공간결합기를 활용한 Ka대역 100W급 SSPA 설계 및 제작

Design and fabrication of Ka-band 100W SSPA using spatial combiner

Abstract

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.

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.

Ⅰ. 서론

탐색기는 유도탄의 가장 앞부분에 위치해 유도탄의 종말 유도 단계에서 표적을 탐지, 포착, 추적하여 그 결과를 유도 조종 장치에 전달함으로써 유도탄을 정확하게 표적으로 유도하는 역할을 한다. 따라서 탐색기의 성능이 유도무기의 성능을 크게 좌우한다.

탐색기의 주요 모듈인 송신기(Transmitter)는 매우 높은 구동전압을 인가하여 동작시키는 TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier)를 사용해 왔다. TWTA는 전자관을 이용하여 필요한 신호를 증폭하는 기계로 수분의 예열 시간 및 높은 유지 보수비용으로 GaN(Gallium nitride) 소자를 사용한 SSPA(Solid State Power Amplifier)로 대체되고 있는 추세이다.

GaN 집적회로(MMIC)는 GaN on SiC 공정을 이용한 집적회로 설계를 통하여 고효율의 소형 MMIC를 구현할 수 있다. GaN MMIC는 높은 에너지 밀도와 열전도율, 항복 전압특성이 있어 고효율의 신뢰성 있는 제품개발이 가능하다. 하지만 초고주파 대역에서 단일 GaN 소자의 출력은 매우 낮은 수준이기 때문에 높은 출력을 만들기 위해 전력 결합기술이 반드시 필요하다.

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.

Ⅱ. SSPA 구성품 설계

1. 고출력증폭모듈

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.

표 1. 반도체 소자의 전기적 특성^{[1], [2]}

Table 1. Electrical properties of semiconductor devices

사용된 10W급 국산화 GaN MMIC 제품 사양은 표 2.와 같다

표 2. GaN MMIC 제품 사양

Table 2. GaN MMIC Product Specification

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.

그림 1. 고출력증폭모듈 구조

Fig. 1. High power amplification module structure

2. 8-way도파관 공간 결합기

공간 결합기는 다수의 입력 신호를 단일 결합하여 손실을 줄이고 결합 효율을 높일 수 있다.

본 논문에 적용된 도파관 공간 결합기의 규격은 표 3. 과 같다.

표 3. 공간 결합기 전기적 규격

Table 3. Spatial combiner Specifications

초고주파 대역에서 군용 및 민수용 고출력 시스템에서 Duty 30 ~ 40%의 높은 출력을 요구하고 있는 추세이다. 다수의 증폭기를 결합하여 높은 출력을 얻기 위한 결합기의 내전력 특성은 매우 중요하다. 기존 공간 결합 기술은 결합 포트를 동축 선로로 구현하기 때문에 높은 내 전력 특성을 만족할 수 없다. 순수 도파관 구조의 공간 결합기가 필요한 이유이다.^[3]

본 논문의 도파관 공간 결합기는 고차모드에서 결합된신호를 다시 기본 모드로 변환하기 위한 모드 변환기를 소형화를 위해 Yu의 모드 변환 방식을 적용하여 구현하였다.^[4]

그림 2. 도파관 공간 결합기 시뮬레이션 모델링[3]

Fig. 2. Modeling of the waveguide spatial combiner

그림 3.은 공간 결합기의 시뮬레이션 결과로 사용 대역에서 반사 손실 23dB 이상, 삽입 손실 9.1dB 이하의 결과를 얻었다.

최종적으로 전자장 해석을 통해 최종 출력에서 방전 임계 전력을 산출하여 이상적인 조건에서 충분한 전력마진이 있는지 확인하였다. 결과는 그림 4.와 표 4.에 나타내었다.

그림 3. 도파관 공간 결합기 시뮬레이션 결과

Fig. 3. The simulation result of the waveguide spatial combiner

그림 4. 전력 결합기 전계 분포^[3]

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

표 4. 공간 결합기의 방전임계전력 산출[3]

Table 4. Power rating of power spatial combiner

상기분석을 통해 사용 전력 대비 충분한 마진을 확보하였으며 높은 고도 및 온도에서도 성능 열화 없이 동작할 수 있음을 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 불연속면을 최소화하여 도파관 내부에서 아크(Arc)가 발생하지 않도록 모서리에 라운드 처리하여 시제를 제하였다.

Ⅲ. SSPA 구성품 제작

1. 고출력증폭모듈

고출력증폭모듈은 10W급 GaN MMIC 2개를 PCB T-junction으로 결합 후 모드 변환기를 통해 도파관 형태로 변환하여 20W RF를 송신하는 장치이다.

