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문제 정의
- 또한 비가역성 페라이트 고리형 공진기는 Dmitriyev 등에 의해 제시되었다[6-8]. 본 연구에서는 최근 고주파화 되어 가고 있는 시스템에 적용 가능한 비가역소자의 개발을 위하여 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 제작된 비가역소자의 특성을 비교함과 동시에 온도 범위 내에서 온도 안정화를 이루기위하여 안정화 회로를 구현[9]하고 -30 ~ 80℃ 범위내에서 특성을 유지할 수 있도록 설계하였다. 또한, 단순화된 PIMD 테스트 방법을 제시하고 그에 따른 기존 테스트방법과의 비교를 통하여 제시된 방법의 신뢰성 및 효율성을 확인하고, 비가역소자 개발에 있어 우수한 PIMD 특성을 갖는 PIMD 향상 방법을 제시하였다.
가설 설정
- HFSS를 이용하여 설계하였다. 시뮬레이션은 YIG 페라이트에 정자계가 작용하는 것으로 가정하였으며, 사용되는 페라이트와 유전체의 물성은 표 1과 같다.
제안 방법
- 1) HFSS를 이용하여 아이솔레이터의 strip line을 설계하였다. 설계된 주파수 특성은 삽입손실 0.
- 2.6GHz 대역의 비가역소자의 개발을 위하여 표 1과같은 주파수 특성을 만족하도록 설계를 실시하였다. 일반적으로 유전체가 없는 형태의 페라이트를 사용할 경우입출력 단자의 크기가 커지게 되고 그에 따라 case의 그림 1(a)의 입출력 부근의 형태가 커지게 되어 외부의 온도변화나 습도 등에 크게 영향을 받게 된다.
- PIMD 테스트를 위한 장비의 set-叩은 그림 2와 같이단순화하여 특성을 측정하였다. 이때, Power Amp.
- 동일한 방법으로 SG#1 는 OFF, SG#2는 ON 인 상태에서 Power Meter에서 읽는 값이 DUT(Device Under Test) 에 입력되는 정격 레벨( 46dBm:40W )이 되도록 SG#2의 Amplitude를 조절한다. SG#1, SG#2를 모두 On한 후 Spectrum Analyzer에서 측정한 IMD가 측정할려는 DUT에서 요구되는 IMD보다 최소 15dB이상이 되는지 확인한다. 그림 1과 같이 모두 연결한 상태에서 Spectrum Analyzer를 이용하여 Variable Attenuator의 값을 적절히 조정하여 DUT의 PIMD를 측정한다.
- 각 주파수 대역 별로 측정 오차를 최소화하기 위하여샘플을 5종씩 동일한 조건으로 제작하여 평균 data를 얻었다.
- 기존 비가역소자의 IMD를 측정하고 있는 방법과의제안한 방법과의 특성 값을 확인 하였다. IMD 측정징비중 800MHz 대역의 s사의 경우는 lOOdBc 이하의 측정 data는 얻을 수 없었으며, a사와 b사에서의 측정data와 제안한 방식의 측정 data는 큰 차이를 보이지 않아 제안한방식으로의 측정은 가능한 것으로 판단된다.
- 내부에 사용되어지는 재료중 비선형특성을 보이는 garnet ferrite의 한쪽면을 은도금한 경우와 도금이 없는경우의 IMD 특성을 확인하고, 도금의 거칠기 등의 상태에 따른 특성을 분석하였다.
- 이때 나사선이 들어가 있는 screw type과 펀치를 이용하는 seaming type으로 분리하여 확인하였고, 이때 케이스로 사용되는 재질은 sus436으로 동일하게 하여 은도금을 실시하였다. 또한, data의 신뢰성을 확보하기 위하여 각 주파수 대역 별로 5개씩 테스트하여 평균값을 얻어 변화에 따른 특성의 변화를 확인하였다.
