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문제 정의
- 본 논문에서는 높은 출력 전력을 갖는 반도체 전력 발진기에 대한 연구를 수행하였다. 300 W급 LDMOS 두 개를 결합하여 고출력 발진기를 설계하였고 특성을 확인하였다.
- 본 논문은 마그네트론 대체를 위한 고출력 전력 발진기 모듈에 대해서 기술하였다. Ampleon 300 W급 LDMOS소자인 BLC2425M8LS300P을 이용하여 설계하였다.
가설 설정
- 그러기 위해서는 열해석이 반드시 필요로 한다. 기본적인 조건은 바닥은 구리로 하고 트랜지스터는 0.1 mm 두께로 납땜이 되어 있고 외부 온도는 25℃라고 가정한다. 그리고 열 전력은 효율 40 %를 가정하여 각각 750 W 열 전력을 발산한다고 가정하였다.
- 1 mm 두께로 납땜이 되어 있고 외부 온도는 25℃라고 가정한다. 그리고 열 전력은 효율 40 %를 가정하여 각각 750 W 열 전력을 발산한다고 가정하였다. 먼저 그림 7(a)의 결과를 확인하면 FAN으로 열을 낮추는 것은 한계가 있다.
제안 방법
- 본 논문에서는 높은 출력 전력을 갖는 반도체 전력 발진기에 대한 연구를 수행하였다. 300 W급 LDMOS 두 개를 결합하여 고출력 발진기를 설계하였고 특성을 확인하였다.
- 이 소자는 300 W급 소자이며, 높은 ruggedness를 가지며 CW로도 동작이 가능하다. Vd=32 V(드레인 전압)로 일반적으로 동작시키고, 본 연구에서는 class-AB로 설계하였다. 트랜지스터는 비선형 동작하기 때문에 시뮬레이션을 통해서 트랜지스터의 동작 특성을 확인하였다.
- Vd=32 V(드레인 전압)로 일반적으로 동작시키고, 본 연구에서는 class-AB로 설계하였다. 트랜지스터는 비선형 동작하기 때문에 시뮬레이션을 통해서 트랜지스터의 동작 특성을 확인하였다. 이는 Ampleon에서 제공되는 Agilent Advanced Design System(ADS) 시뮬레이션 코드를 사용하여 하모닉 로드풀(harmonic load-pull)을 수행하였다.
- 설계된 회로를 이용하여 실제로 제작하여 특성을 확인하였다. 그림 4(a)는 설계된 전력 증폭기의 설계 구성도이다.
- 제작된 회로의 특성을 확인하기 위해서 펄스 실험을 통해서 증폭기 특성을 확인하였다. Duty=0.
- 5 %(PRF=50Hz, PW=100 μs)로 진행하였다. 펄스를 위해서 펄스 발생기와 펄스 스위치를 이용하여 신호 발생기에서 펄스 신호가 나오도록 하였다. 그리고 2개의 구동 증폭기를 연결하였다.
- 펄스를 위해서 펄스 발생기와 펄스 스위치를 이용하여 신호 발생기에서 펄스 신호가 나오도록 하였다. 그리고 2개의 구동 증폭기를 연결하였다. 그리고 단일 전력 증폭기 전단에는 커플러를 연결하여 입력 전력도 동시에 측정하였다.
- 그리고 단일 전력 증폭기 전단에는 커플러를 연결하여 입력 전력도 동시에 측정하였다. 그리고 3개의 증폭기 사이사이에는 서큘레이터를 넣어서 반사되는 신호를 막아주어 보호할 수 있도록 하였다. 마지막으로 입력, 출력 전력은 피크 파워 센서와 파워 미터로 출력 전력을 측정하였다.
- 그리고 3개의 증폭기 사이사이에는 서큘레이터를 넣어서 반사되는 신호를 막아주어 보호할 수 있도록 하였다. 마지막으로 입력, 출력 전력은 피크 파워 센서와 파워 미터로 출력 전력을 측정하였다.
- 두 개의 전력 증폭기를 결합하기 위해서는 결합기 및 분배기가 필요하다. 여러 가지 종류의 결합기가 있지만 본 연구에서는 Gysel 결합기를 설계하고 제작하였다[12]. 그림 6(a)는 결합기의 제작된 사진이고, 그림 6(b)는 HFSS로 시뮬레이션한 결과와 실제 측정한 결과이다.
