2.1 안테나 모델링

LNA의 내성시험의 인가파형 선정을 위해 EMP가 10 MHz 모노폴 안테나에 결합하여 안테나포트에 발생되는 파형을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 시뮬레이션은 CST MWS를 사용하여 그림 2와 같이 10 MHz 모노폴 안테나를 모델링하여 커플링 되는 파형과 전압을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션을 위해 모델링한 안테나의 파라미터는 표 1과 같다. 시뮬레이션에서 안테나에 인가하는 파형은 그림 3과 같이 IEC 61000-2-9에 규정되어있는 전계강도 50 kV/m, 상승시간 2.5 ns, PWHM(pulse width at half maximum) 23 ns의 EMP 파형을 적용하였다.

그림. 2. 모노폴 안테나 모델링

Fig. 2. Geometry and simulation model of the monopole antenna.

그림. 3. 시뮬레이션 EMP 인가파형

Fig. 3. The EMP waveform applied to simulation

2.1 안테나 모델링

EMP가 안테나에 커플링되어 안테나 포트에 발생되는 파형은 그림 4와 같이 감쇠진동 파형으로 나타났으며, 진동 주파수는 약 10 MHz이고, 피크전압은 약 22 kV로 나타났다. 협대역 안테나인 모노폴안테나의 경우 광대역의 EMP 신호가 인가될 경우 EMP 신호의 주파수성분 중 모노폴 안테나의 공진주파수 성분만 안테나에 결합하여 감쇠진동파의 형태로 나타나는 것으로 보이며, 발생된 감쇠진동파의 크기는 22 kV로, 안테나포트를 통해 통신장비로 그대로 전달될 경우 장비의 오동작이나 파괴가 발생할 수 있을 것으로 사료된다.

그림. 4. EMP가 모노폴 안테나에 커플링된 파형

Fig. 4. The ouptut waveform of EMP coupled to monopole antenna

3.1 시험구성

LNA의 내성평가를 위한 시험구성은 그림 5와 같이 감쇠진동파 발생장치와 LNA 그리고 50 옴 종단으로 구성하였다. 감쇠진동파 발생장치의 출력단을 동축케이블을 이용하여 LNA의 입력단에 연결하고 LNA의 출력 단은 50 Ω으로 종단하였다. 그리고 LNA의 입력 단에는 전압프로브를 설치하여 감쇠진동파 인가시의 파형과 전압을 측정하였다.

그림. 5. LNA 내성시험 구성 개략도

Fig. 5. Experiment schematic of LNA Susceptibility test

감쇠진동파 발생장치는 앞선 시뮬레이션 결과와 유사한 10 MHz의 감쇠진동파를 발생 시키며, 발생장치의 출력파형은 그림 5와 같다. 발생장치의 전압은 조절이 가능하며, LNA의 내성 평가 시 인가전압을 5 V 단위로 변화시키며 내성을 평가하였다.

그림. 6. 감쇠진동파 발생장치 출력파형

Fig. 6. The output waveform of damped sinusoidal generator

3.2 EUT 구성

내성평가에 사용된 LNA는 2종류의 LNA를 사용하였으며, LNA 모듈은 그림 7과 같이 입력과 출력부에 SMA 커넥터를 사용하여 구성하였다. 본 연구에서는 두 종류의 LNA를 편의상LNA 1과 LNA 2로 지칭하며, 각 LNA의 세부사항은 표 2에 나타내었다.

LNA 1은 SiGe:C bipolar 기술 기반의 MMIC이며, 시험에 사용된 모듈은 10 MHz~1GHz의 주파수범위에서 3 V의 동작전압으로 그림 7(a)와 같이 약 5 dB의 전력이득 특성을 보인다. 그리고 LNA 2는 Silicon bipolar 기술기반의 MMIC 이며, 시험에 사용된 모듈은 10 MHz~2GHz의 주파수범위에서 9 V의 동작전압으로 그림 7(b)와 같이 약 7~10 dB의 전력이득을 나타낸다.

그림. 7. LNA 시료 구성

Fig. 7. LNA test setup

그림. 8. LNA의 전력이득 (a) LNA 1, (b) LNA 2.

Fig. 8. Power gain of LNA (a) LNA 1 and (b) LNA 2.

3.3 LNA 파괴확률 평가

감쇠진동파를 인가한 LNA의 상태를 평가하기 위해 네트워크 분석기를 사용하여 감쇠진동파 인가 전의 전력이득과 감쇠진동파 인가 후의 전력이득을 측정하고 비교하여 파괴를 판별하였다. 여기에서 파괴(Destruction)는 물리적으로 손상을 받아 기능을 상실하여 교체를 통해서만 회복되는 경우를 정의하였다.