- 본 연구에서는 최근 고주파화 되어 가고 있는 시스템에 적용 가능한 비가역소자의 개발을 위하여 시뮬레이션에 의한 주파수 특성과 제작된 비가역소자의 특성을 비교함과 동시에 온도 범위 내에서 온도 안정화를 이루기위하여 안정화 회로를 구현[9]하고 -30 ~ 80℃ 범위내에서 특성을 유지할 수 있도록 설계하였다. 또한, 단순화된 PIMD 테스트 방법을 제시하고 그에 따른 기존 테스트방법과의 비교를 통하여 제시된 방법의 신뢰성 및 효율성을 확인하고, 비가역소자 개발에 있어 우수한 PIMD 특성을 갖는 PIMD 향상 방법을 제시하였다.
- 비가역소자의 PIMD 특성에 미치는 영향을 확인하기위하여 사용되어지는 garnet ferrite 의 형태 및 도금 조건에 따른 특성의 변화와 가해지는 압력차, 내부에 사용되어지는 부품의 거칠기 등을 변화하며 IMD 특성을 확인한다. 그림 3은 PIMD 측정을 위한 비가역소자의 제작을위한 기본 구조이다.
- 비가역소자의 설계 및 제작과 PIMD 특성에 미치는 요소를 위하여 lid 압과 도금조건, 도금상태 및 조립 방법등의 변경을 통하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
- 비가역소자의 조립 방법에 따른 PIMD를 측정하였다. 먼저 triangle type의 경우는 3면에 magnet(SmCo:YXG24) 을 위치한 경우와 동일한 조건에서 magnet을 상부로 올린 경우 그 값이 6dBc 정도 차이를 보였다.
- 그림 6은 제작된 소자의 측정 결과이다. 상온과 저온과 고온에서 온도 test를 실시하여 온도 특성을 동시에 살펴보았다. 중심 주파수는 고온에서의 테스트 결과는 저주파로 3MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다.
- 설계한 것과 깉■이 2.6GHz 대역의 비가역소자를 제작하여 특성을 분석하였다. 시용한 가넷 페라이트는 시뮬레이션에서 이용한 유전체가 감싸고 있는 assembly 형태를가진 디스크 타입을 이용하였고 사용된 재료의 물성은표 1과 같이 시뮬레이션에서 사용된 특성과 동일하다.
- 시뮬레이션 결과를 토대로 strip line을 금속 에칭하여적층구조를 가지도록 제작하였다.
- 아이솔레이터의 제작시 자성체와 유전체그리고, 금속을 적층하고 적층시 손실의 최소화를 위하여접촉이 되는 부위는 모두 은도금을 실시하였다. 온도 안정화를 위하여 Ni 32% 함유된 Ni-Alloy 0.127mm 3장을이용하였으며, 주파수대역의 tuninge 그림 1 (b)에서 보인 magnete Sr-ferrite를 YIG 페라이트의 하부에 위치시키고 상부에는 SmCo를 위치시켜 Sr-ferrite를 착/탈자를시키면서 실시하였으며, piece와 sealan와 유전체 bar를이용하여 미세 tuning을 실시하였다.
- 특성을 확인하였다. 이때 나사선이 들어가 있는 screw type과 펀치를 이용하는 seaming type으로 분리하여 확인하였고, 이때 케이스로 사용되는 재질은 sus436으로 동일하게 하여 은도금을 실시하였다. 또한, data의 신뢰성을 확보하기 위하여 각 주파수 대역 별로 5개씩 테스트하여 평균값을 얻어 변화에 따른 특성의 변화를 확인하였다.
- 이때 자력의 인가는 그림 1 (a)와 같이 3면에 magnet을 위치하여 자력을 인가하는 경우와 동일한 조건에서 상부에 magnet을 위치하여 자력을 인가하는 경우로분류하여 확인하였다. 이때, 주파수 특성은 최대한 유사한 특성을 갖을 수 있도록 제작하여 IMD 특성을 확인하였다.
