Ka 대역 고출력 저손실 도파관 결합기 설계 및 제작

Design and Fabrication of Ka-band High Power and Low Loss Waveguide Combiner

Abstract

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.

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.

Ⅰ. 서론

레이다 시스템은 전파를 사용하여 목표물의 거리, 방향, 각도 및 속도를 측정하는 감시 시스템이다. 특히 레이다에서 대기로 방사하는 강한 전자기파를 생성하는 모듈인 송신기(Transmitter)는 매우 높은 전압을 인가하여 구동시키는 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier) 를 사용해 왔다. TWTA는 단일 튜브를 이용하여 고출력을 얻을 수 있으나 예열시간 및 유지 보수의 어려움으로 반도체형 소자를 사용한 SSPA(Solid State Power Amplifier)로 대체되고 있는 추세이다.

하지만 단일 반도체 소자의 출력은 매우 낮기 때문에 요구 출력을 충족하기 위해서는 전력 결합 기술이 반드시 필요하다.

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. 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.

Ⅱ. 본론

1. 설계 이론

이상적인 Magic-T는 무손실의 상호 4-port network이며 구조는 그림 1과 같다. E-Arm을 결합 포트로 하고 S14와 S24가 동위상, 동진폭일 경우 Magic-T 의 특성에 의해 S13과 S23은 역위상과 동진폭의 성능을 갖는다.^[1]

S₁₄ = S₂₄, S₁₃ = -S₂₃, S₁₁ = S₂₂          (1)

그림 1. Magic-T 결합기 구조

Fig. 1. Model of the Magic-T Combiner

그림 2의 제안 구조는 도파관 내부에 정합 유닛을 추가하여 포트 3과 포트 4의 완전 정합을 구현하였다.

S₃₃ = S₄₄        (2)

그림 2. 제안 구조

Fig. 2. The Proposed structure

식 (1), (2)을 적용한 산란행렬은 다음과 같다.

\(S=\left[\begin{array}{ccc} S_{11} & S_{12} & S_{13} & S_{14} \\ S_{21} & S_{22} & S_{23} & S_{24} \\ S_{31} & S_{32} & S_{33} & S_{34} \\ S_{41} & S_{42} & S_{43} & S_{44} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc} S_{11} & S_{12} & S_{13} & S_{14} \\ S_{12} & S_{11} & -S_{13} & S_{14} \\ S_{13} & -S_{13} & 0 & 0 \\ S_{41} & S_{14} & 0 & 0 \end{array}\right] \)         (3)

Unitary matrix에 의해 [S][S^*]=[I]로 산란행렬 계산을 통해 다음 식을 확인할 수 있다.

\(\left\{\begin{array}{l} R_{1} C_{1}=\left|S_{11}\right|^{2}+\left|S_{12}\right|^{2}+\left|S_{13}\right|^{2}+\left|S_{14}\right|^{2}=1 \\ R_{2} C_{2}=\left|S_{12}\right|^{2}+\left|S_{22}\right|^{2}+\left|S_{13}\right|^{2}+\left|S_{14}\right|^{2}=1 \\ R_{3} C_{3}=\left|S_{13}\right|^{2}+\left|S_{13}\right|^{2}=1 \\ R_{4} C_{4}=\left|S_{14}\right|^{2}+\left|S_{14}\right|^{2}=1 \end{array}\right.\)       (4)

식 (4)를 통해 S₁₃ = S₁₄ = \(\frac{1}{\sqrt{2}}\) , S₁₁ = S₂₂ = S₂₁ = 0을 계산하여 제안 구조의 최종 산란행렬은 다음과 같다.

\([S]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc} 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & -1 & 1 \\ 1 & -1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \end{array}\right]\)       (5)

상기 산란행렬을 통해 포트 3, 포트 4가 완전 정합을 이룰 때 포트 1과 포트 2는 자동으로 정합을 이루며 양호한 격리 특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

2. 전력결합기 설계

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.

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.

포트 간 격리도는 초기 시뮬레이션에서 20dB 이상의 양호한 성능을 확인하였으나 기구의 가공 및 조립 구조의 한계 때문에 높은 격리 특성을 구현할 수 없었다. 그래서 GaN MMIC 소자의 절연파괴 성능 등을 감안하여최소 10dB의 규격을 선정하고 시뮬레이션에서는 13 ~ 15dB로 절충하였다.

그림 3. 전력 결합기 시뮬레이션

Fig. 3. The simulation of power combiner

3. 전력결합기 전계 분석

결합기의 출력 포트에 CW(Continuous Wave) 신호를 인가하여 대역 내 Low frequency(fL), Center Frequency(fC), High Frequency(fH)에 대해 전계를 분석하였다.

표 1. 전력결합기 전계 분석

Table 1. E-field analysis of power combiner

전계 분석을 통하여 반사 손실이 낮을수록 강한 전계가 형성됨을 확인하였다. EM-시뮬레이터를 통한 전계 분석 결과는 그림 4에 나타내었다.

