Ⅰ. 서 론
밀리미터파 대역에서 레이다, 전자전 등 다양한 무기체계에서의 고출력 신호원은 필수적이다[1],[2]. 하지만, 반도체 전력 증폭기의 출력 전력은 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 따라서 레이다, 전자전 등의 무기체계에 활용되는 W-대역과 같은 높은 주파수에서 고출력을 확보하는데 어려움이 있다. 따라서 전력 결합기/분배기 모듈을 이용하여 여러 전력 증폭기의 출력 전력을 결합하는 방법이 사용된다.
전력 결합기는 저 손실, 광대역 특성을 가지며, 높은 격리도 특성을 가져야 한다. 그렇기 때문에 W-대역에서는 손실이 작은 도파관을 이용한 전력 결합기가 설계된다. 가장 널리 사용되고 간단한 형태의 전력 결합기로 T-junction이 있으며, 두 개의 전력 증폭기의 출력 전력을 결합할 수 있다. 하지만 이를 이진 방식으로, 네 개, 여덟 개의 전력 증폭기를 결합할 경우, 결합기의 크기와 손실이 증가하는 단점이 있다[3].
이러한 문제를 해결하기 위해 TE01, TE11모드 변환기 혹은 프로브를 이용하여 방사형 구조로 전력을 결합하는 구조가 제안된 바 있다[4]～[7]. 이 구조는 결합하는 전력 증폭기의 개수가 증가하더라도, 전력 결합기의 크기가 비약적으로 증가하지 않는다. 따라서 많은 전력 증폭기를 결합할 수 있으며, 균등한 전력 분배, 출력 위상에서의 불균형성이 작은 장점이 있다. 하지만 W-대역과 같은 높은 주파수 대역에서 사용하기 위해서는 정밀한 금속 가공과 매우 작은 반경의 피드스루(feed-through)가 필요하며, 제작 과정이 복잡하고, 가공 오차에 전력 결합기의 특성이 민감하게 변하는 문제가 있다[8]. 또한, 사용하는 유전체의 유전체 손실에 의해 삽입 손실이 증가하고, 최대 허용 전력이 감소한다[9].
이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 모드 변환부를 이용한 4-way 전력 결합기와 H-평면 T-junction을 결합한 W-대역 8-way 전력 결합기를 설계한다. 4-way 전력 결합기는 수직으로 입사된 전자기파의 방향을 90°회전시켜 수평의 네 개의 도파관으로 분배하는 기능을 한다. 그리고, 각 출력 단자에 H-평면 T-junction을 결합함으로써 격리도를 보완하고, 8개의 출력 단자를 가지는 8-way 전력 결합기를 구현한다. 이 전력 결합기는 유전체 기판 없이 금속으로만 이루어져 있어 손실이 작고 최대 허용 전력이 높은 장점이 있다. 설계 및 제작된 W-대역 전력 결합기는 측정 결과는 저 손실 광대역 특성을 보였다.
Ⅱ. 8-Way 전력 결합기 설계
그림 1은 본 연구에서 설계한 도파관 기반의 W-대역 8-way 전력 결합기를 보여준다. 한 개의 입력과 네 개의 출력으로 구성된 4-way 전력 결합기[10]와 각 출력 단자에 연결된 H-평면 T-junction으로 구성되어 있다. 전력 결합기의 모든 입출력 단자는 W-대역의 표준 도파관인 WR-10 (2.54 mm × 1.27 mm) 규격을 가진다.
해당 전력 결합기의 출력 도파관은 입력 도파관(port 1)을 중심으로 대칭 구조를 이루고 있다. 따라서 여덟 개의 출력 단자(port 2～8)로의 삽입 손실 및 위상에서 불균형성이 작은 장점이 있다. 또한, 유전체 기판 없이 금속만 사용하므로 제작이 비교적 간단하며, 손실이 작고 최대 허용 전력이 높은 장점이 있다.
또한, 이 전력 결합기는 입력과 출력이 서로 수직이기 때문에 모듈의 소형화 및 손실 감소의 이점이 있다. 이는 그림 2에 제시한 4-way 모드 변환부에서 수직으로 입사하는 TE10 모드의 전자기파를 90° 회전하여 출력으로 내보내기 때문이다[10]. 모드 변환부는 총 다섯 개의 도파관이 결합되는 부분이며, 중앙의 정사각기둥 모양의 금속체와 함께 전기장의 회전 및 분배 기능을 한다. 이때 사용되는 금속체의 가로 및 세로의 길이(Wc)와 높이 Hc)에 따라 정합 주파수 및 입력 반사 손실(−20log|S11|) 특성이 변한다. 그림 3은 Wc = 1.14 mm일 때, Hc의 변화에 따른 4-way 전력 결합기의 입력 반사 손실을 보여준다[10]. 시뮬레이션은 Ansys사의 HFSS (high frequency structure simulator)로 이루어졌다. Hc값이 증가함에 따라 정합 주파수와 입력 반사 손실이 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다. 80 GHz에서의 정합을 위해 Hc=0.38 mm로 설계하였다. 4-way 전력 결합기의 대칭성에 의해 그림 2에서 위쪽과 왼쪽 출력 단자끼리는 같은 위상을 가지며, 아래쪽과 오른쪽 단자끼리는 서로 같은 위상이며, 위쪽 및 왼쪽 출력 단자와는 180도 위상차이를 가지게 된다.