MMIC 2개를 결합하기에 앞서 단품 시험을 진행하였다. 그림 5.는 MMIC 단품 시험 구성도이며, 아래 표 5. 는 MMIC 단품 시험 결과이다. 이득은 12.1~12.9dB를갖으며, 출력전력은 40dBm 이상으로 10W를 만족하는 성능을 보였다.

그림 5 GaN MMIC 단품 시험 구성도

Fig. 5. GaN MMIC single unit test composition diagram

표 5. GaN MMIC 단품시험 결과

Table 5. GaN MMIC single unit test results

20W 출력을 위해 결합에 사용된 T-junction은 Microstrip 타입으로 RF 3D 시뮬레이션을 통해 매칭을 최적화하고 삽입 손실을 최소화하여 제작하였다.

제작사진 및 시험 결과는 아래와 같다.

그림 6. T-junction 결합기 제작 결과

Fig. 6. T-junction Combiner fabrication Results

표 6. T-Junction 결합기 시험 결과

Table 6. T-Junction Combiner Test Results

MMIC 칩 2개를 T-junction 결합기를 통해 결합 된 신호와 도파관 구조의 공간 결합기는 신호전송을 위한 고유의 모드(mode)가 다르다. 그래서 두 모드의 매칭을 위한 모드 변환기가 필요하다. 모드 변환기는 End-launch 구조로 제작하여 시험하였으며 소형화를 위해 주증폭기에 일체형으로 장착하였다.

시험 결과 삽입 손실이 Adaptor를 포함하여 0.33 dB를 확인하였으며, Adaptor 손실을 제외하면 0.1dB 이내의 매우 낮은 손실을 보였다.

그림 7. 모드 변환기 제작 결과

Fig. 7. Mode converter fabrication results

표 7. 모드 변환기 시험 결과

Table 7. T-Junction Combiner Test Results

주증폭기는 그림 8.와 같은 형태로 구성하였으며, 시험 결과는 표 8.와 같이 측정되었다. 출력 전력은 입출력 Adaptor 손실을 미 포함한 값이며, Psat 값은 20W를 충분히 만족하게 측정되었다.

그림 8. 주증폭기 분해도

Fig. 8. Main Amplifier Module Decomposition Diagram

그림 9. 주증폭기 제작 형상

Fig. 9. Main Amplifier Module production shape

표 8. 주증폭기 시험 결과

Table 8. Main amplification module test results

2. 8-way도파관 공간 결합기

도파관에 경우 기구 가공으로 회로를 구현하기 때문에 가공 및 조립구조에 따라 많은 성능 변화가 발생한다. 설계 단계에서 예측 가능한 요인을 면밀히 검토하여 시뮬레이션에 적용하고, 도면화 및 제작하였다. 도금은 도전율이 가장 높은 은도금으로 선정하여 전송 손실을 최소화하였다. 제작사진은 그림 10.과 같다.

그림 10. 8-way도파관 공간 결합기^[3]

Fig. 10. 8-way waveguide spatial combiner

도파관 플랜지(Flange)는 국제표준 규격인 UG-383/U를 선택하여 적용하였다. N₅₂24A 회로망 분석기 및 N₄₆93-60002 E-Cal kit을 통해 교정 (Calibration)을 하고 도파관 어댑터를 연결하여 시험하였다. 측정하지 않는 포트는 종단하였다. 측정 사진은 그림 11.에 나타내었다.^[3]

그림 11. 8-way도파관 공간 결합기[3]

Fig. 11. 8-way waveguide spatial combiner

시험 결과는 도파관 어댑터 손실을 제외하고 사용 주파수 대역에서 삽입 손실 9.4dB, 반사 손실 23dB 이상의 매우 우수한 성능을 확인하였다.

그림 12. 공간 결합기 반사 손실, 삽입 손실 측정 결과^[3]

Fig. 12. The spatial combiner IL, RL measurement results

Ⅳ. SSPA 제작 및 시험

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.

주증폭기와 8-way도파관 공간 결합기 입/출력부는 조립 오차로 인한 손실을 최소화하기 위해 가이드 핀을 적용하여 조립되었다.

그림 13. 100W급 SSPA 제작 형상

Fig. 13. 100W Class SSPA production shape

RF 출력 레벨은 사용 주파수에서 PRF 20kHz Duty 20%, PRF 400kHz Duty 40%, PRF 800kHz Duty 40% 3가지 경우로 측정되었다. 시험 구성도는 그림 14. 에 나타내었다.

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.

그림 14. 100W SSPA 시험 구성도

Fig. 14. 100W SSPA test block diagram

표 9. 100W급 SSPA 시험 결과

Table 9. 100W class SSPA test result

그림 15. PRF 800kHz_40%

Fig. 15. PRF 800kHz_40%

그림 16. PRF 800kHz_40%, RF 출력 전력

Fig. 16. PRF 800kHz_40%, RF Output power

Ⅴ. 결론

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.

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.

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.