본 논문에서는 10W급 GaN MMIC를 이용하여 Ku-band SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. 설계 및 제작한 SSPA 모듈의 분배/합성을 위해 Rogers(RO4003C)기판을 이용하여 Branch-line 구조를 이용하였다. SSPA 모듈 버짓상 Divider/Combiner는 삽입손실이 최대 -0.7dB 이하로 설계 및 제작하였다. 또한 GaN MMIC 구조 특성상 Gate Bias-Drain Bias로 인가되어야 하기 때문에 Gate-Drain 순차회로를 적용한 Bias 회로를 구현하였으며, RF Power Detect, Temperature Detect, HPA On/Off 기능등을 구현하였다. 설계 제작된 Ku-band SSPA는 최대 출력 15.6W, Gain 45.7dB, 효율 19.0%로 만족하는 측정 결과를 얻었다.
본 논문에서는 10W급 GaN MMIC를 이용하여 Ku-band SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. 설계 및 제작한 SSPA 모듈의 분배/합성을 위해 Rogers(RO4003C)기판을 이용하여 Branch-line 구조를 이용하였다. SSPA 모듈 버짓상 Divider/Combiner는 삽입손실이 최대 -0.7dB 이하로 설계 및 제작하였다. 또한 GaN MMIC 구조 특성상 Gate Bias-Drain Bias로 인가되어야 하기 때문에 Gate-Drain 순차회로를 적용한 Bias 회로를 구현하였으며, RF Power Detect, Temperature Detect, HPA On/Off 기능등을 구현하였다. 설계 제작된 Ku-band SSPA는 최대 출력 15.6W, Gain 45.7dB, 효율 19.0%로 만족하는 측정 결과를 얻었다.
In this paper, a 10W GaN MMIC was designed and fabricated using the Ku-band SSPA module. For Design and fabrication of the SSPA module using Rogers(RO4003C) substrate was used for Branch-line structure. SSPA modules on budget Divider/Combiner was designed and fabricated less than the maximum inserti...
In this paper, a 10W GaN MMIC was designed and fabricated using the Ku-band SSPA module. For Design and fabrication of the SSPA module using Rogers(RO4003C) substrate was used for Branch-line structure. SSPA modules on budget Divider/Combiner was designed and fabricated less than the maximum insertion loss - 0.7dB. In addition, because it must be applied to the structural nature of GaN MMIC Gate Bias-Drain Bias circuit was implemented to apply the Gate-Drain sequential circuit, implemented the RF Power Detect, Temperature Detect, HPA On/Off function. Design and fabrication Ku-band SSPA Module got the measurement results that satisfy a maximum output of 15.6W, Gain 45.7dB, 19.0% efficiency.
In this paper, a 10W GaN MMIC was designed and fabricated using the Ku-band SSPA module. For Design and fabrication of the SSPA module using Rogers(RO4003C) substrate was used for Branch-line structure. SSPA modules on budget Divider/Combiner was designed and fabricated less than the maximum insertion loss - 0.7dB. In addition, because it must be applied to the structural nature of GaN MMIC Gate Bias-Drain Bias circuit was implemented to apply the Gate-Drain sequential circuit, implemented the RF Power Detect, Temperature Detect, HPA On/Off function. Design and fabrication Ku-band SSPA Module got the measurement results that satisfy a maximum output of 15.6W, Gain 45.7dB, 19.0% efficiency.
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문제 정의
본 논문에서는 Ku-band 위성 통신용 SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA 모듈에 사용된 HPA는 10W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4003C10mil 기판에 Branchline 구조로 Divider/Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다.
본 논문에서는 위성통신을 이용한 가입자 망 인터넷 및 데이터 통신용 BUC에 필수적으로 소요되는 초고주파 핵심부품인 HPA를 활용하여 Ku대역 SSPA모듈을 설계 및 제작하였다.[5]~[7]
제안 방법
Bisa 회로에서는 HPA에 Drain 전압이 Gate 전압보다 우선 인가되지 않도록 하며, Gate 전압이 우선 인가되고 Drain 전압이 인가되는 순차회로를 설계하였으며, 고출력 증폭기 특성상 Drain 전류의 변화에 따라 Gate 임피던스가 변화할 수 있기 때문에 Buffer를 적용하여 Gate 전압을 일정하게 인가하는 구조로 설계하였다.
SSPA 모듈의 전원부 회로 구성은 모듈의 전원을 공급하고, 외부에서 SSPA 출력을 On/Off하기 위해 TR회로를 구성하였으며, SSPA 모듈의 상태를 감지하기 위한 출력 상태 감시용 RF Power Detector회로와 온도 감시용 Temp. Detector 회로를 적용하여 설계하였다.
