*정회원, 피플웍스(주)
**정회원, 넥스원(주)
***정회원, 국방과학연구소
접수일자 2021년 4월 19일, 수정완료 2021년 5월 19일 게재확정일자 2021년 6월 4일
Received: 19 April, 2021 / Revised: 19 May, 2021 / Accepted: 4 June, 2021
*Corresponding Author: [email protected]
Dept. of Military R&D Team, peopleworks Co., Ltd. Korea https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.3.35
JIIBC 2021-3-6
Ka 대역 고출력 저손실 도파관 결합기 설계 및 제작
Design and Fabrication of Ka-band High Power and Low Loss Waveguide Combiner
김효철
*, 조흥래
*, 이주흔
*, 이덕재
*, 안세환
**, 이만희
**, 주지한
**, 권준범
**, 정해창
***, 김소수
***Hyo-Chul Kim
*, Heung-Rae Cho
*, Ju-Heun Lee
*, Deok-Jae Lee
*, Se-Hwan An
**, Man-Hee Lee
**, Ji-Han Joo
**, Jun-Beom Kwon
**,
Hae-Chang Jeong
***, So-Su Kim
***요 약 초고주파 대역에서 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier)를 대체하기 위한 증폭기 연구가 활발히 이루어지 고 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 결합 기 내부의 임계 전력을 계산하여 안정적인 Power Rating을 확보하였고 전력 모니터링을 위한
커플러를 내장하여 소형화 및 경량화를 이루었다.
Abstract 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.
Key Words : Ka band, Magic T, Waveguide combiner
Ⅰ. 서 론
레이다 시스템은 전파를 사용하여 목표물의 거리, 방 향, 각도 및 속도를 측정하는 감시 시스템이다. 특히 레 이다에서 대기로 방사하는 강한 전자기파를 생성하는 모 듈인 송신기(Transmitter)는 매우 높은 전압을 인가하여 구동시키는 TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier) 를 사용해 왔다. TWTA는 단일 튜브를 이용하여 고출력 을 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 반드 시 필요하다.
이동 통신 대역에서는 PCB 구조의 마이크로스트립 선로, 스트립 선로를 활용하여 쉽게 구현이 가능하지만 밀리미터 웨이브에서는 높은 손실과 낮은 Power Rating의 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 수백 와트 의 전력 구현을 위해 저 손실 및 고전력에 유리하고 포트 간 격리 특성이 우수한 도파관 Magic-T 구조의 결합기 를 구현하였다. 소형 레이다의 특성상 소형, 경량화에 대 한 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 설 계하였으며, 도파관 크기는 WR-22로 선정하였다. 소형 화, 경량화를 위해 종단기와 모니터링을 위한 커플러를 일체형으로 구현하였다. 3D EM-시뮬레이터를 활용하여 각 주파수 특성을 최적화하고 정밀 가공을 통해 시제품 을 제작하였다.
Ⅱ. 본 론
1. 설계 이론이상적인 Magic-T는 무손실의 상호 4-port network이며 구조는 그림 1과 같다. E-Arm을 결합 포 트로 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 2의 제안 구조는 도파관 내부에 정합 유닛을 추 가하여 포트 3과 포트 4의 완전 정합을 구현하였다.
S33 = S44 (2) 식 (1), (2)을 적용한 산란행렬은 다음과 같다.
(3)
그림 1. Magic-T 결합기 구조
Fig. 1. Model of the Magic-T Combiner
그림 2. 제안 구조
Fig. 2. The Proposed structure
Unitary matrix에 의해 [S][S*]=[I]로 산란행렬 계산 을 통해 다음 식을 확인할 수 있다.
(4)
(a) 모델링
(b) 시뮬레이션 결과 그림 3. 전력 결합기 시뮬레이션
Fig. 3. The simulation of power combiner 식 (4)를 통해 S13 = S14 =
, S11 = S22 = S21 = 0을 계산하여 제안 구조의 최종 산란행렬은 다음과 같다.
(5) 상기 산란행렬을 통해 포트 3, 포트 4가 완전 정합을 이룰 때 포트 1과 포트 2는 자동으로 정합을 이루며 양 호한 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 주파수 특성을 최적화하였다.
시스템의 안테나 단에서 송신 신호와 수신 신호를 분 리하기 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 구조 의 한계 때문에 높은 격리 특성을 구현할 수 없었다. 그 래서 GaN MMIC 소자의 절연파괴 성능 등을 감안하여 최소 10dB의 규격을 선정하고 시뮬레이션에서는 13 ~ 15dB로 절충하였다.
