[논문]확장된 신호 감쇄대역을 갖는 다중 PIN다이오드 도파관 리미터 설계

나재현; 노돈석; 김동길

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.5.971

확장된 신호 감쇄대역을 갖는 다중 PIN다이오드 도파관 리미터 설계
Design of the Multi-PIN Diode Waveguide Limiter with Extended Attenuation Bandwidth 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.5, 2018년, pp.971 - 978

나재현 (국방기술품질원 연구원) , 노돈석 ((주)엘트로닉스 연구소) , 김동길 (경일대학교 로봇공학과)

초록
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본 논문에서는 Ku대역 레이더시스템의 핵심부품인 리미터에 대한 설계 및 제작 결과에 대해서 다룬다. 도파관 구조인 다중 PIN다이오드 스위치 특성을 적용하여 설계한 리미터의 신호감쇄 대역을 확장하여, 광대역에서 신호감쇄가 가능하도록 설계 및 구현을 하였다. 제작된 리미터를 대상으로 실험한 결과, PIN다이오드 스위치가 모두 OFF일 때 유입되는 신호가 감쇄없이 전달되었고, 순차적으로 PIN다이오드 스위치가 ON되면 Ku대역 유입 신호가 20dB이상, 그리고 모두 ON이 되면 1000MHz 대역폭 범위에서 50dB 이상의 감쇄가 이루어지는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the design and implementation of a limiter, which is a key component of the Ku-band radar system. The limiter design with the multi-pin diode switch was complemented by wideband signal attenuation, and realized the physical implementation. In the test result of implemented limiter, when the pin diode switch is all off, it is possible to transmit the incoming signal without distortion. Also when the pin diode switch is turned on sequentially, the input signal is attenuated about 20dB or more step by step. Finally when all of them were turned on, attenuation about 50dB or more were measured for a wide bandwidth(1000MHz) in Ku-band.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 레이더시스템 수신단 보호회로 구성도 Fig. 1 Receiver protect circuit for radar system
그림 그림 2. PIN다이오드의 바이어스 모델 Fig. 2 Bias model of PIN diode
그림 그림 3. 포스트 차수증가에 따른 감쇄 특성 Fig. 3 Attenuation pattern for increased post Switch ‘ON’
그림 그림 4. 포스트의 상세 치수 Fig. 4 The detail dimension of the post
그림 그림 5. 설계를 개선한 리미터 단면 Fig. 5 Sectional view of improved limiter structure
그림 그림 6. OFF-OFF-OFF 상태의 리미터 시뮬레이션 Fig. 6 Simulation of limiter with OFF-OFF-OFF state
그림 그림 7. PIN다이오드 상태별 감쇄량 시뮬레이션 Fig. 7 Simulation of Attenuation Effect on Each State of PIN Diode
그림 그림 8. 개선 및 제작된 리미터 형상 Fig. 8 Picture of improved PIN limiter
그림 그림 9. PIN다이오드 OFF-OFF-OFF 감쇄량 측정 결과. Fig. 9 Measurement of attenuation effect on OFF-OFF-OFF PIN diode
그림 그림 10. 제안한 리미터의 PIN다이오드 상태별 감쇄량 측정 결과 Fig. 10 Measurement of attenuation effect on each state of PIN diode of proposed limiter
그림 그림 11. 제안한 리미터의 STC 특성 Fig. 11 STC characteristic of proposed limiter

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PIN다이오드의 포스트 하부공간을 확보한 설계를 통하여, Ku대역에서 1000MHz 대역폭에 대해 50dB 이상의 감쇄를 가지는 도파관 리미터를 설계하고 성능을 확인하였다.
선행 연구에서는 도파관 리미터의 PIN다이오드 스위치 특성을 이용하여 신호 감쇄를 구현 하였으나, 감쇄대역이 250MHz 정도로 매우 협소하였다. 본 논문에서는 도파관 내부 PIN다이오드의 하부 포스트 주변 공간을 확보하도록 설계를 개선하였다. 그 결과 개선된 리미터는 Ku대역 1000MHz 구간의 광대역 범위에서 50dB 이상의 신호 감쇄가 이루어지는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 추적레이더 수신단 리미터의 신호감쇄 대역을 확장한 설계 및 구현방법을 제시하고, 그 결과를 확인하였다. 선행 연구에서는 도파관 리미터의 PIN다이오드 스위치 특성을 이용하여 신호 감쇄를 구현 하였으나, 감쇄대역이 250MHz 정도로 매우 협소하였다.

