W-대역 소형 펄스 도플러 레이다용 1 W급 SSPA 개발

서미희(Mihui Seo),김현주(Hyun-ju Kim),김소수(Sosu Kim) 한국전자파학회 2023 한국전자파학회논문지 Vol.34 No.5

본 논문에서는 W-대역 소형 펄스 도플러 레이다에 적용을 위해 1 W급의 W-대역 반도체 기반 SSPA(solid state power amplifier)를 개발하였다. 개발된 SSPA는 8체배기를 통해 X대역 신호를 W-대역 신호로 상향변환한 후, 1 W급 GaN MMIC를 결합한 증폭기로 고출력 증폭시킨다. 하나의 안테나를 이용하여 송수신하는 레이다에 적용을 위해 수신 구간에 GaN MMIC의 드레인 전원을 제어하여 SSPA 잡음이 수신기에 미치는 영향을 최소화하였다. 개발된 SSPA는 CW조건에서 31.70 ㏈m∼31.81 ㏈m의 평균전력을 출력하였으며, 50초 이상 운용에도 출력전력이 유지되었다. In this study, a 1 W W-band solid-state power amplifier (SSPA) was developed for application in a W-band compact pulse Doppler radar. The SSPA up-converted the X-band signal to a W-band signal with a multiplier (×8) and then amplified the high output using an amplifier. To apply the W-band compact radar, which transmits and receives signals using a single antenna, the SSPA noise was reduced by controlling the drain voltage of the SSPA according to the pulse repetition frequencies. The average power obtained was in the range of 31.7∼31.8 ㏈m, and stable operation was possible for more than 50 s.

2차 고조파 최소화를 위한 광대역 중간주파수신기 개발

서미희(Mihui Seo),김현주(Hyun-ju Kim),김소수(Sosu Kim),김영곤(Young-Gon Kim) 한국전자파학회 2022 한국전자파학회논문지 Vol.33 No.1

W-대역 전력증폭 및 저잡음증폭 MMIC의 국내개발 및 모듈 제작 결과

김완식,이주영,김영곤,유경덕,김종필,서미희,김소수,Kim, Wansik,Lee, Juyoung,Kim, Younggon,Yu, Kyungdeok,Kim, Jongpil,Seo, Mihui,Kim, Sosu 한국인터넷방송통신학회 2021 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.21 No.3

소형 레이더 센서에 적용할 목적으로 W-대역의 핵심부품인 전력증폭 MMIC 칩 및 스위치 및 저잡음 증폭 MMIC 통합 칩을 국내설계하고 각각 OMMIC사의 60nm GaN 공정과 Winsemi.사의 0.1㎛ GaAs pHEMT 공정으로 제작하고 이를 모듈화하였다. 국내개발 MMIC 중에서 W-대역 전력증폭 MMIC는 송신모듈로 제작후 출력 값 27.7 dBm로 측정되었고, 스위치와 저잡음증폭 통합 MMIC는 수신모듈로 제작후 잡음지수는 9.17 dB로 분석 결과와 근사한 측정 결과를 보였다. 또한 온도 시험을 통해서 그 결과를 분석하였는데 송신모듈은 고온에서 상온과 출력에서 1.6 dB 편차를 보였고 수신모듈은 고온과 저온 모두 포함하여 2.7 dB의 편차를 보였으나 상온과 비교하여서는 1.4 dB 상승하였다. 온도시험까지를 포함하는 결과를 확인한 바와 같이 소형 레이더 센서의 송수신기에 W-대역 국내 개발 MMIC 칩을 적용 가능할 것으로 판단된다. For the purpose of Application to the small radar sensor, the MMIC Chips, which are the core component of the W-band, was designed in Korea according to the characteristics of the transceiver and manufactured by 60nm GaN and 0.1㎛ GaAs pHEMT process. The output power of PA is 28 dBm at center frequency of W-band and Noise figure is 6.7 dB of switch and LNA MMIC. Output power and Noise figure of MMIC chips developed in domestic was applied to the transmitter and receiver module through W-band waveguide low loss transition structure design and impedance matching to verify the performance after the fabrication are 26.1~27.7 dBm and 7.85~10.57 dB including thermal testing, and which are close to the analysis result. As a result, these are judged that the PA and Switch and LNA MMICs can be applied to the small radar sensor.

