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문제 정의
- 본 논문에서는 안테나에 의해 반사되어 들어오는 송신 신호에 대한 낮은 누설 전력뿐 아니라 외부에서 들어오는 높은 전력에 대해서도 대응 가능한 능동 리미터를 설계하였다. 제안된 리미터 회로는 리미터 출력단에 방향성 결합기와 검출기를 이용하여 리미터 출력 전력을 검출하고, 이 검출된 신호를 증폭하여 다이오드 제어 전원으로 인가하는 방법이다.
- 본 연구에서는 PIN 다이오드를 사용한 낮은 누설 전력을 가지는 Ka 대역 능동 리미터의 설계, 제작 및 측정 방법을 설명하였고, 실험 결과를 통해 그 방법의 유용성을 입증하였다.
제안 방법
- 측정은 Herotek사의 DT1840 검파기와 오실로스코프를 이용하였다. 리미터 입력 파형은 그림 10(a)와 같이 SSPA의 출력 신호를 전력 분배기로 분배하고, 2개의 고정 감쇄기를 이용하여 감쇄한 신호를 검파기를 이용하여 측정하였으며, 리미터 출력 파형은 분배된 신호를 격리기(Isolator), DC 블록 및리미터 통과 후 측정하였다. 측정 시 사용한 고정 감쇄기, 격리기 및 DC 블록은 회로 분석기를 이용하여 측정하고 보상 값으로 활용하였다.
- 2, 두께는 5 mi인 Rogers사의 duroid 5880 기판을 사용하였고, 제어 회로 기판은 4층 FR4를 사용하였다. RF 회로는 금도금된 KOVAR 캐리어 위에 에폭시를 사용하여 MMIC를 조립하였고, PIN 다이오드는 두 가닥의 와이어 본딩을 이용하여 PCB 기판과 연결하였다. 모듈 하우징은 알루미늄을 사용하여 가공되었고, 니켈 도금으로 처리하였다.
- 밀리미터파 탐색기에 활용 시 커넥터를 제외한 평판형 리미터로 조립되므로 50 Ω 선로를 제작, 측정하고 커넥터 손실을 제거하여 리미터의 손실만을 계산하였다. 또한, 예상되었던 와이어 본딩의 리액턴스 값이 작아 전송선의 특성 임피던스 값이 작아지도록 리본을 이용하여 조정하였다. 회로망 분석기의 출력 전력을 리미터의 동작 전력보다 낮은 —20 dBm으로 조정하고 측정한 결과, 관심영역(그림 1의 Ka 대역 창)에서 커넥터를 포함한 리미터 손실은 4.
- 최대 50 dB 정도의 감쇄량을 위해서 두 단의 PIN 다이오드를 1/4 파장 전송선로를 이용하여 연결한다. 리미터 출력에는 방향성 결합기를 이용하여 리미터 출력 전력의 일부를 RF 증폭기로 증폭하고, 검출기를 이용하여 RF 신호를 DC 신호로 검출한다. 이때 사용한 검출기는 UMS사의 CHE1270a로 입력 전력에 따라 기준 전압 Vref와 검출 전압 Vdct 을 출력하는 차등 모드로 동작하게 된다.
- 그림 8은 제작된 리미터의 삽입 손실을 측정한 결과이다. 밀리미터파 탐색기에 활용 시 커넥터를 제외한 평판형 리미터로 조립되므로 50 Ω 선로를 제작, 측정하고 커넥터 손실을 제거하여 리미터의 손실만을 계산하였다. 또한, 예상되었던 와이어 본딩의 리액턴스 값이 작아 전송선의 특성 임피던스 값이 작아지도록 리본을 이용하여 조정하였다.
- 출력 신호는 N1922A 신호 센서와 N1912A 첨두 전력 분석기를 이용하여 정상 상태의 전력을 측정하였다. 비교적 낮은 전력(10 dBm 미만) 신호는 신호 발생기를 이용하여 CW 신호를 입력하고, 스펙트럼 분석기를 이용하여 출력을 측정하였다.
