KR101707955B1 - Ｕｈｆ대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)에 관한 것으로, 특히 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 광대역 집중 정수형 아이솔레이터에 있어서, 3port를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판; 상기 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트; 각 페라이트 위 아래로 접착된 자석; 및 둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 상기 둥근 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 파논 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판;을 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 구비하고,
상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator, Circulator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 아이솔레이터의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Too로 최적화한 Cross-over 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 센터 크로스오버 네트워크를 설계 적용하였으며, 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로를 통해 손실없이 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

Description

ＵＨＦ대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터{Broadband Lumped Type Isolator in UHF band}

본 발명은 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)에 관한 것으로, 특히 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 제작하며, 광대역 특성을 위하여 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 성능 향상이 이루어지고, 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 써큘레이터(Circulator, Isolator)로써 장거리 무선지상 전파통신용 시스템에 적용될 저주파(UHF)에서 세계 최고 수준의 광대역(56%)이 가능한 UHF대 광대역 세계 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3D EM Tool을 사용하여 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 적용 설계하여 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 갖고, 크로스오버 구조를 가진 2단 공진기(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 회로가 결합된 자기 차폐 기구를 구현하여 아이솔레이터를 개발하기 위한, UHF대 광대역 정수형 아이솔레이터에 관한 것이다.

최근, 이동통신 기술의 급속한 발전함에 따라 서비스의 다양화에 의하여 이동통신의 수요가 급증하고 있다. 무선통신을 위한 이동통신 기지국 및 단말기용, 또는 군 통신용 RF 부품에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 단말기 및 기지국에서 송신 신호는 전력증폭기를 경유하여 고 전력 신호를 Filter, Duplexer, 또는 RF Switch 등을 통해 안테나에 전달된다. 부품간의 부 정합 및 부품의 열화에 의한 반사파가 전력증폭기로 재 입력되어 RF성능저하와 통신 시스템을 파손하게 된다. 이를 방지하기 위하여 비 가역 전달 특성을 이용하여 RF 회로간의 간섭을 줄이거나, 핵심부품의 보호 또는 임피던스 정합용으로 쓰이고, 특정방향으로만 신호가 전달되는 아이솔레이터(Isolator)를 사용해야 한다.

아이솔레이터(Isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템(long-range wirelesss terrestrial communication system)에서 트랜시버(tranceiver)의 상호 간섭(mutual interference)을 줄이기 위해 마이크로웨이브(microwave)에서 기본 구성 소자로써 써큘레이터(Circulator)라고도 불리며, 써큘레이터(Circulator)는 안테나로 송신되는 전력중의 일부가 반사되어 전력증폭기에 재입력되는 것을 방지하고(rejecting backward signals) 송신기의 퍼포먼스(performance of transmitter)를 안정화하도록 페라이트(ferrite)와 3개의 단자(three port device)를 사용하는 수동 소자(passive component)이다. 미국은 군사용으로 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 차량-항공기(vehicle-to-aircraft) 및 차량-배(vehicle-to-ship)를 위해 225~400MHz 주파수 대역을 사용하고 있다.

항공무선항행에 쓰이는 UHF(225~400MHz)대 주파수는 엄격한 표준에 의해 가장 제한적인 이동통신 시스템이 사용되고 있다. ICAO(International Civil Aviation Organization)에서는 이 주파수 대역이 15년 이내에 4%이상 사용 증가할 것으로 예상하고 있다. 실제 미국에서는 군용 항공 주파수로써 UHF대 225~380MHz에 이르는 주파수 대역을 사용하고 있으며, 정부의 기상학뿐 만 아니라 재난 비상 주파수로도 사용하고 있어 상기 대역에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다.

Circulator는 대표적인 비가역적 소자로서 N개의 단으로 구성된 수동소자로 정의된다. 한 개의 입력 단으로 들어온 신호는 인접한 다른 한쪽 단으로 전달되나 또 다른 단으로는 격리되는 성질을 가지고 있다. 이러한 Isolator의 비가역적인 성질을 이용하여 여러 가지 용도의 기구로 이용할 수 있다.

예를들면, 3port 써큘레이터(Circulator)의 3개 단자 중 1개의 단자를 50Ω으로 정합하여 아이솔레이터(Isolator)가 구현된다. Isolator는 직류 자계를 발생키는 자석과 Ferrite와 RF신호의 전송선로인 스트립선로 또는 동축선로를 사용하여 구현한다. Isolator는 전력과 주파수에 따라서 도파관, 동축선로, 스트립선로 형태로 구현되며, 구현방식에 따라 해석방법이 다르다. 스트립선로를 이용하여 구현된 Isolator의 해석은 크기와 구성방법에 의하여 모드 이론에 의한 해석, 분포정수회로 모델에 의한 해석, 집중소자 모델에 의한 해석방법을 사용하고 있다.

현재 사용하는 이동통신용 UHF 주파수 대역에서 단말기용 Isolator는 소형화가 용이한 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped-element Type Isolator)를 사용한다. 반면에, 모드해석과 분포정수 해석방법에 의한 분포 정수형 아이솔레이터(Distributed Type Isolator)는 이동통신 기지국에 사용되며, 크기 및 사용전력이 집중 정수형보다 크다. 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped-element Type Isolator)는 1960년대 Konish가 처음 제안하였으며, 그 후 여러 사람에 의해 연구가 수행되였다. 아이솔레이터는 페라이트를 금속선으로 감아 인덕턴스를 구현하고 외부 자석과 캐패시턴스에 의해 공진한다.

주파수 의존성으로 인해 중심 주파수가 낮을수록 페라이트 사이즈의 증가에 기인한 제작상 애로점으로 인해, 경쟁사 제품들은 대부분 Junction Type의 Isolator를 사용하고 이에 따라 주파수대역이 협대역이다, 반면에, 여러 정보를 담은 주파수의 동시다발적 송수신과, 여러 개의 안테나를 가지고 다니는 단점을 극복하기 위한 추가적인 광대역 적용기술을 갖는 아이솔레이터 개발이 필요하지만, 대역폭 확장에 대한 새로운 연구는 미비하여 이번 연구가 필수적으로 요구된다.

현재는 낮은 주파수 대역에서 광대역에 걸쳐 동작하는 집중정수형의 스트립라인 또는 마이크로스트립 라인 형태의 평면형 아이솔레이터를 많이 사용한다. 하지만 마이크로파와 밀리미터파 이상의 높은 주파수대역에서는 마이크로스트립 라인의 경우, 유전손실을 무시할 수 없고, 전자파의 공기 중으로의 방사손실 또한 발생하는 단점이 있다.

써큘레이터(Circulator 또는 Isolator)는 N-포트의 회로망이며, N-포트 회로망은 산란행렬(Scattering Matrix)이나 임피던스행렬(Impedance Matrix)로 표현한다. 이상적인 아이솔레이터의 산란행렬의 고유치(Eigen value)와 고유벡터(Eigen vector)를 이용하여 아이솔레이터를 설계할 수 있다.

3-Port Circulator는 어떤 임의의 포트에서 전력이 입력되면, 시계방향 또는 반시계방향 포트 중 어느 한쪽 포트에만 전력이 전달되고 나머지 포트에는 전력이 전달되지 않는다. 써큘레이터의 회전 방향은 페라이트(Ferrite)를 자화시키기 위해 인가되는 직류 자계의 방향(자석의 N극과 S극)에 의해 결정된다. 이로 인해 송신단과 수신단이 같이 있는 하나의 안테나를 가진 시스템에서 써큘레이터의 하나로 서로의 전력 간섭 없이 대 전력 신호를 송수신할 수 있다. 이러한 대 전력과 높은 열에 효율성을 갖춘 통신부품은 일반 마이크로스트립 선로(Microstrip Line)의 Isolation으로는 부족하고 또 다른 추가 물성을 필요로 하게 되는데 그것은 자계를 형성하여 페라이트를 이용하여 방향성을 가지고 회전력을 사용하여 전력의 방향을 한 방향으로 유도한다. 마이크로스트립(Microstrip) 패턴 위 아래로 페라이트 물질이 필요하며 다시 그것을 감싸는 위아래 자석으로 자계를 형성하여 연자성체 페라이트의 외부 자계의 영향에 따라 내부 자구의 방향이 배열되는 물성의 특징을 이용한다. 페라이트의 물성 값들을 정하고 크기를 맞춘 후 자석을 이용해 적절한 자계를 설정하여 기구에 차폐하여 자계가 잘 모아지도록 고정시킨다.

