X-대역 레이더용 SSPA 모듈 설계 및 제작
양성수*
Design and fabrication of SSPA module in X-band for Radar
Seong-Soo Yang*
요 약
본 논문에서는 GaN MMIC를 활용하여 X-band 레이더용 SSPA모듈을 설계 및 제작하였다. SSPA의 구동 증폭기 단은 Gain Loss를 감안하여 GaN MMIC를 2단으로 구성하였다. 그리고 고출력 SSPA 모듈 구성을 위 해 전력증폭단을 4단으로 설계함에 따라 전력분배기와 전력합성기는 4way 방식으로 설계하였다. 제작된 전력 분배기는 -3.0dB 이상의 손실을 나타내었으며, 전력합성기는 -0.2dB의 입출력 손실과 각 포트 간 위상차는 평 균 2°로 양호한 특성을 보이고 있다. 제작한 SSPA모듈 실험 측정 결과 9∼10GHz 주파수 대역에서의 Gain은 48.0dB 이상인 것을 확인하였으며, P(sat)=88.3W (49.46dBm) 이상, PAE=30.3% 이상임을 확인하였다. 본 논문 에서 제작된 X-Band SSPA 모듈 성능 확인과 전력분배기/합성기 개선을 통해 향후 SSPA모듈에 대한 RF성 능 개선에 많이 활용될 수 있을 것이다.
ABSTRACT
In this paper, SSPA Module for X-band radar was designed and fabricated by using GaN MMIC. For the purpose of configuring the high power SSPA module, the drive steamers are composed of 2-layers of GaN MMIC with considering Gain Loss. In addition, the power divider and power combiner used a 4way approach by designing a 4-stage power amplifier. The power divider has a loss of -3.0dB or more, and the I/O has a loss of -0.2dB in the power combiner and the phase difference between the ports are good at 2° on average. The fabricated SSPA module got the measurement results that satisfy a Gain 48dB, P(sat)=88.3W(49.46 dBm), PAE=30.3% or more efficiency in condition of frequency range 9∼
10GHz. The fabricated X-Band SSPA module can be applied in RF performance improvement for SSPA module whit improvement of power divider/combiner.
키워드
SSPA(soild state power amplifier), Power Amp, GaN, MMIC, HPA, X-band 반도체형 증폭기, 파워 앰프, GaN, MMIC, HPA, 엑스 밴드
* 교신저자: 동신대학교 정보통신공학과([email protected]) ㆍ접 수 일 : 2018. 09. 09
ㆍ수정완료일 : 2018. 09. 27 ㆍ게재확정일 : 2018. 10. 15
ㆍReceived : Sep. 09, 2018, Revised : Sep. 27, 2018, Accepted : Oct. 15, 2018 ㆍCorresponding Author : Seong-Soo Yang
Dept. Information & Communication Engineering, DongShin University, Email : [email protected]
Ⅰ. 서 론
레이더는 전파를 방사하여 물체에서 반사되는 신호 를 수신하고 물체에 관련된 각종 정보를 분석하고자 기술적으로 많은 발전을 이룩해 왔다[1-2]. 데이터는
주로 X-band와 S-band가 사용되고 있으며, X-대역 레이더의 경우 소형어선 및 상선과 각 공항에 설치된 통제시스템(VTS, Vessel Traffic System)등에 적용되 어 그 활용도가 매우 넓다[3].
일반적으로 레이더용 송수신기는 큰 출력을 요구하 http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2018.13.5.943
므로 고출력 전력증폭기용 MMIC형태의 능동소자를 활용한 SSPA 모듈은 위성 통신 시스템 및 레이더 시 스템에 응용될 수 있다[4-7]. 또한, LAN(: Local Area Network)에 사용되는 근거리 마이크로파 통신 시스 템의 전력증폭기나 기존 마이크로파 중계 시스템 내 의 송신기 및 중계기등에 이용된다. 이러한 SSPA는 제어 소자(위상변위기, 가변감쇠기)들과 모듈화하여 능동 위상 배열 레이더에 적용되어지고 있다[8-10].
본 논문에서는 고출력 MMIC 증폭기를 2단으로 구 성하고 전력분배기와 합성기를 설계하여 SSPA모듈을 제작하고 그 성능을 측정하였다. 먼저 Ⅱ장에서는 SSPA 모듈에 대한 전체적인 블록도와 모듈에 대한 설계를 나타내고 있으며, Ⅲ장에서는 부품별 실험을 통하여 성능실험을 하였고 Ⅳ장에서 결론을 내리도록 한다.
Ⅱ. SSPA 모듈 설계
2.1 SSPA 모듈 블록도
SSPA 모듈의 블록은 그림 1과 같이 고출력 MMIC 증폭기의 입력을 확보하기 위한 2단 구동 증 폭기, 고출력 MMIC 증폭기의 입력과 출력을 분배 및 합성하는 Wilkinson Divider와 Combiner, 출력 손실 을 최소화하기 위해 Waveguide Combiner 적용을 위 한 Microstrip to Waveguide Transition 부로 구성하 였다.
