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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 11
제2장 국내외 기술개발 현황 12
제1절 국내 기술현황 12
1. 지금까지의 연구개발 실적 12
2. 현 기술상태의 취약성(문제점) 14
3. 앞으로의 전망 15
제2절 국외 기술현황 17
1. 지금까지의 연구개발 실적 17
2. 연구개발 또는 사업화 단계 21
제3절 기술도입 가능성 22
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 23
제1절 연구개발 규격 및 결과 23
제2절 연구개발 성과 26
1. CMOS MFC 연구 성과 26
2. 고출력/저잡음 양방향 증폭기 연구 성과 28
3. 8 x 8 능동 위상배열 안테나 연구 성과 29
4. 시범용 안테나 측정 시험 평가 33
제3절 시작품 성능시험 평가내용 (자체시험 결과) 34
1. CMOS MFC 성능 시험 34
2. 고출력/저잡음 양방향 증폭기 47
3. 8 x 8 능동 위상배열 안테나 52
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 61
제1절 연구 개발 목표 달성도 61
제2절 대외기여도 62
제5장 연구개발결과의 활용계획 63
제1절 연구개발 기간 중 성과 활용 실적 63
제2절 실용화 목표 및 내용 63
제3절 실용화 성과 및 기대효과 63
제4절 실용화 추진계획 64
제6장 참고문헌 65
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I. 제목
X/Ku 밴드 실리콘 다채널 MFC직접회로 기반의 송수신모듈 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
능동위상배열 시스템이 갖고 있는 여러 가지 장점으로 인해 레이더 시스템 등에서 능동 위상배열을 적용하고자 하는 많은 시도와 사례가 국내외에서 있어 왔는데 비용 문제로 많은 어려움을 겪고 있다.
능동 위상배열은 배열을 이루는 각각의 복사 소자마다 전력증폭기, 저 잡음증폭기와 더불어 위상과 진폭을 제어하는 회로로 이루어진 송수신 모듈을 장착한 구조인데, 각각의 기능을 별도의 MMIC를 조립하여 구현하게 되면 제작과 시험에 많은 비용이 든다. 또 브릭 형태로 송수신 모듈을 제작해야 하므로 크기나 방열 등 기술적 문제를 해결하는데 어려움이 많다.
이러한 어려움은 이론적으로는 우수한 능동 위상배열 시스템을 민수용이나 군수용에 실용화하는데 장애 요소로 작용하여 왔다. 이러한 난제를 극복하는 시도로 송수신 모듈의 위상 진폭제어, 증폭부, 스위치부, 제어부 등을 하나의 칩에 집적한 MFC(Multi-Functional Core)가 개발되어 사용되어 왔다. 이러한 소자는 채널당 송수신 모듈 제작비용을 현격하게 (약 1/5수준으로) 감소시켰지만 아직까지 GaAs라는 공정으로 제작되고 있다. 게다가 칩의 크기가 20~30 ㎟로 매우 커서 고가이고, 기술을 가진 선진국은 수출규제로 철저히 관리하고 있어 국내에서 사용이 현실적으로 어려운 실정이다.
개발된 능동위상배열 구현시 사용되는 핵심 소자들의 가격을 현저하게 줄일 수 있는 솔루션을 제공하는 것을 목표로 하여 송수신 모듈 내부 기능을 MFC(Multi Functional Core)와 고출력 양방향 증폭기의 두 가지 칩으로 집적하였다.
MFC는 고비용의 GaAs 공정이 아닌 실리콘 CMOS 공정을 사용하여 제작된다. CMOS 공정은 면적당 공정비용이 저렴하고 칩 크기를 줄일 수 있으며, 수많은 디지털/아날로그 IP를 동시에 집적할 수 있다. 그리고 여러 채널의 MFC와 제어 회로를 하나의 칩에 집적하는 것도 가능하다. 또 수출 규제로부터 자유로워져 민수/군수 분야에서 개발 기간 단축 및 그에 따른 비용을 감소시킨다. 더 나아가서 양산시에는 잘 발달되어 있는 국내 CMOS 반도체 기술을 활용할 수 있어서 완전 국산화가 가능하다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 과제를 통하여 개발된 구체적인 제품은 위상/진폭제어기능, RF 분배 결합기능, 제어신호 분배를 위한 직렬 전송 디지털회로를 하나의 칩에 집적한 4채널 MFC를 CMOS공정으로 개발하였다. MFC로 인해 채널당 RF/Digital 제어에 필요한 소자의 개수가 줄어들게 되어 송수신 모듈 제작비용을 현격하게 감소시켰다.
다채널 MFC와 더불어 각각의 채널에 사용될 전력 증폭기부와 저 잡음 증폭기 그리고 송수신 절체를 위한 고 전력 스위치를 하나의 칩으로 집적하여 GaN 공정으로 개발하였다. 알에프코어는 GaN MMIC 개발 경험을 바탕으로 고 전력 증폭기, 높은 입력을 견디는 저 잡음 증폭기, 고 전력 스위치를 한칩에 집적하여 리미터와 서큘레이터가 필요 없는 송수신 모듈을 개발하였다.
IV. 연구개발결과
본 과제는 능동위상배열 구현 시 사용되는 핵심 소자들의 가격을 현저하게 줄일 수 있는 솔루션을 제공하는 것을 목표로 하여 송수신 모듈 내부 기능을 MFC와 고출력 양방향 증폭기의 두 가지 칩으로 집적하였다. 구체적으로, MFC는 실리콘 CMOS공정을 이용하여 4개의 채널이 하나의 칩으로 집적된 다채널 MFC형태로 개발하였고, 고출력/저 잡음 양방향 증폭기는 GaN 공정을 이용하여 전력증폭기, 스위치, 저 잡음 증폭기를 집적하여 하나의 칩으로 개발하였다. 개발된 칩의 동작을 확인하기 위하여, MFC와 고출력 양방향 증폭기를 이용하여 타일 형태의 송수신 모듈을 만들고 복사체와 결합하여 8 X 8 능동 위상배열 안테나를 제작 하였다. 능동위상배열 안테나를 구동하기 위하여 제어보드 및 제어 알고리즘의 개발도 수행하였으며 안테나 빔패턴 시험을 통하여 동작을 확인하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획
세계 최초로 개발된 1채널 및 4채널 협대역/광대역 CMOS MFC는 기존 선진국의 화합물 반도체(GaAs) 기반의 MFC 제품에 비하여 RF 성능, Low SWaP-C(Size, Weight and Power-Cost)를 만족시키는 단일 칩으로 디지털회로를 포함한 다양한 요구 기능 구현등 모든 분야에서 매우 월등한 수준의 성능을 달성하였다. 또한 4개의 MFC를 하나의 칩에 고집적한 다채널 MFC는 세계최초로 구현된 형태로서 GaAs기반에서는 구현 불가능한 제품이다. 무엇보다 세계 최초로 상품성 있는 CMOS 기반의 MFC와 GaN 양방향증폭기를 단일 칩으로 개발하여 세계 시장을 선도할 수 있는 기반을 마련했다. 본 사업을 통하여 국내 방산분야에서 전량 해외에 의존하는 MMIC 부품 설계기술을 확보함과 동시에 해외 제품대비 기술/가격경쟁력을 갖게 됨으로써 수입대체 효과와 소자 수준까지 송수신모듈의 국산화를 이룰 수 있는 기틀을 마련하였다.
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