2차 고조파 기반 표적 탐지 레이다용 S-대역 GaN HEMT 전력 증폭기

Ⅰ. 서 론

비선형 레이다는 전자 장치의 비선형 응답 특성을 활용하여 주변 환경의 잡음으로부터 표적을 식별할 수 있는 혁신적인 기술로 주목받고 있으며, 군사 보안뿐만 아니라, 건강 모니터링, 환경 감시 등 다양한 응용 분야에서 발전되어 왔다^[1]~[3].

비선형 레이다 시스템은 송신부에서 고출력 신호를 방사한 후, 표적에서 반사된 신호의 고조파 성분을 수신부에서 식별하는 원리로 작동된다. 고조파 신호는 기본파 신호에 비해 전력이 작고 신호 대 잡음비(SNR)가 낮으므로, 고조파 신호의 탐지 정확도를 높이기 위해 전력 증폭기에서는 기본파 신호의 출력이 높아야 할 뿐만 아니라, 불필요한 고조파 성분을 포함하지 않아야 한다^[4]. 전력 증폭기는 송신부의 핵심적인 장치로서, 고출력 신호를 방사하는 동시에 높은 고조파 억제 수준을 갖추어야 한다. 고조파 억제 수준을 평가하는 대표적인 지표로, 고조파 억제 레벨[dBc]이 있으며, 이는 전력 증폭기의 1차 출력 전력에 2차 출력 전력을 뺀 값이다. 기존에 보고된 S-대역 고조파 제어 전력 증폭기^[5],[6]의 고조파 억제 레벨은 동작 주파수 대역에서 약 45 dBc 이상으로 평가되었다.

본 논문에서는 GaN HEMT 트랜지스터를 이용한 2차 고조파 기반 표적 탐지 레이다용 S-대역 전력 증폭기를 설계하였으며, 제안된 전력 증폭기의 단일 성능 평가 환경과 구현된 구동 증폭기와 제안된 전력 증폭기가 통합된 송신 시스템의 성능 평가 환경에서 약 38.5~39.5 dBm의 출력 전력과 함께 60 dBc의 우수한 2차 고조파 억제 특성을 가지는 것으로 검증되었다.

Ⅱ. S-대역 GaN HEMT 전력 증폭기 설계

그림 1은 제안하는 전력 증폭기의 회로도이며, 개방스터브를 활용한 2차 고조파 억제 필터가 결합된 정합단으로 구성된다. 입력 정합단에는 6.15 GHz, 6.25 GHz, 출력 정합단에는 6 GHz, 6.2 GHz, 6.4 GHz에 대한 90도 개방 스터브를 통해 2차 고조파 신호에 대한 억제를 이루었으며, 직렬 전송 선로와 더불어 최적의 로드 및 소스 임피던스를 갖도록 정합하였다. 바이어스 라인으로 보이는 기본파에 대한 임피던스(Z_bias)가 캐패시터로 인해 완전한 무한 값을 가지지 않으므로 기본파의 출력을 높이고자 기본파에 대한 90도 개방 스터브를 추가하여 무한대의 임피던스를 갖도록 조정하였다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 전력 증폭기의 회로도 | Schematic of the proposed PA.

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그림 2는 동작 주파수(2.9~3.2 GHz) 및 2차 고조파(5.8~6.4 GHz)에 대한 로드풀 임피던스(Z_loadpull) 및 제안한 회로의 드레인에서 보이는 임피던스(Z_drain)의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 개방 스터브의 두께와 직렬 전송선로의 길이 및 두께를 조절하여 로드풀 임피던스에 맞춰 최적화하였다. 그림 3은 3.0 GHz에서 보이는 게이트 및 드레인 임피던스(Z_gate, Z_drain)를 종단으로 적용하여 본 입력 및 출력 정합단의 |S₂₁| 시뮬레이션 결과이다. 2.9~3.2 GHz 기본파 대역에서 정합이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있으며, 동시에 5.8~6.4 GHz의 주파수 범위에서 입력 및 출력단의 삽입손실은 −36.4~−28 dB 및 −52.6~−42.1 dB로, 90도 개방 스터브를 통한 높은 2차 고조파 억제가 이루어진다. 그림 4는 제안한 전력 증폭의 S-parameter 시뮬레이션 결과이다. 소신호 전력 이득 |S₂₁|의 값은, 2.9~3.2 GHz의 범위에서 약 14.4~16.7 dB의 이득과 2차 고조파 주파수(5.8~6.4 GHz)의 범위에서 약 −57~−63.7 dB의 값으로 높은 억제 특성을 가지는 것을 확인하였다.

