본 논문에서는 반도체형 전력 증폭기의 바이어스를 개선하기 위하여 순차 제어 회로와 펄스 폭 가변 회로를 적용한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 순차 제어 회로는 전력 증폭 모듈을 구성하는 각 증폭단의 GaAs FET의 드레인 전원을 순차적으로 스위칭하도록 회로를 구성하였다. 드레인 바이어스 전원의 펄스 폭을 RF 입력 신호의 펄스 폭보다 넓게 하여 전력 증폭 모듈의 입력 신호가 있을 때만 스위칭 회로를 순차적으로 구동시킴으로써 전력 증폭 모듈의 열화에 따른 출력 신호의 왜곡과 효율을 향상시킬 수 있다. 60 W 전력 증폭 모듈은 고출력 GaAs FET를 이용하여 전치 증폭단, 구동 증폭단과 주전력 증폭단으로 구성하였으며, 주전력 증폭단은 전력결합기를 이용한 평형증폭기 구조로 구현하였다. 설계된 전력 증폭 모듈은 9.2~9.6 GHz에서 듀티사이클 10 %로 동작시켰을 때 50 dB의 전력 이득, 펄스 주기 1 msec, 펄스 폭 100 us, 출력 전력 60 W에서 동작함에 따라 펄스-SSPA 형태로 반도체 펄스 압축 레이더 등에 적용할 수 있다.
본 논문에서는 반도체형 전력 증폭기의 바이어스를 개선하기 위하여 순차 제어 회로와 펄스 폭 가변 회로를 적용한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 순차 제어 회로는 전력 증폭 모듈을 구성하는 각 증폭단의 GaAs FET의 드레인 전원을 순차적으로 스위칭하도록 회로를 구성하였다. 드레인 바이어스 전원의 펄스 폭을 RF 입력 신호의 펄스 폭보다 넓게 하여 전력 증폭 모듈의 입력 신호가 있을 때만 스위칭 회로를 순차적으로 구동시킴으로써 전력 증폭 모듈의 열화에 따른 출력 신호의 왜곡과 효율을 향상시킬 수 있다. 60 W 전력 증폭 모듈은 고출력 GaAs FET를 이용하여 전치 증폭단, 구동 증폭단과 주전력 증폭단으로 구성하였으며, 주전력 증폭단은 전력결합기를 이용한 평형증폭기 구조로 구현하였다. 설계된 전력 증폭 모듈은 9.2~9.6 GHz에서 듀티사이클 10 %로 동작시켰을 때 50 dB의 전력 이득, 펄스 주기 1 msec, 펄스 폭 100 us, 출력 전력 60 W에서 동작함에 따라 펄스-SSPA 형태로 반도체 펄스 압축 레이더 등에 적용할 수 있다.
In this paper, X-band 60 W Solid-State Power Amplifier with sequential control circuit and pulse width variation circuit for improve bias of SSPA module was designed. The sequential control circuit operate in regular sequence drain bias switching of GaAs FET. The distortion and efficiency of output ...
In this paper, X-band 60 W Solid-State Power Amplifier with sequential control circuit and pulse width variation circuit for improve bias of SSPA module was designed. The sequential control circuit operate in regular sequence drain bias switching of GaAs FET. The distortion and efficiency of output signals due to SSPA nonlinear degradation is increased by making operate in regular sequence the drain bias wider than that of RF input signals pulse width if only input signal using pulsed width variation. The GaAs FETs are used for the 60 W SSPA module which is consists of 3-stage modules, pre-amplifier stage, driver-amplifier stage and main-power amplifier stage. The main power amplifier stage is implemented with the power combiner, as a balanced amplifier structure, to obtain the power greater than 60 W. The designed SSPA modules has 50 dB gain, pulse period 1 msec, pulse width 100 us, 10 % duty cycle and 60 watts output power in the frequency range of 9.2~9.6 GHz and it can be applied to solid-state pulse compression radar using pulse SSPA.