SSPA 모듈에 적용되는 부품들은 단품 시험을 통해 각 부품의 특성을 확인 후 SSPA 모듈에 적용하였다. 제작된 SSPA 모듈은 그림 9와 같으며, 제작된 SSPA 모듈의 성능 측정 시험은 Network Analyzer(Agilent 8522D)를 이용하여 S-Parameters를 측정하고 RF Signal Generator와 Power Meter 및 Spectrum Analyzer를 이용하여 Out Power 및 효율을 측정하였다.
SSPA 모듈의 기구는 전원부 및 구동 증폭기, 고출력 MMIC 증폭기, Divider/Combiner 등의 부품 배치와 방열 등을 고려해 구조 설계를 하였으며, 전원 연결부는 신호의 feedback에 의한 발진 현상을 최소화하고 구동 증폭기 및 고출력 증폭기에 전원을 공급하면서 RF 회로부와 차단하는 구조로 특성을 최적화하였다.
SSPA 모듈의 블록은 고출력 MMIC 증폭기의 입력을 확보하기 위한 구동 증폭기, 고출력 MMIC 증폭기의 입력과 출력을 분배 및 합성하는 Divider/Combiner, 출력 Power를 모니터링 하기 위한 Power Detecotr, 외부에서 SSPA의 출력을 제어하기 위한 제어포트, SSPA 모듈의 각 부품에 전원을 공급하기 위한 전원회로부로 구성하였다.
SSPA 모듈의 이득을 확보하기 위한 구동증폭기는 부품의 신뢰성, 용이성, SSPA 모듈의 효율 등을 고려하여 Triquint 사의 TGA2503으로 선정하였으며, 주요 성능은 그림 2와 같다.
SSPA 모듈의 전원부 회로 구성은 모듈의 전원을 공급하고, 외부에서 SSPA 출력을 On/Off하기 위해 TR회로를 구성하였으며, SSPA 모듈의 상태를 감지하기 위한 출력 상태 감시용 RF Power Detector회로와 온도 감시용 Temp. Detector 회로를 적용하여 설계하였다.
구동 증폭기는 Carrier 형태로 제작하여 조립 및 특성 확인에 좋은 구조를 같게 제작하였으며, 별도로 TEST JIG를 제작하여 구동 증폭기의 단품 특성을 확인하여 SSPA 모듈 적용에 최적화하였다.
SSPA 모듈에 사용하고자 하는 고출력 MMIC 증폭기는 출력이 10W(40dBm)이고, 효율이 30%, 이득이 16dB인 Packaged High Power Amp.를 활용하였으며, Divider/Combiner 손실 및 모듈 이득을 고려하여 Triquint사의 2W급 DRA MMIC를 활용하여 SSPA 모듈개발 목표인 15W(41.8dBm), 효율 18%, 이득 40dB 이상으로 설계하였다.
전력분배/합성기는 Carrier 형태로 제작하여 조립 및 특성 확인에 좋은 구조를 갖는 TEST JIG 형태로 별도 제작하여 그 특성을 확인하였다.
SSPA 모듈에 있어 고출력 MMIC 증폭기에 전력을 나누어 공급하는 전력분배기와 고출력 MMIC 증폭기에서 증폭된 전력을 합성하는 전력합성기의 설계는 매우 중요하다. 회로 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 최적의 값으로 설계하였으며, 최종적으로 EM 시뮬레이션을 통화여 최적화하였다. 설계 제원은 Rogers사의 RO4003C(εr=3.
대상 데이터
본 논문에서는 Ku-band 위성 통신용 SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA 모듈에 사용된 HPA는 10W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4003C10mil 기판에 Branchline 구조로 Divider/Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다. 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power는 설계 대역인 13.
설계 제원은 Rogers사의 RO4003C(εr=3.38) 10mil 기판을 활용하였으며, 설계한 Divider/Combiner는 그림 3과 같으며, 시뮬레이션 결과는 그림4와 같다.
데이터처리
SSPA 모듈에 적용되는 부품들은 단품 시험을 통해 각 부품의 특성을 확인 후 SSPA 모듈에 적용하였다. 제작된 SSPA 모듈은 그림 9와 같으며, 제작된 SSPA 모듈의 성능 측정 시험은 Network Analyzer(Agilent 8522D)를 이용하여 S-Parameters를 측정하고 RF Signal Generator와 Power Meter 및 Spectrum Analyzer를 이용하여 Out Power 및 효율을 측정하였다.
성능/효과
9dBm) 이상의 특성을 확인하였으며, PAE=19% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모듈의 Gain은 측정 대역에서 45.7dB 이상을 확인하였으며, 이는 고출력 증폭기의 Gain 특성보다 구동 증폭기로 사용한 TGA2503의 MMIC 성능 특성이 SSPA 모듈의 Gain에 영향이 큰 것으로 확인되었다. 또한 SSPA 모듈에 사용된 전력분배/합성기에서의 이득 손실로 인해 모듈의 출력파워 및 효율 성능 저하가 나타남을 확인하였으며, 향후 본 논문을 토대로하여 Combiner 손실 개선을 통해 SSPA 모듈의 출력 Power 및 효율을 개선할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
SSPA 모듈에 사용된 HPA는 10W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4003C10mil 기판에 Branchline 구조로 Divider/Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다. 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power는 설계 대역인 13.75GHz~14.5GHz에서 P(sat)=15.5W(41.9dBm) 이상의 특성을 확인하였으며, PAE=19% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모듈의 Gain은 측정 대역에서 45.
