[논문]고조파 대역에서 높은 감쇄를 갖는 1,8GHz 대역 스트립라인 아이솔레이터 설계

유영철; 엄기환

doi:10.6109/jkiice.2011.15.4.795

고조파 대역에서 높은 감쇄를 갖는 1,8GHz 대역 스트립라인 아이솔레이터 설계
Design of the 1.8GHz Strip-line Isolator with high attenuations at harmonic band 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.15 no.4, 2011년, pp.795 - 802

유영철 (동국대학교) , 엄기환 (동국대학교)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 제3차 고조파 대역에서의 감쇄를 -30 dB 이하로 얻기 위해서 중심도체에 여파기 회로가 삽입된 1.8GHz 대역 Y-junction 스트립라인 아이솔레이터를 설계하였다. 설계한 1.8GHz 대역 스트립라인 아이솔레이터의 비가역특성을 확인하기위하여 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 하였고 제작한 스트립라인 아이솔레이터에 대하여 실험을 하였다. 이들 결과로부터 설계된 스트립라인 아이솔레이터는 제 3 차 고조파 대역에서 -30dB 이상 높은 감쇄를 얻는데 효과적임을 확인하였으며, 또한 0.16T의 포화자화 값을 갖는 페라이트를 사용하는 것이 0.12T의 포화자화 값을 갖는 페라이트를 사용할 때 보다 동작대역으로부터 약 1.2 GHz 더 멀리 이동시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the detailed design procedure of the Y-junction stripline isolator self-contained the filter circuit in the center conductor in order to maximize attenuations below value of 30 dB at 3rd order harmonics is presented. The HFSS is used to simulate 1.8GHz band isolator and the results are compared with the measurement data. These results confirms that the designed stripline isolator is effective in achieving high attenuation above -30 dB at 3rd order harmonics. And it is obtained that the harmonic band of isolator using the ferrite of 0.16T is moved far from operating frequency more 1.2 GHz than one using the ferrite of 0.12T.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

설계한 아이솔레이터를 제작하고 HP사의 Network Analyzer를 이용하여 S-파라메터를 측정함으로써 그 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하며, 주파수대역의 전달특성에는 영향이 없이 제 3차 고조파 대역에서만 감쇄를 약 30dB 이상 얻을 수 있음을 확인하고자 한다. 또한, 0.16 Tesla의 포화자화 값을 갖는 페라이트를 사용 하였을 때와 0.12 Tesla의 페라이트를 사용 하였을 때 동작주파수 대역으로부터 3차 고조파 대역이 어떻게 영향 받는지를 실험을 통해서 확인하고자 한다. 즉, 페라이트의 포화자화 값의 증감에 따른 고조파 대역의 영향을 확인하고 아이솔레이터 설계 시 페라이트를 선정할 때 포화자화 값의 선정기준의 한 부분으로 사용 가능할 것으로 기대한다.
본 논문에서는 아이솔레이터의 가역특성대역인제 3차 고조파대역에서 감쇄를 30 dB 이하로 얻기 위해 중심도체 출력단에 여파기 회로를 포함하여 1.8GHz 대역용 스트립라인 아이솔레이터 를 설계하였다. 그리고 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 다음과 같다.

가설 설정

이때 페라이트는 균일한 외부 자계로 자화되었다고 가정하였고 페라이트의 포화 자화값은 0.16 Tesla, 유전율은 14.7, tanδ는 0.0002 로 하였다.

제안 방법

그림 2(a)에 나타낸 여파기 회로가 삽입되지 않은 중심도체로 설계된 아이솔레이터 를 Ansoft사의 HFSS 로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션에 사용된 아이솔레이터 의 모형은 그림 3(a)와 같으며, S₂₁ 과 S₁₂ 의 시뮬레이션 결과는 그림 3(b)와 같다.
그러므로 본 논문에서는 1.8GHz 대역에서 동작하는 2-포트 Y-Junction 아이솔레이터 가 3차 고조파 대역에서 높은 감쇄를 갖게 하여 주파수 대역의 신호만 전달되도록 하기 위해 중심도체 회로의 출력단안에 여파기 회로를 삽입하여 설계한다. 그리고 설계한 아이솔레이터의 동작주파수 대역에서의 비가역 특성을 확인하기 위해 Ansoft 사의 HFSS (High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 시뮬레이션을 하고자 한다.
그리고 본 논문에서는 아이솔레이터 의 설계에 사용될 페라이트를 동작 주파수 대역에서 최소의 손실을 갖도록 육각형 모양으로 선택하였으며 시뮬레이션에서는 페라이트를 disk 모양으로 근사화 하였다.
8GHz 대역에서 동작하는 2-포트 Y-Junction 아이솔레이터 가 3차 고조파 대역에서 높은 감쇄를 갖게 하여 주파수 대역의 신호만 전달되도록 하기 위해 중심도체 회로의 출력단안에 여파기 회로를 삽입하여 설계한다. 그리고 설계한 아이솔레이터의 동작주파수 대역에서의 비가역 특성을 확인하기 위해 Ansoft 사의 HFSS (High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 시뮬레이션을 하고자 한다. 설계한 아이솔레이터를 제작하고 HP사의 Network Analyzer를 이용하여 S-파라메터를 측정함으로써 그 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하며, 주파수대역의 전달특성에는 영향이 없이 제 3차 고조파 대역에서만 감쇄를 약 30dB 이상 얻을 수 있음을 확인하고자 한다.
표 2 는 사용된 garnet 페라이트의 기본적인 특성값들이다. 또한, 외부 인가 자계로는 Sr 계열의 영구자석을 선택하였으며, 아이솔레이터 의 자계차폐 구조는 가장 차폐효과가 좋은 return shield 구조로 설계하였다[6].
제 3 장에서 설계된 아이솔레이터 를 제작하여 HP 8753D Network analyzer를 이용하여측정하였다. 그림4와 같이 제작된 아이솔레이터는 Ground를 위해 AL재질의 Housing을 사용하였고 Magnetic Field를 Shield하기 위해 Steel 재질을 이용하였으며, 입출력 Port에는 N-type Connector를 사용하여 제작하였다.

