1. 서 론

현대사회는 정보화기술과 반도체기술의 발전으로 많은 정보를 빠르게 처리하기 위한 새로운 통신시스템들이 개발되고 있으며, 무선통신시스템에 대한 의존도가 점점 증가하고 있다. 무선통신시스템은 전자기파를 매개로 통신을 하는 시스템으로 전자기파의 송․수신을 위해 안테나를 사용하며, 안테나가 HEMP(High Altitude Electromagnetic Pulse), HPEM(High Power Electromagnetics), HPM(High Power Microwave)등의 고출력 전자기파 환경에 노출될 경우, 안테나를 통한 Front-door coupling에 의해 고출력 전자기파가 침투하여 반도체 소자로 구성되어있는 무선 통신시스템의 오동작을 일으키거나 물리적인 손상을 발생 시킬 수 있다^[1-4]. 무선통신장비는 기본적으로 신호를 송․수신하는 안테나와 안테나를 통해 수신된 신호를 증폭시켜주는 LNA(Low noise Amplifier) 그리고 증폭된 신호를 처리하는 통신회로로 구성된다. 그중 안테나에 수신된 신호를 증폭해주는 역할을 하는 LNA는 안테나포트 다음에 위치하여 안테나에 커플링되어 전달되는 위협파형에 의한 영향을 가장먼저 받으며, 반도체로 구성되어있어 고출력 전자기파 환경에 취약하다. 따라서 고출력 전자파에 대한 LNA의 피해효과에 대한 연구가 필요하다^[5,6].

본 연구에서는 HEMP가 모노폴안테나와 같은 협대역 안테나에 커플링되어 발생되는 감쇠진동파에 의한 LNA의 파괴특성 분석을 하였다^[7]. 2종류의 LNA에 공진주파수가 1 MHz, 10 MHz, 100 MHz인 감쇠진동파를 인가하여 LNA의 파괴특성을 분석하였으며, LNA의 파괴에 영향을 미치는 인자를 감쇠진동파의 주파수 변화에 따른 전압과 에너지 측면에서 고찰하였다. 이러한 실험 데이터를 바탕으로 고출력 전자기파에 대한 무선통신장비의 보호방안 수립에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실험방법

본 실험은 공진주파수가 1 MHz, 10 MHz, 100 MH인 감쇠진동파에 의한 LNA의 파괴특성 분석을 위해 그림 1과 같이 감쇠진동파 발생장치, EUT(Equipment Under Test), 50 Ω 종단으로 실험구성을 하였다. 감쇠진동파 발생장치의 출력부를 EUT의 입력부에 동축케이블로 연결하여 발생장치의 출력파형이 EUT의 입력부로 인가될 수 있도록 하였고, EUT의 출력부는 50옴으로 종단하였다.

EUT인 LNA 모듈에 인가한 감쇠진동파의 공진주파수는 1 MHz, 10 MHz, 100 MHz의 이며 각 주파수의 감쇠진동파 파형은 그림 2와 같다. 동일한 전압에서 각 공진주파수에 따른 감쇠진동파의 에너지비율은 표 1과 같으며, 100 MHz의 에너지를 기준으로 10 MHz는 8배, 1 MHz 는 90배의 에너지를 갖고 있다. 시험은 EUT의 구동전원이 인가된 상태에서 감쇠진동파를 인가하였으며, 각 인가전압에서 5개의 EUT를 사용하여 파괴확률 실험을 하였다.

실험에 사용된 EUT는 2가지의 LNA소자를 사용하여 모듈을 제작하였으며, 제작된 모듈의 특성은 표 2와 같다. LNA 1은 그림 3 (a)와 같이 100 kHz ~ 2 GHz의 주파수 범위에서 약 5 dB의 전력이득 특성을 보이며, LNA 2는 그림 3(b)와 같이 10 MHz ~ 3 GHz의 주파수 범위에서 5 dB ~ 10 dB 의 전력이득 특성을 갖는다.

LNA 모듈의 파괴확률 평가 시 파괴판별기준은 LNA가 물리적 손상을 받아 신호증폭기능의 저하 또는 상실한 경우로 정의하였으며, 감쇠진동파 인가 전‧후의 전력이득을 Network analyzer로 측정하여 LNA의 파괴여부를 판단하였다.

EUT의 파괴확률(DFR, Destruction Failure Rate)은 해당 인가전압에서 인가한 감쇠진동파에 의한 EUT의 파괴횟수를 실험횟수로 나눈 것을 정의하였으며 아래의 식(1)과 같다. 그리고 DT(Destruction Threshold)는 파괴임계전압 값으로 DFR의 5%를 의미한다^[8,9].

3. 결과 및 고찰

LNA 모듈에 감쇠진동파를 인가하였을 때 LNA의 파괴로 인해 발생하는 현상으로는 LNA 모듈의 전체 주파수 대역의 증폭기능저하, 일부 주파수범위의 증폭기능 상실, 전체 주파수대역의 증폭기능 상실 현상이 발생하였다. 증폭기능의 저하현상은 파괴임계전압 부근에서 주로 발생하였으며, 그 이상의 전압에서는 증폭기능을 완전히 상실하는 현상이 발생하였다. 정상상태 LNA 1의 경우 전력이득은 약 5 dB로 나타나지만 파괴된 LNA는 그림 4에서 보이는 것과 같이 LNA의 동작주파수범위에서 전력이득이 0 dB 이하로 감소하여 증폭기능을 상실한 것을 보여준다. 그림 5는 파괴된 LNA 2의 전력이득 측정결과로 약 200 MHz부터 전력이득이 점차 감소하여 증폭기능을 상실한 것을 보여준다.

