[논문]선박 레이다용 60W X-band Cascade SSPA 구현

김민수; 장연길; 이영철

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.1.001

선박 레이다용 60W X-band Cascade SSPA 구현
An implementation of 60W X-band Cascade SSPA for Marine Radar System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.7 no.1, 2012년, pp.1 - 7

김민수 (경남대학교 정보통신공학과) , 장연길 (에이트론(주) 부설연구소) , 이영철 (경남대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 펄스압축 된 X-대역 마이크로파 신호를 60와트의 출력전력과 30%이상의 전력부가효율(PAE)으로 증폭시키는 반도체증폭기(SSPA)를 구현에 대하여 논의하였다. 구현된 60W의 SSPA는 케스케이드 결합 증폭기로 설계하였고 케스케이드(cascade) 결합 증폭기는 내부정합된 GaAs FET를 3단으로 구동증폭기를 설계하였으며 주 전력증폭단은 내부정합된 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)로 설계하였다. 구현된 SSPA는 주파수 범위 $9.41{\pm}0.03GHz$, 펄스 주기 1ms, 펄스폭 100us, 듀티사이클 10% 조건에서 전체 이득 37dB 이상, 48dBm(60W)의 출력전력의 성능을 나타내었어 구현된 SSPA는 펄스압축기술을 이용한 디지털 선박용 레이다에 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, An X-band solid state power amplifier(SSPA) for pulse compressed microwave signal with 60Watt power and power added efficiency(PAE) above 30% is described. Designed 60Watt high power amplifier(HPA) was implemented by cascade coupled amplifiers, and it is consisted on three stage drive amplifiers with internally matched GaAs FET and one stage main power amplifier with an internally matched GaN HEMT. The designed SSPA has performance with more than total power gain 37dB and output power 48dBm(60-W) in condition of frequency range $9.41{\pm}0.03GHz$, pulse period width under 1ms and duty cycle under 10%. The implemented SSPA can apply to high quality digital marine radar applications with pulse compression technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 기존 상용 레이더 시스템에 사용된 아날로그 진공관 증폭기를 반도체 증폭단으로 대치시키기 위하여 X-대역에서 펄스 압축을 이용한 선박용 디지털 레이더에 적용할 수 있는 60W급의 SSPA를 설계하고자 한다. 전력증폭기는 구동단(drive stage)에서는 GaAs PHEMT를 적용하고 최종 전력증폭단(main power stage)에 GaN HEMT를 적용함으로서 SSPA의 물리적 크기를 작게 하고 전력손실과 바이어스 등의 문제점을 해결할 수 있어 안테나시스템에 장착시키는 차세대 디지털 반도체 레이다에 적용할 수 있음을 나타내고자 한다.
본 논문에서는 기존의 레이더시스템에서 고출력 증폭을 위해 사용된 진공관형 증폭기의 문제점을 개선하고, X-대역 디지털 레이더시스템을 위한 60W SSPA를 구현하였다. 구현한 SSPA는 구동증폭단 및 주전력증폭단의 케스케이드(cascade) 형태로 구성시켰으며 주 전력증폭단에서 원하는 전력 이득과 출력 전력을 얻기 위해 고출력을 나타내는 GaN HEMT를 이용하여 물리적 크기를 축소시켰으며 바이어스 및 슈프리어스 등의 효과에서 우수함을 보였다.

