isolator와 circulator

[HL1SAK]

RF 회로개념 잡기 - PART 9 ▶ Isolator / Circulator

RF 시스템에서 필수품은 아니지만, 효과있고 쓸모있는 것중 하나가 바로 Isolator(아이솔레이터, 격리기)입니다. 송신단의 성능을 안정화시키고 강화시키는 이 Isolator는 많은 경우 Circulator라는 3-port 수동소자로 구현됩니다. 이것들의 간단한 원리를 이해하고 사용목적을 차근차근 따라가다보면, isolator를 사용한 시스템 안정성 향상법에 대해 자연스럽게 이해할 수 있을 것입니다.

Isolator가 하는 일

간단하게 표현하면 전력의 흐름을 한 방향으로 고정하는 수동소자입니다.

이 의미는, 어떤 신호경로 중간에 isolator가 위치하면 한쪽 방향으로는 전력이 전달되고, 나머지 반대방향으로는 전력이 전달되지 않는다는 의미입니다.  결국 이러한 전력흐름방향 고정이 의미하는 것은,
역방향으로 유입되는 신호는 받지 않겠다! 라는 의지의 표현입니다.

전력흐름방향을 고정하기 위해선?

원리부터 차근차근. 어떻게 하면 전력의 흐름을 한쪽 방향으로만 고정할 수 있을까요? isolator를 구현하기 위해서 순서대로 생각해보면 아래와 같은 아이디어를 얻을 수 있습니다.

위에서 얻은 가장 중요한 핵심 아이디어는 무엇일까요? 바로 isolator의 내부는 3개의 포트로 구성되어야 할 것이라는 가정입니다. 입력포트와 출력포트.. 그리고 출력에서 들어온 신호가 입력으로 돌아가지 않도록 우회시켜서 죽여 버려야(termination) 하는 isolation(격리) 포트입니다. 이러한 isolator의 동작을 다시 하나의 그림으로 표현하면 아래처럼 표현이 가능합니다.

그럼 우리가 isolator를 구현하기 위해 필요한 것은 무엇일까요?? 전력의 방향이 회전성을 가진 3포트 소자.. 바로 circulator(써큘레이터)가 필요합니다. 이런 circulator만 있으면 저항하나를 추가해서 간단히 isolator가 구현될 것입니다.

Circulator (써큘레이터)

isolator를 구현하기 위한 핵심소자 3port circulator의 동작은 아래와 같습니다.

어떤 포트에서 전력이 입력되면, 왼쪽 혹은 오른쪽 포트중 어느 한쪽 포트에만 전력이 전달되고 나머지 포트는 전력이 전달되지 않습니다. 그래서 위처럼 3가지 입사의 경우에서 보여지듯이, 결국 circulator는 한쪽 방향으로 신호가 회전하듯이 방향성을 갖고 전달되는 것처럼 보입니다. 그래서 circle(원)이라는 어원을 가지고 circulator라는 이름이 붙었으며, 기호에서의 회전방향은 곧 포트별 전력 전달 방향을 의미합니다.

이러한 기능을 하는 circulator는 lumped element를 통한 구조로도 구현이 가능하지만, 이동통신 계열에서 가장 널리 사용되는 것은 바로 ferrite circulator(페라이트 써큘레이터)입니다. 외부 자계의 영향에 따라 내부 자구의 방향이 배열되는 연자성체 페라이트를 이용한 것으로서, 기본적인 구조는 아래와 같이 표현될 수 있습니다. (stripline 형태)

3개의 포트를 가진 금속면 위 아래(때로 한쪽 방향만 쓰기도 합니다) 에 페라이트를 위치하고, GND 금속판 다음에 그 겉으로 고정된 자석이 위치합니다. 이 고정된 영구자석은 페라이트의 자화를 일으키거나 강화/고정시키는 용도로 사용되며, 경우에 따라 영구자석 없이 페라이트만 사용되기도 합니다. 결국 이러한 circulator 동작의 핵심은 페라이트에 의한 공진패턴각의 변화입니다.

동작원리를 이해하기 위해, 가운데 metal stripline 부의 3개 포트중 port1에 전력이 입사되었다고 가정한 그림을 아래에 표시하였습니다. 그러한 경우 페라이트사이의 금속판에서의 자계공진패턴은 아래와 같습니다.

port1에서 전력이 입사되면 위의 오른쪽 그림처럼, 전자계공진패턴을 따라 port2와 port3에서는 전계의 크기가 최고점보다 약간 작은 지점의 전력크기가 추출됩니다. 즉 이상태에서는 그냥 어지중간한 전력배분기처럼 동작합니다. 이때 페라이트를 metal stripline 양쪽에 위치하여 자계 공진패턴을 30도 회전시키게 되면, 아래와 같이 특성이 확 바뀝니다!

