S-Band Solid State Power Oscillator for RF Heating

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

Ⅰ. 서 론

현재 통신 시스템이나 산업 시스템에 적용되고 있는 발진기와 증폭기는 크게 진공관(vacuum tube) 기술을 이 용한 것과 반도체 기술을 이용한 것으로 구분된다. 통상 적으로 높은 출력이 요구되는 시스템에는 진행파관(Tra- veling-Wave Tube: TWT)을 비롯한 가정용 전자레인지의 마그네트론 등의 진공관 기술이 근간을 이루고 있다. 하 지만 진공관 형태의 발진기와 증폭기는 크기가 크고, 수

kV의 동작 전압이 필요하기 때문에 별도의 승압 장치가 필요하게 되어 전체 시스템 부피가 상당히 커지는 단점 이 있다.

최근 반도체 기술의 비약적인 발전으로 높은 출력 전 력과 효율 특성을 갖는 반도체 소자들의 개발이 활발히 이루어져, 점차 반도체 기술로 대체되고 있다. 반도체 소 자를 사용할 경우 동작 전압이 낮은 장점을 가지고 있다.

하지만 반도체 소자를 이용한 전력원은 최종 출력단 증 폭기에서 높은 출력을 얻기 위해서 소출력 발진기와 같

RF 가열용 S-대역 반도체 전력 발진기 S-Band Solid State Power Oscillator for RF Heating

장광호․김보기․최진주․최흥식*․심성훈*

Kwang-Ho Jang․Bo-Ki Kim․Jin-Joo Choi․Heung-Sik Choi*․Sung-Hun Sim*

요 약

본 논문은 마그네트론 대체를 위한 반도체 전력 발진기 모듈 설계에 관련된 내용을 기술하였다. 300급 LDMOS 단일 전력 증폭기의 특성을 확인하였고 두 개를 결합하여 모듈을 구성하였다. 결합된 모듈에 delay-line feedback loop을 구성하 고 위상 천이기를 이용하여 위상을 조절하여 발진기를 구동시켰다. 발진기 모듈 측정 결과 주파수 2.327 GHz에서 출력 800 W, 효율 58 %로 측정되었다. 이 결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 보여준다.

Abstract

This paper presents a design study of a solid state power oscillator to replace the conventional magnetron. The operational conditions of a single-stage 300 W LDMOS power amplifier were fully characterized. The power module consisted of two amplifiers connected in parallel. A delay-line feedback loop was designed for self-oscillation. A phase shifter was inserted in the delay-line feedback loop for adjusting the round-trip phase. Experiments performed using the power oscillator showed an output power of 800 W and a DC-RF conversion efficiency of 58 % at 2.327 GHz. The measured results were in good agreement with those predicted by numerical simulations.

Key words: Magnetron Replacement, Microwave Oven, Power Oscillator, LDMOS



「이 연구는 LG전자의 지원과 2016학년도 광운대학교 교내 연구비 지원으로 연구되었음.」

광운대학교 전파공학과(Department of Wireless Communications Engineering, Kwangwoon University) *LG전자(LG Electronics)

․Manuscript received December 11, 2017 ; Revised January 24, 2018 ; Accepted January 24, 2018. (ID No. 20171211-121)

․Corresponding Author: Jin-Joo Choi (e-mail: [email protected])

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은 RF 신호원과 구동을 위한 여러 단의 증폭기가 필요하 다^[1]. 최종 출력단의 고출력 전력 증폭기를 비롯한 각 구 동단의 효율 특성을 개선시킨다고 해도, 전체 시스템 효 율은 구동단의 수가 늘어날수록 떨어지게 된다. 시스템 효율 특성이 안 좋을수록 열로 소모되는 전력은 증가하 게 되고, 시스템 온도가 증가하게 되어 반도체 소자들의 성능이 열하된다. 따라서 추가적인 냉각 비용과 시스템 크기가 증가하는 문제점이 있다^[2]^～[4]. 이러한 문제는 높 은 출력 전력과 효율 특성을 갖는 RF 발진기 시스템에 적 용한다면 해결이 가능하다. 하지만 고출력 발진기에 대한 연구가 미비한 실정이다.

본 논문에서는 높은 출력 전력을 갖는 반도체 전력 발 진기에 대한 연구를 수행하였다. 300 W급 LDMOS 두 개 를 결합하여 고출력 발진기를 설계하였고 특성을 확인하 였다.

