최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ｋａ 대역 고출력 증폭기{Ka-band high power amplifier with minimal machining and assembly errors}

본 발명은 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, Ka 대역인 20 내지 40GHz의 신호를 송출하는 위성통신 지구국에 사용되는 고출력 증폭기를 제공하기 위한 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 관한 것이다.

위성통신 지구국에서 원하는 저주파 모뎀 신호를 위성으로 보내기 위해서는 도 1에 나타난 것처럼 IF 대역 (1 내지 2GHz) 신호를 증폭기(101)를 이용해 증폭시킨 후 믹서(102)와 국부발진기(104)를 통해 상향 주파수 변환을 한 후 불필요한 주파수를 필터(103)로 제거하고 뒷단 증폭기(105)로 보내진다.

안테나를 통해 원하는 큰 출력으로 송출하기 위해서 높은 이득을 갖는 이득 증폭기(106)로 신호를 증폭을 수행한 뒤, 고출력 증폭을 하기 위해 구동 증폭기(107)로 다시 신호를 증폭시킨다.

이후, 분배기(108)로 신호를 나누고 개별 출력 증폭기(109, 110)로 출력 증폭을 한 후 결합기(111)를 통해 출력 신호를 합해 원하는 고 출력을 얻는다.

그리고, 보통 위성통신용 주파수는 C-band(3-7GHz 대역), X-band(7-9GHz 대역), Ku-band(12-15GHz 대역), Ka-band(20-30GHz 대역)가 주로 사용되는데 믹서(102) 전단의 신호인 IF 신호에 비해 파장이 작아 회로를 설계하고 구현하는데 어려움이 많은 문제점이 있다.

일반적으로 1GHz 대역을 사용하는 이동통신 송수신기의 경우 신호의 파장이 약 30cm 정도이므로 파장의 크기에 비해 부품의 크기가 작아 인턱턴스나 캐패시턴스 같은 기생성분이 작으므로 증폭기를 구성하는 능동부품이 패키지 형태로 제공된다.

하지만 주파수가 Ka 대역인 20GHz 이상으로 올라가면 처리해야할 신호가 갖는 파장이 약 1.5cm 정도로 작아 상대적으로 원하지 않는 기생성분이 많이 존재하게 된다. 그러므로 이러한 원하지 않는 기생성분들을 줄이기 위해 부품들이 작아지게 되고 패키지 타입보다는 베어 칩(bare chip) 형태로 부품이 판매되므로 베이 칩(bare chip)과 박막(thin film) 기판을 이용해 회로를 구성하게 된다. 또한 부품의 크기가 작아지므로 단일 부품에서 큰 출력 전력을 얻기가 어렵게 되므로 큰 출력을 얻기 위해 동일한 부품을 여러 개 병렬로 연결한 후 출력을 결합하는 방식을 사용하게 된다.

그리고 작은 부품이 증폭시킨 출력에서 발생한 열이 제대로 밖으로 나가지 않을 경우 부품의 출력이 감소하는 결과를 얻게 된다. 더욱이 부품들이 처리하는 신호의 파장이 작다 보니 외부 잡음에 상당히 민감하여 대부분 금속 케이스에 원하는 회로를 넣고 금속 케이스 안과 밖을 격리시키는 구조를 사용하는데 이때 신호의 파장이 작으므로 케이스의 내부 크기가 잘못 설계되면 원하지 않는 공진현상이 일어나 문제가 발생하게 된다.

한편, 도 1에 나타난 Ka 대역에서 동작하는 고출력 증폭기(105)를 제작할 때 몇 개의 베어 칩 트랜지스터(Bare chip transistor)나 MMIC를 직렬 또는 병렬로 하나의 기판 위에 부착하게 되는데 이러한 경우에 개별 부품의 특성을 측정하기가 어려울 뿐만 아니라 한 부품이 고장이 났을 경우 고장난 부품을 떼어내기 위해 부품들이 붙어 있는 기판을 핫 플레이트(hot plate)에 올려놓고 열을 가할 경우 다른 부품들의 부착 상태가 망가질 수 있어 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 도 2에 나타난 것처럼 캐리어(208, 217, 223)라고 불리는 작은 기구물을 만들고 캐리어 위에 기판(206, 216, 221), 베어 칩(bare chip)(207, 220, 224), 기판(209, 218, 222) 순서로 나란히 에폭시 같은 접착제를 이용해 직접 붙인다.

