[논문]Ka대역 100 W급 SSPA 개발

서미희; 정해창; 나경일; 김소수

doi:10.7236/jiibc.2022.22.6.129

Ka대역 100 W급 SSPA 개발
SSPA Development of 100W Class in Ka-band 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.6, 2022년, pp.129 - 135

서미희 (국방과학연구소) , 정해창 (국방과학연구소) , 나경일 (국방과학연구소) , 김소수 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 10 W급 전력증폭 GaN MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)를 16개 전력 결합하여 100 W급 Ka대역 SSPA(Soild State Power Amplifier)를 개발하였다. 개발된 SSPA를 하나의 안테나를 이용하여 송수신을 하는 Ka 대역 소형 레이다에 적용을 위해 수신 구간에 MMIC 게이트 전원을 제어하여 SSPA 잡음이 수신기에 미치는 영향을 최소화 하였다. 또한 근접한 표적의 큰 수신신호에 의해 수신기가 포화되는 것을 막기 위해 SSPA의 출력 전력을 약 20 dB 감소시키는 기능을 추가하였다. 개발된 SSPA는 10%, 40% 듀티비의 펄스 조건에서 각각 52.4 dBm, 51.6 dBm 이상의 첨두전력을 출력하였으며, 이때 전력효율은 각각 19.2%, 15.8% 이상이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a 100 W SSPA in Ka-band was developed by combining 16 GaN MMICs which were 10 W amplifiers, respectively. The gate voltage of SSPA was controlled to minimize the effect of SSPA noise on the receiver during the receiving time. And the transmit power could be reduced about 20 dB to prevent the receiver from being saturated by a large signal from a nearby target. At 10%, 40% duty rato, the peak power and the power efficiency at center frequency were measured 52.4 dBm, 19.2%, and 51.6 dBm, 16.6% respectively.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 개발된 SSPA Fig. 1. Developed SSPA
그림 그림 2. SSPA 구조도 Fig. 2. Block diagram of SSPA
그림 그림 3. T-junction의 S-parameter 측정결과 비교 (a) S11, (b) S21 Fig. 3. Comparison of S-parameter measurement results (a)S11, (b) S21
그림 그림 4. 단일 증폭 모듈 측정 결과 Fig. 4. Measurement result of unit amplifier module
그림 그림 5. (a) 단일 증폭 모듈, 8-way (b) 분배기 및 (c) 결합기 Fig. 5. (a) Unit amplifier module, 8-way (b) divider and (c) combiner
표 표 1. 분배기와 결합기의 성능 결과 Table 1. Performance results of power divider and combiner
그림 그림 6. Ka대역 소형 레이다용 송수신기 구성도 Fig. 6. Block diagram of transmitter for Ka-band compact radar
그림 그림 7. SSPA 잡음과 수신기 잡음 비교 Fig. 7. Comparison of noise density between SSPA and receiver
그림 그림 9. SSPA 잡음에 따른 수신기 총 출력잡음 계산 결과 (N_TOT) Fig. 9. Analysis result of total noise power density of the receiver according to the SSPA Noise
그림 그림 8. (a) 상온 상태의 백색잡음(N₀) 혹은 (b) 이외의 잡음 (N_in)이 입력되었을 때 증폭기에서 출력되는 잡음 분석 Fig. 8. Analysis the output noise of amplifier according to the noise density which is (a) white noise(N₀) or (b) other noise(N_in)
그림 그림 10. SSPA 출력신호의 (a) 상승, (b) 하강 시간 및 지연시간 측정 결과 Fig. 10. Measurement results of (a) rising, (b) falling time and delay time of SSPA output signal
표 표 2. 펄스 OFF 시 잡음 준위 측정 결과 Table 2. Measurement result of SSPA noise power during the pulse OFF

