The Study on the design and implementation of a X-band 25W Power Amplifier Module using GaAs MMIC

(1)

GaAs MMIC를 이용한 X대역용 25W급 전력증폭모듈의 설계 및 구현에 대한 연구

김기중^*․김봉수^**

The Study on the design and implementation of a X-band 25W Power Amplifier Module using GaAs MMIC

Ki-Jung Kim

^*

․Bong-Soo Kim

^**

요 약

본 논문의 X-대역 25W 전력증폭기 모듈은 위성통신용 지상단말기의 송신기에 사용되는 것으로, 정지궤도 36,000Km 통신위성에 송신하기 위한 송출장비인 고출력증폭기를 구성하는 일부분이다. 지상단말에서 사용하 는 고출력증폭기는 총 4개의 전력증폭기 모듈이 연계구조형으로 구성되어 고출력의 특성을 갖는다. 연계구조 형에 사용된 전력증폭기 모듈 4개중에 각 모듈은 순차구조형(Serial Combining Structure)으로 구성된다. 이 전력증폭기 모듈은 Hybrid 기법을 이용하여 10개의 MMIC 전력 증폭기 칩과 Al2O3 박막 기판으로 제작한 회로를 결합하여 PAM(Power Amplifier Module)을 구성함으로써 X-대역 운용주파수에서 출력전력 25W의 전력증폭기 모듈을 구현하였다.

ABSTRACT

To be used in a transmitter of a satellite transponder of this paper, X band 25W power amplifier module, a part constituting of high-power amplifier is transmitted to the equipment for transmitting to geostationary communications satellites(36,000Km distance). PAM consisted a total of four power amplifier module has a high output characteristic of the high-output amplifier is used in the ground station.

Used in conjunction with the structured type power amplifier module is composed of Serial Combining Structure. This PAM(Power Amplifier Module) configured by combining the circuit with the power amplifier, 10 MMIC chips and the Al2O3 thin film substrate using a Hybrid Technique of power amplifier module, was implemented at X band PAM(Power Amplifier Module) of 25W grade.

키워드

GaAs, MMIC, PAM, X Band, HPA 전력증폭모듈, 전력분배기/합성기, 위성통신

* 삼성탈레스 통신시스템그룹([email protected]) ** 교신저자 : 삼성탈레스 통신시스템그룹([email protected]) 접수일자 : 2014. 09. 12 심사(수정)일자 : 2014. 10. 20 게재확정일자 : 2014. 11. 10

Ⅰ. 서 론

국내의 위성통신에서 X-대역을 사용하는 지상단말 들은 고효율의 고출력증폭기를 사용한다. 정지궤도

36,000Km 까지 송신하기 위해서는 공간손실을 보상 하기 위한 높은 출력이 필요하기 때문이다.

지상단말들도 용도 및 운용환경에 따라 여러 종류

의 단말들로 나뉘어져 있다. 본 논문의 25W 전력증

(2)

폭기 모듈은 수중함용단말 송신기의 고출력증폭기에 사용되며, 총 4개의 전력증폭기 모듈로 연계구조형 (Corporate Combining Structure)설계를 적용한 고출 력증폭기는 잠수함에 탑재된다.

최근 해외업체들의 RF/MW 반도체 기술 발전으로 수 Watts내의 전력 증폭기들은 기존 HMIC 형태에서 MMIC 형태로 대체되고 있는 추세이다. 하지만, 하나 의 MMIC 또는 IMFET(Internally Matched FET) 만 으로 높은 출력 전력을 갖는 전력 증폭기를 구현하기 에는 어렵다. 따라서 고 출력 전력을 얻기 위해서는 여러 개의 소자들을 저 손실 전력합성기술로 결합하 여 출력 전력을 높이는 방법을 사용한다.

