[논문]광대역 공간 결합 고출력 전력증폭기 개발

이호선; 박관영; 공동욱; 전종훈

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.4.286

광대역 공간 결합 고출력 전력증폭기 개발
Development of Wideband Spatial Combined High Power Amplifier 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.4, 2017년, pp.286 - 297

이호선 (알에프코어 주식회사) , 박관영 (알에프코어 주식회사) , 공동욱 (알에프코어 주식회사) , 전종훈 (알에프코어 주식회사)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 10개 단일 증폭기를 공간 결합하여 6~18 GHz의 광대역에서 동작하는 50 W급 공간 결합 고출력 전력 증폭기를 연구하였다. 동축형 공간 결합기는 안티-포달 안테나와 같은 원리로 동작하는 핀라인-마이크로스트립 라인 변환기로 이루어져 있으며, 이 변환기는 6~18 GHz의 광대역 특성을 갖도록 설계되었다. 그러므로 공간 결합기 설계에서 가장 중요한 부분은 PCB로 구현되는 핀라인-마이크로스트립 라인 변환기의 형상이며, 이는 Klopfensein의 최적 임피던스 Taper에 근거하여 설계한다. 또한, 10개로 구성된 단일 증폭기의 공간 결합 효율을 최대화 하기 위해 증폭 기간의 이득과 위상차를 각각 제어할 수 있는 CMOS 기반의 MFC(Multi-Function Core) MMIC와 10 W급 이상의 GaN 기반 종단 PA MMIC를 직접 개발하여 단일 증폭기에 내장하였다. 제작된 공간 결합 고출력 전력증폭기는 6~18 GHz의 거의 전대역에서 50 W 이상의 양호한 출력 특성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study of 6~18 GHz wideband high power amplifier which is composed of 10 single amplifier and coaxial type spatial power combiner. The property of this spatial power combiner is on a similar principle to antipodal antenna radiation mechanism. Therefore, the key structure of proposed spatial power combiner is the antipodal finline PCB board and the finline curve shape is numerically synthesized by using Klopfensein's optimum impedance taper. The measured CW output power of spatial combined high power amplifier is nearly 50 W. In conclusion we prove the good combining performance between the spatial power combiner and 10 single amplifier over 6~18 GHz frequency ranges. Also, we developed the key component PA and MFC MMIC which controls the phase and gain of the each amplifier, The main characteristic of MFC MMIC is to maximize combining efficiency of power amplifier.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그림 1은 일반적인 Corporate 방식의 결합과 공간 결합 방식에 대한 개념도이다. 이에 본 논문에서는 6～18 GHz의 광대역에서 10개의 단일증폭기를 동축형 공간결합기로 결합한 50 W급 공간결합 전력증폭기를 개발하고, 그에 따른 공간결합 성능을 검증한다. 또한, 자체 개발한 이득/실시간 지연 제어소자 MFC(Multi-Function Chip) MMIC를 이용하여 각각의 단일 증폭기 사이의 위상 및 이득 차이를 최소화하여 공간 결합 효율을 최대화 하였다.

가설 설정

단지 실제 제작한 동축형 공간 결합기의 최대 전달 손실은 그림 6에서 —2.6 dB이지만, 그림 9의 버짓에서는 추가적인 여유(Margin)를 고려하여 전달 손실을 —3.0 dB이라 가정하였다.

