KR102242300B1 - 마이크로파 전력증폭기 - Google Patents

마이크로파 전력증폭기 Download PDF

Info

Publication number
KR102242300B1
KR102242300B1 KR1020200131596A KR20200131596A KR102242300B1 KR 102242300 B1 KR102242300 B1 KR 102242300B1 KR 1020200131596 A KR1020200131596 A KR 1020200131596A KR 20200131596 A KR20200131596 A KR 20200131596A KR 102242300 B1 KR102242300 B1 KR 102242300B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
waveguide
power amplifier
combiner
output
Prior art date
Application number
KR1020200131596A
Other languages
English (en)
Inventor
장민규
Original Assignee
(주)엑소더스커뮤니케이션스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)엑소더스커뮤니케이션스 filed Critical (주)엑소더스커뮤니케이션스
Priority to KR1020200131596A priority Critical patent/KR102242300B1/ko
Priority to PCT/KR2021/002938 priority patent/WO2022080603A1/ko
Priority to US18/023,605 priority patent/US20230308061A1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102242300B1 publication Critical patent/KR102242300B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
    • H03F3/245—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages with semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/60—Amplifiers in which coupling networks have distributed constants, e.g. with waveguide resonators
    • H03F3/602—Combinations of several amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/02—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
    • H03F1/0205—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
    • H03F1/0277—Selecting one or more amplifiers from a plurality of amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/195—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/451—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/20—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F2203/21—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F2203/211—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only using a combination of several amplifiers
    • H03F2203/21106—An input signal being distributed in parallel over the inputs of a plurality of power amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/20—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F2203/21—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F2203/211—Indexing scheme relating to power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only using a combination of several amplifiers
    • H03F2203/21142—Output signals of a plurality of power amplifiers are parallel combined to a common output

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 Ka 밴드용 10W 전력증폭기에 관한 것이다. 상기 전력증폭기는, 드라이브 증폭부; 2개의 트랜지스터로 구성된 중간단 증폭부; 4개의 트랜지스터로 구성된 최종단 증폭부; 상기 드라이브 증폭부와 상기 중간단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어 드라이브 증폭부의 출력 신호를 분배하여 중간단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 GCPW, Waveguide 및 제1 Spatial Combiner부; 상기 중간단 증폭부와 상기 최종단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어, 상기 중간단 증폭부의 출력 신호들을 분배하여 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 제2 Spatial Combiner부, Waveguide Divider 및 제3 Spatial Combiner부; 상기 최종단 증폭부의 출력단에 순차적으로 연결되어 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들의 출력 신호들을 결합하여 최종 출력하는 제4 Spatial Combiner부 및 Waveguide Combiner;를 구비한다.