Ⅱ. 발진기 이론

2-1 정상 상태 발진

그림 1은 비선형 회로와 피드백 회로로 구성된 2포트 피드백 발진기의 등가회로를 나타내고 있다. 여기서 A(j ω)=Aexp(j

Φ

A)는 증폭기와 같은 비선형 회로 복소 전달함 수를 나타내며, β(jω)=βexp(j

Φ

β)는 공진기 또는 전송 선로와 같은 피드백 회로의 복소 전달 함수를 나타낸다.

그림 1에서도 확인할 수 있듯이, 발진기는 트랜지스터 동작을 위한 DC 전원만 인가된 상태에서 입력 RF 신호가 없이 특징 주파수의 RF 신호를 생성하는 독립적으로 동 작하는 회로이다. 이러한 발진기는 트랜지스터가 갖는 전 기적 잡음, 수동 피드백 회로에 존재하는 잡음 또는 전원 공급기의 전원이 켜질 때 발생하는 잡음에 의해 최초의

그림 1. 2 포트 피드백 발진기의 등가회로

Fig. 1. Equivalent circuit of 2 port feedback oscillator.

발진이 형성된다. 이러한 아주 낮은 레벨의 잡음이 발진 으로 진행하기 위해서는 식 (1)과 식 (2)를 만족해야 한다.

    ․    (1)

_ _    (2)

즉, 발진기의 발진 주파수는 발진기 회로의 전체 루프 이득과 위상에 의해 결정된다. 발진기 회로 내부에 존재 하는 잡음은 피드백 회로를 통해 비선형 회로로 입사되 어 증폭되는 과정을 반복한다. 이 때, 전체 발진기 회로의 루프 이득이 ‘1’보다 크고, 위상이 동위상을 만족하는 주 파수 성분에 대해서만 정궤환(positive feedback)이 되어 증폭되고 나머지 주파수에서의 신호들은 부궤환(negative feedback)이 되어 더 이상 증폭되지 않는다. 증폭이 반복 되면서, 발진 주파수에 해당하는 신호의 진폭은 점차 증 가하게 된다. 진폭이 커짐에 따라, 비선형 회로의 비선형 적 특성이 증가하여 이득이 점차 줄어들게 되고 진폭의 증가율이 줄어들게 된다.

최종적으로 정상 상태의 발진에 이르게 되면, 발진기 회로의 전달 함수는 식 (3)과 식 (4)로 나타낼 수 있다.

    ․    (3)

_ _    (4)

여기서, A는 정상 상태의 ∈이고, ^는 정상 상태 의 ∈_을 나타낸다. 식 (3)은 진폭 평형 상태라고 하 며, 정상 상태에 도달한 발진기의 전체 루프 이득을 ‘1’이 되어 정상 상태의 출력을 유지하게 된다. 그리고 식 (4)는 위상 평형 상태라고 하며, 발진 주파수에서 전체 발진기 전체 루프의 위상의 합은 ‘0’ 또는 2π의 정수배를 만족 해야 한다는 것을 의미한다^[5]. 식 (3)과 (4)를 Barkhausen 조건이라고 한다. 이러한 조건을 만족할 때, 발진기는 정 상 상태의 발진을 하게 된다.

2-2 발진기 구조

그림 2(a)와 그림 2(b)는 소출력 발진기에서 가장 널리 사용되고 있는 Hartley 발진기와 Colpitts 발진기 구조를 나타내고 있다^[6]. 그림 2에서 확인할 수 있듯이, Hartley 발진기와 Colpitts 발진기에서는 피드백 전달 함수^{  }

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(a) Hartley (b) Colpitts 그림 2. 발진기 구조

Fig. 2. Oscillator structure.

는 집중소자 인덕터와 커패시터를 이용한 공진기로 나타 낼 수 있다.

발진 주파수는 집중소자 공진기의 공진 주파수에 의해 결정되며, 이 때 공진 주파수는 식 (5)를 이용해 구할 수 있다.

_ ^^․_^{ } (5)

여기서 L^eq와 C^eq는 각 발진기 구조에서의 등가적인 인덕 터와 커패시터 값을 나타낸다. 하지만 집중소자를 이용한 공진기의 경우, 집중소자의 기생성분으로 인해 특징 주파 수에서 자기 공진 현상(self-resonance)이 발생하게 된다.

이러한 문제점으로 인해 집중소자를 사용하는 발진기는 수 백 MHz 대역 이상에서는 사용이 어렵다.