페라이트를 이용하여 자기공진 패턴을 30도 회전시키면, 아까와는 달리 나머지 port2 와 port3에서의 동작특성이 판이하게 변합니다. port2의 경우는 아까와 똑같이 약간 작은 전계공진점에서의 전력이 추출되지만, port3은 공교롭게도 그림에서 보여지듯이 전계의 +극과 -극이 교차하는 null에 빠져 버려서 전계가 형성되지 않고 결국 전력도 추출되지 않습니다.

결국 port1에 입사된 전력은 port2에서만 추출되고 port3에서는 검출되지 않으며, port2, port3의 모든 포트에서 각각 입사되더라도 이와같이 바로 옆 어느 한쪽 포트로만 전력이 추출되고 나머지 포트로는 전력이 차단되는 circulator로 동작합니다.

Circulator는 굳이 위와 같은 stripline의 형태가 아니라 microstrip과 waveguide 형태의 회로로도 구현됩니다. 또한 가운데 금속판의 형태를 여러 가지로 변형시켜서 전체 회로 크기를 감소시키는 등 다양한 특성을 이끌어앨 수 있는데, 사용하는 전력대와 실장시 크기 등을 고려하여 어떤 형태를 쓸지 결정하게 됩니다.

결국 최종적으로 isolator는 아래와 같은 그림의 구조로 구현됩니다. 이해하기 어렵진 않지요?

Power amp, power matching 의 딜레마

엇! 웬 power amp 얘기가?? 갑자기 뜬금없다고 생각하실지도 모르지만, isolator와 power amp는 매우 밀접한 관련을 갖고 있습니다. 그러기 위해 power amp의 출력특성에 대해 아주 기초적이고도 원초적인 접근이 필요합니다. 이 부분은 power amp의 power matching이라는 쉽지 않은 테마를 이해하는데 도움이 될 것입니다. 차근차근 잘 읽어보세요!!

power amplifier(전력증폭기)는, RF 송신단의 가장 중요한 역할을 하는 핵심 부품입니다. 송신을 위해서는 높은 전력의 신호를 내보내야 하는데, 일반적인 소신호 amp들은 최대 출력전력이 작습니다. 그래서 높은 전력을 소화할 수 있도록 최종단에 많은 Tr소자들이 병렬로 연결된 증폭기이죠.

대부분의 전자전기 시스템에서는 고정된 전압의 전원을 사용합니다. 3V, 2.7V, 5V, 12.8V 등등... 이렇게 전압은 고정되어 있고, 회로에 따라 얼마나 많은 전류가 소모되는지가 결정되게 됩니다. 이렇게 고정된 전압하에서 전력을 높이려면 어떻게 해야 할까요?? 전력=전압*전류 인 것은 전자장이라면 아주 당연히 알고 있는 공식이지요. 결국 고정된 전압하에서 전력을 높인단 얘기는 사용하는 전류량이 늘어난다는 말이 됩니다. 이렇게 전류량을 늘이려면, 위의 그림처럼 Tr들을 병렬로 많이 엮여야지만, 전체 흐르는 신호의 전류량이 늘어날 것이고 그럼으로써 최대로 흐를 수 있는 전력 (=전압*전류) 도 늘어나게 됩니다.

자, 여기서 임피던스 관계를 따져볼까요? 아시다시피 교류 임피던스(Z)는 교류신호의 전압과 전류의 비 ( V / I )를 의미합니다. (정의는 무척 간단한데도 많은 분들이 어려워하는 개념이기도 하죠..)

여기서, 고정된 전압(V)상에서 전류(I)가 늘어나야 전력(P=V*I)이 늘어나며, 결국 임피던스(Z)는 작아지게 됩니다. 분자 V는 그대로이고 분모 I 가 늘어나니까요. 그래서 power amp의 출력단 임피던스는 대략 2옴 ~ 5옴 정도로, 수십옴대의 임피던스를 가지는 일반 소신호 amp에 비해 매우 작습니다. 출력단 임피던스가 작아야 같은 전압에서 더 많은 전류를 사용할 수 있으니까요. 여기서 중요한건, 대전력을 다룬다는 얘기는 결국 매우 낮은 임피던스영역을 사용한다는 점을 우선 깨닫는 것입니다.

