[논문]높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 이용한 Ka-대역 8 W 전력 증폭 모듈

신임휴; 김철영; 이만희; 주지한; 이상주; 김동욱

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.2.262

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Ka-대역에서 도파관 기반으로 동작하는 2 W급 소형 전력 모듈과 35 GHz에서 25 dB 이상의 높은 격리도 특성을 가지는 4:1 도파관 전력합성기를 이용하여 8 W 전력 모듈을 제작하고 평가하였다. 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 사용하여 4개의 소형 전력 모듈을 제작하였으며, 32.5~33.3 dBm의 출력 전력과 26.9~28.7 dB의 전력 이득 특성을 얻었다. 제작된 4개의 소형 전력 모듈은 저항성 격막을 삽입하여 제작한 4:1 도파관 전력합성기로 결합되었고, 중심 주파수 35 GHz, 6 V 드레인 전압 조건에서 39.0 dBm(8 W)의 출력 전력과 26.4 dB의 전력 이득 특성을 보였으며, 6.5 V 드레인 전압에서는 39.6 dBm(9.1 W)의 출력 전력과 26.7 dB의 전력 이득 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a Ka-band 8 W power amplifier module with WR-28 waveguide input and output ports is implemented and measured using four 2 W power amplifier modules and 4:1 waveguide power combiners with high isolation of 25 dB at 35 GHz. The 2 W power amplifier modules are fabricated using waveguide-...

In this paper, a Ka-band 8 W power amplifier module with WR-28 waveguide input and output ports is implemented and measured using four 2 W power amplifier modules and 4:1 waveguide power combiners with high isolation of 25 dB at 35 GHz. The 2 W power amplifier modules are fabricated using waveguide-to-microstrip transitions and show output power of 32.5~33.3 dBm and power gain of 26.9~28.7 dB at 35 GHz. Four 2 W power amplifier modules are combined through 4:1 waveguide power combiners with resistive septum and the combined power shows 39.0 dBm(8 W) under 6 V drain bias and 39.6 dBm(9.1 W) under 6.5 V drain bias at 35 GHz.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 2 W급의 소형 전력 모듈들을 구현하고, 이를 저항성 격막을 사용하여 구현한 높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 사용하여 높은 전력 결합 효율로 결합함으로써 8 W급의 전력모듈을 성공적으로 구현하고, 이를 평가하고자 한다.

제안 방법

WR-28 도파관을 기반으로 Ka-대역에서 동작하는 4개의 2 W급 소형 전력 모듈을 알루미나 기판에 구현된 마이크로스트립-도파관 변환 구조를 사용하여 구현하였으며, 이들을 25 dB 이상의 격리도 특성을 가지는 4:1 도파관 전력합성기를 사용하여 전력 결합을 하였다.
그림 1은 제작된 2 W급 소형 전력 모듈의 블록 구성과 제작 사진을 보여주고 있다. 입력과 출력부는 알루미나 기판에 구현된 마이크로스트립-도파관변환 구조^[3],[4]를 이용하여 WR-28의 도파관 입구와 출구를 가지도록 하였다. 모듈의 앞 단에는 구동증폭기로 TGA4522를 사용하여 전체 이득을 높여 주었고, 두 번째 단에는 TGA4517을 동작시켜 출력 전력을 확보하였다^[5].
그림 4는 4개의 소형 전력 모듈을 결합하여 구현된 8 W 전력 모듈을 보여주고 있다. 전력 모듈을 펄스로 구동하기 위해 증폭기의 게이트 전압을 ON/OFF 하였으며, 입력과 출력부에는 측정 편의를 위해 K-커넥터-도파관 어댑터를 사용하였다. 소형 모듈의 크기는 45×63×18 mm³이며, 4:1 도파관 전력 합성기는 200×106×19 mm³의 크기를 가진다.
MMIC 칩들은 와이어 본딩을 사용하여 직접적으로 연결하지 않고 알루미나 박막 기판을 이용하여 연결하였다. 캐리어에 탑재된 개개의 칩들을 본딩 와이어로 직접 연결할 경우, 주파수가 높아질수록 부정합에 의한 삽입 손실이 커지게 되므로, 전자파 에너지의 표면 밀집율이 95 % 이상이 되는 CPW(Coplanar Waveguide)를 사용하여 구현된 CBFGCPW(Conductor Backed Finite Ground CPW)-Microstrip 변환 구조를 사용하였다^[6].