그리고 이렇게 만든 여러 개의 캐리어(208, 217, 223)를 직렬 또는 병렬로 배치하고 나사로 캐리어를 증폭기 케이스 바닥면에 고정시켜 원하는 증폭기를 구성하게 된다.

하지만 여러 개의 캐리어(208, 217, 223)를 동시에 하나의 케이스(201)에 넣을 공진 현상을 피할 수 없으므로 케이스에 여러 개의 작은 방(232, 233)을 만들고 각 방에 부품들이 조립된 캐리어(208, 217, 223)를 넣는다. 그리고 캐리어 (208, 217, 223)사이의 연결은 인접한 방들 사이의 벽에 작은 구멍을 내고 그 구멍 바닥에 인터커넥터(Interconnect)라고 불리는 기판(204, 211, 227)을 벽 두께 크기로 만들어 부착한 후 그 작은 기판을 통과 하게 된다.

그리고 병렬 구조의 경우 입력 분배기를 구현한 기판(213)과 출력 결합기를 구현한 기판(226)을 직접 증폭기 케이스에 에폭시를 이용하여 부착한다.

마지막으로 증폭기 입력 컨넥터(202) 핀을 직접 캐리어(208)의 기판(206)에 연결하는데 조립상 문제가 있으므로 작은 인터커넥터(interconnect) 기판(204)을 캐리어(208, 217, 223) 앞에 붙이고, 마찬가지로 출력 웨이브가이드(waveguide) 단자(231)의 연결 핀(229)을 직접 출력 결합기 기판(226)에 붙이기 어려우므로 작은 인터커넥터(interconnect) 기판(227)을 그 사이에 넣게 된다.

이 후에 캐리어, 인터커넥터(Interconnect), 입출력 결합기 기판 사이를 골드 리본(Gold ribbon)(203, 205, 210, 212, 214, 215, 219, 225, 228, 229)으로 연결한다. 하지만 증폭기 케이스, 캐리어, 캐리어 위의 기판, 인터커넥터(Interconnect)의 가공 오차로 인해 연결하고자 하는 대상물 사이의 간격이 일정하지 않게 되어 이들을 연결하는 골드 리본(Gold ribbon)의 길이도 다르게 된다.

더욱이 증폭기 케이스, 캐리어, 인터커넥터(Interconnect) 기판의 열팽창 계수가 달라 온도환경 -40 내지 +80 도로 크게 변할 경우 연결 대상물 간의 간격이 더욱 크게 될 가능성이 있으므로 연결재인 골드 리본(Gold ribbon)의 길이에 여분을 주어 스트레스 릴리프(stress relief)를 주게 된다.

따라서 높은 이득이나 고출력을 얻기 위해 다수의 캐리어를 직렬 또는 병렬로 연결하는 구조를 갖은 증폭기(201)의 경우 기판과 캐리어를 연결하는 골드 리본(Gold ribbon)의 길이 차이의 누적으로 인해 신호의 감쇄가 생기며 병렬 구조의 경우 두 개의 병렬 신호의 크기와 위상에 임밸런스(imbalance)를 발생시키다.

또한 긴 골드 리본(Gold ribbon)은 인덕턴스 성분을 제공하여 회로 성능에도 영향을 주게 된다. 그러므로 고출력 증폭기(201)에서 고출력을 얻기 위해서는 기판과 기판을 연결하는 골드 리본(Gold ribbon)의 수를 줄여야 한다.

그리고 고출력 증폭기에서 출력 전력을 증폭시키는 종단 소자에서 발생하는 열이 빨리 밖으로 빠져나가지 않으면 증폭 소자의 온도가 증가하여 증폭 능력이 떨어지는 현상이 발생하므로 작은 증폭 소자에서 발생한 많은 열을 효율적으로 빼내서 증폭소자의 온도가 상승하지 않도록 특별한 방안이 강구되어야 한다.

[관련기술문헌]

1. 밀리미터파 대역 고출력 증폭기용 인터액션 회로 (INTERACTION CIRCUIT FOR MILLIMETER WAVE HIGH POWERAMPLIFIER) (특허출원번호 제10-2001-0018345호)

2. 위성통신 시스템의 고출력증폭기 (특허출원번호 제10-1996-0078517호)