지금까지 집중소자형 아이솔레이터(Isolator)는 금속선의 회선 수, 페라이트의 유전율에 의한 특성, 임피던스를 구하여 아이솔레이터를 설계하였다. 그러나 페라이트 특성에 핵심적인 영향을 주는 페라이트(Ferrite)의 포화자화율, 스트립선로의 두께와 폭에 의한 정확한 인덕턴스의 값을 구할 수 없으며, 또한 외부자석에 의한 직류자계, 캐패시터 등에 의한 Isolator의 특성변화 등을 정량적으로 분석할 수 없는 단점을 가지고 있다.

페라이트는 일반적으로 XOFe₂O₃(X는 Co, Zn, Ni, Mn, Cd 등의 2가의 금속원소를 나타냄)의 분자식으로 이루어져 있다. 페라이트는 준강자성체(Ferrimagnetics)의 일종으로 산화철 화합물이다. 강자성체(Ferromagnetics)와 유사한 자기적 성질을 가지나 전기 전도도는 낮고, 외부에서 자기장을 걸 때 자기장의 방향으로 강하게 자화 되며 외부자기장이 사라져도 자화가 남게 되는 물질이다. 낮은 전도도는 높은 주파수에서 와류전류(Eddy current)에 의한 손실을 제한한다. 그러므로 Ferrite는 마이크로파 응용에 널리 사용된다.

집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)는 UHF대역에서 분산형 소자로 아이솔레이터를 설계할 경우 평면형으로 된 원판 공진기나 삼각형 공진기 등을 사용한다. 이 때 존재하는 전자계가 TM₁₁ 모드라고 하면 경계 조건에서 의하여 Bessel함수를 만족시켜 주어야 한다. K는 주파수에 비례하고 a는 크기에 비례하므로 UHF대역에서는 아이솔레이터의 크기가 너무 커진다. 따라서, 주파수가 낮아 짐에 따라 Ferrite 공진기가 비례해서 커지는 문제점을 해결하기 위해 Lumped type 소자를 사용하여 소형화 된 아이솔레이터(Isolator)를 설계하는 방법이 제안되었다.

(1) Lumped type Isolator의 구조

집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)는 페라이트(Ferrite) 원판 위에 3개의 코일이 감겨 있는 구조로 되어 있다. 각 코일의 자계는 서로 120°의 각을 이룬다. Strip-line 형태일 경우 3쌍의 갈라진 도선을 꼬음으로써 코일을 대신할 수 있다. 서로 절연이 되도록 꼬은 3쌍의 도체선은 한쪽을 접지시켜 Ferrite 디스크내의 강한 RF자계를 만들어 주도록 한다.

도 1은 종래의 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)와 등가회로를 나타낸 도면이다.

페라이트의 직경을 파장보다 훨씬 작게 하면 Ferrite 내에는 RF자계만 존재하는 것으로 근사시킬 수 있다. 아이솔레이터는 실제로 실수의 저항 값에서 동작하므로 페라이트 내에 저장된 자계 에너지는 같은 양의 전계 에너지로 상쇄시킨다. 저장된 자계 에너지를 공진시키기 위해 Ferrite 디스크 외부에 캐패시터를 달아준다.

Lumped type 소자를 이용한 경우에는 전압, 전류, 임피던스 관계로 표시할 수 있어 KVL, KCL을 직접 적용할 수 있으므로 해석이 용이하나 상대적으로 작은 공진회로를 사용하므로 Q가 낮아 삽입손실(insertion loss)은 Junction 형태의 Isolator보다 크다. 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)에서 공진기는 그림과 같이 직렬 또는 병렬형태로 구성할 수 있으며, 비가역 결합은 도체 선으로 이루어진 인덕터의 상호결합에 의해 생긴다. Ferrite 디스크 면에 수직방향으로 자화 된 경우 도체 선들이 페라이트 공진기에 놓이게 되면 비 가역 결합이 이루어진다. 여기서 효과적인 회전이 이루어 지려면 LC공진기들의 회전적 결합이 커야 한다. 이는 비교적 큰 자계 에너지를 필요로 한다. 즉, 회전적(gyroscopical) 결합된 도체 선이 큰 인덕턴스를 가져야 한다.

2. 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)의 물리적 분석

도 1에 도시된 바와 같이, 집중 정수형 아이솔레이터의 등가회로의 Isolator의 작동을 물리적으로 분석하기 위하여 앞에 나온 그림과 같은 구조를 생각해 보면, 도 2에 도시된 바와 같이 집중 정수형 아이솔레이터는 Ferrite 원판 위에 N번 감긴 코일 3개가 서로 120°의 각을 이루며 교차하고 있다.

여기에 그림과 같이 x축과 y축을 잡고 직류의 자계 bias는 평면에 수직방향인 z축 방향으로 걸려있다. 각 코일에 흐르는 전류를 I₁, I₂, I₃ 라고 하고, 각 단에 걸린 전압을 V₁, V₂, V₃라 한다.

Faraday 법칙에 의하여, 전자기 유도에 의해 회로에 유도되는 기전력의 크기(V)는 수학식 1에 의해 와 같이 전압과 자속의 관계식이 성립한다. 여기서, N은 자기력선속, B는 자속밀도, S는 코일이 이루는 면적, H는 자계의 세기를 나타낸다.

각 도선에 흐르는 전류에 의해 유기되는 자계는 수학식2와 같이 되며, 이를 행렬식으로 나타내면 수학식3이 된다.

앞에서 정의된 Tensor 투자율에 의한 자계와 자속 밀도와의 관계식

(자속밀도 = 투자율 x 자계의 세기)를 이용하면, 수학식 4를 얻는다.

이 결과를 앞에서 얻은 전압과 자속 밀도와의 관계식에 대입하면, 수학식 5와 같이 전압과 전류와의 관계식이 얻어진다.

만약 외부자계가 가해지지 않았다면 tensor 투자율 대신 scalar 투자율이 적용되므로 전압과 전류의 관계식은 수학식6이 된다.

도 3은 Circulator 및 Isolator의 격리도 특성, 도 4는 써큘레이터(Circulator) 기본 구조도, 도 5는 초기의 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator) 구조를 나타낸 도면이다.

최근, 이동통신 기술의 급속한 발전에 따라 서비스의 다양화에 의해 이동통신 소자와 부품에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 근거리 또는 장거리 무선통신을 위한 기지국 및 단말기용 RF 부품에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반 무선통신용 시스템에 적용되는 저주파 대역 송신 신호는 전력증폭기를 거쳐 나온 높은 전력의 신호를 필터, 듀플렉서 또는 RF 스위치를 경유하여 안테나로 전파된다. 이때 부품 간의 부정합 및 부품의 높은 온도에 의해 감쇄가 일어나게 되고 그 반사파는 전력증폭기로 재입력되어 RF 성능저하와 통신시스템을 파손하게 된다. 이를 방지하기 위해 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 써큘레이터(Circulator, Isolator)를 사용해야 한다. 장거리 무선지상 전파통신용 시스템에 적용될 UHF대(225~400MHz) 저주파에서 최고 수준의 광대역(56%)이 가능한 격리도[Isolation, S(1,2), How much energy is flowing in the undesired direction]가 17dB 이상, 삽입손실[insertion loss, S(2,1), How much of the original signal arrives at the desired port]이 1dB이하인 우수한 광대역 특성을 갖는 아이솔레이터(Isolator는 Circulator라고도 한다) 개발이 필요하다.

그러므로, 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 개발이 필요하며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 아이솔레이터는 Lumped Type이 전무하며 광대역용으로 개발되어 있지 않다.

종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 제작하며, 광대역 특성을 위하여 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 성능 향상이 이루어지고, 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 써큘레이터(Circulator, Isolator)로써 장거리 무선지상 전파통신용 시스템에 적용될 저주파(UHF)에서 세계 최고 수준의 광대역(56%)이 가능한 UHF대 광대역 세계 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3D EM Tool을 사용하여 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 적용 설계하여 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 갖고, 크로스오버 구조를 가진 2단 공진기(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 회로가 결합된 자기 차폐 기구를 구현하여 아이솔레이터를 개발하기 위한, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)를 제공하는 것이다.

