[기고] ISM 대역 RF와 마이크로파 에너지를 위한 턴키 반도체 증폭기

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 이 글에서는 ISM 대역 RF와 마이크로파 에너지를 구현하는 두 가지 방식을 비교하고, 미니서킷의 반도체 기반 증폭 기술과 제품을 알아본다.

RF·마이크로파 에너지 시장의 부상

무선주파수(RF)와 마이크로파(Microwave)의 주 응용분야는 무선 통신과 내비게이션에 국한됐다. 그러나 최근 발달한 기술은 RF와 마이크로파의 응용처를 새로운 분야로 확장하고 있다.

유전가열은 RF·마이크로파 가열 공정에서 중요하다. 전자식 가열이나 RF 가열, 고주파 가열이라고도 부르는 유전가열은 주기적으로 바뀌는 전자기파가 물질을 가열하는 방식이다. 전도와 대류 같은 기존 가열 방법은 재료 표면에서 중간으로 열을 전달하는 반면 RF·마이크로파를 활용한 가열은 겉과 속 전체 재료를 한번에 동시 가열한다.

RF·마이크로파 전원을 사용해 재료에 에너지를 가하는 방식은 새로운 개념이 아니다. 가정용 전자레인지가 대표적인 예라고 볼 수 있다. 하지만 높은 전력의 RF·마이크로파 신호를 생성하기 위해 전자레인지에 장착된 마그네트론(Magnetron) 튜브는 원초적이고 투박한 작동 방식으로 그 유용성을 제한한다. 반면 반도체(Solid-State) 기술로 RF·마이크로파 에너지를 구현하면 주파수와 파워를 정밀하게 제어할 수 있다. 현재 RF·마이크로파 에너지는 주로 [표 1]에 표기된 산업과 과학연구, 의료(ISM 대역)용 주파수에 초점을 맞춰 활용되고 있다.

통신용이 아니면서 자유롭게 이용할 수 있는 ISM 대역 주파수를 사용하면 RF·마이크로파를 다양한 분야에 적용할 수 있다. 이 중 상당수는 재료가열에 반도체를 쓴다. 응용 사례는 [그림 2]에 나와 있다.

추가적으로 새롭게 떠오르는 응용 분야는 다음과 같다.

이들은 RF·마이크로파 에너지가 활용되고 있는 일부 사례일 뿐이다.

RF·마이크로파 에너지 제어 방식 비교

최근까지 RF·마이크로파 에너지는 대부분 마그네트론 생성기나 튜브로 구현됐다. 이 솔루션은 RF·마이크로파 에너지를 사용해 유전체 재료를 가열하지만 실제로 제어가 제한적이고 투박한 솔루션이다.

[그림 3]에서 볼 수 있듯 마그네트론은 상대적으로 전파잡음(Noise)이 많다. 출력 주파수는 RF 전력이 증가할 경우 변하기 마련인데, 킬로볼트(KV) 정도의 높은 전압으로 전원을 공급할 경우 마그네트론은 출력 주파수를 제어하는 것은 물론 쉽게 끄거나 재시작하기 어렵다.

반면 반도체 파워 증폭기(SSPA, Solid-State Power Amplifier)는 고정적이고 안정적인 주파수와 조정 가능한 출력전원으로 제어해 필요한 곳에 정확히 집중된 RF·마이크로파 에너지를 제공할 수 있다. 또 시스템이 실시간으로 주파수에 적응하기 때문에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다. SSPA는 폼팩터가 작고 모듈 방식이기 때문에 캐스케이드(Cascade) 연결로 더 높은 출력을 얻을 수 있다. 또 마그네트론은 제어가 제한적이지만 SSPA는 피드백 제어를 통해 쉽게 전원을 끌 수 있다[표 2].

SSPA 기술의 작동 수명과 유지비용은 마그네트론을 포함한 다른 기술에 비해 본질적으로 훨씬 긴 MTTF(평균 무고장 시간)를 갖는다. [표 3]에서 볼 수 있듯 산업용 마그네트론의 수명은 1년 정도로 부품교환 주기가 짧다. 반면 SSPA는 15년 정도다. 따라서 마그네트론을 SSPA로 교체하면 비용과 신뢰성 측면에서 유익하다.

피드백과 제어

마그네트론의 파워 레벨과 주파수 스펙트럼은 제어할 수 없는 반면 SSPA는 RF 기술을 활용해 두 변수를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 기능은 반도체에서 생성한 RF·마이크로파 에너지의 장점 중 하나다. [그림 4]는 일반 RF·마이크로파 에너지의 응용처에 사용되는 무접점 전력증폭기 제어루프의 간단한 블록다이어그램이다. 반도체 전력 증폭기는 캐비티의 양면을 가열하고 증폭기 출력에서 RF 합성기로의 피드백 루프를 구성한다. 캐비티에 들어오고 나가는 순방향 신호와 반사신호값을 측정하고 이 측정값을 사용해 소스의 주파수와 전력을 자동으로 조정하면 대상에 최적의 효율적인 에너지를 전달할 수 있다. 이 기술은 연속파(CW)와 펄스전력을 지원하고 증폭기가 유전물질변화에 실시간으로 전력을 가할 수 있도록 하며 잠재적으로 위험한 조건에 대응해 빠른 자동종료를 지원한다.

턴키 방식 SSPA를 위한 격차 해소

마그네트론 방식에 비해 SSPA의 장점은 현재 시점에서 분명하다. 많은 고객이 이미 전환 중이지만 상용화를 위한 몇 가지 과제가 남아 있다. 일부 고객은 SSPA 모듈을 개발, 생산하기 위해 전문지식을 습득하고 개발 시간과 비용을 투자하는 것에 부담을 느낀다. 기술력을 갖추고 있는 고객이라고 해도 필요 자원과 비용 증가, 출시 일정 지연을 겪을 수 있다.

