GaN 전력 증폭기 펄스 드룹 최소화를 통한 레이더 감지 거리 향상

글: 마이클 구르(Michael Gurr) 제품 라인 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

질화갈륨(GaN) 전력 증폭기(PA)는 높은 전력 밀도 덕분에, 덩치 크고 손실이 심한 결합 네트워크의 필요성을 줄임으로써 첨단 위상 배열 레이더 성능을 이전 세대에 비해 대폭 끌어올렸다. 이 글에서는 실제 레이더 작동 시 이상적인 특성을 떨어트리는 한 요인으로서 GaN PA의 펄스 드룹(pulse droop)에 대해서 설명하고, 펄스 드룹이 레이더 거리에 미치는 부정적 영향을 완화할 수 있는 방법을 알아본다. 많은 레이더 RF 체인의 출력 스테이지에 진보된 첨단 전자 장치를 사용함으로써 보다 향상된 거리, 분해능, 감지 능력을 달성하도록 설계할 수 있다. 글의 뒷부분에서는 오늘날 고성능 위상 배열 레이더의 요구를 충족하도록 펄스 드룹을 최소화하는 디바이스들을 소개한다.

머리말

대부분의 현대식 레이더는 거리, 분해능, 신호대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 몇 가지 형태의 펄스 압축을 사용한다. 따라서 신호 체인 전반에 걸쳐서 송신 펄스의 무결성을 유지하는 것이 중요하다. 레이더에 펄스 압축 기법을 사용하면 가까이에 무리 지어 있는 여러 표적들을 식별할 수 있는데, 장거리 장펄스(long-range long-pulse) 레이더는 다수의 표적들을 뭉뚱그려 보이게 할 수 있다. 수신기에서 리턴 펄스들이 중첩되기 때문이다. 표적들마다 레이더 펄스를 각기 다르게 반사하는데, 수신 알고리즘이 레이더가 본 것을 식별하기 위해서는 송신 펄스가 예측 가능한 형태를 유지해야 한다. 어떤 레이더는 항공기를 탐색하고 또 어떤 레이더는 기상 패턴을 모니터링할 수 있는데, 이러한 각각의 활용 사례별로 의도하는 감지 목표를 달성하기 위해서는 레이더 펄스의 모든 측면이 중요하다. 그림 1은 전형적인 레이더 펄스의 특징을 보여준다.

상승 및 하강 시간, 피크 진폭, 펄스 폭, 듀티 사이클 모두가 레이더의 거리, 감도, 열 설계, 전원 설계 등에 영향을 미친다. 보다 중요한 과제들을 극복하게 되자, 이제 관심이 높아지고 있는 측면이 펄스 드룹이다. 펄스 드룹이란 펄스 시작점에서 끝점으로 가면서 레이더 펄스 진폭이 감소하는 것을 말한다. 단위는 통상적으로 dB이다. 레이더에서 펄스 드룹은 펄스 길이에 걸쳐서 거리가 감소하는 것에 해당된다. 펄스 진폭과 펄스 폭의 조합이 적분 전력으로서 레이더의 거리를 결정한다.

널리 알려진 레이더 공식을 통해, 다양한 요소들이 상호 연관적이라는 것을 알 수 있다:

이 레이더 공식은 레이더 성능에 영향을 미치는 요소들이 어떤 것들인지 알려주고 성능을 대략적으로 가늠해볼 수 있게 해준다. 이 공식에서 Pr은 예상되는 수신 전력이고, Pt는 송신 전력, Gt는 안테나 이득, Gr은 수신 이득, λ는 레이더 동작 파장, σ는 표적의 유효 단면적, R은 안테나에서부터 표적까지의 거리를 나타낸다. 이 공식에 따르면, 송신 전력에 부정적인 영향을 미치는 요소는 어떠한 식으로든 레이더 성능에 악영향을 미치며, 거리 감소는 이 공식의 분모에서 4승에 이르는 왕복 감쇠에 의해 크게 좌우된다. 따라서 거리 감소를 극복하기 위해서는 모든 가용 전력을 사용해야 한다.