- 조립 방법에 따른 IMD 특성을 확인하기 위하여 triangle tjepe의 비가역소자를 동일한 조건내에서 특성을확인하였다. 이때 자력의 인가는 그림 1 (a)와 같이 3면에 magnet을 위치하여 자력을 인가하는 경우와 동일한 조건에서 상부에 magnet을 위치하여 자력을 인가하는 경우로분류하여 확인하였다.
- 시용한 가넷 페라이트는 시뮬레이션에서 이용한 유전체가 감싸고 있는 assembly 형태를가진 디스크 타입을 이용하였고 사용된 재료의 물성은표 1과 같이 시뮬레이션에서 사용된 특성과 동일하다. 중심 공진기는 애칭한 후 6㎛ 이상 은도금을 하여 sample 을 제작하였다. 아이솔레이터의 제작시 자성체와 유전체그리고, 금속을 적층하고 적층시 손실의 최소화를 위하여접촉이 되는 부위는 모두 은도금을 실시하였다.
- 한다. 측정방법은 먼저 Power Meter를 Calibration하고 SG #1 을 Amplitude : OdBm, 주파수는 측정하고자하는 DUT의중심 주파수, 신호 종류는 CW(Continuous Wave)로 하여 Power meter와 연결한 후 Power Meter에서 읽는 값이 OdBm이 되도록 SG#1의 Amplitude를 조정한다. 케이블 1~7까지 연결한 후 Power Meter에서 읽는 값이 OdBm이되도록 offset값을 조정한다.
대상 데이터
- 이때, Power Amp. 는 선형특성이 우수한 제품을 사용하고 앰프내부에 보호소자용으로 비가역소자를 최종단에 2개를 사용하였다.
- 설계된 주파수 특성은 삽입손실 0.15dB 이흐卜, 반사손실 25dB 이상, isolation 30dB 이상을 가지며 270MHz의 밴드 폭을 갖는다.
- 일반적으로 유전체가 없는 형태의 페라이트를 사용할 경우입출력 단자의 크기가 커지게 되고 그에 따라 case의 그림 1(a)의 입출력 부근의 형태가 커지게 되어 외부의 온도변화나 습도 등에 크게 영향을 받게 된다. 이에 따라입출력 단자의 폭을 줄이기 위하여 페라이트 외부를 유전체가 감싸고 있는 형태의 assembly 디스크 타입의 페라이트를 이용하였다.
데이터처리
- 각 조건에 따른 IMD 특성을 확인하기에 앞서 기존 IMD 테스트를 실시하고 있는 측정 jig와의 비교 분석을먼저 실시하였다.
성능/효과
- 2) 제작된 2.6GHz 대역의 아이솔레이터의 주파수 특성은 삽입손실 0.2dB 이하 반사손실 20dB 이상, isolation 20dB 이상의 값을 가졌으며, simulation특성과 비교하면 삽입손실과 반사손실은 90% 이상일치하였으며, 아이솔레이션 값은 55% 이상 일치함을 을 보였다.
- 25℃ 상온에서의 특성은 밴드폭 lOOMhz 범위내에서삽입손실 0.2 dB 이하이고, 반사손실은 각 port별로 25dB 이상의 값을 보였다. 아이솔레이션은 23dB 이싱.
- 3) lid 압이 증가할수록 Pimm값은 점차 증가하는 경향을 보이며, 주파수 대역별로 일정압 이상일 때 급격이 감소하는 경향을 보였다. 안정적인 PIMD 값을얻기 위한 적절한 lid 압은 25~26kg/cm2 이다.
- 4) 조립방법에 의한 개선효과는 상부에서 자력을 인가하는 형상이 side에서 자력을 인가하는 방법에 비하여 약 6dBc 정도 우수한 특성을 보였다.
