[논문]PIN 다이오드를 이용한 대역 통과 여파 특성을 갖는 리미터 설계 및 실험

박준서; 김병문; 조영기

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.9.1072

초록
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본 논문에서는 레이다 시스템의 수신단의 도파관 리미터와 대역 통과 여파기를 하나의 소자로 구현하는 방법을 제시하고자 한다. 먼저 대역 통과 여파 특성을 갖는 아이리스 구조를 제안하고 PIN 다이오드를 연결하여 도파관에 입사되는 전력의 크기에 따른 PIN 다이오드 바이어스 동작 특성에 따라서 각각 여파기와 리미터로 동작하는 구조를 설계하였다. 제작된 구조는 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, 10 GHz에서 -0.7 dB의 삽입 손실을 갖는 통과 대역을 형성하는 여파기로, 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우 대략 25 dB의 분리도를 갖는 리미터로 동작한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the method of design of the waveguide band-pass filter and limiter in radar system is proposed. First, we design a self-resonant iris, which can behave as a band-pass filter by mounting the PIN diode on the iris. When low power microwave is incident on the proposed element, the elemen...

In this paper, the method of design of the waveguide band-pass filter and limiter in radar system is proposed. First, we design a self-resonant iris, which can behave as a band-pass filter by mounting the PIN diode on the iris. When low power microwave is incident on the proposed element, the element behaves as a band-pass filter. Under a high power microwave condition, however, the element behaves as a limiter having wide band stop characteristics. The fabricated element has a pass band with -0.7 dB insertion loss at 10 GHz under the low power condition and isolation about 25 dB under the high power condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

레이더 수신부 보호와 소형화를 위해 본 논문에서는 도파관 리미터에 다이오드 장착을 위한 일반적인 포스트 구조^[1],[4] 대신 대역 통과 여파기 특성과 리미터 특성을 갖는 아이리스 구조^[5]를 적용하여 하나의 도파관 리미터 구현을 목표로 한다. 먼저 도파관 횡단면에 삽입되어 대역 통과 여파기의 특성을 가지는 아이리스를 설계한 뒤, PIN 다이오드를 바이어스(bias)에 따른 동작 특성을 고려하여 여파기로서 설계된 아이리스에 삽입한다.
본 논문에서는 고출력 레이다 시스템의 수신부에서 사용되는 대역 통과 여파기와 수신부를 보호하기 위한 리미터를 하나의 소자로 만들어서 전체 레이다 시스템을 소형화하는 방법을 제시하였다. 제안된 아이리스 구조는 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, PIN 다이오드와 결합하여 병렬 공진이 발생하면서 중심 주파수 10 GHz에서 통과 대역을 형성하는 대역 통과 여파기로서 동작함을 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였으며, 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, PIN 다이오드의 임피던스 값 변화로 인한 직렬 공진 발생으로 대부분의 전력을 반사하는 25.

제안 방법

를 적용하여 하나의 도파관 리미터 구현을 목표로 한다. 먼저 도파관 횡단면에 삽입되어 대역 통과 여파기의 특성을 가지는 아이리스를 설계한 뒤, PIN 다이오드를 바이어스(bias)에 따른 동작 특성을 고려하여 여파기로서 설계된 아이리스에 삽입한다. 리미터가 통과 특성을 가질 때, 즉 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우 본 논문에서 제안된 아이리스 구조는 대역 통과여파기로서 동작을 하며, 반대로 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우에는 분리 특성이 나타난다.
3 mm이다. 아이리스는 기판의 식각(etching) 과정을 거쳐서 접지(ground)을 제거시키고, 도파관 횡단면에 삽입하기 위하여 도파관의 플랜지(flange) 면 크기에 맞게 제작하였다.
높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, 리미터의 분리도(isolation)를 측정하기 위한 실험 구성도는 그림 11과 같다. 전력이 높기 때문에 장비 보호를 위한 20 dB 감쇄기(attenuator)를 리미터 뒷 단에 추가하였고, 커플러(coupler)에서 출력되는 43 dBm의 전력이 리미터에 입력되며, Peak Power Meter를 이용해서 분리도를 측정하였다.

대상 데이터

신호 발생기(signal generator)로부터 펄스 폭(pulse width) 0.5 μs, 듀티(duty) 1 %를 갖는 펄스를 생성해서 전원으로 사용하였다.
아이리스는 비유전율 εr =2.55인 Taconic TLX-8 마이크로스트립(micro strip) 기판으로 제작되며, 두께는 0.3 mm이다.