제안 방법

그림 6(a)는 동축형 공간 결합기의 제작 과정을 나타낸다. PCB로 구현되는 10개 핀라인 변환기를 삽입하기 위해서 공간 결합기의 몸통을 10등분하여 제작하였고, 이때 동축 선로의 내심과 외피는 서로 연결되어 하나의 기구가 되도록 하였다. 핀라인 변환기 PCB는 Roger社 RO-4003(ε_r =3.
그림 11은 개발된 PA MMIC의 회로도와 함께 칩 상태에서의 소신호 및 출력 특성을 측정한 결과이다. 개발된 PA MMIC는 이득과 출력을 높이기 위해서 구동단과 출력단으로 구성되며, 광대역 동작을 위해서 Distributed 구조로 설계하였다. 측정 결과, 6～18 GHz 전대역에서 20 dB 내외의 소신호 이득과 —10 dB 내외의 반사손실이 확인되며, 40 dBm 이상의 출력 특성을 확인할 수 있다.
위 식에 근거하여 계산된 커브의 형상과 설계된 핀라인 변환기를 그림 4에 나타내었다. 계산된 핀라인 Taper의 커브 형상을 바탕으로 상용 EM 시뮬레이션 Tool인 HFSS로 시뮬레이션하며, 시행착오 과정을 반복한다. 그림 4에서 표시한 핀라인 변환기의 주요 설계 변수에서 폭 8 mm는 동축선로의 특성 임피던스를 결정짓는 주요 치수이며, 6～18 GHz의 대역폭에서 고차모드가 발생되지 않는 최대한의 길이가 되도록 한다.
3 mm) 기판을 이용하였다. 공간 결합기 내에 10개의 단일 증폭기가 삽입 될 것을 고려하여, 제작하는 공간 결합기는 Screw 체결 방식으로 완전 조립 및 분해가 가능하도록 기구를 제작하였다. 그림 6(b)는 제작된 동축형 공간 결합기의 측정 결과이다.
광대역에서 다수개의 단일증폭기를 동시에 공간 결합할 수 있는 동축형 공간결합기를 설계, 제작하여 우수한 특성을 확인하였다. 이러한 동축형 공간 결합기와 10개의 단일증폭기를 결합하여 6～18 GHz에서 동작하는 광대역 50 W 급 공간 결합 전력증폭기를 개발하여, 동축형 공간 결합기의 우수한 결합 특성을 검증하였다.
또한, 앞서 설명하였듯이, 동축선로에 삽입된 핀라인 변환기 PCB는 금속면과의 조립 상태에 따라서 단일 증폭기의 전달 특성은 민감하게 영향을 받을 것이라 예상된다. 따라서 이러한 문제점을 예상하여 실시간 지연과 이득을 제어할 수 있는 CMOS MFC MMIC 칩을 단일 증폭기에 적용하며, 최종 완성된 공간 결합 전력증폭에서는 외부 컴퓨터를 이용한 MFC 제어를 통해서 단일 증폭기의 튜닝 및 이에 따른 결합효율을 극대화 하고자 한다. 그림 12는 개발된 MFC MMIC의 블록도와 함께 주요 제어 비트에 대한 실시간 지연 및 이득 제어 특성이다.
이러한 동축형 공간 결합기와 10개의 단일증폭기를 결합하여 6～18 GHz에서 동작하는 광대역 50 W 급 공간 결합 전력증폭기를 개발하여, 동축형 공간 결합기의 우수한 결합 특성을 검증하였다. 또한, 자체 개발한 PA와 MFC MMIC를 이용하여 각각 단일 증폭기 간의 효과적인 이득/실시간 지연 제어를 통해서 공간결합 전력증폭기의 출력 특성을 최대화 하였다. 이를 기반으로, 소형/경량의 수십～수백 W급의 광대역 고출력 전력 증폭기 개발이 가능하며, 이는 기존의 TWTA를 대체하여 전자전 분야 등에 유용하게 적용 가능하다 생각된다.
이에 본 논문에서는 6～18 GHz의 광대역에서 10개의 단일증폭기를 동축형 공간결합기로 결합한 50 W급 공간결합 전력증폭기를 개발하고, 그에 따른 공간결합 성능을 검증한다. 또한, 자체 개발한 이득/실시간 지연 제어소자 MFC(Multi-Function Chip) MMIC를 이용하여 각각의 단일 증폭기 사이의 위상 및 이득 차이를 최소화하여 공간 결합 효율을 최대화 하였다.
또한, 핀라인 Taper의 길이 ‘Length’와 함께 안티-포달 안테나에서 Balun 역할을 하는 그림 4의 ‘Gap’의 치수도 동시에 조정하여 최적의 전달 특성을 갖도록 핀라인 변환기를 설계한다.
광대역에서 다수개의 단일증폭기를 동시에 공간 결합할 수 있는 동축형 공간결합기를 설계, 제작하여 우수한 특성을 확인하였다. 이러한 동축형 공간 결합기와 10개의 단일증폭기를 결합하여 6～18 GHz에서 동작하는 광대역 50 W 급 공간 결합 전력증폭기를 개발하여, 동축형 공간 결합기의 우수한 결합 특성을 검증하였다. 또한, 자체 개발한 PA와 MFC MMIC를 이용하여 각각 단일 증폭기 간의 효과적인 이득/실시간 지연 제어를 통해서 공간결합 전력증폭기의 출력 특성을 최대화 하였다.
이제까지 고주파 대역에서 고출력의 전력을 위해서 클라이스트론, 마그네트론, 진행파관과 같은 진공관 형태의 단일 소자에 고전압전원공급기를 통해서 매우 높은 전압을 인가하는 기술을 이용하였다. 이러한 기술은 수 백 W에서 수 kW의 고출력을 발생시킬 수 있으나, 긴 예열시간, 5 % 이내의 짧은 듀티사이클, 짧은 수명, 수 kV 이상의 고전압전원공급기 및 저 신뢰성으로 송신기의 운영유지에 많은 대기시간과 비용을 차지하는 단점을 갖고 있다.
그림에서 표시된 종단의 PA MMIC와 MFC MMIC는 직접 개발한 소자를 사용한다. 종단 PA MMIC는 대만의 Winsemi社의 공정을 이용하여 개발하였으며, 필요로 하는 38.5 dBm(7.1 W)의 단일 증폭기 출력에 여유 (Margin)을 감안하여 최소 40 dBm(10 W) 출력을 갖도록 제작하였다. CMOS 기반의 MFC MMIC는 튜닝 비트를 포함하여 7비트로 동작하며, 실제 단일증폭기 내에서는 6 비트로 이득과 실시간 지연(Thru Time Delay)을 제어한다.

