Ⅰ. 서 론
소형 레이다 센서 및 위성 분야에서는 고출력 송신 용도로 기존 TWTA(traveling-wave tube amplifier) 대신 반도체 소자를 적용한 SSPA(solid-state power amplifier)로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며[1]~[3], 반도체 공정 기술의 발전으로 소형/집적화가 되어가는 추세이다.
Ku-대역 TWTA는 단일 TWT와 구동증폭기가 결합되어 시스템에서 요구하는 고출력 신호를 생성할 수 있지만, 동작을 위해 수십 kV 이상의 고전압 공급기가 요구되며, 히터를 동작시키기 위한 부가 회로 및 예열시간이 필요하여 상대적으로 운용 절차가 복잡하다. 이에 비해 SSPA는 예열 시간이 요구되지 않으며, 단일 소자의 출력 레벨이 TWT보다 낮기 때문에 N-way 방식으로 소자를 결합하여 고출력 신호를 생성한다. 이 방식의 장점은 운용 중 일부 소자가 고장나더라도 나머지 소자들로 운용이 가능하며, 점검 및 불량 소자 교체가 용이하다.
Ku-대역 SSPA에서 고출력 송신을 위해서는 GaN (gallium nitride) 기반의 HPA(high power amplifier) 개발이 필요하다. 단일 HPA의 출력은 50~100 W 수준[3]으로 제한되므로, 출력 한계를 극복하기 위해 binary 방식의 전력 결합으로 수백 W급 출력의 SSPA를 개발하였다[1]. 해당 구조에서 적용한 binary 결합 방식은 결합 개수가 증가할수록 경로 증가로 인한 손실이 커지므로 삽입 손실 최소화 및 안테나로 연결되는 급전경로를 고려하여 waveguide 기반의 전력결합기를 적용하였다.
소형 레이다용 SSPA는 다양한 환경 조건하에서 운용되기 때문에 공급 전압 및 RF 입력 변동뿐만 아니라 주변 온도의 변화에 대해서도 안정적인 송신 출력을 유지해야 한다. 공급 전압의 변동에 대해서는 SSPA 내부에 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터를 적용하여 안정적인 출력 전압 공급이 가능하며[4], RF 입력 변동에 따른 출력 변동을 최소화하기 위해서는 구동증폭기 및 전력증폭기가 포화 영역에서 동작하도록 다단으로 구성한다. 포화 영역에서 동작시 전력증폭기의 이득이 감소하기 때문에 구동증폭기 단에서 더 큰 출력 공급이 필요하지만, 주파수 대역 간 출력 편차를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
SSPA는 주변 온도 변화로 인해 출력 특성이 영향을 받으며, 특히 고온 조건에서 동작 시 반도체 소자의 thermal drift 현상으로 인해 초기 출력 레벨이 저하될 수 있다. 고온 조건에서 출력을 보상하는 방안으로는 가변 이득 증폭기(VGA)를 활용한 ALC(automatic level control) 기법이 고안되었으며[5], 출력을 감지하여 VGA의 이득을 조절하는 방식으로 출력 레벨을 조정하였다. 이 방식은 SSPA가 선형 구간에서 동작할 경우 조정이 용이하나, 포화 영역에서 동작하는 SSPA의 출력을 제어하기 위해서는 더 많은 감쇄가 필요하므로 선형 구간으로 진입하게 되어 RF 입력 변동에 민감해진다는 단점이 있다.
본 논문에서는 온도 조건에서 자동으로 출력 레벨을 조정할 수 있는 ALC 기능을 제안하였으며, 해당 기능을 집적하여 RF 입력 변동 및 주변 온도에 둔감한 Ku-대역 400 W급 SSPA를 개발하여 성능을 검증하였다.
Ⅱ. 본 론
제안하는 SSPA의 블럭 다이어그램을 그림 1에 나타내었다. 전원공급기는 넓은 공급 전압 범위에서 고효율로 동작해야 하므로 스위칭 방식의 Buck converter를 적용하였으며, 구동증폭기와 전력증폭기에 필요한 동작 전압인 +5 V, Drain 전압(VDS) 및 Gate 전압(VGS)으로 강압하여 공급한다. 모든 증폭기는 PRF(pulse repetition frequency) 신호에 동기화되어 펄스 방식으로 동작하므로 각 소자의 특성에 맞게 VDS 혹은 VGS를 펄스 변조 회로를 통해 공급한다. DA1(driver amplifier 1) 소자는 Analog Devices社의 제품을 적용하였으며, +5 V 전원을 입력받아 ON/OFF 동작을 수행한다. DA2 및 HPA 소자는 GaN HEMT 기반으로 자체 개발한 50 W 및 70 W급 MMIC를 각각 적용하였으며, 상승/하강시간 최소화를 위해 VGS 음전원을 통해 ON/OFF 동작을 수행한다.