성능/효과

낮은 전력의 마이크로파가 리미터에 입사하는 경우의 여파 특성을 확인하기 위해 VNA(Vector Network Analyzer)를 도파관에 연결해서 실험을 하였고, 시뮬레이션 결과와 실험 결과가 거의 일치함을 확인 하였다(그림 10).
495 dBm의 전력이 측정되었다. 따라서 감쇄기에 의한 20 dB의 손실을 보상해 주면 리미터의 분리도는 25.495 dB이고, flat leakage는 17.5 dBm이다. CLA 4606 PIN 다이오드에 43 dBm의 전력이 입사하는 경우의 분리도는 대략 27 dB^[8]이며, 측정된 25.
리미터가 통과 특성을 가질 때, 즉 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우 본 논문에서 제안된 아이리스 구조는 대역 통과여파기로서 동작을 하며, 반대로 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우에는 분리 특성이 나타난다. 따라서 제안된 구조는 기존의 도파관 리미터를 설계하는 과정에서 필요했던 대역 통과 여파기 부분을 추가함에도 전체 리미터의 크기가 증가하지 않으며, 다단(multi-stage)으로 구현이 가능하기 때문에 수신단에서 사용되는 대역 통과 여파기의 설계에도 적합한 구조이다.
먼저 도파관 횡단면에 삽입되어 대역 통과 여파기의 특성을 가지는 아이리스를 설계한 뒤, PIN 다이오드를 바이어스(bias)에 따른 동작 특성을 고려하여 여파기로서 설계된 아이리스에 삽입한다. 리미터가 통과 특성을 가질 때, 즉 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우 본 논문에서 제안된 아이리스 구조는 대역 통과여파기로서 동작을 하며, 반대로 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우에는 분리 특성이 나타난다. 따라서 제안된 구조는 기존의 도파관 리미터를 설계하는 과정에서 필요했던 대역 통과 여파기 부분을 추가함에도 전체 리미터의 크기가 증가하지 않으며, 다단(multi-stage)으로 구현이 가능하기 때문에 수신단에서 사용되는 대역 통과 여파기의 설계에도 적합한 구조이다.
실제 레이다 수신부를 구성하는 여파기는 다단 (multi-stage)으로 구성되며, 리미터 또한 높은 분리도를 얻기 위하여 다단으로 구성된다. 본 논문에서 제안된 소자는 일반적인 다단 여파기 및 리미터와 같이 소자를 다단으로 구성하면 대역폭을 조절함과 동시에 리미터의 분리도 또한 증가한다. 즉, 다단으로 구성하면 할수록 전체 레이다 수신부의 크기는 현저히 소형화가 되기 때문에 전체 시스템 및 경제적인 측면에서도 개발자들에게 실무적인 도움이 될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 고출력 레이다 시스템의 수신부에서 사용되는 대역 통과 여파기와 수신부를 보호하기 위한 리미터를 하나의 소자로 만들어서 전체 레이다 시스템을 소형화하는 방법을 제시하였다. 제안된 아이리스 구조는 낮은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, PIN 다이오드와 결합하여 병렬 공진이 발생하면서 중심 주파수 10 GHz에서 통과 대역을 형성하는 대역 통과 여파기로서 동작함을 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였으며, 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, PIN 다이오드의 임피던스 값 변화로 인한 직렬 공진 발생으로 대부분의 전력을 반사하는 25.495 dB의 분리도를 가지는 리미터로 동작함 역시 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 도파관식 리미터가 가지는 특성은 무엇인가?	일반적인 도파관식 리미터는 전달 특성과 분리특성을 가지며, 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, 즉 분리 특성을 가질 조건에서 특정 주파수 영역을 제외하면 손실이 적다. 이러한 특성을 보완하기 위해서 대역 차단 특성을 가지는 여파기가 추가로 사용되며, 이 경우 도파관 내에서 고차 모드가 형성되며, 전체 리미터의 크기가 커진다[3] .
	리미터가 사용되는 이유는 무엇인가?	리미터는 높은 전력을 가지는 마이크로파로부터 레이다 수신단를 보호하기 위해 사용되며, 대부분의 경우 리미터는 PIN 다이오드가 사용된다. 일반적으로 레이다 송신단에 비해 수신단에서 다루는 전력은 매우 작은 레벨의 전력이기 때문에 송신단 또는 안테나로부터 누설되는 전력으로부터 수신단을 보호 하기 위해서 리미터가 사용된다[1],[2] .
	특정 주파수 영역을 제외하면 손실이 적은 분리 특성을 보완하기 위해 추가로 사용되는 기기는 무엇인가?	일반적인 도파관식 리미터는 전달 특성과 분리특성을 가지며, 높은 전력의 마이크로파가 입사하는 경우, 즉 분리 특성을 가질 조건에서 특정 주파수 영역을 제외하면 손실이 적다. 이러한 특성을 보완하기 위해서 대역 차단 특성을 가지는 여파기가 추가로 사용되며, 이 경우 도파관 내에서 고차 모드가 형성되며, 전체 리미터의 크기가 커진다[3] .

참고문헌 (8)

Roberts, "A review of solid-state radar receiver protection devices", Microwave J., vol. 34, no. 12, pp. 121-122, Feb. 1991.
R. F. Bilotta, "Receiver protections: a technology update", Microwave J., vol. 40, no. 8, Aug. 1997.
신니혼무센가부시키가이샤, "저역 필터용 도파관식 다이오드 리미터", 한국특허, 출원번호. 10-19880001685, 1988.
Ruijie Mao, Guoyu Yang, and Xiaohong Tang, "Genetic algorithm optimication of waveguide limiter", Asia-Pacific Microwave Conference Proc, 2005.
Nikolai V. Drozdovski, Lioudmila M. Drozdovskaia, "Microstrip and waveguide passive power limiters with simplified construction", J. Microwaves and Optoelectronics, vol. 1, no. 5, pp. 14-29, Dec. 1999.
Joseph F. White, Microwave Semiconductor Engineering, Van Nostrand Reinhold Company INC, 1982.
Norman J. Brown, "Design concepts for high-power PIN diode limiting", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-15, no. 12, Dec. 1967.
Skyworks, "CLA series: silicon limiter diodes, packaged and bondable chips", Skyworks Solutions Inc., Mar. 2012.

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