[논문]Ka 대역 고출력 저손실 도파관 결합기 설계 및 제작

김효철; 조흥래; 이주흔; 이덕재; 안세환; 이만희; 주지한; 권준범; 정해창; 김소수

doi:10.7236/jiibc.2021.21.3.35

초록
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초고주파 대역에서 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier)를 대체하기 위한 증폭기 연구가 활발히 이루어지고 있다. 반도체형 소자를 결합하여 높은 출력을 얻는 SSPA(Solid State Power Amplifier)의 경우 상대적으로 낮은 단일 소자의 출력으로 요구 출력을 충족하기 위해서는 저손실, 고효율의 결합 기술이 필요하다. 본 논문을 통해 8-way 도파관 결합기를 설계, 제작하여 20dB 이상의 반사 손실과 85% 이상의 결합 효율을 확인하였다. 전계 분석을 통해 결합기 내부의 임계 전력을 계산하여 안정적인 Power Rating을 확보하였고 전력 모니터링을 위한 커플러를 내장하여 소형화 및 경량화를 이루었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The research of amplifier have been actively conducted to replace the Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) in the mmWave. For Solid State Power Amplifiers (SSPA), which combine semiconductor-type devices to obtain high output, Low-loss, high-efficiency combination techniques are required to meet the...

The research of amplifier have been actively conducted to replace the Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) in the mmWave. For Solid State Power Amplifiers (SSPA), which combine semiconductor-type devices to obtain high output, Low-loss, high-efficiency combination techniques are required to meet the required output as the output of a single relatively low device is relatively low. In this paper, we design and produce an 8-way waveguide combiner and a reflective loss of more than 20dB and a binding efficiency of 85% or more were identified. Field analysis calculates the critical power inside the combiner. It secured stable Power Ratings and built-in coupler for power monitoring to achieve miniaturization and light weight.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. Magic-T 결합기 구조 Fig. 1. Model of the Magic-T Combiner
그림 그림 2. 제안 구조 Fig. 2. The Proposed structure
그림 그림 3. 전력 결합기 시뮬레이션 Fig. 3. The simulation of power combiner
표 표 1. 전력결합기 전계 분석 Table 1. E-field analysis of power combiner
표 표 2. 결합기의 방전 임계전력 산출 Table 2. Powr rating of power combiner
그림 그림 4. 전력 결합기 전계 분포 Fig. 4. E-field distribution in the power combiner
그림 그림 5. 종단기 시뮬레이션 결과 Fig. 5. The simulation result of the termination
그림 그림 6. 커플러 시뮬레이션 Fig. 6. The simulation result of the coupler
그림 그림 7. 8-way 도파관 결합기 Fig. 7. 8-way waveguide combiner
그림 그림 8. 8-way 도파관 결합기 측정 사진 Fig. 8. The waveguide combiner measurement photo
그림 그림 9. 8-way 도파관 결합기 측정 결과 Fig. 9. Measurement result of the waveguide combiner
그림 그림 10. 8-way 도파관 결합기 측정 결과 Fig. 10. Measurement result of the waveguide combiner
그림 그림 11. Back to back 측정 결과 Fig. 11. Back to back measurement result
그림 그림 12. 출력 결합 효율 Fig. 12. Output combining efficiency

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 밀리미터파(Ka 대역) 시스템에 적용 가능한 Magic T 구조의 도파관 결합기에 대해 연구를 하였다.
이동 통신 대역에서는 PCB 구조의 마이크로 스트립선로, 스트립 선로를 활용하여 쉽게 구현이 가능하지만 밀리미터 웨이브에서는 높은 손실과 낮은 Power Rating의 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 수백 와트의 전력 구현을 위해 저 손실 및 고전력에 유리하고 포트 간 격리 특성이 우수한 도파관 Magic-T 구조의 결합기를 구현하였다. 소형 레이다의 특성상 소형, 경량화에 대한 최적화를 위해 입력 포트는 Customizing을 하였다.

제안 방법

소형화, 경량화를 위해 종단기와 모니터링을 위한 커플러를 일체형으로 구현하였다. 3D EM-시뮬레이터를 활용하여각 주파수 특성을 최적화하고 정밀 가공을 통해 시제품을 제작하였다.
시스템의 폭(width)에 대한 크기 제한으로 입력 포트 간격은 12 mm이다. Standard flange를 사용하는 일반도파관 어댑터는 시험이 불가하여 별도의 시험용 도파관을 추가 제작하여 측정하였다. 측정 사진은 그림 8에 나타내었다.
소형 레이다의 특성상 소형, 경량화에 대한 최적화를 위해 입력 포트는 Customizing을 하였다. 결합기의 통과 손실이 최소화되도록 설계하였고, 동작 주파수 대역에서 정합 구조를 최적화하였다.
본 논문에서는 Ka 대역의 8-way 도파관 결합기를 설계하였으며, 도파관 크기는 WR-22로 선정하였다. 소형화, 경량화를 위해 종단기와 모니터링을 위한 커플러를 일체형으로 구현하였다. 3D EM-시뮬레이터를 활용하여각 주파수 특성을 최적화하고 정밀 가공을 통해 시제품을 제작하였다.
Ka 대역에서 동축 커넥터는 수백 W의 전력을 견딜 수 없기 때문에 Magic-T 구조의 8-way 도파관 결합기를 구현하였다. 손실을 최소화하고 결합 효율을 높이기 위해 매칭 유닛을 삽입하여 주파수특성을 최적화하였다.
상기 분석을 통해 사용 전력 대비 4배 이상의 마진을 확보하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 전계가 높은 부위에 불연속면을 최소화 하기 위해 가장자리에(edge)에라운드 처리를 하여 시제를 제작하였다.
EM-시뮬레이터를 통해 성능을 최적화하였고, 발생할 수 있는 가공 변수에 대해 검증하여 최적화 치수를 도출하였다. 특히 전계 분석을 통해 기구 구조에 대한 Power rating을 이론적으로 계산하여. 설계에 적용하고, 충분한 마진을 확보하여 Ka 대역 시스템 적합함을 사전 검증을 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 Ka 대역의 8-way 도파관 결합기를 설계하였으며, 도파관 크기는 WR-22로 선정하였다. 소형화, 경량화를 위해 종단기와 모니터링을 위한 커플러를 일체형으로 구현하였다.