다음으로는 본 논문에서 적용한 지연 선로 발진기(delay- line oscillator)가 있다. 지연 선로 발진기는 그림 1의 피드 백 회로를 단순한 전송 선로로 나타낼 수 있다. 발진기 주 파수는 발진기 회로의 전체 루프이득과 피드백 회로의 전기적 길이에 의해 결정되기 때문에 지연 선로 발진기 는 위상 천이기(phase shifter) 등을 이용하여 지연 선로의 전기적 길이를 조절하여 발진 주파수를 변화시킬 수 있 다. 또한 방향성 결합기 또는 결합 커패시터를 이용해 피 드백되는 전력을 조절할 수 있기 때문에 충분한 입력 전 력이 필요한 고출력 발진기 구조에 적합하다. 증폭기의 입력과 출력 포트를 50 Ω으로 정합하면 피드백 회로를 별도의 임피던스 변환회로 없이 구현이 가능하다^[7]^～[10].

Ⅲ. 전력 증폭기 설계 및 측정

3-1 전력 증폭기 설계

요즘 마그네트론 대체를 위한 트랜지스터는 LDMOS 타입으로 NXP와 Ampleon에서 생산되고 있다. 다양한 종 류가 있지만 본 연구에서는 소자 안정도가 높은 Ampleon 의 BLC2425M8LS300P소자를 선택하였다^[11]. 이 소자는 300 W급 소자이며, 높은 ruggedness를 가지며 CW로도 동 작이 가능하다. V^d=32 V(드레인 전압)로 일반적으로 동작 시키고, 본 연구에서는 class-AB로 설계하였다. 트랜지스 터는 비선형 동작하기 때문에 시뮬레이션을 통해서 트랜 지스터의 동작 특성을 확인하였다. 이는 Ampleon에서 제 공되는 Agilent Advanced Design System(ADS) 시뮬레이션 코드를 사용하여 하모닉 로드풀(harmonic load-pull)을 수 행하였다. 그 결과 이때 2.35 GHz에서 300 W 이상의 출 력을 내도록 설계하였다.

다음으로는 주파수 특성과 입력 전력에 의해서 변하는 특성을 확인했다. 그림 3(a)는 증폭기가 동작할 때 입력 전력 변화에 따른 출력 전력, 이득, 효율에 관한 특성 그 래프이다. 2.35 GHz에서 최대 출력이 56 dBm, 최대 이득 은 14 dB, 효율은 약 50 %의 효율을 갖는 것을 확인하였 다. 그림 3(b)를 보면 주파수 특성을 볼 수 있는데, 2.3 GHz에서 2.6 GHz 주파수 대역에서 55 dBm의 출력을 나 타낸다. 이때 효율은 약 56 %, 이득은 약 15 dB이다.

3-2 전력 증폭기 실험

설계된 회로를 이용하여 실제로 제작하여 특성을 확인 하였다. 그림 4(a)는 설계된 전력 증폭기의 설계 구성도 이다. 그리고 그림 4(b)는 실제로 제작된 전력 증폭기이 다. 왼쪽은 입력 정합 회로, 오른쪽은 출력 정합회로가 위 치한다.

제작된 회로의 특성을 확인하기 위해서 펄스 실험을 통해서 증폭기 특성을 확인하였다. Duty=0.5 %(PRF=50 Hz, PW=100 μs)로 진행하였다. 펄스를 위해서 펄스 발생 기와 펄스 스위치를 이용하여 신호 발생기에서 펄스 신 호가 나오도록 하였다. 그리고 2개의 구동 증폭기를 연결 하였다. 그리고 단일 전력 증폭기 전단에는 커플러를 연

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(a) 구동 곡선 (a) Drive-curve

(b) 주파수 특성

(b) Frequency characteristic

그림 3. 설계된 전력 증폭기의 하모닉 밸런스(Harmonic- Balance: HB) 시뮬레이션 결과

Fig. 3. Harmonic balance simulation results of designed power amplifier.

결하여 입력 전력도 동시에 측정하였다. 그리고 3개의 증 폭기 사이사이에는 서큘레이터를 넣어서 반사되는 신호 를 막아주어 보호할 수 있도록 하였다. 마지막으로 입력, 출력 전력은 피크 파워 센서와 파워 미터로 출력 전력을 측정하였다.

(a) 도면 (a) Structure

(b) 제작된 단일 전력 증폭기 (b) Fabricated power amplifier 그림 4. 설계된 전력 증폭기

Fig. 4. Designed power amplifier.