본 논문에서는 반도체 소자의 공급, 수율, 가격 그 리고 제작의 용이성 등을 고려하여 생산 수율이 높은 MMIC 소자를 활용했으며, 전력증폭기 모듈의 핵심인 저 손실 전력 분배기/합성기 회로를 일반적으로 사용 되는 연계구조형(Corporate Combining Structure) 대 신 순차 구조형(Serial Combining Structure)으로 25W 전력증폭기 모듈을 설계하고 제작하였다[1-3].

Ⅱ. 본 론

2.1 전력증폭기의 블록 구성

잠수함에 탑재되는 통신장비들은 환경규격인 미국 국방성의 규격(Military Standard)을 적용한다. 따라서 사용되는 모든 부품들은 이 Military Standard 규격 (Mil-STD-461E 등)을 만족해야 한다. 또한, 운용 주 파수대역인 X-대역에서의 고출력증폭기일 경우, 환경 규격을 만족하는 고출력 MMIC나 IMFET 부품을 공 급받는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 부품을 제조하 는 각 나라에서 EL(Export License)품목으로 관리하 고 있기 때문이다. 대책으로는 국산화 기술로, 저출력 의 소자들을 저손실 전력합성기술로 결합하여 출력을 높이는 방법이 제시된다.

본 논문에서 제안하고자 하는 X-대역 25W 전력증 폭기 모듈의 내부 구성 및 블록도는 그림 1과 같다.

X-대역의 운용주파수에서 EL품목에 해당하지 않 기 때문에 부품수급이 원활한 TriQuint사의 GaAs 소 자로서, P

normal

> 36dBm, 이득 20dB인 4W급 TGA2701 증폭 소자를 선정하였다. 25W이상의 출력

전력을 확보하기 위해 10개의 MMIC 소자들이 10-way 전력 분배/합성 회로와 결합하여 전력증폭기 모듈을 구현하고자 했다.

그림 1. 25W급의 전력증폭기 모듈 블록도 Fig. 1 Block diagram of 25W power amplifier module

그림 2. 25W급의 전력증폭기 모듈 내부 구성도 Fig. 2 Internal configuration of 25W power amplifier

module

전력 증폭기 모듈은 그림 2와 같이 조립 및 개별 측정, 수리의 용이성을 위해서 각각의 Molybdenum 캐리어 위에 MMIC 칩을 조립하였고, 박막 기판에 제 작된 10-way 전력 분배/합성 회로 및 종단 50Ω 저 항의 인터페이스 연결은 낮은 삽입 손실을 위해 박막 기판의 50Ω 전송선폭과 유사한 리본으로 본딩하여 제작하였다.

2.2 전력분배기/합성기 설계

전력증폭기 모듈을 설계하는데 있어서 MMIC에 전

력을 나누어 공급하는 전력 분배기와 각 MMIC에서

증폭된 전력을 합성하는 전력합성기의 회로설계는 매

우 중요하다. 일반적으로 전력 증폭기 모듈을 구성할

때 그림 3과 같은 피라미드 형태의 연계구조형

(3)

Corporate Combining Structure)을 많이 사용하지만, 결합하고자하는 차수가 증가할 경우 모듈 표면적 종 횡비 및 최종 합성회로의 전송선 길이 증가로 불필요 한 삽입손실이 더해지며, 연계구조 특성상 소요 MMIC 수가 2N (N=단 수)만큼 짝수의 배열이필요로 하는 단점이 있다[1-2].

그림 3. 피라미드 형태의 연계구조형 전력분배기/합성기 구조

Fig. 3 Structure of power divider/combiner of corporate combining structure in a pyramid shape

하지만, 본 모듈에서 사용한 순차구조형(Serial Co- mbining Structure) 전력분배기/합성기 회로는 그림 4 와 같으며, 회로의 기본 원리는 N-단 분배회로에서 1/N의 전력이 각 MMIC 증폭회로 입력으로 전달되고 증폭된 신호가 N-단 합성회로에서 더해져서 출력된다 [4-5]. 이와 같은 구조의 가장 큰 장점은 MMIC 증폭회 로 수를 짝수 배열로 할 필요가 없다는데 있다.

