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2011. 9. 23. 05:30 대덕밸리과학소식/ETRI

기존 고출력 증폭기 MMIC는 고전압 환경에서 전력 전달 효율이 낮아 에너지 낭비가 크다는 단점이 있습니다.

이에 전력 전달 효율성이 높은 질화갈륨 등 신소자를 이용한 연구가 주목을 받고 있습니다.

질화갈륨 전력증폭기 기술은 무선통신, 위성통신 및 첨단 레이더 등에 활용되는 차세대  핵심부품 기술로 기존 진행파관(Traveling Wave Tube) 방식의 전력증폭기 기술 대비 저비용, 고신뢰성, 긴 수명, 소형, 경량화의 장점을 가지고 있습니다.
 
특히 갈륨비소(GaAs) 기반 전력증폭기에 비해 높은 전력효율을 가지고 있는 혁신 기술로써 현재 전 세계적으로 극소수의 업체만이 개발에 성공한 첨단 기술입니다.

기존 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 계열의 반도체는 고출력을 위하여 하이브리드(Hybrid) 형태로 여러 개를 묶어 고출력을 얻었습니다.

그러나 질화물(GaN) 전력증폭기 기술은 하나의 칩으로 고출력을 얻을 수 있어 저가격, 소형화가 가능하고, 실리콘 및 갈륨비소 대비 효율이 10%이상 높일수 있습니다.

K대역 GaN 고출력 MMIC칩(2mm×2mm)

X대역 GaN 고출력 MMIC칩(2mm×2mm)


무선통신기기나 레이더의 핵심부품인 전력증폭기를 설계하는 ETRI의 기술이 관련 세계 최고 기업인 영국 ACEAXIS사로부터 러브콜을 받았습니다.

ACEAXIS사는 이동통신용 원격무선장비인 RRH(Remote Radio Head)를 개발한 것을 비롯해 최근에는 세계적 통신장비 회사인 Notel의 무선통신 기술연구소와 합병하고 4세대 이동통신 시장을 겨냥한 해외 글로벌 메이져 통신업체 노키아지멘스, 에릭슨 등에 제품을 공급하고 있습니다.
 
이번에 ETRI가 수주받은 과제는 'S대역(2~4GHz) 50W GaN 위상배열 안테나 시스템용 전력증폭기 설계'기술 입니다.

이는 이동통신기기나  레이더 시스템의 출력을 담당하는 반도체 칩을 질화물(GaN) 웨이퍼 위에 설계하는 것이 핵심입니다.

이 기술은 고도의 기술력을 필요로 하기 때문에 소수의 선진국에서만 보유하고 있습니다.

ETRI는 이미 우수한 성능을 가진 X대역(8~12GHz) 및 K대역(18~26GHz) 질화물(GaN) 전력증폭기를 순수 국내 기술로 개발한 바가 있습니다. 

posted by 글쓴이 과학이야기

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2011. 1. 14. 06:00 대덕밸리과학소식/ETRI

이지스함이나 F-22 등 최신예 전투기의 핵심인 무단절 다수 목표 추적능력은 능동위상배열 레이더가 있기에 가능합니다.

기존의 회전식 레이더는 탐지면이 목표물과 접촉하지 않는 동안 목표의 고도, 속도, 위치 정보가 단절될 수 밖에 없습니다.   

그러나 능동위상배열 레이더는 송신과 수신을 수행하는 단위 소자가 360도 전방향을 주시하도록 배치해 표적 정보의 단절 없이 실시간으로 처리할 수 있기 때문에 다수 목표에 대한 정확한 추적이 가능합니다.





우리나라는 고성능 능동위상배열 레이더나 고해상도 영상 레이더를 전량 수입에 의존하고 있습니다.

이와 관련해 자주국방에 필요한 전략 원천핵심기술이 부재하기 때문입니다.

이로 인해 수입 가격의 불필요한 상승과 서로 다른 레이더시스템이 요구 사항에 유연하게 대응하지 못하는 단점이 발생하고 있습니다.

그러나 ETRI가 능동위상배열레이더 관련 원천기술 확보라는 쾌거를 이루면서 이 같은 문제가 해소할 전망입니다.

ETRI는 X-대역 능동위상배열 레이더와 고해상도 영상 레이더의 핵심 부품인 'MMIC(송수신 다기능 칩 및 고출력 증폭기)와 T/R 모듈'을 개발하는데 성공했습니다.

이번에 개발된 송수신 다기능 칩 MMIC는 레이더에서 방출되는 송신 전파와 수신 전파의 진폭, 위상, 경로를 하나의 칩으로 제어할 수 있는 마이크로파 집적 회로입니다.

이 기술은 미국과 프랑스 등 전 세계에서 2개 국가만 보유하고 있었습니다.