제안 방법

2을 나타내었다. 60W의 출력전력을 나타내는 주전력증폭단은 요구조건에 맞는 출력을 내기위하여 최종출력 P_out=47dBm이고 Gain=9dB, PAE=31%인 TGI8596-50을 이용하여 설계하였다. 그림 6은 구현된 주 전력증폭단을 보여주고 있으며, 그림 7은 주 전력증폭단의 출력특성을 보여주고 있다.
최종단의 출력을 안테나시스템에 직접 연결시키기 위하여 WR90 도파관을 연결하였다. 각 증폭기의 동작영역은 AB급으로 동작하며 구동회로에서 스위칭 제어가 가능하도록 하여 순차바이어스 특성을 이용하여 전송된 신호가 있을 때 순차적으로 바이어스가 인가되도록 설계함으로서 증폭기의 효율을 향상시켰다. 케스케이드 증폭기의 설계에서 주어진 증폭기의 능동소자의 최적 동작특성을 위해 전력이득과 P_1dB 이득을 튜닝 하였다.
케스케이드 증폭기의 설계에서 주어진 증폭기의 능동소자의 최적 동작특성을 위해 전력이득과 P_1dB 이득을 튜닝 하였다. 구동 증폭단은 주전력증폭단을 구동시키기 위하여 증폭단으로 첫째단은 P_out=33.5dBm, Gain=7.5dB, PAE=21%인 2W급의 TIM8596-2이며 둘째단은 P_out=35.5dBm, Gain=7.5dB, PAE=24%인 TIM8596-4로 4W의 출력을 나타내며 세 번째 단에서는 Pout=42dBm, Gain=7 dB, PAE=31%인 TIM8596-15로 15와트의 출력을 나타내도록 설계를 하였다. 그림 3은 실제 설계되어 구현된 세 번째단의 구동증폭단을 보여주고 있으며, 그림 4는 세 번째 구동증폭단에서의 출력특성을 보여주고 있다.
구동증폭단에서는 요구조건에 맞는 이득을 올리고 주전력증폭단을 구동시키기 위한 전력을 만들며, 주전력 증폭단에서는 요구조건에 맞는 출력을 내기 위해 GaN으로 구성되었다. 또한 내부구성을 모듈화 하여 수리 및 확장이 용이하도록 하였다.
본 논문에서는 기존 상용 레이더 시스템에 사용된 아날로그 진공관 증폭기를 반도체 증폭단으로 대치시키기 위하여 X-대역에서 펄스 압축을 이용한 선박용 디지털 레이더에 적용할 수 있는 60W급의 SSPA를 설계하고자 한다. 전력증폭기는 구동단(drive stage)에서는 GaAs PHEMT를 적용하고 최종 전력증폭단(main power stage)에 GaN HEMT를 적용함으로서 SSPA의 물리적 크기를 작게 하고 전력손실과 바이어스 등의 문제점을 해결할 수 있어 안테나시스템에 장착시키는 차세대 디지털 반도체 레이다에 적용할 수 있음을 나타내고자 한다.
케스케이드 증폭기의 구동증폭단은 GaAs FET 소자를 이용하여 3단을 직렬연결로 구성하였으며 각단에서 증폭소자의 보호와 동작안정성을 위하여 아이솔레이터를 사용하여 전력 증폭단에서 쉽게 발생할 수 있는 발진 영향을 방지시켰다. 주 전력증폭단은 GaN HEMT를 이용하였으며 주 전력증폭단의 출력측에 방향성 결합기를 설계하여 출력전력을 참고하도록 하였다. 최종단의 출력을 안테나시스템에 직접 연결시키기 위하여 WR90 도파관을 연결하였다.
주 전력증폭단은 GaN HEMT를 이용하였으며 주 전력증폭단의 출력측에 방향성 결합기를 설계하여 출력전력을 참고하도록 하였다. 최종단의 출력을 안테나시스템에 직접 연결시키기 위하여 WR90 도파관을 연결하였다. 각 증폭기의 동작영역은 AB급으로 동작하며 구동회로에서 스위칭 제어가 가능하도록 하여 순차바이어스 특성을 이용하여 전송된 신호가 있을 때 순차적으로 바이어스가 인가되도록 설계함으로서 증폭기의 효율을 향상시켰다.
각 증폭단 설계 시에 사용된 소자들은 도시바(Toshiba) 소자로서 50옴 임피던스로 입출력 내부정합(internal match) 된 소자이다. 케스케이드 증폭기의 구동증폭단은 GaAs FET 소자를 이용하여 3단을 직렬연결로 구성하였으며 각단에서 증폭소자의 보호와 동작안정성을 위하여 아이솔레이터를 사용하여 전력 증폭단에서 쉽게 발생할 수 있는 발진 영향을 방지시켰다. 주 전력증폭단은 GaN HEMT를 이용하였으며 주 전력증폭단의 출력측에 방향성 결합기를 설계하여 출력전력을 참고하도록 하였다.
각 증폭기의 동작영역은 AB급으로 동작하며 구동회로에서 스위칭 제어가 가능하도록 하여 순차바이어스 특성을 이용하여 전송된 신호가 있을 때 순차적으로 바이어스가 인가되도록 설계함으로서 증폭기의 효율을 향상시켰다. 케스케이드 증폭기의 설계에서 주어진 증폭기의 능동소자의 최적 동작특성을 위해 전력이득과 P_1dB 이득을 튜닝 하였다. 구동 증폭단은 주전력증폭단을 구동시키기 위하여 증폭단으로 첫째단은 P_out=33.

대상 데이터

본 논문에서 구현한 X-band SSPA의 구성은 그림 2과 같이 크게 GaAs 소자들을 케스케이드(cascade)형태로 구성한 구동증폭단과 GaN 소자를 이용한 주전력증폭단, 그리고 안정적인 전원공급을 위한 스위칭 제어가 가능한 구동회로로 구성되어 있으며, 출력부에는 도파관을 연결한 형태로 전체 구성이 이루어진다. 구동증폭단에서는 요구조건에 맞는 이득을 올리고 주전력증폭단을 구동시키기 위한 전력을 만들며, 주전력 증폭단에서는 요구조건에 맞는 출력을 내기 위해 GaN으로 구성되었다.