제안 방법

Ku대역 중 1000MHz 범위에서 감쇄가 일어나도록 하부 포스트의 주변 공간을 그림4와 같이 진공상태로 설계하였으며, 기존 설계에서 존재했던 하부 포스트 고정블록은 더 아래쪽으로 이동하였다. 3개의 PIN다이오드 포스트 간격은 기존 설계 값을 유지하였다.
PIN다이오드 상태가 바뀜에 따라 리미터의 투과계수(S21) 및 반사계수(S11)가 어떻게 변화하는지 측정하여 성능을 확인하였다. 그림9는 모든 PIN다이오드 스위치가 OFF된 상태로, 입력신호가 모두 통과되어 투과계수가 0dB 임을 확인하였다.
그림8은 개선된 리미터의 측면도 및 최종 제작이 완성된 리미터이며, PIN다이오드가 연결된 포스트 3개가 돌출되어 있고 각 포스트에 전압 바이어스를 조절하여 다이오드를 ON 또는 OFF 할 수 있게 제작하였다. 이를 위해 바이어스 전압을 각기 다른 전압으로 제어하기 위한 Micro-D 커넥터를 부착하였다.
등가회로와 그에 따른 물리적 대응구조의 특성들을 회로 시험기와 전자장 해석 프로그램을 통해 관찰하고, 개선된 다중 PIN다이오드 구조를 제작 후 성능확인을 통해 설계이론의 타당성을 검증하였다.
선행연구에서 설계한 다중 PIN다이오드를 적용한 리미터는 신호 감쇄대역이 협소하였으며, 이를 보완하기 위해 각 PIN다이오드의 하부 포스트가 시작되는 공간이 확보되도록 설계 개선하였다. 이는 다이오드의 높낮이 조절에 따라 신호감쇄 및 통과대역을 조절할 수 있는 특성을 활용한 것이다.
그림8은 개선된 리미터의 측면도 및 최종 제작이 완성된 리미터이며, PIN다이오드가 연결된 포스트 3개가 돌출되어 있고 각 포스트에 전압 바이어스를 조절하여 다이오드를 ON 또는 OFF 할 수 있게 제작하였다. 이를 위해 바이어스 전압을 각기 다른 전압으로 제어하기 위한 Micro-D 커넥터를 부착하였다.

