[논문]YIG Ferrite를 이용한 Gap Filter용 아이솔레이터 개발에 관한 연구

정승우; 최우성

doi:10.4313/jkem.2005.18.8.759

문제 정의

아이솔 레이션은 23 dB 이상의 값을 보였으며, 시뮬레이션 결과와 비교하였을때 반사손실 10 dB 정도 차이를 보이고 있으며, 아이솔레이션은 시뮬레이션 결과와 비교하여 55 %의 값을 보였다, 이러한 원인으로는 실제 설계시 외부에서 가해지는 자계의 조건을 정자 계를 기준으로 한것에 대한 오차와 sample 제작에 있어 strip의 위치가 시뮬레이션에서의 위치와 차이가 발생함에 기인한 것으로 판단된다. 다만, 그 특성에 있어서는 연구 개발하고자 하였던 결과를 만족하였다.
본 연구에서는 최근 DMB 송수신 시스템인 gap 句ler용 아이솔레이터의 개발을 위하여 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 제작된 아이솔레이터의 특성 을 비교함과 동시에 온도 범위 내에서 온도 안정화를 이루기 위하여 안정화 회로를 구현[9-11]하고 -30 ~ 80 ℃ 범위내에서 특성을 유지할 수 있는 아이솔레이터를 연구 개발하고자 한다.

가설 설정

시뮬레이션은 YIG 페라이트에 정자계가 작용하는 것으로 가정하였으며, 사용되어진 페라이트와 유전체의 물성은 표 1과 같다.

