본 연구에서는 X-밴드 레이더에서 사용하는 9.385[GHz] 서큘레이터를 Y형 WR112 도파관속에 페라이트를 삽입하여 제작을 하였다. 페라이트 설계는 B/R(Below Resonance) 모드 방식을 사용하여, 페라이트 내부에서 전계 분포가 120도의 회전이 발생하는 조건과 페라이트의 내부의 직류 자계의 세기와 외부 자계의 세기를 계산하였다. 또한, 임피던스정합을 포함하여 대역폭, 선택도, 삽입손실 등, 서큘레이터의 성능 향상을 위하여 두 개의 페라이트 사이에 같은 형태의 유전체를 삽입하였다. 최적의 페라이트 형태 및 유전체를 얻기 위하여 CST MWS를 이용하였다. 9.385[GHz]에서 시뮬레이션 결과는 정재파비 1.02, 분리도 -40dB, 삽입손실 0.2dB의 결과를 얻었고, 측정 결과는 정재파비 1.03, 분리도 -38dB, 삽입손실 1.2dB 이었다. 분리도, 정재파비는 시뮬레이션 결과와 잘 일치 하였지만, 삽입손실은 약 1dB 정도 크게 발생하였다.
본 연구에서는 X-밴드 레이더에서 사용하는 9.385[GHz] 서큘레이터를 Y형 WR112 도파관속에 페라이트를 삽입하여 제작을 하였다. 페라이트 설계는 B/R(Below Resonance) 모드 방식을 사용하여, 페라이트 내부에서 전계 분포가 120도의 회전이 발생하는 조건과 페라이트의 내부의 직류 자계의 세기와 외부 자계의 세기를 계산하였다. 또한, 임피던스 정합을 포함하여 대역폭, 선택도, 삽입손실 등, 서큘레이터의 성능 향상을 위하여 두 개의 페라이트 사이에 같은 형태의 유전체를 삽입하였다. 최적의 페라이트 형태 및 유전체를 얻기 위하여 CST MWS를 이용하였다. 9.385[GHz]에서 시뮬레이션 결과는 정재파비 1.02, 분리도 -40dB, 삽입손실 0.2dB의 결과를 얻었고, 측정 결과는 정재파비 1.03, 분리도 -38dB, 삽입손실 1.2dB 이었다. 분리도, 정재파비는 시뮬레이션 결과와 잘 일치 하였지만, 삽입손실은 약 1dB 정도 크게 발생하였다.
In this study, we have fabricated 9.385[GHz] circulator that is composed of WR112 waveguide and Ferrite for X-band radar. For designing Ferrite, B/R mode(Below Resonance mode) was used and calculated the condition of 120 degree rotation of the electric field in Ferrite and calculated internal DC mag...
In this study, we have fabricated 9.385[GHz] circulator that is composed of WR112 waveguide and Ferrite for X-band radar. For designing Ferrite, B/R mode(Below Resonance mode) was used and calculated the condition of 120 degree rotation of the electric field in Ferrite and calculated internal DC magnetic field and external DC magnetic field. Also, dielectric materials of the same shape with Ferrite was filled between two Ferrite for improving the performance of the circulator, including impedance matching, bandwidth, quality factor, insertion loss. To obtain optimum shape of the Ferrite and dielectric material, we used CST MWS. Simulation result of the circulator is that 1.02 : 1 VSWR, -40dB isolation, 0.2dB insertion loss and measurement result is that 1.03 : 1, -38dB, 1.2dB at 9.385[GHz]. We can get good agreement at isolation and VSWR, but insertion loss was 1 dB great than simulation result.
In this study, we have fabricated 9.385[GHz] circulator that is composed of WR112 waveguide and Ferrite for X-band radar. For designing Ferrite, B/R mode(Below Resonance mode) was used and calculated the condition of 120 degree rotation of the electric field in Ferrite and calculated internal DC magnetic field and external DC magnetic field. Also, dielectric materials of the same shape with Ferrite was filled between two Ferrite for improving the performance of the circulator, including impedance matching, bandwidth, quality factor, insertion loss. To obtain optimum shape of the Ferrite and dielectric material, we used CST MWS. Simulation result of the circulator is that 1.02 : 1 VSWR, -40dB isolation, 0.2dB insertion loss and measurement result is that 1.03 : 1, -38dB, 1.2dB at 9.385[GHz]. We can get good agreement at isolation and VSWR, but insertion loss was 1 dB great than simulation result.