그림 6과 그림 7은 감쇠진동파의 인가전압 따른 LNA 1, LNA 2의 파괴확률평가 결과를 보여준다. LNA 1의 파괴임계전압은 1 MHz에서 20.5 V, 10 MHz에서 107.5 V, 100 MHz에서 115 V로 나타나 감쇠진동파의 공진주파수가 증가할수록 파괴임계전압이 증가하는 경향을 보였다. LNA 2의 파괴임계전압은 1 MHz에서 222.5 V, 10 MHz에서 71 V, 100 MHz에서 160 V로 나타났으며, LNA1과는 달리 1 MHz의 감쇠진동파에서 파괴임계전압이 가장 높게 나타났다. 그 이유는 LNA 2 의 동작주파수 범위가 10 MHz ~ 3 GHz로 LNA 모듈 입력부의 커패시터에 의해 10MHz 이하의 주파수는 제한되어 인가된 감쇠진동파의 에너지의 일부만 커패시터를 통과하여 영향을 주기 때문에 LNA가 파괴되기 위해서는 동작주파수 범위에 포함되는 경우보다 더 높은 전압이 필요한 것으로 사료된다.

LNA 1과 LNA 2의 파괴확률평가 결과에 의하면 LNA의 사용 주파수범위 내에서는 인가하는 감쇠진동파의 공진주파수가 감소할수록 파괴임계전압(DT)이 그림 8과 같이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 감쇠진동파의 주파수가 낮은 경우에는 표 1과 같이 에너지의 양이 높은 주파수에 비해 크기 때문에 낮은 전압에서도 LNA가 파괴되기에 충분한 에너지를 가지고 있기 때문으로 사료된다.

LNA가 파괴되는 에너지를 분석하기 위해 각 공진 주파수의 감쇠진동파에 의한 LNA의 파괴임계전압의 에너지를 식(2)를 사용하여 계산하였다.

그림 9는 파괴임계전압에서의 에너지를 계산한 결과를 보여준다. LNA 1의 경우 감쇠진동파의 공진주파수가 증가할수록 파괴에 필요한 에너지는 감소하는 경향을 보였으며, 1 MHz의 감쇠진동파에서는 0.51 μJ, 10 MHz 에서는 0.24 μJ, 100 MHz에서는 0.03 μJ의 에너지에 의해 LNA가 파괴되었다. LNA 2의 경우에도 동작주파수 범위에 해당하는 10 MHz 와 100 MHz의 감쇠진동파에서는 LNA 1과 유사한 경향을 보였으며, LNA 2의 파괴에너지는 10 MHz 감쇠진동파의 경우 0.16 μJ, 100 MHz의 감쇠진동파에서는 0.04 μJ로 나타났다.

감쇠진동파의 공진주파수에 따른 LNA의 파괴임계전압과 파괴에너지 분석을 통해 LNA에 인가되는 감쇠진동파의 공진주파수가 증가할 경우 DT는 증가하고 파괴에너지는 감소하는 경향을 확인하였다. 이 결과를 통해 감쇠진동파의 주파수가 낮은 경우에는 파괴에 미치는 인자가 전압보다는 에너지의 영향이 지배적이며, 공진주파수가 증가할 경우 전압이 파괴에 미치는 영향이 더 커짐을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 1 MHz, 10 MHz, 100 MHz 감쇠진동파에 의한 LNA의 파괴영향을 조사하였다. LNA 모듈에 감쇠진동파를 인가하였을 경우 발생하는 현상으로는 LNA 모듈의 증폭기능저하 또는 기능상실 현상이 발생하였다. 증폭기능의 저하현상은 파괴임계전압 부근에서 주로 발생하였으며, 그 이상의 전압에서는 증폭기능을 완전히 상실하는 현상이 발생하였다. LNA의 파괴확률평가결과는 LNA의 동작주파수범위에서 인가하는 감쇠진동파의 공진주파수가 낮을수록 파괴임계전압이 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 그 이유는 동일한 전압일 경우 공진주파수가 낮은 감쇠진동파의 에너지가 높은 공진주파수의 감쇠진동파에 비해 에너지가 더 크기 때문에 낮은 전압에서도 LNA가 파괴되기에 충분한 에너지를 갖고 있기 때문에 파괴임계전압이 낮은 것으로 사료된다. 파괴임계전압에서의 에너지를 분석한 결과 감쇠진동파의 공진주파수가 높을수록 파괴에 필요한 에너지는 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 경향성을 통해 감쇠진동파의 공진주파수가 낮은 경우에는 전압보다는 에너지의 영향이 지배적이고, 주파수가 증가하면서 에너지보다는 전압의 영향이 더 커짐을 확인할 수 있다.

본 연구결과는 고출력 전자기파에 의한 LNA의 보호기술 방안을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.