본 발명은 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 개발하며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 아이솔레이터는 Lumped Type이 전무하며 광대역용으로 개발되어 있지 않으므로, 최고 수준의 UHF대역(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~400MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 우수한 아이솔레이터 개발을 목표로 한다.

본 발명에서는 페라이트의 크기와 포화자화, 직류자계의 세기, 각 포트에 연결되는 캐패시턴스 값, 스트립선로 폭과 넒이를 통해 만들어지는 인덕턴스 값을 변수로 하여 아이솔레이터 특성분석을 위한 시뮬레이션을 구현하였으며 이 변수들로 전 저주파 대역에 걸친 광대역 아이솔레이터의 설계에 대한 기초를 다졌고, 이를 이용하여 스트립 선로, 페라이트, 캐패시터에 의한 Isolator 특성을 정량적으로 분석하였다. 본 연구에서는 중심주파수 312.5MHz, Bandwidth가 225~400MHz(56%)인 저주파 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 제작 및 측정하였다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 광대역 집중 정수형 아이솔레이터에 있어서, 3 포트를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 각각 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판; 상기 크로스오버 네트워크와 상기 2단 LC 공진부 및 상기 임피던스 매칭 회로를 구비하는 상기 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트; 각 페라이트 위 아래로 접착된 자석; 및 둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 상기 둥근 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 파논 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판;을 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 포함하며,
상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 Isolator의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 써큘레이터(Circulator, Isolator)의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Tool로 최적화한 크로스오버 구조를 사용한 스트립 선로 형태의 센터 크로스오버 네트워크를 설계 적용하였으며, 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로를 통해 손실없이 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

또한, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)에 있어서, 3 포트를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판; 상기 크로스오버 네트워크와 상기 2단 LC 공진부 및 상기 임피던스 매칭 회로를 구비하는 상기 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트; 각 페라이트 위 아래로 접착된 자석; 둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 상기 둥근 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 파논 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판; 및 크로스오버 네트워크 구조를 High-Q를 가진 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구를 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 포함하고,
상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator 또는 Circulator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1 dB 이하인 아이솔레이터의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Tool로 최적화한 Cross-over 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 센터 크로스오버 네트워크를 설계 적용하였으며, 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로를 통해 손실없이 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 UHF대 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 센터 네트워크를 사용하며, 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 임피던스 매칭 회로를 결합하여 성능 향상이 이루어지고, 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 Circulator로써 장거리 무선지상 전파통신용 시스템에 적용될 저주파(UHF)에서 세계 최고 수준의 광대역(56%)이 가능한 UHF대 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 적용 설계하여 3 port 써큘레이터(아이솔레이터)에서 port간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 갖고 Crossover 구조를 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonnator)와 소형 임피던스 회로를 결합하여 자기 차폐 기구를 구현하여 고효율, 소형화 된 아이솔레이터(Circulator, Isolator)를 개발하였다.

본 연구에서는 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적합한 아이솔레이터의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 사용하며, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버(Center Crossover)를 적용 설계하여 3 포트 써큘레이터(3 port Circulator, Isolator)에서 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB이하인 광대역 특성을 위하여 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 손실 없이 최대 전력을 전달하여 성능을 향상시켰다.

본 발명에서는 페라이트의 크기와 포화자화, 직류자계의 세기, 각 포트에 연결되는 캐패시턴스 값, 스트립선로 폭과 넒이를 통해 만들어지는 인덕턴스 값을 변수로 하여 아이솔레이터 특성분석을 위한 시뮬레이션 하였으며 이 변수들로 전 저주파 대역에 걸친 광대역 아이솔레이터의 설계의 기초를 다졌고, 이를 이용하여 스트립 선로, 페라이트, 캐패시터에 의한 아이솔레이터 특성을 정량적으로 분석하였다. 본 연구에서는 중심주파수 312.5MHz, 대역폭(Bandwidth)이 225~400MHz(56%)인 저주파 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 제작 및 측정하였다.

현재 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 개발이 필요하며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 아이솔레이터는 Lumped Type이 전무하며 광대역용으로 개발되어 있지 않다.

본 발명은 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 개발하였으며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 Isolator는 Lumped Type이 전무한 상황에서 광대역용으로 개발되어 있지 않으므로, 세계 최고 수준의 UHF대역(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버(Center Crossover)를 설계하여 포트 간 격리도가 17dB 이상의 높은 격리도(Isolation), 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 아이솔레이터(Isolator, 3 port circulator) 개발하였다.

기술 개발 시 예상효과는 국내에서 미개발중인 저주파 UHF대 높은 격리도와 저손실 및 광대역 특성을 갖는 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 최초로 개발하고, 고출력 전력 증폭기(Power Amplifier)에 장착되어 파워 TR 보호 및 안테나 사이에 임피던스 매칭으로 원활한 전송능력 확보를 위해 필수적으로 사용하며, 광대역 기술로 여러 정보 주파수를 동시다발적으로 송수신 가능하다.

상기 제안하는 아이솔레이터는 미군에서 사용하는 장거리 무선 통신에 필요한 제품으로써, 개발이 완성 된다면 국내 자체 개발은 물론, 국산화 및 세계적인 경쟁성 부분에서 이득 창출이 가능할 것으로 기대된다.

기술의 응용분야, 사업화 방안으로써, 참여업체는 2000년 통신용 아이솔레이터(Isolator 또는 Circulator)를 첫 국산화 및 양산화 성공으로, 국내 고출력 고주파 아이솔레이터 및 써큘레이터의 전문기업으로 입지를 구축하고 있으며, 본 과제의 기술개발은 현재 확보한 이동통신용 제품군(700MHz~3,500MHz)에서 빠진 부분으로 기존 민수용 제품에 저주파 대역인 UHF대역 군수용 제품기술을 확보함으로 보다 넓은 제품군을 확보할 것으로 판단된다.

본 제품의 수요업체가 기존 참여업체의 고객사이며, 수요업체의 개발요구로 제품 개발 시 시장진입이 용이하다.

고출력 전력 증폭기(Power Amplifier)에 장착되어 파워TR 보호 및 안테나 사이에 임피던스 매칭으로 원활한 전송능력 확보를 위해 필수적으로 사용되고, 활용분야는 아래와 같이 다양하며, 본 과제로 인하여 기술이 확보된다면 해외 수출의 새로운 시장이 개척될 것으로 판단된다.

미군용 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템은 미군에서 2개의 대역 주파수(30~88MHz와 225~400 MHz)를 통신시스템으로 사용하고 있으며, 해당 시스템의 시장수요는 600억원대로 판단되며, 유럽형 DAS중계기(주파수 대역 380~420MHz), 경찰통신의 무선 육상 이동 통신(Tetra)에 적용이 가능하다.