성능/효과

본 논문에서는 기존의 레이더시스템에서 고출력 증폭을 위해 사용된 진공관형 증폭기의 문제점을 개선하고, X-대역 디지털 레이더시스템을 위한 60W SSPA를 구현하였다. 구현한 SSPA는 구동증폭단 및 주전력증폭단의 케스케이드(cascade) 형태로 구성시켰으며 주 전력증폭단에서 원하는 전력 이득과 출력 전력을 얻기 위해 고출력을 나타내는 GaN HEMT를 이용하여 물리적 크기를 축소시켰으며 바이어스 및 슈프리어스 등의 효과에서 우수함을 보였다. 본 논문에서 구현한 60W급 반도체증폭기는 9.
본 논문에서 구현한 60W급 반도체증폭기는 9.41GHz±0.03GHz, 펄스폭 <100usec, 듀티사이클<10%, PRF<10kHz에서 출력전력은 48dBm 이상, 전력이득 37dB 이상의 성능을 보였다.
03GHz, 펄스폭 <100usec, 듀티사이클<10%, PRF<10kHz에서 출력전력은 48dBm 이상, 전력이득 37dB 이상의 성능을 보였다. 본 논문에서 구현한 SSPA는 펄스압축기술을 이용한 선박용 디지털 레이더시스템에 적용이 가능하다.
최종적으로 설계된 X-대역 60W SSPA 출력특성은 Pin=-17dBm에서 Pout=48dBm 이상이 출력을 보였으며 설계된 전력증폭단의 전체이득은 37dB 이상, 입출력 VSWR은 1.2~1.4 사이로 제시한 조건을 만족하였다. 그림 10에서 구현된 X-대역 SSPA의 출력특성을 나타내었으며 그림 11은 측정된 전력이득과 VSWR 결과를 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 전력증폭단을 적용한 레이더의 특성은?	1980년대 이후 화합물 반도체 설계기술의 발전에 따라 고출력 마이크로파 통신시스템에 반도체 기술을 적용하기 위한 연구가 많이 진행되었으며[1-2], 특히 레이단 출력단에서 수십∼수백KW급의 고출력 진공관 (tube)을 반도체 전력증폭단(SSPA, Solid State Power Amplifier)으로 대치시키기 위한 연구개발이급속히 진행되었다[3-5]. 반도체 전력증폭단(SSPA)의 적용한 레이더는 진공관에 비하여 송신기의 동작수명의 연장되며, 저 전압 전원공급이 가능하고, 반도체의 특성에 의하여 동작주파수의 대역폭을 최대 50%까지 넓힐 수 있으며, 특히 저출력의 SSPA 모듈의 다양한 배열구조를 이용하여 다양하고 유연한(flexible) 레이다 시스템 구현이 가능한 특성이 있다[6]. 이러한 특성의 반도체 레이다를 구현하기 위하여 레이다의 전송 파형의 관계를 만족시켜야 한다.
	GaAs PHEMT와 GaN HEMT의 특징은?	현재 X-대역 레이다 SSPA에 적용되는 반도체 소자는 GaAs PHEMT와 GaN HEMT가 이용되고 있다[11-12]. GaAs PHEMT는 빠른 전자이동도 특성과 게이트 길이(length)와 넓이(width)를 조정하여 수∼수십 와트까지의 출력으로 S-대역이상에 까지 다양하게 SSPA를 설계할 수 있다. 한편 넓은 반도체 밴드갭 특성을 이용하여 수 십 와트의 출력을 나타내는 GaN HEMT는 현재 X-대역 이상의 주파수 영역에서 수 십 와트에서 수 백 와트에 이르기 까지 높은 출력과 효율 및 큰 이득을 달성 할 수 있는 유용한 소자로 반도체 레이다의 SSPA소자로서 이용되고 있다[13].
	X-대역 레이다 SSPA에 적용된 반도체 소자는?	펄스압축 레이다(pulse compression radar)의 전송파형은 듀티사이클에 따라 전송펄스의 확산시키며 다시 레이다 수신기에서 확산된 펄스를 다시 압축시키는 방식으로 레이다에서 수신된 탐지신호의 적용되는 알고리즘의 개발에 따라 다양한 성능을 나타내는 디지털 레이다를 형성할 수 있다[9-10]. 현재 X-대역 레이다 SSPA에 적용되는 반도체 소자는 GaAs PHEMT와 GaN HEMT가 이용되고 있다[11-12]. GaAs PHEMT는 빠른 전자이동도 특성과 게이트 길이(length)와 넓이(width)를 조정하여 수∼수십 와트까지의 출력으로 S-대역이상에 까지 다양하게 SSPA를 설계할 수 있다.

