Ⅰ. 서 론
최근 Ku-대역 레이다 및 통신 시스템의 소형화․고성능화됨에 따라, 제한된 실장 공간 내에서 고출력을 구현하기 위한 SSPA(solid state power amplifer) 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, GaN(gallium nitride) 기반 HEMT(high electron mobility transistor)는 높은 전력 밀도와 우수한 열 전도성, 그리고 고전압 동작 능력을 바탕으로 기존 GaAs(gallium arsenide) 소자를 대체하며 주목받고 있다. 이러한 특성 덕분에 GaN 소자는 Ku-대역에서의 고출력 SSPA 설계에 최적화된 소재로 자리 잡았다[1],[2].
Ku-대역 고출력 SSPA의 설계의 핵심 과제는 다수의 단위 증폭기 출력을 결합하는 과정에서 발생하는 전력 결합 손실 최소화와 협소한 공간 내에서 열 관리이다. 기존 연구들[3]~[5]은 주로 도파관 결합기나 기판을 활용하여 출력 전력을 높였으나, 이는 모듈의 부피를 증가시키고 제작 단가를 높이는 한계가 있다. 또한 소형화를 위해 마이크로스트립 기반 결합구조를 채택할 경우, 고출력 동작 시 발생하는 급격한 열 밀도 상승과 출력 불평형에 따른 격리 저항의 파손 문제가 시스템 운용 안정성을 저해하는 주요 원인이 된다.
본 논문은 소형화를 위해 로저스 8 mil RO4003C 기판을 사용하여 선로를 최적화하였으며, 열 집중 문제는 열 해석을 통한 방열 구조를 도입하여 해결하였다. 또한 실제 운용 시 발생할 수 있는 소자 소손 위험을 방지하기 위해 20 W급 격리 저항을 적용한 Wilkinson 결합기를 설계함으로써, 고출력 밀도와 운용 안정성을 동시에 달성한 Ku-대역 140W 급 SSPA의 설계 및 제작 결과를 제시한다.
Ⅱ. SSPA 설계
본 모듈에 적용된 단위 전력증폭기 HPA(high power amplifier)는 UMS 社의 0.25 μm GaN-on-SiC (GH15-10) 공정을 이용하여 자체 설계한 국산화 MMIC(monolithic microwave integrated circuit)이다. 높은 포화 출력과 이득을 확보하기 위해 3-stage 증폭기 구조를 채택하였으며, 입출력 단에는 lange coupler를 적용한 balanced 구조를 통해 광대역 매칭 특성과 입출력 격리도를 개선하여 동작 안정성을 극대화하였다.
그림 1의 시뮬레이션 결과에 따르면, 입력 전력이 21 dBm일 때, HPA의 P1 dB는 49.1 dBm 이상, PAE(power added efficiency)는 39 % 이상의 우수한 특성을 보였다. 그림 2는 제작된 HPA의 레이아웃이다. HPA는 drain 전압 26 V, duty cycle 1 %의 펄스 조건에서 성능을 검증하였다. 그림 3은 측정 결과이며 시뮬레이션과 유사하게 48.6 dBm 이상의 P1 dB와 30 % 이상의 PAE를 확인하였다. 시뮬레이션 대비 소폭 성능 차이는 HPA 조립 과정에서 발생한 와이어 본딩의 기생 인덕턴스와 입출력 전송선로의 손실이 반영된 것으로 추정된다. 최종적으로 본 연구의 목표치인 P1 dB는 48.5 dBm 및 PAE 25 % 이상을 상회하는 결과를 확인하였으며 140 W급 SSPA를 구현하기 위한 단위 모듈로서의 적합성을 확인하였다.
그림 4 및 그림 5는 각각 8 mil 두께의 RO4003C 기판으로 설계된 2-way Wilkinson 분배 결합기의 시뮬레이션 모델링과 레이아웃이다. 해당 유전체 기판은 Ku-대역에서 0.0027의 낮은 손실계수를 보유하여 고주파 전송 손실을 최소화하기에 적합하다.
본 설계에서는 기존 도파관 결합 방식의 부피 문제를 해결함과 동시에 마이크로스트립 결합 구조에서 발생하는 전력 손실을 억제하기 위해 최적화된 Wilkinson 구조를 채택하였다. 특히, 140 W급 고출력 동작 시 HPA 간의 출력 불평형이나 안테나 반사로 인해 격리 저항에 가해지는 열적 부하를 해결하는 것 설계 핵심이다. 일반적인 1 W급 필름 저항 대신, 우수한 열전도율을 가진 CVD(chemical vapor deposition) diamond chip 100 Ω 저항을 적용하여 운용 안정성을 확보하였다. 격리 저항에 소산되는 전력 Pdiss은 식 (1)과 같이 송신 전력 Pavg, 두 HPA 사이의 위상차 ΔΦ, 그리고 duty cycle에 의해 결정된다. 그림 6 및 그림 7은 설계된 Wilkinson 분배 결합기의 S-Parameter 시뮬레이션 결과이다. 동작 대역 내 삽입 손실은 0.15 dB 이하로 전력 효율을 극대화하였으며, 입출력 반사손실은 −26 dB 이하, 격리도는 −15 dB 이하의 우수한 특성을 확인하였다. 특히, 8 mil 기판의 얇은 두께를 활용하여 via를 통한 접지 루프를 최소화함으로써 고주파 대역에서의 기생성분을 효과적으로 억제하도록 설계하였다.
