초록 ▼

위성통신의 주파수대역은 C-밴드와 X-밴드, 그리고 Ku-밴드를 거쳐 이제는 K-밴드까지도 이용되고 있으나 인공위성 중계기의 출력증폭기는 C-밴드를 제외하고는 모두 진행파관(Traveling-wave Tube Amplifier)이 아직까지 사용되고 있으며, 선진국에서도 최근에야 Ku-밴드에 SSPA(Solid State Power Amplifier)를 사용하고자 하는 시도가 진행되고 있다.
C-밴드의 위성중계기에 SSPA를 사용하는 것은 이제 보편화되어 있는 상태이고 1996년에 띄울 무궁화 1호의 Ku-밴드 중계기에도 S

위성통신의 주파수대역은 C-밴드와 X-밴드, 그리고 Ku-밴드를 거쳐 이제는 K-밴드까지도 이용되고 있으나 인공위성 중계기의 출력증폭기는 C-밴드를 제외하고는 모두 진행파관(Traveling-wave Tube Amplifier)이 아직까지 사용되고 있으며, 선진국에서도 최근에야 Ku-밴드에 SSPA(Solid State Power Amplifier)를 사용하고자 하는 시도가 진행되고 있다.
C-밴드의 위성중계기에 SSPA를 사용하는 것은 이제 보편화되어 있는 상태이고 1996년에 띄울 무궁화 1호의 Ku-밴드 중계기에도 SSPA를 사용할 계획이며, G.E.Astro에서는 ATRESS Program에서 10[W] Ku-Band SSPA를 설계하고 있기 때문에 수년내로 Ku-Band SSPA 가 각광받기 시작할 것이 확실시되므로, 본연구과제에서는 국산화 인공위성 무궁화 1호의 규격에 맞추어 방송용의 Ku-밴드 SSPA를 개발하였다.
SSPA의 설계에 있어 주안점은 고출력에서의 Intermodulation Distortion을 줄이고 FM-FDM 에의 응용을 위해 위상 왜곡을 감소시키는 데 두었으며, SSPA의 전력이득이 변화하는 범위전체에 걸쳐 이득변화와 임피던스의 측정하였다.
설계제작된 주파수대역 11.7-12.0 GHz의 10[W] SSPA는 전체 전력이득이 43[dB]로서, 이득 Slope은 0.1 dB/MHz이하, 이득 평탄도는 36 MHz 채널당 0.5 「dB」 피크-피크 이하, 이득 안정도는 -10∼60℃에 걸쳐 4[dB]이하, Group Delay는 0.8 nano-sec 이하를 얻었으며, 동작시의 소모전력은 4.5[W], 전체 무게는 1.1㎏이었다.
또한 이 SSPA는 캐리어를 3 dB Back Off 시에, 10 dB의 C/I Ratio 와 12 [dB]의 잡음 전력비, 12˚의 위상 변이, 그리고 2.0 ˚/dB 미만의 AM/PM 전달특성을 보여 주었다.
그와 같은 SSPA의 제작을 위하여 본 연구과제에서는 3 녀에 걸쳐 전력크기에 따른 산란행렬을 측정하여 고전력 GaAs FET에 대한 등가선형모델을 구하고 그에 따라 Balanced 증폭기의 구조를 갖는 HPA(High Power Amplifier)를 설계하고 제작하였다.
상온(25℃)에서 43 dB의 전력이득을 갖는 Ku-밴드 10[W] SSPA를 설계 제작하기 위해 세부과제별로 연구된 사항을 종합하고 각 부분을 조립하여 소정의 Space Qualified Specifications을 만족하도록 튜닝(Tunning) 하였다.
고이득 부분의 LPA(Low Power Amplifier)를 위해서는 NEC의 GaAs FET NE13783과 NE900175 등을 사용하였고 MPA(Medium Power Amplifier)에는 Mitsubishi의 MGF-X30M, Fujitsu의 FLM1112-1, Toshiba의 TIM1112-4등의 GaAs FETs를 사용하여 설계제작하였으며, HPA의 Balanced parallel Stage를 위해서는 Mitsubishi의 MGF-X38V-1722를 사용하여 10[W]의 출력을 만들어 내었다.