도 1은 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)의 구조와 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 Ferrite 원판 위에 N번 감긴 코일 3개가 서로 120°의 각을 이루며 교차하는 집중 정수형 아이솔레이터를 나타낸 도면이다.
도 3은 써큘레이터(아이솔레이터)의 격리도 특성을 나타낸 도면이다.
도 4는 써큘레이터(Circulator) 기본 구조도이다.
도 5는 초기의 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator) 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 집중 정수형 아이솔레이터의 설계 메인 프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 7a는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 센터 크로스오버(Center Cross-over) 등가회로, 도 7b PCB 상에서 인덕터 디자인(Inductor design on PCB)을 나타낸 도면이다.
도 8은 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스 오버네트워크(Cross-over Network)를 나타낸 도면이다.
도 9의 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도10a는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Broadband Lumped Type isolator) 디자인, 도 10b는 최종 3D EM 시뮬레이션 결과를 나타낸 도표이다.
도 11a는 본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터가 실제 제작되고 측정한 HFSS 시뮬레이션 결과, 도 11b는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 센터 네트워크(Center Network)로 제작된 크로스오버 네트워크를 구비하는 Microstrip PCB 기판 전면(좌), PCB 기판 후면(중), 크로스오버 네트워크 구조를 High-Q Chip Resonator와 소형화 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구 외형(우)을 나타낸 사진이다.
도 12a 및 12b는 본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 센터 네트워크(Lumped Type Isolator Center Network)로 제작된 Microstrip PCB 기판 전면(좌), PCB 기판 후면을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 구조를 High-Q Chip Resonator와 소형화 임피던스 회로를 결합하여 자계 차폐 기구 외형 구조를 나타낸 사진이다.
도 14는 3개의 후면 연결부(빨강 부분)를 통해 뒷면 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 닿을 수 있게 한 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 가진 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성된 Microstrip PCB 기판 전면과 후면을 나타낸 사진이다.
도 15는 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크의 붉은색 구멍으로 표시된 비아-홀(Via-hole)을 통해 위아래 PCB 기판을 표시하여 붉은색점 구멍들(위아래 기판을 연결하는 구멍)과, annual ring 형식으로 비아-홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어지게 한 도면이다.
도 16은 집중 정수형 아이솔레이터의 PCB 전면 기판에서 붉은 원으로 표시된 LC 공진부를 나타낸 도면이다.
도 17은 집중 정수형 아이솔레이터의 PCB 전면 기판에서 사각형의 우상, 우하, 좌상, 좌하 지점에 파란 원으로 표시된 커패시터(Co)를 넣을 수 있는 홀을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 구조를 2단 LC공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구 외형 구조를 나타낸 사진이다.
도 19는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 쉴더(Shielder)로 고정하기 위한 hole(붉은원), 고정 hole(파란원), 임피던스 매칭부(초록원), 50Ω 라인(노랑원), 캐패시터를 넣을 수 있는 홀(하늘색원)을 나타낸 도면이다.
도 20은 UHF대 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 나타낸 도면이다.
도 21a는 poer1, port2, port3의 3포트 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크(Crossover Network)와 임피던스 매칭 회로(Matching network)로 구성되며, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Nerwork)를 적용 설계하여 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(Insertion loss)이 1dB 이하 인 광대역 특성을 갖는 아이솔레이터 개발 목표를 나타낸 도면이다.
도 21b는 3D EM tool을 사용하여 UHF대(225~400 MHz) 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 개발 스펙으로 중심 주파수가 324 MHz에서 격리도(Isolation), 삽입 손실(Insertion loss), VSWR(return loss)을 측정한 센터 크로스오버(center cross-over)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 UHF대 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버(Cross-over) 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 사용하며, 광대역 특성을 위하여 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 성능 향상이 이루어지고, 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 써큘레이터(Circulator, Isolator)로써 장거리 무선지상 전파통신용 시스템에 적용될 저주파(UHF)에서 세계 최고 수준의 광대역(56%)이 가능한 UHF대 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 적용 설계하여 3포트 써큘레이터(아이솔레이터)(3port Circulator(Isolator))에서 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1 dB 이하 인 우수한 광대역 특성을 갖는 고성능 아이솔레이터(써큘레이터) 개발을 목표로 한다.

본 연구에서는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버(Cross-over) 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 사용하며, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버 구조를 적용 설계하여 3포트 써큘레이터(3 port Circulator, Isolator)에서 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하 인 광대역 특성을 구현하며, 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로를 통해 성능을 향상시켰다.

본 발명에서는 페라이트(Ferrite)의 크기와 포화자화, 직류자계의 세기, 각 포트에 연결되는 캐패시턴스 값, 스트립선로 폭과 넒이를 통해 만들어지는 인덕턴스 값을 변수로 하여 Isolator 특성분석을 위한 시뮬레이션을 구현하였으며 이 변수들로 전 저주파 대역에 걸친 광대역 아이솔레이터의 설계에 대한 기초를 다졌고, 이를 이용하여 스트립 선로, 페라이트, 캐패시터에 의한 아이솔레이터 특성을 정량적으로 분석하였다. 본 연구에서는 중심주파수 312.5MHz, Bandwidth가 225~400MHz(56%)인 저주파 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 제작 및 측정하였다.

현재 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터의 개발이 필요하며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 아이솔레이터는 Lumped Type이 전무하며 광대역용으로 개발되어 있지 않다.

본 발명은 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 적용될 저주파 UHF대역(225~400MHz) 광대역 응용이 가능한 집중 정수형 아이솔레이터를 개발하며, 현재 UHF대역(225~400MHz) 동일 주파수대 국산용 아이솔레이터는 Lumped Type이 전무하며 광대역용으로 개발되어 있지 않으므로, UHF대역(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3포트 써큘레이터(아이솔레이터)에서 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 갖는 고성능 아이솔레이터를 개발을 목표로 한다.

본 연구에서는 미군용 통신 주파수(225~400MHz)에 적용될 아이솔레이터의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 크로스오버(Cross-over) 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 사용하며, 광대역 특성을 위하여 2단 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 성능 향상이 이루어지도록 한다. 먼저 페라이트(Ferrite)와 자계를 만드는 자석이 크로스오버 구조와 결합하여 절대적인 영향을 받는 관계로 Center 구조설계에 기술적인 연구가 필요하다. 상대적으로 저주파인 UHF에서는 소형화가 용이한 집중 정수형(Lumped-element Type)의 아이솔레이터(Isolator)를 사용하고 1960년대 Konish가 처음 제안하였으며 도 5에 도시된 바와 같이 페라이트를 금속선으로 감아서 인덕턴스(Inductance)를 구현하고 외부자석과 커패시턴스(Capacitance)에 의해 공진하는 특징이 있다.

도 5는 초기의 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator) 구조를 나타낸 도면이다.

도 6은 집중 정수형 아이솔레이터의 설계 메인 프로세스를 나타낸 순서도이다.

Design Process를 통해 페라이트(Ferrite)의 종류에 따라 포화자화, Line width, Dielectric loss tangent 값이 다르고 여러 가지 변수를 줄이기 위하여 크기도 미리 설정하여 그에 맞는 설계를 시작하였다. 또한 자계를 이루는 자성체를 구하고 두께가 얇고 유전율이 좋은 Teflon PCB 기판을 정하여 크로스오버(Cross-over) 구조를 설계하였다.

도 7a는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over network)의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 7b는 PCB 상에서 인덕터 디자인(Inductor design on PCB)을 나타낸 도면이다.

도 7a에서와 같이, 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over network)의 등가회로를 바탕으로 HFSS Tool 상에 시뮬레이션하여 저주파대역 공진주파수가 나오게 설계한다. 종래의 Center는 원형으로 꼬이거나 차곡차곡 덮여있는 L라인을 사용했는데 시뮬레이션으로 구현하는데 한계가 있고 직접 제작하는데도 매번 다르게 나오는 단점이 있기 때문에, 이를 체계적으로 구현하기 위해 도 7b처럼 단순한 형태인 직선 라인 두 개로 L을 마이크로스트립 선로(Microstrip Line)로 구현하였으며, 3개의 L라인이 120° 간격으로 가운데를 관통하는데 이것이 겹치지 않기 위해 비아-홀(Via-hole)을 뚫어 위아래를 연결하여 Ferrite 위아래 양면에 Symmetric하게 맞닿는 면이 많게 하고, 라인들이 서로 닿지 않게 하는 방법을 사용하여 도 8과 같이 구현하였다.

도 8은 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 나타낸 도면이다.

도 7a에서와 같이 센터(Center)의 L과 C₀가 병렬 공진하여 도 9의 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 크로스오버 네트워크 시뮬레이션(Cross-over Network Simulation) 결과가 나왔으며, 표 1과 같이 다른 변수들을 일정하게 고정하고 변수 값을 조절하면서 주파수를 Shifting 할 수 있는 경향을 나타냈다.

변 수	Center 주파수 Shift
① Ho : ↑	주파수 ↑
① 4πMs : ↓	주파수 ↑
① Ferrite 지름(Center Crossover 크기): ↓	주파수 ↑
① Ferrite 두께 : ↓	주파수 ↑
① PCB Dieletric Constant(εr) : ↓	주파수 ↑,(BW ↓)
① Co(Co 면적) : ↓	주파수 ↑
① Cg : ↑	주파수 ↑

이를 통해 외부자계의 세기와 Ferrite의 크기, PCB의 유전율, Center L의 설계 등으로 최대 730MHz에서 최소 80MHz까지 주파수를 Shifting 할 수 있는 HFSS 시뮬레이션 결과를 뽑아냈다. 저주파 UHF 대역(225~400MHz)에서 주파수를 Shifting 하면서 최적화 설계할 수 있는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 설계하였고, 몇 가지 변수 값을 먼저 설정 한 후에도 여러 가지 무한한 변수 값으로 주파수 대역을 원하는 대로 설계가 가능하고 전체 크기를 줄이기 위해 처음 정해주는 값들을 바꿔줌으로써 소형화 설계에 적용할 수 있다.

