[논문]열음향 응용을 위한 1 kW급 UHF 대역 반도체 펄스 전력증폭기

이승민; 박승표; 최승범; 이문규

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.1.92

열음향 응용을 위한 1 kW급 UHF 대역 반도체 펄스 전력증폭기
UHF-Band 1 kW Solid State Pulsed Power Amplifier for Thermoacoustic Imaging Application 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.1, 2016년, pp.92 - 95

이승민 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 박승표 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 최승범 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 이문규 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과)

초록
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본 논문에서는 UHF 대역인 900 MHz에서 열음향 영상(thermoacoustic imaging, TAI) 응용을 위한 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 반도체 펄스 전력 증폭기는 단펄스(short pulse) 동작을 위하여 펄스 폭 $80{\mu}s$, 듀티사이클 1 %, 900 MHz의 캐리어 주파수 조건에서 설계되었다. 전체 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 윌킨슨 전력 분배기를 통해 결합하여 제작되었고, 사용된 능동 소자는 Freescale사의 MRFE6P9220HR3 LDMOSFET이 사용되었다. 제작된 전력 증폭기는 입력 전력이 -16 dBm일 때 중심주파수에서 60.2 dBm의 출력 전력과 76.2 dB의 전력 이득, 그리고 25 %의 드레인 효율 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an UHF-band 1 kW solid-state pulsed power amplifier was designed and implemented for the thermoacoustic imaging(TAI) at 900 MHz. The designed power amplifier has a pulse width of $80{\mu}s$ and a duty cycle of 1 % for short-pulse operation. The overall amplifier was implemented by combining of 16 single-power amplifiers adopting MRFE6P9220HR3 LDMOSFET using wilkinson power dividers. The solid-state pulsed power amplifier shows 25 % drain efficiency with a gain of 76.2 dB when the output power is 60.2 dBm for a -16 dBm input power at center frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 TAI 응용을 위하여 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스 폭, 1 %의 듀티사이클을 갖는 펄스 변조 신호를 출력하는 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 연구하였다.
하지만 실제 전력 증폭기들의 출력 신호에는 위상편차가 존재하기 때문에 전력 결합 손실이 증가한다. 본 논문에서는 결합 손실을 최소화하기 위하여 그림 6에서와 같이 윌킨슨 전력 분배기에 적절한 길이의 오프셋(offset)을 주었다. 회로망 분석기(network analyzer)를 통해 각 단일 전력 증폭기의 S₂₁위상을 측정하고, offset line을 통하여 위상편차를 3° 이내로 최적화 하였다.
본 논문에서는 열음향 응용을 위한 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 제작하였다. 제작된 전력 증폭기는 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스폭, 1 %의 듀티사이클의 1 kW급 단펄스를 출력한다.
본 절에서는 4개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 제작된 전력 증폭기 결합 모듈에 대하여 설명한다. 본 논문에서는 효율적인 단일 전력 증폭기간의 출력 전력 결합을 위하여 전력 및 위상 편차 특성이 우수한 4-way 윌킨슨 전력 분배기를 사용하였다.
본 논문에서는 TAI 응용을 위하여 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스 폭, 1 %의 듀티사이클을 갖는 펄스 변조 신호를 출력하는 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 연구하였다. 현재 kW급 이상의 높은 대전력 펄스 증폭기에 대한 국내 연구 사례는 많지 않으며, 본 논문에서는 전력 결합 손실에 중점을 맞추어 연구를 진행하였다. 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 단일 전력 증폭기 출력 신호간의 위상편차를 최소화 하는 방법을 제안하였으며, 회로의 발진을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 적용되었다.

