THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Jan.; 27(1), 92 ∼95.
http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2016.27.1.92 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
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열음향 응용을 위한 1 kW급 UHF 대역 반도체 펄스 전력증폭기
UHF-Band 1 kW Solid State Pulsed Power Amplifier for
Thermoacoustic Imaging Application
이승민․박승표․최승범․이문규
Seung-Min Lee․Seung-Pyo Park․Seung-Bum Choi․Moon-Que Lee 요 약
본 논문에서는 UHF 대역인 900 MHz에서 열음향 영상(thermoacoustic imaging, TAI) 응용을 위한 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 반도체 펄스 전력 증폭기는 단펄스(short pulse) 동작을 위하여 펄스 폭 80 , 듀티사 이클 1 %, 900 MHz의 캐리어 주파수 조건에서 설계되었다. 전체 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 윌킨슨 전력 분배기를 통해 결합하여 제작되었고, 사용된 능동 소자는 Freescale사의 MRFE6P9220HR3 LDMOSFET이 사용되었다. 제 작된 전력 증폭기는 입력 전력이 —16 dBm일 때 중심주파수에서 60.2 dBm의 출력 전력과 76.2 dB의 전력 이득, 그리고 25 % 의 드레인 효율 특성을 나타내었다.
Abstract
I n this paper, an UHF-band 1 kW solid-state pulsed power amplifier was designed and implemented for the thermoacoustic ima- ging(TAI) at 900 MHz. The designed power amplifier has a pulse width of 80 and a duty cycle of 1 % for short-pulse operation.
The overall amplifier was implemented by combining of 16 single-power amplifiers adopting MRFE6P9220HR3 LDMOSFET using wilkinson power dividers. The solid-state pulsed power amplifier shows 25 % drain efficiency with a gain of 76.2 dB when the output power is 60.2 dBm for a —16 dBm input power at center frequency.
Key words: Thermoacoustic Imaging(TAI), Solid State Pulsed Power Amplifier(SS-PPA), UHF-Band, Short Pulse
「본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 대학ICT연구센터육성 지원사업의 연구결과로 수행되었음(IITP-2015-H8501-15-1010).」
서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과(Department of Electronic Computer Engineering, University of Seoul)
․Manuscript received October 8, 2015 ; Revised November 16, 2015 ; Accepted November 26, 2015. (ID No. 20151008-23S)
․Corresponding Author: MoonQue Lee (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
전자기파에 반응하는 세포들의 서로 다른 에너지 특성 을 이미지화하는 TAI(Thermoacoustic Imaging)는 암세포 를 발견하는 새로운 방법으로 연구되고 있다
[1]. 서로 다 른 유전체 특성을 갖고 있는 체내의 조직세포들은 높은 전력의 단펄스(short pulse)에 대해 각기 다른 에너지 특성 을 보이며, 그림 1에 이를 도식화하였다. 본 논문에서는
TAI 응용을 위하여 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 의 펄스 폭, 1 %의 듀티사이클을 갖는 펄스 변조 신호를 출 력하는 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기를 연구하였다.
현재 kW급 이상의 높은 대전력 펄스 증폭기에 대한 국내 연구 사례는 많지 않으며, 본 논문에서는 전력 결합 손실 에 중점을 맞추어 연구를 진행하였다. 전력 결합 손실을 최소화하기 위하여 단일 전력 증폭기 출력 신호간의 위 상편차를 최소화 하는 방법을 제안하였으며, 회로의 발진
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열음향 응용을 위한 1 kW급 UHF 대역 반도체 펄스 전력증폭기
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그림 1. 일반적인 열음향 이미지 처리 과정
Fig. 1. Generic thermoacoustic imaging process.
을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 적용되었다.
