[논문]공간결합기를 활용한 Ka대역 100W급 SSPA 설계 및 제작

이주흔; 김효철; 조흥래; 이덕재; 안세환; 이만희; 주지한; 김홍락

doi:10.7236/jiibc.2022.22.1.35

공간결합기를 활용한 Ka대역 100W급 SSPA 설계 및 제작
Design and fabrication of Ka-band 100W SSPA using spatial combiner 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.1, 2022년, pp.35 - 43

이주흔 (피플웍스(주)) , 김효철 (피플웍스(주)) , 조흥래 (피플웍스(주)) , 이덕재 (피플웍스(주)) , 안세환 (넥스원(주)) , 이만희 (넥스원(주)) , 주지한 (넥스원(주)) , 김홍락 (넥스원(주))

초록
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본 논문에서는 10W급 MMIC를 결합하여 20W급으로 상향시킨 단위 전력 증폭기를 8-way 공간결합기와 결합하여 100W급 SSPA를 제작하는 연구를 진행하였다. SSPA는 TWTA에 비해 상대적으로 낮은 단일 소자의 출력으로 높은 출력을 충족하기 위해 저손실, 고효율의 결합 기술을 필요로 한다. 본 논문에서 설계 및 제작된 SSPA는 20dB 이상의 반사 손실과 94% 이상의 우수한 결합효율을 갖는 8-way 공간결합기에 20W급 고출력증폭모듈 8대를 장착하여 100W급 SSPA로 제작되었다. -10dBm 인가시 20kHz 20%에서 112.2~169.8W, 400kHz 40%에서 125.9~173.8W, 800kHz 40%에서 117.5~162.2W로 나타나 PRF 3가지 조건에서 모두 이득 60dB 이상과 100W 이상의 성능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a study was conducted to produce 20W by combining a 10W MMIC and raising the unit power amplifier to 100W SSPA by combining the 8-way spatial coupler. SSPA requires low-loss, high-efficiency coupling techniques to meet high output with the output of a single element relatively low compared to TWTA. Designed and produced in this paper, the SSPA was manufactured as a 100W SSPA by mounting eight 20W high-power amplification modules in an 8-way spatial coupler with a reflection loss of 20dB or more and an excellent coupling efficiency of 94% or more. When -10dBm was applied, it was 112.2~169.8W at 20kHz 20%, 125.9~173.8W at 400kHz 40%, 117.5~162.2W at 800kHz 40%, showing performance of over 60dB and over 100W in all three PRF conditions.

주제어

표/그림 (25)

그림 그림 1. 고출력증폭모듈 구조 Fig. 1. High power amplification module structure
표 표 1. 반도체 소자의 전기적 특성^[1],[2] Table 1. Electrical properties of semiconductor devices
표 표 2. GaN MMIC 제품 사양 Table 2. GaN MMIC Product Specification
그림 그림 2. 도파관 공간결합기 시뮬레이션 모델링[3] Fig. 2. Modeling of the waveguide spatial combiner
그림 그림 3. 도파관 공간결합기 시뮬레이션 결과 Fig. 3. The simulation result of the waveguide spatial combiner
그림 그림 4. 전력 결합기 전계 분포^[3] Fig. 4. E-field distribution in the power combiner
표 표 3. 공간 결합기 전기적 규격 Table 3. Spatial combiner Specifications
그림 그림 5 GaN MMIC 단품 시험 구성도 Fig. 5. GaN MMIC single unit test composition diagram
그림 그림 6. T-junction 결합기 제작 결과 Fig. 6. T-junction Combiner fabrication Results
그림 그림 7. 모드변환기 제작 결과 Fig. 7. Mode converter fabrication results
표 표 4. 공간결합기의 방전 임계전력 산출[3] Table 4. Power rating of power spatial combiner
표 표 5. GaN MMIC 단품 시험 결과 Table 5. GaN MMIC single unit test results
표 표 6. T-Junction 결합기 시험 결과 Table 6. T-Junction Combiner Test Results
표 표 7. 모드변환기 시험 결과 Table 7. T-Junction Combiner Test Results
그림 그림 8. 주증폭기 분해도 Fig. 8. Main Amplifier Module Decomposition Diagram
그림 그림 9. 주증폭기 제작 형상 Fig. 9. Main Amplifier Module production shape
그림 그림 10. 8-way 도파관 공간 결합기^[3] Fig. 10. 8-way waveguide spatial combiner
표 표 8. 주증폭기 시험 결과 Table 8. Main amplification module test results
그림 그림 11. 8-way 도파관 공간 결합기[3] Fig. 11. 8-way waveguide spatial combiner
그림 그림 12. 공간 결합기 반사손실, 삽입손실 측정 결과^[3] Fig. 12. The spatial combiner IL, RL measurement results
그림 그림 13. 100W급 SSPA 제작 형상 Fig. 13. 100W Class SSPA production shape
그림 그림 14. 100W SSPA 시험 구성도 Fig. 14. 100W SSPA test block diagram
그림 그림 15. PRF 800kHz_40% Fig. 15. PRF 800kHz_40%
그림 그림 16. PRF 800kHz_40%, RF 출력 전력 Fig. 16. PRF 800kHz_40%, RF Output power
표 표 9. 100W 급 SSPA 시험 결과 Table 9. 100W class SSPA test result

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 밀리미터파(Ka대역) 시스템에 적용 가능한 100W급 SSPA를 설계 및 제작하였다. 단일 결합 시 발생하는 손실을 최소화하고 결합 효율을 높이기 위해 8-Way 공간 결합을 채택하였고, 20W급 주증폭기 8대를 결합하여 100W 이상의 성능을 확인하였다.

