, 누설 전력은 약 11.8 dBm 정도이며, 이것은 저잡음 증폭기의 최대 입력 전력보다 작은 값이어서 저잡음 증폭기 보호에 적절할 것으로 사료된다.
- 초단으로는 수신단과 같은 Mimix사의 저잡음 증폭기를 사용하였으며, 이것의 1-dB 억압점이 9 dBm으로 낮아, 별도의 구동증폭기 및 출력증폭기를 선정하였다[13],[14]. 구동증폭기는 약 20 dBm의 1-dB 억압점, 그리고 출력증폭기는 2W의 출력을 갖는 것을 선택하였다. 수신단과 마찬가지로 이것도 안정화 및 부정합을 고려하여, 수신단에서 사용된 것과 같은 고정감쇠기 MMIC를 삽입하였다.
- 5 GHz로 상측과 하측으로 떨어진 주파수에서의 결과를 표 6의 열에 나타내었다. 높은 주파수에서 보다 큰 전력 값을 가지나, 대역 내에서 거의 균일한 31 dBm이상의 출력을 얻는 것을 알 수 있다. 또한, 출력은 PRF에 관계없이, 또한 듀티 사이클 변화에 관계없이 같은 출력 전력을 보이는 것을 알 수 있다.
- 따라서 이를 종합하면 총 360°의 위상을 약 11.25°의 정확도로 증감할 수 있다.
- 3 dB의 손실을 가지고 있음을 파악하였다. 또한, 정합 정도는 약 16 dB의 반사 손실을 보임을 확인하였다.
- 16 dB로 목표 이득 20 dB 이상임을 알 수 있다. 또한, 채널에서의 이득의 가변폭은 약 30 dB이지만 15 dB 까지 시험하였을 경우, 가변 이득 목표 규격을 만족함을 확인하였다. 또한, 동시에 이에 따른 잡음 지수의 변화를 보였다.
- 시험 결과, 삽입 손실은 –2.7～–2.6 dB의 손실을 보였다.
- 입력을 –10～10 dBm으로 두고 동일한 펄스 조건에서 출력은 대역 내에서 25.28～27.28.70 dBm을 얻을 수 있었으며 이 또한, 동축 커넥터의 손실을 보상한 값이며, 충분히 출력증폭기를 구동할 수 있음을 확인하였다.
- 펄스는 PRF(Pulse Repetition Frequency) 25 kHz, 듀티 싸이클(duty cycle) 10 %로 두고, 입력 전력은 –10～15 dBm으로 출력 전력을 측정하였다. 측정 결과, 이것의 전력 이득은 약 17 dB, 출력 전력은 15 dBm, 입력시 출력은 주파수 대역 내에서 32.25～36.88 dBm의 출력 변화를 보였다. 이것은 앞서의 커넥터로 인한 손실을 보상한 결과로 원하는 1 W 출력 이상을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림 9는 저잡음 증폭기를 조립한 사진이다. 측정 결과, 이득은 대역 내에서 약 19 dB로 평탄하였으며, 잡음 지수는 1.78 dB를 얻었다. 이 또한 커넥터 손실을 보상한 값이다.
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