이 레이더 공식은 일정한 거리에 대해 주어진 표적의 수신 전력을 대략적으로 계산하는 데 유용하다. 하지만 표적의 에코와 함께 존재하는 많은 잡음 요인들을 반영하지는 못한다. 잡음 전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

이 공식에서 k는 볼츠만 상수(Boltzmann’s constant)이고, Ts는 시스템 잡음, Bn은 수신기의 잡음 대역폭이다. 이로부터 SNR을 구할 수 있고, 여기에 레이더 공식을 대입하면 다음과 같이 표현할 수 있다:

SNR은 레이더가 특정 거리에 있는 표적을 감지할 수 있는 능력을 말한다. 여기에는 레이더에 내재된 잡음 요인들도 포함된다. SNR 관점에서 펄스 드룹의 영향을 살펴보면, 송신 전력을 낮추면 SNR이 낮아지고 레이더가 특정한 거리의 물체를 감지하는 능력도 떨어진다. 그림 2는 펄스 드룹이 공중 펄스형 레이더의 거리와 감도에 미치는 영향을 보여준다.

GaN 증폭기의 펄스 드룹

펄스형 레이더에 고전력 GaN PA를 적용하면 이전의 진공관에 필적하는 펄스 드룹을 달성하는 것으로 확인됐다. 줄(Joule) 자체 발열(전류 밀도와 전계의 곱)로 인해 PA 트랜지스터 채널 온도가 상승함에 따라 증폭기 출력 전력은 감소한다. 그림 3은 100s 펄스 동안 자체 발열이 일어나는 GaN 트랜지스터의 활성 채널을 보여주는 것으로서, 벤치톱 전원공급장치를 사용해서 전압과 전류를 구동하고, Microsanj의 열반사 시스템을 사용해 벌크 GaN에서 채널 온도를 측정했다. 자체 발열 효과에 대한 반응으로 펄스 뒷부분으로 갈수록 전류 소모가 줄어들고, 대규모 어레이일 경우에는 높은 전류 부하 조건에서 파워뱅크가 방전함에 따라 전원 전압 강하가 일어날 수 있다. 이러한 전압 강하를 완화하기 위해, 그림 4처럼 PA 가까이에 세라믹 또는 탄탈 바이패스 커패시터와 함께 바이어스 라인을 따라 대형 축전 커패시터를 사용할 수 있다. 하지만 펄스 형태의 변형을 일으키고 어레이 크기, 무게, 비용을 증가시킨다는 단점이 따르므로 대형 축전 커패시터를 사용하는 것은 그렇게 이상적인 방법은 아니다.

펄스 드룹 사양은 시스템마다 다를 수 있으나, 드룹을 최소화하는 것은 레이더 성능에는 어쨌든 유익하다. 일반적으로 레이더 애플리케이션에는 펄스 드룹이 0.5dB 이하인 증폭기를 사용하는 것이 적합하며, 0.3dB 대이거나 그보다 낮은 펄스 드룹이라면 시스템 설계자에게는 더 바람직할 것이다.

펄스 드룹 관리

현장에서 펄스 조건을 관리하는 것은 펄스 드룹 성능을 위해서 꼭 필요한 일이다. 오프칩 바이패싱 커패시터 선택은 증폭기의 게이트와 드레인 전원 모두에서 상승 및 하강 시간에 커다란 영향을 미친다. 디커플링 커패시터의 증폭기에 대한 상대적 위치, 방향, 소재 선택까지도 펄스 충실도에 영향을 미칠 수 있다. RF 주파수로 동작하는 회로를 설계할 때는 임피던스가 단지 부품 커패시턴스만의 함수가 아니고, 주파수에 따라 기생 커패시턴스와 인덕턴스의 영향이 증가한다는 것을 염두에 두어야 한다.

PA로부터는 멀면서, 전원장치에는 되도록 가깝게 또는 인근의 전원 제어 보드에 대형 축전 커패시터를 사용하는 것은 펄스 드룹을 낮추는 또 다른 방법이 될 수 있다. 축전 커패시터는 펄스가 이어지는 동안 소스가 발생시킨 전압을 유지하고, 스위칭 레귤레이터가 높은 전력의 부하를 처리해야 하는 부담을 덜어준다. 매 오프(off) 펄스마다 축전 커패시터가 재충전되고 후속 온(on) 펄스를 지원할 준비를 한다. 앞서도 언급했듯이, 축전 커패시터는 크기, 무게, 비용 상의 단점이 따르는데, 그렇더라도 많은 레이더 설비가 펄스 조건에 걸쳐서 전력을 일정하게 하기 위해서 이러한 커패시터를 사용한다.