40 W급 고출력 MMIC 개발과 고출력 증폭기 모듈 결합을 통한 Ku 밴드 반도체형 송신기(SSPA) 개발에 관한 연구

나경일,박재웅,이영완,김혁,강현철,김소수,Kyoungil Na,Jaewoong Park,Youngwan Lee,Hyeok Kim,Hyunchul Kang,SoSu Kim 한국군사과학기술학회 2023 한국군사과학기술학회지 Vol.26 No.3

In this paper, to substitute the existing TWTA(Travailing Wave Tube Amplifier) component in small radar system, we developed the Ku band SSPA(Solid-State Power Amplifier) based on the fabrication of power MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) chips. For the development of the 500 W SSPA, the 40 W-grade power MMIC was designed by ADS(Advanced Design System) at Keysight company with UMS GH015 library, and was processed by UMS foundry service. And 70 W main power modules were achieved the 2-way T-junction combiner method by using the 40 W-grade power MMICs. Finally, the 500 W SSPA was fabricated by the wave guide type power divider between the drive power amplifier and power modules, and power combiner with same type between power modules and output port. The electrical properties of this SSPA had 504 W output power, -58.11 dBc spurious, 1.74 °/us phase variation, and -143 dBm/Hz noise level.

W-대역 수신기 모듈의 특성 측정

강태원(Tae-Weon Kang),권재용(Jae-Yong Kwon),김영곤(Young-Gon Kim),김완식(Wansik Kim),서미희(Mihui Seo),김소수(Sosu Kim) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.1

W-대역 수신기 모듈을 제작하고 특성을 측정하였다. 믹서가 내장된 수신기 모듈의 잡음특성을 평가하기 위해 두 개의 표준잡음원, 즉 W-대역 도파관 잡음원과 3.5 mm 동축 잡음원을 사용하여 신호분석기의 잡음 측정부를 교정하였다. 신호분석기의 스펙트럼 분석기능을 사용하여 중간주파수(IF) 출력전력 P1dB,out과 이미지 저지 비를 측정하였다. 주파수 범위(fc ± 0.5) GHz에서 수신기 모듈의 이득은 27 dB, 잡음지수는 9 dB였다. 또한, 수신기 모듈의 1-dB 이득 압축 입력전력 P1dB,in과 IF 이미지 저지 비는 각각 −11 dBm 및 13 dB로 측정되었다. In this paper, a W-band receiver module is fabricated and its characteristics are measured. To evaluate the noise characteristics of the module that includes an embedded mixer, the noise-measurement part of a signal analyzer is calibrated using two standard noise sources: a W-band waveguide and a 3.5-mm coaxial noise source. The image rejection ratio and P1dB,out at the intermediate frequency (IF), are measured using the spectrum analysis function of the signal analyzer. In the frequency range of fc±0.5 GHz, the measured gain and noise figure of the module are 27 and 9 dB, respectively. The 1-dB gain compression input power, P1dB,in, and the IF image rejection ratio are measured to be -11 dBm and 13 dB, respectively.

소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 광대역 신호처리 기술 연구

최진규,나경일,신영철,홍순일,박창현,김윤진,김홍락,주지한,김소수,Choi, Jinkyu,Na, Kyoung-Il,Shin, Youngcheol,Hong, Soonil,Park, Changhyun,Kim, Younjin,Kim, Hongrak,Joo, Jihan,Kim, Sosu 한국인터넷방송통신학회 2021 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.21 No.6

Recently, a small tracking radar requires the development of a small millimeter wave tracking radar having a high range resolution that can acquire and track a target in various environments and disable the target system with a single blow. Small millimeter wave tracking radar with high range resolution needs to implement a signal processor that can process wide bandwidth signals in real time and meet the requirements of small tracking radar. In this paper, we designed a signal processor that can perform the role and function of a signal processor for a small millimeter wave tracking radar. The signal processor for the small millimeter wave tracking radar requires the real-time processing of input signal of OOOMHz center frequency and OOOMHz bandwidth from 8 channels. In order to satisfy the requirements of the signal processor, the signal processor was designed by applying the high-performance FPGA (Field Programmable Gate Array) and ADC (Analog-to-digital converter) for pre-processing operations, such as DDC (Digital Down Converter) and FFT (Fast Fourier Transform). Finally, the signal processor of the small millimeter wave tracking radar was verified via performance test. 최근 소형 추적 레이더는 다양한 환경에서 표적을 획득하고, 추적하여 한 번의 타격으로 표적의 시스템을 무능화 시킬 수 있는 높은 거리해상도를 갖는 소형 밀리미터파 추적 레이더 개발을 요구한다. 높은 거리해상도를 갖는 소형 밀리미터파 추적 레이더는 넓은 대역폭의 신호를 실시간으로 처리하고, 소형 추적 레이더의 성능 요구 조건을 충족할 수 있는 신호처리기의 구현이 필요하다. 본 논문에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더의 신호처리기 역할과 기능을 수행할 수 있는 신호처리기를 설계하였다. 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기는 8채널에서 입력되는 OOOMHz의 중심주파수와 OOOMHz 대역폭의 신호를 실시간으로 처리하기를 요구한다. 신호처리기의 요구사항을 만족하기 위해 고성능 프로세서 및 ADC (Analog-to-digital converter) 적용과 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용한 DDC (Digital Down Converter), FFT (Fast Fourier Transform) 등의 전처리 연산을 적용하여 신호처리기를 설계하였다. 마지막으로 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기의 성능시험을 통하여 구현한 신호처리기를 검증하였다.