그림 4. 전력 결합기 전계 분포

Fig. 4. E-field distribution in the power combiner

4. 결합기의 방전 임계 전력 산출

지상 고도에서 도파관 내부에서 발생할 수 있는 절연파괴 전압은 3×10⁶ V/m로 이론적으로 시뮬레이션 전계값이 작을수록 높은 방전 임계전력을 확보할 수 있다. 방전 임계 전력 수식은 다음과 같다.^[2]

P_max = (E_brk / E_max)²        (6)

식 (6)을 통해 계산된 방전 임계전력은 다음과 같다.

표 2. 결합기의 방전 임계전력 산출

Table 2. Powr rating of power combiner

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.

5. 종단기 설계

Magic-T는 4-Port Network이다. 결합기에서 사용하는 포트는 3개이며 사용하지 않는 포트에 대한 종단이 필요하다.

도파관 종단기는 내부에 단단한 재질의 흡수체를 고정하여 구현한다. 이 흡수체에 유도된 전류는 높은 저항력에 의해 열에너지로 변환하게 되다. 열에너지를 빠르게 기구를 통해 배출할 수 있도록 3면이 기구와 접촉이 가능한 wedge 형상의 Load를 구현하였다. 시뮬레이션을 통해 25dB 이상의 반사 손실을 확보하였고, 그 결과는 그림 5에 나타내었다.

그림 5. 종단기 시뮬레이션 결과

Fig. 5. The simulation result of the termination

6. 커플러 설계

커플러는 최종 출력단 등 시스템의 주요 신호 경로에 지나가는 RF 신호를 샘플링(Sampling)하여 그 크기나 파형을 확인하는데 필요한 부품이다.

레이더 시스템에서 도파관 순환기를 통해 송수신 신호를 분리하기 때문에 송신기에는 송신 신호만 존재하게 된다. 그래서 방향성이 없는 커플러를 구현하여 크기를 최소화하였다. 입출력의 도파관 규격은 도파관 순환기와 결합기의 연결을 고려하여 WR-22로 선정하였으며 상대적으로 파워가 낮은 커플링 포트는 K-Type으로 구현하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나타내었다.

그림 6. 커플러 시뮬레이션

Fig. 6. The simulation result of the coupler

7. 전력결합기 제작 및 측정

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.

커플러 포트는 K-type 커넥터와 커플링 프로브를 일체형으로 제작하여 별도의 조립이 필요 없도록 구현하였다. 종단기의 흡수체(Absorber)는 높은 전력에도 문제가 없도록 재질을 선정하여 가공을 하였다. 결합기의 제작 사진은 그림 7와 같다.

그림 7. 8-way 도파관 결합기

Fig. 7. 8-way waveguide combiner

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.

그림 8. 8-way 도파관 결합기 측정 사진

Fig. 8. The waveguide combiner measurement photo

반사 손실은 사용 주파수 대역에서 20 dB 이상의 양호한 성능을 확인하였고 삽입손실은 0.3 ~ 0.8 dB의 분포를 보였다. 각 포트의 손실이 상이한 주된 원인은 가공 공차에 의한 것으로 판단되며, 시뮬레이션 대비 증가한 손실은 도전율이 높은 도금을 적용하여 개선이 가능하다. 결합기의 측정 결과는 그림 9에 나타내었다.

그림 9. 8-way 도파관 결합기 측정 결과

Fig. 9. Measurement result of the waveguide combiner

최종 SSPA를 제작하기 위해서는 주증폭기의 출력을 결합하기 위한 결합기와 구동 증폭기의 증폭 신호를 주 증폭기로 분배하기 위한 분배기가 필요하다. 그래서 동일한 구조의 분배기를 추가 제작하였고, 그림 10과 같이 Back to Back 시험을 진행하였다.

그림 10. 8-way 도파관 결합기 측정 결과

Fig. 10. Measurement result of the waveguide combiner

측정결과 반사손실은 사용 대역에서 15 dB 이상이고, 삽입손실은 1.2 dB 이하의 결과를 확인하였다. 그림 9의 반사손실 대비 약 5 dB의 성능 열화가 발생하였는데 이는 각 8개 포트의 도파관 면이 정확히 매칭이 되지 않아 발생한 것으로 판단된다.

일반적으로 N개의 입출력 포트를 갖는 분배기와 결합기의 성능 확인에 있어서 평균적인 특성 분석이 가능한 Back to back 시험이 적합하기 때문에 그림 11의 결과를 토대로 결합효율을 계산하였다.^[3]

\(\eta_{c} \approx \sqrt{\frac{\left|S_{21}\right|^{2}}{1-\left|S_{11}\right|^{2}}}\)        (7)

그림 11. Back to back 측정 결과

Fig. 11. Back to back measurement result

그림 11에서 결합기 단품 기준 사용 대역에서 반사손실은 15.8 dB 이상 삽입손실은 0.6 dB 이하이다.

식 (7)을 통한 계산 결과는 그림 12에 나타내었고, 사용 대역에서 최소 84.8%의 결합 효율을 확인하였다.

그림 12. 출력 결합 효율

Fig. 12. Output combining efficiency

Ⅲ. 결론

본 논문에서는 밀리미터파(Ka 대역) 시스템에 적용 가능한 Magic T 구조의 도파관 결합기에 대해 연구를 하였다.

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.

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.

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

※ 본 연구는 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구결과임. (계약번호 UG190065GD)