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문제 정의
- 본 논문에서는 ISM (industrial scientific medical) 대역 2.45 GHz 주파수에서 플라즈마 발생의 에너지원으로 사용되는 고출력 증폭기를 LDMOS FET 계열의 반도체 소자를 이용하여 구현한 것과 저손실과 고출력 특성을 만족하는 레디알 공간 결합 방식의 결합기를 적용한 증폭기 시스템 구현에 대해서 서술하였다. 구현된 증폭기 시스템은 PLL (phase locked loop)을 이용하여 CW (continuous wave) 신호를 발생시킨 신호발생 장치와 이 신호를 구동 증폭기로 증폭하고, 높은 출력을 얻을 수 있는 최종 전력 증폭기로 구성되었다.
제안 방법
- 16개의 종단 전력증폭기를 결합할 때 저 손실 및 고출력이 가능하도록 각각의 포트의 크기 변동 폭은 ± 0.3 dB 이내가 되도록 하고 위상 변동 폭은 ± 5o 이내가 되도록 설계 되었다.
- 각각의 제작된 신호 발생기 및 증폭기 모듈을 레디알 결합기에 효율적으로 조립이 될 수 있도록 원형 구조로 배치하여 그림 8과 같이 설계하였다. 각각의 증폭기 모듈은 내부 트랜지스터 소자에서 발생하는 발열을 최소화 하도록 방열해 주기 위해 수냉식 방열을 고안하여 각각의 모듈이 일정한 온도를 유지 할 수 있도록 설계하였다.
- 각각의 제작된 신호 발생기 및 증폭기 모듈을 레디알 결합기에 효율적으로 조립이 될 수 있도록 원형 구조로 배치하여 그림 8과 같이 설계하였다. 각각의 증폭기 모듈은 내부 트랜지스터 소자에서 발생하는 발열을 최소화 하도록 방열해 주기 위해 수냉식 방열을 고안하여 각각의 모듈이 일정한 온도를 유지 할 수 있도록 설계하였다.
- 공간 분배 및 결합 방식은 16개의 소자를 공간상의 구조적인 대칭 특징을 이용하여 여러 단계의 분배와 결합을 거치지 않고 16개의 입력이 한 개의 출력으로 이루어졌다. 이러한 특징은 결합 갯수가 증가하는 경우 결합 시 효율이 증가하고 구조적으로 단순한 설계가 가능해 진다.
- 45 GHz 주파수에서 플라즈마 발생의 에너지원으로 사용되는 고출력 증폭기를 LDMOS FET 계열의 반도체 소자를 이용하여 구현한 것과 저손실과 고출력 특성을 만족하는 레디알 공간 결합 방식의 결합기를 적용한 증폭기 시스템 구현에 대해서 서술하였다. 구현된 증폭기 시스템은 PLL (phase locked loop)을 이용하여 CW (continuous wave) 신호를 발생시킨 신호발생 장치와 이 신호를 구동 증폭기로 증폭하고, 높은 출력을 얻을 수 있는 최종 전력 증폭기로 구성되었다. 여기에서는 높은 출력 전력을 얻기 위해서 구동 증폭기 신호를 분배하는 16 경로 분배기와 종단 전력 증폭단의 신호를 하나의 출력으로 결합해 주는 16 경로 결합기를 사용하여 결합함으로서 만족할 만한 특성을 얻었다[8-10].
- 동일한 특성을 갖는 종단 전력증폭기 16개를 제작하였고 이 종단 전력증폭기가 결합기에서 결합이 되도록 각 종단 전력 증폭기의 위상은 ± 5° 이내로 튜닝하였다.
- 최종 출력은 워터로드로 연결하여 고출력 신호를 종단시켰고, 고출력 반도체 전력증폭기를 방열시키고 일정한 온도가 유지되며 출력이 안정되도록 외부의 칠러의 내부 수냉 파이프를 통해 물을 순환시켰다. 또한, 웨이브가이드 커플러의 커플 링 포트에서 출력된 신호를 파워미터 또는 스펙트럼 분석기로 최종 출력을 확인하였다. 전력증폭기 장치의 고장을 방지하기 위해서 신호 발생기의 감쇠기를 GUI(graphical user interface)로 제어하여 순차적으로 출력을 변화시키면서 실험 하였다.