이번엔 매칭(impedance matching)의 문제를 검토해볼까요? 증폭기로 사용되는 Tr의 고유 출력임피던스에 맞추어 매칭을 하면, 그것은 gain matching이 됩니다. 일반적인 증폭기의 출력단은 이렇게 반사(S22)를 최소화 하면서 최대 이득을 내도록 매칭되어집니다. 하지만 이렇게 이득이 최대가 되는, 즉 출력단에서의 반사계수 S22가 최소가 되는 매칭점이 최대 출력전력점은 아닙니다.

특정한 최대출력 전력을 원할 때는 power Tr의 출력단에서의 임피던스가 최대출력전력이 구현되도록 낮은 임피던스를 갖도록 매칭되어야 합니다. 즉, 원래 power Tr이 가진 고유의 출력 임피던스가 아닌, 임의의 낮은 임피던스점에다 출력 매칭소자를 매칭시켜버림으로써, 겉에서 보기엔 마치 고의적으로 miss-matching 시키는 것처럼 보입니다. 보통 매칭이란 개념은 S11,S22와 같은 각 포트별 반사계수를 최소화하는 임피던스 매칭을 의미하게 되지만, power amp에서는 고유의 출력임피던스값을 무시하고 최대출력전력을 낼 수 있는 낮은 임피던스로 억지로 매칭시키는 소위 'Power matching' 을 하게 되는 것입니다.

이렇게 되면 무엇이 문제일까요?? 최대출력 전력은 원하는 수준으로 높아질 것입니다만.. 파워매칭 자체가 원래의 S22를 최소화하는 gain matching point에서 멀어진 상황입니다. 다시말해서 S22가 나빠지게 되는 상황이 발생하게 됩니다. Power amp의 output VSWR이 좋지 않은 것은 바로 이 이유 때문입니다. 원래부터 S22를 가장 좋게 하는 매칭점에서 멀어져있으니까요.

이것을 이해하기 쉽게 예를 들어보도록 하겠습니다.
어떤 BJT Tr 하나가 있고 그것의 고유 입출력 임피던스는 아래와 같다고 가정하겠습니다.

이것이 최대로 흐를 수 있는 전류가 10mA이므로, 1A의 전류를 흘릴 수 있도록 100개를 병렬로 연결하였습니다. 그로 인해 동일전압상에서 더 많은 전류를 흘릴 수 있어서 더 높은 전력을 구현할 수 있게 되었으며, 그것의 고유임피던스는 아래와 같이 되었습니다.

자, 위와 같이 같은 임피던스의 Tr을 병렬로 죽~ 붙였으니 당연히 전체Tr묶음의 임피던스도 낮아지게 됩니다. 이 경우 위에서 보여진 고유의 출력 임피던스 7-j3 에 매칭한 경우는 아래와 같이 S22가 최소화될 것입니다.

자. 하지만 power amp의 주요 목적은 최대이득을 구현하는게 아니라 최대출력전력을 구현하는 것입니다. 그러므로 이 Tr 묶음에 대해 load-pull test를 하여 최대 출력 전력점이 어딘지 알아내야 합니다. load pull 이란 말그대로 Tr의 출력임피던스를 일일이 바꾸어가면서 P1dB,선형성 등이 어떻게 변하는지 조사해내는 졸라 무식한, 그러나 가장 효과적인 test방법입니다. 이러한 power 특성은 모든 Tr마다 다르기 때문에, Tr의 모델이 있다고 해서 출력 임피던스에 따른 전력특성을 수식적으로 유추해낼 수도 없기 때문에 이런 무식한 방법이 동원되는 것이지요. 여하튼 이런 노가다 후에 아래와 같이 최대 출력전력이 나오는 임피던스점을 찾았습니다.

이것은 저 위에 계산된 Power Tr의 고유 임피던스와 다릅니다. 하지만 이렇게 찾은 최대출력전력 임피던스점 4+j0 에 매칭되도록 출력 매칭소자를 바꾸면 아래와 같은 특성을 나타냅니다. S22는 많이 나빠지지만, P1dB는 4dB가 올랐습니다.

이것이 바로 power matching이라는 것입니다. 이렇게 최대출력전력이 구현되는 임피던스점을 load-pull로 찾아서 그에 맞추어 power matching을 해주면 그냥 gain matching했을 때보다 훨씬 높은 최대출력전력이 구현됩니다. 그러나 S22가 최적화되지 못하기 때문에 필연적으로 output VSWR 특성은 나빠질 수밖에 없습니다. 또한 최근의 CDMA 시스템과 같은 경우는 loadpull을 좀더 복잡하게 체크해서 최대의 선형성, 최대의 효율, 최대의 출력전력 등을 동시에 맞추는 최적의 임피던스값을 찾곤 합니다.

