펄스 변조 및 전원 스위칭 방법을 혼용한 X-대역 50 W Pulsed SSPA 설계 및 제작 Design and Fabrication of X-Band 50 W Pulsed SSPA Using Pulse Modulation and Power Supply Switching Method원문보기
본 논문에서는 레이더 시스템에 적용이 가능한 50 W 출력을 가지는 X-대역 pulsed SSPA(Solid State Power Amplifier)를 설계 및 제작하였다. SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 방법으로 펄스 변조 방법과 전원 스위칭 방법을 혼용한 방법을 제안하였다. SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 펄스 변조기로 구성되며, 충분한 이득과 출력 크기를 얻기 위해 25 W GaAs FET 4개를 병렬 구조로 구성하였다. 측정 결과 1.12 GHz 대역폭에서 출력 50 W, 이득 44.2 dB의 성능을 가졌다. 또한, pulse droop은 1 dB 이하로 설계 목표를 만족하였으며, 12.45 ns 이하의 상승/하강 시간을 가졌다. 제작된 X-대역 pulsed SSPA 크기는 $150{\times}105{\times}30\;mm^3$로 매우 작은 크기를 가졌다.
본 논문에서는 레이더 시스템에 적용이 가능한 50 W 출력을 가지는 X-대역 pulsed SSPA(Solid State Power Amplifier)를 설계 및 제작하였다. SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 방법으로 펄스 변조 방법과 전원 스위칭 방법을 혼용한 방법을 제안하였다. SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 펄스 변조기로 구성되며, 충분한 이득과 출력 크기를 얻기 위해 25 W GaAs FET 4개를 병렬 구조로 구성하였다. 측정 결과 1.12 GHz 대역폭에서 출력 50 W, 이득 44.2 dB의 성능을 가졌다. 또한, pulse droop은 1 dB 이하로 설계 목표를 만족하였으며, 12.45 ns 이하의 상승/하강 시간을 가졌다. 제작된 X-대역 pulsed SSPA 크기는 $150{\times}105{\times}30\;mm^3$로 매우 작은 크기를 가졌다.
In this paper, a X-band 50 W pulsed solid state power amplifier(SSPA) is designed and fabricated for radar systems. The SSPA consists of a driver amplifier, a high power amplifier, and a pulse modulator. The high power stage employes four 25 W GaAs FET to deliver 50 W at X-band. To meet the stringen...
In this paper, a X-band 50 W pulsed solid state power amplifier(SSPA) is designed and fabricated for radar systems. The SSPA consists of a driver amplifier, a high power amplifier, and a pulse modulator. The high power stage employes four 25 W GaAs FET to deliver 50 W at X-band. To meet the stringent target specification for the SSPA, we used a new hybrid pulse switching method, which combine the advantage of pulse modulation and bias switching method. The fabricated SSPA shows a power gain of 44.2 dB, an output power of 50 W over a 1.12 GHz bandwidth. Also, pulse droop < 1 dB meet the design goals and a rise/fall time is less than 12.45 ns. Fabricated X-band pulsed SSPA size is compact with overall size of $150{\times}105{\times}30\;mm^3$.
In this paper, a X-band 50 W pulsed solid state power amplifier(SSPA) is designed and fabricated for radar systems. The SSPA consists of a driver amplifier, a high power amplifier, and a pulse modulator. The high power stage employes four 25 W GaAs FET to deliver 50 W at X-band. To meet the stringent target specification for the SSPA, we used a new hybrid pulse switching method, which combine the advantage of pulse modulation and bias switching method. The fabricated SSPA shows a power gain of 44.2 dB, an output power of 50 W over a 1.12 GHz bandwidth. Also, pulse droop < 1 dB meet the design goals and a rise/fall time is less than 12.45 ns. Fabricated X-band pulsed SSPA size is compact with overall size of $150{\times}105{\times}30\;mm^3$.