UHF대 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 크로스오버 네트워크 시뮬레이션 결과 UHF 대역(225~400MHz) 광대역 Bandwidth 전역을 아우르는 삽입 손실(Insertion loss), 포트 간 격리도(Isolation), VSWR(Return loss)값이 원하는 최종 결과 스펙에 못 미치기 때문에, 이를 분석하여 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network) 자체만으로는 광대역 특성을 나타낼 수 없으며, 이에 중요한 개념인 공진부를 2단으로 도 10a와 같이 연결하여 그 대역폭을 넓혔다.

도10a는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Broadband Lumped Type isolator) 디자인, 도 10b는 최종 3D EM 시뮬레이션 결과를 나타낸 도표이다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 실제 목표로 하는 Specification과 상당부분 일치하는 최종 그래프를 LC값과 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 구현하였다. 여기서, 임피던스 매칭 회로의 더 효율적인 방법으로 구현하면 크기(Size)를 더욱더 최소화 할 수 있다. 여기서 실제 Simulation 결과를 여유 있게 뽑아 제작, 측정에서 발생하는 구조적 결함에 의한 Loss나 저온, 고온의 온도 측정 시 Lumped 소자의 한계에 부딪혀 좋지 않은 최종 결과에 여유 있게 대처하였다.

도 11a는 본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터가 실제 제작되고 측정한 HFSS 시뮬레이션 결과, 도 11b는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터의 센터 네트워크(Center Network)로 제작된 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 구비하는 Microstrip PCB 기판 전면(좌), PCB 기판 후면(중), 크로스오버 네트워크 구조를 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 하우징 된 자계 차폐 기구 외형(우)을 나타낸 사진이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 실제 제작되고 측정한 시뮬레이션 결과를 도 11a에 나타냈다. UHF대 광대역 Lumped Type isolator 제작 및 측정에는 자석을 움직이지 않게 잡아줄 쉴더(Shielder) 기구 설계부터 전체 외형 기구, 층마다 공간 없이 접촉시키기 위한 장치들과, 고 전력(High Power)를 견디기 위한 성능이 우수한 L, C소자, 자계를 고르게 펴주는 폴 피스, 물리적인 위치로 자력을 조절할 때 자력을 통과시키는 동판 등을 많은 시행착오 끝에 제작하여 시뮬레이션 결과 값에 맞는 측정값을 도출하였다.

본 연구에서는 페라이트(Ferrite)와 관련된 물리적인 이론뿐 만 아니라 이것과의 상호작용으로 RF 부품으로 이용되는 원리를 분석하였고, 또한 아이솔레이터(Isolator)의 핵심부분인 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)의 디자인(Design)을 최적화하여 설계하는 방법을 고안하였다. 시뮬레이션 툴을 이용하여 아이솔레이터(Isolator)의 스트립 도선의 규격, 페라이트(Ferrite)의 규격과 종류, 자석(Magnet)의 규격, Lumped 소자 Capacitor의 변화에 대한 특성을 분석할 수 있었고, 이로부터 UHF대역 일부분을 Shifting하면서 주파수에 따른 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Network)를 설계하기 쉽게 구현하였으며, 이를 사용하여 고효율, 소형화 Isolator의 개발에 적용할 수 있게 되었다. 향후 기존의 Isolator를 더욱더 소형화 할 수 있도록 구조적인 LC공진부나 임피던스 매칭 회로의 변화와 광대역 특성을 갖는 효율적인 설계에 관한 연구가 진행되어야 한다. 아울러 실용화를 위해 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator) 제작 및 측정 부분에 Loss를 줄이는 기법에 대한 추가 연구가 필요하며, 전력용량에 따른 Lumped 소자들의 제한적 선택과 자성체 종류와 규격의 한계, 온도에 따른 특성 변화에 대한 연구도 필요하다.

1) Ferrite 선정

전력의 흐름을 한 방향으로 Circulation 하기 위해서 일반적인 RF 설계와는 다르게 핵심적으로 페라이트를 사용하는데, 이것은 외부에서 DC 바이어스 자계가 인가되면 외부자계의 영향을 받아서 내부 자성체(Internal magnetic material = Ferrite)의 Magnetic dipole direction이 정렬된다. 전자스핀에 의해 발생되는 마그네틱 다이폴 모멘트(Magnetic dipole moment)는 한 방향으로 정렬되고 회전력이 발생하게 된다. 자기 쌍극자 모멘트(m)는 자기 쌍극자의 크기를 의미하며 다음의 식과 같이 정의된다.

외부 자기장의 효과로 자기 쌍극자 모멘트가 정렬하며 회전력이 작용하는데 이것을 토크(Torque)로 나타낼 수 있다.

회전력의 방향은 오른손 법칙을 따른다.

외부 자계(자기장)의 영향으로 내부 바이어스 자계가 증가함에 따라 다이폴 모멘트가 정렬하여 일치하게 되고, Magnetic moment(M_s)의 상한이 한계에 도달하는데 이 때의 자화를 "포화 자화"라고 한다. 포화되기 전의 ferrite는 마이크로파 주파수의 매우 큰 손실을 발생시키므로 보통 포화상태에서 동작시킨다. 따라서 포화상태에서 동작시키기 위해 각 자성체가 갖는 포화자화 값을 가지는 최소한의 외부자계를 형성했을 때 인가되어 적용되는 Internal magnetic bias(

) 값을 알아야 한다. 또한, 자계에 의한 텐서(Tensor) 투자율(Permeability)과 Larmar 주파수식의 관계에서 페라이트의 포화자화와 페라이트 내부의 DC 자계의 세기에 의해 마이크로파 주파수 범위가 결정되는 것을 알 수 있다.

더불어 온도에 아주 민감하여 온도가 증가하면 포화자화 값이 급격히 떨어지는 온도가 있는데 그 온도를 큐리에 온도(Curie Temperature)라고 하며, 이 온도 특성을 고려하여 자성물질을 선택해야 한다.

페라이트(Ferrite) 선정시 주요 고려해야 할 파라미터는 Dielectric Constant(ε), Saturation Magnetization(4πM_s) [Gauss], Line Width(ΔH), Dielectric Loss Tangent(Tanσ)가 있다. 위의 사례에서 보이는 바와 같이 Dielectric Constant 값은 14~16까지 주로 쓰이는 것으로 나타났고, 포화 자화는 낮은 것도 있지만 보통은 높은 값(1750~1850)이 주로 쓰였다.

페라이트는 포화 자화값이 높을수록 내부 자성 물질의 모멘트가 더 많이 정렬 되고 더 좋은 Circulation이 일어나므로 높을수록 좋은 물질이다. Line Width 값은 낮을수록 좋고, Dielectric Los Tangent값도 낮을수록 손실(Loss)이 적어 성능이 우수하다.

(2) 자석 선정

자석의 종류와 크기에 따라 외부자계를 천차만별로 인가해 줄 수 있다.자석의 세기를 측정하는 장비는 없기 때문에 여러 가지 크고 작은 자석들로 제작,측정할 때 외부자계를 형성해 주어야 한다. 외부자계 형성에서 Housing(하우징 기구)을 이용한 자력보상이 가능하고 이것은 기구의 측면을 철로 하여, 자력 Return 효과를 이용하는 것이다.

예를 들면 두 가지 방법으로 표현 가능한데 i) 병렬 쇼트 회로에서는 페라이트에 인가되는 자기장 세기를 줄일 수 있다. 다음 ii) 페라이트 정션 부분에 Shielder로 리턴 효과를 이용하면 리턴 통로로 자력선(자속)이 인가됨으로써 강한 자기장을 형성할 수 있는 장점이 있다.

3) PCB기판 선정

PCB 기판은 현재 연구실에 있는 유전율2.54, 두께 0.54mm를 먼저 설계해 보았으나, 두께가 얇고 유전율이 좋은 Teflon(RF-30) 기판이 특성이 우수한 것으로 나타났다. 본 기판의 특성은 유전율3, 두께 0.25mm로 유전율은 더 좋으며 두께를 반으로 줄여서 Ferrite 양면이 더 효율적으로 자계의 영향을 받고 PCB와 상호작용을 할 수 있도록 하였다(구리 두께 : 0.018mm).

