발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 전력 분배기는 낮은 주파수와 유전율 환경에서 전송선 길이가 길어져 장치의 부피가 커지는 한계가 있었습니다.

• 마이크로 스트립 선로 방식은 임피던스가 높아지면 선폭이 좁아져 전계 강도가 증가하므로, 고출력 환경에서는 사용이 불가능했습니다.

• 기존 윌킨슨(Wilkinson) 방식은 고주파에서 기생 캐패시턴스 영향으로 임피던스 정합, 전력 손실, 격리도 특성이 저하되는 문제가 있었습니다.

• 90° 하이브리드 결합기 방식은 반사 손실로 인한 전류 불균형으로 트랜지스터가 과열되어 파괴될 위험이 있었습니다.

기술의 필요성

• 임피던스가 증가하여 마이크로 스트립 선로의 폭이 좁아져도, 전력 손실 및 격리도 특성을 유지하며 안정적으로 고출력을 합성할 수 있는 새로운 구조의 결합기가 필요합니다.

• 장치의 소형화와 제작 비용 절감을 위해 구조를 단순화하고 부품 수를 최소화할 수 있는 설계가 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 인쇄 회로 기판(PCB) 위의 유전체층 상면에 만곡(curved) 형태의 마이크로 스트립 전송 선로를 형성하여 전력 전송 방향의 길이를 최소화합니다.

• 두 개의 입력 포트에서 들어온 신호를 T형 접합부에서 결합하며, 단 하나의 격리 저항을 사용하여 입출력 포트 간 특성을 최적화합니다.

• 다중 변성 원리에 따라 각 전송 선로의 임피던스와 선폭을 다르게 설계하여 광대역 특성을 확보하고 고출력에 대응합니다.

구체적인 구현 방법

1. 유전율 3.5, 두께 3.18mm의 유전체층을 인쇄 회로 기판 위에 적층합니다.

2. 제1 및 제2 전송 선로는 선폭 7.2mm(임피던스 50Ω), 제3 전송 선로는 선폭 12.1mm(임피던스 35.4Ω)로 제작합니다.

3. 각 전송 선로를 다수의 꺾이는 부분을 포함한 만곡 형태로 설계하여 전송 방향의 물리적 길이를 획기적으로 줄입니다.

4. 제1, 제2 전송 선로 사이에 2*Z0 값을 갖는 단일 격리 저항을 삽입하여 포트 간 격리도를 확보하고 반사 손실을 최소화합니다.

5. 두 개의 2kW 입력 신호가 T형 접합부에서 결합되어 최종적으로 4kW의 고주파 신호로 출력됩니다.

기술의 장점

• 부피 감소: 만곡 형태의 전송 선로 설계를 통해 전력 분배기의 전체 부피를 현저하게 감소시킵니다.

• 비용 절감: 단 하나의 격리 저항을 사용하여 설계 구조를 단순화하고 제작 비용을 절감합니다.

• 고출력 안정성: 높은 전계 강도에서도 전력 손실 및 격리도 특성 저하 없이 안정적인 고출력 합성이 가능합니다.

• 광대역 특성: 다중 변성단 설계를 통해 넓은 주파수 대역에서 우수한 성능을 제공합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 제안된 고출력 광대역 고주파 결합기의 전기적 특성을 검증하는 것입니다. 전자기적 해석 도구를 이용한 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 시제품의 측정 결과를 비교 분석하여, 설계의 타당성과 우수한 성능을 입증하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 전자기적 해석 도구를 사용하여 결합기의 S-파라미터(전송/반사/격리도 계수) 특성을 시뮬레이션합니다.

2. 시뮬레이션 설계를 바탕으로 실제 고주파 결합기 시제품을 제작합니다.

3. 중심 주파수인 81.25 MHz에서 제작된 결합기의 S-파라미터 특성을 실제로 측정합니다.