대상 데이터

소형 전력 모듈은 총 4개 모듈이 제작되었으며, 초기 포화 모드에서 측정된 출력 전력과 선형 전력 이득을 표 1에 정리하여 나타내었다. 전체적으로 출력 전력은 32.

성능/효과

1 dB 이하의 삽입 손실을 보여주었고, 격리도의 경우 37 GHz 이하에서 20 dB 이상의 결과를 보여주었다. 35 GHz에서는 0.05 dB의 삽입 손실과 25 dB의 격리도 특성이 확보되었고, 반사 손실은 25 dB 이하의 값이 유지되었다. 4:1 도파관 전력합성기의 경우 포트별로 0.
4:1 도파관 전력합성기는 격리도 특성의 향상을 위해 TaN 저항성 격막을 삽입한 3개의 2진 도파관 전력합성기와 E-plane 90도 도파관과 H-plane 90도 도파관으로 구성되어 있다. 도파관 임피던스의 정합을 위해 2진 도파관의 전력 합성부에는 도파관 임피던스 Z_o 대비 0.82 Z_o와 0.56 Z_o의 2단 임피던스 변환 구조를 사용하였으며, 그림3의 측정 결과에 나타난 바와 같이 31～40 GHz에서 0.1 dB 이하의 삽입 손실을 보여주었고, 격리도의 경우 37 GHz 이하에서 20 dB 이상의 결과를 보여주었다. 35 GHz에서는 0.
9 dBm의 전력이 얻어졌다. 소형 전력 모듈의 도파관 전력합성은 성공적으로 이루어졌으며, 제작된 2진 도파관 전력합성기가 0.1 dB 이하의 삽입 손실을 가진다는 점을 고려하면 128개까지 소형 전력 모듈을 결합하여도 85 % 이상의 전력 결합 효율을 유지할 수 있다. 따라서 개발된 도파관-마이크로스트립 변환 구조, 높은 격리도 특성의 도파관 전력합성기, 소형 전력 모듈 및 전력 합성된 전력 모듈 등은 Ka-대역의 협대역 대전력 전력 증폭 모듈에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
소형 전력 모듈은 총 4개 모듈이 제작되었으며, 초기 포화 모드에서 측정된 출력 전력과 선형 전력 이득을 표 1에 정리하여 나타내었다. 전체적으로 출력 전력은 32.5～33.3 dBm으로 측정되었으며, 이득은 약 26.9～28.7 dB로 측정되었다. 도파관-마이크로스트립 변환 구조의 경우, 변환 구조 1개당 Ka-대역 전체에서 0.
5 V의 드레인 전압이 인가되었을 때 34～36 GHz에서의 출력 전력 특성을 보여주고 있다. 중심 주파수 35 GHz에서 6 V의 드레인 전압을 인가하였을 때 약 39.0 dBm(8 W)의 포화 출력 전력을 얻었으며, 6.5 V의 드레인 전압이 인가되었을 때는 39.6 dBm(9.1 W)의 전력이 출력되었다. 전력 이득의 경우, 사용된 개별 칩의 이득 특성이 35 GHz 근처에서부터 급격히 감소하는 관계로 34 GHz에서 36 GHz에 이르는 동안 약 6 dB의 이득 변화가 발생하였다.
전력 이득의 경우, 사용된 개별 칩의 이득 특성이 35 GHz 근처에서부터 급격히 감소하는 관계로 34 GHz에서 36 GHz에 이르는 동안 약 6 dB의 이득 변화가 발생하였다. 특히 36 GHz에서의 출력 전력 특성은 칩의 성능으로 인해 비록 이득이 감소하였지만, 39.9 dBm(9.8 W)의 출력 전력을 얻을 수 있었다.