Ⅱ. 단일 펄스 전력 증폭기 제작 및 측정 2-1 발룬 설계
그림 2의 단일 전력 증폭기 회로의 입력 및 출력단에는 트렌지스터의 차동구조 동작을 위하여 동축케이블로 제 작된 발룬(balun)이 설계되었다. 일반적인 전력 트렌지스 터는 수 Ω 이하의 출력 임피던스를 갖기 때문에, 높은 Q 값의 임피던스 정합회로를 요구함과 동시에, 이는 대역폭 을 제한하는 주요한 원인이다
[2]. 하지만 발룬이 사용되는 푸쉬-풀(push-pull) 구조에서는 발룬의 25 Ω 차동 출력 임 피던스가 정합회로의 설계를 보다 용이하게 만들어준다
[3]
. 발룬 제작에 사용된 동축 케이블은 익스펜텔사의 EX- SR-141T-50-TP-CW 를 사용하였고, 그림 3과 같이 λ/4 길 이의 동축케이블을 사용한 간단한 구조로 설계되었다. 제 작된 발룬은 측정결과, 0.2 dB의 전력 편차, 2° 이내의 위 상 편차를 나타내었다.
2-2 단일 펄스 전력 증폭기 설계
그림 2. 단일 펄스 전력 증폭기 회로도
Fig. 2. Schematic of the single pulsed power amplifier.
그림 3. 설계된 발룬을 간략화한 회로도
Fig. 3. A simple schematic of designed balun.
1 kW 급 전력 증폭기는 16개의 단일 전력 증폭기를 결 합하여 제작되었다. 설계된 단일 전력 증폭기의 회로도는 그림 2에 나타내었다. 설계에 사용된 능동소자는 Free- scale 사의 LDMOSFET 소자 MRFE6P9220HR3이고, 드레 인 바이어스 전압은 28 V가 사용되었다. 전력 증폭기의 입력 및 출력 정합 회로는 로드-풀 시뮬레이션을 통해 얻 은 부하 및 소스 임피던스 값을 기반으로 설계되었으며, 그림 4에 출력 정합 회로를 나타내었다. 제작된 발룬은
그림 4. 단일 전력 증폭기의 출력 정합 회로
Fig. 4. The output matching network of unit power amplifier.
그림 5. 제작된 단일 전력 증폭기 사진
Fig. 5. Photograph of the designed single power amplifier.
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 1, Jan. 2016.
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전력 증폭기의 입력 및 출력에서 대칭적으로 구성하여 측정결과에서 나타났던 발룬의 전력 편차 영향을 억제하 였다. 단일 전력 증폭기는 유전율 2.55, 두께 0.79 mm의 테프론 기판을 사용하여 제작되었으며, 크기는 ×
cm
이다. 그림 5에 제작된 단일 전력 증폭기의 모습을 나타내었다. 제작된 전력 증폭기는 측정결과, 32.8 dBm의 입력이 인가될 때 50.3 dBm의 출력전력, 17.5 dB의 높은 전력 이득을 나타내었다.
Ⅲ. 1 kW급 반도체 펄스 전력 증폭기 제작 및 측정 3-1 전력 증폭기 결합 모듈 설계
본 절에서는 4개의 단일 전력 증폭기를 결합하여 제작 된 전력 증폭기 결합 모듈에 대하여 설명한다. 본 논문에 서는 효율적인 단일 전력 증폭기간의 출력 전력 결합을 위하여 전력 및 위상 편차 특성이 우수한 4-way 윌킨슨 전력 분배기를 사용하였다. 설계된 윌킨슨 전력 분배기는 0.1 dB 내외의 전력 편차, 1° 이내의 위상 편차를 나타내 었다. 윌킨슨 전력 분배기의 전력 결합 손실을 제거하기 위해서는 입력되는 각각의 신호의 위상이 모두 동일해야 한다. 하지만 실제 전력 증폭기들의 출력 신호에는 위상 편차가 존재하기 때문에 전력 결합 손실이 증가한다. 본 논문에서는 결합 손실을 최소화하기 위하여 그림 6에서 와 같이 윌킨슨 전력 분배기에 적절한 길이의 오프셋 (offset) 을 주었다. 회로망 분석기(network analyzer)를 통해 각 단일 전력 증폭기의 S
21위상을 측정하고, offset line을 통하여 위상편차를 3° 이내로 최적화 하였다. 또한, 각 단
그림 6. 제작된 전력증폭기 모듈 사진
Fig. 6. Photograph of the designed power amplifier module.
표 1. 전력 증폭기 모듈 출력 전력 측정 결과
Table 1. Measured output power of power amplifier module.
Module 1 Module 2 Module 3 Module 4 출력 전력
[dBm] 55.2 52.9 54.4 54.6
일 전력 증폭기 출력단에 아이솔레이터를 사용하여 회로 의 발진을 억제하고 안정성을 높였다. 표 1은 제작된 4개 의 전력 증폭기 모듈의 전력 측정 결과를 나타낸다.