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문제 정의
또한, 계산된 DC 바이어스 자계는 페라이트 내부에서의 자계이므로, 이러한 자계를 외부에서 공급하기위해서는 영구자석이 위한 환경을 고려해야하기 때문에 이론적으로 계산된 바이어스의 정확한 자계의 세기를 얻는다는 것이 대단히 어렵다. 이러한 관점에서 차기 연구과제로서는, 균일한 외부 자계의 세기를 얻기 위한 방법과, 본 연구 결과를 이용하여, 대전력를 취급하는 레이더에서 누설되는 전력이 수신부에 들어오는 것을 제한하는 전력 제한기를 부착할 수 있는 4-port 서큘레이터를 제작하고자 한다.
즉, 페라이트 자성체의 텐서 투자율과 정, 부 원 편파의 유효 투자율이, DC 바이어스 자계, 포화 자계 Ms, 페라이트 공진 각주파수 w0, Ms에 따라서 정해지는 상수 각 주파수 wm, 그리고, 사용하는 RF 주파수에 따라서 변한다는 물리적 인 성질을 이용하여, 페라이트내의 자계 정재파 가 30° 회전이 발생하는 조건을 찾아서 도파관 형 Y-분기 서큘레이터를 개발하고자 한다.
제안 방법
3-port 서큘레이터를 제작하기 위하여 상기의 자기적 특성 및 제원 형태의 Garnet형 G-4256 페라이트를 Trans-Tech 회사에 주문제작을 하였고, 표 2는 제작된 페라이트의 전자기적 성질을 보인 것이다.
도파관 내부에 정합용 금속 도체판 위에 미세 임피던스 정합을 위하여 테프론이 삽입된 페라이트를 장착한 3-port 서큘레이터를 시뮬레이션 하였다. 그림 4, 5, 6은 입력 포트를 변경함에 따라서 전송과 분리 포트가 변경됨으로서 서큘레이터로 동작하는 상태를 보인 것이다.
따라서 B/R 모드는 rf 주파수가 높은 경우 매우 큰 Hfr (f=10GHz인 경우, 3571.4[Oe])에서 ferrimagnetic resonance가 발생하므로, Hfr를 크게하고, Hi를 작게하여 Rf 손실을 작게하는 방법을 의미하는데, 본 연구에서는 X-band 9.385GHz용 서큘레이터를 제작하므로 B/R 방법을 사용한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 포화자화 4πMs가 1600[Gauss]인 Trans Tech사의 G-4256 페라이트의 자기적 특성을 기준으로, 삼각형 형태의(빗변길이: 9.
즉, 서큘레이터는 페라이트 자성체의 텐서 투자율과 입사되는 정, 부 원 편파의 유효 투자율이, DC 바이어스 자계, 포화 자계 Ms, 페라이트 공진 각주파수 w0, Ms에 따라서 정해지는 상수 각주파수 wm, 사용하는 RF 주파수에 따라서 변한다는 물리적인 성질을 이용하여, 페라이트내의 자계 정재파가 30° 회전이 발생하는 조건을 찾아서 도파관형 Y-분기 서큘레이터를 개발한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 3D EM 툴을 이용하여, 9.385[GHz]에서 반사파가 최소로 발생하는 최적의 조건을 설계하고, 시제품을 제작하여 애질렌트 사의 N5242A 회로망 분석기를 이용하여 S-parameter를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 포화자화 4πMs가 1600[Gauss]인 Trans Tech사의 G-4256 페라이트의 자기적 특성을 기준으로, 삼각형 형태의(빗변길이: 9.8mm, 두께 : 2.8mm, 비유전율 15.1)페라이트와, 임피던스 정합을 위하여 동일한 형태의 테프론(비유전율 2.45)을 그림 3과 같이 페라이트 사이에 삽입하여 시뮬레이션을 하였다.
따라서 임피던스 정합 및 3-port 순환되는 설계 데이터를 미세 조정이 필요하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Taconi 사의 유전율 2.45 테프론을 페라이트의 삼각형 형태로 절단하여 페라이트 사이에 높이 9.8mm가 되도록 삽입한 형태를 사용하여 임피던스 정합 및 최적 순환 상태를 설계하였다. 그림 9, 10은 제작된 서큘레이터의 내부 구조를 보인 것이고, 그림 11은 회로망 분석기로 서큘레이터의 특성을 측정하기 위해서 각 포트에 50옴 터미네이터를 연결한 것을 보인 것이다.
즉, 서큘레이터는 페라이트 자성체의 텐서 투자율과 입사되는 정, 부 원 편파의 유효 투자율이, DC 바이어스 자계, 포화 자계 Ms, 페라이트 공진 각주파수 w0, Ms에 따라서 정해지는 상수 각주파수 wm, 사용하는 RF 주파수에 따라서 변한다는 물리적인 성질을 이용하여, 페라이트내의 자계 정재파가 30° 회전이 발생하는 조건을 찾아서 도파관형 Y-분기 서큘레이터를 개발한다.