110 ㎓까지 CMOS 트렌지스터 평가를 위한 mTRL 교정 표준기 설계 및 특성 임피던스 추출법

구현지(Hyunji Koo),홍영표(Young-Pyo Hong),이승경(Seunggyung Lee),홍성철(Songcheol Hong),김완식(Wansik Kim),김소수(Sosu Kim) 한국전자파학회 2019 한국전자파학회논문지 Vol.30 No.12

본 논문에서는 칩 상에서 multi-line THRU-REFLECT-LINE(mTRL) 교정을 이용 시, 전파상수법을 기초로 한 LINE 표준기의 특성 임피던스 획득 방식의 정확성을 높이기 위한 방법을 제안하였다. 이 방식은 전파상수 법에서 필요한 단위길이 당 캐패시턴스를 전자기 시뮬레이션을 이용하여 구할 때, 기본 기판 정보를 이용하지 않고 mTRL 교정으로 얻은 전파상수 측정값과 근접한 결과를 얻도록 유전 정보를 보정한 기판을 이용함으로써, 정확도를 향상시켰다. 상용 off-chip 임피던스 표준기를 이용한 결과와 저주파수 대역에서 비교하여 개선되었음을 검증하였다. 또한, 밀리미터파 대역에서 이용되었던 시뮬레이션 결과만으로 특성 임피던스를 얻는 방식을 함께 비교하였고, 전파상수의 측정값을 이용하는 전파상수법이 칩 상의 특성 임피던스를 구하는 데 적합함을 보였다. 최종적으로 CMOS 28 ㎚ 공정을 이용해서 제작한 트렌지스터의 고유특성을 110 ㎓까지 추출하였고, 사용한 특성 임피던스에 따른 결과 값을 비교하였다. In this study, we propose a method for improving the accuracy of the characteristic impedance extraction method of line standards when using multiline thru-reflect-line(mTRL) calibration on chips based on the propagation constant method. This method uses a substrate with corrected dielectric properties to obtain a result that is close to the value of the measured propagation constant, which is obtained by mTRL calibration without using basic substrate information when determining the capacitance per unit length using electromagnetic simulation. We observed a slight improvement in the accuracy of the proposed method. This improvement was verified by comparing the results with a commercial off-chip impedance standard in a low-frequency band. In addition, we compared the method of obtaining the characteristic impedance only with the electromagnetic simulation results and demonstrated the accuracy limit of the low-frequency band using this method. Finally, the intrinsic characteristics of transistors were determined using a fabricated complementary metal-oxide-semiconductor transistor.

Sub-GHz 근거리 무선통신을 위한 0.18 μm CMOS 전력증폭기

임정택(Jeong-Taek Lim),최한웅(Han-Woong Choi),이은규(Eun-Gyu Lee),최선규(Sun-Kyu Choi),송재혁(Jae-Hyeok Song),김상효(Sang-Hyo Kim),이동주(Dongju Lee),김완식(Wansik Kim),김소수(Sosu Kim),서미희(Mihui Seo),정방철(Bang-Chul Jung),김철영(Ch 한국전자파학회 2018 한국전자파학회논문지 Vol.29 No.11

본 논문은 0.18 μm CMOS 공정을 이용한 Sub-GHz 근거리 무선통신을 위한 전력증폭기 설계에 관한 내용이다. 가상 접지 노드를 용이하게 형성하며, 출력전력을 키울 수 있는 차동구조로 설계하였으며, breakdown으로 인한 문제를 최소화하기 위하여 cascode 구조로 설계하였다. 또한 출력전력과 Power Added Efficiency(PAE)가 최대가 되도록 트랜지스터 게이트 폭을 결정하고, matching network으로 인한 손실이 최소화하기 위해 EM simulation을 통하여 balun을 최적화하였다. 제작된 전력증폭기는 크기가 2.14 ㎟이며, 860~960 MHz의 주파수 범위에서 49.5 dB 이상의 이득과 26.7 dBm의 최대출력을 가지며, 최대효율은 20.7 %이다. A power amplifier for subgigahertz short-range wireless communication using 0.18-μm CMOS technology is presented. It is designed as a differential structure to form easily a virtual ground node, to increase output power, and to design a cascode structure to prevent breakdown. The transistor gate width was determined to maximize the output power and power-added efficiency(PAE), and the balun was optimized through electromagnetic simulation to minimize the loss caused by the matching network. This power amplifier had a gain of more than 49.5 dB, a saturation power of 26.7 dBm, a peak PAE of 20.7 % in the frequency range of 860 to 960 MHz, and a chip size of 2.14 ㎟.