In this paper, X-band 60 W Solid-State Power Amplifier with sequential control circuit and pulse width variation circuit for improve bias of SSPA module was designed. The sequential control circuit operate in regular sequence drain bias switching of GaAs FET. The distortion and efficiency of output signals due to SSPA nonlinear degradation is increased by making operate in regular sequence the drain bias wider than that of RF input signals pulse width if only input signal using pulsed width variation. The GaAs FETs are used for the 60 W SSPA module which is consists of 3-stage modules, pre-amplifier stage, driver-amplifier stage and main-power amplifier stage. The main power amplifier stage is implemented with the power combiner, as a balanced amplifier structure, to obtain the power greater than 60 W. The designed SSPA modules has 50 dB gain, pulse period 1 msec, pulse width 100 us, 10 % duty cycle and 60 watts output power in the frequency range of 9.2~9.6 GHz and it can be applied to solid-state pulse compression radar using pulse SSPA.
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문제 정의
본 논문에서는 기존의 상용 레이더 시스템에서 고출력 증폭을 위해 사용하던 진공관의 문제점 개선과 다기능 펄스 압축 레이더 시스템에 적용 가능한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단으로 3단으로 구성하였고, 전력 증폭 모듈의 효율 개선과 신호의 왜곡을 개선하기 위해 펄스 폭 가변 회로와 드레인 전원 스위칭 제어 회로, 그리고 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다.
본 논문에서는 반도체 펄스 압축 레이더 시스템에 적용시키기 위하여 전력 증폭 모듈(SSPA)의 열화 현상을 전력 증폭 소자의 드레인 바이어스 전원 펄스폭을 가변시키고, 순차적으로 동작시킴으로써 전력 증폭 모듈의 안정화에 따른 신호 왜곡과 효율 문제점을 해결하고자 한다. 바이어스 전원을 VEPG(Variable Extention Pulse Generator) 회로를 이용하여 펄스폭을 가변시키고 순차적으로 전력 증폭 모듈을 동작시키는 60 W 전력 증폭 모듈을 설계하였으며, SSPA 의 출력 효율 향상을 위해 AB급 바이어스에 VEPG 회로, 드레인 스위칭 회로, 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다.
가설 설정
1. The concept of pulse compression.
제안 방법
8 dBm 이상을 얻기 위해서 Toshiba社의 30 W급 GaAs 소자(Gain=7 dB/P1 dB=45 dBm) 두 개를 평형증폭단 형태로 구성하였다. 60 W 전력 증폭단의 각 증폭 모듈마다 아이솔레이터를 배치함으로써 VSWR과 격리도를 향상시켰다.
5 dB/P1 dB=36 dBm)를 이용하여 36 dB 이상 되도록 하였다. 구동증폭단은 주전력 증폭단을 구동하는데 필요한 전력 42 dBm을 공급하기 위해 Eudyna社의 15 W급 GaAs 소자(Gain =7.5 dB/P1 dB=42 dBm)를 이용하여 설계를 하였다. 주전력 증폭단은 최종 출력 전력 47.
이러한 사양을 만족할 수 있도록 그림 9와 같이 X-대역 고효율 60 W 전력 증폭 모듈을 구성하였고, 그림 10과 같이 각 증폭단과 아이솔레이터 등 능동, 수동소자 사이에 나타나는 전력 소모와 이득 관계 (power link budget)를 설정하였다. 그림 9에서 40 dB 이상의 전력 이득을 얻기 위해 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단의 3단으로 구성하였으며, 전치 증폭단은 Eudyna社의 내부 정합된(Internally matched) 2 W급 GaAs 소자(Gain=26 dB P1 dB=33 dBm)와 4 W급 GaAs 소자(Gain=7.5 dB/P1 dB=36 dBm)를 이용하여 36 dB 이상 되도록 하였다. 구동증폭단은 주전력 증폭단을 구동하는데 필요한 전력 42 dBm을 공급하기 위해 Eudyna社의 15 W급 GaAs 소자(Gain =7.
본 논문에서는 반도체 펄스 압축 레이더 시스템에 적용시키기 위하여 전력 증폭 모듈(SSPA)의 열화 현상을 전력 증폭 소자의 드레인 바이어스 전원 펄스폭을 가변시키고, 순차적으로 동작시킴으로써 전력 증폭 모듈의 안정화에 따른 신호 왜곡과 효율 문제점을 해결하고자 한다. 바이어스 전원을 VEPG(Variable Extention Pulse Generator) 회로를 이용하여 펄스폭을 가변시키고 순차적으로 전력 증폭 모듈을 동작시키는 60 W 전력 증폭 모듈을 설계하였으며, SSPA 의 출력 효율 향상을 위해 AB급 바이어스에 VEPG 회로, 드레인 스위칭 회로, 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다. 기존 진공관을 이용한 아날로그 방식에 비해 분해능과 효율이 높고 전체 레이더 시스템 소형화에도 용이하므로 향후 소프트웨어 기반 고해상도 광대역 다기능 레이더 등 디지털 레이더 시스템이 가능하다[11],[12].
