[논문]Meta-Material을 이용한 Active 회로의 설계

조춘식

문제 정의

연구한 결과를 살펴보았다. CRLH-TL의 특성상 전송로 또는 lumped 소자를 이용하여 구현하여야 하므로 기판위에서 Active 회로와 결합하여 여러 가지 다양한 성능을 향상시키고 보다 새로운 관점에서 회로 구조를 시도하는 방향으로 연구를 진행하고 있음을 알 수 있다. 기판 위에서 CRLH-TL과 active 회로의 결합을 통하여 위상을 비선형적으로 자유롭게 조절하여 이 중 대역 특성 구현, 고조파 억압, 광대역 특성 구현 및 연속적 인 위상이나 time step 설정을 주로 적용하였다.
실정이다. 본 기고에서는 현재까지 meta-mate- rial 또는 CRLH-TL을 사용하여 구현한 능동 회로의 연구 현황을 살펴보고, 저자가 속한 한국항공대학교에서 주로 진행하고 구현한 여러가지 CRLH-TL 응용 능동 회로에 대하여 기술하고자 한다.

제안 방법

95 GHz 양 대역에서 동시에 동작하도록 설계하였다 피입력과 출력의 정합회로를 양 주파수 대역에서 동시에 동작하게끔 설계하는 것이 목표이므로 각 대역에서 필요로 하는 정합 임피던스를 전송로 길이로 변환하여 구현하면 이 목표를 만족할 수 있다. 각 주파수에서 전송로 길이를 위상으로 환산하여 비선형적으로 변하는 특성을 CRLH-TL을 사용하여 적절하게 조절하여 이중대역에서 정합이 가능하도록 구현하였다. 이를 위하여 구성한 구조도와 실제 구현한 회로는 [그림 4]와 [그림 5]에 나타내었다.
연구 그룹들이 수행하여 왔다. 그 결과, 여러 가지 3차원 구조에 의한 LHM이 구현되었으며, 3차원 구조에 의한 LHM을 바탕으로 기판 위에서 쉽게 구현할 수 있는 전송로 구조를 UCLA의 Itoh 그룹이 제안하여 2차원 구조로 이루어진 Left-Handed Transmission Line(LH TL)을 발표하였다切 전송로의 특성상 완전한 의미의 순수한 LH TLe 존재하지 않으므로Right-Handed Transmission Line(RH TL)과 결합한 Composite Right/Left-Handed Transmission Line(CRLH-TL)을 제안 발표하였다. 이러한 CRLH-TLe balanced 조건(직 렬 공진 주파수와 병렬 공진 주파수가 같게 됨)을 만족하는 경우 Brillouin 영역 근처에서 동작하는 것이 아니라 천이 주파수 근처에서 동작하므로 전체 회로의 크기를 대폭 줄일 수 있는 장점이 존재한다.
3차 고조파가 CRLH-TL< 통하여 결합할 때 2 배의 전력으로 되게끔 설계하는 구조를 [그림 15]에 나타내었다. 기본 주파수를 2.1 GHz로 설계한 DGS 공진기를 사용하여 출력 주파수는 6.13 GHz에서 생성되도록 실제 설계 후 제작하였고, 측정 결과는 [그림 16]에 나타내었다. 발진주파수에서 출력 전력은 11.