Description

마이크로파 전력증폭기{High Power Amplifier for microwave}
본 발명은 마이크로파 전력증폭기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 기존의 전력증폭기와 동일한 출력을 낼 수 있도록 구성되면서, 기존의 전력증폭기보다 트랜지스터를 1/2만 사용하여 전류 소모가 감소되어 효율이 향상될 뿐만 아니라, 26.5GHz ~ 40GHz의 Ka-밴드의 전체 주파수 대역에서의 이득이 더 평탄한 특성을 갖는 새로운 형태의 Ka-밴드용 마이크로파 전력증폭기에 관한 것이다.
위성과의 통신은 전리층을 통과해야 하므로 주파수가 1GHz 이상으로 높은 마이크로파를 사용한다. L대역(1~2GHz)중 1.5GHz~1.6GHz는 저궤도 위성용, S대역(2~4GHz)중 2.5~2.6GHz는 위성관제용, C대역(4~8GHz)중 4~6GHz는 정지궤도 위성용, X대역(8~12GHz)중 7~8GHz는 군사용, Ku대역(12~18GHz)은 12~14GHz는 정지궤도 위성용 등으로 할당되어 있다. 그러나 최근에는 트래픽이 급증하여 주파수 재사용(Frequency Reuse)의 이중편파를 사용하여도 수요에 RF 공급이 부족하여 그동안 기상에 따른 감쇄가 심해 별로 관심을 받지 못했던 26.5GHz~40GHz의 Ka대역의 상업적 이용이 활발해지고 있다.
위성통신 시스템은 일반적으로 지구국, 위성, 위성 중계기, 지상 관제소의 요소로 이루어져 있다. 지구국(earth station)이란 지상에서 위성으로 데이터를 전송하고 또 위성으로부터 데이터를 수신하는 장치이다. Ka 밴드용 전력증폭기는 지구국에서 신호를 증폭하여 안테나를 통해 위성으로 전송하거나 위성에서 지구국으로 신호를 전송하는데 사용이 된다. 이와 같이 위성통신 시스템의 Ka 밴드용 전력증폭기에 사용되는 트랜지스터(TR)는 큰 출력이 요구되나, 출력이 큰 TR이 없기 때문에 작은 출력을 가진 TR 여러 개를 사용해서 원하는 출력을 낼 수 있도록 설계된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 전력증폭기는, 드라이브 증폭부(100)를 거친 입력신호가 제1 Power Divider(110)를 거쳐 중간단 증폭부(120)의 2개의 TR에서 각각 증폭된 후, 다시 제2 Power Divider(130, 135)와 제3 Power Divider(140)를 거쳐 8개의 신호로 나뉘고, 8개의 신호는 최종단 증폭부(150)에 도달하면 2.1dB의 Loss만큼 신호가 감소되어 최종단 증폭부의 8개의 TR들에 인가되고, 최종단 증폭부(150)의 출력 신호들은 다시 제1, 제2 및 제3 Power Combiner(160, 170, 180)에 의해 결합되어 출력된다. 상기 제3 Power Combiner(180)로부터 최종적으로 출력되는 신호는 최종단 증폭부(150)의 전체 출력보다 2.1dB만큼 감소되어 출력된다.
전술한 바와 같이, Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용하여 10W의 출력을 내는 전력증폭기를 구성하는 경우, 최종단 증폭부(150)에서 3W의 TR 8개를 사용해야 하므로 효율도 떨어지고 전력소모량도 커지는 문제점이 있다.
도 9는 종래의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기의 주파수 특성을 도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 전력증폭기는 도 9에 나타난 바와 같이 Ka-밴드 대역인 26.5GHz ~ 40GHz의 전체 대역에서 주파수에 따라 이득이 4dB정도의 차이를 보이게 된다. 따라서, 기존의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기는, Ka-밴드의 전체 대역에서 주파수에 따른 이득이 너무 큰 차이를 보인다는 문제점도 있다.
한국등록특허공보 제 10-0330224 호 한국등록특허공보 제 10-1001282 호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 최종단 증폭부를 구성하는 트랜지스터의 개수를 감소시킬 수 있도록 구성하여 제작 비용 및 신호 손실도 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 Ka-밴드 전체 대역의 이득을 더 평탄하게 증폭할 수 있는 전력증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 전력증폭기는, 하나 또는 둘 이상의 트랜지스터들로 구성되어 입력 신호를 증폭하는 드라이브 증폭부; 2개의 트랜지스터로 구성된 중간단 증폭부; 상기 드라이브 증폭부와 상기 중간단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어 드라이브 증폭부의 출력 신호를 분배하여 중간단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 GCPW, Waveguide 및 제1 Spatial Combiner부; 4개의 트랜지스터로 구성된 최종단 증폭부; 상기 중간단 증폭부와 상기 최종단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어, 상기 중간단 증폭부의 출력 신호들을 분배하여 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 제2 Spatial Combiner부, Waveguide Divider 및 제3 Spatial Combiner부; 상기 최종단 증폭부의 출력단에 순차적으로 연결되어 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들의 출력 신호들을 결합하여 최종 출력하는 제4 Spatial Combiner부 및 Waveguide Combiner;를 구비한다.
본 발명의 특징에 따른 전력 증폭기에 있어서, 상기 GCPW는 상기 드라이브 증폭부의 출력단의 마이크로스트립 라인과 Waveguide의 사이에 배치되고, GCPW의 일단은 Tapered Probe로 이루어져 Waveguide에 연결되어 마이크로스트립 라인과 Waveguide의 사이의 트랜지션(Transition)을 이루게 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징에 따른 전력 증폭기에 있어서, 상기 Waveguide Divider 및 Waveguide Combiner는, 제1 포트, 상기 제1 포트로부터 분기되는 제2 및 제3 포트들을 구비하며, 상기 제1 포트가 제2 및 제3 포트들과 만나서 꺽이는 부분은 복수 개의 층으로 이루어진 계단 구조로 형성되어, 상기 전력 증폭기가 26.5GHz ~ 40GHz의 Ka 밴드의 대역폭을 갖도록 구성된 것이 바람직하다.
