스위치식 음향 지연선 기반 무반향 RF 네트워크

초록

본 논문은 저손실 리튬니오베이트(SH0) 음향 지연선을 스위칭하여 구현한 4포트 RF circulator를 제시한다. 877 kHz의 낮은 스위칭 주파수로 155 MHz 중심 주파수에서 8.8 % 대역폭을 확보했으며, 삽입 손실 6.6 dB와 25.4 dB의 아이솔레이션 차이를 달성했다.

상세 분석

이 연구는 기존 전자기 기반 비가역 소자들이 요구하는 고주파 스위칭과 큰 면적 문제를 회피하기 위해, 시간 지연을 물리적으로 구현하는 음향 지연선에 초점을 맞춘다. 저손실 LiNbO₃ 기판 위에 SH0 전파 모드와 단일 위상 편향 트랜스듀서(SPUDT)를 이용해 0.5 µs 수준의 큰 지연을 구현했으며, 이는 스위칭 주파수를 1 MHz 이하로 낮출 수 있게 한다. 스위치 모듈은 4개의 MOSFET 기반 전자 스위치를 2‑phase 로직으로 구동해, 두 개의 지연선 사이에 시간 순서를 부여한다. 이때 비가역성은 ‘시간‑공간 매핑’ 원리를 이용해 입력 포트와 출력 포트 사이에 비대칭적인 전송 경로를 만들면서, 동일한 경로를 역방향으로는 차단한다. 이론적 모델링에서는 삽입 손실이 지연선의 삽입 손실, 스위치 온 저항, 매칭 네트워크 손실로 구성됨을 밝히고, 고조파 응답은 스위칭 신호의 비정현성에 의해 발생하는 사이드밴드가 주요 원인임을 분석한다. 시뮬레이션은 시간 영역 전송 라인 모델과 스위치 비선형 모델을 결합해 수행했으며, 실험 결과와 0.5 dB 이내의 오차를 보였다. 특히, 25.9 dB의 내부 변조 톤 억제와 30 dBm의 3차 인터셉트 포인트(IIP3)를 달성함으로써, 고선형성 및 낮은 잡음 특성을 동시에 만족한다는 점이 주목할 만하다. 전체 시스템은 모듈식 설계로, 지연선 모듈 하나와 스위치 모듈 두 개만으로 구성되어 향후 집적화와 비용 절감에 유리한 구조를 제공한다.