참고문헌 (19)

T.K. Thrivikaman, C.M. Grens, W.-M.L. Kuo, J.M, Andrews and J.D. Cressler, "A High- Linearity, X-band, SiGe Low-Noise Amplifier for Improved Dynamic Range in Next-Gene ration Radar and Wireless Systems", Silicon Monolithic Integrated Circuit in RF Systems, 2009, pp.1-4, Jan. 2009.
J.H. Joo, G.W. Choi, S.M. Jang, J.J. Choi and D.M Park, "1.5kW Solid-State Pulsed Micro wave Power Amplifier for S-band Radar Appl ication", IEEE Radio and Wireless Symp. 2006 , pp.171-174, Jan. 2006.
M. Casto, M. Lampenfeld, Jia. Pengcheng, P. Cou rtney, S. Behan, P. Daughenbaugh and R. Worley, "100W X-band GaN SSPA for Mediu m Power TWTA Replacement", IEEE Wireless & Microwave Technology Conf. 2011, pp.1-4, April 2011.
M. van Heijningen, G.C. Visser, J. Wurfl and F.E. van Vliet, "S-band AlGaN/GaN Power A mplifier MMIC with 20Watt Output Power", Microwave Integrated Circuit Conf. 2008., pp. 79-82, Oct. 2008.
S.T. Allen, R.A. Sadler, T.S Alcom, J.W. Palm our and C.H. Carter, "Silicon Carbide MES FETs for High-Power S-band Applicat ion", IEEE MTT-S international Microwave Symposium Digest 1997, Vol.1, pp.57-60, Jun 1997.
B.A. Kopp, M. Borkowski and G. Jerinic, "Transmit/Receive Modules", IEEE Trans. Mic rowave Theory and Techniques, Vol. 50, No. 3, pp.827-834, Mar. 2002.

상세보기
C.R. Smith, C.M. Armstrong and J. Duthie, "The Microwave Power Module: A Versatile RF Building Block for High-Power Transmitte rs", IEEE proced dings, Vol. 87, No. 5, pp.717-737, May 1999.

상세보기
P. Lanzkron and E. Brookner, "Solid State X-Band Airport Surface Surveillance Radar", IEEE Radar Conf. 2007, pp.670-676, April 2007.
E.-S.A. Youssef, A. Mokhtar, M. Madkour and M. Abdel-Latif, "Simulation of Pulse Compres sion Performance under Influence of Backgro und Noise in Modern Surveillance Radar", IC CES '07 International Conf., Computer Eng. & Systems, pp.205-208, Nov. 2007.
J.R. Guerci, "Next Generation Intelligent Rada r", IEEE Radar Conf. 2007, pp.7-10, April 2007.
B. Ivan, "Practical Design Comparison Between High-Power GaAs MESFET and GaN HEMT", High Frequency Electronics, pp.18-28, Oct. 2007.
C. Costrini, A. Cetronio, P. Romanini, G. Breglio, A. Irace and M. Riccio, "50W X-band GaN MMIC HPA: Effective Power Capability and Transient Thermal Analysis", Microwave Integrated Circuits Conf. 2010, pp.408-411, Sept. 2010.
K. Kanto, A. Satomi, Y. Asahi, Y. Kashiwab ara, K. Matsushita and K.Takagi, "An X-ba nd 250W Solid-State Power Amplifier using GaN Power HEMTs", IEEE Radio & Wireless Symposium 2008, pp.77-80, Jan. 2008.
D.O. Edward, B.Michael, T.Harry and C. James, "Solid-State Radar Transmitters", ARTE CH HOUSE, 1985.
Y.W. Yeap, S.H. Tan and C.H. Goh, "Design of X-band High Power Cascade Amplifer", High Frequency Electronics, pp.24-32, Jan. 2007.
O. Adrian, "From AESA Radar To Digital Radar For Surface-Based Applications", IEEE Radar Conf. 2009, pp.1-5, May 2009.
박용욱, "WLAN용 패치 안테나 특성", 한국전자통신학회논문지, 6권, 6호, pp.803-808, 2011.

원문보기 상세보기
박용욱, "원형편파 안테나 특성연구", 한국전자통신학회논문지, 5권, 6호, pp.563-567, 2010

원문보기 상세보기
윤광렬, "유한 접지판 위의 정규화 시험장 감쇠량비교", 한국전자통신학회논문지, 6권, 4호, pp.473-478, 2011.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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