[논문]X-대역 레이더용 SSPA 모듈 설계 및 제작

양성수

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.5.943

X-대역 레이더용 SSPA 모듈 설계 및 제작
Design and fabrication of SSPA module in X-band for Radar 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.5, 2018년, pp.943 - 948

양성수 (동신대학교 정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 GaN MMIC를 활용하여 X-band 레이더용 SSPA모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA의 구동 증폭기 단은 Gain Loss를 감안하여 GaN MMIC를 2단으로 구성하였다. 그리고 고출력 SSPA 모듈 구성을 위해 전력증폭단을 4단으로 설계함에 따라 전력분배기와 전력합성기는 4way 방식으로 설계하였다. 제작된 전력 분배기는 -3.0dB 이상의 손실을 나타내었으며, 전력합성기는 -0.2dB의 입출력 손실과 각 포트 간 위상차는 평균 $2^{\circ}$로 양호한 특성을 보이고 있다. 제작한 SSPA모듈 실험 측정 결과 9~10GHz 주파수 대역에서의 Gain은 48.0dB 이상인 것을 확인하였으며, P(sat)=88.3W (49.46dBm) 이상, PAE=30.3% 이상임을 확인하였다. 본 논문에서 제작된 X-Band SSPA 모듈 성능 확인과 전력분배기/합성기 개선을 통해 향후 SSPA모듈에 대한 RF성능 개선에 많이 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, SSPA Module for X-band radar was designed and fabricated by using GaN MMIC. For the purpose of configuring the high power SSPA module, the drive steamers are composed of 2-layers of GaN MMIC with considering Gain Loss. In addition, the power divider and power combiner used a 4way approach by designing a 4-stage power amplifier. The power divider has a loss of -3.0dB or more, and the I/O has a loss of -0.2dB in the power combiner and the phase difference between the ports are good at $2^{\circ}$ on average. The fabricated SSPA module got the measurement results that satisfy a Gain 48dB, P(sat)=88.3W(49.46 dBm), PAE=30.3% or more efficiency in condition of frequency range 9~10GHz. The fabricated X-Band SSPA module can be applied in RF performance improvement for SSPA module whit improvement of power divider/combiner.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. SSPA 모듈 블록도 Fig. 1 SSPA module block diagram
그림 그림 2. 전력분배기 설계 Fig. 2 Power divider design
그림 그림 3. 전력합성기 설계 및 시뮬레이션 Fig. 3 Power combiner design & simulation
그림 그림 4. Transition 모듈 설계 및 시뮬레이션 Fig. 4 Transition module design & simulation
그림 그림 5. 제작된 전력증폭기 모듈 Fig. 5 Fabrication of power amplifier module
그림 그림 6. 전력증폭기 소신호 측정 결과 Fig. 6 Result of drive amplifier measurement
그림 그림 7. 제작된 전력분배기(2way & 4way) Fig. 7 Fabrication of power divider (2way & 4way)
그림 그림 8. 전력분배기 측정 결과 Fig. 8 Result of power divider measurement
그림 그림 9. 제작된 4way 전력 합성기 Fig. 9 Fabrication of power combiner
그림 그림 10. 전력 합성기 측정 결과 Fig. 10 Result of power combiner measurement
그림 그림 11. 제작된 Transition 모듈 Fig. 11 Fabrication of transition module
그림 그림 12. Transition 모듈 측정 결과 Fig. 12 Result of transition modules measurement
그림 그림 13. 제작된 SSPA 모듈 Fig. 13 Fabrication of SSPA module
그림 그림 14. SSPA 모듈 소신호 시험 환경 Fig. 14 Test configuration of SSPA module small signal gain
그림 그림 15. SSPA 모듈 S-Parameter 측정 Fig. 15 Mesurement of SSPA module s-parameter
그림 그림 16. SSPA 모듈 출력 Power 시험 환경 Fig. 16 Test configuration of SSPA module output power
표 표 1. SSPA 모듈 출력 Power 측정 Table 1. Measurement of SSPA module output power

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 X-band 레이더용 SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA 모듈에 사용된 HPA는 30W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4350B 10mil 기판에 Wilkinson 구조의 Divider 및 Waveguide(WR90) Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다.
본 논문에서는 고출력 MMIC 증폭기를 2단으로 구성하고 전력분배기와 합성기를 설계하여 SSPA모듈을 제작하고 그 성능을 측정하였다. 먼저 Ⅱ장에서는 SSPA 모듈에 대한 전체적인 블록도와 모듈에 대한설계를 나타내고 있으며, Ⅲ장에서는 부품별 실험을 통하여 성능실험을 하였고 Ⅳ장에서 결론을 내리도록 한다.