제안 방법

10W급 GaN MMIC를 결합하여 20W로 상승시키기 위해 RF Tool 시물레이션을 통해 손실을 최소화한 PCB T-junction 결합기를 구현하여 2개의 MMIC RF 출력을 결합하였고, 도파관 구조로 RF를 송신하기 위해 Coaxial to Waveguide로 변환시킬 수 있는 모드 변환기를 일체형으로 적용하여 소형화를 이루었다.
단일 결합 시 발생하는 손실을 최소화하고 결합 효율을 높이기 위해 8-Way 공간 결합을 채택하였고, 20W급 주증폭기 8대를 결합하여 100W 이상의 성능을 확인하였다. 공간결합기는 EM-시뮬레이터를 통해 성능을 최적화하고, 기구 가공을 통해 회로를 구현하여야 하므로 가공방식과 조립구조에 따른 성능 변화를 최소화하기 위해 3D 시뮬레이션을 통해 최적화하였다.
본 연구에서는 Ka 대역 고출력 증폭기 설계를 위해 10W급 국산화 GaN MMIC 소자를 PCB T-junction 결합을 통해 20W급으로 구현한 고출력증폭모듈(high power amplifier) 8개를 도파관 구조의 공간 결합기로 결합하여 100W 이상의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 SSPA는 도파관 모드 변환기를 고출력 증폭 모듈에 일체형으로 구현하여 소형 / 경량화를 이루어 체계 적용에 적합하도록 하였다.
본 연구에서는 Ka 대역 고출력 증폭기 설계를 위해 10W급 국산화 GaN MMIC 소자를 PCB T-junction 결합을 통해 20W급으로 구현한 고출력증폭모듈(high power amplifier) 8개를 도파관 구조의 공간 결합기로 결합하여 100W 이상의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 SSPA는 도파관 모드 변환기를 고출력 증폭 모듈에 일체형으로 구현하여 소형 / 경량화를 이루어 체계 적용에 적합하도록 하였다.
과 같이 전원 제어기 1대, 구동증폭기 1대, 주증폭기 8대, 8-way도파관 공간 결합기 입/출력부, SMA 타입을 도파관 형태로 변환 시켜주는 모드 변환기로 구성된다. 제품 설계 시 조립 오차를 최소화 할 수 있도록 구조를 설정하고, 발생할 수 있는 가공 오차를 시뮬레이션에 적용하여 최적화하였다.

대상 데이터

100W급 SSPA는 그림 13.과 같이 전원 제어기 1대, 구동증폭기 1대, 주증폭기 8대, 8-way도파관 공간 결합기 입/출력부, SMA 타입을 도파관 형태로 변환 시켜주는 모드 변환기로 구성된다. 제품 설계 시 조립 오차를 최소화 할 수 있도록 구조를 설정하고, 발생할 수 있는 가공 오차를 시뮬레이션에 적용하여 최적화하였다.
고출력증폭모듈은 10W급 국산화 GaN MMIC 소자를 PCB T-junction 결합을 통해 20W급으로 상향시키고, 모드 변환기를 통해 도파관으로 출력하도록 제작되었다. 사용된 MMIC의 화합물인 GaN은 갈륨비소(GaAn) 에 비해 넓은 밴드갭을 갖고, 고온 안정성에 장점이 있으며, 높은 열전도도(thermal conductivity) 및 고전압 동작, 높은 전력 밀도를 얻으므로 고출력 전력소자용 MMIC로 적합하여 가장 활발히 연구되는 분야이다.

성능/효과

SSPA 출력 레벨은 PRF 20kHz Duty 20%에서 112.2 ~ 169.8W, RF 400kHz Duty 40%에서 125.9 ~ 173.8W, PRF 800kHz Duty 40%에서 117.5 ~ 162.2W 로 PRF 3가지 조건에서 모두 100W가 넘는 성능을 보였다.
본 논문에서는 밀리미터파(Ka대역) 시스템에 적용 가능한 100W급 SSPA를 설계 및 제작하였다. 단일 결합 시 발생하는 손실을 최소화하고 결합 효율을 높이기 위해 8-Way 공간 결합을 채택하였고, 20W급 주증폭기 8대를 결합하여 100W 이상의 성능을 확인하였다. 공간결합기는 EM-시뮬레이터를 통해 성능을 최적화하고, 기구 가공을 통해 회로를 구현하여야 하므로 가공방식과 조립구조에 따른 성능 변화를 최소화하기 위해 3D 시뮬레이션을 통해 최적화하였다.
본 연구를 통해 확보한 결과를 통해 초고주파, 고출력레이다 시스템에 주로 사용됐던 TWTA에 비해 상대적으로 크키가 작고, 제작비용이 저렴하며 . 수리 기간이 짧은 100W급 SSPA로 대체 가능할 것으로 기대된다.
시험 결과는 도파관 어댑터 손실을 제외하고 사용 주파수 대역에서 삽입 손실 9.4dB, 반사 손실 23dB 이상의 매우 우수한 성능을 확인하였다.
제작된 SSPA의 최종 성능은 입력 전력 –10dBm에서 50.0dBm 이상의 출력으로 60dB 이상의 이득을 갖고 있으며, PRF 20kHz Duty 20%에서 112.2 ~ 169.8W, RF 400kHz Duty 40%에서 125.9 ~ 173.8W, PRF 800kHz Duty 40%에서 117.5 ~ 162.2W로 100W 이상의 우수한 성능을 보였다.

후속연구

본 연구를 통해 확보한 결과를 통해 초고주파, 고출력레이다 시스템에 주로 사용됐던 TWTA에 비해 상대적으로 크키가 작고, 제작비용이 저렴하며 . 수리 기간이 짧은 100W급 SSPA로 대체 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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