성능/효과

그림7의 (a), (b), (c)는 각각 스위치 3개 중 1개만 ON이 된 상태로 1000MHz 대역폭에서 15dB이상의 감쇄를 보여준다. 또한 그림7의 (d)와 같이 3개의 PIN다이오드를 모두 ON하면(PIN다이오드에 발생하는 정전용량은 각각 0.16pF, 0.16pF, 0.18pF 가정), 투과계수가 약 1000MHz 대역폭에서 50dB 이상 되는 것을 확인하였다.
Ku대역 중 1000MHz 범위에서 감쇄가 일어나도록 하부 포스트의 주변 공간을 그림4와 같이 진공상태로 설계하였으며, 기존 설계에서 존재했던 하부 포스트 고정블록은 더 아래쪽으로 이동하였다. 3개의 PIN다이오드 포스트 간격은 기존 설계 값을 유지하였다.
PIN다이오드 하나에 의한 감쇄는 20dB정도이며, PIN다이오드를 모두 ON할 경우 그림10의 (d)와 같이 1000MHz 대역폭에 대해서 50dB 이상 감쇄가 이루어지는 것을 확인하였다. 향후 PIN다이오드의 구경과 내부 정전용량값을 크게 하고, PIN다이오드의 개수를 늘리면 감쇄량은 더욱 증가할 것으로 사료된다.
개선된 구조에서 PIN다이오드 스위치가 OFF-OFF-OFF 상태일 때는 대역통과 필터로 동작하며, 그림6과 같이 투과계수(S21)를 확인한 결과 입력신호가 출력포트로 손실 없이 전송되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 도파관 내부 PIN다이오드의 하부 포스트 주변 공간을 확보하도록 설계를 개선하였다. 그 결과 개선된 리미터는 Ku대역 1000MHz 구간의 광대역 범위에서 50dB 이상의 신호 감쇄가 이루어지는 것을 확인하였다.
반면 PIN다이오드를 순차적으로 한 개씩 ON하면, 그림10과 같이 투과계수의 값이 현저하게 저하되는 감쇄특성이 확인하였으며, 시뮬레이션 결과와 비교하여 투과계수의 변화 형태가 유사한 것을 확인하였다.
선행 연구의 결과와 비교하여, 훨씬 넓은 대역의 신호를 감쇄할 수 있는 것을 확인하였으며, 이는 넓은 주파수 범위의 입력전력을 차단할 수 있음을 보여준다.
아울러, 추적 레이더 펄스 송신 후 근거리에서 반사되어 유입되는 신호를 억제하기 위한 리미터 STC(Sensitivity Time Control) 기능도 구현하였으며, 그림11과 같이 리미터 감쇄를 5dB 단위로 제어가능한 것을 확인하였다.

후속연구

개선된 구조를 통해 국방용 광대역 무선통신 시스템의 리미터 기본 설계기술력이 확보될 것으로 판단되며, 향후 유사 시스템 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.
PIN다이오드 하나에 의한 감쇄는 20dB정도이며, PIN다이오드를 모두 ON할 경우 그림10의 (d)와 같이 1000MHz 대역폭에 대해서 50dB 이상 감쇄가 이루어지는 것을 확인하였다. 향후 PIN다이오드의 구경과 내부 정전용량값을 크게 하고, PIN다이오드의 개수를 늘리면 감쇄량은 더욱 증가할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추적레이더는 어떤 기능을 수행하는가?	추적레이더는 표적에서 반사되어 돌아오는 전파를 수신하여 표적의 고도, 방위, 속도 정보를 산출하는 기능을 수행한다. 일반적으로 탐지거리에 따라 S대역, X대역, Ku대역, Ka대역 등 다양한 주파수 대역의 레이더가 표적의 탐지 및 추적에 사용되고 있다[1-3].
	허용 임계값 이상의 신호를 적절히 감쇄하여 수신단으로 전달하는 역할을 하는 리미터가 매우 중요한 소자인 이유는?	리미터(Limiter)는 그림1과 같이 추적레이더의 수신단(증폭기 등)에서 입력신호가 허용 가능한 임계값 이상으로 유입되는 것을 막아 시스템을 보호하기 위해 사용하는 소자이다[4-5]. 특히 레이더시스템은 평시에는 복잡한 민간의 전자파 환경에 노출되며, 전시에는 EMP(: Electro Magnetic Pulse) 공격과 같은 극단적인 전자전에 노출된다. 그 외에는 장비 내의 송신단과 안테나에서 누설되는 전력으로 인하여 수신단에 과도한 전력이 공급될 수 도 있다. 따라서 허용 임계값 이상의 신호를 적절히 감쇄하여 수신단으로 전달하는 역할을 하는 리미터는 매우 중요한 소자이다[6-7].
	리미터란?	리미터(Limiter)는 그림1과 같이 추적레이더의 수신단(증폭기 등)에서 입력신호가 허용 가능한 임계값 이상으로 유입되는 것을 막아 시스템을 보호하기 위해 사용하는 소자이다[4-5]. 특히 레이더시스템은 평시에는 복잡한 민간의 전자파 환경에 노출되며, 전시에는 EMP(: Electro Magnetic Pulse) 공격과 같은 극단적인 전자전에 노출된다.

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].

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