제안 방법

SSPA 모듈에 사용하고자 하는 고출력 MMIC 증폭기(@ 9~10GHz)는 Pout은 30W(45dBm)이고, PAE는 35%, small signal gain은 19dB 인 Packaged High Power Amp.를 활용하였으며, Divider/Combiner 및 Transition 모듈 손실을 고려하여 SSPA 모듈의 Pout은 80W(49.1dBm), PAE는 25%, small signalgain은 40dB 이상의 목표로 설계하였다.
SSPA 모듈에 적용되는 부품들은 단품 시험을 통해 각 부품의 특성을 확인 후 SSPA 모듈에 적용하였다. 제작된 SSPA 모듈은 그림 13과 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.
SSPA에 적용된 구동증폭기는 사용되는 파워증폭기 성능을 고려하여 small signal gain은 18dB(@9^~10GHz)이하를 갖는 packaged MMIC 2단 구성으로 적용하였다.
전력 증폭기 모듈의 입출력은 50ohm Microstrip line 구조로 Combine 구조의 WR90 Waveguide 구조로 변환하기 위해 HFSS 시뮬레이션 툴을 활용하여 저손실 구조의 Transition을 설계하였다.
전력 증폭기는 Carrier 형태로 제작하여 조립 및 특성 확인에 좋은 구조를 갖게 제작하였으며, 별도로 TEST JIG를 제작하여 SSPA 모듈에 사용될 각 전력증폭기의 특성을 확인하였다. 제작된 전력증폭기 모듈은 그림 5와 같으며, 소신호 시험 측정 결과는 그림 6과 같이 5개의 모듈 측정을 진행하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 X-band 레이더용 SSPA 모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA 모듈에 사용된 HPA는 30W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4350B 10mil 기판에 Wilkinson 구조의 Divider 및 Waveguide(WR90) Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다. 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power는 설계 주파수 대역 9GHz~10GHz에서P(sat)=88.
SSPA 모듈의 블록은 그림 1과 같이 고출력 MMIC 증폭기의 입력을 확보하기 위한 2단 구동 증폭기, 고출력 MMIC 증폭기의 입력과 출력을 분배 및 합성하는 Wilkinson Divider와 Combiner, 출력 손실을 최소화하기 위해 Waveguide Combiner 적용을 위한 Microstrip to Waveguide Transition 부로 구성하였다.
또한 제작된 전력 합성기는 HFSS 시뮬레이션을 이용하여 설계한 데이터를 기반으로 RF 특성을 고려하여 알루미늄 재질에 은도금하여 제작하였으며, 그 형상은 그림 9와 같이 가공을 고려하여 상/하 2개의블록으로 제작하여 마운트하는 구조로 제작하였다. 제작된 전력 합성기의 RF 성능은 그림.
48, t=10mil) 기판을 사용하여 그림 2와 같은 Wilkinson Coupler 구조로 EM 시뮬레이션을 통한 최적 설계를 하였으며, Power Combiner는 저손실 구조를 Waveguide(WR90) 4way 구조로 상용화된 프로그램인 HFSS 시뮬레이션 툴을 활용하여 설계 제작하였다. 설계된 Power Combiner는 그림 3과 같이 2way wilkinson 구조로 기본 설계를 하였으며, 설계된 Power Combiner는 주파수 대역 9~10GHz에서 입출력 삽입손실은 -3.005dB 이상, 리턴로스는 약-32dB이상의 3dB 커플러 특성을 나타내었다.
제작된 전력 분배기는 Rogers사의 4350B, 10mil 기판을 활용하여, Wilkinson 구조를 이용한 4way 전력분배기를 제작하였다. 제작된 전력분배기는 그림.

데이터처리

SSPA 모듈에 있어 고출력 MMIC 증폭기에 전력을 나누어 공급하는 전력분배기와 고출력 MMIC 증폭기에서 증폭된 전력을 합성하는 전력합성기의 설계는 매우 중요하다. Power Divider는 Rogers사의 RO4350B(er =3.48, t=10mil) 기판을 사용하여 그림 2와 같은 Wilkinson Coupler 구조로 EM 시뮬레이션을 통한 최적 설계를 하였으며, Power Combiner는 저손실 구조를 Waveguide(WR90) 4way 구조로 상용화된 프로그램인 HFSS 시뮬레이션 툴을 활용하여 설계 제작하였다. 설계된 Power Combiner는 그림 3과 같이 2way wilkinson 구조로 기본 설계를 하였으며, 설계된 Power Combiner는 주파수 대역 9~10GHz에서 입출력 삽입손실은 -3.
SSPA 모듈에 적용되는 부품들은 단품 시험을 통해 각 부품의 특성을 확인 후 SSPA 모듈에 적용하였다. 제작된 SSPA 모듈은 그림 13과 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

