본 논문에서는 L-Band 대역의 항행안전시설(DME, TACAN)에 적용 가능한 광대역 High power pulsed amplifier를 구현하였다. L-Band 대역의 항행안전시설의 특성상 구현된 SSPA는 매우 높은 출력과 선형성, 효율 특성을 요구한다. 이에 본 논문에서는 변형된 class F 기법을 이용하여 효율 특성을 개선하였다. 또한 hybrid coupler를 이용한 Balance 구조와 구동부 증폭단의 비선형 특성을 이용한 anti-phase 기법, 출력부 harmonic trap 등을 이용하여 선형 특성을 개선하였다. 구현된 SSPA는 약 300MHz의 대역폭을 가지며, 1.5KW 출력과 55%의 효율 특성을 보였다.
본 논문에서는 L-Band 대역의 항행안전시설(DME, TACAN)에 적용 가능한 광대역 High power pulsed amplifier를 구현하였다. L-Band 대역의 항행안전시설의 특성상 구현된 SSPA는 매우 높은 출력과 선형성, 효율 특성을 요구한다. 이에 본 논문에서는 변형된 class F 기법을 이용하여 효율 특성을 개선하였다. 또한 hybrid coupler를 이용한 Balance 구조와 구동부 증폭단의 비선형 특성을 이용한 anti-phase 기법, 출력부 harmonic trap 등을 이용하여 선형 특성을 개선하였다. 구현된 SSPA는 약 300MHz의 대역폭을 가지며, 1.5KW 출력과 55%의 효율 특성을 보였다.
In this paper, High Power Pulsed Amplifier with wide-band characteristic is implemented for L-band Navigational Aid(NAVAID). Due to the characteristics of L-Band NAVAID, implemented SSPA is demanded characteristics of high RF power, high linearity and high efficiency. Therefore, in this paper, effic...
In this paper, High Power Pulsed Amplifier with wide-band characteristic is implemented for L-band Navigational Aid(NAVAID). Due to the characteristics of L-Band NAVAID, implemented SSPA is demanded characteristics of high RF power, high linearity and high efficiency. Therefore, in this paper, efficiency characteristic is improved by modified class F technique. And linearity characteristic is improved by balance structure using hybrid coupler, $2^{nd}$ & $3^{rd}$ harmonic trap and anti-phase technique using non-linear characteristics of drive amplifier. Implemented SSPA shows that bandwidth of 300MHz, RF Output power of 1.5KW and efficiency of 55%.
In this paper, High Power Pulsed Amplifier with wide-band characteristic is implemented for L-band Navigational Aid(NAVAID). Due to the characteristics of L-Band NAVAID, implemented SSPA is demanded characteristics of high RF power, high linearity and high efficiency. Therefore, in this paper, efficiency characteristic is improved by modified class F technique. And linearity characteristic is improved by balance structure using hybrid coupler, $2^{nd}$ & $3^{rd}$ harmonic trap and anti-phase technique using non-linear characteristics of drive amplifier. Implemented SSPA shows that bandwidth of 300MHz, RF Output power of 1.5KW and efficiency of 55%.
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문제 정의
보다 정확한 정보 전달을 위하여 가우시안(Gaussian) 펄스를 사용하며, 이는 신호 및 정보 분석을 위하여 일정 이상의 선형성을 요구한다. 이에 본 연구에서는 L-Band 대역의 광대역 1.5㎾급 가우시안 펄스 전력증폭기를 구현하였다.
제안 방법
또한 광대역폭을 갖는 대전력증폭기의 경우, 추가회로를 사용하는 기존 선형화 방식은 고출력, 광대역 특성을 만족시키려면 크기가 커지고 비용이 많이 든다. 본 논문에서 적용한 선형화 방법은 그림 2와 같이 추가적인 선형화 회로 없이 종단 증폭기의 왜곡 특성을 보상할 수 있도록 구동단 증폭기의 왜곡특성을 종단 증폭기의 왜곡특성과의 역 위상(Anti-phase)이 되도록 설계하는 것이다. 이때 구동증폭기와 종단 증폭기의 개별적 선형화 특성은 의미가 없으며, 상호 연결하여 결합되었을 때에 나타나 선형화 특성이 중요하다[9, 10].
Harmonic 제어회로를 lumped 소자를 사용하여 공진기 형태로 가져갈 수도 있지만 이 경우 lumped 소자의 손실로 인해 출력단의 loss가 증가하게 된다. 본 논문에서는 transmission line을 사용하여 각 harmonic에 대해 impedance를 transformation 함으로써 출력단의 손실을 줄이고 harmonic 제어가 소자의 전류원 뒤에서 이루어지도록 하였다[6-8].
본 연구의 핵심은 높은 선형성을 가지는 고출력 SSPA 구현에 있다. 이에 본 논문에서는 변형된 Class F 기법, Balance 구조, anti-phase 기법 및 harmonic trap 등을 결합하여 항행안전 시설에 적용 가능한 1.5KW급 고출력 SSPA를 구현 및 제작하였다. 구현된 SSPA는 약 300MHz의 대역폭을 가지며, 1.
대상 데이터
본 연구의 핵심은 높은 선형성을 가지는 고출력 SSPA 구현에 있다. 이에 본 논문에서는 변형된 Class F 기법, Balance 구조, anti-phase 기법 및 harmonic trap 등을 결합하여 항행안전 시설에 적용 가능한 1.