3. 전력결합기 전계 분석
결합기의 출력 포트에 CW(Continuous Wave) 신호 를 인가하여 대역 내 Low frequency(fL), Center Frequency(fC), High Frequency(fH)에 대해 전계를 분 석하였다.
표 1. 전력결합기 전계 분석
Table 1. E-field analysis of power combiner
주파수(GHz) 전 계
fL 105.8 X 10^3 V/m
fC 107.2 X 10^3 V/m
fH 96.69 X 10^3 V/m
전계 분석을 통하여 반사 손실이 낮을수록 강한 전계 가 형성됨을 확인하였다. EM-시뮬레이터를 통한 전계 분석 결과는 그림 4에 나타내었다.
4. 결합기의 방전 임계 전력 산출
지상 고도에서 도파관 내부에서 발생할 수 있는 절연 파괴 전압은 3×106 V/m로 이론적으로 시뮬레이션 전 계값이 작을수록 높은 방전 임계전력을 확보할 수 있다.
방전 임계 전력 수식은 다음과 같다.[2]
Pmax = (Ebrk / Emax)2 (6) 식 (6)을 통해 계산된 방전 임계전력은 다음과 같다.
표 2. 결합기의 방전 임계전력 산출
Table 2. Powr rating of power combiner
주파수(GHz) 전 계 방전
임계전력
fL 105.8 X 10^3 V/m 804.0W
fC 107.2 X 10^3 V/m 783.1W
fH 96.69 X 10^3 V/m 962.6W
상기 분석을 통해 사용 전력 대비 4배 이상의 마진을 확보하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 전계가 높은 부 위에 불연속면을 최소화 하기 위해 가장자리에(edge)에 라운드 처리를 하여 시제를 제작하였다.
(a) 반사손실 / 삽입손실
(b) 커플링 그림 6. 커플러 시뮬레이션
Fig. 6. The simulation result of the coupler (a) fL GHz
(b) fc GHz
(C) fH GHz 그림 4. 전력 결합기 전계 분포
Fig. 4. E-field distribution in the power combiner
5. 종단기 설계
Magic-T는 4-Port Network이다. 결합기에서 사용 하는 포트는 3개이며 사용하지 않는 포트에 대한 종단이 필요하다.
도파관 종단기는 내부에 단단한 재질의 흡수체를 고정 하여 구현한다. 이 흡수체에 유도된 전류는 높은 저항력 에 의해 열에너지로 변환하게 되다. 열에너지를 빠르게 기구를 통해 배출할 수 있도록 3면이 기구와 접촉이 가 능한 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 신호경로에 지나가는 RF 신호를 샘플링(Sampling)하여 그 크기나 파형을 확인하는데 필요한 부품이다.
레이더 시스템에서 도파관 순환기를 통해 송수신 신호 를 분리하기 때문에 송신기에는 송신 신호만 존재하게 된다. 그래서 방향성이 없는 커플러를 구현하여 크기를 최소화하였다. 입출력의 도파관 규격은 도파관 순환기와
(a) 삽입손실, 반사손실 시뮬레이션 및 시험 결과
(b) 격리도, 커플링 시험 결과 그림 9. 8-way 도파관 결합기 측정 결과
Fig. 9. Measurement result of the waveguide combiner 결합기의 연결을 고려하여 WR-22로 선정하였으며 상대
적으로 파워가 낮은 커플링 포트는 K-Type으로 구현하 였다. 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나타내었다.
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 기 구물에 가이드 핀을 적용하였다.
커플러 포트는 K-type 커넥터와 커플링 프로브를 일 체형으로 제작하여 별도의 조립이 필요 없도록 구현하였 다. 종단기의 흡수체(Absorber)는 높은 전력에도 문제가 없도록 재질을 선정하여 가공을 하였다. 결합기의 제작 사진은 그림 7와 같다.
(a) 8-way 도파관 결합기
(b) 흡수체 (c) 커플링 프로브 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 일반 도파관 어댑터는 시험이 불가하여 별도의 시험용 도파관 을 추가 제작하여 측정하였다. 측정 사진은 그림 8에 나 타내었다.
그림 8. 8-way 도파관 결합기 측정 사진
Fig. 8. The waveguide combiner measurement photo
반사 손실은 사용 주파수 대역에서 20 dB 이상의 양 호한 성능을 확인하였고 삽입손실은 0.3 ~ 0.8 dB의 분 포를 보였다. 각 포트의 손실이 상이한 주된 원인은 가공 공차에 의한 것으로 판단되며, 시뮬레이션 대비 증가한
손실은 도전율이 높은 도금을 적용하여 개선이 가능하 다. 결합기의 측정 결과는 그림 9에 나타내었다.