- 5) 도금종류 및 거칠기에 따른 측정결과 금도금, 은도금, 니켈도금 순으로 특성이 나았으며, 은도금이라하더라도 연마를 통하여 금도금 수준의 PIMD를 특성을 확보할 수 있다
- 방법과의 특성 값을 확인 하였다. IMD 측정징비중 800MHz 대역의 s사의 경우는 lOOdBc 이하의 측정 data는 얻을 수 없었으며, a사와 b사에서의 측정data와 제안한 방식의 측정 data는 큰 차이를 보이지 않아 제안한방식으로의 측정은 가능한 것으로 판단된다.
- 4dBc 적게 나온 것을 확인할 수 있었다. 또한, 디스크 type으로 조립한 후 PIMD를 측정한 결과는 Triangle type에서 상부에 magnet을 위치한 조립방법과 큰 차이를 보이지 않았다.
- 아이솔레이션은 23dB 이싱.의 값을보였으며, 시뮬레이션 결과와 비교하였을때 반사손실 10dB 정도 차이를 보이고 있으며, 아이솔레이션은 시뮬레이션 결과와 비교하여 55%의 값을 보였다. 이러한 원인으로는 실제 설계시 외부에서 가해지는 자계의 조건을정자계를 기준으로 한것에 대한 오차와 sample 제작에있어 strip의 위치가 시뮬레이션에서의 위치와 차이가 발생함에 기인한 것으로 판단된다.
- 이러한 방법을 통하여 DUT 측정전의 PIMD 측정 jig 의 IM이 105dBc 를 보였으며, 이 측정 시스템을 이용하여 90dBc 까지의 IM 측정은 가능한 것으로 판단된다.
- 이는 3면에서자력을 인가하는 경우는 magnet과 garnet 페라이트와의유격이 발생하게 되는 원인으로 사료된다. 이의 확인을위하여 자력이 기존보다 강한 물질(YXG30)로 size를 조금 줄여 동일한 조건의 자력을 인가할 수 있도록 한 후페라이트와 유격을 좀더 넓힌 상태에서 테스트한 결과기존보다 약 1.4dBc 적게 나온 것을 확인할 수 있었다. 또한, 디스크 type으로 조립한 후 PIMD를 측정한 결과는 Triangle type에서 상부에 magnet을 위치한 조립방법과 큰 차이를 보이지 않았다.
- 저온에서는 주파수 특성이 향상되었으며 중심주파수가 5MHz 고주파로 이동됨을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 연구자들의 결과와 다소 다른 특성을 보이고 있는 것이다.
- 중심 주파수는 고온에서의 테스트 결과는 저주파로 3MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다. 주파수특성은 cable고온 특성과 비교하여 큰 변화를 보이고 있지 않으며, 이러한 결과로써 온도에 안정화되고 주파수특성을 만족함을 확인하였다.
- 상온과 저온과 고온에서 온도 test를 실시하여 온도 특성을 동시에 살펴보았다. 중심 주파수는 고온에서의 테스트 결과는 저주파로 3MHz 정도 shift 한 것을 확인할 수 있었다. 주파수특성은 cable고온 특성과 비교하여 큰 변화를 보이고 있지 않으며, 이러한 결과로써 온도에 안정화되고 주파수특성을 만족함을 확인하였다.
후속연구
- 이러한 결과로 미루어 비가역소자의 내부구조를 이루고 있는 페라이트, magnet, piece등이 유격을 가지지 않고밀착될 수 있는 구조를 가져야 PIMD 특성을 개선할 수있을 것으로 사료된다.
- 이상과 같은 결과에 의해 비가역소자의 설계를 통한제작에 있어서 적절한 설계는 소자의 개발에 유용하게사용됨을 확인하였고, PIMD는 내부 구조물의 밀착도 향상방법과 균일한 도금, 이종물질의 배제 등을 통하여 일정수준 이상 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다 향후 비가역소자의 특성의 향상을 위한 연구를 진행함과동시에 내부물질을 이루고 있는 piece, center conductor의금속 종류에 따른 PIMD 특성의 개선 방법 등에 대한 연구가 계속되어야 할 것으로 사료된다.
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