본 논문에서는 기존의 상용 레이더 시스템에서 고출력 증폭을 위해 사용하던 진공관의 문제점 개선과 다기능 펄스 압축 레이더 시스템에 적용 가능한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단으로 3단으로 구성하였고, 전력 증폭 모듈의 효율 개선과 신호의 왜곡을 개선하기 위해 펄스 폭 가변 회로와 드레인 전원 스위칭 제어 회로, 그리고 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 주파수 범위 9.
X-대역 60 W 전력 증폭 모듈에 적용된 증폭소자 들은 공핍형 구조의 GaAs 화합물 반도체로 전원 인가 시 반드시 게이트 전압이 안정적으로 인가된 후드레인 전압이 인가되어야 하므로 순차 회로가 요구 된다. 순차 회로 설계 시 충분한 지연 시간을 확보하기 위해 단순히 RC 충방전 회로로 구현한다면 상당히 큰 값의 커패시터가 필요하고, 공간적인 제약을 가져오므로 본 논문에서는 연산증폭기를 비교기로 사용하고 적은 용량의 커패시터, 그리고 저항을 이용하여 충분한 지연 시간을 조정할 수 있는 순차 회로를 설계하였다. 그림 8은 전력 증폭 모듈의 동작에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 게이트 전압 인가하고, 시험 제어 회로를 통한 500 ms 지연 시간 이후에 드레인 전압을 인가한 것을 보여주고 있으며, 실제 100 ms의 지연 시간을 확보하였다.
이러한 사양을 만족할 수 있도록 그림 9와 같이 X-대역 고효율 60 W 전력 증폭 모듈을 구성하였고, 그림 10과 같이 각 증폭단과 아이솔레이터 등 능동, 수동소자 사이에 나타나는 전력 소모와 이득 관계 (power link budget)를 설정하였다. 그림 9에서 40 dB 이상의 전력 이득을 얻기 위해 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단의 3단으로 구성하였으며, 전치 증폭단은 Eudyna社의 내부 정합된(Internally matched) 2 W급 GaAs 소자(Gain=26 dB P1 dB=33 dBm)와 4 W급 GaAs 소자(Gain=7.
레이더 시스템에서 주어진 전원은 28 V이고, 증폭 모듈에 이용되는 전원은 11 V이므로 레귤레이터를 이용하여 조절하였다. 전력 증폭 모듈의 바이어스 회로와 안정적인 전원 공급을 위해 레귤레이터와 대용량 전원공급기를 배치하였으며, 전력 증폭단의 각 증폭 소자로 입력되는 전압은 서로 분리된 전원 공급기를 사용하였다. 이는 펄스로 동작되어지므로 DC 전원이 공급될 때 인덕턱스 성분을 최소화 시킨다.
5 dB/P1 dB=42 dBm)를 이용하여 설계를 하였다. 주전력 증폭단은 최종 출력 전력 47.8 dBm 이상을 얻기 위해서 Toshiba社의 30 W급 GaAs 소자(Gain=7 dB/P1 dB=45 dBm) 두 개를 평형증폭단 형태로 구성하였다. 60 W 전력 증폭단의 각 증폭 모듈마다 아이솔레이터를 배치함으로써 VSWR과 격리도를 향상시켰다.
표 2는 일반적인 전력 증폭기의 바이어스인 AB 급으로 동작할 때의 전력 증폭 모듈의 소모 전력과 드레인 바이어스 스위칭 제어가 있을 때의 소모 전력을 비교하였다. 듀티사이클이 10 %일 때 펄스 폭 5.
성능/효과
그림 6과 그림 7은 드레인 바이어스 스위칭 회로의 성능을 확인하기 위해 측정한 결과를 보여주고 있다. CW 신호를 입력하고 스위칭 제어 신호로 듀티사이클 10 %인 구형파를 입력하였을 때, 상승 시간 50 ns, 하강 시간 150 ns의 동작 특성을 보였다.