본 발명은 HFSS시뮬레이션을 통해 주파수를 80~700MHz까지 shifting 할 수 있는 정량화된 설계 기법을 창출하였다.

L의 구현과 여러 가지 변수들의 조합으로 원하는 주파수에서 공진이 일어나 페라이트(Ferrite)와 자계의 결합으로 큰 파워(Power)를 한 방향으로만 회전(Circulation)시키는 Isolator(Circulator) 개발했다는게 가장 큰 성과이다.

본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적합한 Isolator의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation) 특성을 위해 Cross-over 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 사용하며, 광대역 특성을 위하여 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 성능을 향상시켰다.

<기술 개발내용 및 방법>

UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에서 설계 주파수의 광대역(50%) 개발을 위한 해결 방법 : 적절한 외부 자석의 자계와 페라이트(Ferrite)를 선정하고, Microstrip PCB 기판의 양면을 적용, 설계 후 추가적 결합회로를 구현한다.

우수한 삽입 손실(Insertion loss)와 격리도(Isolation)를 위한 해결 방법 : 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버(Center Crossover)를 적용 설계하였으며, 추가적으로 크로스오버(Crossover) 구조를 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 하우징된 자계 차폐 기구를 설계 및 구현하였다.

도 12a 및 12b는 본 발명에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 센터 네트워크(Center Network)로 제작된 Microstrip PCB 기판 전면(좌), PCB 기판 후면을 나타낸 사진이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 크로스오버(Crossover) 구조를 High Q를 갖는 2단 LC공진기(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구 외형 구조를 나타낸 사진이다.

UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)(10)의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)(11)는 3개 단자 중 1개의 단자를 50Ω으로 정합하여 3 포트(3 port)를 이루며 상단이 긴 '⊃'형상으로 120°각도를 가지고 형성되며, 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성된 Microstrip PCB 기판 전후면에 페라이트를 접합시키고, 각 페라이트 위 아래로 자석(magnet)을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키며, 위아래 쌓이는 모양 구조를 이룬다.

UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적합한 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type isolator)에 있어서, 3 포트(3 port)를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 각각 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)와, 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판(Microstrip PCB 기판); 상기 크로스오버 네트워크와, 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트(Ferrite); 각 페라이트 위 아래로 접착된 자석(magnet); 및 둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 파논 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB의 그라운드판;을 포함하며,

각 페라이트 위 아래로 자석(magnet)을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키며, 위아래 쌓이는 구조로 형성되며, 상기 페라이트 위아래 자계가 형성되면, 페라이트는 자계를 포화자화값까지 머금고 전력을 회전(Circulation) 시킬 수 있으며, 크로스오버 네트워크(Crossover network) 구조를 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구를 더 구비하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)을 포함하고,

상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적합한 Isolator의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB이하인 Circulator(Isolator)의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Tool로 최적화한 크로스오버(Cross-over) 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line) 형태의 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network)를 설계 적용하였으며, 2단 LC 공진부와 임피던스 매칭 회로의 최적화를 통해 손실 없이 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

상기 UHF대는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 225~400MHz를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 PCB기판의 그라운드판은 알루미늄(Al)을 사용하는 것을 특징으로 한다.

도 12a 및 12b를 참조하면, 상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)(10)는 3 포트를 이루며 상단이 긴 '⊃'형상으로 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면에 각각 접합된 페라이트(Ferrite)와 각 페라이트 위로 자석(magnet)이 붙여진 상태에서 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)(11); 후면 PCB 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 연결되는 후면 연결부(12); 위아래 PCB 기판을 연결하는 구멍으로 사용되며, annual ring 형식으로 비아홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어지도록 한 비아-홀(Via-hole)(13); 및 장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대역(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 400MHz 이내의 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 구현하기 위해 L, C lumped 소자를 직접 달아서 센터 크로스오버 네트워크와 그 PCB 기판 후면에 2단으로 연결되는 High Q를 갖는 2단 LC공진부(High-Q Chip Resonator)(14)를 포함한다.

페라이트(Ferrite)와 자석(magnet)을 이용한 Center Cross-over 설계시에, 아이솔레이터(Isolator)의 회전성(Circulation)(또는 삽입손실) 및 포트 간의 격리도(Isolation)는 Center의 자계, 페라이트 자성 물질, Cross-over 구조에 따라 절대적인 영향을 받는 관계로 Center 구조 설계시에 3D EM simulation을 수행하여, 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator) 3D 구조물에 대한 최적화 기술을 활용하여 설계하였다.

아이솔레이터(Isolator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간의 격리도(Isolation) 특성을 위해 Cross-over 구조를 사용한 스트립-선로(Strip-line)의 센터 네트워크(Center Network)를 사용하며, 광대역 특성을 위하여 LC chip 공진부를 삽입하고, 임피던스 매칭 회로를 통해 성능이 향상된 저주파 광대역 아이솔레이터(Isolator)를 개발하였다.

기존 센터 네트워크(Center Network)의 효율성을 극대화하고자 PCB(Teflon) 기판의 양면을 이용해 사용 주파수 대역에서의 인덕터(Inductor)를 얇고 긴 라인으로 구현하여 덮어서 올린 형식이 아닌, 각 포트가 격리되어 전자기적 커플링을 유도하는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 구현하였다.

집중 정수형 아이솔레이터(Lumped type Isolator)는 광대역 특성을 형상시키기 위해 센터 크로스오버 네트워크(Center Cross-over Network) 뒷단에 공진 주파수와 High-Q를 갖는 2단 LC 공진부(Hiigh-Q Resonator)를 결합한다.

임피던스 매칭 회로를 구현하여 아이솔레이터(Isolator)의 loss를 줄이고, 디바이스의 크기를 최소로 설계하였다.

페라이트(Ferrite)와 PCB 기판을 Gap 없이 밀착시키기 위하여, 일반적으로 사용하는 Viapin을 연결하지 않고, 비아-홀(Via-hole)(13)을 Annular ring 형식으로 위, 아래의 동판을 연결하였다.

차폐 기구의 크기는 제품의 크기에 영향을 미치는 임피던스 매칭 회로와 Shielding 높이를 최적화하여 설계함으로써 전체 제품의 크기를 최소화하여 제품의 가격 경쟁력을 확보할 수 있게 되었다.

도 14는 3개의 후면 연결부(빨강 부분)를 통해 뒷면 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 닿을 수 있게 한 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 가진 인덕터(L)를 마이크로스트립 선로 구조로 형성된 Microstrip PCB 기판 전면과 후면을 나타낸 사진이다.

후면 연결부(12)는 후면 PCB 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 닿을 수 있게 한다.

도 15는 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)의 붉은색 구멍으로 표시된 비아-홀(Via-hole)을 통해 위아래 PCB 기판을 표시하여 붉은색점 구멍들(위아래 기판을 연결하는 구멍)과, annual ring 형식으로 비아홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어질 수 있게 하였다.

비아-홀(Via-hole)(13)은 붉은색점 구멍들(위아래 PCB 기판을 연결하는 구멍)으로 표시하였으며, annual ring 형식으로 비아홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어질 수 있게 하였다.

도 16은 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 PCB 전면 기판에서 붉은 원으로 표시된 LC 공진부를 나타낸 도면이다.

LC공진부(14)(붉은 원): UHF대역(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 400MHz 이내의 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 3포트 Circulator(Isolator)에서 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 만들기 위해 L, C lumped 소자를 직접 달아서 센터 크로스오버 네트워크(11)와 그 뒤에 2단으로 연결되는 2단 LC공진부(14)를 구비한다.

도 17은 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 PCB 전면 기판에서 사각형의 우상, 우하, 좌상, 좌하 지점에 파란 원으로 표시된 커패시터(Co)를 넣을 수 있는 홀을 나타낸 도면이다.

커패시터(Co)를 넣을 수 있는 홀(15)(파란 원): 센터 크로스오버 네트워크의 L과 Co는 병렬공진하며, 커패시터 Co를 PCB 기판위에 마이크로스트립 선로로 구현한다. PCB는 등가회로로 봤을 때 유전체가 있으면 병렬로 연결된 것처럼 보이고, C를 두께가 넓게 구현하면 그것의 넓이로 C로 보이게 구현 가능하기 때문이다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 Crossover 구조를 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구 외형 구조를 나타낸 사진이다.