CRLH-TL의 특성상 전송로 또는 lumped 소자를 이용하여 구현하여야 하므로 기판위에서 Active 회로와 결합하여 여러 가지 다양한 성능을 향상시키고 보다 새로운 관점에서 회로 구조를 시도하는 방향으로 연구를 진행하고 있음을 알 수 있다. 기판 위에서 CRLH-TL과 active 회로의 결합을 통하여 위상을 비선형적으로 자유롭게 조절하여 이 중 대역 특성 구현, 고조파 억압, 광대역 특성 구현 및 연속적 인 위상이나 time step 설정을 주로 적용하였다. 이렇게 하여 증폭기, 전력 증폭기, 믹서, 위상 천이기 및 전압 제어 발진기의 성능을 향상시키는 효과를 거두고 있다.
벡터 합으로 동일한 크기의 두 신호가 합쳐지는 특성 때문에 크기는 이득은 2가 아닌 \乓에 머무르고, 2차 고조파는 상쇄되지만 3차 고조파는 상쇄되지 않고 출력에 나타나므로, CRLH-TL을 사용하여 이득을 2로 향상시키고, 3차 고조파도 상쇄하는 구조를 한국항공대학교에서 실현하였다司 [그림 9]에 구조도를 상세하게 나타내었으며, Class-E 증폭기를 사용하여 효율을 향상시켰고, 마지막의 결합기를 CRLH-TL로 대체하였다.
반영하고 있다. 이에 저자는 Doherty 증폭기의 90° 전송로를 CRLH-TL로 대체하여 주 증폭기의 2차 고조파의 위상을 보조 증폭기의 2차 고조파의 위상과 반대로 하여 서로 상쇄시킴으로써 선형성을 향상시키는 구조를 설계하여 구현에 성공하였다.
이와 같은 CRLH-TL을 적용하여 동시에 이 중 대역에서 동작하는 전력 증폭기를 한국항공대학교에서 구현하였으며, Class-E를 사용하여 836 MHz 및 1.95 GHz 양 대역에서 동시에 동작하도록 설계하였다 피입력과 출력의 정합회로를 양 주파수 대역에서 동시에 동작하게끔 설계하는 것이 목표이므로 각 대역에서 필요로 하는 정합 임피던스를 전송로 길이로 변환하여 구현하면 이 목표를 만족할 수 있다. 각 주파수에서 전송로 길이를 위상으로 환산하여 비선형적으로 변하는 특성을 CRLH-TL을 사용하여 적절하게 조절하여 이중대역에서 정합이 가능하도록 구현하였다.
전력 증폭기에 CRLH-TL을 적용하여 이 중 대역에서 동시에 동작하는 구조 및 선형성을 향상시키는 구조를 설계하고 구현한 외에도 저자는 push-push 발진기에도 CRLH-TL을 적용하였다回. Push-push 발진기는 낮은 주파수의 발진기를 differential로 2개 연결하여 기본 주파수는 상쇄시키고 2차 고조파를 2배로 합하여 2배의 높은 주파수를 만들어 내는 구조이다.
지금까지 meta-material 중에서 주로 CRLH-TL을 잘 적용하여 active 회로를 설계한 예를 저자가 속한 한국항공대학교에서 연구한 결과와 세계 여러 연구그룹이 연구한 결과를 살펴보았다. CRLH-TL의 특성상 전송로 또는 lumped 소자를 이용하여 구현하여야 하므로 기판위에서 Active 회로와 결합하여 여러 가지 다양한 성능을 향상시키고 보다 새로운 관점에서 회로 구조를 시도하는 방향으로 연구를 진행하고 있음을 알 수 있다.

