I. 서 론
최근 방위산업 분야에서는 감시정찰 임무 수행을 위해 다채널 위상배열 시스템을 적용한 레이다 수요가 급증하고 있다. 능동 위상배열(AESA) 레이다는 다중 표적 동시 교전 및 고해상도 지형 매핑(SAR) 등 기존 기계식 레이다로는 구현 불가능한 다기능성을 제공하며, 현대전의 미사일 방어체계 내 탐지 레이다 및 요격용 RF 탐색기 분야에서도 그 활용 폭이 넓어지고 있다. 이러한 위상배열 시스템 구축의 핵심은 송수신 모듈의 핵심 부품인 FEM MMIC의 확보에 있다. 그러나 고출력 GaN 전력증폭소자와 통합 MMIC 기술은 해외 선진국의 전략물자로 분류되어 수출 승인(EL) 등 엄격한 통제를 받고 있으며, 이는 독자적인 국산화 시스템 개발 및 전력화의 주요 제약 요인이 되어 왔다. 따라서 기술 자립화와 안정적인 공급망 확보를 위해 국산 고집적 FEM MMIC 개발이 지속적으로 요구되고 있다[1],[2].
본 논문에서는 Ku-대역 다채널 위상배열 안테나용 고집적 FEM MMIC를 국내 기술로 설계 및 제작하고, 그 성능을 검증한 결과를 기술한다. Win Semiconductors 사의 GaN 공정을 활용하여 개발된 FEM MMIC는 송신 HPA, 수신 LNA 및 송수신 경로 절체를 위한 SPDT를 단일 칩 내에 통합하였다. 구성 부품을 하나로 결합하여 시스템의 SWaP(size, weight, and power) 특성을 최적화하였다.
Ⅱ. Ku대역 FEM MMIC 설계
본 논문에서 제안하는 Ku대역 FEM MMIC는 능동위상배열 시스템의 송수신 모듈(TRM)에 적용하기 위한 목적으로 설계되었다. 제한된 배열 면적에 다수의 TRM의 소형화를 위한 핵심부품인 FEM MMIC(HPA, LNA, SPDT)를 단일 칩으로 고집적화하는 것을 목표로 설정하였다. 특히, GaN 공정을 활용하여 개별 소자의 전력 밀도를 극대화하였으며, 송신 모드에서는 고출력 특성을, 수신 모드에서는 별도의 리미터(limiter) 회로 없이도 강한 입사파로부터 소자를 보호할 수 있는 생존 강건성(survivability)을 동시에 확보하고자 하였다. 또한, 송수신단의 간섭 및 파손을 방지하기 위해 송수신 경로 간 격리도(isolation)를 30 dB 이상으로 유지하는 것을 핵심 설계 규격으로 정의하였다.
설계된 Ku대역 FEM MMIC의 상세 블록도는 그림 1에 나타내었으며, 구체적인 설계 사양은 표 1과 같다. 송신단(HPA)은 광대역 이득 평탄도와 충분한 출력 전력을 확보하기 위해 이득 증폭기, 구동 증폭기, 주 증폭기로 구성된 3단 증폭 구조(3-stage)를 적용하였다. 수신단(LNA)은 시스템 전체의 잡음지수(noise figure)를 최적화하기 위해 초단 저잡음 정합을 수행하였으며, 안정적인 수신 이득 확보를 위해 4단 증폭 구조를 채택하였다. SPDT는 저손실 스위치 설계를 기반으로 HPA와 LNA 사이의 임피던스 정합을 최적화하여 경로 전환 시 발생하는 손실을 최소화하였다. FEM MMIC의 레이아웃은 그림 2와 같다.
10 W HPA Part Ku대역 10 W급 HPA 블록은 전력 이득과 목표 포화 출력(Psat)을 달성하기 위해 이득 증폭단, 구동 증폭단, 주 증폭단의 3단 캐스케이드(cascade) 구조로 설계되었다. 고출력 동작 시의 주요 고려사항인 전력 결합 효율과 열특성을 최적화하기 위한 세부 설계 방안은 다음과 같다[3],[4].
10 W HPA의 power budget은 그림 3과 같으며, 주요 특성은 표 2, 그림 4 및 그림 5에 나타내었다.
일반적인 GaAs 기반 LNA는 낮은 잡음지수(NF)를 제공하나, 입력전력에 대한 생존 강건성이 취약하여 전단에 리미터 장착이 필수적이다. 그러나 리미터의 삽입손실은 시스템 전체의 NF를 열화시키고 회로 복잡도를 증가시킨다. 본 논문에서는 잡음지수 유지와 고집적 단일 칩 FEM MMIC 구현을 위한 GaN 공정을 적용하였다. GaN 소자는 와이드 밴드갭 특성으로 인해 항복 전압이 매우 높아, 별도의 리미터 없이 입사파에 대해 높은 생존성을 보장한다[5],[6].