대상 데이터

핀라인 변환기 PCB는 Roger社 RO-4003(εr =3.38, 두께=0.3 mm) 기판을 이용하였다.

성능/효과

(a)에서 10개 단일증폭기는 모두 —10 dB 이하의 양호한 반사손실과 함께 30 dB 이상으로 모두 비슷한 소신호 이득 특성이지만, 각각의 단일 증폭기는 약간씩 높고 낮은 정도의 이득 산포를 가진다.
(a)에서 임피던스 천이기가 없을 때의 동축형 공간 결합기의 설계 결과, 일부를 제외한 6～18 GHz 거의 전 주파수 대역에서 —20 dB 이하의 반사손실 특성과 그에 따른 왜곡 없는 전달 특성을 보여주며, Linear Taper의 임피던스 천이기를 포함한 전체 동축형 공간 결합기에서는 —15 dB 이하의 반사손실 특성을 나타낸다.
85 Ω 동축 선로 특성 저항값만 다르게 적용하면 된다. 16개 분배/결합의 동축형 공간 결합기 측정 결과, 양호한 전달 특성이 확인되며, 이로써 동축형 공간 결합기는 공간 결합하는 단일 증폭기 개수에 대한 확장성을 검증하였다.
5 Ω의 특성 임피던스를 핀라인 변환기의 50 Ω 마이크로스트립 라인으로 임피던스 천이하는 역할을 한다. 따라서 위의 임피던스 변환 관계를 적절히 이용하면 공간 결합하고자 하는 개수를 10개가 아닌 임의 개수로 확장 가능하며, 그에 따른 결합하고자 하는 단일 증폭기의 수를 적절하게 조정할 수 있다. 그림 7은 16개 분배/결합의 동축형 공간 결합기의 제작 형상과 측정 결과이다.
^[1] 본 논문에서의 설계 및 제작 결과와 비교하여, 시뮬레이션에서의 —15 dB 정도 반사손실과 측정에서의 최대 —9 dB 정도 반사손실 특성이 확인되며, 이는 앞서 소개한 본 논문의 설계 및 제작 결과와 유사하다. 또한, 삽입 손실의 평탄도 및 리플(Ripple)의 정도는 본 논문에서의 제작 결과가 약간 더 우수함을 볼 수 있다.
그림 13(a)의 단일증폭기 반사손실 특성과 비교하여 리플(Ripple)이 많지만 —10 dB 이하의 양호한 반사손실 특성과, 단일증폭기와 매우 유사한 30 dB 내외의 소신호 이득 특성을 보여준다. 이와 같이 최종 제작된 공간결합 전력증폭기의 소신호 특성은 단일 증폭기의 소신호 특성을 거의 유지하고 있음을 확인할 수 있고, 따라서 10개의 단일증폭기는 왜곡 없이 공간 결합되어 있음을 확신 할 수 있다. 덧붙여서, 그림 6의 시험용 공간 결합기는 통상적인 조립 상태에 대한 공간결합기의 특성을 확인하기 위한 것이므로 그림 6의 측정 결과와 그림 17의 측정 결과에서 최대 반사손실 발생 지점 등을 수평 비교하는 것은 무리가 있다.
측정 결과, 6～18 GHz 전대역에서 20 dB 내외의 소신호 이득과 —10 dB 내외의 반사손실이 확인되며, 40 dBm 이상의 출력 특성을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Corporate 방식의 근본적인 문제점을 해결하기 위해 다수개의 단일증폭기를 동시에 결합하는 이유는 무엇인가?	더욱이 Corporate 전력 결합 방식에 사용되는 윌키는 분배/결합기는 이론적으로 전송선의 1/4 파장을 기준으로 설계되어지는 소자이므로, 6～18 GHz의 3옥타브에 이르는 광대역에서는 특성 구현에 제한이 많으며, 다단으로 대역폭을 넓혔다고 하더라도 Corporate 방식의 근본적인 문제점은 해결할 수 없다. 그에 반해서 동축선이나 도파관과 같은 제한된 공간 내에서 광학 또는 안테나의 원리를 이용하여 다수개의 단일증폭기를 동시에 결합하는 공간 결합 방식은 위에서 설명한 Corporate 방식의 결합 문제를 극복할 수 있는 대안으로 제시된다. 그림 1은 일반적인 Corporate 방식의 결합과 공간 결합 방식에 대한 개념도이다.
	고주파 대역에서 고출력의 전력을 발생하기 위해 사용된 기술은?	이제까지 고주파 대역에서 고출력의 전력을 위해서 클라이스트론, 마그네트론, 진행파관과 같은 진공관 형태의 단일 소자에 고전압전원공급기를 통해서 매우 높은 전압을 인가하는 기술을 이용하였다. 이러한 기술은 수 백 W에서 수 kW의 고출력을 발생시킬 수 있으나, 긴 예열시간, 5 % 이내의 짧은 듀티사이클, 짧은 수명, 수 kV 이상의 고전압전원공급기 및 저 신뢰성으로 송신기의 운영유지에 많은 대기시간과 비용을 차지하는 단점을 갖고 있다.
	고주파 대역에서 고출력의 전력을 내기 위한 기술의 단점은 무엇인가?	이제까지 고주파 대역에서 고출력의 전력을 위해서 클라이스트론, 마그네트론, 진행파관과 같은 진공관 형태의 단일 소자에 고전압전원공급기를 통해서 매우 높은 전압을 인가하는 기술을 이용하였다. 이러한 기술은 수 백 W에서 수 kW의 고출력을 발생시킬 수 있으나, 긴 예열시간, 5 % 이내의 짧은 듀티사이클, 짧은 수명, 수 kV 이상의 고전압전원공급기 및 저 신뢰성으로 송신기의 운영유지에 많은 대기시간과 비용을 차지하는 단점을 갖고 있다. 따라서 최근에는 소형/경량의 고출력 전력증폭기를 위해서 다수개의 단일증폭기를 새로운 방식으로 결합하는 연구가 해외에서 활발하게 이루어지고 있다.