본 발명의 특징에 따른 전력 증폭기에 있어서, 상기 전력 증폭기는 26.5 GHz ~ 40GHz의 Ka 밴드 대역의 신호를 증폭하는 10W Ka-밴드용 전력 증폭기인 것이 바람직하다.
본 발명의 특징에 따른 전력 증폭기에 있어서, 상기 제1 Spatial Combiner부 및 제2 Spatial Combiner부는 Fin Line 구조의 인쇄회로기판(PCB)으로 이루어지고, 상기 중간단 증폭부의 트랜지스터들은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)으로 이루어지며, 상기 제1 Spatial Combiner부는 상기 Waveguide의 중간에 배치하여 입력이 둘로 나뉘어져서 MMIC들의 입력단에 각각 연결되고, 상기 제2 Spatial Combiner부는 MMIC들의 출력단에 연결되어 MMIC들의 출력 신호들을 결합하여 출력하는 것이 바람직하다.
일반적으로, Wilkinson Power Divider/Combiner는 3dB로 나뉘면서 약 0.7dB의 Loss를 갖게 되므로, 도 1에 도시된 기존의 전력 증폭기와 같이 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용하여 최종 출력이 10W(40dBm)가 되는 전력증폭기를 만들기 위해서는 최종단 증폭부를 3W 출력을 갖는 TR 8개를 사용하여 구성하여야만 된다. 하지만, 본 발명에 따른 Ka 밴드용 10W 전력증폭기는, Loss가 훨씬 작은 GCPW, Spatial Combiner, Waveguide Divider/Combiner를 사용하여 설계함으로써, 최종단 증폭부를 3W 출력을 갖는 TR 4개만을 사용하여 구성할 수 있게 되고, 이에 따라 최종 출력이 10W(40dBm)가 되는 전력증폭기를 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 기존의 전력증폭기와 동일한 출력을 낼 수 있음에도 불구하고, 효율은 높고 전력소모량은 작은 전력증폭기를 제공할 수 있게 된다. 즉, 도 1에 도시된 기존의 전력증폭기는 전력효율이 20%인 반면에, 본 발명에 따른 Ka 밴드용 10W 전력증폭기는 전력효율이 40%로써, 기존의 전력 증폭기에 비해 2배의 전력효율을 얻을 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 방법을 이용하면 20W 전력증폭기도 제작 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 전력 증폭기는, 하우징은 기존의 전력증폭기와 거의 동일한 사이즈로 구성되고 추가되는 부품없이 사용하는 TR의 갯수를 반으로 줄임으로써, 제품의 생산 단가를 30% 이상 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기는 Ka 밴드 전체 대역에서 주파수에 따른 이득 차이가 약 4dB로 크다는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 Ka 밴드용 10W 전력증폭기는 Ka 밴드 전체 대역에서 주파수에 따른 이득 차이가 약 2.2dB로 거의 평탄한 특성을 가지게 된다. 그 결과, 본 발명에 따른 전력증폭기는 같이 사용하는 부품들에 대한 부담을 감소시켜서 전체 시스템의 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 전력증폭기에 사용된 Wilkinson Power Divider/Combiner의 Loss가 각각 0.7dB로써, 최종단 TR의 출력에 대해 2.1dB의 Loss가 나타나 최종 출력을 감소시키는데 반해, 본 발명의 특징에 따른 전력증폭기는 출력단에 Loss가 0.25dB인 Spatial Combiner, Loss가 0.1dB인 Waveguide Divider/Combiner를 사용하여 출력신호에 대한 Loss를 0.35dB로 대폭 감소시킴으로써, 최종단 증폭부의 TR을 4개만 사용하여 Ka 밴드에서 10W 이상의 출력을 낼 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 전력 증폭기의 입력단에 사용된 GCPW는 Loss가 0.7dB로 비교적 크지만 마이크로스트립 라인과 Waveguide사이의 transition을 위해 사용되었으며, 드라이브 증폭부의 출력이 중간단 증폭부의 TR에 도달하기 까지 1.05dB의 Loss를 가지지만 중간단 증폭부에 있는 두 개의 TR의 출력을 Spatial Combiner로 묶으면 2.75dB만큼 증가하므로 최종단 증폭부의 TR들에 인가되는 신호는 필요한 만큼 충분히 큰 값이 된다.
또한, 본 발명에 따른 전력증폭기는, Waveguide Divider/Combiner의 각 Port들이 만나는 지점에 단계별로 층을 깎아서 대역폭을 넓히는 방법으로 Ka-밴드 전체 대역에서 주파수에 따라 이득이 2.2dB정도의 차이를 갖도록 하여, 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 증폭기가 Ka-밴드 전체 대역에서 주파수에 따라 이득이 4dB정도의 큰 차이를 가짐으로써 Delay와 Phase의 차이가 커져서 증폭기를 여러 개 묶어서 사용할 때 출력이 감소되는 문제점 등을 해결할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, GCPW, Spatial Combiner, Waveguide Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, GCPW의 구조를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, 도 3의 GCPW의 위치별 Field모양을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Spatial Combiner의 구조와 이를 이용하여 두개의 TR을 결합한 구조를 도시한 그림이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Spatial Combiner 구조의 결합 부분에 대한 구조를 도시한 그림이고, 도 6b는 Spatial Combiner 구조의 결합 부분의 E-Field 분포이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Waveguide Divider/Combiner의 구조를 도시한 그림이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Ka 밴드 전체를 커버하기 위한 Waveguide 모서리의 변형된 구조를 도시한 그림이다.