최종 SSPA를 제작하기 위해서는 주증폭기의 출력을 결합하기 위한 결합기와 구동 증폭기의 증폭 신호를 주 증폭기로 분배하기 위한 분배기가 필요하다. 그래서 동 일한 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
그림 11. Back to back 측정 결과
Fig. 11. Back to back measurement result
측정결과 반사손실은 사용 대역에서 15 dB 이상이고, 삽입손실은 1.2 dB 이하의 결과를 확인하였다. 그림 9의 반사손실 대비 약 5 dB의 성능 열화가 발생하였는데 이 는 각 8개 포트의 도파관 면이 정확히 매칭이 되지 않아 발생한 것으로 판단된다.
일반적으로 N개의 입출력 포트를 갖는 분배기와 결합 기의 성능 확인에 있어서 평균적인 특성 분석이 가능한 Back to back 시험이 적합하기 때문에 그림 11의 결과 를 토대로 결합효율을 계산하였다.[3]
≈
(7)
그림 11에서 결합기 단품 기준 사용 대역에서 반사손 실은 15.8 dB 이상 삽입손실은 0.6 dB 이하이다.
그림 12. 출력 결합 효율
Fig. 12. Output combining efficiency
식 (7)을 통한 계산 결과는 그림 12에 나타내었고, 사 용 대역에서 최소 84.8%의 결합 효율을 확인하였다.
Ⅲ. 결 론
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 도출 하였다. 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 확인 하였다. 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% 이상 의 우수한 결합 효율을 가지고 있었다. 그리고 전력 모니 터링을 할 수 있는 커플러를 내장하여 소형화 및 경량화 를 이루었다.
본 연구를 통해 확보한 결과를 통해 초고주파, 고출력 레이다 체계에 사용되고 있는 TWTA를 대체하는 SSPA 에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
References
[1] L. Zhao, J. Xu, L. Wang, and M.-Y. Wang. “A Novel Ka-band Solid-State Power Combining Amplifier“, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 23, 161-173, 2011
DOI : https://doi.org/10.2528/pierc11061408 [2] Juan Luis Cano, Franco Di Paolo, Angel Mediavilla
and Paolo Colantonio, “Full-Band Oversized Turnstile-Based Waveguide Four-Way Power Divider/Combiner for High-Power Applications“, electronics, pp 193 Aug 2019
DOI : https://doi.org/10.3390/electronics8020193 [3] Song-Hyun Yun, Si-Ok Kim, Su Hyun Lee, Byeong-Ok
Lim, Bok-Hyung Lee, Yong-Kyu Jeon, Hyun-Kyu Kim, Young-Geun Yoo, “A Study on a Ku-Band High Power and High Efficiency Radial Combiner”, The JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. Vol. 28, No. 5, pp 400-409, May 2017.
DOI : https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2017.28.5.400 [4] Alaa A. Sarhan, Seyed H. Mosheni Armaki, Homayoon
Oraizi Nader Ghadimi, and Majid Tayarani,
“Simulation and Implementation of a New X-Band 1:4 Power Divider/Combiner Based on a New Waveguide H-Plane Folded Magic-T“, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 54, pp 49-56, 2014 DOI : https://doi.org/10.2528/pierc14091002 [5] Pramendra Kumar Verma, Raj Kumar, Realization of
Wide Band Waveguide Terminations at Ku-Band“, International Jounal of Advances in Microwave Technology(IJAMT) Vol.3, No.4, November 2018 DOI : https://doi.org/10.32452/ijamt.2018.176179 [6] Lin Li and Ke Wu, “Integrated Planar Spatial Power
Combiner“, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AN TECHNIQUES, VOL., 54, NO. 4, APRIL 2006DOI : https://doi.org/10.1109/tmtt.2006.871360 [7] Epp, L. W., D. J. Hoppe, A. R. Khan, and S. L. Stride,
“A high power Ka-band(31-36GHz) solid-state amplifier based on low-loss tech., Vol. 56, pp 1899-1908, 2008.