제안 방법

1. HFSS를 이용하여 아이솔레이터의 strip line을 설계하였다.설계된 주파수 특성은 삽입손실 0.
Gap filler용 아이솔레이터의 개발을 위하여 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 제작된 아이솔레이터의 특성을 비교함과 동시에 온도 범위 내에서 온도 안정화를 이루기 위하여 병렬 온도 안정화 회로를 구현하여 -30 ~ 80 ℃ 범위내에서 특성을 유지할 수 있는 아이솔레이터를 연구 개발하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
gap filler 용 아이솔레이터의 개발을 위하여 표 1과 같은 주파수 특성을 갖을 수 있도록 설계를 실시하였다. 일반적으로 유전체가 없는 형태의 페라이틀 사용할 경우 입출력 단자의 크기가 커지게 되고 그에 따라 case의 그림 1(a)의 입출력 부근의 형태가 커지게 되어 외부의 온도변화나 습도 등에크게 영향을 받게 된다.
그림 3과 같이 PC 와 Network Analyzer를 이용하여 상온 및 고온에서의 아이솔레이터의 주파수특성을 측정하였다. 상온에서의 측정은 측정 DUT 를 일반 환경내에서 측정 하고 이때 Network analyzer를 이용한 특성값은 PC를 통하여 획 득하였다.
측정하였다. 상온에서의 측정은 측정 DUT 를 일반 환경내에서 측정 하고 이때 Network analyzer를 이용한 특성값은 PC를 통하여 획 득하였다. 온도변화에 의한 특성값은 2 m길이를 가지는 cable을 이용하여 항온항습 chamber 내에서 온도를 변화시키며 제작된 아이솔레이터의 삽입손실과 반사손실, 그리고, 아이솔레이션 등의 주파수
사용된 페라이트와 유전체의 특성은 표 2와 같으며, 시뮬레이션에서 사용된 특성과 동일하다. 설계에 의해 결정된 stripe Be-Cu 금속을 애칭한 후 6㎛ 이상 은도금을 하여 sample 을 제작하였다. 아이솔레이터의 제작시 자성체와 유전체 그리고, 금속을 적층하고 적층시 손실의 최소화를 위하여 접족이 되는 부위는 모두 은도금을 실시하였다.
시뮬레이션 결과를 토대로 strip line을 금속 에칭하여 아이솔레이터를 제작하였다.
시뮬레이션 상에서 입력과 출력 port를 설정하기 위하여 perfect conductor# 이용한 외부 Jig를 활용하였으며, 이때, 아이솔레이터의 특성을 갖도록 3-port는 50 Q으로 matching된 termination과 연결하여 특성을 살펴보았다.
아이솔레이터의 시뮬레이션을 위하여 그림 2와 같은 등가회로 모델을 고려하여 gap filler 용 아이솔레이터의 주파수 특성을 만족하도록 최적의 특성 값을 갖는 strip line을 설계하였다.
앞선 결과와 비교하여 중심주파수의 변화를 보이지 않고 있으며, 이러한 결과를 바탕으로 저온과 고온에서 온도 test를 실시하였다. 중심주파수는 앞선 결과와 반대로 고온에서의 테스트결과는 저주파로 3 MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다.
1 t로 압력에 의한 깨짐을 방지하기 위하여 Ni coating된 것을 사용하였다. 온도 안정화를 위하여 Ni-alloy를 표 2에서 명명한 바와 같이 삽입한 후 제품을 제작하여 측정하여 결과를 얻을 수 있었다. 그림 6은 표 2에서 명명한 gl의 주파수 특성을 특성을 보여주고 있는 것이다.
이때, 사용된 cable에 의한 특성의 변화를 제거하고자 cable 온도의 변화에 따른 아이솔레이터 특성의 변화를 먼저 실시하여 그 특성과 비교하였다.
일반적으로 유전체가 없는 형태의 페라이틀 사용할 경우 입출력 단자의 크기가 커지게 되고 그에 따라 case의 그림 1(a)의 입출력 부근의 형태가 커지게 되어 외부의 온도변화나 습도 등에크게 영향을 받게 된다. 이러한 영향을 최소화 시키는 방법으로 케이스 외부와 이어지는 입출력 단자 쪽의 폭을 줄이기 위하여 페라이트 외부를 유전체가 감싸고 있는 형태의 assembly 디스크 타입의 페라이트를 이용하였다.
특성을 측정하여 시뮬레이션 결과와 특성을 비교하였다. 이때, 사용된 cable에 의한 특성의 변화를 제거하고자 cable 온도의 변화에 따른 아이솔레이터 특성의 변화를 먼저 실시하여 그 특성과 비교하였다.
온도 안정화를 위하여 Ni 32 %. 함유된 Ni-Alloy를 이용하였으며, 주파수대역의 tuninge 그림 1(b)에서 보인 magnete Sr-隹口如를 YIG 페라이트의 하부에 위치시키고 상부에는 SmCo를 위치 시켜 Sr-ferrite를 착/탈자를 시키면서 실시하였으며, piece와 sealant와 유전체 bar를 이용하여 미세 tuning을 실시하였다.

대상 데이터

그림 1의 (a)와 같이 열전달 특성을 좋게 하기 위하여 design된 아이솔레이터의 case를 제작하였으며, 일반적으로 사용되는 제품의 특성을 개선하기 위하여 고려한 것으로 각기 다른 열전달 특성을 갖는 금속을 이용하여 사용하였다.