3. 위성통신 시스템에서의 고출력 증폭기 동작점 실시간 판단장치 및 그 방법(APPARATUS AND METHOD FOR REAL TIME DETERMINATION OFHIGH POWER AMPLIFIER'S OUTPUT POWER LEVEL AND IT'SOPERATING POINT IN SATELLITE COMMUNICATION) (특허출원번호 제10-2004-0023091호)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 증폭기 설계를 통해 초고주파 고출력 증폭기 제작시 필연적으로 발생하는 조립 오차 및 열 방출문제를 해결함으로써 설계한 대로 원하는 출력 전력을 얻을 수 있어 필요한 증폭기 소자의 등급을 낮출 수 있도록 하기 위한 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 발열량이 줄어 DC 소비전력이 감소되며, 증폭기 케이스 크기를 작게 할 수 있어 전체적으로 증폭기 제작 비용을 크게 줄일 수 있도록 하기 위한 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기는, Ka 대역에서 신호 분배와 결합시 발생하는 손실과 입출력 포트간에 발생하는 크기 및 위상의 불균형(Imbalnce)를 최소화하기 위한 웨이브가이드(waveguide) 분배기와 웨이브가이드(waveguide) 결합기가 병렬로 연결된 개별 증폭기의 입력과 출력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지에 위에서 결합되는 방식이 사용되며, 상기 개별증폭기에 입출력 컨넥터 핀을 사용하지 않고 증폭기 기판에 웨이브가이드 트랜지션 패치(waveguide transition patch)를 일체화시켜, 상기 웨이브가이드(waveguide) 분배기 및 상기 웨이브가이드(waveguide) 결합기와 상기 개별 증폭기와의 연결시 손실을 최소화하며, 상기 개별 증폭기는 독립된 개별적인 증폭기 케이스를 갖고 있으며, 각 증폭기 케이스 내부에는 캐리어와 다이렉트 어태치(Direct attach) 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 증폭기 케이스 각각의 내부의 개별 증폭기에 포함된 구동 증폭기가 부착된 캐리어를 나사로 고정시키고, 상기 증폭기 케이스 각각에 상기 개별 증폭기에 포함된 종단 증폭기 각각을 에폭시를 이용해 직접 부착(Direct attach)하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 증폭기 케이스 각각의 내부의 개별 증폭기에 포함된 구동 증폭기가 부착된 캐리어를 나사로 고정시키고, 상기 증폭기 케이스 각각에 상기 개별 증폭기에 포함된 종단 증폭기 각각을 에폭시를 이용해 직접 부착(Direct attach)하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 개별 증폭기 각각의 효율적인 열 방출을 돕기 위해 E-plane 방향으로 신호 경로를 분기한 후 웨이브가이드(waveguide) 결합기의 상기 개별 증폭기 각각에 연결되는 입력 웨이브가이드(waveguide) 부분을 90°아래로 구부려서 입력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지가 상기 개별 증폭기 각각을 위에서 결합하는 방식을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 개별 증폭기의 병렬 구조에서 각 개별 증폭기와 상기 웨이브가이드(waveguide) 분배기 및 상기 웨이브가이드(waveguide) 결합기 각각 사이의 신호 피딩(feeding)을 상기 웨이브가이드 트랜지션 패치(waveguide transition patch)를 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 병렬 구조에서 개별 경로를 갖는 개별 증폭기 중 하나에 위상 조절회로를 구비하여, 신호 크기와 위상의 임밸런스(imbalance)로 인해 발생하는 웨이브가이드(waveguide) 결합기에서 결합 손실을 보상하는 것을 특징으로 하는 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기에 있어서, 상기 구동 증폭기를 병렬 구조 내에 포함시켜 상기 구동 증폭기가 병렬 구조 밖에 있을 때 필요한 다수의 골드 리본(Gold ribbon) 수를 줄이는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기는, 증폭기 설계를 통해 초고주파 고출력 증폭기 제작시 필연적으로 발생하는 조립 오차 및 열 방출 문제를 해결함으로써 설계한 대로 원하는 출력 전력을 얻을 수 있어 필요한 증폭기 소자의 등급을 낮출 수 있는 효과를 제공한다.

뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기는, 발열량이 줄어 DC 소비전력이 감소되며, 증폭기 케이스 크기를 작게 할 수 있어 전체적으로 증폭기 제작 비용을 크게 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 기술에 다른 무선 송신기의 블록도를 나타내는 도면.
도 2는 종래의 기술에 따른 초고주파 고출력 증폭기가 구현된 것을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기의 웨이브가이드(waveguide) 결합기의 결합 방식을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기의 최종 설계에 따른 외형도를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기의 웨이브가이드(waveguide) 결합기의 결합 방식을 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최소 가공 및 조립 오차를 갖는 Ka 대역 고출력 증폭기의 최종 설계에 따른 외형도를 나타낸다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 도 2에서 상술한 기존 병렬 구조를 갖는 고출력 증폭기(201)에서 캐리어와 인터커넥터(interconnect)를 연결하는 골드 리본(Gold ribbon) 수를 최소한으로 줄이기 위해 도 3과 같은 두개의 개별 증폭기(311, 323) 간에 병렬 구조를 사용하며, 입력 분배기(302)와 출력 결합기(312)를 윌킨슨(Wilkinson) 결합기가 아닌 웨이브가이드(waveguide) 형태로 구현한다.