수신기 budget은 그림 6과 같으며, 주요 특성은 표 3, 그림 7~그림 9와 같다.
송수신 경로 절체용 SPDT는 송신단의 10 W급 고출력 신호를 견디는 동시에 수신단의 감도 저하를 방지하기 위해 저손실 및 고격리 특성을 목표로 설계하였다. 특히 Shunt-FET와 전송선로를 결합한 토폴로지(topology)를 기반으로, 송신 시에는 LNA 방향으로 유입되는 누설 전력을 차단하여 수신 소자를 보호하고, 수신 시에는 HPA 경로의 기생 성분이 수신 경로에 미치는 영향을 최소화하도록 임피던스 정합을 최적화하였다[7].
-
고격리 구조, 선형성 강화, 삽입 손실을 최소화
-
게이트단의 고저항 분리 네트워크 적용
-
RF 신호 누설을 방지 및 고속 송수신 절체 구현 송수신 경로 SPDT의 주요 특성은 그림 10과 같다.
Ⅲ. FEM MMIC 및 시험보드 제작
성능 검증을 위해 제작된 캐리어에 그림 11의 FEM MMIC를 실장하였으며, RF 신호 및 전원 공급 회로가 통합된 PCB와 연계하여 최종 평가용 시험 모듈을 구축하였다.
시험 보드는 조립된 캐리어를 실장하고 RF 커넥터를 연결할 수 있도록 설계하였다. 측정 변수를 최소화하기 위해 RF 경로를 최단 거리로 배치하였으며, 고주파 특성을 고려하여 2.92 mm K-커넥터를 사용하여 그림 12와 같이 시험 보드를 제작하였다.
Ⅳ. 실험 및 결과
Ku대역 FEM MMIC 측정 조건, 결과는 다음과 같다.
송신경로(HPA+SPDT) 측정 조건은 표 4와 같고 측정결과는 그림 13 및 그림 14에 나타내었다.
| Rx bias | Tx bias | ||
|---|---|---|---|
| SW (V) | −20 | SW (V) | 0 |
| VD (V) | 0 | VD (V) | 28 |
| IDQ (mA) | 0 | IDQ (mA) | 100 |
| VG (V) | −5 | VG (V) | −2 |
수신경로(SPDT+LNA) 측정 조건은 표 5와 같으며 측정결과는 그림 15 및 그림 16과 같다.
| Rx bias | Tx bias | ||
|---|---|---|---|
| SW (V) | 0 | SW (V) | −20 |
| VD (V) | 10 | VD (V) | 0 |
| IDQ (mA) | 48 | IDQ (mA) | 0 |
| VG (V) | −1.75 | VG (V) | −5 |
격리도 특성 검증을 위해 그림 17과 같이 설정한다. 송신, 수신 동작 시 각각의 격리도 특성은 그림 18 및 그림 19와 같다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 Win-semiconductors의 GaN NP12 공정을 이용하여 Ku대역 위상배열 시스템에 적용 가능한 고집적 FEM MMIC를 설계 및 제작하고 그 성능을 검증하였다. FEM MMIC는 HPA, LNA, SPDT를 단일 칩에 통합함으로써 기존 개별 소자 실장 방식 대비 SWaP(size, weight, and power) 특성을 개선하였다. 이는 다채널 안테나 배열 시 모듈 간 간격을 최소화하고, 시스템 전체의 경량화를 달성하는 데 기여할 것으로 판단된다. 개발된 소자는 송신 경로에서 전대역 송신 출력 8 W 이상, 이득 27~31.7 dB, 효율 24~30 % 수준의 성능을 확인하였고, 수신 경로에서는 이득 27 dB 이상, 잡음지수 4.2 dB 이하의 특성을 확보하였다. 또한, 송수신 경로 간 격리도는 전 대역에서 −20 dB 이상의 성능을 나타냈다. 개발된 Ku대역 FEM MMIC는 단일 칩 구조 또는 각 구성 블록의 개별 칩 형태로 Ku대역 위상배열 레이다 개발에 활용될 수 있으며, 기 확보된 4채널 빔포머 RFIC와의 연동을 통해 정밀한 위상 및 진폭 제어 기반의 안정적인 빔 조향 특성을 구현할 수 있다. 본 FEM MMIC 설계 기술을 기반으로 핵심 소자의 국산화 및 IP를 확보함으로써, 국산화 반도체 및 모듈, 시스템에 대한 경쟁력을 확보할 것이다.