성능/효과

HFSS를 이용하여 아이솔레이터의 strip line을 설계하였다.설계된 주파수 특성은 삽입손실 0.15 dB 이총]", 반사손실 25 dB 이상, isolation 30 dB 이상을 가지며 270 MHz의 밴드 폭을 갖는다.
다만, 반사손실 값과 아이솔레이션의 중심주파수가 각기 다르게 나타나고 있다. (b)의 주파수 밴드 폭은 270 MHz로 앞선 (a)에 비해 130 MHz 줄었으나 삽입손실은 0.15 dB 이하 반사손실 23 dB 이상을 보였다. 아이솔레이션 특성은 필요로 하는 주파수 대역 내에서 (a)는 25 dB 이상 (b)는 30 dB 이상의 값을 보여주었으며, 삽입손실 및 아이솔레이션 특성을 향상시킬 수 있었다.
2. 제작된 2.6 GHz 대역의 아이솔레이터의 주파수특성은 삽입손실 0.2 dB 이하 반사손실 20 dB 이상, isolation 20 dB 이상의 값을 가졌으며, simulation특성과 비교하면 삽입손실과 반사손실은 90 % 이상 일치하였으며, 아이솔 레이션값은 55 % 이상 일치함을 을 보였다.
25 ℃ 상온에서의 특성은 밴드폭 100 Mhz 범위내에서 삽입손실 0.2 dB 이하이고, 반사손실은 각 port별로 25 dB 이상의 값을 보였다. 아이솔 레이션은 23 dB 이상의 값을 보였으며, 시뮬레이션 결과와 비교하였을때 반사손실 10 dB 정도 차이를 보이고 있으며, 아이솔레이션은 시뮬레이션 결과와 비교하여 55 %의 값을 보였다, 이러한 원인으로는 실제 설계시 외부에서 가해지는 자계의 조건을 정자 계를 기준으로 한것에 대한 오차와 sample 제작에 있어 strip의 위치가 시뮬레이션에서의 위치와 차이가 발생함에 기인한 것으로 판단된다.
25 dB 이하, return loss와 isolatione 23 曲로 20 dB 이상의 값을 가졌다. cable을 고온으로 하여 측정한 결과 삽입손실은 0.29 dB로 떨어진 것을 확인하였다. 이러한 결과는 모든 sample에서 발생하였으며, 이러한 결과를 통해 온도 test시 측정하는 sample 외에 사용되는 cable 및 connector 등의 온도 특성을 확인 하여야 함을 확인하였다.
저온에서의 결과는 모두 주파수 특성은 향상되었으며 중심주파수가 5 MHz 정도 고주파로 이동됨을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 연구자들의 결과와 다소 다른 특성을 보이고 있는 것이다.
중심주파수는 앞선 결과와 반대로 고온에서의 테스트결과는 저주파로 3 MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다. 주파수 특성은 cable고온 특성과 비교하여 큰 변화를 보이고 있지 않으며, 이러한 결과로써 온도에 안정화되고 주파수 특성을 만족함을 확인하였다.
중심주파수는 앞선 결과와 반대로 고온에서의 테스트결과는 저주파로 3 MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다. 주파수 특성은 cable고온 특성과 비교하여 큰 변화를 보이고 있지 않으며, 이러한 결과로써 온도에 안정화되고 주파수 특성을 만족함을 확인하였다.
측정한 결과 상온에서 삽입손실은 0.18 dB로 0.25 dB 이하, return loss와 isolatione 23 曲로 20 dB 이상의 값을 가졌다. cable을 고온으로 하여 측정한 결과 삽입손실은 0.
이러한 결과는 모든 sample에서 발생하였으며, 이러한 결과를 통해 온도 test시 측정하는 sample 외에 사용되는 cable 및 connector 등의 온도 특성을 확인 하여야 함을 확인하였다. 표 2에서 gl으로 명명한 샘플의 경우 고온 test 결과 중심주파수가 2, 650 MHz에서 2, 750 MHz로 100 MHz 정도 고주파로 shift함을 확인하였다.

후속연구

29 dB로 떨어진 것을 확인하였다. 이러한 결과는 모든 sample에서 발생하였으며, 이러한 결과를 통해 온도 test시 측정하는 sample 외에 사용되는 cable 및 connector 등의 온도 특성을 확인 하여야 함을 확인하였다. 표 2에서 gl으로 명명한 샘플의 경우 고온 test 결과 중심주파수가 2, 650 MHz에서 2, 750 MHz로 100 MHz 정도 고주파로 shift함을 확인하였다.
이상과 같은 결과에 의해 gap filler용 아이솔레이터의 개발을 이룰 수 있었으며, 향후 simulation 시 고려해야 될 공정상의 변수에 관한 사항과 함께 Ni-alloy에 의한 온도에 따른 주파수 특성의 변화에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.

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