제안 방법

마찬가지로 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 윌킨슨 전력 분배기에 offset line을 삽입하였으며, 이를 통해 전력 증폭기 모듈 간의 S₂₁ 위상 편차는 3° 이내로 최적화 되었다. 그리고 설계된 전력 증폭기는 발진을 억제하기 위한 몇 가지의 설계 기법이 적용되었다. 먼저, 전체 하우징을 금속판으로 사용하여 전력 증폭기 모듈 간의 전기적인 차폐를 하였다.
제작된 전력 증폭기는 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스폭, 1 %의 듀티사이클의 1 kW급 단펄스를 출력한다. 단일 전력 증폭기는 로드-풀 시뮬레이션을 통하여 높은 전력 이득을 갖도록 설계되었으며, 최종 출력 전력은 16개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 얻어 내었다. 그리고 각각의 단일 전력 증폭기의 S₂₁위상 값을 기반으로 설계된 offset line을 통하여, 윌킨슨 분배기에서의 전력 결합 손실은 최소화 되었다.
이는 원치 않는 신호의 결합과 피드백을 억제한다. 또한, 분리된 모듈을 서로 연결하여 기준 전위를 하나로 통일하였다. 마지막으로 회로의 출력단에 아이솔레이터를 사용하여 전체 회로의 S₂₂ 반사특성을 향상시켰다.
또한, 분리된 모듈을 서로 연결하여 기준 전위를 하나로 통일하였다. 마지막으로 회로의 출력단에 아이솔레이터를 사용하여 전체 회로의 S₂₂ 반사특성을 향상시켰다.
마찬가지로 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 윌킨슨 전력 분배기에 offset line을 삽입하였으며, 이를 통해 전력 증폭기 모듈 간의 S21 위상 편차는 3° 이내로 최적화 되었다.
그리고 설계된 전력 증폭기는 발진을 억제하기 위한 몇 가지의 설계 기법이 적용되었다. 먼저, 전체 하우징을 금속판으로 사용하여 전력 증폭기 모듈 간의 전기적인 차폐를 하였다. 이는 원치 않는 신호의 결합과 피드백을 억제한다.
본 절에서는 4개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 제작된 전력 증폭기 결합 모듈에 대하여 설명한다. 본 논문에서는 효율적인 단일 전력 증폭기간의 출력 전력 결합을 위하여 전력 및 위상 편차 특성이 우수한 4-way 윌킨슨 전력 분배기를 사용하였다. 설계된 윌킨슨 전력 분배기는 0.
입력 전력은 신호발생기 Agilent E4438C 모델을 사용하여 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스폭, 1 %의 듀티 사이클을 갖는 펄스 변조된 신호를 인가하였으며, 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)는 Agilent E4440A 모델을 사용하여 최종 출력 전력을 측정하였다.
현재 kW급 이상의 높은 대전력 펄스 증폭기에 대한 국내 연구 사례는 많지 않으며, 본 논문에서는 전력 결합 손실에 중점을 맞추어 연구를 진행하였다. 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 단일 전력 증폭기 출력 신호간의 위상편차를 최소화 하는 방법을 제안하였으며, 회로의 발진을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 적용되었다.
본 논문에서 제안하는 1 kW급 펄스 전력 증폭기의 전체 블록도를 그림 7에 나타내었다. 최종 출력인 1 kW급 전력을 결합하기 위하여 앞 절에서 제작한 4개의 전력 증폭기 모듈을 4-way 윌킨슨 전력 분배기와 RF 케이블을 사용하여 수직으로 결합하였다. 마찬가지로 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 윌킨슨 전력 분배기에 offset line을 삽입하였으며, 이를 통해 전력 증폭기 모듈 간의 S₂₁ 위상 편차는 3° 이내로 최적화 되었다.
회로망 분석기(network analyzer)를 통해 각 단일 전력 증폭기의 S21 위상을 측정하고, offset line을 통하여 위상편차를 3° 이내로 최적화 하였다.

대상 데이터

1 kW급 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 제작되었다. 설계된 단일 전력 증폭기의 회로도는 그림 2에 나타내었다.
단일 전력 증폭기는 유전율 2.55, 두께 0.79 mm의 테프론 기판을 사용하여 제작되었으며, 크기는 14 × 10 cm2이다.
발룬 제작에 사용된 동축 케이블은 익스펜텔사의 EX- SR-141T-50-TP-CW를 사용하였고, 그림 3과 같이 λ/4 길이의 동축케이블을 사용한 간단한 구조로 설계되었다.
설계된 단일 전력 증폭기의 회로도는 그림 2에 나타내었다. 설계에 사용된 능동소자는 Free- scale 사의 LDMOSFET 소자 MRFE6P9220HR3이고, 드레인 바이어스 전압은 28 V가 사용되었다. 전력 증폭기의 입력 및 출력 정합 회로는 로드-풀 시뮬레이션을 통해 얻은 부하 및 소스 임피던스 값을 기반으로 설계되었으며, 그림 4에 출력 정합 회로를 나타내었다.
제작된 전력 증폭기는 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 μs의 펄스폭, 1 %의 듀티사이클의 1 kW급 단펄스를 출력한다.
최종 완성된 전력 증폭기는 그림 8에 나타내었는데, dc 바이어스 회로, 구동 증폭기(drive amp) 및 RF 입/출력 케이블을 세 번째 층에 구성하여, 총 5개의 층으로 제작되었다.

이론/모형

설계에 사용된 능동소자는 Free- scale 사의 LDMOSFET 소자 MRFE6P9220HR3이고, 드레인 바이어스 전압은 28 V가 사용되었다. 전력 증폭기의 입력 및 출력 정합 회로는 로드-풀 시뮬레이션을 통해 얻은 부하 및 소스 임피던스 값을 기반으로 설계되었으며, 그림 4에 출력 정합 회로를 나타내었다. 제작된 발룬은 전력 증폭기의 입력 및 출력에서 대칭적으로 구성하여 측정결과에서 나타났던 발룬의 전력 편차 영향을 억제하였다.