- 이러한 레이더 시스템의 구성은 그림 2와 같다. 시스템 특성상 먼 거리의 표적을 탐지하기 위해서 고출력 송신기를 사용하며, 동일한 안테나를 이용하여 표적 신호를 수신한다. 그러나 이와 같은 시스템은 송신기와 안테나의 부정합 때문에 고출력 송신 신호가 안테나에 반사되어 수신기에 들어오며, 순환기의 완벽하지 않은 격리도 때문에 송신 신호의 일부가 수신기에 들어오게 된다[2].
- 입력 신호는 밀리미터파에서 높은 전력의 계측기가 없어 10 W급 SSPA 모듈을 사용하였고, 최대 36 dBm까지 측정이 가능하였다. 입력 신호 36 dBm에서 10 dBm까지는 다양한 고정 감쇄기를 이용하여 입력 전력을 변화시켰으며, 신호는 500 kHz PRF와 40 % duty ratio로 펄스 변조하였다. 출력 신호는 N1922A 신호 센서와 N1912A 첨두 전력 분석기를 이용하여 정상 상태의 전력을 측정하였다.
- 제안된 리미터는 밀리미터파 수신기에 사용할 목적으로 개발되었고 수신기 내의 리미터 위치가 DC 블록이 필요 없어 제작된 능동 리미터는 DC 블록을 조립하지 않았다. 다이오드에 DC 전류가 흐르는 대신호 시험에서는 리미터 양단에 DC 블록 커넥터를 사용하여 측정하였다.
- 입력 신호 36 dBm에서 10 dBm까지는 다양한 고정 감쇄기를 이용하여 입력 전력을 변화시켰으며, 신호는 500 kHz PRF와 40 % duty ratio로 펄스 변조하였다. 출력 신호는 N1922A 신호 센서와 N1912A 첨두 전력 분석기를 이용하여 정상 상태의 전력을 측정하였다. 비교적 낮은 전력(10 dBm 미만) 신호는 신호 발생기를 이용하여 CW 신호를 입력하고, 스펙트럼 분석기를 이용하여 출력을 측정하였다.
- 리미터 입력 파형은 그림 10(a)와 같이 SSPA의 출력 신호를 전력 분배기로 분배하고, 2개의 고정 감쇄기를 이용하여 감쇄한 신호를 검파기를 이용하여 측정하였으며, 리미터 출력 파형은 분배된 신호를 격리기(Isolator), DC 블록 및리미터 통과 후 측정하였다. 측정 시 사용한 고정 감쇄기, 격리기 및 DC 블록은 회로 분석기를 이용하여 측정하고 보상 값으로 활용하였다. 그림 10(b)의 오실로스코프 측정 결과를 보면 입력 파형은 —126mV(—7.
대상 데이터
- 능동 리미터 모듈 크기는 27×41×17 mm3 며, 제어 회로 모듈은 100×60×10 mm3이다. RF 기판의 경우 유전율은 2.2, 두께는 5 mi인 Rogers사의 duroid 5880 기판을 사용하였고, 제어 회로 기판은 4층 FR4를 사용하였다. RF 회로는 금도금된 KOVAR 캐리어 위에 에폭시를 사용하여 MMIC를 조립하였고, PIN 다이오드는 두 가닥의 와이어 본딩을 이용하여 PCB 기판과 연결하였다.
- 또한, 그림 6의 RF 증폭기는 20 dB 이상의 이득을 제공하기 위해서 Hittite사 HMC566을 사용하였고, 연산증폭기는 800 V/μs의 출력 전압 변화율을 가지는 Analog Devices사의 AD8062를 사용하였다.