드레인 전원 스위칭 제어의 유/무에 따른 전류량 변화를 나타낸 것으로 드레인 바이어스 전원 스위칭 제어가 있을 때 전체 전력 증폭 모듈의 소비 전류가 많이 줄어들어 효율을 높일 수 있는 것을 알 수 있다.
설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단으로 3단으로 구성하였고, 전력 증폭 모듈의 효율 개선과 신호의 왜곡을 개선하기 위해 펄스 폭 가변 회로와 드레인 전원 스위칭 제어 회로, 그리고 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 주파수 범위 9.2～9.6 GHz, AB급 바이어스 조건에서 드레인 바이어스 전원 스위칭 제어를 사용한 결과, 출력 전력 48 dBm 이상, 전체 이득 50 dB 이상의 성능을 보였으며, 펄스 압축 기술을 이용한 고해상도 다기능 광대역 디지털 레이더 시스템에 적용이 가능함을 보였다.
그림 12는 제작한 X-대역 전력 증폭 모듈의 입력에 대한 출력 특성 곡선을 보여주고 있다. 최대 출력은 47.8～48.4 dBm이며, 중심 주파수 9.4 GHz에서 48.4 dBm을 보여 60 W급 성능을 보였다. 그림 13은 설계된 X-대역 60 W 전력 증폭 모듈의 이득과 VSWR 특성을 나타낸 것으로 전력 이득은 51.
(a)는 레이더 송신기 구동 신호, (b)는 VEPG에 의해 출력된 펄스 폭이 확장된 드레인 바이어스 신호, (c)는 증폭소자로 인가되는 RF 입력 펄스 신호이다. 펄스 폭이 확장된 드레인 바이어스 신호 동안 증폭소자로 들어온 RF 입력 신호가 안정적으로 증폭할 수 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순차 제어 회로는 어떻게 구성하였는가?
본 논문에서는 반도체형 전력 증폭기의 바이어스를 개선하기 위하여 순차 제어 회로와 펄스 폭 가변 회로를 적용한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 순차 제어 회로는 전력 증폭 모듈을 구성하는 각 증폭단의 GaAs FET의 드레인 전원을 순차적으로 스위칭하도록 회로를 구성하였다. 드레인 바이어스 전원의 펄스 폭을 RF 입력 신호의 펄스 폭보다 넓게 하여 전력 증폭 모듈의 입력 신호가 있을 때만 스위칭 회로를 순차적으로 구동시킴으로써 전력 증폭 모듈의 열화에 따른 출력 신호의 왜곡과 효율을 향상시킬 수 있다.
X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 구성하는 3단은 무엇인가?
본 논문에서는 기존의 상용 레이더 시스템에서 고출력 증폭을 위해 사용하던 진공관의 문제점 개선과 다기능 펄스 압축 레이더 시스템에 적용 가능한 X-대역 60 W 고효율 전력 증폭 모듈을 설계하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 전치 증폭단, 구동 증폭단, 주전력 증폭단으로 3단으로 구성하였고, 전력 증폭 모듈의 효율 개선과 신호의 왜곡을 개선하기 위해 펄스 폭 가변 회로와 드레인 전원 스위칭 제어 회로, 그리고 순차 회로로 구성된 TR 제어 회로를 적용하였다. 설계한 60 W 전력 증폭 모듈은 주파수 범위 9.
전력 증폭 모듈의 열화에 따른 출력 신호의 왜곡과 효율을 어떻게 향상할 수 있는가?
순차 제어 회로는 전력 증폭 모듈을 구성하는 각 증폭단의 GaAs FET의 드레인 전원을 순차적으로 스위칭하도록 회로를 구성하였다. 드레인 바이어스 전원의 펄스 폭을 RF 입력 신호의 펄스 폭보다 넓게 하여 전력 증폭 모듈의 입력 신호가 있을 때만 스위칭 회로를 순차적으로 구동시킴으로써 전력 증폭 모듈의 열화에 따른 출력 신호의 왜곡과 효율을 향상시킬 수 있다. 60 W 전력 증폭 모듈은 고출력 GaAs FET를 이용하여 전치 증폭단, 구동 증폭단과 주전력 증폭단으로 구성하였으며, 주전력 증폭단은 전력결합기를 이용한 평형증폭기 구조로 구현하였다.
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