대상 데이터

제 3 장에서 설계된 아이솔레이터 를 제작하여 HP 8753D Network analyzer를 이용하여측정하였다. 그림4와 같이 제작된 아이솔레이터는 Ground를 위해 AL재질의 Housing을 사용하였고 Magnetic Field를 Shield하기 위해 Steel 재질을 이용하였으며, 입출력 Port에는 N-type Connector를 사용하여 제작하였다.
스트립라인 구조인 여파기의 설계치수는 높이 H=3.2mm, 회로의 두께 t=0.2mm로 설계되었으며, 캐패시턴스 C=0.9mm × 11.5mm(넓이×길이) 인덕턴스 L=0.6mm × 4.2mm(넓이×길이)이며, 여파기만의 전체길이 L=13.5mm로 설계되었다.

성능/효과

그리고 설계된 아이솔레이터 특성과 아이솔레이터와 별도로 외부에 여파기를 연결했을때의 특성을 비교했을 때 첫째, 동작 주파수 대역에서는 삽입손실이 약 0.09dB 더 증가하였고 둘째, 고조파 영역에서는 감쇄가 7.5 dB, max 더 작게 발생되었다. 이는 두 회로의 연결부분의 선로 길이 증가와 두 소자간의 임피던스 정합에 의한 것으로 추측된다.
둘째, 0.16T의 포화자화 값을 갖는 페라이트를 사용 하였을 때 0.12T의 페라이트를 사용하였을 때 보다 고조파 대역에서의 주파수 응답 특성이 동작주파수 대역으로부터 1.2GHz 정도 더 멀리 이동되어 나타남을 알 수 있었다. 즉, 포화자화 값이 높으면 높을 수 록 고조파 대역을 동작주파수 대역으로부터 더 멀리 이동시킬 수 있다.
이결과는 기존의 아이솔레이터 보다 3 차 고조파 대역에서 20 dB 이상의 감쇄를 더 얻을 수 있었다. 따라서 중심도체에 여파기 회로를 삽입함으로써 아이솔레이터의 전체 크기는 변화 없이 동일한 크기로 3 차 고조파 대역에서 큰 감쇄를 갖도록 할 수 있었으며, 동작 주파수 대역에서 여파기 회로에 의한 아이솔레이터의 S-파라메터 특성 변화가 거의 없음을 실험결과로부터 알 수 있었다.
그리고 설계한 아이솔레이터의 동작주파수 대역에서의 비가역 특성을 확인하기 위해 Ansoft 사의 HFSS (High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 시뮬레이션을 하고자 한다. 설계한 아이솔레이터를 제작하고 HP사의 Network Analyzer를 이용하여 S-파라메터를 측정함으로써 그 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하며, 주파수대역의 전달특성에는 영향이 없이 제 3차 고조파 대역에서만 감쇄를 약 30dB 이상 얻을 수 있음을 확인하고자 한다. 또한, 0.
여파기 회로가 출력단에 삽입된 이솔레이터를 측정한 결과 동작주파수 1,805 MHz ～ 1,880 MHz 에서 S₂₁이 -0.12dB, S₁₂가 -30 dB 로 측정되었으며, 3 차고조파에서의 S₂₁, S₁₂ 의 값은 -30 dB 이하로 측정되었다. 이결과는 기존의 아이솔레이터 보다 3 차 고조파 대역에서 20 dB 이상의 감쇄를 더 얻을 수 있었다.
12dB, S₁₂가 -30 dB 로 측정되었으며, 3 차고조파에서의 S₂₁, S₁₂ 의 값은 -30 dB 이하로 측정되었다. 이결과는 기존의 아이솔레이터 보다 3 차 고조파 대역에서 20 dB 이상의 감쇄를 더 얻을 수 있었다. 따라서 중심도체에 여파기 회로를 삽입함으로써 아이솔레이터의 전체 크기는 변화 없이 동일한 크기로 3 차 고조파 대역에서 큰 감쇄를 갖도록 할 수 있었으며, 동작 주파수 대역에서 여파기 회로에 의한 아이솔레이터의 S-파라메터 특성 변화가 거의 없음을 실험결과로부터 알 수 있었다.
첫째, 동작 주파수 대역에서의 전달특성은 기존의 아이솔레이터 와 동일한 특성을 갖으나, 3 차 고조파 대역에서는 30dB이상의 감쇄를 나타내므로 기존의 아이솔레이터 보다 약 20 dB의 감쇄를 더 얻을 수 있었다.