- 그림 9는 중심 주파수에서 리미터 입력 전력 대출력 전력비를 측정한 결과이다. 입력 신호는 밀리미터파에서 높은 전력의 계측기가 없어 10 W급 SSPA 모듈을 사용하였고, 최대 36 dBm까지 측정이 가능하였다. 입력 신호 36 dBm에서 10 dBm까지는 다양한 고정 감쇄기를 이용하여 입력 전력을 변화시켰으며, 신호는 500 kHz PRF와 40 % duty ratio로 펄스 변조하였다.
- 게이트 전원에 따른 리미터의 입력/출력 파형을 시간 영역에서 측정하기 위한 구성 및 결과를 그림 10에 보였다. 측정은 Herotek사의 DT1840 검파기와 오실로스코프를 이용하였다. 리미터 입력 파형은 그림 10(a)와 같이 SSPA의 출력 신호를 전력 분배기로 분배하고, 2개의 고정 감쇄기를 이용하여 감쇄한 신호를 검파기를 이용하여 측정하였으며, 리미터 출력 파형은 분배된 신호를 격리기(Isolator), DC 블록 및리미터 통과 후 측정하였다.
데이터처리
- 리미터 특성을 비교하기 위해서 궤환 회로에 의한 능동 리미터 출력과 게이트 전원으로 제어된 리미터 출력을 측정하고, 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 능동 리미터의 경우 —5 dBm 이상에서 리미터의 감쇄량이 증가하기 시작하였고 매우 높은 감쇄량을 보인 것을 확인할 수 있었다.
이론/모형
- 본 논문에서는 Microsemi사의 GC4731 PIN 다이오드[9]를 사용하였고, 기존 연구에 사용된 ADS의 SDD (Symbolically Defined Divices)를 이용한 대신호 모델을 사용하여 시뮬레이션 하였다[7].
성능/효과
- (b)의 오실로스코프 측정 결과를 보면 입력 파형은 —126mV(—7.3 dBm)가 측정되었고, 출력 파형은 —9 mV (—17 dBm)가 측정되었다.
- 능동 리미터의 경우 —5 dBm 이상에서 리미터의 감쇄량이 증가하기 시작하였고 매우 높은 감쇄량을 보인 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 제안된 능동 리미터를 본 논문의 응용 분야인 밀리미터파 탐색기용 Ka 대역 수신기에 적용하고 제작 측정한 결과를 보여 밀리미터파 탐색기에 적용 가능함을 보였다.
- 능동 리미터의 경우 —5 dBm 이상에서 리미터의 감쇄량이 증가하기 시작하였고 매우 높은 감쇄량을 보인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 게이트 전원에 의한 최대 감쇄량은 46 dB로 확인되었다. 최대 입력 전력(약 45 dBm)에 대한 리미터 동작은 신호원의 부재로 확인하지 못했지만, 최대 감쇄량으로 예상되는 누설 전력은 약 0 dBm 미만이다.
- 3 dB 이하, 이득은 17～21 dB이다. 또한, 탐색기 송수신 타이밍과 동기 되어진 게이트 신호를 이용하여 리미터 및 2단 저잡음 증폭기를 동시에 제어한 결과 약 83 dB의 송신 신호 억압을 보였다.
- 종래의 연구 결과들을 보면 수동 리미터의 경우, 매우 간단한 구조이나 누설 전력이 10 dBm 이상으로 Ka 대역 수신기를 보호하기에 한계를 보인다. 반면, 본 논문에서 제시한 방법은 출력 전력을 검출하고 증폭하여 PIN 다이오드의 전압을 제어하는 방법으로 다소 복잡한 구조를 보이나, PIN 다이오드 전압의 증폭량을 조절하여 0 dBm 이하의 낮은 누설 전력을 수신기로 전달하여 안전한 수신기 보호가 가능하게 된다. 이와 같은 방법은 송신 신호와 동기되어진 게이트 전압에 의해 46 dB 이상의 감쇄량을 가지며, 예상지 못한 외부의 높은 전력 입력시 입력 전력에 비례하는 감쇄량을 보여 0 dBm 이하의 누설 전력을 유지하는 우수한 특성을 측정을 통해 확인하였다.