RF 입력 변동 조건에서 SSPA 출력의 민감도를 최소화하기 위해 구동증폭기 및 전력증폭기가 포화 영역에서 동작하도록 증폭기를 다단으로 구성하였으며, 구동증폭기는 RF 입력 10 dBm 입력 시 40 dBm 이상 출력을 고려하여 50 W급 DA2 소자를 종단에 적용하였다.
50 W급 DA2 는 UMS社의 GH15-10 Design Kit를 통해 150 nm GaN HEMT 기반으로 설계되었다. SSPA 내 구동증폭기 적용을 고려하여 이득 30 dB 이상을 목표로 4-stage 구조를 적용하였고, 그림 2의 power sweep 시뮬레이션 결과에서는 입력 26 dBm 조건에서 PAE 30 % 이상으로 가장 좋은 특성을 보였다. 구동증폭기 출력을 결정하는 소자이므로 후단의 전력증폭기에 과입력이 인가되지 않도록 입력 레벨을 back-off 시켜 22 dBm 로 적용하였고, 이 조건에서 출력 레벨은 47 W(~46.72 dBm)으로 설계되었다. 설계된 DA2는 UMS社의 open foundry를 통해 그림 3과 같이 제작되었으며, 성능시험 결과를 표 1에 요약하였다. VDS=28 V, 입력 레벨 22 dBm 인가 시 출력 45.62~46.8 dBm으로 측정되어 목표 출력인 40 dBm 이상, PAE 25 % 이상을 충족하고 있다.
| Test Conditions | VDS=28 V, Pin=22 dBm | |||
|---|---|---|---|---|
| Freq | FL | FC | FH | |
| DA2 | Pout (dBm) | 46.80 | 46.61 | 45.62 |
| Current (A) | 5.40 | 5.20 | 4.30 | |
| PAE (%) | 31.6 | 31.4 | 30.2 | |
70 W급 HPA 소자의 power sweep 시뮬레이션 결과를 그림 4에 나타내었다. 입력 23 dBm 조건에서 HPA의 출력은 48.7 dBm, PAE는 39 % 이상으로 가장 좋은 특성을 보였다. HPA의 출력을 더 높여 포화 영역에서 동작시키기 위해 그림 5와 같이 3-stage 증폭기 구조를 적용하였고, 최종 출력단에 T-junction 결합기를 적용하여 출력 효율을 극대화하였다. HPA는 공간 효율을 고려하여 PCB 내 2-path 구조로 제작되었으며, HPA의 상·하단 각 drain 바이어스 경로에 커패시터를 가능한 근접하게 배치하여 기생 성분을 최소화하고 펄스 상승/하강 시간을 단축하였다.
HPA1~8에 대한 출력 및 PAE 측정 결과를 그림 6 및 그림 7에 각각 비교하였다. 측정 조건은 VDS=22 V, 입력 전력 26 dBm, duty cycle 10 %이며, peak power meter로 출력을 측정하였고 current probe로 peak current를 측정하여 PAE를 계산하였다. 그림 6에서 중심 주파수 기준으로 출력 48.66~48.88 dBm 범위로 목표치인 48.5 dBm를 만족하고 있으며, 시제별 편차 0.4 dB 이내로 고른 결과를 보였다. Fc 주파수 대비 Fh 주파수에서 출력이 0.3~0.6 dB 저하되었으며, HPA 조립 시 wire bonding 및 PCB 전송선로의 영향으로 손실이 증가하여 PAE가 2~3 %가량 저하되었으나, 목표치인 25 % 이상을 충족하고 있다.
2-4 ALC 기능 구현
SSPA의 출력 레벨을 조정하기 위한 ALC 구현 방안을그림 8에 나타내었다. DC-DC 컨버터의 vout 전압을 조절하기 위해서는 vout 전압을 센싱하여 분배 저항을 통해 결정된 전압값을 FB 단자에 인가하며, 분배 저항값을 조정하면 컨버터 내부의 controller에 인가되는 FB 전압값을 변경할 수 있어 원하는 vout 값을 설정할 수 있다. 단, 제안하는 SSPA에서는 온도별로 자동으로 vout 값을 조정해야 하므로, 분배 저항값 대신 그림 8(b)와 같이 분배 저항의 ground 전압값을 조정하여 FB 전압값을 미세하게 조정하는 방안을 제시하였다. 온도 데이터는 그림 5와 같이 각 HPA 근처에 부착된 온도센서 전압값 총 8개를 제어기에서 입력받으며, 이 중 가장 높은 값을 기준으로 제어기에서는 EEPROM에 저장된 lookup table을 참조하여 DAC 제어값을 출력한다. 이 값은 DAC를 통해 DC-DC 컨버터의 FB 단자로 인가되어 원하는 vout 전압으로 출력되며, 전력증폭기에 공급되어 HPA 8개의 VDS 전압으로 활용된다. 해당 기능이 정상 동작하기 위해서는 온도 구간별로 SSPA 출력 레벨에 대한 lookup table이 필요하므로, 온도 챔버 환경에서 SSPA 단품 시험을 통해 그림 9와 같이 온도별 출력 레벨을 사전 검증하였다.
