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문제 정의
- 본고는 광대역 고출력 증폭기 모듈 단위에서 전력 증폭/ 분배/합성과 열 관리에 초점을 맞추어 GaAs pHEMT MMIC, GaN HEMT MMIC 3종의 칩 세트를 포함하여 집적화된 광대역(6∼18 GHz) 10 W 급 다단 증폭기 모듈에 대해 소개하고자 한다.
- 본고에서는 5 W 급 GaN 전력증폭기 칩 2개, 구동증폭기, 전력결합기 등을 집적하여 소형(크기: 49×42 mm2), 광대역(주파수 대역: 6∼18 GHz), 고출력(평균 출력 포화전력: 40.2 dBm), 고이득(평균 선형이득: 46.5 dB) 특성의 전력증폭기 모듈 설계 기술에 대해 살펴보았다.
제안 방법
- 광대역(6∼18 GHz) 고출력(10 W 급) GaN 전력증폭기 모듈은 총 3단으로 이뤄지며, 충분한 이득을 얻기 위해 1, 2단에 TriQuint사의 상용 GaAs pHEMT MMIC 칩 2종을 각각 구성하였다.
- 광대역(6∼18 GHz) 고출력(10 W 급) GaN 전력증폭기 모듈은 총 3단으로 이뤄지며, 충분한 이득을 얻기 위해 1, 2단에 TriQuint사의 상용 GaAs pHEMT MMIC 칩 2종을 각각 구성하였다. 모듈의 3단에서 보다 높은 고출력 전력을 얻고자 외주 제작된 5 W 급 GaN 증폭기 칩 세트와 저손실 광대역 전력결합기를 활용하여 2채널 3단 모듈을 [그림 1]과 같이 설계하였다.
- 전력결합기는 2종(삽입된 정합회로의 단수에 따른 구분 -1단, 2단)으로 설계되었으며, 전송선로의 임피던스와 격리저항 값이 각각 계산되었다.[5] PCB 상에서 고출력 전력 합성을 위해, 고출력 수용이 가능한 마이크로스트립 라인의 넓이를 Rogers사의 초고주파 임피던스 계산 프로그램을 참고하여 설계할 수 있다.
- [6] 전력결합기에 사용되는 격리저항은 10 W의 전력 수용이 가능하고, 광대역 특성을 갖는 특수저항이 사용되어야 한다. 격리저항은 S-parameters 측정을 통해 등가회로 모델링하며, 초고주파 회로 schematic과 Momentum 전자파 수치해석 병행이 가능한 시뮬레이션을 수행한다.[7] [그림 2]는 시뮬레이션 결과이며, 2종의 전력결합기 모두 1 dB 미만의 삽입손실 및 10 dB 이상의 격리도 특성을 보이고 있다.
- 2, 3단 칩은 12 W DC 전력을 소비하며, 열에 의한 열화현상이 우려되므로 CuW carrier 위에 eutectic bonding이 적합하다. 2단 앞에 전력결합기로 전력을 분배하고, 다시 3단 출력부에서 전력결합기로 전력 합성하도록 설계 및 제작하여 측정을 통해 전력 분배/합성 여부를 검증한다.
- 외주 제작된 GaN 전력증폭기는 동작전압이 커서 40 W 이상 높은 DC 전력을 칩에 인가하여 RF 전력증폭을 하도록 설계되었다.[4] 그러나 높은 전력밀도를 가진 GaN 전력증폭기 칩의 특성상 RF 전력증폭의 효과로 나타나지 않고, 열에 의해 대부분 손실되거나 정체되어 증폭기 성능 열화가 발생할 염려가 있으므로 열 관리가 중요하다.
- <표 1>은 열화상 카메라를 활용하여 모듈 요소별 온도촬영 및 RF 성능을 비교 분석하였다. 이 중 가장 큰 차이점을 보인 2가지(방식 1과 방식 4) 방열방식을 전 주파수 대역별 측정결과로 [그림 6]과 같이 비교하였다.
- <표 1>은 열화상 카메라를 활용하여 모듈 요소별 온도촬영 및 RF 성능을 비교 분석하였다. 이 중 가장 큰 차이점을 보인 2가지(방식 1과 방식 4) 방열방식을 전 주파수 대역별 측정결과로 [그림 6]과 같이 비교하였다. 먼저 방식 1의 경우, 선형이득 평균은 14.
- 이다. Ⅱ-1에 서술된 바와 달리, 각 채널마다 3단에 1개씩 외주 제작된 GaN 전력증폭기 칩 세트를 실장하였다.[9] 모듈에 집적화된 모든 전력증폭기 칩 세트를 구동하기 위한 DC 소모전력은 155 W(1단 : 0.
- 5 dB) 특성의 전력증폭기 모듈 설계 기술에 대해 살펴보았다. 모듈 단위에서 전력 증폭/분배/ 합성과 열 관리에 초점을 맞춰 모듈을 설계하고, 성능을 도출하였다. 모듈 내 전력 분배/합성 중 손실이 없도록 전력결합기, connector-PCB transition, 전송선로 등에 대한 충분한 시뮬레이션 및 실험을 선행하였다.