- 이와 같은 방법은 수동 리미터의 특성과 능동 리미터의 특성을 모두 가진다. 설계는 기존에 연구되었던 PIN 다이오드 대신호 모델을 이용하여 시뮬레이션하여 그 성능을 검증하였고, 제작 및 측정을 통해 밀리미터파 탐색기에 적용 가능한 성능을 가지는 것을 확인하였다.
- 최대 입력 전력(약 45 dBm)에 대한 리미터 동작은 신호원의 부재로 확인하지 못했지만, 최대 감쇄량으로 예상되는 누설 전력은 약 0 dBm 미만이다. 시뮬레이션 결과와 비교하면 삽입 손실이 웨이어 본딩 및 전송선 단락 면의 기생 커패시터의 영향으로 다소 높게 나왔으며, 감쇄량이나 리미터 동작 특성은 같은 결과를 얻었다. 또한, 46 dBm 이상의 입력 전력에 대해서는 그림 5에서 보인 것과 같이 입력 전력의 변화량에 따라 누설 전력이 증가하는 최대 감쇄 구간의 동작 특성을 보이게 될 것이다.
- 반면, 본 논문에서 제시한 방법은 출력 전력을 검출하고 증폭하여 PIN 다이오드의 전압을 제어하는 방법으로 다소 복잡한 구조를 보이나, PIN 다이오드 전압의 증폭량을 조절하여 0 dBm 이하의 낮은 누설 전력을 수신기로 전달하여 안전한 수신기 보호가 가능하게 된다. 이와 같은 방법은 송신 신호와 동기되어진 게이트 전압에 의해 46 dB 이상의 감쇄량을 가지며, 예상지 못한 외부의 높은 전력 입력시 입력 전력에 비례하는 감쇄량을 보여 0 dBm 이하의 누설 전력을 유지하는 우수한 특성을 측정을 통해 확인하였다.
- 반면, 게이트 제어 신호에 의한 리미터 제어는 송신 신호의 PRF와 정확히 동기된 신호를 통해 리미터가 최대의 감쇄량을 가지도록 증폭하여 PIN 다이오드에 전원을 공급하는 능동 리미터 기능을 수행한다. 이와 같이 제안한 리미터 회로는 수동 리미터와 능동 리미터 기능을 동시에 수행하며 안전하게 수신기를 보호할 수 있다.
- 저잡음 증폭 모듈은 안테나로부터 도파관을 통해 들어온 신호를 마이크로스트립 라인으로 모드 변환하기 위한 밀리미터파 트랜지션, Ka 능동 리미터, 저잡음 증폭기를 포함한 증폭부 및 대역 통과 여파기로 그림 11 (b)와 같이 구성되어진다. 측정 결과는 밀리미터파 대역에서 1 GHz 대역을 가지며, 잡은 지수는 6.3 dB 이하, 이득은 17～21 dB이다. 또한, 탐색기 송수신 타이밍과 동기 되어진 게이트 신호를 이용하여 리미터 및 2단 저잡음 증폭기를 동시에 제어한 결과 약 83 dB의 송신 신호 억압을 보였다.
- 측정되어진 고정 감쇄기, 격리기 및 DC 블록을 보상하면 리미터 입력은 30 dBm, 출력은 —16.7 dBm이며, 감쇄량은 약 46.7 dB 이다.
- 회로망 분석기의 출력 전력을 리미터의 동작 전력보다 낮은 —20 dBm으로 조정하고 측정한 결과, 관심영역(그림 1의 Ka 대역 창)에서 커넥터를 포함한 리미터 손실은 4.9 dB 이하이며, 50 Ω 선로는 1.4 dB로 측정되 었다.
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