도 9는 종래의 기술에 따른 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 10W 전력증폭기의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 특히, 본 발명에 따른 전력 증폭기는 Ka 밴드용 10W 전력증폭기로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 Ka 밴드용 전력증폭기(20)는, 2단의 TR로 구성된 드라이브 증폭부(200), 2개의 트랜지스터로 구성된 중간단 증폭부(240), 4개의 트랜지스터로 구성된 최종단 증폭부(270), 상기 드라이브 증폭부와 중간단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결된 GCPW(210), Waveguide(220)와 제1 Spatial Combiner 부(230), 상기 중간단 증폭부와 최종단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결된 제2 Spatial Combiner부(235), 제1 Waveguide Divider(250)와 제3 Spatial Combiner부(260), 최종단 증폭부의 출력단에 연결된 제4 Spatial Combiner부(280)와 제2 Waveguide Combiner(290)를 구비한다.
전술한 구성을 갖는 전력 증폭기의 전체 신호 흐름을 간단하게 설명한다. 먼저, 2단의 TR로 구성된 드라이브 증폭부(200)로 신호가 입력된다. 드라이브 증폭부의 츨력단의 마이크로스트립 라인은 GCPW(210)를 이용하여 Waveguide(220)와 연결되며, Waveguide(220)는 제1 Spatial Combiner부(230)와 연결되고, 제1 Spatial Combiner(230)는 중간단 증폭부(240)에 연결됨으로써, 드라이브 증폭부의 출력단의 신호는 중간단 증폭부의 2개의 TR들로 인가된다. 다음, 중간단 증폭부(240)의 2개의 TR의 출력단의 신호는 제2 Spatial Combiner(235)에 의해 결합되어 Waveguide Divider(250)를 거치고 다시 제3 Spatial Combiner부(260)의 2개의 Spatial Combiner들(262,264)을 통해 최종단 증폭부(270)의 TR 4개로 인가된다. 최종단 증폭부(270)의 출력 신호들은 제4 Spatial Combiner부(280)의 2개의 Spatial Combiner(282,284)에 의해 결합되고 제2 Waveguide Combiner(290)를 통해 결합되어 출력됨으로써, 최종적으로 10W의 출력을 내도록 구성된다.
이하, 전술한 각 구성 요소들에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, GCPW의 구조를 도시한 그림이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 GCPW(210)는 드라이브 증폭부의 출력단에 연결된 마이크로스트립 선로와 Waveguide(220)가 서로 연결되도록 설계된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 전력 증폭기는 이러한 설계에 의하여 넓은 대역폭과 작은 Loss를 갖게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 GCPW의 위치별 E-Field모양을 도시한 그림이다. 도 4를 참조하여 GCPW의 각 위치에 따른 E-Field의 분포를 살펴보면, GCPW부분인 A영역의 E-Field는 위 Conductor에서 아래 Conductor로 가는 Field와 Ground로 가는 Field로 구성되어 있다. Tapered Probe가 시작되는 B영역의 E-Field는 위 Conductor에서 아래 Conductor로 가는 Field만 존재하고 Ground로 가는 Field는 없어지게 되며, Tapered Probe가 벌어지는 C영역에서의 E-Field는 기울어진 모양이다. 그리고, Tapered Probe가 끝난 D 영역에서의 E-Field는 TE10 mode로 Waveguide를 진행하게 된다. 전술한 과정에 의해, GCPW로 입력된 신호는 마이크로스트립 라인과 Waveguide 사이의 Transition을 이루게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Spatial Combiner의 구조와 이를 이용하여 두개의 TR을 결합한 구조를 도시한 그림이다. 도 5를 참조하면, 상기 제1 Spatial Combiner부(230) 및 제2 Spatial Combiner부(235)는 Fin Line 구조의 인쇄회로기판(PCB)으로 이루어지고, 상기 중간단 증폭부(240)의 트랜지스터들(242, 244)은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)으로 이루어질 수 있다. Fin Line 구조의 상기 제1 Spatial Combiner부(230)는 상기 Waveguide(220)의 중간에 배치되어 입력이 둘로 나뉘어져서 MMIC들의 입력단에 각각 연결된다. Fin Line 구조의 상기 제2 Spatial Combiner부(235)는 MMIC들의 출력단에 연결되어 MMIC들의 출력 신호들을 결합하여 Waveguide Divider(2560)으로 출력하는 것이 바람직하다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Spatial Combiner 구조의 결합 부분에 대한 구조를 도시한 그림이고, 도 6b는 Spatial Combiner 구조의 결합 부분의 E-Field 분포이다.
도 6a를 참조하면, Spatial Combiner의 port 1의 Waveguide로 입사된 신호는 도 6b에 표시된 바와 같이 프로브에 평행인 E-field에 의해 유도된 전류의 방향이 반대가 되므로 port 2와 port 3로는 크기가 같고 위상은 반대가 되어 전송되게 된다. 도 5의 Spatial Combiner(235)에 의해 묶인 TR 2개의 출력은 출력단 Spatial Combiner를 거치면서 TR 1개를 사용한 경우보다 2배의 출력을 내게 된다.
전술한 제2 Spatial Combiner부(235)의 출력 신호는 Waveguide Divider(250)와 제3 Spatial Combiner부(260)의 2개의 Spatial Combiner들(262, 264)를 거쳐 4개로 나뉘어진 후, 최종단 증폭부(270)의 4개의 트랜지스터들의 입력으로 각각 인가된다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Waveguide Divider/Combiner(250/290)의 구조를 도시한 그림이다.