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문제 정의
본 논문에서는 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 새로운 방법에 대하여 제안하였으며, 이를 이용하여 50 W급 X-대역 pulsed SSPA를 설계 및 제작하였다. SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 펄스 변조기로 구성되며, 충분한 이득과 출력 크기를 얻기 위해 고출력 증폭기에서는 25 W GaAs FET 4개를 사용하는 병렬 구조로 설계하였다.
본 논문에서는 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 새로운 방법으로 앞에서 서술한 두 가지 방법을 혼용한 방법을 제안한다. 제안 방법은 펄스 변조 방식의 가장 큰 단점인 효율이 낮은 것은 증폭기 전원을 스위칭하는 방법으로 개선하고, 전원 스위칭 방법의 단점인 출력 펄스 특성 저하는 변조 모듈을 사용하여 개선한 구조를 가진다.
설계 목표는 동작 주파수 X-대역, 펄스폭 10 μs, duty cycle 5 %, 출력 크기 50 W이다.
가설 설정
펄스에서 최대 전압 9 V, pulse droop 1 dB, 첨두 전류 15 A, 펄스폭 10 μs로 가정하여 충전 커패시터의 값을 계산하면 약 168 uF이 된다.
제안 방법
그림 8은 pulsed SSPA 측정을 위한 장비 구성을 나타낸 것이다. RF 신호 발생을 위한 신호발생기, 펄스 변조를 위한 SPST 스위치, 펄스 변조 신호와 드레인 바이어스 스위칭 신호 발생을 위한 함수발생기, 전원을 공급하기 위한 전원공급기, 증폭기 출력 특성을 측정하기 위한 peak power meter로 측정 장비를 구성하였다. SPST 스위치는 Paciwave사의 PSW1-0218-23을 이용하였다.
본 논문에서는 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 새로운 방법에 대하여 제안하였으며, 이를 이용하여 50 W급 X-대역 pulsed SSPA를 설계 및 제작하였다. SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 펄스 변조기로 구성되며, 충분한 이득과 출력 크기를 얻기 위해 고출력 증폭기에서는 25 W GaAs FET 4개를 사용하는 병렬 구조로 설계하였다. 측정 결과, 1.
그림 5에서 보는 바와 같이 X대역 pulsed SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기 및 드레인 전원을 스위칭하는 펄스 변조기로 구성된다. 구동 증폭기는 3단 증폭기, 고출력 증폭기는 2단 증폭기 구조로 설계하였다.
고출력 증폭기는 3개의 2-출력 전력분배기와 2개의 15 W GaAs FET(Eudyna社의 FLM0910-15F), 4개의 25 W GaAs FET(Eudyna社의 FLM0910-25F) 및 1개의 4-출력 전력합성기로 구성되어져 있다. 단일 증폭 소자의 고장시에도 증폭 기능을 유지하고, 고출력 요구 성능을 충족시키기 위해 병렬 구조로 설계하였다. 그림 7은 제작된 고출력 증폭기의 사진이다.
드레인 전원을 스위칭하는 방법은 FET의 드레인 전압을 제어하는 방법으로 게이트 전원을 스위칭하는 방법에 비하여 높은 펄스 출력, 낮은 상승/하강 시간, 넓은 펄스폭 및 높은 duty cycle을 가지는 장점이 있지만, 수 A 이상의 전류를 순간적으로 공급해야 하므로 회로가 커지는 단점이 있다[6],[7]. 두 방법의 장단점을 고려하여 본 논문에서는 여러 가지 장점을 가지는 드레인 전원 스위칭 방법을 선택하였다.
본 논문에서는 앞서 제시한 두 가지 방법의 장점을 동시에 구현할 수 있는 방법으로 두 가지 방법을 혼용한 방법을 그림 2에 제시하였다.