성능/효과

단일 전력 증폭기는 로드-풀 시뮬레이션을 통하여 높은 전력 이득을 갖도록 설계되었으며, 최종 출력 전력은 16개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 얻어 내었다. 그리고 각각의 단일 전력 증폭기의 S₂₁위상 값을 기반으로 설계된 offset line을 통하여, 윌킨슨 분배기에서의 전력 결합 손실은 최소화 되었다. 또한, 발진을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 회로에 적용되었다.
회로망 분석기(network analyzer)를 통해 각 단일 전력 증폭기의 S₂₁위상을 측정하고, offset line을 통하여 위상편차를 3° 이내로 최적화 하였다. 또한, 각 단일 전력 증폭기 출력단에 아이솔레이터를 사용하여 회로의 발진을 억제하고 안정성을 높였다. 표 1은 제작된 4개의 전력 증폭기 모듈의 전력 측정 결과를 나타낸다.
전력 증폭기의 입력 및 출력 정합 회로는 로드-풀 시뮬레이션을 통해 얻은 부하 및 소스 임피던스 값을 기반으로 설계되었으며, 그림 4에 출력 정합 회로를 나타내었다. 제작된 발룬은 전력 증폭기의 입력 및 출력에서 대칭적으로 구성하여 측정결과에서 나타났던 발룬의 전력 편차 영향을 억제하였다. 단일 전력 증폭기는 유전율 2.
제작된 발룬은 측정결과, 0.2 dB의 전력 편차, 2° 이내의 위상 편차를 나타내었다.
그림 5에 제작된 단일 전력 증폭기의 모습을 나타내었다. 제작된 전력 증폭기는 측정결과, 32.8 dBm의 입력이 인가될 때 50.3 dBm의 출력전력, 17.5 dB의 높은 전력 이득을 나타내었다.
또한, 발진을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 회로에 적용되었다. 제작된 전력 증폭기는 측정결과, 60.2 dBm의 출력전력, 76.2 dB의 전력 이득, 25 %의 드레인 효율을 나타내었다.
측정결과, —16 dBm의 RF 입력 신호가 인가되었을 때 60.2 dBm, 즉 1 kW의 전력이 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전체 전력 증폭기는 총 몇개의 단일 전력 증폭기를 통해 결합되엇는거?	반도체 펄스 전력 증폭기는 단펄스(short pulse) 동작을 위하여 펄스 폭 $80{\mu}s$, 듀티사이클 1 %, 900 MHz의 캐리어 주파수 조건에서 설계되었다. 전체 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 윌킨슨 전력 분배기를 통해 결합하여 제작되었고, 사용된 능동 소자는 Freescale사의 MRFE6P9220HR3 LDMOSFET이 사용되었다. 제작된 전력 증폭기는 입력 전력이 -16 dBm일 때 중심주파수에서 60.
	1 kW급 전력 증폭기는 어떻게 제작되었는가?	1 kW급 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 제작되었다. 설계된 단일 전력 증폭기의 회로도는 그림 2에 나타내었다.
	balun이 사용되는 푸쉬 풀 구조에서의 장점은 무엇인가?	일반적인 전력 트렌지스터는 수 Ω 이하의 출력 임피던스를 갖기 때문에, 높은 Q값의 임피던스 정합회로를 요구함과 동시에, 이는 대역폭을 제한하는 주요한 원인이다[2]. 하지만 발룬이 사용되는 푸쉬-풀(push-pull) 구조에서는 발룬의 25 Ω 차동 출력 임피던스가 정합회로의 설계를 보다 용이하게 만들어준다[3]. 발룬 제작에 사용된 동축 케이블은 익스펜텔사의 EX- SR-141T-50-TP-CW를 사용하였고, 그림 3과 같이 λ/4 길이의 동축케이블을 사용한 간단한 구조로 설계되었다.

참고문헌 (3)

Xiong Wang Bauer, D. R. Bauer, R. White, and Hao Xin, "Microwave-induced thermoacoustic imaging model for potential breast cancer detection", IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 59, no. 10, pp. 2782-2791, Oct. 2012.

상세보기
R. M. Smith, J. Lees, P. J. Tasker, Benedikt, and S. C. Cripps, "A 40 W push-pull power amplifier for high efficiency, decade bandwidth applications at microwave frequencies", IEEE MTT-S International, Jun. 2012.
Brad Lindseth, Tom Kelly, William O. J. Brown, Terry Hock, Stephen A. Cohn, and Zoya Popovic, "Low-cost 63 % efficient 2.5-kW UHF power amplifier for a wind profiler rader", IEEE MTT-S International, Jun. 2012.

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].

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