그림 5는 2.35 GHz에서 duty=0.5 %로 동작했을 때 특 성을 측정한 것이다. 이때 단일증폭기는 300 W 이상 최 대 55.9 dBm까지 측정되는 것을 확인하였다. 이때 최대 전력 이득은 12 dB이다. 확인된 증폭기의 성능을 바탕으 로 다음 장에서는 결합 발진기를 꾸미기 위한 설계를 하 도록 한다.

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그림 5. 2.35 GHz 단일 전력 증폭기 측정 결과

Fig. 5. Experiment results of 2.35 GHz single power amplifier.

Ⅳ. 전력 발진기 모듈 설계 및 제작

4-1 Gysel 결합기 설계

두 개의 전력 증폭기를 결합하기 위해서는 결합기 및 분배기가 필요하다. 여러 가지 종류의 결합기가 있지만 본 연구에서는 Gysel 결합기를 설계하고 제작하였다^[12]. 그림 6(a)는 결합기의 제작된 사진이고, 그림 6(b)는 HFSS 로 시뮬레이션한 결과와 실제 측정한 결과이다. 시뮬레이 션에서 예측과 유사하게 반사계수는 -20 dB 이하, 전송 특성 S²¹, S31은 약 -3.2 dB, 그리고 격리도는 -20 dB로 특성을 만족하였다.

4-2 CW 동작 열해석(ANSYS ICEPACK)

결합된 전력 발진기 모듈을 동작시키기 위해서는 두 개 가 결합이 되어야 하고 CW로 동작해야 한다. 그러기 위해 서는 열해석이 반드시 필요로 한다. 기본적인 조건은 바 닥은 구리로 하고 트랜지스터는 0.1 mm 두께로 납땜이 되 어 있고 외부 온도는 25℃라고 가정한다. 그리고 열 전력은 효율 40 %를 가정하여 각각 750 W 열 전력을 발산한다고 가정하였다. 먼저 그림 7(a)의 결과를 확인하면 FAN으로 열 을 낮추는 것은 한계가 있다. 2950 rpm의 FAN을 사용하 지만 온도는 194℃를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 그

(a) 제작된 결합기 (a) Fabricated combiner

(b) 시뮬레이션 (b) Simulation 그림 6. Gysel 결합기 측정결과

Fig. 6. Gysel combiner measurement results.

래서 물 채널을 만들고 수냉식 냉각을 택하였다. 이때 조 건은 10 lpm에 7℃ 물의 온도로 설정을 하였다. 그렇게 했을 때 최대온도는 108℃까지 온도가 낮아지는 것을 확 인할 수 있다. 그래서 본 연구에서는 수냉식을 선택한다.

4-3 결합된 발진기 모듈 설계

앞에서 설계된 단일 전력 증폭기를 결합기로 결합하고 이를 전체를 feedback을 할 수 있게 회로를 꾸며야 한다.

간략한 구성도는 그림 8과 같다. 두 개의 단일 모듈을 결

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(a) 공랭식 (a) Air flow

(b) 수냉식 (b) Water flow 그림 7. 열해석 결과

Fig. 7. Thermal analysis results.

그림 8. 결합된 발진기 회로도

Fig. 8. Schematic of combined oscillator.

합기로 합치고 전체를 커플링 커패시터를 통해서 소신호 를 커플링시키고 이를 위상 천이기로 위상을 조절하여 발진조건을 최적화해야 한다.

이를 단일 전력 증폭기에 대한 검증이 되었기 때문에 시뮬레이션으로 발진 조건을 찾아준다. 발진 조건은 ADS 시뮬레이션을 이용하였고 OSC port를 이용하여 발진이 일어나는 조건을 확인하였다. 그림 9는 발진이 일어났을

(a) 위상 (a) Phase

(b) 부성저항 (b) Negative resistance 그림 9. ADS 발진 시뮬레이션 Fig. 9. ADS oscillation simulation.

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그림 10. 발진기 위상 변화에 따른 ADS 시뮬레이션 결과 Fig. 10. Results of ADS oscillation with phase variation.

때 나타나는 위상이 0이 되는 주파수를 확인하였다. 그리 고 부성저항의 특성도 시뮬레이션으로 확인하였다. 시뮬 레이션으로 2.325 GHz에서 특성이 나타나는 것을 확인하 였다. 시뮬레이션을 통해서 발진이 일어나는 것을 확인하 였고 여러 조건을 바꾸면서 특성을 확인하였다.