그림 8(a)는 캐리어에 HPA, Wilkinson 분배 결합기, 주변 회로 소자가 실장된 형상이다. 그림 8(b)는 송신 모듈 형상으로 캐리어 입력 단에 50 Ω 라인을 동일 기판으로 구현하여 삽입 손실을 최소화하여 HPA가 psat까지 충분히 구동할 수 있도록 제작하였다. 출력은 back via hole을 50 Ω으로 구현하여 송신 출력이 모듈 하부에서 결합되고 적층 구조를 적용하여 확장성을 고려한 모듈을 설계하였다.
Ku-대역 140 W급 모듈이 고출력 동작 시 발생하는 열 포화 문제를 해결하고, 소형화된 면적 내에서 전기적·기계적 신뢰성을 확보하기 위해 소재 특성을 고려한 모듈 설계 및 하이브리드 접합 공정을 적용하였다.
가장 높은 열 밀도를 가지는 HPA는 유테틱(eutectic, AuSn)접합 공정을 통해 CPC(cu-mo-cu)캐리어에 실장하였다. 유테틱 접합은 에폭시 접합 대비 현저히 낮은 열 저항과 우수한 전기적 접지 특성을 제공하여, 140 W급 출력 동작 시에도 MMIC의 접합부 온도(Tj)를 안정적으로 전도 방열한다. 또한 CPC 소재의 열전도율은 255×300 W/mk, 열팽창 계수는 5.6~12.8×10−6/K이다. 낮은 열팽창 계수는 소자 크랙을 방지할 수 있다.
그림 9는 송신 모듈의 블록도이다. 2개의 HPA가 서로 이득(G)과 위상(Φ)이 같다고 가정하면 input(port1)에서 신호는 식 (2)로 간단하게 표현이 가능하다. 식 (3) 및 식 (4)는 Wilkinson 분배기를 거친 각 port에서의 신호이다. 이때, 각 포트의 위상차 ΔΦ가 있다고 가정하여 각각의 위상을 ΦPort2, ΦPort3로 표현했다. 식 (5) 및 식 (6)은 port 2′에서 output으로 나오는 신호와 port 3′에서 output으로 나오는 신호를 각각 표현한 식이다. 이때, 동일한 2-way Wilkinson 분배 결합기 입력과 출력에 적용하면 분배 결합기의 위상차 ΔΦ가 상쇄되어 최종 출력단 합성 신호를 식 (7)로 표현할 수 있다. 결과적으로 이러한 대칭 구조 설계를 통해 위상 편차에 의한 손실을 최소화하고 합성 효율을 극대화하여 안정적인 고출력을 확보하도록 설계하였다.
본 연구에서 송신 모듈의 열적 안정성을 검증하기 위해 주변 온도 변화에 따른 열 해석을 수행하였다. 그림 10은 송신 모듈 방열 구조를 나타내며, 해석 TOOL은 FloEFD (mentor graphics)을 사용하여 해석하였다. 해석 조건은 실제 운용 환경을 고려하여 주변 온도가 25°C, 75°C 두 가지 케이스로 설정하였으며, duty cycle 10 % 기준으로 1분간 동작 시 과도 상태 분석을 진행하였다. 냉각 방식은 별도의 강제 냉각 장치가 없는 자연대류 조건을 적용하였다. 발열 소자인 HPA의 발열량 산출을 위해 소모전력에서 송신 출력을 제외한 값을 적용하였다. HPA의 총 소모전력은 26 W이며, 송신 출력 70 W의 10 %인 7 W가 송신 출력으로 방출되므로, 소자당 순수 발열량은 19 W로 도출되었다. 모듈 내부에는 총 2개의 HPA가 배치되어 전체 38 W의 열 부하를 입력값으로 설정하였다. 그림 11은 상기 조건에 따른 송신 모듈의 열 해석 결과이다. 그림 11(a)는 주변 온도 25°C 조건에서 119.95°C로 나타났으며, 그림 11(b)는 고온 75°C 조건에서 최고 온도 169.06°C를 기록하였다.