그림 4. 순차구조형 전력분배기/합성기 구조 Fig. 4 Power divider/combiner of sequential structure

특히, 3dB Directional Coupler의 경우는 λ/4 전송 선 간격이 매우 좁아 박막 기판으로 제작하는데 한계

가 있어 이를 개선하기 위해 일반적인 윌킨슨(Wil- kinson)구조에 위상 천이기를 추가하여 3dB Dire- ctional Coupler와 유사한 성능을 갖도록 N-Way 순 차구조형 전력분배기/합성기 회로를 수정하였다.

전력분배기의 설계는 Agilent사의 ADS 소프트웨어 를 사용하여 진행하였고, 기판은 유전율 9.8, 두께 20mils 알루미나 박막기판을 사용하였으며, 저항으로 는 면 저항 50Ohm의 TaN 물질을 사용하였다. 또한 각각의 Directional Coupler 종단 박막 저항의 크기를 누설 전력을 충분히 견딜 수 있도록 결정했으며, 박막 저항 크기 증가에 의해 떨어진 반사손실(Return loss) 특성을 개선하기 위해 매칭회로를 추가하여 설계하였 다. 그림 5는 10-way 전력 분배기/합성기 회로의 Back to Back으로 연결하여 설계한 결과를 보여주고 있다. 시뮬레이션 데이터에는 커플러들의 전자기해석 데이터와 ADS에서 제공하는 와이어, 리본 모델 값이 포함되어 있다. 시뮬레이션 결과에 따르면 10-way 방 향성결합기(Serial Chain Combiner)의 경우 1.2dB 정 도의 손실 특성을 보였다. 그림 5는 TGA2701 MMIC 데이터(P1dB=36dBm, Gain=20dB)를 기준으로 25W 전력 증폭기의 전력 특성을 모의 검증하였다.

EqnVar MLIN TL106 L=150 um W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL101 L=150 um W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL68 L=3 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL105

L=150 um W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL102

MLIN TL99

MLIN TL60

L=3 mm W=488 um Subst="MSub1"

MBEND Bend4

M=0.6 Angle=90 W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL93

L=2.5594 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL104

L=(9.7804+0.3) mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL94 L=1.277 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL90

MLIN TL91

L=(9.7804+0.3) mm W=488 um Subst="MSub1"

MBEND Bend5

M=0.6 Angle=90 W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL92

231

MLIN TL107

L=LL mm W=488 um

Subst="MSub1" MLINTL108

L=LL mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL109 L=LL mm W=488 um

Subst="MSub1" MLINTL110

MLIN TL111

MLIN TL112

MLIN TL113 L=LL mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL114

MLIN TL115

Amplifier XD1017

GainComp=1 dB GainCompPower=36 GainCompSat=6 dB Psat=37 TOI=

S12=dbpolar(-42,100) S22=dbpolar(SA2,-160) S11=dbpolar(SA1,70)

S21=dbpolar(G1,10) Amplifier

XD1018

S12=dbpolar(-42,100) S22=dbpolar(SA2,-160) S11=dbpolar(SA1,70) S21=dbpolar(G2,10)

Amplifier XD1019

Amplifier XD1025

Amplifier XD1026

S12=dbpolar(-42,100) S22=dbpolar(SA2,-160) S11=dbpolar(SA1,70) S21=dbpolar(G10,10) Amplifier

XD1024

S12=dbpolar(-42,100) S22=dbpolar(SA2,-160) S11=dbpolar(SA1,70) S21=dbpolar(G8,10) Amplifier XD1023

MLIN TL65

MLIN TL66

MLIN TL64 L=1.134 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL67

MLIN TL56

L=Z mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL88

MLIN TL82

MLIN TL71

MLIN TL69

L=Z mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL70

L=Z1 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL58

L=Z1 mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL36

L=(LL1*6) mm W=285 um Subst="MSub1"

