Isolator와 Circulator의 역할과 차이

최근에 하모닉과 관련된 씨름을 하면서 써큘레이터에 대해서 공부를 하게 되었습니다. 대략적인 내용 정리하고 공유드리려 합니다. CIRCULATOR와 ISOLATOR의 역할과 차이점에 대해 간단하게 알아보겠습니다.

 

 

1. Isolator와 Circulator의 역할과 차이

1) Isolator(아이솔레이터)

Isolator는 2 포트 장치로, RF신호를 단방향으로만 전달합니다. 이 장치는 입력 포트에서 출력 포트로만 전력이 흐르도록 설계되어 있어, 반대 방향의 전력이 되돌아오는 것을 막아 신호의 반사와 간섭을 줄입니다. 

 

2) Circulator(써큘레이터)

Circulator는 RF신호를 회전 방향으로만 전달하는 비대칭적인 3 포트 장치입니다. 안테나를 공유하여 송신 및 수신을 동시에 수행할 수 있게 합니다. Circulator에서 3번 포트에 종단저항을 달면 Isolator와 동일한 역할을 합니다.

isolator와 circulator 기호

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Circulator의 회전 방향으로 신호를 전달한다는 것의 의미가 이해하기 힘들다면 아래 포스팅을 참고하세요. 포트 간 삽입손실과 격리도를 측정하는 방법을 나름대로 순서대로 작성한 글입니다.

2022.11.11 - [직무지식/Datasheet 읽기] - RF CIRCULATOR 삽입손실, 아이솔레이션 측정(Network Analyzer사용)

 

 

사용되는 예시 - 아이솔레이터

아이솔레이터 사용 방법

현재는 위 이미지는 송신만 고려가 되어있는데 안테나에서 수신도 받아서 처리하는 송수신 장치라면 써큘레이터를 장착하여 수신 신호를 처리하는 시스템 설계를 추가할 수 있게 됩니다.

 

 

2. 선택 시 고려해야 할 데이터

써큘레이터와 아이솔레이터를 고를 때, 회로를 해석할 때 확인할 수 있는 주요 파라미터는 뭐가 있을까요?

 

① 작동 주파수 범위(Frequency Range) : 선택한 장치가 작동해야 하는 주파수 범위를 확인

② 삽입 손실(Insertion Loss) : 신호가 장치를 통과할 때 발생하는 손실, 낮을수록 좋음

③ 격리도(Isolation) : 장치에서 신호가 역방향으로 흐르는 것을 얼마나 잘 차단하는지를 나타내는 값

※ISOLATOR의 경우 높은 격리가 필요하며, CIRCULATOR의 경우 회전 방향에 따른 isolation 확인 필요하며 격리도는 높을수록 좋음

④ 반사 손실(Return Loss) : 장치의 입력 및 출력 포트에서 반사되는 전력을 나타내는 값.  높을수록 좋음

⑤ 전력 처리 능력(Power Handling 또는 Average power) : 장치가 안전하게 처리할 수 있는 최대 전력(또는 평균전력). 시스템에서 예상되는 전력 수준에 따라 적절한 장치를 선택할 필요가 있음.

⑥ 온도 범위(Temperature Range) : 장치가 안정적으로 작동할 수 있는 온도 범위. 작동 환경에 따라 온도 특성 고려

⑦ 크기 및 형태(Size and Form Factor) : 아이솔레이터와 서큘레이터는 크기가 큰 편이므로, 제품의 타깃 사이즈와 pcb 사이즈에 따른 장치의 크기와 형태를 고려해야 함.

 

3. 고찰

사기업에서 Isolator와 Circulator를 잘 쓰지는 않습니다. 왜 그럴까요? 바로 비용적 측면 때문입니다. 원가절감이 필수적으로 들어가야 할 하드웨어 설계에서 아이솔레이터는 너무 비싸서 그렇죠. 그래서 요즘에는 PAM으로 종단 amp를 가져가는 추세입니다. 이런 설명들이 대부분 rfdh에 나와 있기 때문에 읽어보면 좋을 듯합니다.

 

하지만 방산회사에서는 실제로 많이 사용합니다. 왜냐하면 가격보다 성능과 안정성이 더 중요하기 때문이죠. 아이솔레이터나 써큘레이터를 쓰면 50옴 매칭까지 자동(?)으로 되는 장점도 있습니다.

 

그리고 isolator와 circulator의 역할은 신호 역류 방지가 주된 이유죠. 그러다 보니 Power Amp 뒷단에 많이 사용됩니다. 

그렇다면 AMP로 신호가 역류하면 안 되는 이유가 무엇일까요? 바로 PA의 출력단이 Low Impedance이기 때문입니다. amp 출력단이 Low Impedance인 이유는 P=VI로 설명할 수 있습니다. P=v^2/R로 출력단에 저항값이 작다면 비교적 낮은 전압으로 높은 출력을 낼 수 있기 때문입니다.

 

 

여기서 문제가 생깁니다. 신호가 반사되는 PA 종단에서 임피던스가 낮기 때문에 반사파의 영향을  더 크게 받게 됩니다. 그로 인해 intermodulation이 생기거나 변조된 신호가 제대로 전달되지 못하는 등 통신 품질을 떨어트릴 수 있습니다. 이 현상이 심해지면 PA가 버틸 수 있는 파워를 넘겨서 AMP가 죽을 수도 있겠죠. 이러한 이유로 Isolator와 Circulator를 AMP 보호 목적으로 사용한다고 이해하면 좋겠습니다.

 

 

여기까지 읽어주셔서 감사합니다. 이상으로 오늘의 포스팅 마무리하겠습니다.

매일 1을 쌓는 삶을 살자.