측정 결과 EM 시뮬레이션 결과 보다 약 0.7dB 정도 손실이 더 나는 것을 확인하였으나, 이는 실제 측정 시 입/출력 커넥터 및 50ohm line에 의해 추가 발생되는 손실을 감안(약 커넥터당 0.25dB Loss)하였을 때, 손실 특성은 유사하게 보임을 확인하였다.
후속연구
7dB 이상을 확인하였으며, 이는 고출력 증폭기의 Gain 특성보다 구동 증폭기로 사용한 TGA2503의 MMIC 성능 특성이 SSPA 모듈의 Gain에 영향이 큰 것으로 확인되었다. 또한 SSPA 모듈에 사용된 전력분배/합성기에서의 이득 손실로 인해 모듈의 출력파워 및 효율 성능 저하가 나타남을 확인하였으며, 향후 본 논문을 토대로하여 Combiner 손실 개선을 통해 SSPA 모듈의 출력 Power 및 효율을 개선할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ku 대역 주파수 자원을 이용한 초고속 인터넷 및 방송통신 융합서비스의 한계는 무엇인가?
5홐 대역의 Ku 대역 위성통신 기술에 대한 연구와 제품 개발이 전 세계에서 활발히 진행되고 있는 상황이다. Ku 대역 주파수 자원을 이용한 초고속 인터넷 및 방송통신 융합서비스는 여러 가지 장점에도 불구하고 현재 높은 Ku대역 부품의 가격으로 인해 주파수 자원 활용도가 낮은 상태이며, Ku 대역 초고속 인터넷 및 방송통신 시스템의 장비에 사용되는 마이크로웨이브 부품의 경우, 전략 외국 부품을 수입하여 사용하고 있어 기술 종속이 심화되어 부품의 국산화는 물론 기술 경쟁력 제고가 절실한 상황이다.[1]~[4]
지상파 위주의 초고속 인터넷 통신 및 방송기술의 한계는 무엇인가?
지상파 위주의 초고속 인터넷 통신 및 방송기술은 서비스 제공지역 및 인프라 구축비용 측면에 한계가 있다. 이러한 한계는 인공위성을 이용한 통신 서비스를 통하여 광대역 무선 인터넷을 보완하거나 확장되고 있는 추세이다.
지상파 위주의 초고속 인터넷 통신 및 방송기술의 한계를 극복하기 위해 사용하고 있는 방안은?
지상파 위주의 초고속 인터넷 통신 및 방송기술은 서비스 제공지역 및 인프라 구축비용 측면에 한계가 있다. 이러한 한계는 인공위성을 이용한 통신 서비스를 통하여 광대역 무선 인터넷을 보완하거나 확장되고 있는 추세이다. 전 세계 초고속 인터넷 및 방송통신 시장은 2000년대로 들어서면서 꾸준히 증가하고 있는 추세이며, 그 중에 초고속 Data 통신이 가능한 13.
참고문헌 (7)
K. Datta, J. Roderick, and H. Hashemi, "A 22.4dBm Two-way Wilkinson Power Combined Q-Band SiGe Class-E Power Amplifier with 23% Peak PAE" 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. (CSICS), Oct. 2012.
A. Abbosh and B. Henin, "Planar wideband inphase power divider/combiner using modified Gysel structure" IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 7, July 2013, pp.783-787.
L. Chongzhe and D. Ricketts, "A low-loss, impedance matched ${\lambda}$ /4 compact T-junction power combiner," 2012 7th European EuMIC, Oct. 2012, pp. 147-150.
A. Wentzel, V. Subramanian, A. Sayed, and G. Boeck, "Novel Broadband Wilkinson Power Combiner," 2006 36th European Microwave Conf., Sept. 2006, pp. 212-215.
N. Feng, F. Jianhong, F. Hao, W. Chaoyang, and L. Jianwei, "Design of an X-band High Power Solid State Power Ampilfier Based on GaN HEMT," 2010 Int. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), May 2010, pp. 1916-1918.
Ryung-sep Koo, "A Design for Solid-state Rader SSPA with Sequential Bias Circuits," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 17, no. 11, Nov. 2013., pp.2479-2485
Ki-Won Kim, Ju-Young Kwack, Samuel Cho, "A Design of High Power Pulsed Solid State Power Amplifier for S-band RADAR System Using GaN HEMT," Journal of the Korea Academia-Indstrial cooperation Society (JKAIS):Proceedings of the KAIS Fall Conference, 2010., pp.168-171
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