커플링 capacitor도 변화하고 위상도 변화하면서 최적화 되는 조건을 찾았다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 V^g=2.16 V(게이트전압), 커플링 커패시터는 0.5 pF에서 동작하였 다. 위상 변화에 따른 변화를 살펴보면 2.3 GHz 근처에서 가장 높은 출력 60.4 dBm에 효율 56 %로 나타났고 2.5 GHz 근처에서 두 번째로 높은 출력 60 dBm에 효율 44 % 의 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

4-4 결합된 발진기 모듈 실험

앞에서 설계된 단일 전력 증폭기를 이용하여 두 개가 결합된 모듈을 제작하였다. 제작된 발진기 모듈은 그림 11과 같이 구성을 하였다. 앞에서 설계한 단일 전력 증폭 기를 두 개 결합하여 모듈을 제작하였다. 출력단은 트랜 지스터를 보호하기 위해서 서큘레이터를 삽입하였다. 그 리고 루프 회로 및 위상 천이기를 이용하여 위상을 조절 하였다.

이렇게 제작된 발진기 모듈을 이용하여 발진기 실험을 진행하였다. 그림 12와 같이 실험 구성을 하였다. CW로

그림 11. 결합된 발진기 모듈.

Fig. 11. Combined oscillator module.

그림 12. 전력 발진기 모듈 실험 구성도

Fig. 12. Experiment layout of power oscillator module.

동작해야 하기 때문에 고용량 전원 공급기를 사용하였다.

그리고 주파수와 파워를 동시에 측정하기 위해서 감쇠기 다음에 Gysel 분배기를 통해서 스팩트럼과 파워 미터로 동시에 분배해서 주파수와 파워를 동시에 측정하였다. 그 리고 트랜지스터의 온도가 상승할 수 있으므로 칠러를 사용하여 10 lpm(분당리터), 10℃의 물을 순환시켜줬다.

이 실험 구성으로 실험을 진행하였고, 그 결과 두 주파 수에서 발진이 일어나는 것을 확인하였다. 2.327 GHz에서 는 발진했을 때 측정된 결과는 P^out=59.2 dBm, 효율=58 % 로 측정되었고, 2.57 GHz에서는 56.6 dBm, 효율 30 %로 측정이 되었다. 이는 그림 9처럼 시뮬레이션에서 예상한

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Phase Φ1 Φ2 Oscillation frequency 2.327 GHz 2.57 GHz

Output power 59.2 dBm 56.6 dBm

Effciency 58 % 30 %

Second harmonic 30.5 dBc

(4.653 GHz) - 표 1. 발진기 실험 결과

Table 1. Results of oscillator experiment.

그림 13. 측정된 발진 주파수

Fig. 13. Measured oscillation frequency.

경향이 유사하다. 두 개의 높은 출력 값을 비교하면 2.3 GHz 근처가 2.5 GHz 근처보다 약간 높고 효율도 더 좋은 것을 확인할 수 있다. 이는 실험에서도 확인이 되었다. 마지막으 로 그림 13은 실제 측정된 스펙트럼 결과이다. 2.327 GHz 에서 확인되었다.

Ⅴ. 결 론

본 논문은 마그네트론 대체를 위한 고출력 전력 발진 기 모듈에 대해서 기술하였다. Ampleon 300 W급 LDMOS 소자인 BLC2425M8LS300P을 이용하여 설계하였다. 우선 단일 전력 증폭기로 ADS를 이용하여 설계하였다. 그리고 실제로 측정해서 특성을 확인하였고 결합기를 설계하고 측정을 하여 특성을 확인하였다. 그리고 발진기는 CW로 동작시켜야 하기 때문에 ANSYS ICEPACK을 이용하여

필요한 냉각 구조를 확인하였다.

시뮬레이션을 통해서 얻어진 결과를 토대로 전력 발진 기 모듈을 구조를 설계하였고, 위상 천이기를 이용하여 위상을 변화하면서 실험하였다. 실험 결과 주파수는 2.327 GHz에서 최대출력 800 W, 효율 58 %로 측정이 되었다.

이는 ADS 시뮬레이션에서 예측한 결과와 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단일 모듈을 발진시키는 것을 넘 어서 2개의 모듈을 발진기로서 동작시킬 수 있는 것을 실 험적으로 확인하였다. 추후 N개의 결합으로 구성을 한다 면 RF 가열용 수십 kW급 전력 발진기 구현도 가능할 것 으로 보인다.

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