2 3

1 2

3

1 2

3

1 2

3

1 2

3

1 2

3

1 2

3 1

231 231 231 231 231 231

2 3 1

231

MLIN TL1

MLIN TL72

MLIN TL73

MLIN TL87

MLIN TL74

L=LL mm W=488 um

Subst="MSub1" MLIN

TL76 L=LL mm W=488 um Subst="MSub1"

MLIN TL75

MLIN TL77

MLIN TL78

6 .5 7 .0 7 .5 8 .0 8 .5

6 .0 9 .0

- 3 .6 - 3 .4 - 3 .2 - 3 .0 - 2 .8

- 3 .8 - 2 .6

f r e q G H z

dB(S(2,1))

m 1 m 2 m 3 m 1

fr e q =

d B ( S ( 2 ,1 ) ) = - 2 .8 6 28 . 1 5 0 G H z m 2 f r e q =

d B ( S ( 2 , 1 ) ) = - 3 .0 3 28 .4 0 0 G H z m 3

fr e q =

d B ( S ( 2 ,1 ) ) = - 2 .7 7 17 . 9 0 0 G H z

(4)

그림 5. 10way 전력 분배기/합성기 설계 데이터 Fig. 5 Design data of 10way power divider/combiner

2.3 MMIC 증폭회로의 제작 및 측정

25W 전력증폭기 모듈을 제작하기 전에 사용하는 MMIC 증폭기 칩의 특성을 파악하기 위하여 캐리어 에 장착한 후 테스트 지그에 조립하여 특성을 측정하 였다. 캐리어 재질은 열적 변화에 의한 MMIC 칩의 손상을 방지하기 위해 GaAs 기판과 유사한 열팽창 계수를 가지며, 열전도율이 우수한 Molybdenum을 사 용하였다[6]. 증폭기 MMIC에 대한 소신호 특성과 전 력 특성을 측정한 결과 TGA2701 데이터시트에 준하 는 성능을 보이는 것을 확인하였다.

그림 6은 단일 MMIC 모듈의 측정하는 사진을 보 여준다.

그림 6. MMIC 증폭부 Fig. 6 MMIC amplifier block

그림 7는 단일 MMIC의 측정 결과이다. DC 인가 조건은 Vd=7V, Id=1A가 되도록 Vgs값을 조절하였다.

주파수별 선형영역에서 18dB 이상의 증폭도를 보 이며, P1dB는 36dBm 이상으로 측정되었다.

그림 7. MMIC 증폭부의 이득 및 전력 측정결과 Fig. 7 Test result of gain and power of MMIC

amplifier block

2.4 25W급 전력증폭모듈 제작 및 측정

단일 MMIC의 성능을 확인하고, 박막 기판으로 제 작한 10-way 전력 분배/합성 회로와 10개의 증폭기 MMIC 캐리어들을 결합하여 25W 전력증폭기 모듈을 제작하였다.

그림 8은 제작된 25W 전력증폭기 모듈을 보여주 고 있다. 그리고 그림 9는 25W 전력증폭기 모듈을 측정하기 위하여 신호발생기, 전원공급기, 스펙트럼분 석기 등의 장비를 배치한 사진을 보여준다.

그림 8. 25W급고출력증폭기 모듈 Fig. 8 PAM(Power Amplifier Module) of 25W

그림 9. 계측 장비 구성

(5)

25W 전력증폭기 모듈의 이득 특성상 신호 발생 계측 기만을 사용하여 전력 특성을 검증하기에는 어려움이 있 다. 입력신호의 전력특성을 높여야 저이득의 특성을 갖는 전력증폭기 모듈의 출력전력을 정확히 확인할 수 있다 [7-8]. 이를 보상하기 위해 그림 6에서 사용한 MMIC 증 폭회로 테스트 지그의 출력 전력을 25W 모듈의 입력으로 전달하여 전체 모듈에 대한 전력 특성을 확인하였다.