7과같이 2way, 4way로 제작하여 실험하였으며, 실험 결과 그림 8과 같이 주파수 대역 9^~10GHz에서 입출력 손실은 평균 약 –5dB로 확인하였다. 3dB 커플러 설계를 토대로 제작한 결과 시뮬레이션 대비 실제 많은 입출력 손실을 보이는데 대해 분석한 결과 단순한50ohm 라인 길이에 의한 손실과 측정 커넥터에 의한 손실이 약 –1dB로 확인하였으며, 이러한 손실을 감안하면 실제 제작한 3dB 커플러의 자체 손실은 최대–1dB의 손실로 확인할 수 있다.
3% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모듈의 Gain은 측정 대역에서 약 48.08dB 이상임을 확인하였다. 비록 제작된 전력분배기의 입출력 손실이 설계치보다 많은 Loss 발생되었지만 이는 구동증폭기를 2단으로 삽입함으로써 보완하였으며, 출력단의 전력합성기의 Low-Loss로 제작된 SSPA 모듈의 만족하는 RF 성능 결과를 확인하였다.
08dB 이상임을 확인하였다. 비록 제작된 전력분배기의 입출력 손실이 설계치보다 많은 Loss 발생되었지만 이는 구동증폭기를 2단으로 삽입함으로써 보완하였으며, 출력단의 전력합성기의 Low-Loss로 제작된 SSPA 모듈의 만족하는 RF 성능 결과를 확인하였다. 향후 본 연구 개발을 바탕으로 전력분배/합성기 개선을 통하여 SSPA 모듈의 RF 성능을 개선할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
SSPA 모듈에 사용된 HPA는 30W급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4350B 10mil 기판에 Wilkinson 구조의 Divider 및 Waveguide(WR90) Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다. 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power는 설계 주파수 대역 9GHz~10GHz에서P(sat)=88.3W (49.46dBm) 이상의 특성을 확인하였으며, PAE=30.3% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모듈의 Gain은 측정 대역에서 약 48.
제작된 Transition 모듈은 그림 11과 같으며, 입출력 손실은 시뮬레이션 결과 그림 12와 같이 대비 손실이 다소 증가해 보이나, 측정 결과 주파수 대역9~10GHz 대역에서 평균 0.15dB 손실로 양호한 결과를 확인하였다. 또한 입출력 리턴로스는 약 -20dB의특성을 보이고 있으며, 각 Transition 모듈의 위상차는 최대 약 2°로 매우 양호한 특성을 보이고 있다.
제작된 전력증폭기 모듈은 그림 5와 같으며, 소신호 시험 측정 결과는 그림 6과 같이 5개의 모듈 측정을 진행하였다. 측정 주파수9~10GHz 대역에서 전력증폭기 Gain은 평균 19.5dB이상임을 확인하였으며, SSPA 손실을 줄이기 위해 각 모듈별 위상편차는 평균 약 3°를 확인하였다.

후속연구

비록 제작된 전력분배기의 입출력 손실이 설계치보다 많은 Loss 발생되었지만 이는 구동증폭기를 2단으로 삽입함으로써 보완하였으며, 출력단의 전력합성기의 Low-Loss로 제작된 SSPA 모듈의 만족하는 RF 성능 결과를 확인하였다. 향후 본 연구 개발을 바탕으로 전력분배/합성기 개선을 통하여 SSPA 모듈의 RF 성능을 개선할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SSPA 모듈은 어디에 응용될 수 있는가?	일반적으로 레이더용 송수신기는 큰 출력을 요구하므로 고출력 전력증폭기용 MMIC형태의 능동소자를 활용한 SSPA 모듈은 위성 통신 시스템 및 레이더 시스템에 응용될 수 있다[4-7]. 또한, LAN(: Local Area Network)에 사용되는 근거리 마이크로파 통신 시스템의 전력증폭기나 기존 마이크로파 중계 시스템 내의 송신기 및 중계기등에 이용된다.
	본 논문에서 설계 및 제작한 X-band 레이더용 SSPA 모듈의 PAE는 몇 퍼센트 이상인가?	3W (49.46dBm) 이상의 특성을 확인하였으며, PAE=30.3% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모듈의 Gain은 측정 대역에서 약 48.
	레이더의 역할은?	레이더는 전파를 방사하여 물체에서 반사되는 신호를 수신하고 물체에 관련된 각종 정보를 분석하고 자기술적으로 많은 발전을 이룩해 왔다[1-2]. 데이터는 주로 X-band와 S-band가 사용되고 있으며, X-대역 레이더의 경우 소형어선 및 상선과 각 공항에 설치된 통제시스템(VTS, Vessel Traffic System)등에 적용되어 그 활용도가 매우 넓다[3].

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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