도 19는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)를 쉴더(Shielder)로 고정하기 위한 hole(1)(붉은원), 고정 hole(2)(파란원), 임피던스 매칭부(3)(초록원), 50Ω 라인(4)(노랑원), 캐패시터(Cg)를 넣을 수 있는 홀(5)(하늘색원)을 나타낸 도면이다.

1. 쉴더(Shielder)로 고정하기 위한 hole(1) (붉은원) : 도 19의 그림과 같이 자석과 페라이트가 움직이지 않도록 하얀색 삼각형 모양이 윗부분의 자석과 페라이트를 고정시켜 주기 위한 쉴더를 PCB 기판과 밀접하게 붙이기 위해 홈을 만들어 집어 넣을 수 있게 한다.

2. 고정 hole(2) (파란원) : PCB 기판의 그라운드 판을 고정시켜 주기 위한 나사가 들어갈 구멍

3. 임피던스 매칭부(3) (초록원) : 2단 LC공진부는 50Ω이 아니기 때문에 50Ω으로 맞춰 임피던스 매칭을 하여 손실 없이 최대 전력이 전송되도록 포트에 연결하기 위한 임피던스 매칭부, 임피던스 매칭이 되어 50Ω이 맞는다면, 손실없이 최대전력이 전송될 수 있다.

4. 50Ω 라인(4) (노랑원) : 설계 주파수에 맞는 50Ω 라인은 W(두께)값이 정해져 있다. 길이는 길거나 짧아도 영향이 없고 50Ω 라인의 W를 맞춰 주면 설계 주파수에 맞게 전력이 이동 가능하다.

5. 캐패시터(Cg)를 넣을 수 있는 홀(5) (하늘색원) : PCB 기판 전면의 중심 부분에 형성된 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)의 등가회로와 같이 Cg를 캐패시터 소자를 사용해 넣고 마지막 최종 그라운드(접지)와 이어주는 역할을 한다.

도 20은 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)를 나타낸 도면이다.

그라운드판(하늘색화살표) : 크로스오버 네트워크의 그라운드를 만들어 주는 판으로써 알루미늄(Al)을 사용한다 가운데 둥근 구멍은 페라이트가 들어갈 수 있게 크기에 맞게 파논 것

Ferrite(파란원) : 페라이트 위아래 자계가 형성되면, 페라이트는 자계를 포화자화값까지 머금고 전력을 회전(Circulation) 시킬 수 있게 한다.

도 21a는 poer1, port2, port3의 3포트 집중 정수형 아이솔레이터(3port Lumped Type Isolator)의 크로스오버 네트워크(Crossover Network)와 임피던스 매칭 회로(Matching network)로 구성되며, 3D EM Tool로 최적화한 센터 크로스오버 네트워크(Center Crossover Nerwork)를 적용 설계하여 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(Insertion loss)이 1dB 이하 인 광대역 특성을 갖는 Circulator(Isolator) 개발 목표를 나타낸 도면이다.

도 21b는 3D EM tool을 사용하여 UHF대(225~400 MHz) 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)의 개발 스펙으로 중심 주파수가 324 MHz에서 격리도(Isolation), 삽입 손실(Insertion loss), VSWR(return loss)을 측정한 center cross-over의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

이동통신 기술에서 장거리 무선통신을 위한 기지국 및 단말기용 RF(Radio Frequency) 부품에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 무선통신용 시스템에 적용되는 저주파 대역 송신 신호는 전력증폭기를 거쳐 나온 높은 전력의 신호를 필터, 듀플렉서 또는 RF 스위치를 경유하여 안테나로 전파된다. 이때 부품간의 부정합 및 부품의 높은 온도에 의해 감쇄가 일어나게 되고 그 반사파는 전력증폭기로 재입력되어 RF성능저하와 통신시스템을 파손을 방지하기 위해 저주파 고 전력 신호를 사용하는 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에 사용되는 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 아이솔레이터(Isolator, Circulator)를 개발하였다.

3포트 써큘레이터(3-Port Circulator)는 어떤 포트에서 전력이 입력되면, 시계방향 또는 반시계방향 포트 중 어느 한쪽 포트에만 전력이 전달되고 나머지 포트에는 전력이 전달되지 않는다. 이로 인해 송신단과 수신단이 같이 있는 하나의 안테나를 가진 시스템에서 서큘레이터(Circulator) 하나로 서로의 전력 간섭 없이 대 전력 신호를 송수신 할 수 있다. 이러한 대 전력과 높은 열에 효율성을 갖춘 통신부품은 일반 마이크로스트립 선로(Microstrip Line)의 Isolation으로는 부족하고 또 다른 추가 물성을 필요로 하게 되는데 그것은 자계를 형성하여 페라이트를 사용하여 방향성을 가지고 회전력을 사용하여 전력의 방향을 한 방향으로 유도한다. 마이크로스트립(Microstrip) 패턴 위 아래로 페라이트(Ferrite) 물질이 필요하며, 다시 그 페라이트를 감싸는 위아래 자석(magnet)으로 자계를 형성하여 연자성체 페라이트의 외부 자계의 영향에 따라 내부 자구의 방향이 배열되는 물성의 특징을 사용한다. 페라이트의 물성 값들을 설정하고 크기를 맞춘 후 자석을 이용해 적절한 자계를 설정하여 기구에 차폐하여 자계가 잘 모아지도록 고정시킨다. 센터 PCB 네트워크 구조는 L과 C의 공진기 형태로 구현하는데 위아래 적절한 페라이트 자계를 고려하여 마이크로스트립(Microstrip) 기판의 위아래를 비아-홀(Via-hole)로 연결하여 패턴을 구현하였다. 이를 설계하기 위해 강력한 3D EM Simulation Tool인 HFSS가 필수적으로 사용된다. 페라이트의 물성들과 PCB기판의 크기와 종류, Microstrip 패턴을 최적화한 값들로 VHF대역과 UHF대역에서 큰 Isolation 인 20dB 이상, Insertion Loss 가 1dB 이하인 시뮬레이션 결과를 얻었고 측정결과 Insertion Loss가 시뮬레이션 값과는 다르게 약간 큰 값을 가졌으나 주파수 대역이나 격리도가 예상했던 결과와 일치하게 나타났다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

10: UHF대 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator, Circulator)
11: 코로스오버 네트워크 12: 후면 연결부
13: 비아-홀 14: 2단 LC 공진부
15: 커패시터(Co)가 들어갈 수 있는 홀
1: 쉴더(Shielder)로 고정하기 위한 hole
2: 고정 hole
3: 임피던스 매칭부
4: 50Ω 라인
5: 캐패시터(Cg)를 넣을 수 있는 홀

Claims (13)