기존에는 진폭, 위상, 경로를 제어하는 칩이 별개로 제작되어 레이더 시스템이 커지고 무거워지는 단점이 있었습니다.

이번에 개발된 고출력 증폭기 MMIC는 레이더에서 방출되는 송신 전파의 세기를 키워 레이더의 탐지 거리를 넓히는 역할을 합니다.

하나의 칩에 부가 정합 회로가 내장되어 있기 때문에 보다 작고 가벼운 레이더를 만들 수 있습니다.

T/R 모듈은 이번에 개발된 송수신 다기능 칩 MMIC와 고출력 증폭기 MMIC를 사용해 레이더에서 방출되는 송신 전파와 수신 전파의 강도, 위상, 경로를 제어하는 모듈로, 고성능 레이더의 성능을 좌우하는 핵심 부품입니다.

ETRI는 이번 개발을 통해 고성능 레이더에 사용되는 국가 전략 원천 핵심 기술을 확보하는 기반을 마련했습니다.

이는 선진국으로부터 기술 이전이 불가능한 능동위상배열 레이더와 고해상도 영상 레이더의 국산화를 가능케 해 자주국방의 실현을 한층 더 앞당길 것입니다.

안도섭 ETRI 위성무선융합 연구부장은 이 기술로 고성능 레이더의 국산화가 가능할 뿐만 아니라 향후 이동통신 대역을 포함한 다양한 주파수 대역의 MMIC와 응용 기술을 개발할 수 있다고 밝혔습니다.

송수신 다기능 칩 MMIC와 고출력 증폭기 MMIC, T/R 모듈 기술은 ETRI가 천리안 위성 개발과정을 통해 확보한 인공 위성 품질 보증 절차를 통해 개발하고 검증한 것으로 RF 전문업체인 (주)에이스테크놀로지 등에 기술이전되어 제품 상용화를 추진 중입니다.

 ◈ MMIC와 T/R 모듈을 적용한 능동위상배열 레이더 개념도


송수신 다기능 칩 MMIC는 이득 및 위상 제어 분해능력이 6 bit     이상으로 31.5 dB의 이득 제어 범위와 360도의 위상 제어 범위를     가지고 있을 뿐만 아니라, 직-병렬 변환기(Serial-to-parallel           converter)라는 디지털 회로가 마이크로파 회로와 함께 하나의 칩     에 내장되어 레이더 시스템의 크기와 무게를 획기적으로 감소시     킬 수 있다.

고출력 증폭기 MMIC는 X-대역의 주파수에서 12 watt의 출력과       30 %의 효율을 가지고 있으며, 이러한 성능의 고출력 증폭기        MMIC는 미국과 유럽의 일부 국가만이 선보이고 있는 세계 최고      의 기술이다.

전투기 등에 적용되는 능동위상배열 레이더는 수천개의 T/R 모듈     이 사용되며, 수천개의 T/R 모듈에서 나온 신호를 합하여 레이더     전파의 빔을 만든다.

각각의 T/R모듈에서 신호의 세기와 위상을 제어하여 송수신하는    레이더 전파의 빔의 형태 및 크기와 방향을 제어할 수 있으며, 전    투기와 같은 고속의 물체 다수를 신속히 포착하고 추적할 수 있다.




 용  어  설  명


X-대역
8.2 ~12.4 GHz 의 주파수 대역을 말한다. 휴대폰은 1~2 GHz 의 주파수 대역을 주로 사용한다. GHz는 진동의 빈도를 나타내는 주파수의 단위로 1 GHz는 1초당 100억번 진동하는 주파수이다.


MMIC(microwave monolithic integrated circuit)
: 모놀리식 집적 회로의 하나로, 갈륨비소(GaAs) 등의 고속·고전도율의 반도체 기판 위에 마이크로파 주파수대(809MHz~30GHz)에서 작동하는 회로 소자의 접속 부분을 형성한 집적 회로.

T/R 모듈(Transmitter/Receiver Module)
: 레이더에서 방출되는 송신 전파와 수신 전파의 강도, 위상 및 경로를 제어하는 모듈로써, 고성능 레이더의 성능을 좌우하는 핵심 부품이다. 서큘레이터, 리미터, 저잡음 증폭기, RF 스위치, 위상 변위기, 가변 감쇠기, 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 바이어스 변조 회로 등으로 구성되어 있다.

위상(位相)
: 주기적인 신호의 한 싸이클, 또는 한 주기 내에서 시작 시점을 기준으로 위치나 시간 차이를 나타내는 값. 일반적으로 한 싸이클을 360도로 나타낸다.

이득(利得)
: 전자 공학에서 증폭기와 같은 전기 회로가 신호나 출력을 증폭하는 비율이다. 대개의 경우 전기 회로의 입력 신호 대비 출력 신호의 비의 로그 값으로 나타낸다.

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