25°C 기준 SSPA 출력 및 효율 최적화를 위해 VDS를 18 V로 조정하고 저온과 고온 조건에서 출력을 비교하였다. −30°C에서는 증폭기의 이득이 증가하므로 최종 출력이 상온 대비 0.27 dB 상승하여 ALC 기능을 적용하지 않았으나, 70°C에서는 출력이 0.78 dB 감소하여 적절한 출력 보상이 필요하다. VDS 전압을 sweep하여 출력을 측정한 결과, 19.5 V로 승압하면 출력이 55.78 dBm 으로 상승하여 상온 출력과 유사하게 보상이 가능함을 시험으로 검증하였다. 온도별 Drain 전압 설정은 그림 10과 같으며, 50도 기준으로 DAC 제어값을 변경하여 출력 전력을 보상하는 로직을 반영하였고, 저온에서는 출력 변동이 크지 않아 보상값을 적용하지 않았다. 해당 ALC 기능을 포함한 SSPA의 성능을 검증하기 위해 구동증폭기, 전력증폭기, 전원공급기 및 제어기 등을 각각 PCB로 제작하였고, SSPA에 통합하여 검증하였다.
SSPA 출력 검증을 위한 시험 구성도는 그림 11과 같다. SSPA 제어 신호 송신 및 상태 정보 수신을 위해 점검장비를 별도로 제작하였으며, 제어용 PC의 GUI 프로그램을 통해 제어하며 시험을 진행하였다. 출력 측정은 장비의 손상 방지 및 power sensor의 포화를 방지하기 위해 40 dB waveguide coupler 및 attenuator로 감쇄하여 power sensor 및 peak power meter로 측정하였으며, 측정 결과는 그림 12와 같다.
상온 조건에서 SSPA 송신 출력은 55.83 dBm부터 시작하며, 전력증폭기의 발열로 인해 출력이 점진적으로 저하되기 때문에 알루미늄 재질의 SSPA 하우징을 통해 전도 방열이 가능하도록 제작하였고, duty cycle 30 % 조건에서 송신시 20초 후 출력 55.60 dBm을 기록하여 목표치인 56 dBm±0.5 dB 이내를 유지할 수 있음을 검증하였다.
온도챔버 환경에서 SSPA 출력 시험 결과는 그림 13과 같다. 고온 조건에서만 ALC 기능이 활성화되도록 설정하였고, 최대 동작 온도인 70도에서 출력 55.78 dBm, 20초 송신시 출력이 약 0.24 dB 저하되나, 목표치인 55.5 dBm 이상을 유지하여 동작 온도 −30~70°C 범위에서 ALC 기능이 정상 동작함을 검증하였다.
SSPA의 성능을 표 2에 비교하였다. 본 연구에서는 HPA 결합 개수가 10개 미만이므로 전력결합기의 구조를 단순화하고 삽입 손실 최소화를 위해 T-junction 방식의 WR-51 waveguide로 제작하였다. 참고문헌 [6] 및 참고문헌 [7]의 공간결합 방식보다는 결합 효율이 낮지만, 동일 결합 수의 참고문헌 [6]과 비교 시 출력이 더 높게 측정되었으며, PAE는 약 2 % 낮아 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 단위 HPA의 출력 및 효율 차이에 기인하는 것으로 추정된다.
| Performance | This work | [6] | [7] |
|---|---|---|---|
| Frequency (GHz) | Ku-band | X-band (8～11) | Ku-band (13.75～14.5) |
| SSPA pout (dBm) | 55.83 | 55 | 53 |
| SSPA pout (W) | 382.8 | 316.2 | 200 |
| SSPA PAE (%) | 25.2 | 27 | N/A |
| HPA pout (dBm) | 48.6 (PSAT) | 47 | 43 (P1 dB) |
| # of HPAs for combining | 8 | 8 | 10 |
| Structure | T-junction combiner | Spatial combiner | Spatial combiner |
| Power combining efficiency (%) | 79.4 | 87.5 | 82～91 |
Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 소형 레이다 센서에 적합한 Ku-대역 SSPA를 개발하였고, 출력 전력의 안정성을 검증하였다. 70 W급 HPA 모듈의 출력 성능을 최적화하여 전력증폭기를 개발하였으며, 펄스 동작 및 ALC 제어를 위해 전원공급기와 제어기를 통합하여 자동으로 출력 조절이 가능한 400 W 급 SSPA를 개발하였다. ALC 기능을 ON 할 경우 제어기에서 전력증폭기의 동작 전압을 자동으로 조절하여 출력 전력을 보상할 수 있으며, 동작 온도 −30~70°C 조건에서 SSPA 출력 전력 56 dBm±0.5 dB 이내로 안정적으로 유지됨을 확인하였다.