설계된 4-way 전력 결합기의 네 개의 출력 단자 각각에 그림 4와 같은 H-평면 T-junction을 연결하여 8-way 전력 결합기를 구현한다. 8-way 전력 결합기의 출력 단자가 정 팔각 면에 위치하도록 T-junction의 출력 단자를 135°로 구부린다. 또한, 테이퍼 구조를 적용하여 80 GHz에서의 S21 및 격리도(−20log|S32|)를 개선하였다.
입력 단자에서의 임피던스 정합을 개선하기 위하여 그림 4와 같이 junction 부분에 핀(Tω, Tℓ)을 추가하였다. 그림 5(a)는 Tω = 0.3 mm일 때, Tℓ 값의 변화에 따른 입력 반사 손실을 보여준다. Tℓ 값이 증가함에 따라 80 GHz에서의 입력 반사 손실이 증가하고, S11 ≤ −10 dB를 만족하는 대역폭 또한 증가함을 확인할 수 있다. 그림 5(b), 5(c)는 Tℓ이 삽입 손실과 격리도 특성에 미치는 영향을 보여준다. Tℓ이 증가함에 따라 입력 반사 손실이 증가하여 S21도 동시에 증가한다. 격리도 특성은 Tℓ이 증가함에 따라 80 GHz 근처에서는 개선되지만, 높은 주파수에서는 오히려 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 이를 고려하여 본 연구에서는 Tω = 0.3 mm, Tℓ = 1.1 mm로 결정하였다.
그림 6은 최적화된 8-way 전력 결합기의 특성을 보여준다. 약 17.6 GHz (75.0～92.6 GHz)의 주파수 대역에서 10 dB 이상의 입력 반사 손실을 가지며, 80 GHz에서는 19.1 dB의 입력 반사 손실과 9.3 dB 이하의 삽입 손실(−20log|S21|)을 보여준다. 여기서 8-way 전력 분배를 고려하면 알짜 손실은 0.3 dB에 해당한다.
그림 7은 단자 1로 전자기파가 입사되었을 때 전기장의 분포를 나타내고 있다. 구조의 대칭성에 의해 모든 출력 단자로 같은 크기와 같은 위상(또는 180도 위상차)으로 전자기파가 전달됨을 알 수 있다. 모든 출력 단자로의 삽입 손실은 모두 같은 값을 가지므로 그림 6(a)에 S21만 나타내었다. 그림 1에서 위쪽 단자 4, 5, 6, 7은 서로 동일한 위상, 그리고 아래쪽 단자 2, 3, 8, 9도 서로 동일한 위상 특성을 가진다. 그리고, 위쪽 단자와 아래쪽 단자는 서로 180도 위상차를 가진다. 그림 6(b)는 대표적으로 단자 2와 단자 6의 위상 특성을 보여주고 있다. 두 단자는 80 GHz에서 179.9도, 그리고 75～100 GHz에서 176.3～181.5도의 위상차를 보여주고 있다.
그림 6(c)는 격리도 특성을 나타내며, T-junction의 두 출력 단자 간의 격리도(S32)가 가장 낮으며, 80 GHz에서 6.7 dB의 값을 가진다. 다른 출력 단자와의 격리도는 약 11.0 dB 이상의 값을 가진다. 대칭성에 의해 모든 출력 단자에서의 반사 손실은 동일하여 단자 2에서의 반사 손실(−20log|S22|)을 그림 6(d)에 제시하였다. 80 GHz에서 약 5.4 dB의 값을 가진다.
Ⅲ. 제작 및 측정
제작된 전력 결합기 지그를 그림 8에 제시하였다. 이 지그는 그림 8(b)와 같이 출력 단자의 H-평면 중앙에서 분리되어 두 개의 블록으로 제작되었다. 지그는 구리로 제작되었으며, 표면은 W-대역에서의 표피 깊이(skin depth) 에 비해 두껍게 도금되었다. 지그의 높이는 2.0 cm이며, 마주 보는 꼭짓점 사이의 거리는 8.2 cm이다. 제작한 8-way 전력 결합기의 S-parameters는 도파관 입출력의 벡터 네트워크 분석기로 측정되었다. 측정 전 TRL(through-reflect-line) 방법으로 보정하였다.
제작된 8-way 전력 결합기는 입출력 단자가 서로 수직이다. 따라서, 입력 단자에는 90° E-plane bend를 이용하여 연결하였다. 사용된 90° E-plane bend는 back-to-back으로 연결하여 측정 시, W-대역에서 29.0 dB 이상의 반사 손실과 0.27 dB 이하의 삽입 손실을 보였다. 다음에 제시된 측정 결과는 이 bend의 삽입 손실이 제거된 결과이다. 측정하지 않는 나머지 단자는 종단(termination)을 연결하였으며, 종단은 W-대역에서 28.1 dB 이상의 반사 손실을 보였다.