최종단 증폭부(270)로 입력된 신호들은 최종단 증폭부의 각 TR에서 증폭된 후 다시 제4 Spatial Combiner부(280)에서 묶여서 Waveguide Combiner(290)를 거쳐 최종 출력을 내게 된다. 이때, 최종단 증폭부(270)의 출력을 묶는 제4 Spatial Combiner부(280)와 Waveguide Combiner(290)의 Total Loss는 0.35dB가 되므로 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 경우보다 1.75dB가 낮은 Loss를 갖게 되어 최종 출력이 1.75dB만큼 높아지게 된다. 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 경우 최종단 증폭부의 TR들은 각각 33.1dBm (2.14W)을 출력해야 최종적으로 40dBm(10W)의 출력을 내게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 전력증폭기는 최종단 증폭부의 TR들이 각각 34.35dBm(2.2W)을 출력해야 최종적으로 10W (40dBm)의 출력을 내게 되어 각 TR의 부담은 약간 커지지만 35dBm(3W) TR들로 구성된 최종단 증폭부의 입장에서는 2.14W나 2.2W 둘 다 출력하는데 이상이 없다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 전력증폭기는, 마이크로스트립 라인과 Waveguide사이의 transition을 위해 필요한 GCPW의 Loss가 0.7dB, 2개의 TR을 묶기 위한 Spatial Combiner의 Loss가 0.25dB, 전체 TR의 출력을 묶기 위해 필요한 Waveguide Divider/Combiner의 Loss가 0.1dB이므로, 최종단 증폭부에 TR을 4개만 사용하여 Ka 밴드에서 10W의 출력을 낼 수 있다.
그러나, 도 2에 나타난 바와 같은 전력증폭기는 입력신호의 경우 GCPW(210), Waveguide(220), 제1 Spatial Combiner부(230)를 거쳐 1.05 dB의 Loss만큼 감소된 신호가 제2 Spatial Combiner부(235)로 묶인 중간단 TR(240)에 인가되고, 이 신호는 Waveguide Divider(250)와 제3 Spatial Combiner부(240)를 거치면서 0.6 dB의 Loss만큼만 감소되어 최종단 증폭부(270)의 4개의 트랜지스터들에 인가되는데 이는 기존의 방법보다 0.45dB 작은 Loss로 그렇게 큰 차이가 나지는 않는다. 그러나, 최종단 증폭부(270)의 출력은 제4 Spatial Combiner부(280)와 Waveguide Combiner(290)를 거치면 0.35dB의 Loss만큼만 감소되어 최종 출력되므로, 출력신호는 기존의 방법보다 1.75dB만큼 증가한 상태로 출력된다. 최종단의 Waveguide Divider(250)로 인가되고, 다시 제3 Spatial Combiner부(260)를 통해 최종단 증폭부(270)의 각 TR에 인가되는 입력신호는 기존의 방법보다 0.45dB 큰 신호가 인가되고, Spatial Combiner와 Waveguide Combiner의 작은 Loss로 인해 3W 출력을 갖는 4개의 TR로 구성된 최종단 증폭부(270)로 10W의 출력을 낼 수 있게 된다. 그 결과, 본 발명은 10W(40dBm) 전력증폭기를 만들기 위해서는 최종단 증폭부에 3W 출력을 갖는 TR 8개를 사용해야 한다는 기존의 문제점을 해결할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 전력증폭기는, 사용하는 최종단 증폭부의 TR의 갯수를 1/2로 감소시키면서 소모되는 전류도 1/2로 감소시킬 수 있게 된다.
또한, Waveguide Divider/Combiner의 각 Port들이 만나는 지점에 단계별로 층을 깎아서 대역폭을 넓히는 방법으로 Ka-밴드 전체 대역인 26.5GHz ~ 40GHz에 대해 증폭을 할 수 있도록 하여 기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 증폭기의 Ka-밴드 전체 대역에서 이득 차이가 크다는 문제점을 해결할 수 있다.
기존의 Wilkinson Power Divider/Combiner를 이용한 전력증폭기는 도 9에 나타난 바와 같이 Ka-밴드 대역인 26.5GHz ~ 40GHz의 전체 대역에서 주파수에 따라 이득이 4dB정도의 차이를 보이게 된다. 하지만, 본 발명에서는 Waveguide Divider/Combiner의 구조를 변형시킴으로써 대역폭을 넓힐 수 있게 된다. 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기에 있어서, Ka 밴드 전체를 커버하기 위한 Waveguide 모서리의 변형된 구조를 도시한 그림이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 Waveguide Divider/Combiner는 도 7의 Port 1이 Port 2와 Port 3가 만나는 부분인 꺾이는 부분을 단계별로 층을 두는 계단 구조로 변형시킴으로써, 대역폭을 넓힐 수 있게 된다. 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 증폭기의 주파수 특성을 도시한 그래프이다. 이와 같이 Waveguide Divider/Combiner의 모서리 영역에 대한 구조를 변형시킴으로써, 도 10에 나타난 바와 같이 Ka-밴드 전체 대역에서 주파수에 따라 이득이 2.2dB정도의 차이를 갖도록 하였다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전력 증폭기의 Waveguide Divider/Combiner는 Delay와 Phase의 차이를 감소시킴으로 인해 증폭기를 여러 개 묶어서 사용할 때 출력이 감소되는 양을 크게 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 Ka 밴드용 10W 전력증폭기는 트래픽이 급증하여 수요에 비해 RF 공급이 부족하여 상업적 이용이 활발해지고 있는 26.5GHz~40GHz의 Ka대역통신에 활용이 될 수 있다. 지구국, 위성, 위성 중계기, 지상 관제소의 요소로 이루어져 있는 위성통신 시스템의 지구국과 위성 사이의 데이터를 전송 및 수신에 필수적인 Ka 밴드용 전력증폭기로 사용됨은 물론, 다른 대역에서 사용하는 증폭기에도 적용하여 TR의 갯수를 줄이면서도 동일한 출력을 내도록 하여 효율을 높이고 전력소모량도 줄인 전력증폭기의 설계에 이용할 수 있다.
20 : Ka-밴드용 전력증폭기
200 : 드라이브 증폭부
210 : GCPW
220 : Waveguide
230 : 제1 Spatial Combiner부
240 : 중간단 증폭부
235 : 제2 Spatial Combiner부
250 : Waveguide Divider
260 : 제3 Spatial Combiner부
270 : 최종단 증폭부
280 : 제4 Spatial Combiner부
290 : Waveguide Combiner