후속연구

12 Tesla의 페라이트를 사용 하였을 때 동작주파수 대역으로부터 3차 고조파 대역이 어떻게 영향 받는지를 실험을 통해서 확인하고자 한다. 즉, 페라이트의 포화자화 값의 증감에 따른 고조파 대역의 영향을 확인하고 아이솔레이터 설계 시 페라이트를 선정할 때 포화자화 값의 선정기준의 한 부분으로 사용 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Y-junction 아이솔레이터 이론을 디바이스의 S-파라메터 매트릭스 형태로 고려한 사람은?	Y-junction 아이솔레이터는 1960 년대부터 지속적으로 연구가 진행되어 왔다[1-4],[9]. Auld[1]는 Y-junction 아이솔레이터 이론을 디바이스의 S-파라메터 매트릭스 형태로 고려하였으며, Davis[2]는 이러한 개념을 Y-junction 아이솔레이터 설계에 적용시켰다. 그리고 Boson[3]는 Y - junction 아이솔레이터를 disk 구조의 normal mode 형태로 해석하였으며, Comstock[4] 은 대칭적 아이솔레이터 동작을 counter-rotating normal mode 의 형태로 서술하여 나타내었다.
	M/W대 Y-junction 아이솔레이터의 특징은?	M/W대 Y-junction 아이솔레이터는 가장 일반적으로 사용되는 비가역 소자중의 하나로 3-포트를 갖고 있으며, 아이솔레이터 뿐 만 아니라 스위치로도 사용되고 있다. Y-junction 아이솔레이터는 1960 년대부터 지속적으로 연구가 진행되어 왔다[1-4],[9].
	아이솔레이터의 가역특성대역인 제 3차 고조파대역에서 감쇄를 30 dB 이하로 얻기 위해 중심도체 출력단에 여파기 회로를 포함하여 1.8GHz 대역용 스트립라인 아이솔레이터 를 설계하고 시뮬레이션 한 결과는?	첫째, 동작 주파수 대역에서의 전달특성은 기존의 아이솔레이터 와 동일한 특성을 갖으나, 3 차 고조파 대역에서는 30dB이상의 감쇄를 나타내므로 기존의 아이솔레이터 보다 약 20 dB의 감쇄를 더 얻을 수 있었다. 둘째, 0.16T의 포화자화 값을 갖는 페라이트를 사용 하였을 때 0.12T의 페라이트를 사용하였을 때 보다 고조파 대역에서의 주파수 응답 특성이 동작주파수 대역으로부터 1.2GHz 정도 더 멀리 이동되어 나타남을 알 수 있었다. 즉, 포화자화 값이 높으면 높을 수 록 고조파 대역을 동작주파수 대역으로부터 더 멀리 이동시킬 수 있다. 그러나 이때 큰 포화자화 값을 갖는 페라이트를 선택할수록 더 큰 자석 세기로 페라이트를 자화 시켜야 하므로 한계를 갖고 있기 때문에 적절한 trade-off 가 필요하다.

참고문헌 (10)

Auld, B. A. "The synthesis of symmetrical waveguide circulators", IRE MTT-7, pp.238-246, Apr., 1959.
Milano , U, J, Saunders, and L. Davis, "A Y-junction strip-line circulators", IRE MTT-8, pp.346-351, May, 1960.
Bosma H., "On the principle of strip-line circulation", Proc. IEEE, Vol.109, pp.137-146, Jan., 1962.
Fay,C.E.,R.L.Comstock, "Operation of the ferrite junction circulator", IEEE MTT, pp.1-13, Jan., 1965.
Simon,J.W., "Broadband strip-line on line Y-junction circulators", IEEE MTT, pp.335-345, May, 1965.
Lionel E. Davis, "Finite-element method with edge element for waveguide loaded with ferrite magnetized in arbitrary direction", IEEE MTT, pp.809-815, June, 1996.
Hoton How, Carmine Vittoria, "Nonlinear intermodulation coupling in ferrite circulator junctions", IEEE MTT, Vol. 45, pp.245-252, Feb., 1997.

상세보기
Ernst Schloemann, " Advances in ferrite microwave material and device", Journal of magnetism and Magnetic Materials 209, pp. 15-20, 2000

상세보기
Z. B. Ye, Wanchun Tang, "Analysis of Millimeter Wave Microstrip Circulator with a Magnetized Ferrite Sphere by FDTD Method with Modified Matrix Pencil Method", International Journal of Infrared and Millimeter Waves Volume 27, Number 8, pp. 1109 - 1117, 2006.

상세보기
Helsjajn, J., "The Stripline Circulator", John Wiley & SonsInc, 2008

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증