1. 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템의 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)에 있어서,
   3 포트를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 각각 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크(Cross-over Network)와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판;
   상기 크로스오버 네트워크와 상기 2단 LC 공진부 및 상기 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트;
   각 페라이트 위 아래로 접착된 자석; 및
   둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 상기 둥근 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 형성한 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판;을 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 구비하며,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator, Circulator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 아이솔레이터의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Tool로 최적화한 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 센터 크로스오버 네트워크를 설계 적용하였으며, 상기 2단 LC 공진부와 상기 임피던스 매칭 회로를 통해 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 UHF대는 상기 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 225~400MHz를 사용하는 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판은 알루미늄(Al)을 사용하는 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 중심주파수가 312.5MHz, 대역폭이 225~400MHz(56%)인 저주파 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 제작하기 위해 상기 페라이트의 크기와 포화자화, 직류자계의 세기, 각 포트에 연결되는 캐패시턴스 값, 스트립선로 폭과 넒이를 통해 만들어지는 인덕턴스 값을 변수로 하여 아이솔레이터 특성분석을 위한 시뮬레이션을 통해 도출된 이 변수들로 전 저주파 대역에 걸친 광대역 아이솔레이터가 설계되며, 이를 이용하여 스트립 선로, 페라이트, 캐패시터에 의한 아이솔레이터 특성을 정량적으로 분석한 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는
   3 포트를 이루며 상단이 긴 '⊃'형상으로 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면에 접합된 페라이트와 각 페라이트 위로 자석이 붙여진 상태에서 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크;
   후면 PCB 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 연결되는 후면 연결부;
   위아래 PCB 기판을 연결하는 구멍으로 사용되며, annual ring 형식으로 비아홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어지도록 한 비아-홀; 및
   장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 400MHz 이내의 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 격리도(isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 만들기 위해 L, C lumped 소자를 직접 달아서 센터 크로스오버 네트워크와 그 PCB기판 후면에 2단으로 연결되는 2단 LC공진부; 및
   PCB 전면 기판에서 사각형의 우상, 우하, 좌상, 좌하 지점에 파란 원으로 표시된 커패시터(Co)를 넣을 수 있는 홀을 포함하며,
   센터 크로스오버 네트워크의 L과 Co는 병렬공진하며, 커패시터 Co를 PCB 기판위에 마이크로스트립 선로로 구현되는, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 쉴더(Shielder)로 고정하기 위해
   하얀색 삼각형 모양이 윗부분의 자석과 페라이트를 고정시켜 주기 위한 쉴더를 PCB 기판과 밀접하게 붙이기 위해 홈을 만들어 집어 넣을 수 있는 상기 쉴더로 고정하기 위한 홀(1);
   상기 PCB 기판의 그라운드 판과 고정시켜 주기 위한 나사가 들어갈 구멍으로 사용되는 고정 홀(2);
   2단 LC공진부는 50Ω이 아니기 때문에 50Ω으로 임피던스 매칭을 하여 손실없이 최대 전력이 전송되도록 포트에 연결하기 위한 임피던스 매칭부(3);
   설계 주파수에 맞는 50Ω 라인은 W(두께)값이 정해져 있으며, 길이는 길거나 짧아도 영향이 없고 50Ω 라인의 W(두께)를 맞춰 주면 설계 주파수에 맞게 전력이 이동 가능한 50Ω 라인(4); 및
   상기 PCB 기판의 전면 중심 부분에 형성된 크로스오버 네트워크의 등가회로와 같이 Cg를 캐패시터 소자를 사용해 넣고 최종 그라운드(접지)와 이어주는 캐패시터를 넣을 수 있는 홀(5);
   를 더 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
7. 제1항에 있어서,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 각 페라이트 위 아래로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키며, 위아래 쌓이는 구조로 형성되며, 상기 페라이트 위아래 자계가 형성되면, 페라이트는 자계를 포화자화값까지 머금고 전력을 회전(Circulation) 시킬 수 있으며, 크로스오버 네트워크 구조를 High-Q를 가진 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 자계 차폐 기구를 더 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 3-포트 써큘레이터(3-Port Circulator)를 사용하며, 임의의 포트에서 전력이 입력되면, 시계방향 또는 반시계방향 포트 중 어느 한쪽 포트에만 전력이 전달되고 나머지 포트에는 전력이 전달되지 않으며, 이로 인해 송신단과 수신단이 같이 있는 하나의 안테나를 가진 시스템에서 써큘레이터(Circulator) 하나로 서로의 전력 간섭 없이 대 전력 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
9. 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템의 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터(Lumped Type Isolator)에 있어서,
   3 포트를 이루며 120°각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 라인 구조로 형성되고 전후면 페라이트를 접합시키고 각 페라이트 위로 자석을 붙여 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크와 2단 LC 공진부 및 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판;
   상기 크로스오버 네트워크와 상기 2단 LC 공진부 및 상기 임피던스 매칭 회로를 구비하는 마이크로스트립 PCB 기판 전후면에 각각 접합되는 페라이트;
   각 페라이트 위 아래로 접착된 자석;
   둥근 페라이트가 들어갈 수 있도록 상기 둥근 페라이트의 크기에 맞게 가운데 둥근 구멍을 형성한 크로스오버 네트워크를 구비하는 PCB 기판의 그라운드판; 및
   크로스오버 네트워크 구조를 High-Q를 가진 2단 LC 공진부(High-Q Chip Resonator)와 소형 임피던스 매칭 회로를 결합하여 하우징하는 자계 차폐 기구를 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 구비하며,
   상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 UHF대 통신 주파수(225~400MHz)에 적용된 아이솔레이터(Isolator, Circulator)의 회전성(Circulation) 및 포트 간 격리도(Isolation)가 17dB 이상, 삽입손실이 1dB 이하인 아이솔레이터의 광대역 특성이 구현되도록 3D EM Tool로 최적화한 크로스오버 구조를 사용한 스트립-선로 형태의 센터 크로스오버 네트워크를 설계 적용하였으며, 상기 2단 LC 공진부와 상기 임피던스 매칭 회로를 통해 최대 전력이 전달되어 성능을 향상시킨 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 UHF대는 상기 장거리 무선 지상 전파 통신용 시스템에서 225~400MHz를 사용하는 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
11. 제9항에 있어서,
    상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는 중심주파수가 312.5MHz, 대역폭이 225~400MHz(56%)인 저주파 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 제작하기 위해 상기 페라이트의 크기와 포화자화, 직류자계의 세기, 각 포트에 연결되는 캐패시턴스 값, 스트립선로 폭과 넒이를 통해 만들어지는 인덕턴스 값을 변수로 하여 Isolator 특성분석을 위한 시뮬레이션을 통해 도출된 이 변수들로 전 저주파 대역에 걸친 광대역 아이솔레이터가 설계되며, 이를 이용하여 스트립 선로, 페라이트, 캐패시터에 의한 아이솔레이터의 특성을 정량적으로 분석한 것을 특징으로 하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
12. 제9항에 있어서,
    상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터는
    3port를 이루며 상단이 긴 ''형상으로 120각도를 가지고 인덕터(L)를 마이크로스트립 선로 구조로 형성되고 전후면에 각각 접합된 페라이트와 각 페라이트 위로 자석이 붙여진 상태에서 전력의 회전력을 발생시켜 한방향으로만 전력을 이동시키는 크로스오버 네트워크;
    후면 PCB 기판과 연결시켜 L라인을 구현하고 그라운드(접지)에 연결되는 후면 연결부;
    위아래 PCB 기판을 연결하는 구멍으로 사용되며, annual ring 형식으로 비아홀의 가장자리를 금속으로 덮어 위아래가 이어지도록 한 비아-홀;
    장거리 무선 지상 전파 통신 시스템에서 UHF대(225~400MHz) 광대역 주파수 대역인 225~350MHz 또는 400MHz 이내의 더 넓은 주파수 대역을 가지고, 포트 간 격리도(isolation)가 17dB 이상, 삽입손실(insertion loss)이 1dB 이하인 우수한 광대역 특성을 만들기 위해 L, C lumped 소자를 직접 달아서 센터 크로스오버 네트워크와 그 PCB기판 후면에 2단으로 연결되는 2단 LC공진부; 및
    PCB 전면 기판에서 사각형의 우상, 우하, 좌상, 좌하 지점에 파란 원으로 표시된 커패시터(Co)를 넣을 수 있는 홀을 포함하며,
    센터 크로스오버 네트워크의 L과 Co는 병렬공진하며, 커패시터 Co를 PCB 기판위에 마이크로스트립 선로로 구현되는, UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
13. 제12항에 있어서,
    상기 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터를 쉴더(Shielder)로 고정하기 위해
    하얀색 삼각형 모양이 윗부분의 자석과 페라이트를 고정시켜 주기 위한 쉴더를 PCB 기판과 밀접하게 붙이기 위해 홈을 만들어 집어 넣을 수 있는 상기 쉴더로 고정하기 위한 홀(1);
    상기 PCB 기판의 그라운드 판과 고정시켜 주기 위한 나사가 들어갈 구멍으로 사용되는 고정 홀(2);
    상기 2단 LC공진부는 50Ω이 아니기 때문에 50Ω으로 임피던스 매칭을 하여 손실없이 최대 전력이 전송되도록 포트에 연결하기 위한 임피던스 매칭부(3);
    설계 주파수에 맞는 50Ω 라인은 W(두께)값이 정해져 있으며, 길이는 길거나 짧아도 영향이 없고 50Ω 라인의 W(두께)를 맞춰 주면 설계 주파수에 맞게 전력이 이동 가능한 50Ω 라인(4); 및
    상기 PCB 기판의 전면 중심 부분에 형성된 크로스오버 네트워크의 등가회로와 같이 Cg를 캐패시터 소자를 사용해 넣고 최종 그라운드(접지)와 이어주는 캐패시터(Cg)를 넣을 수 있는 홀(5);
    를 더 포함하는 UHF대 광대역 집중 정수형 아이솔레이터.
    

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