실험실에서 벤치톱 전원공급장치는 펄스형 신호를 구동할 때의 반응력에 대해서 회복력이 뛰어나도록 설계된다. 현장에서의 레이더 전원장치도 통상적으로 깨끗한 펄스를 구동하도록 설계된다. 다만, 레이더에 필요한 전류 크기 때문에 전원 전압 강하로 이어질 수 있으며, 이는 RF 펄스 드룹을 일으키는 또 다른 요인이 될 수 있다. 그러므로 전원 시스템 설계 엔지니어는 드룹 보상 회로와 소프트웨어 기반의 펄스 변조 기법을 통해 전압 강하를 관리할 수 있는 참신한 방법들을 찾아야 한다.

디지털 피드백을 통한 펄스 성형, 전치왜곡 기법, 피드 포워드 전원장치 같은 여러 기법들이 검토되어 왔으며, 각각의 기법들이 얼마나 성공적인지에 대한 평가는 다르다. 이들 기법은 구현하기가 어려울 뿐만 아니라, 추가적인 하드웨어 또는 소프트웨어 복잡성을 감당해야 하는 것에 비해 펄스 성능 향상 효과는 그리 크지 않다.

실험실에서의 GaN PA 펄스 형태

펄스 폭과 듀티 사이클이 펄스 드룹에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해서 ADI의 S-밴드 레이더 PA인 ADPA1106을 사용해서 측정을 실시했다.

이 테스트 셋업은 임의 파형 생성기를 사용해서 벤치톱 전원공급장치와 펄스형 RF 소스를 트리거해서 펄스형 DC 및 PA 입력을 위한 RF 전력 파형을 발생시켰다. PA의 출력을 키사이트(Keysight)의 N1924A 파워미터로 연결하고, 이것을 다시 키사이트 8990B 피크 전력 분석기로 전달했다. 25C로 설정된 냉각판을 사용해서 베이스 플레이트 온도를 제어했다. 그림 5는 이렇게 측정한 ADPA1106의 펄스를 보여준다.

그림 5를 통해 ADPA1106의 펄스 형태가 펄스형 레이더 시스템에 사용하기에 매우 적합하다는 것을 알 수 있다. 상승 및 하강 시간이 신속하고, 오버슈트를 거의 일으키지 않으며, 드룹은 0.3dB 이내로 허용 가능한 수준이다. 녹색 트레이스는 이 PA의 드레인 전압 펄스이고, 노란색 트레이스는 RF 출력이다.

펄스 폭을 다르게 했을 때

ADPA1106이 서로 다른 펄스 폭과 듀티 사이클에 따라서 어떻게 동작하는지 알아보기 위해, 일정한 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency, PRF)로 펄스 폭을 다르게 해서 테스트를 실시하고, 그 다음에는 일정한 펄스 폭을 유지하면서 듀티 사이클을 다르게 해서 테스트를 실시했다. 시작 부분의 오버슈트의 영향을 배제하기 위해 펄스가 시작된 후 2% 지점부터 펄스가 끝나는 지점까지의 펄스 드룹을 측정했다. 펄스 오버슈트는 주로 펄스 신호 필터링과 전원 솔루션으로 인한 것으로서, 본래적인 증폭기 성능과는 별개이다. 다른 연구 작업들에서는 오버슈트와 리플의 영향을 배제하기 위해 펄스 폭의 10%부터 90%까지, 심지어 25%부터 75%까지 드룹을 측정할 것을 제안하기도 한다. 하지만 리플을 제거하면 데이터에 나타나는 선형 드룹의 상당 부분을 무시하게 된다. 이 글에서는 처음의 오버슈트만 드룹 게산에서 배제했다. 그림 6과 표 1은 이 테스트 결과를 보여준다.

그림 6과 표 1의 데이터를 보면, 위에서 언급한 것처럼 전형적인 펄스 형태를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 다시 말해 첫 부분의 오버슈트, 펄스 형태 안정화, 펄스 드룹으로 이어지고 있다. 예상대로, 고정적인 펄스 반복 주파수 조건에서 펄스 폭을 늘리는 것과 펄스 드룹이 증가하는 것 사이에 강한 상관성을 볼 수 있다. 이 테스트에서 최대의 펄스 폭일 때 드룹은 0.5dB에 가까워진다. 0.5dB는 시스템 차원에서 바람직한 최대 수준이다. 또한 열적 영향 때문에 펄스 폭이 늘어날수록 피크 및 평균 출력 전력이 약간 감소하는 것을 볼 수 있다. 가장 긴 펄스 폭일 때 끝나는 지점에서 아래로 향하는 기울기가 약간 커지는데, 이는 자체 발열 효과가 패키지의 열 관리 솔루션과 하단의 히트싱크에 영향을 미치기 시작했다는 의미로 해석할 수 있다.