참고문헌 (10)

H. Javadi-Bakhsh, et al., "A wideband twenty-element microwave spatial power combiner", Scientia Iranica D, pp. 853-860, Mar. 2014.
Jia, P. "Broadband power combining device using antipodal nline structure", Capwireless Inc., U.S. Patent.
D. I. L. de Villiers, P. W. van der Walt, and P. Meyer, "Design of conical transmission line power combiners using tapered line matching sections", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 56, no. 6, pp. 1478-1484, 2008.

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K. Song, Y. Fan, and Z. He, "Broadband radial waveguide spatial combiner", IEEE Microwave and Wireless Component Letters, vol. 18, no. 2, pp. 73-75, 2008.

상세보기
S. E. Hosseini, A. Banai, "Ultrabroadband power amplier using 16-way spatial combining line array", Wiley Microwave and Optical Technology Letters, vol. 55, no. 2, pp. 454-460, 2013.

상세보기
N. S. Cheng, A. Alexanian, M. G. Case, D. B. Rensch, and R. A. York. "40-W CW broad-band spatial power combiner using dense finline arrays", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 7, pp. 1070-1076, Jul. 1999.

상세보기
A. Alexanian, R. A. York, "Broadband spatially combined amplifier array using tapered slot transitions in waveguide", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 7, no. 2, pp. 42-44, Feb. 1997.

상세보기
P. Jia, L. Y. Chen, A. Alexanian, and R. A. York, "Broadband high power amplifier using spatial power combining", IEEE Microwave Theory and Techniques Society, vol. 51, no. 12, pp. 2469-2475, Dec. 2003.

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Behzad Razavi, "Design of analog CMOS integrated circuits", 2000.
Behzad Razavi, "RF microelectronics", 2011.

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