제안 방법은 펄스 변조 방식의 가장 큰 단점인 효율이 낮은 것은 증폭기 전원을 스위칭하는 방법으로 개선하고, 전원 스위칭 방법의 단점인 출력 펄스 특성 저하는 변조 모듈을 사용하여 개선한 구조를 가진다. 이 방법을 적용하여 레이더 시스템에 적용이 가능한 50 W X-대역 pulsed SSPA를 설계하고 제작하였다. 설계 목표는 동작 주파수 X-대역, 펄스폭 10 μs, duty cycle 5 %, 출력 크기 50 W이다.
12 GHz 에서 50 W(+47 dBm) 이상의 크기를 가졌다. 주파수 대역에 따른 출력 특성 차이는 본 논문에서 사용한 GaAs FET와 병렬 구조에서의 branch-line coupler의 주파수 특성에 기인한 것이다.
그림 3에 SSPA 바이어스를 스위칭하기 위한 신호(enable signal)와 SPST 스위치의 펄스 변조 신호(rf pulse signal)의 관계를 나타내었다. 출력 신호 왜곡을 방지하기 위하여 스위칭 신호는 펄스 변조 신호보다 넓은 펄스폭을 가지도록 하였다.
대상 데이터
그림 4는 증폭기 전원 스위칭 방법 중 드레인 전원 스위칭 방법의 회로를 도시한 것으로, 전원을 스위칭하는 power MOSFET 소자와 power MOSFET 소자를 구동하기 위한 MOSFET driver, 순간적으로 매우 높은 전류를 공급하기 위한 충전 커패시터로 구성된다. Power MOSFET 소자는 첨두 전류 용량을 고려하여 Vishay社의 P-채널 MOSFET인 SUD50P04-13L을 사용하였다. 충전 커패시터의 용량이 충분하지 않으면 SSPA의 출력 펄스는 매우 큰 pulse droop을 가지게 되므로 적절한 설계가 이루어져야 한다.
RF 신호 발생을 위한 신호발생기, 펄스 변조를 위한 SPST 스위치, 펄스 변조 신호와 드레인 바이어스 스위칭 신호 발생을 위한 함수발생기, 전원을 공급하기 위한 전원공급기, 증폭기 출력 특성을 측정하기 위한 peak power meter로 측정 장비를 구성하였다. SPST 스위치는 Paciwave사의 PSW1-0218-23을 이용하였다.
구동 증폭기는 Eudyna社의 GaAs 소자인 2 W 출력의 FMM5061VF, 4 W 출력의 FLM0910-4F, 15 W 출력의 FLM0910-15 F로 구성하였으며, 각 증폭 소자의 보호와 증폭기의 안정성을 위하여 증폭 소자 사이에 아이솔레이터를 사용하였다. 그림 6은 제작된 구동 증폭기 및 펄스 변조기 사진이다.
성능/효과
2 dB의 성능을 가졌다. 또한, pulse droop은 1 dB 이하로 설계 목표를 만족하였으며, 12.45 ns 이하의 매우 빠른 상승/하강 시간을 가졌다. 제작된 X-대역 pulsed SSPA는 150×105×30 mm3로 매우 작은 크기를 가졌다.
45 ns 이하의 특성을 가졌다. 상승/하강 시간 특성은 pulsed SSPA에는 직접적 영향을 받지 않고 SPST 스위치 특성에 절대적 영향을 받으므로, 본 논문에서 제안한 방법을 사용하였을 경우 매우 빠른 상승/하강 시간 특성을 가짐을 알 수 있다.
본 논문에서는 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 새로운 방법으로 앞에서 서술한 두 가지 방법을 혼용한 방법을 제안한다. 제안 방법은 펄스 변조 방식의 가장 큰 단점인 효율이 낮은 것은 증폭기 전원을 스위칭하는 방법으로 개선하고, 전원 스위칭 방법의 단점인 출력 펄스 특성 저하는 변조 모듈을 사용하여 개선한 구조를 가진다. 이 방법을 적용하여 레이더 시스템에 적용이 가능한 50 W X-대역 pulsed SSPA를 설계하고 제작하였다.