말이 너무 길었는데, 여기서 가장 중요한 사실은 여러모로 power amp의 출력단 반사계수가 신통치 않을 수밖에 없다는 것입니다. 가능하면 제대로 이해했으면 하는 부분이라 일부러 자세히 설명하였습니다. 그럼 이렇게 출력단 반사계수가 신통치 않은 문제가 과연 isolator와 무슨 관련이 있단 말이라굽쇼??

Power amp + Isolator

Isolator가 주로 사용되는 부위는 바로 송신부의 power amp 뒷단입니다. 송신부이기 때문에 신호를 밖으로 내보내기만 해야지, 밖에서 들어온 외부신호가 power amp 출력쪽으로 역으로 들어가서는 안되는게 당연하겠지요. 이렇게 만에하나 역으로 신호가 유입되는 경우 PA단에서 불필요한 혼변조(intermodulation)을 일으켜서 시스템 선형성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 그렇게 되면 결과적으로 통신변조성능이 떨어져서 에러율도 높아지기 때문에, 역유입 신호는 어떻게든 막아야 좋습니다.

isolator는 이렇게 역으로 들어오는 신호로부터 power amp를 보호하고, 그를 통해 시스템의 성능개선과 안정성을 보호하기 위한 용도로 널리 애용되게 됩니다. 만약 송신부에 isolator가 없는 경우는 어떻게 불안한지 한번 생각해볼까요?

위 그림과 같이, power amp 출력단에 바로 duplexer가 붙고 그다음에 antenna가 붙을 것입니다. 그런데 저 위에서 중요한 것 한가지가 지적되었죠! 바로 power amp 출력단의 S22가 나쁘다는 것입니다. 출력단 반사계수가 나쁘다는 얘기는 결국.. power amp뒷단의 임피던스 변화에 따라 반사계수량이 심하게 영향 받을 수 있다는 점입니다. 즉 power amp 출력단이 완전히 50옴 매칭되어 있지 않기 때문에, 그 뒷부분에 duplexer나 antenna를 연결할 때 주의를 요하게 됩니다.

특히 단말기의 경우, duplexer까진 기판에 실장되어 있으니 괜찮지만, antenna는 밖에 나와있고 또한 대부분 나사식으로 사용자가 분리시킬 수 있다는 게 문제가 됩니다. 많은 사람들이(저 포함 -.-;) 핸드폰의 안테나를 뽑아서 귀후비개로 사용한다던지 하는 행동을 함으로써, 안테나부의 임피던스가 심하게 바뀔 수도 있게 됩니다.

이렇게 되면 안그래도 나쁜 power amp의 S22를 더욱 안좋은 쪽으로 끌고가 버려서.. power amp 자체가 내던 출력 power가 거의 power amp 출력단쪽으로 역반사되서 돌아오는 최악의 케이스까지 발생할 수 있게 되어버립니다. 한마디로 이상황에선 지금 최종단의 임피던스변화에 따라 power amp의 동작에 지대한 영향을 미칠 수도 있다는 것입니다. 그렇다면 이제 이 송신부에 isolator를 장착해볼까요?

isolator는 어떻게 보면 일종의 전력회전성 coupler로서, 입출력 포트의 임피던스가 어떤 값이 오던간에 어느 정도 매칭이 되어 버리는 특성을 갖고 있습니다. 다시말해서 그냥 갖다 붙여도 반사계수를 최소화하면서 모든 포트에서 전력흐름이 원활해진다는 것입니다. 이로 인해 isolator 앞단과 뒷단의 임피던스 관계가 분리가 되어버립니다.

그래서 출력쪽의 duplexer나 antenna의 특성에 power amp가 영향받지 않게 되고, power amp의 S22는 항상 일정해져서 특별히 반사량이 늘어나고 하는 일이 발생하지 않습니다. 한마디로 power amp의 동작이 아주 안정화된다는 것이지요.

output VSWR이 뭉개지면..

이러한 power amp 출력단의 반사계수 변화는 power amp 자체의 수명과도 연관이 있습니다. 안그래도 나쁜 output VSWR인데 출력임피던스변화에 의해 그것이 더 나빠진 경우, 어떤 일이 벌어지느냐를 이해하는 것은 중요한 문제입니다.

VSWR(voltage standing wave ratio)는 출력단에서의 반사계수에 따라 얼마만한 고정전압 파형이 존재하느냐를 나타내는, 반사계수(S11,S22)의 또다른 표현법입니다. (아래 수식참조)

반사계수

즉 VSWR이 높을수록 반사계수가 크고, 출력단에 고정적으로 잡힌 전압이 높다는 의미가 됩니다.

