[논문 리뷰] Localized Lna Cooling in Vacuum

F. Schreuder, De Vaate, J. -G. Bij|ArXiv.org|2007. 09. 12.

Microwave Engineering and Waveguides참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 망원경에서 소음 온도를 낮추고 시스템 비용을 절감하기 위해 진공 환경에서 저소음 증폭기(LNA)를 국소적으로 냉각하는 기술을 제안한다. 열전소자(Peltier element)를 사용해 6개의 봉제선을 통해 최소한의 열전도를 유도함으로써 LNA 칩만 냉각함으로써 61 mW의 전기적 공급 전력으로 60K의 온도 내림을 달성하였으며, 이로 인해 소음이 30% 감소하였다. 이는 35 mW의 전력 소비로도 15%의 소음 감소가 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

In the Square Kilometre Array (SKA) telescope [1], [2], the noise temperature of the first LNA must be reduced in order to reduce the necessary active area and the total system costs. Cooling the LNA locally would significantly decrease the noise figure but also the necessary power since not the whole system has to be cooled. For optimal thermal isolation, an LNA chip which only needs 6 bondwires has been chosen, 4 Ground and 2 signal wires. Biasing occurs on-chip. If the bondwires are 1.5mm long, the total heat conduction of the 6 bondwires is 31 mW, which is added to the power consumption of the LNA (30 mW). With a power of 61 mW to cool, the Peltier element can achieve a -T of 60K. With this system, a noise reduction of 30% has been measured with 0.5W of electrical power. For 15% noise reduction, only 35mW of electrical power was needed.

연구 동기 및 목표

• 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 망원경의 첫 번째 LNA의 소음 온도를 낮춰 시스템 비용과 활성 영역 요구사항을 감소시키기.
• 전체 시스템을 냉각하는 대신 LNA 칩만 냉각하여 전력 소비를 최소화하기.
• 최소한의 봉제선(총 6개: 4개의 지상선, 2개의 신호선)을 사용해 LNA에 효과적인 열격리 구현하기.
• 국소적 냉각이 낮은 전력 소비로도 소음 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하기.
• 고감도 전파 천문학 응용 분야에서 진공 환경에서 칩 내부에 전압 공급 및 열관리를 수행할 수 있는지 검증하기.

제안 방법

• 열전도를 최소화하기 위해 봉제선이 총 6개(지상선 4개, 신호선 2개)인 LNA 칩를 선택하여 냉각 대상으로 삼음.
• 진공 환경에서 열전소자를 사용해 LNA 칩를 냉각하여 온도차(ΔT)를 60K로 달성함.
• 1.5 mm 길이의 봉제선을 기준으로 열전도를 31 mW로 계산함. 이는 LNA의 30 mW 전력 소모에 더해진다.
• LNA의 30 mW와 봉제선을 통한 31 mW의 열전도 손실을 합쳐 총 냉각 부하를 61 mW로 결정함.
• 외부 연결을 줄이고 열격리를 향상시키기 위해 칩 내부에 전압 공급을 구현함.
• 통제된 열조건 하에서 소음도 감소를 평가하기 위해 진공 환경에서 측정을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진공에서 LNA를 국소적으로 냉각함으로써 Ska 망원경의 시스템 소음 온도를 충분히 낮출 수 있는가? 이는 비용 절감을 정당화할 수 있는가?
• RQ2 진공에서 최소한의 봉제선 인터페이스(6개의 봉제선)의 열전도율은 얼마이며, 이는 냉각 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 냉각 시스템에 전력 35 mW만을 소비할 경우 소음도는 어느 정도 감소할 수 있는가?
• RQ4 칩 내부 전압 공급은 열격리 및 전체 시스템 성능에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 LNA 칩만 냉각할 경우 열전소자를 사용해 도달할 수 있는 최대 온도차(ΔT)는 얼마인가?

주요 결과

• 냉각에 0.5 W의 전기적 공급 전력을 사용했을 때 실험적으로 소음도가 30% 감소함을 측정함.
• 전력 소비가 35 mW에 불과할 때도 15%의 소음 감소를 달성하여 저전력 구현 가능성을 입증함.
• 냉각해야 할 총 열부하가 61 mW였으며, 이는 LNA의 30 mW와 6개의 봉제선을 통한 31 mW의 열전도 손실로 구성됨.
• 1.5 mm 길이의 봉제선을 기준으로 열전도가 31 mW로 계산되었으며, 이는 냉각 부하를 결정하는 데 핵심적인 역할을 함.
• 열전소자를 사용해 60K의 온도차(ΔT)를 달성함으로써 효과적인 국소 냉각이 가능하다는 것을 확인함.
• 전체 시스템을 냉각하는 대신 LNA 칩만 냉각하는 방식은 전력 소비와 시스템 비용을 크게 감소시킴.