Claims (5)

  1. 하나 또는 둘 이상의 트랜지스터들로 구성되어 입력 신호를 증폭하는 드라이브 증폭부;
    2개의 트랜지스터로 구성된 중간단 증폭부;
    상기 드라이브 증폭부와 상기 중간단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어 드라이브 증폭부의 출력 신호를 분배하여 중간단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 GCPW, Waveguide 및 제1 Spatial Combiner부;
    4개의 트랜지스터로 구성된 최종단 증폭부;
    상기 중간단 증폭부와 상기 최종단 증폭부의 사이에 순차적으로 연결되어, 상기 중간단 증폭부의 출력 신호들을 분배하여 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들로 제공하는 제2 Spatial Combiner부, Waveguide Divider 및 제3 Spatial Combiner부; 및
    상기 최종단 증폭부의 출력단에 순차적으로 연결되어 상기 최종단 증폭부의 트랜지스터들의 출력 신호들을 결합하여 최종 출력하는 제4 Spatial Combiner부 및 Waveguide Combiner;를 구비하고,
    상기 GCPW는 상기 드라이브 증폭부의 출력단의 마이크로스트립 라인과 Waveguide의 사이에 배치되고,
    GCPW의 일단은 Tapered Probe로 이루어져 Waveguide에 연결되어 마이크로스트립 라인과 Waveguide의 사이의 트랜지션(Transition)을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 Waveguide Divider 및 Waveguide Combiner는,
    제1 포트, 상기 제1 포트로부터 분기되는 제2 및 제3 포트들을 구비하며,
    상기 제1 포트가 제2 및 제3 포트들과 만나서 꺽이는 부분은 복수 개의 층으로 이루어진 계단 구조로 형성되어,
    상기 전력 증폭기가 26.5GHz ~ 40GHz의 Ka 밴드의 대역폭을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 26.5GHz ~ 40GHz의 Ka 밴드 대역의 신호를 증폭하는 Ka-밴드용 전력 증폭기인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 Spatial Combiner부 및 제2 Spatial Combiner부는 Fin Line 구조의 인쇄회로기판(PCB)으로 이루어지고,
    상기 중간단 증폭부의 트랜지스터들은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)으로 이루어지며,
    상기 제1 Spatial Combiner부는 상기 Waveguide의 중간에 배치하여 입력이 둘로 나뉘어져서 MMIC들의 입력단에 각각 연결되고,
    상기 제2 Spatial Combiner부는 MMIC들의 출력단에 연결되어 MMIC들의 출력 신호들을 결합하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
KR1020200131596A 2020-10-13 2020-10-13 마이크로파 전력증폭기 KR102242300B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200131596A KR102242300B1 (ko) 2020-10-13 2020-10-13 마이크로파 전력증폭기
PCT/KR2021/002938 WO2022080603A1 (ko) 2020-10-13 2021-03-10 마이크로파 전력증폭기
US18/023,605 US20230308061A1 (en) 2020-10-13 2021-03-10 Microwave power amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200131596A KR102242300B1 (ko) 2020-10-13 2020-10-13 마이크로파 전력증폭기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102242300B1 true KR102242300B1 (ko) 2021-04-20