그림 1. SSPA 모듈 블록도 Fig. 1 SSPA module block diagram 2.2 SSPA 모듈 버짓 설계
SSPA 모듈에 사용하고자 하는 고출력 MMIC 증
폭기(@ 9~10GHz)는 Pout은 30W(45dBm)이고, PAE 는 35%, small signal gain은 19dB 인 Packaged High Power Amp.를 활용하였으며, Divider/Combiner 및 Transition 모듈 손실을 고려하여 SSPA 모듈의 Pout은 80W(49.1dBm), PAE는 25%, small signal gain은 40dB 이상의 목표로 설계하였다.
2.3 SSPA 모듈 부품 설계 (1) 구동 증폭기(Driver Amplifier)
SSPA에 적용된 구동증폭기는 사용되는 파워증폭 기 성능을 고려하여 small signal gain은 18dB(@
9~10GHz)이하를 갖는 packaged MMIC 2단 구성으로 적용하였다.
(2) 전력분배기 및 합성기(Divider & Combiner) SSPA 모듈에 있어 고출력 MMIC 증폭기에 전력 을 나누어 공급하는 전력분배기와 고출력 MMIC 증 폭기에서 증폭된 전력을 합성하는 전력합성기의 설계 는 매우 중요하다. Power Divider는 Rogers사의 RO4350B(er =3.48, t=10mil) 기판을 사용하여 그림 2 와 같은 Wilkinson Coupler 구조로 EM 시뮬레이션을 통한 최적 설계를 하였으며, Power Combiner는 저손 실 구조를 Waveguide(WR90) 4way 구조로 상용화된 프로그램인 HFSS 시뮬레이션 툴을 활용하여 설계 제 작하였다. 설계된 Power Combiner는 그림 3과 같이 2way wilkinson 구조로 기본 설계를 하였으며, 설계 된 Power Combiner는 주파수 대역 9~10GHz에서 입 출력 삽입손실은 -3.005dB 이상, 리턴로스는 약 -32dB이상의 3dB 커플러 특성을 나타내었다.
그림 2. 전력분배기 설계 Fig. 2 Power divider design
그림 3. 전력합성기 설계 및 시뮬레이션 Fig. 3 Power combiner design & simulation (3) Power Transition 모듈
전력 증폭기 모듈의 입출력은 50ohm Microstrip line 구조로 Combine 구조의 WR90 Waveguide 구조 로 변환하기 위해 HFSS 시뮬레이션 툴을 활용하여 저손실 구조의 Transition을 설계하였다.
설계한 Transition 구조는 그림 4와 같으며, 주파수 대역 9~10GHz 대역에서 입출력 삽입손실은 약 0.001dB, 리턴로스는 -34.7dB이하로 만족하는 결과를 확인하였다.
그림 4. Transition 모듈 설계 및 시뮬레이션 Fig. 4 Transition module design & simulation
Ⅲ. 실험 및 고찰
3.1 SSPA 모듈 부품 실험 (1) 전력 증폭기 성능 시험
전력 증폭기는 Carrier 형태로 제작하여 조립 및 특성 확인에 좋은 구조를 갖게 제작하였으며, 별도로 TEST JIG를 제작하여 SSPA 모듈에 사용될 각 전력 증폭기의 특성을 확인하였다. 제작된 전력증폭기 모듈 은 그림 5와 같으며, 소신호 시험 측정 결과는 그림 6 과 같이 5개의 모듈 측정을 진행하였다. 측정 주파수 9~10GHz 대역에서 전력증폭기 Gain은 평균 19.5dB이 상임을 확인하였으며, SSPA 손실을 줄이기 위해 각 모듈별 위상편차는 평균 약 3°를 확인하였다.
그림 5. 제작된 전력증폭기 모듈 Fig. 5 Fabrication of power amplifier module
그림 6. 전력증폭기 소신호 측정 결과 Fig. 6 Result of drive amplifier measurement
(2) 전력분배/합성기 성능 시험
제작된 전력 분배기는 Rogers사의 4350B, 10mil 기 판을 활용하여, Wilkinson 구조를 이용한 4way 전력 분배기를 제작하였다. 제작된 전력분배기는 그림.7과 같이 2way, 4way로 제작하여 실험하였으며, 실험 결 과 그림 8과 같이 주파수 대역 9~10GHz에서 입출력 손실은 평균 약 –5dB로 확인하였다. 3dB 커플러 설 계를 토대로 제작한 결과 시뮬레이션 대비 실제 많은 입출력 손실을 보이는데 대해 분석한 결과 단순한 50ohm 라인 길이에 의한 손실과 측정 커넥터에 의한 손실이 약 –1dB로 확인하였으며, 이러한 손실을 감 안하면 실제 제작한 3dB 커플러의 자체 손실은 최대 –1dB의 손실로 확인할 수 있다.