분석 결과, 모든 운용 조건에서 소자의 온도는 해당 공정에서 보증하는 허용 junction temperature 임계치를 초과하지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 본 송신 모듈은 가혹한 온도 환경에서 열적 파손 없이 시스템의 요구 성능을 안정적으로 구현할 수 있음을 검증하였다.
Ⅲ. 송신 모듈 제작 및 검증
본 논문에서 제안한 송신 모듈을 검증하기 위해 실제 시제품을 제작하고 그림 12와 같이 시험 환경을 구축하였다. 송신 모듈을 포화 영역까지 충분히 구동하기 위해 별도로 제작된 검증용 구동 증폭기(drive amplifier)를 전단에 배치하였으며, 이를 통해 26 dBm 이상의 입력 신호를 안정적으로 인가하였다. 펄스 조건 duty cycle 10 % 이하에서 측정을 수행한 결과, 제안된 송신 모듈은 다음과 같은 우수한 성능을 보였다.
제작된 송신 모듈의 소신호 특성 시험 결과는 그림 13과 같다. 측정 결과, 대역 내에서 S21은 26 dB 이상 높은 이득 특성을 보였으며, 입출력 반사손실인 S11 및 S22는 각각 −14, −7 dB 이하의 우수한 정합 특성을 유지함을 확인하였다.
송신 모듈의 주요 측정 파라미터는 표 1에 요악하였다. 먼저, 출력 전력 특성 측면에서 송신 모듈의 최종 출력 P1 dB 기준 51.48 dBm(약 144.54 W) 이상으로 측정되어 본 연구에서 목표로 한 고출력 특성을 성공적으로 달성하였다. 이때의 전력 이득(power gain)은 입력 대비 26 dB 이상의 선형적이고 안정적인 수치를 기록하였다.
| Freq (GHz) | FL | FC | FH |
|---|---|---|---|
| P1 dB (dBm) | 51.60 | 51.56 | 51.48 |
| Gain (dB) | 26.30 | 26.26 | 26.18 |
| PAE (%) | 31.60 | 31.09 | 30.21 |
| Iout (A) | 1.00 | 0.99 | 1.00 |
효율 특성 측면에서는 최종단 정합 회로 및 바이어스 최적화를 통해 전력 부가 효율(PAE, power added efficiency) 30 % 이상을 확보하였다. 이는 고출력 구동 시 발생하는 발열 문제를 완화할 수 있는 충분한 열 설계 마진을 확보했음을 의미한다. 또한, 전력 합성부의 핵심 부품인 Wilkinson 분배 결합기의 삽입 손실을 별도로 측정한 결과, 0.4 dB 이하 수준의 낮은 손실 특성을 확인하였다. 이를 통해 전력 합성 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하여 최종 출력 효율을 극대화하였음을 검증하였다.
표 2에서는 본 연구에서 제안한 Ku-대역 140 W급 송신 모듈과 유사 기판을 사용한 기존 연구들의 주요 성능을 비교 분석하였다. 소형화 측면의 객관적 지표인 전력 밀도를 분석한 결과, 본 연구는 0.37 W/mm2 이상을 달성하여 기존 연구 참고문헌 [6] 및 참고문헌 [7] 대비 전력 밀도를 최소 27 % 이상 개선하였다. 이는 140 W 이상의 고출력을 매우 협소한 면적에 구현한 것으로, 모듈화 및 시스템 통합 측면에서 실질적인 효용성을 갖는다.
| Performance | This work | [6] | [7] |
|---|---|---|---|
| Frequency | Ku-band | Ku-band | Ku-band |
| Pout (W) | ≥144 | ≥70 | ≥70 |
| Area (mm2) | 384.10 | 233.75 | 288.00 |
| Structure | Wilkinson | T-junction | T-junction |
| Power density (W/mm2) | ≥0.37 | ≥0.29 | ≥0.24 |
Ⅳ. 결 론
본 논문은 RO4003C 기판으로 전력 결합 방식을 통해 Ku-대역 140 W급 고출력 SSPA를 구현하는 최적의 설계 및 제작 방법을 제시하였다. 8 mil 기판을 적용하여 소형화를 달성하였으며, Wilkinson 결합기 구조를 통해 국산 70 W급 HPA 소자들을 효율적으로 결합함으로써 목표로 한 고출력 특성을 달성하였다. 특히 제안된 결합 구조는 0.4 dB 이하의 우수한 삽입 손실과 안정적인 결합 특성을 보였으며, 이를 통해 기판 방식이 고출력 송신 모듈 제작에 있어 높은 실효성을 가짐을 확인하였다. 이러한 설계 방식은 고출력 송신기의 모듈화 및 소형화에 기여할 수 있으며[8],[9], 향후 다양한 차세대 레이다 시스템의 성능 향상 및 시스템 통합 최적화에 기여할 것으로 예상된다.