DOI : https://doi.org/10.1109/tmtt.2008.927299 [8] Jaemoon Lee, Jaesung Lim, Deukhyun Ga,
“Development of the Ka-band 20watt SSPA(Solid State Power Amplifier) Using a Spatial Combiner ”, The Journal of the institute of Internet, Broadcasting and Communication(IIBC). Vol. 16, No. 2, April 2016 DOI : 10.7236/JIIBC.2016.16.2.93
[9] Dong-Hak Lee, Doo-Yeong Yang, “Analysis and Design of a Wide Corrugated Conical Horn Antenna Based on Mode Matching Converter”, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. Vol.
17, No. 7, pp 1-7, Jul 2016
DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.1
저 자 소 개 김 효 철(정회원)
∙ 2007년 2월 : 제주대학교 통신공학과 (공학사)
∙ 2007년 1월 ~ 2008년 3월 : ㈜액티패 스연구원
∙ 2008년 3월 ~ 2017년 4월 : ㈜이너트론
∙ 2017년 4월 ~ 2020년 8월 : ㈜성산전 자통신 선임연구원
∙ 2020년 8월 ~ 현재 : ㈜피플웍스 수석연구원
∙ 주 관심분야 : 공간결합기, 도파관결합기, 모드변환기등
조 흥 래(정회원)
∙ 2003년 2월 : 위덕대학교 정보통신 (공학사)
∙ 2002년 11월 ~ 2004년 4월 : ㈜알트 론 연구원
∙ 2005년 3월 ~ 현재 : ㈜피플웍스수석 연구원
∙ 주 관신분야 : 레이다시스템, 마이크로 파 송수신기 등
이 주 흔(정회원)
∙ 2017년 2월 : 호서대 전자공학과(공학 사)
∙ 2019년 2월 : 호서대 전자디스플레이 공학부(공학석사)
∙ 2019년 2월 ~ 현재 : ㈜피플웍스
∙ 주 관신분야 : 초고주파 능동/수동회 로, 재구성 안테나 시스템, 초고주파 센서 네트워크 시스템 등
이 덕 재(정회원)
∙ 1998년 2월 : 충남대학교 전자공학과 (공학사)
∙ 2000년 2월 : 충남대학교 초고주파공 학(공학석사)
∙ 2000년 2월 ~ 2001년 11월 : ㈜래트 론연구원
∙ 2001년 12월 ~ 현재 : ㈜피플웍스 이사
∙ 주 관신분야 : 레이다시스템, 마이크로 파 송수신기 등
※ 본 연구는 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구결과임. (계약번호 UG190065GD) 안 세 환(정회원)
∙ 2004년 2월: 숭실대학교 정보통신공 학과 (공학사)
∙ 2006년 2월: 숭실대학교 정보통신공 과 (공학석사)
∙ 2007년 1월~현재: LIG넥스원(주) 수 석연구원
∙ 주 관심분야 : 초고주파 회로 설계, 마 이크로파 송수신기, 마이크로파 탐색기
이 만 희(정회원)
∙ 2007년 2월: 충남대학교 전기정보통 신공학부 (공학사)
∙ 2009년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학석사)
∙ 2009년 1월~현재: LIG넥스원(주) 선 임연구원
∙ 주 관심분야 : 마이크로웨이브 탐색기, 초고주파 회로 및 시스템
주 지 한(정회원)
∙ 2002년 8월: 충북대하교 전파공학과 (공학사)
∙ 2004년 8월: 광운대학교 전파공학과 (공학석사)
∙ 2008년 8월: 광운대학교 전파공학과 (공학박사)
∙ 2008년 7월~현재: LIG넥스원(주) 수 석 연구원
∙ 주 관심분야 : 마이크로웨이브 탐색기, 초고주파 회로 및 시스템
권 준 범(정회원)
∙ 1997년 2월: 연세대학교 전기전자공 학과 (공학사)
∙ 1999년 2월: 포항공과대학교 전자전 기공학과 (공학석사)
∙ 1999년 2월~현재: LIG넥스원(주) 연 구위원
∙ 주 관심분야 : 마이크로파 신호처리기, 마이크로파 탐색기 등
정 해 창(정회원)
∙ 2008년 2월: 충남대학교 전자전파정 보통신공학과(공학사)
∙ 2010년 2월: 충남대학교 전자전파정 보통신공학과(공학석사)
∙ 2013년 8월: 충남대학교 전자전파정 보통신공학과(공학박사)
∙ 2013년 9월~현재: 국방과학연구소 선 임연구원
김 소 수(정회원)
∙ 1993년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학사)
∙ 1996년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학석사)
∙ 2014년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학박사)
∙ 1996년 1월 ~ 현재 : 국방과학연구소 책임연구원