- 그렇게 했을 때 최대온도는 108℃까지 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그래서 본 연구에서는 수냉식을 선택한다.
- 이를 단일 전력 증폭기에 대한 검증이 되었기 때문에 시뮬레이션으로 발진 조건을 찾아준다. 발진 조건은 ADS 시뮬레이션을 이용하였고 OSC port를 이용하여 발진이 일어나는 조건을 확인하였다. 그림 9는 발진이 일어났을 때 나타나는 위상이 0이 되는 주파수를 확인하였다.
- 그림 9는 발진이 일어났을 때 나타나는 위상이 0이 되는 주파수를 확인하였다. 그리고 부성저항의 특성도 시뮬레이션으로 확인하였다. 시뮬레이션으로 2.
- 325 GHz에서 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 시뮬레이션을 통해서 발진이 일어나는 것을 확인하였고 여러 조건을 바꾸면서 특성을 확인하였다.
- 커플링 capacitor도 변화하고 위상도 변화하면서 최적화되는 조건을 찾았다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 Vg=2.
- 앞에서 설계된 단일 전력 증폭기를 이용하여 두 개가결합된 모듈을 제작하였다. 제작된 발진기 모듈은 그림11과 같이 구성을 하였다.
- 제작된 발진기 모듈은 그림11과 같이 구성을 하였다. 앞에서 설계한 단일 전력 증폭기를 두 개 결합하여 모듈을 제작하였다. 출력단은 트랜지스터를 보호하기 위해서 서큘레이터를 삽입하였다.
- 출력단은 트랜지스터를 보호하기 위해서 서큘레이터를 삽입하였다. 그리고 루프 회로 및 위상 천이기를 이용하여 위상을 조절하였다.
- 이렇게 제작된 발진기 모듈을 이용하여 발진기 실험을 진행하였다. 그림 12와 같이 실험 구성을 하였다.
- CW로 동작해야 하기 때문에 고용량 전원 공급기를 사용하였다. 그리고 주파수와 파워를 동시에 측정하기 위해서 감쇠기 다음에 Gysel 분배기를 통해서 스팩트럼과 파워 미터로 동시에 분배해서 주파수와 파워를 동시에 측정하였다. 그리고 트랜지스터의 온도가 상승할 수 있으므로 칠러를 사용하여 10 lpm(분당리터), 10℃의 물을 순환시켜줬다.
- Ampleon 300 W급 LDMOS소자인 BLC2425M8LS300P을 이용하여 설계하였다. 우선 단일 전력 증폭기로 ADS를 이용하여 설계하였다. 그리고 실제로 측정해서 특성을 확인하였고 결합기를 설계하고 측정을 하여 특성을 확인하였다.
- 우선 단일 전력 증폭기로 ADS를 이용하여 설계하였다. 그리고 실제로 측정해서 특성을 확인하였고 결합기를 설계하고 측정을 하여 특성을 확인하였다. 그리고 발진기는 CW로 동작시켜야 하기 때문에 ANSYS ICEPACK을 이용하여 필요한 냉각 구조를 확인하였다.
- 그리고 실제로 측정해서 특성을 확인하였고 결합기를 설계하고 측정을 하여 특성을 확인하였다. 그리고 발진기는 CW로 동작시켜야 하기 때문에 ANSYS ICEPACK을 이용하여 필요한 냉각 구조를 확인하였다.
- 시뮬레이션을 통해서 얻어진 결과를 토대로 전력 발진기 모듈을 구조를 설계하였고, 위상 천이기를 이용하여 위상을 변화하면서 실험하였다. 실험 결과 주파수는 2.
- 그리고 2개의 구동 증폭기를 연결하였다. 그리고 단일 전력 증폭기 전단에는 커플러를 연결하여 입력 전력도 동시에 측정하였다. 그리고 3개의 증폭기 사이사이에는 서큘레이터를 넣어서 반사되는 신호를 막아주어 보호할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 요즘 마그네트론 대체를 위한 트랜지스터는 LDMOS타입으로 NXP와 Ampleon에서 생산되고 있다. 다양한 종류가 있지만 본 연구에서는 소자 안정도가 높은 Ampleon의 BLC2425M8LS300P소자를 선택하였다[11]. 이 소자는 300 W급 소자이며, 높은 ruggedness를 가지며 CW로도 동작이 가능하다.