그림. 9. 파괴확률의 원리와 정의

Fig. 9. DFR–principle behavior and definition

LNA의 DFR(Destruction Failure Rate)은 식(1)과 같이 감쇠진동파에 의한 LNA의 파괴 횟수를 실험횟수로 나눈 것으로 정의하였다. 그림 9에 나타나 있는 것과 같이 DT(Destruction Threshold)는 임계 전압 값으로 DFR의 임계 5 %를 의미하며, DR(Destruction Range)는 전압 대역폭으로 DFR의 임계 5 %에서 95 %까지의 범위를 의미한다^(5,6).

3.4 시험결과

일반적으로 반도체 소자의 파괴는 임계의 전압을 초과했을 때 발생한다. 파괴율이 1보다 작다면, 파괴값들은 반도체 각각에 대해서 불규칙하게 일어나서 일정한 오동작 및 파괴값을 예측할 수 없다. 이때 불규칙하게 나타나는 각 소자의 임계전압은 소자의 칩 제조 기술, 칩 layout등과 같은 요소 또는 트랜지스터의 스위칭 상태와 같은 가변적인 요소들과 아주 밀접한 관계가 있으며, 이 요소들로 인해 파괴임계전압은 불규칙하게 변화하는 값을 가지게 된다. 그러므로 LNA에 인가되는 감쇠진동파의 전압에 따른 LNA의 파괴율을 정의함으로써 파괴전압을 정량화할 수 있을 것으로 사료된다^(7,8).

그림 10은 감쇠진동파 인가전압에 따른 LNA의 파괴율(DFR)을 나타낸 그래프이다. LNA 1의 파괴임계전압(DT)은 71 V이고, 파괴대역폭(DB)은 71 V~79 V이다. LNA 2의 파괴임계전압은 107.5 V이고, 파괴대역폭은 107.5 V~122.5 V로 나타났다.

그림. 10. 감쇠진동파 전압에 따른 LNA의 파괴확률

Fig. 10. The DFR of LNA by the voltage of damped sinusoidal

LNA에 감쇠진동파를 인가하였을 때 LNA에 발생하는 파괴현상은 LNA의 이득이 감소하거나 신호증폭 기능을 완전히 상실하는 현상이 발생하였다. 파괴임계전압에서는 그림 11과 같이 LNA의 증폭기능이 감소되는 현상이 발생하였으며 전압이 증가할수록 LNA가 완전히 파괴되어 증폭기능을 상실하는 경우의 비중이 증가하였다.

반도체소자에 인가되는 전압에 의한 파괴현상의 변화는 다음과 같다. 반도체소자에 임계 전압이 인가될 경우, 반도체 소자의 내부 칩에 있는 다이오드, 트랜지스터 또는 저항과 같은 컴포넌트(Component)에 손상이 일어난다. 그리고 전압의 세기가 조금 더 증가하면 소자 내부 칩의 PCB트랙이 녹는 온칩와이어(Onchipwire)의 파괴와 컴포넌트들의 영구적인 파괴가 일어나게 된다. 여기서 전압의 세기가 더 증가하면 본드와이어(Bondwire)의 파괴와 더불어 다수 온칩와이어, 컴포넌트의 영구적인 파괴로 진전된다. 이러한 현상은 반도체 IC 소자의 내부 칩으로 높은 에너지가 전도되어 칩 안에 있는 본드와이어와 온칩와이어 그리고 컴포넌트가 높은 온도 상승으로 이 지점이 녹는 열적파괴가 일어난다^(9,10). 따라서 파괴임계전압에서의 증폭기능이 감소하는 이유는 인가되는 감쇠진동파의 에너지에 의해 LNA 칩의 컴포넌트들의 손상으로 정상적인 작동을 하지 못하는 것으로 사료 되며, 인가전압이 더 증가하여 LNA가 완전히 파괴되는 경우는 인가된 에너지에 의해 LNA 소자 내부의 온칩와이어 또는 본드와이어, 컴포넌트의 영구적인 파괴로 인해 기능을 완전히 상실하는 것으로 사료된다.

그림. 11. 정상상태와 파괴상태의 전력이득비교 (a) LNA 1, (b) LNA 2

Fig. 11. Comparison of power gain with normal state and destruction (a) LNA 1 and (b) LNA 2

LNA 2종의 시험결과 파괴임계전압(DT)은 각 71 V, 107.5 V로 나타났으며 시뮬레이션에 의한 커플링전압 22 kV에 비해 매우 낮다. 따라서 단파와 초단파 통신 대역의 경우 EMP 에너지의 대부분이 집중되어있는 주파수 영역이기 때문에 안테나를 통해 많은 양의 에너지가 전달되어 통신시스템의 LNA가 파괴될 수 있다. 통신시스템의 안테나포트에 보호를 위한 장치 설치 되어있지 않다면 통신장비의 기능 상실로 이어질 수 있기 때문에 통신시스템의 안테나 포트에 보호소자를 적용하여 LNA를 보호할 필요성이 있다.