각 증폭단은 위성체내 온도변화에 의한 재질의 열팽창률을 고려하여 기판을 특수합금인 Kovar를 이용하여 Carrier 상에 장착한 다음 Housing에 Indium으로 부착하였으며, Housing을 위한 재질로는 소형 경량화를 위하여 마그네슘을 사용하였다.
정합회로의 설계에 있어서는 전력 동작 범위 전체에 걸쳐 안정도를 조사하여 해당 바이어스 상태에서 저주파 발진이 발생하지 않도록 하였다.
또한 Balanced Amplifier에 필요한 도파관 브랜치라인(Branchline) 전력결합기와 그에 따른 Ridged Waveguide-to-Microstrip Transition, 그리고 Dummy Load를 여러가지 방법으로 설계 및 제작하였으며, 그들의 삽입손실과 입출력 특성을 측정하였다.
출력이 5[W]인 2개의 소자를 결합하여 10[W]를 만들기 위하여 전력 가용능력을 고려하여 Reduced Height 도파관 전력결합기를 설계 제작하였다.
전력결합기의 설계에 있어 가장 중점적으로 고려된 사항은 무게와 삽입손실의 최소화로서 최적점을 찾아 설계되었다.
도파관 브랜치라인 Combiner의 삽입손실은 0.15[dB] 미만이고 0.3[dB]의 삽입손실을 갖는 마이크로스트립 브랜치라인 결합기에 비하여 약 0.15[dB]의 손실을 감소시킬 수 있었다.
도파관 브랜치라인 결합기의 Isolated Port를 종단하기 위한 Dummy Load를 설계함에 있어 사용된 흡수체 재료는 Emerson & Cuming 제품의 ECCOSORB MF124이고 그것을 쐐기 모양으로 깍아서 도파관벽에 접착시켰으며 그 무게는 1.0g 이었다. 제작된 정합 부하를 주파수대역 11.7 GHz-12.2 GHz에 대해 측정된 반사손실은 37[dB] 이하이었고 정재파비는 1.03이었다. Dummy Load의 성능을 개선하기 위하여 쐐기의 높이를 조정하면서 반사 손실의 변화를 조사하여 최적의 조건을 구하였다.
도파관 브랜치라인 전력결합기의 제작을 위한 재료로는 마그네슘과 알루미늄 6061을 사용하여 무게를 최소화시켰으며, 삽입손실을 줄이기 위하여 결합기의 전체표면을 0.8 ㎛의 두께로 금도금 처리하였다.
Hybrid Coupler와 그 외의 부분들은 개별적으로 가공하여 나사로 조립하였고, Dummy Load와 Microstrip Transition 등은 결합기의 두 부분을 조립하기 전에 부착하였다.
또한 각 증폭단에 대한 온도변화와 제반 파라메타의 변화에 따른 이득변동을 해석하기 위해 Worst-case Analysis를 수행하였으며 전력이득의 보상과 이득조절을 위한 PIN 다이오드 감쇠기를 제작하여 온도 변화 영향을 연구하였다. 감쇠기의 설계에 있어서는 두개의 PIN 다이오드를 λ/4 간격으로 정렬 연결하여 총감쇠율의 조절범위를 약 0 - 15[dB]로 할 수 있었으며, LPA 중 한 GaAs FET의 게이트에 Sensistor를 달아 바이러스 전압을 온도에 따라 변회시킴으로써 SSPA의 전력이득변화를 보상하였다.
측정에 있어서는 게이트 전압, 드레인 전압 등을 위한 모든 스위치와 모니터 계기가 갖추어져 있어서 아주 편리하고 신뢰도 높은 측정이 가능한 Test Rack인 STE의 확보가 어려워서, 본 연구과제에서는 제작된 증폭기를 미국의 United SATCOM사에 가지고 가서 측정을 마무리하였다.