그래서 이렇게 VSWR이 심하게 나빠지기 시작하면 출력쪽의 VSWR 전압에 큰 전력의 출력신호 자체의 전압이 더해져서 더더욱 기형적으로 높은 전압을 형성하는 경우가 생겨버립니다.

하지만 power Tr마다 출력단에서 견딜 수 있는 최대 전압값이 존재하며, 소위 말하는 break down voltage가 그것입니다. BJT의 경우 출력단의 최대전압능력은 BVce 로 표현되며, 이것은 Breakdown Voltage collector-to-emitter를 의미하게 됩니다.

Power amp로 애용되는 Tr들은, 기본적으로 이러한 출력 breakdown voltage가 최대전력신호의 전압크기보다 더 큰 (물론 마진을 가지도록) 것들을 사용하게 됩니다.

하지만 저 위에 설명했던 것처럼, 출력쪽에 VSWR이 높아져서 고정된 높은 전압을 형성하고, 거기에 신호전압이 더해져서 전체 전압이 순간적으로 peak를 치게 되는 경우.. 운나빠서 breakdown voltage를 넘어가면서 power Tr을 박살내는 경우가 발생할 수 있습니다.

결국 power amp의 나쁜 output VSWR을 더 나쁘게 만들고 불안정하게 만들 소지를 제거하기 위해서는 isolator가 최고의 대안이 됩니다.

Isolator, 있으면 좋긴 한데..

이렇게 보면 모든 RF 송신단에 isolator를 사용하면 좋을 것처럼 보입니다. 하지만 사실 알고 보면.. 그렇습니다. (-_-a?) 하지만 모든 RF 송신단에서 isolator를 사용하지는 않습니다. 바로 단가상승과 면적차지에 따른 부담이라는 시장논리가 가장 큰 이유입니다.

거의 모든 RF시스템에서, 시스템 신뢰성을 가장 좌우하는 부품은 단연 power amp입니다. 워낙 높은 전력을 다루고, 효율에 따라 열방출 또한 심하며, 시스템에서 가장 많은 전원을 소모하기 때문에 가장 맛가거나 죽을 가능성이 크기 때문이지요. 그래서 이러한 power amp의 생명연장을 돕기 위해 isolator를 쓰긴 하지만 때론 power amp보다 isolator가 더 비싼 (배보다 배꼽이 크다-) 일도 생깁니다. 그쯤 되면 단가문제를 고려해서, power amp가 견딜만~ 하면 isolator는 가능하면 빼고자 하게 됩니다.

결론적으로 power amp 뒷단에 isolator를 쓰면 안정성이야 좋아지지만, 여러 부담 때문에 빼는 경우가 많습니다. 기지국과 같은 경우는 워낙 대전력을 다루고, power amp가 고가이다 보니 조금 비싸도 isolator를 많이 사용하게 됩니다. 하지만 단말기와 같은 경우는 단가경쟁과 면적싸움이 워낙 심해서, 최근에는 isolator를 사용하지 않아도 되는 PAM(power amp module)이 자리를 잡았습니다.

최근의 단말기용 PAM내의 chip 내부에는 output VSWR이 아주 나빠져서 심하게 큰 전압파형으로 되돌아오더라도 높은 전압파형을 잘라주는(clamping)회로가 내장되어 있습니다. 그로 인해 여전히 PAM이 썩 좋지 않은 output VSWR을 갖고 있음에도 불구하고 isolator부재에 의한 악영향을 최소화시키고 있습니다.

기타 그 외에 위성시스템 등등에서도 대전력 power amp의 보호를 위해 waveguide circulator를 이용한 isolator를 사용하기도 하고, 여러 RF 시스템의 송신부에서 널리 사용되고 있습니다.

결론

RF 시스템 송신단에 isolator를 도입함으로써

① 역방향으로 들어오는 전력을 제거, 불필요한 혼변조를 막아서 통신변조성능을 강화시킵니다.
② power amp 출력단의 나쁜 output VSWR을 보정해줌으로써 소자파괴를 막아줍니다.
③ 뒷단 외부 소자(duplexer, antenna)에 대한 민감도를 떨어뜨려서 PA동작을 안정화시킵니다.

isolator의 역할을 제대로 알려면 power amp에 대한 문제도 어느정도 알고 있어야 하는 이유를 이제 이해하셨으리라 생각됩니다. Isolator를 구현하는 circulator에 대한 전문서적은 아래의 한권으로 집약됩니다. 관심이 많으신 분이라면 구해서 읽어보시길.. ^^;

▶ Microwave Circulator Design  Linkhart / Artech House

[DS2WWB(맥가이버)]

배꼽이 보이내유.............