대상 데이터
본 연구 개발에서는 9.385[GHz]에서 동작하는 해안 감시용 레이더에 사용되는 WR112 도파관용 Y 분기 3-port 서큘레이터를 설계, 시뮬레이션 과정을 거쳐서 제작하였다. 특성 측정시 시스템의 성능을 좌우하는 S11, S31은 시뮬레이션 결과와 비슷한 결과가 측정되었지만, 전송되는 port에서는 시뮬레이션 결과보다 약간 큰 손실이 발생하였다.
45)을 그림 3과 같이 페라이트 사이에 삽입하여 시뮬레이션을 하였다. 사용한 도파관은 WR-112이며, 임피던스 정합을 위하여 정삼각형 금속 받침대를 사용하였다.(빗변 길이 25mm, 높이 1.
성능/효과
9GHz에서 9GHz로 900MHz가 되는 것으로 보여진다. 따라서 WR-112 도파관을 이용한 X-Band 9.385GHz용 서큘레이터의 시뮬레이션 결과는 목표 이상의 성능을 보이는 결과를 얻었다.
측정되었다. 시뮬레이션 결과와 비교하면, 반사계수에 해당하는 S11은 매우 우수한 특성을 보이지만, 전송계수에 해당하는 S21은 손실이 1dB 이상 증가한 것으로 측정되었다.
제작 목표로한 격리도는 동작 주파수 9.385GHz에서 20dB 이하를 목표로 하였는데, 설계에 이한 시뮬레이션 결과는 -34dB에서 -44dB까지 매우 우수한 격리도를 보이고 있다. 또한 출력단에서의 삽입손실의 목표는 0.
즉, 정재파비 및 분리도는 기존의 제품보다 우수한 특성을 보였으나 삽입손실은 약 0.9dB 정도로 증가했는데, 이것은 시제품 제작의 정밀도 및 페라이트와 테프론의 수작업으로 조립한 결과이므로, 본 연구 에서 설계된 데이터를 정밀하게 제작, 가공하는 기술이 도입 되면, 삽입손실도 감소할 것이라 생각된다.
후속연구
이것은 앞에서 언급하였듯이 시제품 제작의 정밀도 및 조립, 그리고 DC 바이어스용 영구자석의 불균일한 자계의 세기에 의한 것으로 사료된다. 따라서 본 시제품을 상용 제품으로 사용하기 위해서는 이러한 정밀도 문제 해결을 위한 연구가 좀 더 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물질의 자기적 성질이 발생하는 이유는?
물질의 자기적 성질은 주로 전자 스핀에 의해서 발생되는 자기적 다이폴 모멘트의 존재 때문에 발생한다. 대부분의 고체에서 전자스핀은 쌍으로 반대 방향으로 발생하므로 전체적인 자기적 모멘트는 무시되지만, 자성체에서는 left-hand 스핀과 right-hand 스핀이비 대칭적이고, 불규칙하게 분포되어 작은 자기 모멘트가 존재한다.
한 개의 안테나를 사용하는 듀플렉서나 대신호를 다루는 소자를 포함하는 시스템에 필수적인 것은?
한 개의 안테나를 사용하여 무선 신호의 송수신을 분리하는 듀플렉서나, 전력 증폭기와 같은 대신호를 다루는 소자를 포함하는 시스템에서는 이들과 이웃소자를 분리하는 서큘레이터가 필수적이다[1,2]. 서큘레이터는 페라이트와 같은 비가역 소자를 이용한 부품으로서 H.
실험 결과, 전송되는 port에서는 시뮬레이션 결과보다 약간 큰 손실이 발생한 이유는 무엇인가?
특성 측정시 시스템의 성능을 좌우 하는 S11, S31은 시뮬레이션 결과와 비슷한 결과가 측정되었지만, 전송되는 port에서는 시뮬레이션 결과보다 약간 큰 손실이 발생하였다. 이것은 두 개의 페라이트사이에 테프론을 삽입할 때 수직적으로 완전히 일치가 되어야하는데, 수작업으로 테프론을 연마하여 설계 수치를 얻는 관계로 부정확성에 의한 임피던스 정합이 이루어지지 않기 때문이라 사료된다. 따라서 이러한 정밀도 문제를 해결하는 연구가 좀더 필요하다고 사료된다.
참고문헌 (9)
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M2 Global Technology Ltd., Understanding coaxial and drop-in circulators and isolators, http://www.M2global.com
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