듀티 사이클을 다르게 했을 때

그 다음에는 다시 ADPA1106을 사용해서 100s의 고정 펄스로 듀티 사이클을 다르게 해서 테스트를 실시했다. 위의 테스트와 마찬가지로, 펄스 오버슈트의 영향을 배제하기 위해 펄스가 시작된 후 2% 지점부터 끝나는 지점까지 드룹을 측정했다.

고정된 펄스 폭일 때 듀티 사이클이 높을수록 펄스와 펄스 사이에 PA가 오프(off)로 보내는 시간이 감소한다. 따라서 PA가 펄스와 펄스 사이에 열을 식힐 수 있는 시간이 줄어들고 후속 펄스의 상승 에지에서 온도는 더 높아진다. 100% 듀티 사이클(연속파, CW)의 극단적인 경우라고 한다면, PA가 열을 식힐 수 있는 시간은 아예 없고 PA의 온도는 계속해서 최대일 것이다. 그러므로 듀티 사이클이 높을수록 부품의 평균 온도는 높아지고 펄스 동안의 온도 상승 폭은 감소한다. 부품의 더 높은 절대 온도 때문에 피크 및 평균 출력 전력이 감소한다. 또한 펄스가 지속되는 동안에 PA의 온도 변화가 감소하므로 펄스 폭에 걸쳐서 드룹이 감소한다. 그림 7과 표 2는 이 데이터를 보여준다.

GaN 디바이스는 높은 수준의 출력 전력을 발생한다. GaN은 효율이 비교적 높기는 하지만 일부의 전력 변환은 열로 낭비되므로, 최상의 결과를 달성하기 위해서는 효과적인 열 관리가 필요하다. 이 글의 경우에는 열 상승을 관리하기 위해 액체 냉각 온도 제어 기판을 사용했다. 현장에서도 이와 비슷한 열 솔루션들이 사용되고 있다. 열 관리가 극히 불량한 경우에는 출력 파형의 충실도가 떨어질 것이고, 이는 레이더 감도 저하로 이어질 것이다.

GaN 레이더 PA

ADI는 군용 및 민수용 레이더와 전자전(EW) 애플리케이션용으로 고성능 GaN PA 제품을 계속해서 개발 및 출시하고 있다. 레이더 시스템은 의도하는 활용 사례에 따라서 서로 다른 주파수 대역을 사용한다. 예컨대 S-밴드 레이더는 항공 관제, 기상 레이더, 표면 추적 레이더 같은 장거리 추적 애플리케이션에 주로 사용되고, X-밴드 레이더는 선박 및 화재 진압 레이더에 주로 사용된다. 이들 각각의 활용 사례마다 낮은 펄스 드룹을 포함하여 까다로운 성능을 요구한다.

이 글에서 드룹을 측정하기 위해 테스트 대상으로 사용된 ADPA1106은 GaN PA로서, 2.7GHz~3.5GHz 대역폭에 걸쳐서 56%의 전력 부가 효율(power added efficiency, PAE)로 46dBm(40W)을 제공한다. 표 3은 ADPA1106을 비롯한 ADI의 GaN 레이더 PA 제품들의 성능을 요약해서 보여준다.

맺음말

레이더 시스템의 요구가 높아지면서 개별 부품에 대한 성능 요구 또한 계속해서 높아지고 있다. ADI의 GaN 레이더 PA 제품 라인은 이러한 요구 조건을 훨씬 뛰어넘는 성능을 제공한다. 실험실 테스트를 통해 ADI의 고효율 고출력 전력 S-밴드 GaN PA 제품인 ADPA1106이 다양한 펄스 조건들에 걸쳐서 0.3dB 미만의 탁월한 펄스 드룹 성능을 달성한다는 것을 확인했다.

저자 소개

마이클 구르(Michael Gurr)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 항공우주 및 방산 사업부 제품 라인 매니저이다. 2018년에 ADI에 입사했으며, RF 설계 및 관리와 관련한 직책들을 역임했다. 그 전에는 레이씨온(Raytheon)에서 GaN 및 GaAs 증폭기 개발과 관련한 직책들을 맡았다. 2013년에 보스턴 대학에서 BSEE, 2016년에 노스이스턴 대학에서 MSEE, 2021년에 매사추세츠 대학 - 애머스트에서 MBA를 취득했다.