Abstract ▼

This project is on the development of a 10-watt solid state power amplifier (SSPA) for the Ku-band broadcast in conformity with the specifications for Moogoongwha 1, the first domestically-engineered satellite.
Satellite communcations have used such bands as C, X, and Ku, along with the recently

This project is on the development of a 10-watt solid state power amplifier (SSPA) for the Ku-band broadcast in conformity with the specifications for Moogoongwha 1, the first domestically-engineered satellite.
Satellite communcations have used such bands as C, X, and Ku, along with the recently-added K-band. For all these bands with the exception of the C-band travelling wave tube amplifiers still have been used for the power amplification of satellite repeaters. For the C-band SSPA's are commonly used instead.
It is only recently even in developed countries that attempts are being made to employ SSAP's in the Ku-band repeaters. However, Moogoongwha 1, whose launch is expected in 1996, will be equipped with the Ku-band SSPA. And G.E. Astro, for example, is currently developing a 10-watt Ku-band SSPA under the program ATRESS. For these reasons it is certain that the Ku-band SSPA will be popular in a few years.
In this project we have focused on the design of the SSPA for the reduction in intermodulation distortion in high power and in phase distortion for its application to FM-FDM and have documented measurements in the gain and impedance variations over the whole range of the SSPA power levels.
The designed SSPA has the following characteristics:
(1) output power: 10 W
(2) frequency range: 11.7 ∼ 12.2 GHz
(3) overall power gain: 43 dB
(4) gain slope: less than 0.1 dB/MHz
(5) gain flatness: less than 0.5 dB peak-to-peak / 35 MHz
(6) gain stability: less than 4.0 dB in the range of -10 C ∼ 60 C
(7) group delay: less than 0.8 ns
(8) gross weight: 1.1 ㎏
(9) when the carrier is 3-dB backed-off
(a) C/I ratio: 10 dB
(b) noise power ratio: 12 dB
(c) phase shift: 12 degree
(d) AM/FM transfer characteristic: less than 2 degree/dB
The project, spanning the last three years, first has measured the scattering parameters of high power GaAs FET's at various power levels in order to obtain equivalent linear models, and secondly has designed a balance-structure high power amplifier. This Ku-band SSPA having the power gain of 43 dB in operation at 25 degrees C was appropriately partitioned at the planning stage, each partition was individually designed and assembled, and finally fine-tuned to meet the space qualified specifications.
The major components of the power amplifier unit are for the low power amplifiers NEC's GaAs FET's NE13783 and NE900175; for the medium power amplifiers Mitsubishi's MGF-X30M, Fujitsu's FLM1112-1, and Toshiba's TIM111-4, all these are GaAs FET's: and for the high power amplifiers, whose output is 10 watts, Mitsubishi MGF-X38V-1722 for the balanced parallel stage. The circuit board of each stage of the amplifier is installed with special alloy Kovar on the carrier, taking into account the thermal expansion of the used material due to the temperature change in the satellite. The amplifier housed in a magnesium case for its light weight is attached with indium.
The matching circuit is inspected for the stability over the whole power operating range to ensure no low-frequency oscillation in the respective biasing conditions.
Designed are a prototype waveguide branchline power combiner, an essential for a balanced amplifier, its accompanying ridge waveguide-to-microstrip transition and dummy load, whose input-output characteristics and insertion losses are measured.
The waveguide branchline power compiner is made of magnesium and aluminum 6061 for small weight and its whole surface is 0.8 micrometer thick gold-coated to reduce the insertion loss. It has less than 0.15 dB insertion loss, achieving approximately 0.15 dB reduction compared with a typical microstrip branchline combiner.
A reduced height waveguide power combiner also is designed to produce the power of 10 watts by combing two components with 5-watt opwer handling capability. The issues of attention in the design are its small weight and minimum insertion loss. It is so designed.
The dummy load for the termination of the isolated port of the waveguide branchline hybrid coupler uses Emerson and Cuming Eccosorb MF124 for the aborbant. The absorbant is processed to the shape of wedges and attached to the wall of the waveguide. The height of the wedges has been determined for the best performance by measuring the return losses due to the various heights. The resultant mached load, weighing 1.9 g, shows the return loss of less than 37 dB and the VSWR of 1.03 over the range of 11.7 to 12.2 GHz.
The branchline hybrid coupler and other parts are individually processed and assembled with screws. The microsrtip transition and dummy load are assembled before the two parts of the coupler.
The worst case analysis of each amplification stage is performed to determine the effect on the gain variation due to the change in temparature and other parameters. For the study on the effect of temparature change a PIN diode attenuator is designed to control and compensate for the power gain: two parallel-connected PIN diodes separated by a quarter of the wavelength control 0 to 15 dB overall attenuation, a sensistor inserted in a gate of a GaAs FET in a low power apmlifier compensates for the variation in power gain by adjusting the bias voltage to the temperature change.
Some of the measurements in the project have been performed at United Satcom, U.S.A., using a convenient test rack STE, equipped with many switches and monitoring systems for high precision measurement.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...13
• 제 2 장 연구 방법...18
• 제 3 장 결과...21
• 제 4 장 고찰...24
• 제 5 장 결론...27
• 참 고 문 헌...29
• 2세부목차...114
• 제 1 장 서론...115
• 제 2 장 연구 방법...117
• 제 3 장 결과...143
• 제 4 장 고찰...163
• 제 5 장 결론...182
• 참고문헌...183
• 부록...188
• 3세부목 차...200
• 제 1 장 서론...201
• 제 2 장 연구 내용...204
• 제 3 장 결과...207
• 제 4 장 고찰...231
• 제 5 장 결론...244
• 참고문헌...250
• 4세부목 차...255
• 제 1 장 서론...256
• 제 2 장 연구 내용...258
• 제 3 장 결과...259
• 제 4 장 고찰...293
• 제 5 장 결론...296
• 참고문헌...298