설계된 SSPA의 전체 이득은 약 28㏈이며, 최종 stage는 Integra 사의 600W 급 L-Band 증폭소자 4개를 사용하였다. 최종 출력 결합과 분배를 위해 하이브리드 커플러를 이용하였다[3-5].
이론/모형
주파수와 RF spectrum을 측정하기 위하여 spectrum analyzer를 사용하였고, 최종 출력 확인을 위하여 Power meter를 이용하였다. 또한 pulse shape 측정을 위하여 oscilloscope를 사용하였다.
주파수와 RF spectrum을 측정하기 위하여 spectrum analyzer를 사용하였고, 최종 출력 확인을 위하여 Power meter를 이용하였다. 또한 pulse shape 측정을 위하여 oscilloscope를 사용하였다.
성능/효과
5KW급 고출력 SSPA를 구현 및 제작하였다. 구현된 SSPA는 약 300MHz의 대역폭을 가지며, 1.8KW의 출력과 55%의 효율 특성을 보였다. 또한 군과 민간 공항에서 요구하는 주요 신호의 전기적 규격과 시스템 규격을 만족한다.
본 논문의 결과는 대부분 수입에 의존하고 있는 고출력 pulsed SSPA의 국산화 대체가 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 이를 토대로 해외 수입에 의존하고 있는 방송용 시스템, 기상 레이더 및 특수 목적용 고출력 시스템의 핵심 기술력의 확보가 가능할 것으로 예상된다.
또한, RF spectrum 특성의 경우 요구사양을 충분이 만족함을 확인할 수 있다. 이는 발란스 구조와 하모닉 트랩, 드라이브단의 비선형성을 이용한 선형성 개선 방법을 통해 F급 전력 증폭기에서 나타나는 비선형성을 일부 개선되었음을 확인할 수 있었다.
이때 얻어진 최대 전력은 Class-A 또는 Class-B 동작 증폭기보다 1.27배 크며 효율도 100%로 가장 우수하다. 그러므로 높은 효율을 필요로 하는 전력 증폭기의 구현에는 Class-F 동작이 적절하다.
후속연구
본 논문의 결과는 대부분 수입에 의존하고 있는 고출력 pulsed SSPA의 국산화 대체가 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 이를 토대로 해외 수입에 의존하고 있는 방송용 시스템, 기상 레이더 및 특수 목적용 고출력 시스템의 핵심 기술력의 확보가 가능할 것으로 예상된다.
또한 군과 민간 공항에서 요구하는 주요 신호의 전기적 규격과 시스템 규격을 만족한다. 또한, 본 논문을 통해 확보된 기술력은 다른 대역 및 응용분야의 고출력 pulsed SSPA에 쉽게 적용이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 고출력 RF 시스템의 단점은?
기존의 고출력 RF 시스템은 1990년대 말까지도 TWT(Treveling Wave Tube), 마그네트론(Magnetron), 클라이스트론(Klyst-ron)과 같은 진공관 형태의 증폭 소자를 사용하여 매우 높은 전압을 인가시켜 구동하였다. 이러한 형태의 기존 시스템은 부피가 크고 수명이 짧은 단점을 가진다. 2000년대에는 이러한 단점을 보완하고자 SSPA(Solidstate Power Amplifier) 기술을 연구・개발해오고 있다.
L-Band의 항행안전시설의 역할은?
항행안전시설은 항공기의 안전한 항행(이륙 및 착륙 포함)을 위한 설비이다. 그 중 L-Band의 항행안전시설은 항행 중인 항공기에 전파를 이용하여 정보를 전달하는 항법보조시스템 역할을 한다. 특히 L-band 대역을 사용하는 항행안전시설은 그 시스템의 용도와 특성상 고출력의 송출신호와주파수 대역의 약 25% 사용하는 광대역 특성을 요구한다.
항행안전시설은 무엇을 위한 설비인가?
항행안전시설은 항공기의 안전한 항행(이륙 및 착륙 포함)을 위한 설비이다. 그 중 L-Band의 항행안전시설은 항행 중인 항공기에 전파를 이용하여 정보를 전달하는 항법보조시스템 역할을 한다.
Harmonic output matching 을 이용한 고효율 전력 증폭기, 박승원, 2015.
LDMOSFET를 이용한 L 대역 고속 펄스 고전력 증폭기 설계. 이희민, 2008.
무선전력 전송을 위한 RF 송신기 기술 동향 및 설계 기법, 강원실, 임종균, 박희수, 구현철, 전자공학회지, 2012
Raab. F. H., "Maximum efficiency and output of Class-F power amplifiers," IEEE Trans. MTT, vol. 49, No. 6, 991162-1166, June 2001
Grebennikov, A. V., "Switched-mode tuned high-efficiency power amplifiers: historical aspect and future prospect," IEEE RFIC Symp. pp. 49-52, 2-4 June 2002
Ingruber, B., Pritzl, W., Magerl, G., "High efficiency harmonic control amplifier," IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, vol. 2, pp. 859-862, 17-21 June 1996
Ji-Hoon Do, Won-Tae Kang, Jeong-Seok Jang and Ui-Seok Hong, " W-CDMA High Power Amplifier using Anti-Phase Intermodulation Distortion Linearization Technology," APMC2007, pp. 1-4, Dec.. 2007.
Yuuichi Aoki, "A 20-mA Quiescent Current Two-Stage W-CDMA Power Amplifier Using Anti-Phase Intermodulation Distortion" IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 357-360, 2004.
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