예산과 기술인력이 적은 소규모 사업자가 SSPA를 자체 개발하는 것은 비현실적이다. SSPA 개발과 생산을 아웃소싱(위탁)하더라도 초기 단계에서 맞닥뜨리는 한정된 공급문제로 어려움을 겪을 수 있다. 제품 품질과 공급망 안정성면에서 잘 알려지지 않은 공급업체를 이용해야 하기 때문이다. 그리고 공급업체는 일부 SSPA 제품이 요구하는 복잡한 조건을 만족할 수 있도록 지원하는 RF 전문가의 부재로 기술 지원이 미흡한 경우가 잦다.

미니서킷(Mini-Circuits)의 반도체 전력 증폭기 제품군은 ISM 대역 RF와 마이크로파 에너지 응용처를 위해 합리적인 비용으로 턴키 솔루션을 제공해 고객의 어려움을 해소한다. 모든 모델은 전체 시스템에서 쉽게 활용할 수 있는 피드백용 온칩(On-Chip) 센서를 포함한다. 이런 제품들은 사용하기 편리하고 공급이 안정적이다. 또 SSPA 설계 기술자로 구성한 기술팀의 지원으로 고객은 복잡한 기술적 문제를 빠르게 해결할 수 있다.

미니서킷 RF·마이크로파 SSPA ‘ZHL-2425-250X+’

ZHL-2425-250X+는 RF·마이크로파 에너지 응용 제품을 위한 미니서킷의 첫 SSPA다. 이 모델은 조립형 증폭기(Connectorized AMP)로 입/출력 포트에서 50옴(Ω)에 연결되고 2.4~2.5기가헤르츠(㎓)  ISM 대역에서 최대 300W의 CW 전력을 제공할 수 있다. [그림 5]는 간단한 기능 블록다이어그램이다.

블록다이어그램을 살펴보면 ZHL-2425-250X+는 전진 경로의 출력 전력을 측정하는 RF 검출기와 반사 전력을 측정하는 두 번째 RF 검출기를 포함한다. 서큘레이터는 출력 단자에서 볼 수 있는 원치 않는 전력으로부터 앰프 모듈을 보호하는 데 사용된다. 제어·모니터링 회로 블록에는 아날로그와 디지털 도메인 모두에서 측정하는 RF 검출기와 아날로그 전압을 판독할 수 있는 ADC/DAC가 포함돼 있고, I²C 연결을 통해 수십 마이크로초(㎲)의 빠른 시간 안에 컨트롤러에 피드백 루프를 제공한다.

아날로그 출력 버퍼는 아날로그 정보와 함께 블록다이어그램의 오른쪽에 표시된다. 이들은 일반적으로 응용 제품에 대한 더 빠른 피드백이 필요할 때 사용할 수 있다.

사용자는 아날로그 출력전압이나 ADC 출력의 디지털 값을 사용해 전체 피드백 제어 루프로 자체응용처 제어기에 지능형 기능을 추가할 수 있다. 미니서킷은 [그림 6]과 같이 ZHL-2425-250X+와 연결해 사용할 수 있는 지능형 신호 소스 솔루선(ICS-2425-27+)을 제공해 피드백 루프를 구성할 수 있게 한다.

외부 제어기에서 수신된 제어 신호는 [그림 5]의 제어·모니터링 회로 블록 왼쪽에 표시되고 사용자의 특정 제품 제어는 I²C로 통신한다. 또 전원 공급 전압과 전류, 온도 센서의 값들은 전력 증폭기에서 DC 신호 값으로 보여진다. 아날로그 온도 센서 신호는 외부 컨트롤러로 아날로그 또는 디지털신호로 전송할 수 있다.

ZHL-2425-250X+는 P3데시벨(㏈)에서 1~300W까지 정확하게 조절할 수 있는 연속파 전력을 제공한다. 고효율 LDMOS 기술을 사용해 제작된 증폭기는 32V 단일 전원에서 동작하며 대부분의 응용처에서 14㏈ 입력신호와 60% 전력부가효율(PAE)로 41㏈의 게인(Gain)을 제공한다. 이 모델은 온도와 전류, 순·역방향 파워에 대한 모니터링과 보호기능을 내장했으며 자동 종료(Shutdown) 기능도 지원한다. 또 공냉식 또는 수냉식 방열을 위한 장착용 나사 홀과 복잡한 시스템 레이아웃에서 단일 또는 다중장치를 통합할 수 있는 작고 가벼운 폼팩터(55.9×171.5×15㎣, 0.29㎏)를 갖췄다.

미니서킷은 13㎒~5.8㎓, 25킬로와트(㎾) 이상 전력을 지원하는 SSPA를 개발하고 있다.

결론

미니서킷은 RF·마이크로파 에너지 시장에서 경쟁력을 갖춘 턴키 SSPA ZHL-2425-250X+를 개발했다. 이는 RF 부품과 통합 모듈을 50년 이상 공급한 미니서킷의 경험이 담긴 제품이다. 앞으로 더 높은 전력과 기타 ISM 대역 응용 제품을 모두 지원하는 증폭기를 출시할 예정이다.

미니서킷은 고객 요구사항을 기반으로 제품 개발 로드맵을 만들어 가고 있다. RF·마이크로파 부문에서 필요한 사항이 있는 경우 당사 개발팀과 협의할 수 있다.

자료제공: 미니서킷