성능/효과

[그림 10]에 실제 제작한 outphasing 전력 증폭기를 나타내 었고, 이를 사용한 측정 결과는 [그림 Ⅲ과 [그림 (2)에 나타내었으며, 최대 출력 전력은 32 dBm으로 나타났고” PAE는 50 %로 향상되었으며, IMD3는 일반적인 결합기를 시용한 outphasing 전력증폭기에 비하여 약 5 dB 정도의 개선 결과가 나타남을 알 수 있다.
4 GHz) 에서 90°를 나타내고, 2차 고조파에서는 360°를 나타내어 보조 증폭기에서 나오는 2차 고조파와 상쇄시키는 역할을 수행하게 하는 것이 이 회로의 열쇠고리이다. [그림 7]에 나타난 것처럼 구성한 실제 제작 회로를 사용하여 측정한 결과 2.3 GHz에서 31 dBm 최대 출력을, 32 %의 PAE를 보여주고 있으며, 선형성 성능 지표인 IMD3는 CRLH-TL을 사용하지 않은 일반적인 Doherty 전력 증폭기에 비하여 최대 26 dB의 성능 향상을 가져왔다, [그림 8]에 IMD3의 개선 결과를 나타내었다.
그리고 초창기 UCLA 연구 그룹이었던 Calo, } 최근 구성한 Pulse Position Modulation(PPM) 송신기를 설계 예로 들고자 한대侦 기존의 ppM 송신기에 사용한 delay linee 주로 active delay line 또는 switch를 사용한 delay line으로 구성되어, noise를 발생하고 소모 전력이 별도로 주가되고 또한 discrete한 time step으로만 동작되었다. Caloz가 구현한 CRLH delay line based PPM 송신기는 L과 C로 이루어진 완전한 수동 회로이므로 잡음 추가나 소모 전력의 추가가 없고 더군다나 time step을 연속적으로 조절할 수 있는 장점을 지니고 있어서 CRLH-TL을 훌륭하게 적용한 PPM 송신기라 할 수 있겠다.
이러한 비선형적인 성질을 RH TL과 결합시키면 보통의 RH TL이 가지는 선형적인 위상 변화와는 아주 다른 독특한 비선형 위상 특성을 구현할 수 있다. 또한, 파장이 작은 형태로도 전파 특성이 우수한 점을 이용하여 전체 회로의 크기를 줄이는 역할도 가능하다. 이를 바탕으로 각종 회로 및 안테나의 성능을 개선하고 보완하는 연구를 세계 여러 나라의 연구 그룹에서 수행하여 왔고 지금도 이러한 독특한 성질을 이용하여 보다 작고 보다 성능을 향상시킨 회로, 안테나 및 시스템을 개발하고 있다.
13 GHz에서 생성되도록 실제 설계 후 제작하였고, 측정 결과는 [그림 16]에 나타내었다. 발진주파수에서 출력 전력은 11.5 dBin을 기록하였고, 위상 잡음은 1 MHz offset에서 -128 dBc/Hz로 나타나 아주 우수한 성능을 보여주고 있다.
스페인의 다른 그룹인 말라가 대학에서도 distributed mixert CRLH-TL을 적용하여 구현하였는더】, 기존의 RH TL을 대체하여 상하향 변환기를 구성하여 본 결과, IF 주파수를 1 GHz로 하여 변환 이득이 10 dB 근처까지 상승하는 것으로 나타났다
이를 위하여 구성한 구조도와 실제 구현한 회로는 [그림 4]와 [그림 5]에 나타내었다. 제작 결과, 830 MHz 대역에서 22 dBm의 출력과 45 % PAE를, 1.8 GHz 대역에서 19 dBm의 출력과 43 % PAE를 획득하여, 두 주파수 대역에서 원래 목적으로 하였던 동시 대역 특성을 만족하고 있음을 확인하였다.

후속연구

또한, SSR 등을 이용한 유전율이나 투자율 하나만을 음으로 만들어 meta-material을 형성시킨 후 이를 적용한 회로도 구현하고 있다. 앞으로는 Q-factoi를 대폭 향상시킨 공진기를 meta-mateTial로 구현하여 이를 발진기에 응용하는 연구, MMIC에 집적하여 선형성, 효율 및 대역 특성을 개선시키는 연구, 밀리미터파 대역이나 THz 대역의 각종 active 회로와 결합하여 성능을 개선시키는 새로운 구조에 대한 연구 그리고 3-D 구조로 이루어진 meta-material을 active회로에 능동적으로 응용하는 연구 등을 세계 여러 연구 그룹이 수행할 것으로 예상하며, 이에 발맞추어 우리나라에서도 지금까지 수행한 역량을 바탕으로 훌륭한 업적을 낼 수 있을 것으로 보인다.

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