그림 9는 제작된 8-way 전력 결합기의 측정 및 시뮬레이션된 S-parameters를 보여준다. 그림 9(a)에서처럼 입력 반사 손실은 75.0～98.7 GHz에서 10 dB 이상의 값을 가지며, 80 GHz에서 36.6 dB이다. 측정된 삽입 손실은 그림 9(b)에 제시되었다. T-junction의 대칭성을 고려하여 출력 단자 2, 4, 6, 8에 대해서만 삽입 손실을 측정하였다. 측정 결과, 77.3～98.6 GHz에서 알짜 손실이 1.0 dB 이하였으며, 80 GHz에서는 0.6 dB의 알짜 손실을 보였다. 이는 87.1%의 높은 전력 결합 효율에 해당한다. 해당 주파수에서의 출력 단자 간의 삽입 손실의 불균형성은 0.14 dB, 위상에서의 불균형성은 0.3°로 매우 낮은 편이다. 격리도의 경우, 그림 9(c)에서처럼, 같은 T-junction 단자 간의 격리도가 가장 낮으며, 약 7.7 dB이다. 다른 출력 단자와의 격리도는 9.7 dB 이상의 값을 가진다. 그림 9(d)는 출력 반사 손실을 나타낸다. 출력 단자 2, 4, 6, 8을 측정하였으며, 특성이 거의 동일하여 S22만 그래프에 포함하였다. 측정된 반사 손실은 80 GHz에서 약 9.1 dB로 우수한 특성을 보인다.
표 1은 보고된 W-대역 전력 결합기와의 비교를 보여준다. 제안한 전력 결합기는 기존 전력 결합기에 비해 약 2～3배 넓은 대역폭 성능을 가지고 있으며, 비교적 작은 삽입 손실과 높은 결합 효율 특성을 보이고 있다.
| Number of combination | Bandwidth (S11≤−10 db) | Insertion loss | |
|---|---|---|---|
| Ref. [3] | 4 | 35.0 GHz (75.0～110.0 GHz) | 1.3 dB (75.0～110.0 GHz) |
| Ref. [6] | 14 | 8.0 GHz (90.0～98.0 GHz) | 1.0 dB (90.0～94.0 GHz) |
| Ref. [9] | 4 | 12.0 GHz (88.0～110.0 GHz) | 1.25 dB (87.5～99.5 GHz) |
| This work | 8 | 23.7 GHz (75.0～98.8 GHz) | 0.6 dB (78.8～81.3 GHz) 1.0 dB (76.7～95.3 GHz) |
Ⅳ. 손실 분석
측정된 전력 결합기의 삽입 손실은 시뮬레이션보다 약 0.3 dB 높다. 이러한 삽입 손실 증가는 전력 결합기의 제작 과정에서 발생하는 가공 오차로 인한 것으로 볼 수 있다. 특히, 전체 전력 결합기는 그림 10에 보인 것처럼 출력 도파관의 중앙(H-plane 중앙)에서 분리된 두 개의 금속 블록으로 이루어져 있다. 따라서 두 개의 금속 블록을 결합할 때 결합면에서의 전기적 접촉 불량이 삽입 손실 증가를 가져올 수 있다[11]. 이를 살펴보기 위하여 결합 부분에 수 μm의 공기 틈(gap)이 있다고 가정하여 그 영향을 시뮬레이션하였다. 이 틈이 0～4 μm로 변함에 따라, 반사 손실은 거의 영향을 받지 않았다. 삽입 손실의 경우, 그림 11처럼 틈 간격이 3 μm 이상인 경우, 삽입 손실이 약 0.46 dB 증가한다. 따라서 몇 개의 블록으로 나누어서 제작된 도파관을 결합할 때 결합 정도 및 먼지 등에 의해 틈이 발생하지 않도록 하는 것이 필요하다.
그리고 금속 가공 시 발생하는 표면의 거칠기에 따라 삽입 손실이 증가할 수 있다. 그림 12는 Groisse 모델을 이용하여 표면의 거칠기에 따라 계산된 삽입 손실을 보여주고 있다[12]. 거칠기가 0～1.0 μm로 증가함에 따라 입력 반사 손실은 거의 영향이 없었으며, 삽입 손실은 0.17 dB 증가하였다. 따라서, 이를 고려한 금속 표면 가공이 이루어져야 한다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 구형 도파관 기반의 W-대역 8-way 방사형 전력 결합기를 설계 및 제작하였다. 4-way 모드 변환부와 H-평면 T-junction의 설계를 최적화하여 입력 단자에서의 반사 손실, 삽입 손실과 격리도를 최적화하였다. 제작된 8-way 전력 결합기의 측정 결과는 시뮬레이션과 비슷한 값을 보이며, 80 GHz에서 36.6 dB의 입력 반사 손실과 0.6 dB 이하의 알짜 손실, 7.7 dB의 격리도 특성을 보였다. 따라서 설계된 전력 결합기는 W-대역 레이다, 전자전 등과 같은 무기체계에 필수인 고출력 송신 모듈에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
