주파수 독립형 프로그래머블 비반향 다포트 네트워크 설계

본 논문은 마이크로파 및 무선 통신 시스템에서 필수적인 비반향 네트워크를 주파수에 구애받지 않고 구현할 수 있는 새로운 설계 프레임워크를 제시한다. 기존의 비반향 소자는 주로 페라이트 재료에 자기 편향을 가하거나, 시간 변조를 통해 모멘텀 바이어스를 제공함으로써 비반향을 얻었다. 그러나 이러한 방법들은 모두 특정 주파수 대역에 제한되며, 포트 수가 늘어날수록 구조가 복잡해지고 프로그래머블성이 떨어진다. 저자들은 ‘2N‑포트 프레임워크’를 도입한다. 이 프레임워크는 N개의 동일한 지연선(시간 지연 δ)과 2N개의 단극 단투 스위치(SPST)로 구성된다. 각 포트는 모든 지연선에 연결되지만, 스위치 제어 파형 C(t,m,n)으로 정확히 하나의 스위치만 특정 시간에 열리게 함으로써 입력 신호를 시간 도메인에서 순차적으로 N개의 지연선에 멀티플렉싱한다. 반대쪽 포트에서는 동일한 지연선에 대해 δ만큼 지연된 제어 파형을 적용해 디멀티플렉싱을 수행한다. 결과적으로 포트 m에서 발생한 신호는 오직 포트 m+1으로만 전달되고, 역방향 전송은 스위치가 모두 꺼져 차단된다. 이 과정은 전파의 위상보다 시간 지연에만 의존하므로, 이론적으로 주파수에 무관한 비반향 특성을 제공한다. 수학적으로는 스위치 제어 파형을 Heaviside 단계 함수로 표현하고, 주기 2Nδ, 듀티 사이클 1/N을 갖는 정사각파 형태로 정의한다. j = mod(m+2n‑2, 2N) 식을 통해 각 포트‑지연선 조합에 대한 스위치 개방 시점을 결정한다. 이상적인 스위치(무한히 빠른 전환, 무손실)와 무분산 지연선이 가정될 경우, 삽입 손실·반사 손실·아이솔레이션 모두 무한대로 이상적인 성능을 달성한다. 실험적 검증을 위해 4‑포트 순환기를 구현하였다. 지연선은 로저 듀로이드 6010.2LM 기판 위에 메이저링 마이크로스트립 구조로 제작되어 총 그룹 지연 10.5 ns(δ≈10.5 ns)를 제공한다. 스위치는 Minicircuit MSW‑2‑20+ 모델을 사용해 2 ns 전환 시간, 온‑상태 저항 3 Ω, 오프‑상태 저항 60 kΩ를 갖는다. 스위치 제어 클록은 23.8 MHz(주기 42 ns)이며, 포트 간 타이밍 오프셋은 10.5 ns로 정확히 맞춰졌다. ADS 시뮬레이션에서는 0‑0.9 GHz 대역에서 30 dB 이상의 아이솔레이션과 3 dB 정도의 삽입 손실을 예측했으며, 실측에서는 10 MHz‑0.9 GHz 구간에서 평균 삽입 손실 5.1 dB, 인접 포트 간 아이솔레이션 35 dB, 대각 포트 간 20 dB를 달성하였다. 고주파에서 성능 저하는 지연선의 색산과 임피던스 불일치에 의한 다중 반사에 기인한다. 프레임워크의 주요 장점은 다음과 같다. 첫째, 비반향 특성이 시간 지연에만 의존하므로 스위칭 주파수와 비반향 대역폭이 독립적이다. 이는 낮은 스위칭 주파수(예: 23.8 MHz)만으로도 수백 MHz 대역의 비반향을 구현할 수 있음을 의미한다. 둘째, 포트 수를 2N으로 늘릴 때마다 지연선 하나와 2N개의 스위치만 추가하면 되므로 구조적·성능적 대칭성을 유지하면서 확장이 가능하다. 기존에 3‑포트 순환기를 다수 연결해 다포트 네트워크를 구성하는 방식에 비해 부품 수와 손실이 크게 감소한다. 셋째, 스위치 제어 파형을 재배열함으로써 포트 간 순환 순서를 자유롭게 바꿀 수 있다. 이는 S‑매트릭스의 상위·하위 서브매트릭스에 대한 순열을 통해 2N‑포트 시스템에서 (2N‑1)! × P(N‑1, N‑1)개의 비반향 상태를 생성할 수 있음을 수식으로 증명한다. 즉, 포트 수가 증가할수록 프로그래머블 상태가 기하급수적으로 늘어나, MIMO 시스템에서 동적 채널 매칭이나 다중 사용자 스케줄링 등에 활용 가능하다. 하지만 실현상의 제약도 존재한다. 지연선은 실제로는 약간의 색산을 가지고 있어 고주파에서 정확한 시간 동기화가 어려워진다. 스위치의 전환 시간과 온/오프 저항 역시 이상적인 무손실 스위치와는 차이가 있어 삽입 손실이 발생한다. 또한, 전체 시스템의 그룹 지연이 기존 페라이트 순환기에 비해 수십 나노초 정도 길어지므로 레이더와 같이 타이밍에 민감한 애플리케이션에는 부적합할 수 있다. 고품질의 무분산 지연선(예: 초음파 또는 표면파 기반)과 빠른 전환 스위치를 사용하면 이러한 한계를 완화할 수 있다. 결론적으로, 이 논문은 스위치와 무분산 지연선을 이용한 시간 도메인 멀티플렉싱/디멀티플렉싱 방식으로 주파수 독립적인 비반향 네트워크를 구현하는 새로운 패러다임을 제시한다. 4‑포트 순환기의 실험적 검증을 통해 프레임워크의 실용성을 입증했으며, 확장성, 프로그래머블성, 낮은 클록 요구사항 등 여러 장점을 통해 차세대 5G·6G MIMO 시스템 및 풀‑듀플렉스 라디오, 양자 정보 처리 등에 적용 가능성을 열어준다.