4. 2.5kW 출력의 RF 증폭기 2개를 결합기에 연결하여, 최종 합성된 출력이 5kW에 도달하는지 실측합니다.

실험 결과

실험 결과, 중심 주파수 81.25 MHz에서 시뮬레이션 값과 실제 측정값은 매우 유사하게 나타나 설계의 정확성을 입증했습니다. 특히 각 포트의 반사 계수 특성과 포트 간 격리도 특성이 우수하게 측정되었습니다. 또한, 2.5kW 출력의 RF 증폭기 2개를 이용하여 전력을 결합한 결과, 목표했던 5kW의 출력이 손실 없이 정확하게 합성되는 것을 확인하여 고출력 환경에서의 안정적인 동작을 검증했습니다.

중심 주파수 81.25 MHz에서 고출력 광대역 고주파 결합기의 S-파라미터 특성 시뮬레이션 및 실측 결과 비교

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 5G/6G 무선 통신 시스템의 기지국 및 중계기용 고출력 전력 증폭기

• 방위 산업의 레이더 시스템 및 군 통신 장비

• 위성 통신 및 우주 탐사용 송신기

• 플라즈마 발생 장치, 반도체 식각 공정 등 RF 에너지를 활용하는 산업용 장비

• 입자 가속기 등 거대 과학 시설의 고주파 전원 공급 장치

기대효과

• 기술적 기대효과: 고출력 RF 시스템의 소형화 및 경량화를 통해 다양한 플랫폼에 적용이 용이해지며, 시스템 전반의 전력 효율 개선 및 안정성 향상에 기여합니다.

• 경제적 기대효과: 부품 수 감소와 설계 단순화를 통해 제조 원가를 절감하고, 차세대 통신, 방산, 위성 등 고부가가치 시장에서 국산 기술의 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 직접적으로 적용될 수 있는 5G 기지국 무선 주파수(RF) 장치 시장은 2024년 217억 달러에서 연평균 11.9% 성장하여 2033년 약 599억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 핵심 소재인 질화갈륨(GaN) 디바이스 시장 또한 무선 통신, 방위산업을 중심으로 2028년까지 약 27억 달러 규모로 성장할 것으로 예측되어, 고출력 RF 기술의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. (출처: Global Growth Insights, KIND)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

고주파 전력 증폭기 시장의 경쟁은 핵심 소재를 중심으로 이루어지고 있습니다. 과거에는 LDMOS(실리콘 기반) 트랜지스터가 시장을 주도했으나, 5G 통신이 요구하는 고주파, 광대역, 고효율 특성을 만족시키기 위해 질화갈륨(GaN) 트랜지스터로의 전환이 가속화되고 있습니다. GaN은 LDMOS 대비 약 10% 높은 효율, 절반 크기의 소형화, 20%의 전력 절감 효과를 제공하여 시장의 판도를 바꾸고 있습니다. 국내에서는 RFHIC와 같은 기업이 GaN 기술을 선도하며 글로벌 시장에서 경쟁하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 5G 상용화 확대: 전 세계적인 5G 네트워크 구축 및 고도화 투자 증가는 고성능 RF 부품 수요를 직접적으로 견인하는 가장 큰 요인입니다.

2. 핵심 소재의 전환(GaN): GaN 반도체 기술의 발전과 채택 증가는 전력 증폭기 시장의 성능 기준을 상향 평준화시키며 새로운 시장 기회를 창출하고 있습니다.

3. 뉴 스페이스 시대 도래: 민간 주도의 저궤도 위성 통신 사업이 활발해지면서, 소형·경량화된 고출력 위성용 전력 증폭기 수요가 급증하고 있습니다.

4. 방위 산업의 고도화: 스텔스 탐지, 정밀 타격 등 향상된 성능을 요구하는 차세대 레이더 시스템으로의 전환이 가속화되면서 반도체 기반 고출력 증폭기 시장이 확대되고 있습니다.