제작된 25W 전력증폭기 모듈의 크기(mm)는 36 × 106 × 19.7 이며, 동일한 출력 특성을 갖는 MMIC 한 개에 비해 5배 정도의 공간을 차지한다. 또한, 저출력 이지만 10개의 MMIC에서는 동작전압 7V에서 10A의 소모전류를 갖기 때문에 만들어내는 발열량도 매우 커지게 된다. 그래서 5배로 커진 기구적인 부피를 이 용하여 냉각할 수 있는 면적을 넓히는데 적용하였다.

제작된 전력증폭기 모듈은 잠수함의 Pressure Hull 외부에 장착이 된다. 이 외부에 장착되는 장비는 함체 에서 제공하는 수냉식 방식을 사용하는 water cool- ing system을 적용하는데, 물과 맞닿는 넓은 면적을 이용하여 뛰어난 냉각특성을 얻을 수 있었다. 대부분 의 증폭기에 사용되는 공랭식 냉각하는 방식인데, 운 용환경특성이 좋은 조건을 갖고 있기 때문에 발열량 에 대한 별도의 시험은 필요하지 않았다. 함체에서 사 용하는 수냉식 열교환기에 장착하였을 때 최고출력조 건에서도 45°C 이하로 유지되는 것을 확인하였다.

그림 10는 운용 주파수 대역에서 수행된 25W 전 력증폭기 모듈의 전력 측정 결과 및 소신호 측정 결 과를 나타낸다. 운용주파수인 X대역에서 44dBm 이상 으로 측정되며, 25.1W 이상으로 측정되었다.

그림 10. 25W급 고출력증폭기 모듈의 이득 및 전력 측정결과

Fig. 10 Test result of gain and power of 25W PAM

Ⅲ. 결 론

본 논문에서 소개한 25W 전력증폭기 모듈은 일반 적으로 사용하는 연계구조형 회로에서 탈피하여 순차 구조형 전력분배기/합성기 회로를 사용한 설계 및 제 작 방안을 제시하였다. 내부 MMIC를 조립한 캐리어 들은 측정 및 수리의 용이성을 위하여 조립되었으며, 제작한 전력증폭기의 증폭된 전력을 효과적으로 합성 하기 위하여 알루미나 박막 공정을 활용하여 10-way 전력 분배기/합성기를 설계 및 제작하였다.

25W 전력증폭기 모듈 4개를 구성하면, 위성통신 지상단말에서 사용하는 고출력증폭기를 만들 수 있다.

또한 잠수함에서 제공하는 수냉식 water cooling system을 이용하여 발열량에 대한 문제도 자연적으로 해결 할 수 있었다. 또한, EL품목으로 관리되어 공급 받을 수 없는 고출력 MMIC 부품을 국산화기술로 대 체 할 수 있다는 방안을 다시 한번 확인할 수 있었다.

본 모듈에서 적용한 회로 기술이 고출력 전력증폭기 분야에 향후 활성화될 것으로 기대되며, 합성기 효율 을 더욱 개선시킬 수 있다면 다양한 주파수 대역의 각종 Radar 및 위성통신용 전력증폭기 설계 및 제작 에도 적용 할 수 있을 것으로 기대된다.

References

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[2] J. W. Gipprich, L. E. Dickens, and J. A. Faulkner, “A power amplifier yields 10 watts over 8-14GHz using GaAs MMICs in an LTCC serial Com- biner/divider network,” Microwave Symp. Digest, IEEE MTT-S Int., vol. 3, Atlanta, GA, June 1993, pp.

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MTT-27, no. 5, May 1979, pp. 472-478.

[4] M. Go, S. Pyo, and H. Park, “Study on the

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(6)

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[8] M. Go, H. Shin, and H. Park, “A RF Module for digital terrestrial and multi-standard reception,” J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sci- ences, vol. 1, no. 1, 2006, pp. 16-27.

The Study on the design and implementation of a X-band 25W Power Amplifier Module using GaAs MMIC