SSPA는 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 펄스 변조기로 구성되며, 충분한 이득과 출력 크기를 얻기 위해 고출력 증폭기에서는 25 W GaAs FET 4개를 사용하는 병렬 구조로 설계하였다. 측정 결과, 1.12 GHz 대역폭에서 50 W 출력, 이득 44.2 dB의 성능을 가졌다. 또한, pulse droop은 1 dB 이하로 설계 목표를 만족하였으며, 12.
후속연구
본 논문에서 제작된 50 W급 X-대역 pulsed SSPA는 레이더 시스템에 적용하여 성공적인 결과를 얻었으며, 출력 크기를 높인다면 여러 응용 분야에 적용이 가능할 것이다. 특히 본 논문에서 제안한 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 방법은 여러 대역의 고출력 펄스 증폭기 시스템에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서 제작된 50 W급 X-대역 pulsed SSPA는 레이더 시스템에 적용하여 성공적인 결과를 얻었으며, 출력 크기를 높인다면 여러 응용 분야에 적용이 가능할 것이다. 특히 본 논문에서 제안한 SSPA를 펄스 모드로 동작시키는 방법은 여러 대역의 고출력 펄스 증폭기 시스템에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 소자를 이용한 전력증폭기의 장점은 무엇인가?
고출력을 얻기 위하여 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier), klystron, magnetron 등의 각종 진공관 형태의 증폭기가 주로 사용되었으나, 고출력 반도체 기술이 발전함에 따라 반도체 소자 형태의 전력증폭기로 대체되고 있다. 반도체 소자를 이용한 전력증폭기는 진공관 형태의 증폭기에 비해 낮은 출력을 가지지만 소형화, 경량화, 낮은 동작 전압, 광대역 특성, 긴 수명, 유지 보수의 편리함 등의 여러 장점을 가지고 있다[4].
입력 신호를 변조한 후 변조된 RF 펄스 신호를 C급 증폭기로 증폭하는 방법의 단점을 개선하는 방법으로 어떤 방법이 쓰이는가?
이 방법은 상승/하강 시간이 느려져 좁은 펄스 신호를 증폭하기가 어렵다. 이러한 특성을 개선하는 방법으로 입력 신호를 펄스로 변조하여 증폭기에 직접 입력하는 방법과 증폭기 전원을 스위칭시키는 방법 등이 주로 사용되고 있다[5].
Pulsed SSPA는 주로 어디에 사용되는가?
Pulsed SSPA(Solid State Power Amplifier)는 airport surveillance, weather, marine, military 등의 민군용 레이더 시스템 및 전파를 이용해 영상을 촬영하는 항공용 및 인공위성용 SAR(Synthetic Aperture Radar) 등에 주로 사용된다[1]～[3]. 고출력을 얻기 위하여 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier), klystron, magnetron 등의 각종 진공관 형태의 증폭기가 주로 사용되었으나, 고출력 반도체 기술이 발전함에 따라 반도체 소자 형태의 전력증폭기로 대체되고 있다.
참고문헌 (7)
Merrill I. Skolnik, Introduction to Radar Systems, 3rd Edition, McGraw-Hill, 2001.
M. Wada, J. Horikomi, and F. Mizutani, "Development of solid-state weather radar", IEEE Radar Conference, 2009.
C. A. Wiley, "Synthetic aperture radars", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 21, no. 3, pp. 440-443, May 1985.
J. Dhar, R. K. Arora, S. K. Garg, M. K. Patel, and B. V. Bakori, "Performance enhancement of pulsed solid state power amplifier using drain modulation over gate modulation", International Symposium on Signal, Circuits and Systems, 2009.
J. Dhar, S. K. Garg, R. K. Arora, B. V. Bakori, and S. S. Rana, "Spaceborne C-band pulsed solid state power amplifier", Applied Electromagnetics Conference, 2009.
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