3-2 1 kW급 펄스 전력 증폭기 설계
본 논문에서 제안하는 1 kW급 펄스 전력 증폭기의 전 체 블록도를 그림 7에 나타내었다. 최종 출력인 1 kW급 전력을 결합하기 위하여 앞 절에서 제작한 4개의 전력 증 폭기 모듈을 4-way 윌킨슨 전력 분배기와 RF 케이블을 사용하여 수직으로 결합하였다. 마찬가지로 전력 결합 손 실을 최소화하기 위하여 윌킨슨 전력 분배기에 offset line 을 삽입하였으며, 이를 통해 전력 증폭기 모듈 간의 S
21위상 편차는 3° 이내로 최적화 되었다. 그리고 설계된 전 력 증폭기는 발진을 억제하기 위한 몇 가지의 설계 기법 이 적용되었다. 먼저, 전체 하우징을 금속판으로 사용하 여 전력 증폭기 모듈 간의 전기적인 차폐를 하였다. 이는 원치 않는 신호의 결합과 피드백을 억제한다. 또한, 분리 된 모듈을 서로 연결하여 기준 전위를 하나로 통일하였 다. 마지막으로 회로의 출력단에 아이솔레이터를 사용하 여 전체 회로의 S
22반사특성을 향상시켰다.
최종 완성된 전력 증폭기는 그림 8에 나타내었는데, dc 바이어스 회로, 구동 증폭기(drive amp) 및 RF 입/출력 케
그림 7. 제안하는 1 kW급 펄스 전력 증폭기 블록도 Fig. 7. Proposed block diagram of 1 kW pulsed power am-
plifier.
열음향 응용을 위한 1 kW급 UHF 대역 반도체 펄스 전력증폭기
95 그림 8. 제작된 1 kW급 펄스 전력 증폭기 사진
Fig. 8. Photograph of the designed 1 kW pulsed power am- plifier.
그림 9. 1 kW급 펄스 전력 증폭기 측정 결과
Fig. 9. Measurement result of the 1 kW pulsed power am- plifier.
표 2. 1 kW급 펄스 전력 증폭기 측정 결과
Table 2. Measurement result of the pulsed power amplifier.
입력 전력 출력 전력 전력이득 전력 변환 효율
—16 [dBm] 60.2 [dBm] 76.2 [dB] 25 [%]
이블을 세 번째 층에 구성하여, 총 5개의 층으로 제작되 었다.
최종 제작된 전력 증폭기의 측정 결과는 그림 9와 표 2 에 정리하였다. 입력 전력은 신호발생기 Agilent E4438C 모델을 사용하여 900 MHz의 캐리어 주파수, 80 의 펄 스폭, 1 %의 듀티 사이클을 갖는 펄스 변조된 신호를 인
가하였으며, 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)는 Agilent E4440A 모델을 사용하여 최종 출력 전력을 측정하였다.
측정결과, —16 dBm의 RF 입력 신호가 인가되었을 때 60.2 dBm, 즉 1 kW의 전력이 측정되었다. 이때의 전체 전 력 이득은 76.2 dB, 드레인 효율은 25 %로 측정되었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 열음향 응용을 위한 1 kW급 반도체 펄 스 전력 증폭기를 제작하였다. 제작된 전력 증폭기는 900 MHz 의 캐리어 주파수, 80 의 펄스폭, 1 %의 듀티사이 클의 1 kW급 단펄스를 출력한다. 단일 전력 증폭기는 로 드-풀 시뮬레이션을 통하여 높은 전력 이득을 갖도록 설 계되었으며, 최종 출력 전력은 16개의 단일 전력 증폭기 를 결합하여 얻어 내었다. 그리고 각각의 단일 전력 증폭 기의 S
21위상 값을 기반으로 설계된 offset line을 통하여, 윌킨슨 분배기에서의 전력 결합 손실은 최소화 되었다.
또한, 발진을 억제하기 위한 여러 설계 기법이 회로에 적 용되었다. 제작된 전력 증폭기는 측정결과, 60.2 dBm의 출력전력, 76.2 dB의 전력 이득, 25 %의 드레인 효율을 나 타내었다.
References