- 본 논문에서 고출력 증폭기 시스템을 구성하는데 필요한 신호발생기, 구동 전력 증폭기, 종단 전력 증폭기, 16 경로 분배기 및 결합기 등의 각 모듈의 특성을 각각 확인하였고 이 모듈을 시스템 형상과 같이 조합하고 각 모듈의 방열을 위해 수냉식 구조를 적용하여 제작 하였다. 본 실험을 통해 반도체 소자를 이용한 전력증폭기를 16개 결합하여 최종 3 kW 출력을 얻었고, 50% 이상의 효율을 얻었다.
- 구현된 증폭기 시스템은 PLL (phase locked loop)을 이용하여 CW (continuous wave) 신호를 발생시킨 신호발생 장치와 이 신호를 구동 증폭기로 증폭하고, 높은 출력을 얻을 수 있는 최종 전력 증폭기로 구성되었다. 여기에서는 높은 출력 전력을 얻기 위해서 구동 증폭기 신호를 분배하는 16 경로 분배기와 종단 전력 증폭단의 신호를 하나의 출력으로 결합해 주는 16 경로 결합기를 사용하여 결합함으로서 만족할 만한 특성을 얻었다[8-10].
- 또한, 웨이브가이드 커플러의 커플 링 포트에서 출력된 신호를 파워미터 또는 스펙트럼 분석기로 최종 출력을 확인하였다. 전력증폭기 장치의 고장을 방지하기 위해서 신호 발생기의 감쇠기를 GUI(graphical user interface)로 제어하여 순차적으로 출력을 변화시키면서 실험 하였다.
- 전체 시스템의 수냉식 방열을 위한 연결은 그림 9와 같으며 종단 전력 증폭기 각각의 모듈에 방열을 위해 입수구를 통해 들어온 물이 16개로 분배가 되고 유속이 일정하게 유지되도록 같은 길이의 호스를 제작하였다. 일정한 물의 온도 유지와 유속이 일정하게 되도록 조정하기 위해서는 외부에 칠러 장비를 이용하여 압력의 조절이 필요하다.
- 제작된 고출력 반도체 증폭기 시스템은 ①번 영역에 위치하고 ②번 영역의 웨이브가이드 커플러와 연결시켜 출력 신호를 커플링 시켰으며, 최종 출력은 ③번 영역의 워터로드로 입력되어 종단시켰다. ②번 영역에서 커플링 된 신호는 ④번 영역의 계측기로 입력되어 신호를 측정하였다.
대상 데이터
- 일정한 물의 온도 유지와 유속이 일정하게 되도록 조정하기 위해서는 외부에 칠러 장비를 이용하여 압력의 조절이 필요하다. 1개의 구동 전력증폭기와 16개의 종단 전력증폭기의 효과적인 방열을 위해 모듈 내부의 트랜지스터와 가강 가깝게 물의 흐름이 위치하도록 하고 모듈의 입수구와 출수구는 분리 구조가 될 수 있도록 쿨랜스 사의 피팅인 QD3-FS10X13-BK를 사용 하였다.
- 그림 2에서 ①번 영역은 구동 증폭기와 이득조절을 위한 가변 저항과 온도 이득 보상을 위한 Yantel 사의 Thermal PAD 3N9로 구현하였다. 1차 구동 증폭기는 Avago 사의 MGA-31289, 2차 증폭기는 Qorvo 사의 TQP7M9102를 사용하였다. ②번 영역은 종단 증폭기를 구동하기 위한 구동 증폭기로 NXP 사의 MHT1008N 를 사용하였다.
- 내부는 총 1단의 증폭기와 아이솔레이터로 구성되어 있다. ①번 영역은 종단 전력증폭기로 NXP 사의 MHT1004N을 사용하였다. ②번 영역에서 증폭된 신호는 순방향으로 전달하고 회로를 보호하기 위해 Admotech 사의 ADC264CD 써큘레이터를 사용하였고, 역방향으로 반사된 신호를 차단하기 위해 Anaren 사의 G3005N50W4 터미네이션을 사용하였다.
- ①번 영역은 종단 전력증폭기로 NXP 사의 MHT1004N을 사용하였다. ②번 영역에서 증폭된 신호는 순방향으로 전달하고 회로를 보호하기 위해 Admotech 사의 ADC264CD 써큘레이터를 사용하였고, 역방향으로 반사된 신호를 차단하기 위해 Anaren 사의 G3005N50W4 터미네이션을 사용하였다. 동일한 특성을 갖는 종단 전력증폭기 16개를 제작하였고 이 종단 전력증폭기가 결합기에서 결합이 되도록 각 종단 전력 증폭기의 위상은 ± 5° 이내로 튜닝하였다.