Family

ID=75743327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200131596A KR102242300B1 (ko) 2020-10-13 2020-10-13 마이크로파 전력증폭기

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230308061A1 (ko)
KR (1) KR102242300B1 (ko)
WO (1) WO2022080603A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113347780A (zh) * 2021-06-02 2021-09-03 电子科技大学 一种多层电路板构成的鳍线结构
CN113764850A (zh) * 2021-09-10 2021-12-07 中国科学院空天信息创新研究院 一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100330224B1 (ko) 1999-06-26 2002-03-25 윤종용 전력증폭기 회로 및 증폭용 트랜지스터
KR101001282B1 (ko) 2008-07-18 2010-12-14 충남대학교산학협력단 Ｌｄｍｏｓ ｆｅｔ를 이용한 ｌ-대역 고속 펄스 고전력증폭기
KR20160116942A (ko) * 2015-03-31 2016-10-10 한국전자통신연구원 Rf 및 마이크로파 고출력 증폭기를 위한 저비용 고정확 범용 측정 고정 장치
KR20170034748A (ko) * 2015-09-21 2017-03-29 가천대학교 산학협력단 이중 신호면과 공통 접지면을 갖는 안티포달 핀라인 변환기 및 안티포달 핀라인 변환기를 이용한 공간 결합 전력 증폭기
KR20180016432A (ko) * 2015-06-05 2018-02-14 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드 솔리드 스테이트 마이크로파 생성기 및 전력 증폭기