- 본 논문은 마그네트론 대체를 위한 고출력 전력 발진기 모듈에 대해서 기술하였다. Ampleon 300 W급 LDMOS소자인 BLC2425M8LS300P을 이용하여 설계하였다. 우선 단일 전력 증폭기로 ADS를 이용하여 설계하였다.
이론/모형
- 트랜지스터는 비선형 동작하기 때문에 시뮬레이션을 통해서 트랜지스터의 동작 특성을 확인하였다. 이는 Ampleon에서 제공되는 Agilent Advanced Design System(ADS) 시뮬레이션 코드를 사용하여 하모닉 로드풀(harmonic load-pull)을 수행하였다. 그 결과 이때 2.
성능/효과
- 그림 3(a)는 증폭기가 동작할 때 입력전력 변화에 따른 출력 전력, 이득, 효율에 관한 특성 그래프이다. 2.35 GHz에서 최대 출력이 56 dBm, 최대 이득은 14 dB, 효율은 약 50 %의 효율을 갖는 것을 확인하였다. 그림 3(b)를 보면 주파수 특성을 볼 수 있는데, 2.
- 그림 6(a)는 결합기의 제작된 사진이고, 그림 6(b)는 HFSS로 시뮬레이션한 결과와 실제 측정한 결과이다. 시뮬레이션에서 예측과 유사하게 반사계수는 -20 dB 이하, 전송 특성 S21, S31은 약 -3.2 dB, 그리고 격리도는 -20 dB로 특성을 만족하였다.
- 그리고 부성저항의 특성도 시뮬레이션으로 확인하였다. 시뮬레이션으로 2.325 GHz에서 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 시뮬레이션을 통해서 발진이 일어나는 것을 확인하였고 여러 조건을 바꾸면서 특성을 확인하였다.
- 5 pF에서 동작하였다. 위상 변화에 따른 변화를 살펴보면 2.3 GHz 근처에서 가장 높은 출력 60.4 dBm에 효율 56 %로 나타났고 2.5GHz 근처에서 두 번째로 높은 출력 60 dBm에 효율 44 % 의 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 이 실험 구성으로 실험을 진행하였고, 그 결과 두 주파수에서 발진이 일어나는 것을 확인하였다. 2.
- 이 실험 구성으로 실험을 진행하였고, 그 결과 두 주파수에서 발진이 일어나는 것을 확인하였다. 2.327 GHz에서는 발진했을 때 측정된 결과는 Pout=59.2 dBm, 효율=58 %로 측정되었고, 2.57 GHz에서는 56.6 dBm, 효율 30 %로측정이 되었다. 이는 그림 9처럼 시뮬레이션에서 예상한 경향이 유사하다.
- 이는 그림 9처럼 시뮬레이션에서 예상한 경향이 유사하다. 두 개의 높은 출력 값을 비교하면 2.3 GHz 근처가 2.5 GHz 근처보다 약간 높고 효율도 더 좋은 것을 확인할 수 있다. 이는 실험에서도 확인이 되었다.
- 시뮬레이션을 통해서 얻어진 결과를 토대로 전력 발진기 모듈을 구조를 설계하였고, 위상 천이기를 이용하여 위상을 변화하면서 실험하였다. 실험 결과 주파수는 2.327GHz에서 최대출력 800 W, 효율 58 %로 측정이 되었다. 이는 ADS 시뮬레이션에서 예측한 결과와 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다.
- 이는 ADS 시뮬레이션에서 예측한 결과와 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단일 모듈을 발진시키는 것을 넘어서 2개의 모듈을 발진기로서 동작시킬 수 있는 것을 실험적으로 확인하였다. 추후 N개의 결합으로 구성을 한다면 RF 가열용 수십 kW급 전력 발진기 구현도 가능할 것으로 보인다.
후속연구
- 이는 단일 모듈을 발진시키는 것을 넘어서 2개의 모듈을 발진기로서 동작시킬 수 있는 것을 실험적으로 확인하였다. 추후 N개의 결합으로 구성을 한다면 RF 가열용 수십 kW급 전력 발진기 구현도 가능할 것으로 보인다.
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