- ④번 영역은 증폭된 신호가 순방향으로 전달되게 하고 회 로를 보호하기 위해 Admotech 사의 ADC264CD 써큘레이터를 사용하였고, 역방향으로 반사된 신호를 종단시키기 위해 Anaren 사의 G3005N50W4 터미네이션을 사용하였다.
- ②번 영역은 종단 증폭기를 구동하기 위한 구동 증폭기로 NXP 사의 MHT1008N 를 사용하였다. 또, ③번 영역은 종단 증폭기로 NXP 사의 MHT1004N을 사용하였다.
성능/효과
- 그림 6은 종단 전력 증폭기의 효율을 계산하기 위해서 나 타낸 결과로 출력이 251 W 출력시 전압은 30 V, 전류는 14.42 A를 소모됨으로 인하여 그에 따른 효율은 약 58%가 되는 것을 알 수 있었다.
- 본 논문에서 고출력 증폭기 시스템을 구성하는데 필요한 신호발생기, 구동 전력 증폭기, 종단 전력 증폭기, 16 경로 분배기 및 결합기 등의 각 모듈의 특성을 각각 확인하였고 이 모듈을 시스템 형상과 같이 조합하고 각 모듈의 방열을 위해 수냉식 구조를 적용하여 제작 하였다. 본 실험을 통해 반도체 소자를 이용한 전력증폭기를 16개 결합하여 최종 3 kW 출력을 얻었고, 50% 이상의 효율을 얻었다.
- 앞에서 언급한 것과 비교하여 반도체 소자를 사용한 전력 증폭기는 먼저, 노이즈 특성은 뛰어난 성능을 가지고 있으며, 수명시간은 마그네트론의 약 6배인 50,000시간을 갖고 있고, 주파수 가변성은 50%이상, 그리고 주파수 안정도는 마 네트론에 비해 월등히 우수하다. 또한 구동 전압도 직류 32V 내외로 구동되어 고압 케이블이 필요 없고 소형화가 가능하다 [4]-[7].
- 그림 5는 300 W 종단 증폭기와 구동 증폭기의 연동 실험을 나타낸 사진이다. 이 증폭기의 연동 실험에 의한 이득과 반사손실 특성을 살펴보면, 69 dB의 이득과 반사 손실은 -24 dB 이상 나오는 것을 확인하였다.
- 8 Vdc의 소모 전류는 201 A로 총 5,989 W의 전력이 소모되었으며, 시험 결과 고출력 RF 신호 발생 시스템의 전력 효율은 약 51%이다. 종단 증폭기가 약 58% 효율임을 감안했을 때 16 개의 증폭기를 결합했음에도 50% 이상의 효 율 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 05 kW의 고출력 RF 신호가 발생 되는 것을 확인할 수 있다. 측정된 결과값은 3.05 kW 출력에서 전압 +29.8 Vdc의 소모 전류는 201 A로 총 5,989 W의 전력이 소모되었으며, 시험 결과 고출력 RF 신호 발생 시스템의 전력 효율은 약 51%이다. 종단 증폭기가 약 58% 효율임을 감안했을 때 16 개의 증폭기를 결합했음에도 50% 이상의 효 율 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 고출력 반도체 전력증폭기 시스템의 출력과 소모 전류는 그림 11에 나타내었다. 파워미터에 측정된 값은 65.08 dBm으 로 2.45 GHz에서 3.05 kW의 고출력 RF 신호가 발생 되는 것을 확인할 수 있다. 측정된 결과값은 3.
- 반도체 소자를 적용한 고출력 증폭장치는 마그네트론에 비해 월등히 높은 운용 시간과 낮은 고장률 그리고 유지 보수비용이 작은 장점을 갖고 있지만, 그것과는 반대로 제작 과정이 복잡하고 마그네트론에 비해 상대적으로 제작비용이 높은 단점을 갖고 있다. 하지만, 이 증폭 시스템은 전체 시스템 안정도와 에너지 직접도, 그리고 유지보수 등을 고려했을 때 마그네트론 및 클라이스트론을 대체 할 수 있는 증폭장치가 될 수 있음을 확인하였다
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