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101880034B1 (ko) * 2016-12-08 2018-07-19 (주)엑스엠더블유 확장성을 갖는 밀리미터파 증폭기 구조
KR20180084284A (ko) * 2017-01-16 2018-07-25 주식회사 브로던 동축 도파관 공간결합기를 이용한 고출력 전력 증폭기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100330224B1 (ko) 1999-06-26 2002-03-25 윤종용 전력증폭기 회로 및 증폭용 트랜지스터
KR101001282B1 (ko) 2008-07-18 2010-12-14 충남대학교산학협력단 Ｌｄｍｏｓ ｆｅｔ를 이용한 ｌ-대역 고속 펄스 고전력증폭기
KR20160116942A (ko) * 2015-03-31 2016-10-10 한국전자통신연구원 Rf 및 마이크로파 고출력 증폭기를 위한 저비용 고정확 범용 측정 고정 장치
KR20180016432A (ko) * 2015-06-05 2018-02-14 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드 솔리드 스테이트 마이크로파 생성기 및 전력 증폭기
KR20170034748A (ko) * 2015-09-21 2017-03-29 가천대학교 산학협력단 이중 신호면과 공통 접지면을 갖는 안티포달 핀라인 변환기 및 안티포달 핀라인 변환기를 이용한 공간 결합 전력 증폭기

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113347780A (zh) * 2021-06-02 2021-09-03 电子科技大学 一种多层电路板构成的鳍线结构
CN113347780B (zh) * 2021-06-02 2022-08-02 电子科技大学 一种多层电路板构成的鳍线结构
CN113764850A (zh) * 2021-09-10 2021-12-07 中国科学院空天信息创新研究院 一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构
CN113764850B (zh) * 2021-09-10 2022-06-03 中国科学院空天信息创新研究院 一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构

Also Published As

Publication number Publication date
US20230308061A1 (en) 2023-09-28
WO2022080603A1 (ko) 2022-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10615482B2 (en) Amplifier assemblies with multiple antenna structures and amplifiers
CN111130503B (zh) 一种低相差数控射频衰减器
KR100870866B1 (ko) 멀티밴드 도허티 증폭기
KR102242300B1 (ko) 마이크로파 전력증폭기
CN111585517B (zh) 采用组合输出网络的宽带双频段3路Doherty功率放大器
CN102820510A (zh) 有源多路功分器
CN113612456A (zh) 一种宽带微波功率放大器
CN114256580A (zh) 一种基于新型t波导的功率分配/合成器
Testa et al. 200 GHz power-efficient BiCMOS phased-array receiver frontend
CN210272627U (zh) 一种花瓣状1分4波导功分器
CN115378368B (zh) 一种超宽带固态功率放大器
US6621382B2 (en) Noise filter and high frequency transmitter using noise filter
US10236846B2 (en) Power amplifier using equivalent transformer
KR20030088918A (ko) 에스엔 강화기
CN110620285A (zh) 花瓣状1分4波导功分器
CN116632488B (zh) 一种差分功分器、发射链路系统及接收链路系统
KR100431521B1 (ko) 불균형적인 결합구조를 통해 길이축소 및 높은 지향성을갖는 방향성 결합기
Yin Millimeter wave power-combined amplifier using traveling-wave power divider-combiner
JPH03209905A (ja) 増幅器とそれを用いた衛星通信用屋外装置
CN219718200U (zh) 一种射频分合路单元
Bo et al. Millimeterwave eight-way waveguide combiner for high power combining
KR100270312B1 (ko) 분배기와 결합기 구조를 갖는 전력증폭회로
KR101201423B1 (ko) Ｎ-웨이 전력 증폭기
CN116053742A (zh) 超宽带3db功分器及射频装置
KR100714866B1 (ko) 다단형 광대역 랑게 커플러

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant