[논문]PIN 다이오드를 사용한 Ku 대역 평판형 리미터의 설계 및 제작

김탁영; 양승식; 염경환; 공덕규; 김소수

문제 정의

따라서 본 논문에서는 지금껏 수행되지 않았던회로적 관점에서 리미터를 해석하고, 회로 해석을 기초로 제시된 설계 조건에 맞는 리미터를 설계하는 방법을 제시하고자 한다. 본 논문의 회로 해석 결과 PIN 다이오드는 리미터로 동작 시 순방향 저항만으로 고려되기 어려우며 두 가지 누설 전력의 형태가 있음을 보였다.
본 논문에서는 PIN 다이오드를 사용한 평판 형리 미터의 설계 및 제작 기법을 제시하였다. 우선 DC 전류가 주어질 때 결정되는 I-영역의 저항을 상수로 두고 PIN 다이오드를 PN 다이오드로 근사한 후 이를 통한 해석을 제시하였다.

가설 설정

또한 입력이 설계 기준인 43 dBm보다 높기 때문에 이 값도 보정을 해 줘야 하는데 입력 신호에 따라 출력이 선형적으로 변화한다고 가정하고 출력값을 보정해 주었다.
이와 같은 조건에서는 두 번째 단은 첫째단과 동일한 다이오드이거나, 또는 transit time만 작은 것을. 선정하는 것이 삽입 손실 면에서 최적의 상황이 될 것이다.
또한 이들이 PIN 다이오드 파라미터와 관련성을 보였다. 이에 사용한 PIN 다이오드 등가 모델로는, PIN 다이오드를 charge storage 효과 고려한 PN 다이오드로 고려하고, I(Intrin- sic)-영역의 저항을 상수 저항으로 가정, 정성적인 해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 리미터의 주요성능 지표를 시뮬레이션하고 설계하였다.

제안 방법

CR 을 측정하기 위하여 그림 4와 같이 SMA 커넥터의 면에 PIN 다이오드를 붙이고 본딩 와이어로 연결한 뒤 회로망 분석기(network analyzer)의 측정 기준면이동을 이용하여 커넥터 절단면으로 기준선을 이동시키고 측정하였다. 이때 본딩 와이어로 인해 측정된 임피던스에는 인덕턴스 성분이 존재하지만 공진 시 이 값을 추출하여 제거한 뒤 Cr을 측정하였다.
고출력 송신기는 klystron으로 구성된 RF 신호원이며, 이는 전력의 크기를 조정할 수 없어 그림과 같이 방향성 결합기를 사용 43 dBm이 되도록 전력을 조정하였다. 또한 고출력에서 동작하는 가변 감쇠기가 없어 정확히 실험 조건을 맞추지는 못하였다.
또한 과도 상태에서 발생하는 첨두 누설 전력을 계산하기 위하여 transient 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 과도 상태에서 발생하는 누설 전력을 계산하기 위하여.
본 논문에서 제시하는 설계 기법은 과거 리미터설계시, 다이오드 제작후 이를 리미터로 구성 평가 후, 다단 리미터를 구성하는 다수의 논문 결과와 달리, 체계적으로 설계를 통하여 리미터 설계 방식을 제시하였다. 또한 PIN 다이오드 등가 회로 파라미터와 리미터 회로의 성능간의 관계를 구체적으로 밝혔고 제작된 리미터의 성능은 상용화된 다른 리미터에 비해 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
선정된 Microsemi 사의 GC₄₇31 PIN 다이오드回 에 대하여 이들 값을 즉정을 통해 조사하였다. CR 을 측정하기 위하여 그림 4와 같이 SMA 커넥터의 면에 PIN 다이오드를 붙이고 본딩 와이어로 연결한 뒤 회로망 분석기(network analyzer)의 측정 기준면이동을 이용하여 커넥터 절단면으로 기준선을 이동시키고 측정하였다.
측정하였다. 여기에서 ADS2001A를 이용한 삽입 손실 시뮬레이션 결과는 커넥터의 손실을 제외한 리미터 회로 자체만의 손실을 시뮬레이션한 결과이므로, 제작된 50 ohm 선로를 이용하여 커넥터의 손실을 측정하였다. 측정된 결과는 약 0.
제작된 리미터는 본딩으로 인해 다소의 조정이 필요하였다. 예측된 것보다 작은 본딩 와이어인덕턴스가 나타나 전송선의 특성 임피던스를 낮추기 위하여 전송선에 리본을 덧붙여 임피던스를 낮추는 방법으로 조정하였다. 그림 16은 조정된 리미터의 삽입 손실을 나타내며 약 -1.
우선 DC 전류가 주어질 때 결정되는 I-영역의 저항을 상수로 두고 PIN 다이오드를 PN 다이오드로 근사한 후 이를 통한 해석을 제시하였다. 해석 결과 PIN 다이오드 리미터의 누설 전력은 두 가지 형태로 구분되며 이것들의 측정된 PIN 다이오드의 주요 RF 파라미터 관계에 대하여 해석적으로 설명하였다.
7 dBm으로이는 주어진 사양에 크게 벗어남을 알 수 있었다. 이러한 누설 전력을 보다 감소시키기 위하여 2 단리 미터의 첨두 출력 역전압보다 항복 전압이 높은 병렬 Schottky 다이오드 M/A-COM사의 MA4E1318* 1'61 을 추가하여 설계하였다. Schottky 다이오드가 추가된 3단 리미터 회로는 그림 12와 같다.
이에 사용한 PIN 다이오드 등가 모델로는, PIN 다이오드를 charge storage 효과 고려한 PN 다이오드로 고려하고, I(Intrin- sic)-영역의 저항을 상수 저항으로 가정, 정성적인 해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 리미터의 주요성능 지표를 시뮬레이션하고 설계하였다. 설계된 결과를 이용 평판형 리미터를 제작하였으며, 조립 시 발생한 불균일성을 조정한 결과 제시된 사양을 달성할 수 있었다.
이상과 같이 PIN 다이오드의 주요 RF 파라미터를 측정하였으며 이 측정된 결과 값을 이용, 전류에 따라 변하는 PIN 다이오드의 저항대신에, 측정에서 얻어진 상수Rf 값을 접촉 저항 값으로 갖는 PN 다이오드로 대체하여 설계하였다.
Schottky 다이오드 경우 transit time 이 0인 이상적 다이오드와 가깝게 되며 이를 통해 대폭 누설 전력을 감소시킬 수 있게 된다. 이에 대하여 다시 삽입 손실 첨두 누설 전력 및 정상 누설 전력 등을 시뮬레이션 하였다. 삽입 손실의 경우 다이오드의 와이어 본딩시 그림 13과 같이 본딩 와이어의 인덕턴스가 발생하게 되는데, 이는 역방향시 발생하는 다이오드의 커패시턴스와 함께 삽입 손실을 주게 된다.
정량적으로 2단 리미터 회로가 주어진 사양을 만족하는지 조사하기 위하여 첫째 단 및 둘째 단에 동일 PIN 다이오드로 구성하여 첨두 누설 전력 및 정상 누설 전력에 대해 시뮬레이션해 보았다. 이와 같은 2단 리미터 회로의 시뮬레이션 결과 첨두 누설 전력 22.
우선 DC 전류가 주어질 때 결정되는 I-영역의 저항을 상수로 두고 PIN 다이오드를 PN 다이오드로 근사한 후 이를 통한 해석을 제시하였다. 해석 결과 PIN 다이오드 리미터의 누설 전력은 두 가지 형태로 구분되며 이것들의 측정된 PIN 다이오드의 주요 RF 파라미터 관계에 대하여 해석적으로 설명하였다. 제작된 결과는 조립시 다소의 불균일성으로 인해 시뮬레이션 결과와 다소 차이가 있었으며 조정을 통하여 제시된 목표 사양에 달성할 수 있었다.

대상 데이터

4 nun를 가지며, 사용된 기판은 10 mil 두께의 세라믹 기판을 사용하였다. 세라믹 기판은 제작된 금 도금된 KOVAR 캐리어 위에 장착되었다. 하우징은 알루미늄으로 가공되었으며, 니켈 도금으로 처리되었다.
다음으로 순간적으로 발생되는 첨두 누설 전력을 측정하기 위해서 검파기(detector)를 사용하였다. 실험에 사용된 검파기는 Krytar사의 703AK이다. 이것은 12 dBm 입력에서 -78 mV의 출력을 보이는 것을 확인하였다.
크기는 14.4x17x14.4 nun를 가지며, 사용된 기판은 10 mil 두께의 세라믹 기판을 사용하였다. 세라믹 기판은 제작된 금 도금된 KOVAR 캐리어 위에 장착되었다.

데이터처리

제작된 리미터의 삽입 손실은 회로망 분석기를 이용하여 측정하였다. 여기에서 ADS2001A를 이용한 삽입 손실 시뮬레이션 결과는 커넥터의 손실을 제외한 리미터 회로 자체만의 손실을 시뮬레이션한 결과이므로, 제작된 50 ohm 선로를 이용하여 커넥터의 손실을 측정하였다.

성능/효과

결과에서 확인할 수 있듯이 단수의 증가와 함께 누설 전력은 감소하며, 3단 리미터를 통해 출력된 첨두 누설 전력은 10.53 dBm으로 설계 조건을 만족하였다.
결론적으로 PIN 다이오드를 통한 누설 전력은 순방향 시 저항 Rf에 의한 정현파 누설 전력과 역방향시 G에 의한 펄스 누설 전력(人尸=0로 두고 계산된 전력)으로 볼 수 있다. 따라서 입력 전력이 커질 경우 반주기 동안 식 (2)와 같이 축적된 전하는 증가하며, 결과적으로 이것에 의한 DC 전류가 커져서, 이로 발생하는 PIN 다이오드의 저항 Rf는 더욱 작아지게 된다.
또한 02。)의 다음에 나오는 첨두치는 叱3)가 일부 반사되어 첫째 단에 재 반사되고 되돌아 온 것으로, 반주기 지연된 것을 알 수 있다. 결론적으로 둘째 단을 통해 감소된 펄스 누설전력이 출력에 나타나는 것을 알 수 있다.
또한 PIN 다이오드 등가 회로 파라미터와 리미터 회로의 성능간의 관계를 구체적으로 밝혔고 제작된 리미터의 성능은 상용화된 다른 리미터에 비해 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
12 pF와 근접하여 신뢰할 수 있는 결과임을 알 수 있다. 또한 이 커패시턴스는 역방향 DC 전압을 바꾸어도 변화가 관찰되지 않으며, 상수 값으로 고려할 수 있는 것을 알 수 있었다. Rf을 측정하기 위해서 그림 5와 같이 다이오드를 금속체로 된 jig에 직접 부착하고, 유전율이 2.
방법을 제시하고자 한다. 본 논문의 회로 해석 결과 PIN 다이오드는 리미터로 동작 시 순방향 저항만으로 고려되기 어려우며 두 가지 누설 전력의 형태가 있음을 보였다. 또한 이들이 PIN 다이오드 파라미터와 관련성을 보였다.
이를 바탕으로 리미터의 주요성능 지표를 시뮬레이션하고 설계하였다. 설계된 결과를 이용 평판형 리미터를 제작하였으며, 조립 시 발생한 불균일성을 조정한 결과 제시된 사양을 달성할 수 있었다.
이와 같은 2단 리미터 회로의 시뮬레이션 결과 첨두 누설 전력 22.2 dBm, 정상 누설 전력 21.7 dBm으로이는 주어진 사양에 크게 벗어남을 알 수 있었다. 이러한 누설 전력을 보다 감소시키기 위하여 2 단리 미터의 첨두 출력 역전압보다 항복 전압이 높은 병렬 Schottky 다이오드 M/A-COM사의 MA4E1318* 1'61 을 추가하여 설계하였다.
이의 구현은 PIN 다이오드와 본딩 점까지의 거리를 조정하여 달성할 수 있었다. 이와 같은 조정을 통해 S-parameter 시뮬레이션 결과 설계 주파수 Ku 대역에서 약 -0.75 dB의 삽입 손실을 주는 것을 알 수 있다.
해석 결과 PIN 다이오드 리미터의 누설 전력은 두 가지 형태로 구분되며 이것들의 측정된 PIN 다이오드의 주요 RF 파라미터 관계에 대하여 해석적으로 설명하였다. 제작된 결과는 조립시 다소의 불균일성으로 인해 시뮬레이션 결과와 다소 차이가 있었으며 조정을 통하여 제시된 목표 사양에 달성할 수 있었다.

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