이에 따라 도 5의 입력 웨이브가이드(waveguide) 분배기(502) 및 웨이브가이드 결합기(503)와 같은 외관형태를 구성한다.

또한, 개별 증폭기(311, 323)와의 연결을 인터커넥터(interconnect) 기판에 구현된 웨이브가이드 트랜지션 패치(waveguide transition patch)(303, 310, 315, 322)를 사용함으로 입출력 컨넥터 핀과 인터커넥터(interconnect)를 사용을 피한다.

그리고 개별 증폭기(311, 323)의 외관에 해당하는 케이스(311, 323)를 독립적으로 만들고 그 속에 구동 증폭기(305, 317)가 부착된 캐리어(306, 318)를 나사로 고정시키고, 개별 증폭기(311, 323) 내부의 종단 증폭기(309, 321)는 개별 증폭기 케이스(311, 323)에 에폭시를 이용해 직접 부착(Direct attach) 한다.

이렇게 함으로써 구동 증폭기(305, 317)가 고장나 리워크(rework)할 때는 구동 증폭기(305, 317)가 부착된 캐리어(306, 318)을 핫 플레이트(hot plate)에 올려 놓고 작업을 하고, 만일 종단 증폭기(309, 321)를 리워크(rework)할 경우에는 캐리어(306, 318)를 들어내고 종단 증폭기(309, 321)가 부착된 케이스(311, 323)을 각각 핫 플레이트(hot plate)에 올려 놓고 작업을 할 수 있다.

그리고 개별 경로 중 한곳에 위상 조절회로(327)를 설치하여 개별 경로간의 위상 임밸런스(imbalance)를 최소화하도록 한다.

한편, 도 4를 참조하면, 일반적으로 웨이브가이드(waveguide) 결합기(401)는 두 개의 입력 플랜지(402)가 E-plane 방향에서 서로 반대 방향으로 벌어지게 되는데 도 4에 나타난 것처럼 작은 크기의 고출력 증폭 소자(407, 408)에서 발생하는 많은 열을 효율적으로 방출시키기 위해 E-plane 방향에서 신호 경로를 분기한 후 웨이브가이드(waveguide) 결합기(401)의 증폭기에 연결되는 입력 웨이브가이드(waveguide) 부분을 다시 90°구부려서 입력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지(403, 405)가 히트싱크(heat sink)(410)가 달린 증폭기 케이스(409) 바닥에 병렬로 부착된 개별 증폭기(404, 406)를 위에서 결합하는 방식을 사용한다.

전체적으로 본 발명의 고출력 증폭기는 도 5에 나타난 것처럼 히트싱크(heat sink)(508) 달린 증폭기 케이스(501) 바닥에 열을 많이 방출하는 개별 증폭기(504, 505)를 직접 부착하여 효율적인 열 방출을 하도록 하고 웨이브가이드(waveguide) 분배기(502)와 웨이브가이드(waveguide) 결합기(503)가 개별 증폭기(504, 505)의 입력과 출력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지에 위에서 결합되는 방식이 사용된다.

그리고 증폭기의 입력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지(506)과 출력 웨이브가이드(waveguide) 플랜지(507)이 같은 방향이 되도록 하여 시스템 레벨에서의 추가적인 조립이 원활하도록 한다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

101: 증폭기
102: 믹서
103: 필터
104: 국부 발진기
105: 증폭기
107: 구동 증폭기
109: 출력 증폭기
202: 컨넥터
203: 골드 리본
206: 기판
207: 베어 칩(bare chip)
208: 캐리어
301: 웨이브가이드(waveguide) 입력
302: 입력 결합기
303, 310, 315, 322: 웨이브가이드 트랜지션 패치(waveguide transition patch)
401: 웨이브가이드(waveguide) 결합기
402: 웨이브가이드(waveguide) 플랜지
410: 히트 싱크(Heat sink)
501: 증폭기 케이스
502: 입력 웨이브가이드(waveguide) 분배기