데이터처리

EM-시뮬레이터를 통해 성능을 최적화하였고, 발생할 수 있는 가공 변수에 대해 검증하여 최적화 치수를 도출하였다. 특히 전계 분석을 통해 기구 구조에 대한 Power rating을 이론적으로 계산하여.
결합기의 출력 포트에 CW(Continuous Wave) 신호를 인가하여 대역 내 Low frequency(fL), Center Frequency(fC), High Frequency(fH)에 대해 전계를 분석하였다.

이론/모형

결합기 설계에 있어서 중요한 항목은 손실, 결합 효율, 크기, Power Rating이다. Ka 대역에서 동축 커넥터는 수백 W의 전력을 견딜 수 없기 때문에 Magic-T 구조의 8-way 도파관 결합기를 구현하였다. 손실을 최소화하고 결합 효율을 높이기 위해 매칭 유닛을 삽입하여 주파수특성을 최적화하였다.
설계 단계에서 가공 오차, 조립 절차 등을 고려하여 구조 및 치수를 설정하고 이를 시뮬레이션에 적용하여 최적화하였다. 도파관 내부를 구현하기 위해 2-파트의 기구로 제작하였고, 조립 공차를 최소화하기 위해 각 기구물에 가이드 핀을 적용하였다.
본 논문에서는 수백 와트의 전력 구현을 위해 저 손실 및 고전력에 유리하고 포트 간 격리 특성이 우수한 도파관 Magic-T 구조의 결합기를 구현하였다. 소형 레이다의 특성상 소형, 경량화에 대한 최적화를 위해 입력 포트는 Customizing을 하였다. 결합기의 통과 손실이 최소화되도록 설계하였고, 동작 주파수 대역에서 정합 구조를 최적화하였다.
시스템의 안테나 단에서 송신 신호와 수신 신호를 분리하기 위해 사용되는 도파관 순환기의 규격은 WR-22 로 동일한 포트 사용을 위해 결합기의 도파관 규격을 WR-22로 선정하였다.

성능/효과

특히 다단 결합기 임에도 불구하고 84% 이상의 우수한 결합 효율을 가지고 있었다. 그리고 전력 모니터링을 할 수 있는 커플러를 내장하여 소형화 및 경량화를 이루었다.
최종 전기적 성능은 Back to back 시험을 통해 확인하였다. 단품 기준 삽입손실 0.6 dB 이하, 반사손실 15 dB 이상의 양호한 성능으로 SSPA 적용이 가능함을 알 수 있었다. 특히 다단 결합기 임에도 불구하고 84% 이상의 우수한 결합 효율을 가지고 있었다.
특히 전계 분석을 통해 기구 구조에 대한 Power rating을 이론적으로 계산하여. 설계에 적용하고, 충분한 마진을 확보하여 Ka 대역 시스템 적합함을 사전 검증을 하였다.
최종 전기적 성능은 Back to back 시험을 통해 확인하였다. 단품 기준 삽입손실 0.
6 dB 이하, 반사손실 15 dB 이상의 양호한 성능으로 SSPA 적용이 가능함을 알 수 있었다. 특히 다단 결합기 임에도 불구하고 84% 이상의 우수한 결합 효율을 가지고 있었다. 그리고 전력 모니터링을 할 수 있는 커플러를 내장하여 소형화 및 경량화를 이루었다.

후속연구

본 연구를 통해 확보한 결과를 통해 초고주파, 고출력레이다 체계에 사용되고 있는 TWTA를 대체하는 SSPA 에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

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상세보기
Pramendra Kumar Verma, Raj Kumar, Realization of Wide Band Waveguide Terminations at Ku-Band", International Jounal of Advances in Microwave Technology(IJAMT) Vol.3, No.4, November 2018 DOI : https://doi.org/10.32452/ijamt.2018.176179
Lin Li and Ke Wu, "Integrated Planar Spatial Power Combiner", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AN TECHNIQUES, VOL., 54, NO. 4, APRIL 2006 DOI : https://doi.org/10.1109/tmtt.2006.871360

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Epp, L. W., D. J. Hoppe, A. R. Khan, and S. L. Stride, "A high power Ka-band(31-36GHz) solid-state amplifier based on low-loss tech., Vol. 56, pp 1899-1908, 2008. DOI : https://doi.org/10.1109/tmtt.2008.927299

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Jaemoon Lee, Jaesung Lim, Deukhyun Ga, "Development of the Ka-band 20watt SSPA(Solid State Power Amplifier) Using a Spatial Combiner ", The Journal of the institute of Internet, Broadcasting and Communication(IIBC). Vol. 16, No. 2, April 2016 DOI : 10.7236/JIIBC.2016.16.2.93

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Dong-Hak Lee, Doo-Yeong Yang, "Analysis and Design of a Wide Corrugated Conical Horn Antenna Based on Mode Matching Converter", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. Vol. 17, No. 7, pp 1-7, Jul 2016 DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.1

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