차동 스페이시오템포럴 변조 기반 의사선형 무자성 순환기

본 논문은 무자성 비가역(Non‑reciprocal) 소자를 구현하기 위한 새로운 접근법을 제시한다. 기존의 자기 편향 순환기는 희귀 자석을 사용해 부피가 크고 비용이 많이 들며, 반도체 공정과 호환되지 않는다. 최근에는 트랜지스터 기반 능동 순환기와 선형 주기적 시변(LPTV) 회로가 제안되었지만, 전자 잡음과 전력 처리 한계가 심각했다. 특히, 스페이시오템포럴 변조(STM) 방식을 이용한 순환기는 저주파 변조 신호와 RF 신호의 혼합으로 인해 강한 상호변조(IM) 스퍼가 발생하고, 이를 억제하기 위해 높은 변조 전압(>10 Vpp)과 높은 변조 주파수가 필요했다. 이러한 요구사항은 CMOS와 같은 소형 공정에 부적합하고, 전력 소비와 회로 복잡성을 크게 증가시켰다. 이에 저자들은 두 개의 단일종( SE) STM 순환기를 차동으로 결합하는 구조를 고안하였다. 각 SE 순환기는 3개의 1차 LC 탱크를 Δ(밴드스톱) 혹은 Y(밴드패스) 토폴로지로 연결하고, 120° 위상 차를 갖는 변조 신호를 가해 각 탱크의 공진 주파수를 시간에 따라 변조한다. 핵심 아이디어는 두 SE 순환기의 변조 위상을 180° 차이(반위상)로 설정함으로써, 각각에서 발생하는 IM 성분이 서로 반대 부호를 갖게 하여 포트에서 완전 소멸시키는 것이다. 전압‑모드 구현에서는 Δ 토폴로지와 차동 balun을 이용해 두 SE 순환기의 공통 전압을 차단한다. 변조 신호는 balun을 통해 반위상으로 공급되며, RF 포트는 차동 전압원으로 모델링된다. 전류‑모드 구현은 Y 토폴로지를 사용하고, 두 SE 순환기의 포트를 직접 연결해 공통 전류를 차단한다. 두 경우 모두 기본 RF 성분은 위상이 일치해 합성적으로 강화되지만, IM 성분은 짝을 이루어 완전 소멸한다는 점이 동일하다. 논문은 전압‑모드 토폴로지를 중심으로 소형 신호 모델을 전개한다. 변조 신호를 포함한 LC 탱크의 동적 임피던스를 행렬 형태로 표현하고, 차동 포트와 공통 포트를 분리해 각각의 모드(공통, 차동) 전압·전류 관계를 도출한다. 이를 통해 S‑파라미터를 명시적으로 구할 수 있으며, 변조 진폭 m·V와 변조 주파수 m·f가 S‑파라미터에 미치는 영향을 정량화한다. 특히, 1차 및 3차 고조파는 완전 소멸하고, 2차 고조파만이 남지만 포트 임피던스가 무한(전압‑모드) 혹은 영(전류‑모드)으로 설계되어 외부로 방출되지 않는다. 결과적으로 출력 스펙트럼은 기본 주파수와 짝수 배수 고조파(2m·f, 4m·f …)만을 포함한다. 이러한 차동 구조는 변조 파라미터를 크게 완화한다. 실험에서는 변조 주파수를 기존 설계 대비 2~3배 낮추고, 변조 전압을 5 Vpp 이하로 감소시켰다. 이는 CMOS와 같은 소형 공정에 적합한 수준이다. 또한, 변조에 의한 손실이 감소하면서 삽입 손실은 1 dB 이하, 매칭 VSWR≈1.2, 3 dB 대역폭≈10 % 이상, 잡음지수(NF)≈2 dB를 달성했다. 이는 기존 SE STM 순환기의 최소 3 dB 삽입 손실과 높은 변조 전압 요구사항을 크게 뛰어넘는 성능이다. 시뮬레이션과 실험 결과는 설계 모델과 일치했으며, 측정된 S‑파라미터는 전방향 전송(Port 1→Port 2)에서 -0.8 dB, 반대 방향(Port 2→Port 1)에서 -30 dB 이상의 차단을 보여준다. 또한, 전압‑모드와 전류‑모드 두 토폴로지 모두 동일한 pseudo‑LTI 특성을 보이며, 선택적으로 구현이 가능함을 확인했다. 결론적으로, 차동 STM 순환기는 IM‑프리 pseudo‑LTI 동작을 통해 전통적인 자기 편향 순환기의 장점을 유지하면서도, 변조 전압·주파수 요구사항을 크게 낮추고, 삽입 손실·대역폭·잡음지수 등 주요 성능을 개선한다. 이는 차세대 풀‑듀플렉스 무선 시스템, 위성 통신, 레이더 등에서 고성능 비가역 인터페이스를 구현하는 데 중요한 기술적 진보를 제공한다.