AI 본문요약
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문제 정의

2 % 이상의 성능을 만족했다. 동일한 입력전력 조건에서 송신 듀티비가 40%로 높아지면 열에 의해 출력이 최대 0.8 dB 낮아지면서 효율이 최대 2.72 % 감소 하였으나, 높은 듀티비 조건에서도 본 논문에서 목표로 한 100 W 이상의 출력 전력을 만족함을 확인하였다.
본 논문에서는 10 W 전력증폭 GaN MMIC를 16개 전력 결합하여 100 W급 Ka대역 SSPA를 개발하였다. SSPA는 주증폭기의 입력전력을 제공하는 구동증폭기, 주증폭기를 구성하는 8개의 단일 증폭 모듈, 단일 증폭 모듈 각각에 입력전력을 분배하고, 출력전력을 결합하는 분배기와 결합기를 개발하였다.
본 논문에서는 10 W급 상용 GaN MMIC를 이용하여 Ka대역 100 W급 SSPA를 개발하였다. 전력분배, 결합 손실을 최소화하는 분배기, 결합기를 제작하였으며, 레이다 시스템의 적용을 위한 항목들을 식별하여 SSPA에서 구현되도록 하였다.
본 논문에서는 1과 같이 Ka대역 SSPA를 개발하였다. 전력증폭 소자로 국외에서 개발된 10 W급 GaN MMIC를 사용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 10 W 전력증폭 GaN MMIC를 16개 전력 결합하여 100 W급 Ka대역 SSPA를 개발하였다. SSPA는 주증폭기의 입력전력을 제공하는 구동증폭기, 주증폭기를 구성하는 8개의 단일 증폭 모듈, 단일 증폭 모듈 각각에 입력전력을 분배하고, 출력전력을 결합하는 분배기와 결합기를 개발하였다. 단일 증폭 모듈에 도파관 형태의 T-junction 분배기/결합기를 적용하여 PCB T-junction에 비해 삽입손실, 반사손실 성능을 향상시켜 단일 증폭 모듈의 출력전력이 증가하였다.
또한 적용된 MMIC의 드레인 전압은 28 V로 –10 V인 게이트 전압에 비해 높다. 따라서 전원 제어의 안정성 및 빠른 스위칭 속도를 위해 게이트 전원을 제어하여 레이다 운용 파형에 맞춰 펄스로 게이트 전원이 동작되도록 하였다. 개발된 SSPA의 게이트 전원 제어 증 상승/하강 시간은 펄스 반복 주파수(PRF : pulse repetition frequency)와 펄스폭에 관계없이 10.
구동증폭기 제어를 통해 주증폭기의 입력전력을 감소시켜 SSPA의 출력전력이 20 dB 가량 감쇠될 수 있는 기능을 추가하였다. 또한, 하나의 안테나로 송수신을 하는 레이다에 적용을 위해 펄스 OFF 상태에서 SSPA의 잡음이 수신기에 미치는 영향을 최소화 하도록 주증폭기의 게이트 전원을 PRF에 따라 제어하는 기능을 반영하였다. 시험 결과 펄스 OFF 상태에서 SSPA의 잡음은 –163 dBm/Hz이며, 레이다의 송수신 격리도 17 dB에 의한 추가 감쇠를 고려하면 수신기에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 10 W급 상용 GaN MMIC를 이용하여 Ka대역 100 W급 SSPA를 개발하였다. 전력분배, 결합 손실을 최소화하는 분배기, 결합기를 제작하였으며, 레이다 시스템의 적용을 위한 항목들을 식별하여 SSPA에서 구현되도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 1과 같이 Ka대역 SSPA를 개발하였다. 전력증폭 소자로 국외에서 개발된 10 W급 GaN MMIC를 사용하였다.

데이터처리

위에서 기술한 단일 증폭 모듈, 8-way 도파관 결합기와 분배기(그림 5(a), (b))를 적용하여 SSPA를 제작하고 성능을 확인하였다. 송신펄스 듀티비에 따른 송신기의 출력과 효율을 측정한 결과를 그림 4에 나타냈다.