후속연구

1 dB 이하의 삽입 손실을 가진다는 점을 고려하면 128개까지 소형 전력 모듈을 결합하여도 85 % 이상의 전력 결합 효율을 유지할 수 있다. 따라서 개발된 도파관-마이크로스트립 변환 구조, 높은 격리도 특성의 도파관 전력합성기, 소형 전력 모듈 및 전력 합성된 전력 모듈 등은 Ka-대역의 협대역 대전력 전력 증폭 모듈에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도파관을 활용한 전력 합성의 장점은?	고출력 전력증폭기 모듈을 구현하기 위해 개별 MMIC 칩들을 알루미나(Alumina) 기판에서 전력 합성하는 방법은 큰 마이크로스트립 전송 선로의 손실로 인해 수십 W 이상의 Ka-대역 전력증폭기 구현에는 적절하지 않다. 도파관을 활용한 전력 합성의 경우 다룰 수 있는 전력이 크며, 도파관의 손실이 작아 많은 수의 전력 모듈들을 결합하는 경우에도 결합 손실을 줄일 수 있어 밀리미터파 영역에서 큰 전력을 요구하는 전력 모듈의 구현에 적당한 방법이라 할 수 있다.
	칩에 와이어 본딩을 사용할 경우 어떤 단점이 있는가?	MMIC 칩들은 와이어 본딩을 사용하여 직접적으로 연결하지 않고 알루미나 박막 기판을 이용하여 연결하였다. 캐리어에 탑재된 개개의 칩들을 본딩 와이어로 직접 연결할 경우, 주파수가 높아질수록 부정합에 의한 삽입 손실이 커지게 되므로, 전자파 에너지의 표면 밀집율이 95 % 이상이 되는 CPW(Coplanar Waveguide)를 사용하여 구현된 CBFGCPW(Conductor Backed Finite Ground CPW)-Microstrip 변환 구조를 사용하였다[6].
	35 GHz 근처에서 동작하는 전력증폭기 모듈 개발 현황은?	현재 Ka-대역, 특히 35 GHz 근처에서 동작하는 전력증폭기 모듈의 경우, Quinstar와 같은 일부 해외업체만이 제한적으로 12 V에서 동작하는 38 dBm 출력의 증폭기 모듈을 제공하고 있으며[1], 국내의 경우 최근에서야 40 dBm 출력의 전력증폭기 모듈이 개발되었다[2]. 고출력 전력증폭기 모듈을 구현하기 위해 개별 MMIC 칩들을 알루미나(Alumina) 기판에서 전력 합성하는 방법은 큰 마이크로스트립 전송 선로의 손실로 인해 수십 W 이상의 Ka-대역 전력증폭기 구현에는 적절하지 않다.

참고문헌 (6)

http://www.quinstar.com/products/amplifier
김경학, 박미라, 김동욱, "Ka-대역 10 W 전력증폭기 모듈의 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 20(3), pp. 264-272, 2009년 3월.

원문보기 상세보기
Yoke Choy Leong, Sander Weinreb, "Full band waveguide- to-microstrip probe transitions", IEEE MTT- S Int. Microwave Symposium Digest, pp. 1435-1438, 1999.
신임휴, 김철영, 이상주, 주지한, 이만희, 김동욱, "E-평면 프로브를 이용한 Ka-대역 마이크로스트립-도파관 변환기의 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 23(1), pp. 76-84, 2012년 1월.

원문보기 상세보기
http://www.triquint.com/products/types/amplifiers
임주현, 양승식, 염경환, "저손실을 갖는 CBFGCPW-Microstrip 천이 구조의 해석 및 MIC 모듈집적화에 응용", 한국전자파학회논문지, 18(7), pp. 809-818, 2007년 7월.

원문보기 상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 이용한 Ka-대역 8 W 전력 증폭 모듈
A Ka-Band 8 W Power Amplifier Module Using 4-Way Waveguide Power Combiners with High Isolation 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 이용한 Ka-대역 8 W 전력 증폭 모듈 A Ka-Band 8 W Power Amplifier Module Using 4-Way Waveguide Power Combiners with High Isolation 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

신임휴 (4) 김철영 (11) 이만희 (18) 이상주 (4) 김동욱 (30)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 이용한 Ka-대역 8 W 전력 증폭 모듈
A Ka-Band 8 W Power Amplifier Module Using 4-Way Waveguide Power Combiners with High Isolation 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper