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본 논문에서 설계된 X-대역 전력 증폭모듈의 회로도는 다음과 같다. 그림 1은 전력 증폭모듈의 설계 시뮬레이션 버짓이다. 목표사양을 만족시키기 위한 시뮬레이션 결과를 식 (1)을 근거로 필요한 전력 증폭 출력이 44dBm 정도가 계산 되었다.

Fig. 1. 
PAM budget simulation

P_t는 전송전력, P_r은 반송전력, G_t은 안테나 전송이득, G_r은 안테나 반송이득, σ은 RCS, 구하고자 하는 R은 목표와의 거리이다.

본 논문의 증폭기는 최종 안테나 채널에서 출력되는 전송전력을 만들어 주는 T/R(Transmit/Receive) 모듈에 인가된다. 이를 위해 본 논문의 증폭기의 출력인 44dBm에 안테나 채널수를 나뉜값이 안테나 T/R 모듈의 입력으로 들어가고, 최종 Pt(전송전력)에 영향을 준다. 전력 증폭 출력이 44dBm를 만족시키기 위해서 전체 3 stage를 사용 하였다. 앞쪽의 2 stage는 CMOS 증폭기를 사용 하였고, 마지막 증폭기는 GaN 소자를 이용한 고출력 증폭기를 이용해 설계 하였고 송신 단자와 수신단자는 서로 반대 방향에 위치하여 물리적으로 격리도를 확보 하였다[2]. PAM이 사용하는 대역 외에 대한 주파수 성분을 줄이기 위해 필터를 사용하여 제거하였다[3]. 회로의 입출력 모니터링을 위해 커플러를 추가하였을 경우, 출력 손실을 0.5dB 정도로 예상 할 수 있다. 회로 시뮬레이션을 통해 전력포화영역에서 동작하도록 설계하였고, Sweep 후, 입출력 값을 확인 하며, 최종 출력 전력값 과 입력에 따른 출력 사용 범위를 확인 할 수 있으며, 그림 2에 결과로 나타내었다. P1dB의 입력 값은 약 8dBm 정도로 확인이 되었고 입력을 -20dBm부터 15dBm까지 Sweep을 하였을 때, 출력의 값은 약 44dBm출력을 얻었다. 그림 3은 증폭모듈의 형상이이고, 그림 4는 PAM의 블록도 이다.

Fig. 2. 
In/out power simulation

Fig. 3. 
PAM shape

Fig. 4. 
PAM circuit block

시뮬레이션 블록도와 동일하게 회로를 구현 하여 측정하였다. 그림 5 ~ 9까지는 측정한 파형이다. 측정한 파형을 표 2에 정리하였다. 대부분의 결과가 시뮬레이션 단계에서 예상한 결과와 유사하게 나온 것으로 확인 하였다.

Fig. 5. 
PAM isolation

Fig. 6. 
PAM output power

Fig. 7. 
PAM spurious

Fig. 8. 
PAM harmonic

Fig. 9. 
PAM VSWR

그림 10은 시험 측정 구성도이다. PAM의 측정을 위해 냉각판이 포함된 치구를 제작 후, 노트북 GUI를 통해 PAM을 제어 하였다. PAM의 입력은 X-대역의 신호를 발생시킬 수 있는 넓은 대역(100kHz ~ 40GHz)에 신호발생기를 통해 8dBm의 입력 전력을 인가하였으며, 스펙트럼 분석기 및 네트워크 분석기로 출력을 확인 하였다 출력확인 시, VSWR 및 시험환경 Cable 손실은 네트워크 분석기를 이용하였으며, 출력, 고조파, 불요파, 평탄도는 스펙트럼 분석기를 이용하였다. 확인 시 PAM의 출력 전력이 높기 때문에 계측기를 보호하기 위해 감쇄기를 통하여 계측기로 인가하였다[5].

Fig. 10. 
Test configuration

대부분의 결과가 시뮬레이션 결과와 유사하게 나옴을 확인하였다. 제작 시 선로 손실 등이 있지만 버짓 시뮬레이션 단계에서 반영되었기 때문에 출력이 거의 동일하게 측정되었다. 동작 구간 중 출력을 유지하기 위한 커패시터를 삽입하여 출력 Droop을 확보하였고, 사용된 전원 스위칭 회로로 불요파가 생성되었지만 목표 성능 내로 측정이 되었다. 이 부분은 회로의 튜닝으로 충분히 값을 더 확보 할 수 있다[6]. 입력의 변화에 안정된 출력을 얻기 위해 포화영역에서 동작하도록 설계되었다. 출력에 X-band의 2nd 제거비 -30dBc 필터를 사용하여 고조파 성능을 확보하였다. 표 3에 목표대비 성능과 유사제품과 비교하여 정리하였다[7][8].

입/출력을 기준으로 회로들이 대칭되게 설계 되는 것이 전기적 특성에 유리하다. 뿐만 아니라 증폭모듈의 출력이 다음 단의 입력으로 들어갈 때 선로 손실을 고려해야 한다. 전기적 관점에서 보면 PAM 내부에 쓰인 능동소자들을 선형구간에서 사용을 해야 한다. 포화영역에서 사용을 하게 되면 고조파 성분이 높게 나타나기 때문에, 설계 시 목표성능에 대한 명확한 선택이 필요하다[9]. 성능시험을 할 때 시, 노트북 GUI(Graphical User Interface)를 통해 스위치 컨트롤 및 동작을 확인을 할 수 있어야 한다. GUI를 통해 확인이 불가능 하다면 TP(Test Point)를 PCB에 삽입하여 각 구간별로 동작을 확인 하는 것이 유리하다. PAM 내에 여러 능동소자 및 스위치가 쓰이기 때문에 디버깅하기 위해 이러한 부분은 필수이다. RF/아날로그 BIT를 구현하여 제어보드로 신호처리 후 확인하는 것도 방법이다.