성능/효과

단일 증폭 모듈에 도파관 형태의 T-junction 분배기/결합기를 적용하여 PCB T-junction에 비해 삽입손실, 반사손실 성능을 향상시켜 단일 증폭 모듈의 출력전력이 증가하였다. 개발된 SSPA는 10%, 40% 듀티비의 펄스 조건에서 각각 52.4 dBm, 51.6 dBm 이상의 첨두전력을 출력하였으며, 이때 전력효율은 각각 19.2%, 15.8% 이상이다.
여기에서 상승 시간은 상승 중 펄스 전력이 10%에서 90% 까지 도달하는데 소요되는 시간이며, 하강 시간은 하강 중 펄스 전력이 90 %에서 10 %까지 도달하는데 소요된 시간을 의미한다. 개발된 SSPA를 이용하면 상승/하강 시간에 대해 전력이 선형적으로 증가한다고 가정할 때, 이상적인 평균전력에 대해 93 nsec의 펄스폭에서 90 %, 930 nsec의 펄스폭에서는 99 %의 평균전력을 출력할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 전원 제어의 안정성 및 빠른 스위칭 속도를 위해 게이트 전원을 제어하여 레이다 운용 파형에 맞춰 펄스로 게이트 전원이 동작되도록 하였다. 개발된 SSPA의 게이트 전원 제어 증 상승/하강 시간은 펄스 반복 주파수(PRF : pulse repetition frequency)와 펄스폭에 관계없이 10.8 nsec/4.1 nsec 로 측정되었다(그림 10). 여기에서 상승 시간은 상승 중 펄스 전력이 10%에서 90% 까지 도달하는데 소요되는 시간이며, 하강 시간은 하강 중 펄스 전력이 90 %에서 10 %까지 도달하는데 소요된 시간을 의미한다.
추가적으로 개발된 SSPA와 함께 Ka대역 레이다를 구성하는 수신기의 잡음지수 성능 향상을 위해 기존 수신기의 초단 스위치가 수행하던 근접 표적의 신호 감쇠 기능을 SSPA가 대체할 수 있는 방안을 마련하였다. 구동증폭기 제어를 통해 주증폭기의 입력전력을 감소시켜 SSPA의 출력전력이 20 dB 가량 감쇠될 수 있는 기능을 추가하였다. 또한, 하나의 안테나로 송수신을 하는 레이다에 적용을 위해 펄스 OFF 상태에서 SSPA의 잡음이 수신기에 미치는 영향을 최소화 하도록 주증폭기의 게이트 전원을 PRF에 따라 제어하는 기능을 반영하였다.
SSPA는 주증폭기의 입력전력을 제공하는 구동증폭기, 주증폭기를 구성하는 8개의 단일 증폭 모듈, 단일 증폭 모듈 각각에 입력전력을 분배하고, 출력전력을 결합하는 분배기와 결합기를 개발하였다. 단일 증폭 모듈에 도파관 형태의 T-junction 분배기/결합기를 적용하여 PCB T-junction에 비해 삽입손실, 반사손실 성능을 향상시켜 단일 증폭 모듈의 출력전력이 증가하였다. 개발된 SSPA는 10%, 40% 듀티비의 펄스 조건에서 각각 52.
시험 결과 펄스 OFF 상태에서 SSPA의 잡음은 –163 dBm/Hz이며, 레이다의 송수신 격리도 17 dB에 의한 추가 감쇠를 고려하면 수신기에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다
추가적으로 개발된 SSPA와 함께 Ka대역 레이다를 구성하는 수신기의 잡음지수 성능 향상을 위해 기존 수신기의 초단 스위치가 수행하던 근접 표적의 신호 감쇠 기능을 SSPA가 대체할 수 있는 방안을 마련하였다. 구동증폭기 제어를 통해 주증폭기의 입력전력을 감소시켜 SSPA의 출력전력이 20 dB 가량 감쇠될 수 있는 기능을 추가하였다.

후속연구

시험 결과 펄스 OFF 상태에서 SSPA의 잡음은 –163 dBm/Hz이며, 레이다의 송수신 격리도 17 dB에 의한 추가 감쇠를 고려하면 수신기에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서 개발된 SSPA는 기존의 소형레이다의 TWTA 송신기를 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (6)

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J. S. Han, J. Y. Jung, S. M. Park, K. D. Yu, B. G. Kim, H. C. Kim, "Design and Fabrication of Ka-Band 50-W Class Solid-State Power Amplifier", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 32, No. 1, pp. 56-65, Jan. 2021. DOI: https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2021.32.1.56.

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J. H. Lee, H. C. Kim, H. R. Cho, D. J. Lee, S. H. An, M. H. Lee, J. H. Joo, H. R. Kim, "Design and Fabrication of 200W SSPA in Ka-band", The Journal of Korean Institute Information Technology, Vol. 20, No. 2, pp. 79-88, Feb. 2022. DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2022.20.2.79.

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H. C. Kim, H. R. Cho, J. H. Lee, D. J. Lee, S. H. An, M. H. Lee, J. H. Joo, J. B. Kwon, H. C. Jeong, S. S. Kim, "Design and Fabrication of Ka-band high Power and Low Loss Waveguide Combiner", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 21, No. 3, pp. 35-42, Jun. 2021. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.3.35.

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H. C. Kim, H. R. Cho, J. H. Lee, D. J. Lee, S. H. An, M. H. Lee, J. H. Joo, J. B. Kwon, H. C. Jeong, S. S. Kim, "Design and Fabrication of Ka-band high Power and Low Loss Waveguide Combiner", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 21, No. 3, 35-42, Jun. 2021. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.3.35.

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저자의 다른 논문 :

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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