- 모듈 단위에서 전력 증폭/분배/ 합성과 열 관리에 초점을 맞춰 모듈을 설계하고, 성능을 도출하였다. 모듈 내 전력 분배/합성 중 손실이 없도록 전력결합기, connector-PCB transition, 전송선로 등에 대한 충분한 시뮬레이션 및 실험을 선행하였다. 또한 모듈 세부 요소별 온도 측정과 RF 성능 측정을 병행함과 동시에 고출력 전력 달성을 위한 모듈의 열용량을 계산하여 충분한 열용량을 가진 열전반도체 기반의 냉각장치를 모듈에 부착하여 RF 성능 향상을 얻게 되었다.
- 5 W, 2단 : 24 W, 3단 : 130 W)로 예상되며, 이는 모듈의 jig로 열이 전달되어 발생하는 발열량으로 환산될 수 있다. 예상되는 jig의 발열량보다 큰 260 W 급 열용량의 열전반도체 기반 공랭식 냉각장치를 활용하여 [그림 7]과 같이 10 W급(주파수 대역 평균 40 dBm) 출력 전력을 확보하였다. 모듈의 선형이득은 41.
대상 데이터
- 광대역 전력결합기와 각 단 사이를 연결하는 마이크로스트립 선로의 설계는 기판 및 구조 결정, 초고주파 회로 시뮬레이션, 레이아웃 생성, EM 시뮬레이션 순서로 이루어진다. 가격, 유전 상수 및 손실 등을 고려하면 고가의 알루미나 기판 대신 Rogers사의 RO4003C 기판(기판두께 0.2 mm)을 선정하며, Wilkinson 전력 결합을 채택하여 구조 설계가 용이하며, 광대역에서 저손실 특성을 가지도록 한다.
- 높은 주파수 대역에서 손실을 줄이기 위해 모듈에 장착될 connector는 2.92 mm 직경으로 선정한다. Connector를 jig 내부의 PCB와 연결하기 위해 jig 격벽에 구멍을 뚫고 launch pin을 연결하게 되는데, 이때 발생하는 구멍의 크기 및 길이는 50-Ω 임피던스 정합에 영향을 미치게 된다.
성능/효과
- [5] PCB 상에서 고출력 전력 합성을 위해, 고출력 수용이 가능한 마이크로스트립 라인의 넓이를 Rogers사의 초고주파 임피던스 계산 프로그램을 참고하여 설계할 수 있다.[6] 전력결합기에 사용되는 격리저항은 10 W의 전력 수용이 가능하고, 광대역 특성을 갖는 특수저항이 사용되어야 한다. 격리저항은 S-parameters 측정을 통해 등가회로 모델링하며, 초고주파 회로 schematic과 Momentum 전자파 수치해석 병행이 가능한 시뮬레이션을 수행한다.
- 모듈의 선형이득 평균은 41.6 dB이며, 출력 포화전력은 33.3∼37.6 dBm(평균 36.4 dBm)이다.
- [그림 5]는 jig에 연결되는 connector 부분을 HFSS(High-Frequency Structure Si- mulation) 해석결과를 나타내며, 50-Ω에 정합이 되는 최적의 구멍크기및 길이를 찾을 수 있다. 또한 시뮬레이션을 통해 connector에 의한 삽입손실이 0.5 dB 미만임을 확인할 수 있다.
- [1] 5 W 급 GaN 전력증폭기 칩이 포함된 단일 모듈을 제작하여 모듈 요소별 온도분포 및 RF 성능 측정을 동시에 진행함에 따라 모듈 요소별 열 추적하는 방식이 선행되어야 한다. 이와 동시에 제작된 모듈을 방열장치와 체결하는 방식(나사체결, thermal grease 도포 이후 나사 체결)이나 방열장치의 크기 및 종류(방열판 크기, 열전반도체 기반 공랭식 냉각장치) 등을 변화시켜 효율적인 열 관리 및 RF 성능 향상 극대화를 위한 최적의 방열장치 및 모듈 구조 설계를 도출할 수 있다.
- 모듈 내 전력 분배/합성 중 손실이 없도록 전력결합기, connector-PCB transition, 전송선로 등에 대한 충분한 시뮬레이션 및 실험을 선행하였다. 또한 모듈 세부 요소별 온도 측정과 RF 성능 측정을 병행함과 동시에 고출력 전력 달성을 위한 모듈의 열용량을 계산하여 충분한 열용량을 가진 열전반도체 기반의 냉각장치를 모듈에 부착하여 RF 성능 향상을 얻게 되었다.
- 모듈의 선형이득은 41.6∼51.0 dB(평균 46.5 dB), 출력 포화전력은 connector 손실 0.3 dB 제외하고 37.1∼42.6 dBm(평균 40.2 dBm), PAE는 4.9∼17.1 %(평균 9.5 %), 입력 VSWR 1.83:1 이하이다.
- 4 dBm)이다. 3단 상용증폭기 모듈의 2, 3단에 장착된 GaAs 상용증폭기의 출력 포화전력은 평균 34.4 dBm이며, 이는 모듈 내부에 집적화된 전력결합기와 connector의 삽입손실이 1 dB 미만임을 의미하므로 전력결합기에서 발생하는 추가손실이 없음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 비록 5 W 급 GaN 전력증폭기 칩으로 10 W 전력 합성하였으나, 이와 같은 설계 기술을 활용하여 보다 높은 전력, 높은 주파수 대역(30 GHz, 40 GHz ···)의 SSPA(Solid-State Power Amplifier) 집적 모듈에 적용될 수 있다. 이는 5G 이동통신 중계·기지국용 통신장비와 고출력 레이다 및 전자전용 시스템 등에 활용 가능할 것으로 예상된다.
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