그림 2. | Fig. 2. 제안한 전력 증폭기의 로드풀 시뮬레이션 결과 | Simulated load pull impedance of the proposed PA.

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그림 3. | Fig. 3. 제안한 전력 증폭기의 입력 및 출력 정합단의 |S₂₁| 시뮬레이션 결과 | Simulated |S₂₁| results of input and output matching network of the proposed PA.

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그림 4. | Fig. 4. 제안한 전력 증폭기의 S-parameter 시뮬레이션 결과 | Simulated S-parameter of the proposed PA.

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Ⅲ. 측정 결과

그림 5는 제작된 S-대역 2차 고조파 제어 전력 증폭기의 회로 사진이다. PCB는 3.2의 유전율과 0.79 mm의 두께를 갖는 Taconic 사의 TLC-32 기판으로 제작되었으며, 전체 회로의 크기는 40 mm×93.8 mm이다. Cree 사의 CGH40010F 10W GaN HEMT 트랜지스터를 사용하였으며, gate voltage는 V_GS=−2.6 V, drain voltage는 V_DS=28 V를 인가하여 신호 분석기를 통해 검증하였다. 측정 결과, 2.9~3.2 GHz의 주파수 범위에서 40 dBm 이상의 포화 출력 전력과 약 11.6~13.3 dB의 전력 이득을 갖는다(그림 6). 그림 7은 주파수에 따른 증폭기의 드레인 효율(DE) 및 최대 전력 부가효율(PAE) 및 2차 고조파 억제 레벨의 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교한 그래프이며, DE 및 2차 고조파 억제 레벨은 최대 PAE와 동일한 입력 전력에 대한 측정 값을 나타내었다. 측정 결과, 2.9~3.2 GHz의 주파수 범위에서 DE는 60.3~73.7 %, PAE는 52~66.3 %를 갖는다. 또한, 2차 고조파 억제 레벨은 58.8~61.7 dBc로 높은 고조파 억제 특성을 확인하였다.

그림 5. | Fig. 5. 제작된 전력 증폭기의 회로 사진 | Photograph of the implemented PA.

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그림 6. | Fig. 6. 입력 전력에 따른 출력 전력 및 이득 시뮬레이션 결과 | Simulated and measured P_out and gain versus input power.

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그림 7. | Fig. 7. 주파수에 따른 출력 전력 및 2차 고조파 억제 레벨 시뮬레이션 및 측정 결과 | Measured results versus operating frequency for P_out, gain and 2nd harmonic level.

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그림 8은 구현된 구동 증폭기 모듈을 사용한 link budget 및 측정 결과로, 3.0~3.2 GHz의 주파수 범위에서 약 27 dBm의 포화 전력을 갖는 구동 증폭기과 제안된 전력 증폭기로 구성된 측정 환경을 통해 고조파 기반 표적 탐지 레이다용 송신부 전력 증폭기에 대한 유효성을 검증하였다. 측정 결과, 3.0~3.2 GHz의 주파수 범위에서 38.5~39.5 dBm의 출력 전력과 2차 고조파 출력 전력이 −54~−51 dBm으로 측정되어, 60 dBc 이상의 고조파 억제 레벨을 확인하였다.

그림 8. | Fig. 8. 구동 증폭기를 결합한 전력 증폭기의 link budget 및 측정 결과 | Link budget and measurement results using the driver amplifier.

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Ⅳ. 결 론

본 논문은 GaN HEMT 소자를 이용한 고조파 제어 전력 증폭기를 제안한다. 고조파에 대한 개방 스터브를 활용하여 고조파 억제 필터를 구현하여 높은 고조파 억제 레벨을 달성하였으며, 트랜지스터 모델에 대한 최적의 로드 및 소스 임피던스로 최적화된 전송 선로 정합단을 통해 고전력 출력을 갖추었다. 제작된 전력 증폭기의 단일 측정 결과, 2.9~3.2 GHz 주파수 범위에서 40 dBm 이상의 최대 포화 전력, 60.3~73.7 %의 DE, 58.6 dBc 이상의 2차 고조파 억제 레벨을 확인하였다. 구동 증폭기로 구현된 시스템의 측정 결과, 3.0~3.2 GHz 주파수 범위에서 38.5 dBm 이상의 출력 전력, 60 dBc 이상의 2차 고조파 억제 레벨을 통해 2차 고조파 기반 표적 탐지 레이다용 전력 증폭기에 대한 적합성을 검증하였다.