그림 7. 제작된 전력분배기(2way & 4way) Fig. 7 Fabrication of power divider (2way & 4way)
그림 8. 전력분배기 측정 결과 Fig. 8 Result of power divider measurement 또한 제작된 전력 합성기는 HFSS 시뮬레이션을 이용하여 설계한 데이터를 기반으로 RF 특성을 고려 하여 알루미늄 재질에 은도금하여 제작하였으며, 그 형상은 그림 9와 같이 가공을 고려하여 상/하 2개의 블록으로 제작하여 마운트하는 구조로 제작하였다. 제 작된 전력 합성기의 RF 성능은 그림.10에서 보는 바 와 같이 입출력 손실은 -0.2dB 이상 보이고 있으며, 각 포트간 위상차는 평균 2°, 입력 리턴로스는 -15dB 이상의 양호한 결과를 보이고 있으나, 출력 리턴로스 는 약 -5dB를 보여주고 있다. 이는 설계시 전력합성 기 분배 구조내에 대역 확보를 위한 백판 삼입과 도 파관 길이에 의한 손실로 보여진다.
그림 9. 제작된 4way 전력 합성기 Fig. 9 Fabrication of power
combiner
그림 10. 전력 합성기 측정 결과 Fig. 10 Result of power combiner
measurement (3) Transition 모듈 성능 시험
제작된 Transition 모듈은 그림 11과 같으며, 입출 력 손실은 시뮬레이션 결과 그림 12와 같이 대비 손 실이 다소 증가해 보이나, 측정 결과 주파수 대역 9~10GHz 대역에서 평균 0.15dB 손실로 양호한 결과 를 확인하였다. 또한 입출력 리턴로스는 약 -20dB의 특성을 보이고 있으며, 각 Transition 모듈의 위상차 는 최대 약 2°로 매우 양호한 특성을 보이고 있다.
그림 11. 제작된 Transition 모듈 Fig. 11 Fabrication of transition module
그림 12. Transition 모듈 측정 결과 Fig. 12 Result of transition modules measurement 3.2 SSPA 모듈 실험
SSPA 모듈에 적용되는 부품들은 단품 시험을 통 해 각 부품의 특성을 확인 후 SSPA 모듈에 적용하였 다. 제작된 SSPA 모듈은 그림 13과 같으며, 제작된 SSPA 모듈의 성능 측정 시험은 Network Analyzer(Agilent 8522D)를 이용하여 S-Parameters를 측정하고 RF Signal Generator와 Power Meter 및 Spectrum Analyzer를 이용하여 Out Power 및 효율 을 측정하였다.
그림 13. 제작된 SSPA 모듈 Fig. 13 Fabrication of SSPA module
제작된 SSPA 모듈의 소신호 측정 시험 환경은 그 림.14와 같으며, 주파수 대역 9~10GHz에서 소신호 Gain은 그림 15와 같이 48.0dB이상으로 확인하였다.
그림 14. SSPA 모듈 소신호 시험 환경 Fig. 14 Test configuration of SSPA module
small signal gain
그림 15. SSPA 모듈 S-Parameter 측정 Fig. 15 Mesurement of SSPA module s-parameter 또한 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power 시험 환경 은 그림 16과 같으며, 시험 측정 결과는 표.1과 같다.
그림 16. SSPA 모듈 출력 Power 시험 환경 Fig. 16 Test configuration of SSPA module output
표 1. SSPA 모듈 출력 Power 측정 Table 1. Measurement of SSPA module output power
Freq.
(GHz)
Current Pout
PAE Vd (%)
(@25V) Vg
(@-5V) (dBm) (W)
9.0 11.6A 0.1A 49.53 89.74 30.89 9.5 11.5A 0.1A 49.46 88.3 30.6
10.0 12A 0.1A 49.6 91.2 30.3
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 X-band 레이더용 SSPA 모듈을 설 계 및 제작하였다. SSPA 모듈에 사용된 HPA는 30W 급 GaN MMIC를 활용하였으며, Rogers 사의 RO4350B 10mil 기판에 Wilkinson 구조의 Divider 및 Waveguide(WR90) Combiner를 설계 제작하여 SSPA 모듈을 구성하였다. 제작된 SSPA 모듈의 출력 Power는 설계 주파수 대역 9GHz~10GHz에서 P(sat)=88.3W (49.46dBm) 이상의 특성을 확인하였으 며, PAE=30.3% 이상임을 확인하였다. 또한 SSPA 모 듈의 Gain은 측정 대역에서 약 48.08dB 이상임을 확 인하였다. 비록 제작된 전력분배기의 입출력 손실이 설계치보다 많은 Loss 발생되었지만 이는 구동증폭기 를 2단으로 삽입함으로써 보완하였으며, 출력단의 전 력합성기의 Low-Loss로 제작된 SSPA 모듈의 만족 하는 RF 성능 결과를 확인하였다. 향후 본 연구 개발 을 바탕으로 전력분배/합성기 개선을 통하여 SSPA 모듈의 RF 성능을 개선할 수 있는 연구가 진행되어 야 할 것이다.
References
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저자 소개
양성수(Seong-Soo Yang) 2004년 동신대학교 정보통신공학과 졸업(공학사)
2006년 동신대학교 대학원 정보통 신공학과 졸업(공학석사)
2015년 동신대학교 대학원 정보통신공학과 졸업(공 학박사)
동신대학교 정보통신공학과 소속 교수
※ 관심분야 : RFID, 임베디드시스템
